ECLAIRE: Ein modulares Flugzeug für Studium und Lehre

So verschieden die Faserverbund-Vollschale und die klassische Skelettbauweise sind, eines haben sie gemeinsam: Tragstruktur und Außenhaut sind eng miteinander gekoppelt. Eine andere Kontur zieht Eingriffe in die Struktur nach sich und zwingt dazu, den Rumpf neu zu fertigen.

Bei einer Vollschale schließt das die Negativform ein, die selbst der aufwendigste Teil der Fertigung sein kann. Für ein Luftfahrzeug, das umgerüstet werden soll, ist genau das die entscheidende Einschränkung.

Eine Plattform, deren Rumpf sich nur über Formenbau ändern lässt, ist keine Plattform. Sie ist ein fertiges Flugzeug.

Die tragende Rumpfstruktur ist ein Skelett aus drei Millimeter starkem Birkensperrholz. Ihr Herzstück ist ein Vierkant-Hohlprofil, das die Schnittlasten aufnimmt. An ihm sitzen zwei Tragrahmen für die Flügelanbindung sowie die Aufnahmen des Fahrwerks.

Die äußere Form gibt eine im FDM-Verfahren gedruckte Verkleidung aus PETG. Sie übernimmt keine Funktion innerhalb der Primärstruktur. Sie trägt ihr Eigengewicht und die Luftkräfte auf ihrer Oberfläche und leitet diese in das Skelett ein.

Verbunden sind beide über drei fest definierte Schnittstellen. Deren Geometrie darf nicht verändert werden. Außerhalb dieser Schnittstellen lassen sich die Verkleidungssegmente anpassen und neu drucken, solange ihre maximal zulässige Masse nicht überschritten wird. Innerhalb dieser Grenzen bleibt die tragende Struktur unverändert.

Für die strukturelle Auslegung wurde die CS-VLA herangezogen, eine Zertifizierungsspezifikation aus der bemannten Luftfahrt. Sie gibt konkrete Lastfälle mit Zahlenwerten vor, die sich unabhängig prüfen lassen. Nachvollziehbarkeit ist auf einer Plattform für die Lehre kein Beiwerk, sondern Teil des Produkts.

Reduziert auf 14 Lastfälle bildet die Rechnung das Betriebsspektrum ab: maximale Lastvielfache im Flug mit Böenbelastungen, Landestoß und Rollen am Boden. In der Berechnung wurde ein Sicherheitsfaktor von 1,5 berücksichtigt.

Die Lastfälle werden mit einem eigens entwickelten analytischen Auslegungsrechner ausgewertet. Er arbeitet parametrisch, sodass sich dieselbe Auslegung für andere Missionen einer vergleichbaren Größenklasse wiederholen lässt.

Sämtliche analytisch geführten Nachweise erfüllen die definierten Kriterien, obwohl der Querschnitt nicht allein auf Festigkeit optimiert wurde, sondern auch auf die Integration von Nutzlast und Avionik.

Zwei Anforderungen bestimmen die Konstruktion: Die Verkleidung muss sich segmentweise austauschen lassen und darf keine Funktion in der Primärstruktur übernehmen. Sonst wäre die Trennung zwischen Tragen und Formen aufgehoben.

Von vier verglichenen Filamenten fiel die Wahl auf PETG. Es ist ausreichend temperatur- und UV-beständig, schlagzäh und verzugsarm. Gedruckt wird ohne Stützstruktur. Dadurch stehen die Segmente vertikal auf dem Druckbett und die Bauhöhe des Druckers wird zur maßgebenden Grenze.

Daraus ergibt sich eine Verkleidung aus acht Segmenten. Ihre Aufteilung folgt der verfügbaren Bauhöhe, der Druckorientierung und den Positionen der Schnittstellen.

Dünne freistehende Kanten erhalten mitgedruckte Stabilisierungsstege, die nach dem Druck abgeknickt werden. Sie sind direkt im CAD konstruiert und werden nicht erst vom Slicer erzeugt.

Die Bauteile des Skeletts werden mit dem Schneidlaser zugeschnitten. Bis auf die Wände des Vierkant-Hohlprofils stammen sie aus einer einzigen handelsüblichen Sperrholzplatte von 600 auf 600 Millimetern.

Wenn die Platte vom Laser kommt und die Konturen zum ersten Mal sichtbar werden, liegt da plötzlich etwas, das man in die Hand nehmen kann. Für mich ist das in allen Projekten einer der schönsten Momente.

Die eigentliche Herausforderung war nicht der Zuschnitt, sondern die Montage. Die tragenden Lagen der Tragrahmen bleiben bewusst ungeschwächt und tragen deshalb weder Verzahnungen noch Nuten. Damit positionieren sich die Bauteile während der Montage nicht von selbst.

Dafür entstanden gedruckte Montagevorrichtungen, die jedes Teil während des Verklebens in seiner Lage halten.

Die Materialkosten für den gesamten Rumpfrohbau einschließlich Rohmaterialien und Klebstoff betrugen weniger als 100 Euro. Gebraucht wurde außerdem kein Urmodell, keine Negativform, kein Autoklav, keine Vakuumtechnik und kein staubfreier Arbeitsplatz. Genau diese Infrastruktur ist für studentische Projektgruppen häufig die eigentliche Hürde, nicht das Material und nicht das Können.