Rigid 10K Resin als perfekte Lösung für den Windkanal von Texas A&M

Foto mit Genehmigung von Texas A&M Wind Tunnel

Windkanaltests sind ein wichtiger Teil des sogenannten Wind Engineering und liefern die nötigen Druckmessungen für Designs. Am Texas A&M Oran W. Nicks Low Speed Wind Tunnel (Niedergeschwindigkeitskanal Oran W. Nicks an der Universität Texas A&M) werden Windkanaltests für Projekte aus vielen Bereichen durchgeführt, vom Bachelorstudium über die Ingenieursforschung bis hin zu kommerziellen Tests. Dazu gehören Fahrräder mit Fahrer, Golfschläger, Lichtmasthalterungen, Flugzeuge, Wiedereintrittsfahrzeuge und mehr.

Lisa Braun, Managerin und Ingenieurin am Texas A&M Wind Tunnel, hilft Kunden dabei, ihre Testpläne zu entwickeln, Modelle zu designen und den Code zu erstellen, mit dem relevante Daten gesammelt werden können. Bei Windkanaltests macht die Auswahl des richtigen Materials den Unterschied zwischen einem einwandfreien Test und einem recht mühseligen. Brown und ihr Team interessierten sich für Rigid 10K Resin von Formlabs, um Teile am NASA-Flugzeugmodell für einen Test zu ersetzen.

Am Texas A&M Wind Tunnel wird es nie langweilig. Brown erinnert sich an ein Projekt, bei dem das Team sich mit einem klappernden Hubschrauber-Rotorblatt befasste und 3D-Druck in den Test integrierte. „Wir waren bei weniger als der Hälfte der Schallgeschwindigkeit“, so Brown. „Aber wenn wir schneller wurden und die Rotorblätter schnell genug schlugen, gingen Schockwellen von der Anströmkante der Rotorblätter aus. Das ist bei einem Hubschrauber eher weniger erwünscht. Wir konnten diese Schockwellen in unserem Niedergeschwindigkeitskanal beobachten, was schon spannend war. Der 3D-Druck gehörte auch zu diesem Test. Wir hatten einen kleinen, gedruckten Einsatz mit Sensoren an dieser Anströmkante. Beim ganzen Modell handelte es sich also um ein Aluminiumrotorblatt mit diesem kleinen Einsatz, den wir austauschen konnten.“

Da das Team beim Texas A&M Wind Tunnel mit Kunden verschiedener Branchen und vielfältigen Anwendungen arbeitet, muss es flexibel sein. „Die Luft- und Raumfahrtsunternehmen suchen in der Regel eine grobe Einstufung des Flugzeugs“, so Brown. „Sie betrachten also unterschiedliche Phasen der Konstruktion. Sie fangen mit einem einzelnen Flugzeugrumpf an und fügen dann Tragflächen und schließlich das Heck hinzu. Dann sieht man sich die Kraft-/Momenteffekte dieser einzelnen Teile an. Danach sieht man sich die Stabilität und Steuerung des Flugzeugs insgesamt an. Wie gut wird es sich fliegen lassen? Wie wird es in bestimmten Situationen reagieren? Können spezielle Sensoren verwendet werden, um die Festigkeit der Heckflosse zu bestimmen? Welchen Belastungen ist nur die Heckflosse ausgesetzt? Alle diese Daten können sie sammeln und sich überlegen, wie sie den Schnittpunkt herstellen, sodass es allen Kräften standhalten kann, die zu erwarten sind. Für manche Kunden ist es deutlich einfacher. Wir untersuchen auch so einfache Dinge wie einen Mülleimer der Stadt. Da wird dann gefragt, mit welchem Tempo er die Straße entlangrollen wird oder ab welchem Punkt der Deckel aufgehen wird, damit das Produkt letztendlich gut für den Markt geeignet ist.“

Brown gab an, dass das Team mehrere Teile an einem Flugzeugmodell ersetzen musste, das es vor wenigen Jahren für NASA getestet hatte. Als Erstes sollten Teile ersetzt werden, die ursprünglich mit einem FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling) und Polycarbonat gedruckt worden waren. 

Sie entschieden sich für den SLA-3D-Druck mit Formlabs, um die Vorteile von Materialien wie Rigid 10K Resin zu nutzen. 

„Wir konnten die FDM-Drucke direkt mit den Formlabs-Drucken vergleichen“, so Brown. „Das war die erste große Überraschung für uns – der große Unterschied zwischen den beiden in Bezug auf die Oberflächenqualität. Also haben wir damit angefangen und dann einige Teile gedruckt, die von uns erstellte Metallteile ersetzen sollten. Interessant war auch der Vergleich, wie genau eine gedruckte Version die Oberfläche des Metallhecks nachbilden konnte, das wir hier angefertigt hatten.“

Für die Tests im Windkanal war es Brown und dem Team sehr wichtig, dass die Oberfläche eine glatte Beschaffenheit aufwies und dazu auch Verformungen standhielt. Brown sagte, dass sie das Rigid 10K Resin beeindruckte.

„In Bezug auf die Eigenschaften lauten unsere Anforderungen, dass die Teile so starr sind, dass sie sich nicht verformen“, erläuterte Brown. „Also sorgt ein anderer Teil der äußeren Formlinie ... dafür, dass die Form beibehalten wird. Und wenn wir eine Tragfläche anfertigen, müssen wir das möglichst so machen, dass sich die Tragfläche nicht unter Last verbiegt oder verformt. Wir versuchen, das gleiche Modell, das immer die gleiche Form beibehält, für den gesamten Test zu verwenden ... wenn ein Material zu flexibel ist, ist es für den Windkanaltest nicht geeignet.” Wegen seiner Steifigkeit ist Rigid 10K Resin dafür ideal.

Brown war es wichtig, mit einem Material zu arbeiten, das den Luftstrom über die glatte Oberfläche der Tragflächen ermöglichte. „Was für uns wirklich eine Rolle spielt, ist die äußere Formlinie oder die äußere Form, die mit der darüber strömenden Luft in Berührung ist“, erklärte Brown. „Deshalb ist die Oberflächenqualität so wichtig für uns. Mit diesem Material können wir mit viel weniger Endbearbeitung von Hand eine sehr schöne, glatte Oberflächenbeschaffenheit erzielen. Einem maschinell bearbeiteten Metallteil sehr ähnlich, doch mit wesentlich weniger Arbeits- und Personalaufwand, als wenn wir es mit maschineller Bearbeitung ganz neu erstellen müssten.“

Brown gab an, zusätzliche Anwendungen für Rigid 10K Resin zu erkennen, die über den alltäglichen Betrieb des Texas A&M Wind Tunnel hinausgehen. Das Team hat kürzlich den 3D-Drucker Form 3 erworben. Zusätzlich hat Rigid 10K Resin Potenzial für Tests im Hyperschalltunnel. „Das Team [beim Hyperschalltunnel] hat viele unserer FDM-gedruckten Modelle ähnlichen Maßstabs und ähnlicher Größe verwendet und meinte, es hätte gut funktioniert“, so Brown. „Aber die Oberflächengüte ist ein weiteres schwieriges Thema ... sie brauchen eine perfekte Oberflächenbeschaffenheit. Die ihnen jetzt bekannten Eigenschaften des Materials [Rigid 10K Resin] passen sehr gut zu ihrer Anwendung.“