Wie man ein Hochleistungs-Segelflugzeug baut
In Flieger-Urlauben werde ich immer wieder gebeten, einmal zu erzählen, wie der Bau eines Hochleistungssegelflugzeug vor sich geht. Also plaudere ich mal ein wenig aus dem “Nähkästchen” und Sie werden sehen, dass das mit industrieller Fertigung überhaupt nichts zu tun hat.
Flügelbau
Am einfachsten lässt sich der Bau am Beispiel des Flügels erklären. Gebaut wird natürlich von außen nach innen. Dazu gibt es vier Großformen pro Flugzeug nämlich die rechte und die linke Flügelober- und -unterschale. Wenn ein neuer Flügelsatz eingelegt werden soll, beginnt für den Lackierer die Arbeit schon morgens vor 6 Uhr, indem er die erste von vier Großformen mit UP-Schwabbellack spritzt. Das ist nichts anderes als die spätere äußere Farbschicht, die als erstes in nicht zu geringer Schichtdicke in den Formen aufgebracht wird. Leider muss dazu ein Polyesterlack benutzt werden, weil ein PU-Lack – der sich viel besser mit dem später verwendeten Epoxidharz vertragen würde – in der gesäuberten und mit Trennmittel versehenen Form aufperlen würde. Er würde nicht eine durchgängig gleichmäßige Schicht bilden sondern sich zu Perlen zusammenziehen wie das Wasser auf einem Auto in der Waschanlage.
Um 7 Uhr, wenn die eigentliche Flügelmannschaft anfängt, ist der Lack soweit ausgehärtet, dass er stark klebrig geworden ist. Auf diese Oberfläche wird jetzt mit einer Rolle Epoxidharz aufgebracht und dann ein ganz dünnes Glasgewebe eingelegt und festgewalzt. Dieses dünne Gewebe sorgt in erster Linie dafür, dass sich die Struktur der folgenden Lagen nicht nach außen in der Oberfläche abzeichnet. Einige Hersteller verzichten auf diese Lage dünnes Gewebe mit der Folge, dass man nach einigen Jahren in der Lackschicht eine leichte Karo-Struktur zu sehen beginnt. Das wollen wir nicht.
Nach dem Festrollen ist von der Glasgewebeschicht fast nichts mehr zu sehen, da sie durch das Tränken mit Harz durchsichtig wird. Die Verbindung von Lack und Gewebe ist also “nass-in-nass” erfolgt mit der Folge, dass es niemals zu Lackabplatzungen kommen kann – höchstens zu Lackrissen aufgrund extremer, schneller Temperaturschwankungen.
Jetzt wird eine Lage Kohlefasergewebe eingelegt, welches maßgeblich die Festigkeit der Flügeloberfläche bestimmt. Die Faserrichtung ist diagonal für eine hohe Torsionsfestigkeit. Dieses Gewebe erfordert viel Harzauftrag – etwa 250 Gramm/Quadratmeter und außerdem ist es sehr teuer. Ein Flügel von 11 qm Fläche enthält etwa 46 qm Kohlegewebe. Dazu kommen noch 11,5 KG Epoxiharz. Aber das ist ja bei weitem nicht alles.
In die feuchte äußere Lage Kohlefasergewebe wird der Schaum eingelegt. Das sind große genau zugeschnittene und gefräste Platten von etwa 6 mm Stärke, die die Mitte der Sandwich-Konstruktion darstellt. Der Schaum wird ganz präzise vorgearbeitet mit Abschrägungen zur Endleiste hin, Ausschnitten für die Bremsklappenkästen etc. Außerdem wird der Schaum mit einer Nadelwalze perforiert, um die Durchtränkung mit Harz zu verbessern. So vermeidet man Delaminationen.
Die Holmgurte, welche die unglaublich hohen Kräfte der Durchbiegung durch Zug und Druck aufnehmen müssen, wurden schon vorher mit Hilfe einer kleinen Maschine in einer speziellen Form aus hunderten einzelner Kohlefaser-Rovingstränge gefertigt. Die Qualitätsanforderungen an die Gurte sind sehr, sehr hoch. Eine einzige Luftblase oder ein wellenförmiger Verlauf der Fasern kann einen ganzen Gurt unbrauchbar machen und damit den dann niemand versehentlich einbauen kann, nimmt unser Prüfer eine Diamantsäge und sägt einen solchen Gurt einfach mitten durch!
Auch damit ist dann wieder viel Arbeit und teures Material vergeblich, aber zum Glück passiert das nur selten.
Die Schaumlage wird in der Flügelform fixiert, der Holmgurt eingelegt und mit Klebeharz verklebt und das innere Kohlefasergewebe aufgelegt – wieder diagonal in der Faserrichtung, wodurch nach dem Aushärten ein stabiler, druckfester Sandwich entsteht. Das innere Gewebe wird dabei direkt mit dem Holmgurt verklebt.
Es folgt darauf das Abreißgewebe, welches zusammen mit dem inneren Kohlefasergewebe auf einer Lochfolie vorgeharzt wurde. Lochfolie und Abreißgewebe sind ein Wegwerfteil in soweit, als sie hinterher wieder herunter gezogen werden mit der Folge, dass die Oberfläche des inneren Flügels rau ist und man leichter die Einbauteile einkleben kann. Dann folgt ein Vlies-Gewebe, welches überschüssiges Harz aufnehmen bzw. das Absaugen der Luft erleichtern soll und eine Kunststoff-Deckfolie, die ringsherum mit Klebeband dicht mit der Form verklebt wird. An einigen Stellen werden Rohrstutzen aufgesetzt und mit Plastilin abgedichtet. Durch diese saugt man jetzt die Luft ab, um die ganze Konstruktion schön gleichmäßig anzudrücken, damit sich der Flügel exakt in die Form schmiegt. Gleichzeitig wird die Form mit Wasser beheizt und so der Flügel über Nacht “getempert” – also warm ausgehärtet. Denn inzwischen ist Feierabend geworden!
Die Frühstücks- und Mittagspausen unserer Mitarbeiter richten sich an solchen Tagen nicht nach der Uhr sondern nach dem Abschluss bestimmter Arbeitsgänge. Unterbrechen darf man die nämlich möglichst nicht!
Ich hatte mal ein interessantes Erlebnis am Anfang meiner “Flugzeugbauerkarriere”: Ich sah unserem Vorarbeiter zu, wie er das erwähnte Kohlefasergewebe von einer Rolle anscheinend ohne Schablone und Maßband abschnitt. Er warf es dann beinahe in die Form, wo es überall erheblich überstand. So etwas kann ja auch nicht ordentlich passen, wenn man nur Augenmaß benutzt! Ich wollte schon zu ihm hingehen und ihn bitten, etwas sorgfältiger auf unnötigen Verschnitt zu achten, denn immerhin kostet ein Quadratmeter des Materials 35,– Euro!!!
Er nahm jetzt eine Rolle in die Hand und begann, zügig das Material in die Form zu drücken. Dabei zogen sich die überstehenden Ränder immer mehr zur Mitte hin und besonders im Bereich der Nasenleiste verschwand ein Zentimeter Überstand nach dem anderen. Zu meiner Verblüffung war 10 Minuten später von den Überständen fast nichts mehr zu sehen – bis auf einen Rest von 2 Zentimetern ringsum war das ganze Gewebe verarbeitet.
Ich ging zu ihm: “Unglaublich, wie Sie das gemacht haben! Vor zehn Minuten wollte ich noch schimpfen wegen der Materialvergeudung und jetzt passt es so genau!”
Seine Antwort: “Herr Weber, ich mache das seit 25 Jahren!”
Am nächsten Morgen wird die Folie, das Vliess und Abreißgewebe entfernt.
Falls gewünscht, muss die Flächenteilung eingebaut werden.
Die beiden Holmgurte pro Flügelhälfte werden durch einen Holmsteg abgestützt, so wie man im Stahlbau einen Doppel-T-Träger benutzt. Der fertige Holm reicht vom Flügelende über die Flügelwurzel bis zum Ende des Holmstummels – ist bei einem 18-Meter-Flügel also ungefähr 9,30 Meter lang. Auch der Holmsteg ist sehr massiv gebaut, um die Schubkräfte aushalten zu können. An den Hauptbolzen müssen z. Bsp. die Buchsen, die die Bolzen aufnehmen, eine Querkraft von 14,5 Tonnen aufnehmen können!
Der fertige Holmsteg wird in die Flügeloberschale auf den Holmgurt gelegt und eingeklebt. Bei der Flügelteilung wird auch gleich die Aufnahmetasche für den Außenholm gesetzt und die Gurte sind dann natürlich geteilt. Wie bereits dargestellt, bauen wir also die Holmgurte extra und kleben sie auf den Schaum.
Es gibt auch ein anderes Verfahren:
Man kann dafür die Rovingstränge für die Holmgurte gleich nass-in-nass auf das Außengewebe aufbringen und bekommt so einen um etwa 6 mm höheren Holm, weil zweimal die Stärke des Schaums gespart wird – abzüglich einer etwa 3mm tiefen Ausfräsung pro Schale. Der Vorteil davon ist, dass durch die größere Bauhöhe Material eingespart werden kann, weil eine höhere Konstruktion statisch natürlich günstiger ist. Bei sehr dünnen Profilen – wie z. Bsp. bei der DG-600 – kann man anders gar nicht genügend Festigkeit erreichen. Außerdem ist diese Bauweise billiger. Der Nachteil ist allerdings, dass sich nach einigen Monaten in der Oberfläche des Flügels der Holm abzuzeichnen beginnt. Schauen Sie mal genau bei einigen Flugzeugtypen hin – Sie werden bei einer ganzen Reihe von Modellen genau sehen können, wo der Holm sich abzeichnet.
Wir haben uns deshalb für das aufwändigere aber bessere Verfahren der Verklebung auf dem Schaum und der Fixierung mit Hilfe des Innengewebes entschlossen.
Jetzt beginnt der Einbau der Steuerung mit dem Einkleben der Aufnahmeklötze aller Umlenkhebel und Führungsbuchsen.
Abmessen, Anzeichnen und danach Verkleben – das geht allerdings nicht!
Sämtliche Einbauten werden statt dessen mit speziellen Vorrichtungen, die mit Passbolzen in der Form fixiert sind, exakt gesetzt.
Weitere “Kleinteile” wie Wurzelrippen, Aufnahmen für die Ruder-Scharniere etc. werden ebenfalls eingeklebt. Unsere Einsitzer haben etwa 250 verschiedene so genannter “Kleinteile” aus GFK und CFK und für jedes gibt es eine Zeichnung und eine spezielle Form!
Nach dem Aushärten am Morgen des 3. Tages werden die Steuerstangen eingebaut.
Die ganze Arbeit der Einbauten dauert etwa 2 Tage. Am Morgen des 4. Tages wird das Verkleben der beiden Flügelhälften vorbereitet. Dies ist ein sehr kritischer Schritt im Werdegang eines Flügels, da die Verklebungen im Betrieb große Kräfte übertragen müssen, aber später nie wieder zugänglich sind. Diese “Blindverklebungen” – wie man das nennt – müssen deshalb besonders sorgfältig vorbereitet und mit großer Genauigkeit durchgeführt werden. Wir haben dazu ein einfaches, aber sehr zuverlässiges Verfahren entwickelt:
An allen Stellen, an denen die Flügeloberschale mit der Flügelunterschale Kontakt hat, das sind spezielle Streifen an der Nase, der Endleiste, den Holmstegen und den Rippen, wird ein Häufchen Plastilin aufgebracht. Die Klebeflächen werden dabei durch Klebeband vor Verunreinigung geschützt. Beim probeweisen Zusammenfügen der Formhälften wird das Plastilin zusammengedrückt und stellt so ein exaktes Abbild des Klebespalts dar. Ein ähnliches Verfahren gilt für die Holme: In den Schaumstoff der Stege werden Stecknadeln gesteckt, die beim Schließen der Form in den Schaum gedrückt werden.
Nach dem anschließenden Öffnen der beiden Formhälften wird die Dicke des Klebespalts vom Prüfer genau kontrolliert. Sie muss sich innerhalb eines engen Toleranzbandes bewegen um die Langzeit-Zuverlässigkeit der Verklebung zu gewährleisten.
Der Prüfer kontrolliert nun alle Stellen, an die man später nie wieder heran kommt. Jede Schraube der Steuerung wird kontrolliert, nachgezogen, gesichert, gekennzeichnet und auf der Prüfliste abgehakt.
Zur Verklebung dient Epoxidharz, das mit Baumwollflocken eingedickt wird bis es die Konsistenz von Kuchenteig hat. “Mumpe” nennen unser Leute das. Nachdem alle Klebeflächen gründlich gereinigt und aufgeraut wurden, wird die Mumpe mit einer Spritztüte wie Zuckerguss bei der Adventsbäckerei auf die Klebeflächen aufgetragen. Die Schichtdicke entspricht dabei exakt der zuvor mit Plastilin und Stecknadeln gemessenen Spaltdicke plus zusätzliche zwei Millimeter. Die langjährige Erfahrung unsere Leute spiegelt sich in dem “Kunstwerk” der ideal-trapezförmigen Mumpeschicht wider, die sie mit Spritztüte und Holzspachteln produzieren.
Die richtige Größe, exakte Dicke und korrekte Verarbeitung der Klebeschicht ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Langzeit-Zuverlässigkeit der Verklebung. Jeglicher Versuch hier Gewicht oder Kosten zu sparen würde Zuverlässigkeit und Sicherheit in Frage stellen.
Die Unterschale wird endgültig auf die Oberschale gelegt, genau nach den Steckbolzen ausgerichtet und mit vielen Schraubzwingen zusammen gepresst. Beide Schalen sitzen passgenau an der richtigen Stelle, denn sonst wäre das Profil nicht korrekt realisiert.
Durch den Druck der Schraubzwingen presst sich die überschüssige “Mumpe” zwischen den Formen heraus. Der verklebte Flügel wird wieder über Nacht bei 35 Grad C getempert.
In der letzten Zeit kommen immer wieder neue Fragen nach dem Verfahren der Verklebung auf – deshalb hier noch einmal die folgende Präzisierung:
Wie die Blindverklebung des Holmgurtes erfolgt, wurde oben beschrieben. Dennoch ist es nicht zu bestreiten, dass Blindverklebungen – die man ja nie wieder sieht – kritisch sein können. Dabei spielt es aber auch eine entscheidende Rolle, ob die Verklebung unten oder oben am Holmsteg sitzt.
Seit Anfang an wird die Flügelsteuerung und der Holmsteg bei uns in die Oberschale eingebaut und diese dann mit der Unterschale verklebt – die Blindverklebung sitzt also unten. Sollte es tatsächlich einmal zu einer Fehlstelle in der Verklebung kommen, hat die normalerweise kaum Auswirkungen. Bei der stärksten Biegebeanspruchung – dem positiven Abfangbogen – wird der untere Gurt schließlich auf Zug belastet und in jedem Fall noch fester auf den Steg gepresst. Er würde also auch bei unzureichender Verklebung halten, was wir aber nicht ausprobieren wollen!
Wenn dagegen die Steuerung und der Steg in die Unterschale eingebaut werden und die Blindverklebung oben liegt, wird sie beim positiven Abfangbogen auf Druck belastet. Es leuchtet ein, dass sie dann absolut korrekt ausgeführt sein muss, sonst knickt der Gurt nach oben weg.
Noch einmal:
Die Art der bei uns vorgenommenen Verklebung erscheint uns absolut zuverlässig. Dennoch hat es seinen Grund, weshalb Wilhelm Dirks von Anfang an die Steuerung in die jeweilige Oberschale hinein konstruiert hat!
Manfred Koethe aus Boston hat die Verhältnisse noch einmal genau beschrieben samt Schnittzeichnungen.
Hier also noch die Details für Technikfreaks.
Am nächsten Morgen entformt man den Flügel, was nur mit Hilfe des Krans und unter einem lauten Krachen gelingt.
Im Schleifraum wird die an Nasen- und Endleiste heraus gepresste, harte “Mumpe” schließlich entfernt. Im Flügelinneren bleibt das überschüssige Klebeharz sitzen. Falls sich mal ein Stück löst und beim Aufrüsten im Flügel herum kollert, so ist das harmlos und keine Schraube der Steuerung, wie manche Piloten verängstigt meinen.
(Die oberen zwei Bilder stammen aus einer Studienarbeit an der Fachhochschule Aachen aus dem Institut von Professor Röger. Die Arbeiten hat Henning Vespermann erledigt, der vorher ein Praktikum in unserem Hause gemacht hatte.)
Nach dem Säubern und Wachsen der Formen geht nach 4 1/2 Tagen der Vorgang wieder von vorn los.
Rumpfbau
Der Rumpfbau erfolgt im Prinzip ähnlich. Hier wird aber – bis auf die Seitenflosse – kein Sandwich mit Schaum-Zwischenlage erstellt sondern nur Massiv-Laminat verwendet. Um bei einem denkbaren Crash einen optimalen Pilotenschutz zu realisieren, sind bei der DG-808C zwei der Lagen aus Aramid-Gewebe (Kevlar), welches zwar sehr schwierig zu verarbeiten ist aber einen hohen Schutz vor evt. splitterndem, scharfkantigen Kohlefasergewebe bietet. Dazu kommen dann evt. noch die Sonderverstärkungen des Sicherheitscockpits.
Der eigentliche Rumpfschalenbau geht schneller als in der Flügelabteilung. Dafür ist anschließend die Menge der Einbauten und Kleinteile viel größer und recht kompliziert. Cockpit-Sitzschale, Fahrwerk, Motorraumwände, Spanten, Querkraftrohre, Seitenleitwerk- Einbauten, Druckabnahmen mit Schläuchen, UKW- Antenne, Steuerung – das alles muss vor dem Verschließen der Rumpfhälften eingebaut und geprüft werden.
Rohbaumontage
In der nächsten Abteilung erfolgt die Rohbau-Montage.
Die Flügel werden nach dem Verschleifen der Nasen- und Endleisten, Ausschneiden und Einpassen der Ruder sowie Wickeln des Holms auf den Verbohrbock gelegt, um die exakte V-Form durch die korrekte Bohrung der Löcher für die Hauptbolzen-Buchsen zu bekommen.
Flaperons werden abgetrennt, überarbeitet und eingepasst, die komplette Steuerung im Rumpf wird eingebaut und justiert, der Haubenrahmen geharzt, die Haube aufgezogen und die Verriegelung eingebaut. Höhenleitwerk und Seitenruder werden angepasst, die Metallteile für die Motorklappen verklebt, der Kabelbaum eingelegt, etc.
Das Flugzeug wird jetzt zum ersten Mal aufgerüstet und die Ruder werden eingestellt.
Nach der Rohbauabnahme durch den Prüfer, ist die Rohbaumontage fertig.
Drei Mitarbeiter brauchen eine Woche für ein Flugzeug.
Finish
Jetzt kommt die Finish-Abteilung und da kann man sehr viel Arbeit investieren oder es sich auch recht einfach machen – je nach Qualitätsanspruch! Wir kalkulieren etwa 240 Arbeitsstunden zu 40,- Euro für ein gutes Finish und es ist erstaunlich, wie lange es dauert, bis ein Mitarbeiter dazu wirklich in der Lage ist.
Wenn nicht eine PUR-Lackierung gewünscht wird, braucht das Flugzeug gar nicht noch einmal komplett lackiert zu werden – “nur” die Nasen- und Endleisten und die Nähte der Rumpfhälften verspachteln und beilackieren! Dazu gewisse Übergänge zwischen Rumpf und Fläche, an der Haube und anderen Stellen nachspachteln und lackieren.
Und dann heißt es schleifen schleifen, schleifen – und zwar mit der Hand! Alle Versuche, hier Maschinen einzusetzen, führten bisher zu unbefriedigenden Ergebnissen. Am besten ging es noch mit großen Schwingschleifern, aber möchten Sie hinterher auf der Oberfläche kreisrunde Schleifriefen sehen?
Also ist Wasserschleifpapier zu verwenden mit zunehmend feinerer Körnung. Manche Hersteller hören dabei mit der Körnung 600 auf – wir machen weiter mit 800er und 1000er Körnung und viel Wasser. In der Finishabteilung arbeiten die Leute mit Gummistiefeln an den Füßen und im Boden sind großflächig Ablaufrinnen eingelassen. Es ist wirklich eine mühsame Arbeit, aber es ist wiederum schön, wenn man am Ende das Ergebnis sieht.
Ich habe mich mal auf der AERO ein wenig umgesehen:
Bei mehreren Herstellern wird offensichtlich nur bis zu einer Körnung von etwa 600 geschliffen.
Bei einem Hersteller konnte man mit dem Fingernagel an der Bremsklappe entlang streichen und dann lag der Teppich voll mit Spachtelkrümel!
Bei einem anderen Hersteller wird die Endleiste abgeschnitten und nicht weiter bearbeitet. Dass am Rumpf-Flügelübergang die Endleiste dann plötzlich etwa 6 mm dick war – statt normalerweise 2 mm – schien wenig zu stören.
Und das waren “Messe-Flugzeuge”!
Ein älterer Herr besuchte uns auf dem Stand, streichelte unser Flugzeug und meinte:
“Von solch einem schönen Finish hätten wir zu meiner Zeit noch nicht einmal träumen dürfen!”
Endmontage
Hier wird jetzt möglichst nicht mehr geharzt. So verschmiert man auch nicht mehr mit schmutzigen Harzfingern die schöne Oberfläche….
Das Cockpit wird ausgebaut mit Anschluss der umfangreichen Elektrik für die Instrumente und unsere Steuerung. Die komplette Motoreinheit, die in einer anderen Abteilung montiert wurde und schon auf dem Probelauf-Gestell einen tüchtigen Sturmwind verursacht hatte, wird eingesetzt. Die Flügel werden wieder zusammen gebaut, die Innenabdichtung der Flaperons angebracht und alle Abdeckbänder aufgeklebt. Der Einbau der Instrumente erfolgt nach Kundenwunsch, wobei oft unerwartete Probleme entstehen. Einlaufen des Motors im Flugzeug, Vergaser-Einstellung, Verwiegen des Flugzeuges, usw. usw.
Wenn alles funktioniert, kommt die Endabnahme durch den Prüfer. Das bedeutet einen Aufwand von etwa 8 Stunden, wobei das Telefon abgeschaltet wird und keine Störung erlaubt ist. Hier wird noch einmal jede Schraube kontrolliert, nachgezogen und auf der Prüfliste abgehakt sowie alle Funktionen probiert, die am Boden geprüft werden können.
Einflug
Zum Schluss muss das Flugzeug beim Einflug zeigen, ob wirklich alles zufriedenstellend arbeitet. Dazu wird ein festgelegtes Programm abgeflogen und jeder Punkt der Liste abgehakt bzw. der ermittelte Wert notiert. Manchmal ergibt sich aus dem Protokoll noch die Notwendigkeit gewisser Nacharbeiten und dann ist die Maschine fertig.
Allerdings kann auch erst jetzt die Zulassung beim Luftfahrt-Bundesamt beantragt werden. Wenn wir also fertig sind, können Sie leider immer noch nicht fliegen – aber danach in etwa zwei Wochen.
Viel Freude wünscht Ihnen das große Team, welches zum Gelingen beigetragen hat!
– friedel weber –