Fliegender Schaum

Technik

Schaumwerkstoffe – Schaumwerkstoffe sind überall in der Industrie zu finden. Sie gehen aber auch in die Luft und demonstrieren eindrücklich, welche Vorzüge sie bei der Konstruktion von Bauteilen bieten.

21. März 2011

Schaum gibt es nicht nur in der Badewanne. Er macht Konstruktionen leichter, füllt Lücken zuverlässig aus, verbindet – und Schaum kann fliegen. Nirgendwie sonst lassen sich die Vorteile von Schaumwerkstoffen so beeindruckend demonstrieren wie mit Flugzeugmodellen.

Das finden auch die Beobachter, die die Viper am Himmel verfolgen: »super schick«, »atemberaubendes Flugbild«, »fliegt wie auf Schienen«. Die Viper ist das Werk von Modellflugprofi Thomas Höchsmann. Er hat die »Schaumwaffel«, so bezeichnen Eingeweihte Flugmodelle aus Kunststoffschaum, mit seinem Unternehmen Tomahawk Design 2010 auf den Markt gebracht.

Schon seit einigen Jahren entstehen Flugmodelle aus sogenanntem Partikelschaum. Die bekanntesten dieser Materialien sind expandiertes Polypropylen (EPP), expandiertes Polystyrol (EPS), auch als Styropor bekannt, oder Copolymere wie ARCEL. Zunächst sind alle Materialien kleine Kunststoffkügelchen, die sich bei Erwärmung durch Wasserdampf – ähnlich wie Popcorn – ausdehnen und so bis auf das 50-fache ihrer ursprünglichen Größe wachsen können. In Schäumwerkzeugen erhalten die Teile ihre Formgebung.

Extrem leicht, aber robust

Weil die Formteile zu rund 98 Prozent aus Luft bestehen, sind sie extrem leicht. Ein Kubikmeter davon wiegt, je nach Schaumdichte, zwischen 20 und 90 Kilogramm. Trotz des geringen Gewichtes sind die Materialien aber robust, widerstandsfähig und elastisch.

Lieferant für Thomas Höchsmann ist Ruch Novaplast. Das badische Unternehmen produziert seit längerem Formteile für Modellflugzeuge und im Entwicklerteam sitzt mit Armin Zipf praktischerweise ein begeisterter Modellflieger.

Höchsmann, Zipf und die Ruch-Geschäftsleitung beschlossen, das Projekt Viper zu realisieren. Der Entwurf für das Äußere des Fliegers sowie Abmessungen, Formgebung, Aerodynamik und Statik entstanden in Teamarbeit. Armin Zipf war für die Konstruktion aus EPP-Formteilen mithilfe eines 3D-CAD-Systems zuständig und steuerte sein Modellbau-Know-how bei. Ruch Novaplast übernahm die Produktion der Formteile und das Oberflächen-Finish.

Als Antrieb hatte sich Höchsmann für einen elektrischen Impeller entschieden. Extreme Wärmeprobleme wie bei einem Düsenantrieb waren also nicht zu berücksichtigen, obwohl EPP selbst im Dauerbetrieb Temperaturen von bis zu 120 Grad Celsius widersteht.

Das Aggregat musste formschlüssig im Rumpf verankert werden, zudem war Platz zu schaffen für Akkus, Fernsteueranlage und Servos. Alles sollte für den Modellflieger gut zugänglich sein. Gleichzeitig kam es auf eine geschickte Verteilung der Massen an, das ist ganz wesentlich für die Flugeigenschaften. Der Impeller wird durch zwei Lufteinlasskanäle mit Luft versorgt. Der Schaumkunststoff macht es leicht, Öffnungen oder Kanäle in jeder beliebigen Form zu schaffen.

Eine der zentralen Aufgaben ist die Aufteilung des kompletten Schaumkörpers auf einzelne Formteile. Hier ist nicht nur die Festigkeit von Bedeutung, sondern auch die Frage, wie ein Laie das Modell später zusammenbauen kann. Das Modell besteht aus zehn einzelnen Formteilen, die in einem einzigen Schäumwerkzeug gemeinsam herstellt werden.

Durch ein spezielles Verfahren konnte Armin Zipf bei Außenund Innenflächen der Lufteinlasskanäle auf die Düsenabdrücke verzichten, die von üblichen Schaumteilen bekannt sind. Für eine perfekte Aerodynamik sind die Oberflächen sehr glatt.

Damit das Flugzeug auch bei einem heftig geflogenen Looping nicht die »Ohren anlegt«, wie der Fachmann sagt, verstärken sogenannte Rowings aus GfK-Material die Tragflächen. Spanten aus Sperrholz geben dem Rumpf zusätzliche Stabilität. Die Viper wird aus Schaummaterial mit dem Raumgewicht von 30 Gramm pro Kubikdezimeter hergestellt – ein guter Kompromiss zwischen Festigkeit und Gewicht – und kommt so auf ein Startgewicht von nur 980 Gramm.

Mit den fertigen CAD-Daten wurden die Formteile des Prototyps aus massiven Blöcken des Schaummaterials gefräst. Thomas Höchsmann konnte so bereits drei Wochen nach den ersten Skizzen mit einem seriennahen Modell die ersten Flugversuche durchführen. Der Prototyp flog laut Pilot auf Anhieb ausgezeichnet, es waren nur kleinere Korrekturen notwendig. Nur 14 Wochen nach den ersten Skizzen wurde der Bau des Schäumwerkzeuges in Auftrag gegeben.

Das Joint-Venture zwischen Tomahawk Design und Ruch Novaplast sah vor, dass die Schwarzwälder nicht nur die Schaumteile konstruieren und in Serie produzieren, sondern den kompletten Bausatz liefern. »Das war Neuland für uns«, erinnert sich Geschäftsführer Roland Zeifang,»aberwir habenuns mit den Aufgaben vertraut gemacht und konnten hier unsere Qualitäten als Systempartner beweisen.« Der Bausatz enthält 46 Einzelteile, dazu gehören Schaumteile, Sperrholzteile, Befestigungs- und Metallteile, Pläne und die Bauanleitung.

Die Zusammenarbeit von Ruch und Höchsmann fand auf kurzem Wege statt und war professionell und pragmatisch. So war es auch möglich, den Bausatz günstig zu kalkulieren, sagt der Initiator. »Für die Stückzahlen, die wir bei der Planung des Projekts ins Auge gefasst haben, rechnen sich Formteile aus Schaumkunststoff allemal.« Darum ist die nächste Schaumwaffel bereits in Arbeit. mk z

Auf einen Blick

EPP-Konstruktionen

- Kurze Entwicklungszeiten, Einsparung an Materialkosten

- Weniger Teile, weniger Teile- und Materialvielfalt

- Erübrigt Schrauben, Nieten, Schweiß-, Löt- und Klebeverbindungen

- Frühe Verfügbarkeit von seriennahen Prototypen

-Reduzierung der Werkzeugkosten

- Kürzere Montagezeiten

- Integration von Kühlkanälen, Kabelkanälen und Schlauchführungen

- Stoß- und Schockabsorption, reduzierte Schallemission

- Reduzierter Verpackungsaufwand

- Ausgleich von Fertigungstoleranzen durch Kompressionsrippen

- Zu 100 Prozent zu recyceln

- Geringer Wartungsaufwand

- Schnelle und einfache Demontage

Erschienen in Ausgabe: 02/2011