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School of Engineering

Bachelorarbeit Maschinentechnik: Wingcopter: Strukturauslegung, Prototypenbau, Testen

Den Wingcopter in Leichtbauweise realisieren

Seit mehreren Semestern arbeiten Studierende an der ZHAW School of Engineering am Wingcopter. Die Maschinentechnik-Absolventen Cyril Meister und Jonas Thaler haben das Konzept weiterentwickelt. Sie haben die Konstruktion noch leichter gemacht und einen ersten Prototyp gebaut.

Der Wingcopter ist ein Leichtbauflugzeug, das senkrecht starten und landen kann. Es benötigt daher wenig Platz am Boden, aber in der Luft ermöglicht der Flächenflug dennoch eine hohe Geschwindigkeit und eine grosse Reichweite. Solche ferngesteuerten Flugobjekte verbreiten sich auch in der Logistikbranche. Der Paketkopter 3.0 der Firma DHL ist das jüngste Beispiel für die rasante Entwicklung der Paketdrohnen. Die Schweizer Post, Google, Amazon und weitere Unternehmen befassen sich ebenfalls mit dem Thema. Auch der Wingcopter könnte dereinst als Paketdrohne eingesetzt werden. Das Konzept sieht vor, dass er bei einem Startgewicht von maxi-mal 25 Kilogramm eine Nutzlast von bis zu 10 Kilogramm tragen kann. Zudem soll der Wingcopter eine Reichweite von über 100 Kilometern aufweisen – soweit die Zielsetzung.

Weiterentwicklung bestehender Arbeiten

Zum Wingcopter wurden an der ZHAW School of Engineering bereits in den vergangenen Studienjahren fünf Projekt-, zwei Bachelorarbeiten (siehe auch «Ausgewählte Bachelorarbeiten 2015») und eine Vertiefungsarbeit im Rahmen eines Masterstudiums erstellt. Auf dieser Grundlage haben nun die Maschinentechnik-Absolventen Cyril Meister und Jonas Thaler den Wingcopter in ihrer Bachelorarbeit weiterentwickelt. Ihr Ziel war es, den Flächenflugkörper fertig auszulegen sowie einen ersten Prototyp zu bauen und zu testen. Dabei musste die Struktur auf den vorhandenen elektrischen Schwenkantrieb abgestimmt werden, dessen Entwicklung Gegenstand einer weiteren Bachelor-arbeit war. «Damit der Wingcopter als Gesamtsystem funktioniert, haben wir eng mit der anderen Wingcopter-Bachelorarbeitsgruppe zusammengearbeitet», so Cyril Meister.

«Für den Flügel haben wir eine sogenannte D-Box-Bauweise gewählt.»

Jonas Thaler

Leichtbauweise im Fokus

Cyril Meister und Jonas Thaler haben den bisherigen Flugzeugentwurf noch einmal überarbeitet und die Profilwahl überdacht. Um die Nutzlastkapazität zu maximieren, konzentrierten sich die Absolventen in ihrer Arbeit auf den Leichtbau. «Für den Flügel haben wir eine sogenannte D-Box-Bauweise gewählt», erklärt Jonas Thaler. «Die D-Box ist die Kombination von Flügelnase und Holm, welche die Hauptlasten des Flügels trägt.» Die Absolventen entschieden sich für diese Bauweise, weil sie das geringste Gewicht versprach. Ausserdem wählten sie – anders als im bisherigen Konzept vorgesehen – ein neues Flügelprofil aus. Denn neben den aerodynamischen Vorteilen brachte die neue Profilgeometrie auch weitere Gewichtseinsparungen und eine bessere Herstellbarkeit mit sich.

Von der Simulation zur Realisierung

Aus Sicht der Flugtechnik konnten die Absolventen alle wichtigen Nachweise für die Flugtüchtigkeit des Wingcopters erbringen, wie Cyril Meister erklärt: «Wir haben diverse flugtechnische Berechnungen wie Steuerbarkeit, Widerstand, negatives Wendemoment, Flügeleinstellwinkel, Auftriebsverteilungen, Stallgeschwindigkeit, Längsstabilität und Schwerpunkt durchgeführt.» Mithilfe von Simulationssoftware haben die Absolventen zudem umfangreiche Berechnungen zur Strukturoptimierung vorgenommen und insbesondere die wichtige Verbindungsstelle zwischen Hauptflügel und Leitwerk genau untersucht. Um den Prototyp zu realisieren, haben sie schliesslich ein detailliertes CAD-Modell sowie Fertigungszeichnungen erstellt. Die meisten Bauteile konnten die Absolventen mit dem Lasercutter selbständig aus Holz herstellen. «Beim Bau des Prototyps konnten wir die neu entwickelten Konstruktionsdetails zwar umsetzen, mussten aber feststellen, dass das effektive Gewicht der D-Box-Bauweise höher ausfällt als berechnet», so Jonas Thaler. Grund dafür ist die Menge an Klebstoff, die für den Zusammenbau nötig war. Die angestrebte Nutzlastkapazität von 10 Kilogramm haben die beiden Maschinentechnik-Absolventen deshalb nicht ganz erreicht. Mit ihrer Arbeit sind sie diesem ambitionierten Ziel aber ein grosses Stück nähergekommen.

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