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WIEDERAUFERSTEHUNG: O.S. Wankel im 3D-Druck – Teil 1


Maschinen im Modellbau - epaper ⋅ Ausgabe 4/2019 vom 19.06.2019

Auslöser dieses Berichts ist mein Hang zu Vintage-Modellen, d.h. die Flugmodelle, die ich als Jugendlicher gerne gehabt hätte und mir nicht leisten konnte. Dazu zählen die Graupner-Modelle Kwik Fly und Middle Stick. Leider sind diese Modelle gebraucht nahezu nicht erhältlich und wenn doch, dann in einem miserablen Zustand oder zu horrenden Konditionen. Also heißt die einzig praktikable Lösung, Baupläne besorgen und nachbauen.


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Bildquelle: Maschinen im Modellbau, Ausgabe 4/2019

Der originale Wankel nach der Restaurierung – Vorbild für die 3D-Druck-Replika.


Bei der Kwik Fly habe ich das inzwischen geschafft und sie bewegt sich per Elektroantrieb durch die ...

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... Luft. Ich hätte sie sicher auch als Verbrenner-Version bauen können, das wäre richtig Retro gewesen. In der heutigen Zeit zu versuchen, ein Flugmodell mit einem Antrieb mit viel Lärm, Wärme und Vibrationen vorwärts zu bewegen, ist nach meiner Ansicht schon sehr nostalgisch und kann durchaus den ein oder anderen Modellflugplatz gefährden. Also doch elektrisch. So lag der Middle Stick lange ohne Antrieb in der Werkstatt, bis ich einen Graupner O.S. Wankel V1 (Best.Nr. 1800) aus dem Nachlass eines Kollegen erwerben konnte. Leider befand sich dieser in einem erbärmlichen Zustand, verharzt, verdreckt und mit teilweise defekten Kugellagern. Also diesen zunächst einmal restaurieren. Hier habe ich mich dann auf Recherche begeben und musste feststellen, dass dieser Graupner-Wankel im Betrieb ein durchaus anspruchsvoller Motor in Bezug auf Lärm, Hitze und „Durst“ ist. So ist bei mir langsam, Nostalgie hin oder her, der Entschluss gereift, den Original Graupner-Wankel in die Vitrine zu stellen und den Middle Stick doch elektrisch auszurüsten. Aber nicht, ohne dass er zumindest optisch seinem alten Vorbild aus dem Jahr 1970 entspricht. Die Attrappe, welche den Elektroantrieb verbirgt, ist bereits fertiggestellt und funktionsfähig.

Bild 2: Das komplette Wankelgehäuse in Fusion 360.


Bild 3: Eine 3D-Druckdüse mit eingesetzter Airbrush-Düse ergibt bessere Druckergebnisse.


Bild 4: Slicer mit Stützstrukturen im Korpus.


Da der Graupner-Wankel sowieso zerlegt war, ist es mir leichter gefallen, von jedem Teil die Maße zu nehmen und in Konstruktionszeichnungen zu verewigen. Wer schon meinen Artikel über den VW-Boxermotor gelesen hat (MASCHINEN IM MODELLBAU 1/2018), weiß, dass ich hier mit Autodesk Fusion 360 arbeite. Wir als Modellbauer, mit nicht kommerziellem Interesse, dürfen eine kostenfreie Start-Up-Lizenz nutzen. Voraussetzung hierfür ist die Bestätigung der rein privaten Nutzung ohne Umsätze.
Das hier beschriebene Funktionsmodell dient der Anschauung und soll zeigen, was inzwischen im Hobbybereich alles machbar ist. Das Modell ist voll beweglich, das heißt die Exzenterwelle dreht sich, der Kreiskolben dreht sich in seiner Exzenterbewegung. Auch die Dichtleisten habe ich funktionell gemacht und bei meinem Wankel-Modell bekomme ich sogar eine gewisse Kompression zustande. Da viele Teile mit Hinterschneidungen sind oder sich ohne weiteres nicht einfach mittels 3D-Drucker drucken lassen, habe ich die entsprechenden Teile so geteilt, dass sich die Drucke einfach realisieren lassen und die Oberflächen akzeptabel werden. Dabei sind mir meine Erfahrungen als Jugendlicher im Plastikmodellbau zu Gute gekommen. Auch beim Spritzguss funktionieren Hinterschneidungen nicht.

Druckmaterial

Der hier beschriebene Nachbau des O.S. Wankel V1 wurde von mir nahezu vollständig mit Composite-Filament Aluminium gedruckt. Die Oberflächen der Druckteile wirken ziemlich realistisch und metallisch. Neben diesen Effekten ist das Material ziemlich widerstandsfähig und lässt sich gut schleifen, feilen und bohren. Dies ist unerlässlich, da doch einige Teile nachzubearbeiten sind. Egal ob es die „Kugellager“ sind, die ich als Gleitlager vorgesehen habe. Oder die Dichtleisten, die mit möglichst wenig Spiel funktionieren sollten. Die gedruckten Innengewinde der Gehäuseteile werden sinnvollerweise nachgeschnitten, sonst gehen die Schrauben zum Teil recht schwer in die Gewinde. Angeblich lässt sich das Aluminium-Kunststoff-Gemisch auch recht gut polieren. Das habe ich mir gespart, mir reichen die schwarzen Hände vom Schleifen und Feilen.

Kommen wir nun zum eigentlichen Kernthema dieses Artikels, dem Nachbau des Graupner O.S. NSU Wankel Best.-Nr. 1800. Es sind insgesamt 42 Druckteile, welche ich komplett mit dem Aluminium-Composit-Filament gedruckt habe. Ich habe verschiedene Filamente probiert und mit dem Aluminium-Filament von Hobbyking die besten Ergebnisse erzielt.

Voraussetzungen für den erfolgreichen 3D-Druck

Beim 3D-Druck der oben genannten Teile habe ich geringe Schichtdicken genutzt, zwischen 50 μm und 120 μm. Bei 50 μm ist das Ergebnis eine sehr feine Oberfläche, an der eine Schichtung kaum erkennbar ist. Nachteil dieser geringen Schichtdicken sind extreme Druckzeiten.

Zusätzlich habe ich den Düsendurchmesser geringer angegeben (0,3 mm) als er in Wirklichkeit ist. Mit dem richtigen Filament-Vorschub (mm/s) ergibt sich ebenfalls eine sehr feine Oberfläche. Hier ist sehr genau darauf zu achten, dass der Drucker nicht zu viel Material (Overextrusion) im Verfahrweg liefert. So habe ich mehrere Probedrucke durchlaufen lassen, bis ich mit dem Ergebnis zufrieden war. Bei Druckobjekten, die feine bis sehr feine Strukturen aufweisen, ist die 3D-Druck-Szene dazu übergegangen, mit modifizierten Druckdüsen zu arbeiten. Diese Druckdüsen sind so verändert, dass sich Airbrushdüsen (0,2 oder 0,3 mm) an der Spitze einschrauben lassen (siehe auch Bild 3). Damit lassen sich ziemlich feine Strukturen drucken, solange der 3D-Drucker die Auflösung mit seinen Stepper-Motoren hinbekommt.

Leider muss ich die Erwartungshaltung, die entsteht, wenn man die Bilder 2 und 5 bis 8 betrachtet, etwas dämpfen. Nein, es sind keine Fotos, die von den fertigen Druckobjekten gemacht wurden. Es sind Bilder, die mittels Rendering durch das 3D-Programm Fusion 360 berechnet wurden.

Wenn man Filamente mit Metallanteilen verarbeitet, ist es sinnvoll, härtere Metalldüsen (Stahl, Edelstahl, Wolfram etc.) zu nutzen. Filamente mit Metallstäuben wirken sich abrasiv auf die Druckdüse aus. Selbst meine Stahldüse sieht nach einer geschätzten Druckzeit von ca. 200 Stunden so rund wie die Spitze einer Kugelschreibermine aus. Zu beachten ist auch, dass der Metallanteil die Wärme besser aufnimmt und auch leitet. Hier ist etwas Experimentieren gefragt, bis die Druckstücke die gewünschte Qualität haben. Alternativ kann auch einfach mit silberfarbenen PLA-oder ABS-Material gearbeitet werden. Die Oberfläche schimmert dann nicht so schön, aber wer sieht das schon?

Bild 5: Das hintere Gehäuseteil mit dem separaten Einsatz.


Bild 6: Das hintere Gehäuseteil mit montiertem Ausgleichsgewicht, gezeigt in Fusion 360.


Bild 7: Die hintere Abdeckung trägt das Graupner-Logo.


Bild 8: Das Zahnrad entsteht aus Teil A und B.


Bild 9: Explosionszeichnung des Gehäuses.


Für bestimmte Druckobjekte muss mit Stützstrukturen gearbeitet werden. Beim Korpus sollten Stützstrukturen im Bereich des Glühkerzenlochs und des Auslasses gesetzt werden. Das Glühkerzenloch ist, wie beim Original mit einem UNEF 1/4“-32-Gewinde versehen. Ohne Stützstrukturen wird das Gewindeloch oval, weil der Drucker den oberen horizontalen Bereich mit dem flüssigen Kunststoff überbrücken muss. Im Bild 4 kann man die Stützstrukturen (hellblau) gut erkennen. Stützstrukturen werden mit Hilfe der Slicer-Software erzeugt. Slicer sind Übersetzungsprogramme, die aus einer STL-Datei ein für den 3D-Drucker druckbares Schicht-(Slice)-Modell machen. Slicer-Programme gibt es ausreichend. Die bekanntesten sind Cura, Slic3r und Simplify3D. Ich selbst nutze Simplify3D, da ich für meine Anforderungen mit den Einstellungsmöglichkeiten die besten Ergebnisse erziele.

Beim Korpus habe ich etwas größere Schichtstärken (120 μm, 0,12 mm) genommen. Da bei der Rippenstruktur ziemlich wenig Oberfläche auf dem Druckbett platziert wird, drucke ich hier eine Schürze (Skirt) bzw. Rand ohne Abstand zum Objekt. Damit bekomme ich eine bessere Haftung des Druckteils auf dem Druckbett bzw. der Glasplatte. Der Rand muss nach dem Druck per Hand bzw. mittels Skalpell entfernt werden.

Die vorher erwähnte Glasplatte ist hitzebeständig (Borsilikat) und lässt sich mit diversen Haftvermittlern, wie Klebestift, Haarspray, blauem Malerkrepp, aber auch flüssigem ABS (Juice) „malträtieren“. Fixiert wird die Glasplatte mit vier Foldbackkammern, auch Maulis genannt, nach dem Hersteller Maul. So kann die Glasplatte schnell entfernt und gereinigt werden.

Bild 10: Der Korpus (Brennkammer) in Fusion 360 …


Bild 11: …im Vergleich zum gedruckten Korpus.


Bild 12: Das gedruckte vordere Gehäuseteil mit eingesetztem Distanzring.


Bild 13: Das gedruckte hintere Gehäuseteil mit Einsatz.


Bild 14: So kommen Abdeckung und Halteplatte vom Drucktisch


Bild 15: Das zweiteilige Zahnrad in gedruckter Ausführung


Baugruppe Gehäuse

Betrachten wir die erste Baugruppe „Gehäuse“. Sie besteht aus elf Druckteilen plus 28 Befestigungsteilen (Schrauben, Muttern, Distanzrohre). Nachdem es für einzelne Leser durchaus Probleme bereiten kann, sich die entsprechenden Befestigungsteile zu besorgen, habe ich für die interessierten Leser einen Satz, sozusagen einen „Beschlagsatz“, zusammengestellt. Wer die im Wankel enthaltenen Kugel-und Nadellager nicht als Gleitlager selbst drucken will, kann sich selbstverständlich die Kugellager über die üblichen Bezugswege, wie beispielsweise www.kugellager-express.de besorgen. Die Bezeichnungen für die dann notwendigen Kugel-und Nadellager finden sich in der Tabelle 1.

Beginnen wir mit dem hinteren Gehäuseteil des O.S. Wankel (Bild 5). Dieses beinhaltet unter anderem das feststehende Zahnrad, welchen den Kreiskolben führt. Des Weiteren sitzt hier das Exzentergewicht, welches dem Masseausgleich dient und in einer eigenen Kammer läuft (Bild 6), die durch die hintere Abdeckung mit dem Graupner Logo verschlossen ist (Bild 7).

Da beim hinteren Gehäuseteil der Aufnahmebereich für das feststehende Zahnrad (siehe Bild 6) um 2,3 mm höher sitzt, müsste hier Stützmaterial gedruckt werden, um diesen Rücksprung zu realisieren. Also habe ich den hinteren Gehäuseteil in zwei Teile getrennt (hinteres Gehäuse und Einsatz siehe auch Bild 5). Der Einsatz wird nach Fertigstellung einfach in das hintere Gehäuseteil geklebt. Um ihn richtig einzusetzen, habe ich im Gehäuseteil eine Nase eingesetzt, die mit der Aussparung im Einsatz fluchtet.

Nach dem Drucken der beiden Teile sollten bei beiden die Gewinde nachgeschnitten werden. Die äußeren Gewindelöcher sind M3 (elf Stück), die restlichen Gewinde sind M2,5. Das Nachschneiden kann mit einer M3-bzw. M2,5-Schraube erfolgen. Mit einer halben Rechtsdrehung und dann wieder zurück. Bessere Ergebnisse erzielt man mit einem Gewindeschneider und schneller geht es auch.

Die Druckdateien (STL-Files) finden sich im Download-Bereich der CAD-Bibliothek auf der FMT-Homepage (www.vth.de im Bereich der FMT). So sind dort auch Explosionszeichnungen zu finden. Eine Art der Darstellung, die mich schon als Jugendlicher bei den Graupner-Baukästen fasziniert hat. Vielleicht daher mein Wunsch, auch jetzt möglichst perfekte Konstruktionszeichnungen abzuliefern. Das Bild 9 zeigt die Explosionszeichnung mit allen Druckteilen und sonstigen Komponenten, wie Schrauben, Muttern und Kugellagern.

Bild 16: Das hintere Gehäuseteil mit montiertem Ausgleichsgewicht in gedruckter Ausführung


Bild 17: Die Baugruppe Kreiskolben, dargestellt in Fusion 360


Bild 18: Der Schnitt durch den Spinner zeigt die geschlossen Oberfläche über dem Querloch


Eines der einfachsten Druckteile ist der Korpus (Bild 10). Der Korpus stellt die Brennkammer des Wankels dar. Der innere Bereich ist eine Trochoide, eine Sonderform der Zykloide. Genug der Theorie, wer mehr über die Funktionsweise des Wankels wissen möchte, wird im Internet fündig.

Den Korpus habe ich mit 0,12 mm Schichtstärke bei einer Druckgeschwindigkeit von 30 mm/s gedruckt. Längere Druckzeiten bergen natürlich auch das Risiko eines Fehlers und die Gefahr, alles noch einmal drucken zu müssen. Beim Korpus habe ich das Gewinde für die Glühkerze mit gedruckt, um später beim Funktionsmuster eine Glühkerze einschrauben zu können. Hierzu ist nach dem Druck das gedruckte Gewinde sauber von allen Stützstrukturen, Graten und Druckresten zu befreien. Hier haben sich ein Skalpell und eine feine, spitze Pinzette als sehr hilfreich erwiesen. Um das Gewinde nachzuschneiden, habe ich danach eine alte Glühkerze genutzt und diese maximal eine viertel Umdrehung ein-und danach wieder herausgedreht, und dann eine weitere viertel Umdrehung und so weiter, bis ich die die Glühkerze komplett einschrauben konnte. Im Bild 10 ist das nachgeschnittene Gewinde ganz gut zu erkennen.

Für alle gedruckten Teile gilt, dass diese akkurat nachzuarbeiten sind, um später den Spaß beim Zusammenbau nicht zu verlieren. Also Löcher nachmessen und gegebenenfalls nacharbeiten, Gewinde nachschneiden, Kanten entgraten und Druckreste wie Supportstrukturen, Tropfen oder Fäden beseitigen.

Bild 19: Explosionszeichnung Exzenterwelle und Kreiskolben.


Abbildung 20: Der Propellermitnehmer wird dreiteilig aufgebaut


Abbildung 21: Das fertig zusammengesetzte Druckteil


Beim Druck des vorderen Gehäuseteils gilt prinzipiell das Gleiche wie für den Korpus: eine geringe Schichtstärke und langsam drucken. Dann wird auch das vordere Gehäuseteil ein akzeptables Druckbild bekommen.

Beim vorderen Gehäuseteil (Bauteilenummer 1.1.1) muss zusätzlich ein Distanzring (1.1.2) gedruckt werden. Dieser wird später in die 19 mm fassende Bohrung eingesetzt. Von der Innenseite gemessen mit einem Abstand von 6 mm, damit das gedruckte oder auch echte Kugellager 607 (1.1.3, siehe auch Bild 12) mit der Innenseite des Gehäuseteils fluchtet. Der Distanzring kann mit etwas dünnflüssigem Sekundenkleber fixiert werden.

Nach Fertigstellung des vorderen Gehäuses kann mit dem Druck des hinteren Gehäuseteils weitergemacht werden. Auch das hintere Gehäuse besteht aus zwei Teilen, dem eigentlichen Gehäuseteil (1.3.1) und dem Einsatz (1.3.2). Das hintere Gehäuseteil hat eine Nase, damit der Einsatz, der wiederum eine passende Aussparung besitzt, nur in einer bestimmten Position eingesetzt werden kann. Beide Teile können gemeinsam gedruckt werden. Nach dem Druck sind alle Sacklöcher mit einem M2,5-Gewindeschneider nachzuschneiden. Die äußeren Durchgangslöcher haben alle ein M3-Gewinde, welche auch mit passenden Gewindeschneidern oder mit den entsprechenden Schrauben vorsichtig nachgeschnitten werden müssen.

Beim 3D-Druck der hinteren Abdeckung (1.2.1) mit dem Graupner-Logo ist nichts weiter zu beachten, außer die Standardeinstellungen von 0,12 mm Schichtstärke und 30 mm/s Vorschub. Gleichzeitig kann auch die Halteplatte (Bild 14) gedruckt werden, da sie ja die gleichen Einstellungen benötigt. Bei der Halteplatte sind nach der Fertigstellung noch drei M3-Gewinde nachzuschneiden.

Als letzte Druckteile stehen noch die beiden Kugellager (1.1.3) und das Zahnrad (1.4.1 und 1.4.2), welches aus zwei Teilen besteht, zur Fertigstellung an. Da alle Teile sehr filigran und detailliert sind, habe ich mit einer Schichtstärke von 0,06 mm und einem Vorschub von 15 bis 20 mm/s gearbeitet.

Bei O.S. Engines und Graupner wurde der Wankel damals mit schwarzen Schrauben montiert und ausgeliefert. Da brünierte Schrauben bei meinen Schraubenhändler nicht erhältlich waren und die elf Linsenkopfschrauben (1.3.3) offensichtlich auch noch einen abgedrehten Linsenkopf mit einem Durchmesser 4,9 mm haben, hatte ich mich entschlossen, normale Schrauben zu kaufen, die Schraubenköpfe auf das notwendige Maß von 4,9 mm abzudrehen und die Schrauben zu brünieren. Dies geht heutzutage schnell und problemlos. Die Schrauben müssen entfettet werden und können dann mit Hilfe einer Schnellbrünierung schwarz eingefärbt werden. So eine Schnellbrünierung gibt es von Ballistol zu kaufen. Und schon hat man schöne schwarze Schrauben und nicht diese typisch verzinkten Schrauben.

Abbildung 22: Die Bauteile des Wankels auf einen Blick – weiter geht es in der nächsten Ausgabe


Baugruppe Kreiskolben

Hier sind alle Bauteile beinhaltet, die in irgendeiner Form an der Exzenterwelle hängen. Sie besteht aus 16 Druckteilen plus 28 weiteren Teilen (Schrauben, CFK-Stab, ggf. Nadellager). Die Bezeichnungen für die dann notwendigen Kugel-und Nadellager finden sich wieder in der Tabelle.

Am einfachsten starten wir diesmal mit dem Spinner (1). Der Spinner benötigt keine Stützelemente. Diese würden das spätere Verputzen nur erschweren. Für diejenigen Leser, die auf exakte und scharfe Kanten der Querbohrung Wert legen, habe ich ein weiteres STL-File mit geschlossener Oberfläche (siehe Schnitt in Bild 18) erzeugt. Die Bohrung kann dann nach dem Druck freigelegt werden. Bei entsprechender Einstellung des 3D-Druckers bzw. des Slicer-Programms ist das M6-Gewinde des Spinners fein genug, dass es auch mit einer handelsüblichen M6-Schraube nachgeschnitten werden kann. Mit einer halben Rechtsdrehung und dann wieder zurück – ansonsten mit einem M6-Gewindeschneider das Innengewinde nachschneiden.

Das Bild 19 zeigt die Explosionszeichnung mit der Exzenterwelle, dem Kreiskolben mit allen Druckteilen und sonstigen Komponenten, wie Schrauben, Federn und dem CFK-Stab. Anstelle einer richtigen Nadelhülse 1210 (5) und des Alu-Nadellagers (6) können diese auch als Dummys nachgedruckt werden. Damit die Druckteile später ihre Funktion als Gleitlager erfüllen, habe ich ein Stück 240er-Schleifpapier aufgerollt und die jeweiligen Bohrungen so weit ausgeschliffen, dass sich der Exzenter (8, Teil B) ohne zu klemmen darin drehen lässt. Die Bohrung sollte nicht so weit aufgeweitet sein, dass der Exzenter darin kippelt.

Als Nächstes kann der Propellermitnehmer (Bild 20) gedruckt werden. Da hier starke Hinterschneidungen in Form einer V-förmigen Nut vorhanden sind, habe ich mich entschlossen, den Mitnehmer in drei Teilen aufzubauen. Die drei Teile können nach dem Druck und dem Verputzen miteinander verklebt werden. Beim Mittelteil und dem eigentlichen Propellmitnehmer mit der Riffelung ist auf eine akkurate Ausrichtung von Bohrung und Nut zu achten. Hierzu habe ich eine M6-Schraube zum Zentrieren genutzt. Damit die Teile noch auszurichten sind, verwende ich dickflüssigen oder Medium-Sekundenkleber. Es reichen auch einige, wenige Tropfen in der Mitte der Klebefläche. Es dient ja nur zur Fixierung der Propellermitnehmer-Teile. Nach dem Zusammenfügen haben alle Sichtflächen des Mitnehmers eine schöne, feine Oberfläche. Mir ist es bisher nicht gelungen, mittels Stützelementen eine so saubere Oberfläche zu drucken – dreiteilig ist die bessere Lösung.
Fortsetzung folgt

Für Selbermacher

Die Druckdateien (STL-Files) finden sich im Download-Bereich der CAD-Bibliothek auf der FMT-Homepage (www.vth.de). So sind dort auch die entsprechenden Explosionszeichnungen für die einzelnen Baugruppen zu finden. Vielleicht hat der ein oder andere Leser Gefallen an der Konstruktion gefunden und widmet sich zukünftig etwas mehr dem Design. Da kann Fusion 360 von Autocad durchaus hilfreich sein, ein Programm, welches keine kryptischen Mnemonics als Texteingabe erfordert.