{"id":53877,"date":"2024-02-19T00:01:19","date_gmt":"2024-02-18T23:01:19","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=53877"},"modified":"2024-02-16T17:06:40","modified_gmt":"2024-02-16T16:06:40","slug":"3d-gedruckte-absaugpaneele-sorgen-fuer-saubere-luftfahrt-190220241","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/3d-gedruckte-absaugpaneele-sorgen-fuer-saubere-luftfahrt-190220241\/","title":{"rendered":"3D-gedruckte Absaugpaneele sorgen f\u00fcr saubere Luftfahrt"},"content":{"rendered":"

Eines der gr\u00f6\u00dften Ziele der Luftfahrt<\/a> ist es, sichere, leistungsf\u00e4hige und effiziente Flugzeuge zu entwickeln. Effizient sollen die Flugzeuge vor allem auch im Hinblick auf ihren Energieverbrauch sein. Kann dieser n\u00e4mlich reduziert werden, verringert sich auch der Aussto\u00df von Emissionen, was zu einer \u201esaubereren\u201c Luftfahrt beitr\u00e4gt. Um all diese Ziele zu erreichen, ist es notwendig, das Prinzip des Grenzschichtverhaltens der Str\u00f6mung vollends zu verstehen und zu ber\u00fccksichtigen. Dieses bezieht sich auf die Eigenschaften und das Verhalten der Luftstr\u00f6mung in unmittelbarer N\u00e4he einer festen Oberfl\u00e4che. Konkret: Wie verh\u00e4lt sich die Str\u00f6mung zum Beispiel in der N\u00e4he der Tragfl\u00e4che eines Flugzeugs? Direkt an der Oberfl\u00e4che ist die Str\u00f6mung null und geht bis zur freien Str\u00f6mungsgeschwindigkeit der Umgebung \u00fcber. Die Grenzschicht ist also eine sehr d\u00fcnne, aber entscheidende Schicht, welche ausschlaggebend f\u00fcr Sicherheit, Leistung und Effizienz des Flugkraftwerks ist. In einem Test der TU Braunschweig ist es nun durch 3D-gedruckte Absaugpaneele gelungen, die Grenzschicht und deren Verhalten zu optimieren und die Paneele erfolgreich zu testen.<\/p>\n

Am Projekt zu den 3D-gedruckten Absaugpaneelen und der anschlie\u00dfenden Testung arbeitete eine Forschungsgruppe des Exzellenzclusters SE\u00b2A. Dieser SE\u00b2A \u201eSustainable and Energy Efficient Aviation\u201d-Cluster zielt darauf ab, die zuk\u00fcnftige Luftfahrt effizient zu gestalten und begegnet den derzeitigen Anforderungen mit Innovation. Daran beteiligt sind die TU Braunschweig, das Deutsche Zentrum f\u00fcr Luft- und Raumfahrt<\/a> und weitere Bildungseinrichtungen eines \u00fcbergreifenden Forschungsbereichs f\u00fcr Mobilit\u00e4t. F\u00fcr die Experimente der 3D-gedruckten Absaugpaneele nutzte die Forschungsgruppe einen Niedergeschwindigkeits-Windkanal der Stiftung Deutsch-Niederl\u00e4ndische Windkan\u00e4le und kooperierte f\u00fcr die Vorab-Tests auch mit dem Institut f\u00fcr Str\u00f6mungsmechanik. In diesem Windkanal ist der Turbulenzgrad sehr gering und er erm\u00f6glichte so ein simuliertes Grenzschichtverhalten der Str\u00f6mungen, wie sie beim Freiflug vorherrschen. Dadurch waren die idealen Bedingungen f\u00fcr die Tests gegeben.<\/p>\n

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Links: Die ebene Platte in der Messstrecke des Niedergeschwindigkeits-Windkanals Braunschweig (NWB) mit eingebautem Absaugpaneel (mitte, grau). Hier werden 3D-gedruckte, mikroperforierte Paneele auf ihr Grenzschichtverhalten hin untersucht. Rechts: Mirkoperforierte Oberfl\u00e4che des Absaugpaneels. (Bild: Hendrik Traub\/TU Braunschweig)<\/p><\/div>\n

Um die Effizienz der 3D-gedruckten Absaugpaneele nachzuweisen, musste auch ein hochmodulares Laminarmodell angewendet werden. Dazu wurden die Absaugefl\u00e4chen aus dem 3D-Drucker mikroperforiert, das hei\u00dft mit winzig kleinen L\u00f6chern versehen. Infolgedessen konnte eine Laminarisierung der Grenzschicht erreicht werden, denn ein kleiner Teil der Grenzschicht wird durch die L\u00f6cher in der Oberfl\u00e4che der Paneele abgesaugt und die Grenzschicht so stabilisiert. Die Paneele aus dem Drucker mit ihrer perforierten Oberfl\u00e4che tragen so dazu bei, dass sich die Grenzschicht von aerodynamischen K\u00f6rpern ver\u00e4ndert, indem der laminarturbulente Umschlag stromabw\u00e4rts verschoben wird und sich der Anteil der laminaren Grenzschicht erh\u00f6ht. Das hat zur positiven Folge, dass weniger Luftreibung verursacht wird. Bei einer laminaren Grenzschicht ist die Luftreibung bis zu 90 % geringer als bei einer turbulenten Grenzschicht. Die Luftreibung ist insofern ein wichtiger Parameter, als dass sie f\u00fcr 50 % des Gesamtwiderstandes eines Verkehrsflugzeugs verantwortlich ist. \u00a0\u201eDie laminare Str\u00f6mungskontrolle ist also eine M\u00f6glichkeit, den Treibstoffverbrauch und damit auch die Emissionen von Verkehrsflugzeugen signifikant zu reduzieren<\/em>\u201c, erl\u00e4utert Hendrik Traub von der TU Braunschweig, zust\u00e4ndig f\u00fcr die Fertigung der 3D-gedruckten Oberfl\u00e4chen.<\/p>

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3D-gedruckte Absaugpaneele mit Startschwierigkeiten<\/h3>\n

Entscheidend an diesem Erfolg war auch die Herstellungsmethode, in diesem Fall die additive Fertigung<\/a>. Bisher wurden Absaugpaneele in F&E aus Edelstahl- oder Titanbelchen gefertigt, die durch Laser mikroperforiert wurden. Dadurch konnten bereits erfolgreiche Entwicklungen umgesetzt und getestet werden. Werden diese Paneele im Anschluss aber gekr\u00fcmmt, fallen mehrere Arbeitsschritte an. Der 3D-Druck hingegen ist effizienter in der Fertigung und erlaubt die einfachere Umsetzung von unterschiedlichen Geometrien und Komplexit\u00e4ten. Durch das additive Verfahren konnten im Fall der Absaugpaneele Geometrien, Perforationen und Unterstrukturen in einem Fertigungsschritt kombiniert werden.<\/p>\n

Allerdings war die Herstellung der Mikroperforationen mit einem Durchmesser von unter 250 Mikrometer herausfordernd, wie Hendrik Traub erkl\u00e4rt: \u201eDas Finden einer geeigneten Perforationsgeometrie hat entsprechend einen signifikanten Teil unserer Forschungsarbeit ausgemacht. Die M\u00f6glichkeit, solche Oberfl\u00e4chen zu drucken, erlaubt jetzt dreidimensional gekr\u00fcmmte Absaugoberfl\u00e4chen schnell und kosteng\u00fcnstig herzustellen. Das ist sowohl f\u00fcr die Wissenschaft als auch f\u00fcr Segel-, Leicht- und Verkehrsflugzeuge interessant.<\/em>\u201c Auch war es anfangs kein Leichtes, ein geeignetes 3D-Druckverfahren<\/a> zu finden und die Absaugpaneele im Anschluss daran ausgiebig zu testen. Die Vorarbeiten nahmen rund vier Jahre in Anspruch. \u201eZun\u00e4chst haben wir verschiedene 3D-Druckprozesse auf deren Eignung f\u00fcr die Fertigung von Absaugpaneelen untersucht. Anschlie\u00dfend haben wir druckbare Perforationsgeometrien und Unterstrukturen analysiert. Dabei m\u00fcssen die Perforationsgeometrien das Drucken von sehr kleinen L\u00f6chern erlauben und die Unterstrukturen eine dichte, aber durchstr\u00f6mbare Unterst\u00fctzung der mikroperforierten Haut erlauben, ohne die L\u00f6cher wieder zu blockieren.<\/em>\u201c<\/p>\n

Beim Testen der Paneele startete die Forschungsgruppe mit kleinen Prototypen und begann dann, diese hochzuskalieren. Wiederum sahen sich die Forscher mit Herausforderung konfrontiert, die in diesem Stadium die Software-Grenzen betraf. Denn obwohl die geometrische Struktur der Paneele mit ihrer minimal perforierten Oberfl\u00e4che nun druckbar war, lie\u00df die CAD-Software<\/a> die Dimensionen kaum zu und die Forscher mussten auf eigens programmierte Bibliotheken umsteigen. Traub erkl\u00e4rt: \u201eDie Herausforderung liegt im extremen Kontrast zwischen sehr pr\u00e4zisen geometrischen Details, die bis auf wenige Mikrometer aufgel\u00f6st werden m\u00fcssen, und den verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig gro\u00dfen Dimensionen der Absaugpaneele selbst.<\/em>\u201c<\/p>\n

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Ziel des Exzellenzclusterst ist es, die Luftfahrt effizienter zu machen und die Emissionen zu verringern. (Bild: Pixabay)<\/p><\/div>\n

Nachdem auch diese H\u00fcrde \u00fcberwunden war, konnten die 3D-gedruckten Absaugpaneele erfolgreich im Windkanal getestet werden. Der n\u00e4chste Schritt beinh\u00e4lt nun, die zweite Version der Paneele mit verbesserter Oberfl\u00e4che f\u00fcr Off-Designf\u00e4lle ohne Absaugung zu schaffen. Dadurch soll sich die Effektivit\u00e4t des Absaugpaneels erh\u00f6hen und es kann auch ohne Absaugung eine \u00e4hnliche laminare Laufl\u00e4nge erzielt werden. Das ist wichtig f\u00fcr F\u00e4lle, in denen die Absaugung in einer Flugphase ausgeschaltet oder ausgefallen ist. Auch diese Versuche werden im Niedergeschwindigkeits-Windkanal Braunschweig getestet. Die getesteten Modelle sollen dann die Basis f\u00fcr die ersten dreidimensional gekr\u00fcmmten Absaugpaneele eines voll-laminaren Fl\u00fcgelmodells liefern. Dieses sollte bis 2025 gefertigt und entwickelt werden. Mehr dazu finden Sie HIER<\/a>.<\/p>\n

Was halten Sie vom Ansatz der 3D-gedruckten Absaugpaneele f\u00fcr eine sauberere Luftfahrt? Lassen Sie uns gerne einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf\u00a0Facebook<\/a>\u00a0oder\u00a0LinkedIN<\/a>\u00a0mit. M\u00f6chten Sie au\u00dferdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt f\u00fcr unseren\u00a0w\u00f6chentlichen Newsletter<\/a>.<\/p>\n

Titelbildnachweis: Pixabay<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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