Ziel des Exzellenzclusters für nachhaltige Luftfahrt ist unter anderem die Reduktion von Emissionen und des Energieverbrauchs . Eine Rolle spielt dabei das Strömungsverhalten von Flugzeugen , insbesondere an den Tragflächen . Für Experimente dazu nutzen die Forschenden den Niedergeschwindigkeits-Windkanal Braunschweig ( NWB ) der Stiftung Deutsch-Niederländische Windkanäle ( DNW ). Der Windkanal ermöglicht einen sehr geringen Turbulenzgrad , sodass hier ein ähnliches Grenzschichtverhalten der Strömung wie in Freiflugexperimenten simuliert werden kann . Essenziell war auch die Verwendung eines hochmodularen Laminarmodells zum Nachweis der Effizienz unterschiedlicher Absaugflächen mit Hilfe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt ( DLR ), das einen direkten Einbau von 3D-gedruckten Paneelen ermöglichte . In einem Experiment konnte die TU Braunschweig in enger Kooperation mit dem DLR nachweisen , dass es möglich ist , mit mikroperforierten – also mit winzigen Löchern |
versehenen – Absaugpaneelen aus dem 3D-Drucker eine sogenannte Laminarisierung der Grenzschicht zu erreichen . Dabei wird ein kleiner Teil der Grenzschicht durch die mikroperforierte Oberfläche abgesaugt und diese so stabilisiert . Mit den neuen Absaugpaneelen lässt sich die Grenzschicht von aerodynamischen Körpern so verändern , dass der laminar-turbulente Umschlag weiter stromabwärts verschoben wird und sich der Anteil der laminaren Grenzschicht signifikant erhöht . Der Vorteil dabei ist , dass die laminare Grenzschicht bis zu 90 Prozent weniger Luftreibung als die turbulente Grenzschicht verursacht . Die Luftreibung macht bei modernen Verkehrsflugzeugen etwa die Hälfte des Gesamtwiderstandes aus . „ Die laminare Strömungskontrolle ist also eine Möglichkeit , den Treibstoffverbrauch und damit auch die Emissionen von Verkehrsflugzeugen signifikant zu reduzieren “, sagt Hendrik Traub von der TU Braunschweig , zuständig für die Fertigung der 3D-gedruckten Oberflächen . |
Interessant für Wissenschaft sowie den Bau von Segel- , Leicht- und Verkehrsflugzeugen Für die Drucker war die Herstellung der besonders feinen Mikroperforation mit Perforationsgrößen mit einem Durchmesser von unter 250 Mikrometern eine Herausforderung . Hendrik Traub : „ Das Finden einer geeigneten Perforationsgeometrie hat entsprechend einen signifikanten Teil unserer Forschungsarbeit ausgemacht . Die Möglichkeit , solche Oberflächen zu drucken , erlaubt jetzt dreidimensional gekrümmte Absaugoberflächen schnell und kostengünstig herzustellen . Das ist sowohl für die Wissenschaft als auch für Segel- , Leicht- und Verkehrsflugzeuge interessant .“
Warum 3D-Druck ? Bisher werden Absaugpaneele für die Wissenschaft aus Edelstahl- oder Titanblechen gefertigt , die entweder durch Ätzverfahren oder durch Laserbohren mikroperforiert werden . Beide Verfahren liefern industrietaugliche Absaugflächen , die auch schon in Flugversuchen erfolgreich getestet wurden . Für die
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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 . Fotos : Hendrik Traub / TU Braunschweig .
Erzeugung von gekrümmten Absaugpaneelen , die beispielsweise einer Flügelkontur folgen , werden die Bleche nach der Perforierung umgebogen und mit einer tragenden Unterstruktur verklebt oder verschweißt . Das Umbiegen von Blechen ist allerdings auf 2D-Krümmungen beschränkt und durch das nachträgliche Fügen von Unterstrukturen werden die Perforationen teilweise wieder verschlossen , was allerdings nachweislich nur einen geringen Einfluss auf die Effizienz zeigt . All diese Prozessschritte entfallen beim 3D-Druck . Das Verfahren erlaubt , unterschiedliche Geometrien , Perforationsanordnungen und Unterstrukturen zu kombinieren und zu fertigen , allerdings momentan noch bei etwas erhöhter Oberflächenrauhigkeit . Für den Test der Absaugpaneele war eine Vorarbeit von vier Jahren nötig . „ Zunächst haben wir verschiedene
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