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Laserstrukturieren

Laserstrukturieren
Flugzeugoberflächen schnell und umweltschonend enteisen

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Ein spezielles Laserverfahren erzeugt auf Flügeloberflächen Mikrostrukturen, die das Anhaften von Eis verhindern. Damit lassen sich Flugzeuge künftig schnell und nachhaltig enteisen.

Markus Forytta
Leiter Unternehmenskommunikation, Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden

Eis auf Flugzeugoberflächen birgt potenzielle Gefahren – der Kraftstoffverbrauch steigt, vor allem aber wird die Aerodynamik gestört und der erzeugte Auftrieb sinkt. Und das beeinträchtigt die Funktionssicherheit des Flugzeugs. Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS haben gemeinsam mit Airbus und der TU Dresden ein Laserverfahren entwickelt, das zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt: Zum einen fällt das Eis von alleine ab und zum anderen ist eine geringere Heizleistung beim Enteisen erforderlich. Mit der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) lassen sich Oberflächenstrukturen gestalten, die Anti-Icing effektiv ermöglichen.

Setzt sich eine dünne Frostschicht auf den Tragflächen oder an anderen neuralgischen Punkten wie dem Heck ab, so hat dies negative Auswirkungen auf die Aerodynamik des Flugzeugs. Der Auftrieb kann reduziert und der Luftwiderstand erhöht werden. Eisaggregation an Sonden und Sensoren führt zu Fehlern beim Messen der Luftgeschwindigkeit, was im Flugbetrieb sicherheitskritisch ist. Aus diesen Gründen müssen die Maschinen bereits vor dem Start von Schnee und Eis befreit werden.

Am Boden entfernen Spezialfahrzeuge mit chemischen Mitteln die weiße Schicht. Die gefrierhemmenden Chemikalien sollen zudem die Eisbildung verhindern. Allerdings sind diese Flüssigkeiten umweltschädlich und teuer. 400 bis 600 Liter fallen fürs Enteisen an. Auch in der Luft müssen die Flugzeuge vor der frostigen Gefahr geschützt werden. Hierfür sorgen zusätzliche technische Präventionsmechanismen in Form sogenannter „Ice Protection Systems“. Diese Heizelemente erhöhen jedoch den Treibstoffverbrauch.

Mikrostrukturen sorgen für Lotus-Effekt

Mit der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (englisch: Direct Laser Interference Patterning) hat ein Forscherteam des Fraunhofer IWS in enger Kooperation mit Airbus und der TU Dresden ein Verfahren entwickelt, mit dem sich komplexe, mäanderförmige Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometer-Bereich generieren lassen. Diese Strukturen verhindern das Anhaften von Eis oder reduzieren es zumindest stark. Die Besonderheit: Die Forscher kombinieren die DLIP-Technologie mit Ultrakurzpulslasern, sodass mehrstufige Mikrostrukturen auf den Tragflächen in einem Ein-Schritt-Verfahren erzeugt werden.

Das Ergebnis: Zum einen können sich Teile des anhaftenden Eises unter bestimmten Vereisungsbedingungen von alleine lösen, zum anderen ist eine um 20 % geringere Heizleistung beim technischen Enteisen erforderlich. Das bringt zahlreiche Vorteile mit sich. So sind weniger umweltschädliche Enteisungsmittel erforderlich, die Wartezeit für die Fluggäste während der Enteisung reduziert sich ebenso wie der Energie- und der Treibstoffverbrauch im Flugbetrieb. Auch das Fluggewicht sinkt infolge der potenziell kleineren Heizaggregate. Mit herkömmlichen Technologien ist eine Kombination dieser Effekte bislang nicht möglich.

Beheizen der Flügelflächen meist überflüssig

Diese Erkenntnisse resultieren aus einer gezielten Prozessentwicklung, deren Vorarbeiten an der TU Dresden durchgeführt wurden. Die finale Demonstratorstrukturierung erfolgte am Fraunhofer IWS, die anschließenden Tests im Windkanal von Airbus. Die Untersuchungen wurden mit einem strukturierten NACA-Profil – einer miniaturisierten und realitätsnahen Tragfläche – sowie mit einem unstrukturierten NACA-Profil als Referenz durchgeführt. Dabei brachten die Experten die optimierte Struktur auf das komplex geformte dreidimensionale Flügelprofil auf und testeten unter realen Bedingungen bei Windgeschwindigkeiten zwischen 65 und 120 m/s, Lufttemperaturen unter -10 °C und verschiedenen Feuchtewerten.

Die Projektpartner bei Airbus demonstrierten in den Windkanalversuchen, dass das Eis auf der strukturierten Oberfläche nur selbstlimitierend wachsen kann und nach einer definierten Zeit wieder von alleine abfällt – ohne dass ein zusätzliches Beheizen der Oberfläche notwendig ist. Zusätzlich zeigten die Experimente, dass das Eis bei einer Heizleistung von 60 W auf dem unstrukturierten Profil erst nach 70 s verschwindet, sich jedoch auf dem strukturierten Pendant bereits nach 5 s vollständig zurückbildet – bei gleicher Heizleistung. Das entspricht einer Beschleunigung von über 90 % infolge des Einsatzes der DLIP-Technologie.

Struktur reduziert Anhaftpunkte für Wasser und Eis

Um das Eis auf dem unstrukturierten Demonstrator ebenfalls innerhalb von 5 s zu beseitigen, waren 25 % mehr Heizleistung, also 75 W erforderlich. „In der Kooperation mit Airbus konnten wir erstmals realitätsnah zeigen, welche Potenziale die großflächige Laseroberflächenstrukturierung beim Anti-Icing erschließen kann“, sagt Dr. Tim Kunze, Teamleiter der Gruppe Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer IWS. „Mit unserem DLIP-Ansatz realisierten wir erstmals multiskalige Oberflächen mit Mikrometerauflösung auf einem komplexen Bauteil wie einem NACA-Profil und zeigten zugleich die konkreten Vorzüge gegenüber anderen Laserverfahren.“ Sein Kollege Sabri Alamri ergänzt: „Die Anwendung von Mikro- und Nanostrukturen auf Metall bewirkt, dass sich Wassertropfen nicht mehr anheften können. Dieser Effekt ist der Natur entlehnt und im Allgemeinen als Lotus-Effekt bekannt.“ Mit dem neuen DLIP-Verfahren lasse sich eine fragmentierte Oberfläche erzielen und so die Zahl der Anhaftpunkte für Eis deutlich reduzieren. Die Forschungsergebnisse sollen bald wissenschaftlich publizieren werden.

Umweltschonende, kostengünstige Technik

Elmar Bonaccurso, Materialwissenschaftler bei Airbus und Projektpartner, ergänzt: „Die Bildung von Eis ist besonders bei der Landung gefährlich. Wenn das Flugzeug bei Minusgraden durch die Wolken fliegt, gefriert das Wasser innerhalb von Millisekunden auf der Oberfläche.“ Dies könne die Funktionsfähigkeit von Steuerelementen wie Landeklappen und Vorflügel stören. Die Aerodynamik sei dann beeinträchtigt. „Derzeit nutzen wir die heiße Luft der Triebwerke, um die Oberflächen der Flügel zu beheizen. Die wasserabweisende Struktur, die wir gemeinsam mit den Forschern vom IWS im EU-Projekt Laser4Fun entwickelt haben, ist ein Versuch, herkömmliche Technologien durch umweltschonende, kostengünstigere Alternativen zu ersetzen.“

Im nächsten Schritt wollen die Projektpartner die Methode optimieren und für verschiedene Luftzonen auslegen. Darin werden auch Ergebnisse einfließen, wie sie derzeit durch reale Flugtests mit einem Airbus A350 gewonnen werden, der mit einer per DLIP bearbeiteten Oberfläche ausgestattet ist.

Verfahren ist vielfältig einsetzbar

Mit dem Direkten Laserinterferenzstrukturieren durch Kurz- und Ultrakurzpulslaser hat das Forscherteam eine Schlüsseltechnologie etabliert, die vielseitig einsetzbar ist, beispielsweise wenn technische Oberflächen etwa von Windkraftanlagen oder anderen Komponenten in kalten Klimaregionen vereist sind. Die Technologie eignet sich aber auch für komplett andere Anwendungen wie den Produktschutz, biokompatible Implantate oder verbesserte elektrische Steckkontakte. „Wir können die funktionalen Mikrostrukturen großflächig sowie mit hohen Prozessgeschwindigkeiten aufbringen und so für eine Vielzahl von Anwendungen Vorteile erzielen, die bislang so nicht denkbar waren.“, sagt Tim Kunze.

Unter dem Titel „Design Rules for Laser‐Treated Icephobic Metallic Surfaces for Aeronautic Applications“ ist eine wissenschaftliche Veröffentlichung zu dieser Entwicklung erschienen. Mehr dazu unter http://hier.pro/d1Qd5.

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