Sprinklerkopf bionisch optimiert
bannerbild-bionik
thin

In diesem Projekt wurde ein Strömungskanalnach dem Vorbild des Farnblattes und des Kobrazahns optimiert, sodass der Druckverlust um 30% und die Kosten des Bauteils um 77% gesenkt werden konnten.

Projektziele

Das Ziel dieses Projekts war es, den Druckverlust und die Diffusität des Wasserstrahls in einer Sprinkleranlage mithilfe additiver Fertigung sowie bionischer und numerischer Strömungsoptimierungen zu reduzieren.

Vorgehensweise

Als biologisches Vorbild diente die Leitbündelstruktur der Blättern des sogenannten Frauenhaarfarns. Im Laufe der Evolution hat sich diese verästelte Struktur als Optimum ergeben. Denn die Pflanze muss alle lebensnotwendigen Nährstoffe mit minimalem Energieaufwand bis in die Blattspitzen transportieren können. Die Leitbündel haben eine speziell geformte

Verzweigungsspitze, die maßgeblich für die strömungsmechanische Effizienz verantwortlich ist. Jede Verzweigung ist geometrisch individuell an die Strömungsgeschwindigkeit, den Verzweigungswinkel und das Durchmesserverhältnis

zwischen den Kanälen angepasst. Diese Konstruktionsrichtlinien hat SinusPro von der Natur übernommen und auf die Geometrie des Kanals übertragen.

Kombiniert mit einer numerischen Strömungsoptimierung in ANSYS ist ein Modell entstanden, das im Vergleich zur Ausgangsvariante eine Verringerung des Druckverlustes von 33 % aufweist. Das sekundäre Ziel des Projekts war

die Kompaktheit des Strahls zu erhöhen. Als biologisches Vorbild für diese Problemstellung eignet sich die Speikobra sehr gut. Es gibt Speikobra-Arten, die sich darauf spezialisiert haben, ihr Gift möglichst weit zu versprühen. Dafür brauchen sie einen möglichst starken und kompakten Strahl. Nur bei dieser Schlangenart hat man zwei symmetrische Grate im unteren Drittel des Zahns gefunden. Diese Grate erzeugen ein sekundäres Strömungsfeld, das mit dem eigentlichen Flüssigkeitsstrom so interagiert, dass ein kompakter Strahl erzeugt wird. Nach dem Austrittspunkt ist der Wasserstrahl deshalb um 88 % kompakter.

Ein weiteres Ziel in dem Projekt war die Herstellung eines Demonstrators. Allerdings lässt sich die Komplexität bionischer Strukturen in den meisten Fällen nicht mit konventionellen Fertigungsmethoden umsetzen. Nach einem aufwändigen Optimierungsprozess der Druckparameter und der Materialauswahl hat FAM (Fuchshofer Additive Manufacturing) den Prototyp aus Aluminium in einem pulverbasierten 3D-Druckverfahren hergestellt. Die Druckzeit beträgt 8 – 28 Stunden, je nach Druckermodell. Ein besonders wichtiger Faktor bei der Fertigung war die Oberflächenrauigkeit, die zusätzlich zur Geometrie das Strömungsverhalten beeinflussen kann. In einer weiteren Simulation wurden die Oberflächenparameter des realen 3D Drucks mit in das digitale Modell aufgenommen. Das Resultat: Die Oberflächenbeschaffenheit hat einen Einfluss auf den Druck von 0,07 % bei einer geringen Rauigkeit (Ra=8) und 3 %bei einer hohen Rauigkeit (Ra=25). Ein raueres Modell mit größeren Schichtdicken ist also immer noch um 30 % effizienter als die Ausgangsvariante. Noch dazu sinkt bei dieser rauen Variante auch der Bauteilpreis auf etwa 60 €.

Zusammengefasst ist der 3D Druck also nicht nur um 30 % effizienter, sondern auch günstiger als das konventionell gefertigte Teil. Mit einer anschließenden FEM (Finite Elemente Methode) Berechnung von SinusPro wurde die statische Festigkeit des Prototyps unter Betriebsbelastungen verifiziert. Zudem ermöglicht die FEM eine Analyse der Spannungsfelder am Bauteil und in weiterer Folge eine Topologieoptimierung der äußeren Form, sodass Material, Zeit und Kosten beim Druck gespart werden können. Dieses Projekt zeigt sehr deutlich, dass sich der Maschinenbau in einem Wandel befindet. Angetrieben von einer wachsenden Nachhaltigkeitsmentalität und dem Rentabilitätsboom von additiven Fertigungsmethoden eröffnen sich plötzlich ganz neue Möglichkeiten. Man muss sich nicht mehr zwischen schlechter Performance mit gutem Preis und guter Performance mit schlechtem Preis entscheiden. Die nächste Generation des Maschinenbaus wird organisch, flexibel, individuell und leistungsfähiger denn je. Die Bionik wirkt dabei wie ein Katalysator, denn optimierte Bauteile sind nicht mehr eine Iteration, sondern eine Generation weiter.

Ergebnisse

  • Druckabfall um 33 % reduziert
  • Turbulenzkinetische Energie (Einheit für Kompaktheit) um 88 % reduziert
  • Druckdifferenz zwischen den Kanälen von 6 % auf 1 % reduziert
  • Kostenbereich pro Düse von 130 auf 30 € gesenkt
  • Lieferzeit von 12 auf 2 Wochen reduziert

Autor: Ing. Lukas Reimann, M.Sc.,Bionic Scientist, SinusPro GmbH