BILASURF: Bioinspirierte Riblet-Oberflächen für komplexe Industriekomponenten
Nach mehr als drei Jahren Forschung und Entwicklung wurde das EU-geförderte Projekt BILASURF (Bio-inspired laser functionalization of complex 3D industrial surfaces) erfolgreich abgeschlossen?
Das Projekt widmete sich einer zentralen Herausforderung der industriellen Oberflächentechnik: Wie können widerstandsreduzierende Riblet-Strukturen auch auf großen, gekrümmten und rotierenden Bauteilen mit industrieller Skalierbarkeit ausgelegt, hergestellt und validiert werden? BILASURF vereinte anwendungsspezifisches Riblet-Design, moderne CFD-Simulationen, Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung, mehrachsige Bauteilhandhabung und Inline-Qualitätsüberwachung in einem integrierten Fertigungsansatz.
Von der Haifischhaut zur industriellen Effizienzsteigerung
Riblets sind mikroskopisch kleine Oberflächenstrukturen, inspiriert von der Haut von Haien. Angepasst an die lokalen Strömungsbedingungen, reduzieren die Strukturen die strömungsmechanische Reibung und erhöhen die Effizienz technischer Systeme.
Die Anwendung von Riblet Oberflächen auf komplexen Bauteilgeometrien ist jedoch wesentlich anspruchsvoller als die Strukturierung einer ebenen Oberfläche. Komponenten wie Turbinenlaufräder und Ventilatorblätter besitzen stark gekrümmte Geometrien, wechselnde Strömungsrichtungen und lokal unterschiedliche Betriebsbedingungen, wodurch sich die erforderlichen Riblet-Dimensionen über die gesamte Bauteiloberfläche unterscheiden.
BILASURF begegnete dieser Herausforderung durch die Kombination von
- CFD-basierter Strömungsanalyse und Riblet-Design
- Laserbearbeitung komplexer Oberflächen
- Automatisierte Positionierung und Fertigung
- Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle
- Validierung an industriellen Demonstratoren
Die Rolle von bionic surface technologies
Die zentrale Aufgabe der bionic surface technologies GmbH bestand in der anwendungsspezifischen Auslegung und Simulation der Riblet-Oberflächen. Mithilfe hochauflösender CFD-Simulationen wurden lokale Strömungsbedingungen, Wandschubspannungen und Strömungsrichtungen auf den Geometrien der Turbine und des Ventilators analysiert. Auf dieser Basis wurden geeignete Riblet-Dimensionen, Ausrichtungen und Applizierungsberieche für die jeweiligen Bauteile definiert. Damit wurde eine optimierte Applizierungsstrategie verfolgt, um die Realisierung einer hoch effektiven Anwendung bei Sicherstellung der Herstellbarkeit und Skalierbarkeit zu erreichen. BST bildete damit die Verbindung zwischen:
Industrielle Anwendung → CFD-Analyse → Riblet-Design → Fertigungsanforderungen → Leistungsvalidierung
Vom Bauteil zum Demonstrator
Die entwickelten Technologien wurden anhand von zwei industriellen Demonstratoren getestet und bewertet:
Wasserkraftturbine: Die Tests wurden zunächst an vereinfachten hydraulischen Profilen und anschließend an einem verkleinerten Modell einer von Global Hydro bereitgestellten Francis-Turbine durchgeführt. Vergleichende Untersuchungen mit und ohne laserstrukturierte Riblets analysierten deren Einfluss auf den Wirkungsgrad der Turbine, das Strömungsverhalten und die Kavitation unter realistischen Betriebsbedingungen.
Industrieventilator: Für den Ventilator-Demonstrator wurden die Riblet-Strukturen an die stark variierenden Strömungsbedingungen entlang der Blätter angepasst und mithilfe eines replikationsbasierten Fertigungsverfahrens übertragen. Erste Strömungskanalmessungen an spritzgegossenen Riblet-Platten zeigten bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten eine Reduktion von mehr als 3 % gegenüber den entsprechenden glatten Referenzoberflächen.
Gemeinsam zeigten die Demonstratoren, wie Simulation, Oberflächendesign, Fertigung und Erprobung kombiniert werden können, um Riblet-Technologien von vereinfachten Proben auf komplexe industrielle Bauteile zu übertragen.
Auf dem Weg zur industriellen Anwendung
Mit dem erfolgreichen Abschluss von BILASURF wurde eine integrierte Technologieplattform zur Funktionalisierung komplexer 3D-Oberflächen entwickelt und demonstriert.
Die nächsten Schritte konzentrieren sich auf die weitere Industrialisierung der entwickelten Technologien:
- Anwendungsspezifische Pilotprojekte
- Weitere Verbesserung von Bearbeitungsgeschwindigkeit und Skalierbarkeit
- Langzeit- und Betriebsvalidierung
- Integration in industrielle Produktionsprozesse
- Qualifizierung für weitere Bauteile und Branchen
Für BST ist das Projekt ein wichtiger Beitrag, um CFD-optimierte Riblet-Designs mit skalierbaren laserbasierten Fertigungstechnologien zu verbinden.
Dadurch entstehen neue Möglichkeiten, widerstandsreduzierende Oberflächen auf zunehmend komplexen Komponenten in den Bereichen Wasserkraft, Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik, Turbomaschinen sowie weiteren industriellen Anwendungen umzusetzen.
Das Projekt endete mit einem erfolgreichen Abschlussmeeting am Fraunhofer IWU, bei dem das Konsortium die abgeschlossenen Entwicklungen und den integrierten Demonstrator präsentierte.
Projektinformationen
Programm: Horizon Europe – Made in Europe Partnership
Laufzeit: Januar 2023 bis Mai 2026
Projektbudget: Rund 5,6 Millionen Euro
Fördervereinbarung: 101091623
Koordinator: Ceit Research Center
Projektpartner: Ceit Research Center, AIMEN Centro Tecnológico, Fraunhofer IWU, Fusion Bionic GmbH, bionic surface technologies GmbH, SuperGrid Institute, Global Hydro Energy, ZIEHL-ABEGG, Workshop of Photonics und secpho.
