Den Dreh raushaben: Der rotierende Riblet-Prüfstand
Den Dreh raushaben: Der rotierende Riblet-Prüfstand
Aufgabe
Vergleichstests verschiedener Oberflächentexturen, insbesondere der von Nikon hergestellten Riblets, zur Verbesserung der Qualitätskontrolle.
Lösung
Messung der Kurve zur Widerstandsreduktion mit dem Prüfstand.
Kundennutzen
Funktionalität von Riblets verschiedener Produktionsmethoden; Feedback für Produktion und Datenerfassung.
Abbildung 1: Rotierender Ribletprüfstand
Projektdetails
Wissen Sie, wie viele Riblets auf einen Zylinder in Höhe von 25 cm passen? Wir haben die Antwort auf diese Frage: auf den Punkt genau 4.100 Riblets. So genau wissen wir es, da wir es durch experimentelle Tests von Riblets für Nikon untersucht hatten. Die optimale Auslegung der Riblets hängt weitestgehend von den jeweiligen Strömungsbedingungen (Geschwindigkeit, Temperatur, Viskosität, Dichte) ab; die ideale Größe ändert sich ständig über den Strömungsweg. Die jüngste wissenschaftliche Forschung konzentrierte sich auf einige wenige Haupttypen – nämlich dreieckige Riblets, Schaufel- und trapezförmige Riblets.
Für wirtschaftliche Anwendungen hängt das Ribletdesign jedoch auch vom Zielmaterial, der Zielform und dem Design ab, da die Längsrillen je nach Verwendungszweck variieren. Aus diesem Grund wollte Nikon, dass wir ihre selbst produzierten Riblets testen, um einen tieferen Einblick in die Funktionsweise dieser Riblets zu erhalten. Die Zusammenarbeit zwischen Nikon und uns ermöglicht es, unser Fachwissen zu bündeln, um die optimale Riblet-Formen, Rillenabmessungen und Platzierungen zu bestimmen. Dies führt schlussendlich dazu, dass diese Strukturen mit Hilfe des von Nikon entwickelten präzisionsgesteuerten Freiform-Lasermusters direkt auf die Oberfläche oder auf eine Folie für die Kunden aufgebracht werden können.
Abbildung 2: Simulation des Riblet-Zylinders
Die Riblet-Strukturen variieren je nach Herstellungsverfahren. Nikon wollte wissen, ob die jeweiligen Riblet-Geometrien die Funktionalität in relevantem Maße beeinflussen. Die Klärung dieser Frage war eine der Herausforderungen, denen wir uns stellten. Unser rotierendes Tailor-Couette-Messsystem besteht aus zwei Zylindern – rotierenden Außenzylinder (Rotor) und einem statischen Zylinder (Stator) im Inneren. Der Riblet-Abstand von Spitze zu Spitze reicht von 20 μm bis 200 μm mit Wasser als Messflüssigkeit. Die Widerstandsreduktionskurve zeigt das spezifische Riblet-Verhalten über den gesamten Betriebsbereich. Diese eindeutige Kurve ist für jede Struktur, Größe und Produktionsmethode einzigartig und zeigt eindeutig die maximale Verringerung des Widerstands für die untersuchte Riblet-Struktur.
Durch den rotierenden Prüfstand für Riblets hatten wir die Möglichkeit, den viskosen Strömungswiderstand zu messen, um optimale kundenspezifische Riblet-Lösungen zu finden. Wir unterstützen Nikon bei seinen Bemühungen, optimale Riblet-Formen für jede Anwendung zu entwickeln. Die Messung verschiedener Oberflächenstrukturen wurde in unserem hauseigenen Prüfstand realisiert, der es uns ermöglicht, relevante Informationen über das Strömungsverhalten zu sammeln und so das Potential von Riblets voll auszuschöpfen.
Ergebnisse
Die Messungen lieferten Daten, anhand derer überprüft werden konnte, ob der Herstellungsprozess von Riblets bereit auf einem guten Weg ist. Darüber hinaus konnte mit den geometrischen Daten des Prüfstands die Widerstandsreduktionskurven von Riblets eines anderen Herstellungsverfahrens, z.B. NIL-geprägt, verglichen werden. Die enge Zusammenarbeit zwischen Nikon und uns trägt reiche Erfolge. Die Rückkopplung der Funktionalität spezifischer Riblet-Strukturen an die Fertigung lieferte wertvolle Informationen, um das Potential von Riblets voll auszuschöpfen.
Abbildung 3: Beispiel einer Widerstandsreduktion durch trapezoide Riblets hergestellt durch Roll-To-Roll-Technik (aus dem Paper “Riblet design, manufacturing, and measurements A new rapid iteration process”)
