Direkt zum Inhalt
Mit „Direct Laser Interference Patterning“ (DLIP) lassen sich komplexe, mäanderförmige Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich generieren, die das Anhaften von Eis verhindern oder stark reduzieren.

Laserstruktur gegen Vereisung

10.03.2020

Funktionalisierte Flugzeugoberflächen lassen sich schnell und umweltschonend enteisen.

Das NACA-Profil mit der wasserabweisenden strukturierten Oberfläche.
Zum Vergleich: Auf dem unstrukturierten NACA-Profil haftet das Wasser an und gefriert bei Minusgraden binnen Sekunden zu Eis.
Schlüsseltechnologie DLIP

Das „Direkte Laserinterferenzstrukturieren“ durch Kurz- und Ultrakurzpulslaser gilt als Schlüsseltechnologie, die vielseitig einsetzbar ist, etwa wenn technische Oberflächen wie Windkraftanlagen oder andere 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.

Unter dem Titel „Design Rules for Laser‐Treated Icephobic Metallic Surfaces for Aeronautic Applications“ erschien am 24. Februar 2020 eine wissenschaftliche Veröffentlichung zu dieser Entwicklung:

Eis auf Flugzeugoberflächen birgt potenzielle Gefahren: Der Kraftstoffverbrauch steigt, die Aerodynamik wird gestört und der erzeugte Auftrieb sinkt – die Funktionsfähigkeit des Flugzeugs wird beeinträchtigt. Forscherinnen und 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“ lassen sich Oberflächenstrukturen gestalten, die Anti-Icing effektiv ermöglichen.

Die Bildung von Eis stellt im Flugverkehr ein Sicherheitsrisiko dar. 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 die Eisbildung zudem verhindern. Allerdings sind diese Flüssigkeiten umweltschädlich und teuer. 400 bis 600 Liter fallen für die Enteisung 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.

Ökologisch nachhaltig

Mit der Direkten Laserinterferenzstrukturierung (englisch: Direct Laser Interference Patterning -- DLIP) hat ein Forscherteam des Fraunhofer IWS in enger Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner Airbus und der TU Dresden ein Verfahren entwickelt, mit dem sich komplexe, mäanderförmige Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich generieren lassen, die das Anhaften von Eis verhindern oder stark reduzieren. Die Besonderheit: Die Forscherinnen und Forscher kombinieren die DLIP-Technologie mit Ultrakurzpulslasern, sodass mehrstufige Mikrostrukturen auf 3D-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 Prozent geringere Heizleistung beim technischen Enteisen erforderlich. Das bringt zahlreiche Vorteile mit sich: Es sind weniger umweltschädliche Enteisungsmittel erforderlich, die Wartezeit für die Fluggäste während der Enteisung reduziert sich und der Energie- sowie der Treibstoffverbrauch im Flugbetrieb sinken ebenso wie das Fluggewicht infolge der potenziell kleineren Heizaggregate. Mit herkömmlichen Technologien ist eine Kombination der beiden Effekte bislang nicht möglich.

Tests im Windkanal

Dies waren die Ergebnisse einer gezielten Prozessentwicklung mit Vorarbeiten durchgeführt an der TU Dresden gefolgt von der finalen Demonstratorstrukturierung am Fraunhofer IWS, die anschließend im Windkanal von Airbus getestet wurden. 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 NACA-Profil auf und testeten unter realen Bedingungen bei Windgeschwindigkeiten zwischen 65 bis 120 m/s, Lufttemperaturen unter minus zehn Grad Celsius 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 Watt auf dem unstrukturierten Profil erst nach 70 Sekunden verschwindet, sich jedoch auf dem strukturierten Pendant bereits nach fünf Sekunden vollständig zurückbildet – bei gleicher Heizleistung. Das entspricht einer Beschleunigung von über 90 Prozent infolge des Einsatzes der DLIP-Technologie. Um das Eis auf dem unstrukturierten Demonstrator ebenfalls innerhalb von fünf Sekunden zu beseitigen, waren 25 Prozent mehr Heizleistung bzw. 75 Watt erforderlich. „Wir haben erstmals realitätsnah gezeigt, welche Potenziale die großflächige Laseroberflächenstrukturierung beim Anti-Icing erschließen kann. Mit unserem DLIP-Ansatz realisierten wir erstmals multiskalige Oberflächen mit Mikrometerauflösung auf einem komplexen Bauteil wie dem NACA-Profil und zeigten zugleich die konkreten Vorzüge gegenüber anderen Laserverfahren“, sagt Dr. Tim Kunze, Teamleiter der Gruppe Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer IWS. 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 unserem neuen DLIP-Verfahren können wir eine fragmentierte Oberfläche erzielen und so die Zahl der Anhaftpunkte für Eis deutlich reduzieren.“

Für Projektpartner Airbus ist die Bildung von Eis besonders bei der Landung gefährlich. „Wenn das Flugzeug bei Minusgraden durch die Wolken fliegt, gefriert das Wasser innerhalb von Millisekunden auf der Oberfläche. Dies kann die Funktionsfähigkeit von Steuerelementen wie Landeklappen und Vorflügel stören, die Aerodynamik ist dann beeinträchtigt“, erklärt der Materialwissenschaftler Elmar Bonaccurso von Airbus. „Die wasserabweisende Struktur 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 A350 gewonnen werden, an dem eine per DLIP bearbeitete Oberfläche angebracht wurde.

Werbung

Weiterführende Themen

Feuerverzinkungsgerechtes Konstruieren.
Metallbau
01.08.2019

Feuerverzinkter Stahl ermöglicht hohe gestalterische Freiheiten bei der Realisierung von Balkonen, Treppen- sowie Zaunanlangen.

Die jüngst installierte Teilereinigungsanlage arbeitet mit dem modifizierten Alkohol RG CLEANER 63 der Richard Geiss GmbH.
Oberflächentechnik
19.07.2019

Die Richard Geiss GmbH erweitert ihr Leistungsspektrum in der Lohnentfettung.

Seit fast 40 Jahren verlassen sich Metallarbeiter auf die einwandfreien Ergebnisse der Scotch-Brite Grobreinigungsscheiben. Jetzt bieten sie eine noch höhere Geschwindigkeit und längere Standzeit.
Aktuelles
19.07.2019

Die Scotch-Brite Grobreinigungsscheiben XT Pro und XT Pro Extra Cut wurden verbessert.

Spezielle Gestelle für ein gutes Beschichtungsergebnis bietet die Ebbinghaus Styria Coating GmbH.
Oberflächentechnik
11.07.2019

Bei der Ebbinghaus Styria Coating GmbH schenkt man der Konstruktion und Fertigung von Warenträgern für die KTL-Beschichtung besondere Beachtung. 

Die Einsatzmöglichkeiten des Aton Wire im Walz- oder Drahtziehwerk sind vielfältig und auf die Reduktion der laufenden Kosten ausgerichtet.
Oberflächentechnik
21.06.2019

Guter Deal für mehr Qualität: Ein kostengünstiges Profilmessgerät für Walz- und Drahtziehnetzwerke bietet der Messtechnikspezialist Nextsense.

Werbung