Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss der Materialzusammensetzung und Oberflächenstruktur von laser-gesinterten Modellpropellern auf die Prognosegenauigkeit von Propulsionsversuchen

Im Rahmen schiffbaulicher Entwicklungen sind experimentelle Untersuchungen mit maßstäblichen Schiffsmodellen weiterhin unverzichtbar. Während die Rümpfe individuell gefertigt werden, verzichtet man aufgrund der hohen Fertigungskosten in der Regel auf den Einsatz von individuellen Propellern. Stattdessen werden vorhandene Propeller verwendet, die dem später am Schiff eingesetzten möglichst ähnlich sind. Neue Techniken im Propellerentwurf erlauben jedoch deutlich abweichende, angepasste Formen. Auch wenn etablierte Methoden für die Prognose der Großausführungseigenschaften genutzt werden, entsteht dadurch ein Genauigkeitsverlust.

Die Fortschritte bei den additiven Fertigungsverfahren erlauben es, individuell gefertigte Modellpropeller zu vertretbaren Kosten herzustellen. Diese haben bisher jedoch zu raue Oberflächen und eine zu geringe Steifigkeit. In diesem Forschungsprojekt soll daher untersucht werden, inwiefern es möglich ist, durch neuartige Materialzusammensetzungen die Steifigkeit zu erhöhen, durch Anpassung der Fertigungsverfahren die Rauigkeit zu verringern und die Prognosemethoden so anzupassen, dass ein Genauigkeitsgewinn durch den Einsatz individueller Modellpropeller erreicht wird.

Neben dem direkten Nutzen für die KMU-dominierten Binnenschifffahrtsunternehmen eröffnet sich ein weites Anwendungsfeld von Bauteilen in Modellversuchen und Prototypenanwendungen. Hierzu gehören neben dynamischen Bauteilen, z. B. in Axialpumpen oder Strömungsenergieanlagen, auch statische Bauteile wie Düsen oder sonstige strömungstechnisch wirksame Anhänge. Die additive Fertigung ermöglicht damit zahlreichen kleinen und mittleren Maschinenbauunternehmen kosteneffiziente Analysen und Optimierungen von Strömungsproblemen. Auch kann die Sportbootbranche von einem direkten Einsatz kleiner individueller Kunststoffpropeller profitieren. Für den Bereich der additiven Fertigung eröffnet sich damit ein völlig neues Geschäftsfeld, welches bisher kaum an dieser Technik partizipiert hat.

Ergebniszusammenfassung:

Nahezu sämtliche Schiffsneubauten sind Einzelanfertigungen. Nach wie vor erfolgt die Prognose von Geschwindigkeit und zugehöriger Antriebsleistung fast ausschließlich auf Basis von Modellversuchen in Schiffbauversuchsanstalten. Bei Binnenschiffen wird häufig aus Zeit- und Kostengründen auf Versuche mit der realen Propellergeometrie verzichtet. Dies geht einher mit einem Genauigkeitsverlust und ungenutztem Optimierungspotenzial. Das Projekt zielte darauf ab, lasergesinterte (LS) Kunststoffpropeller hinsichtlich der Oberflächengüte und Festigkeit zu optimieren. Darauf aufbauend sollten die Verfahren für die Modellversuche und die rechnerische Berücksichtigung von Maßstabseffekten an die Besonderheiten der LS-Propeller angepasst werden. Zudem wurden im Projekt Konzepte für besonders präzise Messungen der hydrodynamischen Eigenschaften von Modellpropellern im sogenannten Freifahrtversuch entwickelt und untersucht.

Ausgehend vom Basis-Werkstoff PA12 konnte die Festigkeit durch geänderte Materialzusammensetzung erhöht werden. Dies führte jedoch zu einer Zunahme der Oberflächenrauheit, sodass eine Nachbehandlung der Oberfläche erforderlich wird. An die gewonnenen Erkenntnisse zu Materialien, Prozessparametern und mechanischen Eigenschaften kann sowohl wissenschaftlich als auch wirtschaftlich angeknüpft werden. Bei der Weiterentwicklung der Verfahren können die Ergebnisse ebenso genutzt werden, wie in der direkten Anwendung des Laser-sinterns. Auch wenn der angestrebte Genauigkeitsgewinn von Modellversuchen mit geometrisch optimierten LS-Propellern aufgrund der Maßhaltigkeit, der trotz erhöhter Steifigkeit verbleibenden Elastizität und der Oberflächenrauheit nicht realisiert werden konnte, sind die Erkenntnisse vielfach nutzbar. Hierzu zählen die erhöhte Genauigkeit von Mess- und Versuchstechnik sowie die Kenntnis der Auswirkungen, wenn in bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise Seegangsversuchen oder bei der Gefahr von Grundberührung, LS-Propeller zum Einsatz kommen.