Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur Erzeugung von impulssammelnden Hammerstrahlen für die Spritzreinigung nach bionischem Vorbild des Schützenfisches

Im Rahmen des Forschungsvorhabens BionicJet soll ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung von impulssammelnden Hammerstrahlen für die Spritzreinigung nach bionischem Vorbild des Schützenfisches entwickelt und die verbesserte mechanische Reinigungswirkung am Beispiel der industriellen Spritzreinigung am Anwendungsfall Reinigungsroboter validiert werden. Schützenfische sind in der Lage, Insekten, die sich auf Blättern oberhalb des Wasserspiegels aufhalten, mit einem gezielt eingesetzten Spuckstrahl aus dem Wasser heraus zu treffen und diese, nachdem sie ins Wasser gefallen sind, zu verspeisen. Dabei haben sie einen Mechanismus entwickelt, der den ausgespuckten Wasserstrahl am Auftreffpunkt zu einer Art Wasserklumpen bündelt. Dieses einzigartige Jagdprinzip soll als Vorbild für das neue Reinigungsverfahren dienen.

Voruntersuchungen zeigten die grundsätzliche Machbarkeit und das enorme Potenzial des impulssammelnden Hammerstrahl-Prinzips für Flüssigkeitsstrahlen. In Laborversuchen konnte eine definierte Flüssigkeitsansammlung an der Spitze des Strahls erreicht werden. Die dadurch erzeugten Kraftspitzen betrugen bei gleichem Reinigungsmittelverbrauch und 10fach größerer gereinigter Fläche das 7,5fache des kontinuierlichen Strahls!

Dies verspricht eine bisher unerreichte mechanische Reinigungswirkung, auch bei niedrigem Betriebsdruck. Die Reinigung erfolgt schonend, denn die hohen Kraftspitzen wirken nur über kurze Zeit. Zusätzlich werden in starkem Maße Ressourcen wie Zeit, Wasser, Chemie und Energie gespart.

Der im Projekt zu realisierende Demonstrator, angewendet auf die zwei Bereiche der robotergestützten Reinigung von industriellen Bauteilen und Lebensmittelverarbeitungsanlagen, stellt die Basis für die Überführung der Ergebnisse in die industrielle Nutzung dar. Hier profitieren insbesondere KMU, da die Schützenfischtechnologie sich auch für die einfache Nachrüstung bestehender Reinigungssysteme eignet.

Bei erfolgreicher Validierung des Verfahrens werden weitere umfangreiche Verwertungschancen z. B. bei der Reinigung von Tanks und Gebäuden sowie der Feuerbekämpfung gesehen.

Ergebniszusammenfassung:

Durch den neuartigen Ansatz zur Modulation von Flüssigkeitsstrahlen ist es möglich, das ausgestoßene Flüssigkeitsvolumen in einem einzelnen Tropfen an der Strahlspitze zu konzentrieren. Aufgrund des größeren Flüssigkeitsvolumens in der Strahlfront lässt sich die Maximalkraft beim Aufprall erheblich verbessern. Im untersuchten Parameterraum konnte eine bis zu 25fache Erhöhung der Maximalkraft im Vergleich zu einem intermittierenden Strahl gleichen Flüssigkeitsvolumens und gleicher mittlerer Geschwindigkeit gemessen werden.

Anhand numerischer Untersuchungen wurde gezeigt, dass neben der Krafterhöhung (Normalspannung) ebenfalls die Tagentialspannungen auf der Oberfläche deutlich erhöht werden. Im Vergleich zum intermittierenden Strahl werden dabei bis zu 10fache Wandschubspannungen erreicht.

Neben der mechanischen Wirkung wird auch die Reinigungsleistung verbessert, die sich anhand der abgereinigten Fläche charakterisieren lässt. Hierbei reinigt der modulierte Strahl eine nahezu doppelt so große Fläche, wie ein vergleichbarer intermittierender Strahl. Mit Hilfe eines Demonstrators wurden zusätzlich Untersuchungen zur benötigten Reinigungszeit durchgeführt. Die Reinigungszeit reduzierte sich dabei um 35% bei gleicher Reinigungsleistung.

Der Mehraufwand zur Modulationserzeugung konnte anhand der Aufnahmeleistung des Linearmotors quantifiziert werden. So musste für die Strahlmodulation in etwa die doppelte Leistung vom Linearmotor aufgenommen werden. Dieser Mehraufwand wird durch die signifikante Verbesserung der Reinigungsergebnisse gerechtfertigt.

Während der Projektbearbeitung wurden zudem Optimierungspotenziale aufgedeckt, die innerhalb der Bearbeitungszeit nicht gelöst wurden. Dazu zählt beispielsweise die Berücksichtigung der Düsenverfahrgeschwindigkeit und der Schwerkraft im Modulationsansatz. Darüber hinaus kam der Wunsch im projektbegleitenden Ausschuss auf, die Modulation auf größere Arbeitsabstände und verschiedene Reinigungsflüssigkeiten auszuweiten.