Titelstory: Strömungsgünstige Flugzeughaut

Warum kann ein Hai so schnell – mit bis zu 70 bis 80km/h – schwimmen? Ein Grund dafür ist die Struktur seiner Haut. Sie ist nicht völlig glatt, sondern mit rippenförmigen Erhöhungen – den Riblets – versehen. Sie verringern die Verwirbelungen unter Wasser um bis zu zehn Prozent, wie Laborexperimente zeigen.

Der Hai als Vorbild

Diese Erkenntnis aus der Bionik hat sich die Luftfahrttechnik zunutze gemacht und Folien mit ‚Haifischhaut‘-Struktur entwickelt. In Kürze lässt sich eine solche Struktur auch direkt auf die Oberfläche insbesondere von Tragflächen aufbringen – erstmals mit einer Geschwindigkeit, die eine sinnvolle wirtschaftliche Nutzung erlaubt.

4Jet Microtech in Alsdorf bei Aachen hat für diesen Zweck einen beeindruckend großen Demonstrator gebaut, der die Serientauglichkeit des laserbasierten Verfahrens zeigt. Er wurde dafür im April mit dem renommierten ‚Innovation Award Laser Technology‘ ausgezeichnet.

Rasch erzeugte Riblets auf Flugzeugtragflächen

Bei den Herstellern von Reifen und in der glasverarbeitenden Industrie ist 4Jet als leistungsfähiger Lieferant von Maschinen für das lasergestützte Reinigen, Profilieren, Gravieren und Kennzeichnen bekannt. Mit der LEAF-Technologie (Laser Enhanced Air Flow) zur laserbasierten Erzeugung von strömungsoptimierten Flugzeug-Oberflächen betritt das Unternehmen Neuland, was die Anwendung betrifft. Romina Villella, Projektleiterin für den Bau des Demonstrators, sagt: „Die Anlage erzeugt mit einem CO2-Laser mittels eines Interferenzprozesses rippenförmige Mikrostrukturen, die den Strömungswiderstand reduzieren.“

Zu den Innovationen, die 4JET in diese Technologie eingebracht hat, gehört die Kombination aus Präzision und verblüffender Geschwindigkeit: Obwohl die Riblets vollflächig aufgebracht werden, ist die Laser-Mikrobearbeitung einer kompletten Tragfläche in einer Arbeitsschicht erledigt. Und: Das Verfahren kann auf bereits zertifizierten und in ihrer Anwendung bewährten Materialien – das heißt: auf die vorhandene Flugzeuglackierung – appliziert werden. Das vereinfacht die Zulassung von LEAF sowohl für neue als auch für sich bereits im Betrieb befindende Flugzeuge.

Hochpräzise flexible Großanlage als Herausforderung

Die Anpassung des Verfahrens im Hinblick auf Schnelligkeit und Präzision war eine zentrale, aber nicht die einzige Herausforderung bei der Entwicklung des Demonstrators. Eine mobile Anlage (mit daher theoretisch unendlicher X-Achse) mit einem Portal, das eine Arbeitslänge von rund neun Metern abdeckt und einen Hub von neun Metern aufweist, muss in allen Achsen millimetergenau verfahren können, um eine gleichmäßige Strukturierung der Beschichtung zu erzielen – auf einer Fläche, die so groß ist wie die Tragfläche einer Boeing 777: Das ist die zweite große Herausforderung.

Neue Technologie – bewährte Zulieferer

Dass die Verantwortlichen bei der Entwicklung einer solch einmaligen Anlage – wo immer möglich – auf bewährte Zulieferer setzen, ist einleuchtend. Das gilt auch für die Energie- und Signalzuführung im Portal.

Daniel Schneider aus dem Einkauf berichtet: „Wir arbeiten, solange ich denken kann, mit Igus zusammen, wenn wir Energieketten und Leitungen für bewegliche Anwendungen benötigen – und das gilt für viele Serienmaschinen bei uns. Entweder bewegt sich das Werkstück oder das Werkzeug, in diesem Fall der Laser.“

Was schätzen die Konstrukteure und der Einkauf an der Zusammenarbeit mit Igus? „Die Lieferzeiten sind kurz, auch bei Sonderprojekten, die Konstrukteure loben die Konfiguratoren und die CAD-Bibliotheken, und wir beziehen gern fertig konfektionierte und geprüfte Ketten“, zählt Schneider auf. „Das beschleunigt die Prozesse in der Montage.“

Große Energieketten für den Demonstrator

Der Größe des Demonstrators entsprechend, sind auch die Energieketten größer als bei den Standardanlagen von 4Jet. „Wir setzen an der Y-Achse Ketten der Baureihen E4.1 mit Breiten bis zu 43,7cm und Längen bis zu 7,44m ein, mit zusätzlichen Bügelöffnungen für die flexiblen Luftführungen, über die der Laserstaub abgesaugt wird“, geht Igus-Verkaufsberater Dennis Poensgen weiter ins Detail.

„An der Z-Achse sind stehende Energieketten der Serie E6.1 mit Breiten bis zu 60cm verbaut. Sie sind besonders vibrationsarm und daher für den Einsatz bei hoch präzisen Arbeiten prädestiniert. Teilweise haben wir die Energieketten fertig konfektioniert geliefert, mit Servo-, Steuer- und Messsystem-Leitungen aus unserem Chainflex Programm für bewegliche Anwendungen inklusive der passenden Stecker.“

Besonderheit: Energiekette mit Bremse

Die Dynamik war bei der Auslegung der Ketten und Leitungen nicht das zentrale Thema – obwohl sich insbesondere die Y-Achse schon schnell bewegt. Schließlich ist eine Boeing 777-Tragfläche rund 430 Quadratmeter groß, die innerhalb von acht Stunden komplett mit dem Interferenzlaser zu bearbeiten sind. Wichtiger ist aber die Präzision dabei: Die Arbeitsbereiche des Lasers müssen exakt, d.h. nahtlos, aneinanderstoßen. Dabei machten die Projektierer des Demonstrators eine Entdeckung.

Romina Villella erinnert sich: „Wir haben festgestellt, dass die Y-Achse durch die Zugkräfte sowie das Eigengewicht der sich ablegenden Energiekette beeinflusst wird. Im stromlosen Zustand führte dies dazu, dass die Achse in eine Richtung gezogen wurde. Um dieses Verhalten zu verhindern und eine präzise Positionierung sicherzustellen, wurde der Antrieb entsprechend mit einer Bremse ausgestattet.“

3 Prozent Kerosin einsparen – ohne Investitionsrisiko

Aus Sicht der Airlines und mit Blick auf die Nachhaltigkeit sind die Vorteile des LEAF-Verfahrens klar quantifizierbar: Ein gesamter Flieger mit ‚Haifischhaut‘ führt zu rund drei Prozent geringerem Kerosinverbrauch. Da amortisiert sich die Investition in überschaubarem Zeitrahmen, zumal 4Jet ein besonderes Geschäftsmodell anbietet. „Wir werden die Anlage zur Verfügung stellen, z.B. bei einem Spezialisten für die Flugzeugwartung“, erläutert Dr. Tobias Dyck, „und die Laserbearbeitung pro Teil, das heißt pro Flügel berechnen.“ Der Anbieter des Verfahrens geht also kein Risiko ein. Eine Anlage für die Produktion von Folien mit strömungsgünstigen Riblets befindet sich ebenfalls in der Erprobung, der Fokus soll aber auf dem ‚Lasern in den Lack‘ liegen.

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