EP3697853A1 - Strömungsoptimierte oberfläche und fahrzeug mit einer derartigen strömungsoptimierten oberfläche - Google Patents

Strömungsoptimierte oberfläche und fahrzeug mit einer derartigen strömungsoptimierten oberfläche

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Publication number
EP3697853A1
EP3697853A1 EP18769327.0A EP18769327A EP3697853A1 EP 3697853 A1 EP3697853 A1 EP 3697853A1 EP 18769327 A EP18769327 A EP 18769327A EP 3697853 A1 EP3697853 A1 EP 3697853A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
optimized surface
optimized
coating
acrylates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18769327.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai-Christoph Pfingsten
Mathias Nolte
Oliver OESER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lufthansa Technik AG
Original Assignee
Lufthansa Technik AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lufthansa Technik AG filed Critical Lufthansa Technik AG
Publication of EP3697853A1 publication Critical patent/EP3697853A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D4/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, based on organic non-macromolecular compounds having at least one polymerisable carbon-to-carbon unsaturated bond ; Coating compositions, based on monomers of macromolecular compounds of groups C09D183/00 - C09D183/16
    • C09D4/06—Organic non-macromolecular compounds having at least one polymerisable carbon-to-carbon unsaturated bond in combination with a macromolecular compound other than an unsaturated polymer of groups C09D159/00 - C09D187/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C21/00—Influencing air flow over aircraft surfaces by affecting boundary layer flow
    • B64C21/10—Influencing air flow over aircraft surfaces by affecting boundary layer flow using other surface properties, e.g. roughness
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D133/00—Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/002—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer
    • F15D1/0025—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply
    • F15D1/003—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions
    • F15D1/0035—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using passive means, i.e. without external energy supply comprising surface features, e.g. indentations or protrusions in the form of riblets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C2230/00—Boundary layer controls
    • B64C2230/26—Boundary layer controls by using rib lets or hydrophobic surfaces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/10—Drag reduction

Definitions

  • the present invention relates to a flow-optimized surface having the features of the preamble of claim 1 and a vehicle having such a flow-optimized surface having the features of the preamble of claim 12
  • Vehicles and parts in general which are deliberately exposed to a flow, such as Rotor blades of Windkraftanla conditions or ship propeller are deliberately designed in their outer shape and their surface so that the friction losses de flow to the outer skin of the vehicle or the parts are as low as possible, which in addition to a desired movement behavior and desired balance of power and low rigere consumption of a associated drive device and efficiencies in general can be realized.
  • the surface of aircraft is selectively formed with microstructures in the form of ribs to a flow-optimized surface, through which the friction losses can be reduced.
  • the geometries of such strömungsoptimier te surfaces are, for example, from the documents AT 508274 Bl, EP 2 982 599 AI and WO 2017/063040 AI known.
  • the ribs of the flow-optimized surface are also referred to in the jargon as riblets - or, in the style of the animal world, as sharkskins - and serve to reduce friction losses by selectively influencing the flow in the boundary layer at the surface. In tests it could be determined in the flow channel that the ribs can achieve a friction reduction of up to 10%.
  • Riblets can be applied to a surface by a variety of techniques including lithography, laser ablation, 3D printing, and machining, such as milling.
  • the flow-optimized surfaces with the friction-reducing surface structure may e.g. applied in the form of films or embossed by embossing.
  • the flow-optimized surface is applied by means of a foil
  • a special lacquer is applied to the foil in order to realize the special rib structure.
  • the paint is a UV-curable paint which is applied to a die with a negative mold of the surface.
  • the matrix is then pressed with the paint on the surface to be coated.
  • the matrix itself is also permeable to UV radiation, so that the paint can be cured during the embossing process to the extent that it is dimensionally stable after removal of the die.
  • the process can also be carried out continuously using a roller, a conveyor belt, or the like. be applied.
  • the microstructured paint can also be glued to the free surface without carrier film directly on the aircraft surface, so that the paint with the rib structure forms the free surface of the aircraft part.
  • the paint can also be applied directly to the surface of the aircraft to be structured, the friction-reducing surface structure then being embossed, for example, in a rolling process or already formed during application, as is known, for example, from EP 2 982 599 A1.
  • a disadvantage of such flow-optimized surfaces is that even under the external influences they are subject to unavoidable wear. As a result of the wear, the surface structure of the flow-optimized surface that is advantageous in relation to the friction conditions then changes, as a result of which the friction losses increase, or the advantageous effect of the friction-reducing surface is at least partially lost.
  • the object of the invention is to provide a flow-optimized surface and a vehicle with such a flow-optimized surface with reduced wear.
  • a coating forming the friction-reducing surface has a modulus of elasticity of 1.0 to 500.0 MPa and / or an elastic deformability of more than 10%.
  • the proposed property of the coating is advantageous insofar as the wear of the streamlined surface can be significantly reduced. This is due to the fact that the abrasion of the flow-optimized surface caused hitherto by the impinging particles can be reduced by the coating of the flow-optimized surface being able to yield at least slightly elastically.
  • the impinging particles thereby cause no dissolution of material particles from the flow-optimized surface, but instead upon impact small elastic indentations, which deform after the rebound of the particles back again.
  • the invention utilizes the knowledge that the surface can retain its surface even in its original form due to the deliberate compliance of the flow-optimized surface.
  • the low modulus of elasticity and the high elongation at break preferably lead to a correspondingly high elastic deformability of the flow-optimized surface of greater than 10%, without adversely affecting the advantages of friction reduction achieved by the surface structure.
  • the coating is formed by a plastic, more preferably by a lacquer.
  • the paint is advantageously applied to the surface via a negative mold, for example by a roller or a conveyor belt.
  • a negative mold for example by a roller or a conveyor belt.
  • it is UV-curable varnish.
  • the female mold is also permeable to UV light. The paint can thus be hardened so far during the embossing process that it is dimensionally stable after removal of the die.
  • the paint is produced from a prepolymer having at least one mono- or oligomer building block with at least one polymerizable C-C double bond.
  • the mono- or oligomer building block from the group of acrylates, methyl acrylates, vinyl ethers, allyl ethers, propenyl ethers, alkenes, dienes, unsaturated esters, allyl triazenes, allyl isocyanates, N-vinyl amides.
  • the paint is advantageously prepared from a prepolymer having at least one multifunctional monomer building block with at least two thiol groups from the group: 3-mercaptopropionates, 3-mercaptoacetates, thioglycolates, alkylthiols.
  • the lacquer has a proportion of at least 60.0 percent by weight of one or more of the following oligomer and / or polymer compounds: polyurethanes, polyacrylates, epoxy acrylates, silicone acrylates, polyether acrylates. Further advantageously, the lacquer comprises a proportion of 2.0 to 40.0 percent by weight of one or more reactive diluents of a UV-curable monomer having an acrylate, methacrylate or vinyl group.
  • the varnish comprises a proportion of 0.05 to 10.0 percent by weight of one or more hydrophobic additives comprising silicone, fluorochemicals, and / or alkyl compounds.
  • the paint has a photoinitiator. Further advantageously, the proportion of the photoinitiator 0.0 to 5.0 weight percent of the paint.
  • Fig. 1 is an enlarged schematic representation of a strö optimized surface with an inventive Shen surface and a surface according to the prior art in comparison;
  • Fig. 2 is an enlarged view of a strömungsoptimier th surface with a surface according to the invention and a surface according to the prior art in comparison.
  • FIG. 1 shows two sections and plan views through or onto a vehicle part designed in this case in the form of an aircraft part 1, wherein the representation I is an aircraft part 1 with a flow-optimized surface 2 according to the prior art and the representation II a further developed one Show aircraft part 1 with a flow-optimized surface according to the invention.
  • the aircraft part 1 can be any part of an aircraft which is part of the outer skin of the aircraft and thus exposed to the air flow.
  • the flow-optimized surface 2 in each case has a rubbing-reducing surface structure, which may correspond, for example, to the surface structure described in the document AT 508274 Bl.
  • the friction-reducing surface Structure is preferably characterized by a plurality of mutually parallel ribs 3, which are preferably aligned in the flow direction during the flight on the surface under normal conditions along flowing outside air.
  • the height of the ribs 3 is 0.1 to 1.5 times, preferably 0.3 to 0.6 times the distance of the ribs 3 to each other, wherein the height and the distances are selected in the micrometer range of 10 to 200 / im.
  • the streamlined surface 2 is described here in use on an aircraft part 1, which is exposed during the flight of the air flow to the environment.
  • the air flow is vectorially composed of the wind and the relative movement of the aircraft to its environment caused by the airspeed and may be up to 300 m / s depending on the wind direction.
  • the air flow corresponds to the relative flow between the outer skin of the aircraft part 1 and the fluid surrounding the aircraft part 1. Since the airspeed, at about 850 km / h to 950 km / h, is considerably greater than the wind speed, the relative speed of the vectorial sum will always be directed in the direction of flight in the longitudinal direction of the fuselage. Accordingly, the ribs 3 in an aircraft are always aligned in the longitudinal direction of the fuselage accordingly.
  • the stromungsoptimator surface 2 can also be applied to the surface of other vehicles such as ships, automobiles, motorcycles or the like. Furthermore, it is also conceivable to apply the streamlined surface 2 to surfaces which are exposed to extreme flow conditions due to their arrangement and the use of the part on which they are placed. Such surfaces can be For example, be the surface of the rotor blades of wind rotors, ship propellers or surf or kite boards.
  • the ribs 3 are aligned in this case in each case in the flow direction of the expected under normal conditions or averaged conditions relative flow at the surface.
  • the two flow-optimized surfaces 2 in FIG. 1 are here each applied to an aircraft part 1 in the form of a coating 5, wherein the coating 5 is preferably formed by a lacquer.
  • the flow-optimized surfaces 2 each have a friction-reducing surface structure of mutually parallel ribs 3 which can be recognized in the upper plan views in each case as lines and in the lower sectional representations as equidistantly arranged elevations or tips.
  • the flow-optimized surface 2 shown in the left-hand illustration I known in the prior art with the coating layer LS designated A has a coating 5 with a modulus of elasticity E of 1026 Pa, a tensile strength R of 37.5 MPa and an elongation at break L of 6, 2% up.
  • the wear of the flow-optimized surface 2 known from the prior art with the lacquer layer LS was produced under defined conditions in an experiment in a sand vibrating table and is in the form of craters 4 in the flow-optimized surface 2 and on the basis of the fillets 6 of the ribs 3 previously formed in cross-section to recognize.
  • the flow-optimized surface 2 developed according to the invention shown in the right-hand illustration II has a new lacquer layer LS, which is designated as B, and a 5 has a modulus of elasticity E of 7.3 MPa, a tensile strength R of 8.0 MPa and an elongation at break L of 81.3%.
  • the wear of the inventively further developed flow optimized surface 2 with the new coating layer LS was produced under identical experimental conditions and is noticeably lower, which can be recognized by the significantly smaller number of craters 4 in the flow-optimized surface 2, which are also significantly flatter.
  • the ribs 3 are significantly less rounded and still pointed in cross section, as can be seen in the lower illustration.
  • the coating 5 according to the invention has a preferred modulus of elasticity E of 1.0 to 500.0 MPa, the effect according to the invention, ie the reduction in wear, being more pronounced or greater, if a paint 5 with the lowest possible modulus of elasticity E is used.
  • a paint 5 with the lowest possible modulus of elasticity E is used.
  • particularly good results can be achieved with coatings 5 having a modulus of elasticity E of less than 100 MPa and particularly preferably having a modulus of elasticity E of less than 50 MPa.
  • the coating 5 according to the invention with the new lacquer layer LS can e.g. be prepared from a prepolymer having at least one mono- or oligomer building block with at least one polymerizable CC double bond, the mono- or oligomer building block more preferably selected from the group of acrylates, methyl acrylates, vinyl ethers, allyl ethers, propenyl ethers, alkenes, dienes, unsaturated esters, allyl Triazene, allyl isocyanates, N-vinyl amides.
  • the coating 5 can be produced from a varnish comprising a prepolymer having at least one multifunctional monomer unit with at least two thiol groups from the group: 3-mercaptopropionates, 3-mercaptoacetates, thioglycolates, alkylthiols.
  • the lacquer may have a proportion of at least 60.0 percent by weight of one or more of the following oligomer and / or polymer compounds: polyurethanes, polyacrylates, epoxy acrylates, silicone acrylates, polyether acrylates.
  • the paint may contain from 2.0 to 40.0 weight percent of one or more reactive diluents of a UV-curable monomer having an acrylate, methacrylate or vinyl group.
  • the varnish may comprise from 0.05 to 10.0 percent by weight of one or more hydrophobic additives comprising silicone, fluorochemicals, and / or alkyl compounds.
  • the lacquer may have a photoinitiator, wherein the proportion of the photoinitiator is preferably from 0.0 to 5.0% by weight of the lacquer.
  • a second possible embodiment of a paint according to the invention has the following composition: 84% oligomer E8402
  • the friction-reducing coating 5 by a rubber coating.
  • the chemical curing for example, the vulcanization, takes place during the shaping by a die with the negative mold.
  • the coating 5 it is possible to apply the coating 5 to a film and then apply this to the surface.
  • the coating 5 is formed by the film itself.
  • the proposed coating 5 can also be applied to other friction-reducing surface structures with a different structure than the ribs 3 described here, since the coating 5 basically only reduces the wear and thus the original friction-reducing surface structure is retained longer regardless of its shape.

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Abstract

Eine strömungsoptimierte Oberfläche (2), insbesondere Flugzeugoberfläche mit einer durch eine Beschichtung (5) gebildeten reibungsreduzierenden Oberflächenstruktur, ist dadurch ausgezeichnet, dass die Beschichtung (5) ein Elastizitätsmodul (E) von 1,0 bis 500,0 MPa und/oder eine elastische Verformbarkeit von mehr als 10 % aufweist.

Description

Lufthansa Technik AG, 22335 Hamburg, DE
Strömungsoptimierte Oberfläche und Fahrzeug mit einer derartigen strömungsoptimierten Oberfläche
Die vorliegende Erfindung betrifft eine strömungsoptimierte Oberfläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und ein Fahrzeug mit einer derartigen strömungsoptimierten Oberfläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 12
Fahrzeuge und Teile im Allgemeinen, welche bewusst einer Strö mung ausgesetzt sind, wie z.B. Rotorblätter von Windkraftanla gen oder Schiffspropeller, werden in ihrer Außenform und ihre Oberfläche gezielt so ausgelegt, dass die Reibungsverluste de Strömung an der Außenhaut der Fahrzeuge bzw. der Teile möglichst niedrig sind, wodurch neben einem gewünschten Bewegungsverhalten bzw. gewünschten Kräfteverhältnissen auch nied rigere Verbrauchswerte einer zugehörigen Antriebseinrichtung und Wirkungsgrade im Allgemeinen realisiert werden, können .
Als Fahrzeuge im Sinne der Erfindung werden insbesondere Flug zeuge, Schiffe, Automobile, Motorräder und dergleichen angese hen, deren Außenhaut einer Relativströmung zu einem Fluid der Umgebung ausgesetzt sind, welche z.B. durch die Bewegung der Fahrzeuge selbst oder auch durch den Wind oder die Wasserströ mung verursacht werden.
So wird die Oberfläche von Flugzeugen gezielt mit Mikrostrukturen in Form von Rippen zu einer strömungsoptimierten Oberfläche ausgebildet, durch welche die Reibungsverluste reduziert werden können. Die Geometrien solcher strömungsoptimier te Oberflächen sind z.B. aus den Druckschriften AT 508274 Bl, EP 2 982 599 AI und WO 2017/063040 AI bekannt. Die Rippen der strömungsoptimierten Oberfläche werden in der Fachsprache auch als Riblets - oder in Anlehnung an die Tierwelt auch als Haifischhaut - bezeichnet und dienen der Verringerung der Reibungsverluste, indem die Strömung in der Grenzschicht an der Oberfläche gezielt beeinflusst wird. In Versuchen konnte im Strömungskanal festgestellt werden, dass durch die Rippen eine Reibungsreduzierung von bis zu 10 % erzielt werden kann.
Riblets können durch unterschiedliche Verfahren auf eine Oberfläche aufgebracht werden, dazu zählen beispielsweise das Lithographie, Laserabiation, 3D-Druck und spanende Bearbeitung, bspw. Fräsen.
Die strömungsoptimierten Oberflächen mit der reibungsreduzie- renden Oberflächenstruktur können z.B. in Form von Folien aufgebracht oder durch Prägeverfahren eingeprägt werden.
Sofern die strömungsoptimierte Oberfläche mittels einer Folie aufgebracht wird, wird zur Verwirklichung der speziellen Rippenstruktur auf die Folie ein spezieller Lack aufgebracht. Bei dem Lack handelt es sich um einen UV-härtbaren Lack, welcher auf eine Matrize mit einer Negativform der Oberfläche gegeben wird. Die Matrize wird dann mit dem Lack auf die zu beschichtende Oberfläche gepresst. Die Matrize selbst ist gleichzeitig durchlässig für UV-Strahlung, so dass der Lack während des Prägeprozesses soweit gehärtet werden kann, dass er nach dem Entfernen der Matrize formstabil ist. Neben der Verwendung einer Matrize kann das Verfahren auch kontinuierlich unter Verwendung einer Rolle, eines Förderbandes, o.ä. appliziert werden . Ferner kann der mikrostrukturierte Lack auch mit der freien Seite ohne Trägerfolie direkt auf die Flugzeugoberfläche geklebt werden, so dass der Lack mit der Rippenstruktur die freie Oberfläche des Flugzeugteils bildet. Alternativ kann der Lack auch direkt auf die zu strukturierende Oberfläche des Flugzeuges aufgebracht werden, wobei die reibungsreduzierende Oberflächenstruktur dann z.B. in einem Rollverfahren anschließend eingeprägt oder bereits während des Auftragens geformt wird, wie dies z.B. aus der EP 2 982 599 AI bekannt ist.
Ein Nachteil solcher strömungsoptimierter Oberflächen besteht darin, dass auch sie unter den äußeren Einwirkungen einem nicht zu vermeidenden Verschleiß unterliegen. Durch den Verschleiß ändert sich dann wiederum die in Bezug zu de Reibungsverhältnissen vorteilhafte Oberflächenstruktur der stromungsoptimierten Oberfläche, wodurch die Reibungsverluste ansteigen, bzw. der vorteilhafte Effekt der reibungsreduzieren- den Oberfläche zumindest teilweise verloren geht.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine strömungsoptimierte Oberfläche und ein Fahrzeug mit einer derartigen stromungsoptimierten Oberfläche mit einem reduzierten Verschleiß bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine strömungsop- timierte Oberfläche mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Fahrzeug mit einer derartigen stromungsoptimierten Oberfläche mit den Merkmalen von Anspruch 12 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Weiterentwicklungen sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine die reibungsreduzierende Oberfläche bildende Beschichtung ein Elastizitätsmodul von 1,0 bis 500,0 MPa und/oder eine elastische Verformbarkeit von mehr als 10 % aufweist.
Unter einer elastischen Verformbarkeit im Sinne dieser Anmeldung ist der Grad der reversiblen elastischen Verformung zu verstehen .
Die vorgeschlagene Eigenschaft der Beschichtung ist insofern von Vorteil, da dadurch der Verschleiß der stromungsoptimierten Oberfläche entscheidend verringert werden kann. Dies liegt daran, dass die bisher durch die auftreffenden Partikel verursachte Abrasion der stromungsoptimierten Oberfläche reduziert werden kann, indem die Beschichtung der stromungsoptimierten Oberfläche zumindest geringfügig elastisch nachgeben kann. Die auftreffenden Partikel verursachen dadurch kein Herauslösen von Werkstoffpartikeln aus der stromungsoptimierten Oberfläche, sondern stattdessen beim Auftreffen kleine elastische Eindrückungen, welche sich nach dem Abprallen der Partikel wieder zurückverformen . Die Erfindung nutzt demnach die Erkenntnis, dass durch die bewusste Nachgiebigkeit der stromungsoptimierten Oberfläche, die Oberfläche selbst in ihrer ursprünglichen Form länger erhalten bleiben kann. Das niedrige Elastizitätsmodul sowie die hohe Bruchdehnung führen dabei vorzugsweise zu einer entsprechend hohe elastischen Verformbarkeit der stromungsoptimierten Oberfläche von größer als 10 %, ohne dass die durch die Oberflächenstruktur erzielten Vorteile hinsichtlich der Reibungsreduzierung nachteilig be- einflusst werden.
Vorzugsweise wird die Beschichtung durch einen Kunststoff, weiter vorzugsweise durch einen Lack gebildet. Der Lack wird vorteilhaft über eine Negativform, bspw. durch eine Rolle oder ein Förderband, auf die Oberfläche aufgebracht. Vorzugsweise handelt es sich um UV-härtbaren Lack. Weiter vorzugsweise ist die Negativform der Matrize dann auch durchlässig für UV- Licht. Der Lack kann somit bereits während des Prägeprozesses so weit gehärtet werden, dass er nach Entfernen der Matrize formstabil ist .
Vorteilhaft ist der Lack aus einem Präpolymer mit wenigstens einem Mono- oder Oligomerbaustein mit wenigstens einer polyme- risierbaren C-C Doppelbindung hergestellt. Weiter vorteilhaft ist der Mono- oder Oligomerbaustein aus der Gruppe der Acryla- te, Methylacrylate , Vinylether, Allylether, Propenylether , Al- kene, Diene, ungesättigte Ester, Allyl-Triazene, Allyl- Isocyanate, N-Vinylamide .
In weiteren Ausführungsformen ist der Lack vorteilhaft aus einem Präpolymer mit wenigstens einem multifunktionalen Monomerbaustein mit wenigstens zwei Thiol-Gruppen aus der Gruppe: 3- Mercaptopropionate , 3 -Mercaptoacetate , Thioglycolate , Al- kylthiole hergestellt .
Vorteilhaft weist der Lack einen Anteil von wenigstens 60,0 Gewichtsprozent einer oder mehrerer der folgenden Oligomer- und/oder Polymerverbindungen auf: Polyurethane, Polyacrylate , Epoxidacrylate , Silikonacrylate , Polyetheracrylate . Weiter vorteilhaft weist der Lack einen Anteil von 2,0 bis 40,0 Gewichtsprozent eines oder mehrerer reaktiver Verdünnungsmittel eines UV-aushärtbaren Monomers mit einer Acrylat-, Methacrylat oder Vinylgruppe auf. Vorzugsweise umfasst der Lack einen Anteil von 0,05 bis 10,0 Gewichtsprozent eines oder mehrerer hydrophober Zusatzstoffe, welcher Silikon, Fluorchemikalien, und/oder Alkylverbindungen aufweist . Vorteilhaft weist der Lack einen Photoinitiator auf. Weiter vorteilhaft beträgt der Anteil des Photoinitiators 0,0 bis 5,0 Gewichtsprozent des Lacks.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausfüh- rungsformen unter Bezugnahme' auf die beigefügte Figur näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine vergrößerte schematische Darstellung einer strö mungsoptimierten Oberfläche mit einer erfindungsgemä ßen Oberfläche und einer Oberfläche nach dem Stand der Technik im Vergleich; und
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer strömungsoptimier ten Oberfläche mit einer erfindungsgemäßen Oberfläch und einer Oberfläche nach dem Stand der Technik im Vergleich.
In der Figur 1 sind zwei Schnitte und Draufsichten durch bzw. auf ein in diesem Fall in Form eines Flugzeugteils 1 ausgebildeten Fahrzeugteils zu erkennen, wobei die Darstellung I ein Flugzeugteil 1 mit einer strömungsoptimierten Oberfläche 2 nach dem Stand der Technik und die Darstellung II ein weiterentwickeltes Flugzeugteil 1 mit einer erfindungsgemäßen strömungsoptimierten Oberfläche zeigen. Das Flugzeugteil 1 kann dabei jedes Teil eines Flugzeugs sein, welches Teil der Außenhaut des Flugzeuges ist und damit der Luftströmung ausgesetzt ist .
Die strömungsoptimierte Oberfläche 2 weist jeweils eine rei- bungsreduzierende Oberflächenstruktur auf, welche z.B. der in der Druckschrift AT 508274 Bl beschriebenen Oberflächenstruktur entsprechen kann. Die reibungsreduzierende Oberflächen- struktur zeichnet sich vorzugsweise durch eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufenden Rippen 3 aus, welche bevorzugt in Strömungsrichtung der während des Fluges an der Oberfläche unter Normalbedingungen entlang strömenden Außenluft ausgerichtet sind. Die Höhe der Rippen 3 beträgt das 0,1 bis 1,5 fache, vorzugsweise das 0,3 bis 0,6 fache des Abstandes der Rippen 3 zueinander, wobei die Höhe und die Abstände im Mikrometerbereich von 10 bis 200 /im gewählt sind. Es sind daneben auch weitere Strömungsreduzierende Geometrien möglich.
Die stromungsoptimierte Oberfläche 2 wird hier in der Verwendung auf einem Flugzeugteil 1 beschrieben, welches während des Fluges der Luftströmung der Umgebung ausgesetzt ist. Die Luftströmung setzt sich in diesem Fall aus dem Wind und der durch die Fluggeschwindigkeit verursachten Relativbewegung des Flugzeuges zu seiner Umgebung vektoriell zusammen und kann je nach der Windrichtung bis zu 300 m/s betragen. Die Luftströmung entspricht der Relativströmung zwischen der Außenhaut des Flugzeugteiles 1 und dem das Flugzeugteil 1 umgebenden Fluid. Da die Fluggeschwindigkeit mit ca. 850 km/h bis 950 km/h erheblich größer als die Windgeschwindigkeit ist, wird die Relativgeschwindigkeit der vektoriellen Summe immer in Flugrichtung also in Längsrichtung des Flugzeugrumpfes gerichtet sein. Damit sind die Rippen 3 bei einem Flugzeug dementsprechend immer in Längsrichtung des Flugzeugrumpfes ausgerichtet.
Die stromungsoptimierte Oberfläche 2 kann aber auch auf Oberfläche anderer Fahrzeuge wie z.B. Schiffen, Automobilen, Motorrädern oder dergleichen angewendet werden. Ferner ist es ebenso denkbar, die stromungsoptimierte Oberfläche 2 auf Oberflächen anzuwenden, welche aufgrund ihrer Anordnung und der Verwendung des Teils, auf dem sie angeordnet sind, extremen Strömungsbedingungen ausgesetzt sind. Solche Oberflächen kön- nen z.B. die Oberfläche der Rotorblätter von Windrotoren, von Schiffspropellern oder auch von Surf- oder Kiteboards sein. Die Rippen 3 sind in diesem Fall jeweils in Strömungsrichtung der unter Normalbedingungen oder gemittelten Bedingungen zu erwartenden Relativströmung an der Oberfläche ausgerichtet.
Die beiden strömungsoptimierten Oberflächen 2 in der Figur 1 sind hier jeweils auf einem Flugzeugteil 1 in Form einer Be- schichtung 5 aufgebracht, wobei die Beschichtung 5 vorzugsweise durch einen Lack gebildet ist Die strömungsoptimierten Oberflächen 2 weisen jeweils eine reibungsreduzierende Oberflächenstruktur aus parallel zueinander verlaufenden Rippen 3 auf, welche in den oberen Draufsichten jeweils als Linien und in den unteren Schnittdarstellungen als äquidistant zueinander angeordnete Erhebungen bzw. Spitzen zu erkennen sind.
Die in der linken Darstellung I gezeigte, im Stand der Technik bekannte strömungsoptimierte Oberfläche 2 mit der als A bezeichneten Lackschicht LS weist eine Beschichtung 5 mit einem Elastizitätsmodul E von 1026 Pa, einer Zugfestigkeit R von 37,5 MPa und einer Bruchdehnung L von 6,2 % auf.
Der Verschleiß der im Stand der Technik bekannten strömungsoptimierten Oberfläche 2 mit der Lackschicht LS wurde unter definierten Bedingungen in einem Versuch in einem Sandrütteltisch erzeugt und ist in Form von Kratern 4 in der strömungsoptimierten Oberfläche 2 und anhand der Verrundungen 6 der vormals im Querschnitt spitzenförmigen Rippen 3 zu erkennen.
Die in der rechten Darstellung II gezeigte erfindungsgemäß weiterentwickelte strömungsoptimierte Oberfläche 2 weist eine neue Lackschicht LS auf, welche als B bezeichnet ist und eine BeSchichtung 5 mit einem Elastizitätsmodul E von 7,3 MPa, einer Zugfestigkeit R von 8,0 MPa und einer Bruchdehnung L von 81,3 % aufweist .
Die schematische Darstellung der Figur 1 wird anhand Figur 2 nochmals anhand von Mikroskopbildern veranschaulicht.
Der Verschleiß der erfindungsgemäß weiterentwickelten strö- mungsoptimierten Oberfläche 2 mit der neuen Lackschicht LS wurde unter identischen Versuchsbedingungen erzeugt und ist erkennbar geringer, was anhand der deutlich geringeren Anzahl der Krater 4 in der strömungsoptimierten Oberfläche 2 zu erkennen ist, welche zudem erheblich flacher ausgebildet sind. Außerdem sind die Rippen 3 deutlich weniger verrundet und im Querschnitt noch spitzenförmig erhalten, wie in der unteren Darstellung zu erkennen ist.
Dieser geringere Verschleiß der strömungsoptimierten Oberfläche 2 ist auf die Lackschicht LS mit der neuen Beschichtung 5 zurückzuführen, welche aufgrund des geringeren Elastizitätsmoduls E und der hohen Bruchdehnung L der Beschichtung 5 in der Lage ist, gegenüber den auftreffenden Partikeln nachzugeben, ohne dabei mechanisch zerstört zu werden.
Derselbe Effekt konnte auch bei Flugversuchen beobachtet werden, bei denen erfindungsgemäße Beschichtungen 5 auf ein Flugzeugteil 1 appliziert wurden, um deren Verschleiß unter realen Nutzungsbedingungen zu analysieren.
Da die strömungsoptimierte Oberfläche 2 während der „normalen" Strömungsbedingungen ausschließlich aus der Strömung resultierenden Druckkräften ausgesetzt ist und keine zusätzlichen Impulskräfte durch auftreffende Partikel auftreten, wirken auf die strömungsoptimierte Oberfläche 2 während dieser „normalen" Strömungsbedingungen erheblich geringere Druckkräfte. Damit verformt sich die strömungsoptimierte Oberfläche 2 während dieser „normalen" Strömungsbedingungen nicht oder nur in einem erheblich geringeren Maße, so dass die reibungsreduzierende Oberflächenstruktur der stromungsoptimierten Oberfläche 2 mit den Rippen 3 unter den „normalen" Strömungsbedingungen trotz des niedrigeren Elastizitätsmoduls E erhalten bleibt.
Die erfindungsgemäße Beschichtung 5 weist ein bevorzugtes Elastizitätsmodul E von 1,0 bis 500,0 MPa auf, wobei der erfindungsgemäße Effekt also die Verschleißreduzierung deutlicher bzw. größer wird, wenn ein Lack 5 mit einem möglichst niedrigen Elastizitätsmodul E verwendet wird. So korinten besonders gute Ergebnisse mit Beschichtungen 5 mit einem Elastizitätsmodul E von kleiner als 100 MPA und besonders bevorzugt mit einem Elastizitätsmodul E von kleiner als 50 MPa erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Beschichtung 5 mit der neuen Lackschicht LS kann z.B. aus einem Präpolymer mit wenigstens einem Mono- oder Oligomerbaustein mit wenigstens einer polymerisierbaren C-C Doppelbindung hergestellt sein, wobei der Mono- oder Oligomerbaustein weiter bevorzugt aus der Gruppe der Acrylate, Methylacrylate , Vinylether, Allylether, Propenylether, Alkene, Diene, ungesättigte Ester, Allyl-Triazene , Allyllsocyanate , N- Vinylamide ist.
Ferner kann die Beschichtung 5 aus einem Lack aus einem Präpolymer mit wenigstens einem multifunktionalen Monomerbaustein mit wenigstens zwei Thiol-Gruppen aus der Gruppe: 3-Mercapto- propionate, 3 -Mercaptoacetate , Thioglycolate , Alkylthiole hergestellt sein. Weiter kann der Lack einen Anteil von wenigstens 60,0 Gewichtsprozent einer oder mehrerer der folgenden Oligomer- und/oder Polymerverbindungen: Polyurethane, Polyacrylate , Epo xidacrylate, Silikonacrylate , Polyetheracrylate aufweisen.
Außerdem kann der Lack einen Anteil von 2,0 bis 40,0 Gewichts prozent eines oder mehrerer reaktiver Verdünnungsmittel eines UV-aushärtbaren Monomers mit einer Acrylat-, Methacrylat oder Vinylgruppe aufweisen.
Zusätzlich kann der Lack einen Anteil von 0,05 bis 10,0 Gewichtsprozent eines oder mehrerer hydrophober Zusatzstoffe um fassen, welche Silikon, Fluorchemikalien, und/oder Alkylver- bindungen aufweisen.
Weiter kann der Lack einen Photoinitiator aufweisen, wobei de Anteil des Photoinitiators bevorzugt 0,0 bis 5,0 Gewichtsprozent des Lacks beträgt.
Ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ßen Lackes weist folgende Zusammensetzung auf:
59 % Urethanacrylat (Ebecryl 8402 von Allnex)
20 % Nanocryl 140
14 % HDDA
3 % TPO-L Photoinitiator
2 % Tinuvin 479 (UV-Absorber)
1 % Tinuvin 292 (HALS)
1 % RAD2200N von Evonik (Antihaftadditiv) .
Ein zweites mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lackes weist folgende Zusammensetzung auf: 84 % Oligomer E8402
9 % Verdünner GDMP (Thiol)
3 % TPO-L Photoinitiator
2 % Tinuvin 479 (UV-Absorber)
1 % Tinuvin 292 (HALS)
1 % RAD2200N von Evonik (Antihaftadditiv) .
Es wurden verschiedene vorteilhafte Bestandteile des Lackes in bevorzugten ausgewählten Gewichtsanteilen beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch klar, dass die Bestandteile auch beliebig kombiniert werden können, soweit der erfindungsgemäß niedrige Elastizitätsmodul E verwirklicht ist, welcher ursächlich für die Verschleißreduzierung ist.
Vorzugsweise ist es auch möglich, die reibungsreduzierende Beschichtung 5 durch eine Kautschukbeschichtung zu bilden. Vorzugsweise findet dann das chemische Härten, bspw. die Vulkanisierung, während der Formgebung durch eine Matrize mit der Negativform statt.
Weiter vorzugsweise besteht die Möglichkeit, die Beschichtung 5 auf eine Folie aufzubringen und diese dann auf die Oberfläche aufzubringen. Insbesondere vorzugsweise wird die Beschichtung 5 durch die Folie selbst gebildet .
Ferner kann die vorgeschlagene Beschichtung 5 auch auf andere reibungsreduzierende Oberflächenstrukturen mit einer anderen Struktur als die hier beschriebenen Rippen 3 angewendet werden, da durch die Beschichtung 5 grundsätzlich nur der Verschleiß reduziert wird und damit die ursprüngliche reibungsreduzierende Oberflächenstruktur unabhängig von ihrer Formgebung länger erhalten bleibt .

Claims

Ansprüche :
1. Strömungsoptimierte Oberfläche (2), insbesondere Flugzeugoberfläche mit
-einer durch eine Beschichtung (5) gebildeten reibungsre- duzierenden Oberflächenstruktur,
dadurch gekennzeichnet, dass
-die Beschichtung (5) ein Elastizitätsmodul (E) von 1, 0 bis 500,0 MPa und/oder eine elastische Verformbarkeit von mehr als 10 % aufweist.
2. Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) durch einen Kunststoff gebildet ist.
3. Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff durch einen Lack gebildet ist .
4. Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
-der Lack (5) aus einem Präpolymer mit wenigstens einem Mono- oder Oligomerbaustein mit wenigstens einer polyme- risierbaren C-C Doppelbindung hergestellt ist.
5. Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
-der Mono- oder Oligomerbaustein aus der Gruppe der Ac- rylate, Methylacrylate , Vinylether, Allylether, Prope- nylether, Alkene, Diene, ungesättigte Ester, Allyl- Triazene, Allyl-Isocyanate, N-Vinylamide ist. Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach einem der Ansprü che 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
-der Lack (5) aus einem Präpolymer mit wenigstens einem multifunktionalen Monomerbaustein mit wenigstens zwei Thiol -Gruppen aus der Gruppe: 3 -Mercaptopropionate, 3- Mercaptoacetate, Thioglycolate , Alkylthiole hergestellt ist .
Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
-der Lack (5) einen Anteil von wenigstens 60,0 Gewichtsprozent einer oder mehrerer der folgenden Oligomer- und/oder Polymerverbindungen:
Polyurethane, Polyacrylate , Epoxidacrylate , Silikonac- rylate, Polyetheracrylate
aufweist .
Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
-der Lack (5) einen Anteil von 2,0 bis 40,0 Gewichtsprozent eines oder mehrerer reaktiver Verdünnungsmittel eines UV-aushärtbaren Monomers mit einer Acrylat-, Methac- rylat oder Vinylgruppe aufweist.
Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach einem der Ansprü che 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
-der Lack (5) einen Anteil von 0,05 bis 10,0 Gewichtspro zent eines oder mehrerer hydrophober Zusatzstoffe um- fasst, welcher Silikon, Fluorchemikalien, und/oder Alkyl Verbindungen aufweist .
Strömungsoptimierte Oberfläche (2) nach einem der Ansprü che 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass -der Lack (5) einen Photoinitiator aufweist.
11. Stromungsoptimierte Oberfläche (2) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
-der Anteil des Photoinitiators 0,0 bis 5,0 Gewichtsprozent des Lacks (5) beträgt.
Fahrzeug, insbesondere Flugzeug, mit einer strömungsopti- mierten Oberfläche, insbesondere Flugzeugoberfläche, nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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