Ziel der Entwicklung

Ziel der Entwicklung war es, Energieeinsparungen durch Effizienzgewinne in strömungstechnischen Anwendungen zu ermöglichen. Ausgangspunkt war der wirtschaftliche Bedarf, Ventilatoren, Luftführungssysteme und vergleichbare technische Komponenten effizienter zu betreiben, da diese in vielen industriellen und gebäudetechnischen Anwendungen über lange Betriebszeiten hohe Energiemengen verbrauchen.
Ein wesentliches Problem besteht darin, dass Strömungsprofile, Schaufeln und Luftführungselemente meist mit einer festen Geometrie ausgeführt sind. Diese Geometrie ist in der Regel nur für bestimmte Betriebspunkte optimal. Weichen Volumenstrom, Druckverhältnisse oder sonstige Betriebsbedingungen davon ab, sinkt die strömungstechnische Effizienz. Dadurch entstehen vermeidbare Energieverluste und höhere Betriebskosten.
Vor diesem Hintergrund sollte eine technische Lösung entwickelt werden, mit der sich die Geometrie von Faserverbundbauteilen gezielt anpassen lässt. Durch die Integration von Formgedächtnisdrähten in faserverstärkte Kunststoffbauteile sollte eine definierte Formänderung ermöglicht werden, ohne zusätzliche, aufwändige mechanische Stellglieder einsetzen zu müssen. Die Formgedächtnisdrähte dienen dabei als integrierte Aktoren, die durch thermische bzw. elektrische Aktivierung eine Veränderung der Bauteilkrümmung auslösen.
Damit sollte untersucht werden, wie sich adaptive Strömungsprofile herstellen lassen, die auf unterschiedliche Betriebssituationen reagieren können. Im Mittelpunkt standen die Entwicklung geeigneter textiler Halbzeuge, die Einbettung der Formgedächtnisdrähte in den Laminataufbau, die sichere Kraftübertragung in die Faserverbundstruktur sowie die reproduzierbare Aktivierung und Rückstellung der Bauteile.
Gelöst werden sollte somit nicht nur eine werkstofftechnische Fragestellung, sondern vor allem ein anwendungsnahes Effizienzproblem: Strömungstechnische Bauteile sollen so verändert werden können, dass sie über einen größeren Betriebsbereich günstige aerodynamische Eigenschaften aufweisen. Dadurch können Energieverluste reduziert, Betriebskosten gesenkt und neue Möglichkeiten für energieeffiziente Ventilator- und Luftführungssysteme geschaffen werden.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel wurde erreicht, indem Formgedächtnisdrähte direkt in faserverstärkte Kunststoffschaufeln integriert wurden. Diese Drähte können sich bei elektrischer bzw. thermischer Aktivierung zusammenziehen und dadurch eine gezielte Verformung der Schaufel auslösen. Auf diese Weise wird aus einem bisher starren Bauteil ein adaptives Strömungselement, dessen Krümmung aktiv verändert werden kann.
Der Lösungsansatz bestand darin, die Schaufelgeometrie nicht mehr nur für einen einzelnen Betriebspunkt auszulegen, sondern eine Anpassung an unterschiedliche Betriebssituationen zu ermöglichen. Je nach Volumenstrom, Druckverhältnis oder Anströmung kann eine andere Schaufelkrümmung vorteilhaft sein. Durch die integrierten Formgedächtnisdrähte lässt sich die Schaufel gezielt verformen, sodass sie für verschiedene Betriebspunkte günstiger angeströmt wird.
Dadurch können strömungstechnische Verluste reduziert werden. Insbesondere energievernichtende Effekte wie ungünstige Anströmung, lokale Ablösungen oder erhöhte Widerstände können durch eine angepasste Schaufelform vermindert werden. Der wesentliche Vorteil liegt darin, dass die Effizienz des Systems über einen größeren Betriebsbereich verbessert werden kann. Daraus ergeben sich Einsparpotenziale beim Energieverbrauch und damit auch bei den Betriebskosten.
Für die technische Umsetzung wurden unterschiedliche Werkstoffkombinationen, Laminataufbauten und Drahtanordnungen untersucht. Dabei wurde geprüft, welche Kombination aus Fasermaterial, Harzmatrix, Formgedächtnisdraht und Schichtaufbau eine ausreichende Verformung ermöglicht und gleichzeitig die mechanische Stabilität des Bauteils erhält. Besonders wichtig war, dass die Kräfte der Drähte zuverlässig in die Schaufelstruktur eingeleitet werden, ohne das Bauteil zu beschädigen.
Ein zentraler Entwicklungsschritt war die Integration der Formgedächtnisdrähte in textile Halbzeuge. Die Drähte wurden in definierten Geometrien angeordnet und anschließend in den Faserverbund eingebettet. Durch verschiedene Versuchsreihen konnten geeignete Drahtdurchmesser, Mäanderstrukturen, Laminatdicken und Einbettungslagen ermittelt werden. Zusätzlich wurden konstruktive Maßnahmen zur besseren Kraftübertragung getestet, um Delaminationen zu vermeiden und eine wiederholbare Verformung mit Rückstellung zu ermöglichen.
Der Vorteil der Lösung besteht darin, dass die Aktorik direkt im Bauteil integriert ist. Es werden keine aufwendigen externen Stellmechanismen benötigt. Dadurch bleibt die Bauweise kompakt und für Anwendungen interessant, bei denen Bauraum und Gewicht wichtige Anforderungen sind. Gleichzeitig eröffnet die Kombination aus Faserverbundwerkstoff und Formgedächtnislegierung neue Möglichkeiten für adaptive Bauteile, die ihre Form gezielt verändern und so zur Energieeffizienz technischer Systeme beitragen können.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielgruppen der Entwicklung sind insbesondere Hersteller von Ventilatoren, lufttechnischen Anlagen und Komponenten für die Technische Gebäudeausrüstung. Dazu zählen Unternehmen, die Ventilatoren, Nachleiträder, Schaufeln, Luftführungselemente, Klimageräte, Lüftungsanlagen oder energieeffiziente Strömungskomponenten entwickeln und produzieren. Weitere Zielgruppen sind TGA-Ausrüster, Anlagenbauer, Betreiber großer Gebäude sowie Unternehmen, die Lüftungs- und Klimasysteme planen, modernisieren oder energetisch optimieren.
Ein wichtiger Zielmarkt liegt in der Gebäudetechnik, da Ventilatoren und lufttechnische Anlagen dort häufig über lange Betriebszeiten eingesetzt werden und einen relevanten Anteil am Energieverbrauch verursachen. Anwender profitieren von der Entwicklung, weil adaptive Schaufeln und Strömungsprofile an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden können. Dadurch lassen sich strömungstechnische Verluste, ungünstige Anströmungen und Ablösungen reduzieren. Perspektivisch können so Energieverbrauch, Betriebskosten und CO₂-Emissionen gesenkt werden.
Neben der Technischen Gebäudeausrüstung ergeben sich weitere Einsatzfelder in industriellen Lüftungsanlagen, Prozessluftsystemen, Reinraumtechnik, Kälte- und Klimatechnik, Wärmepumpen, Trocknungsanlagen, Prüfständen, Rechenzentren sowie in mobilen Anwendungen mit begrenztem Bauraum. Auch international besteht ein großes Marktpotenzial, da energieeffiziente Luftförderung in nahezu allen Industriezweigen und Gebäudetypen benötigt wird.
Der Transfer der FuE-Ergebnisse in Anwenderunternehmen kann über gemeinsame Entwicklungsprojekte, Musterbauteile, Demonstratoren, Auslegungs- und Prüfleistungen sowie die Anpassung der Technologie an konkrete Bauteilgeometrien erfolgen. Die entwickelten Kenntnisse zu Materialauswahl, Laminataufbau, Integration der Formgedächtnisdrähte, elektrischer Aktivierung und strömungstechnischer Bewertung können als Grundlage für kundenspezifische Lösungen genutzt werden. Für Industriepartner ist besonders relevant, dass die Aktorik direkt im Bauteil integriert wird und dadurch kompakte adaptive Komponenten ohne aufwendige externe Stellmechanismen entstehen können.
Für die Forschungseinrichtung ergeben sich wirtschaftliche Effekte durch Anschlussprojekte, Industriekooperationen, Auftragsforschung, Prüf- und Beratungsleistungen sowie die Weiterentwicklung der Technologie für konkrete Anwendungen. Zusätzlich kann das erarbeitete Know-how in den Bereichen Faserverbundtechnik, technische Textilien, Funktionsintegration und Strömungsoptimierung auf weitere Branchen übertragen werden.
Ein erstes Anwendungsbeispiel ist die adaptive Schaufel für ventilatortechnische Anwendungen. Dabei wird die Schaufelkrümmung durch integrierte Formgedächtnisdrähte verändert, um das Strömungsverhalten an unterschiedliche Betriebspunkte anzupassen. Dieses Prinzip kann perspektivisch auf weitere Luftführungselemente und adaptive Faserverbundbauteile übertragen werden.