Bionische Profilierung

Katja Preydel,

Von Buckelwal, Eule und Baum

Der Buckelwal stand Pate bei der Neuentwicklung eines Kunststoff-Ventilators aus dem Hause Ziehl-Abegg. Dazu kommen bionische Aspekte von Eule und Baum. Durch reduzierten Materialeinsatz und Senkung des Energieverbrauchs im laufenden Betrieb verbessert der Ventilatorenspezialist die CO2-Bilanz in Klimazentralgeräten und bei Industriebelüftungsanlagen gleich zweifach.

Vorstandsvorsitzender Peter Fenkl präsentiert den neuen bionischen Ventilator ZAbluefin. © Ziehl-Abegg

Ziehl-Abegg liegt mit dem Spitzenwirkungsgrad von Radialventilatoren bereits jetzt bei mehr als 70 Prozent. Daher muss jeder Ansatz zur Optimierung genutzt werden. Das neue Radiallaufrad weist Merkmale von drei unterschiedlich bionischen Ansätzen auf: sowohl von der Aerodynamik (Vogelkunde) als auch von der Hydrodynamik (Meeresbiologie) und der Biomechanik (Bäume). Materialeinsparung und eine verbesserte Aerodynamik halbieren den CO2-Verbrauch beim Materialaufwand bei gleicher Luftleistung. Moderne Spritzgusswerkzeuge ermöglichen die Umsetzung der bionisch optimierten Geometrien.

Die Hinterkanten der Ventilatorschaufeln sind einem Eulenflügel nachempfunden. „Die Eule als leisester Raubvogel ist bei uns schon für mehrere Designs Vorbild gewesen“, so Vorstandsvorsitzender Peter Fenkl. Die gezackten Hinterkanten von Ventilatoren gelten als ein Markenzeichen des Unternehmens. Bei dem neuen Ventilator wurden die Zacken allerdings etwas weicher gezeichnet.

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Die Evolution hat den Buckelwal im Hinblick auf die Strömungseffizienz so optimiert, dass er trotz seiner Körpergröße als sehr guter und wendiger Schwimmer gilt. An den bionischen Erkenntnissen orientiert sich die neue Ventilatorgeneration.

Bionikexperte Prof. Dr. Claus Mattheck (KIT) erklärt, wie Bäume extrem stabil wachsen – und wie dies beim neuen Ventilator umgesetzt worden ist. © Ziehl-Abegg

Auch von "Baumflüsterer" Professor Claus Mattheck lassen sich die Entwickler bei Ziehl-Abegg inspirieren. Denn der Professor ist Vorreiter der Wissenschaft der Biomechanik. Bäume sind Vorbild für beste Festigkeit bei minimalem Materialeinsatz.

Die in Millionen von Jahren strömungstechnisch optimierten Brustflossen der Buckelwale sind Vorbild für die neue Ventilatorgeneration bei Ziehl-Abegg. © Ziehl-Abegg

Wie ist dies beim Ventilator ZAbluefin umgesetzt? Die fünf Schaufeln des Radialventilators münden sowohl in die Deck- als auch in die Bodenscheibe gerade so, wie Bäumen nach oben wachsen: in einem leichten Radius am Boden. Mit dem bloßen Auge ist dies kaum erkennbar, weil die dem Baum nachempfundenen Rundungen gering sind. Dennoch bieten diese bionischen Ansätze beim Übergang der Schaufeln die gleiche Festigkeit wie schwere Flügel – so kann der Materialeinsatz signifikant reduziert werden. Weniger Materialverbrauch in der Produktion bedeutet auch eine bessere CO2-Bilanz.

Ziehl-Abegg setzt beim neuen Radialventilator ZAbluefin bionische Erkenntnisse von Buckelwalen, Eulen und Bäumen um. © Ziehl-Abegg

Der Luftstrom trifft bei Radialventilatoren je nach Volumenstrom in unterschiedlichen Winkeln auf die Ventilatorschaufeln. Der Wal hat beim Schwimmen im Meer ähnliche Herausforderungen zu meistern: durch die Bewegung der Flossen ändert sich deren Winkelstellung ständig. Würden seine Brustflossen in einem zu steilen Winkel zur Gegenströmung stehen, würde sich das Wasser mit großen Verwirbelungen von den Flossen ablösen. „Große Verwirbelungen sind gekennzeichnet von hohen Strömungsverlusten und Geräusch“, sagt Dr. Walter Angelis, Technischer Leiter bei Ziehl-Abegg. In Jahrtausenden hat der Buckelwal seine Flossen optimiert. So weisen die Vorderkanten der Walfischflossen golfballgroße Beulen auf (Fachbegriff: Tuberkel). Dadurch kann ein 25 bis 30 Tonnen schweres Tier mit seinen langen Brustflossen sehr schnell und wendig schwimmen. „Dies haben wir an der Vorderkante der Ventilatorschaufel nachempfunden und als gewelltes Profil umgesetzt“, erklärt Angelis.

Auch bei der Hinterflosse des Wales, der Fluke, haben die Strömungstechniker genauer hingeschaut. Die V-förmige Kontur des hinteren Flügelabschnitts verzögert mögliche Strömungsabrisse ­– was den Ventilator für viele unterschiedliche Druckbereiche einsetzbar macht. Insgesamt hat die Evolution den Buckelwal im Hinblick auf die Strömungseffizienz so optimiert, dass er trotz seiner Körpergröße als sehr guter und wendiger Schwimmer gilt. Anders wären seine langen Wanderungen durch die Weltmeere ohne Nahrungsaufnahme auch nicht möglich. Von diesen bionischen Erkenntnissen profitiert nun bei Ziehl-Abegg die neueste Ventilatorgeneration im Radialbereich bei Baugrößen von 250 bis 560 mm. Der Produktname ZAbluefin lehnt sich an das englische Wort für Flosse „fin“ an.

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