Der europäische Biber (Castor fiber) hat eine spindelförmige Körperkontur mit einer Körperlänge von bis zu 1.4 [m]. Das Tier kann bis zu 20 Jahre alt werden. Sein Schweif (Kelle) ist unbehaart, von einer lederartigen schuppigen Haut bedeckt und horizontal abgeplattet. Die Kelle ist oberflächenstrukturiert; vermutlich extrem widerstandsarm, füge ich halbwissend hinzu. Die direkte Beobachtung und Anschauung von Bibern ist in unseren Breiten theoretisch oft und vielerorts gegeben, sagt das Netz; erste qualitative Informationen sollten also zugänglich sein. Dem ist aber nicht so.
Die Erfindung betrifft die technische Lehre über ein matrixgebundenes Fasergewirke mit heterogenem Faserflor zum Anfügen an technische Oberflächen. Die Ausrichtung des Faserflors ist nichtisotrop. Das matrixgebundene Fasergewirke ist in Segmenten ausgeführt und auf ein elastisches Membranuntergewebe stoffschlüssig nichtreversibel gefügt. Der Erfindung liegt die Idee einer räumlichen Struktur aus Fasergewirke und einem Faserflor zu Grunde, die eine Schar unterschiedlicher Typen von Florfasern enthält. Die unterschiedlichen Typen von Florfasern bilden ein heterogenes räumliches Muster aus und besitzen im Betrieb voraussagbare Merkmale, insbesondere fluidmeschnische Eigenschaften.
Inhaltsverzeichnis
1. Technische Beschreibung
2. Stand der Wissenschaft und Technik.
2.1 Matrix und Flor.
2.2 Textiler Haftverschluss.
2.3 Biologie, Pelz.
2.4 Bionik, Ribblets.
3. Problembeschreibung
4. Problemlösung
5. Erreichbare Vorteile
6. Aufbau und Montage
7. Wirkungsweise im Betrieb.
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung eines fluidmechanisch wirksamen Fasergewirkes, das durch ein heterogenes, anisotropes Faserflor eine reversible und autoadaptive Konditionierung der Grenzschicht an technischen Oberflächen ermöglicht, um Strömungsablösungen bei Seefahrzeugen zu minimieren.
- Bionische Übertragung biologischer Phänomene (Fellstrukturen von Säugetieren) auf technische Systeme.
- Entwicklung autoadaptiver Oberflächenfurchen zur Widerstandsminderung.
- Einsatz textiler Haftverschlüsse zur flexiblen Anmontage auf Strömungsbauteilen.
- Methodik zur heterogenen Faseranordnung zur Nachbildung mechanischer Eigenschaften von Biberfell.
Auszug aus dem Buch
Stand der Wissenschaft und Technik.
Matrix und Flor. Fasergewirke werden durch Weben hergestellt. Die Basis des Gewirkes bildet eine Gewebematrix in der Art eines textilen Flächengebildes. Bei der Herstellung von Fasergewirken werden in die Gewebematrix Schuss- oder Kettfäden eingearbeitet. Nach Stand der Technik sind entweder Verknotungen üblich (beim Knüpfen von Teppich) oder das Einnadeln zusätzlicher Fasern, die Schlaufen bilden (bei Webpelz oder Samt). Die Schlaufen werden in einem nachfolgenden Fertigungsschritt aufgeschnitten und ergeben den charakteristischen Faserflor. In die Gewebematrix (Gewirke) kann eine zusätzliche Leimung eingebracht werden. Beispiele für textile Halbfertigwaren sind Polstoffe wie Samt, Kunstfell und synthetischer Pelz. Grundbegriffe der Textilien regelt die Deutsche Norm DIN 60 000 Teil1 [1], Grundbegriffe der Gewirke, Gestricke und Polstoffe behandelt DIN 62055 [6].
Es ist nicht Stand der Technik und der Wissenschaft Fasergewirke verbunden mit Faserflor auf technische Oberflächen, beispielsweise Tragflügel aufzubringen mit dem Ziel, die Strömungseigenschaften der Bauteile zu verbessern.
Textiler Haftverschluss. Ein Hakenverschluss ist ein textiler Haftverschluss, bestehend aus zwei textilen Flächengebilden, bei denen der eine Gewebeteil (Hakenteil) im Grundgewebe verankerte hakenförmige Haftelemente und der andere Gewebeteil (Schlingenteil) im Grundgewebe verankerte Schlingen besitzt. Aufbau, Werkstoff, Maße und physikalische Eigenschaften regelt die Deutsche Norm DIN 3415, Teil1 [2]. Textile Haftverschlüsse bilden formschlüssig reversible Verbindungen aus.
Zusammenfassung der Kapitel
Technische Beschreibung: Die Erfindung beschreibt ein matrixgebundenes Fasergewirke mit einem heterogenen, anisotropen Faserflor zur reversiblen Applikation auf technischen Oberflächen.
Stand der Wissenschaft und Technik.: Dieses Kapitel erläutert die Grundlagen der Fasergewirke-Herstellung, die Normung von Haftverschlüssen sowie biologische Vorbilder wie das Biberfell und die Strömungsbeeinflussung durch Ribblets.
Problembeschreibung: Es wird die Problematik der Strömungsablösung an beweglichen Leit- und Steuerflächen von Seefahrzeugen sowie die Herausforderung ihrer konventionellen Bemantelung dargelegt.
Problemlösung: Die Lösung bietet die Applikation eines heterogenen Fasergewirkes, das durch die Simulation steifer Grannenhaare eine lokale Strömungskonditionierung bewirkt.
Erreichbare Vorteile: Durch die Erfindung wird der Strömungswiderstand reduziert und die Steuerwirkung über ein breiteres Anstellwinkelspektrum bei Seefahrzeugen stabilisiert.
Aufbau und Montage: Das Kapitel detailliert die gestalterische Einheit aus Gewebematrix, Flor und Haftverschluss sowie deren Montage auf Strömungskörpern mittels Klebetechnik.
Wirkungsweise im Betrieb.: Es wird die passive Autoadaption des Faserflors an die strömenden Medien beschrieben, wodurch eine aktive Grenzschichtbeeinflussung ohne externe Regelung erfolgt.
Schlüsselwörter
Bionik, Fasergewirke, Faserflor, Strömungsablösung, Seefahrzeuge, Grenzschichtkonditionierung, Autoadaption, Ribblets, Textiler Haftverschluss, Biberfell, Hydrodynamik, Strömungswiderstand, Fasermatrix, Oberflächenstruktur, Strömungsbauteil
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit einer bionisch inspirierten technischen Lösung zur Reduktion von Strömungswiderständen an Schiffen durch den Einsatz spezieller Fasergewirke.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die angewandte Bionik, Strömungsmechanik, textile Fertigungsverfahren und die Oberflächentechnik.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist die Entwicklung einer reversibel anbringbaren Oberflächenschicht, die Strömungsablösungen an Trag- und Steuerflächen durch autoadaptives Verhalten der Fasern minimiert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Methode basiert auf der Übertragung biologischer Phänomene, insbesondere der Grannenhaare von Bibern, auf synthetische textile Strukturen und deren analytische Überprüfung für technische Strömungskörper.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Beschreibung, den aktuellen Stand der Technik, die Problemanalyse sowie die detaillierte Darstellung des Aufbaus und der betrieblichen Wirkungsweise.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Autoadaption, Bionik, Faserflor, Grenzschichtkonditionierung, Ribblets und Strömungswiderstand.
Wie unterscheidet sich die Erfindung vom herkömmlichen Stand der Technik bei Ribblets?
Im Gegensatz zu starren, konfektionierten Folien oder Oberflächenprägungen ermöglicht das beschriebene Fasergewirke eine autoadaptive, sich der Strömung selbstständig anformende Furchenstruktur.
Welche Rolle spielt der textile Haftverschluss in der Erfindung?
Der Haftverschluss ermöglicht eine einfache, stoffschlüssige und reversible Montage des Fasergewirkes auf unterschiedlichen Oberflächen, was die Wartung und Anwendung an beweglichen Klappen erheblich erleichtert.
Warum ist das Biberfell ein Vorbild für diese technische Lösung?
Das Biberfell besitzt eine heterogene Struktur mit steifen Grannenhaaren, die lokale Rückströmungen beeinflussen und so die Grenzschicht des schwimmenden Tieres konditionieren können.
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- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2015, Transactions in Bionic Patents, Vol. 10: Polstoffe. Fluidmechanisch wirksames Fasergewirke mit heterogenem, anisotropem Faserflor, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/303779
