Allgemein

Entwicklung eines Beschichtungsverfahrens für hochviskose Fluide

In Zusammenarbeit mit dem Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen (FILK, Freiberg, Sachsen) wurde ein innovatives kontinuierliches Verfahren zur Laminatherstellung eines Textil-Membran-Verbundes unter Verwenden von reaktiven, hochviskosen Klebern vorzugsweise auf Silikonbasis erfolgreich entwickelt. Die hierzu eingesetzte Sprühtechnologie basiert auf einen speziell entwickelten Rotationszerstäuber, welcher in der Lage ist, hochviskose Fluide mit Viskositäten weit über 30 Pas zu zerstäuben, siehe Foto. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.

Rotationszerstäuber Entwickelter Rotationszerstäuberkopf zur Erzeugung von Tröpfchen hochviskoser Fluide

Thermokapillare Bewegung von Blasen und Tropfen im Shuttle-Experiment

Blasen oder ein Tropfen werden sich in einer unmischbaren Flüssigkeit auch trotz der fehlenden Auftriebskraft unter Schwerelosigkeit bewegen, wenn an der Oberfläche (Trennfläche zwischen den beiden Phasen) Unterschiede der Oberflächenspannung vorliegen. Diese können z.B. durch Temperaturunterschiede an der Blasen- oder Tropfenoberfläche hervorgerufen werden, da die Oberflächenspannung von der Temperatur abhängt. In dieser Situation treibt die Blasen- oder Tropfenperipherie eine Strömung an, welche an der Trennfläche in Richtung steigender Oberflächenspannung fließt. Dieses Phänomen, welches als thermokapillare Konvektion bezeichnet wird, wurde unter reduzierter Erdschwere in einem Spaceshuttle-Experiment von Forschern in einer Kooperation zwischen der Bergakademie Freiberg, dem Department of Chemical Engineering der Clarkson University, Potsdam, New York und dem NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio bestätigt und systematisch untersucht.

Eine wichtige Motivation für diese Forschung ist die durch die Raumfahrt geschaffene Möglichkeit, neuartige Werkstoffe mit verbesserten Materialeigenschaften herzustellen. Der Hintergrund dafür ist die im Orbit ausbleibende gravitationsabhängige Auftriebskonvektion in Schmelzen, welche man bei erdgebundenen Herstellungsprozessen als Ursache für eine begrenzte Produktqualität ansieht. Die Untersuchungen zeigen, dass Blasen oder Tropfen in einer Flüssigkeit mit Temperaturgradienten sich umso schneller bewegen, desto größer ihr Durchmesser oder der angelegte Temperaturgradient ist. Damit besitzt man nun grundsätzlich die Möglichkeit, trotz der Abwesenheit von Gravitation Blasen und Tropfen in Flüssigkeiten gezielt zu bewegen.

Die erste Filmsequenz zeigt die Blaseninjektion (Luft) und anschließende Wanderung durch die mit einem Temperaturgradienten beaufschlagte Umgebungsflüssigkeit (Silikonöl) unter Schwerelosigkeit im Spaceshuttle-Experiment. Blasendurchmesser: 8,2 mm, Temperaturgradient: 0.33 K/mm. Die zweite Sequenz zeigt, wie dieser Versuch mit einem Laser-Interferometer beobachtet wurde. Das Interferenzstreifenmuster macht das Temperaturfeld der Strömung sichtbar.

Weitere Details können in folgenden Publikationen nachgelesen werden:

  • Thermocapillary migration of bubbles and drops at moderate to large Marangoni number and moderate Reynolds number in reduced gravity.
    P. H. Hadland, R. Balasubramanian, G. Wozniak, R. S. Subramanian.
    Experiments in Fluids 26 (1999) 240 – 248
  • Temperature fields in a liquid due to the thermocapillary motion of bubbles and drops. G. Wozniak, R. Balasubramaniam, P. H. Hadland, R. S. Subramanian.
    Experiments in Fluids 31 (2001) 84 – 89

Suvis kooperiert mit der Technischen Universität Chemnitz im Bereich Grundlagenforschung

Die Suvis GmbH betätigt sich auch im Bereich der Grundlagenforschung. Hierzu besteht eine enge Kooperation mit der Professur Strömungsmechanik der Technischen Universität Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau. Forschungsgegenstand ist die sogenannte Rayleigh-Benàrd Konvektion, eine Strömungsform welche entsteht, wenn eine Fluidschicht von oben gekühlt und von unten beheizt wird (instabile Schichtung). Dazu wurden gemeinsame experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, welche schon zu zwei referierten Publikationen [1,2] führten, siehe unten. Die untersuchte Konvektionsströmung spielt auch in technischen Anwendungen z.B. bei der Wärmeübertragung in Solarkollektoren oder Mehrfachverglasungen eine grundlegende Rolle.

Geschwindigkeitsfeld zweier Konvektionswirbel generiert mit Strömungssimulationsrechnungen (CFD)

Geschwindigkeitsfeld zweier Konvektionswirbel generiert mit Strömungssimulationsrechnungen (CFD)

Temperaturfeld zweier Konvektionswirbel generiert mit Strömungssimulationsrechnungen (CFD)

Temperaturfeld zweier Konvektionswirbel generiert mit Strömungssimulationsrechnungen (CFD)

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

[1] H. G. Heiland, O. Sommer, G. Wozniak: Experimentelle Untersuchung der thermischen Konvektion in einem geneigten Spalt. Forschung im Ingenieurwesen 76, 87-95 (2012)

[2] O. Sommer, H. G. Heiland, G. Wozniak: Numerical and experimental investigation of thermal convection in an inclined narrow gap. Proc. Appl. Math. Mech. 12, 479-480 (2012)

Phasen-Doppler-Messung in einer tröpfchenbeladenen Mehrphasenströmung (Spray)

Die Suvis GmbH kooperiert eng im Bereich der modernen optischen Messverfahren, insbesondere Phasen-Doppler-Techniken, mit dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik der TU Chemnitz. Mit dem Phasen-Doppler-Anemometer (PDA) lassen sich lokale und berührungslose Messungen der Strömungsgeschwindigkeiten (bis zu drei Geschwindigkeitskomponenten) und simultan der Teilchengrößenverteilung beispielsweise in einem Spray durchführen. Die Anwendung dieser komplexen Messtechnik verlangt geschultes Personal, welches neben guten messtechnischen Grundkenntnissen auch Kompetenz in der experimentellen Strömungsmechanik vorweisen muss. Regelmäßige Schulungen unserer Mitarbeiter gewährleisten einen optimalen Output unserer experimentellen Untersuchungen. Die Kooperation mit der Professur Strömungsmechanik ergänzt zudem unsere wissenschaftliche Kompetenz.

Suvis auf dem Innovationstag Mittelstand

Am 14. Juni 2012 fand der 19. Innovationstag Mittelstand des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) in Berlin statt. Rund 240 Forschungseinrichtungen und Unternehmen präsentierten Produkte und Forschungs- und Entwicklungsergebnisse, welche im Rahmen von Forschungsprojekten aus unterschiedlichen BMWi-Förderprogrammen entstanden sind. Auch die Forschungsvereinigung Leder und Kunststoffbahnen und das dazugehörige Forschungsinstitut für Leder und Kunststoffbahnen (FILK, Freiberg) war zum Innovationstag Mittelstand vertreten. Die Suvis GmbH, welche für FILK im Bereich Zerstäubungs- und Beschichtungstechnik tätig ist, und die Technische Universität Chemnitz wurden am FILK-Stand von Professor Wozniak repräsentiert.

 
Photo: Dr. Kirstin Trommer (FILK, mitte) und Prof. Günter Wozniak (Suvis GmbH und TU Chemnitz, rechts) im Gespräch mit dem Mitglied des Deutschen Bundestages, Herrn Frank Heinrich (CDU, CSU).

 
Die „multitechnologische Leistungsschau“ war außerordentlich gut besucht und zahlreiche Vertreter aus dem BMWi und dem Bundestag nutzten die Ausstellung, um sich über Verwendung und Nutzen der verschiedenen Innovations- und Forschungsprogramme für den Mittelstand zu informieren.