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DE102011121054B4 - Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche, Verfahren zum Herstellen einer Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche und Verwendung von Verstärkungselementen in Riblets für eine Strömungsfläche - Google Patents

Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche, Verfahren zum Herstellen einer Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche und Verwendung von Verstärkungselementen in Riblets für eine Strömungsfläche Download PDF

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Abstract

Riblet-Struktur (2) für eine Strömungsfläche, aufweisend eine Vielzahl von Riblets (4) mit jeweils einer Längsrichtung, wobei die Riblets aus einem in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern als Verstärkungselemente (14) einschließenden Matrixmaterial bestehen, wobei die Riblet-Struktur (2) als eine extrudierte Riblet-Matte ausgeführt ist, wobei die Verstärkungsfasern dazu ausgebildet sind, während einer Extrusion und vor einem Auftragen des Matrixmaterials ausgerichtet zu werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Riblet-Struktur für eine Strömungsfläche, ein Verfahren zum Herstellen einer Riblet-Struktur und die Verwendung von Verstärkungselementen in Riblets auf einer Strömungsfläche.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Mit dem Begriff „Riblets“ werden Profilkörper auf Oberflächen bezeichnet, die als eine Anordnung mikroskopisch kleiner Rillen bzw. Rippen realisiert sind. Die Verwendung von Riblets auf Strömungsflächen von Fahrzeugen dient zur Reduktion des Strömungswiderstands und damit zur Reduktion des Treibstoffverbrauchs.
  • Zur Herstellung von Riblets sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Zum einen können profilierte Folien auf eine Strömungsfläche aufgeklebt werden, ein Lack auf der Strömungsfläche kann mithilfe eines Laserablationsverfahrens profiliert oder durch selektives Auftragen eines härtbaren Beschichtungsstoffs mit einer auf der Strömungsfläche geführten Auftragsvorrichtung ausgebildet werden.
  • Gerade bei der Verwendung von Riblets auf Flugzeugoberflächen ist zu beobachten, dass aufgrund einer stetigen Umströmung die Riblets erodieren und mit der Zeit abgeflacht bzw. vollständig abgetragen werden. Das Nacharbeiten von Riblets ist häufig nur durch Ersetzen einer profilierten Ribletfolie, Auffrischen einer erodierten Oberfläche mithilfe eines Laserablationsverfahrens oder das gänzliche Entfernen eines profilierten Beschichtungsstoffs und das erneute Aufbringen möglich.
  • DE 196 50 439 C9 zeigt Formen von Riblets für eine Strömungsfläche eines Fahrzeugs.
  • DE 35 34 293 A1 offenbart eine integrale Rillenoberfläche in einem Flugzeugrumpf aus einem Faserverbundwerkstoff.
  • DE 603 14 775 T2 offenbart einen Strömungswiderstand verringernden Mehrschichtfilm in Form von Riblets.
  • DE 10 2008 042 237 A1 offenbart eine metallische Beschichtung, die eine Riblet-Struktur darstellt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Zur Vermeidung von zeit- und kostenintensiven Nacharbeiten zur Erneuerung oder Auffrischung einer profilierten Oberfläche ist es wünschenswert, den Abrieb bzw. die Erosionsanfälligkeit der Riblets zu verringern. Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine gegenüber dem Stand der Technik abriebfestere Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche und ein Verfahren zum Herstellen einer abriebfesten Riblet-Struktur vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Riblet-Struktur mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Eine Riblet-Struktur einer vorteilhaften Ausführungsform weist eine Vielzahl von Riblets die aus einem Verstärkungselemente einschließenden Matrixmaterial bestehen.
  • Die Riblets bilden dabei eine Reihe von Erhebungen auf einer flächigen Basis, die zu der gewünschten Strömungswiderstand reduzierenden Rillenstruktur führen. Zur Erhöhung der Abriebfestigkeit werden Verstärkungselemente in ein Matrixmaterial eingeschlossen und dienen zur Aufnahme insbesondere von Scherkräften, die zu einem Abheben des Matrixmaterials führen würden. Die Abriebfestigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Riblets ist dadurch deutlich größer. Ein positiver Nebeneffekt liegt in der deutlich vergrößerten Steifigkeit der Riblets, was die Fertigung schärferer Konturen und Begrenzungskanten ermöglicht, die zu einer Riblet-Struktur mit einem hohen Einsparungseffekt führen. Zur Erreichung besonders vorteilhafter aerodynamischer Eigenschaften sollten Riblets eine möglichst geringe laterale Erstreckung aufweisen, denn in experimentellen Versuchen haben sich insbesondere sehr schmale, wand- oder stegartige Riblets gegenüber eher sägezahnartigen Riblets als deutlich vorteilhafter herausgestellt. Aufgrund der in der Realität zu beobachtenden Erosion sind sehr schmale Riblets im Stand der Technik jedoch praktisch kaum dauerhaft realisierbar gewesen. Durch die Verwendung von Verstärkungselementen kann jedoch zumindest bereichsweise die laterale Erstreckung der Riblets stark begrenzt werden, ohne eine höhere Erosion zu bewirken
  • Weiterhin entfallen zur Strömungsrichtung quer verlaufende Übergänge und im Gegensatz zu einer Riblets ohne Verstärkungsfasern oder anderen Verstärkungselementen auf einer Folie kann eine deutlich bessere Haftung an der Strömungsfläche erzielt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Riblets jeweils eine Längsrichtung auf und die Verstärkungselemente sind als in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern ausgeführt. Die Riblets weisen demnach eine Haupterstreckungsrichtung auf, die als eine Längsrichtung aufzufassen ist. Es bietet sich an, Verstärkungsfasern zu verwenden, die sich in dieser Richtung erstrecken, um eine gute Verteilung der Verstärkungselemente innerhalb der Riblets zu erreichen. Bei der Herstellung der Riblet-Struktur durch ein Extrusionsverfahren ist erforderlich, die Verstärkungsfasern während der Extrusion vor dem Austritt des Matrixmaterials aus der Extrusionsdüse ausgerichtet in den Strom des Matrixmaterials einzuführen.
  • Verstärkungsfasern können in Form von Kohlefasern, Glasfasern, Fasern aus metallischen Materialien, Fasern aus keramischen Materialien, Aramidfasern oder anderen bekannten Materialien realisiert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Verstärkungsfaser jeweils als ein Faserbündel oder als mehrere Faserbündel ausgeführt. Dadurch können sowohl die Abriebfestigkeit als auch die Steifigkeit deutlich erhöht werden, was zu einer verminderten Erosion und einer Möglichkeit zur deutlich dünneren Formgebung der Riblets führt. Bei Verwendung kurzer Fasern könnten etwa für die jeweils voneinander beabstandet angeordneten Riblets bei der Extrusion einzelne lockere Stränge bevorzugt gekämmter, zueinander paralleler Fasern oder kardierter Fasern in den Strom des Matrixmaterials gegeben werden.
  • Die Verstärkungsfasern sollten möglichst nicht eine zu große Längenerstreckung besitzen, da die Riblets sonst Zugkräfte aufnehmen würden, was dazu führen könnte, dass sich die Riblets von der Strömungsfläche ablösen. Insbesondere bei der Verwendung der Riblet-Struktur auf Strömungsflächen eines Flugzeugs mit einem länglichen Rumpf können die beim Rumpf auftretenden deutlichen Verformungen insbesondere bei Start und Landung von den Verstärkungsfasern nicht gefolgt werden, ohne dass entweder die Riblet-Struktur von der Strömungsfläche abreißt, die Verstärkungsfasern reißen oder sich aus der Matrix herauslösen und die Riblet-Struktur ausfranst. Bei der Verwendung von Kurzfasern, beispielsweise in Form von Rovings, kann dies zuverlässig verhindert werden. Die Verstärkungselemente können alternativ auch in Form von Hybrid-Rovings ausgeführt sein, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und zu Faserbündeln zusammengefasst sind. Dadurch können die abriebfesten Eigenschaften der Riblets für unterschiedliche Belastungsszenarien gleichzeitig optimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Verstärkungselemente als Verstärkungspartikel ausgeführt. Zur Erhöhung der Abriebfestigkeit von Riblets bieten sich neben der Verwendung von Verstärkungsfasern auch partikelförmige Verstärkungselemente an, die unterschiedlich ausgestaltet sein können. Die Partikel können als Plättchen ausgeführt sein, die eine flache und im Wesentlichen ebene Form aufweisen und deutlich kürzer und breiter als Verstärkungsfasern sind. Die Breitenerstreckung der Plättchen wird dabei durch die Größe der Riblets begrenzt, so dass die Breite derartiger Plättchen deutlich die Höhe der Riblets unterschreitet und beispielsweise die halbe Höhe der Riblets oder weniger beträgt.
  • Es sind ferner auch Verstärkungselemente in Form von Partikeln denkbar, die sich wesentlich in allen drei Raumrichtungen erstrecken und sich eher einer Kugelform annähern als einer ebenen, flachen Form. Solche Partikel können beispielsweise eine Größe im Bereich von 1 bis 90 µm oder mehr aufweisen, die in das Matrixmaterial eingebettet sind, um die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Die Partikel können im Allgemeinen beispielsweise aus Korunden bestehen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein härtbares Harz. Allgemein ist die Riblet-Struktur aus einem Matrixmaterial ausgebildet, in das zuvor Verstärkungselemente eingebracht wurden. Demnach eignet sich besonders ein Extrusionsverfahren dafür, die Riblet-Struktur herzustellen. Ein anfangs flüssiges, zähflüssiges oder pastöses Matrixmaterial kann durch eine Extrusionsdüse in eine vorbestimmte Form gebracht werden, wobei die in dem Matrixmaterial eingebetteten Verstärkungselemente vollständig in den jeweiligen Riblets eingeschlossen werden. Das härtbare Harz kann beispielsweise ein wärmehärtbares Harz, d. h. ein Duromer, sein, welches auch in Form von Lacken bekannt ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Thermoplast als Matrixmaterial verwendet. Bei der Auswahl des Thermoplasts ist zu bedenken, dass beispielsweise damit ausgestattete Flugzeuge, welche eine dunkle Lackierung aufweisen, an besonders heißen Aufenthaltsorten mit starker Sonneneinstrahlung beträchtlichen Oberflächentemperaturen ausgesetzt sind. Der Thermoplast darf bei diesen zu erreichenden Oberflächentemperaturen von beispielsweise 80 °C nicht derart weich werden, dass die grundlegende Riblet-Struktur verändert wird. Es ist dabei auch zu beachten, dass bei der Verwendung einer Riblet-Struktur auf Flugzeuge insbesondere beim Start die noch stark aufgeheizte Riblet-Struktur einer starken Umströmung ausgesetzt sein könnte, die einen möglicherweise zu weichen Thermoplast verformen würde.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein thermoplastisches Matrixmaterial eingesetzt, welches aus einer Gruppe von thermoplastischen Matrixmaterialien ausgewählt ist, die Gruppe bestehend aus: Polyamiden (PA), Polyetherimiden (PEI), Polyetherketonen (PEEK), Polyphenylensulfiden (PPS), Polyethersulfonen (PES), Polysulfonen (PSU) und Polyphthalamiden (PPA). Durch die Auswahl des geeigneten thermoplastischen Materials, auch mehrere Materialien an unterschiedlichen zu beschichtenden Bereichen, eine hohe Zuverlässigkeit der Riblets hergestellt werden.
  • Die entsprechende Materialwahl, ob Duromere oder Thermoplaste einsetzbar sind, ist von dem jeweiligen Einsatzzweck der Riblet-Struktur abhängig. Bei der Verwendung eines härtbaren Harzes ist zu bedenken, dass die damit hergestellte Riblet-Struktur nicht vollständig erosionsunanfällig sein wird. Zwar dauert der Abrieb der Riblets deutlich länger als bei bekannten Riblets, doch es besteht im Laufe der Nutzung möglicherweise die Notwendigkeit, die Riblets zu entfernen bzw. auszutauschen. Das Entfernen eines gehärteten Harzes ist jedoch nicht so einfach zu bewerkstelligen wie das Entfernen eines Thermoplasts, was etwa durch Erwärmen weich oder sogar flüssig wird und damit leicht von der Strömungsfläche entfernbar ist. Thermoplaste hingegen können nicht uneingeschränkt im Fahrzeugbau eingesetzt werden, da gewisse Reparaturarbeiten an dem Fahrzeug teilweise unter Einsatz lokal höherer Temperaturen durchgeführt werden, die eine Riblet-Struktur zerstören würden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Riblets mit einer sich verjüngenden Form ausgestattet, wobei jedes Riblet durch zwei Seitenflächen und eine Wurzel definiert wird, wobei sich die Seitenflächen ausgehend von der an einer Basis der Riblet-Struktur angeordneten Wurzel zu einer gemeinsamen Spitze hin erstrecken. Neben einer bis zur Spitze im Wesentlichen konstanten Steigung kann es auch sinnvoll sein, dass die Steigung der Seitenflächen ansteigt. Dadurch kann gleichzeitig eine recht breite und mechanisch besser belastbare Wurzel eines Riblets bereitgestellt werden, gleichzeitig aber auch eine zur Spitze hin deutlich rascher geringer werdende Breite als bei einer reinen Dreiecksform. Durch die Verwendung von Verstärkungselementen, die den Abrieb der Riblets senken, kann eine derart gewählte deutlich schärfere Kontur gewählt werden, die näher an dem theoretischen Optimum in Form von stegartigen, planaren Riblets bekannt ist, gleichzeitig aber auch eine geringe Erosionsanfälligkeit aufweist. Der Spitzenwinkel und/oder ein fertigungsbedingter Endradius an der Spitze sollten möglichst gering sein.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Riblets auf der Basis voneinander beabstandet. Insbesondere in Verbindung mit der ansteigenden Steigung zur Spitze der Riblets hin ist die Beabstandung besonders sinnvoll, um eine Annäherung an das technische Optimum mit stegartigen, schmalen Riblets zu erreichen.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Riblet-Struktur für eine Strömungsfläche, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden können. Zunächst wird ein Matrixmaterial mit Verstärkungselementen versetzt. Dies kann durch Vermengen des Matrixmaterials mit den Verstärkungselementen durchgeführt werden, wobei auf eine homogene Verteilung zu achten ist. Werden Verstärkungsfasern eingesetzt ist besonders günstig, diese direkt während des Extrusionsvorgangs unmittelbar vor dem Austritt des Matrixmaterials aus der Extrusionsdüse ausgerichtet in den Strom des Matrixmaterials einzuführen. Anschließend wird eine Riblet-Matte extrudiert, etwa durch Fördern des Matrixmaterials durch eine Extrusionsdüse, wobei sich auf einer Oberseite der Riblet-Struktur Riblets in Extrudierrichtung erstrecken und sich die Verstärkungselemente innerhalb der Riblets befinden. Die zum Extrudieren notwendige Extrusionsdüse kann als eine breite Schlitzdüse ausgeführt sein, die Einkerbungen aufweist, welche die gewünschte Endform besitzen. Anschließend wird die Riblet-Matte auf einer Substratoberfläche entgegen der Extrudierrichtung aufgetragen, wobei eine Unterseite der Riblet-Matte auf der Substratoberfläche haftet. Durch das Extrudieren kann praktisch jede Art von Riblets hergestellt werden, die aus mindestens zwei Seitenflächen bestehen, die auf eine vorbestimmte Weise zu einer Spitze oder einem anderen Abschluss zulaufen.
  • Die Substratoberfläche kann in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Strömungsfläche sein. Dies hat zur Folge, dass eine Extrusionsdüse entlang der zu beschichtenden Strömungsfläche zu führen ist, um kontinuierlich Riblets darauf aufzutragen. Bei dieser Variante lassen sich besonders größere, ebene Substratoberflächen beschichten.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Substratoberfläche eine Klebefolie. Dies ermöglicht eine Fertigung im industriellen Maßstab, begünstigt durch eine einfache Bearbeitung einer vollständig ebenen und horizontal gelagerten bzw. geführten Folie, ermöglicht anschließend die einfache Verwendung an gekrümmten Oberflächen und beugt einer Beschädigung der Strömungsfläche beim Aufbringen von Riblets ohne Folie vor.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine Extrusionsdüse verwendet, aus der sich parallel zueinander erstreckende Riblets extrudieren lassen. Die Riblets können dabei entweder derart profiliert sein, dass sie nahtlos aneinander grenzen oder voneinander beabstandet sind.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1a und 1b zeigen eine schematische Ansicht der Riblet-Struktur mit (1a) und ohne (1b) Verstärkungselemente.
    • 2 zeigt eine schematische, blockbasierte Darstellung des Verfahrens zum Herstellen einer Riblet-Struktur.
  • DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1a zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Riblet-Struktur 2 mit einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Riblets 4 auf einer Basis 5, die jeweils eine Wurzel 6 und zwei Seitenflächen 8 aufweisen, welche sich von der Wurzel 6 zu einer gemeinsamen Spitze 10 hin erstrecken. Die Steigung der Seitenflächen 8 kann konstant oder ansteigend sein. Ein theoretisches Optimum liegt zwar in der Verwendung planarer, ebener, stegartiger Riblets, die sich praktisch senkrecht von der Basis 5 erstrecken. Dies ist jedoch kaum realisierbar, da die Materialstärke derartiger Riblets so gering sein würde, dass eine übermäßige Erosion eintreten würde. Ziel ist daher, die Seitenflächen 8 mit einer solchen Steigung auszustatten, dass die Wurzel 6 zwar möglichst ausreichenden Halt bietet, die Form der Riblets 4 insgesamt jedoch möglichst schmal ist. Die gezeigte Form entspricht einem Extrusionsprofil einer Extrusionsdüse. Durch Verfahren der Extrusionsdüse entsteht eine Vielzahl von zueinander parallelen Riblets 4. Die Verfahrrichtung der Extrusionsdüse bestimmt dabei die Längsrichtung der Riblets, die senkrecht oder weitgehend zu der Zeichnungsebene in 1a und 1b verläuft.
  • Die Annäherung an das theoretische Optimum kann dadurch gesteigert werden, dass die Riblets 4 voneinander beabstandet sind und Leerräume 12 einschließen. Die Herstellung der Riblets 4 kann durch Verwendung einer Extrusionsdüse realisiert werden, die einen flachen, breiten, schlitzartigen Ausströmquerschnitt besitzt, der mit zackenartigen Kerben zur Erzeugung von Riblets 4 ausgestattet ist. Die Form der Kerben ist direkt verantwortlich für die resultierende Form der Seitenflächen 8.
  • In 1b wird der Aufbau mit sichtbaren Verstärkungselementen 14 gezeigt. Die Riblets 4 bestehen aus einem Matrixmaterial 16, in das die Verstärkungselemente 14 vollständig eingebettet sind. Die Verstärkungselemente 14 dienen dazu, den Riblets 4 eine Abriebfestigkeit zu verleihen. Neben einer Die Erosion der Riblets 4 wird dadurch deutlich verringert und ermöglicht ferner eine besonders scharfe Konturierung der Seitenflächen 6.
  • Als mögliche Verstärkungselemente 14 kommen Fasern (I) in Form von Kurzfaser-Rovings aus einem oder mehreren Fasermaterialien, plättchenartige Verstärkungselemente (II) und partikelförmige Verstärkungselemente (III) in Betracht. Das Matrixmaterial 16 ist vor der Extrusion mit Verstärkungselementen 14 versetzt, so dass durch den Extrudiervorgang sichergestellt wird, dass sämtliche Bereiche der Riblets 4 Verstärkungselemente erhalten. Wie vorangehend erläutert trägt das ausgerichtete Einfügen von Fasern unmittelbar vor dem Extrusionsvorgang dazu bei, dass sich die Fasern in Längsrichtung der Riblets erstrecken.
  • 2 stellt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von Riblets dar. Zunächst wird ein Matrixmaterial mit Verstärkungselementen versetzt 18, anschließend wird die Riblet-Struktur über eine Extrusionsdüse auf eine Substratoberfläche extrudiert 20, wobei die Extrusionsdüse entgegen der Extrusionsrichtung relativ zu der Substratoberfläche bewegt wird 22. In einer Variante kann vor dem Extrudieren das Erwärmen 24 des Matrixmaterials 20 durchgeführt werden, in einer anderen Variante kann nach dem Extrusionsvorgang eine Aushärtung 26 durchgeführt werden. Sollte das Matrixmaterial ein Thermoplast sein, ist das Erwärmen vor der Extrusion notwendig, während bei Harzen, z.B. Melaminharz oder anderen Harzsorten, eine abschließende Aushärtung vonnöten ist. Schließlich kann der Extrusionsvorgang auch auf eine Klebefolie durchgeführt werden, wonach die Klebefolie auf die zu beschichtende Strömungsfläche aufgeklebt wird 28.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims (12)

  1. Riblet-Struktur (2) für eine Strömungsfläche, aufweisend eine Vielzahl von Riblets (4) mit jeweils einer Längsrichtung, wobei die Riblets aus einem in Längsrichtung verlaufende Verstärkungsfasern als Verstärkungselemente (14) einschließenden Matrixmaterial bestehen, wobei die Riblet-Struktur (2) als eine extrudierte Riblet-Matte ausgeführt ist, wobei die Verstärkungsfasern dazu ausgebildet sind, während einer Extrusion und vor einem Auftragen des Matrixmaterials ausgerichtet zu werden.
  2. Riblet-Struktur (2) nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungsfasern als Faserbündel ausgeführt sind.
  3. Riblet-Struktur (2) nach Anspruch 1, aufweisend Verstärkungspartikel als Verstärkungselemente (14).
  4. Riblet-Struktur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Matrixmaterial (16) ein härtbares Harz ist.
  5. Riblet-Struktur (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Matrixmaterial (16) ein Thermoplast ist.
  6. Riblet-Struktur (2) nach Anspruch 5, wobei das Matrixmaterial (16) aus einer Gruppe von thermoplastischen Matrixmaterialien ausgewählt ist, die Gruppe bestehend aus: - Polyamiden (PA), - Polyetherimiden (PEI), - Polyetherketonen (PEEK), - Polyphenylensulfiden (PPS), - Polyethersulfonen (PES), - Polysulfonen (PSU) und - Polyphthalamiden (PPA).
  7. Riblet-Struktur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Riblets (4) mit einer sich verjüngenden Form ausgestattet sind, wobei jedes Riblet (4) durch zwei Seitenflächen (8) definiert wird, die sich von einer Wurzel (6) zu einer gemeinsamen Spitze (10) hin erstrecken.
  8. Riblet-Struktur (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Riblets (4) auf einer Basis (5) voneinander beabstandet sind.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Riblet-Struktur für eine Strömungsfläche, aufweisend die Verfahrensschritte: - Extrudieren (20) einer Riblet-Matte aus einem Matrixmaterial, wobei sich auf einer Oberseite der Riblet-Struktur Riblets in Extrudierrichtung erstrecken und Verstärkungsfasern beim Extrusionsvorgang in das Matrixmaterial eingeführt werden, so dass sie sich nach dem Extrudieren mindestens im Kern der Riblets befinden, wobei die Verstärkungsfasern während der Extrusion und vor einem Auftragen des Matrixmaterials ausgerichtet werden, - Auftragen (22) der Riblet-Matte auf einer Substratoberfläche entgegen der Extrudierrichtung, wobei eine Unterseite der Riblet-Matte auf der Substratoberfläche haftet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Substratoberfläche eine Strömungsfläche ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Substratoberfläche eine Klebefolie ist.
  12. Verwendung von Verstärkungsfasern in jeweils eine Längsrichtung aufweisenden Riblets auf einer Strömungsfläche, wobei die Verstärkungsfasern während einer Extrusion eines Matrixmaterials in Längsrichtung darin ausgerichtet sind.
DE102011121054.0A 2011-12-14 2011-12-14 Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche, Verfahren zum Herstellen einer Riblet-Struktur auf einer Strömungsfläche und Verwendung von Verstärkungselementen in Riblets für eine Strömungsfläche Expired - Fee Related DE102011121054B4 (de)

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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8733702B1 (en) * 2009-12-02 2014-05-27 The Boeing Company Reduced solar absorptivity applique
DE102011009998A1 (de) * 2011-02-01 2012-08-02 Airbus Operations Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers mit einer Soll-Oberflächentexturierung und Laser-Materialabtragsvorrichtung
US9932481B2 (en) 2015-04-21 2018-04-03 The Boeing Company Actuatable microstructures and methods of making the same
US10766185B2 (en) * 2015-10-13 2020-09-08 The Boeing Company Methods and apparatus for forming microscopic features on a film layer
US10107302B2 (en) 2015-12-10 2018-10-23 General Electric Company Durable riblets for engine environment
US10322436B2 (en) 2016-10-06 2019-06-18 Nano And Advanced Materials Institute Limited Method of coating interior surfaces with riblets
DE102017206968B4 (de) 2017-04-26 2019-10-10 4Jet Microtech Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Riblets
US10900509B2 (en) * 2019-01-07 2021-01-26 Rolls-Royce Corporation Surface modifications for improved film cooling
DE102019101485A1 (de) * 2019-01-22 2020-07-23 Lufthansa Technik Aktiengesellschaft Riblet-Folie und Verfahren zu deren Herstellung
US11618511B2 (en) * 2021-01-12 2023-04-04 Honda Motor Co., Ltd. Surface pattern for a vehicle
US11815111B2 (en) * 2021-03-15 2023-11-14 Bruce Preston Williams Multi-functional microstructured surface development three dimensional form solutions in individual tile and multiple tile array configurations
DE102022213765A1 (de) * 2022-12-16 2024-06-27 Ziehl-Abegg Se Strömungsmaschine und Verfahren zur Herstellung einer ein Strömungsmedium führenden Komponente einer Strömungsmaschine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19650439C9 (de) 1996-12-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 53175 Bonn Oberfläche für eine von einer eine Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung turbulent umströmten Wand
DE3534293A1 (de) 1985-09-26 1987-04-02 Messerschmitt Boelkow Blohm Einrichtung zur verringerung des reibungswiderstandes
DE19650439C1 (de) 1996-12-05 1998-03-12 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Oberfläche für eine von einer eine Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung turbulent umströmten Wand
DE60314775T2 (de) 2002-12-31 2008-04-10 3M Innovative Properties Co., St. Paul Strömungswiderstandsverringernder mehrschichtfilm
DE102008042237A1 (de) 2008-09-19 2010-04-01 Airbus Deutschland Gmbh Metallische Beschichtung

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4986496A (en) * 1985-05-31 1991-01-22 Minnesota Mining And Manufacturing Drag reduction article
US5133516A (en) * 1985-05-31 1992-07-28 Minnesota Mining And Manufacturing Co. Drag reduction article
US5132394A (en) * 1989-08-14 1992-07-21 Amoco Corporation Fiber-reinforced composites comprising amide-imide copolymer matrix resin
US5268225A (en) * 1990-08-16 1993-12-07 The University Of Akron Self reinforced thermoplastic composite laminate
US5238638A (en) * 1990-08-16 1993-08-24 The University Of Akron Process for preparing a self-reinforced thermoplastic composite laminate
US5582670A (en) * 1992-08-11 1996-12-10 E. Khashoggi Industries Methods for the manufacture of sheets having a highly inorganically filled organic polymer matrix
US5848769A (en) * 1996-08-26 1998-12-15 Minnesota Mining & Manufacturing Company Drag reduction article
DE19944345A1 (de) * 1999-09-16 2001-03-22 Sgl Technik Gmbh Mit Fasern und/oder Faserbündeln verstärkter Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix
CA2419134A1 (en) * 2000-08-09 2002-02-14 Ohio University Improved polymer matrix composite
DE10217111A1 (de) * 2002-04-17 2003-11-06 Roehm Gmbh Festkörper mit mikrostrukturierter Oberfläche
DE10346124B4 (de) 2003-10-01 2005-12-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Werkzeug und Verfahren zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche und Verwendung eines Werkzeuges sowie damit erzeugter Gegenstand
DE102006004644B4 (de) 2006-01-31 2007-12-20 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Werkzeug und Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche
US8684310B2 (en) 2009-01-29 2014-04-01 The Boeing Company Rigid tipped riblets
US8678316B2 (en) 2009-01-29 2014-03-25 The Boeing Company Amorphous metal riblets
US8668166B2 (en) 2009-01-29 2014-03-11 The Boeing Company Shape memory riblets
US9352533B2 (en) 2009-01-29 2016-05-31 The Boeing Company Elastomeric riblets
US8413928B2 (en) 2009-09-25 2013-04-09 The Boeing Company Structurally designed aerodynamic riblets
US20110186685A1 (en) 2010-02-02 2011-08-04 The Boeing Company Thin-Film Composite Having Drag-Reducing Riblets and Method of Making the Same
DE102011009998A1 (de) 2011-02-01 2012-08-02 Airbus Operations Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Strömungskörpers mit einer Soll-Oberflächentexturierung und Laser-Materialabtragsvorrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3534293A1 (de) 1985-09-26 1987-04-02 Messerschmitt Boelkow Blohm Einrichtung zur verringerung des reibungswiderstandes
DE19650439C9 (de) 1996-12-05 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 53175 Bonn Oberfläche für eine von einer eine Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung turbulent umströmten Wand
DE19650439C1 (de) 1996-12-05 1998-03-12 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Oberfläche für eine von einer eine Strömungshauptrichtung aufweisenden Strömung turbulent umströmten Wand
DE60314775T2 (de) 2002-12-31 2008-04-10 3M Innovative Properties Co., St. Paul Strömungswiderstandsverringernder mehrschichtfilm
DE102008042237A1 (de) 2008-09-19 2010-04-01 Airbus Deutschland Gmbh Metallische Beschichtung

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