Die Erfindung betrifft die Lehre über die Gestaltung Gas haltender Kavitäten in Differentialbauweise zur Implantation in die benetzte Oberfläche von Strömungsbauteilen, beispielsweise den Unterwasserbereich von Seefahrzeugen. Im Zusammenspiel der besonderen Gestaltung der Gas haltenden Kavitäten (Gas Keeping Kavities, GKK) ist die Materialauswahl von Bedeutung. Es kommen hydrophobe Materialien – vornehmlich Kunststoffe - für das opake Bauteil oder hydrophobe Oberflächenbeschichtungen zur Anwendung. Die Gas haltenden Kavitäten in Differentialbauweise zur Implantation sind in ihrer Grundform zylinderförmig, werden als Komplexbauteil in Kernbohrungen ISO 1207 (DIN 84) gefügt und ggf. stoffschlüssig arretiert.
Traktat
uber die Beitrage zum Stand der Technik und zu den ^Transactions in Suffering Innovations"
Die transactions in Suffering Innovations" bilden eine Sammlung von Schriften uber Artefakte im Themenfeld Biologie & Technik, die in loser Reihenfolge erscheint. Es besteht durchaus die Absicht, den Stand der Technik zu verandern.
Gegenstand der Beitrage zu den Schriften der transactions in Suffering Innovations" sind Artefakte, Problemlosungen, Gestaltungsfragen und die kritische Auseinandersetzung mit Themen der Bionik, also Technik nach Vorbildern aus der belebten und unbelebten Natur und ihre Umsetzung. In ausgesuchten Fallen sind Technische Beschreibungen nach Standards des Deutschen Patent und Markenrechts[1] verfasst.
Mit den transactions in Suffering Innovations" soll der Fortschritt auf dem Gebiet der angewandten Bionik dadurch gefordert werden, dass die dargestellten notleidenden Artefakte, Problem- und Gestaltungslosungen frei von Rechten Dritter sind und mit ausdrucklicher Genehmigung dem Leser zur Nutzung verfugbar werden.
In den transactions in Suffering Innovations" werden ausschlieRlich Artefakte offeriert, die nicht unter das Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG[2] fallen oder in der Vergangenheit fielen.
Die in den transactions in Suffering Innovations" dargestellten Artefakte sind insofern notleidend, da sie einerseits aus materieller Not nicht weiterverfolgt werden, ein Umstand der sich vielleicht wieder andern mag. Andererseits sind die dargestellten Artefakte notleidend, weil sie moglichweise auftretender oder voranschreitenden geistigen Umnachtung zum Opfer zu fallen drohen; ein Umstand der sich wohl nicht mehr andern wird.
Als Ubergeordneter Absicht gilt es solche Forschung anzustoRen, die Losungswege der Ubertragung biologischer Phanomene untersucht und Fragestellungen betrifft, die im Zusammenhang stehen mit Natur und Technik.
Die Beitrage zum Stand der Technik und den transactions in Suffering Innovations" sind in deutscher Sprache verfasst. Dem Text wird gegebenenfalls eine teilweise oder vollstandige Ubersetzung in englischer Sprache beigestellt. In einer Ausgabe der Schriftensammlung wird jeweils nur ein Werk platziert. Den Ausfuhrungen wird gegebenenfalls ein Prolog vor und ein Epilog nachgestellt.
Mi. Dienst
Titel
Gas haltende Kavitaten zur Implantation
Untertitel
Transactions in Suffering Innovations T17 SI760 24. April 2018
Technische Beschreibung
Gas haltende Kavitaten zur Implantation
Die Erfindung betrifft die Lehre uber die Gestaltung Gas haltender Kavitaten in Differentialbauweise zur Implantation in die benetzte Oberflache von Stromungsbauteilen, beispielsweise den Unterwasserbereich von Seefahrzeugen. Im Zusammenspiel der besonderen Gestaltung der Gas haltenden Kavitaten (Gas Keeping Kavities, GKK) ist die Materialauswahl von Bedeutung. Es kommen hydrophobe Materialien - vornehmlich Kunststoffe - fur das opake Bauteil oder hydrophobe Oberflachenbeschichtungen zur Anwendung. Die Gas haltenden Kavitaten in Differentialbauweise zur Implantation sind in ihrer Grundform zylinderformig, werden als Komplexbauteil in Kernbohrungen ISO 1207 (DIN 84) gefugt und ggf. stoffschlussig arretiert.
Stand der Wissenschaft, Stand derTechnik und Entgegenhaltungen
Neben der fluidmechanischen Wirksamkeit, der mechanischen Stabilitat und Festigkeit ist die Minderung des fluidmechanischen Widerstands das wichtigste Gestaltungskonzept bei der Entwicklung von Stromungsbauteilen.
Stand der Wissenschaft. Biologie und Bionik.
In den Jahrmillionen der biologischen Evolution hat die belebte Natur leistungsfahige und Ressourcen schonende Gestaltungslosungen hervorgebracht. Die wissenschaftliche und Anwendungen orientierte Bionik (aus Biologie und Technik) entschlusselt biologische Gestaltungslosungen mit dem Ziel Prinzipien aus der belebten Natur auf Technik zu ubertragen.
Der so genannte Salvinia-Effekt beschreibt die dauerhafte Stabilisierung einer Luftschicht auf einer Oberflache unter Wasser. Basierend auf biologischen Vorbildern (z. B. Schwimm-farngewachsen (Salviniaceae) eroffnen technische Salvinia-Oberflachen u. a. die Moglichkeit der Beschichtung von Schiffen, die reibungsreduziert (erste prototypische Oberflachen zeigten eine Reibungsreduktion von bis zu 30%) auf einer Luftschicht durch das Wasser gleiten und Energie und Emissionen einsparen.
Voraussetzungen sind extrem wasserabstoftende superhydrophobe Oberflachen mit bis zu mehrere Millimeter langen haarartigen gekrummten und elastischen Strukturen, die unter Wasser die Luftschicht einschlieften. Der Salvinia-Effekt wurde von dem Biologen und Bioniker Wilhelm Barthlott (Universitat Bonn) und Mitarbeitern entdeckt und seit 2002 systematisch an Tieren und Pflanzen untersucht [BART-18].
Werden extrem Wasser abweisende (superhydrophobe), strukturierte Oberflachen unter Wasser getaucht, so wird Luft, fur eine begrenzte Zeit, zwischen den Strukturen eingeschlossen und von der Oberflache gehalten.
Der von Barthlott beschriebene Salvinia-Effekt wird in erster Linie von mikrostrukturierten „Anhangen" an eine gegebene fluidmechanisch wirksame Oberflache getragen.
Bei Salvinia natans ist das Halten der Luft vermutlich eine Uberlebensstrategie der Pflanzen. Die Oberseite ihrer Schwimmblatter ist stark Wasser abweisend und weist eine auRert komplizierte und artspezifisch sehr unterschiedliche samtige Behaarung auf. Bei einigen Arten sind die immer vielzelligen 0,3-3 mm langen Haare einzelstehend (z. B. Salvinia cucullata), bei Salvinia oblongifolia sind zwei Haare an der Spitze verbunden.
Bei Salvinia minima und Salvinia natans stehen vier freie Haare auf einem Sockel. Die komplexesten Haare haben die Riesen-Salvinia Salvinia molesta und Salvinia auriculata sowie nahe verwandte Arten: auf einem gemeinsamen Stiel stehen je vier Haare, die aber an der Spitze verbunden bleiben. Das Ganze ahnelt einem mikroskopischen Schneebesen und hat zu dem treffenden Namen „Schneebesen- Haare" (eggbeater trichomes) gefuhrt. Die gesamte Blattoberflache - inklusive der Haare - ist mit nanoskaligen Wachskristallen uberzogen, die fur den Wasser abweisenden Charakter der Oberflache verantwortlich sind. Die Blattoberflachen sind somit ein klassisches Beispiel fur eine „hierarchische Strukturierung" [Salv-18]. Der GroRe Kolbenwasserkafer (Hydrophilus piceus, Syn.: Hydrous piceus) ist mit einer Lange von bis zu funf Zentimetern der groRte Wasserkafer Europas und wurde deswegen fruher auch Riesenwasserkafer genannt. Er zeigt bei der Atmung einige hochst interessante Anpassungen an das Wasserleben und steht wegen seiner zunehmenden Gefahrdung unter Naturschutz [Kolb-18]. Zur Atmung kommt der Kolbenwasserkafer mit seinem Vorderende an die Wasseroberflache. Er halt den Kopf von unten an den Wasserspiegel und neigt sich dabei leicht nach einer Seite, er krangt. Dann holt er den der Wasseroberflache naheren Fuhler aus der mit Luft gefullten Grube, die sich auf der Unterseite des Halsschilds befindet. Ein spitzer Fortsatz des ersten Glieds der Fuhlerkeule durchbricht von unten die durch die Wasseroberflachenspannung bedingte Haut der Wasseroberflache. Dann wird der Fuhler abgeknickt uber die Wasserflache hinausgeschoben, so dass die Fuhlerspitze unter der Wasseroberflache bleibt und dabei der Kopffurche anliegt. Die Kopffurche ist eine aus zwei Haarsaumen bestehende Rinne, die vertikal verlauft. Sie wird durch die daruberliegenden Aushohlungen der drei Fuhlerendglieder zu einem Schnorchel erganzt, der von dem abgeknickten Fuhlergelenk uber Wasser bis unter den Halsschild reicht. Zum Lufttransport fuhrt die mit feinsten Harchen bekleidete Fuhlerkeule vibrierende Bewegungen aus. Diese Tatigkeit wird abwechselnd links- und rechtsseitig ausgefuhrt, so dass das Tier hin- und herschaukelt. Auf der Korperunterseite tragen die Kafer eine dichte goldgelbe Behaarung (Pubescenz), zwischen dem zweiten und dritten Beinpaar und entlang der Flugeldeckenrander und vom Dorn uber dem Brustkiel. Unter der Behaarung wird der Luftvorrat in Hohlraumen (Kavitaten) mittransportiert. Dieses Luftkissen auf der Korperunterseite wird von einem Kiel und den uberstehenden Deckflugelrandern gehalten und reicht bis zu den ersten Hinterleibsegmenten. Die Luftschicht wird Plastron genannt, womit ursprunglich das Brustleder einer Panzerung bezeichnet wurde.
Der Salvinia-Effekt und der Lufttransport an der Korperunterseite des Kolbenwasserkafers unterscheiden sich in ihren Wirkprinzipien, was in einer technischen Ubertragung im Sinne der Bionik zu weiter reichend unterschiedlichen Konzepten fuhrt. Wahrend der Salvinia-Effekt von mikroskopisch kleinen Anbauten, die zu einer Struktur rapportiert Luft haltend wirken, getragen wird, sehen wir beim Kolbenwasserkafer hydrophobe Kavitaten in konstruktiver und organisatorischer
Union mit einer grannenartigen Behaarung zur Lufthaltung. Ein sehr robuster biologischer Gestaltaufbau.
Problembeschreibung
In Fahrt und beim Manovrieren von Seefahrzeugen ist Friktionswiderstand und Stromungsablosung insbesondere bei Leit- und Steuerflachen ein unerwunschtes physikalisches Phanomen. Dies gilt auch fur Seefahrzeuge, die gelegentlich krangen und damit Teile ihres Unterwasserschiffs der Luftatmosphare freigeben. Luft haltende Oberflachen vom Stand der Technik sind bauartbedingt sehr empfindlich gegenuber aufterer Krafteinwirkung.
Problemlosung
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem wird dadurch gelost, dass in die Oberflache von fluidmechanisch wirksamen Stromungsbauteilen besonders gestaltete, aber standardisierte hydrophobe Luft haltende Kavitaten implantiert werden. Bei Seefahrzeugen, die gelegentlich krangen und dann Teile ihres Unterwasserschiffs der Luftatmosphare freigeben kommt es im Betrieb zu einer „Beladung" der hydrophoben Kavitaten mit Luft. Gegenuber Luft haltenden Oberflachen vom Stand der Technik sind standardisierte hydrophobe Luft haltende Kavitaten bauartbedingt sehr robust und unempfindlich gegenuber aufterer Krafteinwirkung.
Erreichbare Vorteile
Durch die Erfindung wird erreicht, dass der fluidmechanische Widerstand vermindert wird. Standardisierte hydrophobe, Luft haltende Kavitaten sind mechanisch sehr robust.
Der bei schwimmenden Insekten beobachtete Effekt der Stromungskonditionierung durch Kavitaten in gestalterischer Verbindung mit grannenartiger Behaarung ist fur technische Anwendungen, beispielsweise Rumpfsektoren von Seefahrzeugen, die gelegentlich krangen oder fur teiltauchende Leit- und Steuertragflachen nutzbar. Die Minderung des fluidmechanischen Widerstands von Seefahrzeugen ist von wirtschaftlichem Interesse.
Aufbau und Wirkungsweise
Baulicher Zusammenhang. Gas haltender Kavitaten (Gas Keeping Kavities, GKK) zur Implantation in die benetzte Oberflache von Stromungsbauteilen in Differentialbauweise sind in ihrer Grundform zylinderformig. Die Gas haltende Kavitaten konnen in zwei grundsatzlichen Varianten gefertigt und betrieben werden.
(I) Der Inharenz-Typ der GKK, der aus einem hydrophoben Material gefertigt wird.
(II) der Beschichtungs-Typ, der aus einem konstruktionsgerechtem Material gefertigt wird, und dann eine Oberflachenbeschichtung erhalt. Als Serienprodukt ist der Inharenz-Typ (I) vorteilhaft, fur Wissenschaftliche Untersuchungen ist der Beschichtungs-Typ (II) gut geeignet.
Bei der Gas haltenden Kavitat in Differentialbauweise zur Implantation in die Oberflache eines Stromungsbauteils bilden der Kavitatszylinder NAP und die Granne FIN eine gestalterische und organisatorische Einheit. Im Wurzelbereich des gehohlten Zylinders NAP kann optional eine Nut NUT in das Material gepragt sein.
Die schematische Skizze FIGUR 1 zeigt eine Seitenansicht in eingebautem Zustand; die schematische Skizze FIGUR 2 zeigt eine Draufsicht auf das Bauteil.
Die Gas haltenden Kavitaten in Differentialbauweise zur Implantation werden als Komplexbauteil in Kernbohrungen ISO 1207 (DIN 84) in das Stromungsbauteil SBT gefugt und ggf. durch eine Klebung stoffschlussig arretiert.
Bezeichnungen in den schematischen Skizzen Figur 1 und Figur 2
NAP Kavitatszylinder
FIN Granne
NUT Einstich in den Kavitatszylinder
SBT Stromungsbauteil (ist nicht Gegenstand der Erfindung nach Anspruch
1)
BOR Kernbohrungen ISO 1207 (DIN 84) in das Stromungsbauteil SBT
Die Gas haltenden Kavitaten in Differentialbauweise sind nicht beliebig skalierbar. Zur Implantation in die benetzte Oberflache von Stromungsbauteilen SBT sind Kernbohrungen ISO 1207 (DIN 84) vom Durchmesser D=5mm vorzusehen.
Wirkungsweise. In Fahrt und beim Manovrieren von Seefahrzeugen ist Friktionswiderstand und Stromungsablosung unerwunscht.
Durch die Gas haltenden Kavitaten entsteht im Betrieb ein AuRenhautoberflache, die der Stromung dadurch einen geringeren Friktionswiderstand entgegensetzt, dass die Kontur mit Gas haltenden Partitionen durchsetzt ist.
Die Gas haltenden Kavitaten sind geeignet zur Implantation in die AuRenhaut von Stromungsbauteilen oder Unterwasserbereichen des Rumpfes von Seefahrzeugen, die in Fahrt gelegentlich krangen und damit Teile ihres Unterwasserschiffs der Luftatmosphare freigeben. Im Betrieb bedeutet diese Phase das Beladen der Kavitaten mit Luft.
An der AuRenhaut eines Stromungsbauteils oder einer Sequenz im Bereich des Unterwasserschiffes eines Seefahrzeugs werden in geringem Abstand und gleichmaRig zahlreiche Bohrungen angebracht und in diese Bohrungen Luft haltenden Kavitaten nach Anspruch 1 implantiert, so dass eine strukturierte Oberflache entsteht.
Literaturhinweise und Entgegenhaltungen
[...]
[1] https://www.dpma.de/patent/anmeldune/index.html
[2] Am 7. Februar 2002 trat die Novellierung des Arbeitnehmererfindungsgesetzes ArbErfG in Kraft.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Michael Dienst (Author), 2018, Gas haltende Kavitäten zur Implantation, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/423671
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