Ventilator Der Weg von der Idee zum HyBlade-Axialventilator

Hohe Luftleistung, geringe Geräuschentwicklung und hoher Wirkungsgrad sind die wichtigsten Anforderungen an Axialventilatoren. Mit neuen Werkstoffkombinationen und Konstruktionsprinzipien hat ebm-papst den konventionellen Ventilator optimiert.

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ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG

Bei Axialventilatoren haben sich Außenläufermotoren bewährt, bei denen die Schaufeln direkt auf dem Rotor angebracht sind. Das vereinfacht den Aufbau der Ventilatoren und macht die Geräte vergleichsweise kompakt. Die meist aus Stahl- oder Aluminiumblech geformten Ventilatorschaufeln sind heute bereits so geformt, dass weitere Verbesserungen nur schwer zu erzielen sind. Diese Materialien lassen sich lediglich stanzen, prägen oder biegen und dadurch sind die Gestaltungsmöglichkeiten hier begrenzt. Um eine Ventilatorschaufel jedoch weiter zu optimieren, müssen deshalb neue Materialtechnologien eingesetzt werden. Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen bietet hier eine innovative Lösung an: Bei den Schaufeln der neuen HyBlade-Axialventilatoren werden unterschiedliche Materialien so miteinander kombiniert, dass jedes seine ganz spezifischen Vorzüge ausspielen kann. Ein Aluminiuminlet nimmt die mechanischen Kräfte im Betrieb auf und stellt eine dauerhafte Verbindung zum Rotor sicher, während der Kunststoff die tragende Struktur umschließt und dabei der Schaufel ihre strömungstechnisch optimale Form gibt.

EC- und AC-Ventilatoren mit der neuen HyBlade-Technologie sind in den Baugrößen 500 bis 990 mm verfügbar und decken damit die unterschiedlichsten Anwendungen im Bereich der Kälte- und Klimatechnik ab. Dabei überzeugen sie vor allem durch hohe Wirkungsgrade und ein im Vergleich zu den Vorgängermodellen deutlich besseres Geräuschverhalten. Den Weg von der Idee zum serienfertigen Produkt setzte ebm-papst in folgenden Entwicklungsschritten um:

Detailliertes Anforderungsprofil

Zunächst einmal wurde das Bauteil „Schaufel“ analysiert und ein detailliertes Anforderungsprofil erarbeitet. Als hilfreich erwies sich dabei die TRIZ-Methodik (Theorie des erfinderischen Problemlösens). Die Schaufel sollte demzufolge mehrere Funktionen haben. Zum einen sind hier die mechanischen Funktionen aufzuzählen, also ihre Festigkeit, die Befestigungsmöglichkeiten am Rotor und die Aufnahme der Fliehkräfte. Dazu kamen aerodynamische Anforderungen mit Auswirkungen auf Luftleistung und Geräuschverhalten. Ebenfalls ein maßgeblicher Punkt war das Verhalten gegenüber Umwelteinflüssen, also z.B. die UV-Beständigkeit der Materialien, ihre Korrosionsfestigkeit sowie das Verhalten bei extremen Temperaturen, Niederschlägen oder Vereisungen. Hinzu kam aber noch eine weitere, wichtige Forderung, die von Anfang an bei der Neuentwicklung berücksichtigt werden sollte: Die Innovation durfte nicht mit einem Mehraufwand an Ressourcen einhergehen. Im Gegenteil, die Umweltbelastungen sollten gesenkt und der Primär- bzw. Sekundärenergieaufwand deutlich reduziert werden. Mit Aluminum beispielsweise - einem bei der Herstellung extrem energieintensiven Werkstoff – sollte möglichst sparsam umgegangen werden. Kunststoffmaterialien sind hier wesentlich effizienter und versprachen auch hinsichtlich ihrer Formbarkeit interessante Möglichkeiten.

Gebündelte Kompetenzen erleichtern die Umsetzung

Aufgrund des Anforderungsprofils der Schaufel waren sich die Entwickler schnell einig, dass sich alle Forderungen nur mit einem hybriden Bauteil realisieren lassen würden. In der Technik beschreiben Hybrid-Strukturen ein aus unterschiedlichen Elementen zusammengesetztes Ganzes. Die Besonderheit liegt darin, dass die zusammengebrachten Elemente für sich allein betrachtet schon funktionierende Lösungen darstellen und durch ihre Verbindung neue, erwünschte positive Eigenschaften ergeben. Praktische Anschauungsbeispiele für solche Hybrid-Systeme, an denen sich die Entwickler orientieren konnten, gibt es in sehr unterschiedlichen Bereichen. Hybride Materialstrukturen z.B. aus Kunststoffen und metallischen Legierungen haben sich bereits im Automobilbau durchgesetzt und sind in der Flugzeugtechnik ebenso zu finden wie bei Gasturbinen. Um dieses bestehende Know-How zu nutzen, arbeiteten die Entwickler von Anfang an eng mit zahlreichen Experten auf diesem Gebiet zusammen. Bereits zu einem frühen Zeitpunkt wurde ein Netzwerk aus Werkstoffherstellern, Wissenschaftlern sowie Fertigungs- und Produktionsspezialisten geknüpft, um ein bestmöglichstes Ergebnis zu erzielen. Mögliche Fehlerquellen z.B. bei der Materialauswahl ließen sich so schon im Vorfeld analysieren und entsprechend vermeiden (FMEA). Als ein glasfaserverstärkter Hochleistungskunststoff und die passende Metalllegierung gefunden war, nahm die eigentliche Konstruktion der neuen Ventilatorschaufel schnell Formen an. Als sehr hilfreich erwiesen sich dabei die hochspezialisierten, modernen Simulationswerkzeuge, die im engen Datenverbund zusammenarbeiten und mit denen man in Mulfingen bereits bei zahlreichen anderen Innovationen gute Erfahrungen gemacht hatte.

Simulieren, optimieren, realisieren und prüfen

Als Referenz für die ersten FEM-Berechnungen der HyBlade-Schaufeln dienten zunächst die Daten der konventionellen Gussschaufel. In diesem Schritt wurde die Festigkeit der ausgewählten Materialien und die benötigten Mengen ermittelt und optimiert. Ein wichtiges Werkzeug bei der Optimierung der Schaufelgeometrie stellte die numerische Strömungssimulation CFD (Computational Fluid Dynamics) dar. Dank ihrer ausgefeilten Simulationsmöglichkeiten ließ sich die Entwicklungszeit wesentlich verkürzen. Dadurch wurde das Prinzip „Trial and Error“ ersetzt.

Als alle Zielvorgaben für die neuen HyBlade-Schaufeln erfüllt waren, konnte man sich mit den Produktionswerkzeugen beschäftigen. Sie wurden mithilfe der so genannten Moldflow-Analyse ebenfalls zunächst am PC optimiert. Wichtige Ergebnisse, die diese Analyse liefert, sind z.B. der optimale Anspritzpunkt für die Kunststoffteile, das Füllverhalten und Verzugsminimierung. Die ersten Werkzeuge wurden gefertigt und danach die ersten Prototypen produziert. Als diese bereit standen, begannen umfangreiche Tests, in denen sich die Neuentwicklung bewähren musste. Dazu gehörten z.B. Temperaturwechseltests ebenso wie Schockprüfungen oder Langzeittest unter realen Betriebsbedingungen, bei denen die HyBlades u.a. auch ihre UV-Beständigkeit bei extremer Sonneneinstrahlung bewiesen haben, im feuchtwarmen Malaysia ebenso wie in den USA im heißen Wüstenklima oder im kalten Sibirien. Dass auch Salzwasser bzw. salzhaltige Luft die HyBlades nicht beeinträchtigt, konnte ebenfalls durch Feldtests bestätigt werden. Sie sind im Gegensatz zu den Vorgängermodellen ohne Lackierung korrosionsbeständig.

Designanforderungen erfüllt

Gleichzeitig erfüllen die neuen HyBlades hohe Anforderungen an das Design. Anlässlich der Hannover-Messe 2008 wurden die dort neu vorgestellten Axialventilatoren mit dem „iF material award“ ausgezeichnet. Ebenfalls wurde eine Nominierung für den Designpreis der Bundesrepublik Deutschland erzielt.

Mit den neuen HyBlade-Axialventilatoren in EC- und AC-Technik profitiert der Anwender in der Luft-, Klima- und Kältetechnik deutlich hinsichtlich Geräuschverhalten und Effizienz. ebm-papst hat mit dieser Entwicklung nicht nur eine deutliche Innovation im Bereich Ventilatoren erzielt, sondern auch auf eine umweltschonende Fertigung sowie ein verantwortungsbewusster Umgang mit den Ressourcen Wert gelegt.

*Dipl.-Ing. (FH) Gunter Streng, Leitung Plattformentwicklung bei ebm-papst Mulfingen

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