Entwicklung eines Wingfoilboards für den Einstiegs- und Leichtwindbereich mithilfe bionischer Gestaltungsansätze
Das Wingfoilen befindet sich auf dem besten Weg hin zu einer neuen Trendsportart, doch bisher tun sich insbesondere Anfänger mit dieser Art der Fortbewegung auf dem Wasser schwer. Um den Einstieg zu erleichtern, entwickelte das Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen (KVB) zusammen mit einem langjährigen Partner aus dem Board-Sportbereich im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojektes ein Wingfoilboard nach dem Vorbild der Natur.
Ein Fokus des Projektes bestand in der bionisch inspirierten Entwicklung von Mast und Frontwing des Hydrofoils, mit dem Ziel, strömungsoptimierte Profile mit maximaler Effizienz zu realisieren. In diesem Zusammenhang wurde das Flugverhalten unterschiedlicher Lebewesen und deren Flug-Mechanismen analysiert und übertragen. Neben den geometrischen Gesichtspunkten des Flugsystems lag dabei ein weiterer Schwerpunkt auf der Strukturierung der Oberflächen, die zu einer besseren Anhaftung der Strömung am Flügel und zu günstigeren Gleiteigenschaften im umgebenden Fluid führen.
Frühes Angleiten und bessere Strömungseigenschaften
Die aus den Vorbetrachtungen entwickelten Konzepte wurden anschließend in einer Kombination aus Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulation und experimentellen Untersuchungen miteinander verglichen und optimiert. Die theoretischen Eigenschaften für die Einzelprofile und das Gesamtsystem konnten in einem im Rahmen des Projekts entwickelten Wasserumlaufkanal überprüft und bestätigt werden. Die strukturmechanische Auslegung erfolgte mittels FEM-Simulation und orientierte sich an den mechanischen Eigenschaften
am Markt verfügbarer Systeme.
Detailansicht Frontwing (li.) und Mast (re.) (© KVB)
Ganzheitliche Entwicklungsstrategie
Dank der Sandwichkonstruktion konnten leichte und zugleich leistungsstarke Bauteile realisiert werden. Um eine hohe Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, wurden die Komponenten im RTM-Verfahren hergestellt, wobei die Oberflächenstrukturierung des Mastes direkt im Fertigungsprozess integriert wurde. Durch den umfassenden Entwicklungsansatz ließ sich das Gewicht des Hydrofoilsystems – bestehend aus Mast, Fuselage sowie Frontwing und Backwing – um rund 30 % auf nur 3,5 kg reduzieren.
Trotz der massiven Gewichtseinsparung zeigt das Foil keinerlei Leistungseinbußen. Erste Praxistests von Testfahrern zeigten eine wahrnehmbare Geschwindigkeitssteigerung von etwa 10 – 20 % im Vergleich zu den aktuell führenden Konkurrenzprodukten. Diese Steigerung ist im Wesentlichen auf den neu entwickelten, strömungsoptimierten Mast mit Oberflächenstrukturierung zurückzuführen.
Das Projekt verdeutlicht, wie sich Leichtbau, Bionik, moderne numerische Simulationstechniken und experimentelle Untersuchungen erfolgreich kombinieren lassen, um innovative und zugleich praxistaugliche Lösungen zu realisieren.
Trotz der massiven Gewichtseinsparung zeigt das Foil keinerlei Leistungseinbußen. Erste Praxistests von Testfahrern zeigten eine wahrnehmbare Geschwindigkeitssteigerung von etwa 10 – 20 % im Vergleich zu den aktuell führenden Konkurrenzprodukten. Diese Steigerung ist im Wesentlichen auf den neu entwickelten, strömungsoptimierten Mast mit Oberflächenstrukturierung zurückzuführen.
Das Projekt verdeutlicht, wie sich Leichtbau, Bionik, moderne numerische Simulationstechniken und experimentelle Untersuchungen erfolgreich kombinieren lassen, um innovative und zugleich praxistaugliche Lösungen zu realisieren.
Gesamtsystem Hydrofoil (© KVB)
Kontakt:
KVB Institut für Konstruktion und Verbundbauweisen gGmbH
M.Sc. Martin Zießler, Wissenschaftlicher Projektleiter
+49 3431 734 25 95
martin.ziessler@kvb-forschung.de
www.kvb-forschung.de
