Mittels AM akustische Probleme schneller lösen

In einer Arbeit im Rahmen des Maschinentechnik-Studiums an der OST am Campus Rapperswil hat Martin Heldstab unter Betreuung von Professor Hanspeter Gysin die akustischen Auswirkungen einer ungleichen Verteilung der Flügel an Ventilatoren und Propellern untersucht. Dank des Einsatzes von additiver Fertigung in der Produktion von Prototypen konnten in sehr kurzer Zeit verschiedene Ausführungen hergestellt und getestet werden.

Durch das periodische Verhalten von Ventilatoren entsteht bei diesen ein sehr tonales Geräusch mit einem klaren Amplituden-Peak auf der Frequenz der Drehzahl, multipliziert mit der Anzahl Blätter des Ventilators. Mit der Studie sollte deshalb untersucht werden, ob eine Lärmreduktion erreicht werden kann, wenn die Blätter eines Ventilators beziehungsweise Propellers nicht gleichmässig verteilt sind.

Diese Methode ist nicht neu und wird zum Beispiel auch bei einigen Fräsern angewendet: Indem die Winkelabstände zwischen den einzelnen Schneiden nicht gleichmässig gewählt werden, können die bei gleichen Abständen entstehenden Vibrationen reduziert werden.

Für die Versuchsdurchführung wurden drei handelsübliche Produkte mit Ventilatoren oder Propellern verwendet. Die Auswahl fiel dabei auf einen kompakten Raumlüfter, wie er beispielsweise auf Schreibtischen verwendet wird, eine Quadrokopter-Drohne mit Zweiblatt-Propeller und ein Elektrohandwerkzeug, genauer einen Nibbler mit Elektromotor, der auf der Ankerwelle einen Ventilator zur Kühlung des Motors aufweist.

Erst einmal kurz zu der zur Anwendung kommenden Methode: Zu Beginn der Arbeit wurde eine kurze Literaturrecherche im Themenbereich durchgeführt, die sich auf die Auslegung von ungleich geteilten Ventilatoren und die Auswertung von Akustikmessungen in diesem Bereich konzentrierte. Anschliessend wurde mithilfe eines 3D-Scanners ein digitaler Zwilling erstellt. Damit war es möglich, verschiedene Winkelkonfigurationen einfach im CAD zu erstellen und in der Folge additiv auf einem 3D-Drucker herzustellen. In diesem Arbeitsschritt wurde unter anderem auch die Auswuchtung kontrolliert und wo nötig durch zusätzliches Volumen ein Auswuchtgewicht hinzugefügt.

Sobald die Geometrie definiert war, konnte das Modell mit einer Slicer-Software für die additive Fertigung vorbereitet und anschliessend gleich im 3D-Lab der OST in Rapperswil gefertigt werden. Die modifizierten Ventilatoren und Propeller wurden mittels FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) hergestellt.

Die ausgedruckten Propeller wurden anschliessend wieder in die Geräte verbaut, sodass sie ihre Funktion erfüllen können. In einem Akustikmessraum wurden dann zu jeder Variante Tonspuren aufgezeichnet. Mit der Software «BK Connect» von Brüel & Kjaer wurden danach sowohl Schalldruck und Schallleistung, aber auch psychoakustische Grössen wie Lautheit, Schärfe und Rauheit bestimmt.

Die Messungen zeigen, dass mit einer Ungleichteilung verschiedene Grössen der Akustik beeinflusst werden können. So wird zum Beispiel die Lautheit bei einem Raumlüfter bei der Anwendung der Auslegungs-Formel von Mellin und Sovran um 48 Prozent reduziert im Vergleich zu einer gleichverteilten Variante. Bei der Drohne konnte ein modifizierter Propeller die emittierte Schallleistung um 11,5 dB reduzieren.

Es zeigte sich jedoch auch, dass eine Ungleichteilung nicht zwangsläufig zu einer Verbesserung des Schalldrucks oder der Schallleistung führen muss. Teilweise wurden auch höhere Werte gemessen. Gerade im psychoakustischen Bereich lässt sich festhalten, dass eine Verbesserung in einem Wert oftmals eine Verschlechterung in einer anderen Grösse mit sich bringen kann. Bei der Versuchsreihe mit dem Motor konnte keine wesentliche Veränderung festgestellt werden, was darauf zurückzuführen ist, dass der Ventilator dort nur einen sehr geringen Anteil an dem insgesamt emittieren Schallpegel aufweist.

Die Arbeit hat gezeigt, dass es sich bei der Neuentwicklung von Ventilatoren durchaus lohnt, die Möglichkeiten der additiven Fertigung zu nutzen. Es können in verhältnismässig geringer Zeit zu geringen Kosten verschiedene Ausführungen getestet werden. Um die ideale Teilung zu finden, hat sich insbesondere die Formel von Mellin und Sovran bewährt.

Da eine Ungleichteilung nicht zwangsläufig in allen Werten eine Verbesserung mit sich bringt, kann auf diese Weise schnell ein Vergleich zwischen verschiedenen Auslegungen gemacht werden. Auf dieser Basis kann anschliessend unter den verschiedenen Modellen dasjenige ausgewählt werden, das für die definierten Anforderungen die am besten passende Geräuschkulisse bietet.

 

Ein Artikel aus der Technischen Rundschau 4/2021

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Mittels AM akustische Probleme schneller lösen

In einer Arbeit im Rahmen des Maschinentechnik-Studiums an der OST am Campus Rapperswil hat Martin Heldstab unter Betreuung von Professor Hanspeter Gysin die akustischen Auswirkungen einer ungleichen Verteilung der Flügel an Ventilatoren und Propellern untersucht. Dank des Einsatzes von additiver Fertigung in der Produktion von Prototypen konnten in sehr kurzer Zeit verschiedene Ausführungen hergestellt und getestet werden.

Durch das periodische Verhalten von Ventilatoren entsteht bei diesen ein sehr tonales Geräusch mit einem klaren Amplituden-Peak auf der Frequenz der Drehzahl, multipliziert mit der Anzahl Blätter des Ventilators. Mit der Studie sollte deshalb untersucht werden, ob eine Lärmreduktion erreicht werden kann, wenn die Blätter eines Ventilators beziehungsweise Propellers nicht gleichmässig verteilt sind.

Diese Methode ist nicht neu und wird zum Beispiel auch bei einigen Fräsern angewendet: Indem die Winkelabstände zwischen den einzelnen Schneiden nicht gleichmässig gewählt werden, können die bei gleichen Abständen entstehenden Vibrationen reduziert werden.

Für die Versuchsdurchführung wurden drei handelsübliche Produkte mit Ventilatoren oder Propellern verwendet. Die Auswahl fiel dabei auf einen kompakten Raumlüfter, wie er beispielsweise auf Schreibtischen verwendet wird, eine Quadrokopter-Drohne mit Zweiblatt-Propeller und ein Elektrohandwerkzeug, genauer einen Nibbler mit Elektromotor, der auf der Ankerwelle einen Ventilator zur Kühlung des Motors aufweist.

Erst einmal kurz zu der zur Anwendung kommenden Methode: Zu Beginn der Arbeit wurde eine kurze Literaturrecherche im Themenbereich durchgeführt, die sich auf die Auslegung von ungleich geteilten Ventilatoren und die Auswertung von Akustikmessungen in diesem Bereich konzentrierte. Anschliessend wurde mithilfe eines 3D-Scanners ein digitaler Zwilling erstellt. Damit war es möglich, verschiedene Winkelkonfigurationen einfach im CAD zu erstellen und in der Folge additiv auf einem 3D-Drucker herzustellen. In diesem Arbeitsschritt wurde unter anderem auch die Auswuchtung kontrolliert und wo nötig durch zusätzliches Volumen ein Auswuchtgewicht hinzugefügt.

Sobald die Geometrie definiert war, konnte das Modell mit einer Slicer-Software für die additive Fertigung vorbereitet und anschliessend gleich im 3D-Lab der OST in Rapperswil gefertigt werden. Die modifizierten Ventilatoren und Propeller wurden mittels FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) hergestellt.

Die ausgedruckten Propeller wurden anschliessend wieder in die Geräte verbaut, sodass sie ihre Funktion erfüllen können. In einem Akustikmessraum wurden dann zu jeder Variante Tonspuren aufgezeichnet. Mit der Software «BK Connect» von Brüel & Kjaer wurden danach sowohl Schalldruck und Schallleistung, aber auch psychoakustische Grössen wie Lautheit, Schärfe und Rauheit bestimmt.

Die Messungen zeigen, dass mit einer Ungleichteilung verschiedene Grössen der Akustik beeinflusst werden können. So wird zum Beispiel die Lautheit bei einem Raumlüfter bei der Anwendung der Auslegungs-Formel von Mellin und Sovran um 48 Prozent reduziert im Vergleich zu einer gleichverteilten Variante. Bei der Drohne konnte ein modifizierter Propeller die emittierte Schallleistung um 11,5 dB reduzieren.

Es zeigte sich jedoch auch, dass eine Ungleichteilung nicht zwangsläufig zu einer Verbesserung des Schalldrucks oder der Schallleistung führen muss. Teilweise wurden auch höhere Werte gemessen. Gerade im psychoakustischen Bereich lässt sich festhalten, dass eine Verbesserung in einem Wert oftmals eine Verschlechterung in einer anderen Grösse mit sich bringen kann. Bei der Versuchsreihe mit dem Motor konnte keine wesentliche Veränderung festgestellt werden, was darauf zurückzuführen ist, dass der Ventilator dort nur einen sehr geringen Anteil an dem insgesamt emittieren Schallpegel aufweist.

Die Arbeit hat gezeigt, dass es sich bei der Neuentwicklung von Ventilatoren durchaus lohnt, die Möglichkeiten der additiven Fertigung zu nutzen. Es können in verhältnismässig geringer Zeit zu geringen Kosten verschiedene Ausführungen getestet werden. Um die ideale Teilung zu finden, hat sich insbesondere die Formel von Mellin und Sovran bewährt.

Da eine Ungleichteilung nicht zwangsläufig in allen Werten eine Verbesserung mit sich bringt, kann auf diese Weise schnell ein Vergleich zwischen verschiedenen Auslegungen gemacht werden. Auf dieser Basis kann anschliessend unter den verschiedenen Modellen dasjenige ausgewählt werden, das für die definierten Anforderungen die am besten passende Geräuschkulisse bietet.

 

Ein Artikel aus der Technischen Rundschau 4/2021