Der perfekte Sprühstrahl und worauf es ankommt

Graffitisprayer kennen das: Nach längerem Gebrauch versprüht die Spraydose die Farbe anders als zu Beginn – oftmals weniger gut und gezielt, es kleckert und tropft – obwohl die Düse vorne nicht verstopft ist. Dieses Phänomen ist in vielen alltäglichen und chemisch-technischen Anwendungen zu beobachten, wie z.B. bei der Benutzung eines Deosprays, wenn feines Puder zerstäubt wird, Beschichtungen auf Materialien aufgetragen werden oder beim Laserauftragsschweißen, wenn das Metallpulver zum Aufschmelzen auf die zu schweißende Stelle aufgesprüht wird. Doch warum ist das so?

Um den sich verändernden Sprühstrahl nicht nur besser verstehen, sondern auch mathematisch und per Computersimulation exakt vorhersagen zu können, haben sich die ZARM-Wissenschaftler Armin Haghshenas und Rodion Groll den Sprühkopf von Zerstäubern vorgenommen. Genauer gesagt legten sie ihr Augenmerkt auf die Vorgänge im kleinen Röhrchen der Sprühdüse und jenen Moment, wenn die Sprühpartikelchen die Düse verlassen, bevor sie dann als Sprühstrahl auf die anvisierte Oberfläche treffen. Ihre Erkenntnisse wurden nun im Fachjournal „International Journal of Multiphase Flow“ veröffentlicht.

Eine entscheidende Rolle in diesen Zerstäubungsprozessen von partikelbeladenen Rundstrahlströmen spielt den Ergebnissen nach die Wandrauhigkeit des Röhrchens. Solche Wandrauhigkeiten entstehen bei der längeren Nutzung einer Düse, da sich einzelne Partikel im Inneren des Röhrchens absetzen und den austretenden Sprühstrahl in seiner Ausbreitung, Geschwindigkeit und die Konzentration der Partikelchen im Strahl deutlich verändern. Die Simulationen des ZARM-Teams konnten die Wandrauhigkeitseffekte deutlich abbilden. 

Dabei war zu beobachten, dass je größer die Wandrauhigkeit, desto stärker weitete sich der aus der Düse austretende Sprühstrahl auf. Gleichzeitig nahm die Partikelkonzentration auf der Strahlachse des Sprühstrahls ab. Kurzum, die Partikelchen verteilten sich breiter, weniger konzentriert und damit weniger zielgenau.

Die Erkenntnisse aus den Simulationen liefern wichtige Hinweise für die verschiedensten Alltagsanwendungen und technischen Prozesse. Dadurch lässt sich nämlich mathematisch vorhersagen, welche optimale Nutzungsdauer sich für die jeweilige Sprühdüse ergibt und sogar, wie diese Sprühdüse konzipiert sein sollte, um einen effizienten Sprühvorgang zu erzielen – also einen möglichst verlustarmen, ressourcen- und pulversparenden Zerstäubungs-, Beschichtungs-, oder eben Laserauftragsschweißprozess.

Letzterem hat sich das Team in einer zweiten Publikation im „International Journal of Advanced Manufacturing Technology“ ganz konkret zugewandt. Gemeinsam mit Forschenden des Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS) beschreiben die ZARM Wissenschaftler in dem Fachartikel, dass beim Laserauftragsschweißprozess die starke Aufweitung des Partikelstrahls dazu führt, dass bei additiven Fertigungsprozessen viele Partikel verloren gehen. Mit der Fokussierung mehrerer Düsen könnte dieser Effekt kompensiert werden.

Link zur Publikation im „International Journal of Multiphase Flow“:
https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.104245

Link zur Publiation im “International Journal of Advanced Manufacturing Technology”:
https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-022-10186-3