Beschreibung

Verfahren zum Herstellen eines Modells und Halbzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Modells nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein entsprechend vorgefertigtes Halbzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 4.

Im Stand der Technik werden Modelle von Objekten beispielsweise zum Testen von deren aerodynamischen Eigenschaften auf verschiedene Arten hergestellt. In dem fertiggestellten Modell können dann bei Bedarf Hohlräume und Nuten eingefräst werden, in die dann Sensoren, Leitungen oder Bauelemente eingebaut werden, um bei einer Versuchsdurchführung mit dem Modell lokale Parameter erfassen zu können.

Eine Art der Herstellung von Modellen ist die Stereolithographie. Bei der Stereolithographie befindet sich in einem Behälter, der mit flüssigem Photokunststoff gefüllt ist, eine höhenverstellbare Bauplattform, welche sich zu Beginn des Bauprozesses in einem kleinen Abstand von z.B. 0,1 mm unter der Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels des Photokunststoffs befindet. Ein Laserstrahl bestreicht nun die Oberfläche der Flüssigkeit über die Fläche, die dem Querschnitt des zu bauenden Modells entspricht, und härtet diese aus. Damit entsteht eine erste Schicht des zu bauenden Modells. Danach senkt sich die Plattform etwas ab, z.B. um 0,1 mm, und die Bildung der nächsten Schicht des Modells kann wiederum durch Bestrahlung mit einem Laser vorgenommen werden. Nach Abschluss des Belichtungsprozesses wird das Modell nachgehärtet und endbearbeitet.

Ein Nachteil beim Stand der Technik besteht darin, dass es bei der klassischen Modellherstellung oft sehr aufwendig ist, nachträglich Einbauelemente in die Modelle zu integrieren, da dazu Hohlräume und Nuten in dem Modell eingearbeitet werden müssen. Dadurch wird aber oft die Festigkeit und Stabilität der Modelle beeinträchtigt. Insbesondere ist es bei der Stereolithographie von Nachteil, dass das Ausgangsmaterial flüssiger Kunststoff ist, der auch nach der Aushärtung durch (UV-) Licht nur eine geringe Festigkeit aufweist und daher nur beschränkt belastet werden kann. Außerdem verlieren die stereolithographisch hergestellten Teile mit zunehmendem Alter ihre Maßhaltigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Modelle mit komplexen Einbauelementen einfach hergestellt und deren Maßhaltigkeit verbessert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. das Halbzeug nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht darauf, dass aus den in dem Modell zu implantierenden Bauteilen wie Sensoren und/oder stabilisierende Strukturen zu Beginn ein "Baum" oder "Geflecht" gebaut wird. Diese Sensoren und/oder stabilisierenden Strukturen werden anschließend in dem Kunststoffbad bei der Stereolithographie in dem entstehenden Modell mit eingearbeitet. Bei diesen Bauteilen kann sich um pneumatische Röhrchen, elektrische Drähte, Sensoren (für Temperatur, Wärmestrom, Druck, Induktionsspulen, Dehnmessstreifen ...), Heizelemente und Leuchtelemente oder um mechanische Stabilisierungen ("Bewehrung") und deren Anbindungen (Befestigungspunkte) handeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Modells insbesondere für die Durchführung von Messungen unter ähnlichkeitsbedingungen, das wenigstens ein Einbauelement aufweist, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Bades aus einem lichtaushärtenden Material, - Aushärten des lichtaushärtenden Materials auf einer vorgegebenen Fläche über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge, so dass sich eine feste Schicht aus Kunststoff über der Trägerplatte bildet, - wiederholtes Absenken der Trägerplatte in dem Bad und Aushärten des Materials mit Licht, bis das Modell, das sich aus den einzelnen Schichten zusammensetzt, fertiggestellt ist, - Nachbearbeiten des Modells zum Erzeugen des wenigstens einen Einbauelements, ist gekennzeichnet durch Montieren eines Gestells mit dem wenigstens einen Einbauelement auf der Trägerplatte zu Beginn des Verfahrens, so dass es den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft.

Insbesondere weist das Verfahren eines oder - soweit dieses technisch möglich und vorteilhaft ist - mehrere der folgenden Merkmale: das lichtaushärtende Material ist ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs und insbesondere lichtaushärtendes Harz;

Nachbearbeiten der Oberfläche des Modells insbesondere durch spanabhebende

Bearbeitung, Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen und/oder Polieren.

Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Halbzeug zum Herstellen eines Modells insbesondere für die Durchführung von Messungen unter ähnlichkeitsbedingungen, das wenigstens ein Einbauelement aufweist, aus einem Bad aus einem lichtaushärtenden Material, wobei das lichtaushärtende Material auf einer vorgegebenen Fläche über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte

mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgehärtet ist zu einer festen Schicht aus Kunststoff über der Trägerplatte, gekennzeichnet durch ein Gestell, das wenigstens einen Sockel und wenigstens einen Stützaufbau umfasst, an dem das wenigstens eine Einbauelement befestigt ist, wobei das Gestell auf der Trägerplatte montiert ist, so dass es den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft.

Insbesondere ist der Stützaufbau aus einem Material gefertigt, durch das ein an dem Stützaufbau befestigter Sensor nicht beeinträchtigt wird. So wird der Stützaufbau bei elektrischen Sensoren vorzugsweise aus nichtleitenden Kunststoffträgern gefertigt. Spielt die elektrische Leitfähigkeit des Stützaufbaus keine Rolle, wird der Stützaufbau vorzugsweise aus Metalldraht gefertigt, da sich dieses am leichtesten Bearbeiten und in die gewünschte Form bringen lässt.

Die Erfindung bietet u.a. die folgenden Vorteile: Bei der Bauweise nach dem hier angegebenen Verfahren sind ganz neue Anwendungen möglich. Einmal können Modelle, die mit der Technik des "Rapid Prototyping" hergestellt werden, schon bei ihrer Entstehung mit Messtechnik ausgestattet werden. Weiterhin können die Modelle fester, maßhaltiger (definierte metallische Befestigungspunkte) und dauerhafter hergestellt werden, wenn mechanische Stabilisierungen ("Bewehrung") eingebaut werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügt Zeichnung.

Fig. 1 zeigt ein Modell mit einem Einbauelement in Seitenansicht als ein Beispiel für den Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Halterungsgestell mit zwei Einbauelementen.

Fig. 3 zeigt schematisch und teilweise perspektivisch ein Zwischenergebnis bei der Herstellung eines Modells nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.

In Fig. 1 ist als ein Beispiel ein Modell 1 eines Flugzeugs gezeigt, das für einen Versuch in einem (nicht dargestellten) Windkanal präpariert ist. Derartige Modelle werden vorwiegend für Untersuchungen unter ähnlichkeitsbedingungen verwendet, d.h. für Versuche, bei denen

die physikalischen Eigenschaften um einen bestimmten Faktor reduziert den Eigenschaften des modellierten Objektes entsprechen. Das Modell 1 nach Fig. 1 weist ein Einbauelement 2 auf, das aus einem Drucksensor 3 für den Druck "p" und einem Prandtl- Rohr 4 besteht. Mit dem Prandtl-Rohr 4 wird der Staudruck an dieser Stelle des Modells 1 in dem Windkanal gemessen und mit dem Drucksensor 3 erfasst. Um die Strömung bei der Messung mit dem Modell 1 im Windkanal so wenig wie möglich durch Messgeräte zu beeinflussen, ist der Drucksensor 3 in dem Modell integriert.

Das Modell wird aus einem lichtaushärtenden Material hergestellt und kann gegebenenfalls wenigstens teilweise mit einer (nicht gezeigten) Metallisierung bedeckt sein. Das lichtaushärtende Material ist dabei ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs und insbesondere lichthärtendes Harz. Ein solches Modell kann mit geringem Aufwand und kostengünstig stereolithographisch hergestellt werden, indem die Oberfläche eines Bades aus flüssigem, lichtaushärtendem Kunststoff mit einer Lichtquelle (Laser) bestrahlt wird, so dass sich an der Oberfläche des flüssigen Kunststoffs jeweils eine dünne ausgehärtete Schicht bildet, die zwischen 1 μm und 50 μm dick ist. Nach jeder Schicht wird das Werkstück etwas abgesenkt, so dass sich auf seiner Oberfläche wieder flüssiger Kunststoff sammeln kann, der dann wiederum in derselben Art und Weise ausgehärtet wird wie oben. Auf diese Art entsteht nach und nach ein dreidimensionales Modell aus einem Bad mit flüssigem, lichtaushärtendem Kunststoff.

Der Einbau von Elementen 2 wie Drucksensor 3 und Staudruckrohr 4 erfordert nach dem Stand der Technik eine aufwendige Nachbearbeitung des fertigen Modells. Bei der Nachbearbeitung werden beispielsweise entsprechende Hohlräume in dem Modell gefertigt, in denen anschließend Elemente eingebaut werden können. Beispiele für derartige Einbauelemente sind ein Drucksensor 3 oder Röhrchen, mit denen ein Luftaustausch zwischen zwei voneinander beabstandeten Stellen am Modell ermöglicht werden soll. Ein weiteres Beispiel ist das Einsetzen von Metallstreifen an einer Kante, mit denen sichergestellt werden soll, dass die so erzeugte Kante möglichst maßhaltig ist, d.h. entsprechend der konstruktiven Anforderung dünn, mechanisch belastbar und dauerhaft ist, so dass die Kante am Modell realistische aero- und hydrodynamischen Eigenschaften hat, die man am eigentlichen Objekt untersuchen möchte. Beispielsweise kann es sich dabei um die Abrisskante an einem Flügel bei dem Modell eines Flugzeugs handeln. Mit einem Metallstreifen lässt sich ein kleinerer Krümmungsradius herstellen, als dies bei einem nur aus Kunststoff hergestellten Modell möglich wäre.

Erfindungsgemäß werden dagegen alle in dem Modell zu integrierenden Einbauelemente vor der eigentlichen Herstellung des Modells jeweils an einem (Stütz-) Gestell befestigt, so dass

ihre relative Position zueinander bereits derjenigen relativen Position entspricht, die die Einbauelemente nach der Fertigstellung in dem Modell einnehmen. Das Gestell dient also zur Halterung und Fixierung der Einbauelemente über den gesamten Herstellungsprozess hinweg. Das Stützgestell ist dabei vorzugsweise aus einem Material hergestellt, durch das beispielsweise am Gestell befestigte Sensoren später im Modell in ihrer Funktion nicht gestört werden können. So kann das Stützgestell aus nicht leitendem Kunststoff, Keramik, Glas oder Kohlfaserstrukturen hergestellt sein, wenn die Sensoren elektrische Größen im späteren Modell erfassen sollen. Wenn es nur auf die Formgebung ankommt, eine spätere Beeinträchtigung von Sensoren im Modell aber nicht zu befürchten ist, so kann das Stützgestell auch aus Metalldrähten hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert, wobei der Einfachheit halber wiederum von einem Drucksensor mit Prandtl-Rohr ausgegangen wird. Die Einbauelemente Drucksensor 3 und Prandtl-Rohr 4 werden erfindungsgemäß an einem Gestell 5 aufgehängt, das alle Herstellungsschritte des gesamten Herstellungsprozesses des Modells mit durchläuft. Dazu werden der Drucksensor 3 sowie das Prandtl- Rohr 4 jeweils über einen Stützaufbau 7 (aus einem oder gegebenenfalls mehreren Drähten) an einem Gestellsockel 6 befestigt. Bei mehreren Einbauelementen ergibt sich auf diese Art ein Gebilde in der Art eines "Baumes" mit mehreren ästen, an denen die jeweiligen Elemente befestigt sind, wobei aus Stabilitätsgründen auch mehrere äste ein und dasselbe Einbauelement halten können.

Das Verfahren zur Herstellung des Modells 1 mit Einbauelementen wird im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert. In Fig. 3 ist bereits ein Teil des Modells 1 fertiggestellt und befindet sich in einem Bassin 8 mit dem flüssigen, lichtaushärtenden Kunststoff 9. Der bereits ausgehärtete Teil des Modells wird von der Trägerplatte 10 gehalten, die sich - wie durch einen Doppelpfeil angedeutet - in vertikaler Richtung bewegen kann, d.h. das Modell in dem Bad im Bassin 8 absenken oder anheben kann. Die Flüssigkeitsschicht über dem Modell wird jeweils mit Licht 1 1 einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, die dafür geeignet ist, die Moleküle des Materials 9 in dem Bassin 8 zu vernetzen. Zur Beschleunigung des Prozesses wird das Licht 11 in einer Sammellinse 12 gebündelt und auf die Oberfläche gerichtet. Damit erhält man einen Lichtstrahl, der an der Flüssigkeitsoberfläche einen im Vergleich mit dem Durchmesser vor der Linse 12 kleineren Durchmesser aufweist, aber eine entsprechend höhere Intensität aufweist, die ausreicht, um das lichtaushärtende Material zu verfestigen. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass statt eines Lasers mit einer Sammellinse 12 auch zwei Laser eingesetzt werden können, deren beide Lichtstrahlen sich in Hohe der Oberfläche des lichtaushärtenden Materials kreuzen, so dass sich in diesem Punkt die erforderliche Strahlungsintensität ergibt.

Mit einer (nicht dargestellten) verfahrbaren Abbildungsoptik kann der Lichtfleck über eine gewünschte Bearbeitungsfläche geführt werden und so eine Schicht des Modells hergestellt werden, die exakt den Abmessungen des Querschnitts durch das Modell an dieser Stelle entspricht. Die Verfahrbarkeit des Lichtstrahls ist mit den beiden Doppelpfeilen oben in Fig. 3 angedeutet. Wenn man nach jedem Aushärten einer Schicht das Model tiefer in das Bassin 8 absenkt, so ergeben sich nach und nach alle Schichten 14 des Modells, die in dem fertigen Modell 1 übereinander oder nebeneinander liegen. Die Dicke und die stufenförmige Beschaffenheit der Schichten 14 in Fig. 3 ist aus Gründen der Verständlichkeit übertrieben dargestellt, in der Praxis ist die Oberfläche des Modells, nachdem es dem Bad 9 entnommen wurde, im wesentlichen bereits glatt.

Bei einem Modell mit mehreren Einbauelementen wird vor der eigentlichen Stereolithographie zunächst das erfindungsgemäße Gestell 5 mit den daran befestigten Elementen auf einer höhenverstellbaren Trägerplattform 10 für die Stereolithographie aufgebaut. Hier sind dies der Drucksensor 3 und das Prandtl-Rohr 4. Um das Gestell 5 mit den daran befestigten Elementen herum werden nun, wie oben beschrieben, Schritt für Schritt die einzelnen Schichten 14 des Modells 1 in dem Bad 8, 9 erzeugt. Am Ende des Herstellungsprozesses hat man ein komplexes Modell, in dem die verschiedenen Elemente integriert sind, u.a. Drucksensor 3 und Prandtl-Rohr 4, wobei die äußere Form des Modells noch Stufen zwischen den einzelnen Modellschichten 14 aufweist.

Das Verfahren zum Herstellen des Modells 1 mit wenigstens einem Einbauelement 2 umfasst also im wesentlichen die folgenden Schritte: Es wird ein Bad aus einem lichtaushärtenden Material 9 bereitgestellt. Das lichtaushärtende Material 9 wird auf einer vorgegebenen Fläche 13 über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte 10 mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgehärtet, so dass sich eine feste Schicht 14 aus Kunststoff über der Trägerplatte 10 bildet.

Durch wiederholtes Absenken der Trägerplatte 10 in dem Bad und Aushärten des Materials mit Licht erhält man letztendlich das sich aus den einzelnen Schichten zusammensetzende Modell. Daran schließt sich eine Nachbearbeitung des Modells an.

Dabei wird erfindungsgemäß ein Gestell 5 mit dem wenigstens einen Einbauelement 2 auf der Trägerplatte 10 zu Beginn des Verfahrens positioniert, so dass das Gestell mit den daran hängenden Einbaielementen 2 den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft.

Das Zwischenergebnis ist ein Halbzeug (Vorprodukt) mit wenigstens einem Einbauelement 2, das aus einem Bad aus einem lichtaushärtenden Material 9 hergestellt wurde. Dieses Halbzeug weist ein Gestell 5 auf, das wenigstens einen Sockel 6 und wenigstens einen Stützaufbau 7 umfasst. An dem Stützaufbau 7 ist das wenigstens eine Einbauelement 2 befestigt, wobei das Gestell 5 selbst wiederum auf der Trägerplatte 10 montiert ist, mit der das Modell bei seiner Herstellung in dem Bad nach oben und unten gefahren wird. Das Gestellt 5 durchläuft somit den ganzen Herstellungsprozess des Modells.

Nachdem das Modell aus dem Bad entnommen wurde, kann seine Oberfläche nachbearbeitet werden, beispielsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung, Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen und/oder Polieren, so dass es am Ende eine glatte Oberfläche mit der Kontur 15 in Fig. 3 erhält.

Darüber hinaus können dabei auch eventuell überstehende Gestellreste entfernt werden. So müssen natürlich die Stützdrähte 7 samt Gestellsockel 6 nach Abschluss der Arbeiten zur Herstellung des Modells sauber entfernt werden. Dies ist jedoch sehr viel einfacher, als in einem bereits fertiggestellten Modell Durchführungen und Hohlräume zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Technik eignet sich insbesondere für die Durchführung von Messungen unter ähnlichkeitsbedingungen. Dabei ist darauf zu achten, dass die zu integrierenden Bauelement nicht sehr groß sind, weil sonst zu große Schattengebiete entstehen, die schwierig für die Stereolithographie sind.

Bezugszeichenliste

1 Modell

2 Einbauelement: Sensor, Röhrchen, elektrische Verbindung (Draht)

3 Drucksensor

4 Prandtl-Rohr

5 Gestell mit Einbauelement

6 Gestellsockel

7 Stützaufbau

8 Bassin

9 lichtaushärtendes Material

10 Stereolithographie-Trägerplatte

1 1 Aushärtungslicht mit vorgegebener Wellenlänge

12 Sammellinse

13 Bearbeitungsoberfläche

14 Modellschicht

15 Kontur von Modell nach Schleifen