AT503479A1 - Selektiv schallabsorbierendes werkstück und das verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Description

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Selektiv schallabsorbierendes Werkstück und das Verfahren zu dessen

Herstellung

Patentanmeldung von Simon Ickinger Technischs Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein selektiv schallabsorbierendes Werkstück und dessen Verfahren zur Herstellung, bestehend aus einer mit abgezählten und geometrisch definierten mikro- und makroskopischen Einheitsgeometrien komponierten, reproduzierbaren und selektiv schallabsorbierenden Struktur, das -wahlweise mit einem formgebenden, soliden, und mindestens einseitig offenen Gehäuse mit Befestigungsmechanismen kompakt ausgeführt- in einem Arbeitsschritt mit einem additiven Aufbauverfahren, wie beispielsweise das Rapid Prototyping Verfahren, hergestellt wird.

Stand der Technik

Es gibt sehr viele Anwendung, wo Materialien mit schallabsorbierenden und schalldämmenden Eigenschaften verwendet werden. Ob beispielsweise im Auto, im Flugzeug, in Innenräumen oder in vielen anderen Anwendungen, bei denen eine Schallreduktion erwünscht ist, sind Materialien mit guten akustischen Eigenschaften sehr wichtig.

Oftmals ist es interessant ein Material mit guter Schallabsorption in bestimmten, für die Anwendung notwendigen Frequenzbereichen, zur Verfügung zu habe. Von Vorteil ist es ebenso, wenn dies mit möglichst kleinen Abmessungen und mit wenig Gewicht erreicht werden kann. Viele schallabsorbierenden Anwendungen werden als Mehrkomponenten ausgeführt, wobei jede Komponente unterschiedliche frequenzabhängige Absorptionskoeffizienten hat, um eine gewünschten Gesamteigenschaften zu erzielen. Ein Verfahren zum Voraussagen von akustischen Eigenschaften und dem Zusammensetzen von mehreren porösen Komponenten, um eine spezielle akustische Eigenschaft zu erhalten wird in (US 6,256,600) detailliert beschrieben. 1 Μ Μ • · · · · • · · · · • · · · · • · · · · ·· ·· Μ ·· t · • · • » ·· ·· ·· #· • · · • · · ···· ··

In (US 20030011091) wird ein geformtes Material mit guten schallabsorbierenden Eigenschaften beschrieben, dass durch hinzufügen von Harzpartikeln zur Hohlraumbildung eine bestimmte statistische Porosität erfahrt, und somit ein sehr breites FYequenzspektrum absorbieren kann. (US 5989473) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Compounds aus einem porösen Körper und einer soliden Oberfläche. Es wird erwähnt, dass der poröse Körper mittels Rapid Prototyping hergestellt werden kann.

Technische Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Werkstück für akustische Anwendungen mit Hilfe eines additiven Aufbauverfahren, wie beispielsweise das Rapid Prototyping Verfahren herzustellen. Die geometrische Form, die Absorptionseigenschaften, die Dämmungseigenschaften und zusätzliche Funktionen wie Befestigungsmechanismen werden individuell an die jeweilige Anwendung angepasst und optimiert, und in einem Herstellungsschritt gemeinsam produziert.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung: • Selektive Schallabsorption des Werkstückes in Abhängigkeit der Frequenz und des Schalleinfallwinkels. • In Bezug auf die Werkstückoberfläche können die Absorptionseigenschaften lokal gezielt variiert werden. • Anpassung jedes einzelnen Werkstückes an akustische, baumassnahmliche und anwendungsabhängige Randbedingungen • Das Werkstück ist mikro- und makroskopisch reproduzierbar. • Schallabsorbierende Struktur, Gehäuse, Montageteile, etc. sind in einem Stück ausgeführt. 2 ·· ·· • · · « • · · « ·» «* ·· • · ·· • • · • · • · • • · • ·· • • · • • · • • · • • t ·· ···· ·· • Dichtungen oder ähnliches zwischen Absorptionsmaterial und Gehäuse sind nicht notwendig. • Gewichtsreduktion des Werkstückes durch das Reduzieren der schallabsorbierenden Strukturen auf notwendige Frequenzbereiche, die für die Anwendung relevant sind. • Bewegliche Teile, Klebungen, Verschraubungen oder ähnliche verbindende Mechanismen entfallen. • Die reproduzierbare Herstellung der mikro- und makroskopischen Einheitsgeometrie kann zur Entwicklung von Materialmodellen von porösen und/oder dämmenden Materialien genützt werden. • Das Verfahren kann sehr gut zur Erstellung von Prototypen bei der Entwicklung und Auslegung von akustischen Materialien für die Serienproduktion verwendet werden.

Erfindung, wie in den Patentansprüchen gekennzeichnet

Anspruch 1 und 2 erklären das Prinzip der vorliegenden Erfindung. Die Ansprüche 3 bis 5 gehen auf die Variation des Gehäuses und der schallabsorbierenden Struktur ein. Anspruch 6 nennt die Mögüchkeit der Steuerung der akustischen Eigenschaft in Abhängigkeit des Schalleinfallwinkels. Anspruch 7 beschreiben die Möglichkeit der flächenmässigen Auslegung des Werkstückes bezüglich der akustischen Eigenschaften. Die Ansprüche 8 bis 13 beschreiben die geometrische Formen, die in der schallabsorbierenden Struktur Vorkommen können, um die erwünschte Absorptionseigenschaften zu erzielen. Anspruch 14 geht auf die Oberflächhenbeschaffenheiten der Strukturen ein. Die Ansprüche 15 bis 17 gehen auf die Designfindung der Einheitsgeometrien ein. Die Ansprüche 18 und 19 zeigen die Möglichkeit der Materialvariation in Abhängigkeit der Tiefe und Fläche auf. Die Ansprüche 20 und 21 nennen die Möglichkeit, 3 ·♦ ·· »· ·· • · ♦ ♦ · · • φ · • · ♦ • · · φ • · φ φ • · · · • · · · ·· »· *· • · φ φ • · • · · • · · ΦΦ·Φ ·· ·» ·· ♦ + vorliegende Erfindung bei der Entwicklung von Materialmodellen und von Prototypen zu nützen.

Anspruch 22 beschreibt das Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes mit 6 Schritten (a bis f). Die Ansprüche 23 bis 26 gehen auf die akustischen Randbedingungen des Verfahrensschrittes (a) von Anspruch 22 ein. Die Ansprüche 27 bis 29 beschreiben die Möglichkeit einer Implementierung der schallabsorbierenden Struktur in eine übergeordnete Bauteilgeometrie mit verschiedenen Funktionen. Anspruch 30 zählt die Messmethoden des Verfahrensschrittes (e) von Anspruch 22 auf. Die Ansprüche 31 bis 33 gehen auf die Designfindung der Einheitsgeometrien ein. Anspruch 34 geht auf die Verwertung (f) der Daten aus dem vorliegenden Verfahren ein. Die Ansprüche 35 und 36 nennen die Möglichkeit, das vorliegende Verfahren bei der Entwicklung von Materialmodellen und von Prototypen zu nützen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 Selektiv schallabsorbierendes Werkstück mit einem soliden nach oben offenen Gehäuse (3a), mit einer soliden Dämmschicht (3b) an der Unterseite, zwei unterschiedlich schallabsorbierenden Strukturen (la, lb), bestehend aus mehreren Ein-heitsgeometrien und mit zwei eingearbeiteten lochförmigen Ausnehmungen (2) zur Befestigung; Fig. 2 Selektiv schallabsorbierendes Werkstück mit schematischer Anordnung verschiedener Einheitsgeometrien mit unterschiedlichen Größen (4a, 4b, 4c), ohne Gehäuse und ohne Befestigungsmechanismus; Fig. 3 Seitenansicht eines selektiv schallabsorbierendes Werkstückes, wobei die Einheitsgeometrien an der Oberfläche so ausgelegt sind, dass sich für unterschiedliche Schallwelleneinfallswinkel gezielt unterschiedliche Absorptionseigenschaften ergeben; Fig. 4 Dreidimenensionale Zellen; Fig. 5 Kanalstruktur; Fig. 6 Grundflächen der Mantelfläche der Kanäle. Fig. 4 Dreidimenensionale Zellen; Fig. 5 Kanalstruktur; Fig. 6 Grundflächen der Mantelfläche der Kanäle; Fig. 7 Filamente 0°/90° Winkel; Fig. 8 Filamente 0°/45°/90° Winkel; 4

Fig. 9 Flussdiagramm zum Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes.

Bezugszeichenaufstellung la Selektiv schallabsorbierenden Struktur; lb Selektiv schallabsorbierenden Struktur mit einer anderen Absorptionseigenschaften als la; 2 Eingearbeitete lochförmi-ge Ausnehmungen zur Befestigung; 3a Solides Gehäuse; 3b Solide Dämmschicht an der Unterseite; 4a Einheitsgeometrie an der schallseitigen Oberfläche; 4b Einheitsgeometrien die mit 4a und 4c verbunden sind; 4c Einheitsgeometrien mit kleinen Abmessungen; 5a Schallwelleneinfallswinkel von 45° auf das selektiv schallabsorbierende Werkstück mit Absorptionseigenschaften au in Abhängigkeit der Frequenz; 5b Schallwelleneinfallswinkel normal auf das selektiv schallabsorbierende Werkstück mit Absorptionseigenschaften a2 in Abhängigkeit der Frequenz; 6 Tetraeder; 7 Kante; 8 3 seitiges Prisma; 9 Würfel; 10 Mehrseitiges Prisma; 11 Oktaeder; 12 Rhombischer Dodektaeder; 13 pentagonaler Dodektaeder; 14 Tetrakaidektaeder; 15 Ikosaeder; 16 Schichtweise aufgebautes Material; 17 Kanal; 18 Achsenlinie des Kanals mit Richtungsänderungen; 19 Erzeugende der Mantelfläche; 20 Hohlraum; 21 Einmündung von der gesamten Struktur in den Hohlraum; 22 Kreis; 23 Ellipse; 24 Viereck; 25 Vieleck; 26 Sternform; 27 Spiralform; 28 Filament mit bestimmten Durchmesser, Länge und Abstand zu anderen Filamenten; 29 Unterschiedliche Winkel zwischen den Filamentschichten.

Bezugszeichenaufstellung des Flussdiagrammes (Fig. 9) a Akustische Vorgabe; b Auswahl der Art, Anzahl, Kombination der Einheitsgeometrien für die Erfüllung akustischer Parameter; c Zusammensetzen der Einheitsgeometrien und Einbettung in übergeordnete Werkstückgeometrie; d Herstellung mittels Rapid Prototyping; e Messung von physikalischen Eigenschaften; f Neuronales Netzwerk bzw. Modellbildung; g Datenbank mit Einheits- bzw. Gesamtgeometrien 5 und Messergebnissen; I Schallsituation aus CAD Simulation; II Bauteil Dämmung; III Bauteil Geometrie; IV Bauteil Befestigungen. 6

Ausführliche Beschreibung

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der Figuren detailliert beschrieben.

Ausführungen

In Fig. 1 ist ein Beispiel für ein Werkstück im Sinne der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es besteht aus einem formgebenden Gehäuse (3a, 3b), dass zumindest auf einer Seite offen ausgeführt ist, vorzugsweise auf der schallseitigen Seite. Das Gehäuse kann in seiner Form und Wanddicke je nach Art der Anwendung ausgeführt sein. So ist es beispielsweise möglich, durch die gezielte örtliche Variation der Dicke (3b) an akustisch sinnvollen Stellen, eine schalldämmende Wirkung zu erzielen. Dadurch kann, im Vergleich zu Baugruppen mit Schalldämmmaterial konstanter Dicke und gleichen Dämmeigenschaften, eine Gewichtsreduzierung erreichet werden.

In dem Gehäuse ist eine selektiv schallabsorbierende Struktur (la, lb) eingearbeitet. Ebenfalls können funktionelle Mechanismen in das Werkstück eingearbeitet sein. In Fig. 1 sind diese als Befestigungsmechanismus (2) in Form von lochförmiger Ausnehmungen ausgeführt. Es sind natürlich auf andere Arten denkbar, wie beispielsweise Schnapper, Nuten, Ausnehmungen, etc.

Das Werkstück wird kompakt und gemeinsam mit besagten Komponenten schichtweise (16) hergestellt. Dies kann beispielsweise mit einem additiven Aufbauverfahren, wie das Rapid Prototyping Verfahren erfolgen. Somit ist das Werkstück reproduzierbar, und besteht aus gezielt konstruierten und abgezählten Strukturen bzw. Geometrien.

Die besondere Funktion des Werkstückes liegt an dessen schallabsorbierenden Eigenschaften, die je nach Art der Anwendung gezielt ausgelegt werden. Ermöglicht wird diese flexible akustische Anpassung durch die genannte schallabsorbierende Struktur (la, lb). Sie besteht aus abgezählten und geometrisch definierten mikro- und makroskopischen Einheitsgeometrien, die gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche in geometrischer Form, Anzahl, 7 • · • · • · • · • · • · • · • · • ·

Oberflächenbeschaffenheit und Lage (4a, 4b,4c) in der Struktur ausgeführt sind.

Das Werkstück kann natürlich auch ohne Gehäuse, nur mit der schallabsorbierenden Struktur ausgeführt sein. Dies ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.

Akustische Eigenschaften

Die schallabsorbierende Struktur kann so ausgeführt sein, dass sie eine vorher bestimmte luftschallsdämpfende Eigenschaft (Absorptionskoefflzent) in Abhängigkeit der Frequenz aufweist. Die Auswahl und Zusammensetzung der Einheitsgeometrien soll so gewählt werden, dass nur die Frequenzbänder absorbiert werden, die für die Anwendung sinnvoll ist. Somit kann zum einen Gewicht der schallabsorbierenden Bauteile gespart werden, zum anderen ist es möglich ein charakteristisches Klangbild des Werkstückes zu erhalten. In der Psychoakustik ist bekannt, dass manche Frequenzbänder für den Menschen für spezielle Anwendungen gut klingen, andere jedoch sehr unangenehm oder untypisch klingen. Durch das selektive Schallabsorbtionsvermögen der Struktur ist es somit möglich ein bestimmtes Klangbild zu erzeugen.

Eine weiterer Vorteil, der mit der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann, ist die selektive Schallabsorption in Abhängigkeit des Schalleinfallwinkels (5a, 5b). Es ist bekannt, dass das Schallabsorptionsvermögen von akustischen Materialien oft unterschiedlich in Abhängigkeit des Einfallwinkels ist. Durch die gezielte und exakte Auslegung der Einheitsgeometrien mit speziellen Einmündungswinkel in der Nähe der Oberfläche (4a), ist es somit möglich dieses Verhalten für die jeweilige Anwendung zu optimieren.

Durch die Möglichkeit der gezielten Anordnung der Einheitsgeomeomtrien an der Oberfläche und im Werkstück, ist es möglich in Bezug auf die Werkstückoberfläche variierende akustische Eigenschaften zu erzielen. In Fig. 1 ist dies mit zwei unterschiedlichen Bereichen (la) und (lb) schematisch dargestellt. Die schallabsorbierenden Eigenschaften können beispielsweise lokal in Abhängigkeit der Frequenz oder in Abhängigkeit des Winkels (5a, 5b) variieren. 8

Einheitsgeometrien

Aus folgenden Einheitsgeometrien kann sich die schalldämpfende Struktur zusammensetzen, wobei diese gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgeführt werden:

Fig. 4 zeigt dreidimensionale Zellen wie einen Tetraeder (6), 3 seitiges Prisma (8), Würfel (9), ein mehrseitiges Prisma (10), Oktaeder (11), Rhombischer Dodekta-eder (12), pentagonaler Dodektaeder (13), Tetrakaidektaeder (14), Ikosaeder (15). Die genannten Zellen können in ihrer Kantenlänge (7), bzw. Kantendurchmesser variieren. Ausserdem können die Zellen so konstruiert sein, dass eine oder mehrere Seitenflär chen zu oder offen ausgeführt sind, um so eine gezielte Umlenkung des Luftstromes zu erreichen.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Kanalstruktur (17), die in das schichtweise Aufgebrachte Material (16) eingearbeitet sind. Diese sind so ausgelegt, dass eine gewisse Schallabsorption auftritt. Die Kanäle können in ihren Achsenlinien (18) wahlweise Richtungsänderungen aufweisen, ausserdem können die Grundflächen der Erzeugenden der Mantelfläche (19) in Größe und Form variieren. Diese Formen können beispielsweise ineinander übergehen. In Fig. 6 sind die Grundflächen der Erzeugenden der Mantelfläche (19) wie ein Kreis (22), eine Ellipse (23), ein Viereck (24), ein Vieleck (25), ein Weihnachtsstem (26) und eine Spirale (27) dargestellt. Diese Grundflächen können sich in Abhängigkeit der Achsenlinie auch drehen, sodass sich eine Spiralform ergibt. Weiters können die Achsenlinien so eingearbeitet werden, dass sich Formen die einer Helix, einer Doppelhelix, einer Schraubenform, einer Schneckenform, oder einer Wendelfläche ergeben. Um enge Frequenzbänder dämpfen zu können, können auch sogenannte Helmholtz-Resonatoren in die schallabsorbierende Struktur eingearbeitet werden. Fig. 5 zeigt mit (20) einen Hohlraum, und mit (21) dessen Einmündung in die schalldämpfende Struktur. Durch Variation dieser beiden Formen, können spezielle Frequenzbänder gezielt gedämpft werden.

Fig. 7 stellt eine mögliche Filamentstruktur dar. Die Filamente (28) können sich 9 in ihren Durchmessern, Abständen, und Längen unterscheiden. Ausserdem können ihre Winkel zueinander variieren, wie in Fig. 8 als 0°/45o/90° Lage (29) dargestellt ist.

Herstellverfahren

Das Rapid Prototyping Verfahren wird in vielen Bereichen genützt. Beispielsweise in der Herstellung von Mikrofiltem, Mikrokatalysatoren werden Miniaturgerüste im Mikrometerbereich verwirklicht.

Somit kann diese Technologie genützt werden, um vorher genannte Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) im Milli- und Mikrometerbereich herzustellen. Ebenso können gezielte Variationen der Oberflächenbeschaffenheit und eine vorbestimmte Mikroporosität der erwähnten Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) erreicht werden.

Durch den raschen Vorschritt in der Rapid Prototyping Industrie, wird es voraussichtlich bald möglich sein, dass schichtweise und / oder flächenweise unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Diese Möglichkeit würde eine weiter Verbesserung der vorliegenden Erfindung bedeuten, da so Wärmeleitfähigkeiten, Elastizitäts-moduli, Querkontraktionszahlen und Verlustmoduli gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche und /oder Oberflächeneigenschaften ausgeführt werden können.

Eine schon bekannte Technologie ist das schichtweise und / oder flächenweise Hinzufügen von Micro- bzw. Nanopulver. Hiermit können unterschiedliche Festigkeiten und Oberflächenbeschaffenheiten erreicht werden, die gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgewählt sein können.

Designfindung der Einheitsgeometrie

Es gibt sehr viele verschiedene Materialien, die schalldämpfende, also absorbierende Eigenschaften haben. Dies sind beispielsweise Kork, Balsa, Korallen, Substan-tia spongiosa, Tintenfischknochen, Schwertlilienblättem, Schwämmen, Polyurethanschäume, Filz und Wolle. Diese bestehen aus ungezählten Strukuren wie Zellen, 10

Hohlräume, Kanäle, Filamente und Blasen. Dadurch ergeben sich ihre akustischen Eigenschaften. Viele dieser Materialien haben je nach ihrer Struktur charakteristische Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit der Frequenz. Aus physikalischer bzw. werkstofftechnischer Sicht haben folgende Eigenschaften Einfluß auf die akustischen Eigenschaften: Strömungswiderstand, Tortuosität, Porosität, geometrischer Steifigkeit, viskoser Länge, Wärmeleitfähigkeiten, Elastizitätsmodul!, Querkontraktionszahlen, Verlustmoduli, Oberflächenbeschaffenheiten, Mikroporositäten, Scharfkantigkeiten der Materials.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, mit Hilfe des Hapid Prototyping Verfahrens reproduzierbare, gezählte Einheitsgeometrien aus vielen Anwendungen mit speziellen akustischen Eigenschaften zu imitieren. Durch das ausgewählte kombinieren dieser Einheitsgeometrien in einer Struktur, kann dann eine selektive Schallabsorption in Abhängigkeit der Frequenz erzielt werden.

Ferner ist es durch die reproduzierbare Herstellung der schallabsobierenden Struktur möglich, mit der gezielten methodischen Variation von bestimmten Parametern (beispielsweise Form, Größe Oberflächenbeschaffenheit, etc., der Einheitsgeometrie), und der anschließenden Messung von akustisch sinnvollen Eigenschaften (beispielsweise Absorptionskoeffizient, Strömungswiderstand, viskose Länge, etc...) der Struktur, die Einflüsse der Parameter auf das akustische Verhalten festzustellen. Beispielsweise können mehrere schallabsorbierende Strukturen aus immer der selben Einheitsgeometrie hergestellt werden, und danach vermessen werden. Durch die methodische Variation der Einheitsgeometrie und der neuerlichen Herstellung mit anschließender Messung können so Einheitsgeometrien mit bestimmten akustischen Eigenschaften entwickelt werden. Durch die systematische Kombination unterschiedlicher Einheitsgeometrien und der anschließenden Vermessung könne Wechselwirkungen zwischen den Einheitsgeometrie festgestellt werden.

Denkbar ist auch, dass durch die geometrische Überlagerung mehrerer Einheitsgeometrien, die für ein akustisches Problem ausgewählt wurden, eine neue Einheits- 11 geometrie erstellt wird, die den gleichen akustischen Anforderungen entspricht, wie die Summe der ursprünglichen Einheitsgeometrien.

Im Zuge der systematischen Entwicklung der Einheitsgeometrien ist es möglich Daten über die Einflussgrößen auf akustische Eigenschaften zu ermitteln. Dies kann für die Entwicklung von Materialmodellen genützt werden. Nachdem gängige akustische Materialien wie Polyurethanschäume, Metallschäume und andere eine statistische Verteilung aus ungezählten Geometrien aufweisen, war eine genaue Entwicklung von Materialmodellen, basierend auf die genauen Einflussgrößen, bisher noch nicht möglich. Durch die reproduzierbare Herstellung und Möglichkeit der exakten Variation der Einflussgrößen der Einheitsgeometrien wird somit eine Entwicklung von genaueren Materialmodellen möglich. Nachdem die Simulation von akustischen Anwendungen immer wichtiger wird, können die entwickelten Materialmodelle für die Auslegung von schallabsorbierenden Materialien genützt werden.

Im Zuge dieser Simulationen kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden, um im frühen Entwicklungsstadien als Prototyp für in Serie gehende akustischer Materialien zu dienen. Durch die relativ rasche Herstellung, und der schnellen Auslegung können somit rascher Messungen an Prototypen durchgeführt werden, und damit Erkenntnisse für die weitere Auslegung gefunden werden.

Verfahren zu Herstellung

Fig. 9 stellt als Flussdiagramm das Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierendes Werkstückes, das eine schallabsorbierende Struktur (la, lb) mit vor-gebbarer Geometrie beinhaltet, wobei besagte Struktur aus abgezählten und geometrisch definierten mikro- und makroskopischen Einheitsgeometrien komponiert ist, die jeweils gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgeführt werden, schematisch dar.

Im Schritt (a) wird die akustische Randbedingung vorgegeben. Dies kann zum Beispiel der Schallabsorptionskoeffezient in Abhängigkeit der Frequenz und / oder in Abhängigkeit des Einfallwinkels sein. Ebenfalls ist denkbar, dass sich die akustischen 12

Randbedingungen lokal, also in Bezug auf die Oberfläche des Werkstückes flächenweise, ändern. Mit (I) wird die Möglichkeit aufgezeigt, die akustischen Randbedingungen aus einer CAD Simulation zu entnehmen.

Im Schritt (b) werden die Einheitsgeometrien für die Erfüllung der akustischen Randbedingungen aus einer Datenbank (g) ausgewählt. Diese werden in Anzahl, ihrer Position in der Struktur und deren Kombination ausgewählt. Näheres zur Datenbank (g) wird weiter unten detailliert beschrieben.

Im Schritt (c) werden die ausgewählten Einheitsgeometrien in eine übergeordnete Struktur zusammengesetzt und in die Werkstückgeometrie eingebettet um als dreidimensionales Datenformat dargestellt zu werden. Wahlweise können in die Werkstückgeometrie Bauteil Dämmung (II), Bauteil Geometrie (III) und Bauteil Befestigungen (IV) inkludiert werden, wobei die Daten wahlweise aus einer CAD Simulation herangezogen werden. Es ist anzumerken, dass eine Bauteildämmung durch eine dickere Ausführung des Gehäuses erreicht werden kann.

Im Schritt (d) wird das vorher erstellte dreidimensionale Datenformat beispielsweise durch ein additives Aufbauverfahren, wie das Rapid Prototyping Verfahren schichtweise (16) hergestellt.

Optional können die folgenden Schritte (e) und (f) ausgeführt werden.

Im Schritt (e) wird das erstellte Werkstück gemessen. Dies können beispielsweise die Absorptionsfähigkeit, das Dämmungsverhalten, den Strömungswiderstand, die Tortuosität, die Porosität, die geometrische Form oder die viskose Länge sein.

Im Schritt (f) werden die Daten, Parameter und Messergebnisse aus den Schritten (a), (b), (c) und (e) in einem lernenden Ursachen-Wirkungs-Algorithmus, wie beispielsweise eines neuronalen Netzwerkes verwertet und in der Datenbank (g) gespeichert. Dieser Algorithmus kann auch bei der systematischen Entwicklung von Einheitsgeometrien und Materialmodellen herangezogen werden, wie weiter oben erwähnt.

In der Datenbank (g) können die Daten, Parameter und Messergebnisse des ge- 13 samten Verfahrens gespeichert werden. Somit können Informationen über notwendige Einheitsgeometrien, deren Kombination in Gesamtgeometrien mit jedem neuen Herstellungszyklus erweitert und verbessert werden. Die Datenbank kann natürlich mit schon bestehenden Datenbanken über akustische Materialien und mit bestehenden Simulationstools verknüpft werden.

Sonstiges

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die obige Beschreibung, sondern bezieht sich auch auf nicht beschriebene Analogien, die in den Ansprüchen erwähnt sind. 14

Claims (35)

1. Patentansprüche 1. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück, bestehend ans einem formgebenden Gehäuse (3a, 3b) und eine darin befindliche schallabsorbierende Struktur (la, lb), dadurch gekennzeichnet, dass dieses durch die gemeinsame schichtweise (16) Herstellung besagter Komponenten mit einem additiven Aufbauverfahren, wie beispielsweise das Rapid Prototyping Verfahren hergestellt ist.
2. 2. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabsorbierende Struktur (la, lb) aus abgezählten, geometrisch definierten und reproduzierbaren mikro- und makroskopischen Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) komponiert ist, um bestimmte Frequenzbereiche zu absorbieren.
3. 3. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Struktur (la, lb) wahlweise ohne formgebendes Gehäuse (3a, 3b) ausgeführt ist.
4. 4. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Gehäuse wahlweise, um eine nach einem akustischen Problem ausgelegte Dämmung zu erzielen, in dessen Dicke (3b) variierend ausgeführt ist.
5. 5. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es wahlweise Befestigunsmechanismen (2) aufweist.
6. 6. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es wahlweise durch die exakte Anfertigung von Einheitsgeometrien mit speziellen Einmündungswinkeln in der Nähe der schallseitigen Oberfläche (4a) eine bestimmte Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit des Schallwelleneinfallswinkels (5a, 5b) aufweist. {jj. Selektiv schallabsorbierendes Werkstück nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabsorbierende Struktur in Bezug auf die Werkstückoberfläche wahlweise flächenweise unterschiedlich ausgeführt ist, um lokal unterschiedliche akustische Eigenschaften des Werkstückes (la, lb), beispielsweise in Abhängigkeit der Frequenz und / oder in Abhängigkeit des Schalleinfallwinkels (5a, 5b), zu erhalten. 15
7. 8. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) dreidimensionale Zellen in geometrischen Formen wie Tetraeder (6), drei- , vier-, bzw. mehrseitiges Prisma (8, 9, 10), Oktaeder (11), rhombischer Dodektaeder (12), pentagonaler Dodektaeder (13), Tetrakaidektaeder (14), Ikosaeder (15) sind, die in ihren Kantenlängen (7), ihren Kantendurchmessern und in Anzahl ihrer geschlossenen bzw. offenen Seitenflächen gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgeführt sind.
8. 9. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) Kanäle (17) sind, wobei deren Achsenlinien (18) wahlweise Richtungsänderungen aufweisen, und die Grundflächen (Fig. 6) der Erzeugenden der Mantelflächen (19) besagter Kanäle in ihrer Geometrie und Fläche variieren können, wobei die genannten Kanäle gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche und /oder nach Gesichtspunkten der Belüftung ausgeführt sind.
9. 10. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Kanäle in dreidimensionalen Formen wie einer Helix, einer Doppelhelix, in Schraubenform, in Schneckenform, in Spiralform (27) oder in Form einer Wendelfläche gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche und / oder nach Gesichtspunkten der Belüftung ausgeführt werden.
10. 11. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundflächen der Erzeugenden der Mantelflächen (19) besagter Kanäle in Abhängigkeit der Länge ihrer Achsenlinien (18) in Fläche und in Formen wie zum Beispiel eines Kreises (22), einer Ellipse (23), eines Dreiecks, eines Vierecks (24), eines Vielecks (25), einer Stemform (26) variieren und gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche und /oder nach Gesichtspunkten der Belüftung gestaltet sind.
11. 12. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 7, dadurch ge- 16

    kennzeichnet, dass die besagten Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) Hohlräume (20) sind, die mit jeweils mindestens einer Einmündung (21) zur gesamten Struktur verbunden sind, wobei Volumina und Einmündungsgeometrien gezielt nach Gesichtspunkten der Resonanzabsorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgeführt sind.
12. 13. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) Filamenten (28) sind, die in ihren Abständen, Längen, Durchmessern und ihren Winkel (29) zueinander gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgeführt sind.
13. 14. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Einheitsgeometrien (4a, 4b, 4c) in ihren Oberflächenbeschaffenheiten, Mikroporositäten und Scharfkantigkeiten gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgelegt sind.
14. 15. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die geometrische Überlagerung mehrerer Einheitsgeometrien, die für ein akustisches Problem ausgewählt wurden, eine neue Einheitsgeometrie erstellt wird, die den gleichen akustischen Anforderungen entspricht, wie die Summe der ursprünglichen Einheitsgeometrien.
15. 16. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die verwendeten Einheitsgeometrien durch die gezielte Veränderung ihrer Geometrie in ein oder mehreren Eigenschaften wie spezifischer Strömungswiderstand, spezifischer Tortuosität, spezifischer Porosität, spezifischer geometrischer Steifigkeit oder spezifischer viskoser Länge unterscheiden.
16. 17. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auslegung der Einheitsgeometrien Zellen, Hohlräume, Kanär le, Filamente und Blasen von bekannten Strukturen wie von Kork, Balsa, Korallen, Substantia spongiosa, Tintenfischknochen, Schwertlilienblättem, Schwämmen, Poly- 17 urethanschäume, Filz, und Wolle als Referenz nachgebildet werden.
17. 18. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise während der Herstellung mittels Rapid Prototyping die verwendeten Werkstoffe schichtweise (16) und / oder Flächenweise variieren, wobei deren Wärmeleitfähigkeiten, Elastizitätsmoduli, Querkontraktionszahlen und Verlust-moduli gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche und / oder Oberflächeneigenschaften ausgewählt sind.
18. 19. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise während der schichtweisen (16) Herstellung mittels Rapid Prototyping in den verwendeten Werkstoff Micro- bzw. Nanopulver gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche eingebettet sind.
19. 20. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Entwicklung von Materialmodellen für poröse und / oder dämmende Materialien dient.
20. 21. Selektiv schallabsorbierendes Material nach Anspruch 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es als Prototyp bei der Entwicklung bzw. Auslegung akustischer Materialien für Serienprodukte dient.
21. 22. JVerfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes, das eine schallabsorbierende Struktur (la, lb) mit vorgebbarer Geometrie beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Struktur aus abgezählten und geometrisch definierten mikro- und makroskopischen Einheitsgeometrien komponiert ist, die jeweils gezielt nach Gesichtspunkten der Absorption von Schallwellen bestimmter Frequenzbereiche ausgeführt werden, mit folgenden Schritten: (a) akustische Randbedingunen für das Bauteil werden vorgegeben; (b) aus einer Datenbank (g) werden für das akustische Problem eine oder mehrere Einheitsgeometrien in Anzahl, in ihrer Kombination und in ihrer Position in der Gesamtstruktur ausgewählt; 18 (c) die vorher bestimmten Einheitsgeometrien werden in eine übergeordnete Werkstückgeometrie eingebettet und gemeinsam in ein dreidimensionales Datenformat gebracht; (d) das vorher erstellte Datenformat wird beispielsweise durch ein additives Aufbau-verfahren, wie das Rapid Prototyping Verfahren schichtweise (16) hergestellt; (e) wahlweise werden messbare Eigenschaften des erhaltenen Werkstückes gemessen; (f) wahlweise werden Parameter und Ergebnisse aus den Verfahrensschritten (b), (c) und (e) verwertet und in der Datenbank (g) mit schon vorhandenen Daten implementiert.
22. 23. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass besagte akustische Randbedingungen im Verfahrensschritt (a) wahlweise aus einer akustischen CAD Simulation (I) entnommen werden.
23. 24. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass besagte akustische Rand-bedigungen im Verfahrensschritt (a) das Absorptionsverhalten in Abhängigkeit der Frequenz aufweisen.
24. 25. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass besagte akustische Rand-bedigungen im Verfahrensschritt (a) das Absorptionsverhalten in Abhängigkeit des Einfallwinkels aufweisen.
25. 26. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass besagte akustische Randbe-digungen im Verfahrensschritt (a) in Bezug auf die Werkstückoberfläche flächenweise variieren. 19
26. 27. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Werkstückgeometrie im Verfahrensschritt (c) eine übergeordneten Bauteilgeometrie (III) aufweist.
27. 28. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Bauteilgeometrie Funktionskomponenten, wie beispielsweise einen Befestigungsmechanismus (IV) aufweist.
28. 29. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 27 und 28, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Bauteilgeometrie lokal solide Oberflächen mit signifikanter Dicke beinhaltet, die angepasst an die akustischen Randbedingungen unterschiedliche Wandstärken zur Geräuschdämmung (II) aufweisen.
29. 30. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Messungen im Verfahrensschritt (e) die Absorptionsfähigkeit, das Dämmungsverhalten, den Strömungswiderstand, die Tortuosität, die Porosität, die geometrische Form oder die viskose Länge beinhalten.
30. 31. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass sich die verwendeten Einheitsgeometrien durch die gezielte Veränderung ihrer Geometrie in ein oder mehreren Eigenschaften wie spezifischer Strömungswiderstand, spezifischer Tortuosität, spezifischer Porosität, spezifischer geometrischer Steifigkeit oder spezifischer viskoser Länge unterscheiden.
31. 32. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auslegung der Einheitsgeometrien Zellen, Hohlräume, Kanäle, Filamente und Blasen von bekannten Strukturen wie von Kork, Balsa, Korallen, Substantia spongiosa, Tintenfischknochen, Schwertlilienblättem, Schwämmen, Polyurethanschäume, Filz, und Wolle als Referenz herangezogen werde. 20
32. 33. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Überlagerung mehrerer Einheitsgeometrien, die für ein akustisches Problem ausgewählt wurden, eine neue Einheitsgeometrie erstellt wird, die den gleichen akustischen Anforderungen entspricht, wie die Summe der ursprünglichen Einheitsgeometrien.
33. 34. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Daten im Verfahrensschritt (f) im Rahmen eines lernenden Ursachen-Wirkungs-Algorithmus, wie beispielsweise eines neuronalen Netzwerkes verwertet werden.
34. 35. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass zur systematischen Entwicklung von Materialmodellen für poröse und / oder dämmende Materialien dient.
35. 36. Verfahren zur Herstellung eines selektiv schallabsorbierenden Werkstückes nach Anspruch 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass es als Prototypenherstellung bei der Entwicklung bzw. Auslegung akustischer Materialien für Serienprodukte dient. 21