WO2016008810A1 - Verfahren zur herstellung eines strömungskanals - Google Patents

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WO2016008810A1
WO2016008810A1 PCT/EP2015/065789 EP2015065789W WO2016008810A1 WO 2016008810 A1 WO2016008810 A1 WO 2016008810A1 EP 2015065789 W EP2015065789 W EP 2015065789W WO 2016008810 A1 WO2016008810 A1 WO 2016008810A1
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WO
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flow
support
flow channel
support element
support member
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/065789
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Stahl
Hans-Peter Kollmeier
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/40—Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a flow channel.
  • a support in the negative assembly direction A must be provided at point P1 or between points P1 and P2 be provided, otherwise a Tangent T at the concave Component surface includes an angle ⁇ greater than the permissible critical angle with the vector of the body direction.
  • the object of the present invention is to provide an improved method for producing a flow channel.
  • the present invention provides a method for producing a flow channel for guiding a fluid which is at least partially produced by a stereolithographic method in which a plurality of layers are formed in a stack shape in succession, with a wall and a support element, wherein the support element is formed, to support one of the layers during their training in the construction direction, with the following steps:
  • Modeling the wall of the flow channel simulatively determining a flow distribution representative of flow distribution of the fluid in the flow passage, with the modeled wall, assuming that no support member is present in the flow passage;
  • Stereolithographic manufacturing processes are generally generative manufacturing processes and often characterized in that a workpiece is formed in layers by free-space materializing (raster) dots. This can also be called "3D printing".
  • the wall of the flow channel is modeled. This can be done using common CAD programs, for example. Depending on the complexity of the flow channel or the wall of the flow channel, the wall can be modeled in different detail, which can take different amounts of time. In many applications, however, it will be important to find the most lifelike or detailed modeling of the flow channel.
  • the wall of the flow channel modeled in this way can define a through-flowed or permeable cavity. If a model of the wall of the flow channel is found, then in a further step a first flow distribution of the fluid in the flow channel that can be represented by flow filaments is determined.
  • a flow distribution may include, for example, a (flow) vector field, a family of flow arrows or a set of flow threads.
  • Streamlines may also be referred to as streamlines or streamlines.
  • the flow distribution may also be referred to as flow profile, flow pattern or generally as flow.
  • the computation of the first flow distribution can be done, for example, by means of a CFD ("Computational Fluid Dynamics") program, but also manually or graphically or in general by any calculation or solution method.
  • the calculation is carried out according to the invention with the modeled wall, but assuming that no support element is present in the flow channel.
  • a support element comprises, for example, a support, a supporting structure or a support structure.
  • the support member are formed and arranged so that it does not affect a flow distribution resulting in the flow channel as possible.
  • the support element can thus be shaped and arranged so that it can influence the flow distribution resulting in the flow channel. It can be achieved by the method according to the invention that it is possible to produce cavities or flow channels which are flowed through in a complex manner by means of generative or additive manufacturing methods. If (necessary for process reasons) support elements are introduced, they can strongly influence the flow distribution of the fluid or medium. The support elements may possibly be removed after the end of the process, provided they are mechanically accessible. If this is not the case, the supports must u. U. remain in the component.
  • the inventive method can also be achieved that support structures need not be removed after the production. This can result in far-reaching creative freedom, since the removability of the support structure u. U. no longer needs to be included in the component design. As a result, the production of components may be possible that are otherwise not funktionser adoptedd representable by means of generative or additive manufacturing process.
  • flow channels produced by the method according to the invention offer the possibility, in addition to the actual support function of the introduced support structures, to direct flows in cavities in a targeted manner.
  • undesirable flow patterns of the cavity or flow channel which possibly shows the simulatively determined first flow distribution or generally a calculated flow pattern, can be compensated by a targeted deflection of the flow by means of appropriately designed and positioned support elements.
  • the support element has an oblong cross section transversely to the direction of construction, wherein a longitudinal distance ckung of the support member is greater than a width extension of the support element, wherein both the longitudinal extension and the width extension extending transversely to the construction direction. It is advantageous that so shaped support elements can cause a favorable flow behavior.
  • the support element has an oval-shaped, rectangular or wing-shaped cross-section. It is advantageous that, for example, an influence of the support element on the flow path can be minimized or, in general, a flow resistance of the support element can be adapted to the specific application.
  • the support element has at least one through-flow opening. It is advantageous that a further degree of freedom for influencing the flow distribution is obtained.
  • the opening has a round, an angular or in particular a triangular, quadrangular or hexagonal cross section.
  • a longitudinal extent of the opening is greater than a width extent of the opening, wherein both the longitudinal extent and the width extent extend transversely to the construction direction. This can be advantageous for flow-mechanical reasons, if z. B. the flow resistance of the support element to be minimized.
  • the support element has a plurality of openings. This offers the advantage that a further degree of freedom for influencing the flow distribution is obtained.
  • At least a part of the plurality of openings is arranged substantially transversely to the construction direction. This offers the advantage that a targeted influencing of the flow pattern can be made possible. According to an advantageous development of the present invention, at least a part of the plurality of openings is arranged substantially along the construction direction. Since depending on the application, for example, as thin as possible or streamlined support elements may be desired, this approach may be advantageous.
  • At least a part of the plurality of openings is formed by a hexagonal or honeycomb-shaped structure. Since a honeycomb structure offers a good ratio of wall material to volume, it is thus possible for a flow channel to be constructed with a support element of comparatively little material.
  • At least a part of the plurality of openings is formed by a quadrangular or diamond-shaped structure. This can be advantageous for static reasons.
  • At least a part of the plurality of openings is formed by a structure that ramifies along the construction direction. This is advantageous since it may possibly result in an improved distribution of the forces resulting from the support.
  • the support element has a curvature transverse to the construction direction. This can be advantageous for a specific influencing of the flow distribution.
  • a distance between a support element and another support element is in a range between 3 mm and 30 mm, preferably in a range between 4 mm and 25 mm, or particularly preferably in a range between 5 mm and 20 mm , This is advantageous because sufficient support can thus be made possible for many applications.
  • a plurality of support elements with a tolerance of ⁇ 1 mm is arranged equidistantly in the flow channel. This can offer fluidic advantages in many embodiments.
  • a greatest length of a cross section of the support element preferably runs along a section of a flow thread. This can allow a flow-mechanically advantageous orientation of the support element.
  • a longitudinal extent of the opening preferably runs along a portion of a flow thread. This can bring about an advantageous influencing of a course of the flow thread or a reduction of the flow resistance.
  • Fig. 1 is a flow chart illustrating an embodiment of a manufacturing method according to the invention
  • FIG. 2 shows an embodiment of a flow channel during its formation along a construction direction.
  • 3a shows a schematic view of a cross section of an exemplary flow channel with a wall and a first flow distribution
  • FIG. 3b shows a schematic view of the flow channel known from FIG. 3a and a predefined second flow distribution
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a flow channel produced by means of the method according to the invention and a third flow distribution
  • 5 shows in an upper image area a detail view of an oval-shaped support element and in a lower image area a detail view of an oval-shaped support element which has a bare opening through ström; 6 shows in an upper image region two exemplary flow distributions in a flow channel without a support element and in a lower image region two exemplary flow distributions in a flow channel with a curved support element; and
  • Fig. 7 is an overview of various support elements, wherein in each case two different cross sections of a support element are shown.
  • FIG. 1 shows a flow chart for illustrating the method according to the invention for producing a flow channel for guiding a fluid, which is produced at least partially by a stereolithographic method in which several layers are successively formed in the form of stacks in succession, with one wall and one Support member, wherein the support member is formed to support one of the layers during their formation in the mounting direction.
  • a step 12 first the wall of the flow channel is modeled. This can be done using common CAD programs, for example. Depending on the complexity of the flow channel or the wall of the flow channel, the wall can be modeled with varying degrees of detail, which can take up different amounts of time. In many applications, however, it will be important to find the most lifelike or detailed modeling of the flow channel.
  • the wall of the flow channel modeled in this way can define a through-flow or through-flow cavity. An example of a wall thus modeled is shown in FIG. 3a.
  • a first flow distribution of the fluid in the flow channel is determined. This can be done, for example, by means of a CFD ("Computational Fluid Dynamics") program, but also manually or in general with any calculation method. or solution method.
  • the calculation of the flow distribution is carried out according to the invention with the modeled wall, but on the assumption that no support element is present in the flow channel.
  • An exemplary simulatively determined flow distribution is also shown in FIG. 3a.
  • a deviation of the first flow distribution from a predefined second flow distribution is either tolerable or intolerable.
  • the corresponding node is therefore shown in a rhomboid shape.
  • the second flow distribution may be one of the input variables of the method according to the invention. This is indicated by the partially dashed arrow 18, which points from the left to the node 16.
  • Another input may be the deviation determined in the previous step. This is indicated by the arrow from the rectangle 14 to the rectangle 16.
  • an exemplary predefined flow distribution is shown in FIG. 3b.
  • the support element can thus be shaped and arranged so that it does not influence the resulting in the cavity flow distribution as possible.
  • FIG. 4 shows an exemplary third flow distribution, which could result in a flow channel according to the invention. If, however, the deviation is not tolerable, that is to say therefore a different flow distribution than the simulatively determined first flow distribution (see FIG. 14) is desired, then so should it be downsized.
  • the support element can thus be shaped and arranged in such a way that it can positively influence the flow distribution (as seen by a user) in the cavity.
  • Various embodiments and arrangements for the support element which are advantageous in this second respect will be shown and explained below.
  • the second case just described is illustrated in the flow chart by the operator 24, which in turn is connected to the node 16 by an arrow.
  • FIG. 6 shows, in a lower image area, an exemplary flow distribution which could result in a flow channel according to the invention.
  • FIG. 2 shows a section through component 10 with a concave edge 26 and a support element 20 according to the invention during its construction along a construction direction 28, which is here oriented in an exemplary vertical upward direction.
  • the construction direction of components in generative production often depends heavily on the shape of the component. If this is defined on the basis of the outer component geometry, a second input variable can be defined for the method according to the invention.
  • the component 10 is shown included in an additive manufacturing process. This is indicated by the outlined in dashed lines in an upper image area outlines of the component 10 and the support member 20.
  • the support member 20 is formed by stacked successively formed layers 38, 42, 44 and so on.
  • the respective layers arranged above are not provided with reference numerals for reasons of clarity, but according to the invention can be formed one after the other.
  • the rectangular support member 20 is formed so as to be disposed between a first point 48 and a second point 52. In this way, the component 10 is supported by the support element 20 during its formation, or more precisely, a layer of the component 10 is supported by the support element 20 during its formation, as soon as the developing component 10 or the concave edge 28 the limit angle criterion explained above would be violated or violated (see FIG. 8).
  • the support member 20 may extend substantially along the negative construction direction 28.
  • FIG. 2 shows only an exemplary cross section through an exemplary component and an exemplary support element. Conceivable and according to the invention are different shapes for the support element. Some preferred embodiments are shown in FIG. 7 and explained in the associated description of the figures.
  • FIG. 3 a shows a schematic view of a cross section of a flow channel 30.
  • the flow channel 30 initially has a wall (modeled according to the invention) which, by way of example, comprises the partial wall elements 54, 56 and 58. These are characterized by a diagonal hatching and arranged in each case in a lower, a right and an upper image area.
  • a permeable cavity Arranged between the partial wall elements is a permeable cavity with a simulatively determined flow distribution, which, as mentioned above, may have been calculated, for example with the aid of a CFD program.
  • the flow distribution is represented by partially parallel flow arrows 62, 64, 66 and 68 and extends in the image plane from left to right or from top left to top right (62 and 64) or bottom right (66 and 68).
  • This flow distribution is merely exemplary and can also be designed or shown differently.
  • FIG. 3b shows a further schematic view of the cross section of the flow channel 30.
  • Arranged between the partial wall elements is now an exemplary predefined te second flow distribution, which is represented by partially approximately parallel flow arrows 63, 65, 67 and 69.
  • Fig. 4 now shows an inventive arrangement and form of support elements, which may be suitable to solve this problem.
  • all support elements shown by way of example a similar cross-sectional shape.
  • the arrangement of the support elements will be discussed in the following description with reference to three selected support elements. However, this is applicable to all other support elements shown in FIG. 4 and applies mutatis mutandis to this.
  • a schematic view of a flow channel 40 can be seen, which now also has a number of supporting elements in addition to the already known partial wall elements 54, 56 and 58 and the construction direction 28.
  • the flow arrows 73, 75, 77 and 79 in this case represent a third flow distribution, which could result in the flow channel 40.
  • three support elements 72, 74 and 76 along the flow arrow 79 are arranged equidistantly.
  • the support elements 72, 74 and 76 have an elongated or oval cross-section here by way of example. This can result in a slight influence on the flow distribution. Also conceivable would be a rectangular or wing-shaped cross-section. Alternatively, support elements may also have a cross-section that resembles a wing or wing profile, or be formed, for example, as ranksleiteriel. Alternatively, a cross-sectional shape can also be chosen so that a flow resistance of a respective support element is minimized. Furthermore, it is possible to design each individual support element according to requirements. So, possibly adapted to flow conditions, variable cross-sections are provided. Individual support elements or groups of support elements can furthermore be designed such that they specifically influence the flow in the sense of the component function (see FIG. 6 and FIGS associated figure description). In other words, functional integration may possibly be present or achieved.
  • the arrangement of the support elements 72, 74 and 76 may also be such that the greatest length of their cross section or their respective characteristic length, which may also be referred to as longitudinal extension, is parallel or tangential to one or more flow arrows or flow filaments 73, 75, 77 or 79 is aligned.
  • the equidistant arrangement of the support elements can also be done differently depending on the desired application.
  • the distance of the support elements can be defined or predetermined by the component geometry.
  • the distance between the individual support elements to each other can be adapted to the geometry of the perfused cavity.
  • the process of the manufacturing process can be incorporated into the shape of the support elements.
  • individual support elements have a distance from each other, which is in a range between 3 mm and 30 mm, in a range between 4 mm and 25 mm or in a range between 5 mm and 20 mm.
  • support elements with a tolerance of +/- 1 mm can be arranged equidistantly in the flow channel.
  • the arrangement and shape of the support elements may allow the deviation from the shape and the spatial arrangement of the support elements to remain substantially unaffected.
  • the individual support elements 72, 74 and 76 are respectively flowed around.
  • a flow distribution which is similar to the flow distribution from FIG. 3, can result in the flow channel 40.
  • the supporting structures may be designed such that they always run as parallel as possible to the construction direction 28, but always in their shape within the limit angle described above.
  • Fig. 4 thus shows a section through the same component, which was already used in FIG. 3 for illustrative purposes.
  • the flow lines 73, 75, 77 and 79 represent the possibly resulting course of the flow.
  • FIG. 5 also shows a detail view of an oval-shaped support element 50 in an upper image area.
  • the construction direction 28 and an exemplary flow thread 78 are also shown.
  • the greatest length of a cross-section of the oval-shaped support element 50 extends along a section of the flow thread 78
  • Fig. 5 in the upper image area so the arrangement of the cross section of the support member 50 relative to the flow thread 78.
  • the mounting direction 28 of the support member or a component 10 is normal here to the image plane.
  • FIG. 5 shows in a lower image area a detailed view of an oval-shaped support element 55, which may be referred to as a modification of the support element 50.
  • the support element 55 additionally has a through-flowable opening, wherein a longitudinal extent of the opening runs primarily along a section of a flow thread 81. This illustrates a further advantageous development of the present invention.
  • FIG. 6 shows, in an upper image area, a schematic sectional view of a flow channel 60 with a hatched (modeled) wall, this time comprising a first partial wall element 82 and a second partial wall element 83.
  • the first partial wall element 82 is arranged at the top within the upper image area and the second partial wall element 83 is located below the upper image area at the bottom.
  • two exemplary flow paths are arranged in a cavity of the flow channel or in the image between the two sub-elements 82 and 83 of the wall.
  • Drawn through is the arrow 84, which is intended here to be exemplary of the simulatively determined first flow distribution of a fluid or medium in the flow channel 60.
  • the arrow 86 is marked by a dotted line.
  • the arrow 86 initially has a course which is congruent in sections to the flow arrow 84, so that it does not extend in a left-hand image area the solid arrow 84 is distinguishable. In a right-hand image area, the arrow 86 then curves toward the first partial wall element 82.
  • the arrow 84 is intended to represent an example of a simulatively determined first flow distribution, while the arrow 86 is intended to represent a predefined second flow distribution.
  • a deviation of the first flow distribution from the predefined second flow distribution can be recognized here.
  • FIG. 6 thus shows in the upper image region a first flow distribution which runs straight from left to right, and a second flow distribution, which is initially equal in sections to the first flow distribution, and then upwards towards the partial wall element 82. to bend.
  • FIG. 6 Shown in a lower portion of FIG. 6 is a schematic sectional view of a flow channel 70, which may be referred to as a modification of the flow channel 60.
  • the flow channel 60 has the already known modeled partial wall elements 82 and 83 and the construction direction 28.
  • a support member 88 is disposed within (the cavity) of the flow channel. This has a curvature transverse to the construction direction.
  • the support element 88 is curved or banana-shaped. This is illustrated by way of example only and may be different.
  • the support member 88 may have a stronger or weaker or generally arbitrary curvature transverse to the mounting direction 28 or be constructed symmetrically, for example.
  • a flow path or arrow 92 (see reference number 86 above) is drawn in solid lines, while a flow path 94 (see reference number 84 above) is shown dotted in the right image area. This is intended to clarify how the support element 88 can influence the resulting flow path or the flow distribution. In other words, the deviation of the first flow distribution from the second flow distribution can be minimized.
  • FIG. 6 can herewith clarify the second case according to the invention (see reference numeral 24 in FIG. 1). It may therefore be possible to minimize the deviation.
  • Fig. 6 illustrates how a support element can be designed to meet requirements so that it can influence a flow targeted in terms of a component function.
  • the described form and arrangement of the Support member 88 the ability to specifically direct flows in a cavity in addition to an actual support function of the introduced (support) structure. So u. U. design deficiencies of the cavity, which may show a calculated flow pattern, be compensated by targeted deflection of the flow by means of appropriately designed and positioned support elements or supports.
  • FIG. 7 now shows an overview of various advantageous embodiments of support elements.
  • the various support elements are all designed such that they can be arranged along the construction direction 28 (in the image area on the left) or between two points 48 (in the image area on the top left) and 52 (in the image area on the bottom left). This is to clarify how each support element could be designed or arranged, for example, to support a component 10 (see FIG. 2).
  • a support element 80 Illustrated at the top left in FIG. 7 is a support element 80. This has, by way of example, an oval-shaped cross section. This can be helpful, for example, for minimizing the flow resistance and can therefore be advantageous for the first case according to the invention (see reference number 22 in FIG. 1).
  • the support element 90 has a through-flow opening 96. This is formed by a second square which is concentric with respect to the first quadrilateral and has the same aspect ratio but a different areal extension. This is again carried out for reasons of clarity, conceivable would be a smaller, larger or non-concentric or rectangular running opening. Alternatively, the opening could also have a round, polygonal or generally polygonal cross-section.
  • the cross-section along the cutting axis 92 can be seen in the lower image region or directly under the support element 90.
  • cut edges in the sectional plane of the cutting axis 92 which are shown by hatching from bottom left to top right, and a deeper level, can be seen here , which is shown hatched by way of example from top left to bottom right.
  • a fluid could flow in the lower image area from bottom to top or from top to bottom through the support member 90 along the hatched from top left to bottom right.
  • a corresponding embodiment can be seen to the right of the support member 90.
  • Shown is a support member 100, which now has a plurality of openings through which can flow.
  • a single flow-through opening 98 exemplarily has a hexagonal or honeycomb-shaped cross section.
  • the entire support element is formed by a plurality of directly adjacent openings.
  • at least a part of the plurality of openings of the support element is thus formed by a hexagonal or honeycomb-shaped structure.
  • the support member 100 may be constructed of less material. This may be due to a favorable ratio of wall material to volume.
  • the illustration of the support element 100 shows a cross section of the support element 100 along the cutting axis 92. Again, the sectional plane is represented by the hatching executed from bottom left to top right. A deeper level is indicated by crosshatching. Beveling can be seen between the individual levels, which are characterized by the omission of hatching. A fluid could flow in this image plane from top to bottom or from bottom to top through the support member shown.
  • a further advantageous support element structure is the support element 110, shown in FIG. 7 to the right of the support element 100. Shown is a support member that now exemplifies a triangular opening 102 or a square or rhombic opening 104. Alternatively, openings may have a triangular or quadrangular or diamond-shaped cross-section.
  • This structure can provide static benefits. It was also pointed out that possibly a material saving can be achieved, if this should be desired in the specific application.
  • the section along the cutting axis 92 of the supporting element 1 10 can be seen in the lower part of the picture. Hatching is not visible here, since only inclined surfaces (with respect to the image plane) can be seen in the sectional image.
  • a support element 120 is shown on the right next to the support element 110.
  • a part of the structure is again formed by a triangle 106 and another part by a quadrangle 108, the resulting structure is different than the support element 1 10.
  • It is here a branching along the construction direction 28 structure. This may again be advantageous for reasons of statics, or if, for example, not much space is available at the location of the point 52. However, it can be ensured for the reasons mentioned above, not only in the construction of such a tree-like branching support member that an angle which is enclosed by a tangent to the respective edge of the support member with the mounting direction 28 does not exceed a predetermined critical angle.
  • This criterion may apply to any or all of the support members shown in FIG. 7 and not just the support member 120.
  • a corresponding check can be carried out, for example, on the support element 100 or also on the support element 110, since both the support element 100 and the support element 10 have oblique surfaces inclined towards the construction direction 28 or inclined away from the construction direction 28. For reasons of clarity, this situation was explained only by the example of the support element 120.
  • advantageous support elements can have, for example, a plurality of triangular, quadrangular, hexagonal or generally n-angular structures designed in different ways. Alternatively conceivable are also honeycomb or diamond-shaped structures. Also, and especially the tree-like branching structure having the support member 120, could also be shaped differently, for. B. with more or less "branches", more or less branches, with more than one "trunk", etc.
  • the present invention has been explained above with reference to selected embodiments. However, the present invention is not limited thereto. According to further embodiments, the described method can be used to use prototypes with respect to variants in small numbers in the development.
  • embodiments of the invention may be implemented in hardware or in software.
  • the implementation may be performed using a digital storage medium, such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or FLASH memory, a hard disk, or other magnetic disk or optical memory are stored on the electronically readable control signals, which can cooperate with a programmable computer system or cooperate such that the respective method is performed. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
  • some embodiments according to the invention include a data carrier having electronically readable control signals capable of interacting with a programmable computer system such that one of the methods described herein is performed.
  • embodiments of the present invention may be implemented as a computer program product having a program code, wherein the program code is operable to perform one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored, for example, on a machine-readable carrier.
  • inventions include the computer program for performing any of the methods described herein, wherein the computer program is stored on a machine-readable medium.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further embodiment of the inventive method is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program is recorded for carrying out one of the methods described herein.
  • a further embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals, which represent the computer program for performing one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals may be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • a processing device such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program is installed to perform one of the methods described herein.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device. This may be a universal hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the process, such as an ASIC.
  • CPU computer processor
  • ASIC application specific to the process

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Strömungskanals (30; 40; 60; 70) zur Führung eines Fluids, der zumindest teilweise durch ein stereolithographisches Verfahren hergestellt wird, bei dem in einer Aufbaurichtung (28) mehrere Schichten (32; 34; 36; 38; 42; 44) stapelförmig nacheinander ausgebildet werden, mit einer Wandung (54; 56; 58; 82; 83) und einem Stützelement (50; 72; 74; 76; 80; 88; 90; 100; 110; 120), wobei das Stützelement ausgebildet wird, um eine der Schichten während ihrer Ausbildung in der Aufbaurichtung zu stützen, mit folgenden Schritten: Modellieren der Wandung des Strömungskanals (12); simulatives Bestimmen einer durch Strömungsfäden repräsentierbaren ersten Strömungsverteilung (62; 64; 66; 68; 84) des Fluids in dem Strömungskanal, mit der modellierten Wandung, unter der Annahme, dass kein Stützelement in dem Strömungskanal vorhanden ist (14); Entscheiden, ob eine Abweichung der ersten Strömungsverteilung von einer vordefinierten durch Strömungsfäden repräsentierbaren zweiten Strömungsverteilung (63; 65; 67; 69; 86) entweder tolerierbar oder nicht tolerierbar ist; und Bestimmen einer Form und einer räumlichen Anordnung für das Stützelement, so dass die Abweichung entweder von der Form und der räumlichen Anordnung des Stützelements im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, falls die Abweichung tolerierbar ist (22), oder verkleinert wird, falls die Abweichung nicht tolerierbar ist (24).

Description

Verfahren zur Herstellung eines Strömungskanals
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskanals.
Für metallische Bauteile, die (in Großserie) in einem Metallgussverfahren hergestellt werden sollen, sind häufig Prototypen zur Absicherung der Funktion und der geforderten Haltbarkeit notwendig. Diese Notwendigkeit ergibt sich meist aus den hohen Kosten und der langen Fertigungsdauer von Formen für den Metallguss.
Je nach Komplexitätsgrad der Bauteile finden häufig mehrere Iterationsschleifen mit Änderungen an der Geometrie statt. Für jeden Iterationsschritt können neue Prototypenbauteile für die anschließende Erprobung notwendig sein. Für die Herstellung dieser Prototy- pen sind verschiedene Verfahren etabliert. Im einfachsten Fall können solche Musterbauteile aus Vollmaterial gefräst werden. Bei komplexen Bauteilstrukturen mit von Fluiden oder allgemein Medien durchströmten Hohlräumen, die man auch als Strömungskanäle bezeichnen kann, ist dies häufig nicht möglich. Hier werden in der Regel Urformverfahren bzw. sog.„Rapid Prototyping"-Gießverfahren eingesetzt. Diese kommen zwar ohne teure Werkzeuge aus, sind jedoch häufig äußerst zeitintensiv und weiter verhältnismäßig kostenintensiv. Komplexe Bauteile, für die nur kleine Stückzahlen vorgesehen sind, wie z. B. Motorenteile für den Motorsport, werden häufig in ähnlichen Verfahren hergestellt.
Eine Alternative bieten generative bzw. additive Fertigungsverfahren, wie das selektive Laserschmelzen („Selective Laser Melting"), bei dem Prototypenbauteile oder auch Kleinserien äußerst schnell und praktisch ohne Werkzeugbau hergestellt werden können. Hieraus kann sich ein klarer Zeit- und Kostenvorteil gegenüber gegossenen Prototypen ergeben. Nachteilig an additiven Fertigungsverfahren gegenüber einem Gussprozess (mit verlorenem Kern) ist jedoch die Notwendigkeit, unter bestimmten Bedingungen Stützen in das Bauteil einbringen zu müssen. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn ein Winkel zwischen einer Aufbaurichtung und einer Tangente an einen Bauteilrand einen Grenzwinkel überschreitet. Dieser Zusammenhang ist in der Fig. 8 schematisch gezeigt. Um das im Schnittbild dargestellte Bauteil in der gewünschten konkaven Form fertigen zu können, muss am Punkt P1 bzw. zwischen den Punkten P1 und P2 eine Stütze in der negativen Aufbaurichtung A vorgesehen werden, da ansonsten eine Tangente T an der konkaven Bauteiloberfläche einen Winkel α größer dem zulässigen Grenzwinkel mit dem Vektor der Aufbaurichtung einschließt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Strömungskanals zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungskanals zur Führung eines Fluids, der zumindest teilweise durch ein stereolithografisches Verfahren hergestellt wird, bei dem in einer Aufbaurichtung mehrere Schichten stapeiförmig nacheinander ausgebildet werden, mit einer Wandung und einem Stützelement, wobei das Stützelement ausgebildet wird, um eine der Schichten während ihrer Ausbildung in der Aufbaurichtung zu stützen, mit folgenden Schritten:
Modellieren der Wandung des Strömungskanals; simulatives Bestimmen einer durch Strömungsfäden repräsentierbaren ersten Strömungsverteilung des Fluids in dem Strömungskanal, mit der modellierten Wandung, unter der Annahme, dass kein Stützelement in dem Strömungskanal vorhanden ist;
Entscheiden, ob eine Abweichung der ersten Strömungsverteilung von einer vordefinierten durch Strömungsfäden repräsentierbaren zweiten Strömungsverteilung entweder tolerierbar oder nicht tolerierbar ist; und
Bestimmen einer Form und einer räumlichen Anordnung für das Stützelement, so dass die Abweichung entweder von der Form und der räumlichen Anordnung des Stützelements im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, falls die Abweichung tolerierbar ist, oder verkleinert wird, falls die Abweichung nicht tolerierbar ist.
Stereolithografische Herstellverfahren sind im Allgemeinen generative Herstellverfahren und häufig dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück durch frei im Raum materialisierende (Raster-) Punkte schichtenweise ausgebildet wird. Dies kann auch als„3D-Druck" bezeichnet werden. In einem Schritt wird die Wandung des Strömungskanals modelliert. Dies kann beispielsweise mithilfe gängiger CAD-Programme erfolgen. Abhängig von der Komplexität des Strömungskanals bzw. der Wandung des Strömungskanals kann die Wandung unterschiedlich detailliert modelliert werden, was unterschiedlich viel Zeit beanspruchen kann. In vielen Anwendungsfällen wird man jedoch Wert darauf legen, eine möglichst naturgetreue oder detaillierte Modellierung des Strömungskanals zu finden. Die so modellierte Wandung des Strömungskanal kann einen durchströmten bzw. durchströmbaren Hohlraum definieren. Ist ein Modell der Wandung des Strömungskanals gefunden, so wird in einem weiteren Schritt eine erste durch Strömungsfäden repräsentierbare Strömungsverteilung des Fluids in dem Strömungskanal bestimmt.
Eine Strömungsverteilung kann dabei beispielsweise ein (Strömungs-) Vektorfeld, eine Schar von Strömungspfeilen oder eine Menge von Strömungsfäden umfassen. Strömungsfäden können auch als Strömungslinien oder Stromfäden bezeichnet werden. Alternativ kann die Strömungsverteilung auch als Strömungsverlauf, Strömungsbild oder allgemein als Strömung bezeichnet werden. Die Berechnung der ersten Strömungsverteilung kann beispielsweise mithilfe eines CFD („Computational Fluid Dynamics") - Programms erfolgen, aber auch händisch oder graphisch oder allgemein mit einem beliebigen Berechnungs- oder Lösungsverfahren.
Die Berechnung erfolgt dabei erfindungsgemäß mit der modellierten Wandung, aber unter der Annahme, dass kein Stützelement in dem Strömungskanal vorhanden ist.
Ein Stützelement umfasst dabei beispielsweise eine Stütze, eine stützende Struktur oder eine Stützstruktur. In einem weiteren Schritt wird entschieden, ob eine Abweichung der ersten Strömungsverteilung von einer vordefinierten zweiten Strömungsverteilung entweder tolerierbar oder nicht tolerierbar ist.
Falls die Abweichung tolerierbar ist, so soll sie von der Form und der räumlichen Anord- nung des Stützelements im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben. In anderen Worten kann das Stützelement also so ausgeformt und angeordnet werden, dass es eine sich in dem Strömungskanal ergebende Strömungsverteilung möglichst nicht beeinflusst.
Falls die Abweichung jedoch nicht tolerierbar ist, also mithin eine andere Strömungsvertei- lung als die simulativ bestimmte erste Strömungsverteilung gewünscht ist, so soll sie verkleinert werden. In anderen Worten kann das Stützelement also so ausgeformt und angeordnet werden, dass es die sich in dem Strömungskanal ergebende Strömungsverteilung beeinflussen kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann erreicht werden, dass komplex durchströmte Hohlräume respektive Strömungskanäle mittels generativer bzw. additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Werden dabei (prozessbedingt notwendige) Stützelemente eingebracht, so können diese die Strömungsverteilung des Fluids oder Mediums stark beeinflussen. Die Stützelemente können möglicherweise nach Prozessende entfernt werden, sofern sie mechanisch zugänglich sind. Ist das nicht der Fall, so müssen die Stützen u. U. im Bauteil verbleiben.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin erreicht werden, dass Stützstrukturen nicht im Anschluss an die Fertigung entfernt werden müssen. Dadurch können sich weitreichende gestalterische Freiheiten ergeben, da die Entfernbarkeit der Stützstruktur u. U. nicht mehr in die Bauteilgestaltung einbezogen werden muss. Dadurch bedingt kann die Fertigung von Bauteilen möglich sein, die ansonsten nicht funktionserfüllend mittels generativer oder additiver Fertigungsverfahren darstellbar sind. Weiterhin bieten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Strömungskanäle die Möglichkeit, neben der eigentlichen Abstützfunktion der eingebrachten Stützstrukturen, Strömungen in Hohlräumen gezielt zu lenken. So können unerwünschte Strömungsverläufe des Hohlraums oder Strömungskanals, die die simulativ bestimmte erste Strömungsverteilung oder allgemein ein berechnetes Strömungsbild möglicherweise aufzeigt, durch ein gezieltes Ablenken der Strömung mittels entsprechend gestalteter und positionierter Stützelemente kompensiert werden. Einzelne Stützelemente oder Gruppen von Stützelementen können so gestaltet werden, dass sie die Strömung gezielt im Sinne der Bauteilfunktion beeinflussen. Es kann somit eine Funktionsintegration erreicht werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Stützelement einen länglichen Querschnitt quer zur Aufbaurichtung auf, wobei eine Längenerstre- ckung des Stützelements größer ist als eine Breitenerstreckung des Stützelements, wobei sowohl die Längenerstreckung als auch die Breitenerstreckung quer zur Aufbaurichtung verlaufen. Daran ist vorteilhaft, dass so ausgeformte Stützelemente ein günstiges Strömungsverhalten bewirken können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Stützelement einen ovalförmigen, rechteckförmigen oder flügeiförmigen Querschnitt auf. Daran ist vorteilhaft, dass beispielsweise ein Einfluss des Stützelements auf den Strömungsverlauf minimiert werden kann oder allgemein ein Strömungswiderstand des Stützelements an- wendungsspezifisch angepasst werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Stützelement zumindest eine durchströmbare Öffnung auf. Daran ist vorteilhaft, dass ein weiterer Freiheitsgrad zur Beeinflussung der Strömungsverteilung gewonnen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Öffnung einen runden, einen eckigen oder insbesondere einen dreieckigen, viereckigen oder sechseckigen Querschnitt auf. Das bietet den Vorteil, dass Stützelemente bei gleichbleibenden oder verbesserten Eigenschaften möglicherweise aus weniger Material hergestellt werden können, und dass eine gezielte Beeinflussung der Strömungsverteilung ermöglicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist eine Längenerstreckung der Öffnung größer als eine Breitenerstreckung der Öffnung, wobei sowohl die Längenerstreckung als auch die Breitenerstreckung quer zur Aufbaurichtung verlaufen. Dies kann aus strömungsmechanischen Gründen vorteilhaft sein, wenn z. B. der Strömungswiderstand des Stützelements minimiert werden soll.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Stützele- ment eine Mehrzahl von Öffnungen auf. Dies bietet den Vorteil, dass ein weiterer Freiheitsgrad für die Beeinflussung der Strömungsverteilung gewonnen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen im Wesentlichen quer zu der Aufbaurichtung angeordnet. Das bietet den Vorteil, dass eine gezielte Beeinflussung des Strömungsverlaufs ermöglicht werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen im Wesentlichen entlang der Aufbaurichtung angeordnet. Da je nach Anwendungsfall bspw. möglichst dünne oder strömungsgünstige Stützelemente gewünscht sein können, kann dieser Ansatz vorteilhaft sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine sechseckförmige oder wabenförmige Struktur gebildet. Da eine Wabenstruktur ein gutes Verhältnis von Wandmaterial zu Volumen bie- tet, kann somit möglicherweise ein Strömungskanal mit einem Stützelement aus vergleichsweise wenig Material gebaut werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine viereckförmige oder rautenförmige Struktur gebildet. Dies kann aus statischen Gründen vorteilhaft sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine sich entlang der Aufbaurichtung verästelnde Struktur gebildet. Dies ist vorteilhaft, da so möglicherweise eine verbesserte Verteilung der beim Abstützen entstehenden Kräfte erreicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Stützelement eine Krümmung quer zur Aufbaurichtung auf. Dies kann für eine gezielte Beeinflussung der Strömungsverteilung vorteilhaft sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung liegt eine Distanz zwischen einem Stützelement und einem weiteren Stützelement in einem Bereich zwischen 3 mm und 30 mm, bevorzugt in einem Bereich zwischen 4 mm und 25 mm, oder besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 mm und 20 mm. Dies ist vorteilhaft, da so für viele Anwendungen eine ausreichende Abstützung ermöglicht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrzahl von Stützelementen mit einer Toleranz von ± 1 mm äquidistant in dem Strömungskanal angeordnet. Das kann in vielen Ausführungsformen strömungsmechanische Vorteile bie- ten. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verläuft eine größte Länge eines Querschnitts des Stützelements vorzugsweise entlang eines Abschnitts eines Strömungsfadens. Dies kann eine strömungsmechanisch vorteilhafte Ausrichtung des Stützelements ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung verläuft eine Längenerstreckung der Öffnung vorzugsweise entlang eines Abschnitts eines Strömungsfadens. Dies kann eine vorteilhafte Beeinflussung eines Verlaufs des Strömungsfadens o- der eine Verkleinerung des Strömungswiderstands bewirken.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist weiterhin und insbesondere die Kombination der erfindungsgemäßen Schritte, die aber nicht notwendigerweise in einer bestimmten Reihenfolge oder sequentiell ausgeführt werden müssen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagramm zur Illustration eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellverfahrens;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Strömungskanals während seiner Ausbildung entlang einer Aufbaurichtung;
Fig. 3a eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines exemplarischen Strömungskanals mit einer Wandung und eine erste Strömungsverteilung;
Fig. 3b eine schematische Ansicht des aus Fig. 3a bekannten Strömungskanals und eine vordefinierte zweite Strömungsverteilung;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Strömungskanals und eine dritte Strömungsverteilung;
Fig. 5 in einem oberen Bildbereich eine Detailansicht eines ovalförmigen Stützelements und in einem unteren Bildbereich eine Detailansicht eines ovalförmigen Stützelements, das eine durch ström bare Öffnung aufweist; Fig. 6 in einem oberen Bildbereich zwei beispielhafte Strömungsverteilungen in einem Strömungskanal ohne ein Stützelement und in einem unteren Bildbereich zwei beispielhafte Strömungsverteilungen in einem Strömungskanal mit einem gekrümmten Stützelement; und
Fig. 7 eine Übersicht über verschiedene Stützelemente, wobei jeweils zwei verschiedene Querschnitte eines Stützelements dargestellt sind.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Strömungskanals zur Führung eines Fluids, der zumindest teilweise durch ein stereolithografisches Verfahren hergestellt wird, bei dem in einer Aufbaurichtung mehrere Schichten nacheinander stapeiförmig nacheinander ausgebildet werden, mit ei- ner Wandung und einem Stützelement, wobei das Stützelement ausgebildet wird, um eine der Schichten während ihrer Ausbildung in der Aufbaurichtung zu stützen.
In einem Schritt 12 wird zunächst die Wandung des Strömungskanals modelliert. Dies kann beispielsweise mithilfe gängiger CAD-Programme erfolgen. Abhängig von der Kom- plexität des Strömungskanals bzw. der Wandung des Strömungskanals kann die Wandung unterschiedlich detailliert modelliert werden, was unterschiedlich viel Zeit beanspruchen kann. In vielen Anwendungsfällen wird man jedoch Wert darauf legen, eine möglichst naturgetreue oder detaillierte Modellierung des Strömungskanals zu finden. Die so modellierte Wandung des Strömungskanal kann einen durchströmten bzw. durchströmba- ren Hohlraum definieren. Ein Beispiel einer so modellierten Wandung ist in der Fig. 3a gezeigt.
Ist ein Modell der Wandung des Strömungskanals gefunden, so wird in einem weiteren Schritt 14 eine erste Strömungsverteilung des Fluids in dem Strömungskanal bestimmt. Dies kann beispielsweise mithilfe eines CFD („Computational Fluid Dynamics") - Programms erfolgen, aber auch händisch oder allgemein mit einem beliebigen Berechnungs- oder Lösungsverfahren. Die Berechnung der Strömungsverteilung erfolgt dabei erfindungsgemäß mit der modellierten Wandung, aber unter der Annahme, dass kein Stützelement in dem Strömungskanal vorhanden ist. Eine beispielhafte simulativ bestimmte Strömungsverteilung ist ebenfalls in der Fig. 3a gezeigt.
In anderen Worten wird also, um die Gestalt komplexer durchströmter Hohlräume umsetzen zu können, zunächst ein digitales Modell des Bauteils entwickelt, in dem keinerlei Stützstrukturen vorgesehen sind. Beispielsweise mithilfe von CFD-Softwaretools kann nun der unter den gegebenen Randbedingungen zu erwartende Verlauf der Strömung durch den Hohlraum errechnet werden.
In einem weiteren Schritt 16 wird entschieden, ob eine Abweichung der ersten Strömungsverteilung von einer vordefinierten zweiten Strömungsverteilung entweder tolerierbar oder nicht tolerierbar ist. Der entsprechende Knotenpunkt ist daher rautenförmig dar- gestellt. Die zweite Strömungsverteilung kann eine der Eingangsgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Dies ist durch den abschnittsweise gestrichelten Pfeil 18 angedeutet, der von links auf den Knotenpunkt 16 zeigt. Als weiterer Eingangsgröße kann die im vorherigen Schritt ermittelte Abweichung dienen. Dies ist durch den Pfeil von dem Rechteck 14 hin zu dem Rechteck 16 angedeutet. Zur Veranschaulichung ist eine bei- spielhafte vordefinierte Strömungsverteilung in der Fig. 3b gezeigt.
Von dem Knotenpunkt 16 ausgehend ergeben sich nun zwei Möglichkeiten:
Falls die Abweichung tolerierbar ist, so soll sie von der Form und der räumlichen Anord- nung des Stützelements im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben. In anderen Worten kann das Stützelement also so ausgeformt und angeordnet werden, dass es die sich in dem Hohlraum ergebende Strömungsverteilung möglichst nicht beeinflusst. Verschiedene in dieser ersten Hinsicht vorteilhafte Ausführungsformen und Anordnungen für das Stützelement werden im Folgenden gezeigt und erläutert werden. Der soeben beschriebene erste Fall wird im Flussdiagramm durch den Operator 22 veranschaulicht, der wiederum durch einen Pfeil mit dem Knotenpunkt 16 verbunden ist. Die Fig. 4 zeigt eine beispielhafte dritte Strömungsverteilung, wie sie sich in einem erfindungsgemäßen Strömungskanal ergeben könnte. Falls die Abweichung jedoch nicht tolerierbar ist, also mithin eine andere Strömungsverteilung als die simulativ bestimmte erste Strömungsverteilung (siehe 14) gewünscht ist, so soll sie verkleinert werden. In anderen Worten kann das Stützelement also so ausgeformt und angeordnet werden, dass es die sich in dem Hohlraum ergebende Strömungsverteilung (aus Sicht eines Anwenders) positiv beeinflussen kann. Verschiedene in dieser zweiten Hinsicht vorteilhafte Ausführungsformen und Anordnungen für das Stützelement wer- den im Folgenden gezeigt und erläutert werden. Der soeben beschriebene zweite Fall wird im Flussdiagramm durch den Operator 24 veranschaulicht, der wiederum durch einen Pfeil mit dem Knotenpunkt 16 verbunden ist. Die Fig. 6 zeigt in einem unteren Bildbereich eine beispielhafte Strömungsverteilung, wie sie sich in einem erfindungsgemäßen Strömungskanal ergeben könnte.
Es sei ferner nochmals darauf hingewiesen, dass die soeben erläuterten Schritte nicht notwendigerweise in der hier beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden müssen. Es ist ebenfalls denkbar, dass beispielsweise zwei oder mehr Schritte parallel ausgeführt werden.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Bauteil 10 mit einer konkaven Kante 26 sowie ein erfindungsgemäßes Stützelement 20 während ihrer Ausbildung entlang einer Aufbaurichtung 28, die hier exemplarisch senkrecht nach oben ausgerichtet ist. Die Aufbaurichtung von Bauteilen bei der generativen Fertigung richtet sich häufig stark nach der Gestalt des Bau- teils. Ist diese aufgrund der äußeren Bauteilgeometrie definiert, kann eine zweite Eingangsgröße für das erfindungsgemäße Verfahren festgelegt sein.
Das Bauteil 10 ist in einem generativen Fertigungsprozess inbegriffen dargestellt. Dies ist durch die in einem oberen Bildbereich teilweise gestrichelt gezeichneten Umrisse des Bauteils 10 und des Stützelements 20 angedeutet.
Es werden entlang der Aufbaurichtung 28 mehrere Schichten 32, 34, 36 usw. nacheinander ausgebildet. Das Stützelement 20 wird durch stapeiförmig nacheinander ausgebildete Schichten 38, 42, 44 usw. gebildet. Die jeweils darüber angeordneten Schichten sind aus Gründen der Anschaulichkeit nicht mit Bezugszeichen versehen, können aber erfindungsgemäß jeweils eine nach der anderen ausgebildet werden.
Dies kann jeweils in einem einzelnen Prozessschritt erfolgen, so dass bspw. die Schicht 32 und die Schicht 38, die Schicht 34 und die Schicht 42 sowie die Schicht 36 und die Schicht 44 jeweils in einem Einzelschritt ausgebildet werden. Zur Veranschaulichung ist weiterhin eine in ihrer Ausbildung befindliche Schicht 46 dargestellt. Das rechteckförmige Stützelement 20 ist bzw. wird so ausgebildet, dass es zwischen einem ersten Punkt 48 und einem zweiten Punkt 52 angeordnet ist. Auf diese Weise wird das Bauteil 10 von dem Stützelement 20 während seiner Entstehung gestützt, oder ge- nauer gesagt wird eine Schicht des Bauteils 10 während seiner Entstehung von dem Stützelement 20 gestützt, so bald das im Entstehen begriffene Bauteil 10 bzw. die konkave Kante 28 das eingangs erläuterte Grenzwinkelkriterium verletzt oder verletzen würde (siehe Fig. 8). Das Stützelement 20 kann dabei im Wesentlichen entlang der negativen Aufbaurichtung 28 verlaufen.
Die Fig. 2 zeigt lediglich einen beispielhaften Querschnitt durch ein beispielhaftes Bauteil und ein beispielhaftes Stützelement. Denkbar und erfindungsgemäß sind verschiedene Formen für das Stützelement. Einige bevorzugte Ausführungsformen werden in der Fig. 7 gezeigt und in der zugehörigen Figurenbeschreibung erläutert.
Fig. 3a zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines Strömungskanals 30. Der Strömungskanal 30 weist dabei zunächst eine (erfindungsgemäß) modellierte Wandung auf, die exemplarisch die Teilwandelemente 54, 56 und 58 umfasst. Diese sind durch eine diagonale Schraffur gekennzeichnet und jeweils in einem unteren, einem rech- ten und einem oberen Bildbereich angeordnet.
Zwischen den Teilwandelementen angeordnet ist ein durchströmbarer Hohlraum mit einer simulativ bestimmten Strömungsverteilung, die, wie eingangs erwähnt, beispielsweise mit Hilfe eines CFD-Programms berechnet worden sein kann. Die Strömungsverteilung ist durch abschnittsweise annähernd parallele Strömungspfeile 62, 64, 66 und 68 dargestellt und verläuft in der Bildebene von links nach rechts bzw. von links oben nach rechts oben (62 und 64) oder rechts unten (66 und 68). Diese Strömungsverteilung ist lediglich exemplarisch und kann auch anders ausgeführt oder dargestellt sein. Weiterhin in der Fig. 3 zu sehen ist die Aufbaurichtung 28, die nun lotrecht zur Bildebene angeordnet ist. Dies ist durch einen Kreis mit einem konzentrischen ausgefüllten Innenkreis angedeutet.
Fig. 3b zeigt eine weitere schematische Ansicht des Querschnitts des Strömungskanals 30. Zwischen den Teilwandelementen angeordnet ist nun eine exemplarische vordefinier- te zweite Strömungsverteilung, die durch abschnittsweise annähernd parallele Strömungspfeile 63, 65, 67 und 69 dargestellt wird.
In der in den Figuren 3a und 3b gezeigten Konfiguration wird beispielhaft davon ausge- gangen, dass die simulativ bestimmte erste Strömungsverteilung (durch die Pfeile 62, 64, 66 und 68 dargestellt) der vordefinierten zweiten Strömungsverteilung (durch die Pfeile 63, 65, 67 und 69 dargestellt) entspricht. Die Abweichung der ersten Strömungsverteilung von der zweiten, vordefinierten Strömungsverteilung muss also nicht verkleinert werden. In anderen Worten soll ein sich in dem Hohlraum ergebender Strömungsverlauf mithin von Form und räumlichen Anordnung von Stützelementen unbeeinflusst bleiben.
Fig. 4 zeigt nun eine erfindungsgemäße Anordnung und Form von Stützelementen, die geeignet sein kann, um diese Aufgabe zu lösen. Dabei weisen alle dargestellten Stützelemente exemplarisch eine ähnliche Querschnittsform auf. Die Anordnung der Stützele- mente wird in der nun folgenden Beschreibung anhand dreier ausgewählter Stützelemente erörtert. Diese ist jedoch auf alle weiteren in der Fig. 4 dargestellten Stützelemente anwendbar und gilt sinngemäß auch für diese.
Zu sehen ist eine schematische Ansicht eines Strömungskanals 40, der nun also zusätz- lieh zu den bereits bekannten Teilwandelementen 54, 56 und 58 und der Aufbaurichtung 28 eine Anzahl von Stützelementen aufweist. Die Strömungspfeile 73, 75, 77 und 79 stellen hierbei eine dritte Strömungsverteilung dar, die sich in dem Strömungskanal 40 ergeben könnte. Dabei sind drei Stützelemente 72, 74 und 76 entlang des Strömungspfeils 79 äquidistant angeordnet.
Die Stützelemente 72, 74 und 76 haben hier exemplarisch einen länglichen bzw. ovalför- migen Querschnitt. Hieraus kann eine geringe Beeinflussung der Strömungsverteilung resultieren. Denkbar wäre ebenfalls ein rechteckförmiger oder flügeiförmiger Querschnitt. Alternativ können Stützelemente auch einen Querschnitt haben, der einem Flügel- oder Tragflächenprofil ähnelt, oder beispielsweise als Führungsleitflügel ausgeformt sein. Alternativ kann eine Querschnittsform auch so gewählt werden, dass ein Strömungswiderstand eines jeweiligen Stützelements minimiert wird. Weiterhin ist es möglich, jedes einzelne Stützelement anforderungsgerecht zu gestalten. So sind möglicherweise an Strömungsverhältnisse angepasste, veränderliche Querschnitte vorzusehen. Einzelne Stütze- lemente oder Gruppen von Stützelementen können weiterhin so gestaltet werden, dass sie die Strömung gezielt im Sinne der Bauteilfunktion beeinflussen (siehe Fig. 6 und die zugehörige Figurenbeschreibung). In anderen Worten kann somit möglicherweise eine Funktionsintegration vorliegen oder erreicht werden.
Alternativ kann die Anordnung der Stützelemente 72, 74 und 76 auch dergestalt sein, dass die größte Länge ihres Querschnitts oder ihre jeweilige charakteristische Länge, die auch als Längenerstreckung bezeichnet werden kann, parallel bzw. tangential zu einem oder mehreren Strömungspfeilen oder Stromfäden 73, 75, 77 oder 79 ausgerichtet ist.
Ebenfalls exemplarisch ist die äquidistante Anordnung der Stützelemente. Dies kann je nach gewünschtem Anwendungsfall auch anders ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Distanz der Stützelemente durch die Bauteilgeometrie definiert oder vorgegeben sein. Auch der Abstand der einzelnen Stützelemente zueinander kann an die Geometrie des durchströmten Hohlraums angepasst werden. Der Prozess des Herstellverfahrens kann dabei in die die Gestalt der Stützelemente einbezogen werden.
Denkbar ist auch, dass einzelne Stützelemente eine Distanz zueinander aufweisen, die in einem Bereich zwischen 3 mm und 30 mm, in einem Bereich zwischen 4 mm und 25 mm oder in einem Bereich zwischen 5 mm und 20 mm liegt. Alternativ können Stützelemente mit einer Toleranz von +/-1 mm äquidistant in dem Strömungskanal angeordnet sein.
Die Anordnung und Form der Stützelemente können ermöglichen, dass die Abweichung von der Form und der räumlichen Anordnung der Stützelemente im Wesentlichen unbe- einflusst bleibt. In anderen Worten werden die einzelnen Stützelemente 72, 74 und 76 jeweils umströmt. Dadurch kann sich in dem Strömungskanal 40 eine Strömungsvertei- lung ergeben, die der Strömungsverteilung aus der Fig. 3 ähnelt. Alternativ können die stützenden Strukturen so gestaltet werden, dass sie (stets) möglichst parallell zur Aufbaurichtung 28, jedoch in ihrer Form stets innerhalb des eingangs beschriebenen Grenzwinkels verlaufen. In anderen Worten zeigt die Fig. 4 also einen Schnitt durch das gleiche Bauteil, das bereits in der Fig. 3 zur Veranschaulichung diente. Die Strömungslinien 73, 75, 77 und 79 repräsentieren den sich möglicherweise ergebenden Verlauf der Strömung. Es wird veranschaulicht, wie sich wiederholende (Stütz-) Elemente gemäß der hier zu schützenden Methode angeordnet werden können. In anderen Worten wird also, um die Gestalt komplexer durchströmter Hohlräume umsetzen zu können, möglicherweise zunächst ein digitales Modell des Bauteils entwickelt, in dem keinerlei Stützstrukturen vorgesehen sind. Beispielsweise mithilfe von CFD- Softwaretools kann nun der unter den gegebenen Randbedingungen zu erwartende Ver- lauf der Strömung durch den Hohlraum errechnet werden und als eine Menge von Stromfäden dargestellt werden. Die errechneten Stromfäden können als eine der Eingangsgrößen für das erfindungsgemäße Verfahren dienen (siehe Bezugszeichen 18 in Fig. 1 ).
Fig. 5 zeigt in einem oberen Bildbereich eine Detailansicht eines ovalförmigen Stützele- ments 50. Ebenfalls dargestellt ist die Aufbaurichtung 28 und ein exemplarischer Strömungsfaden 78. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung verläuft dabei die größte Länge eines Querschnitts des ovalförmigen Stützelements 50 entlang eines Abschnitts des Strömungsfadens 78. In anderen Worten zeigt Fig. 5 in dem oberen Bildbereich also die Anordnung des Querschnitts des Stützelements 50 relativ zu dem Strömungsfaden 78. Die Aufbaurichtung 28 des Stützelements oder eines Bauteils 10 (siehe Fig. 2) liegt hier normal zur Bildebene.
Fig. 5 zeigt in einem unteren Bildbereich eine Detailansicht eines ovalförmigen Stützele- ments 55, das als eine Modifikation des Stützelements 50 bezeichnet werden kann. Das Stützelement 55 weist jedoch zusätzlich eine durchströmbare Öffnung auf, wobei eine Längenerstreckung der Öffnung vornehmlich entlang eines Abschnitts eines Strömungsfadens 81 verläuft. Dies veranschaulicht eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 zeigt in einem oberen Bildbereich ein schematisches Schnittbild eines Strömungskanals 60 mit einer schraffiert dargestellten (modellierten) Wandung, die diesmal ein erstes Teilwandelement 82 und ein zweites Teilwandelement 83 umfasst. Das erste Teilwandelement 82 ist dabei innerhalb des oberen Bildbereiches oben angeordnet und das zwei- te Teilwandelement 83 innerhalb des oberen Bildbereiches unten. In einem Hohlraum des Strömungskanals bzw. im Bild zwischen den beiden Teilelementen 82 und 83 der Wandung sind zwei beispielhafte Strömungsverläufe angeordnet. Durchgezogen gezeichnet ist der Pfeil 84, der hier exemplarisch für die simulativ bestimmte erste Strömungsverteilung eines Fluids oder Mediums in dem Strömungskanal 60 stehen soll. Gepunktet ge- zeichnet ist hingegen der Pfeil 86. Dieser hat zunächst einen zu dem Strömungspfeil 84 abschnittsweise kongruenten Verlauf, so dass er in einem linken Bildbereich nicht von dem durchgezogenen Pfeil 84 unterscheidbar ist. In einem rechten Bildbereich krümmt sich der Pfeil 86 dann hin zu dem ersten Teilwandelement 82.
Der Pfeil 84 soll hier exemplarisch für eine simulativ bestimmte erste Strömungsverteilung stehen, während der Pfeil 86 eine vordefinierte zweite Strömungsverteilung darstellen soll. Im Gegensatz zu dem in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier eine Abweichung der ersten Strömungsverteilung von der vordefinierten zweiten Strömungsverteilung (im rechten Bildbereich) erkennbar. In anderen Worten zeigt Fig. 6 in dem oberen Bildbereich also eine erste Strömungsverteilung, die gerade von links nach rechts verläuft, sowie eine zweite Strömungsverteilung, die zunächst abschnittsweise gleich der ersten Strömungsverteilung ist, um sich dann nach oben, hin zu dem Teilwandelement 82, zu krümmen.
In einem unteren Bereich der Fig. 6 zu sehen ist eine schematisches Schnittbild eines Strömungskanals 70, der als eine Modifikation des Strömungskanals 60 bezeichnet werden kann. Der Strömungskanal 60 weist die bereits bekannten modellierten Teilwandelemente 82 und 83 sowie der Aufbaurichtung 28 auf. Zusätzlich ist nun jedoch ein Stützelement 88 innerhalb (des Hohlraums) des Strömungskanals angeordnet. Dieses weist eine Krümmung quer zur Aufbaurichtung auf. In anderen Worten ist das Stützelement 88 gekrümmt oder bananenförmig ausgeformt. Dies ist lediglich beispielhaft so dargestellt und kann auch anders ausgeführt sein. Beispielsweise kann das Stützelement 88 eine stärkere oder schwächere oder allgemein beliebige Krümmung quer zur Aufbaurichtung 28 aufweisen oder beispielsweise symmetrisch aufgebaut sein. Ein Strömungsverlauf oder Pfeil 92 (siehe Bezugszeichen 86 oben) ist vollständig durchgezogen gezeichnet, während ein Strömungsverlauf 94 (siehe Bezugszeichen 84 oben) im rechten Bildbereich gepunktet gezeichnet ist. Hierdurch soll verdeutlicht werden, wie das Stützelement 88 den sich ergebenden Strömungsverlauf bzw. die Strömungsverteilung beeinflussen kann. In anderen Worten kann die Abweichung der ersten Strömungs- Verteilung von der zweiten Strömungsverteilung minimiert werden. Die Fig. 6 kann hiermit den zweiten erfindungsgemäßen Fall (siehe Bezugszeichen 24 in Fig. 1) verdeutlichen. Es kann also möglicherweise eine Minimierung der Abweichung erreicht werden.
In anderen Worten veranschaulicht die Fig. 6, wie ein Stützelement anforderungsgerecht gestaltet werden kann, so dass es eine Strömung gezielt im Sinne einer Bauteilfunktion beeinflussen kann. In anderen Worten bietet die geschilderte Form und Anordnung des Stützelements 88 die Möglichkeit, neben einer eigentlichen Abstützfunktion der eingebrachten (Stütz-) Struktur, Strömungen in einem Hohlraum gezielt zu lenken. So können u. U. gestalterische Defizite des Hohlraums, die ein berechnetes Strömungsbild möglicherweise aufzeigt, durch gezieltes Ablenken der Strömung mittels entsprechend gestalteter und positionierter Stützelemente oder Stützen kompensiert werden.
Fig. 7 zeigt nun eine Übersicht über verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen von Stützelementen. In einem oberen Bildbereich sind schematische Querschnitte von fünf Stützelementen zu sehen, während in einem unteren Bildbereich jeweils ein Schnitt durch die Mitte dieser Stützelemente zu sehen ist. Die verschiedenen Stützelemente sind veranschaulichend alle dergestalt ausgebildet, dass sie entlang der Aufbaurichtung 28 (im Bildbereich links) bzw. zwischen zwei Punkten 48 (im Bildbereich links oben) und 52 (im Bildbereich links unten) angeordnet sind bzw. angeordnet werden könnten. Hierdurch soll verdeutlicht werden, wie jedes Stützelement beispielsweise zur Stützung eines Bauteils 10 (siehe Fig. 2) ausgebildet oder angeordnet sein könnte.
Bezüglich dem oberen Bildbereich mittig angeordnet zu sehen ist eine Schnittachse 92, die jedes Stützelement in der Mitte durchschneidet. In einem unteren Bildbereich der Fig. 7 sind die sich ergebenden Schnittbilder zu sehen.
Links oben in der Fig. 7 dargestellt ist ein Stützelement 80. Dieses weist exemplarisch einen ovalförmigen Querschnitt auf. Dies kann beispielsweise zur Minimierung des Strö- mungswiderstands hilfreich sein, und kann deshalb für den erfindungsgemäßen ersten Fall (siehe Bezugszeichen 22 in Fig. 1) vorteilhaft sein.
Rechts daneben zu sehen ist die schematische Ansicht eines Stützelemenfs 90, dessen Querschnitt beispielhaft durch ein erstes Viereck gebildet wird. Das Stützelement 90 weist eine durchströmbare Öffnung 96 auf. Diese wird durch ein bzgl. des ersten Vierecks konzentrisches zweites Viereck mit einem gleichen Seitenverhältnis, aber einer unterschiedlichen flächenmäßigen Erstreckung gebildet. Dies ist abermals aus Gründen der Anschaulichkeit so ausgeführt, denkbar wäre auch eine kleinere, größere oder nicht konzentrisch oder rechteckig ausgeführte Öffnung. Alternativ könnte die Öffnung auch einen runden, eckigen oder allgemein polygonförmige Querschnitt aufweisen. In dem unteren Bildbereich bzw. direkt unter dem Stützelement 90 zu sehen ist der Querschnitt entlang der Schnittachse 92. Hierbei zu sehen sind die Schnittkanten in der Schnittebene der Schnittachse 92, die exemplarisch von links unten nach rechts oben schraffiert dargestellt sind, sowie eine tieferliegende Ebene, die exemplarisch von links oben nach rechts unten schraffiert dargestellt ist. Ein Fluid könnte in dem unteren Bildbereich von unten nach oben oder von oben nach unten durch das das Stützelement 90 entlang der von links oben nach rechts unten schraffierten Fläche hindurchströmen.
Denkbar ist weiterhin, dass nicht nur eine durchströmbare Öffnung, sondern eine Mehr- zahl von durchströmbaren Öffnungen in einem Stützelement angeordnet sind.
Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist rechts neben dem Stützelement 90 zu sehen. Dargestellt ist ein Stützelement 100, das nun eine Vielzahl von durchströmbaren Öffnungen aufweist. Hierbei weist eine einzelne durchströmbare Öffnung 98 exemplarisch einen sechseckigen oder wabenförmigen Querschnitt auf. Das gesamte Stützelement wird gebildet durch eine Vielzahl von direkt aneinander angeordneten Öffnungen. Mit anderen Worten wird also zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen des Stützelements durch eine sechseckförmige oder wabenförmige Struktur gebildet. Bei einer sich im Vergleich zu beispielsweise dem Stützelement 80 oder 90 etwas weiter in die Breite erstre- ckenden Ausdehnung kann das Stützelement 100 möglicherweise aus weniger Material gebaut werden. Dies ist möglicherweise in einem günstigen Verhältnis von Wandmaterial zu Volumen begründet.
Unter der Darstellung des Stützelements 100 zu sehen ist ein Querschnitt des Stützele- ments 100 entlang der Schnittachse 92. Es ist wiederum die Schnittebene durch die von links unten nach rechts oben ausgeführte Schraffur dargestellt. Eine tieferliegende Ebene ist durch Kreuzschraffur angedeutet. Zwischen den einzelnen Ebenen sind Abschrägungen zu sehen, die durch das Weglassen einer Schraffur gekennzeichnet sind. Ein Fluid könnte in dieser Bildebene von oben nach unten oder von unten nach oben durch das gezeigte Stützelement hindurchströmen.
Eine weitere vorteilhafte Stützelementstruktur ist das Stützelement 1 10, in der Fig. 7 rechts vom Stützelement 100 gezeigt. Zu sehen ist ein Stützelement, das nun exemplarische eine dreieckige Öffnung 102 oder eine viereckige bzw. rautenförmige Öffnung 104 umfasst. Alternativ können Öffnungen einen dreieckigen oder viereckigen oder rautenförmigen Querschnitt aufweisen. Diese Aufbauweise kann statische Vorteile bieten. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass möglicherweise eine Materialeinsparung erreicht werden kann, wenn dies im konkreten Anwendungsfall gewünscht sein sollte. Im unteren Bildbereich zu sehen ist der Schnitt entlang der Schnittachse 92 des Stützelements 1 10. Hier zu sehen sind keine Schraffuren, da lediglich (bzgl. der Bildebene) geneigte Flächen in dem Schnittbild zu sehen sind.
Zur Demonstration einer weiteren möglicherweise vorteilhaften Stützelementstruktur ist rechts neben dem Stützelement 1 10 ein Stützelement 120 dargestellt. Hier wird zwar abermals ein Teil der Struktur durch ein Dreieck 106 sowie ein weiterer Teil durch ein Viereck 108 gebildet, die sich ergebende Struktur ist jedoch anders als beim Stützelement 1 10. Es handelt sich hier um eine sich entlang der Aufbaurichtung 28 verästelnde Struktur. Dies kann abermals aus Gründen der Statik vorteilhaft sein, oder wenn beispielsweise nicht viel Platz am Ort des Punktes 52 zur Verfügung steht. Es kann aus den eingangs erwähnten Gründen jedoch nicht nur bei der Konstruktion eines solchen sich baumartig verästelnden Stützelements darauf geachtet werden, dass ein Winkel, der von einer Tangente an den jeweiligen Rand des Stützelements mit der Aufbaurichtung 28 eingeschlossen wird, nicht einen vorbestimmten Grenzwinkel überschreitet. Dies wird durch die beiden Winkel 1 12 und 1 14 veranschaulicht, die sich aus gepunktet gezeichneten Tangenten an Kanten des Stützelements 120 und zur Aufbaurichtung 28 parallelen Pfeilen ergeben. Es ist zu erkennen, dass der Winkel 1 14 größer ist als der Winkel 1 12. Unter Umständen könnte dieses Stützelement nicht durch ein generatives Verfahren gebaut werden bzw. hätte nicht den gewünschten Effekt. Sind jedoch sowohl der Winkel 1 12 als auch der Winkel 1 14 kleiner als ein (anwendungsspezifischer) Grenzwinkel, so kann das Stützelement möglicherweise mit der gewünschten baumähnlichen Struktur gebaut werden.
Dieses Kriterium kann für jedes in der Fig. 7 gezeigtes oder allgemein jedwedes Stützelement und nicht nur für das Stützelement 120 gelten. Unter anderem kann eine entsprechende Überprüfung etwa beim Stützelement 100 oder auch beim Stützelement 1 10 erfolgen, da sowohl das Stützelement 100 als auch das Stützelement 1 10 zur Aufbaurich- tung 28 hin oder von der Aufbaurichtung 28 weg geneigte schräge Flächen aufweisen. Aus Gründen der Anschaulichkeit wurde dieser Sachverhalt lediglich am Beispiel des Stützelements 120 erläutert.
In einem unteren rechten Bereich der Fig. 7 ist wiederum ein Schnitt durch das Stützele- ment 120 entlang der Schnittachse 92 dargestellt. Es ergibt sich ein im Vergleich zu den vorher gezeigten Stützelementen ein weniger in die Breite ausgedehnter Querschnitt. Es sei ferner betont, dass es sich bei allen soeben gezeigten und erläuterten Stützelementen lediglich um beispielhafte Ausführungsformen handelt. Allgemein können vorteilhafte Stützelemente bspw. mehrere oder anders ausgeführte dreieckige, viereckige, sechseckige oder allgemein n-eckige Strukturen aufweisen. Alternativ vorstellbar sind auch waben- oder rautenförmige Strukturen. Auch und besonders die baumartig verästelnde Struktur, die das Stützelement 120 aufweist, könnte auch anders ausgeformt sein, z. B. mit mehr oder weniger„Ästen", mehr oder weniger Verästelungen, mit mehr als einem„Stamm" usw.
Denkbar und vorteilhaft kann ebenfalls eine beliebige Kombination der soeben erläuterten strukturellen Merkmale sein.
Die vorliegende Erfindung wurde oben anhand ausgewählter Ausführungsformen erläu- tert. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das beschriebene Verfahren genutzt werden, um Prototypen bzgl. Varianten in kleinen Stückzahlen in der Entwicklung einzusetzen. Insbesondere sei hier auf die Anwendung in Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren hingewiesen. Diese hochkomplexen Bauteile enthalten normalerweise einen komplexen, wasserdurchström- ten Kühlmantel, der häufig von außen nicht bzw. nur äußert eingeschränkt zugänglich sein kann. Da Zylinderköpfe in der Regel vor dem Anlauf der Serienproduktion mehrere Veränderungsschleifen durchlaufen, kann die Anwendung generativer Fertigungsverfahren bzw. insbesondere die Anwendung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens äußerst zeit- und kosteneffizient sein.
Abgesehen von der Anwendung bei Vorserien-Prototypenbauteilen kann ebenso der Einsatz für Klein- und Kleinstserien bzw. Einzelstücke von Bauteilen mit höchsten Performanceansprüche bei untergeordneten Kostenanforderungen sinnvoll sein. D/es kann beispielsweise auf viele Anwendungen in den Bereichen Motorsport und Luft- und Raumfahrt zutreffen.
Besonders erwähnt seien hier wieder Kühlmittelmäntel in Zylinderköpfen von Motorsportmotoren, da hier häufig eine höchstmögliche Kühlleistung und ein möglichst geringes Gewicht gefordert werden. Die meist geringe Stückzahl pro Bauteil(-variante) kann für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren sprechen. Weiterhin kann der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in kompakten Wärmetauschern zur Steigerung der wärmeübertragenden Fläche interessant sein.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steu- ersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Com- putersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfigu- riert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzu- führen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Ein- zelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Strömungskanals (30; 40; 60; 70) zur Führung eines Fluids, der zumindest teilweise durch ein stereolithographisches Verfahren hergestellt wird, bei dem in einer Aufbaurichtung (28) mehrere Schichten (32; 34; 36; 38; 42; 44) stapeiförmig nacheinander ausgebildet werden, mit einer Wandung (54; 56; 58; 82; 83) und einem Stützelement (50; 72; 74; 76; 80; 88; 90; 100; 110; 120), wobei das Stützelement ausgebildet wird, um eine der Schichten während ihrer Ausbildung in der Aufbaurichtung zu stützen, mit folgenden Schritten:
- Modellieren der Wandung des Strömungskanals (12);
- simulatives Bestimmen einer durch Strömungsfäden repräsentierbaren ersten Strömungsverteilung (62; 64; 66; 68; 84) des Fluids in dem Strömungskanal, mit der modellierten Wandung, unter der Annahme, dass kein Stützelement in dem Strömungskanal vorhanden ist (14);
- Entscheiden, ob eine Abweichung der ersten Strömungsverteilung von einer vordefinierten durch Strömungsfäden repräsentierbaren zweiten Strömungsverteilung (63; 65; 67; 69; 86) entweder tolerierbar oder nicht tolerierbar ist (16); und
- Bestimmen einer Form und einer räumlichen Anordnung für das Stützelement, so dass die Abweichung entweder von der Form und der räumlichen Anordnung des Stützelements im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, falls die Abweichung tolerierbar ist (22), oder verkleinert wird, falls die Abweichung nicht tolerierbar ist (24).
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Stützelement (50; 72; 74, 76) einen länglichen Querschnitt quer zur Aufbaurichtung aufweist, und wobei eine Längenerstreckung des Stützelements größer ist als eine Breitenerstreckung des Stützelements, wobei sowohl die Längenerstreckung als auch die Breitenerstreckung quer zur Aufbaurichtung verlaufen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Querschnitt ovalförmig (50), rechteckför- mig (90) oder flügeiförmig (80) ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das Stützelement (90; 100; 110; 120) zumindest eine durchströmbare Öffnung (96; 98; 102; 104) aufweist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Öffnung einen runden, einen eckigen oder insbesondere einen dreieckigen (102; 106), viereckigen (96; 108) oder sechseckigen (98) Querschnitt aufweist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei eine Längenerstreckung der Öffnung größer ist als eine Breitenerstreckung der Öffnung, und wobei sowohl die Längener- Streckung als auch die Breitenerstreckung quer zur Aufbaurichtung verlaufen.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Stützelement (90; 100;
110; 120) eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist. 8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen im Wesentlichen quer zu der Aufbaurichtung angeordnet ist (110; 120).
9. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen im Wesentlichen entlang der Aufbaurichtung angeordnet ist (90; 100).
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine sechseckförmige oder wabenförmige Struktur gebildet wird (100). 11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine dreieckförmige Struktur gebildet wird (1 10; 120).
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine viereckförmige oder rautenförmige Struktur gebildet wird (110).
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von Öffnungen durch eine sich entlang der Aufbaurichtung verästelnde Struktur gebildet wird (120).
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei das Stützelement (88) eine Krümmung quer zur Aufbaurichtung aufweist.
15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Distanz zwischen einem Stützelement und einem weiteren Stützelement in einem Bereich zwischen 3 mm und 30 mm, bevorzugt in einem Bereich zwischen 4 mm und 25 mm, oder besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 mm und 20 mm liegt.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Stützelementen mit einer Toleranz von +/-1 mm äquidistant in dem Strömungskanal angeordnet wird.
17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine größte Länge eines Querschnitts des Stützelements (50) vorzugsweise entlang eines Abschnitts eines Strömungsfadens (78) verläuft.
18. Verfahren gemäß einem Ansprüche 4 bis 17, wobei eine Längenerstreckung der Öffnung vorzugsweise entlang eines Abschnitts eines Strömungsfadens (81 ) verläuft.
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