WO2019201398A1 - Verfahren zur herstellung eines biofidelen vogelschlagsimulationskörpers - Google Patents

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WO2019201398A1
WO2019201398A1 PCT/DE2019/100369 DE2019100369W WO2019201398A1 WO 2019201398 A1 WO2019201398 A1 WO 2019201398A1 DE 2019100369 W DE2019100369 W DE 2019100369W WO 2019201398 A1 WO2019201398 A1 WO 2019201398A1
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bird
skeleton
printing
bone
soft tissue
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PCT/DE2019/100369
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Inventor
Peter Schimmelpfennig
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Crashtest-Service.Com Gmbh
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    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B12/00—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material
    • F42B12/72—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material characterised by the material
    • F42B12/74—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material characterised by the material of the core or solid body
    • F42B12/745—Projectiles, missiles or mines characterised by the warhead, the intended effect, or the material characterised by the material of the core or solid body the core being made of plastics; Compounds or blends of plastics and other materials, e.g. fillers
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/30—Anatomical models
    • G09B23/34—Anatomical models with removable parts
    • G—PHYSICS
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B25/00—Models for purposes not provided for in G09B23/00, e.g. full-sized devices for demonstration purposes

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a biofidelen Vogelschlagsi mulations stressess with the features of the preamble of claim 1.
  • the bird strike describes the clash between birds and objects. In addition to the mostly deadly effect on the birds, the bird strike often leads to severe damage to the affected objects. Not only the spectacular ditching of an Airbus A320 on the Hudson River in 2009 after bird strike in both engines has raised public awareness of the danger of avian bird strikes. In the field of traffic and sport aviation, in particular during the take-off and landing phases, a loftage is possible in the military sector, even in low-lying situations. Particularly vulnerable components of an aircraft are the nose nose, landing gear, engines and wing and tail leading edges. In addition to action plans to prevent bird strikes, such as by deterring bird flocks at airports, regulatory agencies are testing the components of bird strike behavior. When developing engines and fuselages, the bird strike must be tested at different levels.
  • DE 10 2015 226 371 A1 German Aerospace Center e. V. (DLR) on an art bird for use as part of the bird drop test.
  • DLR German Aerospace Center e. V.
  • This consists of a material that is supposed to reproduce muscle or tissue and is analogous to the already presented art bird shaped like a cylinder with adjacent hemispheres.
  • the inner structure is based exclusively on the strength of the bird's body. Even this waterbird is therefore not suitable as a substitute and is not set in reality.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for producing a bird simulator body, which can serve as a complete replacement for Vo gelkadaver in the context of bird strike tests. This object is achieved by a method for producing a Vogelschlagsimulati ons stressess with the features of claim 1.
  • the bird percussion simulation body according to the invention is constructed so that it has na faithful (“biofidele”) properties of real birds, namely in particular has a largely detailed skeleton, which is embedded in a soft tissue element.
  • the skeleton can z. B. be simulated by three-dimensional scanning of a real Vo gel skeleton. Simplifications are possible such as smoothing of surface fissures, summary of very small bones, etc., as these measures have no bearing on the use in the bird strike test.
  • At least the skeleton is made in 3D filament printing.
  • the printing process results in a complete three-dimensional and bird skeleton, or one of several bird skeleton groups, which are then combined together to form the overall bird skeleton.
  • more or less large skeletons are needed, the dimensions experienced in the inventive method, a limitation by the available working space of the 3D printer.
  • Knochenge scaffold is made in one piece, or at least in each skeleton group. Because it can be made completely free of metallic fasteners such as wires or pins. By avoiding large metallic particles, which have a considerable momentum in the experiment described above due to the high speeds, costly and also not the reality ent speaking damage is avoided by metal parts on aircraft, engines and other aircraft parts.
  • the bird impact simulation body obtained by the method according to the invention not only has a skeleton of bone substance alone, but at the same time the skeleton also has proportions of simulated cartilage substance.
  • biomechanical bone-cartilage framework which also represents the soft tissue, namely the muscle and connective tissue structure of the bird's body by embedding in a composite composite of silicone.
  • the bone cartilage framework is realized by means of filament 3D combination printing of the bone scaffold and the cartilaginous joint structure in one printing process.
  • the cartilage elements are therefore not added later, but directly at Dru bridges integrally formed with the skeleton, so that in terms of tensile and tear strength of the bird simulator according to the invention results in a much more realistic behavior, as in individually manufactured ele ments, according to Type of a model kit are plugged together and glued, which would be the case.
  • PEEK polyetheretherketone
  • / or PEEK-carbon will preferably be used.
  • the skeleton or bone-cartilage framework is to be formed from two to six, preferably up to a maximum of four printed parts in order to reduce the cost of the Monta.
  • the subgroups are in particular via positive Combined connecting elements, which are printed on the skeleton with on.
  • Undercuts on connecting pins, receiving bushings and the like surfaces can be formed wall in almost any shape and number and without additional toyssetz due to the inventive application of a 3D-Druckverfah-.
  • the biofidelen properties of the natural bird body are modeled.
  • the biofidele design combined with a highly scalable size approach, allows the bird simulator to provide a complete replacement of avian carcasses in bird strike testing, making this test method more reproducible, easier and less expensive.
  • the size and structure of the skeleton such as the soft tissue, are ajar to a standard size and weight chicken, a so-called "standard chicken”.
  • a receiving element is provided for a Testmaschinenausklinkvorrich device that is either printed as an extension of the bone and cartilage framework or is bedded as a separate part in the soft tissue element with. This allows a simplified and reproducible use of the biofiil bird in crash tests in the automotive and rail sector.
  • silicones are used in composite construction to construct the properties of the muscle or connective tissue and the remaining bird's body.
  • a solid-curing and a soft-curing silicone are possible (silicones with different Shore hardness).
  • the chosen silicones must represent the individual strengths and overall strength of the bird. On the other hand, they must (a) be compatible with each other, (b) also adhere and adhere to the contact surfaces of the artificial bone-cartilage framework, and (c) not exhale any substances that alter the material properties of the artificial or artificial bone.
  • the viscosity of the silicones to be processed is important for which molds can be cast.
  • the size change of the silicones so that Shrinkage during drying must be controllable and similar for all silicones used.
  • there are many requirements for the composite silicone encapsulation process and thus a multitude of technical hurdles that must be overcome.
  • the soft tissue parts can also be printed simultaneously with bone and / or cartilage. If enough soft, fusible materials are available, then the soft tissue parts can be printed with the who
  • the use of the bird simulator body should simplify the test procedure significantly and reduce the overall costs for the test procedure. Based on its good storability, its hygienic safety and its simpler handling, the bird simulator body is more cost-effective overall. The direct acquisition costs are not decisive in view of the overall costs of the bird strike test.
  • Bird carcasses vary in their masses and aerodynamic properties.
  • the bone weight and bone density varies massively, for example, depending on the age of the birds.
  • the Her bird simulator set according to the invention is clearly defi ned with respect to these parameters and can be taken gefer in large quantities with reproducible properties, so that its use provides reproducible results and the Standardization of the experimental conditions allows. This standardization consequently also increases the comparability of the results between different providers and test facilities.
  • the killing of birds for technical experiments is also ethically problematic, especially with regard to the use of a potential food.
  • the test condition that several birds with similar characteristics are to be used in a test series, for example with regard to their mass and their bone structure, and the necessity of temporal-logistical planning of the experiments lead to an excess of bred and killed animals.
  • birds with a light bone skeleton are selected for experimental purposes. Much of the unsuitable animals are unnecessarily bred and killed.
  • Figures 1, 2 each show a bird simulator body in a schematic side view.
  • FIG. 1 shows a bird simulator 100 in the form of an artificial bifid chicken.
  • the bird impact simulation body 100 comprises a head 1, a neck region 2, a torso region 3, a leg region 4 and a tail spring region 5.
  • the outer contour line is defined by a silicone mass that simulates the proportion of soft tissue and that an internal one , printed skeleton 6 of plastic such as in particular PEEK or a PEEK compound wrapped.
  • FIG. 2 shows the bird simulator 100 once again, with dotted dividing lines being shown here, which characterize the subdivision into a plurality of subelements 10, 20, 30, 40.
  • the subdivision is to facilitate the implementation of the manufacturing process and, if necessary, to perform a scaling, in which, for example, the sub-elements 10, 30, 40 for head 1, neck 2 and legs and feet 4 with a larger or smaller sub-element 20 for the hull 3 combi ned to make, for example, a weight grading.
  • Each of the partial elements 10, 20, 30, 40 has a bird skeleton group 11, 21, 31,
  • the aim of the invention is to reproduce the spatial extension of the real bird skeleton and to reproduce its mass and ductility. It is less important to reproduce the exact number of bones, because anyway no zel bone be produced by the method according to the invention, but a monolithic skeletal or Operat- body in which the bones formed separately in nature seamlessly merge into each other.
  • Each bird skeleton group 11, 21, 31, 41 is cast in a silicone material, so that around the bird skeleton groups 11, 21, 31, 41 around each Weichgewebeele elements 13, 23, 33, 43 are formed.
  • a cartilage element 12, 22 is each formed Weil, which is formed directly with the bird skeleton group 11, 21 in the printing process, so that cartilage 12, 22 and bird skeleton group 11, 21 are materially interconnected.
  • connection units 51, 52, 53, 54, 55 are coupled to each other via connection units 51, 52, 53, 54, 55.
  • the connec tion elements 51, 52, 53, 54, 55 placed in places where in the natural model Joints are formed. Since a mobility of the bird skeleton groups 11, 21, 31, 41 but is not required, the connection units 51, 52, 52,
  • 53, 54, 55 are rigid and can also be positioned at any other locations.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines biofidelen Vogelschlagsimulationskörpers (100), mit wenigstens folgenden Schritten: - Drucken des Knochengerüsts wenigstens einer Vogelskelettgruppe (11, 21, 31, 41) aus einem Knochensubstanzwerkstoff mittels 3D-Filamentdruck; und - Bildung wenigstens eines Weichgewebeelements (13, 23, 33, 43) durch: • Eingießen der Vogelskelettgruppe (11, 21, 31, 41) in einen Silicon-Composite-Werkstoff und Aushärtenlassen des Silicon-Composite-Werkstoffs zur Bildung wenigstens eines Weichgewebeelements (13, 23, 33, 43) und/oder • Aufdrucken wenigstens eines Weichgewebeelements (13, 23, 33, 43) aus einem Werkstoff mit gegenüber dem Knochensubstanzwerkstoff geringerer Härte, zusammen mit dem Drucken des Knochengerüsts.

Description

Verfahren zur Herstellung eines biofidelen Vogelschlagsimulationskörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines biofidelen Vogelschlagsi mulationskörpers mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Der Vogelschlag (engl.„Bird strike“) beschreibt den Zusammenprall zwischen Vö geln und Objekten. Neben der meist tödlichen Wirkung auf die Vögel führt der Vogel schlag oft zu starken Beschädigungen an den betroffenen Objekten. Insbesondere in der Verkehrsindustrie stellt Vogelschlag neben dem finanziellen Risiko ein hohes Si cherheitsrisiko dar. Nicht zuletzt die spektakuläre Notwasserung eines Airbus A320 auf dem Hudson-River 2009 nach Vogelschlag in beiden Triebwerken hat das öffent liche Bewusstsein für die Gefahr des Vogelschlags in der Luftfahrt sensibilisiert. Vo gelschlag tritt in der Verkehrs- und Sportfliegerei insbesondere während der Start- und Landephase auf, während im militärischen Bereich auch bei Tiefflügen ein Vo gelschlag möglich ist. Besonders gefährdete Bauteile eines Flugzeugs sind die Flug zeugnase, Fahrwerke, Triebwerke sowie Flügel- und Leitwerksvorderkanten. Neben Maßnahmenplänen zur Vermeidung von Vogelschlag, beispielsweise durch Ab schreckung von Vogelschwärmen an Flughäfen, schreiben Zulassungsbehörden Tests der Bauteile zum Verhalten bei Vogelschlag vor. Bei der Entwicklung von Triebwerken und Rumpfteilen muss der Vogelschlag auf verschiedenen Ebenen ge testet werden.
Beim Vogelschlag auf ein Flugzeug wirken innerhalb von wenigen Sekundenbruch teilen hohe Kontaktdrücke mit variablem Betrag, Verteilung und Wirkfläche. Diese Kontaktdrücke führen zu Dehnungen mit plastischer Verformung bei Metallen, Dela- minationen und Brüchen bei Faserverbunden, Steifigkeits- und Temperaturveränderungen. Dies kann gegebenenfalls zum Versagen der Bauteile führen. Grundsätzlich hängt die Stärke und Dauer des Druckimpulses sowohl von der Kollisionsgeschwindigkeit als auch dem Kollisionswinkel ab sowie von den Ab messungen und Maßen des Vogels.
Aktuell werden hierfür nur einfache Computersimulationen mit abstrakten Ersatzkör per und simplifizierte Labortests durchgeführt. Für die Realtestung der verschiede nen Entwicklungsstufen und die Zulassung der Bauteile wird der Vogelschlag in mehreren Szenarien nachgestellt, wobei echte Vogelkadaver verwendet werden.
Bei der Standard-Test-Methode der ASTM International werden Vogelkadaver mit Hilfe einer speziellen Pressluftkanone („Hühnerkanone“) auf ein transparentes Luft fahrtgehäuse geschossen, das in eine Stützstruktur eingesetzt ist. Die Vogelkadaver werden dabei auf mehr als 334 m/s beschleunigt. Standardmäßig wird ein Huhn mit einem Gewicht von 1 ,81 kg eingesetzt. Abhängig von den Zertifizierungsvorschriften und den Toleranzen kommen jedoch auch Vögel zum Einsatz, deren Gewicht von 1 ,3 bis 2,8 kg variiert. Die richtige Präparation und Lagerung der Hühner macht das Testverfahren extrem aufwendig. Die verwendeten Tiere können nach Tötung ent weder bis zu 8 Stunden in einem geschlossenen Container bei 15-26 °C aufbewahrt werden, einen Tag bei Kühlung aufgehoben werden oder eingefroren werden. Bei ei nem gekühlt gelagerten Huhn bzw. gefrorenen Huhn müssen allerdings klare Auf wärm- bzw. Auftauvorschriften eingehalten werden. Die Handhabung ist somit um ständlich und aufwändige Reinigungs- und Desinfektionsmaßnahmen sind nach der Testung zur Beseitigung der Reste der Vogelkadaver notwendig. Zusätzlich ist die Verwendung von Tieren zu diesem Zweck moralisch bedenklich.
Der Einsatz von Vogelkadavern führt in technischer Sicht teilweise zu nicht reprodu zierbaren Ergebnissen, da sich die Massen und die aerodynamischen Eigenschaften der Vögel unterscheiden.
Aktuell ist eine Simulation des Vogelschlags mittels Software nicht möglich, da die komplexen strukturellen Interaktionen zwischen Vogel und Ziel nur begrenzt nachge stellt werden können und somit die erwarteten Schäden am Bauteil nicht mit ausrei chender Aussagekraft modelliert werden können. Als alternativer Ansatz wurde in der Vergangenheit bereits der Versuch unternom men Vogelkadaver durch sogenannte Kunstkörper im Vogelschlag-Test zu ersetzen. Solche Kunstkörper sind beispielsweise in der Veröffentlichung SHUPIKOV et al: „Bird Dummy for Investigating the Bird-Strike Resistance of Aircraft Components“, er schienen in: Journal of Aircraft, Vol. 50, No. 3, May-June 2013, Seite 817ff. be schrieben. Allerdings stellen die bisher im Rahmen von Voruntersuchungen von Un ternehmen verwendeten Kunstkörper nur begrenzt die biometrischen Parameter echter Vögel nach, sondern sind eher hinsichtlich eines einfachen und praktischen Testverfahrens optimiert. Grundsätzlich können Kunstvögel basierend auf zweierlei Betrachtungsweisen entwickelt werden. Zum einen unter der Annahme, dass ähnli che Materialeigenschaften beim Aufprall zu ähnlichen Belastungen führen. Dazu werden Materialien gewählt, die hinsichtlich ihrer durchschnittlichen Dichte und Poro sität ähnlich zu denen des Muskelgewebes des Vogels sind. Alternativ kann der An satz verfolgt werden, das Hauptaugenmerk darauf zu legen, die Belastung beim Auf prall genau nachzustellen ohne Berücksichtigung der Eigenschaften des Muskelge webes des Vogels. Dabei spiegeln alle bisher entwickelten Kunstvögel nicht die geo metrische Form des Vogels wider, sondern bilden entweder einen Zylinder, einen zy lindrischen Grundkörper, der von Halbkugeln abgeschlossen wird, oder ein Ellipsoid
Die am häufigsten verwendeten Materialien sind Gummi und Gelatine, aber auch Paraffin, Öl-Gelatine Mischungen, Ton, Metallpulver oder Blei und eine Mischung aus Vaseline und Holzchips und andere kamen bereits zum Einsatz. 2013 wurde eine Neuentwicklung eines Kunstvogels durch ukrainische Forscher publiziert. Die ser Kunstvogel soll ein 1.81 kg schweres Huhn nachbilden und ist in Form eines Zy linders mit angrenzenden Halbkugeln aufgebaut. Diese starke Vereinfachung ver wenden die Autoren laut eigener Aussage, um sowohl das Herstellungsverfahren zu vereinfachen als auch den zielgerichteten Abschuss in der Hühnerkanone zu erleich tern. Auch die Modellierung des Muskelgewebes, des Skeletts und der inneren Kavi täten ist stark vereinfacht und entspricht nur sehr begrenzt der Realsituation eines Vogels. Bei diesem Ansatz wird versucht, das Muskelgewebe mit Silikon darzustel len, wohingegen das Skelett und die Hohlräume über eine Füllung aus gleichgroßen Plastikbällen nachgeahmt werden. Die Auswahl des Silikons orientiert sich dabei an der abgeleiteten muskulären Dichte eines Huhnes von 1 ,1 g / cm3. Der Einsatz von Plastikbällen soll die Gesamtdichte auf 0,93 g/cm3 herabsetzen. Zusammenfassend werden bei diesem Nachbildungsversuch starke Abstraktionen der Form und des Aufbaus des Körpers vorgenommen. Der Aufbau des Körpers wird hier primär durch die Dichteeigenschaften eines Huhns bestimmt und orientiert sich in keiner Weise an den anatomischen Strukturen und den sich daraus ergebenden Belastungen beim Aufprall des realen Vogelkörpers auf die Flugzeugteile. Dieser Kunstvogel ist somit nicht geeignet, echte Vögel im Vogeltest zu ersetzen und findet keine praktische Anwendung.
Neben der beschriebenen Entwicklung arbeitet auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) an einem Kunstvogel zum Einsatz im Rahmen des Vo- gelschlag-Tests, siehe DE 10 2015 226 371 A1. Dieser besteht aus einem Material, das Muskel bzw. Gewebe nachbilden soll und ist analog zum bereits vorgestellten Kunstvogel geformt wie ein Zylinder mit angrenzenden Halbkugeln. Die innere Struk tur orientiert sich dabei ausschließlich an der Festigkeit des Vogelkörpers. Auch die ser Kunstvogel ist somit nicht als Ersatz geeignet und wird in der Realität nicht ein gesetzt.
Die Testung auf das Verhalten bei Vogelschlag ist für ein breites Spektrum an Flug zeugbauteilen wichtig und begleitet die gesamte Entwicklungsphase und die Zulas sungsphase. Obwohl dieses Testverfahren im Rahmen der Neuentwicklung von Flugzeugbauteilen sehr wichtig ist, konnte bis jetzt noch kein kostengünstiges, einfa ches, reproduzier- und standardisierbares Verfahren entwickelt werden, mit dem der reale Vogelschlag nachgestellt werden kann.
Computersimulationen mit abstrakten Ersatzkörpern sind nicht ausreichend, um den Vogelschlag und dessen Effekte auf Flugzeugstrukturen sicher nachzustellen und er füllen die Anforderungen aktuell nicht.
Auch außerhalb der Luft- und Raumfahrtindustrie könnten Kunstvögel auch zur Si mulation von Vogelschlag an Automobilen und Zügen Verwendung finden. Auch eine breitere Anwendung, beispielsweise bei der Simulation von Schäden durch Vogel schlag an Windkrafträdern ist naheliegend.
+Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Vogelschlagsimulationskörpers anzugeben, welcher als vollständiger Ersatz für Vo gelkadaver im Rahmen der Vogelschlagtests dienen kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Vogelschlagsimulati onskörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Vogelschlagsimulationskörper ist so aufgebaut, dass er na turgetreue („biofidele“) Eigenschaften realer Vögel besitzt, nämlich insbesondere ein weitgehend detailgetreues Knochengerüst besitzt, das in ein Weichteilgewebeele ment eingebettet ist.
Das Knochengerüst kann z. B. durch dreidimensionales Scannen eines realen Vo gelskeletts nachgebildet werden. Dabei sind Vereinfachungen möglich wie Glättung von Oberflächenfissuren, Zusammenfassung sehr kleiner Knochen usw., da diese Maßnahmen für die Verwendung in der Vogelschlagprüfung keinen Einfluss haben.
Zumindest das Skelett wird im 3D-Filamentdruck hergestellt. Dadurch können Werk stoffe wie PEEK und Compounds mit PEEK verwendet werden, die hinsichtlich ihrer Dichte und Duktilität mit natürlichen Knochen von Vögeln wie insbesondere Haus hühnern vergleichbar sind. Knochen von Lebewesen sind keine homogenen Körper, sondern besitzen makroskopische und mikroskopische Hohlräume. Diese Eigen schaft können durch ein gedrucktes Skelett simuliert werden. Außerdem wird durch das Druckverfahren ein komplettes dreidimensionales und Vogelskelett erhalten, o- der eine von mehreren Vogelskelettgruppen, die dann miteinander zu dem Gesamt- Vogelskelett kombiniert werden. Je nachdem, welche Vogelgattung mit dem Vogel schlagsimulationskörper nachgeahmt werden soll, werden mehr oder weniger große Knochengerüste benötigt, deren Abmaße bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Begrenzung durch den verfügbaren Arbeitsraum des 3D-Druckers erfahren.
Die Unterteilung in miteinander zu kombinierende Baugruppen kann aber auch aus einem anderen Grund vorteilhaft sein, nämlich zur Darstellung der anisotropen Ei genschaften des Vogelskeletts, also der Abhängigkeit des Belastungsverhaltens des Skeletts von der Belastungsrichtung
Eine Unterteilung des Knochengerüsts bzw. des Knochen-Knorpel-Gerüsts in vor zugsweise vier gedruckte Teile ermöglicht es, die anisotropen Eigenschaften des Vogelskeletts durch die selbst anisotropen Eigenschaften der künstlichen Druckma terialien mit einzubeziehen, indem die Skelettbaugruppe in einer bestimmten räumli chen Ausrichtung im Druckbett erzeugt wird. Aufgrund der Anwendung der Filament- 3D-Drucktechnik ergeben sich zwangsläufig Schichtenstrukturen. Durch verschie dene räumliche Ausrichtung des zu erzeugenden Bauteils ist die erzeugte Schich tenlage anders und geometrisch gleiche Teile können dennoch ein unterschiedliches Belastungsverhalten haben.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das so erhaltene Knochenge rüst insgesamt, oder zumindest in jeder Skelettgruppe, einteilig hergestellt wird. Da mit kann es vollständig frei von metallischen Verbindungsmitteln wie Drähten oder Stiften hergestellt werden. Durch die Vermeidung größerer metallischer Partikel, die in dem oben beschriebenen Versuch aufgrund der hohen Geschwindigkeiten einen beträchtliche Impuls besitzen, werden kostspielige und zudem nicht der Realität ent sprechende Schäden durch Metallteile an Flugzeugen, Triebwerken und anderen Flugzeugteilen vermieden.
Vorzugsweise besitzt der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Vogel schlagsimulationskörper nicht nur ein Skelett allein aus Knochensubstanz, sondern das Skelett verfügt zugleich auch über Anteile an simulierter Knorpelsubstanz.
Er verfügt somit über ein gedrucktes biomechanisches Knochen-Knorpel-Gerüst, das durch die Einbettung in einen Composite-Verbund aus Silikon auch die Weichgewe beanteile, nämlich die Muskel- und Bindegewebsstruktur des Vogelkörpers darstellt.
Das Knochen-Knorpelgerüst wird mittels Filament-3D-Kombinationsdruck des Kno chengerüsts und der Knorpel- Gelenkstruktur in einem Druckvorgang realisiert. Die Knorpelelemente werden also nicht nachträglich angefügt, sondern direkt beim Dru cken stoffschlüssig mit an das Knochengerüst angeformt, so dass sich hinsichtlich der Zug- und Reißfestigkeit des Vogelschlagsimulationskörpers nach der Erfindung ein wesentlich realitätsnäheres Verhalten ergibt, als dies bei einzeln gefertigten Ele menten, die nach Art eines Modellbausatzes zusammengesteckt und verklebt sind, der Fall wäre.
Für das Knochengerüst wird vorzugsweise Polyetheretherketon (PEEK) und/oder PEEK-Carbon Verwendung finden.
Das Knochengerüst oder Knochen-Knorpel-Gerüst soll dabei aus zwei bis sechs, vorzugsweise bis zu maximal vier gedruckten Teilen gebildet werden, um die Monta gekosten zu reduzieren. Die Teilgruppen werden insbesondere über formschlüssige Verbindungselemente miteinander kombiniert, die an das Knochengerüst mit ange druckt sind. Hinterschnitte an Verbindungszapfen, Aufnahmebuchsen und derglei chen können aufgrund der erfindungsgemäßen Anwendung eines 3D-Druckverfah- rens in nahezu beliebiger Form und Anzahl und ohne zusätzlichen Fertigungsauf wand ausgebildet werden.
Durch diesen Aufbau des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vo gelschlagsimulationskörper oder„Kunstvogel“ werden die biofidelen Eigenschaften des natürlichen Vogelkörpers nachgebildet. Durch die biofidele Bauweise kombiniert mit einem weit skalierbaren Größenansatz kann der Vogelschlagsimulationskörper einen vollwertigen Ersatz von Vogelkadavern im Vogelschlagtest ermöglichen und damit diese Testmethode reproduzierbarer, einfacher und kostengünstiger machen.
Insbesondere werden Größe und Aufbau des Skeletts wie des Weichgewebes an ein Huhn mit normierten Maßen und Gewicht, ein sogenanntes„Normhuhn“, angelehnt.
Um die Vogelschlagsimulationskörper im Rahmen von Crash-Tests einzusetzen, ist es vorteilhaft, wenn ein Aufnahmeelement für eine Testmaschinenausklinkvorrich tung vorgesehen wird, das entweder als Fortsatz des Knochen- und Knorpelgerüsts mit angedruckt wird oder als separates Teil in das Weichgewebeelement mit einge bettet ist. Dies erlaubt eine vereinfachte und reproduzierbare Anwendung des Biofi- del-Vogels in Rahmen von Crash-Tests im Automobil- und Schienensektor.
Um die biofidelen Eigenschaften des Hühnerkörpers nachzustellen werden vorzugs weise Silikone in Composite-Bauweise benutzt, um die Eigenschaften des Muskel oder Bindegewebes und des restlichen Vogelkörpers zu konstruieren. Beispiels weise ist die Kombination eines fest-aushärtenden und eines weich-aushärtenden Silikons möglich (Silikone mit unterschiedlicher Shore-Härte). Als primäre Zielset zung müssen die gewählten Silikone die Einzelfestigkeiten und die Gesamtfestigkeit des Vogels darstellen. Zum anderen müssen diese (a) untereinander kompatibel sein, (b) auch an den Kontaktflächen des künstlichen Knochen-Knorpel- Gerüsts ver netzen und anhaften und (c) keine Stoffe ausdünsten, die die Materialeigenschaften des künstlichen Muskels oder des künstlichen Knochens verändern.
Zusätzlich ist die Viskosität der zu verarbeitenden Silikone wichtig dafür, welche For men gegossen werden können. Auch die Größenänderung der Silikone, also das Schrumpfverhalten während der Trocknung, muss kontrollierbar sein und ähnlich bei allen verwendeten Silikonen. Zusammenfassend gibt es vielfältige Anforderungen an das Composite-Silikonvergussverfahren und somit eine Vielzahl technischer Hürden, die überwunden werden müssen. Somit besteht das technische Risiko, dass keine Materialien und Prozessbedingungen gefunden werden können, bei denen alle An forderungen abgeleitet werden können.
Neben dem Einguss eines Skeletts mit Knochen- und Knorpelsubstanz in eine ver netzende Silkonmasse ist auch ein vollständiger Ausdruck des Vogelschlagsimulati onskörpers mittels 3D-Druckverfahren denkbar. In einem schichtenweisen Druckver fahren können auch die Weichgewebeanteile gleichzeitig mit Knochen und/oder Knorpel ausgedruckt werden. Wenn genügend weiche, schmelzbare Werkstoffe zur Verfügung stehen, dann können auch die Weichgewebeanteile mit ausgedruckt wer den
Die Vorteile des nach dem Verfahren der Erfindung erhaltenen Vogelschlagsimulati onskörper gegenüber echten Vögeln und aus dem Stand der Technik bekannten Kunstvögeln sollen im Folgenden aufgelistet werden:
Kostenvorteil und Vereinfachung:
Zusammenfassend soll der Einsatz des Vogelschlagsimulationskörper das Test verfahren deutlich vereinfachen und darüber die Gesamtkosten für das Testver fahren reduzieren. Der Vogelschlagsimulationskörper ist ausgehend von seiner guten Lagerbarkeit, seiner hygienischen Unbedenklichkeit und seiner damit ver bundenen einfacheren Handhabung in Summe kosteneffektiver. Die direkten An schaffungskosten sind in Anbetracht der Gesamtkosten des Vogelschlagtests nicht ausschlaggebend.
Reproduzierbarkeit und Standardisierung:
Vogelkadaver schwanken in ihren Massen und aerodynamischen Eigenschaften. Insbesondere das Knochengewicht und die Knochendichte variiert massiv, bei spielsweise in Abhängigkeit vom Alter der Vögel. Der nach der Erfindung herge stellte Vogelschlagsimulationskörper ist hinsichtlich dieser Parameter klar defi niert und kann in großen Stückzahlen mit reproduzierbaren Eigenschaften gefer tigt werden, so dass sein Einsatz reproduzierbare Ergebnisse liefert und die Standardisierung der Versuchsbedingungen ermöglicht. Diese Standardisierung erhöht folgerichtig auch die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen verschie denen Anbietern und Testeinrichtungen.
Ethischer Aspekt:
Die Tötung von Vögeln für technische Versuche ist auch unter ethischen Ge sichtspunkten problematisch, insbesondere auch im Hinblick auf den Einsatz ei nes potenziellen Nahrungsmittels. Auch die Testbedingung, dass in einer Ver suchsreihe mehrere Vögel mit ähnlichen Charakteristiken bspw. hinsichtlich de ren Masse und deren Knochenstruktur zu verwenden sind, und die Notwendig keit der zeitlich-logistischen Planung der Experimente führen zu einem Über schuss gezüchteter und getöteter Tiere. Insbesondere werden zu Versuchszwe cken Vögel mit leichtem Knochenskelett selektiert. Ein Großteil der nicht-geeig neten Tiere wird unnötig gezüchtet und getötet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnun gen näher erläutert. Die Figuren 1 , 2 zeigen jeweils einen Vogelschlagsimulations körper in einer schematischen Seitenansicht.
In Figur 1 ist ein Vogelschlagsimulationskörper 100 in Form eines künstlichen biofi- delen Huhns dargestellt. Wie das natürliche Vorbild auch, umfasst der Vogel schlagsimulationskörper 100 einen Kopf 1 , einen Halsbereich 2, einen Rumpfbereich 3, einen Beinbereich 4 und einen Schwanzfederbereich 5. Die äußere Konturlinie wird durch eine Silikonmasse definiert, die den Anteil an Weichgewebe simuliert und die ein innenliegendes, gedrucktes Skelett 6 aus Kunststoff wie insbesondere PEEK oder einem PEEK-Compound umhüllt.
Figur 2 zeigt den Vogelschlagsimulationskörper 100 nochmals, wobei hier punktierte Trennlinien eingezeichnet sind, die die Unterteilung in mehrere Teilelemente 10, 20, 30, 40 kennzeichnen. Die Unterteilung erfolgt zur Erleichterung der Durchführung des Fertigungsverfahrens und um ggf. eine Skalierung durchführen zu können, in dem beispielsweise die Teilelemente 10, 30, 40 für Kopf 1 , Hals 2 und Beine und Füße 4 mit einem größeren oder kleineren Teilelement 20 für den Rumpf 3 kombi niert werden, um beispielsweise eine Gewichtsabstufung vorzunehmen. Diese be trifft aber eben hauptsächlich den Rumpf, so dass aus Kostengründen die übrigen Teilelemente vorzugsweise einheitlich für alle Rumpfgrößen eingesetzt werden. Jedes der Teilelemente 10, 20, 30, 40 besitzt eine Vogelskelettgruppe 11 , 21 , 31 ,
41. Hierbei handelt es sich um einen Teilabschnitt eines Vogelskeletts, der weitge hend an das zugrunde liegende Vorbild, wie hier einem Huhn, angelehnt ist, auch wenn nicht jedes Einzeldetail ausgeformt wird. Angestrebt wird nach der Erfindung, die räumliche Erstreckung des realen Vogelskeletts wiederzugeben und dessen Masse und Duktilität nachzubilden. Weniger wichtig ist es, die exakte Knochenzahl zu reproduzieren, weil ohnehin nach dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Ein zelknochen hergestellt werden, sondern ein monolithischer Skelett- oder Teilskelett- Körper, bei dem die in der Natur getrennt ausgebildeten Knochen nahtlos ineinander übergehen.
Jede Vogelskelettgruppe 11 , 21 , 31 , 41 ist in einen Silikonwerkstoff eingegossen, so dass um die Vogelskelettgruppen 11 , 21 , 31 , 41 herum jeweils Weichgewebeele mente 13, 23, 33, 43 ausgebildet werden. Bei zwei Vogelskelettgruppen 11 , 21 ist je weils ein Knorpelelement 12, 22 mit ausgebildet, das direkt mit der Vogelskelett gruppe 11 , 21 im Druckverfahren ausgebildet ist, so dass Knorpelelement 12, 22 und Vogelskelettgruppe 11 , 21 stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Die vier Teilelemente 10, 20, 30, 40 sind über Verbindungseinheiten 51 , 52, 53, 54, 55 miteinander gekoppelt, Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verbin dungselemente 51 , 52, 53, 54, 55 an Stellen platziert, bei denen beim natürlichen Vorbild Gelenke ausgebildet sind. Da eine Beweglichkeit der Vogelskelettgruppen 11 , 21 , 31 , 41 aber nicht erforderlich ist, können die Verbindungseinheiten 51 , 52,
53, 54, 55 starr ausgebildet werden und können auch an beliebigen anderen Stellen positioniert werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines biofidelen Vogelschlagsimulationskörpers
(100), mit wenigstens folgenden Schritten:
Drucken des Knochengerüsts wenigstens einer Vogelskelettgruppe (11 , 21 , 31 , 41) aus einem Knochensubstanzwerkstoff mittels 3D-Filamentdruck; und
Bildung wenigstens eines Weichgewebeelements (13, 23, 33, 43) durch:
• Eingießen der Vogelskelettgruppe (11 , 21 , 31 , 41) in einen Silicon- Composite-Werkstoff und Aushärtenlassen des Silicon-Composite- Werkstoffs zur Bildung wenigstens eines Weichgewebeelements (13, 23, 33, 43) und/oder
• Aufdrucken wenigstens eines Weichgewebeelements (13, 23, 33,
43) aus einem Werkstoff mit gegenüber dem Knochensubstanzwerk stoff geringerer Härte, zusammen mit dem Drucken des Knochenge rüsts.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vogelske lettgruppe (11 , 21 , 31 , 41) wenigstens ein Knorpelelement (12, 22) an das Kno chengerüst angedruckt wird, wobei das Knochengerüst und das wenigstens eine Knorpelelement (12, 22) mittels Filament-Kombinationsdruck einstückig hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigs tens einer Vogelskelettgruppe (11 , 21 , 31 , 41) das Knochengerüst aus Po lyetheretherketon (PEEK) oder aus Carbon-PEEK gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigs tens einer Vogelskelettgruppe (10, 20, 30, 40) das Knorpelelement (12, 22) aus einem bei Raumtemperatur vernetzenden Zweikomponentensilikon gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net,
dass zwei bis sechs Vogelskelettgruppen (11 , 21 , 31 , 41) einzeln mittels 3D- Filamentdruck mit einem Knochensubstanzwerkstoff oder im 3D-Kombina- tions-Filamentdruck mit einem Knochensubstanzwerkstoff und zugleich mit einem Knorpelsubstanzwerkstoff gebildet und zu einem Vogelskelett (6) zu sammengefügt werden, wobei die Vogelskelettgruppen (11 , 21 , 31 , 41) ohne metallische Verbindungsmittel miteinander verbunden werden,
und dass die mehreren miteinander verbundenen Vogelskelettgruppen (11 , 21 , 31 , 41) gemeinsam in den Silicon-Composite-Werkstoff eingegossen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet,
dass zwei bis sechs Vogelskelettgruppen (11 , 21 , 31 , 41) jeweils einzeln mittels 3D-Filamentdruck mit einem Knochensubstanzwerkstoff oder im 3D- Kombinations-Filamentdruck mit einem Knochensubstanzwerkstoff und zu gleich mit einem Knorpelsubstanzwerkstoff gebildet werden
dass mehrere Teilelemente (10, 20, 30, 40) gebildet werden, indem jede Vo gelskelettgruppe (11 , 21 , 31 , 41) einzeln in den Silicon-Composite-Werkstoff eingegossen wird
und dass die Teilelemente (10, 20, 30, 40) ohne metallische Verbindungs mittel miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass ein Skelett (6) hergestellt wird, das wenigstens umfasst:
einen Kopf 1 mit einem Halsbereich 2;
einen Rumpfbereich 3; und
einen Beinbereich 4
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Skelett (6) in mehrere Teilelemente (10, 20, 30, 40) unterteilt wird, wobei jeweils we nigstens vorgesehen ist:
ein Teilelement (10) für Kopf (1) und Hals (2);
ein Teilelement (30, 40) für Beine und/oder Füße (4)
und ein Teilelement (20) für den Rumpf (3).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass an wenigstens einer Vogelskelettgruppe (11 , 21 , 31 , 41) ein Aufnah meelement für eine Testmaschinenausklinkvorrichtung angeformt wird, das aus dem Weichgewebeelement (13, 23, 33, 43) herausragt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass ein nicht mit dem Skelett (6) verbundenes Aufnahmeelement für eine Testmaschinenausklinkvorrichtung mit einer Basis in das Weichgewebeelement (13, 23, 33, 43) eingegossen wird und teilweise aus diesem herausragt.
11. Verwendung eines biofidelen Vogelschlagsimulationskörpers (100), der nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, für die Durchführung von Vogelschlagtests an Triebwerken oder Rumpfteilen eines Flugzeugs.
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