WO2008142104A2 - Method for producing a model and semifinished product thus obtained - Google Patents

Method for producing a model and semifinished product thus obtained Download PDF

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WO2008142104A2
WO2008142104A2 PCT/EP2008/056248 EP2008056248W WO2008142104A2 WO 2008142104 A2 WO2008142104 A2 WO 2008142104A2 EP 2008056248 W EP2008056248 W EP 2008056248W WO 2008142104 A2 WO2008142104 A2 WO 2008142104A2
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light
curing
support plate
bath
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Klaus-Peter Neitzke
Andreas Ulrich
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Airbus Deutschland Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/08—Aerodynamic models
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    • 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
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified
    • B29C64/129—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask
    • B29C64/135—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified characterised by the energy source therefor, e.g. by global irradiation combined with a mask the energy source being concentrated, e.g. scanning lasers or focused light sources
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    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/124—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using layers of liquid which are selectively solidified

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a model according to the preamble of claim 1 and to a correspondingly prefabricated semi-finished product according to the preamble of claim 4.
  • models of objects are made, for example, to test their aerodynamic properties in various ways. If required, cavities and grooves can then be milled into the finished model, into which sensors, lines or components are then installed in order to be able to record local parameters when carrying out a test with the model.
  • stereolithography In stereolithography, in a container filled with liquid photopolymer, there is a height-adjustable building platform which at the beginning of the building process is located at a small distance from e.g. 0.1 mm below the surface of the liquid level of the photopolymer. A laser beam now sweeps the surface of the liquid over the surface, which corresponds to the cross section of the model to be built, and hardens them. This creates a first layer of the model to be built. Thereafter, the platform lowers slightly, e.g. by 0.1 mm, and the formation of the next layer of the model can again be made by irradiation with a laser. After completion of the exposure process, the model is post-cured and finished.
  • a disadvantage of the prior art is that it is often very expensive in the classical model production to subsequently integrate built-in elements in the models, as to cavities and grooves must be incorporated into the model. However, this often compromises the strength and stability of the models.
  • the starting material is liquid plastic, which has only a low strength even after curing by (UV) light and therefore can only be loaded to a limited extent.
  • the stereolithographically produced parts lose their dimensional stability with age.
  • the object of the invention is to provide a method with which models with complex installation elements can be easily manufactured and their dimensional accuracy can be improved. This object is achieved by the method according to claim 1 or the semifinished product according to claim 4. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the invention is based on the fact that from the components to be implanted in the model, such as sensors and / or stabilizing structures, a “tree” or “braid” is initially built. These sensors and / or stabilizing structures are then incorporated in the plastic bath in stereolithography in the resulting model.
  • These components may be pneumatic tubes, electrical wires, sensors (for temperature, heat flow, pressure, induction coils, strain gauges %), heating elements and lighting elements, or mechanical stabilizations ("reinforcement”) and their connections (attachment points).
  • the method according to the invention for producing a model, in particular for carrying out measurements under similarity conditions, comprising at least one installation element comprising the steps of: providing a bath of a light-curing material, curing the light-curing material on a predetermined surface over a solid, in the substantially parallel to the surface of the bath extending support plate with light of a predetermined wavelength, so that forms a solid layer of plastic over the support plate, - repeated lowering of the support plate in the bath and curing of the material with light until the model, which is made Post-processing of the model for producing the at least one mounting element, is characterized by mounting a frame with the at least one mounting element on the support plate at the beginning of the process, so that it the whole Her process of the model.
  • the photocuring material is a material from the group of plastic, wax and light-curing resin in particular;
  • the semi-finished product according to the invention for making a model, in particular for carrying out measurements under similarity conditions comprising at least one built-in element of a light-curing material bath, wherein the light-curing material on a predetermined surface over a fixed, substantially parallel to the Surface of the bath extending support plate cured with light of a predetermined wavelength to a solid layer of plastic over the support plate, characterized by a frame comprising at least one base and at least one support structure to which the at least one mounting element is attached, wherein the frame is mounted on the support plate, so that it goes through the whole manufacturing process of the model.
  • the support structure is made of a material by which a sensor attached to the support structure is not impaired.
  • the support structure in electrical sensors is preferably made of non-conductive plastic carriers. If the electrical conductivity of the support structure does not matter, the support structure is preferably made of metal wire, as this can be the easiest to edit and to the desired shape.
  • the invention provides i.a. the following advantages: In the construction according to the method given here completely new applications are possible. On the one hand, models made using the technology of "rapid prototyping” can be equipped with measuring technology as soon as they are created. Furthermore, the models can be made stronger, dimensionally stable (defined metallic attachment points) and more durable if mechanical stabilizations (“reinforcement”) are incorporated.
  • Fig. 1 shows a model with a mounting element in side view as an example of the prior art.
  • Fig. 2 shows schematically an inventive support frame with two mounting elements.
  • Fig. 3 shows schematically and partially in perspective an intermediate result in the production of a model according to the inventive method.
  • a model 1 of an aircraft prepared for a trial in a wind tunnel (not shown) is shown.
  • Such models are mainly used for studies under similarity conditions, ie for experiments in which the physical properties reduced by a certain factor to match the properties of the modeled object.
  • the model 1 according to FIG. 1 has a built-in element 2, which consists of a pressure sensor 3 for the pressure "p" and a Prandtl tube 4. With the Prandtl tube 4, the dynamic pressure is measured at this point of the model 1 in the wind tunnel and detected with the pressure sensor 3. In order to influence the flow in the measurement with the model 1 in the wind tunnel as little as possible by measuring devices, the pressure sensor 3 is integrated in the model.
  • the model is made of a photocuring material and may optionally be at least partially covered with metallization (not shown).
  • the light-curing material is a material from the group of plastic, wax and in particular light-curing resin.
  • Such a model can be produced stereolithographically with little effort and cost by irradiating the surface of a bath of liquid, light-curing plastic with a light source (laser), so that in each case a thin hardened layer forms on the surface of the liquid plastic 1 ⁇ m and 50 ⁇ m thick. After each layer, the workpiece is lowered slightly, so that liquid plastic can collect again on its surface, which in turn is cured in the same way as above. In this way, a three-dimensional model emerges gradually from a bath with liquid, light-curing plastic.
  • elements 2 such as pressure sensor 3 and pressure tube 4 require the prior art, a complex post-processing of the finished model.
  • post-processing for example, corresponding cavities are produced in the model in which elements can subsequently be installed.
  • mounting elements are a pressure sensor 3 or tube with which an air exchange between two spaced locations on the model should be made possible.
  • metal strips on one edge are inserted to ensure that the edge thus created is as dimensionally stable as possible. according to the structural requirement thin, mechanically durable and durable, so that the edge on the model has realistic aerodynamic and hydrodynamic properties that you want to examine the actual object. For example, this may be the trailing edge on a wing in the model of an aircraft. With a metal strip, a smaller radius of curvature can be produced than would be possible with a model made only of plastic.
  • all built-in elements to be integrated in the model are each fastened to a (support) frame before the actual production of the model, so that their relative position to each other already corresponds to that relative position occupy the installation elements in the model after completion.
  • the frame thus serves for holding and fixing the mounting elements over the entire manufacturing process.
  • the support frame is preferably made of a material, can be disturbed by the example, the frame mounted sensors later in the model in their function.
  • the support frame can be made of non-conductive plastic, ceramic, glass or carbon fiber structures, if the sensors are to detect electrical quantities in the later model. If it depends only on the shape, a subsequent impairment of sensors in the model but not to be feared, the support frame can also be made of metal wires.
  • the method according to the invention is explained below with reference to FIG. 2, wherein for the sake of simplicity it is again assumed that a pressure sensor with Prandtl tube is used.
  • the mounting elements pressure sensor 3 and Prandtl tube 4 are suspended according to the invention on a frame 5, which goes through all the manufacturing steps of the entire manufacturing process of the model with.
  • the pressure sensor 3 and the Prandtl tube 4 are each fastened to a frame base 6 via a support structure 7 (made of one or possibly several wires).
  • a support structure 7 made of one or possibly several wires.
  • a part of the model 1 is already completed and is located in a basin 8 with the liquid, light-curing plastic 9.
  • the already cured part of the model is held by the support plate 10, which - as indicated by a double arrow - in vertical direction, ie the model can lower or raise in the bath in the basin 8.
  • the liquid layer above the model is in each case irradiated with light 1 1 of a specific wavelength, which is suitable for crosslinking the molecules of the material 9 in the basin 8.
  • the light 11 is focused in a condenser lens 12 and directed to the surface.
  • the frame 5 according to the invention with the elements fastened thereto is first of all constructed on a height-adjustable support platform 10 for stereolithography prior to the actual stereolithography.
  • these are the pressure sensor 3 and the Prandtl tube 4.
  • the individual layers 14 of the model 1 are generated in the bath 8, 9.
  • one has a complex model in which the various elements are integrated, i.a. Pressure sensor 3 and Prandtl tube 4, wherein the outer shape of the model still has steps between the individual model layers 14.
  • the method for producing the model 1 with at least one installation element 2 therefore essentially comprises the following steps: A bath of a light-curing material 9 is provided.
  • the light-curing material 9 is cured on a predetermined surface 13 over a solid, substantially parallel to the surface of the bath extending support plate 10 with light of a predetermined wavelength, so that a solid layer 14 of plastic on the support plate 10 is formed.
  • a frame 5 is positioned according to the invention with the at least one mounting element 2 on the support plate 10 at the beginning of the process, so that the frame with the attached thereto inserts 2 passes through the entire manufacturing process of the model.
  • the intermediate result is a semi-finished product (precursor) with at least one built-in element 2, which was produced from a bath of a light-curing material 9.
  • This semifinished product has a frame 5 which comprises at least one base 6 and at least one support structure 7. On the support structure 7, the at least one mounting element 2 is fixed, wherein the frame 5 itself is in turn mounted on the support plate 10, with which the model is driven in its manufacture in the bath up and down. The figure 5 thus goes through the entire manufacturing process of the model.
  • model After the model has been removed from the bath, its surface can be post-processed, for example, by machining, sandblasting, grinding, milling and / or polishing, so that it receives a smooth surface with the contour 15 in Fig. 3 at the end.
  • any protruding rack remains can be removed.
  • the support wires 7 together with frame base 6 must be removed cleanly after completion of the work for the production of the model. However, this is much easier than creating bushings and cavities in an already completed model.
  • the technique according to the invention is particularly suitable for carrying out measurements under similarity conditions. It is important to ensure that the component to be integrated are not very large, because otherwise too large shadow areas arise, which are difficult for stereolithography.

Abstract

The invention relates to a method for producing a model according to the preamble of claim 1 and to a correspondingly prefabricated semifinished product according to the preamble of claim 4. In order to be able to produce models having complex built-in elements in a simple manner, a frame (5) with the at least one built-in element (2) is initially mounted onto the carrier plate (10) so that it passes through the entire production process of the model.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Herstellen eines Modells und HalbzeugMethod of making a model and semi-finished product
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Modells nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein entsprechend vorgefertigtes Halbzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 4.The invention relates to a method for producing a model according to the preamble of claim 1 and to a correspondingly prefabricated semi-finished product according to the preamble of claim 4.
Im Stand der Technik werden Modelle von Objekten beispielsweise zum Testen von deren aerodynamischen Eigenschaften auf verschiedene Arten hergestellt. In dem fertiggestellten Modell können dann bei Bedarf Hohlräume und Nuten eingefräst werden, in die dann Sensoren, Leitungen oder Bauelemente eingebaut werden, um bei einer Versuchsdurchführung mit dem Modell lokale Parameter erfassen zu können.In the prior art, models of objects are made, for example, to test their aerodynamic properties in various ways. If required, cavities and grooves can then be milled into the finished model, into which sensors, lines or components are then installed in order to be able to record local parameters when carrying out a test with the model.
Eine Art der Herstellung von Modellen ist die Stereolithographie. Bei der Stereolithographie befindet sich in einem Behälter, der mit flüssigem Photokunststoff gefüllt ist, eine höhenverstellbare Bauplattform, welche sich zu Beginn des Bauprozesses in einem kleinen Abstand von z.B. 0,1 mm unter der Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels des Photokunststoffs befindet. Ein Laserstrahl bestreicht nun die Oberfläche der Flüssigkeit über die Fläche, die dem Querschnitt des zu bauenden Modells entspricht, und härtet diese aus. Damit entsteht eine erste Schicht des zu bauenden Modells. Danach senkt sich die Plattform etwas ab, z.B. um 0,1 mm, und die Bildung der nächsten Schicht des Modells kann wiederum durch Bestrahlung mit einem Laser vorgenommen werden. Nach Abschluss des Belichtungsprozesses wird das Modell nachgehärtet und endbearbeitet.One way of making models is stereolithography. In stereolithography, in a container filled with liquid photopolymer, there is a height-adjustable building platform which at the beginning of the building process is located at a small distance from e.g. 0.1 mm below the surface of the liquid level of the photopolymer. A laser beam now sweeps the surface of the liquid over the surface, which corresponds to the cross section of the model to be built, and hardens them. This creates a first layer of the model to be built. Thereafter, the platform lowers slightly, e.g. by 0.1 mm, and the formation of the next layer of the model can again be made by irradiation with a laser. After completion of the exposure process, the model is post-cured and finished.
Ein Nachteil beim Stand der Technik besteht darin, dass es bei der klassischen Modellherstellung oft sehr aufwendig ist, nachträglich Einbauelemente in die Modelle zu integrieren, da dazu Hohlräume und Nuten in dem Modell eingearbeitet werden müssen. Dadurch wird aber oft die Festigkeit und Stabilität der Modelle beeinträchtigt. Insbesondere ist es bei der Stereolithographie von Nachteil, dass das Ausgangsmaterial flüssiger Kunststoff ist, der auch nach der Aushärtung durch (UV-) Licht nur eine geringe Festigkeit aufweist und daher nur beschränkt belastet werden kann. Außerdem verlieren die stereolithographisch hergestellten Teile mit zunehmendem Alter ihre Maßhaltigkeit.A disadvantage of the prior art is that it is often very expensive in the classical model production to subsequently integrate built-in elements in the models, as to cavities and grooves must be incorporated into the model. However, this often compromises the strength and stability of the models. In particular, it is disadvantageous in stereolithography that the starting material is liquid plastic, which has only a low strength even after curing by (UV) light and therefore can only be loaded to a limited extent. In addition, the stereolithographically produced parts lose their dimensional stability with age.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem Modelle mit komplexen Einbauelementen einfach hergestellt und deren Maßhaltigkeit verbessert werden können. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 bzw. das Halbzeug nach Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of the invention is to provide a method with which models with complex installation elements can be easily manufactured and their dimensional accuracy can be improved. This object is achieved by the method according to claim 1 or the semifinished product according to claim 4. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung beruht darauf, dass aus den in dem Modell zu implantierenden Bauteilen wie Sensoren und/oder stabilisierende Strukturen zu Beginn ein "Baum" oder "Geflecht" gebaut wird. Diese Sensoren und/oder stabilisierenden Strukturen werden anschließend in dem Kunststoffbad bei der Stereolithographie in dem entstehenden Modell mit eingearbeitet. Bei diesen Bauteilen kann sich um pneumatische Röhrchen, elektrische Drähte, Sensoren (für Temperatur, Wärmestrom, Druck, Induktionsspulen, Dehnmessstreifen ...), Heizelemente und Leuchtelemente oder um mechanische Stabilisierungen ("Bewehrung") und deren Anbindungen (Befestigungspunkte) handeln.The invention is based on the fact that from the components to be implanted in the model, such as sensors and / or stabilizing structures, a "tree" or "braid" is initially built. These sensors and / or stabilizing structures are then incorporated in the plastic bath in stereolithography in the resulting model. These components may be pneumatic tubes, electrical wires, sensors (for temperature, heat flow, pressure, induction coils, strain gauges ...), heating elements and lighting elements, or mechanical stabilizations ("reinforcement") and their connections (attachment points).
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Modells insbesondere für die Durchführung von Messungen unter Ähnlichkeitsbedingungen, das wenigstens ein Einbauelement aufweist, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Bades aus einem lichtaushärtenden Material, - Aushärten des lichtaushärtenden Materials auf einer vorgegebenen Fläche über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge, so dass sich eine feste Schicht aus Kunststoff über der Trägerplatte bildet, - wiederholtes Absenken der Trägerplatte in dem Bad und Aushärten des Materials mit Licht, bis das Modell, das sich aus den einzelnen Schichten zusammensetzt, fertiggestellt ist, - Nachbearbeiten des Modells zum Erzeugen des wenigstens einen Einbauelements, ist gekennzeichnet durch Montieren eines Gestells mit dem wenigstens einen Einbauelement auf der Trägerplatte zu Beginn des Verfahrens, so dass es den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft.The method according to the invention for producing a model, in particular for carrying out measurements under similarity conditions, comprising at least one installation element, comprising the steps of: providing a bath of a light-curing material, curing the light-curing material on a predetermined surface over a solid, in the substantially parallel to the surface of the bath extending support plate with light of a predetermined wavelength, so that forms a solid layer of plastic over the support plate, - repeated lowering of the support plate in the bath and curing of the material with light until the model, which is made Post-processing of the model for producing the at least one mounting element, is characterized by mounting a frame with the at least one mounting element on the support plate at the beginning of the process, so that it the whole Her process of the model.
Insbesondere weist das Verfahren eines oder - soweit dieses technisch möglich und vorteilhaft ist - mehrere der folgenden Merkmale: das lichtaushärtende Material ist ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs und insbesondere lichtaushärtendes Harz;In particular, the method of one or - as far as this is technically possible and advantageous - several of the following features: the photocuring material is a material from the group of plastic, wax and light-curing resin in particular;
Nachbearbeiten der Oberfläche des Modells insbesondere durch spanabhebendeReworking the surface of the model, in particular by machining
Bearbeitung, Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen und/oder Polieren.Machining, sandblasting, grinding, milling and / or polishing.
Dementsprechend ist das erfindungsgemäße Halbzeug zum Herstellen eines Modells insbesondere für die Durchführung von Messungen unter Ähnlichkeitsbedingungen, das wenigstens ein Einbauelement aufweist, aus einem Bad aus einem lichtaushärtenden Material, wobei das lichtaushärtende Material auf einer vorgegebenen Fläche über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgehärtet ist zu einer festen Schicht aus Kunststoff über der Trägerplatte, gekennzeichnet durch ein Gestell, das wenigstens einen Sockel und wenigstens einen Stützaufbau umfasst, an dem das wenigstens eine Einbauelement befestigt ist, wobei das Gestell auf der Trägerplatte montiert ist, so dass es den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft.Accordingly, the semi-finished product according to the invention for making a model, in particular for carrying out measurements under similarity conditions, comprising at least one built-in element of a light-curing material bath, wherein the light-curing material on a predetermined surface over a fixed, substantially parallel to the Surface of the bath extending support plate cured with light of a predetermined wavelength to a solid layer of plastic over the support plate, characterized by a frame comprising at least one base and at least one support structure to which the at least one mounting element is attached, wherein the frame is mounted on the support plate, so that it goes through the whole manufacturing process of the model.
Insbesondere ist der Stützaufbau aus einem Material gefertigt, durch das ein an dem Stützaufbau befestigter Sensor nicht beeinträchtigt wird. So wird der Stützaufbau bei elektrischen Sensoren vorzugsweise aus nichtleitenden Kunststoffträgern gefertigt. Spielt die elektrische Leitfähigkeit des Stützaufbaus keine Rolle, wird der Stützaufbau vorzugsweise aus Metalldraht gefertigt, da sich dieses am leichtesten Bearbeiten und in die gewünschte Form bringen lässt.In particular, the support structure is made of a material by which a sensor attached to the support structure is not impaired. Thus, the support structure in electrical sensors is preferably made of non-conductive plastic carriers. If the electrical conductivity of the support structure does not matter, the support structure is preferably made of metal wire, as this can be the easiest to edit and to the desired shape.
Die Erfindung bietet u.a. die folgenden Vorteile: Bei der Bauweise nach dem hier angegebenen Verfahren sind ganz neue Anwendungen möglich. Einmal können Modelle, die mit der Technik des "Rapid Prototyping" hergestellt werden, schon bei ihrer Entstehung mit Messtechnik ausgestattet werden. Weiterhin können die Modelle fester, maßhaltiger (definierte metallische Befestigungspunkte) und dauerhafter hergestellt werden, wenn mechanische Stabilisierungen ("Bewehrung") eingebaut werden.The invention provides i.a. the following advantages: In the construction according to the method given here completely new applications are possible. On the one hand, models made using the technology of "rapid prototyping" can be equipped with measuring technology as soon as they are created. Furthermore, the models can be made stronger, dimensionally stable (defined metallic attachment points) and more durable if mechanical stabilizations ("reinforcement") are incorporated.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügt Zeichnung.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments, wherein reference is made to the accompanying drawings.
Fig. 1 zeigt ein Modell mit einem Einbauelement in Seitenansicht als ein Beispiel für den Stand der Technik.Fig. 1 shows a model with a mounting element in side view as an example of the prior art.
Fig. 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Halterungsgestell mit zwei Einbauelementen.Fig. 2 shows schematically an inventive support frame with two mounting elements.
Fig. 3 zeigt schematisch und teilweise perspektivisch ein Zwischenergebnis bei der Herstellung eines Modells nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.Fig. 3 shows schematically and partially in perspective an intermediate result in the production of a model according to the inventive method.
Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.The drawing is not to scale. Like or equivalent elements are designated by the same reference numerals.
In Fig. 1 ist als ein Beispiel ein Modell 1 eines Flugzeugs gezeigt, das für einen Versuch in einem (nicht dargestellten) Windkanal präpariert ist. Derartige Modelle werden vorwiegend für Untersuchungen unter Ähnlichkeitsbedingungen verwendet, d.h. für Versuche, bei denen die physikalischen Eigenschaften um einen bestimmten Faktor reduziert den Eigenschaften des modellierten Objektes entsprechen. Das Modell 1 nach Fig. 1 weist ein Einbauelement 2 auf, das aus einem Drucksensor 3 für den Druck "p" und einem Prandtl- Rohr 4 besteht. Mit dem Prandtl-Rohr 4 wird der Staudruck an dieser Stelle des Modells 1 in dem Windkanal gemessen und mit dem Drucksensor 3 erfasst. Um die Strömung bei der Messung mit dem Modell 1 im Windkanal so wenig wie möglich durch Messgeräte zu beeinflussen, ist der Drucksensor 3 in dem Modell integriert.In Fig. 1, as an example, a model 1 of an aircraft prepared for a trial in a wind tunnel (not shown) is shown. Such models are mainly used for studies under similarity conditions, ie for experiments in which the physical properties reduced by a certain factor to match the properties of the modeled object. The model 1 according to FIG. 1 has a built-in element 2, which consists of a pressure sensor 3 for the pressure "p" and a Prandtl tube 4. With the Prandtl tube 4, the dynamic pressure is measured at this point of the model 1 in the wind tunnel and detected with the pressure sensor 3. In order to influence the flow in the measurement with the model 1 in the wind tunnel as little as possible by measuring devices, the pressure sensor 3 is integrated in the model.
Das Modell wird aus einem lichtaushärtenden Material hergestellt und kann gegebenenfalls wenigstens teilweise mit einer (nicht gezeigten) Metallisierung bedeckt sein. Das lichtaushärtende Material ist dabei ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs und insbesondere lichthärtendes Harz. Ein solches Modell kann mit geringem Aufwand und kostengünstig stereolithographisch hergestellt werden, indem die Oberfläche eines Bades aus flüssigem, lichtaushärtendem Kunststoff mit einer Lichtquelle (Laser) bestrahlt wird, so dass sich an der Oberfläche des flüssigen Kunststoffs jeweils eine dünne ausgehärtete Schicht bildet, die zwischen 1 μm und 50 μm dick ist. Nach jeder Schicht wird das Werkstück etwas abgesenkt, so dass sich auf seiner Oberfläche wieder flüssiger Kunststoff sammeln kann, der dann wiederum in derselben Art und Weise ausgehärtet wird wie oben. Auf diese Art entsteht nach und nach ein dreidimensionales Modell aus einem Bad mit flüssigem, lichtaushärtendem Kunststoff.The model is made of a photocuring material and may optionally be at least partially covered with metallization (not shown). The light-curing material is a material from the group of plastic, wax and in particular light-curing resin. Such a model can be produced stereolithographically with little effort and cost by irradiating the surface of a bath of liquid, light-curing plastic with a light source (laser), so that in each case a thin hardened layer forms on the surface of the liquid plastic 1 μm and 50 μm thick. After each layer, the workpiece is lowered slightly, so that liquid plastic can collect again on its surface, which in turn is cured in the same way as above. In this way, a three-dimensional model emerges gradually from a bath with liquid, light-curing plastic.
Der Einbau von Elementen 2 wie Drucksensor 3 und Staudruckrohr 4 erfordert nach dem Stand der Technik eine aufwendige Nachbearbeitung des fertigen Modells. Bei der Nachbearbeitung werden beispielsweise entsprechende Hohlräume in dem Modell gefertigt, in denen anschließend Elemente eingebaut werden können. Beispiele für derartige Einbauelemente sind ein Drucksensor 3 oder Röhrchen, mit denen ein Luftaustausch zwischen zwei voneinander beabstandeten Stellen am Modell ermöglicht werden soll. Ein weiteres Beispiel ist das Einsetzen von Metallstreifen an einer Kante, mit denen sichergestellt werden soll, dass die so erzeugte Kante möglichst maßhaltig ist, d.h. entsprechend der konstruktiven Anforderung dünn, mechanisch belastbar und dauerhaft ist, so dass die Kante am Modell realistische aero- und hydrodynamischen Eigenschaften hat, die man am eigentlichen Objekt untersuchen möchte. Beispielsweise kann es sich dabei um die Abrisskante an einem Flügel bei dem Modell eines Flugzeugs handeln. Mit einem Metallstreifen lässt sich ein kleinerer Krümmungsradius herstellen, als dies bei einem nur aus Kunststoff hergestellten Modell möglich wäre.The installation of elements 2 such as pressure sensor 3 and pressure tube 4 requires the prior art, a complex post-processing of the finished model. In the post-processing, for example, corresponding cavities are produced in the model in which elements can subsequently be installed. Examples of such mounting elements are a pressure sensor 3 or tube with which an air exchange between two spaced locations on the model should be made possible. Another example is the insertion of metal strips on one edge to ensure that the edge thus created is as dimensionally stable as possible. according to the structural requirement thin, mechanically durable and durable, so that the edge on the model has realistic aerodynamic and hydrodynamic properties that you want to examine the actual object. For example, this may be the trailing edge on a wing in the model of an aircraft. With a metal strip, a smaller radius of curvature can be produced than would be possible with a model made only of plastic.
Erfindungsgemäß werden dagegen alle in dem Modell zu integrierenden Einbauelemente vor der eigentlichen Herstellung des Modells jeweils an einem (Stütz-) Gestell befestigt, so dass ihre relative Position zueinander bereits derjenigen relativen Position entspricht, die die Einbauelemente nach der Fertigstellung in dem Modell einnehmen. Das Gestell dient also zur Halterung und Fixierung der Einbauelemente über den gesamten Herstellungsprozess hinweg. Das Stützgestell ist dabei vorzugsweise aus einem Material hergestellt, durch das beispielsweise am Gestell befestigte Sensoren später im Modell in ihrer Funktion nicht gestört werden können. So kann das Stützgestell aus nicht leitendem Kunststoff, Keramik, Glas oder Kohlfaserstrukturen hergestellt sein, wenn die Sensoren elektrische Größen im späteren Modell erfassen sollen. Wenn es nur auf die Formgebung ankommt, eine spätere Beeinträchtigung von Sensoren im Modell aber nicht zu befürchten ist, so kann das Stützgestell auch aus Metalldrähten hergestellt werden.According to the invention, on the other hand, all built-in elements to be integrated in the model are each fastened to a (support) frame before the actual production of the model, so that their relative position to each other already corresponds to that relative position occupy the installation elements in the model after completion. The frame thus serves for holding and fixing the mounting elements over the entire manufacturing process. The support frame is preferably made of a material, can be disturbed by the example, the frame mounted sensors later in the model in their function. Thus, the support frame can be made of non-conductive plastic, ceramic, glass or carbon fiber structures, if the sensors are to detect electrical quantities in the later model. If it depends only on the shape, a subsequent impairment of sensors in the model but not to be feared, the support frame can also be made of metal wires.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert, wobei der Einfachheit halber wiederum von einem Drucksensor mit Prandtl-Rohr ausgegangen wird. Die Einbauelemente Drucksensor 3 und Prandtl-Rohr 4 werden erfindungsgemäß an einem Gestell 5 aufgehängt, das alle Herstellungsschritte des gesamten Herstellungsprozesses des Modells mit durchläuft. Dazu werden der Drucksensor 3 sowie das Prandtl- Rohr 4 jeweils über einen Stützaufbau 7 (aus einem oder gegebenenfalls mehreren Drähten) an einem Gestellsockel 6 befestigt. Bei mehreren Einbauelementen ergibt sich auf diese Art ein Gebilde in der Art eines "Baumes" mit mehreren Ästen, an denen die jeweiligen Elemente befestigt sind, wobei aus Stabilitätsgründen auch mehrere Äste ein und dasselbe Einbauelement halten können.The method according to the invention is explained below with reference to FIG. 2, wherein for the sake of simplicity it is again assumed that a pressure sensor with Prandtl tube is used. The mounting elements pressure sensor 3 and Prandtl tube 4 are suspended according to the invention on a frame 5, which goes through all the manufacturing steps of the entire manufacturing process of the model with. For this purpose, the pressure sensor 3 and the Prandtl tube 4 are each fastened to a frame base 6 via a support structure 7 (made of one or possibly several wires). With several built-in elements results in this way a structure in the manner of a "tree" with several branches to which the respective elements are attached, for reasons of stability, several branches can hold one and the same mounting element.
Das Verfahren zur Herstellung des Modells 1 mit Einbauelementen wird im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert. In Fig. 3 ist bereits ein Teil des Modells 1 fertiggestellt und befindet sich in einem Bassin 8 mit dem flüssigen, lichtaushärtenden Kunststoff 9. Der bereits ausgehärtete Teil des Modells wird von der Trägerplatte 10 gehalten, die sich - wie durch einen Doppelpfeil angedeutet - in vertikaler Richtung bewegen kann, d.h. das Modell in dem Bad im Bassin 8 absenken oder anheben kann. Die Flüssigkeitsschicht über dem Modell wird jeweils mit Licht 1 1 einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, die dafür geeignet ist, die Moleküle des Materials 9 in dem Bassin 8 zu vernetzen. Zur Beschleunigung des Prozesses wird das Licht 11 in einer Sammellinse 12 gebündelt und auf die Oberfläche gerichtet. Damit erhält man einen Lichtstrahl, der an der Flüssigkeitsoberfläche einen im Vergleich mit dem Durchmesser vor der Linse 12 kleineren Durchmesser aufweist, aber eine entsprechend höhere Intensität aufweist, die ausreicht, um das lichtaushärtende Material zu verfestigen. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass statt eines Lasers mit einer Sammellinse 12 auch zwei Laser eingesetzt werden können, deren beide Lichtstrahlen sich in Hohe der Oberfläche des lichtaushärtenden Materials kreuzen, so dass sich in diesem Punkt die erforderliche Strahlungsintensität ergibt. Mit einer (nicht dargestellten) verfahrbaren Abbildungsoptik kann der Lichtfleck über eine gewünschte Bearbeitungsfläche geführt werden und so eine Schicht des Modells hergestellt werden, die exakt den Abmessungen des Querschnitts durch das Modell an dieser Stelle entspricht. Die Verfahrbarkeit des Lichtstrahls ist mit den beiden Doppelpfeilen oben in Fig. 3 angedeutet. Wenn man nach jedem Aushärten einer Schicht das Model tiefer in das Bassin 8 absenkt, so ergeben sich nach und nach alle Schichten 14 des Modells, die in dem fertigen Modell 1 übereinander oder nebeneinander liegen. Die Dicke und die stufenförmige Beschaffenheit der Schichten 14 in Fig. 3 ist aus Gründen der Verständlichkeit übertrieben dargestellt, in der Praxis ist die Oberfläche des Modells, nachdem es dem Bad 9 entnommen wurde, im wesentlichen bereits glatt.The method for producing the model 1 with built-in elements will be explained below with reference to FIG. 3. In Fig. 3, a part of the model 1 is already completed and is located in a basin 8 with the liquid, light-curing plastic 9. The already cured part of the model is held by the support plate 10, which - as indicated by a double arrow - in vertical direction, ie the model can lower or raise in the bath in the basin 8. The liquid layer above the model is in each case irradiated with light 1 1 of a specific wavelength, which is suitable for crosslinking the molecules of the material 9 in the basin 8. To speed up the process, the light 11 is focused in a condenser lens 12 and directed to the surface. This results in a light beam having a smaller diameter at the liquid surface than the diameter before the lens 12, but having a correspondingly higher intensity sufficient to solidify the photocuring material. The skilled person is, however, clear that instead of a laser with a converging lens 12, two lasers can be used, the two light beams intersect at the level of the surface of the light-curing material, so that the required radiation intensity results in this point. With a movable imaging optics (not shown), the light spot can be guided over a desired processing surface and thus a layer of the model can be produced which corresponds exactly to the dimensions of the cross section through the model at this point. The mobility of the light beam is indicated by the two double arrows at the top in FIG. 3. If, after each layer has been cured, the model sinks deeper into the basin 8, then all the layers 14 of the model, which lie one above the other or next to one another in the finished model 1, gradually emerge. The thickness and step-like nature of the layers 14 in Figure 3 are exaggerated for clarity, in practice the surface of the model, after being removed from the bath 9, is already substantially smooth.
Bei einem Modell mit mehreren Einbauelementen wird vor der eigentlichen Stereolithographie zunächst das erfindungsgemäße Gestell 5 mit den daran befestigten Elementen auf einer höhenverstellbaren Trägerplattform 10 für die Stereolithographie aufgebaut. Hier sind dies der Drucksensor 3 und das Prandtl-Rohr 4. Um das Gestell 5 mit den daran befestigten Elementen herum werden nun, wie oben beschrieben, Schritt für Schritt die einzelnen Schichten 14 des Modells 1 in dem Bad 8, 9 erzeugt. Am Ende des Herstellungsprozesses hat man ein komplexes Modell, in dem die verschiedenen Elemente integriert sind, u.a. Drucksensor 3 und Prandtl-Rohr 4, wobei die äußere Form des Modells noch Stufen zwischen den einzelnen Modellschichten 14 aufweist.In the case of a model with a plurality of built-in elements, the frame 5 according to the invention with the elements fastened thereto is first of all constructed on a height-adjustable support platform 10 for stereolithography prior to the actual stereolithography. Here, these are the pressure sensor 3 and the Prandtl tube 4. Around the frame 5 with the elements attached to it, step by step, as described above, the individual layers 14 of the model 1 are generated in the bath 8, 9. At the end of the manufacturing process, one has a complex model in which the various elements are integrated, i.a. Pressure sensor 3 and Prandtl tube 4, wherein the outer shape of the model still has steps between the individual model layers 14.
Das Verfahren zum Herstellen des Modells 1 mit wenigstens einem Einbauelement 2 umfasst also im wesentlichen die folgenden Schritte: Es wird ein Bad aus einem lichtaushärtenden Material 9 bereitgestellt. Das lichtaushärtende Material 9 wird auf einer vorgegebenen Fläche 13 über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte 10 mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgehärtet, so dass sich eine feste Schicht 14 aus Kunststoff über der Trägerplatte 10 bildet.The method for producing the model 1 with at least one installation element 2 therefore essentially comprises the following steps: A bath of a light-curing material 9 is provided. The light-curing material 9 is cured on a predetermined surface 13 over a solid, substantially parallel to the surface of the bath extending support plate 10 with light of a predetermined wavelength, so that a solid layer 14 of plastic on the support plate 10 is formed.
Durch wiederholtes Absenken der Trägerplatte 10 in dem Bad und Aushärten des Materials mit Licht erhält man letztendlich das sich aus den einzelnen Schichten zusammensetzende Modell. Daran schließt sich eine Nachbearbeitung des Modells an.By repeatedly lowering the support plate 10 in the bath and curing the material with light, one finally obtains the model composed of the individual layers. This is followed by a post-processing of the model.
Dabei wird erfindungsgemäß ein Gestell 5 mit dem wenigstens einen Einbauelement 2 auf der Trägerplatte 10 zu Beginn des Verfahrens positioniert, so dass das Gestell mit den daran hängenden Einbaielementen 2 den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft. Das Zwischenergebnis ist ein Halbzeug (Vorprodukt) mit wenigstens einem Einbauelement 2, das aus einem Bad aus einem lichtaushärtenden Material 9 hergestellt wurde. Dieses Halbzeug weist ein Gestell 5 auf, das wenigstens einen Sockel 6 und wenigstens einen Stützaufbau 7 umfasst. An dem Stützaufbau 7 ist das wenigstens eine Einbauelement 2 befestigt, wobei das Gestell 5 selbst wiederum auf der Trägerplatte 10 montiert ist, mit der das Modell bei seiner Herstellung in dem Bad nach oben und unten gefahren wird. Das Gestellt 5 durchläuft somit den ganzen Herstellungsprozess des Modells.In this case, a frame 5 is positioned according to the invention with the at least one mounting element 2 on the support plate 10 at the beginning of the process, so that the frame with the attached thereto inserts 2 passes through the entire manufacturing process of the model. The intermediate result is a semi-finished product (precursor) with at least one built-in element 2, which was produced from a bath of a light-curing material 9. This semifinished product has a frame 5 which comprises at least one base 6 and at least one support structure 7. On the support structure 7, the at least one mounting element 2 is fixed, wherein the frame 5 itself is in turn mounted on the support plate 10, with which the model is driven in its manufacture in the bath up and down. The figure 5 thus goes through the entire manufacturing process of the model.
Nachdem das Modell aus dem Bad entnommen wurde, kann seine Oberfläche nachbearbeitet werden, beispielsweise durch eine spanabhebende Bearbeitung, Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen und/oder Polieren, so dass es am Ende eine glatte Oberfläche mit der Kontur 15 in Fig. 3 erhält.After the model has been removed from the bath, its surface can be post-processed, for example, by machining, sandblasting, grinding, milling and / or polishing, so that it receives a smooth surface with the contour 15 in Fig. 3 at the end.
Darüber hinaus können dabei auch eventuell überstehende Gestellreste entfernt werden. So müssen natürlich die Stützdrähte 7 samt Gestellsockel 6 nach Abschluss der Arbeiten zur Herstellung des Modells sauber entfernt werden. Dies ist jedoch sehr viel einfacher, als in einem bereits fertiggestellten Modell Durchführungen und Hohlräume zu erzeugen.In addition, any protruding rack remains can be removed. Thus, of course, the support wires 7 together with frame base 6 must be removed cleanly after completion of the work for the production of the model. However, this is much easier than creating bushings and cavities in an already completed model.
Die erfindungsgemäße Technik eignet sich insbesondere für die Durchführung von Messungen unter Ähnlichkeitsbedingungen. Dabei ist darauf zu achten, dass die zu integrierenden Bauelement nicht sehr groß sind, weil sonst zu große Schattengebiete entstehen, die schwierig für die Stereolithographie sind. The technique according to the invention is particularly suitable for carrying out measurements under similarity conditions. It is important to ensure that the component to be integrated are not very large, because otherwise too large shadow areas arise, which are difficult for stereolithography.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Modell1 model
2 Einbauelement: Sensor, Röhrchen, elektrische Verbindung (Draht)2 built-in element: sensor, tube, electrical connection (wire)
3 Drucksensor3 pressure sensor
4 Prandtl-Rohr4 Prandtl pipe
5 Gestell mit Einbauelement5 frame with built-in element
6 Gestellsockel6 frame base
7 Stützaufbau7 support structure
8 Bassin8 basin
9 lichtaushärtendes Material9 light-curing material
10 Stereolithographie-Trägerplatte10 stereolithography carrier plate
1 1 Aushärtungslicht mit vorgegebener Wellenlänge1 1 curing light with given wavelength
12 Sammellinse12 condenser lens
13 Bearbeitungsoberfläche13 editing interface
14 Modellschicht14 model layer
15 Kontur von Modell nach Schleifen 15 contour of model after grinding

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines Modells (1 ) insbesondere für die Durchführung von Messungen unter Ähnlichkeitsbedingungen, das wenigstens ein Einbauelement (2) aufweist, mit den Schritten:1. A method for producing a model (1), in particular for carrying out measurements under similarity conditions, comprising at least one built-in element (2), comprising the steps of:
- Bereitstellen eines Bades aus einem lichtaushärtenden Material (9), - Aushärten des lichtaushärtenden Materials (9) auf einer vorgegebenen Fläche (13) über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte (10) mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge, so dass sich eine feste Schicht (14) aus Kunststoff über der Trägerplatte (10) bildet,- Providing a bath of a light-curing material (9), - Curing the photocuring material (9) on a predetermined surface (13) over a fixed, substantially parallel to the surface of the bath extending support plate (10) with light of a predetermined wavelength such that a solid layer (14) of plastic forms over the carrier plate (10),
- wiederholtes Absenken der Trägerplatte (10) in dem Bad und Aushärten des Materials mit Licht, bis das Modell, das sich aus den einzelnen Schichten zusammensetzt, fertiggestellt ist,repeatedly lowering the support plate (10) in the bath and curing the material with light until the model consisting of the individual layers is completed,
- Nachbearbeiten des Modells zum Erzeugen des wenigstens einen Einbauelements- Post-processing of the model for producing the at least one mounting element
(2), gekennzeichnet durch(2), characterized by
Montieren eines Gestells (5) mit dem wenigstens einen Einbauelement (2) auf derMounting a frame (5) with the at least one mounting element (2) on the
Trägerplatte (10) zu Beginn des Verfahrens, so dass es den ganzenSupport plate (10) at the beginning of the process, so that it is the whole
Herstellungsprozess des Modells durchläuft.The manufacturing process of the model goes through.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das lichtaushärtende Material (9) ein Material aus der Gruppe Kunststoff, Wachs und insbesondere lichthärtendes Harz, ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the light-curing material (9) is a material from the group of plastic, wax and in particular light-curing resin.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Nachbearbeiten der Oberfläche des Modells insbesondere durch spanabhebende Bearbeitung, Sandstrahlen, Schleifen, Fräsen und/oder Polieren.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized by reworking the surface of the model in particular by machining, sandblasting, grinding, milling and / or polishing.
4. Halbzeug zum Herstellen eines Modells (1 ) insbesondere für die Durchführung von Messungen unter Ähnlichkeitsbedingungen, das wenigstens ein Einbauelement (2) aufweist, aus einem Bad aus einem lichtaushärtenden Material (9), wobei das lichtaushärtende Material (9) auf einer vorgegebenen Fläche (13) über einer festen, sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Bades erstreckende Trägerplatte (10) mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge ausgehärtet ist zu einer festen Schicht (14) aus Kunststoff über der Trägerplatte (10), gekennzeichnet durch ein Gestell (5), das wenigstens einen Sockel (6) und wenigstens einen Stützaufbau (7) umfasst, an dem das wenigstens eine Einbauelement (2) befestigt ist, wobei das Gestell auf der Trägerplatte (10) montiert ist, so dass es den ganzen Herstellungsprozess des Modells durchläuft.A semifinished product for producing a model (1), in particular for carrying out measurements under similitude conditions, comprising at least one installation element (2) from a bath of a light-curing material (9), wherein the light-curing material (9) is disposed on a predetermined surface (13) over a solid, substantially parallel to the surface of the bath extending support plate (10) is cured with light of a predetermined wavelength to a solid layer (14) made of plastic on the support plate (10), characterized by a frame (5) comprising at least one base (6) and at least one support structure (7) to which the at least one mounting element (2) is fixed, the frame being mounted on the support plate (10) so as to secure the frame goes through the entire manufacturing process of the model.
5. Halbzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützaufbau (7) aus einem Material gefertigt ist, durch das ein an dem Stützaufbau befestigter Sensor nicht beeinträchtigt wird. 5. Semi-finished product according to claim 4, characterized in that the support structure (7) is made of a material by which a sensor attached to the support structure is not impaired.
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