Die Erfindung betrifft eine schallabsorbierende oder -dissipierende Hülle, die eine Schallemissionsquelle zumindest teilweise so umschließt, dass der emittierte Schall in einem gewünschten Frequenzbereich und gewünschter Amplitude gedämpft wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Hülle.

Die Absorption von Schall (S), sei es in Form von Luftschall, der sich in der Luft oder auch Wasser oder anderen Flüssigkeiten ausbreitet und vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann oder sei es in Form von Körperschall als sich in Festkörpern ausbreitenden Schwingungen ist seit Langem eine wichtige Anforderung an die Konstruktion von Maschinen, Geräten, Bauteilen oder Gebäuden. Wie bei Schadstoffemissionen verschärfen sich im Laufe der Zeit auch bei der Verringerung von Schallemission die Anforderungen, sei es durch gesetzliche Vorgaben, durch die Wahrnehmung und den Bedarf eines Verbrauchers oder Nutzers oder durch technische Vorgaben und Anforderungen in schwingungsfähigen Systemen. Der Übergang vom Verbrennungsmotor zu elektrischen Antrieben etwa lässt durch eine prinzipiell niedrigere Schallemission des elektrischen Antriebs auch Komponenten in die akustische Wahrnehmung rücken, die bisher in ihrer Schallemission gegenüber jener des Antriebs vernachlässigbar waren. Die so entstehende schrittweise Verringerung von Schallemissionen setzt diesen Sensibilisierungseffekt kaskadierend fort und erhöht somit die Notwendigkeit für verbesserte Schallschutzmaßnahmen. Neben der reinen Absorption von Schall, mit der üblicherweise nur die Umwandlung der mechanischen Bewegungsenergie einer Schallwelle in thermische Energie gemeint ist, umfasst im Folgenden der Begriff Absorption auch die Dissipation von Schallwellen, d.h. zumindest teilweise eine statistische Streuung des Schallsignals so, dass es im Wesentlichen in ein Rauschen überführt wird.

Neben der Vermeidung einer Schallemission, etwa durch Vermeidung und Verringerung der Entstehung von Schwingungen, ist es oftmals erforderlich, Schallemissionen durch eine Absorption zu verringern. Schall wird dabei in einem Medium so dissipiert, dass die Schallenergie in thermische Energie umgewandelt wird.

Eine große Vielfalt von unterschiedlichen Ansätzen und Lösungen zur Ausführung von Strukturen und Materialien zur Schallabsorption sind bekannt, beispielsweise: Die US7743880B2 zeigt eine schallabsorbierende Struktur, deren Ausbildung insbesondere zur Absorption niederfrequenten Schalls geeignet ist, wobei die Struktur kompakt ausgeführt werden kann. Die US9033101 B2 beschreibt ein schallabsorbierendes Material, welches aus einem zweikomponentigen Fasermaterial aufgebaut ist.

Das Herstellungsverfahren „3D-Druck“, im Englischen „Additive Manufacturing“, ist ein sich in den letzten Jahren sehr dynamisch entwickelndes Verfahren mit einer stetig wachsenden Zahl von Anwendungen. Es wird ein Material durch pixelartiges Drucken, etwa durch Aufschmelzen winziger Tröpfchen aus einer Düse o.dgl., in eine nahezu beliebige Form gebracht. Dabei stehen Anwendungen im Bereich Akustik allerdings bisher nicht im Fokus. In dem Artikel „ Study oft he Sound Absorption Properties of 3D-Printed Open-Porous ABS Material Structures”, Polymers (Basel), Mai 2020, 12(5): 1062 (Online Veröffentlichung) werden die schallabsorbierenden Eigenschaften von mittels 3D-Druck hergestellten Kunststoffelementen aus einem speziellen Kunststoff untersucht. In dem Artikel „Chaotic Printing: using chaos to fabricate densely packed micro- and nanostructures at high resolution and speed”, Materials Horizon, Vol.5 , No.5, Sept. 2018, S. 755-1010, wird durch den dynamischen Materialfluss des zu druckenden Materials während des Druckvorgangs ein turbulenter Fluss erzeugt, der im gedruckten Material chaotische Strukturen erzeugt. Akustische Eigenschaften werden hier nicht untersucht.

Die US 2021/0138726 A1 zeigt ein 3D Druck Verfahren zur Herstellung eines Silikonschaumes, bei dem eine poröse Struktur dadurch erzeugt wird, dass Mikro-Salzkugeln in den Druckprozess beigemengt werden.

Die US 2020/0109300 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer regelmäßigen Struktur eines porösen Elastomerschaumes mittels 3D Drucks, um Nachteile unregelmäßiger, stochastischer Strukturen, insbesondere deren Langzeitbeständigkeit zu vermeiden. Es werden gasgefüllte Mikro-Ballons in die Struktur eingearbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine schallabsorbierende Hülle anzugeben, welche besonders gut auf eine individuelle Schallemissionsquelle angepasst ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Herstellungsverfahrens für eine solche Hülle.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer schallabsorbierenden Hülle für eine Schall mit einem Energiespektrum emittierende Schallemissionsquelle, wobei mittels eines 3D-Drucks aus einem Druckmaterial eine aus Unterstrukturen aufgebaute unregelmäßige Struktur gedruckt wird, welche vom Druckmaterial gebildete Materialbereiche aufweist, die Hohlbereiche zumindest teilweise umschließen, wobei die Unterstrukturen jeweils eine innerhalb eines charakteristischen Intervalls liegende charakteristische Länge und jeweils eine charakteristische Dichte von Hohlbereichen aufweisen und wobei die Unterstrukturen mit diesen Merkmalen so an das Frequenzspektrum angepasst sind, dass sie in einem gewünschten Unterdrückungsbereich des Energiespektrums Schall dissipieren.

Die Erfindung schlägt somit erstmals vor, eine schallabsorbierende Hülle mittels eines 3D Druckverfahrens mit einer unregelmäßigen Struktur zu erzeugen. Trotz der bekannten Vorteile des 3D-Druck erscheint dieses Verfahren zunächst in der Anwendung zur Erzeugung einer schallabsorbierenden Hülle als unnötig aufwendig und kompliziert. Immerhin müsste üblicherweise ein Schallschutzmaterial einfach mehr oder weniger nur um die Schallquelle herum an- oder aufgebracht werden, also etwa durch einfaches Umhüllen, Kunststoffspritzen oder als festes Gehäuse o. dgl. Dabei erscheint es besonders aufwendig, diese Struktur unregelmäßig zu gestalten, da ein 3D Druck einem determinierten Ablauf unterliegt, die Unregelmäßigkeit somit, anders als bei statistischen Verfahren wie Beimischungen, gezielt eingestellt werden muss. Die Erfindung geht aber von der Erkenntnis aus, dass mittels 3D-Druck eine gezielt schallabsorbierende, unregelmäßige Struktur erzeugt werden kann, auch wenn bislang die Vorlagen für 3D Druck nahezu ausschließlich durch geeignete CAD Verfahren bzw. typische Konstruktion erfolgt. Während konventioneller Weise entweder in makroskopischen Dimensionen und solchen von typischen Schallwellenlängen homogene, schallabsorbierende Materialien verwendet werden oder aber mittels regelmäßigen, gitter- oder fachwerkartigen Strukturen, die Schwingungen aufnehmen und dann mit innerer Reibung dämpfen, zum Einsatz kommen, schlägt die Erfindung einen gänzlich anderen Weg ein: Es wird eine unregelmäßige Struktur aus Unterstrukturen erzeugt, so dass sich eine statistische Verteilung von Reflexionsflächen und für eine Schallausbreitung signifikanter Oberflächen ergibt, die zu einer annähernd maximalen Dissipation der Schallausbreitung führen.

Der Begriff „unregelmäßig“ ist somit so zu verstehen, dass keine gittermäßige Einheitszelle des räumlichen Aufbaus definierbar ist bzw. dass keine im Wesentlichen homogene Verteilung vorliegt. Diese Betrachtung erfolgt dabei mit einer makroskopischen, allenfalls mesosko- pischen Auflösung, die im Vergleich zu den Wellenlängen des relevanten Schalls eine Rolle spielt. Wesentlich oberhalb dieser Skala würde die Struktur homogen erscheinen, wesentlich unterhalb, also mikroskopisch, ggf. regelmäßige Gitterstrukturen, je nach verwendetem Material, aufweisen.

Unter Hohlräumen sind solche Räume zu verstehen, die mit einem gasförmigen, flüssigen o- der festen Material gefüllt sind, welches sich in seiner Fähigkeit Schall zu leiten wesentlich vom Druckmaterial unterscheidet und dabei weicher ist. Typischerweise werden die Hohlräume lüft- oder flüssigkeitsgefüllt sein. Für das Druckmaterial kommen im Prinzip alle durch 3D Druck verarbeitbaren Materialien in Frage, dabei sind aber solche Materialien bevorzugt, die bereits als intrinsische Eigenschaft eine Schallabsorption im gewünschten Bereich aufweisen.

Der Begriff Hülle ist nicht einschränkend dahin zu verstehen, dass die Schallemissionsquelle vollständig oder auch nur überwiegend von der Hülle umgeben sein muss. Eine Hülle im vorliegenden Sinn wäre auch schon bei einer Teilabschirmung des emittierten Schalls gemeint, also z.B. ein flächiges Element, welches Schall aus der Schallemissionsquelle in einem bestimmten Raumwinkel zumindest teilweise absorbiert. In diesem Sinne ist unter dem Begriff Hülle auch ein Auskleidungselement zu verstehen, welches eine Schallausbreitung in einer bestimmten Richtung verringert.

Die Hohlräume kennzeichnen nun die Unterstrukturen: Eine Unterstruktur wird definiert durch eine Klasse von Hohlräumen, deren charakteristische Ausdehnung, also etwa ein Kugeldurchmesser im Falle einer Kugelform der Hohlbereiche, in einem bestimmten, vorgegebenen Intervall liegt. Für diese Unterstruktur wird dann eine Dichte vorgegeben, also die Häufigkeit, mit der Hohlräume dieser Art in der Struktur auftreten, ggf. gewichtet mit der Hohlraumgröße. Jede Unterstruktur wird aufgrund ihrer charakteristischen Ausdehnungsklasse besonders in jenen Frequenzbereichen schallstreuend wirken, deren Wellenlängen im Bereich dieser Ausdehnungsklasse liegt. Man ist somit nunmehr in der Lage, die schallabsorbierende Hülle durch eine geeignete Wahl der Unterstrukturen, hinsichtlich der verwendeten Ausdehnungsklassen oder Ausdehnungsintervalle sowie der Häufigkeit ihres Auftretens, also ihrer Dichte, an das Energiespektrum der Schallemissionsquelle anzupassen. Mit Kenntnis des Energiespektrums wird es also durch den 3D Druck möglich, eine individualisierte Schallabsorption zu erreichen.

Vorzugsweise wird die Struktur durch einen Algorithmus berechnet. Grundsätzlich könnte für einen 3D-Druck auch eine empirisch gewonnene Verteilung von Hohlräumen zugrunde gelegt werden. Eine Anpassung des Druckmusters auf eine spezifische Anwendung, d.h. die Erzeugung einer neuen Verteilung von Unterstrukturen, mit ggf. einer neuen Größenklassifizierung und zugeordneten Dichten, ist aber besonders effizient mittels eines Algorithmus zu bewerkstelligen. Weiter bevorzugt ist der Algorithmus zufallsbasiert, d.h. die Struktur wird aus einer zufälligen Verteilung der Unterstrukturen mit ihren vorgegebenen Merkmalen erzeugt. Bevorzugtermaßen wird dabei eine Geometrie der Hülle vorgegeben und eine Unterstruktur durch eine zufällige Lage eines Mittelpunktes und eines Durchmessers eines Hohlbereichs erzeugt, wobei die Anzahl der Hohlbereiche der Unterstruktur entsprechend einer gewünschten Dichte der Unterstruktur gewählt wird. „Mittelpunkt“ und „Durchmesser“ können bei geometrisch einfachen Formen der Hohlbereiche, z.B. kugel- oder tetraederförmig, präzise Werte sein, sie können aber auch näherungsweise bestimmt sein, wenn die gewählten Hohlbereichformen unregelmäßig oder stark unsymmetrisch sind. Beispielsweise könnte die Hülle die Form eines Zylindermantels haben, in dem z.B. kugelförmige Hohlräume verschiedener Größenklassen in verschiedenen Dichten vorliegen. Ein Zufallsalgorithmus gibt dann einen Mittelpunkt als Vektor für einen Hohlraum einer bestimmten Klasse innerhalb der Hülle vor, sowie einen Kugelradius der dem charakteristischen Radius der Klasse entspricht, entweder genau diesen Radius oder gewählt aus einer statistischen Verteilung um den Radius. Für diese Klasse von Hohlräumen wird dies so oft durchgeführt, wie es der gewünschten Dichte der Klasse entspricht. Mit allen anderen Hohlraumklassen wird entsprechend verfahren, so dass schließlich die gewünschte Struktur gebildet aus den Unterstrukturen der Hohlraumklassen gebildet ist.

Unter Algorithmus ist auch ein Verfahren zu fassen, welches im Sinne eines Versuch- und Irrtum -Vorgehens eine Struktur definiert. Wird also ein Schallemissionsspektrum räumlich und in der frequenz- und Amplitudenverteilung vorgegeben, so könnte der Algorithmus darin bestehen, zunächst aus dem Frequenzspektrum Stützpunkte abzuleiten, die einer Unterstruktur zugrunde liegen, also aus der Frequenz die entsprechende Wellenlänge mit einem bestimmten Intervall abzuleiten und daraus eine charakteristische Länge einer Unterstruktur zu definieren. Das Spektrum würde entsprechend mit weiteren Unterstrukturen diskretisiert. In Frequenzbereichen mit höherer Amplitude würden diese Stützpunkte dichter gesetzt und die Intervalle darum herum enger werden. Zudem würde die Dichte der jeweiligen Unterstruktur relativ zu den Dichten der anderen Unterstrukturen entsprechend der jeweiligen mittleren Amplitude im Wellenlängenintervall der Unterstruktur gewählt. Mit einer solchen Startkonfiguration, direkt abgeleitet aus dem Schallemissionsspektrum, könnte nun anhand einer Simulation eine Absorptionsfähigkeit getestet werden. Indem dann die Parameter der Untergruppen variiert werden, können lokale Maxima für die Absorption und damit eine zumindest (im Parameterraum) lokal optimale Struktur ermittelt werden. Im Sinne eines Gesamtverfahrens könnte dies also dahingehend ausgeführt werden, dass lediglich mit Eingabe des Schallemissionsspektrums, mit seiner räumlichen Charakteristik und einer Gesamtgeometrie der Hülle, eine schallisolierende Hülle direkt berechnet und ggf. gleich ausgedruckt wird.

Bevorzugt werden die Hohlbereiche überlappend und damit zueinander offen so ausgeführt, dass sie einen durchgängigen Kanal bilden, durch den eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas geführt werden kann. Einige Hohlbereiche bilden also durch Überlappung jeweils benachbarter Hohlbereiche einen durchgängigen Kanal durch die Hülle. Diese Kanalbildung kann im Prinzip in die Druckvorlage „händisch“ eingebaut werden. Dieser Aufwand kann aber dadurch vermieden werden, dass ein durchgängiger Kanal mit statistisch ausreichender Wahrscheinlichkeit in einem gewünschten Bereich dadurch gebildet wird, dass die Dichte von in ihrer Dimension zu einer Kanalbildung geeigneter Hohlräume über der Perkolationsschwelle liegt. Das Phänomen der Perkolation ist die Bildung einer durchgehenden Verbindung von einem Rand zum anderen, von statistisch verteilten Elementen innerhalb der Ränder. Bei der Perko- lationskonzentration kommt es zum „geometrischen Phasenübergang“ von zueinander isolierten Außenrändern hin zu miteinander verbundenen Außenrändern der Hülle. Neben der Dichte der Hohlräume ist hier auch ihre Form und Ausrichtung zu berücksichtigen. Ist die Perkola- tionskonzentration bekannt, lassen sich Kühlkanäle an gewünschten Stellen durch die Wahl der Hohlraumgeometrie und -dichte statistisch einstellen. Die gleichzeitige Anforderung der Kühlung und der Schallisolation ist eine durchaus häufige bei technischen Anwendungen. Insbesondere Reibung kann gemeinsame Ursache für die Entstehung von Schwingungen und Wärme sein. Dabei kann es aber zu einer Kollision der Anforderungen kommen: Eine gute Schallisolation basiert üblicherweise auf Materialien, die mesoskopisch oder mikroskopisch eine Vielzahl von Grenzflächen bzgl. der Schallleitfähigkeit aufweisen, z.B. poröse oder Fasermaterialien. Oft verringern aber solche Materialien gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit, die Schallisolation geht somit mit einer Wärmeisolation einher. Durch die Ausgestaltung der Schallisolation mit integrierten Kühlkanälen kann dem sehr vorteilhaft entgegengewirkt werden und zwar nach der vorgeschlagenen Art ohne dass geradlinige Kanäle vorgesehen werden müssten, die wieder Schallleiter darstellen könnten. Die Perkolation von Hohlräumen stellt somit eine Erzeugung von Kühlkanälen dar, die ohne zusätzlichen Designaufwand, gewissermaßen von selbst, entsteht und dabei die guten schallisolierenden Eigenschaften beibehält. Als Kühlmittel kommen zunächst alle Flüssigkeiten und Gase in Frage, wobei insbesondere die Viskosität mit den Abmaßen der Hohlbereiche abgestimmt sein muss, um eine ausreichend geringen Strömungswiderstand zu ermöglichen.

Bevorzugt sind die Hohlräume einer Unterstruktur in einer von der Schallemissionsquelle gesehen radialen Richtung zueinander entlang einer, bzgl. der radialen Richtung, Umfangsrichtung in einem inkommensurablen Verhältnis zueinander versetzt angeordnet. Man kann dies auch so beschreiben, dass um die Schallquelle herum in radialer Richtung Schichten von Hohlräumen liegen. Betrachtet man nur Hohlräume einer Klasse, so soll für die Abstände in Umfangsrichtung, mit denen ein Hohlraum gegenüber dem einer Nachbarschicht versetzt ist gelten, dass diese Abstände möglichst weit von einem ganzzahligen Verhältnis, also einer rationalen Zahl, entfernt sind. Sind diese Abstände Verhältnisse kleiner ganzer Zahlen, so kann es zu Interferenzeffekten bei der Schallstreuung kommen, der Schall wird also nicht isotrop dissipiert. Ein rationales Verhältnis führt nämlich zur Bildung einer regelmäßigen Überstruktur in radialer Richtung: die Anordnung der Hohlbereiche wiederholt sich beim rationalen Verhältnis ab einer bestimmten radialen Schicht wieder. Ein Abstandsverhältnis, dass durch eine rationale Zahl gebildet aus möglichst großen ganzen Zahlen entspricht (eine irrationale Zahl an- nähert), vermeidet diese Regelmäßigkeit jedenfalls bis hin zu einer radialen Ausdehnung, die oberhalb der Hüllendicke liegt. Innerhalb der Hülle wird somit die Bildung der radialen Überstruktur vermieden. Die aufeinander folgenden Schichten sind dann inkommensurabel angeordnet. Man kennt diese Anordnung von Blütenblättern bei mehrreihigen Kranzblüten: Die Blätter sind zur besseren Lichtausbeute um den Umfang so angeordnet, dass sie mit den anderen Reihen möglichst wenig überlappen. Mit einem Algorithmus lässt sich eine solche Anordnung, etwa durch einen Abstand berechnet aus einer hoch irrationalen Zahl, z.B. dem Goldenen Schnitt, leicht realisieren.

Bevorzugt wird zumindest ein Teil der Hohlbereiche in einer geometrischen Form ausgeführt, deren Orientierung und Abmaße entsprechend der räumlichen Ausdehnung des von der Schallemissionsquelle emittierten Schalls eine möglichst hohe Schalldissipation zur Folge haben. Während eine Kugelform die einfachste Hohlraumform darstellt, können andere Formen bessere Absorptionseigenschaften erzielen. Insbesondere kann eine Halbschneckenform in Frage kommen, dabei ist diese so ausgeführt, dass eine Öffnung der Halbschneckenform zur Schallemissionsquelle hin orientiert ist und der Schneckengang in Richtung der Schallausbreitung konvergiert. Durch die geometrische Wahl der Hohlraumgrundformen können insbesondere auch anisotrope Schallverteilungen berücksichtigt werden.

Die auf eine Hülle gerichtete Aufgabe wird gelöst durch eine gedruckte, schallabsorbierende Hülle für eine Schall mit einem Energiespektrum emittierende Schallemissionsquelle, welche eine aus Unterstrukturen aufgebaute unregelmäßige Struktur aufweist, wobei die Unterstrukturen jeweils eine charakteristische Längenskala und Dichte aufweisen und wobei die Unterstrukturen so an das Frequenzspektrum angepasst sind, dass sie in einem gewünschten Unterdrückungsbereich des Energiespektrums Schall dissipieren.

Die oben ausgeführten Vorteile des Verfahrens zur Herstellung einer schallabsorbierenden Hülle gelten entsprechend für die Hülle selbst. Bei Betrachtung der Hülle selbst ergeben sich aber mit bevorzugten Ausgestaltungen noch weitere Vorteile:

Vorzugsweise ändert sich die Zusammensetzung der Struktur aus den Unterstrukturen entlang einer Ausdehnung der Hülle so, dass die Schall dissipierenden Merkmale der Struktur an eine anisotrope Emission der Schallemissionsquelle angepasst sind. Der Aufbau der Struktur ändert sich also auf einem makroskopischen Maßstab. Dabei wird eine Anisotropie der Schallemission berücksichtigt, die je nach Abstrahlungsrichtung unterschiedliche Amplituden und Frequenzbereiche aufweisen kann. Mittels des individualisierten 3D Druckverfahrens kann nun eine Struktur nicht nur in ihrem mesoskopischen Aufbau auf ein bestimmtes Schallemis- sionsspektrum angepasst werden, sondern auch noch richtungs- und lagesensitiv unterschiedlich gestaltet werden.

Bevorzugt ist die Hülle auf ein die Schallemissionsquelle zumindest teilweise umfassendes Gehäuse gedruckt ist.

Bevorzugt bildet die Hülle ein die Schallemissionsquelle zumindest teilweise umfassendes Gehäuse bildet. Mit dem 3D-Druckverfahren wird also mit der Hülle auch gleich ein Gehäuse gedruckt, die Hülle übernimmt somit neben ihrer Eigenschaft der Schallabsorption eine weitere Eigenschaft.

Bevorzugtermaßen ist die Schallemissionsquelle formschlüssig mit einem Anschlussbauteil verbunden, wobei der Formschluss durch ein mittels eines 3D Druckverfahrens hergestellten Dämpfelementes gebildet so gebildet ist, dass eine Körperschallleitung von der Schallemissionsquelle zum Anschlussbauteil in einem vorgegebenen Frequenzbereich geschwächt wird.

Bevorzugt ist die Hülle Bestandteil eines Lagers, weiter bevorzugt eines Wälzlagers, mit einem Innen- und einem Außenring, wobei die Hülle den Außenring umgibt oder wobei der Außenring selbst durch 3D Druck gebildet ist und die die Schallemissionsquelle umgebende Hülle bildet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung bespielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : Den Ausschnitt einer schallisolierenden Hülle mit einer aus Unterstrukturen gebildeten Struktur

Figur 2: Den Ausschnitt aus Figur 1 , bei dem die Dichte einer Unterstruktur so groß ist, dass sich ein Kühlkanal bildet.

Figur 3a: Einen Ausgangspunkt für die Berechnung einer unregelmäßigen Struktur

Figur 3b: Die unregelmäßige Struktur gebildet aus dem Ausgangspunkt der Figur 3a

Figur 3c: Einen weiteren Schritt nach dem Ausgangspunkt der Figur 3a

Figur 3d: Die Bildung einer unregelmäßigen Verbindung zwischen Punkten der Figur 3a

Figur 4: Eine Struktur, die durch eine inkommensurable Versetzung von Hohlbereichen gebildet ist

Figur 5: Beispiele von geometrischen Formen von Hohlbereichen

Figur 6: Eine schallisolierende Hülle um eine anisotrop strahlende

Schallemissionsquelle Figur 7: Ein Bauteil mit einer schallisolierenden Hülle, welches mit einem weiteren Bauteil in Kontakt ist

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer schallisolierenden Hülle H, die durch ein 3D Druckverfahren hergestellt ist. In diesem Beispiel weist die Hülle H eine Struktur auf, die aus drei Unterstrukturen 1 ,2,3 gebildet ist. Diese sind Hohlräume, welche durch das gedruckte Material umschlossen sind. Beim schichtweisen Aufbau des Drucks werden also diese Hohlräume vom Druckmaterial ausgespart. Das Druckmaterial selbst kann bereits schallisolierende Eigenschaften aufweisen. Durch die Hohlbereiche 1 ,2,3 entstehen Grenzflächen des Schallwiderstands, die zu Reflexionen führen. Werden solche Reflexionen nun geeignet unregelmäßig gebildet, wird Schall ausreichend dissipiert. Im vorliegenden Fall würden die Hohlbereiche 1 ,2,3 als Streuflächen für Körperschall dienen, welcher sich durch das gedruckte Material fortpflanzt. Denkbar ist aber auch eine umgekehrte Konfiguration, bei der sich Luftschall durch miteinander verbundene Hohlräume ausbreitet und dabei an den unregelmäßigen Grenzflächen gestreut und dissipiert wird. Dies ist weiter unten anhand von Figur 2 dargestellt. Die Unterstrukturen unterscheiden sich durch ihre Durchmesser D1 , D2, D3, die im vorliegenden Fall genau definiert sind, da kugelförmige Hohlbereiche 1 ,2,3 gebildet sind. Die Durchmesser D1 , D2, D3 sind die charakteristischen Längen der Unterstrukturen. Bei anderen, geometrisch weniger exakten Formen könnten andere Werte als charakteristische Längen in Betracht kommen, z.B. gemittelte Ausdehnungswerte oder maximale oder minimale Ausdehnungen. Die charakteristischen Längen werden geeignet klassifiziert, um sie in einfacher Weise einem Algorithmus zur Verteilung zu unterwerfen, durch welchen damit besonders gut die Schallabsorption auf ein Schallemissionsspektrum angepasst werden kann. Im vorliegenden Fall sind drei Intervalle vorgegeben, nach denen die Unterstrukturen gemäß ihren Durchmessern zusammengefasst werden: Eine Klasse 1 mit großer charakteristischer Länge D1 , eine Klasse 2 mit mittlerer charakteristischer Länge D2, und eine Klasse 3 mit kleiner charakteristischer Länge D3. Klasse 1 ist somit eher zur Dissipation größerer Wellenlängen geeignet, Klasse 3 eher für kleinere Wellenlängen. In dem nun die Anzahl der Hohlbereiche 1 ,2,3 vorgegeben wird und somit ihre Dichte, mit der sie in der Hülle auftreten, kann eine an das Energiespektrum angepasste Absorption erfolgen. Ist z.B. die Energiedichte der Schallemissionsquelle E also im hochfrequenten Bereich größer, wird die Dichte der Klasse 3 höher gewählt. Natürlich lässt sich die Anzahl der Klassen genauso frei wählen, die Intervalle zur Klassifizierung können also auch sehr fein und nahezu kontinuierlich werden. Die Lage der Hohlbereiche 1 ,2,3 kann durch eine zufällige Wahl ihrer Mittelpunkte M1 , M2, M3 festgelegt werden. Dabei können diese Mittelpunkte M1 , M2, M3 als Vektoren in einem Vektorraumbereich definiert werden, welcher der Gesamtgeometrie der Hülle H entspricht. In diesem erlaubten Be- reich werden dann also gemäß der vorgegebenen Dichten die Hohlbereiche 1 ,2,3 durch zufällige Wahl des Mittelpunkts und ggf. auch durch zufällige Wahl des Hohlbereichdurchmessers innerhalb des vorgegebenen Intervalls der Hohlbereichsklasse.

In Figur 2 ist eine der Figur 1 entsprechende Struktur gezeigt. Hier ist die Dichte der Hohlbereiche 2 der Klasse 2 allerdings so groß gewählt, dass sich Hohlbereiche 1 ,2,3 überlappen und damit verbinden. Die Dichte liegt zudem über einer Perkolationskonzentration. Beim Effekt der Perkolation kommt es zu einem geometrischen Phasenübergang, welcher zunächst getrennte Ränder eines Bereichs durch mit zunehmender Konzentration steigender Überlappung mit einem geschlossenen Pfad verbindet. Beispielsweise könnte man schwimmende Bretter so lange in einen Teich werfen, bis man sich ein Ufer mit einem anderen mit einem durchgehenden Pfad auf den Brettern verbindet. Im vorliegenden Fall bilden sich zwei Kanäle 4 zwischen einem ersten Rand R1 der Hülle und einem zweiten Rand R2 der Hülle, welche eine Dicke D aufweist. Solche Kanäle können der Leitung von Luftschall („Luft“ kann hier natürlich für jedes Gas stehen) dienen, der durch die Reflexion an den unregelmäßigen Begrenzungen geschwächt wird. Die Kanäle müssen dazu natürlich nicht durchgängig sein, sondern lediglich eine ausreichende Wegstrecke für den Luftschall bereitstellen. Die Schwächung von Körperschall wie anhand von Figur 1 beschrieben und der Schwächung von Luftschall mittels verbundener Hohlräume kann natürlich auch kombiniert ausgenutzt werden.

Durch solche Kanäle, die sich tatsächlich durchgängig durch die Hülle H erstrecken, kann auch ein Kühlmedium K geführt werden. Insbesondere kann der Druck der Hülle H so gestaltet sein, dass gezielt in thermisch besonders belasteten Bereichen die Perkolationskonzentration für die Hohlbereiche 1 ,2,3 erreicht oder überschritten wird, so dass hier durchgängige Kanäle entstehen, durch die das Kühlmedium geführt werden kann. Ggf. wird eine veränderte Schallcharakteristik durch eine im Kühlmedium K andere Schallgeschwindigkeit und - dämpfung für die Gestaltung der Hülle H berücksichtigt. Mit dieser integrierten Kühlung kann nun auch divergierenden Anforderungen Rechnung getragen werden, die dadurch entstehen, dass eine wirksame Schallisolation oft auch eine thermische Isolation nach sich zieht, die einer notwendigen Wärmeabfuhr entgegen stehen kann.

Die Figuren 3a-3d zeigen eine weitere Möglichkeit des Aufbaus einer unregelmäßigen Struktur. In Figur 3a werden Punkte P innerhalb der Geometrie der Hülle H gewählt. Dies können durchaus Punkte eines regelmäßigen Gitters oder mehrerer ineinanderliegender regelmäßiger Gitter sein. Werden diese Punkte P aber mittels eines Zufallsalgorithmus verbunden, ergibt sich eine unregelmäßige Struktur wie in Figur 3b gezeigt. Die Punktverbindungen sind also die gedruckten Wände, welche wieder Hohlbereiche 1 ,2,3 umschließen. In Figur 3c ist gezeigt, wie eine solche „Zufallsverbindung“ erzeugt werden kann: Um die gestrichelt gezeichnete direkte Verbindung zweier Punkte P1 , P2 wird eine Anzahl Punkte, hier sechs, Z1-Z6 in einem vorgegebenen Abstand in Verbindungsrichtung aufeinander folgend zufällig gestreut. Diese Punkte Z1-Z6 werden sodann geradlinig verbunden, so dass sich eine zufällige „Zick-Zack“- Linie ergibt, welche eine Hohlbereichswand definiert.

Figur 4 zeigt eine weitere Möglichkeit, wie eine unregelmäßige Struktur aus Hohlbereichen 1 ,2,3 aufgebaut werden kann. Die Schallemissionsquelle E strahlt Schall S in einer radialen Richtung r ab. Entlang einer Umfangsrichtung u bezogen auf die radiale Richtung r sind Hohlbereiche 1 ,2,3 in festen Abständen, also in so weit regelmäßig, angeordnet. Allerdings sind die Hohlbereiche in radial aufeinander folgenden Schichten um ein Wert a so versetzt, dass sich in radialer Richtung eine inkommensurable, unregelmäßige Anordnung ergibt. Der Wert a ist somit kein kleiner ganzzahliger Teil des Umfangsabstandes, denn dieser hätte zur Folge, dass nach einigen radialen Schichten die Anordnung der Hohlbereiche wieder der der ersten Schicht entspricht. Dadurch würde eine regelmäßige Überstruktur entstehen, welche zu Schallinterferenz und somit verringerter Dissipation führen kann. Der Wert a wird somit als Verhältnis zweier teilerfreier ausreichend großer ganzer Zahlen so gewählt, dass es innerhalb der Dicke D, also der radialen Erstreckung, nicht in Umfangsrichtung zu einer Lagewiederholung der Hohlbereiche 1 ,2,3 kommt. Der Wert a wird also „ausreichend irrational“ gewählt.

Figur 5 zeigt beispielsweiser Formen von Hohlbereichen 1 ,2,3 die anders als die Kugelform anisotrope Eigenschaften haben und somit nicht nur bezgl. ihrer Ausdehnung und Dichte sondern auch durch ihre Orientierung zur Anpassung an ein Schallemissionsspektrum dienen können. Die gezeigte Tetraederform weist Flächen auf, die ggf. zu einer gezielten Schallumlenkung dienen könnten, während die gezeigte Halbschneckenform bevorzugt zur Schallemissionsquelle E hin geöffnet ist und in Ausbreitungsrichtung konvergiert, was eine günstige Dissipation zur Folge hat.

Figur 6 zeigt eine Hülle H, welche auf ein Bauteil B, z.B. ein Wälzlager, aufgebracht ist. Sie könnte z.B. direkt auf ein Gehäuse G des Bauteils B aufgedruckt sein, oder selbst ein Gehäuse G bilden. Insbesondere kann die Hülle H auch ein Innen- oder Außenring des Wälzlagers sein, wobei sie direkt eine Laufbahn für Wälzkörper bilden und den über das Ablaufen der Wälzkörper hervorgerufenen Schall diesen direkt dissipiert. Die durch das Bauteil B verursachte Schallemissionsquelle strahlt hier anisotrop in Amplitude und Frequenz ab. Entsprechend ist die Hohlraumdichte der Klasse 1 Hohlräume in einem Bereich, der eine höhere Energiedichte niederfrequenter Strahlung aufweist größer als in einem Bereich, wo ein größerer Anteil hochfrequenter Strahlung auftritt und damit mehr Hohlraumbereiche der Klasse 3 gewählt sind. In einem anderen Bereich, der thermisch höher belastet ist, ist die Hohlraumdichte über der Perkolationsschwelle gewählt, so dass hier ein Kühlmedium K durch die Hülle H durch den sich bildenden Kühlkanal 4 geführt werden kann.

Figur 7 zeigt eine Konfiguration, wo ein Bauteil B, welches die Hülle H trägt, in Kontakt mit ei- nem Nachbarbauteil C ist. Ein solcher Kontakt kann eine Brücke für Körperschall SK darstellen, welcher neben dem Luftschall SL vom Bauteil B ausgeht. Um eine solche Schallleitung zum Nachbarbauteil C zu reduzieren kann nun vorgesehen sein, durch 3D Druck ein Dämpfungselement 9 zu drucken. Dieses kann in Form, Größe und Orientierung wiederum optimal an den Körperschall angepasst werden und ist vorzugsweise in die Hülle H gleich integriert. Das Dämpfungselement kann in Steifigkeit und Festigkeit aber gleichzeitig auch auf die Anforderungen hin ausgelegt werden, die aus dem Kontakt zwischen Bauteil B und C folgt. Das Bauteil B kann ein Wälzlager sein. Denkbar ist hier auch, dass die Hülle H integraler Bestandteil des Wälzlagers B sein kann, so dass sie etwa nicht auf den Außenring aufgedruckt wird, sondern direkt einen Außenring des Wälzlagers B bildet, auf dem Wälzkörper ablaufen.

Bezuqszeichenliste

H schallabsorbierende Hülle

S Schall

E Schallemissionsquelle

D1, D2, D3 charakteristische Längen

M1 , M2, M3 Mittelpunkte

K Kühlmedium

B Bauteil, Wälzlager

C Nachbarbauteil

G Gehäuse

SL Luftschall

SK Körperschall

Z1-Z6 Zufallspunkte r radiale Richtung u Umfangsrichtung a Versetzungswert

R1 erster Rand der Hülle

R2 zweiter Rand der Hülle

1,2,3 Hohlbereiche

4 Kanal

9 Dämpfungselement