Während bei der Berechnung der Umströmung von Bauteilen in den letzten Jahren vor allen Dingen deshalb enorme Fortschritte erzielt wurden, weil theoretische Analyse und experimentelle Bestätigung Hand in Hand konsequent weiter entwickelt und eingesetzt wurden, ist ein entsprechender Fortschritt bei innen durchströmten Kanälen und Hohlräumen mit komplexen Geometrien bisher nicht in gleichem Maße erzielt worden. Die Rechen- und Simulationsverfahren für Außenströmungen sind natürlich auch für Innenströmungen anwendbar. Jedoch ist die experimentelle Validierung und Detaildarstellung der Strömungsvorgänge häufig aufgrund der fehlenden Verfügbarkeit geeigneter optisch transparenter Modellkanäle nicht möglich.

Der Beitrag stellt ein Verfahren vor, mit dem beliebig komplexe Innenströmungen mit Hilfe hochtransparenter Strömungsmodelle und optischer Strömungsmessverfahren experimentell untersucht werden können. Im Mittelpunkt steht die Herstellung der komplexen Geometrien auf der Basis generativ gefertigter Urmodelle.

Komplexe Innenströmungen liegen vor allen Dingen in wärmeübertragenden Systemen wie z.B. in Kühlkreisläufen oder bei gekühlten Gasturbinenschaufeln vor. Außerhalb der Technik sind es insbesondere Biosysteme, die besonders komplexe Innenstrukturen aufweisen. Ein Beispiel für solch eine komplexe strömungsführende Geometrie sind die Atemwege des Menschen, insbesondere die oberen Atemwege (Abbildung 1) und der Bronchialbaum (Abbildung 2). Sie weisen gegenüber technischen Systemen häufig besonders komplizierte Geometrien auf. An diesen Beispielen wurde das Prinzip der Herstellung der transparenten Strömungsmodelle und das Messverfahren für komplexe Innenströmungen exemplarisch entwickelt.

Abb.1: Atemwege des Menschen

Abb.2a Bronchialbaum

Abb.2b: Bronchialbaum

Im Gegensatz zu technischen Systemen sind die meisten Biosysteme einer direkten Konstruktion mittels 3D CAD- Systeme nicht unmittelbar zugänglich. Die Geometrien werden daher vorzugsweise direkt aus CT- und MRT-Daten gewonnen oder aus daraus abgeleiteten Approximationen.

Im Inneren der Nasenhohlräume befinden sich die sogenannten Nasenmuscheln, die längst zur Strömungsrichtung angeordnet sind und vor allen Dingen der Regulierung des Feuchthaushalts der Nasenschleimhäute dienen. Wenn diese sich pathologisch vergrößern, sind sie häufig die Ursache für eine verschlechterte Ventilation und daher für Atembeschwerden. Ein entsprechender operativer Eingriff ist heute Routinesache. Allerdings kommt es vor, dass dadurch die Ventilation gewünscht verbessert, die Befeuchtung der Nase aber verschlechtert wird, weshalb die Patienten anschließend unter trockenen Nasen leiden. Daher ist es für die Medizin besonders wichtig, die Abhängigkeit zwischen der Geometrie der einzelnen Muscheln, den Strömungsverhältnissen und der Befeuchtung genauer zu kennen. Zu diesem Zweck wurde ein entsprechendes Strömungsmodell mit den beschriebenen Verfahren hergestellt und vermessen.

Abb.3: Rekonstruktion des Nasenhohlraums

Zur Herstellung des Strömungsmodells wurden CT-Aufnahmen des Nasenhohlraums von Patienten ausgewertet und daraus die dreidimensionale Geometrie der Muscheln rekonstruiert (Abbildung 3). Insbesondere die Querschnitte 1-5 zeigen deutlich den zerklüfteten innendurchströmten Kanal, der zudem quer zur Strömungsrichtung massive Hinterschnitte aufweist. Zur Herstellung eines Strömungskanals wurde ein dem durchströmten Hohlraum entsprechender Kern, also ein Positiv des Kanals, datentechnisch abgeleitet und mit Hilfe einer 3D-Printing Anlage physisch umgesetzt (Abbildung 4).

Abb.4: Strömungskanal, Physische Umsetzung

Dieser Kern wurde gründlich nachbearbeitet und mit Hilfe einer speziellen Methode äußerlich so infiltriert, dass er anschließend in hoch transparentes Silikon eingegossen und nach der Verfestigung des Silikons rückstandsfrei entfernt werden konnte.

Abb.5: Hochtransparentes Strömungsmodell

Das Resultat ist ein hochtransparentes Strömungsmodell (Abbildung 5), das bei Verwendung einer Brechungsindex-angepassten Modellflüssigkeit eine direkte laseroptische Vermessung der Strömungsverhältnisse in beliebigen Querschnitten ermöglicht (Abbildung 6 zeigt das Messprinzip, Abbildung 7 die Versuchsanordnung).

Abb.6: Messprinzip

Abb.7: Versuchsanordnung

Das Ergebnis ist ein vollständiges Vektorfeld der Strömung durch die Nasenmuscheln (Abbildung 8).

Abb.8: Vektorfeld und Stromlinien

Die Beispiele zeigen die Verhältnisse bei Einatmung (Abbildung 9) und Ausatmung (Abbildung 10) und erlauben entsprechende Rückschlüsse auf die Befeuchtung der oberen Atemwege.

Abb.9: Strömung durch die Nasenmuscheln, Einantmen

Abb.10: Strömung durch die Nasenmuscheln, Ausatmen

Nach dem gleichen Verfahren wurde die wesentlich kompliziertere Struktur eines Bronchialbaumes nachgebildet. Aus dem natürlichen Bronchialbaum eines Patienten wurde mit Hilfe von bildgebenden medizinischen Verfahren die tatsächliche Geometrie rekonstruiert und als 3D-Printing Modell hergestellt. Zur Abschätzung der realisierbaren Details und zur Absicherung des Verfahrens wurde dieser originale Bronchialbaum in hochtransparentes Silikon eingebettet (Abbildung 11).

Abb.11: Bronchialbau, eingebettet in hochtransparentem Silikon

Insgesamt zeigt sich, dass das 3D-Printing Verfahren bei entsprechender Anpassung der Parameter und einer optimalen Verdichtung der Randschichten durch eine angepasste Infiltration hervorragend in der Lage ist, das Positiv eines beliebigen komplexen internen Hohlraumes nachzubilden.

Nachteilig ist vor allen Dingen die hohe Zerbrechlichkeit der 3D-Printing Modelle und das Beschädigungsrisiko bei der Infiltration. Deshalb müssen sich weitere Arbeiten darauf konzentrieren, die Gestaltfestigkeit der 3D-Printing Modelle im Prozess zu erhöhen, ohne das Ausspülverhalten negativ zu beeinflussen. Ferner muss die Versiegelung der Außenflächen verbessert werden, um eine Wechselwirkung mit dem transparenten Gießmaterial sicher auszuschließen.

Gelingt es, diese beiden Probleme zufrieden stellend zu lösen, dann kann das heute nur im Laborstadium erfolgreich umgesetzte Verfahren in die tägliche Routine überführt werden. Damit wäre die Grundlage für eine breite experimentelle Absicherung komplexer Innenströmungen gelegt.