BE1024204B1 - Zelfdragend in additieve productie - Google Patents

Abstract

Er word een systeem en werkwijze verschaft voor het wijzigen van kenmerken in ontwerpen van voorwerpen om hen fysisch in staat te stellen om te worden geproduceerd gebruikmakend van additieve productietechnieken en - machines.

Description

ZELFDRAGEND IN ADDITIEVE PRODUCTIE

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

Deze aanvraag heeft in het algemeen betrekking op technieken voor additieve productie (bv. driedimensionaal printen). In het bijzonder heeft deze aanvraag betrekking op het automatisch ontwerpen van zelfdragende voorwerpen voor additieve productie.

Additieve productietechnieken die een energiebron gebruiken om bouwgrondstoffen te verwerken hebben de neiging om thermische en mechanische spanningen en belastingen te creëren tijdens het productieproces. Deze spanningen en belastingen kunnen, bijvoorbeeld, veroorzaakt worden door het opwarmen en afkoelen van de bouwgrondstoffen, hetgeen leidt tot uitzetten en krimpen van het materiaal tijdens de productie. De spanningen en belastingen op het voorwerp kunnen, tijdens of na de productie, het voorwerp vervormen, of ze kunnen tijdens de productie zelfs verhinderen dat het bouwproces voortgaat.

In sommige gevallen kunnen steunen gebruikt worden om het voorwerp dat geproduceerd wordt te ondersteunen tijdens het productieproces. Deze steunen kunnen rechtstreeks contact maken met het voorwerp en kunnen voorkomen dat spanningen en belastingen het voorwerp vervormen of verwringen, werken als warmteafleider, en / of zorgen voor verticale steun (bv. tegen de zwaartekracht) om het voorwerp op een bepaalde plaats te houden. Het toevoegen van deze steunen kan echter de productiekostprijs en -tijd doen toenemen door het extra materiaal dat nodig is voor de steunen, extra tijd nodig om steunen te plaatsen in het ontwerp van het voorwerp, en extra nabewerkingen die nodig zijn om de steunen te verwijderen. Dienovereenkomstig is er nood aan betere technieken om voorwerpen te ondersteunen tijdens additive productie.

SAMENVATTING

In één uitvoeringsvorm wordt een systeem voor additieve productie verschaft. Het systeem omvat een computerstuursysteem omvattende één of meer computers met een geheugen en een processor. Het computerstuursysteem is geconfigureerd om te bepalen of één of meer oppervlakken van het voorwerp een oppervlakhoek hebben die kleiner is dan een drempelwaarde. Het computerstuursysteem is voorts geconfigureerd om één of meer randen aan te duiden omvattende een eerste rand, waarbij de eerste rand zich bevindt tussen een eerste oppervlak van de één of meer oppervlakken en een tweede oppervlak van de één of meer oppervlakken, waarbij het eerste oppervlak een oppervlakhoek heeft die kleiner is dan de drempelwaarde en het tweede oppervlak een oppervlakhoek heeft die gelijk is aan of groter is dan de drempelwaarde. Eén of meer bijkomende oppervlakken worden vervolgens gegenereerd langs de één of meer randen in het ontwerpbestand. KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN Figuur 1 is een voorbeeld van een systeem voor het ontwerpen en produceren van 3D voorwerpen.

Figuur 2 illustreert een functioneel blokdiagram van een voorbeeld van de computer die weergegeven wordt in figuur 1.

Figuur 3 toont in grote lijnen een procédé voor het produceren van een 3D voorwerp gebruikmakend van het systeem van figuur 1.

Figuur 4 is een stromingsdiagram dat een procédé illustreert waarmee een computer ontwerpen kan wijzigen van voorwerpen die moeten worden geproduceerd met additieve productie.

Figuur 5A illustreert een voorbeeld van een voorwerp.

Figuur 5B illustreert een voorbeeld van het voorwerp van figuur 5A met toegevoegde randen. Figuur 5C illustreert een voorbeeld van het voorwerp van figuur 5B met toegevoegde oppervlakken langs de randen.

Figuur 6 illustreert een voorbeeld van het volumeverschil tussen steunen die gebouwd zijn langs verschillende randen van een voorwerp.

Figuur 7 is een stromingsdiagram dat een ander procédé illustreert waarmee een computer ontwerpen kan wijzigen van voorwerpen die moeten worden geproduceerd met additieve productie.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN BEPAALDE UITVOERINGSVORMEN VAN

DE UITVINDING

De volgende beschrijving en de bijhorende figuren zijn gericht op bepaalde specifieke uitvoeringsvormen. De uitvoeringsvormen die in een bepaalde context beschreven worden zijn niet bedoeld om deze beschrijving te beperken tot de gespecificeerde uitvoeringsvorm of tot een bepaald gebruik. Vakmensen zullen inzien dat de beschreven uitvoeringsvormen, aspecten en / of kenmerken niet beperkt zijn tot bepaalde uitvoeringsvormen.

De systemen en werkwijzen die hier beschreven worden kunnen worden uitgevoerd gebruikmakend van verschillende systemen en technieken voor additieve productie en / of driedimensionaal (3D) printen. Additieve productietechnieken vertrekken typisch van een digitale voorstelling van het 3D voorwerp dat moet worden gevormd. In het algemeen wordt de digitale voorstelling verdeeld in een reeks dwarsdoorsneden zodat lagen, of “sneden”, ontstaan die boven elkaar gelegd worden om het gehele voorwerp te vormen. De lagen stellen het 3D voorwerp voor, en kunnen worden gegenereerd gebruikmakend van modelleersoftware voor additieve productie die uitgevoerd wordt door een computer. De software kan bijvoorbeeld computer aided design and manufacturing (CAD/CAM) software omvatten. Informatie over de dwarsdoorsnedelagen van het 3D voorwerp kan worden opgeslagen als dwarsdoorsnedegegevens. Een additieve productiemachine of -systeem (bv. 3D printen) gebruikt de dwarsdoorsnedegegevens om het 3D voorwerp laag per laag op te bouwen. Dienovereenkomstig laat additieve productie toe om 3D voorwerpen rechtstreeks te produceren vanuit door de computer gegenereerde gegevens van de voorwerpen, zoals CAD-bestanden (Computer Aided Design) en in het bijzonder STL bestanden. Additieve productie verschaft de mogelijkheid om snel zowel eenvoudige als ingewikkelde onderdelen te produceren zonder gereedschap en zonder dat het nodig is om verschillende delen te assembleren.

Stereolithografie (SLA) is een additieve productietechniek die gebruikt wordt om 3D voorwerpen laag per laag te “printen”. Een SLA-toestel kan, bijvoorbeeld, een laser gebruiken om een fotoreactieve substantie uit te harden onder de uitgestuurde straling. In sommige uitvoeringsvormen richt het SLA-toestel de laser over een oppervlak van een fotoreactieve substantie zoals, bijvoorbeeld, een uithardbaar fotopolymeer (“hars”), om een voorwerp laag per laag op te bouwen. Voor elke laag volgt de laserstraal een dwarsdoorsnede van het voorwerp op het oppervlak van het vloeibaar hars, waardoor de dwarsdoorsnede uithardt en stolt en aan de laag eronder gehecht wordt. Nadat een laag voltooid werd, laat het SLA-toestel het productieplatform zakken over een afstand die gelijk is aan de dikte van één laag, en legt dan een nieuw oppervlak van niet-uitgehard hars (of een soortgelijk fotoreactief materiaal) op de vorige laag. Op dit oppervlak wordt een nieuw patroon gevolgd waardoor een nieuwe laag gevormd wordt. Door dit procédé laag per laag te herhalen kan een volledig 3D onderdeel gevormd worden.

Selectief lasersinteren (LS) is een andere additieve productietechniek die gebruikt wordt voor het 3D printen van voorwerpen. LS-toestellen maken vaak gebruik van een laser met hoog vermogen (bv. een koolstofdioxidelaser) om kleine deeltjes kunststof, metaal, keramiek of glaspoeder te “sinteren” (i.e. samensmelten) tot een 3D voorwerp. Op soortgelijke wijze als SLA, kan het LS-toestel een laser gebruiken om dwarsdoorsneden te volgen op het oppervlak van een poederbed in overeenstemming met een CAD-ontwerp. Eveneens soortgelijk aan SLA, kan het LS-toestel een productieplatform laten zakken over de dikte van één laag nadat een laag voltooid werd en een nieuwe laag materiaal toevoegen zodat een nieuwe laag kan worden gevormd. In sommige uitvoeringsvormen kan een LS-toestel het poeder voorverwarmen zodat het gemakkelijker is voor de laser om de temperatuur te doen stijgen tijdens het sinterproces.

Selectief lasersmelten (LM - Laser Melting) is nog een andere additieve productietechniek die gebruikt wordt voor het 3D printen van voorwerpen. Zoals bij LS, gebruikt een LM-toestel typisch een laser met hoog vermogen om selectief dunne lagen van een metaalpoeder te smelten om vaste metalen voorwerpen te vormen. Hoewel het soortgelijk is, verschilt LM van LS omdat het typisch materialen met een veel hoger smeltpunt gebruikt. Wanneer er voorwerpen opgebouwd worden met LM, kunnen dunne lagen metaalpoeder verdeeld worden gebruikmakend van verschillende coatingmechanismen. Zoals bij SLA en LS beweegt een productie-oppervlak op en neer om toe te laten dat lagen individueel worden gevormd.

Fused Deposition Modeling (FDM) is nog een additieve productietechniek waarbij een 3D voorwerp geproduceerd wordt door kleine draden uit, bijvoorbeeld, thermoplastisch materiaal, te extruderen via een extrusiemondstuk om lagen te vormen. In een typische opstelling wordt het extrusiemondstuk verwarmd om de grondstof te smelten naarmate ze geëxtrudeerd wordt. De grondstof hardt vervolgens onmiddellijk uit na extrusie uit een mondstuk. Het extrusiemondstuk kan worden verplaatst in één of meer richtingen door middel van geschikte machines. Soortgelijk als bij de hoger vermelde additieve productietechnieken, volgt het extrusiemondstuk een pad dat aangestuurd wordt door CAD- of CAM-software. Eveneens soortgelijk wordt het onderdeel vanaf de bodem opgebouwd, laag per laag.

Elektronenstraalsmelten (EBM - Electron Beam Melting) en direct metal laser sintering (DMLS) zijn andere voorbeelden van additieve productietechnieken voor het 3D printen van voorwerpen.

Met toestellen voor additieve productie kunnen voorwerpen worden gevormd gebruikmakend van verscheidene materialen, zoals (maar niet beperkt tot): polypropyleen, thermoplastisch polyurethaan, polyurethaan, acrylonitril butadieen styreen (ABS), polycarbonaat (PC), PC-ABS, PLA, polystyreen, lignine, polyamide, polyamide met toeslagstoffen zoals glas- of metaaldeeltjes, methylmethacrylaat-acrylonitril-butadieen-styreen copolymeer, resorbeerbare materialen zoals polymeer-keramische composieten, en andere soortgelijke geschikte materialen. In sommige uitvoeringsvormen kunnen in de handel verkrijgbare materialen worden gebruikt. Deze materialen kunnen de volgende omvatten: de reeks DSM Somos® materialen 7100, 8100, 9100, 9420, 10100, 11100, 12110, 14120 en 15100 van DSM Somos; de materialen ABSplus-P430, ABSi, ABS-ESD7, ABS-M30, ABS-M30Î, PC-ABS, PC-ISO, PC, ULTEM 9085, PPSF en PPSU van Stratasys; de reeks materialen Accura Plastic, DuraForm, CastForm, Laserform en VisiJet van 3-Systems; Aluminium, KobaltChroom en Roestvrijstalen materialen; Maranging Staal; Nikkellegering; Titanium; de reeks materialen PA, PrimeCast en PrimePart materialen en Alumide en CarbonMide van EOS GmbH. Voorwerpen die gevormd worden gebruikmakend van de additieve productietechnieken die hierboven beschreven worden hebben de neiging om te vervormen ten opzichte van de ontwerpafmetingen van het voorwerp door, bijvoorbeeld, hoge spanningen en / of belastingen die optreden tijdens de productie van het 3D voorwerp. Er kunnen bijvoorbeeld thermische en / of mechanische spanningen en / of belastingen optreden tijdens een LM-procedé door een hoge temperatuur van een energiebron, zoals een laser, die gebruikt wordt bij het genereren van het 3D voorwerp. Meer in het bijzonder kunnen er grote temperatuurgradiënten aanwezig zijn door het smelten van de poeders die in het LM-procedé worden gebruikt, en deze grote gradiënten kunnen thermische spanningen en / of belastingen op het voorwerp veroorzaken tijdens de productie. Voorts kunnen inwendige mechanische spanningen en / of belastingen veroorzaakt worden door de eigenschappen van het welbepaalde gebruikte materiaal. Deze mechanische spanningen en / of belastingen kunnen, bijvoorbeeld, het krimpen of uitzetten omvatten van het materiaal dat gebruikt wordt om het object te vormen wanneer het materiaal gescand wordt door de energiebron.

Grote spanningen en / of belastingen op het voorwerp kunnen ertoe leiden dat bepaalde delen van het voorwerp vervormen tijdens het bouwen, hetgeen kan leiden tot een mislukte of “ingestorte” structuur, of een onnauwkeurig en / of defect voorwerp. Een poedercoater in een LM-machine kan bijvoorbeeld een vervormd gedeelte raken van een lager liggende laag van een voorwerp dat gebouwd wordt indien dat gedeelte naar boven boog of kromde tijdens het verwerken van één van de lagen.

Voorwerpsteunen (hierin ook “steunen” genoemd) kunnen worden gebruikt om een voorwerp of een deel van een voorwerp op zijn plaats te houden en om vervormingen van het voorwerp te voorkomen tijdens het bouwproces. In het algemeen is een “voorwerpsteun” een structuur die een verbinding vormt tussen, bijvoorbeeld, een basisplaat, een inwendige voorwerpstructuur (bv. een ander deel van het voorweip), of een uitwendige voorwerpstructuur (bv. een ander voorwerp dat geproduceerd wordt tijdens hetzelfde bouwproces als het voorwerp), en het voorwerp dat geproduceerd wordt. Voorwerpsteunen kunnen zowat eender welke vorm en grootte hebben die kunnen worden vervaardigd tezamen met het voorwerp. En een gegeven voorwerp kan tijdens additieve productie ondersteund worden door een verscheidenheid aan voorwerpsteunen met verschillende vormen en grootten op basis van het ontwerp van het voorwerp en het gekozen additieve productieproces. De voorlopige octrooiaanvraag U.S. 61/816 313 en de octrooiaanvraag PCT/EP2014/058484 bijvoorbeeld, waarvan de gehele inhoud hierin geïntegreerd is via referentie, beschrijven het gebruiken van “hybridesteunen” die kunnen worden gebruikt tijdens additieve productieprocessen.

Voorwerpsteunen kunnen de nauwkeurigheid van het resulterende voorwerp na additieve productie verbeteren door aan elke laag haar ontwerpafmetingen op te leggen. Bijkomend kunnen voorwerpsteunen warmte van de voorwerplaag weg en naar een steunstructuur en / of basisplaat leiden om door het additieve productieproces veroorzaakte thermische spanningen en belastingen te verminderen.

Het toevoegen van dergelijke steunen bij het produceren van het voorwerp vereist echter dat bijkomend materiaal gebruikt wordt om de steun te bouwen en vereist dat de steunen van het voorwerp verwijderd worden. Het procédé om de steunen te verwijderen kan tijdrovend en moeilijk zijn. In het bijzonder omvatten werkwijzen voor het verwijderen van de steunen in vergelijking met degene die hier beschreven worden het gebruiken van een tang, hamer en beitel om de steunen van het voorwerp af te breken. Een dergelijk breken van de steunen kan vereisen dat er met de tang, hamer en beitel een grote kracht toegepast wordt op de steun en vereist ook nauwkeurigheid.

Dienovereenkomstig zouden systemen en werkwijzen die hier beschreven werden enkele of alle steunen overbodig kunnen maken die vereist zijn voor het produceren van een voorwerp door het ontwerp te wijzigen van het voorwerp dat moet worden geproduceerd gebruikmakend van additieve productietechnieken en -machines. In het bijzonder kan het ontwerp van het voorwerp zo gewijzigd worden dat het zelfdragend wordt, en geen bijkomende steunen vereist. In sommige uitvoeringsvormen kan een wanddikte van delen van het voorwerp in het ontwerp selectief aangepast worden om ervoor te zorgen dat het voorwerp zelfdragend is. Systemen en werkwijzen die hier beschreven worden kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat de wanddikte van elk oppervlak van een voorwerp in een ontwerpbestand (bv. een STL-bestand) boven een bepaalde minimale drempelwaarde voor de dikte ligt. Voor elk oppervlak waarvan bepaald wordt dat de dikte onder de drempelwaarde ligt, kan het ontwerpbestand worden aangepast zodanig dat voor elk oppervlak waarvan de dikte onder de drempelwaarde ligt, de dikte ingesteld wordt op de minimale drempelwaarde. Voorts kunnen de systemen en werkwijzen die hier beschreven worden, voor elk oppervlak (bv. een driehoek van een STL-bestand) dat het voorwerp beschrijft, bepalen of een oppervlakhoek van het oppervlak aangeeft dat het oppervlak op die plaats al dan niet zelfdragend is (bv. of de oppervlakhoek boven een minimale drempelwaarde ligt om zelfdragend te zijn). De oppervlakhoek van een oppervlak, zoals in het vakgebied bekend is, kan worden berekend als zijnde de hoek tussen de loodlijn op het vlak van het oppervlak, en de loodlijn op het bouwoppervlak waarop het voorwerp moet worden gebouwd. Voor elk oppervlak waarvan bepaald wordt dat de oppervlakhoek onder de minimale drempelwaarde ligt, en dat dus niet zelfdragend is, kan het ontwerpbestand worden gewijzigd op zodanig wijze dat elk niet zelfdragend oppervlak verbonden wordt met een zelfdragend oppervlak. De verbinding kan worden gevormd door een rand (bv. een lijn) te verbinden tussen het niet-zelfdragend oppervlak en een zelfdragend oppervlak op het voorwerp en een oppervlak te bouwen langs die rand. Het oppervlak kan worden gebouwd langs de rand gebruikmakend van een marching cubes-algoritme, in sommige uitvoeringsvormen, of met andere geschikte werkwijzen. Voorts kan het zelfdragend oppervlak gekozen worden op basis van een aantal criteria zoals het minimaliseren van het volume dat een rand tussen het niet-zelfdragend oppervlak en het zelfdragend oppervlak zou toevoegen wanneer een oppervlak gebouwd wordt langs die rand.

In sommige gevallen kan het toevoegen van randen voor elk niet-zelfdragend oppervlak naar een zelfdragend oppervlak in overeenstemming met bepaalde criteria resulteren in een suboptimale keuze van randen waarop oppervlakken gebouwd worden voor de voorwerpen. Dienovereenkomstig kunnen systemen en werkwijzen hierin de gekozen randen verder bijstellen voordat oppervlakken voor het voorwerp gebouwd worden langs de randen. Bijvoorbeeld kan, indien in een bepaald gebied van het voorwerp de meeste randen in één richting gaan, maar er één of meer randen in de tegenovergestelde richting gaan, de oriëntatie van de één of meer randen in de tegenovergestelde richting gewijzigd worden zodat ze in dezelfde richting gaan als de andere randen, en kunnen ze dienovereenkomstig verbonden worden met een ander zelfdragend oppervlak. Indien bijvoorbeeld een bepaald percentage (bv. boven een drempelpercentage) van de randen in een bepaald gebied allemaal in één richting gaan, dan kan de oriëntatie van iedere rand die in de tegenovergestelde richting gaat gewijzigd worden naar de ene richting. Bijkomend kan elke rand die niet binnen het oppervlak past, of elke rand die geen andere randen heeft (of geen minimaal aantal bijkomende randen) binnen een drempelafstand, verwijderd worden.

Een vakman zal inzien dat de systemen en werkwijzen die hier beschreven worden om ontwerpen zelfdragend te maken, kunnen worden gebruikt tijdens eender welk aantal delen van het ontwerpproces. De systemen en werkwijzen kunnen bv. worden geïmplementeerd tijdens een uitholproces bij het ontwerpen van een voorwerp, tijdens het perforeren van het voorwerp, of tijdens eender welk ander geschikt proces of geschikte bewerking.

Hoewel sommige uitvoeringsvormen die hier beschreven worden, beschreven worden met betrekking tot stereolithografietechnieken die gebruikmaken van hars als bouwmateriaal, kunnen het beschreven systeem en de werkwijzen ook worden gebruikt met bepaalde andere additieve productietechnieken en / of bepaalde andere bouwmaterialen, zoals een vakman zal inzien.

Uitvoeringsvormen van de uitvinding kunnen worden toegepast binnen een ontwerp- en productiesysteem voor 3D voorwerpen. In figuur 1 wordt een voorbeeld weergegeven van een computeromgeving die geschikt is voor het implementeren van het ontwerpen en produceren van 3D voorwerpen. De omgeving omvat een systeem 100. Het systeem 100 omvat één of meer computers 102a-102d, die, bijvoorbeeld, eender welk werkstation, server, of andere computerapparatuur kunnen zijn die in staat zijn om informatie te verwerken. In sommige aspecten kan elke computer 102a-102d, via eender welke geschikte communicatietechnologie (bv. een intemetprotocol), verbonden zijn met een netwerk 105 (bv. het internet). Dienovereenkomstig kunnen de computers 102a-102d gegevens (bv. software, digitale voorstellingen van 3D voorwerpen, commando’s of instructies om een additief productietoestel aan te sturen, enz.) met elkaar uitwisselen via het netwerk 105.

Het systeem 100 omvat voorts één of meer additieve productietoestellen (bv. 3D printers) 106a-106b. Zoals weergegeven is het additieve productietoestel 106a rechtstreeks verbonden met een computer 102d (en via computer 102d verbonden met computers 102a-102c via het netwerk 105) en is additief productietoestel 106b verbonden met de computers 102a-102d via het netwerk 105. Dienovereenkomstig zal een vakman begrijpen dat een additief productietoestel 106 rechtstreeks verbonden kan zijn met een computer 102, verbonden kan zijn met een computer 102 via een netwerk 105, en / of verbonden kan zijn met een computer 102 via een andere computer 102 en het netwerk 105.

Er moet worden opgemerkt dat hoewel het systeem 100 beschreven wordt met betrekking tot een netwerk en één of meer computers, de hier beschreven technieken ook van toepassing zijn op één enkele computer 102, die rechtstreeks verbonden kan zijn met een additief productietoestel 106.

Figuur 2 illustreert een functioneel blokdiagram van één voorbeeld van een computer van figuur 1. De computer 102a omvat een processor 210 die in datacommunicatie staat met een geheugen 220, een invoertoestel 230 en een uitvoertoestel 240. In sommige uitvoeringsvormen staat de processor voorts in datacommunicatie met een optionele netwerkinterfacekaart 260. Hoewel ze afzonderlijk beschreven worden moet men inzien dat functionele blokken die beschreven worden met betrekking tot computer 102a geen afzonderlijke structurele elementen moeten zijn. De processor 210 en geheugen 220 kunnen bijvoorbeeld uitgevoerd zijn op één enkele chip.

De processor 210 kan een processor voor algemeen gebruik, een digitale signaalprocessor (DSP), een geïntegreerd circuit voor een specifieke toepassing (ASIC - Application Specific Integrated Circuit), een veld-programmeerbare gate-array (FPGA - Field Programmable Gate Array) of een ander programmeerbaar toestel zijn, een verwerkingseenheid met afzonderlijke poorten of transistors, afzonderlijke hardwarecomponenten, of eender welke geschikte combinatie daarvan die ontworpen is om de hier beschreven functies uit te voeren. Een processor kan ook worden geïmplementeerd als combinatie van computerapparatuur, bv. een combinatie van een DSP en een microprocessor, een veelheid van microprocessoren, één of meer microprocessoren samen met een DSP-kem, of eender welke andere soortgelijke configuratie.

De processor 210 kan, via één of meer bussen, verbonden worden met een geheugen 220 om informatie te lezen of te schrijven. De processor kan bijkomend, of als alternatief, een geheugen bevatten, zoals processorregisters. Het geheugen 220 kan processorcache omvatten, omvattende een hiërarchische cache met meerdere niveaus waarbij verschillende niveaus verschillende capaciteiten en toegangssnelheden hebben. Het geheugen 220 kan ook een geheugen met willekeurige toegang (RAM - Random Access Memory), andere vluchtige opslageenheden, of niet-vluchtige opslageenheden omvatten.

De processor 210 kan ook verbonden zijn met een invoertoestel 230 en een uitvoertoestel 240 om respectievelijk invoer te ontvangen van en uitvoer te verschaffen aan een gebruiker van de computer 102a. Geschikte invoertoestellen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, een toetsenbord, knoppen, sleutels, schakelaars, een aanwijstoestel, een muis, een joystick, een afstandsbediening, een infrarooddetector, een barcodelezer, een scanner, een videocamera (eventueel gekoppeld aan beeldverwerkingssoftware om, bv., hand- of gelaatsbewegingen te detecteren), een bewegingsdetector, of een microfoon (eventueel gekoppeld aan geluidsverwerkingssoftware om, bv., stembevelen te detecteren). Geschikte uitvoertoestellen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, visuele uitvoertoestellen, omvattende schermen en printers, geluidsuitvoertoestellen, omvattende luidsprekers, hoofdtelefoons, oortelefoons, en alarmen, additieve productietoestellen, en haptische uitvoertoestellen.

De processor 210 kan voorts verbonden zijn met een netwerkinterfacekaart 260. De netwerkinterfacekaart 260 zet gegevens die door de processor 210 gegenereerd worden klaar voor overdracht via een netwerk in overeenstemming met één of meer protocollen voor gegevensoverdracht. De netwerkinterfacekaart 260 decodeert ook gegevens die ontvangen worden via een netwerk in overeenstemming met één of meer protocollen voor gegevensoverdracht. De netwerkinterfacekaart 260 kan een zender, een ontvanger, of beide omvatten. In andere uitvoeringsvormen kunnen de zender en de ontvanger twee afzonderlijke onderdelen zijn. De netwerkinterfacekaart 260 kan uitgevoerd worden als processor voor algemeen gebruik, een digitale signaalprocessor (DSP), een geïntegreerd circuit voor een specifieke toepassing (ASIC - Application Specific Integrated Circuit), een veld-programmeerbare gate-array (FPGA - Field Programmable Gate Array) of een ander programmeerbaar toestel zijn, een verwerkingseenheid met afzonderlijke poorten of transistors, afzonderlijke hardwarecomponenten, of eender welke geschikte combinatie daarvan die ontworpen is om de hier beschreven functies uit te voeren.

Figuur 3 illustreert een werkwijze 300 voor het produceren van een 3D voorwerp of onderdeel. Zoals weergegeven wordt, in stap 305, een digitale voorstelling van het voorwerp ontworpen gebruikmakend van een computer, zoals de computer 102a. Er kunnen bijvoorbeeld 2D of 3D-gegevens ingevoerd worden in de computer 102a om te helpen bij het ontwerpen van de digitale voorstelling van het 3D voorwerp. In stap 310 wordt informatie van de computer 102a naar een additief productietoestel gestuurd, zoals additief productietoestel 106, en het toestel 106 start het productieproces in overeenstemming met de ontvangen informatie. In stap 315 gaat het additief productietoestel 106 door met de productie van het 3D voorwerp gebruikmakend van geschikte materialen, zoals een polymeer of metaalpoeder. Voorts wordt in stap 320 het 3D voorwerp gegeneerd.

Figuur 4 illustreert een werkwijze waarmee een computer, zoals de computer 102 van figuur 1, ontwerpen kan wijzigen van voorweipen die moeten worden geproduceerd gebruikmakend van additieve productie. De computer 102 kan software uitvoeren die ervoor zorgt dat de processor van de computer de stappen van de werkwijze 400 uitvoert. De werkwijze 400 begint bij blok 405 waarin de computer 102 een ontwerpbestand ontvangt van een voorwerp dat moet worden geproduceerd met additieve productie. Het ontwerpbestand kan een STL-formaat hebben (of een ander geschikt bestandsformaat) zoals gebruikt wordt in het vakgebied van additieve productie. Als het ontwerpbestand geen geschikt bestandsformaat heeft, kan de computer 102 geconfigureerd zijn om het ontwerpbestand om te zetten naar een ander formaat gebruikmakend van standaard software. De computer kan bijvoorbeeld conversiesoftware omvatten die een CAD-bestand omzet naar een STL-bestand.

Verdergaand, met blok 410, kan de computer 102 geconfigureerd zijn om het ontwerpbestand te onderzoeken (bv. oppervlak per oppervlak of driehoek per driehoek) op oppervlakken die een oppervlakhoek hebben kleiner dan een drempelwaarde. Indien er in blok 410 geen enkel oppervlak een oppervlakhoek heeft kleiner dan de drempelwaarde, kan het procédé stoppen. Indien in blok 410 één of meer oppervlakken een oppervlakhoek hebben kleiner dan de drempelwaarde, kan het procédé verder gaan naar blok 415. Bijvoorbeeld hebben, zoals weergegeven wordt in figuur 5A, oppervlakken op het voorwerp 500, binnen kader 510, een oppervlakhoek kleiner dan een drempelwaarde. De overige oppervlakken van het voorwerp 500 worden bepaald als zijnde zelfdragend.

Voorts bepaalt de computer 102 in blok 415, voor elk oppervlak dat een oppervlakhoek kleiner dan de drempelwaarde heeft (en dat daarom bepaald wordt als zijnde een niet-zelfdragend oppervlak) een rand tussen het niet-zelfdragende oppervlak en een oppervlak dat bepaald wordt als zijnde zelfdragend, om de oppervlakken met elkaar te verbinden. In sommige uitvoeringsvormen wordt het zelfdragend oppervlak dat gekozen wordt om te verbinden met een bepaald niet-zelfdragend oppervlak, gekozen volgens criteria. In sommige uitvoeringsvormen kunnen de criteria factoren omvatten die het volume minimaliseren dat een rand zou toevoegen tussen het niet-zelfdragend oppervlak en het zelfdragend oppervlak dat gekozen wordt tussen de zelfdragende oppervlakken. Bijvoorbeeld kan het zelfdragend oppervlak gekozen worden dat het dichtst bij het niet-zelfdragend oppervlak ligt op basis van de afstand. Zoals weergegeven wordt in figuur 5B, worden bijvoorbeeld randen 515 getekend tussen niet-zelfdragende oppervlakken en zelfdragende oppervlakken.

Voorts illustreert figuur 6 hoe het volume dat een rand zou toevoegen kan verschillen in functie van de rand die gekozen wordt om een steun langs te bouwen. Zoals weergegeven stelt lijn 605 het niet-zelfdragend oppervlak van een voorwerp. Elk van de lijnen 610 en 615 stellen potentiële randen voor langs dewelke de steunen kunnen worden gebouwd. Zoals weergegeven ligt rand 610 meer in dezelfde algemene richting als het oppervlak 605 dan de rand 615, of met andere woorden de hoek tussen het oppervlak 605 en de rand 610 is kleiner dan de hoek tussen het oppervlak 605 en de rand 615. Wanneer een steun gebouwd wordt langs een rand, kan deze voorts contact maken met het oppervlak over een vastgelegde of gekozen oppervlakte. Dienovereenkomstig is, indien dezelfde contactoppervlakte van de steun met het oppervlak 605 gebruikt wordt om een steun te bouwen langs elk van de randen 610 en 615, het volume van een steun 612 die gebouwd wordt langs de rand 610 kleiner dan het volume van een steun 617 die gebouwd wordt langs de rand 615, door het hoekverschil, zoals weergegeven. Daarom kan in sommige uitvoeringsvormen het minimaliseren van het volume dat een rand zou toevoegen, gebaseerd zijn op het selecteren van een rand die in dezelfde algemene richting ligt als of een hoek minimaliseert met het oppervlak dat niet-zelfdragend is.

Nu opnieuw verwijzend naar figuur 4 worden de gekozen randen, in optioneel blok 420, bijgesteld. De computer 102 kan bijvoorbeeld voor elke rand bepalen of in een bepaald volume van het voorwerp rondom de rand, een percentage van de randen in één algemene richting loopt, en of dat percentage boven een drempelwaarde ligt. Als het percentage boven een drempelwaarde ligt, en als een welbepaalde rand in een ongeveer tegenovergestelde richting loopt in vergelijking met de randen die in de ene algemene richting lopen, dan kan de welbepaalde rand in dezelfde richting als de andere randen gelegd worden, en dienovereenkomstig verbonden worden met een ander zelfdragend oppervlak. Bijkomend of als alternatief kunnen alle randen die niet binnen het oppervlak passen, verwijderd worden. Bijkomend of als alternatief kan de computer 102 voor elke rand bepalen of er in een bepaald volume van het voorwerp rondom de rand een minimaal aantal bijkomende randen zijn, en als er geen minimaal aantal bijkomende randen is kan de welbepaalde rand verwijderd worden.

Voorts wordt in blok 425 een oppervlak gecreëerd op elk van de randen. Het oppervlak kan bijvoorbeeld gecreëerd worden gebruikmakend van een marching cubes-algoritme. In andere uitvoeringsvormen kunnen andere technieken gebruikt worden om oppervlakken op randen te creëren. Er kunnen bijvoorbeeld analytische cilinders of kegels gecreëerd worden langs de randen en dan naar driehoekmodellen omgezet worden en verenigd worden gebruikmakend van booleaanse bewerkingen. In nog andere uitvoeringsvormen kunnen niet-uniforme rationele B-spline oppervlakken (NURBS) gebruikt worden. Dienovereenkomstig kan het ontwerp van het voorwerp nu zelfdragend zijn en zijn bijkomende steunen niet nodig. Figuur 5C illustreert bijvoorbeeld het voorwerp 500 dat gewijzigd is met bijkomende oppervlakken 520 om zelfdragend te zijn.

Nadat het procédé eindigt, kan het ontwerp geproduceerd worden gebruikmakend van additieve productietechnieken zoals degene die hier beschreven worden.

Figuur 7 illustreert een andere werkwijze waarmee een computer, zoals de computer 102 van figuur 1, ontwerpen kan wijzigen van voorwerpen die moeten worden geproduceerd met additieve productie. De werkwijze 700 kan bijkomend aan of als alternatief voor werkwijze 400 gebruikt worden, zoals een vakman zal inzien. Werkwijze 700 kan bijvoorbeeld eerst gebruikt worden om ontwerpen van voorwerpen te wijzigen, en vervolgens werkwijze 400 om bijkomende wijzigingen uit te voeren.

De werkwijze 700 begint bij blok 705 waarin de computer 102 een ontwerpbestand ontvangt van een voorwerp dat met additieve productie moet worden geproduceerd. Het ontwerpbestand kan een STL-formaat hebben (of een ander geschikt bestandsformaat) zoals gebruikt wordt in het vakgebied van additieve productie. Als het ontwerpbestand geen geschikt bestandsformaat heeft, kan de computer 102 geconfigureerd zijn om het ontwerpbestand om te zetten naar een ander formaat gebruikmakend van standaard software (bv. het omzetten van een CAD-bestand naar een STL-bestand).

Verdergaand, met blok 710, kan de computer 102 geconfigureerd zijn om het ontwerpbestand te onderzoeken (bv. gebruikmakend van gekende beeld- of kenmerkherkenningstechnieken) op kenmerken van het voorwerp (bv. ronde gaten, enz., in het algemeen of boven een drempelgrootte/diameter) waarvan gekend / vooraf bepaald is dat ze niet-zelfdragend zijn. Indien er in blok 710 bepaald wordt dat geen enkel kenmerk van het voorwerp gekend is als zijnde niet-zelfdragend, kan het procédé stoppen. Indien in blok 710 één of meer kenmerken gekend zijn als zijnde niet-zelfdragend, kan het procédé verdergaan naar blok 715. Een cirkelvormig gat in het voorwerp (bv. boven een drempelgrootte) kan bijvoorbeeld bepaald worden als zijnde een kenmerk dat niet-zelfdragend is.

In blok 715 worden alle kenmerken waarvan bepaald wordt dat ze niet-zelfdragend zijn, vervangen door een overeenkomstig vooraf gedefinieerd zelfdragend kenmerk. Een cirkelvormig gat, zoals weergegeven wordt in figuur 5A, kan bv. vervangen worden door een druppelvormig gat, zoals weergegeven wordt in figuur 5C. De computer 102 kan een bibliotheek en / of een database met kenmerken omvatten waarvan gekend is dat ze niet-zelfdragend zijn en overeenkomstige kenmerken die zelfdragend zijn om dergelijke niet-zelfdragende kenmerken te vervangen. De bibliotheek kan algemene vorminformatie van dergelijke kenmerken en vervangingen omvatten, en de computer 102 kan in staat zijn om de opgeslagen kenmerken en vervangingsinformatie te verschalen of transformeren om ze aan te passen aan het voorwerp van het ontwerpbestand. Nadat het procédé eindigt kan het ontwerp geproduceerd worden gebruikmakend van additieve productietechnieken zoals degene die hier beschreven worden.

Verscheidene uitvoeringsvormen die hier beschreven worden voorzien het gebruiken van een computerstuursysteem. Een vakman zal gemakkelijk inzien dat deze uitvoeringsvormen kunnen worden geïmplementeerd gebruikmakend van talrijke verschillende types computersystemen, omvattende zowel computersysteemomgevingen of -configuraties voor algemeen gebruik en / of voor specifieke toepassingen. Voorbeelden van welbekende computersystemen, -omgevingen en / of -configuraties die geschikt kunnen zijn om te worden gebruikt in verband met de uitvoeringsvormen die hierboven uiteengezet worden, kunnen de volgende omvatten, maar zijn daar niet toe beperkt: persoonlijke computers, servers, draagbare toestellen of laptops, systemen met meerdere processoren, systemen op basis van microprocessoren, programmeerbare consumentenelektronica, netwerk-PC’s, minicomputers, mainframes, gedistribueerde computeromgevingen die eender welke van de hierboven genoemde systemen of toestellen omvatten, en dergelijke. Deze toestellen kunnen opgeslagen instructies bevatten die, wanneer ze uitgevoerd worden door een microprocessor in het computerapparaat, ervoor zorgen dat de computer de gespecificeerde acties uitvoert om de instructies uit te voeren. Zoals hier gebruikt verwijst instructies naar op een computer geïmplementeerde stappen voor het verwerken van informatie in het systeem. Instructies kunnen geïmplementeerd worden in software, firmware of hardware en omvatten eender welk type van geprogrammeerde stap die uitgevoerd wordt door onderdelen van het systeem. Een microprocessor kan eender welke gebruikelijke microprocessor voor algemeen gebruik met één of meerdere chips zijn zoals een Pentium® processor, een Pentium® Pro processor, een 8051 processor, een MIPS® processor, een Power PC® processor, of een Alpha® processor. Bijkomend kan de microprocessor eender welke gebruikelijk microprocessor voor specifieke toepassingen zijn zoals een digitale signaalprocessor of een grafische processor. De microprocessor heeft typisch conventionele adreslijnen, conventionele datalijnen, en één of meer conventionele stuurlijnen.

Aspecten en uitvoeringsvormen van de uitvindingen die hier beschreven worden kunnen worden geïmplementeerd in de vorm van een werkwijze, apparaat of productievoorwerp gebruikmakend van standaard programmeer- of ontwerptechnieken om software, firmware, hardware of eender welke combinatie daarvan te produceren. De term “productievoorwerp” zoals hier gebruikt verwijst naar code of logica die geïmplementeerd is in hardware of in niet-vergankelijke door een computer leesbare media zoals optische opslageenheden, en vluchtige of niet-vluchtige geheugentoestellen of vergankelijke door een computer leesbare media zoals signalen, draaggolven enz. Dergelijke hardware kan FPGAs (Field Programmable Gate Array), ASICs (Application Specific Integrated Circuit), CPLDs (complex programmable logic devices), PLAs (programmable logic arrays), microprocessors of andere soortgelijke verwerkingstoestellen omvatten, maar is daar niet toe beperkt.

VERTALING VAN DE TEKENINGEN

Figuur 2 210 Processor 220 Geheugen 230 Invoertoestel 240 Uitvoertoestel 260 Netwerkinterfacekaart

Figuur 4 405 Ontvang ontwerpbestand

410 Is de oppervlakhoek van eender welk oppervlak kleiner dan een drempelwaarde? NEE/JA 415 Bepaal randen tussen zelfdragende en niet-zelfdragende oppervlakken 420 Pas randen aan 425 Creëer oppervlakken langs randen

EINDE

Figuur 7 705 Ontvang ontwerpbestand 710 Is een kenmerk gekend als zijnde niet-zelfdragend?

NEE/JA

715 Vervang niet-zelfdragende kenmerken door vooraf bepaalde zelfdragende kenmerken EINDE

Claims (8)

1. CONCLUSIES

   1. Systeem voor het wijzigen van een ontwerpbestand van een voorwerp voor additieve productie, omvattende: een computerstuursysteem omvattende één of meer computers met een geheugen en een processor, waarbij het computerstuursysteem geconfigureerd is om: te bepalen of één of meer oppervlakken van het voorwerp een oppervlakhoek hebben die kleiner is dan een drempelwaarde; één of meer randen aan te duiden omvattende een eerste rand, waarbij de eerste rand zich bevindt tussen een eerste oppervlak van de één of meer oppervlakken en een tweede oppervlak van de één of meer oppervlakken, waarbij het eerste oppervlak een oppervlakhoek heeft die kleiner is dan de drempelwaarde en het tweede oppervlak een oppervlakhoek heeft die gelijk is aan of groter is dan de drempelwaarde; en één of meer bijkomende oppervlakken te genereren langs de één of meer randen in het ontwerpbestand.
2. 2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het computerstuursysteem voorts geconfigureerd is om een wanddikte van één of meer delen van het voorwerp in het ontwerpbestand te wijzigen op basis van een minimale drempelwaarde voor de wanddikte.
3. 3. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het aanwijzen van de eerste rand het selecteren van het tweede oppervlak omvat op basis van de positie van het eerste oppervlak en een criterium.
4. 4. Systeem volgens conclusie 3, waarbij het criterium het minimaliseren omvat van een volume van het oppervlak dat langs de eerste rand gecreëerd wordt.
5. 5. Systeem volgens conclusie 1, waarbij de één of meer bijkomende oppervlakken gegenereerd worden gebruikmakend van een marching cubes-algoritme.
6. 6. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het computerstuursysteem voorts geconfigureerd is om te bepalen of de eerste rand binnen het voorwerp past, en als de rand niet binnen het voorwerp past, het computerstuursysteem geconfigureerd is om de eerste rand te verwijderen.
7. 7. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het computerstuursysteem voorts geconfigureerd is om te bepalen of de eerste rand zich binnen een drempelafstand tot een andere rand bevindt, en als de eerste rand zich niet binnen de drempelafstand tot een andere rand bevindt, het computerstuursysteem geconfigureerd is om de rand te verwijderen.
8. 8. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het computerstuursysteem voorts geconfigureerd is om te bepalen of de eerste rand zich in een tegenovergestelde richting uitstrekt in vergelijking met een veelheid van in de buurt liggende randen, en als de eerste rand zich in de tegenovergestelde richting uitstrekt in vergelijking met de veelheid van in de buurt liggende randen, het computerstuursysteem geconfigureerd is om de rand te wijzigen zodat hij zich in dezelfde richting uitstrekt als de veelheid van in de buurt liggende randen.