CN107567378A - 用于制造三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造三维物体(2)的方法，该方法包括以下步骤：‑预先给定对参考物体的——尤其是几何结构的——数据进行描述的参考物体信息以及至少一个对要制造的物体(2)的至少一个——尤其是几何结构的——边界条件进行描述的边界条件信息，‑确定对在确定的负荷状况下、在通过参考物体信息描述的参考物体内的至少一个负荷值进行描述的负荷信息，‑根据负荷信息确定在通过参考物体信息描述的参考物体内的、具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域，‑基于负荷信息以及边界条件信息确定对要制造的三维物体(2)的几何结构的数据进行描述的物体信息，‑基于物体信息制造要制造的三维物体(2)，其中，要制造的三维物体(2)至少在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中通过依次选择性地逐层固化能固化的建造材料(3)被生成式地制造。

Description

用于制造三维物体的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造三维物体的方法。
背景技术
由现有技术在大量的不同的实施方案中已知用于制造三维物体、例如技术物体的方法。
在此，用于生成式地制造三维物体的方法的重要性不断地增加。相应地要制造的三维物体通过在与各要制造的物体的相应的横截面区域对应的区域中借助于由辐射产生装置产生的能量束依次选择性地逐层固化能固化的建造材料被生成式地建造。
借助于已知的方法制造的三维物体的几何结构的设计、尤其是重量一般地通过在实际的制造之前被预先给定的几何结构的数据来确定。在这种方法的范围内通常不实施例如基于在特定于物体的应用领域或使用领域中实际地作用于被制造的物体上的负荷进行的、对相应的物体的几何结构的设计的优化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种与此相比改进的用于制造三维物体的方法。
该目的通过一种按照权利要求1的方法实现。从属权利要求涉及该方法的有利的实施方式。该目的此外通过一种按照权利要求15的设备实现。
在此处描述的方法一般地用于制造三维物体(以下简称为“物体”)。借助于该方法要制造的或被制造的物体至少在部分区段上被生成式地建造或者说被生成式地制造。借助于该方法制造的物体因此可以包括常规地、也就是说非生成式地建造的物体区段和生成式地建造的物体区段。当然借助于该方法制造的物体也可以全部地被生成式地建造或者说被生成式地制造，因此仅仅包括被生成式地建造的物体区段。
生成式地建造或生成式地制造相应的物体或物体区段基于在与各要制造的物体或物体区段的相应的横截面区域对应的区域中能借助于至少一个由至少一个辐射产生装置产生的能量束固化的至少一种建造材料的依次选择性的逐层固化。能固化的建造材料的依次选择性的逐层固化基于描述各要制造的物体或物体区段的几何结构的设计、也就是说尤其是与层相关的横截面几何形状的建造数据来实施。相应的建造数据一般地描述各要生成式地制造的物体或物体区段的几何的或几何结构的设计。
在该方法的范围内使用的能固化的建造材料例如可以是能借助于相应的能量束固化的金属粉末(混合物)和/或能借助于相应的能量束固化的塑料粉末(混合物)。能相应地固化的建造材料通常是粉末状的或粉末形的。
在该方法的范围内使用的能量束可以是电磁辐射，也就是说例如激光束，简称激光。在该方法的范围内使用的辐射产生装置因此可以是用于产生激光束的激光产生装置。在这种情况下，该方法例如可以包括用于实施用于生成式地制造三维物体的选择性激光烧结过程的选择性激光烧结方法、简称SLS方法，或用于实施用于生成式地制造三维物体的选择性激光熔化过程的选择性激光熔化方法、简称SLM方法。在该方法的范围内也可以使用电子辐射或微粒辐射来替代电磁辐射。在该方法的范围内使用的辐射产生装置因此是用于产生电子或微粒射束的电子或微粒产生装置。
该方法一般地包括以下的方法步骤：
-预先给定对参考物体的——尤其是几何结构的——数据进行描述的参考物体信息以及至少一个对要制造的物体的至少一个——尤其是几何结构的——边界条件进行描述的边界条件信息，
-确定对在至少一个确定的负荷状况下、在通过参考物体信息描述的参考物体内的至少一个负荷值进行描述的负荷信息，
-根据负荷信息确定在通过参考物体信息描述的参考物体内的、具有与能预先给定的或被预先给定的参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域，
-基于负荷信息以及边界条件信息确定对要制造的三维物体的几何结构的数据进行描述的物体信息，
-基于物体信息制造要制造的物体，其中，要制造的三维物体至少在具有与能预先给定的或被预先给定的参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中通过依次选择性地逐层固化能固化的建造材料被生成式地制造。
在方法的第一步骤中，建立或预先给定对参考物体的——尤其是几何结构的——数据进行描述的参考物体信息以及至少一个对实际地借助于该方法要制造的物体的至少一个——尤其是几何结构的——边界条件进行描述的边界条件信息。
参考物体信息描述参考物体的数据。相应的数据尤其包含参考物体的被确定的几何结构的设计、也就是说尤其是被确定的外部轮廓。参考物体信息因此尤其描述参考物体的几何结构的设计。参考物体信息因此可以描述参考物体的结构设计数据、例如CAD数据。参考物体通常是按照它的类型与要制造的物体对应的物体。如在更下面举例解释的那样，如果在该方法的范围内例如制造注塑模具的模具元件，那么参考物体就已经是注塑模具的模具元件。
通常根据特定于物体的应用领域或使用领域来确定参考物体的几何结构的设计、也就是说尤其是也包括确定参考物体的质量。参考物体的相应的、通过参考物体信息描述的几何结构的数据包含实际地要制造的物体的要进一步修改的或优化的、通常按照类型的基础形状。参考物体的通过参考物体信息描述的几何结构的设计因此与要制造的物体的几何结构的设计有偏差和反之亦然。要制造的物体的确定的几何结构的参数因此可以与参考物体的确定的几何结构的参数相一致，要制造的物体的其它的几何结构的参数可以偏离于参考物体的确定的几何结构的参数。当然也可能的是，要制造的物体的全部几何结构的参数偏离于参考物体的几何结构的参数。
具体地，参考物体信息例如可以描述具有被确定的外部尺寸或被确定的外部轮廓的实心地构造的参考物体。如在下面得出的那样，要制造的物体的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状，由方法决定地，至少在部分区段上，必要时全部地，偏离于参考物体的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状。如果要制造的物体的外部形状不是全部地偏离于参考物体的外部形状，那么要制造的物体的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状，可以至少在部分区段上对应于参考物体的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状。
除了参考物体信息以外，如提到的那样，至少一个边界条件信息也被建立或预先给定。边界条件信息描述涉及要制造的物体的不同的边界条件。边界条件可以是要制造的物体的几何结构的参数或结构的-物理的参数或特性。因此通过边界条件信息可以预先给定确定的几何结构的参数或确定的结构的-物理的参数或特性，它们应该在要制造的物体的至少一个物体区段上或在整个要制造的物体上(强制地)给出。
相应的边界条件可以限定要制造的物体的至少一个外部的(暴露的)物体区段——例如表面、侧面、底面等等——的和/或要制造的物体的至少一个内部的(不暴露的)物体区段的至少一个几何结构的参数或整个要制造的物体的几何结构的参数。相应的几何结构的参数通常至少限定要制造的物体的至少一个物体区段的或整个要制造的物体的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状。
备选地或补充地，相应的边界条件可以限定要制造的物体的至少一个外部的(暴露的)物体区段的和/或要制造的物体的至少一个内部的(不暴露的)物体区段的至少一个结构的-物理的参数或整个要制造的物体的至少一个结构的-物理的参数。相应的结构的或物理的参数尤其是要制造的物体的至少一个物体区段或整个要制造的物体的机械参数，例如质量、密度、硬度、强度或抗弯强度、刚度或抗弯刚度、弹性、塑性(延展性)、韧性和/或摩擦学参数，例如摩擦系数、耐磨性、和/或光学声学参数，例如光吸收和/或声吸收或光反射和/或声反射，和/或热参数，例如热膨胀、导热性、(比)热容、热强度、低温韧性，和/或电参数，例如导电性、电阻。
下面给出确定的边界条件信息的示例：
边界条件信息例如可以描述要制造的物体的、至少一个在参考物体的通过参考物体信息描述的几何结构的数据方面不能改变的二维或三维的区域。要制造的物体然后可以被制造成具有与通过边界条件信息描述的不能改变的区域对应的区域。物体的几何结构的设计在此处至少在此程度上与参考物体的几何结构的设计相一致。
边界条件信息此外可以描述要制造的物体的封闭的外部轮廓。要制造的物体然后可以被制造成具有与该通过边界条件信息描述的封闭的外部轮廓对应的封闭的外部轮廓。物体的几何结构的设计在此处至少在此程度上与参考物体的几何结构的设计相一致。
边界条件信息此外可以描述要制造的物体的至少一个要实心地构造的外部区域和/或内部区域。要制造的物体然后可以被制造成具有与通过边界条件信息描述的要实心地构造的外部区域和/或内部区域对应的实心地构造的外部区域和/或内部区域。物体的几何结构的设计在此处至少在此程度上与参考物体的几何结构的设计相一致。
边界条件信息此外可以描述至少一个在要制造的物体的按照规定的使用方面特定于物体的功能元件，例如用于将物体与另一个物体连接的连接区域或连接元件。要制造的物体可以被制造成具有与至少一个通过边界条件信息描述的功能元件对应的功能元件。物体的几何结构的设计在此处至少在此程度上与参考物体的几何结构的设计相一致。这样可以保证，被制造的物体可以按照规定地与另外的物体连接，也就是说尤其是也可以被插入另外的物体中。
在该方法的跟随在第一步骤之后的第二步骤中，确定对在至少一个确定的负荷状况下，尤其是在按照规定地使用要制造的物体时的至少一个负荷状况下的、在通过参考物体信息描述的参考物体内的至少一个负荷值进行描述的负荷信息。该负荷信息因此描述至少一个参考物体区段或整个参考物体在确定的负荷状况下经历的负荷值，和因此描述至少一个参考物体区段或整个参考物体在确定的负荷状况下的特性(“负荷特性”)。相应的负荷状况例如可以是要制造的物体的按照规定的负荷情况，也就是说要制造的物体在按照规定的使用中通常经受的负荷状况。当然也可能的是，相应的负荷状况是与按照规定地使用要制造的物体无关地产生的负荷情况。
负荷信息一般地可以描述——尤其是在按照规定地使用要制造的物体时的——机械的和/或气候的和/或流动技术的和/或热的负荷状况。相应的负荷状况也可以包含相应的负荷在物体内的至少在部分区段上的分布。
负荷信息可以通过合适的算法——例如借助于基于计算机的模拟、例如FEM模拟——被建立。换言之，负荷信息可以包含模拟的、例如FEM模拟的数据。
在该方法的跟随在第二步骤之后的第三步骤中，根据负荷信息或在负荷信息中确定在通过参考物体信息描述的参考物体内的、具有与可预先给定的或被预先给定的参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域。在各被考虑的负荷状况下在方法的第二步骤中确定的、在至少一个参考物体区段内或在整个参考物体内的负荷值因此被单个地、成组地或全部地与至少一个参考负荷值比较。因此通过调整或比较尤其确定，是否在至少一个参考物体区段内或在整个参考物体内的相应的负荷值位于相应的参考负荷值之上或之下，因此是否超过或低于相应的参考负荷值。参考负荷值可以理解为上和/或下负荷限值。上或下负荷限值通常通过特定于物体的、尤其是特定于材料的特征值限定。
根据负荷信息或在负荷信息中确定在通过参考物体信息描述的参考物体内的、具有与参考负荷值偏离的负荷值的相应的负荷区域可以通过合适的算法——例如借助于基于计算机的模拟、例如FEM模拟——来实施。
在该方法的跟随在第三步骤之后的第四步骤中，基于负荷信息以及边界条件信息确定对要制造的物体的几何结构的数据进行描述的物体信息。相应的几何结构的数据尤其包含要制造的物体的几何结构的设计。物体信息因此尤其描述要制造的物体的几何结构的设计。物体的通过边界条件信息描述的边界条件，也就是说例如要强制地在要制造的物体上设置的几何结构的参数，例如强制的几何结构的外部的设计，和/或要强制地在要制造的物体上设置的结构的-物理的参数，例如物体的强制的机械特性、物体的最大重量等等进入到要制造的物体的几何结构的设计中。同样，通过负荷信息描述的负荷值进入到物体信息中。
物体信息因此可以描述要制造的物体的结构设计数据、例如CAD数据。这些结构设计数据通常被转换成对各要制造的物体或物体区段的几何结构的设计、也就是说尤其是与层相关的横截面几何形状进行描述的建造数据。
在该方法的跟随在第四步骤之后的第五步骤中，基于物体信息制造要制造的物体。要制造的物体在此情况下至少在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中通过依次选择性地逐层固化能固化的建造材料被生成式地制造。因此至少要制造的或被制造的物体的如下区域被生成式地建造，该区域对应于参考物体的确定的负荷区域，在该确定的负荷区域中负荷值偏离于相应的参考负荷值，也就是说低于或超过相应的参考负荷值。当然如提到的那样，整个物体也可以被生成式地建造。
通过生成式地建造要制造的或被制造的物体的至少相应的区域——该区域对应于参考物体的如下负荷区域，在该负荷区域中负荷值偏离于相应的参考负荷值，可以在物体的该被生成式地建造的区域中构造特别的外部的和/或内部的结构，该结构考虑了相应的负荷值与相应的参考负荷值的相应的偏差。这个原理根据下面的示例示范性地进行说明：
在物体的如下区域中——该区域对应于参考物体的相应的负荷区域，该负荷区域低于确定的机械的参考负荷值、例如下限值、例如最小刚度，可以生成式地有针对性地构造如下一些结构，这些结构产生对物体的(局部的)机械的加强、例如机械的加固。在物体的如下区域中——该区域对应于参考物体的相应的负荷区域，该负荷区域已经超过确定的机械的参考负荷值、例如上限值，可以生成式地有针对性地构造如下一些结构，这些结构例如导致(局部的)重量或材料减少(与实心地构造物体相比)。
在物体的如下区域中——该区域对应于参考物体的相应的负荷区域，该负荷区域超过确定的热参考负荷值、例如上限值、例如最大运行温度，可以生成式地有针对性地构造如下一些温控通道结构，这些温控通道结构允许(局部地)温控——在此处冷却——物体。在物体的如下区域中——该区域对应于参考物体的相应的负荷区域，该负荷区域低于确定的热参考负荷值、例如下限值、例如最小运行温度，可以生成式地有针对性地构造如下一些温控通道结构，这些温控通道结构允许(局部地)温控——在此处加热——物体。
根据示例可以看到该方法的特别的优点，该方法因此允许，尤其是在物体的确定的负荷状况方面，有针对性地生成式地制造确定的物体区段或整个物体，也就是说尤其是将确定的物体区段或整个物体制造成具有生成式地构造的结构。相应的物体区段或物体的结构以对在参考物体中的确定的负荷区域的事先确定为基础，如描述的那样，该负荷区域在确定的参考负荷值方面被评估，也就是说被与相应的参考负荷值比较。这样可以——基于确定的负荷状况——确定如下一些区域，这些区域在确定的负荷状况下被特别地构造，也就是说例如被构造成具有特别的结构，也就是说尤其是被优化。如提到的那样，对此例如可以理解为形成机械的加强结构和/或形成机械的削弱结构，也就是说例如重量或材料节省结构和/或形成温控通道结构，等等。
要制造的物体因此可以在确定的应用状况或确定的负荷状况下被优化，这在不同的着眼点下显著地改进了物体的结构特性，例如机械稳定性、重量，等等。在此情况下尤其可能的是，相应的优化仅仅在物体的内部实施。物体的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状，可以(与参考物体相比)被维持。
该方法的另一个优点在于，要按照方法制造的三维物体可以被完全生成式地建造。尤其是在制造技术物体方面，也就是说例如用于注塑模具的模具元件，例如模具嵌件元件、滑块元件，等等，它们迄今为止包括要在仓库中准备好的物体基体，该物体基体以后被配设有至少一个在物体基体上被生成式地建造的物体区段(“混合物体”)，可以通过物体的直接的生成式制造节省仓储空间、仓储时间、仓储工作，等等。
该方法的另一个优点相应地也是经济地利用资源、也就是说尤其是建造材料的可能性。这样可以实现该方法的良好的或改进的能量平衡(“二氧化碳排放量)。
这些或各个上述的方法步骤可以被直接地相继地实施。也可以设想，这些或各个方法步骤被间接地——也就是说在中间插入其它的方法步骤和/或方法中断的情况下——相继地实施。
该方法的一个实施方式规定，要制造的物体在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置产生的能量束固化的建造材料生成式地形成的、包括至少一个轻型结构元件的轻型结构。通过有针对性地生成式构造相应的轻型结构，物体可以在如下一些区域中——该区域对应于参考物体的相应的负荷区域，该负荷区域超过或低于确定的参考负荷值——被有针对性地制造成具有生成式地构造的结构，这些结构例如——例如通过(局部的)密度减少——导致重量或材料减少。轻型结构通常被构造在物体的几乎不承受机械负荷的区域中。通过生成式构造相应的轻型结构，这些轻型结构可以以任意的几何结构的设计、尤其是横截面几何形状构造并且可以任意地通过物体延伸。
相应的轻型结构的轻型结构元件可以例如包括：缺口部、夹层结构、具有与被制造的物体的其余的区域相比较小的密度的区域、由与被制造的物体的其余的能固化的建造材料相比具有较小的密度的能固化的建造材料构成的区域或具有与被制造的物体的其余的区域相比较小的壁厚的区域。一个相应的夹层结构通常由至少一个在至少两个较高的机械稳定性的层之间布置的或构造的、较小的机械稳定性的层组成。较小的机械稳定性的层例如可以细胞状(蜂窝状)地构造。
该方法的另一个实施方式规定，要制造的物体在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置产生的能量束固化的建造材料生成式地形成的温控通道结构，该温控通道结构能由用于温控被制造的物体的温控介质——一般是温控流体(气体和/或液体)——通流。温控通道结构包括至少一个至少在部分区段上通过至少一个物体区段延伸的温控通道。通过有针对性地生成式构造相应的温控通道结构，物体可以在如下一些区域中——该区域对应于参考物体的相应的(热的)负荷区域，该负荷区域超过或低于确定的(热的)参考负荷值——被有针对性地制造成具有生成式地构造的结构，这些结构在被温控介质通流的情况下产生对物体的温控。温控通道结构通常被构造在物体的承受热负荷的区域中。通过相应的温控通道结构可以实现有针对性地温控——也就是说冷却或加热——确定的物体区段或整个物体。通过生成式构造相应的温控通道结构，这些温控通道结构可以以任意的几何结构的设计、尤其是横截面几何形状构造并且可以任意地——例如迂回曲折地——通过物体延伸。
该方法的另一个实施方式规定，要制造的物体在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置产生的能量束固化的建造材料生成式地形成的、包括至少一个加强元件的加强结构。通过有针对性地生成式构造相应的加强结构，一般地，用于提高物体的机械稳定性的相应的结构，物体可以在对应于参考物体的相应的(机械的)负荷区域的区域中——该负荷区域超过或低于确定的(机械的)参考负荷值——被有针对性地制造成具有生成式构造的结构，这些结构例如通过(局部的)加强使物体的机械稳定性提高。加强结构通常被构造在物体的承受机械负荷的区域中。通过生成式构造相应的加强结构，这些加强结构可以以任意的几何结构的设计、尤其是横截面几何形状构造并且可以任意地通过物体延伸。
加强结构元件可以例如包括：肋元件。加强结构例如可以被形成为二维的或三维的纵向肋和/或横向肋。
一般地，生成式地形成的结构——也就是说尤其是轻型结构和/或温控通道结构和/或加强结构和/或仿生结构——可以二维地或三维地，必要时网络状地，通过至少一个物体区段或整个物体延伸。相应的、生成式地形成的结构可以(仅仅)通过物体的内部延伸，因此它们从外部是看不见的。相应的结构除了其各自原始的功能以外当然也可以影响物体的(另外的)结构的-物理的特性。这例如可以在物体内的必要时三维的肋结构的情况下给出，该肋结构一方面(与实心的构造相比)导致材料的减少和另一方面导致物体的机械的加强。
当然，相应的轻型结构可以与相应的温控通道结构和/或相应的加强结构任意地组合。
该方法的另一个实施方式规定，要制造的物体在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置产生的能量束固化的建造材料生成式地形成的、包括至少一个仿生元件的仿生结构，该仿生元件描述至少一个生物的、尤其是动物的和/或植物的结构和/或由至少一个生物的、尤其是动物的和/或植物的结构推导出。
在该方法的范围内，在性质上在相同的、相似的或可比较的负荷状况下已经得到证明的确定的“生物样本”可以在考虑各要制造的物体的确定的特性要求或负荷要求的情况下进行选择，必要时，例如在考虑要制造的物体的具体的特性要求或负荷要求的情况下进行修改，和在各要制造的或被制造的物体中生成式地构造。这些必要时被修改的“生物样本”通过仿生数据描述。仿生数据因此描述生物的结构和/或由生物的结构推导出的结构。
仿生数据可以按照数据方式与各要制造的物体的另外的建造数据连接，该另外的建造数据不描述任何生物结构，由此依次选择性地逐层固化相应的能固化的建造材料所基于的建造数据总体上(也)包含仿生数据。在相应的仿生数据中描述的结构由此可以在各要制造的物体中至少以被修改的形式来构造。
通过仿生数据描述的结构通常用作结构设计元件和允许尤其是在确定的特性要求或负荷要求方面定制地、有针对性地影响或调整各要制造的物体的这些或确定的特性。换言之，通过在各要制造的或被制造的物体中构造相应的生物的结构或由相应的生物的结构推导出的结构，可以尤其是在确定的特性要求或负荷要求方面定制地、有针对性地影响或调整各要制造的或被制造的物体的确定的特性。通过在要制造的或被制造的物体中构造相应的生物结构或由相应的生物结构推导出的结构，可以有针对性地影响或调整例如各要制造的或被制造的物体的至少一个区域的机械的和/或热的和/或流动技术的特性或机械的和/或热的稳定性。
由相应的生物结构推导出的或修改的生物结构可以理解为如下结构，即该结构不是逼真地，而是至少部分修改地复制生物样本。举例而言，在这一点上，鸟的翅膀的骨架可以称为生物结构，该骨架包括在确定的数量、布置、定向等等中的、具有确定的几何尺寸的各单个的骨架元件、也就是说尤其是骨头。该生物结构的一种修改例如可以是至少一个骨架元件的数量和/或布置和/或定向和/或几何尺寸的改变。类似的情况当然适用于全部的通过相应的仿生数据描述的生物结构。
生物结构可以是动物的结构和/或以动物方式产生的结构和/或植物的结构和/或以植物方式产生的结构。生物结构也可以是由动物的和/或以动物方式产生的和/或植物的和/或以植物方式产生的结构推导出的或修改的结构。原则上也可以设想，仿生数据描述人的结构和/或由人的结构推导出的结构。但是在这一点上应该注意，仿生数据仅仅是相应的建造数据的一部分，因此建造数据通常不被作为将物体生成式地制造成人的结构的相同的复制品、也就是说例如假牙的基础。
如提到的那样，相应的仿生数据可以描述动物的结构。一般地，作为动物的结构，可以使用外部的和/或内部的动物结构，尤其是组织结构和/或壳结构和/或骨架结构和/或表面结构和/或细胞结构。动物的结构因此例如可以是动物的或动物的一部分的外部的和/或内部的壳结构和/或骨架结构。举例而言，在这一点上参见特定的动物的特定的肢体或四肢或特定的肢体或四肢的一些部分。具体的示例是鸟的翅膀的骨架，该骨架由于确定的骨头结构的确定的数量、布置、定向和构造而具有特别的机械特性。动物的结构也可以是动物的表面结构。举例而言，在这一点上参见特定的动物的特定的毛皮、羽毛、鳞片或皮肤结构。具体的示例是鲨鱼的鳞片结构，它由于各单个鳞片的确定的布置和构造等等而具有特别的流动技术特性。
相应的仿生数据也可以描述以动物方式产生的结构。一般地，作为以动物方式产生的结构，可以使用以动物方式产生的物体的、也就是说例如以动物方式产生的建筑物和/或以动物方式产生的、尤其是织物状或网状的纺织物的外部的和/或内部的结构。举例而言，在这一点上参见确定的以动物方式产生的形成物或确定的以动物方式产生的形成物的一些部分。具体的示例是仿制(基于)由蜘蛛产生的蜘蛛网结构的网结构，仿制由蚕产生的蚕丝结构的丝线结构，仿制由白蚁产生的白蚁建筑结构的建筑结构或仿制由蜜蜂产生的蜂窝结构的蜂窝结构，它们分别具有特别的机械的和/或(尤其是对于白蚁建筑物的示例，其通常具有确定的通风或冷却通道结构)流动技术的特性。
相应的仿生数据也可以描述植物的结构。一般地，作为植物的结构，可以使用外部的和/或内部的植物结构，尤其是组织结构和/或植物骨架结构和/或表面结构和/或细胞结构。举例而言，在这一点上参见确定的植物形成物或植物形成物突起或确定的植物形成物或植物形成物突起的一些部分。具体的示例是确定的植物的分枝或叶子结构，它由于确定的叶脉结构，也就是说在分枝或叶子纵向方向上延伸的主叶脉和与其分枝的副叶脉的确定的布置和构造而具有特别的机械特性。如提到的那样，植物的结构也可以是植物的表面结构。举例而言，在这一点上参见确定的植物的叶子结构或茎结构的确定的表面。具体的示例是莲花植物的叶子的表面结构的仿制体，它由于确定的微结构化或纳米结构化而特别具有防止粘附脏污颗粒或防水的特性。
相应的仿生数据也可以描述以植物方式产生的结构。一般地，作为以植物方式产生的结构，可以使用以植物方式产生的物体的、也就是说例如以植物方式产生的水果的外部的和/或内部的结构。举例而言，在这一点上参见以植物方式产生的形成物或确定的以植物方式产生的形成物的一些部分。具体的示例是仿制由亚麻或大麻植物产生的纤维结构或纺织结构的纤维结构或纺织结构，它具有特别的机械特性。
当然，相应的仿生数据可以描述不同的动物的结构和/或植物的结构或不同的以动物方式产生的结构和/或以植物方式产生的结构。
当然，前述的结构，也就是说轻型结构、温控通道结构、加强结构可以基于相应的仿生数据生成式地形成。
用于借助于该方法可制造的或要制造的物体的具体的示例是注塑模具的模具元件、尤其是滑块元件或模具嵌件元件。借助于该方法因此例如可以制造注塑模具的相应的模具元件。
本发明此外涉及一种用于通过选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置产生的能量束固化的建造材料来生成式地制造三维物体的设备。该设备被构造成用于实施前面描述的方法。与方法相关联的全部的描述因此类似地适用于该设备。
附图说明
借助于在附图图示中的实施例对本发明进行详细解释。在此示出：
图1是用于实施按照本发明的一个实施例的方法的设备的原理图；和
图2-7各是按照本发明的一个实施例的方法的方法步骤的原理图。
具体实施方式
图1示出用于实施按照本发明的一个实施例的方法的设备1的原理图。设备1和因此能借助于该设备实施的方法用于通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置4产生的能量束5固化的建造材料3来生成式地制造三维物体2、也就是说通常技术构件或技术构件组。
这样地进行依次选择性地逐层固化能固化的建造材料3，即由辐射产生装置4产生的能量束5通过射束偏转装置6被有针对性地偏转到在设备1的建造室8中的借助于如通过水平定向的箭头指示的那样被可运动地支承的覆层装置7形成的建造材料层的确定的要固化的、与要制造的物体2的相应的与层相关的横截面几何形状对应的区域上。
逐层选择性地固化能固化的建造材料3和因此生成式地建造物体2在此情况下在一个具有在垂直方向上被可运动地支承的支架的承载装置上实施。该支架例如相对于辐射产生装置4被可运动地支承。
使用的能量束5是电磁辐射，也就是说激光束、简称激光。使用的辐射产生装置4因此是用于产生激光束的激光产生装置。该方法因此可以是用于实施用于生成式地制造三维物体2的选择性激光烧结过程的选择性激光烧结方法、简称SLS方法，或是用于实施用于生成式地制造三维物体2的选择性激光熔化过程的选择性激光熔化方法、简称SLM方法。
使用的能固化的建造材料3例如可以是能借助于能量束5固化的金属粉末(混合物)、也就是说例如铝粉末或钢粉末，和/或是能借助于能量束5固化的塑料粉末(混合物)、也就是说例如聚醚醚酮粉末。
当然，除了上述功能部件以外，也就是说除了辐射产生装置4、射束偏转装置6以及覆层装置7以外，设备1还具有另外的、通常为了实施生成式建造过程需要的或适宜的、没有示出(因为它们对于在此处描述的原理的说明来说不重要)的功能部件。
逐层选择性地固化能固化的建造材料3基于建造数据实施。建造数据一般地描述分别要生成式地制造的物体2的几何的或几何结构的设计。建造数据至少被储存在附属于设备1的控制装置(没有示出)中，该控制装置控制相应的生成式建造过程或对于相应的生成式建造过程所需要的设备1功能部件。
该方法的一个实施例根据图2-7进行详细解释，其中制造一个用于注塑模具的模具滑块元件形式的物体2。
在方法的第一步骤中，建立或预先给定描述在图2中示出的、实心地构造的参考物体的数据的参考物体信息以及描述实际地借助于该方法要制造的物体2的至少一个——尤其是几何结构的——边界条件的边界条件信息。参考物体信息描述参考物体的数据。
相应的数据包含参考物体的被确定的几何结构的设计、也就是说尤其是被确定的外部轮廓。参考物体信息因此描述参考物体的几何结构的设计、也就是说尤其是参考物体的结构设计数据、例如CAD数据。通常在特定于物体的应用领域或使用领域方面来确定参考物体的几何结构的设计、也就是说也尤其是质量。
除了参考物体信息以外，如提到的那样，边界条件信息也被建立或预先给定。边界条件信息描述涉及要制造的物体2的不同的边界条件。边界条件可以是要制造的物体2的几何结构的参数或结构的-物理的参数或特性。因此通过边界条件信息预先给定确定的几何结构的参数或确定的结构的-物理的参数或特性，它们应该在要制造的物体2的至少一个物体区段上或在整个要制造的物体2上(强制地)给出。
相应的边界条件限定要制造的物体2的至少一个外部的(暴露的)物体区段——例如表面、侧面、底面，等等——的和/或要制造的物体2的至少一个内部的(不暴露的)物体区段的至少一个几何结构的参数或整个要制造的物体2的几何结构的参数。
备选地或补充地，相应的边界条件可以限定要制造的物体2的至少一个外部的(暴露的)物体区段的和/或要制造的物体2的至少一个内部的(不暴露的)物体区段的至少一个结构的或物理的参数或整个要制造的物体的至少一个结构的或物理的参数。相应的结构的或物理的参数尤其是要制造的物体的至少一个物体区段或整个要制造的物体2的机械参数，例如质量、密度、硬度、强度或抗弯强度、刚度或抗弯刚度、弹性、塑性(延展性)、韧性、和/或摩擦学参数，例如摩擦系数、耐磨性、和/或光学声学参数，例如光吸收和/或声吸收或光反射和/或声反射，和/或热参数，例如热膨胀、导热性、(比)热容、热强度、低温韧性、和/或电参数，例如导电性、电阻。
边界条件信息例如可以描述或限定要制造的物体2的、在参考物体的通过参考物体信息描述的几何结构的数据方面不要改变的或不能改变的二维或三维的区域。物体2然后被制造成具有与通过边界条件信息描述的不能改变的区域对应的区域。
边界条件信息例如可以描述或限定要制造的物体2的封闭的外部轮廓。物体2然后被制造成具有与该通过边界条件信息描述的封闭的外部轮廓对应的封闭的外部轮廓。
边界条件信息此外例如可以描述或限定要制造的物体2的要实心地构造的外部区域和/或内部区域。物体2然后被制造成具有与通过边界条件信息描述的要实心地构造的外部区域和/或内部区域对应的实心地构造的外部区域和/或内部区域。
边界条件信息此外可以描述或限定至少一个在要制造的物体2的按照规定的使用方面特定于物体的功能区域或功能元件，例如用于将物体2与另一个物体连接的连接区域或连接元件。物体2然后被制造成具有与至少一个通过边界条件信息描述的功能区域或功能元件对应的功能区域或功能元件。
在根据图2-7解释的实施例中，通过边界条件信息尤其描述或限定，(i)物体2的前部的尖端部9(在图2中在参考物体的相应的物体区段上示出)必须至少与物体区段10，11连续地构造，(ii)物体区段11的几何结构的设计必须维持，(iii)物体2的(暴露的)外部的面必须是封闭的，和(iv)物体2与参考物体相比在它的几何结构的设计上不允许被缩短。通过边界条件信息此外限定，(v)应该这样地制造物体2，即在按照规定的使用期间作用在物体上的机械负荷尤其作为压力负荷被吸收，(vi)物体2的尖端部9的区域必须设有与轮廓靠近的温控通道结构，和(vii)所有对于物体2的温控不需要的物体区段——尤其是孔——允许被去除。
在该方法的跟随在第一步骤之后的第二步骤中，确定对在至少一个确定的负荷状况下、在通过参考物体信息描述的参考物体内的至少一个负荷值进行描述的负荷信息(参见图3)。该负荷信息描述至少一个参考物体区段或整个参考物体在确定的负荷状况下经历的负荷值，和因此描述至少一个参考物体区段或整个参考物体在确定的负荷状况下的特性(“负荷特性”)。相应的负荷状况例如是要制造的物体2的按照规定的负荷情况，也就是说要制造的物体2在按照规定的使用中通常经受的负荷状况。
负荷信息一般地可以描述——尤其是在按照规定地使用要制造的物体2时的——机械的和/或气候的和/或流动技术的和/或热的负荷状况。负荷信息通过合适的算法——例如借助于基于计算机的模拟、例如FEM模拟——被建立。换言之，负荷信息包含模拟的、例如FEM模拟的数据，参见图3。
根据图3可以看见，在给定的机械负荷状况下只有参考物体的一个很小的部分承受机械负荷。就此而言，根据图3可以预测，较高的减少建造材料的潜力和因此较高的减少物体2的重量的潜力是可能的。
在该方法的跟随在第二步骤之后的第三步骤中，根据负荷信息或在负荷信息中确定在参考物体内的、具有与可预先给定的或被预先给定的参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域。在各被考虑的负荷状况下在方法的第二步骤中确定的、在参考物体内的负荷值因此被单个地、成组地或全部地与至少一个参考负荷值比较。因此通过调整或比较确定，是否在参考物体内的相应的负荷值位于相应的参考负荷值之上或之下。参考负荷值可以理解为上和/或下负荷限值。上或下负荷限值通常通过特定于物体的、尤其是特定于材料的特征值限定。
根据负荷信息或在负荷信息中确定在参考物体内的、具有与参考负荷值偏离的负荷值的相应的负荷区域通过合适的算法——例如借助于基于计算机的模拟、例如FEM模拟——来实施。
在图4中示出参考物体的几何结构的设计在其与负荷状况匹配之后的FEM模拟。不同的阴影线示出不同的负荷。在图5中示出相应的CAD模型。可以看见，参考物体的几何结构的设计与在图2中示出的相比被显著地改变。尽管这样可以实现明显的重量或材料减少，但是前面所述的边界条件没有被满足。
在该方法的跟随在第三步骤之后的第四步骤中，基于负荷信息以及边界条件信息确定对要制造的物体2的几何结构的数据进行描述的物体信息。相应的几何结构的数据包含要制造的物体2的几何结构的设计，参见图6。通过边界条件信息描述的或限定的边界条件进入到要制造的物体2的几何结构的设计中。同样，通过负荷信息描述的负荷值进入到物体信息中。
根据图6可以看见，物体信息描述要制造的物体2的结构设计数据、例如CAD数据。这些结构设计数据被转换成对要制造的物体2的几何结构的设计、也就是说尤其是与层相关的横截面几何形状进行描述的建造数据。
根据图6此外可以看见，在要制造的物体2的相应的区域中——这些区域对应于在其中负荷值偏离于相应的参考负荷值的参考物体负荷区域，形成特别的、被生成式地建造的外部的和/或内部的结构，这些结构考虑了相应的负荷值与相应的参考负荷值的相应的偏差。
在该方法的跟随在第四步骤之后的第五步骤中，基于物体信息制造物体2。物体2在此情况下至少在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中通过依次选择性地逐层固化能固化的建造材料被生成式地制造。在实施例中整个物体2被生成式地建造。
物体2在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有生成式地形成的、包括至少一个轻型结构元件的轻型结构12。通过有针对性地生成式构造轻型结构12，物体2在对应于参考物体的相应的负荷区域的区域中——该区域超过或低于确定的参考负荷值，被有针对性地制造成具有生成式地构造的结构，该结构通过(局部的)密度减少导致重量或材料减少。轻型结构12被构造在物体2的几乎不承受机械负荷的区域中。相应的轻型结构12的轻型结构元件可以例如包括：缺口部、夹层结构、具有与被制造的物体2的其余的区域相比较小的密度的区域、由与被制造的物体2的其余的可固化的建造材料3相比具有较小的密度的能固化的建造材料3构成的区域或具有与被制造的物体2的其余的区域相比较小的壁厚的区域。
物体2在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有生成式地形成的温控通道结构(没有示出)，该温控通道结构可以由用于温控被制造的物体2的温控介质通流。通过有针对性地生成式地构造相应的温控通道结构，物体2可以在对应于参考物体的相应的(热)负荷区域的区域中——该区域超过或低于确定的(热)参考负荷值，被有针对性地制造成具有生成式地构造的结构，该结构在被温控介质通流的情况下导致对物体2的温控。温控通道结构通常被构造在物体2的承受热负荷的区域中。通过相应的温控通道结构可以实现对物体2的有针对性的温控、也就是说冷却或加热。
物体2在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有生成式地形成的、包括至少一个加强元件的加强结构13。通过有针对性地生成式地构造加强结构1，物体2可以在对应于参考物体的相应的(机械的)负荷区域的区域中——该区域超过或低于确定的(机械的)参考负荷值，被有针对性地制造成具有生成式地构造的结构，该结构通过(局部的)加强导致物体2的机械稳定性的提高。例如肋元件可以形成为加强结构元件，参见图6。加强结构12可以被形成为三维的纵向肋和/或横向肋。
物体2可以在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有生成式地形成的、包括至少一个仿生元件的仿生结构(没有示出)，该仿生元件描述至少一个生物的、尤其是动物的和/或植物的结构和/或由至少一个生物的、尤其是动物的和/或植物的结构推导出。仿生元件可以包括动物的结构，其中，作为动物的结构，使用外部的和/或内部的动物结构和/或以动物方式产生的结构，和/或仿生元件可以包括植物的结构，其中，作为植物的结构，使用外部的和/或内部的植物结构和/或以植物方式产生的结构。
生成式地形成的结构——也就是说尤其是轻型结构12和/或温控通道结构和/或加强结构13和/或仿生结构——可以二维地或三维地，必要时网络状地，通过物体2延伸。相应的、生成式地形成的结构可以(仅仅)通过物体2的内部延伸，由此它们从外部是看不见的。相应的结构除了它们各原始的功能以外当然也可以影响物体2的(另外的)物理的特性。这例如可以在物体2内在必要时三维的肋结构的情况下给出，该肋结构一方面(与实心的构造相比)导致材料的减少和另一方面导致物体2的机械的加强。
该方法允许，尤其是在物体2的确定的负荷状况下，有针对性地生成式地制造物体2，也就是说尤其是将物体制造成具有生成式地构造的结构。物体2的结构基于对在参考物体中的确定的负荷区域的事先的确定，如描述的那样，该负荷区域在确定的参考负荷值方面被评估，也就是说被与相应的参考负荷值比较。这样可以——基于确定的负荷状况——确定如下一些区域，这些区域在确定的负荷状况下被特别地构造，也就是说例如被构造成具有特别的结构，也就是说尤其是被优化。如提到的那样，对此例如可以理解为形成机械的加强结构和/或形成机械的削弱结构，也就是说例如重量或材料节省结构和/或形成温控通道结构，等等。
物体2因此在确定的应用状况或确定的负荷状况下被优化，这在不同的着眼点下显著地改进了物体2的结构特性，例如机械稳定性、重量，等等。在此情况下尤其可能的是，相应的优化仅仅在物体2的内部实施。物体2的外部尺寸或外部轮廓、也就是说(基本上)外部形状，可以(与参考物体相比)被维持。
该方法的另一个优点在于，要按照该方法制造的物体2可以被完全生成式地建造。尤其是在制造技术物体方面，也就是说例如用于注塑模具的模具元件，例如模具嵌件元件、滑块元件，等等，它们迄今为止包括要在仓库中准备好的物体基体，该物体基体以后被配设有至少一个在物体基体上被生成式地建造的物体区段(“混合物体”)，可以通过物体2的直接的生成式制造节省仓储空间、仓储时间、仓储工作，等等。
图7最后示出基于物体信息要制造的或被制造的物体2的FEM模拟的视图。不同的阴影线显示不同的负荷。可以看见，物体2的承载结构以与在图4中示出的视图类似的方式承受负荷。轻型结构12在很大程度上不承受负荷。但是轻型结构12适合于吸收在物体2的运行中产生的特定的负荷，例如在将物体2夹紧到夹紧座中时。
通过根据图2-7解释的实施例，物体2的重量可以在相同的几何结构的设计和相同的功能的情况下与(实心的)参考物体相比被减少50％以上。通过匹配确定的边界条件可以使物体2的重量进一步减少。
附图标记列表：
1 设备
2 物体
3 建造材料
4 辐射产生装置
5 能量束
6 射束偏转装置
7 覆层装置
8 建造室
9 尖端部
10 物体区段
11 物体区段
12 轻型结构
13 加强结构

Claims (15)

1.一种用于制造三维物体(2)的方法，其特征在于以下步骤：
-预先给定对参考物体的——尤其是几何结构的——数据进行描述的参考物体信息以及至少一个对要制造的物体(2)的至少一个——尤其是几何结构的——边界条件进行描述的边界条件信息，
-确定对在确定的负荷状况下、在通过参考物体信息描述的参考物体内的至少一个负荷值进行描述的负荷信息，
-根据负荷信息确定在通过参考物体信息描述的参考物体内的、具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域，
-基于负荷信息以及边界条件信息确定对要制造的三维物体(2)的几何结构的数据进行描述的物体信息，
-基于物体信息制造要制造的三维物体(2)，其中，要制造的三维物体(2)至少在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中通过依次选择性地逐层固化能固化的建造材料(3)被生成式地制造。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，要制造的三维物体(2)在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置(4)产生的能量束(5)固化的建造材料(3)生成式地形成的、包括至少一个轻型结构元件的轻型结构(12)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，轻型结构元件包括：缺口部、夹层结构、具有与被制造的三维物体(2)的其余的区域相比较小的密度的区域、由与被制造的三维物体(2)的其余的能固化的建造材料(3)相比具有较小的密度的能固化的建造材料(3)构成的区域或具有与被制造的三维物体(2)的其余的区域相比较小的壁厚的区域。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，要制造的三维物体(2)在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置(4)产生的能量束(5)固化的建造材料(3)生成式地形成的温控通道结构，该温控通道结构能由用于温控被制造的三维物体(2)的温控介质通流。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，要制造的三维物体(2)在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置(4)产生的能量束(5)固化的建造材料(3)生成式地形成的、包括至少一个加强元件的加强结构(13)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，加强结构元件包括：肋元件——尤其是在被制造的三维物体(2)内的肋元件。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，要制造的三维物体(2)在具有与参考负荷值偏离的负荷值的负荷区域中被制造成具有通过依次选择性地逐层固化能借助于由辐射产生装置(4)产生的能量束(5)固化的建造材料(3)生成式地形成的、包括至少一个仿生元件的仿生结构，该仿生元件描述至少一个生物的、尤其是动物的和/或植物的结构和/或由至少一个生物的、尤其是动物的和/或植物的结构推导出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，仿生元件包括动物的结构，其中，作为动物的结构，使用外部的和/或内部的动物结构和/或以动物方式产生的结构，
和/或仿生元件包括植物的结构，其中，作为植物的结构，使用外部的和/或内部的植物结构和/或以植物方式产生的结构。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，边界条件信息描述要制造的三维物体(2)的、至少一个在参考物体的通过参考物体信息描述的几何结构的数据方面不能改变的区域，并且要制造的三维物体(2)被制造成具有与所述通过边界条件信息描述的不能改变的区域对应的区域。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，边界条件信息描述要制造的三维物体(2)的至少在部分区段上封闭的外部轮廓，并且要制造的三维物体(2)被制造成具有与该通过边界条件信息描述的至少在部分区段上封闭的外部轮廓对应的、至少在部分区段上封闭的外部轮廓。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，边界条件信息描述要制造的三维物体(2)的至少一个实心的外部区域和/或内部区域，并且要制造的三维物体(2)被制造成具有与该通过边界条件信息描述的实心的外部区域和/或内部区域对应的实心的外部区域和/或内部区域。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，边界条件信息描述至少一个在要制造的三维物体(2)的按照规定的使用方面特定于物体的功能元件，其中，要制造的三维物体(2)被制造成具有与至少一个通过边界条件信息描述的功能元件对应的功能元件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，负荷信息描述——尤其是在按照规定地使用要制造的三维物体(2)时的——机械的和/或气候的和/或流动技术的和/或热的负荷状况。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，作为要制造的三维物体(2)，制造注塑模具的模具元件、尤其是滑块元件或模具嵌件元件。
15.一种用于通过依次逐层选择性地固化建造材料(3)来生成式地制造三维物体(2)的设备(1)，所述建造材料能借助于由辐射产生装置(4)产生的能量束(5)固化，其特征在于，该设备(1)被构造成用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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