DE102005013722A1 - Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur - Google Patents

Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur Download PDF

Info

Publication number
DE102005013722A1
DE102005013722A1 DE102005013722A DE102005013722A DE102005013722A1 DE 102005013722 A1 DE102005013722 A1 DE 102005013722A1 DE 102005013722 A DE102005013722 A DE 102005013722A DE 102005013722 A DE102005013722 A DE 102005013722A DE 102005013722 A1 DE102005013722 A1 DE 102005013722A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
data
operations
masks
matrices
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102005013722A
Other languages
English (en)
Inventor
Hermann Dr. Seitz
Wolfgang Dipl.-Ing. Rieder
Carsten Dr. Tille
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Original Assignee
Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research filed Critical Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority to DE102005013722A priority Critical patent/DE102005013722A1/de
Publication of DE102005013722A1 publication Critical patent/DE102005013722A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2117/00Details relating to the type or aim of the circuit design
    • G06F2117/08HW-SW co-design, e.g. HW-SW partitioning

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

Verfahren zur Generierung von Schichtdaten, aus denen mittels eines rasterbasierten Schichtaufbauverfahrens, insbesondere mittels eines Rapid Prototyping-Verfahrens, ein dreidimensionales Objekt erzeugt wird, wobei Objektdaten, die das Objekt in seiner dreidimensionalen Form repräsentieren, rechnerisch mittels eines auf einem Computer realisierten Konvertierungsprogrammes in einen Stapel von Schichtdatensätzen umgewandelt werden, wobei ein Schichtdatensatz eine zweidimensionale gerasterte Ebene (Datenmatrix) durch das Objekt repräsentiert, wobei einem Schichtdatensatz Information für die technische Umsetzung des Schichtaufbauverfahrens zugeordnet ist, wobei im Objekt eine von Wandungen des Objektes zumindest teilweise umgebene Hohlstruktur, insbesondere in der Art einer die Oberfläche des Objektes durchdringenden Kanalstruktur, vorgesehen wird, wobei die Hohlstruktur durch rechnerische Operationen an den einzelnen Datenmatrizes erzeugt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Erstellung von Schichtdaten, aus denen mit einem Schichtaufbauvertahren, insbesondere mit einem dreidimensionalnen Druckverfahren, ein dreidimensionales Objekt erzeugt wird, wobei Objektdaten, die das Objekt in seiner dreidimensionalen Form repräsentieren, mittels eines auf einem Computer realisierten Programms zur Konvertierung in einen Stapel von Schichtdatensätzen umgewandelt werden, wobei ein Schichtdatensatz eine gerasterte Ebene (Datenmatrix) durch das Objekt repräsentiert und entsprechende Bauinformation für die technische Umsetzung des Schichtaufbauverfahrens enthält, wobei im Objekt eine von Wandungen des Objektes zumindest teilweise umgebene Hohlstruktur, insbesondere in der Art einer die Oberfläche des Objektes durchdringenden Kanalstruktur, vorgesehen wird. Die Erfindung betrifft zudem ein System zur Umsetzung des Verfahrens.
  • Diese Schichtaufbauverfahren fallen unter den mittlerweile gebräuchlichen Begriff des „Rapid Prototyping", das die schnelle Herstellung von Anschauungsmodellen und Prototypen ermöglicht. Auch wenn darunter sowohl die additiven, als auch die subtraktiven und die formativen Fertigungsverfahren zu subsummieren sind, wird der Begriff des Rapid Prototyping („RP") an dieser Stelle im wesentlichen für die additiven (generativen) Verfahren verwendet, bei denen mitunter besonders filigrane Bauteile durch Zusammenfügen einzelner Volumenelemente erzeugt werden.
  • Dabei ist neben der Automobilindustrie die Medizin ein bedeutendes Einsatzgebiet dieser RP-Verfahren, wo auf der Grundlage von aufgenommenen Patientendaten anatomische Modelle und Implantate angefertigt werden. So angefertigte Modelle können für die Operationsplanung beispielsweise im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie verwendet werden. Auch die Anfertigung an die individuelle Anatomie eines Patienten angepasster Implantate, wie Knochenersatzimplantate, ist ein medizinisches Anwendungsgebiet, das immer größere Bedeutung gewinnt.
  • So werden schon heute Implantate auf der Grundlage von Patientendaten erzeugt, die mit einem tomographischen Verfahren, wie CT oder MRT, aufgenommen sind. Diese Patientendaten liegen entsprechend als dreidimensionaler Datensatz vor, wobei bei der Erstellung der Implantate die im dreidimensionalen Datensatz vorhandenen Defektstellen entsprechend der Anatomie ergänzt werden. Nach dieser Planungsphase liegt der dreidimensionale Datensatz der „Objektdaten" vor, der das zu erzeugende Objekt, hier das Implantat, in seiner Dreidimensionalität repräsentiert.
  • Die Objektdaten liegen meist als Volumen-, Oberflächen-, Kontur- oder auch 3D-Matrix-Daten vor, die in einem weiteren vorbereitenden Schritt mit dem Computer in dünne Schichten („Schichtdaten") zerlegt werden. Erst die zweidimensionalen Schichtdaten enthalten die für das jeweilige Fertigungsverfahren notwendige Information, auf deren Basis das Objekt in einem Bauraum Schicht für Schicht aus Kunststoff, Metall, Keramik oder Wachs freiformend aufgebaut werden kann.
  • Bei den genannten rasterbasierten Schichtbauverfahren liegen die Schichtdaten als Datenmatrizen mit integrierte Steuerinformation vor, auf deren Grundlage beim sogenannten „3D-Drucken" dünne Pulverschichten eines Polymers oder eines Keramikmaterials auf eine Grundplatte aufgebracht und durch gezieltes Auftragen eines Binders entsprechend dem aktuell zu fertigenden Bauteilquerschnitt verfestigt. Dabei wird der Binder beim 3D-Drucken tröpfchenweise mittels eines Druckkopfes entsprechend der Steuerinformation aufgetragen. Das Baumaterial besteht aus dem gebundenen Pulver, wobei das lose Pulver die Stützfunktion übernimmt und nach dem Prozessende entfernt wird. Das resultierende Objekt kann abschließend lackiert, infiltriert oder auch gesintert werden.
  • Bei einem anderen rasterbasierten Schichtbauverfahren werden die Objekte generiert, indem ein Baumaterial, insbesondere ein Wachs oder ein Polymer, im geschmolzenen Zustand schichtweise auf eine Bauplattform aufgedruckt wird. Dabei wird mitunter noch ein zweites, leicht lösliches Baumaterial aufgetragen, das die Stützfunktion für das eigentliche Baumaterial während des Bauprozesses übernimmt.
  • Außerdem ist es bekannt, ein flüssiges Photopolymer schichtweise auf eine Bauplattform zu drucken, wobei die einzelnen Schichten unmittelbar nach dem Druckvorgang mittels einer UV-Lampe ausgehärtet werden. Auch bei diesem Verfahren wird ein zweites, leicht lösliches Material aufgedruckt, das eine stützende Funktion für das eigentliche Bauteil aus festem Material übernimmt. Objekte können auch generiert werden, indem ein flüssiges Photopolymer schichtweise mit einer variablen Maske belichtet wird.
  • Allen den genannten rasterbasierten Schichtbauverfahren ist gemeinsam, dass aus den Objektdaten zunächst die Datenmatrizen erstellt werden müssen. Somit liegt ein wesentlicher Aspekt der Schichtbauverfahren in der jeweils notwendigen Aufbereitung und Manipulation der dreidimensionalen Objektdaten im Vorfeld des eigentlichen Fertigungsschritts. Wie schon dargelegt, müssen die am Patienten aufgenommenen zweidimensionalen Datensätze, wie sie von den CT- oder MRT-Geräten kommen, in dreidimensionale Oberflächendaten oder Volumendaten konvertiert werden. Mitunter müssen an dieser Stelle fehlerhafte 3D-Datensätze repariert und/oder durch Spiegeln, Schneiden oder ähnliche Maßnahmen manipuliert werden. Anhand dieser Datensätze werden in einem Planungsschritt die Objektdaten erzeugt.
  • Gerade im Fall der Implantate ist es häufig nötig, eine definierte Kanalstruktur in die Außenkontur einzubringen, die ihre Entsprechung letztendlich ebenfalls in den Schichtdaten haben muss. Als Kanalstruktur wird in diesem Zusammenhang jede Ausnehmung im Material des Implantats gesehen. Eine solche Kanalstruktur kann, wenn sie beispielsweise später ein Knochenfragment aufnehmen soll, relativ großvolumig sein. Dagegen werden durchgängige Kanäle kleineren Durchmessers für den Durchtritt von Nerven oder Gefäßen durch das eingesetzte Implantat benötigt. In dem Implantat vorgesehene Kanalstrukturen mit noch kleineren Dimensionen unterstützen das Anwachsen von Gewebe auf der Oberfläche des Implantats, indem sie dem Gewebe einen Halt bieten.
  • Die Definition solcher Kanalstrukturen in einem 3D-Datensatz lässt sich bislang am Computer nur durch besonders rechenintensive Operationen durchführen. So wird bei bekannten Verfahren eine vordefinierte dreidimensionale Kanalstruktur von dem gegebenen 3D-Datensatz mittels Subtraktion abgezogen.
  • Beim Rapid Prototyping liegen die Objektdaten meist als oberflächentriagulierte Oberflächendaten im STL (Stereolithographie)-Datenformat vor. Insbesondere die medizinischen Objekte, wie anatomische Modelle und Implantate, werden in der Regel als Freiformflächen beschrieben und können wegen des Datenformats nicht in gängigen CAD-Konstruktionsprogrammen bearbeitet werden. Das beim RP meist genutzte Softwaretool führt zur Einbringung einer Kanalstruktur 3D-Schnitte an einem oberflächentriangulierten Datensatz im STL-Datenformat auf Dreiecksbasis durch. Die daraus resultierenden Datensätze sind entsprechend groß, wobei eine Vergrößerung der Ausgangsdatei um den Faktor zwölf durchaus möglich ist, da sich die Oberfläche des Objekts stark vergrößert. Um diese Operationen durchzuführen sind lange Rechenzeiten nötig. Zudem treten häufig Fehler in den resultierenden Datensätzen auf.
  • Ein weiterer Nachteil ist, dass diese Rechnungen als Floating-Point-Operationen durchgeführt werden, was prinzipbedingt wegen des begrenzten Wertebereichs der Dreieckskoordinaten zu Rundungsfehlern führt. Auf diese Weise lassen sich große Datensätze mit komplexen Kanalstrukturen wegen der benötigten großen Rechenleistung und des Umfangs der Datensätze mit den üblichen Computern häufig überhaupt nicht erzeugen. Gerade bei der Generierung besonders feiner Kanalstrukturen machen sich die Rundungsfehler schließlich stark bemerkbar.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur automatischen Erzeugung von Schichtdatensätzen aus Objektdaten zu schaffen, wobei die Schichtdatensätze als Grundlage bei der Herstellung von Objekten mit Kanalstrukturen dienen können, wobei das Verfahren unter Einsatz vergleichsweise geringer Rechnerkapazitäten hochauflösende Daten mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit erzeugt und sich mit einfachen technischen Mitteln kostengünstig realisieren lässt.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Merkmale besonderer Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.
  • Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Rechenoperation zur Erzeugung der Hohlstruktur, insbesondere der die Oberfläche des Objektes durchdringenden Kanalstruktur, nicht wie bislang schon auf die dreidimensionalen Objektdaten sondern erst auf die daraus hervorgegangenen zweidimensionalen Schichtdaten anzuwenden. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Merkmale „Hohlstruktur" oder „Kanalstruktur" nicht bedeuten muß, dass das Material des Hohlraums die Dichte Null hat. Das Innere des Hohlraums hat jedoch eine geringere Dichte als das ihn umgebende Material. Innerhalb des Konstruktes kann es also Dichtegradienten geben.
  • Erfindungsgemäß wird also erst das von Objektdaten repräsentierte Objekt rechnerisch in Schichtdaten geschnitten, bevor die Erzeugung der Kanäle in den zweidimensionalen Schichtdaten durchgeführt wird. Vorher wurden die Kanäle rechnerisch in die dreidimensionalen Objektdaten eingebracht, bevor diese dann „zerschnitten" wurden. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Erzeugung der Kanäle unmittelbar vor der tatsächlichen Erstellung dieser Schicht im Aufbauverfahren vorzunehmen. Es müssen also nicht unbedingt die „kanalisierten" Schichtdaten als kompletter Satz gespeichert werden. Die Kanalisierung kann sozusagen online geschehen.
  • Erfindungsgemäß werden im Prinzip aus den zu den Schichtebenen vorhandenen Datenmatrizen an den Stellen die Pixel herausgenommen, an denen später die Kanalstruktur verläuft. Die dreidimensionale Kanalstruktur wird dann aus den übereinander gelegten Flächendaten generiert, wobei diese „Flächendaten" eine Höhe entsprechend der eingestellten Auflösung repräsentieren.
  • Der Vorteil dieser Art der Kanalerzeugung liegt darin, dass die notwendigen Rechenoperationen verhältnismäßig einfach sind und im Idealfall sogar nur aus Booleschen Operationen bestehen. Dadurch kann die Rechenzeit stark verkürzt und die notwendige Rechenleistung minimiert werden. Diese Art der Generierung der Kanalstrukturen kann daher auf Computern mit geringerer Rechenleistung und insbesondere auf jedem PC durchgeführt werden. Unter Zugrundelegung des Verfahrens lassen sich daher Systeme aufbauen, die an jedes heute erhältliche Gerät zur Realisierung eines rasterbasierten Schichtaufbauverfahrens im Labor oder in der Klinik angeschlossen werden können. Im einzelnen kann die Erfindung folgendermaßen umgesetzt werden:
    Für die Herstellung eines Objekts aus den Objektdaten mit dem rasterbasierten Schichtbauverfahren werden die Objektdaten rechnerisch in einzelne Schichten zerlegt. Aus diesen Schichteninformationen werden diskretisierte Datenmatrizes (Schichtdaten), insbesondere enthaltend Integerwerte, berechnet, die zum Schichtaufbau Schicht für Schicht von einem entsprechenden Gerät abgearbeitet werden. Wie schon gesagt, werden Datenoperationen direkt an den Datenmatrizes durchgeführt, um eine definierte Kanalstruktur im Objekt zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführung werden booleschen Operation mit vorgegebenen strukturierten zweidimensionalen Datensätzen, die als Masken fungieren, oder mit schichtübergreifenden funktionellem Zusammenhang an den einzelnen Datenmatrizes durchgeführt. Die dadurch resultierenden Auslassungen im Druckbild einer jeden Matrix haben in dem aus vielen übereinanderliegenden Matrizen aufgebauten dreidimensionalen Bauteil die gewünschte Kanalstruktur zur Folge.
  • Die erfindungsgemäße Methode zur schichtweisen Generierung eines beliebigen dreidimensionalen Objekts mit definierter Kanalstruktur kann auf unterschiedliche rasterbasierte Schichtbauverfahren angewendet werden, sobald die Objektdaten als dreidimensionaler Datensatz vorliegen. Dann wird die Kanalstruktur oder die Innenstruktur durch Datenoperationen an den Datenmatrizes erzeugt. Wie schon dargelegt, wird die Innenstruktur in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch definiert, dass die aus dem 3D-Datensatz generierten Datenmatrizes einer booleschen Operation mit definierten strukturierten Masken unterzogen werden. So entstehen Auslassungen in der Datenmatrix der jeweiligen Schicht, die sich beim Bauprozess nach einem rasterbasierten Schichtbauverfahren zu einer definierten Kanalstruktur im Objekt überlagern. Dabei bestimmt die Struktur und die Abfolge der für die booleschen Operation verwendeten Masken die Geometrie der Kanalstruktur im gefertigten Bauteil. Im einfachsten Fall kann mit einer einzelnen Maske eine 2,5-dimensionale Kanalstruktur realisiert werden, d.h. eine Kanalstruktur die in z-Richtung keine Änderung aufweist. Allerdings können durch eine geschickte Wahl einer Sequenz aufeinander abgestimmter Masken komplexe Kanalstrukturen erzeugt werden. Zudem können die Masken in drei Dimensionen relativ zu den Druckmatrizes positioniert werden, um komplexe Strukturen zu erzeugen. Außerdem können durch die Datenmanipulationen auch zusätzliche Objektinformationen zur Farbe oder zu Materialeigenschaften generiert werden.
  • Da solche booleschen Operationen besonders schnell durchgeführt werden können, gewährleistet die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Masken eine enorme Einsparung an Rechenkapazität und eröffnet daher die Möglichkeit, das Verfahren auch mit Rechnern verhältnismäßig kleiner Leistung schnell und zuverlässig umzusetzen. Dabei ist es von großem Vorteil, dass sich mit diesem Konzept prinzipiell Kanalstrukturen in allen Größenordnungen realisieren lassen.
  • Typischerweise werden die Schichtdaten für die Schichtbauverfahren im Vorfeld des eigentlichen Fertigungsprozesses mit Hilfe einer speziellen Prozesssoftware vorbereitet. Diese Software zerlegt den geladenen Satz von Objektdaten in dünne Schichten und berechnet auf Grundlage der vorgegebenen Maschinenparameter, insbesondere der Druckrasterauflösung beim 3D-Drucken, für jede Schicht die entsprechende Datenmatrix. Vorteilhafterweise wird nach der Berechnung einer solchen Datenmatrix die erfindungsgemäße Datenoperation an der Datenmatrix durchgeführt. Dabei ist es weiter vorteilhaft, wenn diese Operationen durch die Prozesssoftware, die auch den eigentlichen Fertigungsprozess steuert, bewerkstelligt werden. Ein Vorteil ist auch darin zu sehen, dass zur Erstellung der Datenmatrizes die bislang verwendeten Programme zugrunde gelegt werden können, wobei es relativ einfach möglich ist, diese Programme dahingehend zu modifizieren, dass sie die erfindungsgemäße Datenoperationen an den Datenmatrizes durchführen können.
  • Der wesentliche Vorteil der Erfindung, der in dem geringen Rechenaufwand liegt, resultiert letztendlich daraus, dass sich die aufwendigen und fehlerbehafteten Manipulationen an den dreidimensionalen Objektdaten mit dem Verfahren auf einfach Operationen auf der zweidimensionalen Schichtebene vereinfachen lassen.
  • Darüber hinaus bietet das beschriebene Verfahren den Vorteil, dass sich die Kanalstrukturen pixelgenau, gleichmäßig und reproduzierbar in die 3D-Objekte einbringen lassen, da die Operationen direkt an den beim Fertigungsprozess verwendeten Datenmatrizes durchgeführt werden. Diese Eigenschaft ist gerade bei der Einbringung von Kanalstrukturen einer Auflösung in der Größenordnung der Matrixauflösung vorteilhaft, da diese Strukturen in der Datenmatrix eine Breite von nur wenigen Pixels haben. Die Rundungsfehler in den Datenmatrizes, wie sie in den herkömmlichen Verfahren auftreten, bei denen die Kanalstrukturen in den 3D-Datensatz der Objektdaten eingebracht werden und dieser Datensatz anschließend in Einzelschichten zerlegt wird, werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gebannt. Zudem wird durch die erfindungsgemäße Methode nicht die zu verarbeitende Datenmenge erhöht, da die Größe der Datenmatrizes durch die Operationen nicht verändert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführung wird das erfindungsgemäße Verfahren somit von der Prozesssoftware durchgeführt, die den Ablauf des für das rasterbasierte Schichtbauverfahren vorgesehenen Gerätes steuert. Dazu lädt der Anwender den gegebenen 3D-Datensatz der Objektdaten in die Prozesssoftware ein. In einem weiteren Schritt gibt der Anwender der Prozesssoftware die zu erzeugende 3D-Kanalstruktur vor, wobei er vorteilhafterweise in einfachen Fällen regelmäßiger Kanalstrukturen aus einem Angebot verschiedener Kanalstrukturen auswählen kann. In Abhängigkeit von der gewählten Kanalstruktur kann die Prozesssoftware selbständig nach einer bestimmten Reihenfolge und mit den entsprechenden Masken die booleschen Operationen mit den berechneten Datenmatrizes durchführen. Dabei können die Masken wahlweise als vordefinierte Bitmap-Dateien abgelegt sein oder auch dynamisch von der Prozesssoftware nach Wahl der Kanalstruktur durch den Benutzer passend zur Dimension der Datenmatrix erzeugt werden. Die dynamische Erzeugung hat den Vorteil, dass bei der Auswahl der Kanalstruktur eine Übergabe von Parametern, wie beispielsweise Kanalabmaß, Kanalwinkel und/oder Kanalabstand, erfolgen kann. Damit können eine Vielzahl unterschiedlicher Kanalgeometrien erzeugt werden, ohne dass es dafür einer speicherintensiven Vorhaltung an Masken bedarf.
  • Zudem ermöglicht diese Art der dynamischen Erzeugung, dass die eigentliche Objektinformation, die in Form der Datenmatrizes vorliegt, bei der Generierung der Kanalgeometrien berücksichtigt werden kann. So können Kanalstrukturen im Objekt erzeugt werden, die im Randbereich des Objekts eine andere Geometrie aufweisen als im Innenbereich. Generell können verschiedene Kanalgeometrien abhängig vom Ort im Objekt oder von sonstigen Objekteigenschaften realisiert werden, beispielsweise auch ein Gradientenverlauf. Wahlweise können die erfindungsgemäßen Datenoperationen auch ohne vorherige Berechnung von Masken direkt an den Datenmatrizes nach vorgebbaren Vorschriften durchgeführt werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann der Benutzer die Lage der Masken relativ zu den Druckmatrizes in allen drei Raumrichtungen vorgeben, um damit die Position der einzubringenden Kanalstruktur relativ zum 3D-Objekt zu bestimmen. Das kann durch parametrische Vorgaben, insbesondere durch Offsets, oder auch in der Prozesssoftware durch graphische Anzeige und manuelle Veränderung der relativen Lage von den Druckmatrizes zu den Masken erfolgen.
  • Die Erfindung bietet insofern große Vorteile, als das Problem der Generierung von Kanalstrukturen in einem 3D-Objekt bei den rasterbasierten Schichtbauverfahren in zunehmendem Maße auftritt. So ist es insbesondere bei der Herstellung von 3D-Knochenersatzimplantaten aus biologischen Gründen notwendig, dass die Implantate innere Kanalstrukturen aufweisen. Auch aus anderen Überlegungen heraus ist die Einbringung derartiger Kanalstrukturen in ein Objekt wichtig. So können auf diese Art beliebige Objekte in Leichbauweise gefertigt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auf Datenmatrizes anwenden, deren Auflösung im Bereich zwischen etwa 10 dpi und 3000 dpi, insbesondere zwischen etwa 50 dpi und 600 dpi, liegt. Die Schichtstärken, die von einer Datenmatrix realisiert werden, liegen zwischen etwa 10 μm und 2000 μm, insbesondere zwischen etwa 50 μm und 400 μm. Mit dem Verfahren können Kanaldurchmesser in der Größenordnung zwischen etwa 50 μm und 5000 μm, insbesondere zwischen etwa 200 μm und 1000 μm, realisiert werden, wobei die Abstände von Kanal zu Kanal in derselben Größenordnung liegen. Die Maskenmatrixdimension liegt etwa zwischen 2 Pixel × 2 Pixel und 10000 Pixel × 10000 Pixel, insbesondere zwischen etwa 100 Pixel × 100 Pixel und 5000 Pixel × 5000 Pixel.
  • Die Erfindung bietet dem Anwender den Vorteil, dass die Einbringung einer Kanalstruktur in einen gegebenen 3D-Datensatz nicht mehr aufwendig mit Hilfe von 3D-Datenbearbeitungsprogrammen durchgeführt werden muss. Dieser Arbeit war fehleranfällig und zeitaufwändig. Mit der Erfindung entfällt sie vollständig. Der Anwender legt nunmehr nach dem Laden der Objektdaten in die Prozesssoftware die Kanalstruktur fest, die dann selbständig von der Prozesssoftware durch die beschriebene Datenoperationen in das Objekt eingebracht wird. Das hat eine erhebliche Zeiteinsparung bei der Datenvorbereitung zur Folge. Zudem ermöglicht dieses Verfahren die Realisierung von Kanalstrukturen mit hoher Komplexität und hoher Präzision, da die Datenoperationen für die Kanalstruktur nicht mehr an 3D-Daten sondern an den 2D-Rasterdaten durchgeführt werden. Durch die Reduktion von einer Operation am 3D-Objekt auf ein zweidimensionales Problem reduziert sich der Rechenaufwand erheblich.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 10 näher erklärt. Es zeigen:
  • 1 bis 6 die Generierung eines Würfels mit gleichmäßiger Kanalstruktur und
  • 7 bis 10 die Einbringung einer runden Kanalstruktur in ein Objekt.
  • 1 zeigt als fertiges Objekt 1 einen Würfel, der mittel eines rasterbasierten Schichtbauverfahrens hergestellt wurde. Dieser Würfel steht als einfaches Beispiel für ein Implantat, das prinzipiell jede Form annehmen kann. Anhand des Würfels, dessen Volumen von einer regelmäßigen Kanalstruktur 2 durchzogen ist, wird nun der erfindungsgemäße Schichtbau erklärt.
  • Zunächst ergibt sich bei planparalleler Ausrichtung des Würfels zur Grundfläche der virtuellen Bauplattform des rasterbasierten Schichtbaugeräts eine einheitlich gefüllte Datenmatrix 3, wie sie in 2 dargestellt ist. Diese Datenmatrix, deren Pixel einheitlich mit Kreuzen versehen sind, repräsentiert die äußere Form des zu erzeugenden Würfels in den richtigen Maßen. Im Falle des von seiner planen Grundfläche nach oben aufzubauenden Würfels ändert diese Datenmatrix 3, die Schichtdaten repräsentiert, ihre Gestalt nicht. Im Fall eines komplexeren Objektes hätten die einzelnen Schichten entsprechend unterschiedliche Konturen.
  • In dem Würfel soll die regelmäßige rechteckige Kanalstruktur (1) vorgesehen sein. Diese regelmäßige Kanalstruktur kann mittels zweier verschiedener Masken 4 und 5, wie sie in 3 und 5 gezeigt sind, gefertigt werden, wobei diese Masken 4 und 5 abwechselnd auf die Datenmatrix 3 angewendet werden. Dazu haben die Masken 4 und 5 inetwa dieselbe Größe wie die Datenmatrix 3 und enthalten Information in Form zweier Zustände 0 (leer) und I (voll), die den einzelnen Pixels zuzuordnen sind. Werden nun eine der Masken 4 oder 5 auf die Datenmatrix 3 angewendet, so werden die in der Datenmatrix 3 mit Kreuzchen belegten Pixel, die ebenfalls die Information I repräsentieren können, in einer booleschen „UND"-Verknüpfung mit den entsprechenden Pixels der Masken verbunden. Aus der Anwendung der Maske 4 auf die Datenmatrix 3 resultiert eine vollständig umrandete Fläche 6 des Würfels, die vertikale Kanälen 7 aufweist (4). Dabei erfolgt diese „UND"-Verknüpfung während der tatsächlichen Fertigung der jeweiligen Schicht. Für die Fertigung der nachfolgenden Schicht 8 (6), die im Prinzip von frei stehenden Säulen 9 gebildet ist, wird die Datenmatrix 3 entsprechend mit der Maske 5 vereinigt. Diese Schritte erfolgen abwechselnd, wobei in diesem Fall viermal die eine und viermal die andere Verknüpfung vorgenommen wird.
  • Ein weiteres Beispiel verdeutlicht die Einbringung einer runden Kanalstruktur in ein beliebiges Objekt, das durch ein rasterbasierten Schichtbauverfahren hergestellt werden soll. Eine solche Kanalstruktur kann durch die Anwendung von vier verschiedenen Masken erfolgen (7 bis 10). Diese Masken müssen in einer definierten Reihenfolge auf die Datenmatrizes angewendet werden, wobei folgende Reihenfolge 1 bis 6 einzuhalten ist:
    • 1. sieben mal Anwendung der Maske nach 7,
    • 2. einmal Anwendung der Maske nach 8,
    • 3. einmal Anwendung der Maske nach 9,
    • 4. drei mal Anwendung der Maske nach 10,
    • 5. einmal Anwendung der Maske nach 9 und
    • 6. einmal Anwendung der Maske nach 8
  • Abhängig von der Höhe des Bauteils, d.h. der Anzahl der Datenmatrizes sind die booleschen Operationen nach der vorgegebenen Reihenfolge 1 bis 6 zu wiederholen.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Generierung von Schichtdaten, aus denen mittels eines rasterbasierten Schichtaufbauverfahrens, insbesondere mittels eines Rapid Prototyping Verfahrens, ein dreidimensionales Objekt erzeugt wird, wobei Objektdaten, die das Objekt in seiner dreidimensionalen Form repräsentieren, rechnerisch mittels eines auf einem Computer realisierten Konvertierungsprogrammes in einen Stapel von Schichtdatensätzen umgewandelt werden, wobei ein Schichtdatensatz eine zweidimensionale gerasterte Ebene (Datenmatrix) durch das Objekt repräsentiert, wobei einem Schichtdatensatz Information für die technische Umsetzung des Schichtaufbauverfahrens zugeordnet ist, wobei im Objekt eine von Wandungen des Objektes zumindest teilweise umgebene Hohlstruktur, insbesondere in der Art einer die Oberfläche des Objektes durchdringenden Kanalstruktur, vorgesehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstruktur durch rechnerische Operationen an den einzelnen Datenmatrizes erzeugt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Operationen an den Datenmatrizes unmittelbar vor der technischen Umsetzung geschieht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zweidimensionale Datensätze generiert werden und/oder vorhanden sind, die Masken repräsentieren, wobei eine Maske mittels boolescher Operation mit einer Datenmatrix verknüpft wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass boolesche Operation mit mindestens zwei unterschiedlichen Masken in einer definierten Reihenfolge durchgeführt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Druckmatrix boolesche Operationen mit mindestens zwei Masken durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masken in drei Dimensionen relativ zu den Druckmatrizes positioniert werden.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Masken dynamisch, beispielsweise aus verschiedenen vordefinierten Masken, insbesondere vermittels boolescher Operationen, zusammengesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen definierten Offsetbereich und dem verbleibenden Innenbereich der Datenmatrix des Objekts Datenoperationen mit unterschiedlichen Masken durchgeführt werden.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Operationen an den aufeinanderfolgenden Datenmatrizes nach definierter Vorschrift, insbesondere mit einem schichtübergreifendem funktionellem Zusammenhang, durchgeführt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Algorhythmik für die rechnerischen insbesondere die booleschen Operationen Teil der Maschinensoftware des Gerätes zur Umsetzung des rasterbasierten Schichtbaus ist.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Datenmanipulation zusätzlich Objektinformationen zu Farbe oder Materialeigenschaft generiert werden.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
DE102005013722A 2005-03-22 2005-03-22 Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur Ceased DE102005013722A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005013722A DE102005013722A1 (de) 2005-03-22 2005-03-22 Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005013722A DE102005013722A1 (de) 2005-03-22 2005-03-22 Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102005013722A1 true DE102005013722A1 (de) 2006-09-28

Family

ID=36973642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102005013722A Ceased DE102005013722A1 (de) 2005-03-22 2005-03-22 Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102005013722A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015202286A1 (de) * 2015-02-10 2016-08-11 Siemens Healthcare Gmbh Verfahren zur Erzeugung eines Fertigungsmodells für ein medizinisches Implantat

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5663883A (en) * 1995-08-21 1997-09-02 University Of Utah Research Foundation Rapid prototyping method
US6333741B1 (en) * 1988-04-18 2001-12-25 3D Systems, Inc. Boolean layer comparison slice
US20040107019A1 (en) * 2002-07-18 2004-06-03 Shyam Keshavmurthy Automated rapid prototyping combining additive and subtractive processes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6333741B1 (en) * 1988-04-18 2001-12-25 3D Systems, Inc. Boolean layer comparison slice
US5663883A (en) * 1995-08-21 1997-09-02 University Of Utah Research Foundation Rapid prototyping method
US20040107019A1 (en) * 2002-07-18 2004-06-03 Shyam Keshavmurthy Automated rapid prototyping combining additive and subtractive processes

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015202286A1 (de) * 2015-02-10 2016-08-11 Siemens Healthcare Gmbh Verfahren zur Erzeugung eines Fertigungsmodells für ein medizinisches Implantat
US10073946B2 (en) 2015-02-10 2018-09-11 Siemens Aktiengesellschaft Method for generating a manufacturing model for a medical implant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3710182B1 (de) Schichtselektive belichtung im überhangbereich bei der generativen fertigung
EP3017343B1 (de) Verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE102008031925B4 (de) Duales Herstellungsverfahren für Kleinserienprodukte
EP2016561B1 (de) Verfahren zur texturierung virtueller dreidimensionaler objekte
EP2486892A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines dentalen Restaurationsteils sowie CAD/CAM-Vorrichtung
DE112011101166B4 (de) System und Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungssimulation
EP1665103A1 (de) Bestimmung eines modells einer geometrie einer blech-umformstufe
EP2953576B1 (de) Verfahren zur herstellung eines verzugsfreien dentalmodells und solchermassen hergestelltes dentalmodell
DE102014213559A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Anordnung grafischer Gestaltungselemente auf einem Sitzbezug eines Fahrzeugsitzes
DE102018119673A1 (de) Selektive Modifikation von Baustrategieparametern für eine additive Fertigung
DE102018108993A1 (de) Bauplatten mit Leitungen für additive Fertigungssysteme und Verfahren zum Bauen von Komponenten auf Bauplatten
DE102005013722A1 (de) Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Objekten mit Kanalstruktur
DE112019002519T5 (de) Verfahren zum Bilden eines ersten und eines zweiten dreidimensionalen Gegenstandes aus einem ersten und einem zweiten verfestigbaren Material, das in der Lage ist, sich durch den Aufprall elektromagnetischer Strahlung hierauf zu verfestigen
DE4124961A1 (de) Verfahren zur herstellung von koerpern beliebiger geometrie nach zeichnungsvorlagen
EP2072223B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus verschiedenartigen Materialien und/oder mit verschiedenartigen Strukturen mittels Rapid Prototyping / Rapid Manufacturing
DE102008045188A1 (de) Werkstück zum Erlernen der Handhabung von Werkzeugen und Verfahren zu dessen Herstellung
DE3437483A1 (de) Anordnung und verfahren zur fertigung von dreidimensionalen modellen
EP2175386A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur rechnergestützten Herstellung von dreidimensionalen porösen Körpern zur Temperierung von Werkstücken
WO2022101236A1 (de) Verfahren zum bereitstellen eines digitalen druckmodells sowie verfahren zum additiven herstellen eines bauteils
DE102018131540A1 (de) Erstellen von Steuerungsdaten für eine Schichtaufbauvorrichtung
AT501214B1 (de) Verfahren zur auslegung und konstruktion von komplexen technischen produkten
WO2022184544A1 (de) COMPUTERIMPLEMENTIERTES VERFAHREN ZUM ERMITTELN EINER RÄUMLICHEN VERTEILUNG VON ELEMENTGRÖßENWERTEN FÜR GEOMETRISCHE GRUNDELEMENTE EINER NETZDARSTELLUNG AUS EINER DIGITALEN DARSTELLUNG EINES OBJEKTS FÜR EINE SIMULATION DES OBJEKTS
WO2004081682A1 (de) Verfahren zur auslegung und konstruktion von komplexen technischen produkten
DE102024000850A1 (de) Verfahren zum Erzeugen von Bauprojekten zum Herstellen von optischen Bauteilen mit einem additiven Fertigungsverfahren, sowie Verfahren zum Herstellen von optischen Bauteilen, System und Computerprogramm
DE102020129534A1 (de) Additives Fertigungsverfahren für ein mit wenigstens einer individuellen Markierung versehenes Bauteil

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection