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.