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Die
Erfindung betrifft ein Werkstück, bestehend aus einem farbigen
Einbettungsmaterial und einem im Einbettungsmaterial eingebetteten
Objekt.
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Das
Verfahren des Rapid Prototyping ist bekannt und findet u. a. Anwendung
bei der Herstellung von Modellen oder der Replikation von Objekten. Üblicherweise
werden bei diesem Verfahren Figuren im 3-D-Druck hergestellt. Das
mittels CAD-Programmen konstruierte und mittels Rapid Prototyping
gefertigte Objekt hat üblicherweise eine andere Konsistenz
als das das Objekt umgebende Material, von dem dieses befreit werden
muss, oder ist an den Objektgrenzen (also dessen „Rändern”)
perforiert.
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Der
Nachteil dieser weitgehend automatisierten Technologie ist, dass
die Nachbearbeitung solcher Modelle oder Objekte nur in einem geringen Maße
handwerkliches Geschick erfordert und daher nicht zu Übungszwecken
bzw. der objektiven Bewertung der handwerklichen Fertigkeiten insbesondere im
Umgang mit verschiedenen Werkzeugen geeignet ist. Manuelle Fertigkeiten
und Fähigkeiten der ausführenden Personen werden
somit nicht ausreichend gefördert.
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Zwar
sind kommerziell erhältliche Spielzeuge, sogenannte „Excavation
Kits” (
US 5941712 und
CA 2170541 ) bekannt, bei
denen freizulegende Elemente (beispielsweise miniaturisierte „Dinosaurierknochen”)
in einem weichen Material vorliegen, welches sich sowohl hinsichtlich
der Konsistenz als auch Farbe deutlich von den in diesem Material
eingebetteten Elementen unterscheidet. Die Herstellung dieser Excavation
Kits wird beispielsweise in der
US 5972101 beschrieben.
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Diese
Spielzeugwaren richten sich allerdings hauptsächlich an
Kinder zur Förderung ihres wissenschaftlichen Interesses.
Diese sind jedoch nicht als Übungsmodell für den
(feinmotorischen) Umgang mit Werkzeugen geeignet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Werkstück zu schaffen,
dass das Erlernen im Umgang mit verschiedenen Werkzeugen und Materialien beim
Freilegen eines in einem Material eingebetteten Objekts ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zu schaffen, dass das Einbetten
eines Objekts in einem Material ermöglicht, sodass die
Form des eingebetteten Objekts von Außen nicht wahrnehmbar,
sondern von dem Einbettungsmaterial maskiert ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch das Werkstück mit den
Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
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Die
weitere Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch
7 gelöst. Die davon abhängigen Unteransprüche
geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens wieder.
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Die
Erfindung ermöglicht es, ein Objekt, z. B. eine Skulptur,
derart in einer vom Objekt abweichenden Form zu verstecken, dass
es von außen nicht erkennbar sind, sich aber durch Anwendung
entsprechender Werkzeuge anhand einer Farbkodierung freilegen lässt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass die äußere
Form des (monolithischen) Werkstücks nicht erkennen lässt,
dass im inneren ein Objekt bestimmter Form verborgen ist, wobei
das das Objekt einhüllende Material als wenigstens eine Schicht
mit einem Farbintensitätsverlauf ausgebildet ist. Die Farbintensität
oder die Farbe bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
mit mehreren Schichten gibt Hinweis auf den Abstand der jeweiligen
Schicht zur Oberfläche des im inneren verborgenen Objekts.
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Ein
derart hergestelltes Werkstück ermöglicht mit
Hilfe der im Einbettungsmaterial schichtweise enthaltenen Farbinformationen
einen Anwender an eine mittels verschiedenen Werkzeugen freizulegende
Form heranzuführen, das Material abzutragen und die Figur
Schritt für Schritt freizulegen. Das Einbettungsmaterial
in den um die Form herum liegenden Schichten ist derart eingefärbt,
dass dem Anwender bevorzugt sowohl Informationen zum Abstand zum
eingebetteten und in seiner Form maskierten Objekt als auch zur
Verwendung des zweckmäßigen Werkzeuges vorliegen.
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Hierbei
wird die Werkzeuginformation beispielsweise durch die Grundfarbe
gegeben und die Abstandsinformation wird durch die Farbintensität ausgedrückt.
Mit zunehmender Annäherung an das freizulegende Objekt ändert
sich der Verlauf der Farbintensität bis eine diskrete Grenze
zur folgenden Schicht erkennbar ist und dem Anwender die Annäherung
an die Figur signalisiert.
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Je
näher der Bearbeiter der Figur kommt oder je sorgfältiger
er bei der Bearbeitung aufgrund struktureller Feinheiten des Objekts
(Überhänge) vorgehen muss, weist ein Farbwechsel
auf den sinnvollen Gebrauch von Werkzeugen hin bzw. gebietet die
notwendige Vorsicht, Für das Verfahren zur Herstellung
des erfindungsgemäßen Werkstücks eignen sich
Materialien, welche sich mittels Rapid Prototyping einsetzen lassen.
Vorzugsweise werden hier Materialien verwendet, welche sich mit
herkömmlichen Werkzeugen bearbeiten lassen, die geeignet sind
das Material abzutragen (z. B. Bildhauerwerkzeuge, Messer, Sägen,
Raspeln, Schleifpapier).
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Die
Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße
Werkstück;
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2 einen
schematischen Querschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes
Werkstück, in dem als Objekt eine Tasse verborgen ist;
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3 einen
teilweise geschnittene Ansicht des Werkstücks nach der
Erfindung;
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4 eine
Skizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und
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5 eine
weitere Skizze zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße
Werkstück. Das von einem den Umgang mit einem oder mehreren Werkzeugen
zu erlernenden Anwender freizulegende Objekt 10 ist in
das bevorzugt aus mehreren Schichten 20, 30, 40, 50 aufgebaute
Einbettungsmaterial eingebettet, wobei die äußere
Form des Objekts 10 durch die Schich ten 20, 30, 40, 50 maskiert ist.
Mit Abtragen der äußersten Schicht 50 nähert sich
der Anwender dem Objekt 10 und damit auch der tatsächlichen
Form des Objekts 10.
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Wesentlich
ist nun, dass die Schichten 20, 30, 40, 50 durchgefärbt
sind, wobei von der dem eingebetteten Objekt 10 abgewandten
Oberfläche der jeweiligen Schicht 20, 30, 40, 50 in
Richtung des eingebetteten Objekts 10 durch die Dicke der
jeweiligen Schicht ein Farbgradient verläuft, wobei bevorzugt die
Farbintensität der Schicht 20, 30, 40, 50 entlang des
Farbgradienten von Außen nach Innen abnimmt. Damit wird
der Anwender durch die zum Objekt 10 oder zur nächstfolgenden
weiter innen liegenden Schicht 20, 30, 40 abstandsabhängige
Farbkodierung geleitet und kann entsprechend Art des Werkzeugs und
Art der Bearbeitung wählen. Dabei zeigt die Farbe auf der
Oberfläche des Werkstücks auch die Genauigkeit,
Gleichmäßigkeit und eventuelle Bearbeitungsfehler.
Letztere werden insbesondere dann offenbar, wenn die Schichten besonders
bevorzugt verschiedenfarbig sind und der Durchbruch von einer zur
nächsten Schicht dadurch deutlich zu erkennen ist.
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Hierfür
ist auch vorgesehen, dass das Objekt 10 und das in Schichten 20, 30, 40, 50 organisierte Einbettungsmaterial
verschiedenfarbig sind.
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Besonders
bevorzugt ist vorgesehen, dass das Objekt 10 und das Einbettungsmaterial
aus demselben Material bestehen. Dadurch ist ein einfaches Herstellungsverfahren
des erfindungsgemäßen Werkstücks beispielsweise
mittels Rapid Prototyping ermöglicht, wobei sich bei der
Bearbeitung des Werkstücks durch einen lernenden Anwender
zusätzlich ein besonderer Schwierigkeitsgrad bei der Freilegung
des Objekts ergibt.
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2 und 3 stellen
dar, wie die Konturen des Objekts 10 bei der Einbettung,
also der Erstellung des Werkstücks verwischt werden.
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Mit
größer werdender Entfernung von der Figur führt
eine Glättung der Konturen zu einer Unschärfe,
welche die genauen Details der Form, die bei großem Abstand
zunächst noch keine Rolle spielen und erst später
herausgearbeitet werden müssen, verbirgt. In einer möglichen Ausführung
der Erfindung kann über einen Gewichtungsfaktor die Stärke
der Glättung reguliert werden, um eine abstandsabhängige
Unschärfe zu erreichen.
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Schließlich
wird noch das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Werkstücks erläutert. Ziel ist die Herstellung
eines monolithischen Werkstücks, in dem ein freizulegendes
Objekt in Schichten aus unterschiedlich eingefärbtem, bevorzugt
ansonsten identischem Material eingebettet ist. Dieses Ziel kann
mit Hilfe des Rapid-Prototyping- oder 3D-Druck-Verfahrens erreicht
werden. Zur Steuerung des 3D-Druckers soll eine Datei erzeugt werden,
welche jedem Voxel im Volumen eine Farbnummer zuordnet.
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Bei
der Ansteuerung der 3D-Drucker ist zu beachten, dass diese nur auf
das Drucken dünner farbiger Schichten ausgelegt sind, da
es für gewöhnlich völlig ausreichend
ist, nur die Oberfläche eines Werkstücks zu kolorieren.
Um innerhalb des Werkstücks liegende, kolorierte Teile
zu sehen, müsste das Werkstück zerbrochen werden,
was bei üblicher Benutzung natürlich zu vermeiden
ist. Daher ist das farbige Drucken im Innern eines Werkstücks
unüblich und nur mit Hilfe eines Tricks zu erreichen.
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Bei
diesem Trick wird der Druck einer dicken farbigen Schicht durch
die Aneinanderreihung vieler dünner farbiger Schichten
erreicht. Das dazu notwendige „zwiebelartige” Aussehen
des Volumens kann erreicht werden, indem das eingebettete (Ziel-)Objekt
mehrfach von Schichten der Dicke d > 0 eingehüllt wird. Dazu lässt
man eine z. B. kugelförmige Hülle, welche das
Ziel-Objekt vollständig einschließt, so lange „zusammenschrumpfen”,
bis sie zum Objekt überall den gleichen Abstand d hat.
Für diesen Zweck eignet sich beispielsweise das Active Surface
Verfahren [Terzopoulos et al. 1988], bei dem ein
z. B. kugelförmiges Initialmesh so lange schrumpft oder
wächst bis es an bestimmten Bildmerkmalen aufgehalten wird.
Diese Bildmerkmale können z. B. Intensitätsgradienten
sein, so dass mit dieser Technik eine Segmentierung von Bildobjekten erreicht
werden kann.
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Es
ist anzumerken, dass dieses Verfahren breite Anwendung in der Bildsegmentierung
hat, jedoch bislang nicht zur Herstellung vieler mit zunehmendem
Abstand immer ungenauerer Einhüllender einer Form verwendet
wird.
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Damit
das Active Surface Verfahren jedoch überhaupt für
diesen Zweck angewendet werden kann, müssen künstliche
Bildmerkmale, an denen die Bewegung der Active Surface stoppt, mit
Hilfe des gegebenen Initialmeshs (Zielobjekt) erzeugt werden. In
einer bevorzugten Ausführungsform werden senkrecht zur
Oberfläche des Meshes nach außen gerichtete Vektoren
der Länge d angebracht, deren Endpunkte als künstliche „Bildmerkmale” für
das Active Surface Verfahren dienen. An diesen Merkmalen stoppt
die in sich zusammen fallende Hülle des Active Surface
Verfahrens, so dass das eingeschlossene Ziel-Objekt gleichmäßig
eingehüllt wird. Im nächsten Schritt wird die
gefundene Einhüllende das neue Ziel-Objekt und das Verfahren
beginnt erneut, um die nächste Schicht zu definieren und
so weiter.
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Das
zur Herstellung dieser Datei bevorzugte Verfahren wird im Folgenden
beschrieben:
- 1. Auswahl einer Zielform (Objekt)
Diese
3D-Form beschreibt das vom Bearbeiter am Ende des Übungsvorgangs
freizulegende Objekt, welches in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung komplett in weiß eingefärbt ist. Eine
mögliche Zielform ist beispielsweise die Büste
von Mozart.
- 2. Repräsentation der Zielform als trianguliertes 3D-Gitter-
oder Meshmodell mit N Dreiecken und Definition dieses Gitters als
Startmesh.
- 3. Erzeugung von die Zielform umhüllenden Farbschichten
Die
Farbe der Schicht n sei dabei mit Fn und
deren Schichtdicke mit Dn gegeben. Diese
Werte können bei der Erzeugung des Farbblocks frei gewählt
werden.
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Für
jede Schicht n wird nun folgendes ausgeführt: Markierung
der Zielpunkte für die Erzeugung der die Schicht n begrenzenden
3D-Form:
- 3.1.1. Zuordnung eines nach außen
gerichteten Normalenvektors zu jedem Dreieck des Startmeshes.
- 3.1.2. Die Multiplikation jedes Normalenvektors mit der Schichtdicke
Dn der aktuellen Schicht ergibt einen zugehörigen
Zielvektor. Ergebnis: N Zielvektoren (ein Vektor pro Dreieck).
- 3.1.3. Der Endpunkt jedes Zielvektors ergibt einen Zielpunkt
für den folgenden Segmentierungsschritt.
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3.1. Durchführung einer Active
Surface Segmentierung [Terzopoulos et al. 1988], [Miller et al.
1991]
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Die
Segmentierung wird benötigt, um eine geglättete,
die Schicht n umhüllende 3D-Form zu erzeugen. Dies ist
insbesondere wichtig in Regionen, in denen die Zielvektoren in das
Startmesh hinein reichen, da hier einige der Zielpunkte innerhalb
dieses Meshes liegen können und somit bei der Ermittlung der
nächsten Schicht unberücksichtigt bleiben müssen.
Dieses Ziel wird durch die Verwendung einer aktiven Oberfläche
(„active surface”) erreicht, welche
- • zu Beginn der Segmentierung sämtliche Zielpunkte
in sich einschließt und
- • mit Hilfe einer so genannten Ballonkraft so lange schrumpft,
bis sie an den Zielpunkten aufgrund der von ihnen ausgehenden so
genannten externen Energie stehen bleibt.
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Durch
Anwendung einer im Active Surface Modell enthaltenen so genannten
Kontinuitätsenergie wird erreicht, dass die Oberfläche
mit einer einstellbaren Oberflächenspannung ausgestattet
ist. Diese sorgt je nach Einstellung dafür, dass die durch die
Zielpunkte vorgegebene 3D-Form mehr oder weniger genau wiedergegeben
wird. Hierdurch kann auch erreicht werden, dass sich überlagernde
Zielpunkte oder Zielpunkte, die innerhalb des Startmeshes liegen
unberücksichtigt bleiben (s. 4), weil das
Oberflächenmodell von weiter außen liegenden anderen
Zielpunkten bereits gestoppt wird.
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Durch
Steigerung der Oberflächenspannung in weiter außen
liegenden Schichten wird ferner erreicht, das die Zielform mit zunehmendem
Abstand der Schichten immer ungenauer wiedergegeben wird.
- 3.1. Erzeugung eines triangulierten Meshmodells für
die gefundene Oberfläche.
- 3.2. Zuordnung der Farbe Fn zu allen
Voxeln, die außerhalb des Startmeshes und innerhalb des neuen
Meshes liegen.
- 3.3. Das neue Mesh wird nun zum Startmesh und es wird bei 3.1
mit der Schicht n + 1 fortgefahren.
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Bemerkung zu eingeschlossenen
Volumina
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Bei
der Segmentierung (3.2) ist es möglich, dass Einschlüsse
entstehen (s. 5), welche separat nachbearbeitet
werden müssen. Dieses kann mit Hilfe nach außen
expandierender aktiver Oberflächen durchgeführt
werden. Diese Einschlüsse sind leicht aufzufinden, da sie
außerhalb des Startmeshes aber innerhalb der aktuell erzeugten
Schicht n liegen. Die aktive Oberfläche wird dazu als kleiner
Ballon innerhalb des Einschlusses platziert und expandiert bis sie
an den eingeschlossenen Zielpunkten anhält. Analog zum
oben beschriebenen Vorgehen werden eingeschlossene Voxel eingefärbt
und die entstandene Oberfläche trianguliert. Anschließend
wird das Verfahren mehrfach wiederholt, um die weiteren Schichten
einzufärben. Es endet, wenn alle Voxel im Volumen eingefärbt
sind.
- 4. Einbettung der von verschiedenen Farbschichten
umgebenen Form in einen Block beliebiger Form.
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Damit
vor Bearbeitung des Werkstücks nichts von der freizulegenden
Figur sichtbar ist, soll diese in einem Block passender Größe
und beliebiger Form (z. B. Quader) eingeschlossen sein. Alle Voxel
die außerhalb der Figurschichten aber innerhalb des Blockes
liegen bekommen eine einheitliche Farbe, z. B. Schwarz, zugewiesen.
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Literaturliste
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- [Terzopoulos et al. 1988]
Terzopoulos,
D. and Fleischer, K. (1988). Deformable models. The Visual Computer
4(6): 306–331,
- [Miller et al. 1991]
Miller, J.
V., Breen, D. E., Lorensen, W. E., O'Bara, R. M. and Wozny, M. J.
(1991). Geometrically deformed models: A method for extracting closed
geometric models from volume data.
In Computer
Graphics (Proc. SIGGRAPH'91 Conf., Las Vegas, NV, July, 1991), volume
25(4), 217–226.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5941712 [0004]
- - CA 2170541 [0004]
- - US 5972101 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Terzopoulos
et al. 1988 [0029]