DE102013011630A1

DE102013011630A1 - Verfahren zum Berechnen von Stützstrukturen und Stützelemente zur Befestigung einer Stützstrebe derselben

Info

Publication number: DE102013011630A1
Application number: DE102013011630.9A
Authority: DE
Inventors: Jaan RUDOLPH; Robert WEITZEL
Original assignee: Fabbify Software GmbH
Current assignee: Autodesk Inc
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-07-13
Also published as: DE102013011630B4; US10105897B2; US20150018995A1

Abstract

Verfahren zum Berechnen einer oder mehrerer aus Stützstreben bestehenden Stützstrukturen für ein dreidimensionales Objekt auf einer Plattform, das durch ein Fertigungsverfahren aus Schichten aufgebaut wird, umfassend: für jede Schicht des Objekts Bestimmen einer Fläche der Schicht, die gegenüber einer darunterliegenden Schicht freiliegt, und Bestimmen von Stützpunkten innerhalb der bestimmten Fläche, an denen die Schicht gestützt werden soll; Zuordnen eines jeweiligen Kegels zu jedem Stützpunkt, wobei jeder Kegel mit der Kegelspitze in dem jeweiligen Stützpunkt liegt und sich in Richtung der Plattform öffnet; Bilden von Gruppen von Stützpunkten aller zu stützender Schichten, wobei jeder Gruppe alle Stützpunkte zugeordnet werden, deren Kegel mit anderen Kegeln anderer Stützpunkte Überschneidungen bilden; und für jede Gruppe Berechnen wenigstens einer Stützstruktur, wobei in jedem Stützpunkt jeder Gruppe eine Stützstrebe endet und die Stützstruktur auf der Plattform oder einem unter der Gruppe liegenden Abschnitt des Objekts steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen einer Stützstruktur sowie ein Stützelement zur Befestigung einer Stützstrebe einer Stützstruktur an einem Stützpunkt an einer Oberfläche eines Objekts.
In additiven oder subtraktiven Fertigungsverfahren werden ausgehend von einer Plattform dreidimensionale Objekte hergestellt. Die Plattform kann beispielsweise horizontal angeordnet sein. Das Objekt wird über der Plattform, in bestimmten Verfahren auch in anderer Lage zur Plattform, beispielsweise über Kopf unter der Plattform, ausgebildet, indem sukzessiv Schichten hergestellt werden, deren Gesamtheit das fertige Objekt darstellt. Beispiele für additive Fertigungsverfahren sind selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)), Selektives Lasersintern (SLS), Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting (EBM)), Stereolithografie (SL) und 3D-Drucken (3D printing (3DP)). In vielen Fällen entstehen während der Fertigung überhängende Schichten, die gestützt werden müssen. Hierzu werden Stützstrukturen ausgebildet, die auf der Plattform oder auf bereits fertiggestellten Schichten stehen und mit Stützpunkten an den nach unten freiliegenden Flächen von Schichten verbunden werden. Liegt die Plattform während der Fertigung unterhalb eines Objekts, erfüllen die Stützstrukturen eine stützende Funktion. Andernfalls können sie zur Befestigung zwischen Objekt und Plattform dienen oder andere tragende oder stützende Funktionen erfüllen und somit ganz allgemein auch als Befestigungen bezeichnet werden. Solche Stützstrukturen können etwa aus Stützstreben oder -wänden ausgebildet sein, die massiv oder hohl sein können. In dieser Beschreibung wird von einer zuunterst liegenden horizontalen Plattform und ein darüber angeordneten Objekt ausgegangen. Jedoch gelten sämtliche Ausführungen auch für eine zuoberst liegende Plattform oder eine seitlich oder schräg angeordnete Plattform, bezüglich der ein Objekt aus Schichten erstellt wird.
In EP 2 198 405 B1 sind Stützstrukturen in Form eines ”mesh” offenbart, das einzelne Stützpunkte bestimmter Schichten eines Objekts stützt. Diese Stützstrukturen bestehen aus Wänden, die in einem Rautenmuster angeordnet sind. Die Stützstrukturen werden errichtet, ohne sich an Orten von Stützpunkten an dem Objekt zu orientieren. Stattdessen werden Stützpunkte mit dem nächstgelegenen Knoten der Stützstruktur verbunden. Diese Lösung ist insofern von Nachteil, als dass sie einen erheblichen Materialaufwand für die Stützstrukturen erfordert. Zudem ist erheblicher Aufwand notwendig, um die Stützstrukturen wieder zu entfernen.
Aus DE 195 07 881 A1 gehen Stützstrukturen hervor, die ebenfalls aus Wänden aufgebaut werden, deren Oberflächen mit Öffnungen versehen sind. Ferner sind Stützstrukturen aus Streben offenbart, die miteinander verbunden sind und sich mit zunehmender Höhe über der Objektplattform verzweigen. Wiederum bestehen Nachteile dieses Ansatzes darin, dass auf die exakte Lage von Stützpunkten am Objekt a-priori keine Rücksicht genommen wird. Es ist bei Anwendung dieses Ansatzes notwendig, überflüssige Stützstreben der Stützstruktur zu entfernen.
DE 601 22 219 T2 offenbart Stützstrukturen, die eine Dreiecksstruktur aufweisen. Als Kanten der Dreiecke werden als Stränge bezeichnete Stützstreben verwendet. Zur Optimierung der Stützstrukturen werden bestimmte Abstände zwischen Eckpunkten der Dreiecke verwendet. Jedoch lässt der Ansatz hinsichtlich optimaler Stabilität und Materialminimierung Raum für Verbesserung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Stützstrukturen zu erstellen, die bei größtmöglicher Stabilität möglichst geringen Materialaufwand erfordern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Berechnen einer oder mehrere aus Stützstreben bestehender Stützstrukturen für ein dreidimensionales Objekt auf einer Plattform gelöst, das durch ein Fertigungsverfahren aus Schichten aufgebaut wird, umfassend: für jede Schicht des Objekts Bestimmen einer Fläche der Schicht, die gegenüber einer darunterliegenden Schicht freiliegt, und Bestimmen von Stützpunkten innerhalb der bestimmten Fläche, an denen die Schicht gestützt werden soll; Zuordnen eines jeweiligen Kegels zu jedem Stützpunkt, wobei jeder Kegel mit der Kegelspitze in dem jeweiligen Stützpunkt liegt und sich in Richtung der Plattform öffnet; Bilden von Gruppen von Stützpunkten aller zu stützender Schichten, wobei jeder Gruppe alle Stützpunkte zugeordnet werden, deren Kegel für jeden Stützpunkt mit anderen Kegeln anderer Stützpunkte Überschneidungen bilden; und für jede Gruppe Berechnen wenigstens einer Stützstruktur, wobei in jedem Stützpunkt jeder Gruppe eine Stützstrebe endet und die Stützstruktur auf der Plattform oder einem unter der Gruppe liegenden Abschnitt des Objekts steht.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt der Kegel für jeden Stützpunkt mit der Spitze in dem Stützpunkt.
Gemäß einer besonderes vorteilhaften Ausführungsform kann der Boden des Kegels auf der Plattform und/oder einem zwischen Plattform und Kegelspitze liegenden Abschnitt des Objekts liegen.
Vorteilhafterweise ist jeder Kegel durch einen vorbestimmten Öffnungswinkel zwischen der Kegelachse und einer Mantellinie des Kegels definiert. Insbesondere ist der vorbestimmte Öffnungswinkel mit einem größten möglichen Winkel identisch, den eine Stützstrebe bezüglich einer Senkrechten auf der Plattform annehmen kann.
Vorteilhafterweise weisen die Stützstrukturen Verzweigungen auf, die aus miteinander verbundenen Stützstreben bestehen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Stützelement zur, insbesondere temporären, Befestigung einer Stützstrebe einer Stützstruktur an einem Stützpunkt an einer Oberfläche eines Objekts während dessen Fertigung aus Schichten, wobei das Stützelement durch einen aus der Objektoberfläche vorspringenden Körper gekennzeichnet ist, an dem die Stützstrebe befestigt ist, wobei die Stützstrebe einen kleineren Querschnitt als der Querschnitt des vorspringenden Körpers an der Objektoberfläche aufweist.
Insbesondere kann der vorspringende Körper die Form einer Kugel aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Kugel bis zum Äquator in der Oberfläche des Objekts versenkt ist.
Einer weiteren Ausführungsform zufolge ist das Stützelement eingerichtet, nach Fertigstellung des Objekts entfernt zu werden.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch das Zugrundelegen von Kegeln ermöglicht wird, auf vorteilhafte Weise Gruppen von Stützpunkten zu bilden, die durch gemeinsame Stützstrukturen verbunden werden. Räumlich stärker voneinander beabstandete Stützpunkte werden durch separate Stützstrukturen gestützt. Die Ausführungsform, in der sich die Öffnungswinkel der Kegel an den größten möglichen Winkeln orientiert, die für Stützstreben bezüglich einer Senkrechten unter dem Aspekt der Tragfähigkeit zulässig sind, bietet darüber hinaus den Vorteil, eine inhärente Stabilität der Stützstreben bereits bei der Gruppierung von Stützpunkten zu berücksichtigen. Ein größter möglicher Winkel für eine Stützstrebe kann beispielsweise durch Materialeigenschaften der Stützstreben bedingt sein; dieser Winkel kann die größte Neigung einer Stützstrebe bezüglich einer Senkrechten angeben, bei der die Stützstrebe das Objekt noch abstützt bzw. trägt. Auf diese Weise wird größtmögliche Stabilität der Stützstrukturen bei geringem Materialaufwand erreicht. Das Ermitteln von Überschneidungen der Kegel und Zusammenfassen von Stützpunkten mittels dieser Überschneidungen erfolgt ferner unabhängig von den jeweiligen Schichten, auf denen die Stützpunkte liegen, so dass auch senkrecht weit voneinander entfernte Stützpunkte gemeinsam gestützt werden können. Stützstrukturen, die sich horizontal über einen großen Raum erstrecken, werden dadurch ebenfalls vermieden. Die erfindungsgemäßen Stützstrukturen sind im Anschluss an ein Fertigungsverfahren besonders leicht aus dem Objekt zu entfernen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der folgenden Zeichnungen im Einzelnen erläutert sind, in denen:
1 eine Seitenansicht einer Plattform und eines Objekts mit beispielhaften Stützpunkten zeigt,
2 eine Seitenansicht einer Plattform und eines Objekts mit beispielhaften Stützstrukturen gemäß dem Stand der Technik zeigt,
3 eine Seitenansicht einer Plattform und eines Objekts sowie einer Stützstruktur zeigt, die durch eine erste besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde,
4 eine Seitenansicht einer Plattform und eines Objekts sowie einer Stützstruktur zeigt, die durch eine zweite besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde,
5a eine Seitenansicht eines Stützpunkts gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
5b eine weitere Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stützpunkts gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
6a eine Seitenansicht eines Objekts und einer mit dem gemäß einer weiteren Ausführungsform erzeugten Stützstruktur zeigt,
6b eine Seitenansicht eines Objekts und einer weiteren mit dem Verfahren gemäß einer alternativen besonderen Ausführungsform erzeugten Stützstruktur zeigt, und
6c eine Seitenansicht eines Objekts und einer weiteren mit dem Verfahren gemäß der alternativen besonderen Ausführungsform erzeugten Stützstruktur zeigt.
Die Figuren enthalten teilweise Bezugszeichen, die für ähnliche oder identische Gegenstände stehen und daher Abwandlungen des gleichen Zeichens darstellen, beispielsweise 100a, 100b, 100c. In solchen Fällen wird in der Beschreibung und den Ansprüchen mitunter das gemeinsame Bezugszeichen, beispielsweise 100, verwendet, um auf sämtliche oder auch einen beliebigen einzelnen dieser Gegenstände bezugzunehmen.
Die hier vorgestellten Verfahren dienen der Erzeugung von Stützstrukturen für Objekte, die durch additive oder subtraktive Fertigungstechniken erstellt werden. Mit den Verfahren soll bereits vor Beginn der Fertigung ermittelt werden, wo und in welcher Form während der Fertigung des Objekts Stützstrukturen gebildet werden, und welche Struktur sie erhalten. Den Verfahren liegen dreidimensionale Koordinaten von Stützpunkten zugrunde, die im Vorfeld ermittelt wurden. Die Verfahren liefern die Angaben über zu erstellende Stützstrukturen, die nachfolgend gleichzeitig mit dem Objekt angefertigt werden.
1 zeigt beispielhaft eine Plattform 100 mit einem anzufertigenden Objekt 110 in einer Seitenansicht. Das Objekt weist einen Hohlraum 120 auf, der teilweise oder vollständig von dem Objekt 110 und der Plattform 100 eingeschlossen sein kann. Wird das Objekt beispielsweise durch sukzessiven Aufbau von Schichten erstellt, müssen Bereiche oberhalb des Hohlraums 120 zumindest vorübergehend gestützt werden, um Stabilität dieser Bereiche zu gewährleisten. Dies kann erforderlich sein, wenn die Schichten erst aushärten müssen, um sich selbst zu tragen. Stützstrukturen, die eine solche Stütze bilden, können während der Fertigung aufgebaut werden und werden üblicherweise nach Fertigstellung und Aushärten des Objekts wieder herausgelöst, beispielsweise durch manuelle Nachbearbeitung. In 1 sind drei Stützpunkte a, b und c gezeigt, die anzeigen, an welchen Punkten Bereiche oberhalb des Hohlraums 120 gestützt werden sollen. Das Bestimmen solcher Stützpunktkoordinaten liegt im Belieben des Fachmanns und kann durch verschiedene Verfahren erzielt werden. Lediglich als Beispiel wird angegeben, dass die Stützpunkte dergestalt bestimmt werden können, dass jede nach unten freiliegende Fläche einer Schicht des Objekts mit wenigstens einem Stützpunkt versehen wird, und dass mehrere Stützpunkte je freiliegender Fläche definiert werden, wenn ein vorgegebener Mindestabstand zwischen Stützpunkten untereinander sowie dem Rand der freiliegenden Fläche überschritten wird.
In 2 sind eine Plattform 200, Objekt 210 sowie Stützpunkte a, b und c gezeigt. Ferner gezeigt ist eine einfache Stützstruktur 220, die mit bekannten Verfahren erstellt wurde. Die Stützstruktur 220 besteht aus je einer Stützstrebe oder -wand für jeden der Stützpunkte a, b und c. Die Stützstreben beziehungsweise -wände stehen senkrecht auf der Plattform 200.
Die in 2 gezeigte Anordnung ist insofern von Nachteil, als dass sie für die Stützstruktur 220 erheblichen Materialaufwand erforderlich macht. Im gezeigten Beispiel steht die Stützstruktur an drei Punkten auf der Plattform 200. Dies stellt einen weiteren Nachteil dar, weil die Stützstruktur nach der Fertigung des Objekts wieder entfernt werden soll. Im Allgemeinen wird jeder Stützpunkt hierbei einzeln bearbeitet. Vorliegend sind sechs Stützpunkte zu entfernen.
In 3 ist eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstellte Stützstruktur gezeigt. Liegt die Plattform während der Fertigung unterhalb eines Objekts, erfüllen die Stützstrukturen eine stützende Funktion. Andernfalls können sie zur Befestigung zwischen Objekt und Plattform dienen oder andere tragende oder stützende Funktionen erfüllen und somit ganz allgemein auch als Befestigungen bezeichnet werden. Zunächst wird für jede Schicht eine Fläche bestimmt, die gegenüber einer darunterliegenden Schicht freiliegt. Soweit die Schicht keine solche Fläche aufweist, braucht sie nicht weiter betrachtet zu werden. Anschließend werden auf den bestimmten Flächen Stützpunkte bestimmt, beispielsweise die Stützpunkte a, b und c. Für die Stützpunkte a, b und c des Objekts 310 auf Plattform 300 soll eine Stützstruktur berechnet werden. Hierzu wird jedem Stützpunkt ein gedachter (fiktiver/virtueller) Kegel 340 zugeordnet. Bevorzugt werden gerade Kreiskegel verwendet, jedoch kann die Erfindung auch mit schiefen Kegeln implementiert werden, die eine nichtkreisförmige Basisfläche aufweisen. Jeder der Kegel 340a, 340b und 340c liegt mit der Kegelspitze in einem der drei Stützpunkte a, b und c und steht in der gezeigten Ausführungsform senkrecht auf der Plattform 300. Die Basisfläche eines Kegels 340 kann alternativ ohne weiteres auf einem Teil des Objekts 310 anstatt auf der Plattform 300 stehen. Dies bietet sich an, wenn unter dem betreffenden Stützpunkt ein auskragender Abschnitt des Objekts 310 angeordnet ist. Die Größe der Kegel 340 kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Winkel zwischen senkrechter Kegelachse und einer Mantellinie des Kegels definiert werden. In einer weiteren Ausführungsform wird ein identischer Öffnungswinkel für alle Kegel 340 verwendet. Alternativ können unterschiedliche Öffnungswinkel verwendet werden. Beispielsweise können besonders kleine Öffnungswinkel für besonders hoch liegende Stützpunkte verwendet werden. Insbesondere kann der Öffnungswinkel umgekehrt proportional zu der Höhe eines Stützpunkts über der Plattform 300 sein. Für die in 3 gezeigte Ausführungsform wurde jedoch ein konstanter Öffnungswinkel verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren erstellt Stützstrukturen, die aus Stützstreben bestehen. Diese Stützstreben können bezüglich einer Senkrechten auf der Plattform 300 angewinkelt sein. Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird der größte mögliche oder zulässige Winkel, den Stützstreben bezüglich dieser Senkrechten annehmen können, herangezogen, um die Öffnungswinkel für die Kegel 340, insbesondere den Winkel zwischen Manteloberfläche des Kegels 340 und dieser Senkrechten, zu wählen.
Nach dem Zuordnen der Kegel werden in einer besonderen Ausführungsform Gruppen von Stützpunkten gebildet. Gemäß einer Ausführungsform soll für jede Gruppe von Stützpunkten wenigstens eine jeweilige Stützstruktur erstellt werden. Zum Zuordnen von Stützpunkten zu Gruppen werden die Kegel auf Überschneidungen mit anderen Kegeln untersucht. Alle Stützpunkte, deren Kegel Überschneidungen mit anderen Kegeln aufweisen, werden mit den Stützpunkten dieser anderen Kegel einer Gruppe zugeordnet. Dieses Zuordnen kann iterativ oder rekursiv implementiert werden, indem beispielsweise erste Gruppen definiert werden, die jeweils einen Stützpunkt enthalten. Anschließend werden Gruppen von Stützpunkten miteinander verschmolzen, falls Kegel der Stützpunkte beider Gruppen sich überschneiden. Das Verschmelzen kann wiederholt werden, bis keine Verschmelzungen mehr möglich sind beziehungsweise keine Überschneidungen zwischen Kegeln verschiedener Gruppen existieren.
Ein beispielhaftes Ergebnis einer solchen Bildung von Gruppen von Stützpunkten ist in 3 gezeigt. Für jeden der Stützpunkte a, b und c ist ein Kegel 340a, 340b und 340c gezeigt. Die Kegel 340a und 340b bilden eine Überschneidung 330. Kegel 340c schneidet keinen anderen Kegel, somit werden gemäß dem vorstehend erläuterten Verfahren die Stützpunkte a und b in einer Gruppe zusammengefasst, während Stützpunkt c eine separate Gruppe bildet. In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine gemeinsame Stützstruktur 320a für die Stützpunkte a und b definiert. Die Stützstruktur 320a kann mit einer einzelnen Stützstrebe auf der Plattform 300 stehen und weitere Stützstreben aufweisen, die in den Punkten a und b enden. Eine weitere Stützstruktur 320b stützt den Stützpunkt c und kann beispielsweise aus einer einzelnen Stützstrebe bestehen. Mit der gezeigten Ausführungsform wird somit gegenüber der 2 ein Stützpunkt der Stützstruktur auf der Plattform eingespart. Die Stützstrukturen umfassen allgemein Strukturen aus Stützstreben, insbesondere auch Baumstrukturen. Abhängig von der exakten Ausbildung der Stützstruktur ist aufgrund der geringen Gesamtlänge aller Stützstreben bereits bei dieser Ausführungsform eine erhebliche Einsparung von Material für Stützstreben gegenüber der in 2 gezeigten Technik zu erzielen. Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass die geneigten Stützstreben der Stützstruktur 320a sämtlich innerhalb der Kegel 340a und 340b liegen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Öffnungswinkel der Kegel 340 wie oben angegeben die größten möglichen Neigungswinkel für Stützstreben nicht überschreiten. Somit ist maximale Tragfähigkeit der Stützstrukturen gewährleistet.
In 4 ist eine alternative Stützstruktur gezeigt, die mit einem Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstellt wurde. Plattform 400, Objekt 410 sowie Stützpunkte a, b und c sind analog zu 3 angeordnet. Jedoch wurde für die Kegel 440 ein größerer Öffnungswinkel gewählt. Dies kann beispielsweise darauf zurückzuführen sein, dass die Stützstreben der zu erstellenden Stützstruktur einen größeren Neigungswinkel bezüglich einer Senkrechten über der Plattform 400 zulassen als bei der in 3 gezeigten Ausführungsform. Aus diesem größeren Öffnungswinkel resultieren größere und mehr Überschneidungen 430 als in 3. Sämtliche Kegel 440 der 4 weisen Überschneidungen 430 mit anderen Kegeln auf. Bei Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Zuordnen von Stützpunkten zu Gruppen ergibt sich bei dieser Ausführungsform eine einzelne Gruppe mit sämtlichen Stützpunkten a, b und c. Für die Gruppe kann eine gemeinsame Stützstruktur 420 gebildet werden. Beispielhaft kann eine Stützstruktur definiert werden, die an einem einzigen Punkt auf der Plattform steht und die sich nach oben in drei Stützstreben verzweigt, die wiederum in den Stützpunkten a, b und c enden. Wie in der in 3 gezeigten Ausführungsform kann die Neigung dieser drei Stützstreben vorzugsweise so bemessen sein, dass sie den größten möglichen Neigungswinkel für Stützstreben bezüglich einer Senkrechten über der Plattform nicht übersteigt. Konkrete Berechnungen für solche Stützstrukturen, insbesondere die Lage der Verbindungen zwischen Stützstreben, liegen im Belieben des Fachmanns und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung. Lediglich beispielhaft kann für sämtliche Stützpunkte einer Gruppe ein geometrischer Mittelpunkt ermittelt werden, der anschließend so weit in Richtung Plattform verschoben wird, bis sämtliche Stützstreben der zu stützenden Stützpunkte mit diesem Mittelpunkt verbunden werden können, ohne dass ihr größter möglicher Neigungswinkel mit einer Senkrechten über der Plattform überschritten wird. Der verschobene Mittelpunkt kann ferner herangezogen werden, um eine einzelne senkrechte Stützstrebe von diesem Punkt bis zur Plattform zu definieren. Zahlreiche Varianten dieser Ausführungsform liegen im Belieben des Fachmanns. Zur Erhöhung der Stabilität kann eine Stützstruktur auch an mehreren Punkten auf der Plattform stehen. Zur weiteren Erhöhung der Stabilität, insbesondere um bestimmten Topologien von Stützpunkten und Objektschichten Rechnung zu tragen, können Stützstrukturen separater Gruppen mit Querverbindungen verbunden werden. Jedoch können in bestimmten Ausführungsformen auch Querverbindungen zwischen Stützstreben der gleichen Stützstruktur vorgesehen sein.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der durch einen Kegel eingeschlossene Raum zusätzlich oder auf andere Weise als oben beschrieben begrenzt werden. Beispielsweise kann ein maximaler Radius eines Kegelbodens vorbestimmt sein. Insbesondere kann der von dem Kegel eingeschlossene Raum durch eine Schnittmenge aus dem Kegel und einem zylinderförmigen Raum ersetzt werden, wobei der zylinderförmige Raum durch einen vorbestimmten Radius definiert ist und eine Zylinderachse aufweist, die mit der Kegelachse übereinstimmt. Insbesondere kann der vorbestimmte Radius des zylinderförmigen Raums kleiner sein als der Radius des Kegelbodens.
In bestimmten Ausführungsformen können Kegel seitlich auf Abschnitte des Objekts treffen. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Kegel analog zu einem Lichtkegel modelliert, wobei Abschnitte des Kegels, die von der Kegelspitze aus gesehen auf Abschnitte des Objekts treffen, an diesen Abschnitten enden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform können die Kegel darüber hinaus so konfiguriert sein, dass sämtliche Mantelabschnitte des Kegels mit der Kegelachse einen identischen Winkel, insbesondere den Öffnungswinkel bezüglich der Senkrechten, aufweisen. Dies ist insbesondere für solche Mantelabschnitte von Bedeutung, die von der Kegelspitze aus gesehen teilweise auf Objektoberflächen treffen, teilweise jedoch weiter an dem Objekt vorbeiführen. Der Winkel derjenigen Mantelabschnitte, die in diesem Beispiel an dem Objekt vorbeiführen, können in der genannten Ausführungsform mit dem Öffnungswinkel des Kegels bezüglich der Senkrechten identisch sein.
Ausführungsformen der Erfindung umfassen Stützstreben, die jeweils eine Zylinderform aufweisen. Alternativ können Stützstreben eine beliebige, beispielsweise organische, Form aufweisen. Bei solchen organischen Formen kann die Ausrichtung einer Stützstrebe anhand einer zugrunde gelegten Achslinie innerhalb der Stützstrebe vorgenommen werden. Beispielsweise kommt hierzu eine Hauptachse der Stützstrebe in Betracht. In jedem Fall können Stützstreben hohl oder massiv sein und gegebenenfalls Materialauslässe aufweisen.
Querschnitte von Stützstreben können kreisförmig oder oval sein oder eine andere Form aufweisen. Insbesondere können sich Stützstreben zu einem Stützpunkt hin verjüngen.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung umfasst neben dem Berechnen von Stützstrukturen auch die Stützelemente, mit denen die Stützstrukturen an den Stützpunkten des Objekts befestigt werden. Stützelemente sind im Stand der Technik bekannt. Allgemein sollen Stützelemente nicht nur stabile Verbindungspunkte darstellen, sondern auch Sollbruchstellen aufweisen beziehungsweise bieten. Die Stützstruktur soll leicht von dem Objekt abgelöst werden können, ohne dass an der Objektoberfläche Krater entstehen. Beispielsweise offenbart US 7 084 370 B2 Stützen (”support”), die ein Objekt auf einer Plattform tragen. Die Stützen sind als Wände ausgebildet, die auf der Plattform stehen. Um beim Abbrechen des Objekts von der Plattform ein Entstehen von Kratern im Objekt zu vermeiden, verjüngt sich die Stütze zum Objekt hin. Ferner kann die Stütze mit Löchern versehen sein, um leichtes Ablösen zu erreichen. Jedoch liefert dieser Ansatz keine zufriedenstellende Lösung für Stützstrukturen aus Stützstreben. Außerdem wirkt sich eine Verjüngung nachteilig auf die Stabilität und Tragfähigkeit der Stützen aus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Stützelemente als aus der Objektoberfläche vorspringende Körper, beispielsweise als Kugeln definiert, die wenigstens teilweise in der Objektoberfläche versenkt sind beziehungsweise die als kugelförmige konvexe Vorsprünge des Objekts ausgebildet sind. Eine Stützstrebe ist nicht unmittelbar mit der Objektoberfläche, sondern mit dem Stützelement verbunden. Daraus ergibt sich der Kontakt zwischen Stützstrebe und Stützelement als Sollbruchstelle. Diese Sollbruchstelle wird insbesondere durch Ausführungsformen begünstigt, in denen ein Querschnitt der Stützstrebe an dem Stützelement kleiner als ein Querschnitt des Stützelements an der Objektoberfläche ist. Beim Ablösen der Stützstruktur, etwa durch manuelles Abbrechen, wird verhindert, dass sich ein Krater in der Objektoberfläche bildet. Vielmehr bricht die Stützstrebe unmittelbar an dem Stützelement ab. Entsteht ein Krater, so ist dieser auf die Stützpunktoberfläche begrenzt. Das Stützelement selbst kann durch nachfolgende Bearbeitung der Objektoberfläche rückstandslos beseitigt werden, beispielsweise durch abrasive Verfahren.
5a zeigt beispielhaft eine Oberfläche eines Objekts 510 mit einem Stützelement 560. Das Stützelement 560 ist eine Kugel, die bis zum Äquator im Objekt versenkt ist. Alternativ kann eine größere oder kleinere Versenkung vorgesehen sein. Jedoch bietet die Versenkung bis zum Äquator den besten Schutz vor einem Abbrechen von Teilen der Objektoberfläche, beispielsweise Kraterbildung, und optimiert so die Sollbruchstelle. Diese befindet sich am Kontakt zwischen Stützelement 560 und der Stützstrebe 580. Die Stützstreben können sich zum Stützelement hin verjüngen, wie in 5a gezeigt ist. 5b zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der eine Stützstrebe mit gleichbleibendem Querschnitt verwendet wurde.
Kugelförmige Stützelemente sind darüber hinaus vorteilhaft, da sie einfach herzustellen sind. Jedoch können alternativ auch andere Formen verwendet werden, beispielsweise Ellipsoide, die mit einem ihrer Äquatoren in der Objektoberfläche versenkt sind, oder Tetraeder, die mit einer ihrer Flächen auf der Objektoberfläche stehen. In allen Fällen kann die Größe des Stützelements so bemessen sein, dass eine jeweils benötigte Zuverlässigkeit der Sollbruchstelle erzielt wird. So bietet eine sehr kleine Kugel geringeren Schutz vor Kraterbildung an der Objektoberfläche als eine sehr große. Ist die Objektoberfläche wiederum sehr fest, braucht die Sollbruchstelle an dem Stützelement nicht weit von der Objektoberfläche zu sein. Eine kleinere Kugel beziehungsweise Halbkugel kann in diesem Fall als Stützelement verwendet werden, so dass Material für das Stützelement eingespart wird. Auch minimiert ein derart angepasster Stützpunkt den Aufwand zum Nachbearbeiten der Objektoberfläche. Somit stellt die Größe der Stützelemente einen Parameter dar, mit dem die Sollbruchstellen der Stützelemente konfiguriert werden können.
Stützstrukturen können mit einer einzelnen Stützstrebe auf der Plattform stehen. Diese einzelne Stützstrebe ist vorzugsweise dicker oder massiver als andere Stützstreben, um Tragfähigkeit der Stützstruktur zu gewährleisten. Liegt unterhalb von zu stützenden Stützpunkten ein Abschnitt des Objekts, so kann die einzelne Stützstrebe auf diesem Abschnitt stehen. In diesem Fall können anstelle der einzelnen Stützstrebe in einer besonderen Ausführungsform mehrere Stützstreben verwendet werden, die mehrere Stützpunkte auf dem Abschnitt des Objekts jeweils mit der Stützstruktur verbinden. Insbesondere können die mit dem Abschnitt des Objekts verbundenen Stützstreben so angeordnet sein, dass sie einen größten möglichen Neigungswinkel für Stützstreben nicht überschreiten. Zur Ermittlung geeigneter Stützpunkte auf diesem Abschnitt des Objekts kann einer Stützstrebe ein Kegel zugrundegelegt werden, der sich senkrecht mit einem vorbestimmten Öffnungswinkel bezüglich der Kegelachse in Richtung der Plattform öffnet.
6a zeigt einen Stützpunkt 660 an einem Abschnitt eines Objekts 610, auf dem eine Stützstruktur 620 steht. 6b zeigt einen Kegel 640, dessen Spitze in einem Punkt der zu stützenden Stützstruktur 620 liegt. Dieser Punkt kann beispielsweise durch einen vorbestimmten Abstand zu dem unteren Abschnitt des Objekts bestimmt sein. Punkte, die in der Schnittfläche des Kegels mit dem Abschnitt des Objekts liegen, können zur Auswahl von weiteren oder alternativen Stützpunkten herangezogen werden. Beispielsweise können mehrere solcher Punkte anhand eines vorbestimmten Mindestabstands zueinander bestimmt werden. In 6b ist beispielhaft ein Punkt 660a gezeigt, der als Stützpunkt ausgewählt werden kann.
6c zeigt zwei beispielhafte Stützstreben 680a und 680b, die zwei Stützpunkte auf dem unteren Abschnitt des Objekts mit der übrigen Stützstruktur verbinden, wobei diese Stützpunkte aus der Schnittfläche des Kegels mit dem Abschnitt des Objekts ausgewählt wurden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus Schichten unter Verwendung von Stützstrukturen, deren Konstruktion nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 berechnet ist.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in den beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300, 400, 600: Plattform
110, 210, 310, 410, 510, 610: Objekt
120: Hohlraum
220, 320a, 320b, 420, 620: Stützstruktur
340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c, 640: Kegel
330, 430: Überschneidung
580, 680a, 680b: Stützstrebe
560: Stützelement
660, 660a: Stützpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2198405 B1 [0003]
DE 19507881 A1 [0004]
DE 60122219 T2 [0005]
US 7084370 B2 [0041]

Claims

Verfahren zum Berechnen einer oder mehrerer aus Stützstreben bestehenden Stützstrukturen (220, 320a, 320b, 420, 620) für ein dreidimensionales Objekt (110, 210, 310, 410, 610) auf einer Plattform (100, 200, 300, 400, 600), das durch ein Fertigungsverfahren aus Schichten aufgebaut wird, umfassend: für jede Schicht des Objekts (110, 210, 310, 410, 610) Bestimmen einer Fläche der Schicht, die gegenüber einer darunterliegenden Schicht freiliegt, und Bestimmen von Stützpunkten innerhalb der bestimmten Fläche, an denen die Schicht gestützt werden soll; Zuordnen eines jeweiligen Kegels (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) zu jedem Stützpunkt, wobei jeder Kegel (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) mit der Kegelspitze in dem jeweiligen Stützpunkt liegt und sich in Richtung der Plattform (100, 200, 300, 400, 600) öffnet; Bilden von Gruppen von Stützpunkten aller zu stützender Schichten, wobei jeder Gruppe alle Stützpunkte zugeordnet werden, deren Kegel (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) mit anderen Kegeln (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) anderer Stützpunkte Überschneidungen (330, 430) bilden; und für jede Gruppe Berechnen wenigstens einer Stützstruktur (220, 320a, 320b, 420, 620), wobei in jedem Stützpunkt jeder Gruppe eine Stützstrebe endet und die Stützstruktur (220, 320a, 320b, 420) auf der Plattform (100, 200, 300, 400, 600) oder einem unter der Gruppe liegenden Abschnitt des Objekts (110, 210, 310, 410, 610) steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Kegels (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) auf der Plattform (100, 200, 300, 400, 600) und/oder einem zwischen Plattform (100, 200, 300, 400, 600) und Kegelspitze liegenden Abschnitt des Objekts (110, 210, 310, 410, 610) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kegel (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) durch einen vorbestimmten Öffnungswinkel zwischen der Kegelachse und einer Mantellinie des Kegels (340a, 340b, 340c, 440a, 440b, 440c) definiert ist, wobei der vorbestimmte Öffnungswinkel mit einem größten möglichen Winkel identisch ist, den eine Stützstrebe bezüglich einer Senkrechten auf der Plattform (100, 200, 300, 400, 600) annehmen kann.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstrukturen (220, 320a, 320b, 420, 620) Verzweigungen aufweisen, die aus miteinander verbundenen Stützstreben bestehen.
Stützelement (560) zur, insbesondere temporären, Befestigung einer Stützstrebe (580) einer Stützstruktur (220, 320a, 320b, 420, 620) an einem Stützpunkt an einer Oberfläche eines Objekts (110, 210, 310, 410, 510, 610) während dessen Fertigung aus Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (560) ein aus der Objektoberfläche vorspringender Körper ist, an dem die Stützstrebe (580) befestigt ist, wobei die Stützstrebe (580) einen kleineren Querschnitt als der Querschnitt des vorspringenden Körpers an der Objektoberfläche aufweist.
Stützelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorspringende Körper die Form einer Kugel aufweist.
Stützelement (560) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel bis zum Äquator in der Oberfläche des Objekts (110, 210, 310, 410, 510, 610) versenkt ist.
Stützelement (560) nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (560) eingerichtet ist, nach Fertigstellung des Objekts (110, 210, 310, 410, 510, 610) entfernt zu werden.