DE102020115607A1

DE102020115607A1 - Verfahren, Vorrichtung und Computerprogramm zur Anpassung eines Basismoduls eines Objektes

Info

Publication number: DE102020115607A1
Application number: DE102020115607.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Thesing; Witalij Wambold
Original assignee: GOM Gesellschaft fuer Optische Messtechnik mbH
Current assignee: Carl Zeiss GOM Metrology GmbH
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-12-16
Also published as: WO2021250089A9; WO2021250089A1

Abstract

Ein Verfahren zur Anpassung eines Basismodells eines Objektes wird beschrieben, wobei das Basismodell ein digitales Modell des Objektes für einen Herstellungsprozess ist. Das Verfahren hat die Schritte:a. Bereitstellen eines Basismodells des Objektes, sowie der Solldaten des Objektes und Bereitstellen eines FEM-Modells der Solldaten des Objektes;b. Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils;c. Bereitstellen von Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes;d. Bestimmung eines Verschiebungsfeldes anhand der im Schritt c) bereitgestellten Abweichungen und des FEM-Modells;e. Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung eines Basismodells eines Objektes, wobei das Basismodell ein digitales Modell des Objektes für einen Herstellungsprozess ist, sowie eine Vorrichtung und ein Computerprogramm hierzu.
Heutzutage bietet der 3D-Druck vielfältige Möglichkeiten, zum Beispiel zur Produktion von Prototypen, Ersatzteilen, Kleinserien, Designmodellen oder auch zur Serienherstellung von Kleinteilen. Beim 3D-Druck bzw. 3D-Printing können verschiedene zumeist additive Techniken zum Einsatz kommen. Beispielsweise werden Materialien wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken oder Metalle schichtweise aufgetragen und die Schichten miteinander verbunden. Auch Carbon- und Graphitmaterialien sind bereits im Einsatz.
Beispiele für 3D-Druckverfahren sind FDM (Fused Desposition Modeling), Stereolithografie, Selektives Lasersintern bzw. Laserschmelzen, Binder jetting oder Polygrafie.
Beim FDM-Verfahren wird beispielsweise, vereinfacht gesagt, ein geschmolzener Werkstoff in Schichten auf eine Werkplattform aufgetragen. Sobald das Material abkühlt, härtet es aus.
Gemeinsam haben die verschiedenen 3D-Druckverfahren, dass sie ein digitales 3D-Modell des zu druckenden Objektes benötigen. Grundlage für diese Daten können beispielsweise CAD (computer-aided design) Daten oder 3D-Scann-Daten sein. So kann zum Beispiel ein vorhandenes Bauteil dreidimensional vermessen werden, um Kopien davon herzustellen.
Beispielsweise thermische Effekte, wie Abkühlungsprozesse, können dazu führen, dass der 3D-Druck dimensionell verzogene Objekte produziert. Viele 3D-Drucker ermöglichen es daher durch Anpassung der Einstellungen des Druckertreibers den Druckvorgang zu beeinflussen um diesen Abweichungen vom gewünschten Ergebnis entgegen zu wirken. Auch ist es möglich vorab den Druckvorgang rechnergestützt zu simulieren um Druckparameter oder das Druckmodell anzupassen
Insbesondere bei zusammengesetzten Prozessketten, wie beispielsweise dem Vakuumgießen, ist eine Korrektur nur über die Druckersoftware nicht möglich.
Das Vakuumgießen ist ein weit verbreitetes Gießverfahren zur Vervielfältigung eines zuvor, z. B. durch 3D-Druck, hergestellten Urmodells in einer Silikonkautschuk-Form. Durch den 3D-Druck entstandene Abweichungen des Urmodells stören den weiteren Herstellungsprozess und werden unter Umständen noch um weitere Abweichungen bei der Formerstellung ergänzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen um den Verzug, also die Abweichung des fertigen Bauteils (Objektes) von seiner Sollform, möglichst gering zu halten. Insbesondere Herstellungsverfahren mittels 3D-Druck oder mit diesem in der Prozesskette verbundene Herstellungsverfahren sollen damit verbessert werden.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, die Vorrichtung nach Anspruch 15 und das Computerprogramm nach Anspruch 16 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein digitales 3D-Modell (Basismodell) des herzustellenden Objektes wird rechnergestützt so angepasst, dass bei Verwendung des angepassten 3D-Modells (angepassten Basismodells) Objekte mit reduziertem Verzug produziert werden können.
Grundlage für die rechnergestützte Anpassung des Basismodells des Objektes, ist die Kenntnis über die 3D-Form eines auf Grundlage des Basismodells hergestellten Objekts (Musterteils), sowie der Abweichung der 3D-Form des Musterteils (IST-Form) von der Wunschform (Solldaten) des Objektes zumindest an ausgewählten Punkten. Des Weiteren kommt ein FEM-Modell des Objektes zum Einsatz. FEM steht dabei für die Finite-Elemente-Methode.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Basismodells eines Objektes, sowie der Solldaten des Objektes und Bereitstellen eines FEM-Modells der Solldaten des Objektes;
b) Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils;
c) Bereitstellen von Abweichungen der 3D-Form des Musterteils (IST-Form) von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes;
d) Bestimmung eines Verschiebungsfeldes anhand der im Schritt c) bereitgestellten Abweichungen und des FEM-Modells;
e) Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes.

A) Bereitstellen eines digitalen 3D-Modells (Basismodells) des Objektes, sowie der Solldaten des Objektes.
Das digitale 3D-Modell (Basismodell) des Objektes kann den Solldaten des Objektes entsprechen. Es ist aber auch möglich ein bereits für den Herstellungsprozess, also zum Beispiel den 3D-Druck, aufbereitetes Druckmodell, als Basismodell zu verwenden. In diesem Fall werden zusätzlich die Solldaten des Objektes benötigt. Die Solldaten des Objektes können beispielsweise in Form eines CAD-Modells bereitgestellt werden. Die Solldaten beschreiben die gewünschte räumliche Form des Objektes. Zum Beispiel können die Solldaten die Form des Objektes beschreiben, in dem sie durch eine Menge von Flächen einen 3D-Raum begrenzen.
Das benötigte FEM-Modell kann zum Beispiel zusammen mit den Solldaten, z.B. CAD-Daten, des Objektes bereitgestellt werden. Es kann aber auch im Zuge des Verfahrens aus bereitgestellten Solldaten beispielsweise durch geeignete Datenverarbeitungsschritte abgeleitet werden. Das FEM-Modell ist eine volumetrische Unterteilung (in einzelne Volumen) eines durch eine Menge von Flächen begrenzten 3D-Raumes. Die Oberfläche des FEM-Modells stimmt mit den Flächen der Solldaten überein. Damit können Anstelle von separaten Solldaten, zum Beispiel für die Bestimmung der Abweichungen, die Oberflächen des FEM-Modells als Solldaten genutzt werden.
B) Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils
Die Daten der 3D-Form des Musterteils, sowie der Abweichung können beispielsweise aus einem bestehenden Prozess der Qualitätskontrolle bereitgestellt oder können als Teil des Verfahrens bestimmt werden.
Die 3D-Form des Musterteils (IST-Form) wird vorteilhafterweise durch eine dreidimensionale Vermessung des Musterteils bestimmt, und liegt dann in Form von 3D-Messdaten vor.
Das Musterteil kann ein auf der Grundlage des Basismodells des Objektes hergestelltes Objekt sein.
Eine dreidimensionale Vermessung des Musterteils kann mit unterschiedlichen Messgeräten erfolgen. Gebräuchlich sind Koordinatenmessmaschinen, 3D-Scanner oder Computertomographen. Alle diese Geräte liefern dreidimensionale Messdaten des Objektes beispielsweise in Form von Oberflächennetzen, Punktewolken oder Volumendaten.
Insbesondere 3D-Scanner die ein Musterprojektionsverfahren, beispielsweise Streifenprojektion, nutzen und Laserscanner sind in der industriellen Messtechnik weit verbreitet. Sie ermöglichen eine hochgenaue berührungslose dreidimensionale Vermessung von Objekten unterschiedlicher Größen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die 3D-Messdaten durch eine dreidimensionale optische Vermessung mit Hilfe eines Streifenprojektionsscanners mit einem topometrischen Messverfahren durch Projektion unterschiedlicher Muster auf ein Objekt, Beobachtung der aufprojizierten Muster mittels mindestens einer Bildaufnahmeeinheit und rechnergestützter Auswertung ermittelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die dreidimensionale Vermessung mit Hilfe eines Computertomographen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die dreidimensionale Vermessung mit Hilfe eines Laserscanners.
C) Bereitstellen der Abweichung der 3D-Form des Musterteils (IST-Form) von der Wunschform (Solldaten) des Objektes
Die Abweichungen des Musterteils von den Solldaten können beispielsweise mit bekannten Software-Produkten zur Analyse von 3D-Messdaten bereitgestellt werden. Funktionen wie Soll-Ist-Vergleich, Lage- und Form-Analyse (GD&T) oder auch punktbasierte Auswertefunktionen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Die Abweichung kann dabei sowohl vollflächig, als auch nur an ausgezeichneten Stellen bestimmt werden.
Die Abweichungen des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes können beispielsweise bestimmt werden, indem zuerst eine Ausrichtung der 3D-Messdaten des Objektes zur Sollgeometrie des Objekts erfolgt.
Für diesen Schritt der Ausrichtung sind verschiedene Ausrichteverfahren bekannt. Beispielsweise kann eine Ausrichtung durch verformungsfreie 3D-Transformation der 3D-Messdaten erfolgen. Dazu sind verschiedene numerische Ausrichteverfahren bekannt, wie zum Beispiel die Minimierung der Abweichung von 3D-Messdaten und Soll-Geometrie an definierten Punkten auf der Soll-Geometrie. Bei diesen vordefinierten Punkten kann es sich beispielsweise um besondere Objektcharakteristika wie Bohrlöcher, Ecken, Kanten, Markierungen oder ähnliches handeln. Es ist aber auch denkbar, dass ein Anwender manuell einzelne Punkte, in den Soll- und den Ist- Daten definiert, die zur Deckung gebracht werden sollen. Für das vorliegende Verfahren kommt es nicht auf die Auswahl eines bestimmten Ausrichtungsverfahrens an. Entscheidend ist vielmehr, dass die 3D-Messdaten nur ausgerichtet werden, also nicht verformt werden.
Später im Verfahren können Punkte auf der Soll-Geometrie des Objektes hilfreich sein, an denen das Objekt und auch das Basismodell keine Verformung erfahren soll. Diese Punkte seien als Fixpunkte bezeichnet. Diese Fixpunkte können frei gewählt werden. Beispielsweise werden sie durch einen erfahrenen Anwender in Bereichen des Objektes definiert, in denen das Objekt aufgrund seiner Struktur beim Herstellungsprozess keinen oder nur geringen Verformungen unterliegt.
Vorteilhafterweise werden die definierten Fixpunkte bereits hier genutzt, um die Messdaten zu den Solldaten so auszurichten, dass die Messdaten und die Solldaten an diesen Fixpunkten möglichst gut übereinstimmen.
Anschließend kann die Abweichung zwischen den ausgerichteten Messdaten des Objektes und den Solldaten des Objektes bestimmt werden. Dabei können flächenhafte Verfahren eingesetzt werden, die zum Beispiel für jeden Sollpunkt einen Abstand zu den Messdaten bestimmen oder für jeden in den Messdaten enthaltenen Messpunkt den Abstand zu den Solldaten bestimmen und in Form eines Betrages und einer Orientierung (Vorzeichen) speichern.
Für die spätere Weiterführung des Verfahrens sind allerdings nur die Abweichungswerte an speziellen Angriffspunkten erforderlich. Sind diese Angriffspunkte bereits bekannt, können auch nur die Abweichungen an diesen Angriffspunkten bestimmt werden.
Die Angriffspunkte sind frei definierte Punkte auf den Solldaten an denen später die Verformung angreifen soll. Diese Angriffspunkte können beispielsweise anhand der Kenntnis der baulichen Gegebenheiten vom Benutzer in Bereichen des Objektes definiert werden, in denen sich das Objekt besonders gut verformen lassen würde. Damit wäre eine Definition der Angriffspunkte bereits vor der Bestimmung der Abweichungen vom Musterteil zu den Solldaten bereits möglich.
Für das Verfahren ist es bei einer Vordefinition von Angriffspunkten lediglich notwendig mindestens einen Angriffspunkt zu definieren. Die Anzahl kann aber beliebig höher sein. Denkbar ist auch, dass keine Angriffspunkte definiert werden. Sie können sich auch beispielsweise aus den ermittelten Abweichungswerten ergeben.
Angriffspunkte können zum Beispiel in Bereichen großer Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des Objektes gewählt werden. Unter einer großen Abweichung wird eine Abweichung verstanden, die ein durch den Nutzer bestimmtes oder vordefiniertes Abweichungsmaß überschreitet.
Liegen bereits Kenntnisse über die Abweichungen der Messdaten zu den Solldaten vor, beispielsweise aus einem Flächenvergleich, bevor die Angriffspunkte definiert werden, so können die Angriffspunkte gezielt in den Objektbereichen gewählt werden, in denen das Musterteil große Verformungen aufweist. Auch die Anzahl der Angriffspunkte kann basierend auf den Kenntnissen der Abweichungen gewählt werden.
Es ist auch denkbar einen Teil der Angriffspunkte vorab in den Solldaten, beispielsweise an bekannterweise leicht verformbaren Stellen, zu definieren, und diese Angriffspunkte um weitere Angriffspunkte zu ergänzen, nachdem die Abweichungen zwischen den Soll- und den Ist-Daten bestimmt sind.
D) Bestimmung des Verschiebungsfeldes
Im nächsten Schritt wird mit Hilfe der zuvor bestimmten Abweichungen ein Verschiebungsfeld bestimmt.
Hierbei kommt ein bereitgestelltes FEM-Modell des Objektes zum Einsatz. Durch die Verwendung des FEM-Modells können beispielsweise Steifigkeitsinformationen des Objektes in das Verfahren eingebracht werden.
Das Verschiebungsfeld kann vorteilhaft unter Betrachtung ausgewählter Fix- und Angriffspunkte bestimmt werden. Wenn nicht im Vorfeld oder im vorhergehenden Verfahrensschritt geschehen, sollten spätestens jetzt Fix- und Angriffspunkte auf den Solldaten definiert werden.
Das FEM-Modell und die Fix- und Angriffspunkte müssen für die Ausführung des Verfahrens in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen. Wenn dies zu Beginn nicht der Fall ist, so können FEM-Modell und die Fix- und Angriffspunkte in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden.
Zu Beginn des Verfahrensschrittes stimmt die Oberfläche des FEM-Modells mit den Flächen der Solldaten des Objektes überein. An den definierten Fixpunkten werden im FEM-Modell die Verschiebungsfreiheitsgrade blockiert. Durch die Blockierung bleiben die Positionen der Fixpunkte in Richtung der blockierten Freiheitsgrade erhalten und ändern sich auch bei einer Verformung des FEM-Modells nicht.
Zu den Angriffspunkten wurde im vorherigen Schritt bereits jeweils die Abweichung der Messdaten zu den Solldaten ermittelt. Die Abweichung kann dabei zum Beispiel als ein Vektor in Richtung der Normale im Angriffspunkt, sowie seiner Orientierung als Vorzeichen und einem Betrag gegeben sein.
Da die Angriffspunkte bei diesem Beispiel auf den Solldaten definiert sind, wird ihnen jeweils ein entsprechender zugehöriger Angriffspunkt auf den FEM-Daten zugeordnet. Besonders vorteilhaft für die weitere Berechnung ist es dabei, wenn ein Angriffspunkt einem FEM-Knotenpunkt entspricht. Ist dies nicht der Fall, so kann stattdessen auch ein nahegelegener FEM-Knotenpunkt als Angriffspunkt gewählt werden.
Um das Verschiebungsfeld zu bestimmen wird dem FEM-Modell an den Angriffspunkten eine virtuelle Verschiebung in Richtung der Abweichung zu den Messdaten aufgezwungen. Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform für alle Angriffspunkte gleichzeitig erfolgen, oder in einer anderen Ausführungsform für einzelne Angriffspunkte nacheinander.
Die Größe der aufgezwungenen Verschiebung basiert dabei auf der zuvor bestimmten Abweichung von den Soll- und IST-Daten am jeweiligen Angriffspunkt. Die Richtungen von Verschiebung und Abweichung stimmen dabei überein, der Betrag der Verschiebung ist proportional zur Abweichung. Im einfachsten Fall ist der Proportionalitätsfaktor EINS und der Betrag der Verschiebung entspricht dem Betrag der vorher bestimmten Abweichung.
Unter Betrachtung des FEM-Modells können danach an den FEM-Knotenpunkten die 3D-Verschiebungen bestimmt werden, die entstehen, wenn das FEM-Modell an den Angriffspunkten die aufgezwungenen Verschiebungen erfährt. Die FEM-Knotenpunkte bilden zusammen mit den 3D-Verschiebungen ein (vorläufiges) Verschiebungsfeld. Bevor dieses Verschiebungsfeld im letzten Schritt auf das Basismodell angewendet werden kann, muss es noch invertiert werden, d.h. die Richtung der einzelnen Vektoren des Verschiebungsfeldes wird umgekehrt. Das invertierte (vorläufige) Verschiebungsfeld wird als Verschiebungsfeld für die weiteren Schritte gespeichert.
Dabei kann das gespeicherte Verschiebungsfeld Verschiebungsvektoren für alle FEM-Knotenpunkte enthalten. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden aber nur die Verschiebungsvektoren für eine Teilmenge der FEM-Knotenpunkte, insbesondere nur für die Angriffspunkte gespeichert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Überprüfung des Verschiebungsfeldes, bevor dieses auf das Basismodell angewendet wird. Dazu wird das Verschiebungsfeld noch nicht auf das Basismodell angewendet, sondern es erfolgt eine Anwendung des Verschiebungsfeldes auf die Messdaten. Dabei können auch Interpolations- bzw. Extrapolationsverfahren eingesetzt werden. Durch das Anwenden des Verschiebungsfeldes auf die Messdaten werden temporär virtuell verformte Messdaten erzeugt. Es wird überprüft, ob eine Abweichung zwischen den virtuell verformten Messdaten und den Solldaten mit einem Betrag größer NULL festgestellt werden kann. Ist diese Abweichung oberhalb eines vorher definierten Grenzwertes, werden erneut zur Abweichung proportionale Verschiebungen dem FEM-Modell aufgezwungen.
Wieder lassen sich für die Knotenpunkte des FEM-Modells die resultierenden Verschiebungen bestimmen. Diese werden wiederum invertiert und als Verschiebungsfeld gespeichert.
Die Verfahrensschritte c) und d) sollten solange iterativ wiederholt werden, bis die virtuell verformten Messdaten ausreichend genau mit den Solldaten übereinstimmen.
Das resultierende Gesamtverschiebungsfeld, das für den Schritt e) von Bedeutung ist, ergibt sich aus einer Aufsummierung der Verschiebungsfelder der einzelnen Iterationsschritte.
In einer Ausführungsform wird in Schritt d) dem FEM-Modell nicht eine Verschiebung aufgezwungen, die dem Betrag nach der Abweichung entspricht, sondern nur zu ihr proportional ist. Denkbar ist bei der Festlegung des Betrages der aufzuzwingenden Verschiebung den Betrag der Abweichung mit einem Proportionalitätsfaktor zu versehen. So kann beispielsweise nur ein Bruchteil der Abweichung aufgezwungen werden. Insbesondere in Kombination mit der iterativen Wiederholung der Schritte c) und d) kann dies vorteilhaft sein.
Wurde mehr als ein Angriffspunkt definiert, so können in Schritt d) die Verschiebungen dem FEM-Modell nicht nur an allen Angriffspunkten gleichzeitig, sondern auch nacheinander aufgezwungen werden. Werden die Angriffspunkte nicht gleichzeitig, sondern nacheinander betrachtet, so werden die Schritte c) und d) erst für einen Angriffspunkt ausgeführt. Anschließend wird der nächste Angriffspunkt betrachtet. Allerdings hat die Ausführung des am ersten Angriffspunkt auch Einfluss auf die Abweichungen an den anderen Angriffspunkten. Daher wird in einem Zwischenschritt das bestimmte Verschiebungsfeld auf die Messdaten angewendet, und die so verformten Messdaten werden verwendet um die Schritte c) und d) für den nächsten Angriffspunkt auszuführen. Dabei können beispielsweise bereits betrachtete Angriffspunkte in ihren Verschiebungsfreiheitsgraden blockiert, also wie zusätzliche Fixpunkte betrachtet werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, die bereits betrachteten Angriffspunkten gleichzeitig mit dem aktuell betrachteten Angriffspunkt einzubringen.
Analog werden die Verfahrensschritte für die weiteren Angriffspunkte wiederholt.
Auch eine Iteration ist bei einer seriellen Betrachtung der Angriffspunkte möglich, so dass das Verschiebungsfeld solange optimiert wird, bis die Abweichung an dem aktuell betrachteten Angriffspunkt möglichst gering ist, bevor der nächste Angriffspunkt betrachtet wird.
Nach Betrachtung aller Angriffspunkte ergibt sich ein Gesamtverschiebungsfeld, das sich aus allen ermittelten Verschiebungen zusammensetzt.
E) Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes
Das in den vorhergehenden Schritten bestimmte Gesamtverschiebungsfeld stellt ein Modell für die Verschiebungen dar, die die Messdaten erfahren müssten, um zu den Solldaten verschoben zu werden. Dieses Gesamtverschiebungsfeld wird in diesem Schritt auf das Basismodell angewendet, um ein angepasstes Basismodell zu erhalten.
Das Basismodell des Objektes wird virtuell verformt, indem die im vorhergehenden Schritt bestimmten 3D-Verschiebungen auf die Daten des Basismodells übertragen werden. Für Punkte des Basismodells, die nicht direkt einem Punkt des Verschiebungsfeldes (also einem FEM-Knotenpunkt oder Angriffspunkt) zugeordnet werden können, können die Werte der anzuwendenden 3D-Verschiebung durch Interpolation aus den 3D-Verschiebungen der nächstgelegenen Punkte des Verschiebungsfeldes ermittelt und anschließend übertragen werden. Nachdem die virtuelle Verformung stattgefunden hat, liegt ein virtuell verformtes Basismodell vor.
Dieses virtuell verformte und somit unter Berücksichtigung des Gesamtverschiebungsfeldes angepasste Basismodell kann als neues Basismodell für einen Objekt-Herstellungsprozess genutzt werden.
Bereits eine Ausführung des Verfahrens kann dabei ausreichend genaue Objekte hervorbringen. Sollten aber auch mit dem angepassten, verbesserten Basismodell noch immer Objekte produziert werden, die mehr als eine vorgegebene Toleranz vom Sollobjekt abweichen, so ist es auch möglich das Verfahren mehrfach anzuwenden, bis die produzierten Bauteile ausreichend genau genug sind.
Bei einer wiederholten Anwendung des Verfahrens wird das im vorherigen Durchlauf erzeugte abgeänderte 3D-Modell zum neuen Basismodell. Spätestens jetzt entspricht das Basismodell damit nicht mehr den Solldaten des Objektes. Dies ist bei der Ausführung zu beachten, da weiterhin in Schritt c) die Abweichungen von einem hergestellten Musterteil zu den Solldaten des Objektes bestimmt werden, die berechneten notwendigen Verformungen in Schritt e) aber auf das Basismodell angewendet werden.
Das mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens verbesserte Basismodell kann anschließend für weitere Anpassungsverfahren verwendet werden, indem beispielsweise lokale Anpassungen erfolgen, wie Anpassungen der Loch- oder Zylinderdurchmesser. Ist es zum Beispiel bekannt, dass das verwendete Druckverfahren/ Material nach der Abkühlung um 0,5 % schrumpft, so kann der Zylinderdurchmesser entsprechend größer gewählt werden.
Da unterschiedliche 3D-Druck Verfahren, und somit auch hiermit kombinierte Herstellungsverfahren, in der Regel zu einem unterschiedlichen dimensionellen Verzug führen werden, ist es vorteilhaft verbesserte Basismodelle für alle 3D-Druckverfahren, Herstellungsverfahren bzw. 3D-Drucker zu bestimmen, deren Einsatz geplant ist. Die verbesserten Basismodelle können jeweils als herstellungsprozessspezifisches Datenmodell bezeichnet werden. Die herstellungsprozessspezifisches Datenmodelle können in einer Datenbank gespeichert werden, so dass es möglich ist in einem Produktionsprozess, durch Auswahl bzw. Übergabe der Parameter „gewünschtes Objekt“ und „Herstellungsprozess“, das entsprechende verbesserte Basismodell (Datenmodell) für den gewählten Herstellungsprozess bereitzustellen. Die Datenbank kann dabei auch weitere Daten zum Objekt enthalten, wie die Solldaten und/oder das ursprüngliche Basismodell.
Denkbar sind dabei sowohl manuelle, halbautomatische oder automatisierte Auswahlprozesse. So ist es denkbar, dass durch Übergabe von Druckaufträgen in eine Druckerwarteschlange, das System automatisiert den nächsten freien 3D-Drucker erkennt und entsprechend das für diesen 3D-Drucker zugehörige verbesserte Basismodell (Datenmodell) auswählt.
Das vorbeschriebene Verfahren kann in einem Computerprogramm implementiert werden, dass Programmcodemittel zur Ausführung der Verfahrensschritte hat, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
Das Verfahren kann auch in einer Vorrichtung implementiert sein, die vorzugsweise eine Datenverarbeitungseinheit, einen Datenspeicher für die Basismodelldaten, ggf. die Solldaten, die Daten des FEM-Modells, ggf. von Daten für die Fix- und Angriffspunkte und eine Ausgabeeinheit für die Bereitstellung des angepassten Basismodells hat. Die Vorrichtung kann zusätzlich eine Messeinheit zur Messung der 3D-Form des Musterteils haben oder zumindest eine Schnittstelle zum Empfangen einer von einer externen Messeinheit erfassten 3D-Form eines Musterteils oder der Abweichungen der ermittelten 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 - Schematische Skizze des Ablaufs des Herstellungsprozesses;
2a) bis c) - Schematische Darstellung der Schritte „Bestimmung Verschiebungsfeld“ und „Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes“;
3a) bis e) - Schematische Darstellung der Schritte „Bestimmung Verschiebungsfeld“ und „Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes“ in einer iterativen Verfahrensausführung

1 zeigt eine Skizze für einen Herstellungsprozess eines Objektes 1 mittels 3D-Druck mit Anwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zu Beginn liegt ein Basismodell 2 in Form eines digitalen Datenmodells vor. Es sei hier angenommen, dass dieses Basismodell 2 den Solldaten des Objektes 1 in Form eines CAD-Datensatzes entspricht. Das Basismodell 2 kann aber auch ein beispielsweise mit Hilfe einer Druckersoftware aus den CAD-Daten abgeleitetes Druckmodell oder Druck-CAD sein. In das Druckmodell wurden beispielsweise schon für den Druck spezifische Anpassungen vorgenommen, zum Beispiel in dem mit Hilfe einer Software der Druckvorgang simuliert wurde, so dass Abkühleffekte erkannt werden können.
Das Basismodell 2 wird genutzt um mit einem 3D-Drucker 3 ein Musterteil 4 zu produzieren. Es ist direkt erkennbar, dass dieses Musterteil 4 nicht der gewünschten Form des Objektes 1 entspricht. Das Musterteil 4 weist an einer der Ecken eine Verformung auf. Um Teile zu produzieren, die besser der gewünschten Objektform entsprechen, kommt daher das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz.
Basismodell 2 und Solldaten des Objektes 1 sind bereits bereitgestellt, da wir in diesem Beispiel davon ausgehen, dass das Basismodell den CAD-Daten des Objektes 1 entspricht. Als nächstes wird das Musterteil 4 mit einem 3D-Scanner 5 digitalisiert. Der hier schematisch dargestellte 3D-Scanner 5 weist zwei Kameras und einen Projektor auf und ist zur topometrischen Erfassung des Musterteils 4 mittels einem Streifenprojektionsverfahren ausgebildet. Der 3D-Scanner hat dabei auch eine Steuer- und Auswerteeinheit in Form eines Computers, der hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Diese gebräuchliche Bauform eines 3D-Scanners 5 ist dabei nur beispielhaft zu verstehen. Geeignet ist jede Messvorrichtung, die die dreidimensionale Form des Musterteils 4 erfassen kann. Unter anderem sind das auch Laserscanner, Koordinatenmessmaschinen oder Computertomografen. Als Resultat der Digitalisierung liegen 3D-Messdaten 6 des Musterteils 4 vor, die die 3D-Form des Musterteils beschreiben.
Diese 3D-Messdaten 6 werden gemeinsam mit dem bereits bereitgestelltem Basismodell 2 in einem Computer 7 rechnergestützt verarbeitet. Der Computer 7 ist dabei eingerichtet, zum Beispiel mittels eines Computerprogramms, ein Verfahren zur Anpassung des Basismodells 2 auszuführen. Der Computer 7 kann als eigenständige Einheit ausgebildet sein. Er kann aber auch Teil einer Messeinrichtung sein, die zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten eingerichtet ist. Beispielsweise handelt es sich um die Auswerteeinheit des 3D-Scanners 5 der zur Digitalisierung des Musterteils 4 verwendet wurde.
Ergebnis des Verfahrens ist ein angepasstes Basismodell 8 des Objektes 1. In diesem wurde das Basismodell 2 derart verformt, dass ein 3D-Drucker 3 basierend auf diesem angepassten Basismodell 8 ein Objekt 1 produziert, dass der gewünschten Form entspricht.
In den 2a), 2b) und 2c) werden schematisch die Schritte „Bestimmung Verschiebungsfeld“ und „Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes“ verdeutlicht. Zur Veranschaulichung wurde dabei eine zweidimensionale Darstellung in Form eines Schnittes, beispielsweise durch die XY-Ebene des Koordinatensystems gewählt.
2a) zeigt das Basismodell 11 des Objektes 1, das hier aus Gründen der Einfachheit und Übersichtlichkeit gleich den Solldaten des Objektes in Form von CAD Daten entspricht. Ein den Solldaten zugehöriges FEM-Modell 12 ist als gestrichelte Linie gezeigt.
Die Ist-Form (Messdaten) 10 eines Musterteils, das auf Basis des Basismodells 11, beispielsweise durch 3D-Druck oder Vakuumgießen, hergestellt wurde, sind als gepunktete Linie angedeutet.
Die vorliegenden Messdaten 10, Solldaten bzw. Basismodell 11, sowie das FEM-Modell 12 liegen in einem gemeinsamen Koordinatensystem vor. Dazu erfolgte eine verformungsfreie Ausrichtung der 3D-Messdaten 10 zur Sollgeometrie 11 des Objekts. Diese Ausrichtung erfolgte derart, dass in dem Punkt F1 möglichst keine Abweichung erkennbar ist. Der Punkt F1 stellt einen Fixpunkt da, an dem laut Definition keine Verformung der Daten erfolgen soll. Die Anzahl der verwendeten Fixpunkte kann variieren. Vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl der Fixpunkte und ihrer blockierten Verschiebungsfreiheitsgrade derart gewählt werden, dass eine statisch bestimmte Lage des FEM-Modells erreicht wird.
Für das Verfahren wurden Angriffspunkte A1, A2 und A3 definiert. Diese sind zum Beispiel von einem Anwender nach Auswertung eines Soll-Ist-Vergleichs von den IST-Daten 10 und den Solldaten 11 in Bereichen großer Abweichungen gewählt worden.
An den Angriffspunkten A1, A2 und A3 wird die Abweichung 13 von Solldaten 11 und Ist-Daten 10 bestimmt, und hier in Form von Pfeilen veranschaulicht.
2b) zeigt wie dem FEM-Modell 12 in den Angriffspunkten A1, A2 und A3 eine Verschiebung zum Beispiel VA3 aufgezwungen wird, die in Richtung und Betrag in den Angriffspunkten der Abweichung 13 am jeweiligen Angriffspunkt entspricht.
Durch ein Aufzwingen der Verschiebungen VA1 bis VA3 in den Angriffspunkten ergibt sich ein virtuell verformtes FEM-Modell 12'. Dabei fließen die Eigenschaften des FEM-Modells 12 in diesen virtuellen Verformungsvorgang mit ein. Dies ist insbesondere durch die sich an den Knotenpunkten Ki (als Quadrate dargestellt) des FEM-Modells 12 resultierenden Verschiebungen VKi veranschaulicht.
Die einzelnen Vektoren des Verschiebungsfeldes VKi bzw. VA1 bis VA3, werden in ihrer Richtung invertiert und wie in 2c) gezeigt auf das Basismodell 11 übertragen, so dass sich als Resultat des Verfahrens ein angepasstes Basismodell 11' ergibt.
Dies entspricht nicht einfach einer Übertragung einer invertierten Abweichung 13 auf das Basismodell 11. Durch den Einsatz des FEM-Modells 12 können Vektoren für das Verschiebungsfeld auch in Bereichen bereitgestellt werden, in denen keine Abweichungen bereitgestellt wurden. Auch ist es möglich Objekteigenschaften, wie beispielsweise die Steifigkeit, über das FEM-Modell miteinzubeziehen.
Die 2a) bis c) verdeutlichen lediglich eine einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie in 2b) angedeutet, führte das Aufzwingen der Verschiebungen VA1, VA2 und VA3 auf das FEM-Modell 12, unter Umständen in einigen Bereichen nur zu einer gewissen Annäherung des virtuell verformten FEM-Modells 12' zur IST-Form 10 des Musterteils. Im hier dargestellten Beispiel sind im Bereich um die Angriffspunkte A1 und A2 noch Abweichungen erkennbar.
In einem iterativen Verfahren wie es in den 3a) bis 3e) veranschaulicht wird, wird daher das Verschiebungsfeld in 3c) nicht auf das Basismodell 11, sondern auf die Messdaten 10 des Musterteils angewendet. Es entstehen virtuell verformte Messdaten 10'. Mit diesen wird in 3d) die Abweichung 13' von Solldaten 11 zu den „neuen“ Messdaten 10' ermittelt. Daraus ergeben sich erneut Verschiebungen an den Angriffspunkten, die dem FEM-Modell 12 an den Angriffspunkten aufgezwungen werden. Hieraus ergeben sich wiederum auch Verschiebungen an den Knotenpunkten Ki des FEM-Modells. Die invertierten Verschiebungen bilden erneut ein Verschiebungsfeld. Dieses könnte in einem nächsten Iterationsschritt den Messdaten 10' aufgezwungen werden, um erneut eine Abweichung von den so weiter virtuell verformten Messdaten zu den Solldaten 11 zu bestimmen. Unterscheitet diese Abweichung beispielsweise einen zuvor definierten Schwellwert, so wird das Iterationsverfahren beendet und es erfolgt die in 3e) dargestellte Anwendung des Gesamtverschiebungsfeldes auf das Basismodell 11 um das angepasste Basismodell 11' zu ermitteln.
In der hier dargestellten Ausführungsform wurde dem FEM-Modell 12 in den Angriffspunkten A1, A2 und A3 eine Verschiebung zum Beispiel VA3 aufgezwungen, die in Richtung der Abweichung am jeweiligen Angriffspunkt entspricht. deren Betrag aber nur proportional (Proportionalitätsfaktor < 1) zur Abweichung ist. Durch die iterative Ausführung wird dennoch eine ausreichende Annäherung der virtuell verformten Messdaten zu den Solldaten erreicht. Das Gesamtverschiebungsfeld resultiert dabei aus einer Aufsummierung der in den einzelnen Iterationsdurchläufen ermittelten Verschiebungsfelder.
Um das Verfahren zu beschleunigen beziehungsweise um den Speicherbedarf zu reduzieren, können nach einem Iterationsdurchlauf auch nur die ermittelten Verschiebungsvektoren des Verschiebungsfeldes in den Angriffspunkten gespeichert werden. Dabei ist unbedingt auf eine korrekte Speicherung der Orientierung zu achten.
Das Gesamtverschiebungsfeld ergibt sich dann aus den Angriffspunkten und den aufsummierten Verschiebungsvektoren, die sich in den Iterationsdurchläufen an den einzelnen Angriffspunkten ergeben haben.
Es kann unter Umständen vorkommen, dass an einzelnen Angriffspunkten keine Abweichung von den Soll- und den IST-Daten bestimmt werden kann, beispielsweise weil das Musterteil derart stark verformt ist, dass in den ursprünglichen Messdaten eine Zuordnung fehlschlägt. Der entsprechende Angriffspunkt muss in diesem Fall also unter Umständen beim Aufzwingen der Verschiebung auf das FEM-Modell unberücksichtigt bleiben. Auch hier kann das Iterationsverfahren vorteilhaft sein. Im Laufe der Iterationsdurchläufe nähern sich die virtuell verformten Messdaten den Solldaten immer weiter an, so dass eine Bestimmung der Abweichung in späteren Iterationsdurchläufen für den entsprechenden Angriffspunkt möglich wird, wodurch er in den folgenden Iterationsdurchläufen in das Verfahren eingebracht werden kann.
Bei der Übertragung dieses Gesamtverschiebungsfeldes auf das Basismodell 11 und der damit verbundenen virtuellen Verformung des Basismodells 11 um das angepasste Basismodel 11' zu erhalten, kann das FEM-Modell 12 zur Hilfe genommen werden.

Claims

Verfahren zur Anpassung eines Basismodells eines Objektes, wobei das Basismodell ein digitales Modell des Objektes für einen Herstellungsprozess ist, gekennzeichnet durch die Schritte: a. Bereitstellen eines Basismodells des Objektes, sowie der Solldaten des Objektes und Bereitstellen eines FEM-Modells der Solldaten des Objektes; b. Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils; c. Bereitstellen von Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes; d. Bestimmung eines Verschiebungsfeldes anhand der im Schritt c) bereitgestellten Abweichungen und des FEM-Modells; e. Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem bereitgestellten Basismodell gleichzeitig um die Solldaten des Objektes handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem bereitgestellten Basismodell um ein Druckmodell für den 3D-Druck handelt oder das Basismodell bereits in einem vorherigen Anpassungsprozess eine Anpassung erfahren hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Musterteil ein auf der Grundlage des Basismodells (2) des Objektes hergestelltes Objekt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung der 3D-Form des Musterteils durch Digitalisierung des Musterteils erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierung des Musterteils mit einer Koordinatenmessmaschine oder einem Streifenprojektionsscanner oder Laserscanner oder Computertomografen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass das Verschiebungsfeld unter Betrachtung ausgewählter Angriffspunkte bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl von Angriffspunkten erst nach der Bereitstellung von Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten erfolgt, und wobei die Lage und/oder die Anzahl der Angriffspunkte in Abhängigkeit von den bereitgestellten Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffspunkte in Bereichen gewählt werden, in denen die Abweichung der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des Objektes ein durch den Nutzer bestimmtes oder vordefiniertes Abweichungsmaß überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Verschiebungsfeldes dem FEM-Modell an den Angriffspunkten eine zur Abweichung der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten proportionale Verschiebung aufgezwungen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem FEM-Modell gleichzeitig an allen Angriffspunkten eine Verschiebung aufgezwungen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem FEM-Modell nacheinander an jeweils einem der Angriffspunkte eine Verschiebung aufgezwungen wird, und bereits betrachtete Angriffspunkte wie Fixpunkte behandelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass eine Anpassung des Basismodells im Schritt e) durch Aufzwingen jeweils einer Verschiebung in ausgewählten Angriffspunkten erfolgt und keine Anpassung an ausgewählten Fixpunkten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte c) des Bereitstellens der Abweichung der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des Objektes und d) der Bestimmung eines Verschiebungsfeldes iterativ mehrmals wiederholt werden, wobei die 3D-Form des Musterteils jeweils durch eine virtuell angepasste 3D-Form des Musterteils ersetzt wird, die sich ergibt aus einer Anwendung des Verschiebungsfeldes auf die 3D-Form des Musterteils aus dem vorherigen Iterationsdurchlaufs.
Vorrichtung zur Anpassung eines Basismodells eines Objektes, wobei das Basismodell ein digitales Modell des Objektes für einen Herstellungsprozess ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinheit zur Speicherung von Daten eines bereitgestellten Basismodells des Objektes, von Solldaten des Objektes und eines FEM-Modells der Solldaten des Objektes, sowie von Daten zu Abweichungen der 3D-Form eines Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit zur Bestimmung eines Verschiebungsfeldes anhand der abgespeicherten Abweichungen und des FEM-Modells und zur Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes eingerichtet ist.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte d) und e) des Verfahrens nach Anspruch 1 auszuführen.
Computerprogramm nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch den Computer diesen zur Abspeicherung von Daten zu einem Basismodell des Objektes, von Solldaten des Objektes und eines FEM-Modells des Objektes sowie von Abweichungen der 3D-Form eines Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes veranlassen.
Verfahren zur Bereitstellung von herstellungsprozessspezifischen Datenmodellen eines Objektes, wobei die herstellungsprozessspezifischen Datenmodelle mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aus einem Basismodell des Objektes erstellt wurden und wobei die Datenmodelle in einer Datenbank bereitgestellt werden.