DE102021200999A1

DE102021200999A1 - Modellierung und Fertigung eines Objekts basierend auf einem topologieoptimierten Rohteil

Info

Publication number: DE102021200999A1
Application number: DE102021200999.9A
Authority: DE
Inventors: Ronald Bartz; Thilo Franke; Sierk Fiebig
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-02-03
Filing date: 2021-02-03
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Gemäß einem computerimplementierten Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen Modells (5) eines zu fertigenden Objekts wird basierend auf einer vorgegebenen Beschreibung eines Bearbeitungskörpers (4) und einem vorgegebenen Optimierungsziel ein Topologieoptimierungsverfahren durchgeführt, um eine topologieoptimierte Darstellung eines Rohteils zu erzeugen. Basierend auf der topologieoptimierten Darstellung des Rohteils wird wenigstens eine Freiformfläche (3) im dreidimensionalen Raum erzeugt. Ein dem Bearbeitungskörper (4) entsprechender Anteil von einem durch die wenigstens eine Freiformfläche (3) definierten Volumen wird entfernt, um das Modell (5) des Objekts zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen Models eines zu fertigenden Objekts wobei basierend auf einer vorgegebenen Beschreibung eines Bearbeitungskörpers und einem vorgegebenen Optimierungsziel ein Topologieoptimierungsverfahren durchgeführt wird, um eine topologieoptimierte Darstellung eines Rohteils zu erzeugen, sowie ein Fertigungsverfahren zur Fertigung eines Objekts.
Programme zur rechnergestützten Konstruktion (Englisch: „Computer Aided Design“, CAD) dienen der digitalen Generierung der geometrischen Gestalt eines dreidimensionalen Objektes. Die durch CAD-Programme gespeicherte Gestalt dient anschließend der automatisierten Generierung softwaretechnischer Anweisungen für eine Maschine zur Fertigung des Objektes. Für die Beschreibung der Gestalt eines Objektes, werden innerhalb von CAD-Programmen beispielsweise Begrenzungsflächendarstellungen (Englisch „Boundary Representation“, B-Rep) verwendet. Hierbei wird zunächst die geschlossene Oberfläche des voluminösen Objektes eindeutig beschrieben. Die Teilmenge des Raumes, welche das Objekt einnimmt, ergibt sich schließlich durch die Menge aller Punkte, die sich innerhalb der geschlossenen Oberfläche befinden. Die Beschreibung der Oberflächen selbst erfolgt innerhalb von CAD-Programmen beispielsweise durch glatte und mathematisch definierte Flächen. Gängige Flächen sind sogenannte Freiformflächen wie beispielsweise NURBS (Englisch: „non-uniform rational B-splines“) oder Unterteilungsflächen (Englisch: „subdivision surfaces“).
Topologieoptimierungsverfahren ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit zur Bestimmung der geometrischen Gestalt eines zu fertigenden Objektes, welche gegebene technische Anforderungen erfüllt. Das Optimierungsziel ist beispielsweise die Minimierung des Bauteilgewichts. Optimierungsnebenbedingung ist beispielsweise die Einhaltung einer maximal zulässigen Verformung unter gegebenen mechanischen Lasten. Des Weiteren können für die Topologieoptimierung sogenannte Non-Design-Bereiche definiert werden, beispielsweise innerhalb eines CAD-Programms in Form einer Begrenzungsflächendarstellung. Diese Bereiche beinhalten beispielsweise Flächen zur Lasteinleitung, Bauteilanbindung oder sonstigen Funktionen, die aus bestimmten Gründen eine exakte geometrische Form, scharfe Kanten, scharfe Übergänge oder dergleichen aufweisen müssen und durch die Topologieoptimierung nicht modifiziert werden. Topologieoptimierungsverfahren verwenden jedoch meist nicht direkt vorgegebene Non-Design-Bereiche in Form einer Begrenzungsflächendarstellung sondern stellen diese und den Rest des Objektes, der den sogenannten Design-Bereich bildet, zum Beispiel durch volumetrische Ansätze, wie beispielsweise Level-Set oder Dichte-basierte Verfahren auf Basis einer räumlichen Diskretisierung in kleine Elemente, wie beispielsweise Quader, welche auch als Voxel bezeichnet werden.
Ergebnisse der Topologieoptimierung können beispielsweise als Voxelmodelle oder in Form von Polygonnetzen exportiert werden, welche die geschlossene Oberfläche des Objektes beschreiben. Im Gegensatz zur Modellierung der Oberfläche durch glatte und mathematisch definierte Flächen innerhalb von CAD-Programmen, stellen Polygonnetze lediglich eine diskrete und approximative Beschreibung der Oberfläche dar. Objekte in Form von Polygonnetzen lassen sich nur bedingt in CAD-Programmen modifizieren oder in ein Verbund aus mehreren Objekten integrieren. Des Weiteren ist die geometrische Beschreibung der Non-Design-Bereiche durch das Polygonnetz nicht hinreichend genau, sodass dieses nicht zur Erstellung softwaretechnischer Anweisungen zur Fertigung des Objektes dienen kann.
Freiformflächen können beispielsweise zum Teil automatisiert aus einem Polygonnetz erstellt werden. Ausgehend von Ergebnissen der Topologieoptimierung eignen sich solche Ansätze jedoch nur bedingt für die Konstruktion von Funktionsflächen zur Lasteinleitung, Anbindungsbereichen oder sonstigen Bauteilbereichen, die aus bestimmten Gründen eine exakte geometrische Form, scharfe Kanten, scharfe Übergänge oder dergleichen aufweisen müssen.
Freiformflächen sind zwar grundsätzlich dazu in der Lage geometrische Figuren, beispielsweise Zylinder und dergleichen, exakt abzubilden. Die exakte Modellierung von Funktionsflächen geht jedoch bei der Verwendung einer Topologieoptimierung verloren. Hier werden diese Funktionsflächen beispielsweise in ein Voxel-Modell überführt, welches solche geometrischen Figuren nicht exakt darstellen kann. Bei der Rücktransformation von dem Voxel-Modell in die Freiformflächen ist die Information des exakten Zylinders nicht mehr vorhanden. Diese Zylinder müssen also aus dem initialen Modell „zurückgeholt“ werden.
Eine Möglichkeit dazu wird im Dokument US 2020/0150624 A1 beschrieben, bei dem als organisch bezeichnete Design-Bereiche des Polygonnetzes automatisiert in eine Begrenzungsflächendarstellung mit Freiformflächen überführt werden. Anschließend werden diese Flächen mit den innerhalb eines CAD-Programms modellierten und als nicht-organisch bezeichnete Non-Design-Bereiche in Form einer Begrenzungsflächendarstellung additiv kombiniert, sodass sich das gesamte Objekt bildet.
Dabei treten jedoch harte oder scharfkantige Übergänge zwischen den organischen und den nicht-organischen Oberflächen auf. Daher eignen sich solche Modelle nicht universell als Vorlagen für Fertigungsverfahren zur Herstellung des Objekts. Beispielsweise können solche scharfkantigen Übergänge nicht mit ausreichender Qualität mittels Gießverfahren, insbesondere Formgussverfahren, hergestellt werden.
Formgussverfahren weisen meist eine verhältnismäßig geringe Fertigungsgenauigkeit auf, sodass derart hergestellte Bauteile meist spanend nachbearbeitet werden. Das durch das Formgussverfahren hergestellte Objekt wird beispielsweise als Rohteil bezeichnet. Das sich durch die Nachbearbeitung ergebende Objekt wird beispielsweise als Fertigteil bezeichnet. Als Bearbeitungskörper kann ein Körper bezeichnet werden, dessen volumetrische Subtraktion vom Rohteil das Fertigteil ergibt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur Modellierung eines zu fertigenden Objekts anzugeben, das zur Verwendung bei der Fertigung des Objekts anhand eines Gießverfahrens besser geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, ein Rohteil abhängig von einem Ergebnis einer Topologieoptimierung anhand von Freiformflächen zu modellieren und einen Anteil, der einem Bearbeitungskörper entspricht, von der Darstellung durch die Freiformflächen zu entfernen, um das Objekt zu modellieren.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen Modells eines zu fertigenden Objekts, insbesondere eines Fertigteils, angegeben. Dazu wird basierend auf einer vorgegebenen Beschreibung eines Bearbeitungskörpers und einem vorgegebenen Optimierungsziel ein Topologieoptimierungsverfahren durchgeführt, um eine topologieoptimierte Darstellung eines Rohteils zu erzeugen. Basierend auf der topologieoptimierten Darstellung des Rohteils wird wenigstens eine Freiformfläche im dreidimensionalen Raum erzeugt, wobei die wenigstens eine Freiformfläche insbesondere ebenfalls das Rohteil darstellt. Ein dem Bearbeitungskörper entsprechender Anteil wird von einem durch die wenigstens eine Freiformfläche definierten Volumen entfernt, um das Modell des Objekts zu erzeugen.
Hier und im Folgenden können die Verfahrensschritte des computerimplementierten Verfahrens und seiner verschiedenen Ausführungsformen jeweils durch ein Computersystem durchgeführt werden, insbesondere automatisch, sofern nicht explizit auf etwas anderes hingewiesen wird. Insbesondere kann die wenigstens eine Freiformfläche mittels des Computersystems erzeugt werden und der dem Bearbeitungskörper entsprechende Anteil kann mittels des Computersystems von der Darstellung des Rohteils durch die wenigstens eine Freiformfläche entfernt werden.
Das Optimierungsziel kann beispielsweise eine Minimierung des Bauteilgewichts beinhalten. Das Topologieoptimierungsverfahren kann außerdem abhängig von einer oder mehreren Neben- oder Randbedingung durchgeführt werden. Die Neben- oder Randbedingungen können beispielsweise eine maximal zulässige Verformung unter gegebenen mechanischen Lasten betreffen.
Die Beschreibung des Bearbeitungskörpers kann insbesondere vorgegeben werden, indem die Beschreibung des Bearbeitungskörpers auf einem Speicherelement des Computersystems gespeichert wird, sodass das Computersystem lesend auf die Beschreibung zugreifen kann.
Das Topologieoptimierungsverfahren kann beispielsweise basierend auf Design-Bereichen, welche durch das Topologieoptimierungsverfahren veränderbar sind, Non-Design-Bereichen, welche durch das Topologieoptimierungsverfahren nicht veränderbar sind, und dem Bearbeitungskörper durchgeführt werden.
Die Design-Bereiche zusammen mit den Non-Design-Bereichen können das Rohteil definieren und durch Entfernung des Bearbeitungskörpers kann daraus ein Fertigteil resultieren. In diesem Fall kann der Bearbeitungskörper die Funktionsflächen beinhalten, sodass das Fertigteil nach Entfernung des Bearbeitungskörpers in diesen Bereichen eine exakte geometrische Form, scharfe Kanten, scharfe Übergänge oder dergleichen aufweist, was beispielsweise zur Lasteinleitung, Bauteilanbindung oder sonstigen Funktion nötig sein kann.
Für die Bestimmung der Gestalt des Rohteils durch die Topologieoptimierung wird insbesondere der zur Verfügung stehende Raum in dreidimensionale, beispielsweise quaderförmige Bereiche aufgeteilt, die auch als Voxel bezeichnet werden. Die geometrische Gestalt des Bauteils wird zum Beispiel durch einen veränderbaren Materialfüllgrad in jedem Voxel bestimmt. Diese Voxel-Darstellung kann auch als räumliche Dekomposition bezeichnet werden.
Die wenigstens eine Freiformfläche stellt eine geschlossene zweidimensionale Mannigfaltigkeit im dreidimensionalen Raum dar. Die wenigstens eine Freiformfläche zur Darstellung des Rohteils kann insbesondere eine oder mehrere miteinander kombinierte Freiformflächen behalten. Die Freiformflächen können beispielsweise als NURBS (Englisch: „non-uniform rational B-splines“), als Unterteilungsflächen (Englisch: „subdivision surfaces“) oder als sonstige Freiformflächen ausgestaltet sein.
Die Verwendung von Unterteilungsflächen hat insbesondere den Vorteil, dass beliebige Objekte durch eine einzige Unterteilungsfläche abgebildet werden können. Somit entfällt der Verschnitt einzelner Flächen-Patches, welcher bei NURBS die Stabilität, Stetigkeit und Modifizierbarkeit beeinträchtigen kann.
Das Rohteil und der Bearbeitungskörper können im Kontext einer tatsächlichen Fertigung des Objekts verstanden werden. Fertigt man zunächst das Rohteil, so ergibt sich das Objekt, insbesondere das Fertigteil, durch subtraktive Fertigungsschritte aus dem Rohteil, wobei die subtraktiven Fertigungsschritte dazu dienen, den dem Bearbeitungskörper entsprechenden Anteil von dem Rohteil zu entfernen. Daher ist das computerimplementierte Verfahren nach dem verbesserten Konzept dem Ablauf bei einer tatsächlichen Fertigung des Objekts, beispielsweise durch ein Formgussverfahren mit anschließenden zerspanenden Fertigungstechniken, nachempfunden, und eignet sich aus diesem Grund besonders gut als Vorlage für entsprechende Fertigungsverfahren.
Insbesondere können durch die wenigstens eine Freiformfläche Oberflächenabschnitte des Objekts besonders realistisch derart modelliert werden, wie sie mit Hilfe von Formgussverfahren auch tatsächlich hergestellt werden können. Scharfe Kanten, Hinterschneidungen und sonstige harte Übergänge werden bei der Fertigung von Objekten unter der Verwendung von Gießverfahren üblicherweise durch zerspanende Fertigungsschritte realisiert und nicht durch den Gießprozess an sich. Durch die Kombination des Bearbeitungskörpers mit der wenigstens einen Freiformfläche in der beschriebenen Weise kann genau dies nachvollzogen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des computerimplementierten Verfahrens nach dem verbesserten Konzept wird zum Entfernen des dem Bearbeitungskörper entsprechenden Anteils von der Darstellung des Rohteils durch die wenigstens eine Freiformfläche eine Boolesche Subtraktionsoperation durchgeführt. Die Boolesche Subtraktionsoperation wird dabei basierend auf der Beschreibung des Bearbeitungskörpers und der wenigstens einen Freiformfläche durchgeführt. Durch die Boolesche Subtraktionsoperation wird das Rohteil mit dem Bearbeitungskörper verschnitten, wobei das Modell des Objekts einem Ergebnis der Verschneidung entspricht.
Bezeichnet man die Menge von Punkten im dreidimensionalen Raum, die durch die wenigstens eine Freiformfläche definiert werden mit A und die Punkte im dreidimensionalen Raum, die dem Bearbeitungskörper entsprechen, mit B, so entspricht das Ergebnis der Verschneidung also A Λ (¬ B).
Grundsätzlich kann zur Beschreibung des Bearbeitungskörpers beispielsweise eine beliebige native Beschreibungsform von CAD-Programmen herangezogen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Beschreibung des Bearbeitungskörpers eine Begrenzungsflächendarstellung.
Die Begrenzungsflächendarstellung entspricht einer, insbesondere digitalem, Beschreibung eines voluminösen Objekts oder Körpers durch eine entsprechende geschlossene Oberfläche. Die Oberfläche kann beispielsweise durch parametrische Flächen, wie beispielsweise NURBS, beschrieben werden. Der Bearbeitungskörper kann so beispielsweise mittels eines CAD-Programms vorkonstruiert und so bereitgestellt werden. Alternativ kann der Bearbeitungskörper auch automatisch mittels des Computersystems erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Beschreibung des Bearbeitungskörpers ein konstruktives Festkörpergeometriemodell, auch als Constructive-Solid-Geometry-Modell oder CSG-Modell bezeichnet.
Zur Definition des CSG-Modells werden mehrere geometrische Grundkörper, wie Kugeln, Zylinder, Würfel, Pyramiden, Quader, Kegel, und so weiter, oder auch Teile solcher Grundkörper, durch implizite Funktionen definiert und durch eine oder mehrere Boolesche Operationen kombiniert, um eine geometrische Gestalt des Bearbeitungskörpers festzulegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird basierend auf der topologieoptimierten Darstellung des Rohteils ein Polygonnetz erzeugt, insbesondere ein Dreiecksnetz, welches das Rohteil näherungsweise darstellt und die wenigstens eine Freiformfläche wird basierend auf dem Polygonnetz erzeugt.
Das Topologieoptimierungsverfahren kann beispielsweise den Einsatz einer Finite-Elemente-Methode, einer Dichte-Methode und/oder einer Level-Set-Methode beinhalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform enthält die topologieoptimierte Darstellung des Rohteils ein dreidimensionales Voxelmodell zur Darstellung des Rohteils.
Beispielsweise kann das Polygonnetz basierend auf dem Voxelmodell erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei der Erzeugung der wenigstens einen Freiformfläche basierend auf dem Polygonnetz ein lokaler geometrischer Abstand der wenigstens einen Freiformfläche von dem Polygonnetz auf einen vorgegebenen Maximalabstand begrenzt.
In der fertig erzeugten wenigstens einen Freiformfläche ist der lokale Abstand von dem Polygonnetz also stets kleiner oder gleich dem vorgegebenen maximal zulässigen Abstand. Der Maximalabstand kann beispielsweise der Fertigungstoleranz entsprechen.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Computerprogramm mit Befehlen angegeben. Bei Ausführung der Befehle durch ein Computersystem veranlassen die Befehle das Computersystem dazu, ein computerimplementiertes Verfahren nach dem verbesserten Konzept durchzuführen.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein computerlesbares Speichermedium angegeben. Das computerlesbare Speichermedium speichert ein Computerprogramm nach dem verbesserten Konzept.
Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Fertigungsverfahren zur Fertigung eines Objekts angegeben. Dazu wird ein dreidimensionales Modell des Objekts unter Verwendung eines computerimplementierten Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche erstellt und das Objekt wird unter Verwendung des Modells gefertigt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Fertigungsverfahrens beinhaltet die Fertigung des Objekts ein Gießverfahren, insbesondere ein Formgussverfahren.
Beispielsweise kann basierend auf dem Modell oder basierend auf der wenigstens einen Freiformfläche eine Gussform für das Gießverfahren hergestellt werden. Das Ergebnis des Gießverfahrens entspricht dann beispielsweise dem Rohteil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet die Fertigung des Objekts ein subtraktives oder spanabhebendes Fertigungsverfahren, das nach dem Gießverfahren durchgeführt wird.
Das Rohteil kann durch das subtraktive Fertigungsverfahren daher bearbeitet werden, sodass schlussendlich das Objekt resultiert. Das subtraktive Fertigungsverfahren kann insbesondere unter Verwendung des Modells als Vorlage, beispielsweise zur Erstellung eines CNC-Programms oder dergleichen, verwendet werden. Das subtraktive Fertigungsverfahren realisiert also die Verschneidung des Rohteils mit dem Bearbeitungskörper wie es Teil des computerimplementierten Verfahrens ist.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen von dem verbesserten Konzept umfasst sein. Es sind somit auch solche Ausführungen des verbesserten Konzepts umfasst und offenbart, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und/oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit insbesondere auch Ausführungen und Merkmalskombinationen umfasst und offenbart, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen umfasst und offenbart, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von denen abweichen. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines computerimplementierten Verfahrens nach dem verbesserten Konzept; und
2 Verfahrensschritte einer beispielhaften Ausführungsform eines computerimplementierten Verfahrens nach dem verbesserten Konzept.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines computerimplementierten Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Modells 5 eines zu fertigenden Objekts dargestellt.
Im Schritt S1 wird ein Polygonnetz 2, beispielsweise eines Rohteils, bereitgestellt, insbesondere ein Dreiecksnetz, beispielsweise als Ergebnis oder abhängig von einem Ergebnis eines vorhergehenden Topologieoptimierungsverfahrens.
In Schritt S2 wird basierend auf dem Polygonnetz 2 ein Rohteil modelliert, indem es durch wenigstens eine Freiformfläche 3 im dreidimensionalen Raum dargestellt wird. Im Schritt S3 wird eine Beschreibung eines Bearbeitungskörpers 4 bereitgestellt, wobei der Bearbeitungskörper 4, wie im Beispiel der 1 angedeutet, eine oder mehrere Komponenten beinhalten kann. Der Bearbeitungskörper 4 kann beispielsweise manuell oder automatisiert anhand von CAD-Softwareprogrammen erstellt werden, beispielsweise durch Kombination von entsprechenden geometrischen Grundkörpern wie Zylindern, Kugeln oder Quadern.
Im Schritt S4 wird eine Boolesche Subtraktionsoperation durchgeführt, um die wenigstens eine Freiformfläche 3 mit dem Bearbeitungskörper 4 zu verschneiden, sodass ein Anteil, welcher dem Bearbeitungskörper 4 entspricht, aus der Darstellung des Rohteils durch die wenigstens eine Freiformfläche 3 entfernt wird.
Als Ergebnis liefert Schritt S4 das Modell 5 des Objekts. Die Bereiche, die durch das Entfernen des Bearbeitungskörpers 4 erzeugt wurden, können beispielsweise Funktionsbereichen oder Funktionsflächen zur Lasteinleitung, Anbindungsbereiche eines Bauteils, Lagerstellen und so weiter darstellen.
So lassen sich größtenteils Übergangsbereiche zwischen Komponenten des Objekts erzeugen, die glatt verlaufende Oberflächen aufweisen. Dementsprechend eignet sich das Modell 5 beziehungsweise die wenigstens eine Freiformfläche 3 in besonderer Weise zur Fertigung des Rohteils anhand eines Gießverfahrens. Die Verschneidung des Rohteils mit dem Bearbeitungskörper 4 kann durch subtraktive Fertigungsschritte realisiert werden, wobei das Modell 5 als Vorlage dient.
In 2 sind Verfahrensschritte einer weiteren beispielhaften Ausführungsform eines computerimplementierten Verfahrens nach dem verbesserten Konzept dargestellt, die beispielsweise Teil der Verfahrensschritte S1 beziehungsweise S2 des in 1 dargestellten Verfahrens sein können. Insbesondere sind Verfahrensschritte S1a, S1b dargestellt, die von Schritt S1 des Verfahrens nach 1 umfasst sein können sowie Verfahrensschritte S2a bis S2b, die von dem Verfahrensschritt S2 des Verfahrens nach 1 umfasst sein können.
Die Verfahrensschritte S3 und S4 können entsprechend wie bezüglich 1 beschrieben durchgeführt werden.
In 2 ist unter anderem dargestellt, wie das Polygonnetz 2 erzeugt werden kann. Dazu kann insbesondere in Schritt S1a ein dreidimensionales Voxelmodell 1 anhand eines Topologieoptimierungsverfahrens erzeugt werden. Im Schritt S1b wird basierend auf dem Voxelmodell 1 das Polygonnetz 2 erzeugt, wobei beispielsweise ein sogenannter marching cube Algorithmus oder eine Erweiterung eines solchen Algorithmus verwendet werden kann.
Im Verfahrensschritt S2a wird basierend auf dem Polygonnetz 2 ein Richtungsfeld, beispielsweise ein Kreuzfeld, also ein Richtungsfeld vierten Grades, erzeugt. Das Richtungsfeld kann dabei entlang der entsprechenden Bauteilkanten orientiert sein. Es kann insbesondere eine möglichst glatte Interpolation auf ebenen Flächen angestrebt werden.
In Verfahrensschritt S2b wird basierend auf dem Richtungsfeld ein Parameterfeld erzeugt, das beispielsweise zwei Skalarfelder beinhaltet, die Gradienten gemäß dem Richtungsfeld aufweisen.
In Schritt S2c wird basierend auf dem Parameterfeld beispielsweise ein CAD-Kontrollnetz erzeugt. Die entsprechenden CAD-Kontrollnetzkanten können an ganzzeiligen Isowerten der Skalarfelder des Parameterfelds positioniert werden.
In Schritt S2d wird basierend auf dem CAD-Kontrollnetz die wenigstens eine Freiformfläche 3 erzeugt, beispielsweise durch Definition entsprechender Unterteilungsflächen über das CAD-Kontrollnetz. Optional kann anschließend ein geometrisches Fitten der wenigstens einen Freiformfläche auf ein Optimierungsergebnis hin durchgeführt werden.
Wie beschrieben ermöglicht es das verbesserte Konzept, ein dreidimensionales Modell eines zu fertigenden Objekts zu erstellen, das sich zur Überführung topologieoptimierter Gussbauteilmodelle in CAD-Modelle eignet. Das zu fertigende Objekt wird dazu dargestellt durch ein Rohteil in Form eines Polygonnetzes sowie einen Bearbeitungskörper, beispielsweise in Form einer für CAD-Programme kompatiblen Darstellungsweise wie etwa einer Begrenzungsflächendarstellung.
Das Polygonnetz kann beispielsweise aus einer Topologieoptimierung resultieren, die im Vorfeld modellierte Festkörperobjekte als räumliche Untermengen verwenden kann, beispielsweise um den zur Verfügung stehenden Bauraum oder unveränderbare Non-Design-Bereiche zu kennzeichnen. Die Topologieoptimierung kann beispielsweise eine Dichte-Methode oder Level-Set-Methode verwenden und das Ergebnis kann dann als Dreiecksnetz oder sonstiges Polygonnetz vorliegen, entweder direkt aus der Topologieoptimierung oder durch eine entsprechende Überführung.
Das Polygonnetz kann in verschiedenen Ausführungsformen auch in einzelne Bereiche unterteilt werden, die zum Beispiel überwiegend viereckig sind, jedoch auch beispielsweise dreieckig oder fünfeckig sein können. Die Erstellung der wenigstens einen Freiformfläche kann basierend auf der Unterteilung des Polygonnetzes in die einzelnen Bereiche erfolgen, wobei der lokale geometrische Abstand zum Polygonnetz begrenzt werden kann, beispielsweise unterhalb einer jeweiligen Fertigungstoleranz.
Die wenigstens eine Freiformfläche wird mit dem Bearbeitungskörper verschnitten, um das Fertigteil zu erzeugen. Die dreidimensionalen Modelle können dann zur Herstellung einer physischen Struktur durch ein Fertigungssystem verwendet werden. Das Fertigungssystem kann dabei eine additive und/oder eine subtraktive Fertigungsmaschine beinhalten. Das Fertigungssystem kann aber auch alternativ oder zusätzlich an dem Fertigungsprozess mit angebundenem gießtechnischen Urformen abbilden.
Die Topologieoptimierung ist ein rechnerbasiertes Verfahren zur automatisierten Bestimmung einer idealen Gestalt mechanischer Bauteile. Zum Einsatz kommt diese beispielsweise bei der Entwicklung von Gussbauteilen, welche im Betrieb mechanische Lasten übertragen. Beispiele hierfür im Personenkraftfahrzeug sind Radträger oder Motorhalter. Das Ziel bei der Entwicklung ist es meist, ein möglichst leichtes Bauteil zu erhalten, welches alle technischen Anforderungen einhält. Die Anforderungen setzten sich beispielsweise aus der Festigkeit, Herstellbarkeit oder den Eigenfrequenzen zusammen. Für die Bestimmung der Bauteilgestalt durch eine Topologieoptimierung wird der zur Verfügung stehende Bauraum virtuell in kleine, meist quaderförmige Bereiche (sogenannte Voxel) aufgeteilt. Die geometrische Gestalt des Bauteils wird nun zum Beispiel durch einen veränderbaren Materialfüllgrad in jedem Voxel bestimmt.
Wird die initiale Gestalt eines Bauteils durch eine Topologieoptimierung generiert, so müssen vor einer Bauteilfertigung meist weitere geometrische Anpassungen erfolgen. Hierzu zählen beispielsweise das Einprägen von Schriftzügen, das Hinzufügen von Positionsmarkern oder die Modellierung einer Stanzkante an der Trennebene von Gussbauteilen. Ebenfalls erfolgen oftmals manuelle Anpassung zur Verbesserung technischer Eigenschaften, wie der Fertigbarkeit oder mechanischen Festigkeit. Hierzu werden beispielsweise Strebendicken angepasst oder Bauteilkanten verrundet. Das Topologieoptimierungsergebnis liegt meist in Form einer räumlichen Dekomposition oder eines Polygonoberflächennetzes vor, sodass solche Modifikationen in kommerziellen CAD-Systemen für gewöhnlich nicht praktikabel möglich sind.
Neben einer manuellen Modifizierbarkeit, muss die Bauteilgestalt in einer hinreichenden Genauigkeit beschrieben sein. Insbesondere an den Kontaktflächen zu anderen Bauteilen, wie beispielsweise Lagern, muss die Oberflächenkontur exakt definiert sein, um die geforderten Toleranzen einhalten zu können. Diese Bereiche des Bauteils werden bereits vor der Optimierung innerhalb eines Konstruktionsprogramms ausgestaltet und für gängige Topologieoptimierungsverfahren als unveränderbaren Non-Design-Bereich in die räumliche Dekomposition übertragen. Bei dieser Übertragung geht jedoch aufgrund der Darstellungsgenauigkeit der exakte Verlauf der Oberflächen verloren. Dadurch werden abseits des durch die Optimierung ausgestalteten Design-Bereichs die Toleranzanforderungen für die Fertigung des Non-Design Bereichs gegebenenfalls nicht erfüllt.
Somit ist sowohl zur Sicherstellung einer manuellen Modifizierbarkeit als auch zur exakten Modellierung von Oberflächen eine Überführung des Topologieoptimierungsergebnisses in ein Konstruktionsmodell erstrebenswert. Zur Sicherstellung der technischen Eignung, kann das überführte Konstruktionsmodell beispielsweise im Design-Bereich geometrisch dem Strukturoptimierungsergebnis entsprechen und im Non-Design-Bereich die vorkonstruierten Flächen übernehmen. Da Strukturoptimierungsverfahren unter Umständen geometrisch komplexe Oberflächenverläufe generieren, ist dessen manuelle Nachkonstruktion mitunter sehr aufwändig. Das verbesserte Konzept bietet hier eine Möglichkeit zur weitgehenden Automatisierung dieser Prozesse.
Eine automatisierte Überführung in Konstruktionsmodelle ist durch die Verwendung von Freiformflächen, wie beispielsweise B-Splines oder Subdivision Surfaces möglich. Aufgrund dessen Fähigkeit, geometrisch komplexe Strukturen abzubilden, können Modelle hergeleitet werden, welche hinreichend genau den Design-Bereich des Optimierungsergebnisses reproduzieren. Um dieses sicherzustellen, kann der lokale Abstand zwischen der Freiformfläche und der Oberfläche des Optimierungsergebnisses begrenzt sein.
Eine Einschränkung bekannter Ansätze ist es, dass resultierende Übergänge zwischen Design-Bereichen und Non-Design-Bereichen nicht tangentenstetig sind und unter Umständen eine scharfe Kante in der Bauteiloberfläche darstellen. Solche Kanten wirken sich gegebenenfalls nachteilig auf die Bauteilfestigkeit und Herstellbarkeit aus. Zwar ist eine nachträgliche Anpassung durch den Konstrukteur im CAD-Programm möglich, jedoch ist diese nach aufgrund der komplexen Strukturen und zahlreichen Verbindungskurven sehr aufwändig.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen nach dem verbesserten Konzept wird eine automatisierte Überführung topologieoptimierter Gussbauteile in Konstruktionsmodelle durch Freiformflächen ermöglicht. Hierdurch können die benötigte Bauteilentwicklungszeit bis zum fertigbaren Produkt reduziert und die Potentiale von Topologieoptimierungsverfahren besser ausgeschöpft werden. Die Modellierung der Konstruktionsmodelle kann beispielsweise durch Subdivision Surfaces erfolgen. Hierzu werden Oberflächen in überwiegend viereckige Bereiche segmentiert, dessen Begrenzungskanten entlang der Hauptkrümmungsrichtungen orientiert und dessen Größen gemäß der lokalen geometrischen Komplexität angepasst sind. Auf Basis der überwiegend viereckigen Segmentierung wird ein Kontrollnetz extrahiert, mit dem die Subdivision Surfaces definiert und dessen lokale Abstände zum Topologieoptimierungsergebnis durch eine Modifikation der Kontrollnetzknotenpositionen minimiert werden.
Des Weiteren kann gemäß verschiedenen Ausführungen für Gussbauteile sichergestellt werden, dass vorkonstruierte Flächen im Non-Design-Bereich, welche beispielsweise die Kontaktflächen zu anderen Bauteilen darstellen, exakt übernommen werden. Oberflächen von Gussbauteilen mit geringer Fertigungstoleranz werden in der Produktion oftmals erst nachträglich durch Zerspanen ausgestaltet. Hierzu wird zunächst das sogenannte Rohteil gegossen, welches eine gewisse Bearbeitungszugabe aufweist. Anschließend wird diese Bearbeitungszugabe beispielsweise durch ein Fräsen entfernt, wonach das sogenannte Fertigteil vorliegt. Somit werden für die Herstellung sowohl ein Gussrohteil als auch ein Gussfertigteil als CAD-Modell benötigt. Zunächst können beispielsweise innerhalb eines CAD-Programms manuell der veränderbare Design-Bereich, der unveränderbare Non-Design-Bereich und die Bearbeitungskörper erstellt. Das Gussrohteil ergibt sich durch eine Vereinigung des Design-Bereichs mit dem Non-Design-Bereich. Das Gussfertigteil ergibt sich wiederrum durch eine Boolesche Subtraktion der Bearbeitungskörper vom Gussrohteil.
Anschließend werden der Design-Bereich, der Non-Design-Bereich und die Bearbeitungskörper beispielsweise trianguliert und danach voxelisiert. Das resultierende Voxelmodell dient der Topologieoptimierung zur Modifikation des veränderbaren Design-Bereichs. Das durch die Optimierung ausgestaltete Gussrohteil wird nun beispielsweise trianguliert und in ein CAD-Freiformflächenmodell überführt. Schließlich werden die im CAD-Programm vorkonstruierte Bearbeitungskörper durch eine Boolesche Subtraktion vom Gussrohteil entfernt, womit ebenfalls das optimierte Fertigteil als CAD-Modell vorliegt.
Durch die Überführung des Gussrohteils in ein Freiformflächenmodell und der anschließenden Subtraktion der Bearbeitungskörper werden die relevanten Flächen im Non-Design-Bereich exakt und parametrisch beschrieben und der Rest des Bauteils durch tangenten- bis krümmungsstetigen Flächen modelliert.
Bezugszeichenliste

1: Voxelmodell
2: Polygonnetz
3: Freiformfläche
4: Bearbeitungskörper
5: Modell
S1a, S1b: Verfahrensschritte
S2a-S2d: Verfahrensschritte
S3, S4: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2020/0150624 A1 [0007]

Claims

Computerimplementiertes Verfahren zur Erstellung eines dreidimensionalen Modells (5) eines zu fertigenden Objekts, wobei - basierend auf einer vorgegebenen Beschreibung eines Bearbeitungskörpers (4) und einem vorgegebenen Optimierungsziel ein Topologieoptimierungsverfahren durchgeführt wird, um eine topologieoptimierte Darstellung eines Rohteils zu erzeugen; - basierend auf der topologieoptimierten Darstellung eines Rohteils wenigstens eine Freiformfläche (3) im dreidimensionalen Raum erzeugt wird; und - ein dem Bearbeitungskörper (4) entsprechender Anteil von einem durch die wenigstens eine Freiformfläche (3) definierten Volumen entfernt wird, um das Modell (5) des Objekts zu erzeugen.
Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Entfernen des dem Bearbeitungskörper (4) entsprechenden Anteils basierend auf der Beschreibung des Bearbeitungskörpers (4) und der wenigstens einen Freiformfläche (3) eine Boolesche Subtraktionsoperation durchgeführt wird, um das Rohteil mit dem Bearbeitungskörper (4) zu verschneiden, wobei das Modell (5) des Objekts einem Ergebnis der Verschneidung entspricht.
Computerimplementiertes Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschreibung des Bearbeitungskörpers (4) eine Begrenzungsflächendarstellung beinhaltet.
Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Beschreibung des Bearbeitungskörpers (4) ein konstruktives Festkörpergeometriemodell beinhaltet.
Computerimplementiertes Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - auf der topologieoptimierten Darstellung des Rohteils ein Polygonnetz (2) erzeugt wird, welches das Rohteil näherungsweise darstellt; und - die wenigstens eine Freiformfläche (3) basierend auf dem Polygonnetz (2) erzeugt wird.
Computerimplementiertes Verfahren nach Anspruch 5, wobei die topologieoptimierte Darstellung des Rohteils ein dreidimensionales Voxelmodell (1) des Rohteils enthält und das Polygonnetz (2) basierend auf dem Voxelmodell (1) erzeugt wird.
Computerimplementiertes Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung wenigstens einen Freiformfläche (3) basierend auf dem Polygonnetz (2) ein lokaler geometrischer Abstand der wenigstens einen Freiformfläche (3) von dem Polygonnetz (2) auf einen vorgegebenen Maximalabstand begrenzt wird.
Fertigungsverfahren zur Fertigung eines Objekts, wobei - ein dreidimensionales Modell (5) des Objekts unter Verwendung eines computerimplementierten Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche erstellt wird; und - das Objekt unter Verwendung des Modells (5) gefertigt wird.
Fertigungsverfahren nach Anspruch 8, wobei die Fertigung des Objekts ein Gießverfahren beinhaltet, insbesondere ein Formgussverfahren.
Fertigungsverfahren nach Anspruch 9, wobei die Fertigung des Objekts ein subtraktives Fertigungsverfahren beinhaltet, das nach dem Gießverfahren durchgeführt wird.