DE19727934A1

DE19727934A1 - Component sectional surface preparation method for layered manufacturing technique

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Publication number: DE19727934A1
Application number: DE19727934A
Authority: DE
Inventors: Frank-Lothar Prof Dr In Krause; Armin Dr Ing Ulbrich; Michael Dipl Ing Ciesla; Holger Dipl Ing Wirtz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 1999-01-21

Abstract

The component surface preparation method has the individual layers of the component divided into segments, with the local layer thickness for each of these segments determined, in dependence on the layer geometry. The component may be divided into segments via an adaptive slicing technique, using a 3- dimensional model of the required component geometry. The layer thickness of each segment may be determined from the localised curvature at each layer and the accuracy requirement.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren zur Aufbe reitung der Schnittflächen eines Bauteils für schichtwei se arbeitende Fertigungsprozesse.The invention relates to a method for Aufbe riding the cut surfaces of a component for layer-by-layer se working manufacturing processes.

Derartige Verfahren sind beispielsweise aus folgenden Li teraturstellen bekannt:
Such methods are known for example from the following Li temperature stations:

1) RH Crawford;
Computer Aspects of Solid Freeform Fabrication: Geometry, Process Control and Design Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 1993;
2) A. Dolenc, I. Mäkelä;
Rapid Tools: A Workbench for Data Transfer and Data Preparation for Rapid Prototyping Proceedings of the 4 th European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, Belgirate, 1995;
3) A. Dolenc, I. Mäkelä;
Slicing Procedures for Layered Manufacturing Techniques, Computer Aided Design, Vol. 26 No. 2, 1994;
4) A. Gebhardt;
Rapid prototyping tool for rapid product development, Hanser Verlag, Munich 1996;
5) PF Jacobs;
Rapid Prototyping Manufacturing Fundamentals of Stereolithography Society of Manufacturing Engineers, Dearborn 1992;
6) P. J. de Jager, J. J. Broek, J. S. M. Vergeest Rapid prototyping: extending the layer concept Proceedings of the International Conference on Rapid Product Development, Stuttgart, 1996;
7) T. Pfeifer, W. Eversheim, W. König, M. Weck;
Competitive factor production technology - Aachen perspectives, Aachen machine tool colloquium, VDI-Verlag, Düsseldorf, 1995;
8) MJ Wozny;
Systems Issues in Solid Freeform Fabrication Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin 1992.

Auf diesen Stand der Technik wird zur Erläuterung aller hier nicht im einzelnen beschriebenen Einzelheiten aus drücklich Bezug genommen.This state of the art is used to explain all details not described here in detail expressly referred.

Die Herstellung von Bauteilen nach dem Schichtprinzip findet vorrangig Anwendung bei den sogenannten Rapid Pro totyping-Verfahren. Ausgangspunkt dieser Verfahren ist ein 3D-Modell des Bauteils, das als Ergebnis insbesondere einer rechnerunterstützten Konstruktion vorliegt. Die re sultierende Geometriebeschreibung wird durch geeignete Algorithmen in dünne, aufeinanderfolgende Schichten zer legt; dieser Schritt wird auch als Schnittebenengenerie rung oder Slicing bezeichnet.The production of components according to the layer principle is primarily used in the so-called Rapid Pro totyping process. The starting point of this procedure is a 3D model of the component, which as a result in particular a computer-aided design exists. The right resulting geometry description is given by appropriate Algorithms broken down into thin, successive layers sets; this step is also called a cutting plane generation tion or slicing.

Die bei der Schnittebenengenerierung entstehenden Daten stellen somit eine zweidimensionale Beschreibung des dreidimensionalen Körpers dar. Das Bauteil kann anschlie ßend durch Herstellung und Zusammenfügen der einzelnen Schichten auf Basis der Schnittdaten erzeugt werden.The data generated during the cutting plane generation thus provide a two-dimensional description of the three-dimensional body. The component can then eats by making and assembling the individual Layers are created based on the cutting data.

Die Bauteilherstellung kann z. B. mit einer Maschine er folgen, die die Schichten aus einem Papier ausschneidet und zusammenklebt (Laminated Object Manufacturing). Wei tere Möglichkeiten sind die Herstellung des Bauteils durch Aushärten eines Harzes (Stereolithographie) oder Schmelzen eines pulverförmigen Ausgangsmaterials (Selek tives Lasersintern), wobei die einzelnen Schichten suk zessive übereinander erzeugt werden. The component production can, for. B. with a machine follow that cuts out the layers from a paper and stuck together (Laminated Object Manufacturing). Wei Other options are the manufacture of the component by curing a resin (stereolithography) or Melting a powdery raw material (Selek tives laser sintering), the individual layers successively cessive one above the other.

Bei der Fertigung von Bauteilen nach dem Schichtprinzip werden Schrägen oder gekrümmte Wände (beispielsweise Ver rundungen), die nicht in der Schnittebene liegen, nicht exakt, sondern approximiert aufgrund des sogenannten Treppeneffekts erzeugt. Eine Verbesserung der Approxima tion von Schrägen oder gekrümmten Wänden kann nur durch Generierung von dünneren Schichten erzielt werden. Eine Erhöhung der Schichtanzahl zieht jedoch zwangsläufig län gere Bauzeiten nach sich.When manufacturing components according to the layer principle bevels or curved walls (e.g. Ver curves) that are not in the cutting plane exact, but approximated due to the so-called Stair effect created. An improvement in the approxima tion of inclines or curved walls can only be achieved by Generation of thinner layers can be achieved. A However, increasing the number of layers inevitably takes longer shorter construction times.

Einige auf dem Markt verfügbare Systeme unterstützen ein sogenanntes adaptives Slicing. Mit dem adaptiven Slicing ist es möglich, die Schichtdicken über der Bauteilhöhe variabel zu gestalten, so daß beim Auftreten von senk recht auf der Schnittebene stehenden, geraden Wänden dic kere, bei gekrümmten Wänden dünnere Schichten aufeinander gebaut werden.Some systems available on the market support one so-called adaptive slicing. With adaptive slicing it is possible to increase the layer thickness over the component height to be made variable, so that when lower occurs straight walls standing on the cutting plane dic kere, in the case of curved walls thinner layers on top of each other be built.

Erfindungsgemäß ist jedoch erkannt worden, daß auch bei den existierenden und in den vorgenannten Literaturstel len beschriebenen Verfahren zum "adaptiven Slicen" die Bauzeit bei generativen Fertigungsverfahren die Bauzeit noch reduziert werden kann.According to the invention, however, it has been recognized that at the existing and in the aforementioned literature len described methods for "adaptive slicing" Construction time in generative manufacturing processes can still be reduced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufbereitung der Schnittflächen eines Bauteils für schichtweise arbeitende Fertigungsprozesse anzugeben, bei dem die Bauzeit verglichen mit herkömmlichen Verfahren zum "adaptiven Slicen" deutlich verringert ist. The invention has for its object a method for the preparation of the cut surfaces of a component for specify manufacturing processes that work in shifts, at the construction time compared to conventional methods for "adaptive slicing" is significantly reduced.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.An inventive solution to this problem is in Pa Claim 1 indicated. Developments of the invention are the subject of claims 2 following.

Erfindungsgemäß wird das aus einzelnen Schichten zu fer tigende Bauteil zunächst in Segmente zerlegt wird. Für jedes Segment wird die lokale Schichtdicke entsprechend der Geometrie der Schichten dieses Segments bestimmt.According to the invention, this turns into individual layers component is first broken down into segments. For each segment becomes the local layer thickness accordingly the geometry of the layers of this segment.

Damit ist es möglich, Schichtdicken bezogen auf einzelne Bereiche des Bauteils zu definieren. Dies hat den Vor teil, daß Geometrieelemente mit senkrecht auf der Schnit tebene stehenden, geraden Wänden in dickeren Schichten und Geometrieelemente mit gekrümmten Wänden in dünneren Schichten aufgebaut werden können. Durch eine so gestal tete Geometrieaufbereitung läßt sich eine zum Teil erheb liche zeitliche Einsparung bei der Herstellung von Bau teilen nach dem Schichtprinzip erzielen.This makes it possible to apply layer thicknesses based on individual Define areas of the component. This has the intent part that geometric elements with perpendicular to the cut level, straight walls in thicker layers and geometry elements with curved walls in thinner Layers can be built up. By such a design Geometry preparation can be partially raised saves time in the manufacture of construction achieve sharing according to the shift principle.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigen:An embodiment of the invention is shown below explained in more detail with reference to the drawing, in which:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorgehensweise, Fig. 1, the procedure of the invention,

Fig. 2 einen Vergleich des erfindungsgemäßen Verfah rens mit Verfahren nach dem Stand der Technik. Fig. 2 shows a comparison of the method according to the invention with methods according to the prior art.

Im folgenden werden die einzelnen Teilschritte des erfin dungsgemäßen Verfahrens beschrieben, das auch als seg mentbasiertes adaptives Slicing bezeichnet wird. The individual sub-steps of the inventions are described below described method according to the invention, which also as seg ment-based adaptive slicing.

Fig. 1 zeigt im linken oberen Teilbild das 3D-Modell des zu fertigenden Bauteils, wie es beispielsweise mittels einer computergestützten Konstruktion erhalten werden kann. Die Generierung des 3D-Modells ist bekannt, so daß hierauf nicht näher eingegangen werden muß. Fig. 1 shows in the upper left part of the 3D model image of the component to be produced, as may be obtained, for example by means of a computer-aided design. The generation of the 3D model is known, so that there is no need to go into further detail here.

Im ersten Schritt, der im rechten oberen Teilbild darge stellt ist, des erfindungsgemäßen Verfahrens zum segment basierten adaptiven Slicing wird das Geometriemodell des zu fertigenden Bauteils in einzelne Bauteilsegmente zer legt. Die Bauteilsegmente stellen Teilvolumen dar. Durch die Zerlegung können Stützelemente oder kritische Berei che, wie beispielsweise schmale Stege, identifiziert wer den, um diesen individuelle Schichtdicken zuordnen zu können. Der diesem Teilschritt zugrundeliegende Algorith mus ermöglicht eine flexible, grafisch-interaktive Vorge hensweise und damit eine aufgabenbezogene Zerlegung eines Geometriemodells in einzelne Segmente.In the first step, which is shown in the upper right drawing is the method of the segment based adaptive slicing becomes the geometry model of the the component to be manufactured into individual component segments sets. The component segments represent partial volumes the disassembly can be support elements or critical area areas, such as narrow bridges, identify who to assign individual layer thicknesses to them can. The algorithm on which this substep is based mus enables a flexible, graphically interactive presentation and a task-related breakdown of a Geometry model in individual segments.

Anschließend werden die einzelnen Segmente in Schichten variabler Dicke zerlegt. Die Zerlegung der einzelnen Bau teilsegmente in Höhenbereiche hat zum Ziel, den Genauig keitsanforderungen an die Bauteilinnen- und -außenkontu ren durch Variationen der Schichtdicken gerecht zu wer den. Ein Höhenbereich ist als eine Anzahl von Layern kon stanter Dicke definiert. Der Definition von Höhenberei chen liegt ein Algorithmus zugrunde, der in einem soge nannten Pre-Slicing-Prozeß mit minimaler Schichtdicke auftretende Krümmungen ermittelt und in Abhängigkeit ei nes vorgegebenen Optimierungskriteriums die geeignete Schichtdicke für zwei übereinander liegende Layer ermit telt. Layer mit gleicher Schichtdicke werden anschließend zu einem Höhenbereich zusammengefaßt.Then the individual segments in layers variable thickness disassembled. The disassembly of each construction partial segments in height ranges has the goal, the exact requirements for the inner and outer component contours through variations in layer thickness the. A height range is con as a number of layers constant thickness defined. The definition of altitude Chen is based on an algorithm, which is called a called pre-slicing process with minimal layer thickness occurring curvatures determined and depending on egg the appropriate optimization criterion Layer thickness for two layers lying on top of each other telt. Layers with the same layer thickness are then summarized to a height range.

Auf der Basis der Vorgaben aus den Höhenbereichen erfolgt die automatische Generierung der Schnittebenen für das Bauteil. Dies ist im rechten unteren Teilbild der Fig. 1 dargestellt. Hierbei werden zunächst die Schnittebenen für die Bauteilsegmente ermittelt. Liegen Schnittebenen von Bauteilsegmenten auf einem gleichen Höhenniveau, so werden diese anschließend zu einer gemeinsamen Schnit tebene zusammengefaßt. Als Ergebnis dieses Teilschrittes können Konturdaten in Standardformaten wie CLI (Common Layer Interface) erzeugt werden.The cutting planes for the component are generated automatically based on the specifications from the height ranges. This is shown in the lower right part of FIG. 1. First, the cutting planes for the component segments are determined. If the cutting planes of component segments are at the same height level, they are then combined into a common cutting plane. As a result of this sub-step, contour data can be generated in standard formats such as CLI (Common Layer Interface).

Fig. 2 erläutert die Vorteile, die sich aus dem segment basierten adaptiven Slicing ergeben. Anders als bei her kömmlichen Verfahren findet bei der segmentbasierten ad aptiven Schnittebenengenerierung die Ausprägung einzelner Bauteilbereiche Berücksichtigung. Während bei der konven tionellen Schnittebenengenerierung keine Bauzeiteinspa rungen möglich sind und das gesamte Bauteil mit einer durch die geforderte Auflösung festgelegten, minimalen Schichtdicke geschnitten wird, wird beim adaptiven Schneiden eine Bauzeiteinsparung durch die Reduzierung der Anzahl zu generierender (bzw. für Stereolithographie zu belichtender) Schichten erzielt. Fig. 2 illustrates the advantages that arise from the segment based adaptive slicing. In contrast to conventional methods, the characteristics of individual component areas are taken into account in segment-based, adaptive cutting plane generation. While no construction time savings are possible with conventional cutting plane generation and the entire component is cut with a minimum layer thickness determined by the required resolution, adaptive cutting saves construction time by reducing the number of layers to be generated (or exposed for stereolithography) achieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das segmentbasierte adap tive Slicing geht einen Schritt weiter, da es durch die Berücksichtigung einzelner Bauteilbereiche nicht nur die Anzahl herzustellender Schichten, sondern auch die Anzahl herzustellender Konturen innerhalb einer Schicht redu ziert. Dementsprechend ergibt sich eine maximale Bau zeiteinsparung, sofern die Anzahl zu belichtender Schich ten und Konturen minimiert wird.The method according to the invention, the segment-based adap tive slicing goes one step further because it is Consideration of individual component areas not only that Number of layers to be produced, but also the number to produce contours within a layer redu graces. Accordingly, there is maximum construction time saving, provided the number of layers to be exposed and contours is minimized.

Bei einem Testbauteil, das mit Hilfe des erfindungsgemä ßen Verfahrens zum segmentbasierten adaptiven Slicing in einzelne Segmente und Schichten unterschiedlicher Dicke (0,1 bis 0,5 mm) zerlegt und auf einer Stereolithogra phiemaschine hergestellt worden ist, ergeben sich im Ver gleich zu dem gleichen Bauteil, das mit Hilfe konventio neller Methoden in Schichten gleicher Dicke (0,1 mm) ge schnitten und ebenfalls auf einer Stereolithographiema schine gebaut, signifikante Vorteile:In a test component that with the help of the invention process for segment-based adaptive slicing in individual segments and layers of different thickness (0.1 to 0.5 mm) disassembled and on a stereolithograph phiemaschine has been produced, result in Ver the same component that is made with the help of konventio neller methods in layers of the same thickness (0.1 mm) cut and also on a stereolithography built, significant advantages:

Bei identischer Oberflächenqualität beider Bauteile, also ohne Qualitätseinbußen, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung der Anzahl zu belichtender Schichten und Konturen und damit eine Reduzierung der Bauzeit von 7 h 51 min auf 5 h 10 min erreicht.With identical surface quality of both components, that is without loss of quality, is by the invention Process a reduction in the number of exposed Layers and contours and thus a reduction in Construction time from 7 h 51 min to 5 h 10 min reached.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan kens beschrieben worden. In jedem Falle erhält man durch das erfindungsgemäße Verfahren zum "segmentbasierten ad aptiven Slicing" ein Verfahren, das eine separate Behand lung einzelner Werkstücksegmente bei der Zerlegung des Bauteils in Schichten variabler Dicke erlaubt. The invention is based on one embodiment game without limiting the general inventive concept kens. In any case you get through the inventive method for "segment-based ad aptive slicing "a procedure that requires a separate treatment development of individual workpiece segments when dismantling the Component allowed in layers of variable thickness.

Insbesondere wird das Geometriemodell des Bauteils durch ein geeignetes Verfahren in einzelne Werkstücksegmente zerlegt, die bei der anschließenden Schnittdatengenerie rung unterschiedlich gehandhabt werden, d. h., denen ver schiedene Schichtdicken in Abhängigkeit von der örtlichen Krümmung zugewiesen werden.In particular, the geometry model of the component is determined by a suitable process in individual workpiece segments disassembled in the subsequent cutting data generation are handled differently, d. that is, ver different layer thicknesses depending on the local Curvature can be assigned.

Claims

1. Process for the preparation of the cut surfaces of a component for layered manufacturing processes, in which

- The component to be manufactured from individual layers is first broken down into segments, and
- The local layer thickness is determined for each segment in accordance with the geometry of the layers of this segment.

2. The method according to claim 1, characterized in that the local layer thickness each Segments depending on the local curvature in the Area of the respective layer of this segment and the Accuracy requirements is determined.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the disassembly of the component in individual segments taking critical Be rich, such as narrow bridges etc.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that cutting planes differ segments that are at the same level, a common cutting plane can be summarized.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that from a 3D model of the fer current component is assumed, which by means of a computer-aided design is obtained.