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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren wie im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 definiert, zur Herstellung eines Produktes,
das lokal spezifizierte Eigenschaften hat und dessen geometrische
Form durch eine Menge von polygonalen Grundfiguren beschrieben ist,
insbesondere in STL (structural triangulation language – strukturelle
Triangulationssprache).
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U.S.
Patent Nr. 5,768,134 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Modell,
das durch Abtasten eines physikalischen Objektes, wie etwa eines
menschlichen Knochens, erhalten worden ist, durch ein künstliches
Element erweitert wird, das eine Farbe oder eine Form sein kann.
Die künstlichen
Elemente sind durch Bezeichnung von Volumenelementen oder Gruppen
von Volumenelementen mittels von Volumenelementen oder Konturen
gestaltet. Anschließend
wird das Modell dazu verwendet, ein Prototypprodukt herzustellen.
EP 539 984 und U.S. 5,776,409 offenbaren
Herstellungstechniken für
die Herstellung solcher Produkte.
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Solche
Produkte können
durch Aufbau des Produktes in Schichten hergestellt werden, indem alle
Arten von Techniken verwendet werden, um Material in Schichten hinzuzufügen, was
unter der Bezeichnung LMT (layers manufacturing technology – Schichtherstellungstechnologie)
oder SFF (solid freedom fabrication) bekannt ist, wie etwa beispielsweise
Stereolithographie und selektives Lasersintern. Es ist auch möglich, solche
Produkte in einem Formherstellungsprozess herzustellen, wobei in
dieser Verbindung der Begriff Form auch so verstanden wird, dass
alle Arten von Dornen und weiteren Werkzeugen gemeint sind, die
zur Herstellung spezifischer Produktformen notwendig sind. Bei dem
Entwurf und der Herstellung dieser Produkte werden oft CAD/CAM-Systeme
verwendet. Es ist zu bemerken, dass ein Produktaufbau in Schichten
auch eine Modellform umfassen kann, die wiederum zur Herstellung
eines weiteren Produktes mit lokal spezifizierten Eigenschaften
verwendet werden kann.
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Um
Flexibilität
bei der Definition von Oberflächenteilen
zu bieten, denen spezifizierte Eigenschaften mit diesen bekannten
Techniken gegeben werden, ist das Verfahren gemäß der Erfindung durch den kennzeichnenden
Teil von Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
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Die
oben erwähnten
spezifizierten Eigenschaften können
sich auf die Farbe beziehen, die speziellen Oberflächenteilen
gegeben werden soll, die Materialzusammensetzung von bestimmten
Teilen des Produktes und/oder physikalische oder andere Eigenschaften
eines bestimmten Teils des Produktes, wie etwa die Elastizität, die Härte und
dergleichen, oder, wenn das Verfahren in einem Formherstellungsprozess
angewendet wird, die Bezeichnung des Teils des Produktes, das in
einer bestimmten Formhälfte
hergestellt werden soll. Wenn das Produkt eine Modellform ist, kann
zum Beispiel eine Materialaufschichtungstechnik zur Herstellung
von Teilen einer Formhälfte
aus verschiedenen Materialien verwendet werden. Auf diese Weise
können
unterschiedlichen Teilen der Modellform unterschiedliche Eigenschaften
gegeben werden, wie etwa beispielsweise unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit,
oder die Modellform kann lokal mit einer Reibungswiderstandsschicht
in einem Operationszyklus versehen werden.
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Ferner
können
Oberflächenteilen
verschiedene Eigenschaften zugeordnet werden, zum Beispiel sowohl
eine bestimmte Materialzusammensetzung als auch eine Farbe. Das
Hinzufügen
von spezifizierten Eigenschaften zu einem Oberflächenteil bedeutet, dass sowohl
direkt spezifizierte Eigenschaften den Grundfiguren des Oberflächenteils
zugeordnet werden und indirekt spezifizierte Eigenschaften den Grundfiguren
des Oberflächenteils
hinzugefügt
werden, indem diese Eigenschaften dem Oberflächenteil zugeordnet werden,
wonach sie allen Grundfiguren hinzugefügt werden, aus denen dieses Oberflächenteil
zusammengesetzt ist.
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Die
Wanddicke der Oberflächenteile,
die zusammen das Modell aufbauen, beträgt Null, weswegen, nachdem
einem oder mehreren ausgewählten Oberflächenteilen
eine oder mehrere spezifizierte Eigenschaften hinzugefügt worden
sind, die dann auf ein Schalenmodell (mit Wanddicke Null) bezogene Information
in Modellinformationen umgewandelt wird, die sich auf ein Volumenmodell
beziehen, wonach auf der Grundlage der letzteren Information das Produkt
mittels eines Schichtaufbringungsverfahrens hergetellt wird. Natürlich ist
diese Maßnahme
nicht auf ein Formgerstellungsverfahren anwendbar. Tatsächlich bleibt
ein CAD-Modell, bei dem den Grundfiguren spezifizierte Eigenschaften
zugeordnet worden, ein CAD-Modell, das direkt einem CAD-System zugeführt werden
kann.
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Die
Auswahl von Oberflächenteilen
kann durch Anzeigen der geometrischen Form des Produktes auf den
Schirm eines Monitors erfolgen, der zu einem Computer gehört, wobei
eine polygonale Grundfigur auf dem Monitor bezeichnet wird, wonach all
diese Grundfiguren mit der bezeichneten Grundfigur zu einem Oberflächenteil
kombiniert werden, wobei deren Normalvektoren zueinander oder in
Bezug auf den Normalvektor der bezeichneten Grundfigur eine vorgegebene
Winkeldifferenz nicht überschreiten.
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Das
Hinzufügen
von spezifizierten Eigenschaften zu Oberflächenteilen kann durch Auswahl eines
Codes von spezifischen Eigenschaften geschehen, die als Code in
dem Speicher eines Computers gespeichert sind, und durch deren Hinzufügung zu
einer Datei, die zu den ausgewählten
Oberflächenteilen
gehört.
Dieser Code kann für
jede der Grundfiguren im Speicher des Computers gespeichert werden.
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Wenn
die Grundfiguren aus Dreiecken in STL-Format bestehen, kann der
Code für
jedes Dreieck in dem Speicherplatz gespei chert werden, der in der
STL-Datei für
jedes Dreieck vorhanden ist. Der standardmäßig verfügbare Speicherraum beträgt gegenwärtig 2 Bytes,
so dass in dem vorhandenen Speicherplatz der STL-Datei beispielsweise
für jedes Dreieck
215 Farbcodes gespeichert werden können.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt wie in Anspruch
9 definiert. Das Programmprodukt kann zur Herstellung von Produkten
sowohl mittels einer schichtweisen Materialaufbringungstechnik als
auch in einem Formherstellungsprozess verwendet werden. Insbesondere wenn
diese vorher genannten Techniken angewendet werden, ist das Programm
so aufgebaut, dass, nachdem eine oder mehrere spezifizierte Eigenschaften
einem oder mehreren ausgewählten
Oberflächenteilen
zugeordnet worden sind, die sich dann auf ein Schalenmodell beziehende
Modellinformation in Modellinformation umgewandelt wird, die sich
auf ein Volumenmodell bezieht, wonach auf der Basis der letzteren
Information das Produkt mittels einer Technik mit Materialaufbringung
in Schichten hergestellt werden kann.
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Schließlich bezieht
sich die Erfindung auf ein Computersystem, dass bei der Herstellung
eines Produkts mit lokal spezifizierten Eigenschaften verwendet
wird, wobei dessen Form durch eine Menge von polygonalen Grundformen
beschrieben wird, insbesondere in STL (structural triangulation
language), wobei das Computersystem eines der oben erwähnten Systeme
verwendet.
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Die
Erfindung wird nun detaillierter mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
beschrieben. In diesen Zeichnungen zeigt.
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1 ein
blockförmiges
Modell in STL mit einem Relief mit einem Buchstaben T darauf, der
in einer anderen Farbe als der Block selbst angelegt ist,
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2 einen
Teil des Buchstabens aus 1, bei dem der Übergang
zwischen der oberen Oberfläche
des Buchstabens und dem Hintergrund nicht scharf ist, und
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3 einen
Querschnitt des in 2 gezeigten Teils des Buchstaben
T.
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Obwohl
eine geometrische Form allgemein durch eine Menge von Grundfiguren
beschrieben werden kann, wird im Folgenden von dreieckigen Grundfiguren
ausgegangen, d.h. Grundfiguren in Standard-STL (structural triangulation
language), wie sie durch ein CAD-System bereitgestellt werden, wenn
zum Beispiel eine "Technik
zur schnellen Prototyperstellung" verwendet
wird. Die STL-Datei umfasst eine Menge von Dreiecken, von denen
jedes durch drei Koordinaten und einen Normalvektor beschrieben
wird. Daneben sind pro Dreieck gegenwärtig üblicherweise 2 Bytes für zusätzliche
Informationen verfügbar.
In dem in Bezug auf die 1 beschriebenen Beispiel besteht
diese Information aus einem Farbcode. 1 zeigt
ein blockförmiges
Modell, das als Relief darauf einen Buchstaben T hat, der in einer
anderen Farbe als der Block selbst gestaltet wird. Um in der Lage
zu sein, jedem Dreieck einen Farbcode zu geben, wird das Objekt,
in diesem Beispiel das blockförmige
Modell aus 1, dreidimensional auf dem Schirm
eines Monitors dargestellt, der zu einem Computer gehört. Dann
wird ein Dreieck, zum Beispiel Dreieck 1, auf dem Schirm
mit den Cursor bezeichnet. Darauf folgt eine automatische Auswahl
aller benachbarten Dreiecke, die eine vorgegebene Bedingung erfüllen, was
bedeutet, dass der Winkel zwischen den Normalvektoren, der auch
als Toleranzwinkel bezeichnet wird, der benachbarten Dreiecke kleiner
als ein vorgegebener Wert sein muss. Wenn in dem hier beschriebenen Beispiel
dieser Toleranzwinkel 60° beträgt, dann
werden, nach Bezeichnung von Dreieck 1, direkt die Dreiecke 2, 3 und 4 ausgewählt. Indem
dann eine gewünschte Farbe
aus einem Farbcode, der in dem Speicher gespeichert ist, ausgewählt wird,
wird der relevante Code den STL-Dateien der Dreiecke 1–4 hinzugefügt. Dann
ist in diesem Beispiel das Hintergrunddreieck 5 zu bezeichnen,
wonach unter Verwendung der gleichen Bedingung die Dreiecke 6–16 direkt
ausgewählt
werden. Ferner kann den STL-Dateien dieser Gruppe ein Farbcode hinzugefügt werden.
Danach kann dieser Prozess wiederholt werden, bis den STL-Dateien
der Dreiecke in allen vertikalen Oberflächen des in 1 gezeigten
Modells ein Farbcode hinzugefügt
worden ist. Auf diese Weise werden Gruppen von Dreiecken, das heißt Oberflächenteile
erhalten, bei denen für
die relevanten Dreiecke ein Farbcode in die STL-Dateien eingefügt ist.
Beispielsweise kann dem Block in 1 die Farbe
Weiß gegeben
werden und dem darauf als Relief vorgesehenen Buchstaben T kann
die Farbe Rot gegeben werden. Wenn in diesem Beispiel ein Toleranzwinkel
von beispielsweise 100° als
Bedingung für
die vertikalen Oberflächen
des Buchstabens T und des Blocks ausgewählt wird, dann können, nachdem
ein Dreieck in einer relevanten vertikalen Fläche bezeichnet worden ist,
alle Dreiecke in allen vertikalen Oberflächen des Buchstabens T oder
des Blocks in einem Schritt ausgewählt werden. Dies ist jedoch nur
möglich,
wenn Oberflächenteile,
die bereits mit einem Farbcode versehen worden sind, ausgeschlossen
werden.
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Es
können
Probleme auftreten, wenn der Übergang
zwischen zwei Oberflächenteilen
nicht scharf genug ist. Diese Situation ist in 2 und 3 gezeigt. 2 zeigt
einen Teil des Buchstabens T aus 1, wobei
der Übergang
zwischen der Oberseite des Buchstabens und dem Hintergrund nicht
scharf ist, während 3 einen
Querschnitt des Teils des in 2 gezeigten
Buchstabens T zeigt. In 2 ist die Dreiecksstruktur nur
in einer der Übergangsflächen von
der nach oben hervorragenden Relieffläche zur Hintergrundfläche gezeigt.
Wenn der Toleranzwinkel zwischen zwei benachbarten Dreiecken jeweils
berücksichtigt
wird, dann werden, nachdem zum Beispiel das obere Dreieck 17 bezeichnet worden
ist, alle Dreiecke in der relevanten Übergangsfläche sukzessive ausgewählt. Es
ist jedoch auch möglich,
immer die Normalvektoren der relevanten Dreiecke mit denen des Dreiecks 17 zu
vergleichen, so dass, wenn ein Winkel zwischen den Normalvektoren
von beispielsweise 30° als
Bedingung angenommen wird, nur eine obere Gruppe von Dreiecken ausgewählt wird.
Dies kann im ersten Fall als ein relativer Toleranzwinkel und im
zweiten Fall als ein absoluter Toleranzwinkel bezeichnet werden.
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Ferner
ist es möglich,
den Querschnitt auf dem Bildschirm (3) anzuzeigen
und, indem ein Fenster bereitgestellt wird, die Teile 18 der
relevanten Übergangsflächen zu
bezeichnen, zu denen ein spezifischer Farbcode hinzugefügt werden
soll.
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Wenn
den STL-Dateien des Modells ein Farbcode hinzugefügt werden
soll, wird dies in CTL (colored triangulation language) beschrieben.
Ein CAD-Modell in CTL kann einem CAM-System zum Entwurf einer Form
zugeführt
werden, wonach die Produkte durch eine entsprechend realisierte
Form durch Spritzguss hergestellt werden können, wobei die Farbe, in der
spezifische Teile des Produkts geformt werden sollen, berücksichtigt
werden muss. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel kann der
Block beispielsweise in einer Formhälfte und der Buchstabe T in
der anderen Formhälfte
geformt werden. Durch Einführen
eines weißen
Kunststoffs, zum Beispiel ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol Kopolymer)
in die Form einer Formhälfte
und, wenn dieser ausreichend ausgehärtet ist, eines roten Kunststoffs,
beispielsweise PC (Polycarbonate) von der anderen Formhälfte aus,
kann ein in zwei Farben gespritztes Produkt erhalten werden. Dann
muss jedoch die Modellform in einer geeigneten Weise gestaltet sein.
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Um
in der Lage zu sein, ein Produkt durch Aufbringen von Material in
Schichten herzustellen, ist ein CTL dargestelltes Mo dell ungenügend. Tatsächlich ist
die Wanddicke der Oberflächenteile,
die zusammen das Modell ausmachen, Null; ein solches Modell wird
im Weiteren als Schalenmodell bezeichnet. Dieses Schalenmodell muss
in ein Volumenmodell umgewandelt werden.
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Nachdem
die Oberflächenteile,
denen eine spezifische Farbe gegeben werden soll, ausgewählt worden
sind, muss eine Umwandlung des Schalenmodells, das durch die gemeinsamen
Oberflächenteile
aufgebaut ist, in ein Volumenmodell stattfinden. Aufeinanderfolgend
sind in 4A–4C ein Schalenmodell
eines würfelförmigen Gegenstandes, ein
Körperelementmodell
davon und ein Körperelement-Schalenmodell
dieses Gegenstandes gezeigt. Angenommen, dass den durch die vier
aufrechten Seiten gebildeten Oberflächenteilen die Farbcodes Blau
(Bl), Rot (Re), Grün
(Gr) und Gelb (Ye) gegeben worden sind, dann muss das in CTL beschriebene Modell
4A in ein Volumenmodell umgewandelt werden, das heißt, entweder
in ein Körperelementmodell 4B
oder in ein Körperelement-Schalenmodell
4C. Tatsächlich
kann eine sogenannte „Scheibe" aus diesen Modellen
4B und 4C gebildet werden, das heißt, eine Schicht mit einer
bezeichneten Dicke. Das Produkt kann dann in bekannter Weise mit
Techniken zum Aufbringen von Materialschichten aufgebaut werden,
indem. Schichten 19 aufeinander bereitgestellt werden (4C),
während
die unterschiedlichen Teile jeder Schicht in der bezeichneten Farbe
bereitgestellt werden.
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Das
Verfahren, bei dem ein Modell STL in CTL umgewandelt wird, und wenn
erforderlich anschließend
in ein Volumenmodell, wird durch ein dafür geeignetes Programm realisiert.
Der Algorithmus muss so ablaufen, dass die zu extrudierenden Oberflächen einander
nicht schneiden. In 5A sind drei Dreiecke in CTL
gezeigt. Wenn daraus ein Körperelement-Schalenmodell
ohne weitere Merkmale hergestellt werden soll, wird ein Produkt
wie in 5B gezeigt erhalten. Korrekturen
in dem Algorithmus müssen
sicherstellen, dass ein Modell wie in 5C erhalten
wird. Es können,
wenn erwünscht,
natürlich auch
andere Korrekturen durchgeführt
werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die mit Bezug auf die Figuren beschriebenen
beispielhaften Ausführungsformen
beschränkt,
sondern umfasst alle Modifikationsformen davon, natürlich soweit
diese in den Schutzumfang der zugehörigen Patentansprüche fallen.
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Mithin
ist es zum Beispiel möglich,
dass die dem Modell in STL hinzuzufügenden Codes sich nicht auf
die Farbe der ausgewählten
Oberflächenteile
beziehen, sondern auch auf andere spezifizierte Eigenschaften oder
Kombinationen von spezifizierten Eigenschaften, wie bereits zuvor
erwähnt.
Zum Beispiel können
die aufrechten roten und gelben Seitenflächen des Körperelement-Schalenmodells
wie in 4C gezeigt aus einem härteren Kunststoff
als die blauen und grünen
aufrechten Seitenflächen
hergestellt werden.
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Das
hier beschriebene Verfahren wird mittels Computerprogrammen realisiert,
die speziell darauf gerichtet sind, aus den Grundfiguren ein Oberflächenteil
auszuwählen,
das aus zusammenhängenden
Grundfiguren zusammengesetzt ist, und diesem Oberflächenteil
wenigstens eine spezifizierte Eigenschaft hinzuzufügen, die
während
der Herstellung des Produktes diesem Teil davon zu geben ist, das das
oben erwähnte
Oberflächenteil
umfasst, und diese Prozessschritte optional für andere auszuwählende Oberflächenteile
zu wiederholen oder die dann auf ein Schalenmodell bezogene Information
in Modellinformation bezüglich
eines Volumenmodells umzuwandeln.