EP3446243A1 - Verfahren, assistenzsystem und 3d-drucker zum rechnergestützten entwurf von objekten zur additiven fertigung - Google Patents

Verfahren, assistenzsystem und 3d-drucker zum rechnergestützten entwurf von objekten zur additiven fertigung

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Publication number
EP3446243A1
EP3446243A1 EP17727172.3A EP17727172A EP3446243A1 EP 3446243 A1 EP3446243 A1 EP 3446243A1 EP 17727172 A EP17727172 A EP 17727172A EP 3446243 A1 EP3446243 A1 EP 3446243A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
volume element
optimization
target
material distribution
modified
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17727172.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan GAVRANOVIC
Dirk Hartmann
David VITOUX
Utz Wever
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3446243A1 publication Critical patent/EP3446243A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • additive manufacturing is becoming increasingly important. It makes it possible to produce products with almost arbitrarily complex outlines and topologies with relatively little effort. Compared with traditional manufacturing processes, only a few design constraints have to be met in additive manufacturing. As an essential constraint in additive Ferti ⁇ supply should be noted however that stronger overhanging surfaces and edges when printing usually required a support structure loading, otherwise they will the to the layered structure initially with no connection or too weak connection with other parts standing object. Support structures of this kind are to be structurally mounted before being printed on overhanging surfaces of the object and removed again after the printout, which often requires considerable additional effort.
  • the draft ⁇ data can here in particular required properties of the object and / or specifications for the object state, such as size, shape rules, resilience, acting on the object forces, local / global conditions and / or optimizing parameters such as particular Spannun ⁇ gen or deformations.
  • an optimization goal can be provided in particular, cumulative deformations / voltages under
  • volumetric model of the object comprising a plurality of volume elements is initialized.
  • the volumetric specific model can in this case be represented by a data structure in which for each volume element one or several ⁇ re material values, such as in particular a material density are ge ⁇ stores.
  • ⁇ re material values such as in particular a material density are ge ⁇ stores.
  • the target property can in particular specify a local influence of the material distribution on the optimization target and can be determined in particular by means of a simulation of the physical properties of the object.
  • volume element it is checked for a respective volume element whether this volume element is supported in terms of additive manufacturing.
  • this volume element is modified such that the target property Annae ⁇ Hert support in the optimization goal and / or ent ⁇ removed when not support from the optimization goal.
  • a volume element can be regarded as being supported, in particular, when it is interrupted by an underlying element. material-containing volume element or mechanically supported by an outer support element.
  • the material distribution is modified such that the modified material distribution approximates to the optimization target based on the modifi ed ⁇ target properties.
  • the modified Materialver ⁇ distribution is then output to the additive fabrication of the object.
  • An assistance system according to the invention is set up to carry out the above method.
  • a 3D printer according to the invention is set up to carry out the above method and to print out the designed object.
  • An essential advantage of the invention is the fact that excessively overhanging surfaces and edges can be effectively "optimized away" by the optimization process, ie an explicit attachment of support structures - and thus also their removal - as well as an assessment of whether and where structures are to be attached, can usually be omitted so. It proves the rule that the local modification of the target properties as part of the optimization process means that globally almost all material affected Volumenele ⁇ ments are adequately supported. Furthermore felmasse a use or a total of the object not through
  • the method steps of the determination of the local target property, the examination can, whether a respective Volu ⁇ menelement is supported, said depending on the objective intrinsic ⁇ stem is modified, and the modification of the material ⁇ distribution are repeated until a predetermined optimization ⁇ approximately criterion is met .
  • optimization criterion for example, a convergence of a used optimization method ⁇ , adequate stability and / or a rea ⁇ chender material consumption to be designed object or achieving other optimization targets can be used.
  • the volume-element-specific determination of the target self sheep ⁇ th can be effected by means of a finite element method.
  • a finite element method A variety of standardized, stable, and efficient methods and procedures are available for performing a finite element method.
  • the optimization goal may be represented by a target ⁇ function by which a distance of a JE piping material distribution from the optimization goal and / or a physical quantity to be optimized this Materialvertei ⁇ lung is calculated.
  • the objective function can be implemented with particularly ⁇ means of a program routine and / or a data structure.
  • the optimization objective can be easily specified and integrated into an optimization process.
  • it can be determined as a target property for a respective Volu ⁇ menelement as the objective function when changing a material density in said volume element än ⁇ changed themselves.
  • the target property is a local graphite
  • the objective function in the respective volume element vorgese ⁇ hen be, that is, a numerical derivative, in particular a differential quotient, the objective function according to the material density of the considered voxel.
  • the invention can be checked in the test of the support of a respective volume element, if a cone of this volume element downwardly directed cone with a predetermined opening angle to another material-based volume element or on a Aufla ⁇ ge element meets.
  • a further advantageous embodiment of the invention can be checked in the support test for the respective volume element, whether this volume element in terms of additive manufacturing supports another volume element.
  • this volume element in terms of additive manufacturing supports another volume element.
  • the destination attribute of each volume can be menelements modified such that the Zielei ⁇ genschaft approaches for supporting the optimization goal and / or no support from the optimization goal.
  • Figure 1 is an overhanging side surface of a printed
  • Figure 2 shows an assistance system with a 3D printer for designing and additive manufacturing of objects
  • Figure 3A is a cutaway view of an optimized according to the prior art model for an object to be printed and
  • 3B shows a cutaway view of an inventively optimized model for the object.
  • Figure 1 illustrates an overhanging side surface SF ei ⁇ nes additive to be produced, for example, by a 3D printer to be printed object OBJ.
  • an angle of the object surface SF to the vertical is referred to as overhang angle.
  • an overhang angle As mentioned above, in the event that the overhang ⁇ angle is too large, in addition to install before printing support structures and can be detached after printing. While an overhang angle of less than 45 ° is often acceptable, an overhang angle greater than 45 ° may require the attachment of additional support structures.
  • FIG. 2 shows an assistance system AS for designing an object OBJ to be produced in an additive manner and a 3D printer 3D for printing out the designed object OBJ.
  • the assistance system AS has one or more processors PROC configured to execute all the method steps of the As ⁇ sistenzsystems AS and / or executing program instructions to carry out these method steps.
  • the assistance system AS has one or more memories MEM coupled to the processors PROC for storing data to be processed by the assistance system AS.
  • the assistance system AS furthermore has a terminal T with an input terminal IN and with an output terminal OUT.
  • the input terminal IN is used to enter and / or Spe ⁇ zifizieren design data ED, an optimization criterion CR and an objective function CF.
  • the output terminal OUT is for outputting a volumetric model VM with a material distribution of the designed object OBJ.
  • the design data ED to be read in or to be specified can be implemented by data structures by which required properties of the object OBJ and / or specifications for the object OBJ are specified.
  • This information may relate, for example, to dimensions, shape specifications, shapes of object parts, forces acting on the object or parts thereof, load capacity of the object, local and / or global boundary conditions, static and / or dynamic properties of the object and / or design parameters to be optimized ,
  • a global constraint such as a maximum materialbehaf ⁇ tetes volume or a maximum weight of the object can be specified.
  • design parameters to be optimized it is possible to specify, for example, deformations and / or stresses of the object to be minimized under load.
  • the objective function CF represents a physical optimization goal.
  • an ab ⁇ stand a respective material distribution from the optimization target based on a specified distance measure and / or to be optimized physical size of the material distribution is preferably be ⁇ expects.
  • the objective function CF can for example be implemented as a program routine that is entered and / or selected by a entranc ⁇ be and / or specified.
  • the target function CF can be implemented by means of a data structure which specifies the target function CF and / or para- metrisiert. Such an objective function is often referred to as a cost function in the context of optimization methods.
  • the object OBJ to be designed has the least possible cumulative deformations and / or voltages below a breaking point under load.
  • the physical optimization target may be directed to a minimum weight and / or volume of the object OBJ, good air circulation and / or cooling, or a weighted combination of the above optimization criteria.
  • a value of the objective function CF ie a respective distance of a current material distribution of the object OBJ to the physical optimization target, is calculated by simulation of the physical properties of the object OBJ, eg by means of a finite element method on the basis of a volumetric model of the object OBJ.
  • squared deformations and / or stresses of the object OBJ of all the volume elements of the volumet ⁇ generic model can be numerically integrated.
  • the optimization criterion CR indicates an achievement of optimization targets and can be implemented by one or more data structures ⁇ .
  • a threshold value for the objective function CF specified differently are that determines when a distance to the physical optimization goal with regard to the design specifications is rea ⁇ accordingly small and / or when a to be optimized physi ⁇ specific size of the relevant material distribution sufficiently is optimized.
  • the optimization criterion CR may in particular relate to a convergence of an optimization method, provides a reasonable ⁇ sponding stability of the object OBJ, a sufficient Mate ⁇ rialfact a safe below a breaking point or falls below a predetermined object volume.
  • the design data ED are übermit ⁇ telt from the input terminal IN to a initialization INIT of the assistance system AS.
  • the volumetric model VM in the present execution ⁇ for example a three-dimensional model of the object OBJ with a plurality of, for example, in a three-dimensional grid or in a three-dimensional triangulation arranged voxels VE.
  • the volumetric model VM is represented vorzugswei ⁇ se by a spatially resolved record in which for each point and / or each volume element of the three-dimensional grid or the three-dimensional triangulation, for example a density value, or other material values are stored.
  • Preferably continuous or quasi-continuous ⁇ density values are allowed in this case, so that the resultie ⁇ yield optimization problem is continuous and / or differentiable.
  • the optimization problem can then advantageously be set such that discrete values of the density, eg 0 and 1, are so favored in the optimization that, after optimization, essentially only these discrete density values occur.
  • the object OBJ can be printed directly by conventional 3D printers, which often only have the option of attaching material to a respective volume element of the object OBJ or no material - rial to install.
  • volume elements VE on a three-dimensional grid or a three-dimensional triangulation are often referred to as voxels.
  • the number of volume elements VE can typically be 10 5 , 10 6 or more.
  • the material distribution D is indicated by a spatially resolved material density in the volumetric model VM, ie for each volume element VE a volume-element-specific value for the material density is stored in the volumetric model VM.
  • the volumetric model VM can be generated by the initialization ⁇ module INIT configured and initialized so that the material distribution D initially represented, for example, a solid box, cylinder or cone, which means that the material ⁇ density in all volume elements within the cuboid, Zy ⁇ Linders or In the course of the design optimization material-related volume elements can be reduced, provided the stability is not detrimental, and thus a volume and / or weight reduction can be achieved.
  • the material distribution D initially represented, for example, a solid box, cylinder or cone which means that the material ⁇ density in all volume elements within the cuboid, Zy ⁇ Linders or In the course of the design optimization material-related volume elements can be reduced, provided the stability is not detrimental, and thus a volume and / or weight reduction can be achieved.
  • An example of a volumetric model initially initialized as a solid cone and then optimized with regard to the material-related volume is shown schematically in FIGS. 3A and 3B.
  • the volumetric model VM with the material distribution D is transmitted from the initialization module INIT to a simulation module SIM and transmitted by the latter via a filter module F to an optimization module OPT.
  • the volumetric model VM can be stored by the material distribution D in the memory MEM with access by the initialization INIT, the simulation module SIM, which Fil ⁇ termodul F and by the optimization module OPT.
  • the simulation module SIM is used to simulate physi ⁇ rule properties of the volumetric model VM.
  • the simulation module SIM receives the objective function CF from the input terminal IN.
  • the simulation module SIM reads the volumetric model VM from the initialization module INIT, from the memory MEM or, as will be explained below, from the optimization module OPT.
  • the simulation module SIM For the simulation of both static and dynamic physical properties of the Volumetric model VM is preferably a so-called finite element method used. A variety of stable and efficient methods and procedures are available for performing such finite element methods.
  • the simulation module SIM determines a specific value of the target function CF for the currently read volumetric model VM with the Materialvertei ⁇ ment D and preferably for each volume element VE a volume element specific to the physical optimization target related local target property GRD.
  • the local Zielei ⁇ genschaft GRD indicates a local influence of Materialvertei ⁇ lung D to the physical optimization goal.
  • Vorzugswei ⁇ se is the local target property GRD at a volume element VE, as the objective function when changing the CF Materi- al participat in this volume element VE changes. This may, for example, relate to a change in deformations, stresses, cooling properties or weighted combinations thereof in the case of a local change in the material density.
  • the entirety of the local target properties GRD is determined by simulation of the physical properties using the volumetric model VM.
  • a local gradient of the target radio CF ⁇ tion is as a local target property GRD used in the respective volume element VE, that is, a numerical derivative of the objective function after the CF local ma- terialêt in the observed volume element VE.
  • the total integral of the local ⁇ target properties GRD may be implemented by a spatially resolved record by ist is ⁇ stores for each volume element VE and the respective local gradient.
  • the local target properties GRD are transmitted from the simulation module SIM to the filter module F.
  • the filter module F performs a support check SUPP based on the volumetric model VM and modifies the local target properties GRD to modified target properties GRDMOD.
  • a considered volume element VE is here considered to be supported if it is mechanically supported by another material-like volume element or by an outer support element, eg a base surface or another bearing surface of the object OBJ such that it is in additive manufacturing, eg in 3D printing no separate support structures needed.
  • VM is as defined above for each volume element VE of the volumetric model tested to ⁇ next whether the observed volume element VE is materi ⁇ albehaftet, for example is checked by whether the material like ⁇ te in the observed volume element VE above a specified differently surrounded threshold lies. If the considered Volu ⁇ menelement VE material proves to be affected, it is further checked if a directed from this material affected volume element VE down cone intersects with a predetermined opening angle to another material lossy volume element or to a support element. In this case, the other volume element is preferably sought in a layer of the vo ⁇ lumetric model VM, which is to be printed immediately before the layer of the considered volume element VE.
  • the test of whether the other volume element is material-related can also be done by comparison with the aforementioned threshold value. If the cone hits another material ⁇ -prone volume element considered Volu ⁇ menelement can be construed as supported. If the betrach ⁇ preparing volume element VE is supported, the local Gradi ent ⁇ GRD is increased for this volume element, otherwise reduced so as to obtain a modified local gradient GRDMOD. Through this modification, the local objective property, when supported, approximates the optimization objective and moves away from the optimization objective if not supported. This means that supported structures are preferred over unsupported structures in the subsequent optimization step directed towards the optimization target.
  • an observed material-prone volume element VE supports another material-affected Volumenele ⁇ ment in terms of additive manufacturing.
  • it can be checked whether a cone directed upward from the considered volume element VE meets with a predetermined opening angle to another material-related volume element. If this is the case, the considered volume ⁇ element VE can be considered as a supporting volume element.
  • the other volume element can preferably be searched in a layer of the volumetric model VM, which is to be printed immediately after the layer of the considered volume element VE. If the considered volume element VE proves supportive, local Gra ⁇ will serve GRD of the considered volume element VE increased to ⁇ Otherwise reduced.
  • the same opening angles are specified for the upwardly directed cones and for the downwardly directed cones, eg an opening angle of ⁇ 60 ° or ⁇ 45 °.
  • preference-based and / or supporting material affected voxels over Vietnamesege- assisted and / or supporting volume elements are GeWiS ⁇ water masses "optimized away" greater approach angle during the optimization process.
  • the object OBJ can be designed automatically by the optimization process so that no additional Obwalden ect structures are to be attached prior to printing and removed after printing.
  • the local gradients modified in the above manner are transmitted as modified target properties GRDMOD from the filter module F to the optimization module OPT.
  • the filter module F acts as a filter for the local target own sheep ⁇ th GRD.
  • the optimization module OPT leads in the present execution ⁇ example of an iterative optimization process to such as to minimize a value of the objective function CF or decreased to modify the Ma ⁇ terialver Krebs D.
  • a large number of standard optimization methods are available, for example so-called steepest descent methods or simplex methods.
  • the optimization process is iteratively performed until the optimization criterion ⁇ approximately CR is satisfied, for example, to the distance of a determined material distribution for optimization target is sufficiently low or other optimization values are reached.
  • the optimization criterion CR is transmitted from the input terminal IN to the optimization module OPT.
  • the optimization module OPT the material distribution D of the volumetric model VM is modified based on the modified target properties GRDMOD such that the modi fied ⁇ material distribution DMOD the optimization goal in the context of an optimization step, ie a step iteration ⁇ approaches.
  • the optimization criterion CR is applied to the modified material distribution DMOD of the volumetric model VM in order to determine whether the modified material distribution DMOD corresponds to an optimization specification.
  • the volumetric model VM is transmitted and then a further iteration ⁇ step and an execution of a loop for the volumet ⁇ generic model VM with the modified Mate rialver whatsoever DMOD from the optimization module OPT for Simulati ⁇ onsmodul SIM with the modified material distribution DMOD causes.
  • a respective iteration of this loop is, as already described above, performed by the simu ⁇ lationsmodul SIM, the filter module F and by the optimization module ⁇ approximately OPT.
  • the volumetric model VM with the modified material distribution DMOD is output via the output terminal OUT as the design of the object OBJ.
  • the thus optimizing ⁇ te design usually almost no overhang angles that are larger than the opening angle of the cone used so that this design can be printed without attaching additional support structures.
  • the inventive method needed to optimize the design significantly lower Re ⁇ chenressourcen as if a support requirement would demand as a direct constraint for each volume element in the optimization process.
  • These resource optimization in many cases allows an interactive modification of de ⁇ throw data ED during the current optimization process. That is, the design data ED may be interactively changed depending on the optimized design and a new optimization cycle may be initiated to generate a new optimized design.
  • the design for the object OBJ to be finally printed is transmitted in the form of the volumetric model VM with the optimized material distribution DMOD from the output terminal OUT to the 3D printer 3D.
  • the latter then prints out the optimally designed object OBJ on the basis of the optimized material distribution DMOD. Since no additional support structures have to be attached to the optimized design, these do not have to be removed even with the printed object.
  • Figure 3A is a cutaway view of a prior art optimized model for a printout conical object. As can be seen in FIG. 3A, this design has several points with a large overhang angle, of which a strut S1 is highlighted by a circle. The strut Sl and the other strongly overhanging points would have to be provided before 3D printing with appropriate support structures that would have to be removed after printing in an additional operation.
  • Figure 3B shows a view of a ne Ashschnitte- invention optimized model of ke ⁇ gel object.
  • strongly overhanging struts such as the strut Sl in Figure 3A, have been effectively "path optimized.”
  • struts S2 having a small overhang angle permissible for SD expression are present in Figure 3B
  • an allowable overhang angle is not substantially exceeded
  • the model shown in Figure 3B is printable without additional support structures to be attached, and the printed object accordingly does not require any post-processing.

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Abstract

Erfindungsgemäß werden Entwurfsdaten (ED) für ein additiv zu fertigendes und hinsichtlich eines physikalischen Optimierungsziels zu optimierendes Objekt (OBJ) eingelesen. Mit einer Materialverteilung (D) gemäß den Entwurfsdaten (ED) wird ein eine Vielzahl von Volumenelementen (VE) umfassendes volumetrisches Modell (VM) des Objekts initialisiert. Für Volumenelemente (VE) des volumetrischen Modells (VM) wird dann anhand der Materialverteilung (D) jeweils eine auf das Optimierungsziel bezogene, lokale Zieleigenschaft (GRD) ermittelt. Erfindungsgemäß wird für ein jeweiliges Volumenelement (VE) geprüft, ob dieses Volumenelement hinsichtlich der additiven Fertigung gestützt wird. Abhängig davon wird die Zieleigenschaft (GRD) dieses Volumenelements (VE) derart modifiziert, dass sich die Zieleigenschaft (GRD) bei Stützung dem Optimierungsziel annähert und/oder bei NichtStützung vom Optimierungsziel entfernt. Anhand der modifizierten Zieleigenschaften (GRDMOD) wird die Materialverteilung (D) derart modifiziert, dass sich die modifizierte Materialverteilung (DMOD) dem Optimierungsziel annähert. Die modifizierte Materialverteilung (DMOD) wird dann zur additiven Fertigung des Objekts (OBJ) ausgegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren, Assistenzsystem und 3D-Drucker zum rechnergestützten Entwurf von Objekten zur additiven Fertigung
In zeitgemäßen Produktionsprozessen gewinnt die additive Fertigung zunehmend an Bedeutung. Sie erlaubt es, Produkte mit nahezu beliebig komplexen Umrissen und Topologien mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu produzieren. Verglichen mit klassischen Fertigungsverfahren sind bei der additiven Fertigung nur wenige konstruktive Nebenbedingungen einzuhalten. Als wesentliche Nebenbedingung ist bei der additiven Ferti¬ gung jedoch zu beachten, dass stärker überhängende Flächen und Kanten beim Ausdruck in der Regel eine Stützstruktur be- nötigen, da sie ansonsten beim schichtweisen Aufbau zunächst ohne Verbindung oder in zu schwacher Verbindung mit anderen Teilen des zu fertigenden Objekts stehen würden. Derartige Stützstrukturen sind vor einem Ausdruck an überhängenden Flächen des Objekts konstruktiv anzubringen und nach dem Aus- druck wieder zu entfernen, was häufig einen erheblichen Zusatzaufwand bedingt.
Bekannte Assistenzsysteme zum Entwurf von zu produzierenden Objekten unterstützen den Designer zwar häufig darin, einen der additiven Fertigung zugänglichen Formenreichtum auszunutzen, jedoch werden für die additive Fertigung spezifische Nebenbedingungen, insbesondere konstruktive Nebenbedingungen in der Regel nicht automatisch einbezogen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Assistenzsystem sowie einen 3D-Drucker zum rechnergestützten Entwurf von Objekten zur additiven Fertigung anzugeben, durch die die obigen Nachteile vermieden werden können. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 1, durch ein Assistenzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10, durch einen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11, durch ein Computerpro- grammprodukt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie durch ein computerlesbares Speichermedium mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13. Erfindungsgemäß werden zum rechnergestützten Entwurf von Objekten zur additiven Fertigung Entwurfsdaten für ein additiv zu fertigendes und hinsichtlich eines physikalischen Optimie¬ rungsziels zu optimierendes Objekt eingelesen. Die Entwurfs¬ daten können hierbei insbesondere geforderte Eigenschaften des Objekts und/oder Vorgaben für das Objekt angeben, wie beispielsweise Abmessungen, Formvorgaben, Belastbarkeit, auf das Objekt einwirkende Kräfte, lokale/globale Randbedingungen und/oder zu optimierende Parameter, wie insbesondere Spannun¬ gen oder Verformungen. Als Optimierungsziel kann insbesondere vorgesehen sein, kumulierte Verformungen/Spannungen unter
Last zu minimieren, ein Gewicht/Volumen des Objekts zu minimieren und/oder eine LuftZirkulation oder Kühlung zu optimieren. Mit einer Materialverteilung gemäß den Entwurfsdaten wird ein eine Vielzahl von Volumenelementen umfassendes volu- metrisches Modell des Objekts initialisiert. Das volumetri- sche Modell kann hierbei durch eine Datenstruktur repräsentiert werden, in der für jedes Volumenelement ein oder mehre¬ re Materialwerte, wie insbesondere eine Materialdichte ge¬ speichert sind. Für Volumenelemente des volumetrischen Mo- dells wird dann anhand der Materialverteilung jeweils eine auf das Optimierungsziel bezogene, lokale Zieleigenschaft er¬ mittelt. Die Zieleigenschaft kann hierbei insbesondere einen lokalen Einfluss der Materialverteilung auf das Optimierungsziel angeben und kann insbesondere mittels einer Simulation der physikalischen Eigenschaften des Objekts ermittelt werden. Erfindungsgemäß wird für ein jeweiliges Volumenelement geprüft, ob dieses Volumenelement hinsichtlich der additiven Fertigung gestützt wird. Abhängig davon wird die Zieleigenschaft dieses Volumenelements derart modifiziert, dass sich die Zieleigenschaft bei Stützung dem Optimierungsziel annä¬ hert und/oder bei NichtStützung vom Optimierungsziel ent¬ fernt. Ein Volumenelement kann insbesondere dann als gestützt aufgefasst werden, wenn es durch ein darunter befindliches, materialbehaftetes Volumenelement oder durch ein äußeres Auflageelement mechanisch gestützt wird. Anhand der modifi¬ zierten Zieleigenschaften wird die Materialverteilung derart modifiziert, dass sich die modifizierte Materialverteilung dem Optimierungsziel annähert. Die modifizierte Materialver¬ teilung wird dann zur additiven Fertigung des Objekts ausgegeben .
Ein erfindungsgemäßes Assistenzsystem ist eingerichtet zum Ausführen des vorstehenden Verfahrens.
Ein erfindungsgemäßer 3D-Drucker ist eingerichtet zum Ausführen des vorstehenden Verfahrens sowie zum Ausdrucken des entworfenen Objekts.
Weiterhin sind ein Computerprogrammprodukt sowie ein compu¬ terlesbares Speichermedium zur Ausführung des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens vorgesehen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass zu stark überhängende Flächen und Kanten durch den Opti- mierungsprozess gewissermaßen „wegoptimiert" werden können. Ein explizites Anbringen von Stützstrukturen - und damit auch deren Entfernung - sowie eine Bewertung, ob und wo Stütz- strukturen anzubringen sind, können somit meist entfallen. Es erweist sich in der Regel, dass die lokale Modifikation der Zieleigenschaften im Rahmen des Optimierungsprozesses dazu führt, dass global nahezu alle materialbehafteten Volumenele¬ mente ausreichend unterstützt werden. Weiterhin wird eine Ge- samtmasse oder ein Gesamtvolumen des Objekts nicht durch
Stützstrukturen modifiziert, was eine Optimierung der Gesamtmasse bzw. des Gesamtvolumens erschweren würde. Ein selbst¬ stützendes Design stellt sich vielmehr automatisch als Ergebnis des Optimierungsprozesses ein. Insbesondere ist kein Postprocessing des optimierten volumetrischen Modells erforderlich. Darüber hinaus benötigt das erfindungsgemäße Verfah¬ ren erheblich geringere Rechenressourcen, als wenn ein Stützungserfordernis als direkte Nebenbedingung für jedes Volu- menelement im Optimierungsprozess gefordert würde. Hierdurch kann der Optimierungsprozess in vielen Fällen derart be¬ schleunigt werden, dass sogar eine interaktive Änderung der Entwurfsdaten während des Optimierungsprozesses möglich ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Vorzugsweise können die Verfahrensschritte der Ermittlung der lokalen Zieleigenschaft, der Prüfung, ob ein jeweilige Volu¬ menelement gestützt wird, wobei abhängig davon die Zieleigen¬ schaft modifiziert wird, sowie der Modifikation der Material¬ verteilung wiederholt werden, bis ein vorgegebenes Optimie¬ rungskriterium erfüllt ist. Als Optimierungskriterium kann beispielsweise eine Konvergenz eines benutzten Optimierungs¬ verfahrens, eine hinreichende Stabilität und/oder ein hinrei¬ chender Materialverbrauch des zu entwerfenden Objekts oder ein Erreichen einer anderen Optimierungsvorgabe verwendet werden .
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die volumenelementspezifische Ermittlung der Zieleigenschaf¬ ten mittels eines Finite-Elemente-Verfahrens erfolgen. Zur Ausführung eines Finite-Elemente-Verfahrens ist eine Vielzahl von standardisierten, stabilen und effizienten Verfahren und Prozeduren verfügbar.
Vorteilhafterweise kann das Optimierungsziel durch eine Ziel¬ funktion dargestellt werden, durch die ein Abstand einer je- weiligen Materialverteilung vom Optimierungsziel und/oder eine zu optimierende physikalische Größe dieser Materialvertei¬ lung berechnet wird. Die Zielfunktion kann insbesondere mit¬ tels einer Programmroutine und/oder einer Datenstruktur implementiert werden. Durch die Vorgabe einer Zielfunktion kann das Optimierungsziel auf einfache Weise spezifiziert und in einen Optimierungsprozess integriert werden. Weiterhin kann als Zieleigenschaft für ein jeweiliges Volu¬ menelement ermittelt werden, wie sich die Zielfunktion bei Änderung einer Materialdichte in diesem Volumenelement än¬ dert. Insbesondere kann als Zieleigenschaft ein lokaler Gra- dient der Zielfunktion im jeweiligen Volumenelement vorgese¬ hen sein, d.h. eine numerische Ableitung, insbesondere ein Differenzenquotient, der Zielfunktion nach der Materialdichte des betrachteten Volumenelements. Mittels einer derartigen Zieleigenschaft lässt sich die Materialdichte auf einfache Weise durch weithin verfügbare Optimierungsverfahren optimieren .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann bei der Prüfung der Stützung eines jeweiligen Volumenelements geprüft werden, ob ein von diesem Volumenelement nach unten gerichteter Kegel mit vorgegebenem Öffnungswinkel auf ein anderes materialbehaftetes Volumenelement oder auf ein Aufla¬ geelement trifft. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann bei der Stützungsprüfung für das jeweilige Volumenelement geprüft werden, ob dieses Volumenelement hinsichtlich der additiven Fertigung ein anderes Volumenelement stützt. Abhängig davon kann die Zieleigenschaft des jeweiligen Volu- menelements derart modifiziert werden, dass sich die Zielei¬ genschaft bei Stützung dem Optimierungsziel annähert und/oder bei NichtStützung vom Optimierungsziel entfernt.
Insbesondere kann bei der Prüfung, ob das jeweilige Volumen- element ein anderes Volumenelement stützt, geprüft werden, ob ein vom jeweiligen Volumenelement nach oben gerichteter Kegel mit vorgegebenem Öffnungswinkel auf ein anderes materialbe¬ haftetes Volumenelement trifft. Durch die vorstehenden Stützungsprüfungen kann auf einfache
Weise in der Regel erreicht werden, dass als Ergebnis des Op¬ timierungsprozesses ein Objekt entworfen wird, bei dem Über¬ hangwinkel von Objektflächen oder -Kanten im Wesentlichen kleiner oder gleich dem vorgegebenen Öffnungswinkel sind. Durch Vorgabe eines geeigneten Öffnungswinkels kann also ge¬ zielt vermieden werden, Stützstrukturen anzubringen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen jeweils in sche- matischer Darstellung:
Figur 1 eine überhängende Seitenfläche eines auszudruckenden
Objekts,
Figur 2 ein Assistenzsystem mit einem 3D-Drucker zum Entwerfen und additiven Fertigen von Objekten, Figur 3A eine aufgeschnittene Ansicht eines gemäß dem Stand der Technik optimierten Modells für ein auszudruckendes Objekt und
Figur 3B eine aufgeschnittene Ansicht eines erfindungsgemäß optimierten Modells für das Objekt.
Figur 1 veranschaulicht eine überhängende Seitenfläche SF ei¬ nes additiv zu fertigenden, z.B. durch einen 3D-Drucker auszudruckenden Objekts OBJ. Als Überhangwinkel wird hierbei ein Winkel der Objektfläche SF zur Senkrechten bezeichnet. Wie oben bereits erwähnt, sind im Falle, dass der Überhang¬ winkel zu groß ist, vor dem Ausdruck Stützstrukturen zusätzlich anzubringen und nach dem Ausdruck wieder zu entfernen. Während ein Überhangwinkel von weniger als 45° häufig akzeptabel ist, kann ein Überhangwinkel von mehr als 45° ein Anbringen von zusätzlichen Stützstrukturen erfordern.
Figur 2 zeigt ein Assistenzsystem AS zum Entwerfen eines additiv zu fertigenden Objekts OBJ sowie einen 3D-Drucker 3D zum Ausdrucken des entworfenen Objektes OBJ. Das Assistenzsystem AS verfügt über einen oder mehrere Prozessoren PROC konfiguriert zum Ausführen aller Verfahrensschritte des As¬ sistenzsystems AS und/oder zum Ausführen von Programmbefehlen zum Ausführen dieser Verfahrensschritte. Darüber hinaus weist das Assistenzsystem AS einen oder mehrere mit den Prozessoren PROC gekoppelte Speicher MEM auf zum Speichern von durch das Assistenzsystem AS zu verarbeitenden Daten.
Das Assistenzsystem AS verfügt weiterhin über ein Terminal T mit einem Eingabeterminal IN und mit einem Ausgabeterminal OUT. Das Eingabeterminal IN dient zum Eingeben und/oder Spe¬ zifizieren von Entwurfsdaten ED, einem Optimierungskriterium CR und einer Zielfunktion CF. Das Ausgabeterminal OUT dient zum Ausgeben eines volumetrischen Modells VM mit einer Materialverteilung des entworfenen Objekts OBJ.
Die einzulesenden oder zu spezifizierenden Entwurfsdaten ED können durch Datenstrukturen implementiert werden, durch die geforderte Eigenschaften des Objekts OBJ und/oder Vorgaben für das Objekt OBJ angegeben werden. Diese Angaben können z.B. Abmessungen, Formvorgaben, Formen von Objektteilen, auf das Objekt oder Teile davon einwirkende Kräfte, eine Belast- barkeit des Objekts, lokale und/oder globale Randbedingungen, statische und/oder dynamische Eigenschaften des Objekts und/oder zu optimierende Entwurfsparameter betreffen. Als globale Randbedingung kann z.B. ein maximales materialbehaf¬ tetes Volumen oder ein Maximalgewicht des Objekts angegeben werden. Als zu optimierende Entwurfsparameter können z.B. zu minimierende Verformungen und/oder Spannungen des Objekts unter Last vorgegeben werden.
Die Zielfunktion CF stellt ein physikalisches Optimierungs- ziel dar. Durch die Zielfunktion CF wird vorzugsweise ein Ab¬ stand einer jeweiligen Materialverteilung vom Optimierungsziel anhand eines vorgegeben Abstandmaßes und/oder eine zu optimierende physikalische Größe der Materialverteilung be¬ rechnet. Die Zielfunktion CF kann z.B. als Programmroutine implementiert sein, die eingegeben und/oder durch eine Einga¬ be ausgewählt und/oder spezifiziert wird. Insbesondere kann die Zielfunktion CF mittels einer Datenstruktur implementiert werden, die die Zielfunktion CF spezifiziert und/oder para- metrisiert. Eine derartige Zielfunktion wird im Rahmen von Optimierungsverfahren häufig auch als Kostenfunktion bezeichnet .
Als physikalisches Optimierungsziel kann beispielsweise vor¬ gegeben werden, dass das zu entwerfende Objekt OBJ unter Last möglichst geringe kumulierte Verformungen und/oder Spannungen unterhalb einer Zerreißgrenze aufweist. Weiterhin kann das physikalische Optimierungsziel auf ein minimales Gewicht und/oder Volumen des Objekts OBJ, eine gute LuftZirkulation und/oder Kühlung oder auf eine gewichtete Kombination der vorstehenden Optimierungskriterien gerichtet sein. Ein Wert der Zielfunktion CF, d.h. ein jeweiliger Abstand einer aktuellen Materialverteilung des Objekts OBJ zum physikalischen Optimierungsziel wird durch Simulation der physikalischen Eigenschaften des Objekts OBJ, z.B. mittels eines Finite- Elemente-Verfahrens anhand eines volumetrischen Modells des Objekts OBJ berechnet. Zur Berechnung der Zielfunktion CF können beispielsweise quadrierte Verformungen und/oder Spannungen des Objekts OBJ über alle Volumenelemente des volumet¬ rischen Modells numerisch integriert werden.
Das Optimierungskriterium CR gibt ein Erreichen einer Optimierungsvorgabe an und kann durch eine oder mehrere Daten¬ strukturen implementiert werden. So kann als Optimierungskriterium CR ein Schwellenwert für die Zielfunktion CF vorgege¬ ben werden, der festlegt, wann ein Abstand zum physikalischen Optimierungsziel im Hinblick auf die Entwurfsvorgaben hinrei¬ chend klein ist und/oder wann eine zu optimierende physikali¬ sche Größe der betreffenden Materialverteilung hinreichend optimiert ist. Das Optimierungskriterium CR kann insbesondere eine Konvergenz eines Optimierungsverfahrens, eine hinrei¬ chende Stabilität des Objekts OBJ, einen hinreichenden Mate¬ rialverbrauch, ein sicheres Unterschreiten einer Zerreißgrenze oder ein Unterschreiten eines vorgegebenen Objektvolumens betreffen . Die Entwurfsdaten ED werden vom Eingabeterminal IN zu einem Initialisierungsmodul INIT des Assistenzsystems AS übermit¬ telt. Das Initialisierungsmodul INIT generiert und initiali¬ siert ein volumetrisches Modell VM des Objekts OBJ mit einer Materialverteilung D gemäß den Entwurfsdaten ED und gibt das volumetrische Model VM aus.
Das volumetrische Modell VM ist im vorliegenden Ausführungs¬ beispiel ein dreidimensionales Modell des Objekts OBJ mit ei- ner Vielzahl von z.B. in einem dreidimensionalen Gitter oder in einer dreidimensionalen Triangulierung angeordneten Volumenelementen VE. Das volumetrische Modell VM wird vorzugswei¬ se durch einen räumlich aufgelösten Datensatz dargestellt, in dem für jeden Punkt und/oder jedes Volumenelement des dreidi- mensionalen Gitters oder der dreidimensionalen Triangulierung z.B. ein Dichtewert oder andere Materialwerte gespeichert sind. Vorzugsweise werden hierbei kontinuierliche oder quasi¬ kontinuierliche Dichtewerte zugelassen, damit das resultie¬ rende Optimierungsproblem stetig und/oder differenzierbar wird. Das Optimierungsproblem kann dann aber vorteilhafterweise so gestellt werden, dass diskrete Werte der Dichte, z.B. 0 und 1, bei der Optimierung derart bevorzugt werden, dass nach erfolgter Optimierung im Wesentlichen nur diese diskreten Dichtewerte auftreten. Zwischenwerte können hier- durch gewissermaßen „wegoptimiert" werden. Anhand eines auf solche Weise diskretisierten Volumenmodells kann das Objekt OBJ direkt durch übliche 3D-Drucker ausgedruckt werden, die häufig nur die Option aufweisen, an einem jeweiligen Volumenelement des Objekts OBJ Material anzubringen oder kein Mate- rial anzubringen.
Die Volumenelemente VE auf einem dreidimensionalen Gitter oder einer dreidimensionalen Triangulierung werden häufig auch als Voxel bezeichnet. Bei realistischen Objektentwürfen kann die Anzahl der Volumenelemente VE typsicherweise 105, 106 oder mehr betragen. Die Materialverteilung D wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine räumlich aufgelöste Materialdichte im volu- metrischen Modell VM angegeben, d.h. für jedes Volumenelement VE ist im volumetrischen Modell VM ein volumenelementspezifi- scher Wert für die Materialdichte gespeichert.
Das volumetrische Modell VM kann durch das Initialisierungs¬ modul INIT derart generiert und initialisiert werden, dass die Materialverteilung D zunächst z.B. einen massiven Quader, Zylinder oder Kegel repräsentiert, d.h. dass die Material¬ dichte in allen Volumenelementen innerhalb des Quaders, Zy¬ linders bzw. Kegels gleich 1 gesetzt wird und außerhalb gleich 0. Im Laufe der Entwurfsoptimierung können dann materialbehaftete Volumenelemente, sofern der Stabilität nicht abträglich, reduziert werden und so eine Volumen- und/oder Gewichtsreduktion erreicht werden. Ein Beispiel eines zunächst als massiver Kegel initialisierten und dann hinsichtlich des materialbehafteten Volumens optimierten volumetrischen Modells ist in den Figuren 3A und 3B schematisch dargestellt .
Das volumetrische Modell VM mit der Materialverteilung D wird vom Initialisierungsmodul INIT zu einem Simulationsmodul SIM übermittelt und von diesem über ein Filtermodul F zu einem Optimierungsmodul OPT übermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann das volumetrische Modell VM mit der Materialverteilung D im Speicher MEM gespeichert werden mit Zugriff durch das Initialisierungsmodul INIT, das Simulationsmodul SIM, das Fil¬ termodul F sowie durch das Optimierungsmodul OPT.
Das Simulationsmodul SIM dient zum Simulieren von physikali¬ schen Eigenschaften des volumetrischen Modells VM. Zu diesem Zweck empfängt das Simulationsmodul SIM die Zielfunktion CF vom Eingabeterminal IN. Weiterhin liest das Simulationsmodul SIM das volumetrische Modell VM vom Initialisierungsmodul INIT, vom Speicher MEM oder, wie unten noch erläutert wird, vom Optimierungsmodul OPT ein. Zur Simulation von sowohl statischen als auch dynamischen physikalischen Eigenschaften des volumetrischen Modells VM wird vorzugsweise ein sogenanntes Finite-Elemente-Verfahren verwendet. Zur Ausführung derartiger Finite-Elemente-Verfahren stehen eine Vielzahl von stabilen und effizienten Verfahren und Prozeduren zur Verfügung. Im Rahmen der Simulation ermittelt das Simulationsmodul SIM einen spezifischen Wert der Zielfunktion CF für das aktuell eingelesene volumetrische Modell VM mit der Materialvertei¬ lung D sowie vorzugsweise für jedes Volumenelement VE eine volumenelementspezifische auf das physikalische Optimierungs- ziel bezogene lokale Zieleigenschaft GRD. Die lokale Zielei¬ genschaft GRD gibt einen lokalen Einfluss der Materialvertei¬ lung D auf das physikalische Optimierungsziel an. Vorzugswei¬ se gibt die lokale Zieleigenschaft GRD für ein Volumenelement VE an, wie sich die Zielfunktion CF bei Änderung der Materi- aldichte in diesem Volumenelement VE ändert. Dies kann z.B. eine Änderung von Verformungen, Spannungen, Kühlungseigenschaften oder von gewichteten Kombinationen hiervon bei lokaler Änderung der Materialdichte betreffen. Die Gesamtheit der lokalen Zieleigenschaften GRD wird mittels Simulation der physikalischen Eigenschaften anhand des volumetrischen Modell VM ermittelt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als lokale Zieleigenschaft GRD ein lokaler Gradient der Zielfunk¬ tion CF im jeweiligen Volumenelement VE verwendet, d.h. eine numerische Ableitung der Zielfunktion CF nach der lokalen Ma- terialdichte im betrachteten Volumenelement VE. Die Gesamt¬ heit der lokalen Zieleigenschaften GRD kann durch einen räumlich aufgelösten Datensatz implementiert werden, indem für jedes Volumenelement VE der jeweilige lokale Gradient abge¬ speichert ist.
Die lokalen Zieleigenschaften GRD werden vom Simulationsmodul SIM zum Filtermodul F übermittelt. Das Filtermodul F führt anhand des volumetrischen Modells VM eine Stützungsprüfung SUPP aus und modifiziert die lokalen Zieleigenschaften GRD zu modifizierten Zieleigenschaften GRDMOD.
Bei der Stützungsprüfung SUPP wird für ein jeweiliges materialbehaftetes Volumenelement VE geprüft, ob dieses hinsieht- lieh der additiven Fertigung gestützt wird. Ein betrachtetes Volumenelement VE wird hierbei als gestützt aufgefasst, wenn es durch ein anderes materialbehaftetes Volumenelement oder durch ein äußeres Auflageelement , z.B. eine Grundfläche oder eine andere Auflagefläche des Objekts OBJ mechanisch derart gestützt wird, dass es bei der additiven Fertigung, z.B. beim 3D-Druck keiner separaten Stützungsstrukturen bedarf.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im obigen Sinne für jedes Volumenelement VE des volumetrischen Modells VM zu¬ nächst geprüft, ob das betrachtete Volumenelement VE materi¬ albehaftet ist, z.B. indem geprüft wird, ob die Materialdich¬ te im betrachteten Volumenelement VE oberhalb eines vorgege¬ benen Schwellenwerts liegt. Falls sich das betrachtete Volu¬ menelement VE als materialbehaftet erweist, wird weiterhin geprüft, ob ein von diesem materialbehafteten Volumenelement VE nach unten gerichteter Kegel mit einem vorgegebenen Öffnungswinkel auf ein anderes materialbehaftetes Volumenelement oder auf ein Auflageelement trifft. Vorzugsweise wird dabei das andere Volumenelement bevorzugt in einer Schicht des vo¬ lumetrischen Modells VM gesucht, die unmittelbar vor der Schicht des betrachteten Volumenelements VE auszudrucken ist. Die Prüfung, ob das andere Volumenelement materialbehaftet ist, kann ebenfalls durch Vergleich mit dem vorerwähnten Schwellenwert erfolgen. Falls der Kegel ein anderes material¬ behaftetes Volumenelement trifft, kann das betrachtete Volu¬ menelement als gestützt aufgefasst werden. Falls das betrach¬ tete Volumenelement VE gestützt wird, wird der lokale Gradi¬ ent GRD für dieses Volumenelement vergrößert, andernfalls verkleinert, um so einen modifizierten lokalen Gradienten GRDMOD zu erhalten. Durch diese Modifikation nähert sich die lokale Zieleigenschaft bei Stützung dem Optimierungsziel an und entfernt sich bei NichtStützung vom Optimierungsziel. Dies bedeutet, dass gestützte Strukturen im nachfolgenden, auf das Optimierungsziel hin gerichteten Optimierungsschritt gegenüber nicht gestützten Strukturen bevorzugt werden. Vorteilhafterweise kann bei der Stützungsprüfung SUPP zusätzlich geprüft werden, ob ein betrachtetes materialbehaftetes Volumenelement VE ein anderes materialbehaftetes Volumenele¬ ment hinsichtlich der additiven Fertigung stützt. Zu diesem Zweck kann geprüft werden, ob ein vom betrachteten Volumenelement VE nach oben gerichteter Kegel mit vorgegebenem Öffnungswinkel auf ein anderes materialbehaftetes Volumenelement trifft. Falls dies der Fall ist kann das betrachtete Volumen¬ element VE als stützendes Volumenelement aufgefasst werden. Vorzugsweise kann dabei das andere Volumenelement bevorzugt in einer Schicht des volumetrischen Modells VM gesucht werden, die unmittelbar nach der Schicht des betrachteten Volumenelements VE auszudrucken ist. Falls sich das betrachtete Volumenelement VE als stützend erweist, wird der lokale Gra¬ dient GRD des betrachteten Volumenelements VE vergrößert, an¬ dernfalls verkleinert. Auf diese Weise nähert sich eine loka¬ le Zieleigenschaft eines stützenden Volumenelements dem Opti¬ mierungsziel an, während sich die lokale Zieleigenschaft ei¬ nes nichtstützenden Volumenelements vom Optimierungsziel ent¬ fernt. Damit werden stützende Volumenelemente gegenüber nichtstützenden Volumenelementen beim nachfolgenden Optimierungsschritt bevorzugt.
Vorzugsweise werden für die nach oben gerichteten Kegel und für die nach unten gerichteten Kegel die gleichen Öffnungswinkel vorgegeben, z.B. ein Öffnungswinkel von <60° oder ^45°. Durch die Bevorzugung von gestützten und/oder stützenden materialbehafteten Volumenelementen gegenüber nichtge- stützten und/oder nichtstützenden Volumenelementen werden im Laufe des Optimierungsprozesses größere Überhangwinkel gewis¬ sermaßen „wegoptimiert". Tatsächlich ist in der Regel festzu¬ stellen, dass die durch einen konvergenten Optimierungsprozess entstehenden Objektstrukturen nahezu überall nur solche Überhangwinkel aufweisen, die kleiner gleich dem Öffnungswinkel der obigen Kegel sind. Durch geeignete Wahl dieser Öff¬ nungswinkel kann das Objekt OBJ durch den Optimierungsprozess automatisch so entworfen werden, dass keine zusätzlichen Ob- j ektstrukturen vor dem Ausdruck anzubringen und nach dem Ausdruck zu entfernen sind.
Die auf obige Weise modifizierten lokalen Gradienten werden als modifizierte Zieleigenschaften GRDMOD vom Filtermodul F zum Optimierungsmodul OPT übermittelt. In diesem Sinne wirkt das Filtermodul F als Filter für die lokalen Zieleigenschaf¬ ten GRD. Das Optimierungsmodul OPT führt im vorliegenden Ausführungs¬ beispiel einen iterativen Optimierungsprozess aus, um die Ma¬ terialverteilung D derart zu modifizieren, dass ein Wert der Zielfunktion CF minimiert oder verringert wird. Zur Implementierung dieses Optimierungsprozesses stehen eine Vielzahl von Standardoptimierungsverfahren zur Verfügung, z.B. sogenannte Steepest-Descent-Verfahren oder Simplex-Verfahren. Der Optimierungsprozess wird iterativ ausgeführt, bis das Optimie¬ rungskriterium CR erfüllt ist, z.B. bis der Abstand einer ermittelten Materialverteilung zum Optimierungsziel hinreichend klein ist oder andere Optimierungsvorgaben erreicht sind. Zu diesem Zweck wird das Optimierungskriterium CR vom Eingabeterminal IN zum Optimierungsmodul OPT übermittelt.
Durch das Optimierungsmodul OPT wird die Materialverteilung D des volumetrischen Modells VM anhand der modifizierten Zieleigenschaften GRDMOD derart modifiziert, dass sich die modi¬ fizierte Materialverteilung DMOD dem Optimierungsziel im Rahmen eines Optimierungsschritts, d.h. eines Iterations¬ schritts, annähert. Auf die modifizierte Materialverteilung DMOD des volumetrischen Modells VM wird das Optimierungskriterium CR angewandt, um festzustellen, ob die modifizierte Materialverteilung DMOD einer Optimierungsvorgabe entspricht. Sofern das Optimierungskriterium CR noch nicht erfüllt ist, wird das volumetrische Modell VM mit der modifizierten Mate- rialverteilung DMOD vom Optimierungsmodul OPT zum Simulati¬ onsmodul SIM übermittelt und so ein weiterer Iterations¬ schritt bzw. eine Ausführung einer Schleife für das volumet¬ rische Modell VM mit der modifizierten Materialverteilung DMOD veranlasst. Ein jeweiliger Iterationsschritt dieser Schleife wird, wie oben bereits beschrieben, durch das Simu¬ lationsmodul SIM, das Filtermodul F sowie durch das Optimie¬ rungsmodul OPT ausgeführt.
Sofern das Optimierungskriterium CR für die modifizierte Materialverteilung DMOD erfüllt ist, wird die Iteration beendet bzw. die Schleife verlassen. In diesem Fall wird das volumet- rische Modell VM mit der modifizierten Materialverteilung DMOD über das Ausgabeterminal OUT als Entwurf des Objekts OBJ ausgegeben .
Wie oben bereits erwähnt, weist der auf diese Weise optimier¬ te Entwurf in der Regel fast keine Überhangwinkel auf, die größer als die Öffnungswinkel der verwendeten Kegel sind, so dass dieser Entwurf ohne zusätzlich anzubringende Stützstrukturen ausgedruckt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt zur Optimierung des Entwurfs erheblich geringere Re¬ chenressourcen als wenn ein Stützungserfordernis als direkte Nebenbedingung für jedes Volumenelement im Optimierungspro- zess gefordert würde. Diese ressourcenschonende Optimierung erlaubt in vielen Fällen eine interaktive Änderung der Ent¬ wurfsdaten ED während des laufenden Optimierungsprozesses. D.h. die Entwurfsdaten ED können abhängig vom optimierten Entwurf interaktiv geändert werden und ein neuer Optimierungszyklus veranlasst werden, um so einen neuen optimierten Entwurf zu generieren. Der Entwurf für das letztlich auszudruckende Objekt OBJ wird in Form des volumetrischen Modells VM mit der optimierten Materialverteilung DMOD vom Ausgabe- terminal OUT an den 3D-Drucker 3D übermittelt. Letzterer druckt dann das optimiert entworfene Objekt OBJ anhand der optimierten Materialverteilung DMOD aus. Da am optimierten Entwurf keine zusätzlichen Stützstrukturen anzubringen sind, müssen diese auch beim ausgedruckten Objekt nicht entfernt werden.
Figur 3A zeigt eine aufgeschnittene Ansicht eines gemäß dem Stand der Technik optimierten Modells für ein auszudruckendes kegelförmiges Objekt. Wie in Figur 3A ersichtlich ist, weist dieser Entwurf mehrere Stellen mit großem Überhangwinkel auf, von denen eine Strebe Sl durch einen Kreis hervorgehoben ist. Die Strebe Sl und die anderen stark überhängenden Stellen müssten vor einem 3D-Ausdruck mit geeigneten Stützstrukturen versehen werden, die nach dem Ausdruck in einem zusätzlichen Arbeitsgang entfernt werden müssten.
Im Unterschied zu Figur 3A zeigt Figur 3B eine aufgeschnitte- ne Ansicht eines erfindungsgemäß optimierten Modells des ke¬ gelförmigen Objekts. Wie leicht erkennbar ist, wurden in Figur 3B stark überhängende Streben, wie z.B. die Strebe Sl in Figur 3A, gewissermaßen „wegoptimiert". Tatsächlich sind in Figur 3B nur Streben S2 mit einem kleinen, für einen SD- Ausdruck zulässigen Überhangwinkel vorhanden. Insgesamt wird in dem in Figur 3B dargestellten Modell ein zulässiger Überhangwinkel im Wesentlichen nicht überschritten. Somit ist das in Figur 3B dargestellte Modell ohne zusätzlich anzubringende Stützstrukturen ausdruckbar und das ausgedruckte Objekt er- fordert entsprechend keine diesbezügliche Nachbearbeitung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum rechnergestützten Entwurf von Objekten zur additiven Fertigung, wobei
a) Entwurfsdaten (ED) für ein additiv zu fertigendes und hin sichtlich eines physikalischen Optimierungsziels zu opti¬ mierendes Objekt (OBJ) eingelesen werden,
b) ein eine Vielzahl von Volumenelementen (VE) umfassendes volumetrisches Modell (VM) des Objekts mit einer Material Verteilung (D) gemäß den Entwurfsdaten (ED) initialisiert wird,
c) für Volumenelemente (VE) des volumetrischen Modells (VM) anhand der Materialverteilung (D) jeweils eine auf das Op timierungsziel bezogene, lokale Zieleigenschaft (GRD) er¬ mittelt wird,
d) für ein jeweiliges Volumenelement (VE) geprüft wird, ob dieses Volumenelement (VE) hinsichtlich der additiven Fer tigung gestützt wird, und abhängig davon die Zieleigenschaft (GRD) dieses Volumenelements (VE) derart modifi¬ ziert wird, dass sich die Zieleigenschaft (GRD) bei Stüt¬ zung dem Optimierungsziel annähert und/oder bei Nichtstüt zung vom Optimierungsziel entfernt,
e) anhand der modifizierten Zieleigenschaften (GRDMOD) die Materialverteilung (D) derart modifiziert wird, dass sich die modifizierte Materialverteilung (DMOD) dem Optimierungsziel annähert, und
f) die modifizierte Materialverteilung (DMOD) zur additiven Fertigung des Objekts (OBJ) ausgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte c) bis e) wiederholt werden, bis ein vorgegebenes Optimierungskriterium (CR) erfüllt ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die volumenelementspezifische Ermittlung der Zieleigenschaf¬ ten (GRD) mittels eines Finite-Elemente-Verfahrens erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Optimierungsziel durch eine Zielfunktion (CF) dargestellt wird, durch die ein Abstand einer jeweiligen Materialvertei¬ lung (D) vom Optimierungsziel berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Zieleigenschaft (GRD) für ein jeweiliges Volumenelement (VE) ermittelt wird, wie sich die Zielfunktion (CF) bei Ände- rung einer Materialdichte (D) in diesem Volumenelement (VE) ändert .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
bei der Prüfung der Stützung eines jeweiligen Volumenelements (VE) geprüft wird, ob ein von diesem Volumenelement (VE) nach unten gerichteter Kegel mit vorgegebenem Öffnungswinkel auf ein anderes materialbehaftetes Volumenelement (VE) oder auf ein Auflageelement trifft.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in Verfahrensschritt d) für das jeweilige Volumenelement (VE) geprüft wird, ob dieses Volumenelement (VE) hinsichtlich der additiven Fertigung ein anderes Volumenelement (VE) stützt, und abhängig davon die Zieleigenschaft (GRD) des jeweiligen Volumenelements (VE) derart modifiziert wird, dass sich die Zieleigenschaft (GRD) bei Stützung dem Optimierungsziel annä¬ hert und/oder bei NichtStützung vom Optimierungsziel ent¬ fernt .
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Prüfung, ob das jeweilige Volumenelement (VE) ein an¬ deres Volumenelement (VE) stützt, geprüft wird, ob ein vom jeweiligen Volumenelement (VE) nach oben gerichteter Kegel mit vorgegebenem Öffnungswinkel auf ein anderes materialbe¬ haftetes Volumenelement (VE) trifft.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (OBJ) gemäß der ausgegebenen modifizierten Materi- alverteilung (DMOD) mittels eines 3D-Druckers (3D) ausge¬ druckt wird.
10. Assistenzsystem (AS) zum rechnergestützten Entwurf von Objekten (OBJ) zur additiven Fertigung, eingerichtet zum Aus- führen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
11. 3D-Drucker (3D) eingerichtet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und zum Ausdrucken ei- nes Objekts (OBJ) gemäß der ausgegebenen modifizierten Materialverteilung (DMOD) .
12. Computerprogrammprodukt zum rechnergestützten Entwurf von Objekten (OBJ) zur additiven Fertigung, eingerichtet zum Aus- führen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
13. Computerlesbares Speichermedium mit einem Computerpro¬ grammprodukt nach Anspruch 12.
EP17727172.3A 2016-06-15 2017-05-26 Verfahren, assistenzsystem und 3d-drucker zum rechnergestützten entwurf von objekten zur additiven fertigung Withdrawn EP3446243A1 (de)

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