EP4062243A1 - Verfahren zum erstellen eines virtuellen dreidimensionalen struktur-modells - Google Patents

Verfahren zum erstellen eines virtuellen dreidimensionalen struktur-modells

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EP4062243A1
EP4062243A1 EP20811554.3A EP20811554A EP4062243A1 EP 4062243 A1 EP4062243 A1 EP 4062243A1 EP 20811554 A EP20811554 A EP 20811554A EP 4062243 A1 EP4062243 A1 EP 4062243A1
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EP
European Patent Office
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model
structure model
parameter
manufacturing
structural element
Prior art date
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Pending
Application number
EP20811554.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
David Marschall
Herbert Rippl
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KTM Technologies GmbH
Original Assignee
KTM Technologies GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by KTM Technologies GmbH filed Critical KTM Technologies GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Definitions

  • the present invention relates to a method for creating a virtual three-dimensional structure model of a body.
  • the invention also relates to an additive manufacturing method, in particular a 3D printing method, for manufacturing a body.
  • the invention also relates to a device for creating a virtual three-dimensional structure model of a body and / or for manufacturing the body.
  • the invention also relates to a body produced using this method.
  • WO 2017/123268 A1 discloses a system and a method for generating a shape-conforming lattice structure for a part formed by additive manufacturing.
  • the method includes creating a computer model of the part and creating a finite element mesh.
  • a lattice structure with a multiplicity of cellular lattice components can also be created.
  • Some of the network elements of the finite element network can be deformed so that the finite element network corresponds to the overall shape of the part.
  • the lattice structure can then be deformed in such a way that the lattice structure has a cellular periodicity which corresponds to the finite elements of the finite element network.
  • the object of the present invention is to eliminate the disadvantages known from the prior art, in particular to improve the mechanical, thermal and / or aerodynamic properties of a body structure formed from a plurality of cells.
  • a method for creating a virtual three-dimensional structure model of a body is to be understood in particular as a lattice structure and / or surface structure.
  • the structure can be formed from a multiplicity of cells. These cells can have several interconnected structural elements, in particular surface elements and / or grid elements.
  • a fill geometry and a base volume are first determined from a geometry model of the body.
  • the geometry model can be a CAD model, for example.
  • the filling geometry forms the envelope of the virtual body.
  • the base volume forms the volume enclosed by the filling geometry.
  • the base volume is accordingly at least partially framed by the filling geometry.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by a user and / or in an automated manner by a computing unit.
  • At least one numerical model of the body is created taking into account the filling geometry and / or the base volume.
  • the numerical model can be an FE model (finite element model) and / or an FV model (finite volume model).
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • At least one variable is applied to the numerical model.
  • the term “size” is essentially to be understood as an influencing and / or stress variable that acts on the body when it is used as intended.
  • At least one mechanical, thermal and / or aerodynamic variable is applied to the numerical model. This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • a target property of the body is then determined on the basis of the numerical model to which the at least one variable is applied. This is preferably determined and / or specified by a user. Additionally or alternatively, this can be determined and / or specified in an automated manner by the computing unit.
  • a mechanical, thermal and / or aerodynamic target property of the body is determined on the basis of the numerical model to which the at least one mechanical, thermal and / or aerodynamic variable is applied.
  • the target properties of the body preferably mechanically, ther mix and / or aerodynamically set anisotropically.
  • the body preferably has direction-dependent mechanical, thermal and / or aerodynamic target properties.
  • This process step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or automatically by the computing unit.
  • structure model is to be understood as a virtual model of the body that is made up of a large number of cells.
  • the cells can be formed from several structural elements connected to one another, in particular surface elements and / or grid elements.
  • the structure model defines at least one actual property of the body.
  • the structure model defines a mechanical, thermal and / or aerodynamic actual property of the body. This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the processing unit.
  • the numerical model and / or the structure model is preferably fitted into the envelope geometry.
  • the term "fitted" means that a cell of the numerical model and / or the structure model adjoining the envelope geometry is not cut off or divided by the envelope geometry, but rather its dimensions precisely match the envelope geometry. are adjusted so that the cell is flush with the envelope geometry.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • the structure model is iteratively optimized.
  • the at least one mechanical, thermal and / or aerodynamic actual property of the body is adapted to the mechanical, thermal and / or aerodynamic target property of the body by changing at least one parameter of the structure model.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit. In this way, a structure model can advantageously be created that is characterized by improved mechanical, thermal and / or aerodynamic properties.
  • the structure model is created taking into account and / or on the basis of structural proportions of the numerical model.
  • structural proportions means those parameters of a numerical network of the numerical model that define the proportions of the individual cells of the numerical network.
  • the structural proportions can be, for example, the corner points of the numerical network of the numerical model, in particular their coordinates.
  • the structure model is preferably created on the basis of these structural proportions of the numerical model. This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • the target property and / or the actual property is reflected by at least one property tensor, in particular a stiffness tensor. It is advantageous if the mechanical, thermal and / or aerodynamic actual properties of the structure model are determined using the numerical model. This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • the structure model is formed from a multiplicity of cells which have several interconnected structural elements, in particular surface elements and / or lattice elements.
  • the grid elements can be rods, for example, which are preferably connected to one another at nodes.
  • At least one structure element parameter of at least one, in particular individual, structure element, in particular a cell is changed.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit. Accordingly, it is not the cell as a whole, but at least one, in particular individual, structural elements of the cell that are influenced and optimized one level of detail deeper. In this way, a cell can advantageously be created which has an optimized mechanically, thermodynamically and / or aerodynamically anisotropic behavior.
  • the at least one, in particular individual, structural element is changed in such a way that it itself is mechanically, thermally and / or has aerodynamically anisotropic properties.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the processing unit.
  • the structural element can preferably be designed in such a way that its mechanical, thermal and / or aerodynamic properties change in at least one of its three spatial directions, in particular continuously or variably.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • a material parameter and / or a geometry parameter of the structural element, in particular in one of its three spatial directions is changed as the structural element parameter.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • material parameters a density, a hardness, a strength (in particular tensile strength and / or compressive strength), an elasticity, a ductility, a material damping, a thermal expansion, a thermal conductivity, a heat resistance, a specific heat capacity and / or a cold toughness of the structural element, in particular in one of its three spatial directions, is changed.
  • a thickness, a length, a cross-sectional shape and / or a contour of the structural element, in particular in one of its three spatial directions is changed as the geometry parameter.
  • the structural element is changed in such a way that it has a variable thickness, in particular over its length. Accordingly, the structural element, in particular a rod element, can taper and / or thicken in areas.
  • At least one structural element, in particular one which influences the mechanical, thermal and / or aerodynamic properties, of at least two structural elements of the same cell is designed differently from one another.
  • the mechanical, thermal and / or aerodynamic properties of the cell can be made anisotropic.
  • this anisotropic behavior of the cell can be set very precisely.
  • This process step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or automatically by the computing unit.
  • the material properties of a material used in additive manufacturing can change as a result of changing temperature conditions during the manufacturing process. For example, the manufacturing space of an additive manufacturing device gradually heats up during additive manufacturing. As a result, the material used cools down faster at the beginning of the manufacturing process than at the end of the manufacturing process. Due to the different cooling times, the material properties of the starting material used for additive manufacturing can change. This in turn influences the mechanical, thermal and / or aerodynamic properties of the additively manufactured body. Because of this, it is advantageous if, during the iterative optimization of the structure model, at least one, in particular the at least one structural element parameter, an additive manufacturing parameter Manufacturing device is taken into account.
  • This process step is preferably at least partially carried out manually by the user and / or automatically by the computing unit.
  • a temperature distribution in the interior of a production area of the production device is taken into account as a production parameter. Additionally or alternatively, it is advantageous if a temperature change in the interior of the production space, in particular during the production of the body, is taken into account.
  • the temperature distribution and / or temperature change can be determined empirically, for example.
  • At least one parameter of the structure model in particular at least one structure element parameter of at least one individual structure element, is changed as a function of a manufacturing parameter. This ensures that the temperature conditions that change during the manufacturing process do not negatively affect the material properties of the manufactured body.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the processing unit.
  • An additive manufacturing method for manufacturing a body is also proposed.
  • a virtual three-dimensional structure model of the body is created.
  • the method steps for creating the virtual three-dimensional structure model of the body are preferably carried out at least partially manually by a user and / or automatically by a computing unit.
  • production data is created.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit.
  • the body is then manufactured with the additive manufacturing device based on the manufacturing data.
  • the virtual three-dimensional structure model of the body is created with a method for creating a virtual three-dimensional structure model according to the preceding description, wherein the features mentioned can be present individually or in any combination.
  • a device for creating a virtual three-dimensional structure model of a body and / or for manufacturing the body comprises a computing unit for creating the virtual three-dimensional structure model of the body. Additionally or alternatively, the device comprises an additive manufacturing device for manufacturing the body.
  • the computing unit of the device is designed in such a way that it can be used to create the virtual three-dimensional structure model of the body using a method according to the preceding description, wherein the features mentioned can be present individually or in any combination and / or the methods mentioned steps are at least partially carried out manually by the user and / or automatically by the processing unit.
  • Figure 1 is a schematic representation of a device for creating a virtual three-dimensional structure model of a body and for manufacturing the body
  • Figure 2 is a single cell of a structure
  • FIG. 4 shows a flow chart for a method for creating a virtual three-dimensional structure model of a body, in particular with a computing unit, and / or for additive manufacturing of this body, in particular with an additive manufacturing device.
  • FIG. 1 shows a computing unit 2 for creating a virtual three-dimensional structure model 19 of a body 5.
  • the method of operation of the computing unit 2 is discussed in detail in the following description, particularly in FIG User and / or can be carried out automatically by the computing unit 2.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing device 3 with which the body 5 can be manufactured in an additive manufacturing process.
  • the manufacturing device 3 has a manufacturing space 8, in the interior of which the body 5 is Herge.
  • the additive manufacturing device 3 has a manufacturing unit 4.
  • the computing unit 2 and the additive manufacturing device 3 together form a device 1 for creating the virtual three-dimensional structure model 19 and for additive manufacturing of the body 5.
  • the body 5 has a structure 6, only indicated in FIG. 1, which is formed from a multiplicity of cells 7.
  • Each of these isolated cells 7 is shown as an example in FIG.
  • Each of these cells 7 is formed from a plurality of structural elements 9 connected to one another.
  • the structural elements 9 can be grid elements.
  • the structural elements 9 can also be designed as surface elements.
  • the structural elements 9 can be connected via nodes 10, of which only one is provided with a reference symbol in FIG. 2 for reasons of clarity.
  • FIG. 3 shows a single structural element 9 of a cell 7.
  • the present structural element 9 is designed in such a way that it has anisotropic properties. As a result, the structural element 9 has different properties depending on the direction.
  • the structural element parameters 11 can be material parameters 12 and / or geometry parameters 13 (cf. FIG. 4).
  • Material parameters 12 can be, for example, density, hardness, strength, elasticity, ductility, material damping, thermal expansion, thermal conductivity, heat resistance, specific heat capacity and / or cold toughness.
  • the structural element 9 can have different material parameters 12 in a first section 14 than in a second section 15. In this example, the material parameters 12 thus change in a transverse direction of the structural element 9.
  • the structural element parameters 11 can, however, also change in a longitudinal direction of the structural element 9. So changes in that In the present exemplary embodiment, a geometry parameter 13. Geometry parameters 13 can be the thickness, length, cross-sectional shape and / o the contour of the structural element 9. As FIG. 3 shows, in the case of the present structural element 9, the thickness of the structural element 9 changes over its length.
  • FIG. 4 shows a flowchart for a manufacturing method for manufacturing the body 5.
  • FIG. 4 also shows a method for creating a virtual three-dimensional structure model of the body 5. This method is carried out with the computing unit 2 shown in FIG.
  • the method steps mentioned are preferably carried out at least partially manually by a user and / or in an automated manner by the computing unit 2.
  • the processing unit 2 is instructed on input data that must be entered by a user, which are then processed by the processing unit 2.
  • the subsequent step of additive manufacturing is carried out with the additive manufacturing device 3 shown in FIG.
  • manufacturing parameters 28 of the additive manufacturing device 3 are taken into account.
  • These production parameters 28 can be a temperature distribution in the production space 8 of the production device 3.
  • the production parameters can preferably be recorded via sensors and / or entered manually by the user.
  • a temperature change in the interior of the production space 8 during the production process can be taken into account as production parameter 28. So there are different temperatures in the production space 8, which also change during the production process.
  • an area of the additively manufactured body 5 can cool down more quickly in one area of the production space 8 than in another area of the production space 8.
  • the material properties of the body 5 change in order to take this influence of the production device 3 into account can, therefore a material data determination 17 is carried out.
  • production-related material data 29 can also be and / or include limit values for material properties.
  • a geometry model 16 of the body 5 is first created. Using the geometry model 16, an envelope geometry 25 and a base volume 26 are determined.
  • the envelope geometry 25 here forms the outer skin of the body 5.
  • the base volume 26 is thus enclosed by the envelope geometry 25.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2.
  • a first numerical model 18 of the body 5 is then created.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2.
  • the numerical model 18 has a numerical network, which is preferably built from numerical elements and / or these interconnecting corner points.
  • the numerical model 18, in particular its numerical network is fitted into the envelope geometry 25.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2. As a result, the numerical network of the numerical model 18 does not protrude beyond the envelope geometry 25, but is fitted directly adjacent to it.
  • the numeric cells located in the edge area of the numeric network are thus not cut off by the envelope geometry 25, but all completely dig and / or closed.
  • the numerical model 18 can be an FE model (finite element model) and / or an FV model (finite volume model).
  • the numerical model 18 is acted upon with at least one size 27 and / or several sizes (load collective).
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2. These can be influencing variables that act on the body 5 when it is used as intended.
  • the sizes 27 are preferably mechanical, thermal and / or aerodynamic sizes 27.
  • the production parameters 28 can be taken into account in this step. This takes place via the production-related material data 29.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2.
  • setpoint properties 30 of the body 5 are determined taking into account the applied variables 27 and / or production-related material data 29. This is preferably done manually on the basis of empirical values by a user. Alternatively, however, this can also be done fully automatically by the computing unit 2, which for this purpose can preferably have an artificial intelligence.
  • the setpoint properties 30 are mechanical, thermal and / or aerodynamic setpoint properties 30. These mechanical, thermal and / or aerodynamic setpoint properties 30 thus form the reference values that the structure 6 of the body 5 to be determined has should.
  • the first numerical model 18 has structural proportions 33.
  • structural proportions is to be understood as meaning those parameters of the first numerical network of the numerical model 18 which define the proportions of the individual cells of the numerical network.
  • the structural proportions 33 can, for example, be the corner points of the the first numerical network of the numerical model 18, in particular its coordinates.
  • a first structure model 19 is first created. This takes place on the basis of the structure proportions 33 of the numerical model 18. For this purpose, the structure proportions 33 are transferred to the first structure model 19.
  • the structure model 19 is fitted into the envelope geometry 25 through the use of the structure proportions 33.
  • the structure model 19 can be fitted into the envelope geometry 25 in this step. As a result, the structure of the structure model 19 does not protrude beyond the envelope geometry 25, but is fitted directly to it lying on it.
  • the cells 7 located in the edge region of the structure are therefore not cut off by the envelope geometry 25, but rather are all complete and / or closed.
  • the structure model 19 supplies at least one actual property tensor 31.
  • This at least one actual property tensor 31 of the structure model 19 defines mechanical, thermal and / or aerodynamic actual properties 32 of the mathematical model. To check these actual properties 32, the at least one actual property tensor 31 of the structure model 19 is transferred to a second numerical model 20.
  • the production-related material data 29 of the material data determination 17 can also be taken into account in this second numerical model 20.
  • the above procedural steps are preferably carried out at least partially manually by the user and / or automatically by the computing unit 2.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2. If the mechanical, thermal and / or aerodynamic actual properties 32 still deviate too strongly from the mechanical, thermal and / or aerodynamic target properties 30, an iterative optimization of the structure model 19 takes place. As part of this iterative optimization the actual properties 32 so often matched to the target properties 30 until they match sufficiently.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or automatically by the computing unit 2.
  • a parameter adjustment 22 takes place.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2.
  • at least one parameter, in particular a structural element parameter 11, of the structure model 19 is changed.
  • the term “structural element parameter” is to be understood as a parameter of an individual structural element 9. Accordingly, at least one structural element parameter 11 of at least one individual structural element 9 of a cell 7 is changed (see FIG. 2).
  • the structural element 9 can be changed, for example, as shown in FIG.
  • the at least one individual structural element 9 is changed in such a way that it has mechanically, thermally and / or aerodynamically anisotropic properties.
  • the at least one structural element parameter 11 can be designed to be variable in one spatial direction of the structural element 9.
  • the structure parameter 11 can be a material parameter 12 and / or the one geometry parameter 13 of the structure element 9.
  • the structure model 19 can accordingly have at least one cell 7 in which at least one structure element parameter 11 of at least two structure elements 9 of the same cell 7 are designed differently from one another.
  • production data is generated 23.
  • suitable production data are created for the additive manufacturing device 3.
  • This method step is preferably carried out at least partially manually by the user and / or in an automated manner by the computing unit 2.
  • the production-related material data 29 can also be taken into account. The result of this is precise positioning of the body 5 to be manufactured in the manufacturing space 8 of the manufacturing device 3.
  • the manufacturing 24 takes place in the manufacturing device 3.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells (19) eines Körpers (5), das folgende Schritte umfasst: Ermittlung einer Hüllgeometrie (25) und eines Basisvolumens (26) aus einem Geometrie-Modell (16) des Körpers (5); Erstellung zumindest eines numerischen Modells (18) des Körpers (5) unter Berücksichtigung der Hüllgeometrie (25) und/oder des Basisvolumens (26); Beaufschlagung des numerischen Modells (18) mit wenigstens einer Größe (27) und Festlegung einer Soll-Eigenschaft (30) des Körpers (5) anhand des mit der wenigsten einen Größe (27) beaufschlagten numerischen Modells (18); Erstellung eines Struktur-Modells (19), das eine Ist-Eigenschaft (32) des Körpers (5) definiert; und iterative Optimierung des Struktur-Modells (19) zur Angleichung der Ist-Eigenschaften (32) an die Soll-Eigenschaften (30). Erfindungsgemäß wird bei der iterativen Optimierung des Struktur-Modells (19) eine mechanische, thermische und/oder aerodynamische Ist-Eigenschaft (32) des Körpers (5) durch Veränderung zumindest eines Parameters (11, 12, 13) des Struktur-Modells (19) an eine mechanische, thermische und/oder aerodynamische Soll-Eigenschaft (30) des Körpers (5) angepasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren und eine Vorrichtung, die mit diesem Verfahren arbeitet.

Description

Verfahren zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen
Struktur-Modells
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells eines Körpers. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere ein 3D-Druck- verfahren, zum Herstellen eines Körpers. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struktur-Mo dells eines Körpers und/oder zum Fertigen des Körpers. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen mit diesem Verfahren hergestellten Körper.
Beispielsweise aus der WO 2017/123268 A1 ist ein System und ein Verfah ren zum Erzeugen einer form konformen Gitterstruktur für ein durch additive Fertigung gebildetes Teil bekannt. Das Verfahren beinhaltet das Erstellen ei- nes Computermodells des Teils und das Erzeugen eines Finite-Elemente- Netzes. Eine Gitterstruktur mit einer Vielzahl von zellulären Gitterkomponen ten kann ebenfalls erzeugt werden. Einige der Netzelemente des Finite-Ele- mente-Netzes können so verformt werden, dass das Finite-Elemente-Netz der Gesamtform des Teils entspricht. Die Gitterstruktur kann dann so ver- formt werden, dass die Gitterstruktur eine zelluläre Periodizität aufweist, die den finiten Elementen des Finite-Elemente-Netzes entspricht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beseitigen, insbesondere die mechanischen, thermi- sehen und/oder aerodynamischen Eigenschaften einer aus einer Vielzahl von Zellen ausgebildeten Struktur eines Körpers zu verbessern.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Zeichnungen. Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Erstellen eines virtuellen dreidimensi onalen Struktur-Modells eines Körpers. Unter dem Begriff „Struktur“ ist insbe sondere eine Gitterstruktur und/oder Flächenstruktur zu verstehen. Die Struk tur kann aus einer Vielzahl von Zellen ausgebildet sein. Diese Zellen können mehrere miteinander verbundene Strukturelemente, insbesondere Flächen elemente und/oder Gitterelemente, aufweisen.
Bei dem Verfahren wird zunächst aus einem Geometrie-Modell des Körpers eine Flüllgeometrie und ein Basisvolumen ermittelt. Bei dem Geometrie-Mo dell kann es sich beispielsweise um ein CAD-Modell handeln. Die Flüllgeo metrie bildet die Hülle des virtuellen Körpers. Das Basisvolumen bildet das von der Flüllgeometrie eingeschlossene Volumen. Das Basisvolumen ist demnach von der Flüllgeometrie zumindest teilweise umrahmt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von einem Benut zer und/oder automatisiert von einer Recheneinheit durchgeführt.
Anschließend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest ein nu merisches Modell des Körpers unter Berücksichtigung der Flüllgeometrie und/oder des Basisvolumens erstellt. Bei dem numerischen Modell kann es sich um ein FE-Modell (Finite-Elemente-Modell) und/oder um ein FV-Modell (Finite-Volumen-Modell) handeln. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Das numerische Modell wird mit wenigstens einer Größe beaufschlagt. Unter dem Begriff „Größe“ ist im Wesentlichen eine Einfluss- und/oder Belastungs größe zu verstehen, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Körpers auf diesen einwirkt. Das numerische Modell wird mit wenigstens einer me chanischen, thermischen und/oder aerodynamischen Größe beauf schlagt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise ma nuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durch geführt. Anhand des mit der wenigstens einen Größe beaufschlagten numerischen Modells wird dann eine Soll-Eigenschaft des Körpers festgelegt. Dies wird vorzugsweise von einem Benutzer festgelegt und/oder vorgegeben. Zusätz lich oder alternativ kann dies automatisiert von der Recheneinheit festgelegt und/oder vorgegeben werden. Vorliegend wird eine mechanische, thermi sche und/oder aerodynamische Soll-Eigenschaft des Körpers anhand des mit der wenigstens einen mechanischen, thermischen und/oder aerodynami schen Größe beaufschlagten numerischen Modells festgelegt. Hierbei wer den die Soll-Eigenschaften des Körpers vorzugsweise mechanisch, ther misch und/oder aerodynamisch anisotrop festgelegt. Dies bedeutet, dass der Körper vorzugsweise richtungsabhängige mechanische, thermische und/oder aerodynamische Soll-Eigenschaften aufweist. Vorzugsweise wird dieser Ver fahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder auto matisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Danach wird ein Struktur-Modell erstellt. Unter dem Begriff „Struktur-Modell“ ist ein virtuelles Modell des Körpers zu verstehen, das aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut ist. Die Zellen können aus mehreren miteinander verbunde nen Strukturelementen, insbesondere Flächenelementen und/oder Gitterele menten, ausgebildet sein. Das Struktur-Modell definiert zumindest eine Ist- Eigenschaft des Körpers. Das Struktur-Modell definiert eine mechanische, thermische und/oder aerodynamische Ist-Eigenschaft des Körpers. Vorzugs weise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Be nutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Vorzugsweise ist das numerische Modell und/oder das Struktur-Modell in die Hüllgeometrie eingepasst. Unter dem Begriff „eingepasst“ ist zu verstehen, dass eine an die Hüllgeometrie angrenzende Zelle des numerischen Modells und/oder des Struktur-Modells durch die Hüllgeometrie nicht abgeschnitten bzw. zerteilt wird, sondern deren Dimensionen passgenau an die Hüllgeo- metrie angepasst sind, so dass die Zelle mit der Hüllgeometrie bündig ab schließt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise ma nuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durch geführt.
Um die Ist-Eigenschaften an die Soll-Eigenschaften anzugleichen, wird das Struktur-Modell iterativ optimiert. Hierbei wird die zumindest eine mechani sche, thermische und/oder aerodynamische Ist-Eigenschaft des Körpers durch Veränderung zumindest eines Parameters des Struktur-Modells an die mechanische, thermische und/oder aerodynamische Soll-Eigenschaft des Körpers angepasst. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Rechen einheit durchgeführt. Vorteilhafterweise kann hierdurch ein Struktur-Modell geschaffen werden, dass sich durch verbesserte mechanische, thermische und/oder aerodynamische Eigenschaften auszeichnet.
Vorteilhaft ist es, wenn das Struktur-Modell unter Berücksichtigung und/oder auf Basis von Struktur-Proportionen des numerischen Modells erstellt wird. Unter dem Begriff „Struktur-Proportionen“ sind diejenigen Parameter eines numerischen Netzes des numerischen Modells zu verstehen, die die Propor tionen der einzelnen Zellen des numerischen Netzes definieren. Bei den Struktur-Proportionen kann es sich beispielsweise um die Eckpunkte des nu merischen Netzes des numerischen Modells, insbesondere um deren Koordi naten, handeln. Vorzugsweise wird das Struktur-Modell auf Basis dieser Struktur-Proportionen des numerischen Modells erstellt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Soll-Eigenschaft und/oder die Ist-Eigenschaft durch zumindest einen Eigenschaftstensor, insbesondere einen Steifigkeits tensor, widergegeben wird. Vorteilhaft ist es, wenn die mechanischen, thermischen und/oder aerodyna mischen Ist-Eigenschaften des Struktur-Modells anhand des numerischen Modells ermittelt werden. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumin dest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Re cheneinheit durchgeführt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die veränderten mechanischen, thermischen und/oder aerodynamischen Ist-Eigenschaften des Körpers anhand des nu merischen Modells mit den mechanischen, thermischen und/oder aerodyna mischen Soll-Eigenschaften abgeglichen werden. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Struktur-Modell aus einer Vielzahl von Zellen ausgebildet, die mehrere miteinander verbundene Strukturelemente, insbesondere Flächenelemente und/oder Gitterelemente, aufweisen. Bei den Gitterelementen kann es sich beispielsweise um Stäbe handeln, die vorzugsweise in Knotenpunkten miteinander verbunden sind.
Um den Optimierungsgrad des Struktur-Modells zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Strukturelement-Parameter zumindest eines, insbeson dere einzelnen, Strukturelements, insbesondere einer Zelle, verändert wird. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt. Demnach wird nicht die Zelle als Ganzes, sondern eine Detailebene tiefer zu mindest ein, insbesondere einzelnes, Strukturelemente der Zelle beeinflusst und optimiert. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine Zelle geschaffen wer den, die ein optimiertes mechanisch, thermodynamisch und/oder aerodyna misch anisotropes Verhalten aufweist.
Vorteilhaft ist es, wenn das zumindest eine, insbesondere einzelne, Struktu relement derart verändert wird, dass dieses selbst mechanisch, thermisch und/oder aerodynamisch anisotrope Eigenschaften aufweist. Hierdurch kann vorteilhafterweise das anisotrope Verhalten der Zelle noch genauer beein flusst und festgelegt werden. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zu mindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Diesbezüglich ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Parameter, insbe sondere Strukturelement-Parameter, in einer Längsrichtung und/oder einer seiner beiden Querrichtungen des Strukturelements verändert wird. Dem nach kann das Strukturelement vorzugsweise derart ausgebildet werden, dass sich dessen mechanische, thermische und/oder aerodynamische Ei genschaften in zumindest eine seiner drei Raumrichtungen, insbesondere stetig oder variabel, verändert. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Vorteilhaft ist es, wenn als Strukturelement-Parameter ein Materialparameter und/oder ein Geometrieparameter des Strukturelements, insbesondere in ei ner seiner drei Raumrichtungen, verändert wird. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt. Diesbezüglich ist es vor teilhaft, wenn als Materialparameter eine Dichte, eine Härte, eine Festigkeit (insbesondere Zugfestigkeit und/oder Druckfestigkeit), eine Elastizität, eine Duktilität, eine Werkstoffdämpfung, eine Wärmeausdehnung, eine Wärmeleit fähigkeit, eine Warmfestigkeit, eine spezifische Wärmekapazität und/oder eine Kaltzähigkeit des Strukturelements, insbesondere in einer seiner drei Raumrichtungen, verändert wird. Ferner ist es diesbezüglich vorteilhaft, wenn als Geometrieparameter eine Dicke, eine Länge, eine Querschnittsform und/oder eine Kontur des Strukturelements, insbesondere in einer seiner drei Raumrichtungen, verändert wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Strukturelement derart verändert, dass dieses, insbesondere über seine Länge, eine variable Dicke aufweist. Demnach kann das Strukturelement, insbesondere ein Sta belement, sich bereichsweise verjüngen und/oder verdicken.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest ein, insbesondere die mechanischen, ther mischen und/oder aerodynamischen Eigenschaften beeinflussender, Struktu relement-Parameter zumindest zweier Strukturelemente derselben Zelle zu einander unterschiedlich ausgebildet wird. Hierdurch können die mechani schen, thermischen und/oder aerodynamischen Eigenschaften der Zelle anisotrop ausgebildet werden. Des Weiteren kann dieses anisotrope Verhal ten der Zelle sehr genau eingestellt werden. Vorzugsweise wird dieser Ver fahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder auto matisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Die Materialeigenschaften eines im Rahmen der additiven Fertigung verwen deten Materials können sich durch während des Fertigungsprozesses verän dernde Temperaturbedingungen verändern. So heizt sich beispielsweise der Fertigungsraum einer additiven Fertigungsvorrichtung während der additiven Fertigung allmählich auf. Infolgedessen kühlt das verwendete Material zu Be ginn des Fertigungsprozesses schneller ab, als am Ende des Fertigungspro zesses. Durch die unterschiedlich langen Abkühlzeiten können sich hierbei Materialeigenschaften des zur additiven Fertigung verwendeten Ausgangs materials verändern. Dies beeinflusst wiederum die mechanischen, thermi schen und/oder aerodynamischen Eigenschaften des additiv gefertigten Kör pers. Aufgrund dessen ist es vorteilhaft, wenn bei der iterativen Optimierung des Struktur-Modells zumindest ein, insbesondere den zumindest einen Strukturelement-Parameter beeinflussender, Fertigungsparameter einer addi tiven Fertigungsvorrichtung berücksichtigt wird. Diesbezüglich ist es vorteil haft, wenn die Ist-Eigenschaften und/oder Soll-Eigenschaften des Körpers in Abhängigkeit und/oder unter Berücksichtigung dieses Fertigungsparameters angepasst werden. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Rechen einheit durchgeführt.
Vorteilhaft ist es, wenn als Fertigungsparameter eine Temperaturverteilung im Inneren eines Fertigungsraums der Fertigungsvorrichtung berücksichtigt wird. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn eine Temperaturverän derung im Inneren des Fertigungsraums, insbesondere während der Ferti gung des Körpers, berücksichtigt wird. Die Temperaturverteilung und/oder Temperaturveränderung können beispielsweise empirisch ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird zumindest ein Parameter des Struk tur-Modells, insbesondere zumindest ein Strukturelement-Parameter zumin dest eines einzelnen Strukturelements, in Abhängigkeit eines Fertigungspa rameters verändert. Flierdurch kann sichergestellt werden, dass die während des Fertigungsprozesses verändernden Temperaturbedingungen die Materi aleigenschaften des gefertigten Körpers nicht negativ beeinflussen. Vorzugs weise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Be nutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt.
Vorteilhaft ist es, wenn zumindest einer der vorstehend genannten Verfah rensschritte, insbesondere die iterative Optimierung des Struktur-Modells, zu mindest teilweise von der Recheneinheit durchgeführt wird, die vorzugsweise mit einer künstlichen Intelligenz ausgebildet ist.
Vorgeschlagen wird ferner ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere ein 3D-Druckverfahren, zum Herstellen eines Körpers. Bei diesem Herstel lungsverfahren wird ein virtuelles dreidimensionales Struktur-Modell des Kör pers erstellt. Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte zum Erstellen des virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells des Körpers zumindest teil weise manuell von einem Benutzer und/oder automatisiert von einer Rechen einheit durchgeführt. Des Weiteren werden für eine additive Fertigungsvor- richtung anhand des virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells Ferti gungsdaten erstellt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Rechen einheit durchgeführt. Anschließend wird der Körper mit der additiven Ferti gungsvorrichtung anhand der Fertigungsdaten gefertigt. Erfindungsgemäß wird das virtuelle dreidimensionale Struktur-Modell des Körpers mit einem Verfahren zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells gemäß der vorangegangenen Beschreibung erstellt, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Erstellen eines virtuellen dreidimen sionalen Struktur-Modells eines Körpers und/oder zum Fertigen des Körpers vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Recheneinheit zum Erstellen des virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells des Körpers. Zusätzlich o- der alternativ umfasst die Vorrichtung eine additive Fertigungsvorrichtung zum Fertigen des Körpers. Die Recheneinheit der Vorrichtung ist derart aus gebildet, dass mit dieser das virtuelle dreidimensionale Struktur-Modell des Körpers mit einem Verfahren gemäß der vorangegangenen Beschreibung er stellt werden kann, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können und/oder die genannten Verfahrens schritte zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automati siert von der Recheneinheit durchgeführt werden.
Vorgeschlagen wird auch ein Körper, insbesondere ein Bauteil, mit einer Struktur, die aus einer Vielzahl von Zellen ausgebildet ist, die mehrere mitei nander verbundene Strukturelemente, insbesondere Flächen- und/oder Git terelemente, aufweist. Der Körper ist mit einem Verfahren gemäß der voran gegangenen Beschreibung hergestellt, wobei die genannten Merkmale ein zeln oder in beliebiger Kumulation vorhanden sein können und/oder die ge nannten Verfahrensschritte zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit durchgeführt werden. Vorteilhaft ist es, wenn der Körper ein Trägerelement aufweist, mit dem die Struktur formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Vorzugsweise ist die Struktur formschlüssig mit dem Trägerelement verklipst. Zusätzlich o- der alternativ kann das Trägerelement über einen Verbindungstoff, der vor- zugsweise aus dem gleichen Material des Trägerelements und/oder der Struktur besteht, stoffschlüssig verbunden werden.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbei spielen beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells eines Kör pers und zum Fertigen des Körpers, Figur 2 eine einzelne Zelle einer Struktur,
Figur 3 ein einzelnes Strukturelement einer Zelle und
Figur 4 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zum Erstellen eines virtu- eilen dreidimensionalen Struktur-Modells eines Körpers, insbe sondere mit einer Recheneinheit, und/oder zum additiven Ferti gen dieses Körpers, insbesondere mit einer additiven Ferti gungsvorrichtung.
Figur 1 zeigt eine Recheneinheit 2 zum Erstellen eines virtuellen dreidimensi onalen Struktur-Modells 19 eines Körpers 5. Auf die Arbeitsweise der Re cheneinheit 2 wird in der nachfolgenden Beschreibung insbesondere in Figur 4 detailliert eingegangen, wobei die darin gezeigten Verfahrensschritte zu mindest teilweise manuell von einem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt werden können. Des Weiteren zeigt Figur 1 eine additive Fertigungsvorrichtung 3, mit der der Körper 5 in einem additi ven Fertigungsverfahren hergestellt werden kann. Die Fertigungsvorrichtung 3 weist einen Fertigungsraum 8 auf, in dessen Inneren der Körper 5 herge stellt wird. Für die Fierstellung des Körpers 5 weist die additive Fertigungs vorrichtung 3 eine Fertigungseinheit 4 auf. Die Recheneinheit 2 und die addi tive Fertigungsvorrichtung 3 bilden zusammen eine Vorrichtung 1 zum Erstel len des virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells 19 und zum additiven Fertigen des Körpers 5 aus. Der Körper 5 weist eine in Figur 1 nur angedeu tete Struktur 6 auf, die aus einer Vielzahl von Zellen 7 ausgebildet ist.
Eine dieser isolierten Zellen 7 ist exemplarisch in Figur 2 dargestellt. Jede dieser Zellen 7 ist aus mehreren miteinander verbundenen Strukturelemen ten 9 ausgebildet. Bei den Strukturelementen 9 kann es sich, wie in Figur 2 dargestellt, um Gitterelemente handeln. Alternativ können die Strukturele mente 9 aber auch als Flächenelemente ausgebildet sein. Die Strukturele mente 9 können über Knoten 10, von denen aus Gründen der Übersichtlich keit nur einer in Figur 2 mit einem Bezugszeichen versehen ist, verbunden sein.
Figur 3 zeigt ein einzelnes Strukturelement 9 einer Zelle 7. Das vorliegende Strukturelement 9 ist derart ausgebildet, dass dieses anisotrope Eigenschaf ten aufweist. Infolgedessen weist das Strukturelement 9 richtungsabhängig unterschiedliche Eigenschaften auf. Hierfür ist zumindest ein Strukturele ment-Parameter 11 des Strukturelements 9 verändert. Bei den Strukturele ment-Parametern 11 kann es sich um Materialparameter 12 und/oder Geo metrieparameter 13 handeln (vgl. Figur 4). Materialparameter 12 können bei spielsweise Dichte, Flärte, Festigkeit, Elastizität, Duktilität, Werkstoffdämp fung, Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Warmfestigkeit, spezifische Wärmekapazität und/oder Kaltzähigkeit sein. So kann das Strukturelement 9 beispielsweise in einem ersten Abschnitt 14 andere Materialparameter 12 als in einem zweiten Abschnitt 15 aufweisen. In diesem Beispiel verändern sich die Materialparameter 12 somit in einer Querrichtung des Strukturelements 9. Alternativ können sich die Strukturelement-Parameter 11 aber auch in einer Längsrichtung des Strukturelements 9 verändern. So verändert sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Geometrieparameter 13. Bei Geomet rieparametern 13 kann es sich um die Dicke, Länge, Querschnittsform und/o der Kontur des Strukturelements 9 handeln. Wie Figur 3 zeigt verändert sich bei dem vorliegenden Strukturelement 9 die Dicke des Strukturelements 9 über seine Länge.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Herstellungsverfahren zum Herstel len des Körpers 5. Ferner zeigt Figur 4 ein Verfahren zum Erstellen eines vir tuellen dreidimensionalen Struktur-Modells des Körpers 5. Dieses Verfahren wird mit der in Figur 1 gezeigten Recheneinheit 2 durchgeführt. Hierbei wer den vorzugsweise die genannten Verfahrensschritte zumindest teilweise ma nuell von einem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Insbesondere kann es Vorkommen, dass die Recheneinheit 2 auf Inputdaten, die von einem Benutzer eingegeben werden müssen, ange wiesen ist, die dann von der Recheneinheit 2 verarbeitet werden. Der an schließende Schritt des additiven Fertigens wird mit der in Figur 1 dargestell ten additiven Fertigungsvorrichtung 3 durchgeführt.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden Fertigungsparameter 28 der additi ven Fertigungsvorrichtung 3 berücksichtigt. Bei diesen Fertigungsparametern 28 kann es sich um eine Temperaturverteilung im Fertigungsraum 8 der Fer tigungsvorrichtung 3 handeln. Die Fertigungsparameter können vorzugs weise über Sensoren erfasst werden und/oder manuell vom Benutzer einge geben werden. Des Weiteren kann als Fertigungsparameter 28 eine Tempe raturveränderung im Inneren des Fertigungsraums 8 während des Herstel lungsprozesses berücksichtigt werden. So herrschen im Fertigungsraum 8 unterschiedliche Temperaturen, die sich während des Fertigungsprozesses ferner verändern. So kann ein Bereich des additiv hergestellten Körpers 5 in einem Bereich des Fertigungsraums 8 schneller abkühlen als in einem ande ren Bereich des Fertigungsraums 8. In Abhängigkeit des Abkühlverlaufs ver ändern sich somit die Materialeigenschaften des Körpers 5. Um diesen Ein fluss der Fertigungsvorrichtung 3 berücksichtigen zu können, wird deshalb eine Materialdatenermittlung 17 durchgeführt. Hierbei wird im Rahmen von Testfertigungen und anschließenden Materialprüfungen die Beeinflussung der Materialeigenschaften in Abhängigkeit der Fertigungsparameter 28 der Fertigungsvorrichtung 3 empirisch ermittelt. Diese fertigungsbedingten Mate rialdaten 29 können hierbei auch Grenzwerte für Materialeigenschaften sein und/oder umfassen. Die im Rahmen der Materialdatenermittlung 17 ermittel ten fertigungsbedingten Materialdaten 29 fließen, wie nachfolgend im Detail erläutert, an unterschiedlichen Stellen ein.
Zum Erstellen des virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells 19 des Kör pers 5 wird zunächst ein Geometrie-Modell 16 des Körpers 5 erstellt. Anhand des Geometrie-Modells 16 wird eine Hüllgeometrie 25 und ein Basisvolumen 26 ermittelt. Die Hüllgeometrie 25 bildet hierbei die äußere Haut des Körpers 5. Das Basisvolumen 26 ist somit von der Hüllgeometrie 25 umschlossen. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt.
Anschließend wird ein erstes numerisches Modell 18 des Körpers 5 erstellt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Bei der Erstellung des numerischen Modells 18 wird die zuvor ermittelte Hüll geometrie 25 und/oder das Basisvolumen 26 berücksichtigt. Das numerische Modell 18 weist ein numerisches Netz auf, das vorzugsweise aus nummeri schen Elementen und/oder diese miteinander verbindenden Eckpunkten auf gebaut ist. Das numerische Modell 18, insbesondere sein numerisches Netz, wird hierbei in die Hüllgeometrie 25 eingepasst. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Infolgedessen ragt das numerische Netz des numerischen Modells 18 nicht über die Hüllgeometrie 25 hinaus, sondern ist an diese unmittelbar anliegend eingepasst. Die sich im Randbereich des numerischen Netzes befindlichen numerischen Zellen sind somit durch die Hüllgeometrie 25 nicht abgeschnitten, sondern alle vollstän dig und/oder geschlossen.
Bei dem numerischen Modell 18 kann es sich um ein FE-Modell (Finite-Ele- mente-Modell) und/oder um ein FV-Modell (Finite-Volumen-Modell) handeln. Das numerische Modell 18 wird mit zumindest einer Größe 27 und/oder meh reren Größen (Belastungskollektiv) beaufschlagt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Hierbei kann es sich um Einflussgrößen handeln, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Kör pers 5 auf diesen einwirken. Bei den Größen 27 handelt es sich vorzugs weise um mechanische, thermische und/oder aerodynamische Größen 27. Zusätzlich können in diesem Schritt die Fertigungsparameter 28 berücksich tigt werden. Dies erfolgt über die fertigungsbedingten Materialdaten 29. Vor zugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Anhand des ersten numerischen Modells 18 werden unter Berücksichtigung der beaufschlagten Größen 27 und/oder fertigungsbedingten Materialdaten 29 Soll-Eigenschaften 30 des Körpers 5 festgelegt. Dies erfolgt vorzugsweise manuell anhand von Erfahrungswerten durch einen Benutzer. Alternativ kann dies aber auch voll automatisiert durch die Recheneinheit 2 erfolgen, die hierfür vorzugsweise eine künstliche Intelligenz aufweisen kann. Bei den Soll-Eigenschaften 30 handelt es sich um mechanische, thermische und/oder aerodynamische Soll-Eigenschaften 30. Diese mechanischen, thermischen und/oder aerodynamischen Soll-Eigenschaften 30 bilden somit die Referenz werte, die die zu ermittelnde Struktur 6 des Körpers 5 aufweisen soll.
Das erste numerische Modell 18 weist Struktur-Proportionen 33 auf. Unter dem Begriff „Struktur-Proportionen“ sind diejenigen Parameter des ersten nu merischen Netzes des numerischen Modells 18 zu verstehen, die die Propor tionen der einzelnen Zellen des numerischen Netzes definieren. Bei den Struktur-Proportionen 33 kann es sich beispielsweise um die Eckpunkte des ersten numerischen Netzes des numerischen Modells 18, insbesondere um deren Koordinaten, handeln.
Zur Ermittlung der Struktur 6 wird zunächst ein erstes Struktur-Modell 19 er stellt. Dies erfolgt auf Basis der Struktur-Proportionen 33 des numerischen Modells 18. Hierfür werden die Struktur-Proportionen 33 an das erste Struk tur-Modell 19 übergeben. Das Struktur-Modell 19 ist durch die Verwendung der Struktur-Proportionen 33 in die Hüllgeometrie 25 eingepasst. Alternativ kann die Einpassung des Struktur-Modells 19 in die Hüllgeometrie 25 in die sem Schritt erfolgen. Infolgedessen ragt die Struktur des Struktur-Modells 19 nicht über die Hüllgeometrie 25 hinaus, sondern ist an diese unmittelbar an liegend eingepasst. Die sich im Randbereich der Struktur befindlichen Zellen 7 sind somit durch die Hüllgeometrie 25 nicht abgeschnitten, sondern alle vollständig und/oder geschlossen. Das Struktur-Modell 19 liefert zumindest einen Ist-Eigenschaftstensor 31. Durch diesen zumindest einen Ist-Eigen- schaftstensor 31 des Struktur-Modells 19 sind mechanische, thermische und/oder aerodynamische Ist-Eigenschaften 32 des mathematischen Modells definiert. Zur Überprüfung dieser Ist-Eigenschaften 32 wird der zumindest eine Ist-Eigenschaftstensor 31 des Struktur-Modells 19 in ein zweites numeri sches Modell 20 überführt. Auch bei diesem zweiten numerischen Modell 20 können die fertigungsbedingten Materialdaten 29 der Materialdatenermittlung 17 berücksichtigt werden. Vorzugsweise werden die vorstehenden Verfah rensschritte zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder auto matisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt.
Anschließend erfolgt eine Überprüfung, ob die Ist-Eigenschaften 32 des Struktur-Modells 19 bzw. des zweiten numerischen Modells 20 den zuvor festgelegten Soll-Eigenschaften 30 des ersten numerischen Modells 18 ent sprechen. Dies erfolgt im Rahmen eines Soll-Ist-Vergleichs 21. Vorzugs weise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Be nutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Wenn die mechanischen, thermischen und/oder aerodynamische Ist-Eigen schaften 32 noch zu stark von den mechanischen, thermischen und/oder ae rodynamischen Soll-Eigenschaften 30 abweichen, erfolgt eine iterative Opti mierung des Struktur-Modells 19. Im Rahmen dieser iterativen Optimierung werden die Ist-Eigenschaften 32 so oft an die Soll-Eigenschaften 30 angegli chen, bis diese ausreichend genug übereinstimmen. Vorzugsweise wird die ser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/o der automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt.
Um die Ist-Eigenschaften 32 zu verändern, erfolgt eine Parameteranpassung 22. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchge führt. Hierbei wird zumindest ein Parameter, insbesondere ein Strukturele ment-Parameter 11, des Struktur-Modells 19 verändert. Unter dem Begriff „Strukturelement-Parameter“ ist ein Parameter eines einzelnen Strukturele ments 9 zu verstehen. Demnach wird zumindest ein Strukturelement-Para meter 11 zumindest eines einzelnen Strukturelements 9 einer Zelle 7 verän dert (vergleiche Figur 2). Hierbei kann das Strukturelement 9 beispielsweise wie in Figur 3 dargestellt verändert werden. Das zumindest eine einzelne Strukturelement 9 wird hierbei derart verändert, dass dieses mechanisch, thermisch und/oder aerodynamisch anisotrope Eigenschaften aufweist. Der zumindest eine Strukturelement-Parameter 11 kann hierbei in einer Raum richtung des Strukturelements 9 variabel ausgebildet sein. Bei dem Struktu relement-Parameter 11 kann es sich um einen Materialparameter 12 und/o der einen Geometrieparameter 13 des Strukturelements 9 handeln. Als Folge kann das Struktur-Modell 19 demnach zumindest eine Zelle 7 aufweisen, bei der zumindest ein Strukturelement-Parameter 11 zumindest zweier Struktu relemente 9 derselben Zelle 7 zueinander unterschiedlich ausgebildet sind.
Die durch die veränderten Strukturelement-Parameter 11 angepassten me chanischen, thermischen und/oder aerodynamischen Eigenschaften des Struktur-Modells 19 werden wiederum über den zumindest einen Ist-Eigen- schaftstensor 31 auf das zweite numerische Modell 20 übertragen. Anschlie ßend erfolgt ein erneuter Soll-Ist-Vergleich 21. Vorzugsweise wird dieser Ver fahrensschritt zumindest teilweise manuell von dem Benutzer und/oder auto- matisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt.
Wenn die Ist-Eigenschaften 32 ausreichend genug den Soll-Eigenschaften 30 entsprechen, erfolgt eine Fertigungsdatenerstellung 23. In diesem Schritt werden für die additive Fertigungsvorrichtung 3 geeignete Fertigungsdaten erstellt. Vorzugsweise wird dieser Verfahrensschritt zumindest teilweise ma nuell von dem Benutzer und/oder automatisiert von der Recheneinheit 2 durchgeführt. Bei der Fertigungsdatenerstellung 23 können ebenfalls die fer tigungsbedingten Materialdaten 29 berücksichtigt werden. Die Folge hieraus ist eine genaue Positionierung des zu fertigenden Körpers 5 im Fertigungs- raum 8 der Fertigungsvorrichtung 3. Im letzten Schritt erfolgt dann die Ferti gung 24 in der Fertigungsvorrichtung 3.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentan- Sprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und be schrieben sind.
Bezuqszeichenliste
1. Vorrichtung 2. Recheneinheit
3. additive Fertigungsvorrichtung
4. Fertigungseinheit
5. Körper
6. Struktur 7. Zelle
8. Fertigungsraum
9. Strukturelement
10. Koten 11. Strukturelement-Parameter 12. Materialparameter
13. Geometrieparameter
14. ersten Abschnitt
15. zweiter Abschnitt
16. Geometrie-Modell 17. Materialdatenerm ittlung
18. erstes numerisches Modell
19. Struktur-Modell
20. zweites numerisches Modell 21. Soll-Ist-Vergleich 22. Parameteranpassung
23. Fertigungsdatenerstellung
24. Fertigung
25. Flüllgeometrie
26. Basisvolumens 27. Größe
28. Fertigungsparameter 29. fertigungsbedingte Materialdaten

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struktur- Modells (19) eines Körpers (5), das folgende Schritte umfasst:
- Ermittlung einer Hüllgeometrie (25) und eines Basisvolumens (26) aus einem Geometrie-Modell (16) des Körpers (5);
- Erstellung zumindest eines numerischen Modells (18) des Körpers (5) unter Berücksichtigung der Hüllgeometrie (25) und/oder des Basis volumens (26);
- Beaufschlagung des numerischen Modells (18) mit wenigstens einer Größe (27) und Festlegung einer Soll-Eigenschaft (30) des Körpers (5) anhand des mit der wenigsten einen Größe (27) beaufschlagten numerischen Modells (18);
- Erstellung eines Struktur-Modells (19), das eine Ist-Eigenschaft (32) des Körpers (5) definiert; und
- iterative Optimierung des Struktur-Modells (19) zur Angleichung der Ist-Eigenschaften (32) an die Soll-Eigenschaften (30), dadurch gekennzeichnet, dass bei der iterativen Optimierung des Struktur-Modells (19) eine mechanische, thermische und/oder aerodynamische Ist-Eigen schaft (32) des Körpers (5) durch Veränderung zumindest eines Para meters (11, 12, 13) des Struktur-Modells (19) an eine mechanische, thermische und/oder aerodynamische Soll-Eigenschaft (30) des Kör pers (5) angepasst wird.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das numerische Modell (18) und/oder das Struktur-Modell (19) in die Hüllgeometrie (25) eingepasst werden.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Struktur-Modell (19) unter Berück sichtigung und/oder auf Basis von Struktur-Proportionen (33) des nu merischen Modells (18) erstellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Struktur-Modell (19) aus einer Viel zahl von Zellen (7) ausgebildet wird, die mehrere miteinander verbun dene Strukturelemente (9), insbesondere Flächen- und/oder Gitterele mente, aufweisen.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strukturelement-Para meter (11) zumindest eines einzelnen Strukturelements (9) verändert wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine einzelne Struktu relement (9) derart verändert wird, dass dieses mechanisch, thermisch und/oder aerodynamisch anisotrope Eigenschaften aufweist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Strukturelement- Parameter (11) in einer Längs- und/oder Querrichtung des Strukturele ments (9) verändert wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Strukturelement-Parameter (11) ein Materialparameter (12) und/oder Geometrieparameter (13) des Struk turelements (9) verändert wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Materialparameter (12) eine Dichte, Härte, Festigkeit, Elastizität, Duktilität, Werkstoffdämpfung, Wär meausdehnung, Wärmeleitfähigkeit, Warmfestigkeit, spezifische Wär mekapazität und/oder Kaltzähigkeit des Strukturelements (9) verän dert wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Geometrieparameter (13) eine Di cke, Länge, Querschnittsform und/oder Kontur des Strukturelements (9) verändert wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strukturelement-Para meter (11) zumindest zweier Strukturelemente (9) derselben Zelle (7) zueinander unterschiedlich ausgebildet wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der iterativen Optimierung des Struktur-Modells (19) zumindest ein Fertigungsparameter (28) einer additiven Fertigungsvorrichtung (3) berücksichtigt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fertigungsparameter (28) eine Temperaturverteilung im Inneren eines Fertigungsraums (8) der Ferti gungsvorrichtung (3) und/oder eine Temperaturveränderung im Inneren des Fertigungsraums (8) be rücksichtigt wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Parameter des Struktur-
Modells (19), insbesondere zumindest ein Strukturelement-Parameter (11 ) zumindest eines einzelnen Strukturelements (9), in Abhängigkeit eines Fertigungsparameters (28) verändert wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verfahrensschritt, insbe sondere die iterative Optimierung des Struktur-Modells, von einer Re cheneinheit (2) durchgeführt wird, die vorzugsweise mit einer künstli chen Intelligenz ausgebildet ist.
16. Additives Herstellungsverfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, zum Herstellen eines Körpers (5), das folgende Schritte umfasst:
- Erstellung eines virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells (19) des Körpers (5);
- Erstellung von Fertigungsdaten für eine additive Fertigungsvorrich tung (3) anhand des virtuellen dreidimensionalen Struktur-Modells (19); und
- Fertigung des Körpers (5) mit der additiven Fertigungsvorrichtung (3) anhand der Fertigungsdaten; dadurch gekennzeichnet, dass das virtuelle dreidimensionale Struktur-Modell (19) des Körpers (5) mit einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche erstellt wird.
17. Vorrichtung (1) zum Erstellen eines virtuellen dreidimensionalen Struk tur-Modells (19) eines Körpers (5) und/oder zum Fertigen des Körpers (5) mit einer Recheneinheit (2) zum Erstellen des virtuellen dreidimensio nalen Struktur-Modells (19) des Körpers (5) und/oder mit einer additiven Fertigungsvorrichtung (3) zum Fertigen des Kör pers (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (2) derart ausgebildet ist, dass mit dieser das virtuelle dreidimensionale Struktur-Modell (19) des Körpers (5) gemäß einem Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprü che erstellt werden kann.
18. Körper (5), insbesondere Bauteil, mit einer Struktur (6), die aus einer Vielzahl von Zellen (7) ausgebildet ist, die mehrere miteinander verbundene Strukturelemente (9), insbe sondere Flächen- und/oder Gitterelemente, aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (5) gemäß einem Verfahren nach einem oder mehre ren der vorherigen Ansprüche hergestellt ist.
19. Körper nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein Trägerelement aufweist, mit dem die Struktur formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
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