NL1019045C2 - Werkwijze en systeem voor het vervaardigen van een 3-dimensionaal voorwerp. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze en systeem voor het vervaardigen van een 3-dimensionaal voorwerp.

De uitvinding heeft betrekking op het automatisch vervaardigen van een drie-dimensionaal voorwerp, met name een prototype, onder besturing van een computer model van het voorwerp.

Uit onder andere US octrooischrift No. 5.768,134 zijn technieken 5 bekend om aan de hand van een computer model van een voorwerp automatisch een drie-dimensionaal prototype van het voorwerp te maken. Deze technieken dienen vooral voor het krijgen van een ruimtelijke indruk, bijvoorbeeld van een lichaamsdeel ter voorbereiding van een medische ingreep, of van een beoogd fabricage product tijdens de ontwikkeling van dat 10 product.

Men gaat daarbij uit van oppervlaktemodellen en volumemodellen. Een voorbeeld van een oppervlak model beschrijft bijvoorbeeld de coördinaten van de hoekpunten van een stelstel driehoeken die het oppervlak vormen. Een volumemodel gaat ervan uit dat de ruimte opgedeeld 15 is in een drie-dimensionaal raster van volume elementen (voxels) en voorziet in een set parameters die elk beschrijven of een bepaald voxel binnen of buiten het voorwerp ligt en. als het er binnen ligt wat bijvoorbeeld de kleur van het materiaal in het voxel is.

Het genoemde US octrooischrift verwerft een volumemodel door 20 middel van een scanner en converteert dat volumemodel naar een oppervlaktemodel. dat gebruikt wordt voor de vervaardiging van het voorwerp.

Het zou wenselijk zijn om ook gebruiksproducten op deze wijze te maken, dat wil zeggen voorwerpen die niet alleen dienen voor de uitbeelding 25 van het uiterlijk van een product, maar die ook een aantal van de materiaaleigenschappen van het product hebben. Du is met name niet eenvoudig als het voorwerp op verschillende plaatsen uit verschillende 2 materialen bestaat, of als er zelfs gradiënten in materiaal samenstelling optreden.

Er zijn echter al verschillende vervaardigingstechnieken bekend die dit mogelijk maken, zoals "Direct Laser Powder Deposition" (DLPD) δ technieken LENS (Optomec), DMD (POM), CMB (Röders) enzovoort. Een voorbeeld van een dergelijke techniek is het gebruik van een aantal nozzles, elk voor een ander materiaal (bijvoorbeeld een kunststof, een metaal enzovoort). Onder besturing van een computer wordt uit de verschillende nozzles het betrokken materiaal in poedervorm al dan niet gesproeid, in 10 vlucht gesmolten, zodat het materiaal uit de verschillende nozzles samen op een punt op het voorwerp in vorming neerslaat en stolt.

j;-_____ ___________ ^ ^. ji____1...1 LOOI Uil Ujj CCJJ leehö vdjj pujjitji it; UUtfii Kdil JJt?l VOUI'Werp punt voor punt worden opgebouwd, en door verschillende verhoudingen aan materialen te gebruiken voor de verschillende punten kan een 15 plaatsafhankelijke materiaal samenstelling gerealiseerd worden.

Er is echter nog geen techniek bekend om dit proces automatisch nauwkeurig onder besturing van een computer model te besturen.

Het is onder meer een doel van de uitvinding om te voorzien in een 20 nauwkeurige werkwijze en systeem voor het uitvoeren van een dergelijke" werkwijze, om automatisch onder controle van een computer model een driedimensionaal voorwerp te vervaardigen waarvan de materiaal samenstelling inwendig plaatsafhankelijk is.

25 De uitvinding voorziet in een werkwijze voor hel automatisch vervaardigen van een dne-dimensionaal voorwerp, welke de stappen omvat van - aanleveren van eerste dala die oppervlak!emodel van het voorwerp vormt; - aanleveren van tweede data die een voxelmodel van het voorwerp vormt, 30 met een lagere resolutie dan het oppervlaktemodel, waarbij de tweede data 3 plaatsafhankelijk per voxel informatie bevat over een samenstelling van het materiaal waarvan het voorwerp ter plaatse van het voxel gemaakt moet worden; - het voorwerp vormen door puntsgewijze depositie van materiaal, waarbij 5 de samenstelling van het gedeponeerde materiaal per punt met de tweede data bestuurd wordt en het al dan met deponeren van het materiaal aan verschillende zijden van het oppervlak met de eerste data bestuurd wordt met hogere resolutie dan de besturing van de samenstelling.

Het oppervlaktemodel is bijvoorkeur een parametrisch model, 10 bijvoorbeeld een driehoeksmodel.

Zodoende is het mogelijk de samenstelling van het voorwerp plaatsafhankelijk te besturen zonder dat een extreem groot geheugen nodig is. Zou men eenzelfde oppervlakte resolutie willen realiseren met alleen een voxelmodel. dan zou een excessieve hoeveelheid data nodig zijn. Als 15 bijvoorbeeld een resolutie van 0.01 mm gewenst is voor een voorwerp met een omvang van 100 mm, zouden in dat geval 10J2 voxels nodig zijn. Volgens de uitvinding zijn veel minder voxels nodig, omdat het niet nodig blijkt de samenstelling met dezelfde resolutie te besturen als de vorm van het oppervlak.

20 Deze en andere doelstellingen en voordelige aspecten van de werkwijze en het systeem volgens de uitvinding zullen nader worden beschreven aan de hand van de volgende figuren.

Figuur 1 toont een systeem voor het besturen van een vervaardigmgsproces; 25 Figuur 2 illustreert een aantal stappen m de generatie van een volumemodel:

Figuur 3 toont een weergave van een volumemodel;

Figuur 4 toont een verdere weergave van een volumemodel.

‘ ) 4

Figuur 1 toont, een systeem voor het besturen van een vervaardigingsproces. Het systeem bevat een geheugen 10 voor een oppervlaktemodel. een geheugen 12 voor een volumemodel (zonder af te wijken van de uitvinding kunnen beide geheugens 10, 12 delen van een 5 enkel geheugen zijn), een besturingscomputer 14 en een materiaal depositie-inrichting 16.

Voor de materiaal depositie inrichting 16 kan een willekeurige inrichting gebruikt worden die in staat is een drie-dimensionaal voorwerp punt voor punt op te bouwen (met bijvoorbeeld bolvormige punten met een 10 diameter van 0.02 mm of 0.1 mm), waarbij de materiaal samenstelling van punt tot punt kan veranderen. Dergelijke inrichtingen zijn reeds bekend. Zij •w» λΙτΛ U A «Vv A A a V\ -μί-ιίΙτ ιτλ η *' Vit ι«λ λ+ 1 a r. a .. I } a... J _ __ I \ „ . . a . . H t *1 \ T 1 1 I" \ \ 11 KJ1JX uui UCCiU ui KAXJ\ van JL/ll f F L ijdsei J. UWUtI jJU&i LJUI1 (_LJ l j Γ U) technieken LENS (Optomec), DMD (POM), CMB (Röders) enzovoort.

In bedrijf wordt in het geheugen 10 voor het oppervlaktemodel data 15 opgeslagen die een oppervlak van het voorwerp representeert (bijvoorbeeld het buitenoppervlak en eventuele interne oppervlakken, dan wel scheidingsoppervlakken tussen verschillende delen van het voorwerp). Hiervoor wordt bijvoorbeeld een STL model gebruikt (STL=Standard Triangle Language), dat de coördinaten bevat van de hoekpunten van een 20 stelsel driehoeken die het oppervlak beschrijven. Maar ook andere modellen zoals NURBS. Bezier shapes, enz. kunnen gebruikt worden, die gekromde oppervlakken beschrijven met parameters van een wiskundige vergelijking die het oppervlak beschrijft. Het oppervlak wordt dus niet met punten beschreven, maar met parameters die een continue beschrijving van het 25 oppervlak geven.

In het geheugen 12 voor het volumemodel wordt data opgeslagen. Het volumemodel gaat uit van een opdeling van de ruimte in een aantal voxels, en het model bevat voor elk voxel één of meer parameters, die aangeeft of aangeven of het voxel binnen het voorwerp ligt en wat de 30 samenstelling van het materiaal m het voxel moet zijn. De opdeling van de 5 ruimte is bijvoorkeur zo dat elk voxel een veel groter deel-volume van de ruimte beschrijft dan een enkel punt dat door de materiaal depositie inrichting 16 kan worden aangebracht. Er is typisch een orde van grootte verschil in de diameters van de voxels en de punten, bijvoorbeeld een factor 5 groter dan twee of groter dan tien. Zodoende kan zelfs voor vrij grote voorwerpen worden volstaan met een relatief beperkt aantal voxels. Voor een verdere besparing van de benodigde informatie kan ook gebruik gemaakt worden van een octree structuur, waarin voor groepen van voxels met homogene parameter waarden telkens deze parameter waarde maar 10 één keer wordt opgeslagen. Ook kan gebruik gemaakt worden van een lookup table (LUT) in het geheugen 12 met entries waarin mogelijke parameter waarden zijn opgeslagen, waarbij dan de volumemodel data per voxel of homogene groep van voxels naar een entry in de LUT.

Volgens de uitvinding bevat het volumemodel voor elk voxel één of 15 meer parameters die de materiaal samenstelling van het voorwerp specificeert. In een uitvoeringsvorm specificeren deze parameters de samenstelling homogeen voor het hele voxel, in termen van de componenten van de samenstelling en/of de relatieve concentraties van de componenten.

In een verdere uitvoeringsvorm specificeren de parameters bijvoorbeeld ook 20 een gradiënt van de concentraties (afgeleide naar de plaats) of eventueel ook hogere afgeleiden. In alle gevallen is het aantal parameters dat voor de specificatie gebruikt wordt echter veel kleiner dan nodig zou zijn om de samenstelling van elk punt binnen het voxel apart te specificeren.

De besturingscomputer 14 bestuurt de materiaal depositie 25 inrichting 16 zo dat een drie dimensionaal voorwerp punt voor punt opgebouwd wordt. Daarbij gebruikt de besturingscomputer 14 oppervlak! emodel informatie uit hei geheugen 10 voor het oppervlaktemodel voor elk punt om aan te sturen op de materiaal depositie inrichting 16 op dat punt of wel of geen materiaal moet deponeren. Daartoe bepaalt de 30 besturingscomputer 14 of de positie van het betrokken punt binnen of 6 buiten het door het oppervlaktemodel gespecificeerde oppervlak van het voorwerp ligt en geeft alleen dan opdracht om materiaal te deponeren als het punt binnen het oppervlak ligt.

De besturmgscomputer 14 gebruikt volumemodel informatie uit 5 het geheugen 12 voor het volumemodel om de materiaal samenstelling van de verschillende punten te sturen. Over het algemeen correspondeert één voxel met meerdere (een groot aantal) verschillende punten waarop de materiaal depositie inrichting 16 materiaal van verschillende samenstelling kan deponeren. De besturingscomputer 14 berekent binnen welk voxel het 10 betrokken punt ligt, leest de parameter die de materiaal eigenschappen van dat voxel beschrijft uit het geheugen 12 voor het volumemodel en stuurt de materiaal depositie inrichting aan om hei materiaal op het punt volgens die parameter samengesteld te deponeren. In het geval van een homogene beschrijving voor de samenstelling van het voxel wordt de samenstelling 15 zoals gespecificeerd voor het gehele voxel op het punt gedeponeerd. In het geval van een gradiënt specificatie berekent de besturingscomputer de samenstelling ter plaatse van het voxel en stuurt de materiaal depositie inrichting met de berekende waarde aan.

In de praktijk realiseert de besturingscomputer 14 dit door te 20 werken met opeenvolgende een doorsnedes van het te vervaardigen voorwerp, elk ter dikte van de punten die door de materiaal depositie inrichting 16 worden aangebracht. Voor elke doorsnede berekent de besturingscomputer 14, met de bovenbeschreven techniek van randbepaling met het oppervlaktemodel en samenstelhngsbepahng met het volumemodel, 25 een twee-dimensionaal "beeld met pixels die de samenstelling van het te deponeren materiaal beschrijven, op een pixel resolutie die overeenkomt met die van de te deponeren punten. Dit beeld stuurt de besturingscomputer 14 naar de materiaal depositie inrichting die aan de hand van elk pixel een respectief punt van het materiaal aanbrengt. Het geheugen voor dit beeld 30 kan vervolgens weer hergebruikt worden nog voordat het hele voorwerp 7 gevormd is. Zodoende is niet excessief veel geheugen nodig. Als alternatief kan de besturingscomputer 14 natuurlijk ook de informatie punt voor punt berekenen en telkens slechts besturingsinformatie voor een deel van de punten in een doorsnede, of zelfs voor een enkel punt oversturen voordat de δ materiaal depositieinrichting 16 het materiaal aanbrengt.

Op de beschreven manier zal de instelling van de oppervlaktevorm met een grotere ruimtelijke resolutie plaatsvinden dan de verdeling van het materiaal over bet volumen van bet voorwerp. Maar daardoor wordt een excessief groot geheugen 12 voor bet volumemodel uitgespaard. Het is 10 echter gebleken dat in de meeste toepassingen met een lagere resolutie voor de materiaal-samenstelling kan worden volstaan. Vaak is het wezenlijk dat de samenstelling verandert, maar minder wezenlijk hoe de samenstelling als functie van de plaats verandert. In het geval van een vingervormige koper kern in een voornamelijk stalen gietvorm bijvoorbeeld (voor het 15 verbeteren van de warmtegeleidmg) is een nauwkeurige materiaal distributie niet nodig. De beschreven techniek is daarom zeer geschikt voor het maken van zulke gietvormen.

Brjvoorkeur wordt de data van het volumemodel gegenereerd uit de data van het oppervlaktemodel. Dit maakt het ontwerpen van het 20 volumemodel eenvoudiger en overzichtelfjker.

Figuur 2 illustreert een aantal stappen in een computer algoritme waarin een oppervlaktemodel (bijvoorbeeld een STL model wordt omgezet m een volumemodel met informatie over gradiënten in materiaalsamenstellmg. Hiervoor wordt bijvoorkeur een 25 computerprogramma gebruikt, dat op besturingscomputer 14 kan draaien, maar ook op een andere compuier. waarna vervolgens het genereerde volumemodel in het geheugen 12 geladen wordt.

In een eerste stap van het algoritme wordt uitgegaan van een oppervlaktemodel. Een door dit model beschreven voorwerp wordt getoond 8 als step 1, met grijstint verschillen tussen plaatsen waar een verschillende materiaal samenstelling nodig is.

Vervolgens worden parameters ingevuld voor een aantal voxels, die aangeven of de voxels binnen het voorwerp liggen. Er wordt berekend welke 5 voxels door het oppervlak doorsneden worden. De parameters die de materiaal samenstelling beschrijven van voxels die door het oppervlak doorsneden worden eveneens ingevuld. Deze worden bijvoorbeeld afgeleid uit een model dat de samenstelling van het oppervlak aangeeft . Dit kan bijvoorbeeld door per oppervlakte element uit het oppervlaktemodel een 10 samenstellings parameter op te geven, maar ook andere technieken zoals specificatie van een plaatsafhankelijke samenstellings functie van het oppervlak, computer grspTucs texture iueρριn^ vun samenstellingsparameters op oppervlakte coördinaten enzovoort.

Deze stap kan desgewenst een aantal malen herhaald worden om 15 parameters over verschillende matenaal eigenschappen aan de voxels toe te kennen die door het oppervlak gesneden worden. Het voorwerp dat door het resulterende voxelmodel beschreven wordt wordt weergegeven in de deelfiguur "step 2".

Step 3 en step 4 geven een doorsnede aan van het model. In step 4 20 wordt een laag van voxels getoond uit de in step 3 aangegeven doorsnede.' De voxels die door het oppervlak doorsneden worden zijn aangegeven met een afwijkende grijstint.

Vervolgens wordt een groeibewerkmg uitgevoerd, waarin telkens parameters van voxels worden berekend aan de hand van parameters van 25 ruimtelijk naburige voxels. Step 5 toont illustreert schematisch tussenresultaat van de groeibewerkmg en step 6 het eindresultaat, waarbij verschillende parameter waarden met verschillende grijstinten worden weergegeven.

Desgewenst wordt een afvlakking van de ruimtelijke variatie van do de paranieterwaarden uitgevoerd, waarvan het resultaat in "step 7" wordt 9 geïllustreerd. Dit is het eindpunt van de generatie van het volumemodel, dat vervolgens door de besturingscomputer 14 wordt gebruikt om de materiaal depositie inrichting 16 aan te sturen. Het volumemodel wordt bijvoorkeur in zijn geheel (dat wil zeggen in drie dimensies en niet δ geïsoleerd in een laag) gegenereerd, waarbij de groeibewerking ook in groei vanuit de rand voxels in drie dimensies omvat.

Desgewenst laag voor laag gegenereerd worden met twee dimensionale groei (lagen zoals getoond in step4-8), waarbij de besturingscomputer telkens na bet genereren van een laag van bet 10 volumemodel de materiaal depositieinrichting 16 aanstuurt om de betrokken laag te deponeren met de berekende samenstelling.

"Step 8" illustreert het effect van de manier waarop de besturingscomputer 14 de materiaal depositie inrichting 16 aanstuurt om een laag te deponeren, dat wil zeggen met samenstellings gegevens bepaald 15 uit het volumemodel (step 7) en oppervlakte afgrenzing uit het oppervlaktemodel.

De groeibewerking (step 5 en step 6) kan op verschillende manieren worden uitgevoerd afhankelijk van de gewenste ruimtelijke materiaal verdeling.

20 Figuur 3 toont het effect van een eerste manier om de groeibewerking uit te voeren. Hier aan de voxels die op de rand liggen een gewichtsfactor met een vaste waarde toegekend. Vervolgens wordt in elk voxel waarvoor de gewichtsfactor nog niet toegekend is, maar dat grenst aan een voxel waarvoor dat wel het geval is, de maximale waarde van de 25 gewichtsfactor voor de naburige voxels bepaald. Als deze waarde minder is dan een drempel waarde wordt aan het voxel een gewichtsfactor nul toegekend en een default samenstelling. Ander wordt een fractie van deze maximale gewichtsfactor als gewichtsfactor aan het voxel toegekend, samen met de samenstelhngsparameters van het naburige voxel dat de maximale 30 gewichtsfactor bezat.

10

Uiteraard is dit met de enig mogelijke techniek: in plaats van overname van de samenstellingsparameters uit het voxel met de maximale gewichtsfactor kan de samenstellings parameter berekend worden door weging van samenstellings parameters van de naburige voxels. Ook kan de 5 gewichtsfactor anders bepaald worden, bijvoorbeeld door verlaging met een vast bedrag van de maximale gewichtsfactor van de buren.

Al deze groeitechnieken kunnen zowel drie dimensionaal (buren in 3 coördinaatrichtingen) als twee dimensionaal of zelfs één dimensionaal worden toegepast.

10 Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot de genoemde groeibewerkmgen, ook andere uit de beeldbewerkingsliteratuur bekende technieken kunnen worden toegepast. Bijvoorkeur kan de gebruiker instellen welke techniek wordt toegepast, om zo tot een gewenst effect te komen.

15 Figuur 4 toont een verder techniek kan fading worden toegepast, waarbij de ruimtelijke verdeling van de parameterwaardes laagdoorlaat gefilterd wordt.

Op vergelijkbare manier kunnen per voxel een gradiënt of meer hogere orde afgeleide van de samenstellingsparameters bepaald worden.

20 Hiervoor kan ook een finite element model of iets dergelijks gebruikt worden om de samenstellings parameters en/of de afgeleiden ervan door oplossing een differentiaal vergelijking te berekenen uit de samenstellings parameters van het oppervlak.

De beschreven werkwijze om het drie dimensionale model te 25 genereren kan zoals beschreven worden toegepast op het vormen van een buitenoppervlak van het vervaardigde voorwerp. Het oppervlaktemodel kan echter ook interne oppervlakten beschrijven die de grens vormen tussen verschillende materialen waaruit het voorwerp is opgebouwd. In dat geval kan de beschreven werkwijze meerdere keren toegepast worden, telkens 30 voor een verschillend deel van het voorwerp aan één kant van zo'n grens.

11

Hierna wordt het materiaal op punten in de delen aan de verschillende kanten van de grens aangebracht, elk zoals berekend bij de uitvoering van de werkwijze voor het betrokken deel.

Claims (4)

1. Werkwijze voor het automatisch vervaardigen van een driedimensionaal voorwerp, welke de stappen omvat van - aanleveren van eerste data die oppervlaktemodel van het voorwerp vormt; - aanleveren van tweede data die een voxelmodel van het voorwerp vormt, δ met een lagere resolutie dan het oppervlaktemodel, waarbij de tweede data plaatsafhankelijk per voxel informatie bevat over een samenstelling van het materiaal waarvan het voorwerp ter plaatse van het voxel gemaakt moet worden; - het voorwerp vormen door puntsgewijze depositie van materiaal, waarbij ia J _____:________t__*__j__________j . ^ 1 * , T * t ±\j utr ödiutriiöLCJiiiig vajj jjfi ^uepuiieeiut; uiiiiVLiiim per pum, luei ULJ LWeeae data bestuurd wordt en het al dan met deponeren van het materiaal aan verschillende zijden van het oppervlak met de eerste data bestuurd wordt met hogere resolutie dan de besturing van de samenstelling.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarin de tweede data automatisch 15 uit de eerste data gegenereerd wordt door - toekennen van samenstellings parameters aan oppervlakken uit het oppervlaktemodel: - bepalen welke voxels uit het volumemodel door de oppervlakken doorsneden worden; 20. toekennen van de samenstellings parameters van de oppervlakken aan de voxels die door de oppervlakken doorsneden worden; - toekennen van verdere samenstellings parameters van overige voxels door berekening uit samenstellingsparameiers of verdere samenstellings parameters van naburige voxels van de betrokken overige voxels.

3. Systeem voor het vervaardigen van een voorwerp volgens de werkwijze van conclusie 1 of 2, met - een eerste en tweede geheugen voor respectievelijk de eerste en tweede data; - een materiaal depositie inrichting; - een besturingscomputer gekoppeld aan de geheugens en de materiaal depositiemrichting voor het besturen van de materiaal depositie inrichting afhankelijk van de eerste en tweede data.

4. Computer programma product in een computer leesbaar medium voorzien van een computer programma voor het besturen van een werkwijze volgens conclusie 1 of 2. δ. Computer programma product in een computer leesbaar medium voorzien van een computer programma voor 10 - het ontvangen van eerste data die oppervlaktemodel van een voorwerp vormt; - genereren van tweede data die een voxelmodel van het voorwerp vormt, met een lagere resolutie dan het oppervlaktemodel, waarbij de tweede data plaatsafhankelijk per voxel informatie bevat over een samenstelling van 15 het materiaal waarvan het voorwerp ter plaatse van het voxel gemaakt moet worden; waarin de tweede data automatisch uit de eerste data gegenereerd wordt door - toekennen van samenstellings parameters aan oppervlakken uit het oppervlaktemodel; 20. bepalen welke voxels uit het volumemodel door de oppervlakken doorsneden worden; - toekennen van de samenstellings parameters van de oppervlakken aan de voxels die door de oppervlakken doorsneden worden; - toekennen van verdere samenstellings parameters van overige voxels door 25 berekening uit samenstellingsparameters of verdere samenstellings parameters van naburige voxels van de betrokken overige voxels.