WO2021250089A1 - Verfahren, vorrichtung und computerprogramm zur anpassung eines basismodells eines objektes für einen herstellungsprozess - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und computerprogramm zur anpassung eines basismodells eines objektes für einen herstellungsprozess Download PDF

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WO2021250089A1
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Jan Thesing
Witalij Wambold
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Gom Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/10—Additive manufacturing, e.g. 3D printing

Definitions

  • the invention relates to a method for adapting a basic model of an Objek th, the basic model being a digital model of the object for a manufacturing process, as well as a device and a computer program for this.
  • 3D printing offers a wide range of options, for example for the production of prototypes, spare parts, small series, design models or even for the series production of small parts.
  • Various, mostly additive, techniques can be used in 3D printing or 3D printing.
  • materials such as plastics, synthetic resins, ceramics or metals are applied in layers and the layers are connected to one another. Carbon and graphite materials are also already in use.
  • 3D printing processes are FDM (Fused Desposition Modeling), stereo lithography, selective laser sintering or laser melting, binder jetting or polygraphy.
  • a molten material is applied in layers to a work platform. As soon as the material cools down, it hardens.
  • the various 3D printing processes have in common that they require a digital 3D model of the object to be printed.
  • the basis for this data can, for example, be CAD (computer-aided design) data or 3D scan data.
  • CAD computer-aided design
  • 3D scan data For example, an existing component can be measured three-dimensionally in order to make copies of it.
  • thermal effects such as cooling processes can lead to 3D printing producing dimensionally distorted objects.
  • Many 3D printers therefore make it possible to influence the printing process by adjusting the settings of the printer driver in order to counteract these deviations from the desired result. It is also possible to simulate the printing process in advance with the aid of a computer in order to adapt the printing parameters or the printing model
  • Vacuum casting is a widely used casting method for replicating a previously, e.g. B. by 3D printing, produced master model in a silicone rubber mold. Deviations in the master model caused by the 3D printing disrupt the further manufacturing process and may be supplemented by further deviations in the creation of the shape.
  • the object of the present invention is to create a method to keep the warpage, that is to say the deviation of the finished component (object) from its desired shape, as low as possible.
  • manufacturing processes using 3D printing or manufacturing processes associated with this in the process chain are intended to be improved.
  • the object is achieved by the method according to claim 1, the device according to claim 15 and the computer program according to claim 16.
  • the basis for the computer-aided adaptation of the basic model of the object is knowledge of the 3D shape of a manufactured on the basis of the basic model Object (sample part), as well as the deviation of the 3D shape of the sample part (ACTUAL shape) from the desired shape (target data) of the object at least at selected points. Furthermore, an FEM model of the object is used. FEM stands for the finite element method.
  • the method comprises the following steps: a) providing a basic model of an object, as well as the target data of the object and providing an FEM model of the target data of the object; b) providing the 3D shape of a sample part; c) Provision of deviations of the 3D shape of the sample part (ACTUAL shape) from the target data of the object on which the sample part is based; d) Determination of a displacement field based on the deviations provided in step c) and the FEM model; e) Adaptation of the basic model taking into account the displacement field.
  • the digital 3D model (basic model) of the object can correspond to the target data of the object.
  • a print model that has already been prepared for the manufacturing process for example 3D printing
  • the target data of the object are also required.
  • the target data of the object can be provided, for example, in the form of a CAD model.
  • the target data describe the desired spatial shape of the object.
  • the nominal data can describe the shape of the object by delimiting a 3D space with a number of surfaces.
  • the required FEM model can, for example, be provided together with the target data, for example CAD data, of the object. In the course of the method, however, it can also be derived from target data provided, for example by means of suitable data processing steps.
  • the FEM model is a volumetric subdivision (into individual volumes) of a 3D space delimited by a number of surfaces. The surface of the FEM model agrees with the surfaces of the nominal data match. In this way, instead of separate nominal data, for example for determining the deviations, the surfaces of the FEM model can be used as nominal data.
  • the data of the 3D shape of the sample part and the deviation can, for example, be provided from an existing quality control process or can be determined as part of the method.
  • the 3D shape of the sample part (ACTUAL shape) is advantageously determined by a three-dimensional measurement of the sample part, and is then available in the form of 3D measurement data.
  • the pattern part can be an object manufactured on the basis of the basic model of the object.
  • a three-dimensional measurement of the sample part can be done with different measuring devices. Coordinate measuring machines, 3D scanners or computer tomographs are common. All of these devices deliver three-dimensional measurement data of the object, for example in the form of surface networks, point clouds or volume data.
  • 3D scanners that use a pattern projection method, such as strip projection, and laser scanners are widespread in industrial metrology. They enable high-precision, non-contact, three-dimensional measurement of objects of different sizes.
  • the 3D measurement data are determined by a three-dimensional optical measurement using a fringe projection scanner with a topometric measurement method by projecting different patterns onto an object, observing the projected patterns using at least one image recording unit and computer-aided evaluation.
  • the three-dimensional measurement is carried out with the aid of a computer tomograph.
  • the three-dimensional measurement is carried out with the aid of a laser scanner.
  • the deviations of the sample part from the nominal data can be provided, for example, with known software products for the analysis of 3D measurement data. Functions such as target / actual comparison, position and shape analysis (GD&T) or point-based evaluation functions are already known from the prior art. The deviation can be determined over the entire area as well as only at marked points.
  • GD&T position and shape analysis
  • point-based evaluation functions are already known from the prior art. The deviation can be determined over the entire area as well as only at marked points.
  • the deviations of the sample part from the target data of the object on which the sample part is based can be determined, for example, by first aligning the 3D measurement data of the object with the target geometry of the object.
  • an alignment can take place by means of a deformation-free 3D transformation of the 3D measurement data.
  • Various numerical alignment methods are known for this, such as minimizing the deviation between 3D measurement data and target geometry at defined points on the target geometry. These predefined points can be, for example, special object characteristics such as drill holes, corners, edges, markings or the like. It is also conceivable, however, for a user to manually define individual points in the target and actual data that are to be brought into congruence.
  • the selection of a particular alignment method is not important for the present method. Rather, it is crucial that the 3D measurement data are only aligned, i.e. not deformed.
  • points on the target geometry of the object at which the object and the base model should not experience any deformation can be helpful. These points are called fixed points. These fixed points can be freely chosen. For example, they are defined by an experienced user in areas of the object in which the object is subject to little or no deformation due to its structure during the production process.
  • the defined fixed points are advantageously already used here in order to align the measurement data with the nominal data in such a way that the measurement data and the nominal data match as closely as possible at these fixed points.
  • the deviation between the aligned measurement data of the object and the target data of the object can then be determined.
  • Two-dimensional methods can be used that determine, for example, a distance from the measurement data for each target point or determine the distance from the target data for each measurement point contained in the measurement data and save it in the form of an amount and an orientation (sign).
  • the attack points are freely defined points on the target data at which the deformation is to attack later. These points of attack can, for example, be defined by the user in areas of the object in which the object would be particularly easy to deform, based on the knowledge of the structural conditions. As a result, it would be possible to define the points of attack before determining the deviations from the sample part to the target data.
  • Points of attack can be selected, for example, in areas of large deviations of the 3D shape of the sample part from the target data of the object. A large deviation is understood to mean a deviation that exceeds a degree of deviation determined or predefined by the user.
  • the points of application can be selected specifically in the object areas in which the sample part has large deformations.
  • the number of attack points can also be selected based on knowledge of the deviations.
  • points of attack in advance in the target data, for example at points that are known to be easily deformable, and to add further points of attack to these points of attack after the deviations between the target and actual data have been determined.
  • a displacement field is determined with the help of the previously determined deviations.
  • a provided FEM model of the object is used here.
  • information on the stiffness of the object can be incorporated into the method.
  • the displacement field can advantageously be determined by considering selected fixed and attack points. If this has not been done in advance or in the previous process step, fixed points and points of attack on the target data should now be defined at the latest.
  • the FEM model and the fixed and attack points must be available in a common coordinate system for the execution of the method. If this is not the case at the beginning, the FEM model and the fixed and attack points can be transformed into a common coordinate system.
  • the surface of the FEM model agrees with the surfaces of the target data of the object.
  • the degrees of freedom of movement are blocked at the defined fixed points in the FEM model. As a result of the blocking, the positions of the fixed points in the direction of the blocked degrees of freedom are retained and do not change even if the FEM model is deformed.
  • the deviation of the measurement data from the target data was already determined for the points of attack.
  • the deviation can be given, for example, as a vector in the direction of the normal in the point of application, as well as its orientation as a sign and a magnitude.
  • the points of attack in this example are defined on the target data, they are each assigned a corresponding point of attack on the FEM data. It is particularly advantageous for the further calculation if an attack point corresponds to an FEM node. If this is not the case, a nearby FEM node can be selected as the point of attack instead.
  • a virtual displacement in the direction of the deviation from the measurement data is imposed on the FEM model at the attack points. In a preferred embodiment, this can be done simultaneously for all attack points, or in another embodiment for individual attack points one after the other.
  • the size of the forced shift is based on the previously determined deviation from the target and actual data at the respective point of attack.
  • the directions of displacement and deviation are the same, the amount of displacement is proportional to the deviation.
  • the proportionality factor is ONE and the amount of the shift corresponds to the amount of the previously determined deviation.
  • the 3D displacements can then be determined at the FEM nodes that arise when the FEM model experiences the displacements that are imposed at the points of application.
  • the FEM nodes together with the 3D displacements form a (preliminary) displacement field. Before this displacement field can be applied to the basic model in the last step, it must be inverted, ie the direction of the individual vectors of the displacement field is reversed.
  • the inverted (provisional) shift field is saved as a shift field for the next steps.
  • the stored displacement field can contain displacement vectors for all FEM nodes. In an advantageous embodiment, however, only the displacement vectors are stored for a subset of the FEM nodes, in particular only for the points of attack.
  • the displacement field is checked before it is applied to the basic model.
  • the displacement field is not yet applied to the basic model; instead, the displacement field is applied to the measurement data.
  • Interpolation or extrapolation methods can also be used here.
  • By applying the displacement field to the measurement data temporarily virtually deformed measurement data are generated. It is checked whether a discrepancy between the virtually deformed measurement data and the nominal data with an amount greater than ZERO can be determined. If this deviation is above a previously defined limit value, shifts proportional to the deviation are again imposed on the FEM model.
  • the resulting displacements can be determined for the nodes of the FEM model. These are in turn inverted and saved as a shift field.
  • a shift is not imposed on the FEM model in step d) which corresponds to the amount after the deviation, but is only proportional to it. It is conceivable, when determining the amount of the shift to be imposed, to provide the amount of the deviation with a proportionality factor. For example, only a fraction of the deviation can be imposed. This can be advantageous in particular in combination with the iterative repetition of steps c) and d).
  • step d) the displacements can be imposed on the FEM model not only at all points of attack at the same time, but also one after the other. If the points of attack are not considered simultaneously, but one after the other, steps c) and d) are only carried out for one point of attack. Then the next point of attack is considered. However, the execution of the one at the first point of attack also has an influence on the deviations at the other points of attack. Therefore, in an intermediate step, the determined displacement field is applied to the measurement data, and the measurement data deformed in this way are used to carry out steps c) and d) for the next point of attack.
  • points of attack that have already been considered can be blocked in their degrees of freedom of movement, that is, they are considered as additional fixed points. Another possibility is to bring in the attack points already considered at the same time as the attack point currently being considered.
  • the total displacement field determined in the previous steps represents a model for the displacements that the measurement data would have to experience in order to be shifted to the target data. This total displacement field is applied to the base model in this step to obtain a customized base model.
  • the basic model of the object is virtually deformed by transferring the 3D displacements determined in the previous step to the data of the basic model.
  • the values of the 3D displacement to be applied can be determined by interpolation from the 3D displacements of the closest points of the displacement field and then transferred will. After the virtual deformation has taken place, there is a virtually deformed base model.
  • the modified 3D model generated in the previous run becomes the new basic model.
  • the basic model no longer corresponds to the target data of the object. This must be taken into account during execution, since the deviations from a produced sample part can be determined to the target data of the object, but the calculated necessary deformations in step e) are applied to the basic model.
  • the basic model improved by means of the method described above can then be used for further adjustment methods, for example by making local adjustments, such as adjustments to the hole or cylinder diameter. For example, if it is known that the printing process / material used will shrink by 0.5% after cooling, the cylinder diameter can be selected to be larger.
  • the improved basic models can each be referred to as a production process-specific data model.
  • the manufacturing process-specific data models can be stored in a database so that it is possible to provide the corresponding improved basic model (data model) for the selected manufacturing process in a production process by selecting or transferring the parameters “desired object” and “manufacturing process” .
  • the database can also contain further data on the object, such as the target data and / or the original basic model.
  • the method described above can be implemented in a computer program that has program code means for executing the method steps when the computer program is executed on a computer.
  • the method can also be implemented in a device that preferably has a data processing unit, a data memory for the basic model data, possibly the target data, the data of the FEM model, possibly data for the fixed and attack points and an output unit for the provision of the adjusted base model.
  • the device can additionally have a measuring unit for measuring the 3D shape of the sample part or at least an interface for receiving a 3D shape of a sample part detected by an external measuring unit or the deviations of the determined 3D shape of the sample part from the nominal data of the sample part on which the sample part is based Object.
  • FIG. 1 - a schematic sketch of the sequence of the setting up process
  • FIG. 1 shows a sketch for a process of setting up an object 1 by means of 3D printing using an embodiment of the method according to the invention.
  • a basic model 2 in the form of a digital data model. It is assumed here that this basic model 2 corresponds to the target data of the object 1 in the form of a CAD data set.
  • the base model 2 can, however, also be a print model or print CAD derived from the CAD data, for example with the aid of printer software. For example, specific adjustments have already been made to the print model for printing, for example in the one with the help of a Software has simulated the printing process so that cooling effects can be recognized.
  • the basic model 2 is used to produce a sample part 4 with a 3D printer 3. It can be seen directly that this pattern part 4 does not correspond to the desired shape of the object 1.
  • the sample part 4 has a deformation at one of the corners.
  • the method according to the invention is therefore used to produce parts that better correspond to the desired object shape.
  • the basic model 2 and nominal data of the object 1 are already provided, since we are assuming in this example that the basic model corresponds to the CAD data of the object 1.
  • the sample part 4 is digitized with a 3D scanner 5.
  • the 3-D scanner 5 shown schematically here has two cameras and a projector and is designed for topometric detection of the sample part 4 by means of a strip projection method.
  • the 3D scanner also has a control and evaluation unit in the form of a computer, which is not shown here for the sake of clarity.
  • This common design of a 3D scanner 5 is only to be understood as an example. Any measuring device that can detect the three-dimensional shape of the sample part 4 is suitable. These include laser scanners, coordinate measuring machines and computer tomographs.
  • 3D measurement data 6 of the sample part 4 are available, which describe the 3D shape of the sample part.
  • the computer 7 is set up, for example by means of a computer program, to carry out a method for adapting the basic model 2.
  • the computer 7 can be designed as an independent unit. However, it can also be part of a measuring device that is set up for the three-dimensional detection of objects. For example, it is the evaluation unit of the 3D scanner 5 that was used to digitize the pattern part 4.
  • the result of the method is an adapted basic model 8 of the object 1.
  • the basic model 2 was deformed in such a way that a 3D printer 3 is based on this adapted basic model 8 produces an object 1 that corresponds to the desired shape.
  • Figure 2a shows the basic model 11 of the object 1, which here for the sake of simplicity and clarity corresponds to the target data of the object in the form of CAD data.
  • An FEM model 12 associated with the target data is shown as a dashed line.
  • the actual shape (measurement data) 10 of a sample part that was produced on the basis of the basic model 11, for example by 3D printing or vacuum casting, are indicated as a dotted line.
  • the present measurement data 10, nominal data or basic model 11, as well as the FEM model 12 are present in a common coordinate system.
  • a deformation-free alignment of the 3D measurement data 10 to the target geometry 11 of the object took place. This alignment was carried out in such a way that, if possible, no deviation can be seen at point F1.
  • Point F1 represents a fixed point at which, according to the definition, no deformation of the data should take place.
  • the number of fixed points used can vary. It is advantageous if the number of fixed points and their blocked degrees of freedom of displacement are selected in such a way that a statically determined position of the FEM model is achieved.
  • Points of attack A1, A2 and A3 were defined for the procedure. These are selected, for example, by a user after evaluating a target / actual comparison of the actual data 10 and the target data 11 in areas of large deviations. At the points of application A1, A2 and A3, the deviation 13 from nominal data 11 and actual data 10 is determined and illustrated here in the form of arrows.
  • FIG. 2b shows how a shift, for example VA3, is imposed on the FEM model 12 in the points of application A1, A2 and A3, which corresponds in direction and amount in the points of application to the deviation 13 at the respective point of application.
  • vectors for the displacement field can also be provided in areas in which no deviations were provided. It is also possible to include object properties, such as stiffness, via the FEM model.
  • FIG. 2b Figures 2a) to c) only illustrate a simple embodiment of the method according to the invention.
  • imposing the displacements VA1, VA2 and VA3 on the FEM model 12 in some areas only led to a certain approximation of the virtually deformed FEM model 12 'to the actual shape 10 of the sample part.
  • deviations can still be seen in the area around the points of attack A1 and A2.
  • the displacement field in FIG. 3c) is therefore not applied to the basic model 11, but to the measurement data 10 of the sample part.
  • Virtually deformed ones are created Measurement data 10 '.
  • the deviation 13 'from nominal data 11 to the “new” measurement data 10' is determined in FIG. 3d).
  • This in turn also results in displacements at the node points Ki of the FEM model.
  • the inverted shifts again form a shift field.
  • this could be imposed on the measurement data 10 ′ in order to again determine a deviation from the measurement data, virtually deformed in this way, to the nominal data 11. If this deviation falls below a previously defined threshold value, for example, the iteration process is terminated and the total displacement field shown in FIG. 3e) is applied to the basic model 11 in order to determine the adapted basic model 11 '.
  • a shift for example VA3, was imposed on the FEM model 12 in the points of application A1, A2 and A3, which in the direction of the deviation at the respective point of application corresponds to the amount of which is only proportional (proportionality factor ⁇ 1) to the deviation.
  • the iterative execution nevertheless achieves a sufficient approximation of the virtually deformed measurement data to the target data.
  • the total displacement field results from a summation of the displacement fields determined in the individual iteration runs.
  • the total displacement field then results from the points of application and the summed up displacement vectors that have resulted in the iteration runs at the individual points of application.
  • the iteration method can also be advantageous here.
  • the virtually deformed measurement data come closer and closer to the target data, so that the deviation can be determined in later iteration runs for the corresponding point of attack, so that it can be incorporated into the method in the following iteration runs.
  • the FEM model 12 can be used as an aid when transferring this total displacement field to the basic model 11 and the associated virtual deformation of the basic model 11 in order to obtain the adapted basic model 1V.

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Abstract

Ein Verfahren zur Anpassung eines Basismodells eines Objektes wird beschrieben, wobei das Basismodell ein digitales Modell des Objektes für einen Herstellungsprozess ist. Das Verfahren hat die Schritte: a. Bereitstellen eines Basismodells des Objektes, sowie der Solldaten des Objektes und Bereitstellen eines FEM-Modells der Solldaten des Objektes; b. Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils; c. Bereitstellen von Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes; d. Bestimmung eines Verschiebungsfeldes anhand der im Schritt c) bereitgestellten Abweichungen und des FEM-Modells; e. Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes.

Description

VERFAHREN, VORRICHTUNG UND COMPUTERPROGRAMM ZUR ANPASSUNG EINES BASISMODELLS EINES OBJEKTES FÜR EINEN HERSTELLUNGPROZESS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anpassung eines Basismodells eines Objek tes, wobei das Basismodell ein digitales Modell des Objektes für einen Herstellungs prozess ist, sowie eine Vorrichtung und ein Computerprogramm hierzu.
Heutzutage bietet der 3D-Druck vielfältige Möglichkeiten, zum Beispiel zur Produk tion von Prototypen, Ersatzteilen, Kleinserien, Designmodellen oder auch zur Serien herstellung von Kleinteilen. Beim 3D-Druck bzw. 3D-Printing können verschiedene zumeist additive Techniken zum Einsatz kommen. Beispielsweise werden Materialien wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken oder Metalle schichtweise aufgetragen und die Schichten miteinander verbunden. Auch Carbon- und Graphitmaterialien sind be reits im Einsatz.
Beispiele für 3D-Druckverfahren sind FDM (Fused Desposition Modeling), Stereo lithografie, Selektives Lasersintern bzw. Laserschmelzen, Binder jetting oder Polyg rafie.
Beim FDM-Verfahren wird beispielsweise, vereinfacht gesagt, ein geschmolzener Werkstoff in Schichten auf eine Werkplattform aufgetragen. Sobald das Material ab kühlt, härtet es aus.
Gemeinsam haben die verschiedenen 3D-Druckverfahren, dass sie ein digitales 3D- Modell des zu druckenden Objektes benötigen. Grundlage für diese Daten können beispielsweise CAD (computer-aided design) Daten oder 3D-Scann-Daten sein. So kann zum Beispiel ein vorhandenes Bauteil dreidimensional vermessen werden, um Kopien davon herzustellen. Beispielsweise thermische Effekte, wie Abkühlungsprozesse, können dazu führen, dass der 3D-Druck dimensioneil verzogene Objekte produziert. Viele 3D-Drucker er möglichen es daher durch Anpassung der Einstellungen des Druckertreibers den Druckvorgang zu beeinflussen um diesen Abweichungen vom gewünschten Ergebnis entgegen zu wirken. Auch ist es möglich vorab den Druckvorgang rechnergestützt zu simulieren um Druckparameter oder das Druckmodell anzupassen
Insbesondere bei zusammengesetzten Prozessketten, wie beispielsweise dem Vaku umgießen, ist eine Korrektur nur über die Druckersoftware nicht möglich.
Das Vakuumgießen ist ein weit verbreitetes Gießverfahren zur Vervielfältigung eines zuvor, z. B. durch 3D-Druck, hergestellten Urmodells in einer Silikonkautschuk-Form. Durch den 3D-Druck entstandene Abweichungen des Urmodells stören den weiteren Herstellungsprozess und werden unter Umständen noch um weitere Abweichungen bei der Formerstellung ergänzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen um den Verzug, also die Abweichung des fertigen Bauteils (Objektes) von seiner Sollform, möglichst gering zu halten. Insbesondere Herstellungsverfahren mittels 3D-Druck oder mit die sem in der Prozesskette verbundene Herstellungsverfahren sollen damit verbessert werden.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 , die Vorrichtung nach An spruch 15 und das Computerprogramm nach Anspruch 16 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein digitales 3D-Modell (Basismodell) des herzustellenden Objektes wird rechnerge stützt so angepasst, dass bei Verwendung des angepassten 3D-Modells (angepass ten Basismodells) Objekte mit reduziertem Verzug produziert werden können.
Grundlage für die rechnergestützte Anpassung des Basismodells des Objektes, ist die Kenntnis über die 3D-Form eines auf Grundlage des Basismodells hergestellten Objekts (Musterteils), sowie der Abweichung der 3D-Form des Musterteils (IST- Form) von der Wunschform (Solldaten) des Objektes zumindest an ausgewählten Punkten. Des Weiteren kommt ein FEM-Modell des Objektes zum Einsatz. FEM steht dabei für die Finite-Elemente-Methode.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Basismodells eines Objektes, sowie der Solldaten des Ob jektes und Bereitstellen eines FEM-Modells der Solldaten des Objektes; b) Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils; c) Bereitstellen von Abweichungen der 3D-Form des Musterteils (IST -Form) von den Solldaten des dem Musterteil zugrundeliegenden Objektes; d) Bestimmung eines Verschiebungsfeldes anhand der im Schritt c) bereitgestell ten Abweichungen und des FEM-Modells; e) Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes.
A) Bereitstellen eines digitalen 3D-Modells (Basismodells) des Objektes, sowie der Solldaten des Objektes.
Das digitale 3D-Modell (Basismodell) des Objektes kann den Solldaten des Objektes entsprechen. Es ist aber auch möglich ein bereits für den Fierstellungsprozess, also zum Beispiel den 3D-Druck, aufbereitetes Druckmodell, als Basismodell zu verwen den. In diesem Fall werden zusätzlich die Solldaten des Objektes benötigt. Die Soll daten des Objektes können beispielsweise in Form eines CAD-Modells bereitgestellt werden. Die Solldaten beschreiben die gewünschte räumliche Form des Objektes. Zum Beispiel können die Solldaten die Form des Objektes beschreiben, in dem sie durch eine Menge von Flächen einen 3D-Raum begrenzen.
Das benötigte FEM-Modell kann zum Beispiel zusammen mit den Solldaten, z.B. CAD-Daten, des Objektes bereitgestellt werden. Es kann aber auch im Zuge des Verfahrens aus bereitgestellten Solldaten beispielsweise durch geeignete Datenver arbeitungsschritte abgeleitet werden. Das FEM-Modell ist eine volumetrische Unter teilung (in einzelne Volumen) eines durch eine Menge von Flächen begrenzten 3D- Raumes. Die Oberfläche des FEM-Modells stimmt mit den Flächen der Solldaten überein. Damit können Anstelle von separaten Solldaten, zum Beispiel für die Be stimmung der Abweichungen, die Oberflächen des FEM-Modells als Solldaten ge nutzt werden.
B) Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils
Die Daten der 3D-Form des Musterteils, sowie der Abweichung können beispiels weise aus einem bestehenden Prozess der Qualitätskontrolle bereitgestellt oder kön nen als Teil des Verfahrens bestimmt werden.
Die 3D-Form des Musterteils (IST -Form) wird vorteilhafterweise durch eine dreidi mensionale Vermessung des Musterteils bestimmt, und liegt dann in Form von 3D- Messdaten vor.
Das Musterteil kann ein auf der Grundlage des Basismodells des Objektes herge stelltes Objekt sein.
Eine dreidimensionale Vermessung des Musterteils kann mit unterschiedlichen Messgeräten erfolgen. Gebräuchlich sind Koordinatenmessmaschinen, 3D-Scanner oder Computertomographen. Alle diese Geräte liefern dreidimensionale Messdaten des Objektes beispielsweise in Form von Oberflächennetzen, Punktewolken oder Vo lumendaten.
Insbesondere 3D-Scanner die ein Musterprojektionsverfahren, beispielsweise Strei fenprojektion, nutzen und Laserscanner sind in der industriellen Messtechnik weit verbreitet. Sie ermöglichen eine hochgenaue berührungslose dreidimensionale Vermessung von Objekten unterschiedlicher Größen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die 3D-Messdaten durch eine dreidi mensionale optische Vermessung mit Hilfe eines Streifenprojektionsscanners mit ei nem topometrischen Messverfahren durch Projektion unterschiedlicher Muster auf ein Objekt, Beobachtung der aufprojizierten Muster mittels mindestens einer Bildauf nahmeeinheit und rechnergestützter Auswertung ermittelt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die dreidimensionale Vermes sung mit Hilfe eines Computertomographen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die dreidimensionale Vermes sung mit Hilfe eines Laserscanners.
C) Bereitstellen der Abweichung der 3D-Form des Musterteils (IST -Form) von der Wunschform (Solldaten) des Objektes
Die Abweichungen des Musterteils von den Solldaten können beispielsweise mit be kannten Software-Produkten zur Analyse von 3D-Messdaten bereitgestellt werden. Funktionen wie Soll-Ist-Vergleich, Lage- und Form-Analyse (GD&T) oder auch punkt basierte Auswertefunktionen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Die Abweichung kann dabei sowohl vollflächig, als auch nur an ausgezeichneten Stellen bestimmt werden.
Die Abweichungen des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zugrunde liegenden Objektes können beispielsweise bestimmt werden, indem zuerst eine Aus richtung der 3D-Messdaten des Objektes zur Sollgeometrie des Objekts erfolgt.
Für diesen Schritt der Ausrichtung sind verschiedene Ausrichteverfahren bekannt. Beispielsweise kann eine Ausrichtung durch verformungsfreie 3D-Transformation der 3D-Messdaten erfolgen. Dazu sind verschiedene numerische Ausrichteverfahren be kannt, wie zum Beispiel die Minimierung der Abweichung von 3D-Messdaten und Soll-Geometrie an definierten Punkten auf der Soll-Geometrie. Bei diesen vordefi nierten Punkten kann es sich beispielsweise um besondere Objektcharakteristika wie Bohrlöcher, Ecken, Kanten, Markierungen oder ähnliches handeln. Es ist aber auch denkbar, dass ein Anwender manuell einzelne Punkte, in den Soll- und den Ist- Da ten definiert, die zur Deckung gebracht werden sollen. Für das vorliegende Verfahren kommt es nicht auf die Auswahl eines bestimmten Ausrichtungsverfahrens an. Ent scheidend ist vielmehr, dass die 3D-Messdaten nur ausgerichtet werden, also nicht verformt werden. Später im Verfahren können Punkte auf der Soll-Geometrie des Objektes hilfreich sein, an denen das Objekt und auch das Basismodell keine Verformung erfahren soll. Diese Punkte seien als Fixpunkte bezeichnet. Diese Fixpunkte können frei ge wählt werden. Beispielsweise werden sie durch einen erfahrenen Anwender in Berei chen des Objektes definiert, in denen das Objekt aufgrund seiner Struktur beim Fler- stellungsprozess keinen oder nur geringen Verformungen unterliegt.
Vorteilhafterweise werden die definierten Fixpunkte bereits hier genutzt, um die Messdaten zu den Solldaten so auszurichten, dass die Messdaten und die Solldaten an diesen Fixpunkten möglichst gut übereinstimmen.
Anschließend kann die Abweichung zwischen den ausgerichteten Messdaten des Objektes und den Solldaten des Objektes bestimmt werden. Dabei können flächen hafte Verfahren eingesetzt werden, die zum Beispiel für jeden Sollpunkt einen Ab stand zu den Messdaten bestimmen oder für jeden in den Messdaten enthaltenen Messpunkt den Abstand zu den Solldaten bestimmen und in Form eines Betrages und einer Orientierung (Vorzeichen) speichern.
Für die spätere Weiterführung des Verfahrens sind allerdings nur die Abweichungs werte an speziellen Angriffspunkten erforderlich. Sind diese Angriffspunkte bereits bekannt, können auch nur die Abweichungen an diesen Angriffspunkten bestimmt werden.
Die Angriffspunkte sind frei definierte Punkte auf den Solldaten an denen später die Verformung angreifen soll. Diese Angriffspunkte können beispielsweise anhand der Kenntnis der baulichen Gegebenheiten vom Benutzer in Bereichen des Objektes de finiert werden, in denen sich das Objekt besonders gut verformen lassen würde. Da mit wäre eine Definition der Angriffspunkte bereits vor der Bestimmung der Abwei chungen vom Musterteil zu den Solldaten bereits möglich.
Für das Verfahren ist es bei einer Vordefinition von Angriffspunkten lediglich notwen dig mindestens einen Angriffspunkt zu definieren. Die Anzahl kann aber beliebig hö her sein. Denkbar ist auch, dass keine Angriffspunkte definiert werden. Sie können sich auch beispielsweise aus den ermittelten Abweichungswerten ergeben. Angriffspunkte können zum Beispiel in Bereichen großer Abweichungen der 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des Objektes gewählt werden. Unter einer großen Abweichung wird eine Abweichung verstanden, die ein durch den Nutzer bestimmtes oder vordefiniertes Abweichungsmaß überschreitet.
Liegen bereits Kenntnisse über die Abweichungen der Messdaten zu den Solldaten vor, beispielsweise aus einem Flächenvergleich, bevor die Angriffspunkte definiert werden, so können die Angriffspunkte gezielt in den Objektbereichen gewählt wer den, in denen das Musterteil große Verformungen aufweist. Auch die Anzahl der An griffspunkte kann basierend auf den Kenntnissen der Abweichungen gewählt wer den.
Es ist auch denkbar einen Teil der Angriffspunkte vorab in den Solldaten, beispiels weise an bekannterweise leicht verformbaren Stellen, zu definieren, und diese An griffspunkte um weitere Angriffspunkte zu ergänzen, nachdem die Abweichungen zwischen den Soll- und den Ist-Daten bestimmt sind.
D) Bestimmung des Verschiebungsfeldes
Im nächsten Schritt wird mit Hilfe der zuvor bestimmten Abweichungen ein Verschie bungsfeld bestimmt.
Hierbei kommt ein bereitgestelltes FEM-Modell des Objektes zum Einsatz. Durch die Verwendung des FEM-Modells können beispielsweise Steifigkeitsinformationen des Objektes in das Verfahren eingebracht werden.
Das Verschiebungsfeld kann vorteilhaft unter Betrachtung ausgewählter Fix- und An griffspunkte bestimmt werden. Wenn nicht im Vorfeld oder im vorhergehenden Ver fahrensschritt geschehen, sollten spätestens jetzt Fix- und Angriffspunkte auf den Solldaten definiert werden. Das FEM-Modell und die Fix- und Angriffspunkte müssen für die Ausführung des Verfahrens in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen. Wenn dies zu Be ginn nicht der Fall ist, so können FEM-Modell und die Fix- und Angriffspunkte in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden.
Zu Beginn des Verfahrensschrittes stimmt die Oberfläche des FEM-Modells mit den Flächen der Solldaten des Objektes überein. An den definierten Fixpunkten werden im FEM-Modell die Verschiebungsfreiheitsgrade blockiert. Durch die Blockierung blei ben die Positionen der Fixpunkte in Richtung der blockierten Freiheitsgrade erhalten und ändern sich auch bei einer Verformung des FEM-Modells nicht.
Zu den Angriffspunkten wurde im vorherigen Schritt bereits jeweils die Abweichung der Messdaten zu den Solldaten ermittelt. Die Abweichung kann dabei zum Beispiel als ein Vektor in Richtung der Normale im Angriffspunkt, sowie seiner Orientierung als Vorzeichen und einem Betrag gegeben sein.
Da die Angriffspunkte bei diesem Beispiel auf den Solldaten definiert sind, wird ihnen jeweils ein entsprechender zugehöriger Angriffspunkt auf den FEM-Daten zugeord net. Besonders vorteilhaft für die weitere Berechnung ist es dabei, wenn ein Angriffs punkt einem FEM-Knotenpunkt entspricht. Ist dies nicht der Fall, so kann stattdessen auch ein nahegelegener FEM-Knotenpunkt als Angriffspunkt gewählt werden.
Um das Verschiebungsfeld zu bestimmen wird dem FEM-Modell an den Angriffs punkten eine virtuelle Verschiebung in Richtung der Abweichung zu den Messdaten aufgezwungen. Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform für alle Angriffs punkte gleichzeitig erfolgen, oder in einer anderen Ausführungsform für einzelne An griffspunkte nacheinander.
Die Größe der aufgezwungenen Verschiebung basiert dabei auf der zuvor bestimm ten Abweichung von den Soll- und IST-Daten am jeweiligen Angriffspunkt. Die Rich tungen von Verschiebung und Abweichung stimmen dabei überein, der Betrag der Verschiebung ist proportional zur Abweichung. Im einfachsten Fall ist der Proportio nalitätsfaktor EINS und der Betrag der Verschiebung entspricht dem Betrag der vor her bestimmten Abweichung. Unter Betrachtung des FEM-Modells können danach an den FEM-Knotenpunkten die 3D-Verschiebungen bestimmt werden, die entstehen, wenn das FEM-Modell an den Angriffspunkten die aufgezwungenen Verschiebungen erfährt. Die FEM-Knoten- punkte bilden zusammen mit den 3D-Verschiebungen ein (vorläufiges) Verschie bungsfeld. Bevor dieses Verschiebungsfeld im letzten Schritt auf das Basismodell angewendet werden kann, muss es noch invertiert werden, d.h. die Richtung der ein zelnen Vektoren des Verschiebungsfeldes wird umgekehrt. Das invertierte (vorläu fige) Verschiebungsfeld wird als Verschiebungsfeld für die weiteren Schritte gespei chert.
Dabei kann das gespeicherte Verschiebungsfeld Verschiebungsvektoren für alle FEM-Knotenpunkte enthalten. In einer vorteilhaften Ausführungsform werden aber nur die Verschiebungsvektoren für eine Teilmenge der FEM-Knotenpunkte, insbe sondere nur für die Angriffspunkte gespeichert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Überprüfung des Verschiebungs feldes, bevor dieses auf das Basismodell angewendet wird. Dazu wird das Verschie bungsfeld noch nicht auf das Basismodell angewendet, sondern es erfolgt eine An wendung des Verschiebungsfeldes auf die Messdaten. Dabei können auch Interpola- tions- bzw. Extrapolationsverfahren eingesetzt werden. Durch das Anwenden des Verschiebungsfeldes auf die Messdaten werden temporär virtuell verformte Messda ten erzeugt. Es wird überprüft, ob eine Abweichung zwischen den virtuell verformten Messdaten und den Solldaten mit einem Betrag größer NULL festgestellt werden kann. Ist diese Abweichung oberhalb eines vorher definierten Grenzwertes, werden erneut zur Abweichung proportionale Verschiebungen dem FEM-Modell aufgezwun gen.
Wieder lassen sich für die Knotenpunkte des FEM-Modells die resultierenden Ver schiebungen bestimmen. Diese werden wiederum invertiert und als Verschiebungs feld gespeichert.
Die Verfahrensschritte c) und d) sollten solange iterativ wiederholt werden, bis die vir tuell verformten Messdaten ausreichend genau mit den Solldaten übereinstimmen. Das resultierende Gesamtverschiebungsfeld, das für den Schritt e) von Bedeutung ist, ergibt sich aus einer Aufsummierung der Verschiebungsfelder der einzelnen Ite rationsschritte.
In einer Ausführungsform wird in Schritt d) dem FEM-Modell nicht eine Verschiebung aufgezwungen, die dem Betrag nach der Abweichung entspricht, sondern nur zu ihr proportional ist. Denkbar ist bei der Festlegung des Betrages der aufzuzwingenden Verschiebung den Betrag der Abweichung mit einem Proportionalitätsfaktor zu verse hen. So kann beispielsweise nur ein Bruchteil der Abweichung aufgezwungen wer den. Insbesondere in Kombination mit der iterativen Wiederholung der Schritte c) und d) kann dies vorteilhaft sein.
Wurde mehr als ein Angriffspunkt definiert, so können in Schritt d) die Verschiebun gen dem FEM-Modell nicht nur an allen Angriffspunkten gleichzeitig, sondern auch nacheinander aufgezwungen werden. Werden die Angriffspunkte nicht gleichzeitig, sondern nacheinander betrachtet, so werden die Schritte c) und d) erst für einen An griffspunkt ausgeführt. Anschließend wird der nächste Angriffspunkt betrachtet. Aller dings hat die Ausführung des am ersten Angriffspunkt auch Einfluss auf die Abwei chungen an den anderen Angriffspunkten. Daher wird in einem Zwischenschritt das bestimmte Verschiebungsfeld auf die Messdaten angewendet, und die so verformten Messdaten werden verwendet um die Schritte c) und d) für den nächsten Angriffs punkt auszuführen. Dabei können beispielsweise bereits betrachtete Angriffspunkte in ihren Verschiebungsfreiheitsgraden blockiert, also wie zusätzliche Fixpunkte be trachtet werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, die bereits betrachteten Angriffs punkten gleichzeitig mit dem aktuell betrachteten Angriffspunkt einzubringen.
Analog werden die Verfahrensschritte für die weiteren Angriffspunkte wiederholt.
Auch eine Iteration ist bei einer seriellen Betrachtung der Angriffspunkte möglich, so dass das Verschiebungsfeld solange optimiert wird, bis die Abweichung an dem ak tuell betrachteten Angriffspunkt möglichst gering ist, bevor der nächste Angriffspunkt betrachtet wird. Nach Betrachtung aller Angriffspunkte ergibt sich ein Gesamtverschiebungsfeld, das sich aus allen ermittelten Verschiebungen zusammensetzt.
E) Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Verschiebungsfeldes
Das in den vorhergehenden Schritten bestimmte Gesamtverschiebungsfeld stellt ein Modell für die Verschiebungen dar, die die Messdaten erfahren müssten, um zu den Solldaten verschoben zu werden. Dieses Gesamtverschiebungsfeld wird in diesem Schritt auf das Basismodell angewendet, um ein angepasstes Basismodell zu erhal ten.
Das Basismodell des Objektes wird virtuell verformt, indem die im vorhergehenden Schritt bestimmten 3D-Verschiebungen auf die Daten des Basismodells übertragen werden. Für Punkte des Basismodells, die nicht direkt einem Punkt des Verschie bungsfeldes (also einem FEM-Knotenpunkt oder Angriffspunkt) zugeordnet werden können, können die Werte der anzuwendenden 3D-Verschiebung durch Interpolation aus den 3D-Verschiebungen der nächstgelegenen Punkte des Verschiebungsfeldes ermittelt und anschließend übertragen werden. Nachdem die virtuelle Verformung stattgefunden hat, liegt ein virtuell verformtes Basismodell vor.
Dieses virtuell verformte und somit unter Berücksichtigung des Gesamtverschie bungsfeldes angepasste Basismodell kann als neues Basismodell für einen Objekt- Flerstellungsprozess genutzt werden.
Bereits eine Ausführung des Verfahrens kann dabei ausreichend genaue Objekte hervorbringen. Sollten aber auch mit dem angepassten, verbesserten Basismodell noch immer Objekte produziert werden, die mehr als eine vorgegebene Toleranz vom Sollobjekt abweichen, so ist es auch möglich das Verfahren mehrfach anzuwen den, bis die produzierten Bauteile ausreichend genau genug sind.
Bei einer wiederholten Anwendung des Verfahrens wird das im vorherigen Durchlauf erzeugte abgeänderte 3D-Modell zum neuen Basismodell. Spätestens jetzt ent spricht das Basismodell damit nicht mehr den Solldaten des Objektes. Dies ist bei der Ausführung zu beachten, da weiterhin in Schritt c) die Abweichungen von einem hergestellten Musterteil zu den Solldaten des Objektes bestimmt werden, die berech neten notwendigen Verformungen in Schritt e) aber auf das Basismodell angewendet werden.
Das mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens verbesserte Basismodell kann an schließend für weitere Anpassungsverfahren verwendet werden, indem beispiels weise lokale Anpassungen erfolgen, wie Anpassungen der Loch- oder Zylinderdurch messer. Ist es zum Beispiel bekannt, dass das verwendete Druckverfahren/ Material nach der Abkühlung um 0,5 % schrumpft, so kann der Zylinderdurchmesser entspre chend größer gewählt werden.
Da unterschiedliche 3D-Druck Verfahren, und somit auch hiermit kombinierte Herstel lungsverfahren, in der Regel zu einem unterschiedlichen dimensioneilen Verzug füh ren werden, ist es vorteilhaft verbesserte Basismodelle für alle 3D-Druckverfahren, Herstellungsverfahren bzw. 3D-Drucker zu bestimmen, deren Einsatz geplant ist. Die verbesserten Basismodelle können jeweils als herstellungsprozessspezifisches Da tenmodell bezeichnet werden. Die herstellungsprozessspezifisches Datenmodelle können in einer Datenbank gespeichert werden, so dass es möglich ist in einem Pro duktionsprozess, durch Auswahl bzw. Übergabe der Parameter „gewünschtes Ob jekt“ und „Herstellungsprozess“, das entsprechende verbesserte Basismodell (Daten modell) für den gewählten Herstellungsprozess bereitzustellen. Die Datenbank kann dabei auch weitere Daten zum Objekt enthalten, wie die Solldaten und/oder das ur sprüngliche Basismodell.
Denkbar sind dabei sowohl manuelle, halbautomatische oder automatisierte Aus wahlprozesse. So ist es denkbar, dass durch Übergabe von Druckaufträgen in eine Druckerwarteschlange, das System automatisiert den nächsten freien 3D-Drucker er kennt und entsprechend das für diesen 3D-Drucker zugehörige verbesserte Basis modell (Datenmodell) auswählt.
Das vorbeschriebene Verfahren kann in einem Computerprogramm implementiert werden, dass Programmcodemittel zur Ausführung der Verfahrensschritte hat, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Das Verfahren kann auch in einer Vorrichtung implementiert sein, die vorzugsweise eine Datenverarbeitungseinheit, einen Datenspeicher für die Basismodelldaten, ggf. die Solldaten, die Daten des FEM-Modells, ggf. von Daten für die Fix- und Angriffs punkte und eine Ausgabeeinheit für die Bereitstellung des angepassten Basismodells hat. Die Vorrichtung kann zusätzlich eine Messeinheit zur Messung der 3D-Form des Musterteils haben oder zumindest eine Schnittstelle zum Empfangen einer von einer externen Messeinheit erfassten 3D-Form eines Musterteils oder der Abweichungen der ermittelten 3D-Form des Musterteils von den Solldaten des dem Musterteil zu grundeliegenden Objektes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbei spielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - Schematische Skizze des Ablaufs des Fierstellungsprozesses;
Figuren 2a) bis c) - Schematische Darstellung der Schritte „Bestimmung Verschie bungsfeld“ und „Anpassung des Basismodells unter Berück sichtigung des Verschiebungsfeldes“;
Figuren 3a) bis e) - Schematische Darstellung der Schritte „Bestimmung Verschie bungsfeld“ und „Anpassung des Basismodells unter Berück sichtigung des Verschiebungsfeldes“ in einer iterativen Verfah rensausführung
Figur 1 zeigt eine Skizze für einen Fierstellungsprozess eines Objektes 1 mittels 3D- Druck mit Anwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zu Beginn liegt ein Basismodell 2 in Form eines digitalen Datenmodells vor. Es sei hier angenommen, dass dieses Basismodell 2 den Solldaten des Objektes 1 in Form eines CAD-Datensatzes entspricht. Das Basismodell 2 kann aber auch ein beispiels weise mit FHilfe einer Druckersoftware aus den CAD-Daten abgeleitetes Druckmodell oder Druck-CAD sein. In das Druckmodell wurden beispielsweise schon für den Druck spezifische Anpassungen vorgenommen, zum Beispiel in dem mit FHilfe einer Software der Druckvorgang simuliert wurde, so dass Abkühleffekte erkannt werden können.
Das Basismodell 2 wird genutzt um mit einem 3D-Drucker 3 ein Musterteil 4 zu pro duzieren. Es ist direkt erkennbar, dass dieses Musterteil 4 nicht der gewünschten Form des Objektes 1 entspricht. Das Musterteil 4 weist an einer der Ecken eine Ver formung auf. Um Teile zu produzieren, die besser der gewünschten Objektform ent sprechen, kommt daher das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz.
Basismodell 2 und Solldaten des Objektes 1 sind bereits bereitgestellt, da wir in die sem Beispiel davon ausgehen, dass das Basismodell den CAD-Daten des Objektes 1 entspricht. Als nächstes wird das Musterteil 4 mit einem 3D-Scanner 5 digitalisiert. Der hier schematisch dargestellte 3D-Scanner 5 weist zwei Kameras und einen Pro jektor auf und ist zur topometrischen Erfassung des Musterteils 4 mittels einem Strei fenprojektionsverfahren ausgebildet. Der 3D-Scanner hat dabei auch eine Steuer- und Auswerteeinheit in Form eines Computers, der hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Diese gebräuchliche Bauform eines 3D-Scanners 5 ist dabei nur beispielhaft zu verstehen. Geeignet ist jede Messvorrichtung, die die dreidimensio nale Form des Musterteils 4 erfassen kann. Unter anderem sind das auch Laser scanner, Koordinatenmessmaschinen oder Computertomografen. Als Resultat der Digitalisierung liegen 3D-Messdaten 6 des Musterteils 4 vor, die die 3D-Form des Musterteils beschreiben.
Diese 3D-Messdaten 6 werden gemeinsam mit dem bereits bereitgestelltem Basis modell 2 in einem Computer 7 rechnergestützt verarbeitet. Der Computer 7 ist dabei eingerichtet, zum Beispiel mittels eines Computerprogramms, ein Verfahren zur An passung des Basismodells 2 auszuführen. Der Computer 7 kann als eigenständige Einheit ausgebildet sein. Er kann aber auch Teil einer Messeinrichtung sein, die zur dreidimensionalen Erfassung von Objekten eingerichtet ist. Beispielsweise handelt es sich um die Auswerteeinheit des 3D-Scanners 5 der zur Digitalisierung des Mus terteils 4 verwendet wurde.
Ergebnis des Verfahrens ist ein angepasstes Basismodell 8 des Objektes 1 . In die sem wurde das Basismodell 2 derart verformt, dass ein 3D-Drucker 3 basierend auf diesem angepassten Basismodell 8 ein Objekt 1 produziert, dass der gewünschten Form entspricht.
In den Figuren 2a), 2b) und 2c) werden schematisch die Schritte „Bestimmung Ver schiebungsfeld“ und „Anpassung des Basismodells unter Berücksichtigung des Ver schiebungsfeldes“ verdeutlicht. Zur Veranschaulichung wurde dabei eine zweidimen sionale Darstellung in Form eines Schnittes, beispielsweise durch die XY-Ebene des Koordinatensystems gewählt.
Figur 2a) zeigt das Basismodell 11 des Objektes 1 , das hier aus Gründen der Ein fachheit und Übersichtlichkeit gleich den Solldaten des Objektes in Form von CAD Daten entspricht. Ein den Solldaten zugehöriges FEM-Modell 12 ist als gestrichelte Linie gezeigt.
Die Ist-Form (Messdaten) 10 eines Musterteils, das auf Basis des Basismodells 11 , beispielsweise durch 3D-Druck oder Vakuumgießen, hergestellt wurde, sind als ge punktete Linie angedeutet.
Die vorliegenden Messdaten 10, Solldaten bzw. Basismodell 11 , sowie das FEM-Mo- dell 12 liegen in einem gemeinsamen Koordinatensystem vor. Dazu erfolgte eine ver formungsfreie Ausrichtung der 3D-Messdaten 10 zur Sollgeometrie 11 des Objekts. Diese Ausrichtung erfolgte derart, dass in dem Punkt F1 möglichst keine Abweichung erkennbar ist. Der Punkt F1 stellt einen Fixpunkt da, an dem laut Definition keine Verformung der Daten erfolgen soll. Die Anzahl der verwendeten Fixpunkte kann va riieren. Vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl der Fixpunkte und ihrer blockierten Ver schiebungsfreiheitsgrade derart gewählt werden, dass eine statisch bestimmte Lage des FEM-Modells erreicht wird.
Für das Verfahren wurden Angriffspunkte A1 , A2 und A3 definiert. Diese sind zum Beispiel von einem Anwender nach Auswertung eines Soll-Ist-Vergleichs von den IST-Daten 10 und den Solldaten 11 in Bereichen großer Abweichungen gewählt wor den. An den Angriffspunkten A1 , A2 und A3 wird die Abweichung 13 von Solldaten 11 und Ist-Daten 10 bestimmt, und hier in Form von Pfeilen veranschaulicht.
Figur 2b) zeigt wie dem FEM-Modell 12 in den Angriffspunkten A1 , A2 und A3 eine Verschiebung zum Beispiel VA3 aufgezwungen wird, die in Richtung und Betrag in den Angriffspunkten der Abweichung 13 am jeweiligen Angriffspunkt entspricht.
Durch ein Aufzwingen der Verschiebungen VA1 bis VA3 in den Angriffspunkten ergibt sich ein virtuell verformtes FEM-Modell 12‘. Dabei fließen die Eigenschaften des FEM-Modells 12 in diesen virtuellen Verformungsvorgang mit ein. Dies ist insbe sondere durch die sich an den Knotenpunkten Ki (als Quadrate dargestellt) des FEM- Modells 12 resultierenden Verschiebungen VKi veranschaulicht.
Die einzelnen Vektoren des Verschiebungsfeldes VKi bzw. VA1 bis VA3, werden in ihrer Richtung invertiert und wie in Figur 2c) gezeigt auf das Basismodell 11 übertra gen, so dass sich als Resultat des Verfahrens ein angepasstes Basismodell 11 ‘ ergibt.
Dies entspricht nicht einfach einer Übertragung einer invertierten Abweichung 13 auf das Basismodell 11. Durch den Einsatz des FEM-Modells 12 können Vektoren für das Verschiebungsfeld auch in Bereichen bereitgestellt werden, in denen keine Ab weichungen bereitgestellt wurden. Auch ist es möglich Objekteigenschaften, wie bei spielsweise die Steifigkeit, über das FEM-Modell miteinzubeziehen.
Die Figuren 2a) bis c) verdeutlichen lediglich eine einfache Ausführungsform des er findungsgemäßen Verfahrens. Wie in Figur 2b) angedeutet, führte das Aufzwingen der Verschiebungen VA1 , VA2 und VA3 auf das FEM-Modell 12, unter Umständen in einigen Bereichen nur zu einer gewissen Annäherung des virtuell verformten FEM- Modells 12' zur IST-Form 10 des Musterteils. Im hier dargestellten Beispiel sind im Bereich um die Angriffspunkte A1 und A2 noch Abweichungen erkennbar.
In einem iterativen Verfahren wie es in den Figuren 3a) bis 3e) veranschaulicht wird, wird daher das Verschiebungsfeld in Figur 3c) nicht auf das Basismodell 11 , sondern auf die Messdaten 10 des Musterteils angewendet. Es entstehen virtuell verformte Messdaten 10‘. Mit diesen wird in Figur 3d) die Abweichung 13' von Solldaten 11 zu den „neuen“ Messdaten 10' ermittelt. Daraus ergeben sich erneut Verschiebungen an den Angriffspunkten, die dem FEM-Modell 12 an den Angriffspunkten aufgezwun gen werden. Flieraus ergeben sich wiederum auch Verschiebungen an den Knoten punkten Ki des FEM-Modells. Die invertierten Verschiebungen bilden erneut ein Ver schiebungsfeld. Dieses könnte in einem nächsten Iterationsschritt den Messdaten 10' aufgezwungen werden, um erneut eine Abweichung von den so weiter virtuell ver formten Messdaten zu den Solldaten 11 zu bestimmen. Unterscheitet diese Abwei chung beispielsweise einen zuvor definierten Schwellwert, so wird das Iterationsver fahren beendet und es erfolgt die in Figur 3e) dargestellte Anwendung des Gesamt verschiebungsfeldes auf das Basismodell 11 um das angepasste Basismodell 11 ' zu ermitteln.
In der hier dargestellten Ausführungsform wurde dem FEM-Modell 12 in den Angriffs punkten A1 , A2 und A3 eine Verschiebung zum Beispiel VA3 aufgezwungen, die in Richtung der Abweichung am jeweiligen Angriffspunkt entspricht deren Betrag aber nur proportional (Proportionalitätsfaktor < 1) zur Abweichung ist. Durch die iterative Ausführung wird dennoch eine ausreichende Annäherung der virtuell verformten Messdaten zu den Solldaten erreicht. Das Gesamtverschiebungsfeld resultiert dabei aus einer Aufsummierung der in den einzelnen Iterationsdurchläufen ermittelten Ver schiebungsfelder.
Um das Verfahren zu beschleunigen beziehungsweise um den Speicherbedarf zu re duzieren, können nach einem Iterationsdurchlauf auch nur die ermittelten Verschie bungsvektoren des Verschiebungsfeldes in den Angriffspunkten gespeichert werden. Dabei ist unbedingt auf eine korrekte Speicherung der Orientierung zu achten.
Das Gesamtverschiebungsfeld ergibt sich dann aus den Angriffspunkten und den aufsummierten Verschiebungsvektoren, die sich in den Iterationsdurchläufen an den einzelnen Angriffspunkten ergeben haben.
Es kann unter Umständen Vorkommen, dass an einzelnen Angriffspunkten keine Ab weichung von den Soll- und den IST-Daten bestimmt werden kann, beispielsweise weil das Musterteil derart stark verformt ist, dass in den ursprünglichen Messdaten eine Zuordnung fehlschlägt. Der entsprechende Angriffspunkt muss in diesem Fall also unter Umständen beim Aufzwingen der Verschiebung auf das FEM-Modell un berücksichtigt bleiben. Auch hier kann das Iterationsverfahren vorteilhaft sein. Im Laufe der Iterationsdurchläufe nähern sich die virtuell verformten Messdaten den Solldaten immer weiter an, so dass eine Bestimmung der Abweichung in späteren Iterationsdurchläufen für den entsprechenden Angriffspunkt möglich wird, wodurch er in den folgenden Iterationsdurchläufen in das Verfahren eingebracht werden kann.
Bei der Übertragung dieses Gesamtverschiebungsfeldes auf das Basismodell 11 und der damit verbundenen virtuellen Verformung des Basismodells 11 um das ange passte Basismodel 1 V zu erhalten, kann das FEM-Modell 12 zur Hilfe genommen werden.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Anpassung eines Basismodells (2) eines Objektes (1 ), wobei das Basismodell (2) ein digitales Modell des Objektes (1 ) für einen Herstellungspro zess ist, gekennzeichnet durch die Schritte: a. Bereitstellen eines Basismodells (2) des Objektes (1 ), sowie der Solldaten (11 ) des Objektes (1 ) und Bereitstellen eines FEM-Modells (12) der Sollda ten (11 ) des Objektes (1 ); b. Bereitstellen der 3D-Form eines Musterteils (4); c. Bereitstellen von Abweichungen (13) der 3D-Form des Musterteils (4) von den Solldaten (11 ) des dem Musterteil (4) zugrundeliegenden Objektes; d. Bestimmung eines Verschiebungsfeldes (VKi) anhand der im Schritt c) be reitgestellten Abweichungen (13) und des FEM-Modells (12); e. Anpassung des Basismodells (2) unter Berücksichtigung des Verschie bungsfeldes (VKi).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem be reitgestellten Basismodell (2) gleichzeitig um die Solldaten (11 ) des Objektes (1 ) handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem be reitgestellten Basismodell (2) um ein Druckmodell für den 3D-Druck handelt oder das Basismodell (2) bereits in einem vorherigen Anpassungsprozess eine Anpassung erfahren hat.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Musterteil (4) ein auf der Grundlage des Basismodells (2) des Ob jektes (1 ) hergestelltes Objekt ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Bereitstellung der 3D-Form des Musterteils (4) durch Digitalisie rung des Musterteils (4) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierung des Musterteils (4) mit einer Koordinatenmessmaschine oder einem Streifen projektionsscanner oder Laserscanner oder Computertomografen erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeich net, dass das Verschiebungsfeld (VKi) unter Betrachtung ausgewählter Angriffs punkte (A1 , A2, A3, Ai) bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl von Angriffspunkten (A1, A2, A3, Ai) erst nach der Bereitstellung von Abweichungen (13) der 3D-Form des Musterteils (4) von den Solldaten (11 ) erfolgt, und wobei die Lage und/oder die Anzahl der Angriffspunkte (A1 , A2, A3, Ai) in Abhängig keit von den bereitgestellten Abweichungen (13) der 3D-Form des Musterteils (4) von den Solldaten (11 ) ausgewählt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffs punkte (A1 , A2, A3, Ai) in Bereichen gewählt werden, in denen die Abweichung (13) der 3D-Form des Musterteils (4) von den Solldaten (11 ) des Objektes (1 ) ein durch den Nutzer bestimmtes oder vordefiniertes Abweichungsmaß über schreitet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Verschiebungsfeldes (VKi) dem FEM-Modell (12) an den Angriffspunkten (A1 , A2, A3, Ai) eine zur Abweichung der 3D-Form des Musterteils (4) von den Solldaten (11) proportionale Verschiebung aufgezwun gen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem FEM-Modell (12) gleichzeitig an allen Angriffspunkten (A1, A2, A3, Ai) eine Verschiebung aufgezwungen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem FEM-Modell (12) nacheinander an jeweils einem der Angriffspunkte (A1 , A2, A3, Ai) eine Verschiebung aufgezwungen wird, und bereits betrachtete Angriffspunkte (A1 , A2, A3, Ai) wie Fixpunkte behandelt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeich net, dass eine Anpassung des Basismodells (2) im Schritt e) durch Aufzwingen jeweils einer Verschiebung in ausgewählten Angriffspunkten (A1, A2, A3, Ai) er folgt und keine Anpassung an ausgewählten Fixpunkten erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verfahrens schritte c) des Bereitstellens der Abweichung der 3D-Form des Musterteils (4) von den Solldaten (11 ) des Objektes (1 ) und d) der Bestimmung eines Ver schiebungsfeldes (VKi) iterativ mehrmals wiederholt werden, wobei die 3D- Form des Musterteils (4) jeweils durch eine virtuell angepasste 3D-Form des Musterteils (4) ersetzt wird, die sich ergibt aus einer Anwendung des Verschie bungsfeldes (VKi) auf die 3D-Form des Musterteils (4) aus dem vorherigen Ite rationsdurchlaufs.
15. Vorrichtung zur Anpassung eines Basismodells (2) eines Objektes (1), wobei das Basismodell (2) ein digitales Modell des Objektes (1) für einen Fierstel lungsprozess ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Datenver arbeitungseinheit zur Speicherung von Daten eines bereitgestellten Basismo dells (2) des Objektes (1), von Solldaten (11) des Objektes (1) und eines FEM- Modells (12) der Solldaten (11) des Objektes (1 ), sowie von Daten zu Abwei chungen der 3D-Form eines Musterteils (4) von den Solldaten des dem Muster teil (4) zugrundeliegenden Objektes hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Da tenverarbeitungseinheit zur Bestimmung eines Verschiebungsfeldes (VKi) an hand der abgespeicherten Abweichungen (13) und des FEM-Modells (12) und zur Anpassung des Basismodells (2) unter Berücksichtigung des Verschie bungsfeldes (VKi) eingerichtet ist.
16. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Pro gramms durch einen Computer diesen veranlassen, die Schritte d) und e) des Verfahrens nach Anspruch 1 auszuführen.
17. Computerprogramm nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das
Computerprogramm Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch den Computer diesen zur Abspeicherung von Daten zu einem Basismo dell (2) des Objektes (1), von Solldaten (11) des Objektes (1) und eines FEM- Modells (12) des Objektes (1) sowie von Abweichungen (13) der 3D-Form eines Musterteils (4) von den Solldaten des dem Musterteil (4) zugrundeliegenden
Objektes veranlassen.
18. Verfahren zur Bereitstellung von herstellungsprozessspezifischen Datenmodel len eines Objektes (1), wobei die herstellungsprozessspezifischen Datenmo- delle mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aus einem Basis modell (2) des Objektes (1) erstellt wurden und wobei die Datenmodelle in einer Datenbank bereitgestellt werden.
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