WO2022002707A1

WO2022002707A1 - Fertigungsplanung für additive fertigung mittels 3d-druck

Info

Publication number: WO2022002707A1
Application number: PCT/EP2021/067075
Authority: WO
Inventors: Hendrik JAHNLE; Alexander Voigt
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-01-06
Also published as: EP4171928A1; DE102020208175A1; TW202216470A

Abstract

Verfahren (100) zur Erstellung eines Fertigungsplans (4) für die additive Fertigung eines Objekts (1) mittels 3D-Druck mit den Schritten: • es wird ein dreidimensionales Modell (2) des herzustellenden Objekts (1) bereitgestellt (110); • für mindestens einen vorgegebenen Bereich (1a) des Objekts (1) wird eine mechanische Beanspruchung (3) mit einer Kraft und/oder einem Moment vorgegeben (120), der dieser Bereich (1a) standzuhalten hat; • für mindestens einen Kandidaten-Fertigungsplan (4*) wird anhand einer Simulation geprüft (130), ob nach Fertigung des Objekts (1) anhand des Kandidaten-Fertigungsplans (4*) der vorgegebene Bereich (1a) der vorgegebenen Beanspruchung (3) standhält, wobei dieser Kandidaten-Fertigungsplan (4*) vorgibt, an welchem Ort, und/oder an welcher Zeit, welches Material unter welchen Prozessparametern dem Objekt (1) zugegeben wird; • in Antwort darauf, dass der Bereich (1a) der vorgegebenen Beanspruchung (3) nicht standhält, wird der Kandidaten-Fertigungsplan (4*) verändert (140) mit dem Ziel, die Belastbarkeit des vorgegebenen Bereichs (1a) zu verbessern.

Description

Beschreibung

Titel:

Fertigungsplanung für additive Fertigung mitels 3D-Druck

Die vorliegende Erfindung betrifft die additive Fertigung von Objekten mittels 3D- Druck aus beliebigen Ausgangsmaterialien, wie beispielsweise Kunststoffen oder Metallen.

Stand der Technik

Bei der additiven Fertigung von Objekten mittels 3D-Druck wird ein dreidimensionales Modell des Objekts üblicherweise mit einem sogenannten Slicer in einen konkreten Fertigungsplan für das Objekt übersetzt. Dieser Fertigungsplan wird vom 3D-Drucker unmittelbar verstanden und ausgeführt. Im Slicer lässt sich eine Vielzahl von Parametern einstellen. Beispielsweise lässt sich auswählen, welches Ausgangsmaterial verwendet werden soll, mit welchem Füllungsgrad Hohlräume im Inneren des Objekts ausgefüllt werden, auf welche Temperatur das Ausgangsmaterial erwärmt wird oder mit welcher Geschwindigkeit ein Druckkopf, der das Material dem Objekt hinzufügt, bewegt wird.

Die DE 10 2016222 552 Al offenbart ein 3D-Druckverfahren, bei dem gezielt Einfluss auf die Endfestigkeit des Bauteils genommen werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Erstellung eines Fertigungsplans für die additive Fertigung eines Objekts mittels 3D-Druck entwickelt. Das Verfahren beginnt damit, dass ein dreidimensionales Modell des herzustellenden Objekts bereitgestellt wird. Für mindestens einen vorgegebenen Bereich des Objekts eine mechanische Beanspruchung mit einer Kraft und/oder einem Moment vorgegeben, der dieser Bereich standzuhalten hat.

Für mindestens einen Kandidaten- Fertigungsplan wird anhand einer Simulation geprüft, ob nach Fertigung des Objekts anhand des Kandidaten- Fertigungsplans der vorgegebene Bereich der vorgegebenen Beanspruchung standhält. Dieser Kandidaten- Fertigungsplan gibt vor, an welchem Ort, und/oder an welcher Zeit, welches Material unter welchen Prozessparametern dem Objekt zugegeben wird.

In Antwort darauf, dass der Bereich der vorgegebenen Beanspruchung nicht standhält, wird der Kandidaten- Fertigungsplan verändert mit dem Ziel, die Belastbarkeit des vorgegebenen Bereichs zu verbessern.

Insbesondere bei der industriellen Anwendung von mit 3D-Druck gefertigten Bauteilen haben diese Bauteile häufig eine mechanische Funktion zu erfüllen, die mit einer konkreten Beanspruchung durch Kräfte oder Momente verbunden ist.

Ein Bauteil kann seine Funktion nur erfüllen, wenn es einer solchen vorhersehbaren Beanspruchung standhält. Der Herstellungsprozess ist durch eine Vielzahl von Parametern charakterisiert, die alle einen Einfluss auf die Endfestigkeit des Objekts haben können und auch zum Teil miteinander wechselwirken. Die Erstellung eines Fertigungsplans war somit bislang ein Prozess, der in hohem Maße durch Erfahrungswissen geprägt war. Es gab immer nur eine negative Rückmeldung, wenn ein Bauteil versagt hatte. Es gab aber keine Rückmeldung, dass beispielsweise bestimmte Bereiche ein Mehrfaches der nominell vorgesehenen mechanischen Belastung verkraften könnten. Wenn ein Bauteil versagt hatte, konnten hieraus nur schwer Rückschlüsse darauf gezogen werden, an welchem Parameter des Herstellungsprozesses dies genau gelegen hatte.

Daher gab es bei der manuellen Erstellung von Fertigungsplänen bislang eine Tendenz dazu, die Festigkeit im Zweifel überzudimensionieren, um sowohl die möglichen Folgen eines Versagens als auch die dann nötige Neuherstellung einzusparen. Dafür wurde mehr Zeit und auch mehr Ausgangsmaterial verbraucht als unbedingt notwendig.

Durch die Simulation kann nun die Suche nach einem Fertigungsplan, dessen Befolgung dem herzustellenden Objekt die benötigte Festigkeit verleiht, systematisiert und deutlich beschleunigt werden. Es wurde erkannt, dass auch eine rechnerische Suche nach Prozessparametern in einem vieldimensionalen Raum deutlich weniger Zeit benötigt als eine manuelle Erstellung eines Fertigungsplans auf der Basis von Erfahrungswissen und Teststücken.

Speziell wird es auch praktikabel, neben der bloßen Festigkeit noch weitere Optimierungsziele zu berücksichtigen, die zur Festigkeit zum Teil gegenläufig sind. Daher wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die Veränderung des Kandidaten- Fertigungsplans zusätzlich auf das Ziel gerichtet, die Herstellungskosten des Objekts, und/oder die Druckzeit für die Herstellung des Objekts, zu optimieren.

Eine Optimierung auf diese weiteren Ziele kann auch noch früher einsetzen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird in Antwort darauf, dass der vorgegebene Bereich der vorgegebenen Beanspruchung standhält, der Kandidaten- Fertigungsplan verändert mit dem Ziel, das Gewicht des Objekts, die Herstellungskosten des Objekts, und/oder die Druckzeit für die Herstellung des Objekts, zu optimieren, während zugleich der vorgegebene Bereich immer noch der vorgegebenen Beanspruchung standhält.

Sollte der Optimierungsprozess jeweils gar nicht zum Ziel führen, kann dies beispielsweise als Hinweis darauf gewertet werden, dass die Geometrie des Objekts grundsätzlich zu überarbeiten ist.

Die Veränderung des Kandidaten- Fertigungsplans kann viele Facetten umfassen. Besonders wichtige Parameter sind der Belegungsgrad mindestens eines gemäß dem dreidimensionalen Modell vorgesehenen Hohlraums im Objekt sowie die Ausgestaltung stabilisierender Strukturen in einem solchen Hohlraum. Die maximale Festigkeit des Objekts wird natürlich dann erreicht, wenn das Objekt durchgehend aus Massivmaterial besteht und keine Hohlräume mehr enthält. Dies ist jedoch häufig nicht praktikabel, da die Herstellung des Objekts dann viel zu lange dauert oder das Objekt zu schwer oder zu teuer wird. Durch einen verminderten Belegungsgrad kann sehr viel Material und auch entsprechend viel Druckzeit eingespart werden. Insbesondere können beispielsweise stabilisierende Strukturen in einem oder mehreren Hohlräumen gezielt so orientiert werden, dass sie gerade gegen die vorgegebene mechanische Beanspruchung besonders stabil sind. So sind beispielsweise Säulen oder Wände besonders widerstandsfähig gegen Druck, der genau von „oben“ auf die Säule bzw. Wand wirkt, aber weniger widerstandsfähig gegen seitliche Scherung.

Ein weiterer wichtiger Parameter ist die lokale Materialzusammensetzung im Objekt, insbesondere bei 3D-Druckern, die an einem bestimmten Ort wahlweise eines von mehreren Materialien dem Objekt hinzufügen können. Beispielsweise kann dann an verschiedenen Orten jeweils das Material verwendet werden, das die am jeweiligen Ort zu erwartende Beanspruchung besonders gut aufnehmen kann. Es können auch beispielsweise Hohlräume mit stabilisierenden Stoffen aufgefüllt werden.

Ein Kompromiss zwischen der Festigkeit einerseits und der Druckzeit andererseits lässt sich insbesondere einstellen über

• eine Kraft, mit der Material aus einer Düse ausgegeben und dem Objekt hinzugefügt wird, und/oder

• eine Temperatur, bei der Material dem Objekt hinzugefügt wird, und/oder

• eine Schichtdicke, mit der das Material schichtweise aufgetragen wird, und/oder

• eine Verschubgeschwindigkeit eines Druckkopfes, aus dem das Material austritt.

Je größer die Kraft ist, mit der Material aus der Düse ausgegeben wird, desto mehr Material kann pro Zeiteinheit ausgegeben werden und desto schneller läuft der Druck ab. Auf der anderen Seite kann das Material durch eine große Krafteinwirkung verändert werden und an Festigkeit verlieren. Beispielsweise können durch die Krafteinwirkung Polymerketten eines als Ausgangsmaterial verwendeten Kunststoffs unterbrochen werden. Eine höhere Temperatur des Materials kann dazu führen, dass pro Zeiteinheit mehr von dem Material aufgeschmolzen werden kann und der Druck wiederum schneller voranschreitet. Dafür kann sich das Material bei höherer Temperatur chemisch verändern und so wiederum an Festigkeit verlieren.

Die Schichtdicke, mit der das Material schichtweise aufgetragen wird, entscheidet über die Anzahl der für das Objekt insgesamt benötigten Schichten und damit auch über die nötige Druckzeit. Je dicker die Schichten sind, desto schneller läuft der Druck. Dünnere Schichten erlauben es hingegen, filigrane Strukturen genauer herzustellen, und haften besser aufeinander, was die Festigkeit des Objekts insgesamt erhöht.

Die mögliche Verschubgeschwindigkeit des Druckkopfes wiederum hängt unter anderem davon ab, wieviel Material pro Zeiteinheit geliefert werden kann und wie groß die Anforderungen an die Genauigkeit sind. Bei einer geringeren Verschubgeschwindigkeit kann auch die Haftung von nacheinander auf das Objekt aufgebrachten Schichten besser sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Veränderung des Kandidaten- Fertigungsplans in einem zweistufigen Verfahren ermittelt. In einer ersten Stufe wird ein Katalog möglicher Maßnahmen aufgestellt. Diese möglichen Maßnahmen werden binär dahingehend klassifiziert, ob sie in Bezug auf mindestens ein mit der Veränderung beabsichtigtes Ziel ein vorgegebenes Mindestmaß an Wirksamkeit haben. Diejenigen Maßnahmen, die die vorgegebene Mindest-Wirksamkeit nicht haben, werden verworfen. In einer zweiten Stufe werden dann Parameter der Maßnahmen, die die vorgegebene Mindest-Wirksamkeit haben, im Hinblick auf das beabsichtigte Ziel optimiert.

Die binäre Klassifikation, ob eine Maßnahme überhaupt wirksam sein kann, ist vergleichsweise schnell. Wenn von vornherein klar ist, dass eine bestimmte Maßnahme nicht zum Ziel führt, dann muss keine Rechenzeit auf die Optimierung von Parametern dieser Maßnahme verwendet werden. Der letztendlich insgesamt zu durchsuchende Suchraum an Parametern wird also erheblich verkleinert. Für die Simulation, ob der vorgegebene Bereich der vorgegebenen Beanspruchung standhält, kann insbesondere beispielsweise die räumliche Verteilung mindestens eines Materials in Verbindung mit mindestens einer lokalen Festigkeitseigenschaft des Materials herangezogen werden. Die lokale Festigkeitseigenschaft kann insbesondere beispielsweise vom gewählten Material und den Prozessparametern abhängen, denen dieses Material beim Hinzufügen zu dem Objekt ausgesetzt war, wie beispielsweise von der Temperatur oder von der Kraft, mit der das Material durch eine Düse in Richtung auf das Objekt hin gepresst wurde. Die räumliche Verteilung kann beispielsweise beinhalten, welche geometrischen Strukturen aus dem Material geformt sind. Viele dieser Strukturen haben Vorzugsrichtungen, in denen sie stärker belastbar sind als in anderen Richtungen.

Die Simulation, ob der vorgegebene Bereich der vorgegebenen Beanspruchung standhält, kann insbesondere beispielsweise mit einer Finite-Elemente-Methode durchgeführt werden. Die Finite-Elemente-Methode ist generell ein anerkanntes Verfahren zur Berechnung der Festigkeit und Verformung von Festkörpern.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet die Veränderung des Kandidaten- Fertigungsplans zusätzlich eine Veränderung der Außengeometrie des Bauteils innerhalb vorgegebener Grenzen. Nicht immer lässt sich die Stabilität allein durch Anpassungen des Fertigungsplans bei fester Geometrie hinreichend erhöhen. Es kann auch der Fall eintreten, dass beispielsweise das zur Verfügung stehende Ausgangsmaterial mit dem Querschnitt, in dem es in dem vorgegebenen Bereich vorhanden ist, auch bei maximalem Füllungsgrad die vorgegebene Beanspruchung nicht aufnehmen kann. In diesem Fall kann beispielsweise die zu schwache Struktur verdickt werden, insoweit die Passform des Objekts in der jeweils vorgesehenen Anwendung nicht beeinträchtigt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Objekts mittels 3D-Druck. Bei diesem Verfahren wird ein dreidimensionales Modell des Objekts aus mindestens einer vorgegebenen Konstruktionsvorschrift für das Objekt ermittelt, und/oder aus einer Vielzahl von Fotografien einer dreidimensionalen Vorlage für das Objekt photogrammetrisch errechnet. Basierend auf diesem dreidimensionalen Modell wird ein Fertigungsplan für die Fertigung des Objekts mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erstellt. Der Fertigungsplan wird einem 3D-Drucker zugeführt. Das Objekt wird von dem 3D- Drucker anhand des Fertigungsplans erstellt.

Auf diese Weise kann die Gesamtzeit, die vom Erstellen der Konstruktionsvorschrift, bzw. vom Anfertigen der Fotografien, bis zur Fertigstellung des Objekts benötigt wird, deutlich vermindert werden. Insbesondere kann die Wahrscheinlichkeit, dass das Objekt erfolgreich hergestellt werden und auch seine ihm zugedachte Funktion erfüllen kann, erhöht werden, so dass der Zeit- und Kostenaufwand für Fehlversuche entfällt.

Ein Risiko für solche Fehlversuche besteht beispielsweise bei Vergrößerungen und insbesondere bei Verkleinerungen verglichen mit einer ursprünglichen Konstruktionsvorschrift bzw. Vorlage. Die Festigkeit in Bezug auf bestimmte Beanspruchungen kann nichtlinear mit den räumlichen Abmessungen von Strukturen skalieren. Zugleich muss die Beanspruchung bei einer Vergrößerung oder Verkleinerung nicht immer im gleichen Tempo skalieren wie die Festigkeit, die die Struktur dieser Beanspruchung entgegenzusetzen hat.

Wird beispielsweise ein Objekt aus mehreren Teilen, die durch verbindende Strukturen zusammengehalten werden, aus einem Material mit hoher Dichte (wie etwa Metall oder Beton) gefertigt, so skaliert bei einer Vergrößerung des Objekts die Druck- oder auch Zugfestigkeit verbindender Strukturen in erster Näherung mit deren Querschnittsfläche. Wenn nun das Objekt gleichmäßig in allen drei kartesischen Koordinatenrichtungen mit dem gleichen Skalierungsfaktor skaliert wird, dann skaliert die besagte Querschnittsfläche quadratisch mit diesem Skalierungsfaktor. Das Gewicht der Objektteile, die von diesen Strukturen gehalten werden müssen, skaliert jedoch mit deren Volumen, das wiederum mit der dritten Potenz des Skalierungsfaktors skaliert. Das zu tragende Gewicht wächst also schneller als die Stabilität der Strukturen, die das Gewicht zu tragen haben. Erreicht das Objekt eine kritische Größe, kann die haltende Struktur versagen und ein schweres Teil vom Objekt abbrechen. Umgekehrt kann bei einer Verkleinerung beispielsweise eine Verwindungssteifigkeit einer stabilisierenden Struktur ebenfalls quadratisch mit dem Durchmesser dieser Struktur absinken und so unter den Wert fallen, der für eine erfolgreiche Herstellung der Struktur im schichtweisen Aufbau nötig ist.

Das Verfahren zur Erstellung des Fertigungsplans kann insbesondere computerimplementiert sein. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Computerprogramm mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer dazu veranlassen, das Verfahren zur Erstellung des Fertigungsplans auszuführen.

Ebenso bezieht sich die Erfindung auch auf einen maschinenlesbaren Datenträger oder ein Downloadprodukt mit dem Computerprogramm. Ein Downloadprodukt ist ein über ein Datennetzwerk übertragbares, d.h. von einem Benutzer des Datennetzwerks downloadbares, digitales Produkt, das beispielsweise in einem Online-Shop zum sofortigen Download feilgeboten werden kann.

Weiterhin kann ein Computer mit dem Computerprogramm, mit dem maschinenlesbaren Datenträger bzw. mit dem Downloadprodukt ausgerüstet sein.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100;

Figur 2 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200; Figur 3 Beispiel für Objekt 1, bei dessen vergrößertem 3D-Druck das Verfahren 200 vorteilhaft ist;

Figur 4 Beispiel für Objekt 1, bei dessen verkleinertem 3D-Druck das Verfahren 200 vorteilhaft ist.

Figur 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100. In Schritt 110 wird ein dreidimensionales Modell 2 des herzustellenden Objekts 1 bereitgestellt. In Schritt 120 wird für mindestens einen vorgegebenen Bereich la des Objekts 1 eine mechanische Beanspruchung 3 mit einer Kraft und/oder einem Moment vorgegeben, der dieser Bereich la standzuhalten hat.

In Schritt 130 wird für mindestens einen Kandidaten- Fertigungsplan 4* anhand einer Simulation geprüft, ob nach Fertigung des Objekts 1 anhand des Kandidaten- Fertigungsplans 4* der vorgegebene Bereich la der vorgegebenen Beanspruchung 3 standhält.

Ist dies nicht der Fall (Wahrheitswert 0), wird in Schritt 140 der Kandidaten- Fertigungsplan 4* verändert mit dem Ziel, die Belastbarkeit des vorgegebenen Bereichs la zu verbessern. Dieser Prozess kann iterativ erfolgen. Das heißt, der veränderte Kandidaten- Fertigungsplan 4* kann erneut der Prüfung 130 zugeführt werden, und die Prüfung 130 kann solange wiederholt werden, bis die Festigkeit des Bereichs la zufriedenstellend ist. Der zuletzt erarbeitete Kandidaten- Fertigungsplan kann dann als endgültiger Fertigungsplan 4 verwendet werden.

Gemäß Block 141 kann weiterhin die Veränderung 140 zusätzlich auf das Ziel gerichtet werden, das Gewicht des Objekts 1, die Herstellungskosten des Objekts 1, und/oder die Druckzeit für die Herstellung des Objekts 1, zu optimieren.

Hält hingegen ausweislich der Simulation 130 der vorgegebene Bereich la der vorgegebenen Beanspruchung 3 stand (Wahrheitswert 1 bei Schritt 130), kann in Schritt 150 der Kandidaten- Fertigungsplan 4* ebenfalls verändert werden, jedoch mit dem Ziel, das Gewicht des Objekts 1, die Herstellungskosten des Objekts 1, und/oder die Druckzeit für die Herstellung des Objekts 1, zu optimieren. Dabei soll aber zugleich der vorgegebene Bereich la noch immer der vorgegebenen Beanspruchung 3 standhalten. Auch diese Optimierung kann iterativ durchgeführt werden, bis nach Erreichen eines vorgegebenen Abbruchkriteriums der endgültige Fertigungsplan 4 feststeht.

Gemäß Block 131 kann die Simulation 130 insbesondere beispielsweise die räumliche Verteilung mindestens eines Materials in Verbindung mit mindestens einer lokalen Festigkeitseigenschaft des Materials heranziehen. Gemäß Block 132 kann die Simulation 130 insbesondere beispielsweise mit einer Finite- Elemente-Methode durchgeführt werden.

Die Veränderungen gemäß den Schritten 140 und 150 können insbesondere beispielsweise nach einem zweistufigen Prozess erfolgen. Gemäß Block 142 bzw. 252 kann ein Katalog möglicher Maßnahmen 5 aufgestellt werden. Gemäß Block 143 bzw. 153 können diese Maßnahmen 5 binär dahingehend klassifiziert werden, ob sie in Bezug auf mindestens ein mit der Veränderung 140 bzw. 150 beabsichtigtes Ziel ein vorgegebenes Mindestmaß an Wirksamkeit haben. Diejenigen Maßnahmen 5, die die vorgegebene Mindest-Wirksamkeit nicht haben (Wahrheitswert 0), können gemäß Block 144 bzw. 154 verworfen werden. Bezüglich derjenigen Maßnahmen 5 jedoch, die die vorgegebene Mindest- Wirksamkeit haben (Wahrheitswert 1), können gemäß Block 145 bzw. 155 in einer zweiten Stufe Parameter im Hinblick auf das beabsichtigte Ziel optimiert werden.

Figur 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens 200. In Schritt 210 wird ein dreidimensionales Modell 2 des Objekts 1 aus mindestens einer vorgegebenen Konstruktionsvorschrift für das Objekt 1 ermittelt, und/oder aus einer Vielzahl von Fotografien einer dreidimensionalen Vorlage für das Objekt 1 photogrammetrisch errechnet. In Schritt 220 wird basierend auf dem dreidimensionalen Modell 2 ein Fertigungsplan 4 für die Fertigung des Objekts 1 mit dem zuvor beschriebenen Verfahren 100 erstellt. In Schritt 230 wird der Fertigungsplan 4 einem 3D-Drucker 6 zugeführt. Das Objekt 1 wird in Schritt 240 von dem 3D-Drucker 6 anhand des Fertigungsplans 4 erstellt.

Figur 3 zeigt ein Beispiel für ein Objekt 1, bei dessen vergrößertem 3D-Druck das Verfahren 200 besonders vorteilhaft ist. Figur 3a zeigt das Objekt 1 in Schnittzeichnung in seiner ursprünglichen Größe. Das Objekt 1 umfasst einen Stiel 11 und eine Kugel 12. Der Bereich la, auf dessen Festigkeit es ankommt, ist der untere Bereich des Stiels 11, denn hier greift das Gewicht der Kugel 12 mit der Hebelwirkung der vollen Länge des Stiels 11 an.

Figur 3b zeigt eine Kopie des Objekts 1, das in jeder Koordinatenrichtung um den Faktor 2 vergrößert wurde. Die Querschnittsfläche des Stiels 11 hat dementsprechend um den Faktor 2²=4 zugenommen. Allerdings hat das Volumen und damit auch das Gewicht der Kugel 12 um den Faktor 2³=8 zugenommen. Es sind also möglicherweise Maßnahmen wie eine Erhöhung des Füllungsgrades des Stiels 11 nötig, damit dieser nicht bricht.

Figur 4 zeigt ein weiteres Objekt 1, bei dessen verkleinertem 3D-Druck das Verfahren 200 besonders vorteilhaft ist, in schematischer perspektivischer Zeichnung. Das Objekt 1 ist eine Skulptur, die in Natur lebensgroß ist. Es umfasst einen Besen 14 mit Stiel 13 sowie einen Mann 15, der den Besen 14 am Stiel 13 hält. Der Bereich la, auf dessen Stabilität es für einen erfolgreichen 3D- Druck des Objekts 1 ankommt, ist der Besenstiel 13. Dieser ist beim 3D-Druck des Objekts 1 von unten nach oben zunächst nur am bereits gedruckten Besen 14 fest. Beim in aller Regel stark verkleinerten 3D-Druck kann die Dicke des Besenstiels 13 unter das Mindestmaß sinken, das für die Gewährleistung einer Eigenstabilität während des 3D-Drucks nötig ist. Im Rahmen des Verfahrens 200 kann dies erkannt werden, und es kann entsprechend gegengesteuert werden, sei es durch Änderung der Herstellungsparameter für den Besenstiel 13 (etwa Erhöhung des Füllungsgrades) oder durch Aufdicken des Besenstiels 13.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren (100) zur Erstellung eines Fertigungsplans (4) für die additive Fertigung eines Objekts (1) mittels 3D-Druck mit den Schritten:

• es wird ein dreidimensionales Modell (2) des herzustellenden Objekts (1) bereitgestellt (110);

• für mindestens einen vorgegebenen Bereich (la) des Objekts (1) wird eine mechanische Beanspruchung (3) mit einer Kraft und/oder einem Moment vorgegeben (120), der dieser Bereich (la) standzuhalten hat;

• für mindestens einen Kandidaten- Fertigungsplan (4*) wird anhand einer Simulation geprüft (130), ob nach Fertigung des Objekts (1) anhand des Kandidaten- Fertigungsplans (4*) der vorgegebene Bereich (la) der vorgegebenen Beanspruchung (3) standhält, wobei dieser Kandidaten- Fertigungsplan (4*) vorgibt, an welchem Ort, und/oder an welcher Zeit, welches Material unter welchen Prozessparametern dem Objekt (1) zugegeben wird;

• in Antwort darauf, dass der Bereich (la) der vorgegebenen Beanspruchung (3) nicht standhält, wird der Kandidaten- Fertigungsplan (4*) verändert (140) mit dem Ziel, die Belastbarkeit des vorgegebenen Bereichs (la) zu verbessern.

2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die Veränderung (140) zusätzlich auf das Ziel gerichtet wird (141), das Gewicht des Objekts (1), die Herstellungskosten des Objekts (1), und/oder die Druckzeit für die Herstellung des Objekts (1), zu optimieren.

3. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei in Antwort darauf, dass der vorgegebene Bereich (la) der vorgegebenen Beanspruchung (3) standhält, der Kandidaten- Fertigungsplan (4*) verändert wird (150) mit dem Ziel, das Gewicht des Objekts (1), die Herstellungskosten des Objekts (1), und/oder die Druckzeit für die Herstellung des Objekts (1), zu optimieren, während zugleich der vorgegebene Bereich (la) immer noch der vorgegebenen Beanspruchung (3) standhält.

4. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Veränderung (140, 150) des Kandidaten- Fertigungsplans (4*) beinhaltet,

• den Belegungsgrad mindestens eines gemäß dem dreidimensionalen Modell vorgesehenen Hohlraums im Objekt (1), und/oder

• die Ausgestaltung stabilisierender Strukturen in einem solchen Hohlraum, und/oder

• eine lokale Materialzusammensetzung im Objekt (1), und/oder

• eine Kraft, mit der Material aus einer Düse ausgegeben und dem Objekt (1) hinzugefügt wird, und/oder

• eine Temperatur, bei der Material dem Objekt (1) hinzugefügt wird, und/oder

• eine Verschubgeschwindigkeit eines Druckkopfes, aus dem das Material austritt, zu variieren.

5. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Veränderung (140, 150) des Kandidaten- Fertigungsplans beinhaltet,

• einen Katalog möglicher Maßnahmen (5) aufzustellen (142, 152),

• die möglichen Maßnahmen (5) binär dahingehend zu klassifizieren (143, 153), ob sie in Bezug auf mindestens ein mit der Veränderung beabsichtigtes Ziel ein vorgegebenes Mindestmaß an Wirksamkeit haben,

• diejenigen Maßnahmen (5), die die vorgegebene Mindest-Wirksamkeit nicht haben, zu verwerfen (144, 154) und

• Parameter der Maßnahmen (5), die die vorgegebene Mindest- Wirksamkeit haben, im Hinblick auf das beabsichtigte Ziel zu optimieren (145, 155).

6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für die Simulation (130), ob der vorgegebene Bereich (la) der vorgegebenen Beanspruchung (3) standhält, die räumliche Verteilung mindestens eines Materials in Verbindung mit mindestens einer lokalen Festigkeitseigenschaft des Materials herangezogen wird (131).

7. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Simulation (130), ob der vorgegebene Bereich (la) der vorgegebenen Beanspruchung (3) standhält, mit einer Finite-Elemente-Methode durchgeführt wird (132).

8. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Veränderung des Kandidaten- Fertigungsplans zusätzlich eine Veränderung der Außengeometrie des Bauteils innerhalb vorgegebener Grenzen beinhaltet.

9. Verfahren (200) zur additiven Fertigung eines Objekts (1) mittels 3D- Druck mit den Schritten:

• ein dreidimensionales Modell (2) des Objekts (1) wird aus mindestens einer vorgegebenen Konstruktionsvorschrift für das Objekt (1) ermittelt, und/oder aus einer Vielzahl von Fotografien einer dreidimensionalen Vorlage für das Objekt (1) photogrammetrisch errechnet (210);

• basierend auf dem dreidimensionalen Modell (2) wird ein Fertigungsplan (4) für die Fertigung des Objekts (1) mit dem Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erstellt (220);

• der Fertigungsplan (4) wird einem 3D-Drucker (6) zugeführt (230);

• das Objekt (1) wird von dem 3D-Drucker (6) anhand des Fertigungsplans (4) erstellt (240).

10. Computerprogramm, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden, den oder die Computer dazu veranlassen, das Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.

11. Maschinenlesbarer Datenträger oder Downloadprodukt mit dem Computerprogramm nach Anspruch 10.

12. Computer mit dem Computerprogramm nach Anspruch 10, und/oder mit dem maschinenlesbaren Datenträger und/oder Downloadprodukt nach Anspruch 11.