WO2022106564A9 - Process for producing foam bodies - Google Patents

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WO2022106564A9
WO2022106564A9 PCT/EP2021/082195 EP2021082195W WO2022106564A9 WO 2022106564 A9 WO2022106564 A9 WO 2022106564A9 EP 2021082195 W EP2021082195 W EP 2021082195W WO 2022106564 A9 WO2022106564 A9 WO 2022106564A9
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
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    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00Details relating to the application field
    • G06F2113/10Additive manufacturing, e.g. 3D printing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional foam body.
  • a further aspect of the invention is a foam body, a use of the foam body and a data set for a production facility for the production of a foam body.
  • the invention is aimed in particular at the production of foam bodies and foam bodies with an open-pore foam structure, which accordingly have a large number of cavities which communicate with one another and/or with the environment, or a closed-pore foam structure in which the large number of cavities are separated from one another and/or or are closed off from the environment.
  • foam bodies which, according to this description, should be understood as meaning foam materials with a predefined geometry for an end product or foam materials which are intended as semi-finished products for later cutting.
  • a starting material in a formable state usually in a liquid or pasty state, is placed in a mold, with an extrusion process or an injection molding process being used for shaping, for example.
  • the starting material undergoes a foaming process before, during or after shaping.
  • This foaming process can be induced chemically or thermally, for example, and causes gas formation in the starting material.
  • a gas can already be used during the Shaping process are mixed with the starting material and thereby cause the foaming process.
  • this gas formation or gas admixture a large number of cavities are produced in the starting material and this state is stabilized by solidifying (hardening) the starting material.
  • Foam bodies produced in this way are characterized by elastic or viscoelastic properties.
  • the cavities essentially have the same volume, but actually produced foams have cavities that differ slightly from one another in terms of their volume and shape due to the uncontrolled nature of the chemical reaction process or the blowing in of gas.
  • the cavities have a spherical, ideally ball-shaped, geometry, but the stresses and strains that occur during shaping can also produce cavity geometries that deviate from this.
  • the pores or cavities of known foam bodies are delimited by wall structures which, as a whole, surround the cavity in a closed manner or which have openings through which adjacent cavities of a foam are connected to one another. These wall structures arise randomly from the starting material during the shaping process due to the foaming process and the hardening of the starting material.
  • Foam bodies of this previously known type can be produced with different material properties that are desired in each case by selecting the starting material and the parameters during the shaping process and selecting the gas that may be added.
  • the material properties can be set for a specific starting material in specific, limited areas.
  • certain conflicting goals for example with regard to the density of the foam body and its strength, elasticity and hardness, can only be set within certain limits.
  • reaction-crosslinking polymer foams are only insufficiently recyclable, since they cannot be recycled with new shaping with the aim of producing a solid or foam body with the original properties of the reaction-crosslinked polymer. Therefore, only secondary uses with reduced quality requirements for the recycled material or purely thermal utilization can be considered as recycling, which is not sufficient for products with high demands on environmental compatibility. There is therefore a need for foams that combine high quality requirements with good recyclability.
  • foam bodies are often required with locally different mechanical properties.
  • foam bodies with locally different properties can be achieved with these production methods, the production process is complex on the one hand and limited in terms of local differentiation and the design options for the properties due to large mechanical differences and in terms of the spatial resolution of the differentiation. There is a need to improve these possibilities.
  • a seat cushion and a seat back with integrated ventilation ducts are already known, which are produced in a 3D printing process.
  • the seat cushion and the seat back have an internal skeleton structure in which the ventilation ducts are integrally formed.
  • This skeleton structure is placed on a frame structure and wrapped in an upholstery fabric.
  • the disadvantage of this design and production method is that a comprehensive definition of the skeleton structure over the entire volume of the seat cushion or seat backrest is required in the production data and therefore with the currently available computing power of the work planning computer and the production computer used in a 3D printing process only a rough skeleton structure can be realized and the comfort properties of a conventional foam cannot be achieved as a result.
  • the above problems are solved with a method for producing a three-dimensional foam body, the foam body consisting of an open-pore or closed-pore foam structure and corresponding cavities communicating with one another and/or with the environment or cavities closed off from one another and/or from the environment, which comprises the steps comprises: production of a multiplicity of foam cells by inserting cell structural elements which have a cell cavity at least partially enclosing, built up by means of an additive manufacturing process, and establishing a connection between the cell structure elements of the foam cells by means of the additive manufacturing process.
  • the foam is not produced by mixing gas and a liquid plastic material with subsequent curing/crosslinking of the plastic material including the gas components in a process in which the gas is added to the liquid plastic material by mixing or the gas is added to the plastic material caused by a chemical or physical reaction and the foaming is generated as a result.
  • a mixing process of gas and plastic or a gas outgassing process from the plastic for the production of the foam structure is therefore dispensed with.
  • An additive manufacturing process is used to produce the solid part of the foam.
  • Such an additive manufacturing process should be understood to mean all manufacturing processes that have also become known under the term additive manufacturing process (or also under the old term “rapid prototyping”), which are characterized by the fact that the inner and outer geometry of the product to be manufactured is defined before the manufacturing process electronic data is predetermined, for example by means of an STL data interface or in file formats such as VRML, OBJ, AMF, 3MF, CLI or SLC or in other proprietary data formats.
  • Geometry information and often additional information on material, color or the like is stored in such file formats and can be used to control an additive manufacturing device - for example in the form of the digital definition of cross sections through the product to be manufactured, which shows the respective geometry of the product in the Define a cross-section of electronic data. Based on this data, a mouldable, chemically or physically hardenable material is then hardened at points or selectively in layers (cross-sectional areas) and the product is built up successively by building up several selectively hardened areas or in several layers. The selectively cured layers or specific areas of the product are connected to one another.
  • the electronic data is created as part of a design or planning process, for example using CAD software, and defines the geometry and gfs. the material of a component to be manufactured.
  • This electronic data is typically available as vector graphics-based data, and they are typically used here converted into a production data set in a data processing step preceding additive manufacturing, with which the additive production system is controlled.
  • the individual areas of a layer to be hardened are defined for each layer of the component to be built up in layers in a data set that is typically based on raster graphics, and the additive manufacturing process can then be controlled using this production data set.
  • the production data set can define further parameters in a spatially resolved manner, for example the power of an energy beam such as a laser power, a traversing speed and the like.
  • additive manufacturing processes have become known, for example, in which a powder bed, in which thin layers of powder are applied one after the other, and after each layer is applied, the layer is replaced by a selectively acting high-energy beam or by selectively applied hardener components or hardener inhibitors according to the cross-section of the respective product in this layer be cured.
  • photopolymerizable plastics are used, which are available as liquid plastic and by lowering a construction platform into such a liquid bath, a thin liquid layer can be selectively cured from above with selectively masked irradiation or by scanning using a high-energy beam , wherein an inverse principle with raising the construction platform in a liquid bath and irradiation through a window at the bottom of the container in which the liquid is located is also known.
  • Another common additive manufacturing process is what is known as three-dimensional printing, in which a hardenable material is selectively dispensed from a print head onto a construction platform and this selective application on the construction platform builds a three-dimensional product by controlling the position of the print head based on the product data .
  • the hardenable material used here can be used as a single-component material or as a multi-component material with components that react with one another.
  • this method there is the possibility in a simple manner of dispensing different materials or differently colored materials from the print head and thereby constructing a product which is composed of different materials in different areas or is differently colored.
  • the foam is produced using the additive manufacturing process, specifically in that the solid material components of the foam, ie those volume components that are not filled with gas, are produced using the additive manufacturing process.
  • the volume fractions of the foam body that are not filled with hardened material by the additive manufacturing process in this production are subsequently the gas-filled volume fractions of the foam body - either because no material is already placed here in the additive manufacturing process, or because material is present in these volume fractions during the additive manufacturing process is not cured and can therefore subsequently be removed from the additively manufactured component, for example by tipping out, vacuuming or the like.
  • structures with a minimum wall thickness of approx. 0.5 to 1 mm can be produced using additive manufacturing processes.
  • the minimum limit that can be achieved depends on the principle of the additive manufacturing process. Due to the increasing improvement of the processes, the available beam optics and the starting materials, it can be expected that the resolution during production will be further reduced in the future and that structures with even smaller dimensions can also be produced additively. However, even with the dissolving options available today, it is possible to produce a foam structure suitable for practical purposes without any problems.
  • the inner geometries of a conventionally produced foam can be simulated by describing the solid volume fractions of such a foam using geometric data and using this geometric data to control the additive manufacturing process in order to produce the foam structure additively in this way and to add the foam directly or through a thereby generating subsequent removal process of uncured material.
  • standardization and/or scaling of the original geometry of a foam cell of the foam into a uniform foam cell or an enlarged dimension of the foam cell, for example by doubling or tenfold the pore volume, for the relevant mechanical properties of the foam are of no importance or even advantageous and the production of the foam in the additive manufacturing process can thus extend to a large number of additive manufacturing processes and broad fields of application of the foam.
  • the foam body according to the invention comprises a multiplicity of foam cells, a foam cell being understood to mean a cavity and a solid structure surrounding the cavity.
  • the solid structure consists of cell structure elements, which can be wall sections, beam-like structures, lever-like structures and be the like that are straight or curved.
  • the cell structure elements can enclose the cavity tightly or can allow the cavity to communicate openly with neighboring cavities, ie not enclose it in a sealing manner.
  • a cell structure element can also separate two or more adjacent cavities from one another, that is to say it can be formed integrally as a cell structure element for these adjacent cavities.
  • the foam body according to the invention or the foam body produced using the method according to the invention preferably achieves a compression hardness greater than 2 kPa, greater than 3 kPa and preferably greater than 5 kPa and less than 20 kPa, less than 15 kPa and preferably less than 13 kPa according to DIN EN ISO 3386-1 is.
  • the production method according to the invention can also be used to produce foams whose inner geometric structure can be built up in a planned and targeted manner by additively adding the cell structure elements in a predetermined manner using the production data are produced and as a result a geometry that is advantageous for the properties of the foam--in particular with regard to its orientation, its course and its wall thickness--is obtained and the disadvantages of the erratically produced internal structure of conventional foams are thereby avoided.
  • foam bodies can be produced with the method according to the invention, which have direction-dependent mechanical properties, i.e. behave differently in a first spatial direction with regard to elasticity and/or strength than in a second, deviating spatial direction.
  • foam bodies can also be produced whose mechanical properties differ in all three mutually perpendicular spatial directions.
  • the production data record can be in the form of vector graphics data, ie data that describes a geometry of a body based on definitions of geometrically superordinate structures such as corner points, axes, radii. Such vector graphics data are used, for example, in CAD construction.
  • the manufacturing data record can also include STL data, which is a data structure that describes a geometry of a body using corner points of triangular surfaces.
  • the production data record is typically data that defines the areas to be cured point by point for each layer of the body to be built up in layers in such a way that a laser or print head used for curing, for example, moves to each of the points defined in the production data for the layer in the respective layer.
  • the order in which these points in the respective layer are approached follows a scanning strategy that is usually optimized to achieve rapid curing in the respective layer and to produce an overall distortion-free product with good-quality surfaces.
  • the manufacturing parameters of the manufacturing process e.g.
  • the irradiation intensity, the focusing or the exposure time of a laser are therefore often controlled individually using the manufacturing data set and are accordingly also defined therein, so that a final surface of the product is manufactured with different manufacturing parameters than surfaces on which the subsequently produced layer of the component again material is applied and cured, or so that the lower surface of an overhang on the product is produced with different manufacturing parameters than an upper surface of the product.
  • the production data record for the entire foam body can be calculated from the design data record in a data processing operation that precedes the start of additive manufacturing.
  • a partial area can preferably correspond to one or more layers of the additive manufacturing process, provided that the additive manufacturing process builds up the foam layer by layer.
  • the production data record can run so far ahead of the currently executed additive production step that only one production data record of the respective layer to be produced additively or a number of two, three or more layers to be produced additively in each case is calculated in advance from the design data and thereby the quantity of the in data to be processed in one computing step and the required data size and memory size is significantly reduced.
  • the step from a vector graphics-based geometry definition in the design data record to a raster graphics-based representation in the production data record can be carried out in a simple way of conversion, since not every individual structure in the design data has to be defined separately, but this using a vector graphics-based specification of one or more uniform geometric structures and an indication of the repetition of this uniform geometric structure within a component volume of the entire foam body or of sections of the foam body (in the case of areas with different compressive strengths within the foam body) can be defined using vector graphics-based specification.
  • the conversion of the design data set into a production data set can be carried out in sections, for example in a production process computer controlling additive manufacturing, so that a preliminary calculation and gfs. transmission of large amounts of data, as with conventional methods, is avoided.
  • This implementation therefore enables the total volume of the foam body to be defined in the design data set when the production data set is created using an algorithm that defines the multiplication and juxtaposition of the foam cells of the corresponding type and executes them within the boundary surfaces.
  • a separate definition of the material components of the foam body to be produced in the additive manufacturing process which is intensive in terms of computing and storage space, can be avoided.
  • the method according to the invention hereby enables the size of an individual foam cell to be reduced to such an extent that it can be inscribed in a sphere with a diameter of less than 5 mm, preferably less than 4, 3, 2 or even 1 mm and thereby a foam body can be manufactured with excellent spatially resolved padding and damping properties, the outer dimensions measurements of more than 5cm x 5cm x 5cm and yet the necessary data processing steps are carried out on currently available, conventional computers for construction planning and production control.
  • the additive manufacturing method is selected from: a 3D printing method, a stereolithography method, a selective laser sintering/laser melting method, binder jetting, fused deposition modeling, polyjet method, digital light processing, HP multijet fusing .
  • These different printing processes are characterized by different processes, materials that can be used and resolution accuracies. They are therefore suitable for producing foams from different materials such as plastics, metals or ceramic materials, producing open-pore or closed-pore foams and additively producing the foams with a desired resolution and size of the cell structure elements.
  • the cell structure elements are made of a material selected from: an elastomeric material, a thermoplastic elastomeric material, a polyurethane, in particular thermoplastic polyurethane, a polyvinyl chloride or a polymer with a Shore A hardness of at least 50, 60, 70 or 80 and not exceeding 90 or 100.
  • the production method according to the invention opens up a wide range of materials to be processed, since miscibility with a gas or a gaseous phase produced in a chemical process does not have to be taken into account.
  • materials can be selected that have a specific hardness, elasticity, and strength, in order to thereby influence the properties of the foam in a desired direction with regard to these mechanical parameters.
  • materials are available for the production of foams using the process according to the invention, which have better properties in terms of their recyclability and environmental compatibility than materials for conventional foam production.
  • thermoplastics can be used, which enable the foam material to be recycled at the end of its useful life and thus be available for full reuse of the material.
  • the geometry of the cell structure elements of the foam body is defined by digital planning data before the additive production of the cell structure elements and from the digital planning data Manufacturing data set is created with which the additive manufacturing process is controlled.
  • the geometry of the cell structure elements and their arrangement, course, material thickness and other geometric properties are determined in advance in a digital planning process. This procedure, which is necessary for the additive manufacturing process, makes it possible to build up the foam either with a uniform geometry of the cell structure elements over its entire volume, or, depending on the requirements, to plan and subsequently produce it in two or more areas with a different geometry of the cell structure elements.
  • This production of the foam which is controlled on the basis of defined geometric data, consequently enables a targeted provision of properties of the foam, which can be resolved and predefined according to location and direction.
  • At least two foam cells preferably more than twenty or one hundred foam cells of the foam body are geometrically identical.
  • a foam body is usually characterized by a very large number of foam cells, which are very similar in the conventional manufacturing process due to the production method, but ultimately can also differ slightly from one another.
  • the production process according to the invention due to the defined and exact production method to build up the foam cells completely identical to one another and thereby to achieve homogeneous properties of the foam even on a microscopic level of two individual or several adjacent foam cells or all foam cells.
  • This achievable identity of the foam cells in the foam body can be adjusted using the production method according to the invention and characterizes a foam that was produced using the additive production process according to the invention.
  • the foam body has a first foam body section with a first type of foam cells and a second foam body section with a second type of foam cells that is different from the first type.
  • the digital planning of the geometric structure of the foam cells and cell structure elements in advance also makes it possible for the foam body not to be built up exclusively from identical foam cells, but also to produce a different geometry of the foam cells in one area than in another area or more than 2, for example 3, 4, 5 or more than 5 areas with different geometries of the foam cells are produced. In this way, three-dimensional foam bodies can be produced that behave mechanically differently in different areas and thus have the desired usage properties in these areas have areas.
  • the different types of foam cells can also be arranged alternately over the entire foam body adjacent to one another or in any other way alternately, for example by layers with different types of foam cells being built up alternately on top of one another in order to achieve progressively or degressively running mechanical properties perpendicular to the plane to achieve these layers of the foam body.
  • the two different foam body sections differ in that only foam cells of the first type are arranged in one foam body section and only foam cells of a second type are arranged in the other foam body section.
  • This distinction between the two foam body sections is often preferred over alternative configurations in which, for example, the percentage ratio of two foam cell types in one section is selected differently than in the other section.
  • foam cells can be understood as meaning foam cells whose cell structure elements differ in terms of their course, their wall thickness or their orientation relative to one another, or foam cells that differ from one another in terms of their dimensions in one, two or three spatial directions.
  • the first and the second type of foam cells are formed by cell structure elements whose arrangement and course is the same and that the wall thickness of a cell structure element differs in an arrangement and a course in relation to a foam cell of the first type of the wall thickness of a cell structural element in the same arrangement and course with respect to a foam cell of the second type.
  • the cell structure elements in the two or more differently designed sections do not differ in terms of the course and orientation of the cell structure elements, but only in terms of the wall thickness of the cell structure elements.
  • This construction of a foam with two or more different sections is on the one hand efficient in planning in the digital data preparation of the manufacturing data for the additive manufacturing process; directional properties in the different sections differ only in terms of height, but not in their direction of mechanical properties.
  • the connection between two different sections can be produced in a mechanically reliable and resilient construction, since the cell structure elements of the foam cells in the interface area of the two foam cells do not differ geometrically from one another, but only a change in wall thickness has to be implemented in the interface area.
  • interface foam cells are arranged in the interface area between the first area with the foam cells of the first type and the second area with the foam cells of the second type, which differ neither in the course nor in the alignment of the cell structure elements from the foam cells of the first and of the second type, which, however, have a first wall thickness in the border area to the foam cells of the first type, which corresponds to the wall thickness of the cell structure elements of the first type and which have a second wall thickness in the border area to the foam cells of the second type, which corresponds to the wall thickness of the cell structure elements of the second type and which is different from the first wall thickness.
  • these interface foam cells form the connection between the foam cells of the first and second type and make it possible for both the foam cells of the first and second type and the interface foam cells to differ only in the wall thickness of the cell structure elements, but not in their length, orientation and arrangement.
  • the digital data can therefore be created by multiplying a single foam cell model, and in order to allocate different compressive strengths in two or more areas, the foam cells in the respective areas are assigned different wall thicknesses.
  • the connection between the foam cells is uniform throughout the foam and therefore the definition of the interfaces between the areas of different compression stresses is efficient when creating the production data.
  • each of the foam cells of the first type is formed by at least two different cell structure elements which differ in wall thickness. These cell structure elements with different wall thicknesses are preferably aligned in different spatial directions.
  • an anisotropic mechanical behavior is provided by the foam cell of the first type, ie for example a first compression hardness in a first spatial direction and a different second compression hardness in a different second spatial direction.
  • the first and second and optionally further areas and the interface can be constructed from foam cells whose cell structure elements do not differ in terms of their orientation, arrangement and length, but only in the wall thickness of the cell structure elements. This in turn makes it possible to produce foams with anisotropic mechanical behavior in one area or in two or more areas of foam cells that differ from one another in terms of anisotropy in an additive process and to carry out efficient planning of the digital data.
  • the aforementioned different mechanical properties of the foam cells can be provided in two defined volume ranges.
  • the surface layer of a foam body is produced from foam cells which are different from the foam cells in the interior volume region of the foam body.
  • the surface layer can comprise a single layer of foam cells or several such layers.
  • a denser surface or a surface with a higher compressive strength or a higher density can be provided than in the inner volume area of the foam body.
  • the foam cells can have several or exclusively closed outer surfaces on the surface of the foam body. This provides a dense or selectively porous surface of the foam body, which can be designed, for example, in the manner of a patterned upholstery cover and ensures uniform breathability through the surface of the foam body.
  • the foam body comprises foam cells or consists of foam cells which have the geometry of an Archimedean body.
  • Archimedean solids are regular convex polyhedra with the following properties:
  • Such Archimedean bodies have proven to be particularly suitable because of their geometry, because they can be lined up in a favorable manner and connected to one another at their points of contact or can be made integral in order to build up a three-dimensional foam body that consists of a large number of such Archimedean bodies as foam cells consists of or includes.
  • the wall sections delimiting the Archimedean body in the conversion into a foam cell can also be formed by cell structure elements which simulate this wall surface.
  • the Archimedean body can also be formed as a foam cell, in that only the edges of the Archimedean body are reproduced as a cell structure element.
  • the cell structure element takes on a strut-like shape with nodes in the areas where two or more edges of the Archimedean body meet meet.
  • the foam cells can also be formed by modified Archimedean solids in which one of the three aforementioned conditions (i)-(iii) is not met.
  • the foam cells are selected from: polyhedrons, truncated polyhedrons, or Archimedean solids which have plane-parallel surfaces in all three spatial directions, for example a truncated octahedron or a cubotahedron.
  • a truncated polyhedron shape is to be understood as meaning a shape which, starting from the polyhedron, can have a truncated section to form a truncated section at any truncated height.
  • foam cell geometries have proven to be particularly favorable for the production of foams, because with these geometries of a single foam cell, the connection of adjacent foam cells to form a coherent foam body can be efficiently planned in the digital preparation of the production data and leads to a resilient foam structure with the desired foam properties.
  • the foam body comprises foam cells or consists of foam cells, which are delimited by planar geometric surfaces Surface edges abut and that the cellular structural elements of a foam cell extend as a beam or strut along some or all of the edges of the foam cell.
  • the method according to the invention can be implemented with a large number of foam cell geometries, including in particular Archimedean solids or modified Archimedean solids.
  • the mechanical properties of the foam are created by creating beam or strut structures that extend along the edges of the foam cells.
  • the result of this manufacturing process is an open-pored foam body whose properties can be influenced efficiently and in a planned and desired manner by the geometry of the foam cells and the wall thickness of the beam structures.
  • a foam cell comprises a top cell structure element surface, a bottom cell structure element surface and side cell structure element surfaces, and that the top cell structure element surface of a cell is integral with the bottom cell structure element surface of an overlying adjacent foam cell, the bottom cell structure element surface of a cell is integral with the top cell structure element surface of a underlying adjacent foam cell, and/or a lateral cell structural member face of one cell is integral with a lateral cell structural member face of a laterally adjacent foam cell.
  • the foam cells of the foam body are integrally connected to each other in such a manner as to share side faces, top faces or bottom faces by integrally forming the cell structure members constituting these cell structure member faces for adjacent foam cells.
  • a cell structure element thus represents a boundary for two or more foam cells adjoining one another in the area of the cell structure element, as a result of which an overall integral structure of the foam cells of the foam body is achieved.
  • the foam body is then presented as a coherent lattice structure, with the lattice structure elements being formed by the cell structure elements and each enclosing cavities which then represent a foam cell with these cell structure elements.
  • This integral formation of the cell structure elements can take place on all sides including the top and bottom of a foam cell, but it can also be implemented only on certain sides or only on the top or only on the bottom.
  • a further aspect of the invention is a foam body comprising a multiplicity of foam cells which are formed by a cell structure surrounded by elements Cavity in which the cell structure elements are produced using an additive manufacturing process.
  • the foam body according to the invention is characterized in that it comprises foam cells or is formed from foam cells which comprise a cavity surrounded by cell structure elements and the cell structure elements of the foam body are produced in an additive manufacturing process.
  • foam body is characterized on the one hand by the fact that the cell structure elements have a geometrically exact pattern due to the exact digital advance planning of their geometry, in contrast to conventional foams, there are usually several completely identical foam cells in the foam or the Foam is even constructed entirely or in sections from completely identical foam cells or includes them.
  • the foam according to the invention is further characterized in that the cell structure elements have a surface and inner material structure corresponding to the additive manufacturing process—in particular, the point-by-point or layer-by-layer production of the cell structure elements is depicted and verifiable in their material structure.
  • the foamed body according to the invention can be developed in that the cell structure elements have a size that fits into a spherical body with a diameter of less than 5 mm.
  • Such an inscribed cell structure element typically has essentially similar dimensions in all three spatial directions.
  • the foam body is made up of cell structure elements that do not exceed a certain size.
  • this size can be selected in such a way that a sphere circumscribing the foam cell has a diameter of not more than 5 mm.
  • this ball can also have a maximum size of 6, 7, 8, 9, 10 or 15 or 20 mm.
  • the sphere circumscribing the foam cells has a diameter of no more than 4, 3 or 2 mm.
  • foam cells with different geometries can also be formed in a foam body according to the invention.
  • these foam cells can also be circumscribed by a sphere that has a minimum diameter according to one of the values mentioned above and a maximum diameter according to one of the values mentioned above, for example foam cells that can be divided into a sphere with a minimum diameter of 2 mm and a maximum diameter of 8 mm are inscribed include.
  • foam bodies with external dimensions that are larger than 5 cm ⁇ 5 cm ⁇ 5 cm in an additive manufacturing process.
  • cell structure elements can also be used which have different dimensions in one spatial direction, in particular by an order of magnitude, from the dimensions in the other two spatial directions and which therefore fit into a spherical, elongated enveloping body, for example, or into an elongated cuboid shape. This can be used to create cell structure elements with direction-dependent foam structure properties.
  • the foam body comprises a first section comprising or consisting of foam cells of a first type and a second section comprising or consisting of foam cells of a second type different from the first.
  • first section comprising or consisting of foam cells of a first type
  • second section comprising or consisting of foam cells of a second type different from the first.
  • the cell structure elements consist of an elastomeric material.
  • An elastomeric material is understood here to be an elastomeric plastic which, in terms of material differentiation from plastics, is therefore not a duromer with essentially hardly any geometrically relevant deformation properties.
  • the elastomer can in particular also be a thermoplastic elastomer in order to enable material recycling of the foam after its service life.
  • one or more functional components are arranged in the foam body or on the outer surface of the foam body, which are preferably produced in the same additive manufacturing process as the foam body, and are in particular selected from: fastening sections for fastening the foam body to another component or for attaching other components such as sensors to the foam body, integrated channels, in particular for ventilation or for a cold or heat fluid, a closed or apertured outer surface layer of the foam body, in particular a seat layer, the mechanical properties of which depend on the properties of the interior of the foam body is different, damping elements that have an energy-absorbing behavior through internal friction or friction of two structural elements together, especially for shoes / shoe soles, integrated loudspeakers, including lines for their power supply, integrated light sources, including lines for their power supply.
  • the foam cells of the foam body produced in the additive manufacturing process not only are the foam cells of the foam body produced in the additive manufacturing process, but at the same time functional elements, sections or components are also integrated into the foam body or produced on its outer surface using appropriate production data created digitally in advance.
  • these functional elements can serve to conduct fluids, for example in order to achieve a desired temperature control effect for a user of a seat or a mattress, which represents the foam body, by means of cool or heated air.
  • functional elements such as damping elements, loudspeakers, lighting devices can be integrated into the foam body and produced in the additive manufacturing process. As a result, the properties of the foam body and its function are further developed and adapted to specific purposes.
  • Electrical supply lines which serve to supply such active functional elements in the foam body with energy, can also be produced during the additive manufacturing process.
  • Such functional elements can be, for example, a cable duct, an assembly cavity, an access slot that allows reversible expansion to access an assembly cavity, air ducts, air guiding elements, air distributors, air openings, locking elements, assembly elements such as clips, screw openings, skeleton structures with increased rigidity compared to the foam, air cushions with Be air supply lines for massage functions.
  • the foam body according to the invention can particularly preferably be characterized in that it has properties produced by the previously explained production of the foam body in an additive manufacturing process. Accordingly, the foam body can therefore comprise two or more different areas with different types of foam cells.
  • the cell structure elements of the foam cells of the various types can differ from one another in terms of wall thickness and can be consistent in terms of orientation, arrangement and length.
  • Interface foam cells can be provided, which have a wall thickness of the cell structure elements that matches a first type on one side and a second type on the other side.
  • the foam cells can have anisotropic properties in that cell structure elements that run in a first direction have a different wall thickness than cell structure elements that run in a different direction.
  • Gradual progressions of the compression hardness in the foam body can be provided by changing the wall thickness of the cell structure elements from layer to layer or every two, three or more layers, in particular increasing or decreasing them gradually.
  • the foam body can also have foam cells on its surface with specific properties that differ from the properties of the foam cells inside Volume of the foam body are.
  • the surface foam cells can have a greater wall thickness of the cell structure elements or have partially or completely closed foam cell surfaces in order to set a specific air permeability as a result.
  • Another aspect of the invention is a method for generating the manufacturing data set for the production of a foam body in an additive manufacturing process, with the steps: (i) defining the outer boundary surfaces of the foam body in a vector-based digital planning program and creating a first planning data set from the specified outer boundary surfaces , (ii) determining the geometry of a cell structure element in the vector-based digital planning program and creating a second planning data record from the geometry of the cell structure element, (iii) creating a manufacturing data record, which includes manufacturing data for an additive manufacturing process of the foam body, from the first and second planning data record by the volume defined by the first planning data set, which is enclosed by the outer boundary surfaces, is filled with a large number of cell structure elements lined up in a row, each of which has a geometry according to the second planning data set.
  • This process solves the special problem associated with the additive manufacturing of foams that digital, vector-based planning programs, i.e. typically CAD design software and the hardware on which such programs are run, are not designed and dimensioned to handle the large number of surfaces , to process edges and vertices that result from the large number of cell structure elements contained in a foam body. Therefore, the process for data creation deviates from the known procedure and does not create all geometric structures in the vector-based digital design phase, but only the surfaces bounding it to define the geometry of the foam body, on the one hand, and the geometry of a single cell structure element on the other.
  • the geometric data from the two planning data sets created in this way which can also be combined integrally in one planning data set, then form the basis for creating the production data set.
  • This manufacturing data record contains the geometric data required to additively manufacture all structures of the foam body in a spatially resolved manner. Depending on the additive manufacturing method, this manufacturing data can group the spatial resolution layer-by-layer or point-by-point, for example.
  • the conversion from the planning data records into the production data record takes place with the requirement that the volume of the foam body delimited by the area is completely built up or filled with cell structure elements whose geometry is in is defined in the second planning data record.
  • a data specification can also be made that describes how the cell structure elements are to be arranged in relation to one another - for example which common surfaces, edges or corner points have adjacent cell structure elements.
  • the production data record is created before and during the additive manufacturing process of the foam body.
  • the production data record can be generated completely before the beginning of the additive manufacturing process and then contains a definition of the areas to be cured of each layer of the layered manufacturing process by grid point definitions in the respective layer.
  • the production data set generated in this way is very large and therefore requires both a long creation time and a large amount of storage space.
  • only a part of the or a first production data set can be generated before the start of the additive manufacturing process, for example the (part of) the production data set required for the production of the first three layers.
  • a further part of or a second production data record can then be generated, for example the (part of) production data record required for layers 4-6.
  • the required parts of the production data set or production data sets that build on one another can be produced continuously with a sufficient lead time during the ongoing additive production.
  • computing time for the creation can be saved and, if parts of the production data record that have already been executed are deleted, storage space can also be saved.
  • a further aspect of the invention is a method for producing a foam body in an additive manufacturing process, with the steps: (i) creating a production data set of a foam body for an additive manufacturing process, in particular according to the method explained above, and (ii) producing the foam body in one additive manufacturing process based on the manufacturing data set.
  • the method is constructed with the following steps: producing the foam body from a large number of cell structure elements connected to one another, each cell structure element being constructed as a beam extending from a first node to a second node, and the construction of a cell structure element by action a focused beam of energy such as a laser along a single line onto a material from which the foam body is constructed, he follows.
  • the foam according to the invention is produced by the action of an energy beam, ie for example by melting a material previously applied, for example as a homogeneous powder layer, or by the action of radiation on a liquid, photopolymerizable material.
  • the beam is not steered in the conventional manner by traversing the outer contour of the cell structure element once or several times with the energy beam for the purpose of curing the contour and then scanning the inner area of the contour for the purpose of curing the inner area.
  • the invention makes use of the fact that the foam body is made up of long, thin cell structure elements and the surface quality of these cell structure elements does not have to be designed in a special way, since they are not important for the function and appearance of the foam body. In this way, the foam can be produced much more quickly while accepting acceptable losses in the surface quality of the cell structure elements.
  • the cell structure elements are therefore hardened along a single line by the action of the laser.
  • the bundled energy beam can act continuously along the line or act on the material point by point, for example by pulsing the energy beam if the single line lies in a single layer plane of the additive manufacturing process.
  • the cell structure element extends obliquely to the planes of the layers and is accordingly formed by hardening of material areas in more than one layer, the only line along which the laser beam acts also runs obliquely to the layer planes and the action of the laser runs along this single one Line is made line section by line layer by layer.
  • the energy beam is preferably guided along the central longitudinal axis of a cell structure element, in particular by the focal point of an optionally bundled energy beam being focused on the central longitudinal axis of the cell structure element and being moved along this central longitudinal axis.
  • a desired thickness of the cell structure element can then be generated by appropriate selection of the focal point size, energy and exposure time of the energy beam.
  • the energy or exposure time and the focus point size of the energy beam can be set so high that the cell structure element in the corresponding layer is completely cured over its entire cross section through a point effect of the energy beam, in order to quickly and efficiently build up a cell structure element with a desired thickness.
  • a further aspect of the invention is the use of a foam body of the type described above or a foam body produced using the production method described above as a seat cushion or backrest cushion of a seat, in particular a vehicle seat, orthopedic seat cushion.
  • the production method according to the invention and the foam body according to the invention are particularly well suited for this type of application, because in such applications different properties in locally different areas are advantageous in order to achieve pleasant usage behavior for the user of the seat.
  • a further aspect of the invention is a computer program product comprising data which, when executed on a control computer of an additive manufacturing device, controls the production of a foam body on the additive manufacturing device.
  • the computer program product according to the invention represents a data record that is suitable for controlling the manufacture of an additive manufacturing device.
  • this can be the production data that is already suitable for direct control of the production facility, and on the other hand, it can also be the planning data from a digital planning process of such planning software, which usually has to be combined in such a way in order to generate production data for an additive production facility.
  • the computer program product is characterized in that the data describe cell structure elements that correspond to the previously described cell structure elements of the foam according to the invention and, consequently, if they are executed on a computer that controls an additive manufacturing device, optionally after appropriate compilation, on the additive manufacturing device produce such foam.
  • FIG. 1 shows a schematic sequence of a production process for the foam body according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 4a, b shows a view of the cell structure elements of a foam cell according to FIGS. 4a, b with geometry parameters entered
  • FIGS. 4a, b shows a perspective view of the cell structure elements of the foam cell according to FIGS. 4a, b,
  • FIGS. 5a, b shows a force-displacement diagram with force-displacement curves entered therein for a conventional foam cube and a foam body with foam cells according to FIGS. 5a, b,
  • FIG. 9 shows a force-displacement diagram of foam bodies according to with three different strut thicknesses.
  • a foam body is produced according to the method according to the invention in several successive steps: in step A, the outer and inner geometry of the foam body is defined in a constructive planning process.
  • the desired outer dimensions of the foam body are determined, as is also necessary for each production of a product in a primary forming or machining manufacturing process. This can be done in a CAD process, for example.
  • the results of this planning are, on the one hand, outer boundary surfaces, corner points and boundary edges of the foam body to be produced.
  • areas within the foam body can be defined in this planning process, which should be designed with specific mechanical properties of the foam.
  • the planning process according to step A also includes the selection of a suitable foam cell type for the foam body or several different suitable foam cell types for the foam body, provided that it has different areas in which different properties of the foam are provided.
  • a foam cell geometry is selected, for example a truncated octahedron, whose dimensions are geometrically precisely defined with regard to the size of the foam cell and the geometric dimensions of the cell structure elements which form this foam cell. This can be done, for example, by selecting the corners of such a foam cell and the struts connecting these corners and the thickness of these struts.
  • wall profiles, wall thicknesses and the like can also be predetermined in this planning section.
  • the complete geometric description of the foam body then takes place in a subsequent step B from the planning data after step A using geometric data.
  • These geometric data describe all material volume contents of the foam body, ie all volume fractions on which additive material is to be placed and cured during the manufacturing process in order to build up the foam body.
  • This planning step can often be carried out in partially or fully automated calculation processes, since matching foam cell geometries are also planned for the entire foam body or at least for areas with matching mechanical parameters and therefore these areas can also be planned digitally automated in the planning process with correspondingly matching foam cells.
  • the result of this planning step B is a data set in which the outer and inner geometry of the foam body is fully defined.
  • This data record can either be used directly as a production data record for controlling an additive manufacturing device or is also transformed for this purpose, for example compiled, in order to generate the necessary control commands for the additive manufacturing device from it.
  • Manufacturing step B often also includes certain manufacturing strategies that are specific to the additive manufacturing process used. For example, auxiliary support elements, which support the distortion-free production of the foam body in the additive manufacturing process, can be planned, or an alignment, support of the foam body on a construction platform can be planned, which ensures high production precision and resolution as well as easy detachment. solution of the foam body from the construction platform. Furthermore, production parameters that define an exposure strategy can flow into the production data in this planning step.
  • the manufacturing data from step B are subsequently transmitted to an additive manufacturing facility.
  • an additive manufacturing facility This may be, for example, a 3D printing device, a stereolithography device, an SLS/SLM manufacturing facility, or other additive manufacturing/rapid prototyping device, as discussed above.
  • the foam body is then built up step by step in step C in this additive manufacturing device. This can be done by adding layers or points and curing of material portions in the planned volume portions of the foam body.
  • a subsequent post-processing step D the foam body produced is removed from the additive manufacturing device after it has been completed there. If necessary, this includes detachment from the construction platform, separation of auxiliary structures and post-exposure for complete curing and production of the desired mechanical properties. Further post-treatment steps can also be carried out in this post-treatment step D by blasting with abrasive blasting material, grinding off external unevenness or the like to produce very specific desired properties.
  • the result is a foam body that is finished in its external dimensions and has mechanical properties that are produced in a targeted manner in possibly different areas of the foam body, which can be used directly as a foam body for a product.
  • foam cells are made up of cell structure elements that are designed as struts, beams and walls.
  • the cavity which is designed with an oval cross section in variant c and with circular cross sections in variant e, and on the other hand with regard to the geometric dimensions, it being noted that in Variant e could also be used as a foam cell, a section of the cube shown there, which only has one of the twelve cavities shown.
  • the foam cells shown there can be designed with or without the upper and lower plate structure shown. This plate structure can be a cell structure element of the corresponding foam cell, but it can also be omitted, as a result of which the remaining cell structure elements of the foam cell can form the foam body as directly connected cell structure elements of adjacent foam cells.
  • the foam cell types shown in FIG. 2 have anisotropic mechanical properties, ie they behave mechanically differently from one another in different spatial directions. This can be used specifically to produce a foam body that also has such anisotropic, directional properties.
  • FIG. 3 shows types of foam cells which exhibit isotropic behavior and can accordingly be used to construct a foam body with isotropic material properties.
  • the foam cells shown are: a) tetrahedron, b) cube (hexahedron), c) octahedron, d) dodecahedron, e) icosahedron, f) truncated tetrahedron, g) truncated hexahedron, h) truncated octahedron i) truncated dodecahedron , j) truncated icosahedron k) cuboctahedron, I) rhombicuboctahedron, m) truncated cuboctahedron, n) truncated hexahedron, o) icosidodecahedron, p) rhombicicoisidodecahedron, q)
  • Figure 4a, b shows a truncated octahedron which, according to the inventors, is a foam cell constructed based on such a truncated octahedron due to the relatively simple geometry and a good opportunity to parameterize such a foam cell geometry in a CAD model , suitable.
  • Figure 4b shows the cell structure elements in the form of struts 1, 2, which run along the edges of this truncated octahedron, with nodes 3 shown as spheres.
  • FIGS. 5a, b Cell structure elements 10 of such a foam cell 50 are shown in FIGS. 5a, b and labeled with regard to the most important geometric parameters. In this case
  • H represents the maximum height, length and width of the foam cell, due to the isotropy of the foam cell shown here these three dimensions are the same.
  • D represents the diameter of the struts that run along the edges of the foam cell and which are the cellular structural elements of the foam cell.
  • B represents the distance between the corner points of the inner square of the truncated octahedron, this geometry parameter is determined by the clipping height at which the octahedron was clipped to the truncated.
  • the cell structure elements are halved at the contact areas 30a-e to adjacent foam cells in the direction of extension of the cell structure elements, that is to say they are designed with half the wall thickness. This results in a halved cross-section of the cell structure elements, which are thus formed here in a semi-circular cross-section.
  • FIGS. 5a, b can be used as an elementary cell, which can be duplicated as desired and lined up next to and on top of one another in order to build up a foam body with corresponding foam cells.
  • cross-sectional geometry of the cell structure elements differs, for example, with a square cross-sectional geometry of the cell structure elements, a rectangular cross-sectional geometry in the interfaces to adjacent foam cells with half the side length of the rectangle compared to the square edge length or a triangular cross-sectional geometry of the struts can be provided , in order to define a unit cell that is suitable for stringing together any number of foam cells.
  • a foam cell of the structure shown in Fig. 5a,b can be designed, for example, with a height, length and width in the range between 2 and 10 mm, preferably in the range between 3 and 7 mm, particularly preferably in the range of 5 mm+ // 0.5mm.
  • the thickness of the struts can be varied between 0.5 and 2 mm, preferably in the range from 0.7 to 1.2 mm, with a strut thickness of 1 mm +/- 0.1 mm being particularly preferred.
  • FIG. 6 shows, in a top view (a), a side view (b) and a perspective view (c), the deformation of such a foam cell when loaded in the vertical direction. It can be seen that the foam cell can be deformed elastically or, depending on the choice of material, viscoelastically with partial bending, elongation and compression of the struts. The material stresses occurring here are distributed essentially evenly over the material volume, as a result of which stress peaks, which would lead to the failure of the cell structure elements, are avoided.
  • FIG. 7 shows six foam bodies that are made up of foam cells that are geometrically identical, but differ from one another in the thickness of the struts. From right to left, the foam bodies have a strut thickness of 0.7 mm, 0.9 mm, 1 mm, 1.1 mm, 1.3 mm and 1.5 mm.
  • Fig. 8 shows the force (y-axis) - extension behavior (x-axis) of a foam body from the foam cell according to FIG. 5a with a foam cell having a length, width and height of 5 mm and a strut thickness of 0.7 mm is achieved (upper curve) and in comparison to this the force-strain behavior of a conventionally produced foam body (lower curve).
  • a foam body was produced which has a square outer geometry and consists of a total of 125 foam cells of this type with an edge length of 25 mm, as shown on the left in FIG.
  • a force-displacement behavior - th achieved that a conventional foam cube with a compressive strength of more than 2kPa, more than 3kPa and preferably more than 5kPa and a compression hardness of less than 20kPa, less than 15kPa and preferably less than 13kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
  • FIG. 9 shows the force-strain curve for foam bodies made from foam cells with three different strut thicknesses.
  • the six lowest curves for a foam body with a strut thickness of 0.8 mm were recorded and show on the one hand the good reproducibility of the mechanical properties in the inventive manufacturing process, on the other hand, the high degree of deformation that can be achieved with this small strut thickness with low force.
  • This foam body has a compressive strength of 3.3 kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
  • the six curves in the middle show the force-strain behavior of a foam body with a strut thickness of 0.9 mm with otherwise the same foam cell geometry as in the lower curve. It can be seen that by increasing the thickness of the struts by 0.1 mm, the deformation is roughly halved, or that twice as much force is required on the foam body for the same deformation.
  • This foam body has a compressive strength of 5.2 kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
  • the six upper force-strain curves were recorded on a foam body with the same foam cell geometry and a strut thickness of 1 mm. It can be seen that the hardness of the foam is twice as high as that of the middle curve, i.e. for the same degree of deformation, a force that is about twice as high as that of the middle curve has to be applied and that of the lower curve with a strut thickness of 0.8, a force that is about four times higher .
  • This foam body has a compressive strength of 9.2 kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
  • the foam bodies according to the invention can be produced from different materials.
  • polyurethanes or thermoplastic elastomers based on urethane are suitable for this purpose.
  • TPU materials are available, for example, for the additive manufacturing process in the powder bed process (SLS) under the trade name LUVOSINT X92A-1 in two different Shore A hardnesses (identifier A-2 for 92ShoreA; identifier WT for 97ShoreA.
  • SLS powder bed process
  • LUVOSINT X92A-1 two different Shore A hardnesses
  • the areas of application of the foam body according to the invention range from upholstery material for the furniture and automotive industry, in particular for upholstered furniture, car seats or mattress foam, to cleaning sponges, filter material, insulating material.
  • the foam body according to the invention can be made up solely of foam cells, as has been described above. Because of the free Plannability of the inner and outer geometry of such a foam body can, however, also be integrated through the foam body or in this foam body partly or completely inserted additional components by these as the foam cells penetrating or structures running past these foam cells are taken into account in the planning process. These additional components are then directly taken into account in the manufacturing data of the foam body and can consequently be manufactured simultaneously with the foam cells of the foam body in additive manufacturing processes in one manufacturing step.
  • tubular lines which can be used as cable ducts, air ducts or fluid ducts, come into consideration as such structures.
  • ventilated, cooled, heated seat cushions can be implemented or electrical lines can be routed through such seat cushions that have been produced as a foam body according to the invention.
  • complex components can also be manufactured integrally within or partially within the foam body according to the invention in one operation with the foam cells using the additive manufacturing process.
  • Various methods are known for producing mechanical elements from different materials in certain additive manufacturing processes, including electrical lines, circuits and electronic components produced in the process. In this way, components such as loudspeakers or lighting devices can consequently be integrated into the foam body according to the invention.

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Abstract

The invention relates to a process for producing a three-dimensional foam body, the foam body consisting of an open-pored or closed-pored foam structure and comprising cavities which communicate with one another and/or with the environment or cavities which are closed from one another and/or from the environment.

Description

Verfahren zur Herstellung von Schaumkörpern Process for the production of foam bodies
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaumkörpers. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Schaumkörper, eine Verwendung des Schaumkörpers und ein Datensatz für eine Fertigungseinrichtung zur Herstellung eines Schaumkörpers. Die Erfindung richtet sich insbesondere auf die Herstellung von Schaum- körpern und auf Schaumkörper mit einer offenporigen Schaumstruktur, die entsprechend eine Vielzahl von Hohlräumen aufweisen, die miteinander und/oder mit der Umgebung kommunizieren oder geschlossenporigen Schaumstruktur, bei der die Vielzahl von Hohlräumen voneinander und/oder von der Umgebung abgeschlossen sind. The invention relates to a method for producing a three-dimensional foam body. A further aspect of the invention is a foam body, a use of the foam body and a data set for a production facility for the production of a foam body. The invention is aimed in particular at the production of foam bodies and foam bodies with an open-pore foam structure, which accordingly have a large number of cavities which communicate with one another and/or with the environment, or a closed-pore foam structure in which the large number of cavities are separated from one another and/or or are closed off from the environment.
Zur Herstellung von Schaumkörpern, worunter gemäß dieser Beschreibung Schaumstoffe mit einer vordefinierten Geometrie für ein Endprodukt oder Schaumstoffe, die als Halbzeug für einen späteren Zuschnitt vorgesehen sind, verstanden werden sollen, sind unterschiedlichen Herstellungsverfahren vorbekannt. Bei diesen vorbekannten Herstellungsverfahren wird ein Ausgangsmaterial in einem formbaren Zustand, regelmäßig in flüssiger oder pastöser Zustand, in eine Form gebracht, wobei beispielsweise ein Extrusionsverfahren oder ein Spritzgussverfahren zur Formgebung genutzt wird. Das Ausgangsmaterial unterläuft hierbei vor, während oder nach der Formgebung einen Aufschäumprozess. Dieser Aufschäumprozess kann beispielsweise chemisch oder thermisch induziert werden und bewirkt eine Gasbildung im Ausgangsmaterial. Alternativ kann ein Gas bereits während des Formgebungsprozesses dem Ausgangsmaterial zugemischt werden und dadurch den Aufschäumprozess bewirken. Durch diese Gasbildung oder Gaszumischung werden im Ausgangsmaterial eine Vielzahl von Hohlräumen erzeugt und dieser Zustand durch verfestigen (Aushärten) des Ausgangsmaterials stabilisiert. Various production processes are already known for the production of foam bodies, which, according to this description, should be understood as meaning foam materials with a predefined geometry for an end product or foam materials which are intended as semi-finished products for later cutting. In these previously known manufacturing processes, a starting material in a formable state, usually in a liquid or pasty state, is placed in a mold, with an extrusion process or an injection molding process being used for shaping, for example. The starting material undergoes a foaming process before, during or after shaping. This foaming process can be induced chemically or thermally, for example, and causes gas formation in the starting material. Alternatively, a gas can already be used during the Shaping process are mixed with the starting material and thereby cause the foaming process. As a result of this gas formation or gas admixture, a large number of cavities are produced in the starting material and this state is stabilized by solidifying (hardening) the starting material.
Solcherart hergestellte Schaumkörper zeichnen sich durch elastische oder viskoelastische Eigenschaften aus. Die Hohlräume weisen im Wesentlichen ein übereinstimmendes Volumen auf, real hergestellte Schaumstoffe weisen aber aufgrund der ungesteuert durch den chemischen Reaktionsprozess oder das Einblasen von Gas Hohlräume auf, die sich hinsichtlich ihres Volumens und ihrer Form in geringer Weise voneinander unterscheiden. Typischerweise haben die Hohlräume eine sphärische, im Idealfall kugelförmige Geometrie, durch während der Formgebung auftretende Spannungen und Dehnungen können aber auch hiervon abweichende Hohlraumgeometrien erzeugt werden. Die Poren bzw. Hohlräume bekannter Schaumkörper werden durch Wandstrukturen begrenzt, die den Hohlraum insgesamt geschlossen umgeben oder die Öffnungen aufweisen, durch die benachbarte Hohlräume eines Schaumstoffs miteinander verbunden sind. Dies Wandstrukturen entstehen während des Formgebungsprozesses zufällig aus dem Ausgangsmaterial durch den Aufschäumprozess und die Aushärtung des Ausgangsmaterials. Foam bodies produced in this way are characterized by elastic or viscoelastic properties. The cavities essentially have the same volume, but actually produced foams have cavities that differ slightly from one another in terms of their volume and shape due to the uncontrolled nature of the chemical reaction process or the blowing in of gas. Typically, the cavities have a spherical, ideally ball-shaped, geometry, but the stresses and strains that occur during shaping can also produce cavity geometries that deviate from this. The pores or cavities of known foam bodies are delimited by wall structures which, as a whole, surround the cavity in a closed manner or which have openings through which adjacent cavities of a foam are connected to one another. These wall structures arise randomly from the starting material during the shaping process due to the foaming process and the hardening of the starting material.
Schaumkörper dieser vorbekannten Art können durch Auswahl des Ausgangsmaterials und der Parameter während des Formgebungsprozesses sowie Auswahl des gegebenenfalls zugegebenen Gases mit unterschiedlichen, jeweils gewünschten Materialeigenschaften hergestellt werden. Die Materialeigenschaften können hierbei für ein bestimmtes Ausgangsmaterial in bestimmten, begrenzten Bereichen eingestellt werden. Jedoch können hierbei bestimmte Zielkonflikte, beispielsweise hinsichtlich der Dichte des Schaumkörpers und dessen Festigkeit, der Elastizität und der Härte nur in bestimmten Grenzen eingestellt werden. Foam bodies of this previously known type can be produced with different material properties that are desired in each case by selecting the starting material and the parameters during the shaping process and selecting the gas that may be added. The material properties can be set for a specific starting material in specific, limited areas. However, certain conflicting goals, for example with regard to the density of the foam body and its strength, elasticity and hardness, can only be set within certain limits.
Schaumkörper mit diesbezüglich besonderen Eigenschaften können zudem oftmals nur aus reaktionsvernetzenden Polymerausgangsmaterialien erzeugt werden. Solche reaktionsvernetzenden Polymerschaumstoffe sind nur in unzureichender Weise recyclingfähig, da sie nicht einem werkstofflichem Recycling mit erneuter Formgebung mit dem Ziel der Herstellung eines Voll- oder Schaumkörpers mit den ursprünglichen Eigenschaften des reaktionsvernetzten Polymers zugeführt werden können. Daher kommen nur sekundäre Verwendungen mit verminderter Qualitätsanforderung an das recycelte Material oder eine rein thermische Verwertung als Recycling in Betracht, was für Produkte mit hohem Anspruch an Umweltverträglichkeit nicht ausreichend ist. Es besteht daher ein Bedarf für Schaumstoffe, die hohe Qualitätsanforderungen mit guter Recyclingfähigkeit verbinden. In addition, foam bodies with special properties in this regard can often only be produced from reaction-crosslinking polymer starting materials. Such reaction-crosslinking polymer foams are only insufficiently recyclable, since they cannot be recycled with new shaping with the aim of producing a solid or foam body with the original properties of the reaction-crosslinked polymer. Therefore, only secondary uses with reduced quality requirements for the recycled material or purely thermal utilization can be considered as recycling, which is not sufficient for products with high demands on environmental compatibility. There is therefore a need for foams that combine high quality requirements with good recyclability.
Schaumkörper werden darüber hinaus oftmals mit lokal unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften benötigt. Beispielsweise ist es für Matratzen oder Sitzpolster vorteilhaft, in einigen bestimmten Bereichen einen höheren Härtegrad vorzusehen als in anderen Bereichen, um den Liege- bzw. Sitzkomfort für den Benutzer zu verbessern. Zu diesem Zweck ist es bekannt, Schaumstoffe aus unterschiedlichen Formgebungsverfahren zu einem Schaumkörper in einem nachträglichen Fertigungsschritt zusammenzufügen, um diese unterschiedlichen Eigenschaften durch die unterschiedlichen Schaumstoffe in dem Schaumkörper lokal differenziert zu vereinen. Es ist weiterhin bekannt, während des Formgebungsprozesses, die Aufschäumparameter zu verändern, um lokal unterschiedliche Schaumeigenschaften zu erzielen. Zwar können mit diesen Herstellungsmethoden Schaumkörper mit lokal unterschiedlichen Eigenschaften erzielt werden, jedoch ist das Herstellungsverfahren einerseits aufwendig, andererseits dennoch hinsichtlich der lokalen Ausdifferenzierung und der Gestaltungsmöglichkeiten der Eigenschaften über große mechanische Unterschiede und hinsichtlich der räumlichen Auflösung der Differenzierung begrenzt. Es besteht ein Bedarf, diese Möglichkeiten zu verbessern. In addition, foam bodies are often required with locally different mechanical properties. For example, it is advantageous for mattresses or seat cushions to provide a higher degree of hardness in some specific areas than in other areas in order to improve the lying or sitting comfort for the user. For this purpose, it is known to combine foams from different shaping processes into a foam body in a subsequent production step, in order to combine these different properties locally differentiated by the different foams in the foam body. It is also known to change the foaming parameters during the shaping process in order to achieve locally different foam properties. Although foam bodies with locally different properties can be achieved with these production methods, the production process is complex on the one hand and limited in terms of local differentiation and the design options for the properties due to large mechanical differences and in terms of the spatial resolution of the differentiation. There is a need to improve these possibilities.
Aus JP2020-172076A ist ein Sitzkissen und eine Sitzlehne mit integrierten Lüftungskanälen vorbekannt, die in einem 3D- Druckverfahren hergestellt werden. Das Sitzkissen und die Sitzlehne weisen eine innere Skelettstruktur auf, in welcher die Lüftungskanäle integral ausgestaltet sind. Diese Skelettstruktur wird auf eine Rahmenstruktur aufgesetzt und in einen Polsterstoff gehüllt. Nachteilig an dieser Bauart und Herstellungsweise ist jedoch, dass eine umfangreiche Definition der Skelettstruktur überdas gesamte Volumen des Sitzkissens bzw. der Sitzlehne in den Produktionsdaten erforderlich ist und daher mit den aktuell verfügbaren Rechenleistungen der Arbeitsplanungsrechner und der Produktionsrechner, die in einem 3D- Druckverfahren eingesetzt werden müssen, nur eine grobe Skelettstruktur realisiert werden kann und dadurch die Komforteigenschaften eines konventionellen Schaumstoffs nicht erreicht werden. From JP2020-172076A a seat cushion and a seat back with integrated ventilation ducts are already known, which are produced in a 3D printing process. The seat cushion and the seat back have an internal skeleton structure in which the ventilation ducts are integrally formed. This skeleton structure is placed on a frame structure and wrapped in an upholstery fabric. The disadvantage of this design and production method, however, is that a comprehensive definition of the skeleton structure over the entire volume of the seat cushion or seat backrest is required in the production data and therefore with the currently available computing power of the work planning computer and the production computer used in a 3D printing process only a rough skeleton structure can be realized and the comfort properties of a conventional foam cannot be achieved as a result.
Erfindungsgemäß werden die vorstehenden Probleme mit einem Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaumkörpers, wobei der Schaumkörper aus einer offenporigen oder geschlossenporigen Schaumstruktur besteht und entsprechend miteinander und/oder mit der Umgebung kommunizierende Hohlräume oder voneinander und/oder von der Umgebung abgeschlossene Hohlräume aufweist, das die Schritte umfasst: Herstellung einer Vielzahl von Schaumzellen, indem Zellstrukturelemente, die einen Zellhohlraum zumindest teilweise umschließen, mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgebaut werden, und Herstellen einer Verbindung zwischen den Zellstrukturelementen der Schaumzellen mittels des additiven Herstellungsverfahrens. According to the invention, the above problems are solved with a method for producing a three-dimensional foam body, the foam body consisting of an open-pore or closed-pore foam structure and corresponding cavities communicating with one another and/or with the environment or cavities closed off from one another and/or from the environment, which comprises the steps comprises: production of a multiplicity of foam cells by inserting cell structural elements which have a cell cavity at least partially enclosing, built up by means of an additive manufacturing process, and establishing a connection between the cell structure elements of the foam cells by means of the additive manufacturing process.
Erfindungsgemäß wird davon abgegangen, den Schaumstoff durch eine Mischung von Gas und einem flüssigen Kunststoffmaterial mit anschließender Aushärtung/ Vernetzung des Kunststoffmaterials unter Einschluss der Gasanteile in einem Prozess zu erzeugen, bei dem das Gas dem flüssigen Kunststoffmaterial durch Vermischung zugeführt wird oder das Gas in dem Kunststoffmaterial durch eine chemische oder physikalische Reaktion entsteht und hierdurch die Aufschäumung erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird also auf einen Mischvorgang von Gas und Kunststoff oder einen Ausgasungsprozess von Gas aus dem Kunststoff zur Herstellung der Schaumstruktur verzichtet. According to the invention, the foam is not produced by mixing gas and a liquid plastic material with subsequent curing/crosslinking of the plastic material including the gas components in a process in which the gas is added to the liquid plastic material by mixing or the gas is added to the plastic material caused by a chemical or physical reaction and the foaming is generated as a result. According to the invention, a mixing process of gas and plastic or a gas outgassing process from the plastic for the production of the foam structure is therefore dispensed with.
Stattdessen geht die Erfindung einen vollständig anderen Weg. Eingesetzt wird zur Herstellung des Festkörperanteils des Schaums ein additives Herstellungsverfahren. Unter einem solchen additiven Herstellungsverfahren sollen hierbei sämtliche auch unter dem Begriff additive Herstellungsverfahren (oder auch unter dem alten Begriff „Rapid Prototyping“) bekannt gewordenen Herstellungsverfahren verstanden werden, die sich dadurch auszeichnen, dass die innere und äußere Geometrie des herzustellenden Produkts vor dem Herstellungsprozess durch elektronische Daten vorbestimmt wird, beispielsweise mittels einer STL-Datenschnittstelle oder in Dateiformaten wie VRML, OBJ, AMF, 3MF, CLI oder SLC oder in anderen, proprietären Datenformaten. In solchen Dateiformaten wird eine Geometrieinformation und darüber hinaus oftmals weitere Informationen zu Material, Farbe oder dergleichen abgespeichert und kann zur Steuerung einer additiven Fertigungseinrichtung verwendet werden - beispielsweise in Form der digitalen Definition von Querschnitten durch das herzustellende Produkt, welche die jeweilige Geometrie des Produkts in dem Querschnitt durch elektronische Daten definieren. Anhand dieser Daten wird dann ein formbares, chemisch oder physikalisch aushärtbares Material punktuell oder selektiv in Schichten (Querschnittsflächen) ausgehärtet und das Produkt dadurch sukzessive durch Aufbau aus mehreren punktuell ausgehärteten Bereichen oder in mehreren Schichten aufgebaut. Die selektiv ausgehärteten Schichten oder punktuellen Bereiche des Produkts werden hierbei miteinander verbunden. Instead, the invention takes a completely different approach. An additive manufacturing process is used to produce the solid part of the foam. Such an additive manufacturing process should be understood to mean all manufacturing processes that have also become known under the term additive manufacturing process (or also under the old term “rapid prototyping”), which are characterized by the fact that the inner and outer geometry of the product to be manufactured is defined before the manufacturing process electronic data is predetermined, for example by means of an STL data interface or in file formats such as VRML, OBJ, AMF, 3MF, CLI or SLC or in other proprietary data formats. Geometry information and often additional information on material, color or the like is stored in such file formats and can be used to control an additive manufacturing device - for example in the form of the digital definition of cross sections through the product to be manufactured, which shows the respective geometry of the product in the Define a cross-section of electronic data. Based on this data, a mouldable, chemically or physically hardenable material is then hardened at points or selectively in layers (cross-sectional areas) and the product is built up successively by building up several selectively hardened areas or in several layers. The selectively cured layers or specific areas of the product are connected to one another.
Die elektronischen Daten werden Im Rahmen eines Konstruktions- oder Planungsvorgangs beispielsweise mithilfe einer CAD-Software erstellt und definieren die Geometrie und gfs. das Material eines herzustellenden Bauteils, Diese elektronischen Daten liegen typischerweise als vektorgrafikbasierte Daten vor, und sie werden hierbei typischerweise in einem der additiven Herstellung vorgelagerten Datenverarbeitungsschritt in einen Fertigungsdatensatz, mit dem die additive Produktionsanlage gesteuert wird, umgerechnet. In diesem Fertigungsdatensatz sind die einzelnen auszuhärtenden Bereiche einer Schicht für jede Schicht des schichtweise aufzubauenden Bauteils in einem typischerweise rastergrafikbasierten Datensatz definiert und die Steuerung des additiven Herstellungsprozesses kann dann anhand dieses Fertigungsdatensatz erfolgen. Dabei kann der Fertigungsdatensatz weitere Parameter ortsaufgelöst definieren, beispielsweise eine Leistung eines Energiestrahls wie eine Laserleistung, eine Verfahrgeschwindigkeit und dergleichen. The electronic data is created as part of a design or planning process, for example using CAD software, and defines the geometry and gfs. the material of a component to be manufactured. This electronic data is typically available as vector graphics-based data, and they are typically used here converted into a production data set in a data processing step preceding additive manufacturing, with which the additive production system is controlled. In this production data set, the individual areas of a layer to be hardened are defined for each layer of the component to be built up in layers in a data set that is typically based on raster graphics, and the additive manufacturing process can then be controlled using this production data set. The production data set can define further parameters in a spatially resolved manner, for example the power of an energy beam such as a laser power, a traversing speed and the like.
Grundsätzlich sind beispielsweise additive Herstellungsverfahren bekannt geworden, bei denen aus einem Pulverbett, in dem dünne Pulverschichten nacheinander aufeinander aufgetragen werden, und nach jedem Schichtauftrag die Schicht durch einen selektiv einwirkenden Hochenergiestrahl oder durch selektiv aufgebrachte Härterkomponenten oder Härterinhibitoren entsprechend dem Querschnitt des jeweiligen Produkts in dieser Schicht ausgehärtet werden. In anderen, als Stereolithographie bekannt gewordenen additiven Herstellungsverfahren werden photopolymerisierbare Kunststoffe eingesetzt, die als Flüssigkunststoff verfügbar sind und durch Absenken einer Bauplattform in ein solches Flüssigkeitsbad kann eine dünne Flüssigkeitsschicht gezielt von oben mit einer selektiv maskierten Bestrahlung oder mittels Abrastern mittels eines hochenergetischen Strahls selektiv ausgehärtet werden, wobei ein inverses Prinzip mit einem Anheben der Bauplattform in einem Flüssigkeitsbad und einer Bestrahlung durch ein Fenster am Boden des Behälters, in dem sich die Flüssigkeit befindet, ebenfalls bekannt ist. Ein weiteres verbreitetes additives Herstellungsverfahren ist der sogenannte dreidimensionale Druck, bei dem aus einem Druckkopf ein aushärtbares Material selektiv auf eine Bauplattform abgegeben wird und durch diesen selektiven Auftrag auf der Bauplattform ein dreidimensionales Produkt durch entsprechende Steuerung der Position des Druckkopfs anhand der Daten des Produkts aufgebaut wird. Das hierbei verwendete, aushärtbare Material kann als Einkomponentenwerkstoff oder Mehrkomponentenwerkstoff mit miteinander reagierenden Komponenten eingesetzt werden. Darüber hinaus besteht bei diesem Verfahren in einfacher Weise die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien oder unterschiedlich gefärbte Materialien aus dem Druckkopf abzugeben und hierdurch ein Produkt aufzubauen, das in verschiedenen Bereichen aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist oder unterschiedlich gefärbt ist. In principle, additive manufacturing processes have become known, for example, in which a powder bed, in which thin layers of powder are applied one after the other, and after each layer is applied, the layer is replaced by a selectively acting high-energy beam or by selectively applied hardener components or hardener inhibitors according to the cross-section of the respective product in this layer be cured. In other additive manufacturing processes known as stereolithography, photopolymerizable plastics are used, which are available as liquid plastic and by lowering a construction platform into such a liquid bath, a thin liquid layer can be selectively cured from above with selectively masked irradiation or by scanning using a high-energy beam , wherein an inverse principle with raising the construction platform in a liquid bath and irradiation through a window at the bottom of the container in which the liquid is located is also known. Another common additive manufacturing process is what is known as three-dimensional printing, in which a hardenable material is selectively dispensed from a print head onto a construction platform and this selective application on the construction platform builds a three-dimensional product by controlling the position of the print head based on the product data . The hardenable material used here can be used as a single-component material or as a multi-component material with components that react with one another. In addition, with this method there is the possibility in a simple manner of dispensing different materials or differently colored materials from the print head and thereby constructing a product which is composed of different materials in different areas or is differently colored.
Erfindungsgemäß wird mit dem additiven Herstellungsverfahren der Schaumstoff hergestellt, und zwar indem die Festmaterialanteile des Schaums, also diejenigen Volumenanteile, die nicht gasgefüllt sind, durch das additive Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die bei dieser Herstellung nicht durch das additive Herstellungsverfahren mit ausgehärtetem Material gefüllten Volumenanteile des Schaumkörpers stellen nachfolgend die gasgefüllten Volumenanteile des Schaumkörpers dar- entweder, indem bereits im additiven Herstellungsprozess hier kein Material platziert wird, oder, indem während des additiven Herstellungsverfahrens in diesen Volumenanteilen vorhandenes Material nicht ausgehärtet wird und daher nachfolgend aus dem additiv hergestellten Bauteil entfernt werden kann, beispielsweise durch Auskippen, Absaugen oder dergleichen. According to the invention, the foam is produced using the additive manufacturing process, specifically in that the solid material components of the foam, ie those volume components that are not filled with gas, are produced using the additive manufacturing process. The volume fractions of the foam body that are not filled with hardened material by the additive manufacturing process in this production are subsequently the gas-filled volume fractions of the foam body - either because no material is already placed here in the additive manufacturing process, or because material is present in these volume fractions during the additive manufacturing process is not cured and can therefore subsequently be removed from the additively manufactured component, for example by tipping out, vacuuming or the like.
Mittels additiver Herstellungsverfahren können nach derzeitigem Stand Strukturen mit einer minimalen Wandstärke von ca. 0,5 bis 1 mm hergestellt werden, die erreichbare Minimalgrenze hängt von dem Prinzip des additiven Herstellungsverfahrens ab. Durch zunehmende Verbesserung der Prozesse, der zur Verfügung stehenden Strahloptiken und Ausgangsmaterialien ist damit zu rechnen, dass die Auflösung bei der Herstellung sich zukünftig weiter reduziert und auch Strukturen mit noch kleineren Abmessungen additiv hergestellt werden können. Bereits mit den heute verfügbaren Auflösungsmöglichkeiten ist die Herstellung einer für praktische Zwecke geeigneten Schaumstruktur jedoch problemlos möglich. According to the current state of the art, structures with a minimum wall thickness of approx. 0.5 to 1 mm can be produced using additive manufacturing processes. The minimum limit that can be achieved depends on the principle of the additive manufacturing process. Due to the increasing improvement of the processes, the available beam optics and the starting materials, it can be expected that the resolution during production will be further reduced in the future and that structures with even smaller dimensions can also be produced additively. However, even with the dissolving options available today, it is possible to produce a foam structure suitable for practical purposes without any problems.
Im einfachsten Fall können hierbei die inneren Geometrien eines konventionell hergestellten Schaumstoffs nachgebildet werden, indem die Feststoffvolumenanteile eines solchen Schaumstoffs durch Geometriedaten beschrieben werden und anhand dieser Geometriedaten der additive Herstellungsvorgang gesteuert wird, um die Schaumstruktur auf diese Weise additiv herzustellen und den Schaumstoff direkt oder durch einen nachfolgenden Entfernungsprozess von nicht ausgehärtetem Material hierdurch zu erzeugen. Dabei ist zu verstehen, dass für viele Anwendungszwecke eine Vereinheitlichung und/oder Skalierung der originalen Geometrie einer Schaumzelle des Schaumstoffs in eine einheitliche Schaumzelle bzw. eine vergrößerte Dimension der Schaumzelle, beispielsweise, indem hierdurch das Porenvolumen verdoppelt oder verzehnfacht wird, für die relevanten mechanischen Eigenschaften des Schaumstoffs ohne Bedeutung oder sogar vorteilhaft sind und die Fertigung des Schaumstoffs im additiven Herstellungsverfahren sich dadurch auf eine Vielzahl von additiven Herstellungsverfahren und breite Anwendungsfelder des Schaumstoffs erstrecken kann. In the simplest case, the inner geometries of a conventionally produced foam can be simulated by describing the solid volume fractions of such a foam using geometric data and using this geometric data to control the additive manufacturing process in order to produce the foam structure additively in this way and to add the foam directly or through a thereby generating subsequent removal process of uncured material. It should be understood that for many applications, standardization and/or scaling of the original geometry of a foam cell of the foam into a uniform foam cell or an enlarged dimension of the foam cell, for example by doubling or tenfold the pore volume, for the relevant mechanical properties of the foam are of no importance or even advantageous and the production of the foam in the additive manufacturing process can thus extend to a large number of additive manufacturing processes and broad fields of application of the foam.
Der erfindungsgemäße Schaumkörper umfasst hierbei eine Vielzahl von Schaumzellen, wobei unter einer Schaumzelle ein Hohlraum und eine den Hohlraum umgebende Festkörperstrukturverstanden werden soll. Die Festkörperstruktur besteht aus Zellstrukturelementen, dies können Wandabschnitte, balkenartige Strukturen, hebelähnliche Strukturen und dergleichen sein, die gradlinig oder gebogen verlaufen. Die Zellstrukturelemente können den Hohlraum dicht umschließen oder können den Hohlraum offen mit benachbarten Hohlräumen kommunizieren lassen, also nicht abdichtend umschließen. Grundsätzlich kann ein Zellstrukturelement auch zwei oder mehr benachbarte Hohlräume voneinander trennen, also integral als Zellstrukturelement für diese benachbarten Hohlräume ausgebildet sein. The foam body according to the invention comprises a multiplicity of foam cells, a foam cell being understood to mean a cavity and a solid structure surrounding the cavity. The solid structure consists of cell structure elements, which can be wall sections, beam-like structures, lever-like structures and be the like that are straight or curved. The cell structure elements can enclose the cavity tightly or can allow the cavity to communicate openly with neighboring cavities, ie not enclose it in a sealing manner. In principle, a cell structure element can also separate two or more adjacent cavities from one another, that is to say it can be formed integrally as a cell structure element for these adjacent cavities.
Der erfindungsgemäße Schaumkörper bzw. der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaumkörper erreicht bevorzugt eine Stauchhärte , die größer als 2kPa, größer als 3kPa und bevorzugt größer als 5kPa und kleiner als 20kPa, kleiner als 15kPa und bevorzugt kleiner als 13kPa nach DIN EN ISO 3386-1 ist. The foam body according to the invention or the foam body produced using the method according to the invention preferably achieves a compression hardness greater than 2 kPa, greater than 3 kPa and preferably greater than 5 kPa and less than 20 kPa, less than 15 kPa and preferably less than 13 kPa according to DIN EN ISO 3386-1 is.
Neben der - ggfs. vereinheitlichten - Imitation der inneren Struktur konventioneller Schaumstoffe ist es jedoch besonders vorteilhaft, dass mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren auch Schaumstoffe hergestellt werden können, deren innere Geometriestruktur planmäßig und gezielt aufgebaut werden kann, indem die Zellstrukturelemente anhand der Fertigungsdaten in vorbestimmter Weise additiv hergestellt werden und hierdurch eine für die Eigenschaften des Schaumstoffs vorteilhafte Geometrie - insbesondere hinsichtlich ihrer Ausrichtung, ihres Verlaufs und ihrer Wandstärke - erhalten und hierdurch die Nachteile der erratisch hergestellten inneren Struktur konventioneller Schaumstoffe vermieden werden. Auf diese Weise können beispielsweise Schaumkörper mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, die richtungsabhängige mechanische Eigenschaften aufweisen, sich also beispielsweise in einer ersten Raumrichtung hinsichtlich Elastizität und/oder Festigkeit anders verhalten als in einerzweiten, hiervon abweichenden Raumrichtung. Insbesondere können auch Schaumkörper hergestellt werden, deren mechanische Eigenschaften sich in allen drei jeweils senkrecht zueinander stehenden Raumrichtungen unterscheiden. In addition to the - possibly standardized - imitation of the inner structure of conventional foams, it is particularly advantageous that the production method according to the invention can also be used to produce foams whose inner geometric structure can be built up in a planned and targeted manner by additively adding the cell structure elements in a predetermined manner using the production data are produced and as a result a geometry that is advantageous for the properties of the foam--in particular with regard to its orientation, its course and its wall thickness--is obtained and the disadvantages of the erratically produced internal structure of conventional foams are thereby avoided. In this way, for example, foam bodies can be produced with the method according to the invention, which have direction-dependent mechanical properties, i.e. behave differently in a first spatial direction with regard to elasticity and/or strength than in a second, deviating spatial direction. In particular, foam bodies can also be produced whose mechanical properties differ in all three mutually perpendicular spatial directions.
Durch den Aufbau des Schaumkörpers aus Schaumzellen wird es bevorzugt ermöglicht, das erfindungsgemäße Verfahren mit folgenden Schritten zur Erstellung eines Fertigungsdatensatzes auszuführen: The construction of the foam body from foam cells makes it possible to carry out the method according to the invention with the following steps for creating a production data set:
Definition von zumindest einem, vorzugsweise mehreren Volumenbereichen des Schaumkörpers anhand von Begrenzungsflächen des jeweiligen Volumenbereichs in einem Konstruktionsdatensatz, Definition of at least one, preferably several volume areas of the foam body based on boundary surfaces of the respective volume area in a design data set,
Definition eines im jeweiligen Volumenbereich auszubildenden Schaumzelltyps in dem Konstruktionsdatensatz Erstellung des Fertigungsdatensatz für den Schaumkörper anhand dieser Definition der Begrenzungsflächen und des jeweiligen Schaumzelltyps. Definition of a foam cell type to be formed in the respective volume area in the design data set Creation of the production data record for the foam body based on this definition of the boundary surfaces and the respective foam cell type.
Der Fertigungsdatensatz kann dabei als Vektorgrafikdaten ausgeführt sein, also Daten, die anhand von Definitionen geometrisch übergeordneter Strukturen wie Eckpunkten, Achsen, Radien eine Geometrie eines Körpers beschreiben. Solche Vektorgrafikdaten werden beispielsweise in der CAD-Konstruktion eingesetzt. Der Fertigungsdatensatz kann auch STL- Daten umfassen, dabei handelt es sich um eine Datenstruktur, die anhand von Eckpunkten von Dreiecksflächen eine Geometrie eines Körpers beschreibt. The production data record can be in the form of vector graphics data, ie data that describes a geometry of a body based on definitions of geometrically superordinate structures such as corner points, axes, radii. Such vector graphics data are used, for example, in CAD construction. The manufacturing data record can also include STL data, which is a data structure that describes a geometry of a body using corner points of triangular surfaces.
Bei dem Fertigungsdatensatz handelt es sich typischerweise um Daten, die für jede Schicht des schichtweise aufzubauenden Körpers die auszuhärtenden Bereiche punktweise derart definiert, dass ein beispielsweise zur Aushärtung eingesetzter Laser oder Druckkopf in der jeweiligen Schicht jeden der in den Produktionsdaten der Schicht definierten Punkte anfährt. Die Reihenfolge, in der diese Punkte in der jeweiligen Schicht angefahren werden, folgt einer Scanstrategie, die in der Regel darauf optimiert ist, eine rasche Aushärtung in der jeweiligen Schicht zu erzielen und hierbei ein insgesamt verzugsfreies Produkt mit qualitativ guten Oberflächen herzustellen. Häufig werden daher die Fertigungsparameter des Fertigungsvorgangs (z.B. die Bestrahlungsintensität, die Fokussierung oder die Belichtungsdauer eines Lasers) individuell anhand des Fertigungsdatensatzes gesteuert und sind dementsprechend darin auch definiert, sodass eine finale Oberfläche des Produkts mit anderen Fertigungsparametern hergestellt werden als Oberflächen, auf die in der nachfolgend hergestellten Schicht des Bauteils wieder Material aufgetragen und ausgehärtet wird, oder so dass die untere Oberfläche eines Überhangs am Produkt mit anderen Fertigungsparametern produziert wird als eine obere Oberfläche des Produkts. The production data record is typically data that defines the areas to be cured point by point for each layer of the body to be built up in layers in such a way that a laser or print head used for curing, for example, moves to each of the points defined in the production data for the layer in the respective layer. The order in which these points in the respective layer are approached follows a scanning strategy that is usually optimized to achieve rapid curing in the respective layer and to produce an overall distortion-free product with good-quality surfaces. The manufacturing parameters of the manufacturing process (e.g. the irradiation intensity, the focusing or the exposure time of a laser) are therefore often controlled individually using the manufacturing data set and are accordingly also defined therein, so that a final surface of the product is manufactured with different manufacturing parameters than surfaces on which the subsequently produced layer of the component again material is applied and cured, or so that the lower surface of an overhang on the product is produced with different manufacturing parameters than an upper surface of the product.
Der Fertigungsdatensatz für den gesamten Schaumkörper kann in einer dem Beginn der additiven Fertigung zeitlich vorgelagerten Datenverarbeitung aus dem Konstruktionsdatensatz berechnet werden. Es ist alternativ auch möglich, den Fertigungsdatensatz nur für einen Teilbereich des Schaumkörpers vor dem Beginn der additiven Ferigung vorauszuberechnen und während der laufenden additiven Fertigung dann für einen oder weitere Teilbereiche des Schaumstoffs aus dem Konstruktionsdatensatz den Fertigungsdatensatz für diese(n) weiteren Teilbereich(e) zu berechnen und entsprechend zu ergänzen oder als Teil-Fertigungsdatensatz zu verarbeiten. Ein Teilbereich kann dabei vorzugsweise einer oder mehrerer Schichten des additiven Herstellungsverfahrens entsprechen, sofern das additive Herstellungsverfahren den Schaumstoff schichtweise aufbaut. Die Berechnung des Fertigungsdatensatz kann auf diese Weise dem aktuell ausgeführten additiven Produktionsschritt zeitlich soweit vorauslaufen, dass nur ein Fertigungsdatensatz der jeweils additiv herzustellenden Schicht oder einer Anzahl von zwei, drei oder mehr jeweils additiv herzustellenden Schichten im Voraus aus den Konstruktionsdaten berechnet wird und hierdurch die Menge der in einem Rechenschritt zu verarbeitenden Daten und die benötigte Datengröße und Speichergröße erheblich reduziert wird. The production data record for the entire foam body can be calculated from the design data record in a data processing operation that precedes the start of additive manufacturing. Alternatively, it is also possible to precalculate the production data set for only a partial area of the foam body before the beginning of the additive manufacturing and then to calculate the production data set for this (these) further partial area(s) from the design data set for one or more partial areas of the foam from the design data set during the ongoing additive manufacturing to be calculated and supplemented accordingly or to be processed as a partial production data record. A partial area can preferably correspond to one or more layers of the additive manufacturing process, provided that the additive manufacturing process builds up the foam layer by layer. The calculation In this way, the production data record can run so far ahead of the currently executed additive production step that only one production data record of the respective layer to be produced additively or a number of two, three or more layers to be produced additively in each case is calculated in advance from the design data and thereby the quantity of the in data to be processed in one computing step and the required data size and memory size is significantly reduced.
Dies spart erheblich Rechenleistung ein, da im Produktionsschritt das durch die Begrenzungsflächen definierte innere Volumen nun mit Schaumzellen des definierten Typs ausgefüllt werden kann. So kann der Schritt von einer vektorgrafikbasierten Geometriedefinition in dem Konstruktionsdatensatz zu einer rastergrafikbasierten Darstellung in dem Fertigungsdatensatz zum einen in einer einfachen Umrechnungsweise erfolgen, da nicht jede einzelne Struktur in den Konstruktionsdaten separat definiert werden muss, sondern diese anhand einer vektorgrafikbasierten Angabe einer oder mehrerer einheitlicher Geometriestrukturen und einer Angabe zur Wiederholung dieser einheitlichen Geometriestruktur innerhalb eines wiederum anhand einer vektorgrafikbasierten Angabe eines Bauteilvolumens des gesamten Schaumkörpers oder von Abschnitten des Schaumkörpers (im Falle von Bereichen mit unterschiedlichen Stauchhärten innerhalb des Schaumkörpers) definiert werden können. Zudem kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Umrechnung des Konstruktionsdatensatzes in einen Fertigungsdatensatz abschnittsweise erfolgen, beispielsweise in einem die additive Fertigung steuernden Fertigungsprozessrechner, sodass eine Vorabbberechnung und gfs. auch Übertragung großer Datenmengen, wie bei herkömmlichen Verfahren, vermieden wird. This saves considerable computing power, since the inner volume defined by the boundary surfaces can now be filled with foam cells of the defined type in the production step. The step from a vector graphics-based geometry definition in the design data record to a raster graphics-based representation in the production data record can be carried out in a simple way of conversion, since not every individual structure in the design data has to be defined separately, but this using a vector graphics-based specification of one or more uniform geometric structures and an indication of the repetition of this uniform geometric structure within a component volume of the entire foam body or of sections of the foam body (in the case of areas with different compressive strengths within the foam body) can be defined using vector graphics-based specification. In addition, with the method according to the invention, the conversion of the design data set into a production data set can be carried out in sections, for example in a production process computer controlling additive manufacturing, so that a preliminary calculation and gfs. transmission of large amounts of data, as with conventional methods, is avoided.
Diese Umsetzung ermöglicht es daher dass bei der Erstellung des Fertigungsdatensatz mit einem Algorithmus, der die Vervielfachung und Aneinanderreihung der Schaumzellen des entsprechenden Typs definiert und innerhalb der Begrenzungsflächen ausführt, die Definition des Gesamtvolumens des Schaumkörpers in dem Konstruktionsdatensatz erfolgt. Dadurch kann eine rechen- und speicherplatzintensive separate Definition der im additiven Herstellungsverfahren zu produzierenden Materialanteile des Schaumkörpers vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es hierdurch, dass die Größe einer einzelnen Schaumzelle so weit verringert wird, dass diese in eine Kugel mit einem Durchmesser von weniger als 5mm, vorzugsweise weniger als 4, 3, 2 oder sogar 1 mm eingeschrieben werden kann und hierdurch ein Schaumkörper mit herausragenden ortsaufgelösten Polster- und Dämpfungseigenschaften hergestellt werden kann, der Außenabmes- sungen von mehr als 5cm x 5cm x 5cm aufweisen kann und dennoch die hierfür notwendigen Datenverarbeitungsschritte auf aktuell verfügbaren, üblichen Rechnern für die Konstruktionsplanung und die Fertigungssteuerung ausgeführt werden. This implementation therefore enables the total volume of the foam body to be defined in the design data set when the production data set is created using an algorithm that defines the multiplication and juxtaposition of the foam cells of the corresponding type and executes them within the boundary surfaces. As a result, a separate definition of the material components of the foam body to be produced in the additive manufacturing process, which is intensive in terms of computing and storage space, can be avoided. The method according to the invention hereby enables the size of an individual foam cell to be reduced to such an extent that it can be inscribed in a sphere with a diameter of less than 5 mm, preferably less than 4, 3, 2 or even 1 mm and thereby a foam body can be manufactured with excellent spatially resolved padding and damping properties, the outer dimensions measurements of more than 5cm x 5cm x 5cm and yet the necessary data processing steps are carried out on currently available, conventional computers for construction planning and production control.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das additive Herstellungsverfahren ausgewählt ist aus: einem 3D-Druckverfahren, einem Stereolithographieverfahren, einem selektiven Lasersinter / Laserschmelzverfahren, Binder Jetting, Fused Deposition Modeling, Polyjet-Verfahren, Digital Light Processing, HP-Multijet-Fusing. Diese unterschiedlichen Druckverfahren zeichnen sich durch prozesstechnisch verschiedene Abläufe, einsetzbare Materialien und Auflösungsgenauigkeiten aus. Sie eignen sich daher dafür, Schaumstoffe aus unterschiedlichen Materialien wie Kunststoffen, Metallen oder keramischen Werkstoffen herzustellen, hierbei offenporige oder geschlossenporige Schaumstoffe zu realisieren und die Schaumstoffe mit einer gewünschten Auflösung und Größe der Zellstrukturelemente additiv herzustellen. According to a first preferred embodiment, it is provided that the additive manufacturing method is selected from: a 3D printing method, a stereolithography method, a selective laser sintering/laser melting method, binder jetting, fused deposition modeling, polyjet method, digital light processing, HP multijet fusing . These different printing processes are characterized by different processes, materials that can be used and resolution accuracies. They are therefore suitable for producing foams from different materials such as plastics, metals or ceramic materials, producing open-pore or closed-pore foams and additively producing the foams with a desired resolution and size of the cell structure elements.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Zellstrukturelemente aus einem Material hergestellt werden, das ausgewählt ist aus: einem Elastomerwerkstoff, einem thermoplastischen Elastomerwerkstoff, einem Polyurethan, insbesondere thermoplastischem Polyurethan, einem Polyvinylchlorid oder einem Polymer mit einer Shore A - Härte die mindestens 50, 60, 70 oder 80 beträgt und die 90 oder 100 nicht übersteigt. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eröffnet gegenüber konventionellen Schaumstoffproduktionsverfahren eine große Bandbreite an zu verarbeitenden Werkstoffen, da nicht auf eine Mischbarkeit mit einem Gas, bzw. eine in einem chemischen Prozess erzeugte gasförmige Phase abgestellt werden muss. Hierdurch können einerseits Materialien ausgewählt werden, die eine bestimmte Härte, Elastizität und Festigkeit haben, um hierdurch die Eigenschaften des Schaumstoffs in einer gewünschten Richtung bezüglich dieser mechanischen Parameter zu beeinflussen. Zum anderen steht eine Vielzahl von Materialien für die Herstellung von Schaumstoffen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereit, die hinsichtlich ihrer Recyclingfähigkeit und Umweltverträglichkeit bessere Eigenschaften aufweisen, als Materialien für die konventionelle Schaumstoffherstellung. So können beispielsweise thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden, die es ermöglichen, dass der Schaumstoff nach Ende seiner Benutzungszeit werkstofflich recycelt wird und damit für eine vollwertige Wiederverwendung des Materials zur Verfügung steht. Furthermore, it is preferred if the cell structure elements are made of a material selected from: an elastomeric material, a thermoplastic elastomeric material, a polyurethane, in particular thermoplastic polyurethane, a polyvinyl chloride or a polymer with a Shore A hardness of at least 50, 60, 70 or 80 and not exceeding 90 or 100. Compared to conventional foam production methods, the production method according to the invention opens up a wide range of materials to be processed, since miscibility with a gas or a gaseous phase produced in a chemical process does not have to be taken into account. In this way, on the one hand, materials can be selected that have a specific hardness, elasticity, and strength, in order to thereby influence the properties of the foam in a desired direction with regard to these mechanical parameters. On the other hand, a large number of materials are available for the production of foams using the process according to the invention, which have better properties in terms of their recyclability and environmental compatibility than materials for conventional foam production. For example, thermoplastics can be used, which enable the foam material to be recycled at the end of its useful life and thus be available for full reuse of the material.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Geometrie der Zellstrukturelemente des Schaumkörpers vor der additiven Herstellung der Zellstrukturelemente durch digitale Planungsdaten definiert und aus den digitalen Planungsdaten ein Fertigungsdatensatz erstellt wird, mit dem das additive Herstellungsverfahren gesteuert wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Geometrie der Zellstrukturelemente und deren Anordnung, Verlauf, Materialstärke und sonstigen geometrischen Eigenschaften in einem digitalen Planungsprozess vorab bestimmt. Dieses für das additive Herstellungsverfahren notwendige Vorgehen ermöglicht es, den Schaumstoff entweder mit einer über dessen gesamtes Volumen einheitlichen Geometrie der Zellstrukturelemente aufzubauen, je nach Anforderung aber auch in zwei oder mehr Bereichen mit einer unterschiedlichen Geometrie der Zellstrukturelemente zu planen und nachfolgend herzustellen. Diese anhand definierter Geometriedaten gesteuerte Fertigung des Schaumstoffs ermöglicht folglich eine gezielte Bereitstellung von Eigenschaften des Schaumstoffs, die nach Ort und Richtung aufgelöst und vordefiniert eingestellt werden kann. According to a further preferred embodiment it is provided that the geometry of the cell structure elements of the foam body is defined by digital planning data before the additive production of the cell structure elements and from the digital planning data Manufacturing data set is created with which the additive manufacturing process is controlled. According to this embodiment, the geometry of the cell structure elements and their arrangement, course, material thickness and other geometric properties are determined in advance in a digital planning process. This procedure, which is necessary for the additive manufacturing process, makes it possible to build up the foam either with a uniform geometry of the cell structure elements over its entire volume, or, depending on the requirements, to plan and subsequently produce it in two or more areas with a different geometry of the cell structure elements. This production of the foam, which is controlled on the basis of defined geometric data, consequently enables a targeted provision of properties of the foam, which can be resolved and predefined according to location and direction.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass zumindest zwei Schaumzellen, vorzugsweise mehr als zwanzig oder hundert Schaumzellen des Schaumkörpers geometrisch identisch sind. Ein Schaumkörper zeichnet sich in der Regel durch eine sehr große Anzahl von Schaumzellen aus, wobei diese im konventionellen Herstellungsprozess aufgrund der Produktionsweise sich zwar sehr ähnlich sind, letztendlich aber auch geringfügig voneinander unterscheiden können. Demgegenüber ist es bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren aufgrund der definierten und exakten Herstellungsweise möglich, die Schaumzellen vollkommen identisch zueinander aufzubauen und hierdurch homogene Eigenschaften des Schaumstoffs auch auf einer mikroskopischen Ebene von zwei einzelnen oder mehreren benachbarten Schaumzellen oder allen Schaumzellen zu erzielen. Diese erzielbare Identität der Schaumzellen in dem Schaumkörper ist mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren einstellbar und zeichnet einen Schaumstoff aus, der mit dem erfindungsgemäßen additiven Herstellungsprozess erzeugt wurde. It is further preferred that at least two foam cells, preferably more than twenty or one hundred foam cells of the foam body are geometrically identical. A foam body is usually characterized by a very large number of foam cells, which are very similar in the conventional manufacturing process due to the production method, but ultimately can also differ slightly from one another. In contrast, it is possible with the production process according to the invention due to the defined and exact production method to build up the foam cells completely identical to one another and thereby to achieve homogeneous properties of the foam even on a microscopic level of two individual or several adjacent foam cells or all foam cells. This achievable identity of the foam cells in the foam body can be adjusted using the production method according to the invention and characterizes a foam that was produced using the additive production process according to the invention.
Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Schaumkörper einen ersten Schaumkörperabschnitt mit einem ersten Typ von Schaumzellen und einen zweiten Schaumkörperabschnitt mit einem zweiten, vom ersten Typ verschiedenen Typ von Schaumzellen aufweist. Wie zuvor erläutert, ermöglicht die vorab erfolgende digitale Planung der geometrischen Struktur der Schaumzellen und Zellstrukturelemente es auch, dass der Schaumkörper nicht ausschließlich aus identischen Schaumzellen aufgebaut wird, sondern auch gezielt in einem Bereich eine andere Geometrie der Schaumzellen hergestellt wird als in einem anderen Bereich oder mehr als 2, beispielsweise 3, 4, 5 oder mehr als 5 Bereiche mit unterschiedlichen Geometrien der Schaumzellen hergestellt werden. Hierdurch können dreidimensionale Schaumkörper hergestellt werden, die sich in unterschiedlichen Bereichen mechanisch unterschiedlich verhalten und dadurch gewünschte Nutzungseigenschaften in diesen Bereichen aufweisen. Die unterschiedlichen Typen von Schaumzellen könne auch wechselweise über den gesamten Schaumkörper benachbart oder in sonstiger Weise abwechselnd zueinander angeordnet sein, beispielsweise auch, indem jeweils Schichten mit unterschiedlichen Typen von Schaumzellen wechselweise aufeinander aufgebaut werden, um so progressiv oder degressiv verlaufende mechanische Eigenschaften senkrecht zu der Ebene dieser Schichten des Schaumkörpers zu erzielen. It is even more preferred if the foam body has a first foam body section with a first type of foam cells and a second foam body section with a second type of foam cells that is different from the first type. As explained above, the digital planning of the geometric structure of the foam cells and cell structure elements in advance also makes it possible for the foam body not to be built up exclusively from identical foam cells, but also to produce a different geometry of the foam cells in one area than in another area or more than 2, for example 3, 4, 5 or more than 5 areas with different geometries of the foam cells are produced. In this way, three-dimensional foam bodies can be produced that behave mechanically differently in different areas and thus have the desired usage properties in these areas have areas. The different types of foam cells can also be arranged alternately over the entire foam body adjacent to one another or in any other way alternately, for example by layers with different types of foam cells being built up alternately on top of one another in order to achieve progressively or degressively running mechanical properties perpendicular to the plane to achieve these layers of the foam body.
Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass in dem ersten Schaumkörperabschnitt ausschließlich Schaumzellen des ersten Typs angeordnet sind und/oder dass in dem zweiten Schaumkörperabschnitt ausschließlich Schaumzellen des zweiten Typs angeordnet sind. Gemäß dieser Fortbildung unterscheiden sich die zwei unterschiedlichen Schaumkörperabschnitte dadurch, dass in den einen Schaumkörperabschnitt ausschließlich Schaumzellen des ersten Typs und in dem anderen Schaumkörperabschnitt ausschließlich Schaumzellen eines zweiten Typs angeordnet sind. Diese Unterscheidung zwischen den beiden Schaumkörperabschnitten ist oftmals bevorzugt gegenüber alternativen Ausgestaltungen, bei denen beispielsweise das Anteilsverhältnis von zwei Schaumzellentypen in dem einen Abschnitt anders gewählt wird als in dem anderen Abschnitt. It is particularly preferred that only foam cells of the first type are arranged in the first foam body section and/or that only foam cells of the second type are arranged in the second foam body section. According to this development, the two different foam body sections differ in that only foam cells of the first type are arranged in one foam body section and only foam cells of a second type are arranged in the other foam body section. This distinction between the two foam body sections is often preferred over alternative configurations in which, for example, the percentage ratio of two foam cell types in one section is selected differently than in the other section.
Unter verschiedenen Typen von Schaumzellen können hierbei Schaumzellen, deren Zellstrukturelemente sich hinsichtlich ihres Verlaufs, ihrer Wandstärke oder ihrer Ausrichtung zueinander unterscheiden, oder Schaumzellen, die sich hinsichtlich ihrer Abmessung in einer, zwei oder drei Raumrichtungen voneinander unterscheiden, verstanden werden. Different types of foam cells can be understood as meaning foam cells whose cell structure elements differ in terms of their course, their wall thickness or their orientation relative to one another, or foam cells that differ from one another in terms of their dimensions in one, two or three spatial directions.
Noch weiter ist es dabei bevorzugt, wenn der erste und der zweite Typ von Schaumzellen durch Zellstrukturelemente gebildet wird, deren Anordnung und Verlauf gleich ist und dass sich die Wandstärke eines Zellstrukturelements in einer Anordnung und einem Verlauf in Bezug auf eine Schaumzelle des ersten Typs verschieden ist von der Wandstärke eines Zellstrukturelements in derselben Anordnung und demselben Verlauf in Bezug auf eine Schaumzelle des zweiten Typs. Gemäß dieser Ausführungsform unterscheiden sich die Zellstrukturelemente in den zwei oder mehr unterschiedlich gestalteten Abschnitten nicht im Hinblick auf den Verlauf und die Ausrichtung der Zellstrukturelemente, sondern nur durch die Wandstärke der Zellstrukturelemente. Diese Bauweise eines Schaumstoffs mit zwei oder mehr unterschiedlichen Abschnitten ist einerseits planungseffizient in der digitalen Datenvorbereitung der Fertigungsdaten für das additive Herstellungsverfahren, andererseits können hiermit in vorteilhafter Weise Schaumstoffe mit unterschiedlichen Abschnitten aufgebaut werden, die sich graduell örtlich ändernde Eigenschaften aufweisen, deren richtungsgebundenen Eigenschaften in den unterschiedlichen Abschnitten sich nur hinsichtlich der Höhe, nicht jedoch ihrer Ausrichtung der mechanischen Eigenschaften unterscheiden. Zudem ist durch eine Änderung der Wandstärke die Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Abschnitten in einer mechanisch zuverlässigen und belastbaren Bauweise herstellbar, da sich die Zellstrukturelemente der Schaumzellen im Schnittstellenbereich der beiden Schaumzellen nicht geometrisch voneinander unterscheiden, sondern lediglich eine Wandstärkenveränderung im Schnittstellenbereich realisiert werden muss. It is even more preferred if the first and the second type of foam cells are formed by cell structure elements whose arrangement and course is the same and that the wall thickness of a cell structure element differs in an arrangement and a course in relation to a foam cell of the first type of the wall thickness of a cell structural element in the same arrangement and course with respect to a foam cell of the second type. According to this embodiment, the cell structure elements in the two or more differently designed sections do not differ in terms of the course and orientation of the cell structure elements, but only in terms of the wall thickness of the cell structure elements. This construction of a foam with two or more different sections is on the one hand efficient in planning in the digital data preparation of the manufacturing data for the additive manufacturing process; directional properties in the different sections differ only in terms of height, but not in their direction of mechanical properties. In addition, by changing the wall thickness, the connection between two different sections can be produced in a mechanically reliable and resilient construction, since the cell structure elements of the foam cells in the interface area of the two foam cells do not differ geometrically from one another, but only a change in wall thickness has to be implemented in the interface area.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass im Schnittstellenbereich zwischen dem ersten Bereich mit den Schaumstoffzellen des ersten Typs und dem zweiten Bereich mit den Schaumstoffzellen des zweiten Typs Schnittstellen-Schaumstoffzellen angeordnet sind, die sich weder im Verlauf noch in der Ausrichtung der Zellstrukturelemente von den Schaumstoffzellen des ersten und des zweiten Typs unterscheiden, die jedoch im Grenzbereich zu dem Schaumstoffzellen des ersten Typs eine erste Wandstärke aufweisen, die der Wandstärke der Zellstrukturelemente des ersten Typs entspricht und die im Grenzbereich zu dem Schaumstoffzellen des zweiten Typs eine zweite Wandstärke aufweisen, die der Wandstärke der Zellstrukturelemente des zweiten Typs entspricht und die verschieden von der ersten Wandstärke ist. Diese Schnittstellen-Schaumstoffzellen bilden auf diese Weise die Verbindung zwischen den Schaumstoffzellen des ersten und des zweiten Typs und ermöglichen es, dass sowohl die Schaumstoffzellen des ersten und zweiten Typs als auch die Schnittstellen-Schaumstoffzellen sich lediglich in der Wandstärke der Zellstrukturelemente unterscheiden, nicht jedoch in deren Länge, Ausrichtung und Anordnung. Die Erstellung der digitalen Daten kann daher durch Vervielfachung eines einzigen Schaum- stoffzellen-Modells erfolgen und zur Zuordnung unterschiedlicher Stauchhärten in zwei o- der mehr Bereichen wird den Schaumstoffzellen in den jeweiligen Bereichen eine unterschiedliche Wandstärke zugewiesen. Die Verbindung zwischen den Schaumstoffzellen ist über den gesamten Schaumstoff einheitlich und daher ist die Definition der Grenzflächen zwischen den Bereichen unterschiedlicher Stauchhärten bei der Erstellung der Produktionsdaten effizient. It is further preferably provided that interface foam cells are arranged in the interface area between the first area with the foam cells of the first type and the second area with the foam cells of the second type, which differ neither in the course nor in the alignment of the cell structure elements from the foam cells of the first and of the second type, which, however, have a first wall thickness in the border area to the foam cells of the first type, which corresponds to the wall thickness of the cell structure elements of the first type and which have a second wall thickness in the border area to the foam cells of the second type, which corresponds to the wall thickness of the cell structure elements of the second type and which is different from the first wall thickness. In this way, these interface foam cells form the connection between the foam cells of the first and second type and make it possible for both the foam cells of the first and second type and the interface foam cells to differ only in the wall thickness of the cell structure elements, but not in their length, orientation and arrangement. The digital data can therefore be created by multiplying a single foam cell model, and in order to allocate different compressive strengths in two or more areas, the foam cells in the respective areas are assigned different wall thicknesses. The connection between the foam cells is uniform throughout the foam and therefore the definition of the interfaces between the areas of different compression stresses is efficient when creating the production data.
Weiter bevorzugt ist es, wenn jede der Schaumstoffzellen des ersten Typs durch zumindest zwei unterschiedliche Zellstrukturelemente gebildet wird, die sich in der Wandstärke unterscheiden. Diese Zellstrukturelemente mit unterschiedlicher Wandstärke sind vorzugsweise in unterschiedlichen Raumrichtungen ausgerichtet. Auf diese Weise wird durch die Schaumstoffzelle des ersten Typs ein anisotropes mechanisches Verhalten bereitgestellt, also beispielsweise eine erste Stauchhärte in einer ersten Raumrichtung und eine hiervon verschiedene zweite Stauchhärte in einer hiervon verschiedenen zweiten Raumrichtung. Auch bei dieser Ausführungsform können der erste und zweite und gegebenenfalls weitere Bereiche sowie die Grenzfläche aus Schaumstoffzellen aufgebaut werden, deren Zellstrukturelemente sich hinsichtlich ihrer Ausrichtung, Anordnung und Länge nicht unterscheiden, sondern lediglich in der Wandstärke der Zellstrukturelemente. Hierdurch wird es wiederum möglich, Schaumstoffe mit einem anisotropen mechanischen Verhalten in einem Bereich oder auch in zwei oder mehr sich voneinander in der Anisotropie unterscheidenden Bereichen aus Schaumstoffzellen im additiven Verfahren herzustellen und hierbei eine effiziente Planung der digitalen Daten durchzuführen. It is further preferred if each of the foam cells of the first type is formed by at least two different cell structure elements which differ in wall thickness. These cell structure elements with different wall thicknesses are preferably aligned in different spatial directions. In this way, an anisotropic mechanical behavior is provided by the foam cell of the first type, ie for example a first compression hardness in a first spatial direction and a different second compression hardness in a different second spatial direction. In this embodiment, too, the first and second and optionally further areas and the interface can be constructed from foam cells whose cell structure elements do not differ in terms of their orientation, arrangement and length, but only in the wall thickness of the cell structure elements. This in turn makes it possible to produce foams with anisotropic mechanical behavior in one area or in two or more areas of foam cells that differ from one another in terms of anisotropy in an additive process and to carry out efficient planning of the digital data.
Die vorgenannten unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Schaumstoffzellen, isotrop oder anisotrop, können in zwei definierten Volumenbereichen bereitgestellt werden. Alternativ bevorzugt ist es, einen graduellen Verlauf der mechanischen Eigenschaften bereitzustellen, indem sich die Wandstärke der Zellstrukturelemente der Schaumstoffzellen- über einen Bereich mehrerer benachbarter Schaumstoffzellenschichten stufenweise ändert, beispielsweise, indem von Schicht zu Schicht eine andere Wandstärke bereitgestellt wird oder sich die Wandstärke nach jeweils zwei, drei oder mehr Schichten ändert. The aforementioned different mechanical properties of the foam cells, isotropic or anisotropic, can be provided in two defined volume ranges. Alternatively, it is preferred to provide a gradual progression of the mechanical properties by changing the wall thickness of the cell structure elements of the foam cells gradually over a region of several adjacent foam cell layers, for example by providing a different wall thickness from layer to layer or by changing the wall thickness after every two , three or more layers changes.
Weiter bevorzugt ist es, wenn die Oberflächenschicht eines Schaumkörpers aus Schaumstoffzellen hergestellt wird, die verschieden von den Schaumstoffzellen im innenliegenden Volumenbereich des Schaumkörpers sind. Die Oberflächenschicht kann hierbei eine einzige Schicht aus Schaumstoffzellen umfassen oder mehrere solche Schichten. Mit dieser Ausführungsform kann eine dichtere Oberfläche oder eine Oberfläche mit einer höheren Stauchhärte oder einem höheren Raumgewicht bereitgestellt werden als im inneren Volumenbereich des Schaumkörpers. Insbesondere können die Schaumstoffzellen an der Oberfläche des Schaumkörpers mehrere oder ausschließlich geschlossene Außenflächen aufweisen. Hierdurch wird eine dichte oder selektiv poröse Oberfläche des Schaumkörpers bereitgestellt, die beispielsweise nach Art eines gemusterten Polsterbezugs ausgeführt sein kann und für eine gleichmäßige Atmungsaktivität durch die Oberfläche des Schaumkörpers sorgt. It is further preferred if the surface layer of a foam body is produced from foam cells which are different from the foam cells in the interior volume region of the foam body. Here, the surface layer can comprise a single layer of foam cells or several such layers. With this embodiment, a denser surface or a surface with a higher compressive strength or a higher density can be provided than in the inner volume area of the foam body. In particular, the foam cells can have several or exclusively closed outer surfaces on the surface of the foam body. This provides a dense or selectively porous surface of the foam body, which can be designed, for example, in the manner of a patterned upholstery cover and ensures uniform breathability through the surface of the foam body.
Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Schaumkörper Schaumzellen umfasst oder aus Schaumzellen besteht, welche die Geometrie eines archimedischen Körpers aufweisen. Archimedische Körper sind regelmäßig konvexe Polyeder mit folgenden Eigenschaften: It is even more preferred if the foam body comprises foam cells or consists of foam cells which have the geometry of an Archimedean body. Archimedean solids are regular convex polyhedra with the following properties:
(i) ihre Seitenflächen sind regelmäßige Polygone, (ii) alle Ecken des Körpers verhalten sich zueinander völlig gleich (Uniformität der Ecken), und (i) their faces are regular polygons, (ii) all vertices of the body are related to each other in exactly the same way (uniformity of vertices), and
(iii) sie sind weder platonische Körper noch Prismen oder Antiprismen. (iii) they are neither platonic solids nor prisms nor antiprisms.
Solche archimedischen Körper haben sich aufgrund ihrer Geometrie als besonders geeignet herausgestellt, weil sie in günstiger Weise aneinandergereiht werden können und hierbei an ihren Berührungspunkten miteinander verbunden oder integral ausgeführt werden können, um hierdurch einen dreidimensionalen Schaumkörper aufzubauen, der aus einer Vielzahl solcher archimedischen Körper als Schaumzellen besteht oder diese umfasst. Dabei ist zu verstehen, dass die den archimedischen Körper begrenzenden Wandabschnitte in der Umsetzung in eine Schaumzelle ebenfalls durch Zellstrukturelemente, welche diese Wandfläche nachbilden, ausgebildet sein kann. Ebenso kann der archimedische Körper aber auch als Schaumzelle ausgebildet werden, indem lediglich die Kanten des archimedischen Körpers als Zellstrukturelement nachgebildet werden, in diesem Fall nimmt das Zellstrukturelement eine strebenartige Form an mit Knotenpunkten in den Bereichen, in denen sich zwei oder mehr Kanten des archimedischen Körpers treffen. Such Archimedean bodies have proven to be particularly suitable because of their geometry, because they can be lined up in a favorable manner and connected to one another at their points of contact or can be made integral in order to build up a three-dimensional foam body that consists of a large number of such Archimedean bodies as foam cells consists of or includes. It should be understood here that the wall sections delimiting the Archimedean body in the conversion into a foam cell can also be formed by cell structure elements which simulate this wall surface. Likewise, the Archimedean body can also be formed as a foam cell, in that only the edges of the Archimedean body are reproduced as a cell structure element. In this case, the cell structure element takes on a strut-like shape with nodes in the areas where two or more edges of the Archimedean body meet meet.
Alternativ zu dieser Ausführungsform können die Schaumzellen auch durch abgewandelte archimedische Körper gebildet werden, bei denen eine der drei vorgenannten Bedingungen (i)-(iii) nicht erfüllt sind. As an alternative to this embodiment, the foam cells can also be formed by modified Archimedean solids in which one of the three aforementioned conditions (i)-(iii) is not met.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Schaumzellen ausgewählt sind aus: Polyeder, abgestumpften Polyeder, oder archimedische Körper, die in allen drei Raumrichtungen planparallele Flächen aufweisen, beispielsweise ein Oktaederstumpf oder ein Kubotaeder. Dabei ist hier und im folgenden unter einer Polyederstumpf-Form eine Form zu verstehen, die ausgehend von dem Polyeder eine Kappung zu einem Stumpf in jeder Kappungshöhe aufweisen kann. Diese Schaumzellgeometrien haben sich als besonders günstig für die Herstellung von Schaumstoffen erwiesen, weil mit diesen Geometrien einer einzelnen Schaumzelle die Verbindung benachbarter Schaumzellen zu einem zusammenhängenden Schaumkörper effizient planbar in der digitalen Vorbereitung der Fertigungsdaten ist und zu einer belastbaren Schaumstoffstruktur mit gewünschten Eigenschaften eines Schaumstoffs führt. It is particularly preferred if the foam cells are selected from: polyhedrons, truncated polyhedrons, or Archimedean solids which have plane-parallel surfaces in all three spatial directions, for example a truncated octahedron or a cubotahedron. Here and in the following, a truncated polyhedron shape is to be understood as meaning a shape which, starting from the polyhedron, can have a truncated section to form a truncated section at any truncated height. These foam cell geometries have proven to be particularly favorable for the production of foams, because with these geometries of a single foam cell, the connection of adjacent foam cells to form a coherent foam body can be efficiently planned in the digital preparation of the production data and leads to a resilient foam structure with the desired foam properties.
Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Schaumkörper Schaumzellen umfasst oder aus Schaumzellen besteht, welche durch plane geometrische Flächen begrenzt sind, die an Flächenkanten aneinandergrenzen und dass sich die Zellstrukturelemente einer Schaumzelle als Balken oder Strebe entlang einiger oder aller Kanten der Schaumzelle erstrecken. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Vielzahl von Schaumzellgeometrien ermöglicht, darunter insbesondere archimedische Körper oder abgewandelte archimedische Körper. Dabei werden die mechanischen Eigenschaften des Schaumstoffs durch Herstellung von Balken- oder Strebenstrukturen, die sich entlang der Kanten der Schaumzellen erstrecken, erzeugt. Ergebnis dieses Herstellungsprozesses ist ein offenporiger Schaumkörper, dessen Eigenschaften durch die Geometrie der Schaumzellen und die Wandstärke der Balkenstrukturen effizient und in einer planmäßigen und gewünschten Weise beeinflussbar ist. It is even further preferred if the foam body comprises foam cells or consists of foam cells, which are delimited by planar geometric surfaces Surface edges abut and that the cellular structural elements of a foam cell extend as a beam or strut along some or all of the edges of the foam cell. According to this embodiment, the method according to the invention can be implemented with a large number of foam cell geometries, including in particular Archimedean solids or modified Archimedean solids. The mechanical properties of the foam are created by creating beam or strut structures that extend along the edges of the foam cells. The result of this manufacturing process is an open-pored foam body whose properties can be influenced efficiently and in a planned and desired manner by the geometry of the foam cells and the wall thickness of the beam structures.
Grundsätzlich ist zu verstehen, dass die Zellstrukturelemente der einzelnen Schaumzellen isoliert ausgebildet sein können und an bestimmten Stellen miteinander verbunden sein können, um den Zusammenhang der Schaumzellen zu einem Schaumkörper zu erreichen. Noch weiter ist es bevorzugt, wenn eine Schaumzelle eine obere Zellstrukturelementfläche, eine untere Zellstrukturelementfläche und seitliche Zellstrukturelementflächen umfasst, und dass die obere Zellstrukturelementfläche einer Zelle integral mit der unteren Zellstrukturelementfläche einer darüberliegend benachbarten Schaumzelle ist, die untere Zellstrukturelementfläche einer Zelle integral mit der oberen Zellstrukturelementfläche einer darunterliegend benachbarten Schaumzelle ist, und/oder eine seitliche Zellstrukturelementfläche einer Zelle integral mit einer seitlichen Zellstrukturelementfläche einer seitlich benachbarten Schaumzelle ist. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Schaumzellen des Schaumkörpers derart miteinander integral verbunden, dass sie sich Seitenflächen, obere Flächen oder untere Flächen teilen, indem die Zellstrukturelemente, welche diese Zellstrukturelementflächen ausbilden, integral für benachbarte Schaumzellen ausgebildet sind. Ein Zellstrukturelement stellt dadurch eine Begrenzung für zwei oder mehr im Bereich des Zellstrukturelements aneinandergrenzende Schaumzellen dar, wodurch ein insgesamt integraler Aufbau der Schaumzellen des Schaumkörpers erzielt wird. Der Schaumkörper stellt sich dann als zusammenhängende Gitterstruktur dar, wobei die Gitterstrukturelemente durch die Zellstrukturelemente gebildet werden und jeweils Hohlräume umschließen, welche mit diesen Zellstrukturelementen dann eine Schaumzelle darstellen. Diese integrale Ausbildung der Zellstrukturelemente kann an allen Seiten einschließlich Ober- und Unterseite einer Schaumzelle erfolgen, kann jedoch auch nur an bestimmten Seiten oder nur an Ober- oder nur an Unterseite ausgeführt sein. In principle, it should be understood that the cell structure elements of the individual foam cells can be isolated and can be connected to one another at certain points in order to achieve the connection of the foam cells to form a foam body. It is even further preferred if a foam cell comprises a top cell structure element surface, a bottom cell structure element surface and side cell structure element surfaces, and that the top cell structure element surface of a cell is integral with the bottom cell structure element surface of an overlying adjacent foam cell, the bottom cell structure element surface of a cell is integral with the top cell structure element surface of a underlying adjacent foam cell, and/or a lateral cell structural member face of one cell is integral with a lateral cell structural member face of a laterally adjacent foam cell. According to this embodiment, the foam cells of the foam body are integrally connected to each other in such a manner as to share side faces, top faces or bottom faces by integrally forming the cell structure members constituting these cell structure member faces for adjacent foam cells. A cell structure element thus represents a boundary for two or more foam cells adjoining one another in the area of the cell structure element, as a result of which an overall integral structure of the foam cells of the foam body is achieved. The foam body is then presented as a coherent lattice structure, with the lattice structure elements being formed by the cell structure elements and each enclosing cavities which then represent a foam cell with these cell structure elements. This integral formation of the cell structure elements can take place on all sides including the top and bottom of a foam cell, but it can also be implemented only on certain sides or only on the top or only on the bottom.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Schaumkörper, umfassend eine Vielzahl von Schaumzellen, die gebildet werden durch einen von Zellstrukturelementen umgebenen Hohlraum, bei dem die Zellstrukturelemente in einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt sind. Der erfindungsgemäße Schaumkörper zeichnet sich dadurch aus, dass er Schaumzellen umfasst oder aus Schaumzellen gebildet ist, die einen von Zellstrukturelementen umgebenen Hohlraum umfassen und die Zellstrukturelemente des Schaumkörpers in einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt sind. Ein solcher Schaumkörper zeichnet sich, wie zuvor dargestellt, einerseits dadurch aus, dass die Zellstrukturelemente aufgrund der exakten digitalen Vorabplanung von deren Geometrie im Unterschied zu konventionellen Schaumstoffen ein geometrisch exaktes Muster aufweisen, sich in der Regel mehrere vollkommen identische Schaumzellen in dem Schaumstoff befinden oder der Schaumstoff sogar insgesamt oder abschnittsweise aus vollkommen identischen Schaumzellen aufgebaut ist oder diese umfasst. Der erfindungsgemäße Schaumstoff zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass die Zellstrukturelemente eine dem additiven Herstellungsverfahren entsprechende Oberfläche und innere Materialstruktur aufweisen - insbesondere ist die punktweise oder schichtweise Herstellung der Zellstrukturelemente in deren Materialstruktur abgebildet und nachweisbar. A further aspect of the invention is a foam body comprising a multiplicity of foam cells which are formed by a cell structure surrounded by elements Cavity in which the cell structure elements are produced using an additive manufacturing process. The foam body according to the invention is characterized in that it comprises foam cells or is formed from foam cells which comprise a cavity surrounded by cell structure elements and the cell structure elements of the foam body are produced in an additive manufacturing process. As shown above, such a foam body is characterized on the one hand by the fact that the cell structure elements have a geometrically exact pattern due to the exact digital advance planning of their geometry, in contrast to conventional foams, there are usually several completely identical foam cells in the foam or the Foam is even constructed entirely or in sections from completely identical foam cells or includes them. The foam according to the invention is further characterized in that the cell structure elements have a surface and inner material structure corresponding to the additive manufacturing process—in particular, the point-by-point or layer-by-layer production of the cell structure elements is depicted and verifiable in their material structure.
Der erfindungsgemäße Schaumkörper kann fortgebildet werden, indem die Zellstrukturelemente eine Größe aufweisen, die in einen Kugelkörper mit einem Durchmesser von weniger als 5mm passt. Ein solcherart eingeschriebenes Zellstrukturelement hattypischerwiese in allen drei Raumrichtungen im Wesentlichen ähnliche Abmessungen. Gemäß dieser Fortbildung wird der Schaumkörper aus Zellstrukturelementen aufgebaut, die eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Diese Größe kann insbesondere solcherart gewählt sein, dass eine Kugel, welche die Schaumzelle umschreibt, einen Durchmesser von nicht mehr als 5 mm aufweist. In bestimmten Anwendungen kann diese Kugel auch eine maximale Größe von 6, 7, 8, 9, 10 oder 15 oder 20 mm aufweisen. Weiterhin ist es in bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die Kugel, welche die Schaumzellen umschreibt, einen Durchmesser von nicht mehr als 4, 3, oder 2 mm aufweist. Grundsätzlich ist zu verstehen, dass in einem erfindungsgemäßen Schaumkörper auch Schaumzellen mit unterschiedlichen Geometrien ausgebildet sein können. Insoweit können diese Schaumzellen auch durch eine Kugel umschrieben sein, die einen Mindestdurchmesser nach einem der oben genannten Werte und einen maximalen Durchmesser nach einem der oben genannten Werte aufweist, beispielsweise also Schaumzellen, die in eine Kugel mit einem Mindestdurchmesser von 2 mm und einem Maximaldurchmesser von 8 mm eingeschrieben sind, umfassen. Trotz dieser geringen Größe der einzelnen Schaumzelle ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Schaumkörper mit Außenabmessungen, die größerals 5cm x 5cm 5cm aufweisen, in einem additiven Herstellungsverfahren herzustellen. Alternativ hierzu können auch Zellstrukturelemente eingesetzt werden, die in einer Raumrichtung eine verschiedene Abmessung, insbesondere um eine Größenordnung verschieden, von der Abmessung in den anderen beiden Raumrichtungen aufweist und die somit in einen beispielsweise sphärischen, länglich gedehnten Umhüllungskörper passen oder in eine längliche Quaderform. Hiermit können Zellstrukturelemente mit richtungsabhängigen Schaumstruktureigenschaften erzeugt werden. The foamed body according to the invention can be developed in that the cell structure elements have a size that fits into a spherical body with a diameter of less than 5 mm. Such an inscribed cell structure element typically has essentially similar dimensions in all three spatial directions. According to this development, the foam body is made up of cell structure elements that do not exceed a certain size. In particular, this size can be selected in such a way that a sphere circumscribing the foam cell has a diameter of not more than 5 mm. In certain applications, this ball can also have a maximum size of 6, 7, 8, 9, 10 or 15 or 20 mm. Furthermore, it is advantageous in certain embodiments if the sphere circumscribing the foam cells has a diameter of no more than 4, 3 or 2 mm. In principle, it should be understood that foam cells with different geometries can also be formed in a foam body according to the invention. In this respect, these foam cells can also be circumscribed by a sphere that has a minimum diameter according to one of the values mentioned above and a maximum diameter according to one of the values mentioned above, for example foam cells that can be divided into a sphere with a minimum diameter of 2 mm and a maximum diameter of 8 mm are inscribed include. Despite this small size of the individual foam cell, it is possible with the method according to the invention to produce foam bodies with external dimensions that are larger than 5 cm×5 cm×5 cm in an additive manufacturing process. Alternatively, cell structure elements can also be used which have different dimensions in one spatial direction, in particular by an order of magnitude, from the dimensions in the other two spatial directions and which therefore fit into a spherical, elongated enveloping body, for example, or into an elongated cuboid shape. This can be used to create cell structure elements with direction-dependent foam structure properties.
Noch weiter ist es bevorzugt, wenn der Schaumkörper einen ersten Abschnitt, umfassend oder bestehend aus Schaumzellen eines ersten Typs und einen zweiten Abschnitt, umfassend oder bestehend aus Schaumzellen eines zweiten, vom ersten verschiedenen Typs, umfasst. Bezüglich dieser Ausführungsform wird auf die voranstehende Beschreibung zur Herstellung eines Schaumkörpers mit zwei oder mehr unterschiedlichen Abschnitten Bezug genommen. It is even more preferred if the foam body comprises a first section comprising or consisting of foam cells of a first type and a second section comprising or consisting of foam cells of a second type different from the first. With regard to this embodiment, reference is made to the above description of the production of a foam body with two or more different sections.
Noch weiter ist es bevorzugt, wenn die Zellstrukturelemente aus einem elastomeren Material bestehen. Als elastomeres Material wird hierbei ein elastomerer Kunststoff verstanden, der im Sinne der Werkstoffdifferenzierung von Kunststoffen also kein Duromer mit im Wesentlichen kaum geometrisch relevanten Verformungseigenschaften darstellt. Bei dem Elastomer kann es sich dabei insbesondere auch um ein thermoplastisches Elastomer handeln, um ein werkstoffliches Recyceln des Schaumstoffs nach dessen Nutzungsdauer zu ermöglichen. It is even more preferred if the cell structure elements consist of an elastomeric material. An elastomeric material is understood here to be an elastomeric plastic which, in terms of material differentiation from plastics, is therefore not a duromer with essentially hardly any geometrically relevant deformation properties. The elastomer can in particular also be a thermoplastic elastomer in order to enable material recycling of the foam after its service life.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaumkörpers ist vorgesehen, dass im Schaumkörper oder an der Außenfläche des Schaumkörpers ein oder mehrere funktionale Bauteile angeordnet sind, die vorzugsweise im gleichen additiven Herstellungsverfahren wie der Schaumstoff hergestellt sind, und insbesondere ausgewählt sind aus: Befestigungsabschnitten zur Befestigung des Schaumkörpers an einem anderen Bauelement oder zur Befestigung anderer Bauelemente wie Sensoren an dem Schaumkörper, integrierte Kanäle, insbesondere zur Belüftung oder für ein kälte oder Wärmefluid, eine geschlossene oder mit Öffnungen versehene Außenoberflächenschicht des Schaumkörpers, insbesondere eine Sitzflächenschicht, deren mechanische Eigenschaften von den Eigenschaften des Innenraums des Schaumkörpers verschieden ist, Dämpfungselemente, die ein energieabsorbierendes Verhalten durch innere Reibung oder Reibung von zwei Strukturelementen aneinander aufweisen, insbesondere für Schuhe / Schuhsolen, integrierte Lautsprecher, einschließlich Leitungen für deren Energieversorgung, integrierte Lichtquellen, einschließlich Leitungen für deren Energieversorgung. Gemäß dieser Ausgestaltung werden im additiven Herstellungsprozess nicht nur die Schaumzellen des Schaumkörpers hergestellt, sondern hierbei zugleich durch entsprechende vorab digital erstellte Fertigungsdaten auch funktionelle Elemente, Abschnitte oder Bauteile in den Schaumkörper integriert oder auf dessen äußerer Oberfläche produziert. Diese funktionellen Elemente können einerseits der Leitung von Fluiden dienen, beispielsweise, um durch kühle oder erwärmte Luft einen erwünschten Temperierungseffekt für einen Benutzer eines Sitzes oder einer Matratze, der/die den Schaumkörper darstellt, zu erzielen. Es können weiterhin funktionelle Elemente wie Dämpfungselemente, Lautsprecher, Beleuchtungseinrichtungen in den Schaumkörper integriert werden und im additiven Herstellungsprozess hergestellt werden. Hierdurch werden die Eigenschaften des Schaumkörpers und dessen Funktion weiterentwickelt und an bestimmte Einsatzzwecke angepasst. Dabei können auch elektrische Zuleitungen, die für die Energieversorgung solcher aktiven Funktionselemente im Schaumkörper dienen, während des additiven Herstellungsverfahrens produziert werden. Solche funktionellene Elemente können beispielsweise ein Kabelkanal, ein Montagehohlraum, ein Zugangsschlitz der eine reversible Dehnung zum Zugang zu einem Montagehohlraum ermöglicht, Luftkanäle, Luftführungselemente, Luftverteiler, Luftöffnungen, Verrastungselemente, Montageelemente wie Clips, Verschraubungsöffnungen, Skelettstrukturen mit gegenüber dem Schaum erhöhter Steifigkeit, Luftkissen mit Luftzuleitungen für Massagefunktionen sein. According to a further embodiment of the foam body according to the invention, it is provided that one or more functional components are arranged in the foam body or on the outer surface of the foam body, which are preferably produced in the same additive manufacturing process as the foam body, and are in particular selected from: fastening sections for fastening the foam body to another component or for attaching other components such as sensors to the foam body, integrated channels, in particular for ventilation or for a cold or heat fluid, a closed or apertured outer surface layer of the foam body, in particular a seat layer, the mechanical properties of which depend on the properties of the interior of the foam body is different, damping elements that have an energy-absorbing behavior through internal friction or friction of two structural elements together, especially for shoes / shoe soles, integrated loudspeakers, including lines for their power supply, integrated light sources, including lines for their power supply. According to this embodiment, not only are the foam cells of the foam body produced in the additive manufacturing process, but at the same time functional elements, sections or components are also integrated into the foam body or produced on its outer surface using appropriate production data created digitally in advance. On the one hand, these functional elements can serve to conduct fluids, for example in order to achieve a desired temperature control effect for a user of a seat or a mattress, which represents the foam body, by means of cool or heated air. Furthermore, functional elements such as damping elements, loudspeakers, lighting devices can be integrated into the foam body and produced in the additive manufacturing process. As a result, the properties of the foam body and its function are further developed and adapted to specific purposes. Electrical supply lines, which serve to supply such active functional elements in the foam body with energy, can also be produced during the additive manufacturing process. Such functional elements can be, for example, a cable duct, an assembly cavity, an access slot that allows reversible expansion to access an assembly cavity, air ducts, air guiding elements, air distributors, air openings, locking elements, assembly elements such as clips, screw openings, skeleton structures with increased rigidity compared to the foam, air cushions with Be air supply lines for massage functions.
Der erfindungsgemäße Schaumkörper kann insbesondere bevorzugt dadurch charakterisiert sein, dass er durch die zuvor erläuterte Produktion des Schaumkörpers in einem additiven Herstellungsverfahren erzeugte Eigenschaften aufweist. Demnach kann der Schaumkörper also zwei oder mehr unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Typen von Schaumzellen umfassen. Die Zellstrukturelemente der Schaumzellen der verschiedenen Typen können sich hinsichtlich der Wandstärke voneinander unterscheiden und hinsichtlich der Ausrichtung, Anordnung und Länge übereinstimmend sein. Es können Schnitt- stellen-Schaumzellen bereitgestellt sein, welche auf einer Seite eine zu einem ersten Typ und auf der anderen Seite eine zu einem zweiten Typ passende Wandstärke der Zellstrukturelemente aufweisen. Die Schaumzellen können anisotrope Eigenschaften aufweisen, indem Zellstrukturelemente, die in einer ersten Richtung verlaufen, eine andere Wandstärke aufweisen als Zellstrukturelemente, die in einer anderen Richtung verlaufen. Es können graduelle Verläufe der Stauchhärte in dem Schaumkörper bereitgestellt werden, indem von Schicht zu Schicht oder alle zwei, drei oder mehr Schichten die Wandstärke der Zellstrukturelemente verändert wird, insbesondere graduell erhöht oder verringert wird. Der Schaumkörper kann überdies an seiner Oberfläche Schaumzellen mit spezifischen Eigenschaften aufweisen, die verschieden von den Eigenschaften der Schaumzellen im inneren Volumen des Schaumkörpers sind. So können die oberflächlichen Schaumzellen beispielsweise eine höhere Wandstärke der Zellstrukturelemente aufweisen oder teilweise oder vollständig geschlossene Schaumzelloberflächen aufweisen, um hierdurch eine bestimmte Luftdurchlässigkeit einzustellen. The foam body according to the invention can particularly preferably be characterized in that it has properties produced by the previously explained production of the foam body in an additive manufacturing process. Accordingly, the foam body can therefore comprise two or more different areas with different types of foam cells. The cell structure elements of the foam cells of the various types can differ from one another in terms of wall thickness and can be consistent in terms of orientation, arrangement and length. Interface foam cells can be provided, which have a wall thickness of the cell structure elements that matches a first type on one side and a second type on the other side. The foam cells can have anisotropic properties in that cell structure elements that run in a first direction have a different wall thickness than cell structure elements that run in a different direction. Gradual progressions of the compression hardness in the foam body can be provided by changing the wall thickness of the cell structure elements from layer to layer or every two, three or more layers, in particular increasing or decreasing them gradually. The foam body can also have foam cells on its surface with specific properties that differ from the properties of the foam cells inside Volume of the foam body are. For example, the surface foam cells can have a greater wall thickness of the cell structure elements or have partially or completely closed foam cell surfaces in order to set a specific air permeability as a result.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung des Fertigungsdatensatzes für die Herstellung eines Schaumkörpers in einem additiven Herstellungsverfahren, mit den Schritten: (i) Festlegung der äußeren Begrenzungsflächen des Schaumkörpers in einem vektorbasierten digitalen Planungsprogramm und Erstellen eines ersten Planungsdatensatzes aus den festgelegten äußeren Begrenzungsflächen, (ii) Festlegung der Geometrie eines Zellstrukturelementes in dem vektorbasierten digitalen Planungsprogramm und Erstellen eines zweiten Planungsdatensatzes aus der Geometrie des Zellstrukturelements, (iii) Erstellen eines Fertigungsdatensatzes, der Fertigungsdaten für ein additives Herstellungsverfahren des Schaumkörpers umfasst, aus dem ersten und zweiten Planungsdatensatz, indem das durch den ersten Planungsdatensatz definierte Volumen, das durch die äußeren Begrenzungsflächen umschlossen wird, mit einer Vielzahl aneinandergereihter Zellstrukturelemente ausgefüllt wird, von denen jedes eine Geometrie nach dem zweiten Planungsdatensatz aufweist. Dieses Verfahren löst die spezielle, mit der additiven Herstellung von Schaumstoffen zusammenhängende Problematik, dass digitale, vektorbasierte Planungsprogramme, typisch also CAD-Konstruktionssoftware und die Hardware, auf denen solche Programme betrieben werden, nicht dazu ausgelegt und dimensioniert sind, um die große Anzahl an Flächen, Kanten und Eckpunkten zu verarbeiten, die durch die große Anzahl an Zellstrukturelementen entstehen, die in einem Schaumkörper enthalten sind. Daher geht das Verfahren zur Datenerstellung von der bekannten Vorgehensweise ab und erstellt in der vektorbasierten digitalen Konstruktionsphase nicht alle Geometriestrukturen, sondern zur Definition der Geometrie des Schaumkörpers nur einerseits die ihn begrenzenden Flächen, andererseits die Geometrie eines einzigen Zellstrukturelements. Die Geometriedaten aus den so erstellten zwei Planungsdatensätzen, die auch integral in einem Planungsdatensatz zusammengefasst sein können, bilden dann die Grundlage zur Erstellung des Fertigungsdatensatzes. In diesem Fertigungsdatensatz sind die geometrischen Daten enthalten, die benötigt werden, um ortsaufgelöst alle Strukturen des Schaumkörpers additiv zu fertigen. Je nach der additiven Fertigungsweise können diese Fertigungsdaten die Ortsauflösung beispielsweise schichtweise oder punktweise gruppieren. Die Umsetzung aus den Planungsdatensätzen in den Fertigungsdatensatz erfolgt dabei mit der Vorgabe, dass das durch die Fläche begrenzte Volumen des Schaumkörpers vollständig mit Zellstrukturelementen aufgebaut bzw. ausgefüllt wird, deren Geometrie in dem zweiten Planungsdatensatz festgelegt ist. Dabei kann zur Ausführung dieser Transformation aus den Planungsdatensätzen in den Fertigungsdatensatz auch eine datentechnische Vorgabe erfolgen, die beschreibt, wie die Zellstrukturelemente zueinander anzuordnen sind - also beispielsweise welche gemeinsamen Flächen, Kanten oder Eckpunkte sich benachbarte Zellstrukturelemente aufweisen. Another aspect of the invention is a method for generating the manufacturing data set for the production of a foam body in an additive manufacturing process, with the steps: (i) defining the outer boundary surfaces of the foam body in a vector-based digital planning program and creating a first planning data set from the specified outer boundary surfaces , (ii) determining the geometry of a cell structure element in the vector-based digital planning program and creating a second planning data record from the geometry of the cell structure element, (iii) creating a manufacturing data record, which includes manufacturing data for an additive manufacturing process of the foam body, from the first and second planning data record by the volume defined by the first planning data set, which is enclosed by the outer boundary surfaces, is filled with a large number of cell structure elements lined up in a row, each of which has a geometry according to the second planning data set. This process solves the special problem associated with the additive manufacturing of foams that digital, vector-based planning programs, i.e. typically CAD design software and the hardware on which such programs are run, are not designed and dimensioned to handle the large number of surfaces , to process edges and vertices that result from the large number of cell structure elements contained in a foam body. Therefore, the process for data creation deviates from the known procedure and does not create all geometric structures in the vector-based digital design phase, but only the surfaces bounding it to define the geometry of the foam body, on the one hand, and the geometry of a single cell structure element on the other. The geometric data from the two planning data sets created in this way, which can also be combined integrally in one planning data set, then form the basis for creating the production data set. This manufacturing data record contains the geometric data required to additively manufacture all structures of the foam body in a spatially resolved manner. Depending on the additive manufacturing method, this manufacturing data can group the spatial resolution layer-by-layer or point-by-point, for example. The conversion from the planning data records into the production data record takes place with the requirement that the volume of the foam body delimited by the area is completely built up or filled with cell structure elements whose geometry is in is defined in the second planning data record. In order to carry out this transformation from the planning data records into the production data record, a data specification can also be made that describes how the cell structure elements are to be arranged in relation to one another - for example which common surfaces, edges or corner points have adjacent cell structure elements.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Erstellung des Fertigungsdatensatzes vor und während des additiven Herstellungsvorgangs des Schaumkörpers erfolgt. Grundsätzlich kann der Fertigungsdatensatz vollständig vor Beginn des additiven Fertigungsvorgangs erzeugt werden und beinhaltet dann eine Definition der auszuhärtenden Bereiche jeder Schicht des schichtweisen Herstellungsverfahrens durch Rasterpunktdefinitionen in der jeweiligen Schicht. Der so erzeugte Fertigunsgdatensatz ist jedoch sehr groß und benötigt daher sowohl eine lange Erstellungsdauer als auch viel Speicherplatz. Alternativ bevorzugt kann daher nur ein Teil des oder ein erster Fertigungsdatensatz vor dem Beginn des additiven Herstellungsvorgangs erzeugt werden, beispielsweise der für die Herstellung der ersten drei Schichten benötigte (Teil des) Fertigungsdatensatz. Während der Herstellung der ersten drei Schichten 1-3 kann dann ein weiterer Teil des oder ein zweiter Fertigungsdatensatz erzeugt werden, beispielsweise der für die Schichten 4-6 benötigte (Teil des) Fertigungsdatensatz. Auf diese Weise können während der laufenden additiven Herstellung kontinuierlich mit einem ausreichenden Vorlauf die benötigten Teile des Fertigungsdatensatzes bzw. aufeinander aufbauenden Fertigungsdatensätze hergestellt werden. Hierdurch kann Rechenzeit für die Erstellung eingespart werden und, sofern bereits ausgeführte Teile des Fertigungsdatensatzes gelöscht werden, auch Speicherplatz eingespart werden. In this case, it is preferred if the production data record is created before and during the additive manufacturing process of the foam body. In principle, the production data record can be generated completely before the beginning of the additive manufacturing process and then contains a definition of the areas to be cured of each layer of the layered manufacturing process by grid point definitions in the respective layer. However, the production data set generated in this way is very large and therefore requires both a long creation time and a large amount of storage space. Alternatively, only a part of the or a first production data set can be generated before the start of the additive manufacturing process, for example the (part of) the production data set required for the production of the first three layers. During the production of the first three layers 1-3, a further part of or a second production data record can then be generated, for example the (part of) production data record required for layers 4-6. In this way, the required parts of the production data set or production data sets that build on one another can be produced continuously with a sufficient lead time during the ongoing additive production. In this way, computing time for the creation can be saved and, if parts of the production data record that have already been executed are deleted, storage space can also be saved.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumkörpers in einem additiven Herstellungsverfahren, mit den Schritten: (i) Erzeugen eines Fertigungsdatensatzes eines Schaumkörpers für ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere nach dem zuvor erläuterten Verfahren, und (ii) Herstellen des Schaumkörpers in einem additven Herstellungsverfahren anhad des Fertigungsdatensatzes. A further aspect of the invention is a method for producing a foam body in an additive manufacturing process, with the steps: (i) creating a production data set of a foam body for an additive manufacturing process, in particular according to the method explained above, and (ii) producing the foam body in one additive manufacturing process based on the manufacturing data set.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das Verfahren mit den Schritten: Herstellen des Schaumkörpers aus einer Vielzahl von untereinander verbundenen Zellstrukturelementen aufgebaut wird, wobei jedes Zellstrukturelement als ein sich von einem ersten Knotenpunkt zu einem zweiten Knotenpunkt erstreckender Balken aufgebaut wird und der Aufbau eines Zellstrukturements durch Einwirken eines gebündelten Energiestrahls wie eines Lasers entlang einer einzigen Linie auf ein Material, aus dem der Schaumkörper aufgebaut wird, erfolgt. Gemäß dieser Fortbildung wird der erfindungsgemäße Schaumstoff durch Energiestrahleinwirkung erzeugt, also beispielsweise durch Aufschmelzen eines zuvor zum Beispiel als homogene Pulverschicht aufgetragenen Materials oder durch Strahlungseinwirkung auf ein flüssiges, photopolmerisierbares Material. Dabei erfolgt die Lenkung des Strahls nicht in konventioneller Weise durch ein- oder mehrmaliges Umfahren der äußeren Kontur des Zellstrukturelements mit dem Energiestrahl zwecks Aushärten der Kontur und nachfolgendes rasterndes Abfahren des Innenbereichs der Kontur zwecks Aushärten der Innenbereichs. Stattdessen macht sich die Erfindung zu Nutzen, dass der Schaumkörper aus langen, dünnen Zellstrukturementen aufgebaut ist und die Oberflächenqualität dieser Zellstrukturemente nicht in besonderer Weise ausgebildet sein muss, da diese für die Funktion und das Aussehen des Schaumkörpers nicht von Bedeutung sind. Auf diese Weise kann der Schaumstoff wesentlich schneller hergestellt werden unter Inkaufnahme akzeptabler Einbußen der Oberflächenqualität der Zellstrukturelemente. It is preferred if the method is constructed with the following steps: producing the foam body from a large number of cell structure elements connected to one another, each cell structure element being constructed as a beam extending from a first node to a second node, and the construction of a cell structure element by action a focused beam of energy such as a laser along a single line onto a material from which the foam body is constructed, he follows. According to this development, the foam according to the invention is produced by the action of an energy beam, ie for example by melting a material previously applied, for example as a homogeneous powder layer, or by the action of radiation on a liquid, photopolymerizable material. The beam is not steered in the conventional manner by traversing the outer contour of the cell structure element once or several times with the energy beam for the purpose of curing the contour and then scanning the inner area of the contour for the purpose of curing the inner area. Instead, the invention makes use of the fact that the foam body is made up of long, thin cell structure elements and the surface quality of these cell structure elements does not have to be designed in a special way, since they are not important for the function and appearance of the foam body. In this way, the foam can be produced much more quickly while accepting acceptable losses in the surface quality of the cell structure elements.
Die Zellstrukturelemente werden daher durch Einwirken des Lasers entlang einer einzigen Linie ausgehärtet. Dabei kann der gebündelte Energiestrahl entlang der Linie kontinuierlich einwirken oder punktweise auf das Material einwirken, beispielsweise durch Pulsation des Energiestrahls, wenn die einzige Linie in einer einzigen Schichtebene des additiven Herstellungsverfahrens liegt. Sofern das Zellstrukturelement sich jedoch schräg zu den Ebenen der Schichten erstreckt und dementsprechend durch Aushärtung von Materialbereichen in mehr als einer Schicht ausgebildet wird, verläuft die einzige Linie , entlang der der Laserstrahl einwirkt, ebenfalls schräg zu den Schichtebenen und die Einwirkung des Lasers entlang dieser einzigen Linie erfolgt linienabschnittsweise Schicht für Schicht. The cell structure elements are therefore hardened along a single line by the action of the laser. The bundled energy beam can act continuously along the line or act on the material point by point, for example by pulsing the energy beam if the single line lies in a single layer plane of the additive manufacturing process. However, if the cell structure element extends obliquely to the planes of the layers and is accordingly formed by hardening of material areas in more than one layer, the only line along which the laser beam acts also runs obliquely to the layer planes and the action of the laser runs along this single one Line is made line section by line layer by layer.
Der Energiestrahl wird vorzugsweise auf der Mittellängsachse eines Zellstrukturements geführt, insbesondere indem der Fokuspunkt eines gegebenenfalls gebündelten Energiestrahls auf die Mittellängsachse des Zellstrukturements fokussiert wird und entlang dieser Mittellängsachse bewegt wird. Durch entsprechende Wahl der Fokuspunktgröße, Energie und Einwirkdauer des Energiestrahls kann dann eine gewünschte Stärke des Zellstrukturements erzeugt werden. Insbesondere kann die Energie oder Einwirkdauer und die Fokuspunktgröße des Energiestrahls so hoch eingestellt werden, dass durch eine Punkteinwirkung des Energiestrahls das Zellstrukturelement in der entsprechenden Schicht vollständig über seinen gesamte Querschnitt ausgehärtet wird, um hierdurch schnell und effizient ein Zellstrukturelement in einer gewünschten Stärke aufzubauen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung eines Schaumkörpers der zuvor beschriebenen Art oder eines Schaumkörpers, der mit dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt wurde, als Sitzpolster oder Rückenlehnenpolster eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes, orthopädische Sitzkissen. Für diese Art der Anwendung eignet sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und der erfindungsgemäße Schaumkörper besonders gut, weil bei solchen Anwendungen unterschiedliche Eigenschaften in lokal unterschiedlichen Bereichen vorteilhaft sind, um ein angenehmes Nutzungsverhalten für den Benutzer des Sitzes zu erreichen. The energy beam is preferably guided along the central longitudinal axis of a cell structure element, in particular by the focal point of an optionally bundled energy beam being focused on the central longitudinal axis of the cell structure element and being moved along this central longitudinal axis. A desired thickness of the cell structure element can then be generated by appropriate selection of the focal point size, energy and exposure time of the energy beam. In particular, the energy or exposure time and the focus point size of the energy beam can be set so high that the cell structure element in the corresponding layer is completely cured over its entire cross section through a point effect of the energy beam, in order to quickly and efficiently build up a cell structure element with a desired thickness. A further aspect of the invention is the use of a foam body of the type described above or a foam body produced using the production method described above as a seat cushion or backrest cushion of a seat, in particular a vehicle seat, orthopedic seat cushion. The production method according to the invention and the foam body according to the invention are particularly well suited for this type of application, because in such applications different properties in locally different areas are advantageous in order to achieve pleasant usage behavior for the user of the seat.
Schließlich ist ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Computerprogrammprodukt, umfassend Daten, die, wenn sie auf einem Steuerungsrechner einer additiven Fertigungseinrichtung ausgeführt werden, die Herstellung eines Schaumkörpers auf der additiven Fertigungseinrichtung steuern. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt stellt einen Datensatz dar, der zur Steuerung der Fertigung einer additiven Fertigungsvorrichtung geeignet ist. Dabei kann es sich einerseits um die bereits zur direkten Steuerung der Fertigungseinrichtung geeigneten Fertigungsdaten handeln, andererseits auch um die Planungsdaten aus einem digitalen Planungsprozess einer solchen Planungssoftware, die in der Regel noch solcherart kombiniert werden muss, um hieraus Fertigungsdaten für eine additive Fertigungseinrichtung zu erzeugen. Das Computerprogrammprodukt zeichnet sich dadurch aus, dass die Daten Zellstrukturelemente beschreiben, die den zuvor beschriebenen Zellstrukturelementen des erfindungsgemäßen Schaumstoffs entsprechend und folglich, wenn sie auf einem Rechner, der eine additive Fertigungseinrichtung steuert, ausgeführt werden, gegebenenfalls nach entsprechender Kompilierung, auf der additiven Fertigungseinrichtung einen solchen Schaumstoff produzieren. Finally, a further aspect of the invention is a computer program product comprising data which, when executed on a control computer of an additive manufacturing device, controls the production of a foam body on the additive manufacturing device. The computer program product according to the invention represents a data record that is suitable for controlling the manufacture of an additive manufacturing device. On the one hand, this can be the production data that is already suitable for direct control of the production facility, and on the other hand, it can also be the planning data from a digital planning process of such planning software, which usually has to be combined in such a way in order to generate production data for an additive production facility. The computer program product is characterized in that the data describe cell structure elements that correspond to the previously described cell structure elements of the foam according to the invention and, consequently, if they are executed on a computer that controls an additive manufacturing device, optionally after appropriate compilation, on the additive manufacturing device produce such foam.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Darin zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained with reference to the accompanying figures. Show in it:
Fig. 1 einen schematischen Ablauf eines Herstellungsverfahrens des Schaumkörpers nach einer Ausführungsform der Erfindung, 1 shows a schematic sequence of a production process for the foam body according to one embodiment of the invention,
Fig. 2a-j zehn mögliche Varianten von Schaumzellen eines Schaumkörpers nach der Erfindung, 2a-j ten possible variants of foam cells of a foam body according to the invention,
Fig. 3a-r achtzehn mögliche Varianten ... Geometrie einer Schaumzelle eines Schaumkörpers gemäß der Erfindung, Fig. 4a, b zwei Ansichten einer bevorzugten Geometrie einer Schaumzelle für einen Schaumkörper nach der Erfindung, Fig. 3a-r eighteen possible variants ... geometry of a foam cell of a foam body according to the invention, 4a, b two views of a preferred geometry of a foam cell for a foam body according to the invention,
Fig. 5a eine Ansicht der Zellstrukturelemente einer Schaumzelle gemäß den Figuren 4a, b mit eingetragenen Geometrieparametern, 5a shows a view of the cell structure elements of a foam cell according to FIGS. 4a, b with geometry parameters entered,
Fig. 5b eine perspektivische Ansicht der Zellstrukturelemente der Schaumzelle gemäß Fig. 4a, b, 5b shows a perspective view of the cell structure elements of the foam cell according to FIGS. 4a, b,
Fig. 6a, b, c eine numerische Simulation der Verformung einer Schaumzelle unter vertikaler Last in Draufsicht, Seitenansicht und perspektivischer Ansicht in einer FEM-Modellierung mit Darstellung der Bauteilverschiebung, 6a, b, c a numerical simulation of the deformation of a foam cell under vertical load in top view, side view and perspective view in an FEM modeling with representation of the component displacement,
Fig. 7 Darstellung von Testmodellen zur Ermittlung der Schaumeigenschaften 7 Representation of test models for determining the foam properties
Fig. 8 ein Kraft-Weg-Diagramm mit darin eingetragenen Kraft-Weg-Kurvenver- läufen eines konventionellen Schaumwürfels und einem Schaumkörper mit Schaumzellen gemäß Fig. 5a, b, 8 shows a force-displacement diagram with force-displacement curves entered therein for a conventional foam cube and a foam body with foam cells according to FIGS. 5a, b,
Fig. 9 ein Kraft-Weg-Diagramm von Schaumkörpern gemäß mit drei unterschiedlichen Strebendicken. 9 shows a force-displacement diagram of foam bodies according to with three different strut thicknesses.
Bezugnehmend zunächst auf Fig. 1 erfolgt die Herstellung eines Schaumkörpers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in mehreren aufeinander folgenden Schritten: in Schritt A wird die äußere und innere Geometrie des Schaumkörpers in einem konstruktiven Planungsprozess festgelegt. Hierbei werden die gewünschten äußeren Abmessungen des Schaumkörpers bestimmt, wie dies für jede Produktion eines Produkts in einem urformenden oder spanenden Fertigungsverfahren auch notwendig ist. Dies kann beispielsweise in einem CAD-Prozess erfolgen. Ergebnis dieser Planung sind einerseits äußere Begrenzungsflächen, Eckpunkte und Begrenzungskanten des herzustellenden Schaumkörpers. Darüber hinaus können in diesem Planungsprozess Bereiche innerhalb des Schaumkörpers festgelegt werden, die mit bestimmten mechanischen Eigenschaften des Schaums ausgeführt sein sollen. Der Planungsprozess gemäß Schritt A umfasst weiterhin die Auswahl eines geeigneten Schaumzellentyps für den Schaumkörper oder mehrerer unterschiedlicher geeigneter Schaumzellentypen für den Schaumkörper, sofern dieser unterschiedliche Bereiche aufweist, in denen unterschiedliche Eigenschaften des Schaums vorgesehen sind. Bei diesem Planungsvorgang wird eine Schaumzellgeometrie ausgewählt, beispielsweise ein abgestumpftes Oktaeder, dessen Abmessungen hinsichtlich der Größe der Schaumzelle und es werden die geometrischen Abmessungen der Zellstrukturelemente, welche diese Schaumzelle bilden, geometrisch exakt definiert. Dies kann beispielsweise durch Auswahl der Eckpunkte einer solchen Schaumzelle und der diese Eckpunkte verbindenden Streben sowie der Dicke dieser Streben erfolgen. Bei anderen Schaumzellgeometrien können auch Wandverläufe, Wandstärken und dergleichen in diesem Planungsteil vorbestimmt werden. Referring initially to FIG. 1, a foam body is produced according to the method according to the invention in several successive steps: in step A, the outer and inner geometry of the foam body is defined in a constructive planning process. Here, the desired outer dimensions of the foam body are determined, as is also necessary for each production of a product in a primary forming or machining manufacturing process. This can be done in a CAD process, for example. The results of this planning are, on the one hand, outer boundary surfaces, corner points and boundary edges of the foam body to be produced. In addition, areas within the foam body can be defined in this planning process, which should be designed with specific mechanical properties of the foam. The planning process according to step A also includes the selection of a suitable foam cell type for the foam body or several different suitable foam cell types for the foam body, provided that it has different areas in which different properties of the foam are provided. In this planning process, a foam cell geometry is selected, for example a truncated octahedron, whose dimensions are geometrically precisely defined with regard to the size of the foam cell and the geometric dimensions of the cell structure elements which form this foam cell. This can be done, for example, by selecting the corners of such a foam cell and the struts connecting these corners and the thickness of these struts. In the case of other foam cell geometries, wall profiles, wall thicknesses and the like can also be predetermined in this planning section.
Ausgehend von dieser geometrischen Planung des Schaumkörpers erfolgt dann in einem nachfolgenden Schritt B aus den Planungsdaten nach Schritt A die vollständige geometrische Beschreibung des Schaumkörpers anhand von geometrischen Daten. Diese geometrischen Daten beschreiben sämtliche Materialvolumeninhalte des Schaumkörpers, also alle Volumenanteile, an denen während des Fertigungsprozesses Additivmaterial zu platzieren und auszuhärten ist, um den Schaumkörper aufzubauen. Dieser Planungsschritt kann häufig in Teil- oder vollautomatisierten Berechnungsabläufen erfolgen, da für den gesamten Schaumkörper oder zumindest für Bereiche mit übereinstimmenden mechanischen Parametern auch übereinstimmende Schaumzellgeometrien eingeplant werden und daher diese Bereiche digital automatisiert in den Planungsprozess auch mit entsprechend übereinstimmenden Schaumzellen geplant werden können. Ergebnis dieses Planungsschrittes B ist ein Datensatz, in dem die äußere und innere Geometrie des Schaumkörpers vollständig festgelegt ist. Dieser Datensatz kann entweder direkt als Fertigungsdatensatz für die Steuerung einer additiven Fertigungseinrichtung verwendet werden oder wird zu diesem Zweck noch transformiert, beispielsweise kompiliert, um hieraus die notwendigen Steuerungsbefehle für die additive Fertigungseinrichtung zu erzeugen. Fertigungsschritt B umfasst oftmals auch bestimmte Fertigungsstrategien, die spezifisch für das eingesetzte additive Herstellungsverfahren sind. So können beispielsweise Hilfsstützelemente, welche die verzugsfreie Fertigung des Schaumkörpers in dem additiven Herstellungsverfahren unterstützen, eingeplant werden öder es kann eine Ausrichtung, Abstützung des Schaumkörpers auf einer Bauplattform geplant werden, welche eine hohe Fertigungspräzision und -auflösung sowie eine leichte Ablö- sung des Schaumkörpers von der Bauplattform ermöglicht. Weiterhin können Fertigungsparameter, welche eine Belichtungsstrategie definieren, in diesen Planungsschritt in die Fertigungsdaten einfließen. Based on this geometric planning of the foam body, the complete geometric description of the foam body then takes place in a subsequent step B from the planning data after step A using geometric data. These geometric data describe all material volume contents of the foam body, ie all volume fractions on which additive material is to be placed and cured during the manufacturing process in order to build up the foam body. This planning step can often be carried out in partially or fully automated calculation processes, since matching foam cell geometries are also planned for the entire foam body or at least for areas with matching mechanical parameters and therefore these areas can also be planned digitally automated in the planning process with correspondingly matching foam cells. The result of this planning step B is a data set in which the outer and inner geometry of the foam body is fully defined. This data record can either be used directly as a production data record for controlling an additive manufacturing device or is also transformed for this purpose, for example compiled, in order to generate the necessary control commands for the additive manufacturing device from it. Manufacturing step B often also includes certain manufacturing strategies that are specific to the additive manufacturing process used. For example, auxiliary support elements, which support the distortion-free production of the foam body in the additive manufacturing process, can be planned, or an alignment, support of the foam body on a construction platform can be planned, which ensures high production precision and resolution as well as easy detachment. solution of the foam body from the construction platform. Furthermore, production parameters that define an exposure strategy can flow into the production data in this planning step.
Die Fertigungsdaten aus Schritt B werden nachfolgend an eine additive Fertigungseinrichtung übermittelt. Dies kann beispielsweise eine 3D-Druckvorrichtung sein, eine Stereolithographievorrichtung, eine SLS/SLM-Fertigungseinrichtung oder eine sonstige Vorrichtung für eine additive Herstellung/ Rapid Prototyping, wie zuvor erläutert. Der Schaumkörper wird dann anhand der Fertigungsdaten aus Schritt B in dieser additiven Fertigungseinrichtung in einem Schritt C schrittweise aufgebaut. Dies kann durch schichtweises oder punktweises Hinzufügen und Aushärten von Materialanteilen in den geplanten Volumenanteilen des Schaumkörpers erfolgen. The manufacturing data from step B are subsequently transmitted to an additive manufacturing facility. This may be, for example, a 3D printing device, a stereolithography device, an SLS/SLM manufacturing facility, or other additive manufacturing/rapid prototyping device, as discussed above. Using the manufacturing data from step B, the foam body is then built up step by step in step C in this additive manufacturing device. This can be done by adding layers or points and curing of material portions in the planned volume portions of the foam body.
Dabei werden in diesem additiven Herstellungsvorgang sämtliche Schaumzellen und sämtliche ggf. unterschiedlichen Bereiche des Schaumkörpers in einem zusammenhängenden Fertigungsvorgang ausgeführt und hergestellt. In this additive manufacturing process, all of the foam cells and all of the possibly different areas of the foam body are designed and manufactured in a coherent manufacturing process.
In einem nachfolgenden Nachbearbeitungsschritt D wird der hergestellte Schaumkörper aus der additiven Fertigungseinrichtung entnommen, nachdem dieser dort fertiggestellt wurde. Dies beinhaltet gegebenenfalls eine Ablösung von der Bauplattform, eine Abtrennung von Hilfsstrukturen und ein Nachbelichten zur vollständigen Aushärtung und Herstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften. Weitere Nachbehandlungsschritte können durch Strahlbehandlungen mit abrasivem Strahlgut, Verschleifen von äußeren Unebenheiten oder dergleichen zur Herstellung ganz bestimmter gewünschter Eigenschaften auch in diesem Nachbehandlungsschritt D erfolgen. Ergebnis ist ein in seinen äußeren Maßen fertiggestellter Schaumkörper mit gezielt hergestellten mechanischen Eigenschaften in gegebenenfalls unterschiedlichen Bereichen des Schaumkörpers, der unmittelbar als Schaumkörper für ein Produkt eingesetzt werden kann. In a subsequent post-processing step D, the foam body produced is removed from the additive manufacturing device after it has been completed there. If necessary, this includes detachment from the construction platform, separation of auxiliary structures and post-exposure for complete curing and production of the desired mechanical properties. Further post-treatment steps can also be carried out in this post-treatment step D by blasting with abrasive blasting material, grinding off external unevenness or the like to produce very specific desired properties. The result is a foam body that is finished in its external dimensions and has mechanical properties that are produced in a targeted manner in possibly different areas of the foam body, which can be used directly as a foam body for a product.
Fig. 2 zeigt zehn Varianten möglicher Schaumzellgeometrien. Diese Schaumzellen sind aus Zellstrukturelementen aufgebaut, die als Streben, Balken, Wände ausgebildet sind. Dabei ist bei den Varianten c und e zu verstehen, dass sich diese einerseits hinsichtlich des Hohlraums unterscheiden, der bei Variante c mit einem ovalen Querschnitt und bei Variante e mit kreisförmigen Querschnitten ausgebildet ist, andererseits hinsichtlich der geometrischen Abmessungen, wobei anzumerken ist, dass bei Variante e als Schaumzelle auch ein Abschnitt des dort gezeigten Würfels angesetzt werden könnte, der lediglich einen der zwölf abgebildeten Hohlräume aufweist. Hinsichtlich der Varianten a, b, d, f-j ist anzumerken, dass die dort gezeigten Schaumzellen mit der abgebildeten oberen und unteren Plattenstruktur oder ohne diese ausgeführt werden können. Diese Plattenstruktur kann ein Zellstrukturelement der entsprechenden Schaumzelle sein, sie kann jedoch auch entfallen, wodurch die dann verbleibenden Zellstrukturelemente der Schaumzelle als direkt miteinander verbundene Zellstrukturelemente benachbarter Schaumzellen den Schaumkörper ausbilden können. 2 shows ten variants of possible foam cell geometries. These foam cells are made up of cell structure elements that are designed as struts, beams and walls. In the case of variants c and e, it should be understood that they differ on the one hand with regard to the cavity, which is designed with an oval cross section in variant c and with circular cross sections in variant e, and on the other hand with regard to the geometric dimensions, it being noted that in Variant e could also be used as a foam cell, a section of the cube shown there, which only has one of the twelve cavities shown. With regard to variants a, b, d, fj, it should be noted that the foam cells shown there can be designed with or without the upper and lower plate structure shown. This plate structure can be a cell structure element of the corresponding foam cell, but it can also be omitted, as a result of which the remaining cell structure elements of the foam cell can form the foam body as directly connected cell structure elements of adjacent foam cells.
Die in Fig. 2 gezeigten Schaumzelltypen weisen mit Ausnahme des Typs b und i anisotrope mechanische Eigenschaften auf, verhalten sich also in unterschiedlichen Raumrichtungen mechanisch voneinander unterschiedlich. Dies kann gezielt dazu genutzt werden, um einen Schaumkörper herzustellen, der ebenfalls solche anisotropen, gerichteten Eigenschaften aufweist. With the exception of type b and i, the foam cell types shown in FIG. 2 have anisotropic mechanical properties, ie they behave mechanically differently from one another in different spatial directions. This can be used specifically to produce a foam body that also has such anisotropic, directional properties.
Fig. 3 zeigt demgegenüber Schaumzelltypen, die ein isotropes Verhalten aufweisen und entsprechend zum Aufbau eines Schaumkörpers mit isotropen Materialeigenschaften eingesetzt werden können. Bei den abgebildeten Schaumzellen handelt es sich um: a) Tetraeder, b) Würfel (Hexaeder), c) Oktaeder, d) Dodekaeder, e) Ikosaeder, f) abgestumpftes Tetraeder, g) abgestumpftes Hexaeder, h) abgestumpftes Oktaeder i) abgestumpftes Dodekaeder, j) abgestumpftes Ikosaeder k) Kuboktaeder, I) Rhombenkuboktaeder, m) abgestumpftes Kuboktaeder, n) abgeschrägtes Hexaeder, o) Ikosidodekaeder, p) Rhombenikoi- sidodekaeder, q) abgestumpftes Ikosidodekaeder, r) abgeschrägtes Dodekaeder. Grundsätzlich ist zu verstehen, dass ein Schaumkörper aus Schaumzellen mit diesen Geometrien hergestellt werden kann. In contrast, FIG. 3 shows types of foam cells which exhibit isotropic behavior and can accordingly be used to construct a foam body with isotropic material properties. The foam cells shown are: a) tetrahedron, b) cube (hexahedron), c) octahedron, d) dodecahedron, e) icosahedron, f) truncated tetrahedron, g) truncated hexahedron, h) truncated octahedron i) truncated dodecahedron , j) truncated icosahedron k) cuboctahedron, I) rhombicuboctahedron, m) truncated cuboctahedron, n) truncated hexahedron, o) icosidodecahedron, p) rhombicicoisidodecahedron, q) truncated icosidodecahedron, r) truncated dodecahedron. In principle, it should be understood that a foam body can be produced from foam cells with these geometries.
Abbildung 4a, b zeigt ein abgestumpftes Oktaeder, das sich nach Erkenntnis der Erfinder aufgrund der relativ einfachen Geometrie und einer guten Möglichkeit, eine solche Schaumzellgeometrie in einem CAD-Modell zu parametrisieren, als Schaumzelle, die in Anlehnung an einen solchen Oktaeder-Stumpf konstruiert ist, eignet. Abbildung 4b zeigt hierbei die Zellstrukturelemente in Form von Streben 1 , 2, die entlang der Kanten dieses Oktaeder-Stumpfs verlaufen, mit als Kugeln dargestellten Knotenpunkten 3. Figure 4a, b shows a truncated octahedron which, according to the inventors, is a foam cell constructed based on such a truncated octahedron due to the relatively simple geometry and a good opportunity to parameterize such a foam cell geometry in a CAD model , suitable. Figure 4b shows the cell structure elements in the form of struts 1, 2, which run along the edges of this truncated octahedron, with nodes 3 shown as spheres.
In Abbildung 5a, b sind Zellstrukturelemente 10 einer solchen Schaumzelle 50 dargestellt und hinsichtlich der wichtigsten geometrischen Parameter bezeichnet. Hierbei stellt Cell structure elements 10 of such a foam cell 50 are shown in FIGS. 5a, b and labeled with regard to the most important geometric parameters. In this case
H die maximale Höhe, Länge und Breite der Schaumzelle dar, aufgrund der Isotropie der hier dargestellten Schaumzelle sind diese drei Maße übereinstimmend. D stellt den Durchmesserder Streben dar, die entlang der Kanten der Schaumzelle verlaufen und welche die Zellstrukturelemente der Schaumzelle darstellen. H represents the maximum height, length and width of the foam cell, due to the isotropy of the foam cell shown here these three dimensions are the same. D represents the diameter of the struts that run along the edges of the foam cell and which are the cellular structural elements of the foam cell.
B stellt den Abstand der Eckpunkte des inneren Quadrates des Oktaeder-Stumpfes zueinander dar, dieser Geometrieparameter wird durch die Kappungshöhe, an welcher der Oktaeder zum Stumpf gekappt wurde, bestimmt. B represents the distance between the corner points of the inner square of the truncated octahedron, this geometry parameter is determined by the clipping height at which the octahedron was clipped to the truncated.
Zu erkennen ist in Fig. 5a, b, dass die Zellstrukturelemente an den Kontaktbereichen 30a- e zu benachbarten Schaumzellen in Erstreckungsrichtung der Zellstrukturelemente halbiert, also somit halber Wandstärke ausgeführt sind. Dies ergibt einen halbierten Querschnitt der Zellstrukturelemente, die hier also im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet sind. It can be seen in FIGS. 5a, b that the cell structure elements are halved at the contact areas 30a-e to adjacent foam cells in the direction of extension of the cell structure elements, that is to say they are designed with half the wall thickness. This results in a halved cross-section of the cell structure elements, which are thus formed here in a semi-circular cross-section.
In diesen Kontaktbereichen werden im späteren Schaumkörper zwei benachbarte Schaumzellen direkt aneinanderstoßen, sodass durch die dort aufeinander gefügten, wiederum im Querschnitt halbierten Zellstrukturelemente der benachbarten Schaumzelle dann eine im Querschnitt vollständige, hier also im Querschnitt kreisförmige, Strebe erzeugt wird. Auf diese Weise wird die in Fig. 5a, b abgebildete Schaumzelle als Elementarzelle nutzbar, die beliebig vervielfältigt und neben- und aufeinandergereiht werden kann, um hieraus einen Schaumkörper mit entsprechenden Schaumzellen aufzubauen. In these contact areas, two adjacent foam cells will abut one another directly in the later foam body, so that the cell structure elements of the adjacent foam cell that are joined together there and are again halved in cross-section then produce a strut that is complete in cross-section, i.e. circular in cross-section here. In this way, the foam cell shown in FIGS. 5a, b can be used as an elementary cell, which can be duplicated as desired and lined up next to and on top of one another in order to build up a foam body with corresponding foam cells.
Es ist zu verstehen, dass bei abweichender Querschnittsgeometrie der Zellstrukturelemente dieses Prinzip beibehalten werden kann, beispielsweise kann bei quadratischer Querschnittsgeometrie der Zellstrukturelemente eine rechteckige Querschnittsgeometrie in den Grenzflächen zu benachbarten Schaumzellen mit halbierter Seitenlänge des Rechtecks im Vergleich zur Quadratkantenlänge oder eine dreieckige Querschnittsgeometrie der Streben vorgesehen werden, um wiederum eine Elementarzelle zu definieren, die sich zur Aneinanderreihung beliebig vieler Schaumzellen eignet. It should be understood that this principle can be retained if the cross-sectional geometry of the cell structure elements differs, for example, with a square cross-sectional geometry of the cell structure elements, a rectangular cross-sectional geometry in the interfaces to adjacent foam cells with half the side length of the rectangle compared to the square edge length or a triangular cross-sectional geometry of the struts can be provided , in order to define a unit cell that is suitable for stringing together any number of foam cells.
Eine Schaumzelle der in Fig. 5a, b abgebildeten Struktur kann beispielsweise mit einer Höhe, Länge und Breite ausgeführt werden, die im Bereich zwischen 2 und 10 mm liegt, vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 7 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 5 mm +/- 0,5 mm. Die Dicke der Streben kann hierbei zwischen 0,5 und 2 mm variiert werden, vorzugsweise im Bereich von 0,7 bis 1 ,2 mm, insbesondere ist eine Strebendicke von 1 mm +/- 0,1 mm bevorzugt. Mit diesen Abmessungen lässt sich eine Schaumzelle erzeugen, aus der ein Schaumkörper produziert werden kann, der für typische Schaumkörperanwendungen ein homogenes, gegenüber den auftretenden Belastungen über die Fläche gleichmäßiges mechanisches Verhalten erzeugt. A foam cell of the structure shown in Fig. 5a,b can be designed, for example, with a height, length and width in the range between 2 and 10 mm, preferably in the range between 3 and 7 mm, particularly preferably in the range of 5 mm+ // 0.5mm. The thickness of the struts can be varied between 0.5 and 2 mm, preferably in the range from 0.7 to 1.2 mm, with a strut thickness of 1 mm +/- 0.1 mm being particularly preferred. With these dimensions, a foam cell can be created from which a foam body can be produced that, for typical foam body applications, generates a homogeneous mechanical behavior that is uniform over the surface in relation to the loads that occur.
Fig. 6 zeigt in einer Draufsicht (a), einer Seitenansicht (b) und einer perspektivischen Ansicht (c) die Verformung einer solchen Schaumzelle bei Belastung in vertikaler Richtung. Zu erkennen ist, dass die Schaumzelle sich unter teilweiser Biegung, Längung und Stauchung der Streben elastisch oder je nach Materialwahl viskoelastisch verformen lässt. Die hierbei auftretenden Materialbeanspruchungen sind im Wesentlichen gleichmäßig über das Materialvolumen verteilt, wodurch Spannungsspitzen, die zum Versagen der Zellstrukturelemente führen würden, vermieden werden. 6 shows, in a top view (a), a side view (b) and a perspective view (c), the deformation of such a foam cell when loaded in the vertical direction. It can be seen that the foam cell can be deformed elastically or, depending on the choice of material, viscoelastically with partial bending, elongation and compression of the struts. The material stresses occurring here are distributed essentially evenly over the material volume, as a result of which stress peaks, which would lead to the failure of the cell structure elements, are avoided.
Fig. 7 zeigt sechs Schaumkörper, die aus geometrisch übereinstimmenden Schaumzellen hergestellt aufgebaut sind, sich aber in der Strebendicke voneinander unterscheiden. Von rechts nach links weisen die Schaumkörper eine Strebendicke von 0,7mm, 0,9mm, 1 mm, 1 ,1 mm, 1 ,3mm und 1 ,5mm auf. FIG. 7 shows six foam bodies that are made up of foam cells that are geometrically identical, but differ from one another in the thickness of the struts. From right to left, the foam bodies have a strut thickness of 0.7 mm, 0.9 mm, 1 mm, 1.1 mm, 1.3 mm and 1.5 mm.
Fig. 8 zeigt das Kraft (y-Achse) - Dehnungsverhalten (x-Achse) eines Schaumkörpers, der aus der Schaumzelle gemäß Fig. 5a mit einer Schaumzelle, die eine Länge, Breite und Höhe von 5 mm und eine Strebendicke von 0,7 mm aufweist, erreicht wird (obere Kurve) und im Vergleich hierzu das Kraft-Dehnungs-Verhalten eines konventionell hergestellten Schaumkörpers (untere Kurve). Zu diesem Zweck wurde ein Schaumkörper hergestellt, der eine quadratische Außengeometrie aufweist und aus insgesamt 125 Schaumzellen dieses Typs besteht, mit einer Kantenläng von 25 mm, wie in Fig. 7 links abgebildet. Fig. 8 shows the force (y-axis) - extension behavior (x-axis) of a foam body from the foam cell according to FIG. 5a with a foam cell having a length, width and height of 5 mm and a strut thickness of 0.7 mm is achieved (upper curve) and in comparison to this the force-strain behavior of a conventionally produced foam body (lower curve). For this purpose, a foam body was produced which has a square outer geometry and consists of a total of 125 foam cells of this type with an edge length of 25 mm, as shown on the left in FIG.
Wie aus der zu erkennen ist, werden mit einem Schaumkörper des erfindungsgemäßen Typs, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ein Kraft-Weg-Verhal- ten - erreicht, das einem konventionellen Schaumwürfel mit einer Stauchhärte von mehr als 2kPa, mehr als 3kPa und bevorzugt mehr als 5kPa und einer Stauchhärte von weniger als 20kPa, weniger als 15kPa und bevorzugt weniger als 13kPa nach DIN EN ISO 3386-1 , vergleichbar ist. As can be seen from the can be with a foam body of the type according to the invention, which was produced with the method according to the invention, a force-displacement behavior - th achieved that a conventional foam cube with a compressive strength of more than 2kPa, more than 3kPa and preferably more than 5kPa and a compression hardness of less than 20kPa, less than 15kPa and preferably less than 13kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
Fig. 9 zeigt den Kraft-Dehnungsverlauf für Schaumkörper, die aus Schaumzellen mit drei unterschiedlichen Strebendicken ausgeführt sind. Dabei sind die sechs untersten Kurvenverläufe für einen Schaumkörper mit einer Strebendicke von 0,8 mm erfasst worden und zeigen einerseits die gute Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften in dem er- findungsgemäßen Herstellungsverfahren, andererseits den mit dieser geringen Strebendicke erreichbaren hohen Verformungsgrad bei niedriger Krafteinwirkung. Dieser Schaumkörper weist eine Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 von 3,3kPa auf. 9 shows the force-strain curve for foam bodies made from foam cells with three different strut thicknesses. The six lowest curves for a foam body with a strut thickness of 0.8 mm were recorded and show on the one hand the good reproducibility of the mechanical properties in the inventive manufacturing process, on the other hand, the high degree of deformation that can be achieved with this small strut thickness with low force. This foam body has a compressive strength of 3.3 kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
Die sechs mittleren Kurvenverläufe zeigen das Kraft-Dehnungsverhalten eines Schaumkörpers mit einer Strebendicke von 0,9 mm bei ansonsten gleicher Schaumzellgeometrie wie bei dem unteren Kurvenverlauf. Zu erkennen ist, dass durch die Anhebung der Strebendicke um 0,1 mm eine etwa halbierte Verformung erreicht wird, bzw. für eine gleiche Verformung eine doppelt so hohe Krafteinwirkung auf den Schaumkörper notwendig ist. Dieser Schaumkörper weist eine Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 von 5,2kPa auf. The six curves in the middle show the force-strain behavior of a foam body with a strut thickness of 0.9 mm with otherwise the same foam cell geometry as in the lower curve. It can be seen that by increasing the thickness of the struts by 0.1 mm, the deformation is roughly halved, or that twice as much force is required on the foam body for the same deformation. This foam body has a compressive strength of 5.2 kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
Die sechs oberen Kraft-Dehnungskurven wurden an einem Schaumkörper mit wiederum gleicher Schaumzellgeometrie bei einer Strebendicke von 1 mm aufgenommen. Zu erkennen ist eine gegenüber dem mittleren Kurvenverlauf wiederum etwa verdoppelte Härte des Schaums, das heißt, für den gleichen Verformungsgrad muss eine gegenüber dem mittleren Kurvenverlauf etwa doppelt so hohe Kraft aufgebracht werden und gegenüber dem unteren Kurvenverlauf mit Strebendicke 0,8 eine etwa vierfach höhere Kraft. Dieser Schaumkörper weist eine Stauchhärte nach DIN EN ISO 3386-1 von 9,2kPa auf. The six upper force-strain curves were recorded on a foam body with the same foam cell geometry and a strut thickness of 1 mm. It can be seen that the hardness of the foam is twice as high as that of the middle curve, i.e. for the same degree of deformation, a force that is about twice as high as that of the middle curve has to be applied and that of the lower curve with a strut thickness of 0.8, a force that is about four times higher . This foam body has a compressive strength of 9.2 kPa according to DIN EN ISO 3386-1.
Die erfindungsgemäßen Schaumkörper können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Grundsätzlich eignen sich hierzu beispielsweise Polyurethane oder thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis. Solche TPU-Materialien sind beispielsweise für das additive Herstellungsverfahren im Pulverbettverfahren (SLS) verfügbar unter der Handelsbezeichnung LUVOSINT X92A-1 in zwei unterschiedlichen Shore-A-Härten (Kennung A-2 für 92ShoreA; Kennung WT für 97ShoreA. Diese Materialien eignen sich für ein werkstoffliches Recycling, da sie thermoplastisch sind und können daher zu 100 % vollwertig nach Ablauf ihrer Benutzungsdauer umweltverträglich recycelt werden. Sie sind insbesondere deshalb recycelbar als Duromere, die durch ihre chemische Vernetzung nicht werkstofflich recycelt werden können. The foam bodies according to the invention can be produced from different materials. In principle, for example, polyurethanes or thermoplastic elastomers based on urethane are suitable for this purpose. Such TPU materials are available, for example, for the additive manufacturing process in the powder bed process (SLS) under the trade name LUVOSINT X92A-1 in two different Shore A hardnesses (identifier A-2 for 92ShoreA; identifier WT for 97ShoreA. These materials are suitable for a Mechanical recycling, since they are thermoplastic and can therefore be fully recycled in an environmentally friendly manner at the end of their useful life.
Die Einsatzbereiche des erfindungsgemäßen Schaumkörpers reichen von Polstermaterial für die Möbel- und Automobilindustrie, insbesondere für Polstermöbel, Autositze oder Matratzenschaum über Reinigungsschwämme, Filtermaterial, Dämmmaterial. The areas of application of the foam body according to the invention range from upholstery material for the furniture and automotive industry, in particular for upholstered furniture, car seats or mattress foam, to cleaning sponges, filter material, insulating material.
Grundsätzlich ist zu verstehen, dass der erfindungsgemäße Schaumkörper alleinig aus Schaumzellen aufgebaut werden kann, wie dies zuvor beschrieben ist. Aufgrund der freien Planbarkeit der inneren und äußeren Geometrie eines solchen Schaumkörpers können jedoch auch den Schaumkörper durchdringende oder in diesen Schaumkörperteilweise oder vollständig eingesetzte zusätzliche Bauelemente integriert werden, indem diese als die Schaumzellen durchdringende oder neben diesen Schaumzellen vorbeilaufende Strukturen beim Planungsprozess berücksichtigt werden. Diese zusätzlichen Bauelemente werden dann direkt in den Fertigungsdaten des Schaumkörpers mitberücksichtigt und können folglich in additiven Herstellungsverfahren in einem Fertigungsgang mit den Schaumzellen des Schaumkörpers gleichzeitig gefertigt werden. In principle, it should be understood that the foam body according to the invention can be made up solely of foam cells, as has been described above. Because of the free Plannability of the inner and outer geometry of such a foam body can, however, also be integrated through the foam body or in this foam body partly or completely inserted additional components by these as the foam cells penetrating or structures running past these foam cells are taken into account in the planning process. These additional components are then directly taken into account in the manufacturing data of the foam body and can consequently be manufactured simultaneously with the foam cells of the foam body in additive manufacturing processes in one manufacturing step.
Als solche Strukturen kommen beispielsweise rohrförmige Leitungen, die sich als Kabelkanal, Luftleitungskanal oder Fluidleitungskanal verwenden lassen, in Betracht. Hierdurch können belüftete, gekühlte, beheizte Sitzkissen ausgeführt werden oder elektrische Leitungen durch solche Sitzkissen geführt werden, die als erfindungsgemäßer Schaumkörper hergestellt worden sind. Darüber hinaus können auch komplexe Bauelemente im additiven Herstellungsverfahren integral innerhalb oder teilweise innerhalb des erfindungsgemäßen Schaumkörpers in einem Arbeitsgang mit den Schaumzellen gefertigt werden. So sind verschiedene Methoden bekannt, um mechanische Elemente auch aus unterschiedlichen Materialien in bestimmten additiven Herstellungsverfahren herzustellen, einschließlich dabei hergestellter elektrischer Leitungen, Schaltungen und elektronischer Bauelemente. Auf diese Weise können folglich Bauelemente wie Lautsprecher oder Beleuchtungseinrichtungen in den erfindungsgemäßen Schaumkörper integriert werden. For example, tubular lines, which can be used as cable ducts, air ducts or fluid ducts, come into consideration as such structures. In this way, ventilated, cooled, heated seat cushions can be implemented or electrical lines can be routed through such seat cushions that have been produced as a foam body according to the invention. In addition, complex components can also be manufactured integrally within or partially within the foam body according to the invention in one operation with the foam cells using the additive manufacturing process. Various methods are known for producing mechanical elements from different materials in certain additive manufacturing processes, including electrical lines, circuits and electronic components produced in the process. In this way, components such as loudspeakers or lighting devices can consequently be integrated into the foam body according to the invention.

Claims

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Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schaumkörpers, wobei derClaims Method for producing a three-dimensional foam body, wherein the
Schaumkörper aus einer offenporigen oder geschlossenporigen Schaumstruktur besteht und entsprechend miteinander und/oder mit der Umgebung kommunizierende Hohlräume oder voneinander und/oder von der Umgebung abgeschlossene Hohlräume aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: Foam body consists of an open-pore or closed-pore foam structure and correspondingly has cavities communicating with one another and/or with the environment or cavities closed off from one another and/or from the environment, characterized by the steps:
Herstellung einer Vielzahl von Schaumzellen, indem Zellstrukturelemente, die einen Zellhohlraum zumindest teilweise umschließen, mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgebaut werden, und Production of a large number of foam cells by building up cell structure elements which at least partially enclose a cell cavity by means of an additive manufacturing process, and
Herstellen einer Verbindung zwischen den Zellstrukturelementen der Schaumzellen mittels des additiven Herstellungsverfahrens. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper einen ersten Schaumkörperabschnitt mit einem ersten Typ von Schaumzellen und einen zweiten Schaumkörperabschnitt mit einem zweiten, vom ersten Typ verschiedenen Typ von Schaumzellen aufweist. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schaumkörperabschnitt ausschließlich Schaumzellen des ersten Typs angeordnet sind und/oder dass in dem zweiten Schaumkörperabschnitt ausschließlich Schaumzellen des zweiten Typs angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Typ von Schaumzellen durch Zellstrukturelemente gebildet wird, deren Anordnung und Verlauf gleich ist und dass sich die Wandstärke eines Zellstrukturelements in einer Anordnung und einem Verlauf in Bezug auf eine Schaumzelle des ersten Typs verschieden ist - 33 - von der Wandstärke eines Zellstrukturelements in der selben Anordnung und demselben Verlauf in Bezug auf eine Schaumzelle des zweiten Typs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellungsverfahren ausgewählt ist aus: einem 3D-Druckverfahren, einem Stereolithographieverfahren einem selektiven Lasersinter / Laserschmelzverfahren Creating a connection between the cell structure elements of the foam cells using the additive manufacturing process. Method according to claim 1, characterized in that the foam body has a first foam body section with a first type of foam cells and a second foam body section with a second type of foam cells different from the first type. Method according to Claim 2, characterized in that only foam cells of the first type are arranged in the first foam body section and/or in that only foam cells of the second type are arranged in the second foam body section. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the first and the second type of foam cells is formed by cell structure elements whose arrangement and course is the same and that the wall thickness of a cell structure element in an arrangement and a course in relation to a foam cell of the first type is different - 33 - of the wall thickness of a cell structural element in the same arrangement and course in relation to a foam cell of the second type. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the additive manufacturing method is selected from: a 3D printing method, a stereolithography method, a selective laser sintering/laser melting method
Binder Jetting, binder jetting,
Fused Deposition Modeling, fused deposition modelling,
Polyjet-Verfahren, polyjet process,
Digital Light Processing, HP-Multijet-Fusing. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Zellstrukturelemente aus einem Material hergestellt werden, das ausgewählt ist aus: einem Elastomerwerkstoff, einem thermoplastischen Elastomerwerkstoff, einem Polyurethan, insbesondere thermoplastischem Polyurethan einem Polyvinylchlorid, einem Polymer mit einer Shore A - Härte die mindestens 50, 60, 70 oder 80 beträgt und die 90 oder 100 nicht übersteigt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Zellstrukturelemente des Schaumkörpers vor der additiven Herstellung der Zellstrukturelemente durch digitale Planungsdaten definiert und aus den digitalen Planungsdaten ein Fertigungsdatensatz erstellt wird, mit dem das additive Herstellungsverfahren gesteuert wird. 8.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Schaumzellen, vorzugsweise mehr als zwanzig Schaumzellen und insbesondere mehr als hundert Schaumzellen geometrisch identisch sind. Digital Light Processing, HP Multijet Fusing. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cell structure elements are made of a material selected from: an elastomeric material, a thermoplastic elastomeric material, a polyurethane, in particular thermoplastic polyurethane, a polyvinyl chloride, a polymer with a Shore A hardness of at least 50, 60, 70 or 80 and not exceeding 90 or 100. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the geometry of the cell structure elements of the foam body is defined by digital planning data before the additive manufacturing of the cell structure elements and a manufacturing data record is created from the digital planning data, with which the additive manufacturing process is controlled. 8.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least two foam cells, preferably more than twenty foam cells and in particular more than one hundred foam cells are geometrically identical.
9.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper Schaumzellen umfasst oder aus Schaumzellen besteht, welche die Geometrie eines archimedischen Körpers aufweisen. 9.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the foam body comprises foam cells or consists of foam cells which have the geometry of an Archimedean body.
10.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumzellen ausgewählt sind aus: 10.) Method according to claim 9, characterized in that the foam cells are selected from:
Polyeder abgestumpften Polyeder, einem archimedischen Körper, der in allen drei Raumrichtungen planparallele Flächen aufweist, einem Oktaederstumpf einem Kubotaeder. Polyhedron truncated polyhedron, an Archimedean solid that has plane-parallel surfaces in all three spatial directions, a truncated octahedron, a cubotahedron.
11 .) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumkörper Schaumzellen umfasst oder aus Schaumzellen besteht, welche durch plane geometrische Flächen begrenzt sind, die an Flächenkanten aneinandergrenzen und dass sich die Zellstrukturelemente einer Schaumzelle als Balken entlang einiger oder aller Kanten der Schaumzelle erstrecken. 11 .) Method according to one of the preceding claims, characterized in that the foam body comprises foam cells or consists of foam cells, which are delimited by planar geometric surfaces that adjoin one another at surface edges and that the cell structure elements of a foam cell are arranged as bars along some or all edges of the extend foam cell.
12.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaumzelle eine obere Zellstrukturelementfläche, eine untere Zellstrukturelementfläche und seitliche Zellstrukturelementflächen umfasst, und dass die obere Zellstrukturelementfläche einer Zelle integral mit der unteren Zellstrukturelementfläche einer darüberliegend benachbarten Schaumzelle ist, die untere Zellstrukturelementfläche einer Zelle integral mit der oberen Zellstrukturelementfläche einer darunterliegend benachbarten Schaumzelle ist, und / oder eine seitliche Zellstrukturelementfläche einer Zelle integral mit einer seitlichen Zellstrukturelementfläche einer seitlich benachbarten Schaumzelle ist. 12.) Method according to one of the preceding claims, characterized in that a foam cell comprises an upper cell structure element surface, a lower cell structure element surface and lateral cell structure element surfaces, and that the upper cell structure element surface of a cell is integral with the lower cell structure element surface of an overlying adjacent foam cell, the lower cell structure element surface of a cell is integral with the upper cell structure element surface of an underlying adjacent foam cell, and/or a lateral cell structure element surface of a cell is integral with a lateral cell structure element surface of a laterally adjacent foam cell .
13.) Schaumkörper, umfassend eine Vielzahl von Schaumzellen, die gebildet werden durch einen von Zellstrukturelementen umgebenen Hohlraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellstrukturelemente in einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt sind. 13.) Foam body, comprising a multiplicity of foam cells, which are formed by a cavity surrounded by cell structure elements, characterized in that the cell structure elements are produced in an additive manufacturing process.
14.) Schaumkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellstrukturelemente eine Größe aufweisen, die in einen Kugelkörper mit einem Durchmesser von weniger als 2, 4, 6, 8 oder 10mm, vorzugsweise kleiner als 5mm, passt. 14.) Foam body according to claim 13, characterized in that the cell structure elements have a size that fits into a spherical body with a diameter of less than 2, 4, 6, 8 or 10 mm, preferably less than 5 mm.
15.) Schaumkörper nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch einen ersten Abschnitt, umfassend oder bestehend aus Schaumzellen eines ersten Typs und einen zweiten Abschnitt, umfassend oder bestehend aus Schaumzellen eines zweiten, vom ersten verschiedenen Typs. 15.) Foam body according to claim 13 or 14, characterized by a first section comprising or consisting of foam cells of a first type and a second section comprising or consisting of foam cells of a second type different from the first.
16.)Schaumkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellstrukturelemente aus einem elastomeren Material bestehen. 16.) Foam body according to one of claims 13 to 15, characterized in that the cell structure elements consist of an elastomeric material.
17.)Schaumkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaumkörper oder an der Außenfläche des Schaumkörpers ein oder mehrere funktionale Bauteile angeordnet sind, die vorzugsweise im gleichen additiven Herstellungsverfahren wie der Schaumstoff hergestellt sind, und insbesondere ausgewählt sind aus: - 36 - a) Befestigungsabschnitten zur Befestigung des Schaumkörpers an einem anderen Bauelement oder zur Befestigung anderer Bauelemente wie Sensoren an dem Schaumkörper, b) integrierte Kanäle, insbesondere zur Belüftung oder für ein kälte oder Wärmefluid, c) eine geschlossene oder mit Öffnungen versehene Außenoberflächenschicht des Schaumkörpers, insbesondere eine Sitzflächenschicht, deren mechanische Eigenschaften von den Eigenschaften des Innenraums des Schaumkörpers verschieden ist, d) Dämpfungselemente, die ein energieabsorbierendes Verhalten durch innere Reibung oder Reibung von zwei Strukturelementen aneinander aufweisen, insbesondere für Schuhe / Schuhsolen e) integrierte Lautsprecher, einschließlich Leitungen für deren Energieversorgung f) integrierte Lichtquellen, einschließlich Leitungen für deren Energieversorgung Verwendung eines Schaumkörpers nach einem der Ansprüche 13-17 oder eines nach einem Verfahren nach Anspruch 1-12 hergestellten Schaumkörpers als Sitzpolster oder Rückenlehnenpolster eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes. Verfahren zur Erzeugung des Fertigungsdatensatzes für die Herstellung eines17.) Foam body according to one of the preceding claims 13-16, characterized in that one or more functional components are arranged in the foam body or on the outer surface of the foam body, which are preferably produced in the same additive manufacturing process as the foam, and in particular are selected from : - 36 - a) attachment sections for attaching the foam body to another component or for attaching other components such as sensors to the foam body, b) integrated channels, in particular for ventilation or for a cold or heat fluid, c) a closed or apertured outer surface layer of the Foam body, in particular a seat layer, the mechanical properties of which differ from the properties of the interior of the foam body, d) damping elements that have an energy-absorbing behavior due to internal friction or friction of two structural elements together, in particular for shoes / shoe soles e) integrated loudspeakers, including cables for their energy supply f) integrated light sources, including lines for their energy supply Use of a foam body according to one of Claims 13-17 or of a foam body produced by a method according to Claims 1-12 as a seat cushion or Backrest cushion for a seat, in particular a vehicle seat. Method for generating the production data record for the production of a
Schaumkörpers in einem additiven Herstellungsverfahren, mit den Schritten: foam body in an additive manufacturing process, with the steps:
Festlegung der äußeren Begrenzungsflächen des Schaumkörpers in einem vektorbasierten digitalen Planungsprogramm und Erstellen eines ersten Planungsdatensatzes aus den festgelegten äußeren Begrenzungsflächen, Defining the outer boundary surfaces of the foam body in a vector-based digital planning program and creating a first planning data set from the specified outer boundary surfaces,
Festlegung der Geometrie eines Zellstrukturelementes in dem vektorbasierten digitalen Planungsprogramm und Erstellen eines zweiten Planungsdatensatzes aus der Geometrie des Zellstrukturelements, Defining the geometry of a cell structure element in the vector-based digital planning program and creating a second planning data record from the geometry of the cell structure element,
Erstellen eines Fertigungsdatensatzes, der Fertigungsdaten für ein additives Herstellungsverfahren des Schaumkörpers umfasst, aus dem ersten und zweiten Planungsdatensatz, indem das durch den ersten Planungsdatensatz - 37 - definierte Volumen, das durch die äußeren Begrenzungsflächen umschlossen wird, mit einer Vielzahl aneinandergereihter Zellstrukturelemente ausgefüllt wird, von denen jedes eine Geometrie nach dem zweiten Planungsdatensatz aufweist. Creation of a manufacturing data set, which includes manufacturing data for an additive manufacturing process of the foam body, from the first and second planning data set by the first planning data set - 37 - defined volume, which is enclosed by the outer boundary surfaces, is filled with a large number of lined-up cell structure elements, each of which has a geometry according to the second planning data set.
20.) Verfahren nach Anspruch 19, mit den Schritten: dadurch gekennzeichnet, dass die Erstellung des Fertigungsdatensatzes vor und während des additiven Herstellungsvorgangs des Schaumkörpers erfolgt. 20.) Method according to claim 19, with the steps: characterized in that the production data set is created before and during the additive manufacturing process of the foam body.
21 .) Verfahren zur Herstellung eines Schaumkörpers in einem additiven Herstellungsverfahren, mit den Schritten: 21 .) Method for producing a foam body in an additive manufacturing method, with the steps:
Erzeugen eines Fertigungsdatensatzes eines Schaumkörpers für ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere nach dem Verfahren nach Anspruch 19, Generating a production data set of a foam body for an additive manufacturing process, in particular according to the method according to claim 19,
Herstellen des Schaumkörpers in einem additven Herstellungsverfahren anhand des Fertigungsdatensatzes. Manufacture of the foam body in an additive manufacturing process based on the manufacturing data set.
22.) Verfahren nach Anspruch 21 , mit den Schritten: 22.) Method according to claim 21, with the steps:
Herstellen des Schaumkörpers aus einer Vielzahl von untereinander verbundenen Zellstrukturelementen, wobei jedes Zellstrukturelement als ein sich von einem ersten Knotenpunkt zu einem zweiten Knotenpunkt erstreckender Balken aufgebaut wird und der Aufbau eines Zellstrukturements durch Einwirken eines gebündelten Energiestrahls, wie eines Lasers, entlang einer einzigen Linie auf ein Ausgangsmaterial, aus dem der Schaumkörper aufgebaut wird, erfolgt. Manufacture of the foam body from a plurality of interconnected cellular structural elements, each cellular structural element being constructed as a beam extending from a first node to a second node, and constructing a cellular structural element by exposure of a focused beam of energy, such as a laser, along a single line to a Starting material from which the foam body is constructed takes place.
23.) Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der gebündelte Energiestrahl entlang der Linie punktweise auf das Material einwirkt. - 38 - Computerprogrammprodukt, umfassend Daten, die, wenn sie auf einem Steuerungsrechner einer additiven Fertigungseinrichtung ausgeführt werden, die Herstellung eines Schaumkörpers auf der additiven Fertigungseinrichtung steuern, insbesondere die Herstellung eines Schaumkörpers nach einem Verfahren ge- mäß einem der Ansprüche 1-12 oder die Herstellung eines Schaumkörpers nach einem der Ansprüche 13-17. 23.) Method according to claim 22, characterized in that the bundled energy beam acts point by point along the line on the material. - 38 - Computer program product, comprising data which, when executed on a control computer of an additive manufacturing device, control the production of a foam body on the additive manufacturing device, in particular the production of a foam body by a method according to one of claims 1-12 or the Production of a foam body according to any one of claims 13-17.
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