WO2023169684A1 - Method and device for additive manufacturing of workpieces with regions of heterogeneous filling structures - Google Patents

Method and device for additive manufacturing of workpieces with regions of heterogeneous filling structures Download PDF

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WO2023169684A1
WO2023169684A1 PCT/EP2022/056208 EP2022056208W WO2023169684A1 WO 2023169684 A1 WO2023169684 A1 WO 2023169684A1 EP 2022056208 W EP2022056208 W EP 2022056208W WO 2023169684 A1 WO2023169684 A1 WO 2023169684A1
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Daniel Wimmer
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Daniel Wimmer
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Definitions

  • the invention relates to a method for additive manufacturing, in particular for 3D printing of workpieces, in which a corresponding manufacturing device for additive manufacturing, preferably a 3D printing device, is used to produce a model object.
  • control for a corresponding manufacturing device for additive manufacturing and a manufacturing device with a control according to the invention are specified.
  • additive manufacturing includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer and three-dimensional workpieces are created.
  • 3D printing processes are among the established additive manufacturing processes.
  • the layer-by-layer construction is usually carried out under computer control from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction.
  • Typical materials for 3D printing include plastics, synthetic resins, ceramics and specially prepared metals. metal powder.
  • an additive manufacturing process for porous 3D structures has become known from the publication US 2012299917 Al.
  • a virtual model of an object is read in, the virtual model containing both geometry data and material data such as porosity or density distribution.
  • the model is divided into surface layers, taking into account the geometry model and the material model for each layer.
  • For each surface layer a single continuous, fractal, space-filling curve is generated, which is adapted as far as possible to the specified material data.
  • space-filling curve refers to a line that completely passes through a two-dimensional surface or a multi-dimensional space or a regular grid that describes this surface and/or this space.
  • the publication US 2014039659 Al shows a method and system for the structural analysis and automatic adjustment of a model for 3D printing. After reading in a source model, for example as an STL description, a preliminary filling is determined, after which the structural analysis is started, whereby critical areas are identified and the structure of the model can be automatically modified.
  • a source model for example as an STL description
  • the disadvantage of currently known methods for modeling three-dimensional workpieces for an additive manufacturing process is at least that the division of a virtual data model of the workpiece into height layers, each with one and the same, uniform layer height or uniform layer height.
  • Another disadvantage is that the filling structures for building internal sections of such a workpiece are usually made from a single filling material, with the one filling material for building internal workpieces each having the same, uniform material width or uniform layer width is applied.
  • An individual adaptation to locally different component loads of the workpiece to be manufactured is only inadequately possible with the currently available methods for modeling three-dimensional workpieces for additive manufacturing processes.
  • one of the tasks according to the invention is to propose a method that is as flexible and sustainable as possible, with both template objects with simple geometry and template objects with complex geometry, for example internal recesses and / or sections with porous structures, in particular with graded porosity and / or graduated density, each can be manufactured as time-saving and material-friendly as possible and taking into account locally different component loads.
  • -g- Selecting at least one fractal curve type of a space-filling curve with a fractal degree of dimension for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model, wherein the at least one fractal curve type and / or the fractal degree of dimension for the respective virtual object section of the virtual data model is selected based on strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility or become; -h- Adjusting at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one fractal curve type of the space-filling curve within the respective virtual object section for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model based on strength data on component load capacity stored in the virtual data model and/or component mobility;
  • each of the N (N 2 to n) height layers of the model object correspond to a single substructure of the optimized virtual data model and include coordinate points for the additive manufacturing of the corresponding height layer of the model object, where the number N is an integer which is greater than or equal to the number 2, and where the number N (N 2 to n) is selected so that each of the N (N 2 to n) height layers each has an individual partial height adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section, whereby the sum of the N (N 2 to n) partial heights of the individual height layers correspond to the total height of the optimized three-dimensional virtual data model;
  • the specified method according to the invention is not in itself limited to a specific sequence of the individual process steps.
  • individual or several process steps can also be repeated several times, for example in the form of one or more partial sequences of the process, before further, subsequent process steps are carried out.
  • the two process steps -a- and -c- and/or the two process steps -b- and -d- can each be carried out directly one after the other without an intermediate step.
  • the method according to the invention is preferably carried out in the order of method steps -a- to -k- specified here in order to produce a three-dimensional object starting from a physical, three-dimensional template object using a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device to produce a model object.
  • steps -g- and / or -h- can be repeated once or several times.
  • the specified order of process steps -a- to -k- is followed for the further description.
  • the method according to the invention is applicable to all additive manufacturing techniques, such as, but not limited to, 3D printing, enamel from divorce, stereolithography, selective laser sintering, direct material deposition, or layer manufacturing (abbreviated: LM; English: "laminar manufacture”)
  • the specified manufacturing process is preferably intended for 3D printing.
  • corresponding topography data of a physical three-dimensional template object which serves as a template for the model object to be produced, are provided.
  • 3D template objects also include so-called “2, 5D” objects, i.e. those objects and structures that are in themselves three-dimensional, but which, for example, do not have a defined lower edge and/or which can have undercuts.
  • 2, 5D objects spherical lenses used for optical applications that are rounded at their bottom edges.
  • 2.5D template objects can also serve as a template for 2.5D model objects that are additively manufactured using the method according to the invention.
  • topography data also means information data on the position, geometry and structuring of the outer surfaces or outer contours of the template object as well as, if necessary, information data from structures located within the template object, for example porous structures, cavities, undercuts and the like.
  • a template object for acquiring topography data can be aligned in such a way that a flat structural section of the template object can be specified with a length in the X-axis direction and a width in the Y-axis direction.
  • Structure heights of a surface of the template object can also be specified a microstructure can be specified, for example, in the Z-axis direction, with the Z-axis direction serving as a height display of the template object or structures of the template object. Depressions within the template object can therefore be specified, for example, as structure depths in the negative Z-axis direction.
  • the next step -b- involves providing material characteristics of the template object.
  • the term “Material characteristics” includes, for example, information data on the application area of the template object, the material properties, density, porosity, as well as the type of load and/or level of load on the template object.
  • the method according to the invention further comprises, according to step -c-, a computer-aided calculation of a virtual structural model of a three-dimensional model object depending on or taking into account the topography data of the template object provided in step -a-.
  • a virtual structural model can be calculated with the aid of a computer.
  • voxel an English combination of the abbreviation syllables "vox” for "volume” and “el” for “elements”, is used in computer graphics to mean a grid point or image point in a three-dimensional grid
  • voxel refers to the discrete value at an XYZ coordinate of the data set.
  • step -d- a computer-aided calculation of a virtual strength model of the three-dimensional model object takes place depending on or taking into account the material characteristics of the template object provided in step -b-.
  • strength data on the component load capacity and/or component mobility of the model object are obtained.
  • different scenarios of component loads can be taken into account, such as basic load types using compressive loads, tensile loads, shear loads, torsional loads and/or bending loads.
  • the selected basic load types can be used either as a single load case or as a combined one Load cases, whereby two or more load cases are superimposed accordingly, are taken into account.
  • This selection of a possible load case or a combination of two or more superimposed load cases serves to calculate corresponding strength data for the component load capacity and/or component mobility of the model object. Movable and/or rigid sections or Parts of the model object are taken into account in the virtual strength model. The strength data determined in this way are subsequently used to select at least one suitable fractal curve type of a space-filling curve.
  • step -e- computer-aided data from the virtual structural model and the virtual strength model are combined with one another and modeled into a three-dimensional virtual data model of the model object.
  • the three-dimensional virtual data model therefore contains information about the structure or Topography, as well as strength data on the component load capacity and/or component mobility of the model object in question.
  • the virtual data model of the model object is divided, with computer assistance, into at least two or more virtual object sections with different component load capacity and/or component mobility.
  • two or more virtual object sections in which different requirements exist with regard to component load capacity and/or component mobility, can each be individually examined in more detail.
  • the size, location, arrangement or Positioning of the two or more virtual object sections relative to each other and in relation to the virtual data model can be individually adapted to the respective requirements. The more detailed the subdivision of the virtual data model is, the more precisely the subsequent calculation and individual adaptation of the virtual data model for the additive manufacturing of the model object can be carried out.
  • regular grid structures can be used to subdivide the virtual data model into small parts, with a cube-shaped grid element, for example, corresponding to a virtual object section.
  • a cube-shaped grid element for example, corresponding to a virtual object section.
  • when dividing the virtual data model it is provided to select a virtual object section or several virtual object sections on such a small scale that a single grid point or a single voxel, corresponding to a single coordinate point with an XYZ coordinate of the model object to be manufactured, each forms its own virtual object section.
  • the virtual data model can be divided into a number of virtual object sections, with each individual grid point or Voxel corresponds to its own virtual object section.
  • the calculation effort also increases as the number of virtual object sections selected increases.
  • step -g- at least one fractal curve type of a space-filling curve is selected with a fractal degree of dimension for each of the at least two or more virtual object sections of the virtual data model, wherein the at least one fractal curve type and / or the fractal degree of dimension for the j respective virtual object section of the virtual data model is selected based on strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility or become .
  • space-filling curves generally makes it possible to form mathematically defined, line-shaped structures that completely pass through a two-dimensional surface or a multi-dimensional space or a regular grid that describes this surface and/or this space.
  • a suitable curve it is possible to use a one-dimensional curve to fill a two-dimensional plane or a three-dimensional space in such a way that the space-filling curve can be drawn in one go without intersecting itself.
  • curves that fill the area are also used Fill the area of a two-dimensional surface and form a two-dimensional “2D” curve, also referred to below as space-filling curves.
  • fractals or Fractal curves refer to those mathematical functions that describe the course of certain natural structures such as coastlines or contour lines of snowflakes, or the course of artificial structures and geometric patterns. These structures or patterns generally do not have an integer dimension in the sense of, for example, a two-dimensional "2D" curve or a three-dimensional "3D” curve, but rather have a broken or fractal dimension, where the fractal dimension does not have to be an integer.
  • fractal curves also have a high degree of scale invariance or self-similarity. This is the case, for example, when an object consists of several reduced copies of itself. Geometric objects of this type differ from ordinary smooth figures in important aspects.
  • the fractal dimension can be used in surface physics to characterize surfaces and is used here to classify and compare surface structures.
  • a two-dimensional one "2D" curve as a space-filling curve has only two degrees of freedom corresponding to the two axis directions or the pair of axes that span the surface plane in which the two-dimensional "2D" curve under consideration lies.
  • a three-dimensional "3D" curve as a space-filling curve offers the advantage that such a three-dimensional "3D” curve has three degrees of freedom and can therefore be adapted particularly easily and flexibly to local requirements with regard to component load capacity and/or component mobility in a virtual object ect section of the virtual data model can be adjusted.
  • step -h- at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one fractal curve type of the space-filling curve are then adapted within the respective virtual object section for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model based on the virtual Strength data stored in the data model for component load capacity and/or component mobility.
  • an individual curve profile and an individual curve width of a space-filling curve or several individual curve profiles of several space-filling curves, each with individual curve widths can be adapted to the component requirements in this virtual object section.
  • the virtual object sections can be subdivided down to individual grid points or Voxels are broken down, which is why it is possible within the scope of the method according to the invention, with a correspondingly small subdivision in step -f-, the curve width and the Curve progression individually for individual grid points or Adjust voxels.
  • step -i- if necessary, step -g- and/or step -h- can be repeated until the curve progressions of space-filling curves for all virtual object sections of the virtual data model are adapted to the strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility and a three-dimensional optimized virtual data model is obtained, which includes optimized virtual data model coordinate points for the additive manufacturing of the model object.
  • the individually adapted curve profiles of the selected space-filling curves are already stored in such a way that, for example, transitions between adjacent curve sections with different curve widths are smoothed in order to simultaneously smooth local stress curves with corresponding component loads.
  • the optimized virtual data model already contains information data required for the additive manufacturing of the model object, in particular information about coordinate points of the model object.
  • the model object For the layered or However, the model object must be produced layer by layer in step -j - using computer support, the total height of the optimized three-dimensional virtual data model must be divided into a number N (N 2 to n) of sequentially stacked height layers of the model object, each of the N (N 2 to n) height layers of the model object correspond to a single substructure of the optimized virtual data model and include coordinate points for the additive manufacturing of the corresponding height layer of the model object.
  • the number N of height layers is selected so that each of the N height layers has an individual partial height adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section, the sum of the N partial heights of the individual height layers corresponds to the total height of the optimized three-dimensional virtual data model.
  • both the individual curve width or Layer width of the individually selected curve of a space-filling fractal curve, as well as the individual partial heights of the individual partial structures or Elevation layers can each be flexibly adapted to the local requirements regarding the component load capacity and/or component mobility of the respective object section.
  • the partial height or Layer height of the substructures or Elevation layers are expediently chosen to be as low as possible in such a heavily loaded object section in order to create as many elevation layers as possible, each with the lowest possible partial height or height, by applying them layer by layer. Layer height to achieve a maximum filling material application in the loaded object section.
  • lightly loaded object sections or those object sections of the model object that are intended to be movable or deformable can be designed with curves of the space-filling curves with a small local curve width or Layer width and therefore with little material application with larger part height or Layer height of the substructures or Elevation layers are carried out.
  • step -k- the N (N 2 to n) height layers of the model object are applied layer by layer using a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device, in order to manufacture the model object.
  • a model object is created as a workpiece or as the end product of Method obtained, wherein the model object was manufactured with an additive manufacturing device, preferably with a 3D printing device.
  • the manufacturing data required for additive manufacturing is determined in an optimized virtual data model, with space-filling fractal curves optimized for modeling the virtual data model being adapted in sections to the respective local load requirements of the individual virtual object sections of the model object.
  • Model objects or Components are manufactured that are particularly flexible to specific, desired or specified load scenarios of the model object are individually adapted.
  • position information used below of template objects and/or model objects as well as their components such as the terms “top”, “bottom”, “above”, “below”, “front”, “back”, “side”, “ inside”, “outside”, “in the axial direction”, “in the radial direction” and the like, essentially serve to better understand the invention, especially in connection with the following drawings.
  • the position information used can possibly refer to specific positions of the method according to the invention or refer to individual views in the figures. In any case, such position information is familiar to those skilled in the art, but does not limit the present invention.
  • At least one further parameter can be selected from the group comprising: local material density, local material fill rate, local extrusion width, local material selection.
  • the local material density parameter can be selected from 0% to 100%, where 0% material density represents a cavity and 100% material density represents a solid body or a solid material is specified in the relevant virtual object section.
  • the choice of the local material density is therefore an important parameter, especially for modeling a porous model body.
  • the local material density is always less than or equal to the local material filling rate.
  • the material density depends on the material used and can be influenced, for example, by inclusions of air and/or moisture. In addition, the material density can also be influenced by the selected extrusion temperature.
  • the component load capacity and/or component mobility of the respective object section of the model object can be adjusted.
  • the parameter of the local extrusion width thus represents the reaction of the model object to different load cases.
  • the largest possible fractal dimension level preferably from 3 to 6
  • a small extrusion width preferably from 0.05 mm to 1.2 mm
  • the choice of a small extrusion width for the production of movable component sections of the model object means that the flexibility of the filling material used or The printing material from which the model object is made can be better utilized.
  • the highest possible extrusion width is selected.
  • a selected space-filling curve can also be further adapted to the requirements of the respective virtual object section through suitable local material selection. It can be particularly advantageous in particular in the case of a template object with a complex geometry, the template object having, for example, internal recesses and/or sections with porous structures, in particular with graded porosity and/or graded density, if when carrying out the method according to the invention Step -c- to calculate the virtual structural model of the model object, a geometric contour model and a porosity model of the physical template object are created.
  • a geometric contour model of the template object can contain smooth, pore-free external surfaces of the template object, which are transferred as smooth, pore-free external surfaces into the optimized virtual data model of the model object.
  • Internal recesses and/or sections with porous structures, in particular with graded porosity and/or graded density, which may be important for the functionality of the template object and/or the model object, can thus be used to create the optimized virtual data model of the model object using the porosity model be transmitted directly.
  • model objects can be manufactured that have, for example, smooth, pore-free external surfaces and internal porous structures.
  • porous model objects in which the outer surfaces are also provided with pores, can be recreated with particular detail from corresponding porous template objects.
  • sponge-like workpieces made of sintered metal can serve as template objects for carrying out the method according to the invention in order to produce corresponding model objects with comparable or improved strength properties compared to the template object.
  • step -f- the virtual data model of the model object is divided into at least two within the Object sections lying on the model object with different
  • Component load capacity and/or component mobility is divided.
  • the virtual data model of the model object can be adapted particularly precisely to different requirements with regard to the component load capacity and/or component mobility if, in step -f-, the virtual data model of the model object is divided using a finite element analysis, wherein the virtual data model is divided into a large number of object sections, preferably into a multiplicity of object sections arranged in a grid shape with essentially the same component volume, wherein a component calculation of the component load capacity and / or component mobility is carried out at nodes between adjacent object sections.
  • components to be analyzed are divided into small virtual object sections, preferably using a grid or Grid with the same pitch is superimposed on the component to be examined for subdivision.
  • small cube-shaped object sections are preferably selected as the calculation grid (English: "grid"), with the respective component calculation taking place at the nodes of adjacent object sections.
  • the calculation accuracy of the finite element analysis can be adapted to the respective requirements of the accuracy of the virtual data model of the model object. As already mentioned before, it is also conceivable to choose the calculation grid with such a small step size that each coordinate point or each Voxel corresponds to its own cube-shaped virtual object section.
  • finite element analysis can be used to determine particularly precisely in which virtual object section, for example, a higher local material filling rate is appropriate when producing a space-filling curve in this object section. For example, with an average global fill rate of 20% in individual virtual object sections, it may be expedient to select a higher local material fill rate, for example of 50%.
  • a method according to the invention can be adapted particularly flexibly to different requirements with regard to the component load capacity and/or component mobility if, in step -g-, at least a first fractal curve type of a first space-filling curve for at least a first virtual object section and at least one of the first fractal curve type of different, second fractal curve type of a second space-filling curve can be selected for at least one second virtual object section that is different from the first virtual object section.
  • step -h- and/or step -i- it is possible to match the individual curve profile of a first fractal curve type of a first space-filling curve, possibly with a first curve width, in a first virtual object section to the individual curve profile of a second fractal Curve type of a second space-filling curve, if necessary with a second curve width in a second virtual object section, which, for example, directly adjoins the first virtual object section, whereby discontinuities in the transition area of the two curve courses between the two adjacent object sections are avoided.
  • the associated calculation data of the adapted curves are stored in the optimized virtual data model.
  • At least one fractal curve type of a space-filling curve can be selected particularly flexibly from the group comprising: Hilbert 2D, Hilbert 3D, Hilbert b-Spline, Lebesgue, Lebesgue b-Spline, Koch, H-Tree, Peano 2D, Peano 3D, Peano b-Spline, Gosper, Sierpinski.
  • the aforementioned fractal curve types are referred to as space-filling curves. Strictly speaking, such curves are only “space-filling” if their fractal dimension or fractal curve degree is infinite. Accordingly, the fractal curve types used here with a fractal dimension, for example from 2 to 6, are also referred to as “pseudo-space-filling curves”.
  • test objects were produced, each with the same external dimensions of 80 mm x 30 mm x 30 mm, for example made of plastic.
  • the filling rates of the space-filling curves were varied and test objects were made with different filling rates of 20%, 30% and 40%.
  • Strain gauges were then attached to the test objects to detect any distortions or To be able to measure tensions in the material.
  • These prepared test objects were then each subjected to known, predetermined loading forces and subjected to the usual types of loading - i.e. tension, compression, shear, torsion and bending. An appropriate measuring device was used for the examined Test objects recorded the deflections of the material for the individual load cases.
  • the measurement results obtained were “normalized” to simplify further calculation.
  • the individual measurement results were compared with one another.
  • the “normalized” values obtained in this way are between -1 and +1.
  • a standardized value of -1 means that a test object with the respective selected filling rate of the space-filling curves deforms very strongly due to the respective specified load.
  • a standardized value of +1 means that the respective test object with the respective selected filling rate of the space-filling curves hardly deforms due to the specified load. Due to the standardization step, the influence of the material selection of the test objects examined is also eliminated or reduced. relativized.
  • Negative normalized values indicate that space-filling curves can be generated with the respective curve type, which enable high deformation of the corresponding object section under the respective type of load.
  • At least two individual curve profiles can be created in step -g- and in step -h- different space-filling fractal curves can be defined within one and the same virtual object section of the virtual data model.
  • a method according to the invention can be used in a particularly versatile manner if, in step -h-, a filling material is selected in sections in order to adapt at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one selected fractal curve type of the space-filling curve to the respective virtual object section, whereby a first filling material along a first curve section of the individual curve profile and a first filler material along a second curve section of the individual curve profile Filling material different, second filling material is selected.
  • different material properties of the different filling materials such as density, porosity, temperature resistance and the like as well as different strength properties such as tensile strength, modulus of elasticity and the like can be used for optimized strength adjustment of the component load capacity and/or component mobility of the model object.
  • object sections of the model object that are subject to higher mechanical loads can be produced from a first filling material that is of higher mechanical strength and of higher quality.
  • Less heavily loaded object sections of the model object can, for example, be made from a second, cheaper filling material.
  • a method according to the invention can be carried out particularly flexibly, in which a filler material, preferably a first filler material and/or a second filler material, is applied in layers with a locally variably adjustable filler material width by means of the additive manufacturing device, with a local filler material width of the filler material, preferably the selected one first filling material and / or the selected second filling material, in a coordinate point of the model object corresponds to the curve width stored in the optimized virtual data model for this coordinate point or for a partial structure corresponding to this coordinate point.
  • a filler material preferably a first filler material and/or a second filler material
  • step -j when dividing the optimized three-dimensional virtual data model into each individual substructure of the optimized virtual Data model alignment marks for the additive manufacturing of the corresponding ones Elevation layer of the model object can be specified, where in step -k- the N (N 2 to n) sequentially stacked height layers of the model object can be adjusted relative to one another without any offset during layer-by-layer application using the alignment marks stored in the individual substructures.
  • control according to the invention for a manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing is also specified, the control being set up to carry out the following method steps:
  • A. Computer-aided calculation of a virtual structural model of a three-dimensional model object depending on provided topography data of a template object;
  • Strength model of the three-dimensional model object depending on the provided material characteristics of the template object, whereby strength data on the component load capacity and / or component mobility of the model object are obtained;
  • Model objects into at least two virtual object sections with different component load capacity and/or component mobility
  • Space-filling curve with a fractal degree of dimension for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model wherein the at least one fractal curve type and / or the fractal degree of dimension for the respective virtual object section of the virtual data model based on strength data on component load capacity stored in the virtual data model and/or component mobility is selected or become;
  • step E. for selecting at least one fractal curve type of a space-filling curve with a fractal degree of dimension for one or more virtual object sections of the virtual data model and / or repeating step F. ) for adapting the respective individual curve profile with individual curve width of the at least one selected space-filling curve for one or more virtual object sections of the virtual data model, until the curve profiles of space-filling curves for all virtual object sections of the virtual data model correspond to strength data on component load capacity stored in the virtual data model and/or component mobility are adapted and a three-dimensional optimized virtual data model is obtained, which includes optimized virtual data model coordinate points for the additive manufacturing of the model object;
  • the control in step I. be set up to control the manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, in such a way that a filler material, preferably a first filler material and/or a second filler material, is applied in layers with a locally variably adjustable filler material width, wherein a local filler material width of the Filling material, preferably the selected first filling material and / or the selected second filling material, in a coordinate point of the model object corresponds to the curve width stored in the optimized virtual data model for this coordinate point or the stored curve width for a substructure corresponding to this coordinate point.
  • a filler material preferably a first filler material and/or a second filler material
  • the manufacturing device for the additive manufacturing of a model object with which the control according to the invention corresponds or is expediently. which is controlled by the control according to the invention, equipped with at least one print head which is used for the application of filling material with an adaptive layer width or Filling material width is suitable and with which filling curves with different curve widths can be printed.
  • each individual filling material is preferably assigned its own print head with an adaptive layer width or locally adjustable width of the respective filling material application is provided.
  • Model objects can be manufactured particularly precisely if, in a further variant, the control according to the invention is used in step H. ) is set up to assign alignment marks for additive manufacturing to the corresponding height layer of the model object when dividing the optimized three-dimensional virtual data model in each individual substructure of the optimized virtual data model specify, where in step I. ) the N (N 2 to n) sequentially stacked height layers of the model object can be adjusted relative to one another without any offset during layer-by-layer application using the alignment marks stored in the individual substructures.
  • a manufacturing device for additive manufacturing in particular for 3D printing, is specified, the manufacturing device comprising a control according to the invention.
  • Such a manufacturing device can be particularly advantageously set up to carry out a method according to the invention.
  • Fig. 1 an isometric view of a three-dimensional template object
  • Fig. 2 a two-dimensional representation of fractal curve progressions using the example of a Koch curve, with views a) to d) each showing Koch curves with different degrees of fractal dimension;
  • Fig. 3 a two-dimensional representation of fractal curves using the example of a Hilbert curve, with views a) to d) each showing Hilbert curves with different degrees of fractal dimension;
  • a virtual structural model of the one shown in Fig. 1 illustrated template object in each case a curve of a fractal Hilbert 3D curve, each with a different degree of fractal dimension, is drawn as a space-filling curve within the virtual structural model;
  • Fig. 8 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert b-spline curve
  • Fig. 9 is an isometric view of a virtual structural model of the one shown in FIG. 1 illustrated template object, whereby a curve of a fractal Hilbert b-spline 3D curve is drawn as a space-filling curve within the virtual structural model;
  • Fig. 10 to Fig. 12 each in isometric views of a virtual strength model of the one shown in Fig. 1 illustrated template object, whereby different strength data for the component load capacity are calculated using a fractal space-filling curve of the Hilbert 3D type;
  • Fig. 13 is a top view of a virtual structural model of the one shown in FIG. 1 shown three-dimensional template object;
  • Fig. 14 is a top view of a virtual data model based on the one shown in FIG. 13 shown structural model, divided into virtual object sections with different component loads, the strength data for the component load being obtained from a previously calculated virtual strength model;
  • Fig. 15 is a top view of the one shown in FIG. 14 shown virtual data model with a first fractal space-filling curve of the Pseudo-Hilbert type after grid-like division into virtual object sections of the same size;
  • Fig. 16 is a top view of the one shown in FIG. 15 shown virtual data model after overlay with the ones in Fig. 14 shown strength data for different component loads;
  • Fig. 17 a top view of an optimized virtual data model with curve progressions of fractal space-filling curves, which are already adapted to the strength data for component load capacity stored in the virtual data model;
  • Fig. 18 an isometric view of the optimized virtual data model for producing a three-dimensional model object based on the one shown in FIG. 1 shown template object;
  • Fig. 19 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert curve in a first virtual object section, which is connected to an H-tree curve in a second virtual object section;
  • Fig. 20 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert curve with different curve widths in sections;
  • Fig. 21 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert curve with different curve widths in sections and with different fractal dimensions; 22 shows a sectional view from above of the model object produced during the 3D printing process;
  • Fig. 23 is a top view of a first height layer of the model object shown in Fig. 22;
  • FIG. 24 shows a top view of a first partial structure of an optimized virtual data model of a further three-dimensional model body
  • FIG. 25 shows a top view of a further, second partial structure according to the optimized virtual data model of the model body shown in FIG. 24;
  • 26 is an isometric view obliquely from above according to the optimized virtual data model of the three-dimensional model body shown in FIGS. 24 and 25;
  • FIG. 27 is a side view of the division of the optimized virtual data model of the three-dimensional model body shown in FIG. 26 into substructures of the data model, which substructures correspond to individual height layers during the production of the model object.
  • Fig. 1 shows an isometric view of a physical three-dimensional template object 10, here for example a cube-shaped template object 10, with topography data 11 or geometry data of the template object 10 such as the structure and dimensions of the outer surfaces 12 of the template object 10 being recorded for carrying out the method according to the invention.
  • This corresponds to the first method step -a-, in which topography data 11 of the template object 10 such as the information on the width B.10, the height H.10 and the length L.10 of the template object 10 are provided.
  • Material characteristics 15 of the template object 10 of interest such as for example, its material properties, density, porosity and the like, as well as information data regarding the material load on the template object 10 during its use. These material characteristics 15 are advantageously already available for different internal sections 21 to 25 of the template object 10, which are each symbolized in FIG. 1 as cube-shaped sections 21 to 25 with dash-dotted contour edges.
  • Fig. 2 shows a two-dimensional representation of space-filling curves 60 of a fractal curve type 70 a first space-filling curve 61 with a fractal curve using the example of a first fractal curve type 71, a Koch curve, with views a) to d) each having Koch curves show different fractal dimensions D.70.
  • a fractal dimension D.70 of 1 is selected.
  • the Koch curve shown in Fig. 2b) has the fractal dimension degree D.70 of 2
  • that in Fig. 2c) has the degree 3
  • the Koch curve shown in Fig. 2d) has a fractal dimension degree D.70 of 4 on.
  • Fig. 3 shows a two-dimensional representation of space-filling curves 60 of a fractal curve type 70 a second space-filling curve 62 with a fractal curve using the example of a second fractal curve type 72, a Hilbert curve, with views a) to d) each having Hilbert curves show different fractal dimension degrees D.70, namely in Fig. 3a) with degree 1, in Fig. 3b) with degree 2, in Fig. 3c) with degree 3, and in Fig. 3d) a Hilbert curve a fractal dimension level D.70 of 4.
  • FIG. 4 shows an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG. 1, which is calculated in step -c- of the method according to the invention.
  • the adaptation of a curve course of a space-filling curve 60 to the geometric conditions or outer contours of the virtual structural model 30 is already carried out here for the virtual structural model 30 began.
  • the calculation of a third space-filling curve 63 with a third fractal curve type 73, namely a fractal Hilbert 3D curve, for example with a fractal dimensional degree D.70 of 1 as a space-filling curve within the virtual structural model 30, begins.
  • FIG. 5 shows - comparable to FIG. 4 - an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG. which the virtual structural model 30 already fills more space than is the case with the Hilbert 3D curve shown in FIG. 4 with a fractal dimension level D.70 of 1.
  • FIG. 6 shows - comparable to FIGS. 4 and 5 - an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG. Curve with a fractal dimension D.70 of 3 is drawn. This selected spatial curve fills the virtual structural model 30 even more space than is the case with the Hilbert 3D curve shown in FIG. 5 with a fractal dimension D.70 of 2.
  • FIG. 7 also shows - comparable to FIGS. 4 to 6 - an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG -Curve with a fractal dimension D.70 of 4 is drawn.
  • This selected spatial curve fills the virtual structural model 30 in a particularly space-filling manner and more densely than is the case with the Hilbert 3D curve shown in FIG. 6 with a fractal dimension level D.70 of 3.
  • Figures 4 to 7 are intended to illustrate how the curve shape of a space-filling curve 60 can be created by appropriately selecting the fractal curve type 70 and the fractal dimension D.70 can be adapted to the requirements of the respective model object.
  • the selection according to the method takes place at least one suitable fractal curve type 70 of a space-filling curve 60 with a fractal degree of dimension D.
  • Fig. 8 shows a two-dimensional representation of a fractal curve of a further, fourth space-filling curve 64 with a fourth fractal curve type 74 using the example of a Hilbert b-spline curve with a fractal degree of dimension D. 70 out of 4.
  • Fig. 9 shows an isometric view of a virtual structural model 30 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object, for example a curve of a further, fifth fractal curve type 75, a fractal Hilbert b-spline 3D curve with a fractal degree of dimension D. 70 of around 3, as a space-filling curve 65 within the virtual structural model 30 is drawn.
  • Fig. 10 shows an isometric view of a virtual strength model 40 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object 10, where strength data 41 for component stress are calculated using a fractal space-filling curve 63 with a fractal curve type 73, for example a Hilbert 3D curve.
  • Fig. 11 shows an isometric view of a virtual strength model 40 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object 10, with 3D strength data 42 for component shear being calculated using a fractal space-filling curve 63 of the Hilbert type.
  • Fig. 12 shows an isometric view of a virtual strength model 40 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object 10, with strength data 43 for component expansion being calculated using a fractal space-filling curve 63 of the Hilbert type 3D curve.
  • Figures 10 to 12 symbolize process step -d-.
  • Fig. 13 represents a top view of a virtual structural model 30 of the one shown in FIG. 1 three-dimensional template object 10 shown.
  • Strength data 41, 42, 43 on the component load capacity and/or component mobility of the model object 100 to be produced which are obtained in method step -d- by calculating the virtual strength model 40, are obtained according to method step -e- by computer-assisted modeling of the virtual structural model 30 and the virtual strength model 40 combined into a three-dimensional virtual data model 50 of the model object.
  • Fig. 14 shows a top view of such a virtual data model 50 based on the one shown in FIG. 13 shown structural model 30.
  • the virtual data model 50 is already divided into two virtual object sections 51, 52 with different component loads, with the strength data 41, 42, 43 for the component load being obtained from the calculated virtual strength model 40.
  • Fig. 14 is the upper virtual object section 51 in the picture with a comparatively increased component load, which component load F. 40 by power arrows F. 40 is symbolized.
  • a finite element analysis is expediently used to calculate the virtual strength model 40 in order to identify those virtual object sections 51 in which, for example, due to locally increased component stress A higher material filling rate must be taken into account when producing the corresponding space-filling curves.
  • Fig. 15 shows a top view of the one shown in FIG. 14 shown virtual data model 50 with a fractal space-filling curve 62 with a fractal curve type 72, for example of the Hilbert type with a fractal dimension degree D. 70 of 4 after grid-shaped division into virtual object sections 53 to 55 of the same size.
  • Fig. 16 shows a top view of the one shown in FIG. 15 shown virtual data model 50 after superposition with the ones shown in Fig. 14 shown virtual object sections 51 and 52 with different component loads.
  • Fig. 17 shows a top view of an optimized virtual data model with curve progressions 80 of fractal space-filling curves, which are already adapted to the strength data 41, 42, 43 for component load capacity stored in the virtual data model.
  • a curve 80 of a space-filling curve 62 with a second fractal curve type 72 for example a Hilbert curve with a fractal dimension D. 70 of 4, to the locally increased requirements for component resilience or. Component mobility of this virtual object section 51 adjusted.
  • a different curve shape 80 of a space-filling curve 63 different from the second fractal curve type 72 is used with a third fractal curve type 73, for example a pseudo-Hilbert curve with a fractal dimension degree D . 70 of 3, selected.
  • the two different curve types 72, 73 also differ from each other in their different curve widths 81, 82.
  • Fig. 18 shows an isometric view of the optimized virtual data model 90 according to method step -i- for producing a three-dimensional model object based on the one shown in FIG. 1 shown template object 10 or. based on the one before modeled virtual data model 50 of the model object to be produced.
  • the curve progressions 80 and the curve widths 81,82,83 of the adapted space-filling curves 60,61,62,63 - where the selected curve widths correspond to the local filling material widths 81,82,83 - are already in this optimized virtual data model 90 for all virtual object sections 51 ,52,53,54,55 of the virtual data model 50 is adapted to strength data 41,42,43 stored in the virtual data model 50 for component load capacity and/or component mobility.
  • the component volume 59 of each virtual object section 51,52,53,54,55 is expediently chosen to be as large as possible.
  • the three-dimensional optimized virtual data model 90 already contains coordinate points 101,102,103 for the additive manufacturing of the model object to be produced.
  • FIG. 19 shows a two-dimensional representation of a fractal curve progression of a first space-filling curve 61 using the example of a Hilbert curve 71 in a first virtual object section 51, the first space-filling curve 61 having a second space-filling curve 62, for example of the type H-tree curve 72 in a second virtual object section 52 is connected.
  • the two space-filling curves 61, 62 in the virtual object sections 51, 52 each have the same curve width 81.
  • the boundary between the two virtual object sections 51 and 52 is indicated by a dash-dotted line.
  • Fig. 20 shows a two-dimensional representation of a fractal curve of a first space-filling curve 61 using the example of a Hilbert curve 71 with different curve widths 81, 82, 83 in sections.
  • the fractal dimension D.70 of the Hilbert curve 71 shown here is approximately the value 3.
  • the curve shape of the Hilbert curve 71 in the first virtual object section 51 on the left in the picture has a first, comparatively small curve width 81, which has a comparatively small local Filling material width is accompanied.
  • the curve of the Hilbert curve 71 has a second, comparatively large curve width 82.
  • the curve of the Hilbert curve 71 has a third, average curve width 83, with this average curve width 83 lying between the small curve width 81 and the large curve width 82.
  • the boundaries between the virtual object sections 51, 52, 53 are each indicated by dash-dotted lines.
  • Fig. 21 shows a two-dimensional representation of a fractal curve of space-filling curves 61,62 using the example of Hilbert curves 71,72 with different curve widths 81,82,83 in sections and with different fractal dimension degrees D.70 with values of approximately 3 or of approximately 4.
  • the curve shape of the Hilbert curve 71 in the first virtual object section 51 on the left in the image has a first, comparatively small curve width 81, which is accompanied by a comparatively small local filling material width.
  • the curve of the Hilbert curve 71 has a second, comparatively large curve width 83 or a comparatively large local filling material width.
  • a curve width 82 at the transition between the first virtual object section 51 and the second virtual object section 52 lies between the small curve width 81 and the large curve width 83.
  • the curve shape of the space-filling curve 61 using the example of a Hilbert curve 71 in the first and in the second virtual object section 51 .52 each has a fractal dimensionality D.70 of approximately 3.
  • the curve of the Hilbert curve 72 again has a small curve width 81, this small curve width 81 being smaller than the large curve width 83 in the second virtual object section 52.
  • a curve width 82 at the transition between the second virtual object section 52 and the third virtual object section 53 lies between the small curve width 81 and the large curve width 83.
  • the curve shape of the space-filling curve 62 using the example of a Hilbert curve 72 has a fractal in the third virtual object section 53 Dimensional grade D.70 of approximately 4.
  • the boundaries between the virtual object sections 51, 52, 53 are each indicated with dash-dotted lines.
  • FIG. 22 shows a sectional view from above of the manufactured model object 100 during the 3D printing process. Coordinate points 101,102,103 of the three-dimensional optimized virtual data model 90 are manufactured into physical coordinate points 101,102,103 of the model object 100.
  • FIG 23 shows a top view of a first height layer 111 of the model object 100 shown in FIG to recognize.
  • FIG. 24 shows a top view of a first partial structure 91 of an optimized virtual data model 90 of a further three-dimensional model body, which here, for example, has a rectangular base area with a centrally arranged circular recess.
  • this first substructure 91 an optimized curve shape of a space-filling curve 62 of a specific fractal curve type 72 can be seen.
  • a first filling material 121 is provided as filling material 120 for producing the space-filling curve 62 in this first partial structure 91.
  • FIG. 25 shows a top view of a further, second partial structure 92 according to the optimized virtual data model 90 of the three-dimensional model body shown in FIG. 24.
  • different virtual object sections 51 to 55 can be seen with different optimized curve progressions of different space-filling curves 60 to 65, which can also differ in their fractal curve type 70 to 75 and in their curve width 81, 82, 83.
  • the curve progressions of the space-filling curves 60 to 65 in virtual object sections 52, 53 that are subject to higher mechanical loads are intended here, for example, for production from a second, particularly robust filling material 122.
  • the space-filling curves 60 to 65 in virtual ones with less mechanical load Object sections 54, 55 are intended for production from the first filling material 121.
  • FIGS. 24 and 25 show an isometric view obliquely from above according to the optimized virtual data model 90 of the three-dimensional model body shown in FIGS. 24 and 25.
  • a total height H.90 of the optimized virtual data model 90 corresponds to the total height of the model object to be produced.
  • FIG. 27 shows a side view of the division of the optimized virtual data model 90 of the three-dimensional model body shown in FIG correspond to individual height layers 111,112,113 during the additive manufacturing of the model object 100 (in Fig. 27 on the right in the picture).
  • a total height H.90 of the optimized three-dimensional virtual data model 90 is divided into a number N (N 2 to n) of sequentially stacked height layers 111,112,113 of the model object 100, each of the N (N 2 to n) height layers 111,112,113 of the model object 100 corresponds to a single substructure 91,92,93 of the optimized virtual data model 90 and includes coordinate points 101,102,103 for the additive manufacturing of the corresponding height layer 111,112,113 of the model object 100.
  • the number N is chosen as an integer which is greater than or equal to the number 2, and where the number N (N 2 to n) is selected so that each of the N (N 2 to n) height layers 111,112,113 each have an individual partial height H. Ill, H.112, H.113 adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section 51,52,53.
  • the sum of the N (N 2 to n) Partial heights H. Ill, H.112, H.113 of the individual height layers 111, 112, 113 correspond to the total height H.90 of the optimized three-dimensional virtual data model 90.
  • Fig. 27 on the right of the picture the process step -k- is schematically illustrated, with a layer-by-layer application of the N (N 2 to n) sequentially stacked height layers 111, 112, 113 of the model object 100 by means of a manufacturing device for additive manufacturing, here for example with a 3D printing device, with which the model object 100 is manufactured.
  • a manufacturing device for additive manufacturing here for example with a 3D printing device, with which the model object 100 is manufactured.
  • a model object 100 produced in this way using a method according to the invention is optimized with regard to its strength requirements and can then immediately be used for the respective application.

Abstract

The invention relates to a method for additive manufacturing, in particular for 3D printing, comprising the following steps: - providing topography data (11) and material parameters (15) of a template object (10); - calculating a virtual structure model (30) and a virtual strength model (40) of a three-dimensional model object (100); - modelling a three-dimensional virtual data model (50) of the model object (100); - subdividing the virtual data model (50) into at least two virtual object sections (51, 52, 53) with different component loading capacity and/or component mobility; - selecting and adjusting at least one fractal curve type (70, 71, 72, 73) of a space filling curve (60, 61, 62, 63) with a fractal dimensionality (D.70) for each virtual object section (51, 52, 53) of the virtual data model (50) on the basis of stored strength data (41, 42, 43), until a three-dimensional optimum virtual data model (90) is obtained, which comprises coordinate points (101, 102, 103) for the additive manufacturing of the model object (100); - subdividing an overall height (H.90) of the optimised three-dimensional virtual data model (90) into a number N of sequential height layers (111,112,113) of the model object (100) stacked one on top of another; - applying the N height layers (111, 112, 113) of the model object (100) layer by layer, by means of a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device, in order to manufacture the model object (100).

Description

VERFAHREN SOWIE VORRICHTUNG ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG VON WERKSTÜCKEN MIT BEREICHEN HETEROGENER FÜLLSTRUKTUREN METHOD AND DEVICE FOR THE ADDITIVE MANUFACTURING OF WORKPIECES WITH AREAS OF HETEROGENE FILLING STRUCTURES
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken von Werkstücken, bei dem eine entsprechende Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, vorzugsweise eine 3D-Druck-Vorrichtung, zur Herstellung eines Modellobj ekts eingesetzt wird . The invention relates to a method for additive manufacturing, in particular for 3D printing of workpieces, in which a corresponding manufacturing device for additive manufacturing, preferably a 3D printing device, is used to produce a model object.
Weiters werden im Rahmen der Erfindung eine Steuerung für eine entsprechende Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung sowie eine Fertigungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuerung angegeben . Furthermore, within the scope of the invention, a control for a corresponding manufacturing device for additive manufacturing and a manufacturing device with a control according to the invention are specified.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Die Bezeichnung „additive Fertigung" (englisch : „additive manufacturing" ) umfasst sämtliche Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und so dreidimensionale Werkstücke erzeugt werden . Insbesondere zählen 3D- Druckverfahren zu den etablierten additiven Fertigungsverfahren . Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau meist computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen . Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt . Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind beispielsweise Kunststoffe , Kunstharze , Keramiken und speziell aufbereitete Metalle bzw . Metallpulver . The term “additive manufacturing” includes all manufacturing processes in which material is applied layer by layer and three-dimensional workpieces are created. In particular, 3D printing processes are among the established additive manufacturing processes. The layer-by-layer construction is usually carried out under computer control from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes. Physical or chemical hardening or melting processes take place during construction. Typical materials for 3D printing include plastics, synthetic resins, ceramics and specially prepared metals. metal powder.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt , die additive Fertigung von Bauteilen, insbesondere die Fertigung von 3D-Druckteilen, hinsichtlich des Materialverbrauchs und damit einhergehend hinsichtlich der Fertigungsdauer bzw . Dauer des 3D-Druckes zu optimieren . In der Regel werden Bauteile , die schichtweise mittels eines sogenannten FFF-Verfahrens ( kurz für : „Fused Filament Fabrication" ; Schmelzschicht-Verfahren) beispielsweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff oder aus geschmolzenem Metall aufgebaut werden, nicht aus einem vollen Material hergestellt, da die additive Herstellung von Bauteilen aus vollem Material meist zu zeitaufwendig ist . Um Bearbeitungszeit und Materialeinsatz einzusparen werden für die Herstellung von Werkstücken in Form von 3D-Druckteilen zum Aufbau innenliegender Abschnitte eines solchen Werkstücks üblicherweise einfache Füllstrukturen mit innenliegenden Hohlräumen verwendet . Je nach Einsatzgebiet und vorgegebener Belastbarkeit des Werkstücks können dazu unterschiedliche Füllstrukturen mit verschiedenen Füllraten des Füllmaterials verwendet werden . It is known from the prior art that the additive manufacturing of components, in particular the production of 3D printed parts, is important in terms of material consumption and, as a result, in terms of production time. Optimize the duration of 3D printing. As a rule, components are made layer by layer using a so-called FFF process (short for: “Fused Filament Fabrication”; fused layer process), for example from one meltable plastic or made from molten metal are not made from a solid material, as the additive manufacturing of components from solid material is usually too time-consuming. In order to save processing time and material usage, simple filling structures with internal cavities are usually used to produce workpieces in the form of 3D printed parts to build up internal sections of such a workpiece. Depending on the area of application and the given load capacity of the workpiece, different filling structures with different filling rates of the filling material can be used.
Beispielsweise ist aus der Druckschrift US 2012299917 Al ein additives Fertigungsverfahren für poröse 3D-Strukturen bekannt geworden . Zunächst wird dabei ein virtuelles Modell eines Obj ekts eingelesen, wobei das virtuelle Modell sowohl Geometriedaten als auch Materialdaten wie beispielsweise die Porosität oder die Dichteverteilung enthält . Das Modell wird in Flächenschichten unterteilt , wobei das Geometriemodell und das Materialmodell für j ede Ebene berücksichtigt werden . Für j ede Flächenschicht wird j eweils eine einzige kontinuierliche , fraktale , Raumfüllende Kurve erzeugt , welche möglichst an die vorgegebenen Materialdaten angepasst ist . For example, an additive manufacturing process for porous 3D structures has become known from the publication US 2012299917 Al. First, a virtual model of an object is read in, the virtual model containing both geometry data and material data such as porosity or density distribution. The model is divided into surface layers, taking into account the geometry model and the material model for each layer. For each surface layer, a single continuous, fractal, space-filling curve is generated, which is adapted as far as possible to the specified material data.
Unter dem Begriff einer Raumfüllenden Kurve ( englisch : „spacefilling curve" ) versteht man eine Linie , die eine zweidimensionale Fläche oder einen mehrdimensionalen Raum beziehungsweise ein regelmäßiges Gitter , das diese Fläche und/oder diesen Raum beschreibt , komplett durchläuft . The term “space-filling curve” refers to a line that completely passes through a two-dimensional surface or a multi-dimensional space or a regular grid that describes this surface and/or this space.
Die Druckschrift US 2014039659 Al zeigt ein Verfahren und System für die strukturelle Analyse und automatische Anpassung eines Modells für den 3D-Druck . Nach dem Einlesen eines Quellmodells , beispielsweise als STL Beschreibung, wird eine vorläufige Füllung bestimmt , daran anschließend wird die strukturelle Analyse begonnen, wobei kritische Bereiche identifiziert werden und automatisch die Struktur des Modells modifizieren kann . Nachteilig an derzeit bekannt gewordenen Verfahren zum Modellieren von dreidimensionalen Werkstücken für ein additives Fertigungsverfahren ist zumindest, dass die Unterteilung eines virtuellen Datenmodells des Werkstücks in Höhenschichten mit j eweils ein und derselben, uniformen Schichthöhe bzw . uniformen Layerhöhe erfolgt . The publication US 2014039659 Al shows a method and system for the structural analysis and automatic adjustment of a model for 3D printing. After reading in a source model, for example as an STL description, a preliminary filling is determined, after which the structural analysis is started, whereby critical areas are identified and the structure of the model can be automatically modified. The disadvantage of currently known methods for modeling three-dimensional workpieces for an additive manufacturing process is at least that the division of a virtual data model of the workpiece into height layers, each with one and the same, uniform layer height or uniform layer height.
Weiters ist von Nachteil , dass die Füllstrukturen zum Aufbau innenliegender Abschnitte eines solchen Werkstücks üblicherweise aus einem einzigen Füllmaterial gefertigt werden, wobei das eine Füllmaterial zum Aufbau von innenliegenden Werkstücken j eweils mit ein und derselben, uniformen Materialbreite bzw . uniformen Layerbreite aufgetragen wird . Eine individuelle Anpassung an lokal unterschiedliche Bauteilbelastungen des zu fertigenden Werkstücks ist mit den derzeit verfügbaren Verfahren zum Modellieren von dreidimensionalen Werkstücken für additive Fertigungsverfahren nur unzureichend möglich . Another disadvantage is that the filling structures for building internal sections of such a workpiece are usually made from a single filling material, with the one filling material for building internal workpieces each having the same, uniform material width or uniform layer width is applied. An individual adaptation to locally different component loads of the workpiece to be manufactured is only inadequately possible with the currently available methods for modeling three-dimensional workpieces for additive manufacturing processes.
AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein neuartiges Verfahren zur additiven Fertigung anzugeben, bei dem lokal unterschiedliche Bauteilbelastungen des zu fertigenden Werkstücks berücksichtigt werden . It is therefore an object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a novel method for additive manufacturing in which locally different component loads on the workpiece to be manufactured are taken into account.
Weiters ist eine der erfindungsgemäßen Aufgaben, ein möglichst flexibles und nachhaltiges Verfahren vorzuschlagen, wobei sowohl Vorlageobj ekte mit einfacher Geometrie , als auch Vorlageobj ekte mit komplexer Geometrie , die beispielsweise innenliegende Ausnehmungen und/oder Abschnitte mit porösen Strukturen, insbesondere mit abgestufter Porosität und/oder abgestufter Dichte , aufweisen, j eweils möglichst zeitsparend und materialschonend sowie unter Berücksichtigung von lokal unterschiedlichen Bauteilbelastungen gefertigt werden können . Furthermore, one of the tasks according to the invention is to propose a method that is as flexible and sustainable as possible, with both template objects with simple geometry and template objects with complex geometry, for example internal recesses and / or sections with porous structures, in particular with graded porosity and / or graduated density, each can be manufactured as time-saving and material-friendly as possible and taking into account locally different component loads.
Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine Steuerung für eine entsprechende Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung sowie eine Fertigungsvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuerung anzugeben, die zur Durchführung eines solchen neuartigen Verfahrens zur additiven Fertigung geeignet sind . Further objects of the invention are a control for a corresponding manufacturing device for additive manufacturing and to specify a manufacturing device with a control according to the invention, which is suitable for carrying out such a novel method for additive manufacturing.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION
Diese Aufgaben werden mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, gelöst , wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst : These tasks are solved using a method according to the invention for additive manufacturing, in particular for 3D printing, the method comprising the following steps:
-a- Bereitstellen von Topographiedaten eines physischen dreidimensionalen Vorlageobj ekts ; -a- Providing topography data of a physical three-dimensional template object;
-b- Bereitstellen von Materialkennwerten des Vorlageobj ekts ; -b- Provide material characteristics of the template object;
- c- Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen Strukturmodells eines dreidimensionalen Modellobj ekts in Abhängigkeit von den in Schritt -a- bereitgestellten Topographiedaten des Vorlageobj ekts ; - c- computer-aided calculation of a virtual structural model of a three-dimensional model object depending on the topography data of the template object provided in step -a-;
-d- Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen Festigkeitsmodells des dreidimensionalen Modellobj ekts in Abhängigkeit von den in Schritt -b- bereitgestellten Materialkennwerten des Vorlageobj ekts , wobei Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobj ekts erhalten werden; -d- Computer-aided calculation of a virtual strength model of the three-dimensional model object depending on the material characteristics of the template object provided in step -b-, whereby strength data on the component load capacity and / or component mobility of the model object are obtained;
-e- Rechnerunterstütztes Modellieren des virtuellen Strukturmodells sowie des virtuellen Festigkeitsmodells zu einem dreidimensionalen virtuellen Datenmodell des Modellobj ekts ;-e- Computer-assisted modeling of the virtual structural model and the virtual strength model into a three-dimensional virtual data model of the model object;
-f- Rechnerunterstütztes Unterteilen des virtuellen Datenmodells des Modellobj ekts in zumindest zwei virtuelle Obj ektabschnitte mit unterschiedlicher Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ; -f- Computer-aided division of the virtual data model of the model object into at least two virtual object sections with different component load capacity and/or component mobility;
-g- Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps einer Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad für j eden der zumindest zwei virtuellen Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells , wobei der zumindest eine fraktale Kurventyp und/oder der fraktale Dimensionsgrad für den j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitt des virtuellen Datenmodells anhand von im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ausgewählt wird bzw . werden; -h- Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite des ausgewählten zumindest einen fraktalen Kurventyps der Raumfüllenden Kurve innerhalb des j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitts für j eden der zumindest zwei virtuellen Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells anhand von im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ; -g- Selecting at least one fractal curve type of a space-filling curve with a fractal degree of dimension for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model, wherein the at least one fractal curve type and / or the fractal degree of dimension for the respective virtual object section of the virtual data model is selected based on strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility or become; -h- Adjusting at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one fractal curve type of the space-filling curve within the respective virtual object section for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model based on strength data on component load capacity stored in the virtual data model and/or component mobility;
-i- Gegebenenfalls Wiederholen von Schritt -g- zum Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps einer Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad für einen oder mehrere virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells und/oder Wiederholen von Schritt -h- zum Anpassen des j eweiligen individuellen Kurvenverlaufs mit individueller Kurvenbreite der zumindest einen ausgewählten Raumfüllenden Kurve für einen oder mehrere virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells , bis die Kurvenverläufe von Raumfüllenden Kurven für sämtliche virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells an im virtuellen Datenmodell hinterlegte Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst sind und ein dreidimensionales optimiertes virtuelles Datenmodell erhalten wird, welches optimierte virtuelle Datenmodell Koordinatenpunkte für die additive Fertigung des Modellobj ekts umfasst ; -i- If necessary, repeat step -g- to select at least one fractal curve type of a space-filling curve with a fractal degree of dimension for one or more virtual object sections of the virtual data model and / or repeat step -h- to adapt the respective individual curve profile individual curve width of the at least one selected space-filling curve for one or more virtual object sections of the virtual data model until the curve courses of space-filling curves for all virtual object sections of the virtual data model are adapted to the strength data stored in the virtual data model for component load capacity and / or component mobility and a three-dimensional optimized virtual data model is obtained, which includes optimized virtual data model coordinate points for the additive manufacturing of the model object;
-j - Rechnerunterstütztes Unterteilen einer Gesamthöhe des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells in eine Anzahl N (N
Figure imgf000007_0001
2 bis n) von sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts , wobei j ede der N (N
Figure imgf000007_0002
2 bis n) Höhenschichten des Modellobj ekts einer einzelnen Teilstruktur des optimierten virtuellen Datenmodells entspricht und Koordinatenpunkte für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht des Modellobj ekts umfasst , wobei die Anzahl N eine ganze Zahl ist , welche größer oder gleich der Zahl 2 ist , und wobei die Anzahl N (N
Figure imgf000007_0003
2 bis n) so ausgewählt wird, dass j ede einzelne der N (N 2 bis n) Höhenschichten j eweils eine an die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des j eweiligen Obj ektabschnittes angepasste , individuelle Teilhöhe , wobei die Summe der N (N 2 bis n) Teilhöhen der einzelnen Höhenschichten der Gesamthöhe des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells entspricht ;
-j - Computer-aided division of a total height of the optimized three-dimensional virtual data model into a number N (N
Figure imgf000007_0001
2 to n) of sequentially stacked height layers of the model object, each of the N (N
Figure imgf000007_0002
2 to n) height layers of the model object correspond to a single substructure of the optimized virtual data model and include coordinate points for the additive manufacturing of the corresponding height layer of the model object, where the number N is an integer which is greater than or equal to the number 2, and where the number N (N
Figure imgf000007_0003
2 to n) is selected so that each of the N (N 2 to n) height layers each has an individual partial height adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section, whereby the sum of the N (N 2 to n) partial heights of the individual height layers correspond to the total height of the optimized three-dimensional virtual data model;
-k- schichtweises Aufträgen der N (N
Figure imgf000008_0001
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts mittels einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, vorzugsweise mit einer 3D-Druck-Vorrichtung, um das Modellobj ekt zu fertigen .
-k- layer-by-layer orders of the N (N
Figure imgf000008_0001
2 to n) sequentially stacked height layers of the model object using a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device, in order to manufacture the model object.
Das angegebene erfindungsgemäße Verfahren ist an sich nicht auf eine bestimmte Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte festgelegt . Insbesondere können erforderlichenfalls einzelne oder mehrere Verfahrensschritte beispielsweise in Form einer oder mehrerer Teilsequenzen des Verfahrens auch mehrfach wiederholt werden, bevor weitere , nachfolgende Verfahrensschritte durchgeführt werden . So können j e nach Anwendungs fall beispielsweise die beiden Verfahrensschritte -a- und -c- und/oder die beiden Verfahrensschritte -b- und -d- j eweils ohne Zwischenschritt direkt hintereinander ausgeführt werden . The specified method according to the invention is not in itself limited to a specific sequence of the individual process steps. In particular, if necessary, individual or several process steps can also be repeated several times, for example in the form of one or more partial sequences of the process, before further, subsequent process steps are carried out. Depending on the application, for example, the two process steps -a- and -c- and/or the two process steps -b- and -d- can each be carried out directly one after the other without an intermediate step.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren j edoch in der hier angegebenen Reihenfolge der Verfahrensschritte -a- bis -k- durchgeführt , um ausgehend von einem physischen, dreidimensionalen Vorlageobj ekt mittels einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, vorzugsweise mit einer 3D-Druck-Vorrichtung, ein dreidimensionales Modellobj ekt zu fertigen . Erforderlichenfalls können j edoch gemäß Schritt -i- die Schritte -g- und/oder -h- einfach oder auch mehrfach wiederholt werden . Für die weitere Beschreibung wird der Einfachheit wegen die angegebene Reihenfolge der Verfahrensschritte -a- bis -k- eingehalten . However, the method according to the invention is preferably carried out in the order of method steps -a- to -k- specified here in order to produce a three-dimensional object starting from a physical, three-dimensional template object using a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device to produce a model object. However, if necessary, according to step -i-, steps -g- and / or -h- can be repeated once or several times. For the sake of simplicity, the specified order of process steps -a- to -k- is followed for the further description.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist an sich für sämtliche additive Fertigungstechniken anwendbar , wie etwa , aber nicht beschränkt auf , 3D-Drucken, Schmelz ab Scheidung, Stereolithographie , selektives Lasersintern, direkte Materialabscheidung, oder Schichtfertigung ( kurz : LM; englisch : „laminar manufacture" ) . Vorzugsweise ist das angegebene Fertigungsverfahren j edoch zum 3D-Drucken vorgesehen . Im Detail werden zu Beginn des Verfahrens in Schritt -a- entsprechende Topographiedaten eines physischen dreidimensionalen Vorlageobj ekts , welches als Vorlage für das anzufertigende Modellobj ekt dient , bereitgestellt . The method according to the invention is applicable to all additive manufacturing techniques, such as, but not limited to, 3D printing, enamel from divorce, stereolithography, selective laser sintering, direct material deposition, or layer manufacturing (abbreviated: LM; English: "laminar manufacture") However, the specified manufacturing process is preferably intended for 3D printing. In detail, at the beginning of the method in step -a-, corresponding topography data of a physical three-dimensional template object, which serves as a template for the model object to be produced, are provided.
Der Begriff eines physischen dreidimensionalen Vorlageobj ekts bzw . „3D"-Vorlageobj ekts umfasst im Folgenden auch sogenannte „2 , 5D"- Obj ekte , also j ene Obj ekte und Strukturen, die an sich dreidimensional sind, die j edoch beispielsweise keine definierte Unterkante aufweisen und/oder die Hinterschneidungen aufweisen können . Beispielsweise werden sphärische Linsen, die für optische Anwendungen eingesetzt werden und die an ihren Unterkanten abgerundet sind, als 2 , 5D-Obj ekte bezeichnet . Solche 2 , 5D- Vorlageobj ekte können ebenfalls als Vorlage für entsprechend mit dem erfindungsgemäßen Verfahren additiv gefertigte 2 , 5D-Modellobj ekte dienen . The concept of a physical three-dimensional template object or “3D” template objects also include so-called “2, 5D” objects, i.e. those objects and structures that are in themselves three-dimensional, but which, for example, do not have a defined lower edge and/or which can have undercuts. For example, spherical lenses used for optical applications that are rounded at their bottom edges are referred to as 2.5D objects. Such 2.5D template objects can also serve as a template for 2.5D model objects that are additively manufactured using the method according to the invention.
Unter dem Begriff „Topographiedaten" sind im Weiteren Informationsdaten zur Lage , Geometrie und Strukturierung der Außenflächen bzw . äußeren Konturen des Vorlageobj ekts sowie gegebenenfalls auch Informationsdaten von innerhalb des Vorlageobj ekts gelegenen Strukturen, beispielsweise von porösen Strukturen, Kavitäten, Hinterschneidungen und dergleichen zu verstehen . In einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem kann beispielsweise ein Vorlageobj ekt zum Erfassen von Topographiedaten so ausgerichtet werden, dass ein flächiger Strukturabschnitt des Vorlageobj ekts mit einer Länge in X- Achsenrichtung sowie einer Breite in Y-Achsenrichtung angegeben werden kann . Strukturhöhen einer Oberfläche des Vorlageobj ekts mit einer Mikrostruktur können beispielsweise in Z-Achsenrichtung angegeben werden, wobei die Z-Achsenrichtung als Höhenanzeige des Vorlageobj ekts bzw . von Strukturen des Vorlageobj ekts dient . Vertiefungen innerhalb des Vorlageobj ekts können demnach beispielsweise als Strukturtiefen in negativer Z-Achsenrichtung angegeben werden . The term “topography data” also means information data on the position, geometry and structuring of the outer surfaces or outer contours of the template object as well as, if necessary, information data from structures located within the template object, for example porous structures, cavities, undercuts and the like. In a three-dimensional Cartesian coordinate system, for example, a template object for acquiring topography data can be aligned in such a way that a flat structural section of the template object can be specified with a length in the X-axis direction and a width in the Y-axis direction. Structure heights of a surface of the template object can also be specified a microstructure can be specified, for example, in the Z-axis direction, with the Z-axis direction serving as a height display of the template object or structures of the template object. Depressions within the template object can therefore be specified, for example, as structure depths in the negative Z-axis direction.
Im nächsten Schritt -b- erfolgt das Bereitstellen von Materialkennwerten des Vorlageobj ekts . Der Begriff „Materialkennwerte" umfasst beispielsweise Informationsdaten zum Anwendungsgebiet des Vorlageobj ekts , zur Materialbeschaffenheit , Dichte , Porosität , sowie zur Belastungsart und/oder Belastungshöhe des Vorlageobj ekts . The next step -b- involves providing material characteristics of the template object. The term “Material characteristics” includes, for example, information data on the application area of the template object, the material properties, density, porosity, as well as the type of load and/or level of load on the template object.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiters gemäß Schritt -c- ein Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen Strukturmodells eines dreidimensionalen Modellobj ekts in Abhängigkeit bzw . unter Berücksichtigung der in Schritt -a- bereitgestellten Topographiedaten des Vorlageobj ekts . Ausgehend von den Topographiedaten des Vorlageobj ekts , die als räumlicher Datensatz in Form von diskreten Koordinatenpunkten, beispielsweise als XYZ- Koordinatenpunkte in kartesischen Koordinaten, angegeben sind, kann Rechnerunterstützt ein virtuelles Strukturmodell berechnet werden . Unter dem Begriff „Voxel" , einer aus dem Englischen stammenden Kombination der Abkürzungs-Silben „vox" für „volume" und „el" für „elements" , versteht man in der Computergrafik einen Gitterpunkt bzw . Bildpunkt in einem dreidimensionalen Gitter . Bei einem räumlichen Datensatz , der in diskreter Form in kartesischen Koordinaten vorliegt , bezeichnet Voxel somit den diskreten Wert an einer XYZ-Koordinate des Datensatzes . The method according to the invention further comprises, according to step -c-, a computer-aided calculation of a virtual structural model of a three-dimensional model object depending on or taking into account the topography data of the template object provided in step -a-. Starting from the topography data of the template object, which is specified as a spatial data set in the form of discrete coordinate points, for example as XYZ coordinate points in Cartesian coordinates, a virtual structural model can be calculated with the aid of a computer. The term "voxel", an English combination of the abbreviation syllables "vox" for "volume" and "el" for "elements", is used in computer graphics to mean a grid point or image point in a three-dimensional grid For a spatial data set that is in discrete form in Cartesian coordinates, voxel refers to the discrete value at an XYZ coordinate of the data set.
Unter dem Begriff „Rechnerunterstützt" wird hier der Einsatz eines oder mehrerer Computer zur Unterstützung bei der Durchführung von Berechnungsaufgaben verstanden . The term “computer-assisted” here means the use of one or more computers to support the execution of calculation tasks.
In Schritt -d- erfolgt ein Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen Festigkeitsmodells des dreidimensionalen Modellobj ekts in Abhängigkeit bzw . unter Berücksichtigung der in Schritt -b- bereitgestellten Materialkennwerte des Vorlageobj ekts . Mit Hilfe des berechneten virtuellen Festigkeitsmodells werden Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobj ekts erhalten . Je nach Anwendungsfall können dabei unterschiedliche Szenarios an Bauteilbelastungen wie beispielsweise Grundbelastungsarten mittels Druckbelastung, Zugbelastung, Scherungsbelastung, Torsionsbelastung und/oder Biegebelastung berücksichtigt werden . Die gewählten Grundbelastungsarten können wahlweise als einzelner Belastungsfall oder als kombinierte Belastungsfälle , wobei zwei oder mehrere Belastungsfälle entsprechend überlagert werden, berücksichtigt werden . In step -d-, a computer-aided calculation of a virtual strength model of the three-dimensional model object takes place depending on or taking into account the material characteristics of the template object provided in step -b-. With the help of the calculated virtual strength model, strength data on the component load capacity and/or component mobility of the model object are obtained. Depending on the application, different scenarios of component loads can be taken into account, such as basic load types using compressive loads, tensile loads, shear loads, torsional loads and/or bending loads. The selected basic load types can be used either as a single load case or as a combined one Load cases, whereby two or more load cases are superimposed accordingly, are taken into account.
Diese Auswahl eines möglichen Belastungsfalls oder einer Kombination von zwei oder mehreren überlagerten Belastungsfällen dient zur Berechnung entsprechender Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobj ekts . Ebenso können bewegliche und/oder starre Abschnitte bzw . Teile des Modellobj ekts im virtuellen Festigkeitsmodell berücksichtigt werden . Die solcherart ermittelten Festigkeitsdaten dienen nachfolgend zur Auswahl zumindest eines geeigneten fraktalen Kurventyps einer Raumfüllenden Kurve . This selection of a possible load case or a combination of two or more superimposed load cases serves to calculate corresponding strength data for the component load capacity and/or component mobility of the model object. Movable and/or rigid sections or Parts of the model object are taken into account in the virtual strength model. The strength data determined in this way are subsequently used to select at least one suitable fractal curve type of a space-filling curve.
In Schritt -e- werden Rechnerunterstützt Daten des virtuellen Strukturmodells sowie des virtuellen Festigkeitsmodells miteinander kombiniert und zu einem dreidimensionalen virtuellen Datenmodell des Modellobj ekts modelliert . Das dreidimensionale virtuelle Datenmodell enthält somit sowohl Informationsdaten zur Struktur bzw . Topographie , als auch Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des betreffenden Modellobj ekts . In step -e-, computer-aided data from the virtual structural model and the virtual strength model are combined with one another and modeled into a three-dimensional virtual data model of the model object. The three-dimensional virtual data model therefore contains information about the structure or Topography, as well as strength data on the component load capacity and/or component mobility of the model object in question.
In Schritt -f- erfolgt Rechnerunterstützt ein Unterteilen des virtuellen Datenmodells des Modellobj ekts in zumindest zwei oder mehrere virtuelle Obj ektabschnitte mit unterschiedlicher Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit . Vorteilhaft können so individuell zwei oder mehrere virtuelle Obj ektabschnitte , in denen unterschiedliche Erfordernisse hinsichtlich der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit gegeben sind, j eweils näher untersucht werden . Die Größe , Lage , Anordnung bzw . Positionierung der zwei oder mehreren virtuellen Obj ektabschnitte relativ zueinander sowie in Bezug zum virtuellen Datenmodell kann individuell an die j eweiligen Erfordernisse angepasst werden . Je kleinteiliger strukturiert die Unterteilung des virtuellen Datenmodells gewählt wird, umso exakter kann die nachfolgende Berechnung und individuelle Anpassung des virtuellen Datenmodells für die additive Fertigung des Modellobj ekts durchgeführt werden . Vorzugsweise können zur kleinteiligen Unterteilung des virtuellen Datenmodells regelmäßige Gitterstrukturen dienen, wobei ein beispielsweise würfelförmiges Gitterelement einem virtuellen Obj ektabschnitt entspricht . Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, bei der Unterteilung des virtuellen Datenmodells einen virtuellen Obj ektabschnitt oder mehrere virtuellen Obj ektabschnitte so kleinräumig zu wählen, dass ein einzelner Gitterpunkt bzw . ein einzelner Voxel , entsprechend einem einzelnen Koordinatenpunkt mit einer XYZ-Koordinate des zu fertigenden Modellobj ekts , j eweils einen eigenen virtuellen Obj ektabschnitt bildet . Im Extremfall kann im Rahmen der Erfindung somit das virtuelle Datenmodell in eine Anzahl von virtuellen Obj ektabschnitten unterteilt werden, wobei j eder einzelne Gitterpunkt bzw . Voxel einem eigenen virtuellen Obj ektabschnitt entspricht . Allerdings steigt einhergehend mit der gewählten Anzahl der virtuellen Obj ektabschnitte auch der Berechnungsaufwand . In step -f-, the virtual data model of the model object is divided, with computer assistance, into at least two or more virtual object sections with different component load capacity and/or component mobility. Advantageously, two or more virtual object sections, in which different requirements exist with regard to component load capacity and/or component mobility, can each be individually examined in more detail. The size, location, arrangement or Positioning of the two or more virtual object sections relative to each other and in relation to the virtual data model can be individually adapted to the respective requirements. The more detailed the subdivision of the virtual data model is, the more precisely the subsequent calculation and individual adaptation of the virtual data model for the additive manufacturing of the model object can be carried out. Preferably, regular grid structures can be used to subdivide the virtual data model into small parts, with a cube-shaped grid element, for example, corresponding to a virtual object section. Likewise, within the scope of the invention, when dividing the virtual data model, it is provided to select a virtual object section or several virtual object sections on such a small scale that a single grid point or a single voxel, corresponding to a single coordinate point with an XYZ coordinate of the model object to be manufactured, each forms its own virtual object section. In extreme cases, within the scope of the invention, the virtual data model can be divided into a number of virtual object sections, with each individual grid point or Voxel corresponds to its own virtual object section. However, the calculation effort also increases as the number of virtual object sections selected increases.
Anschließend erfolgt in Schritt -g- das Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps einer Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad für j eden der zumindest zwei oder mehreren virtuellen Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells , wobei der zumindest eine fraktale Kurventyp und/oder der fraktale Dimensionsgrad für den j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitt des virtuellen Datenmodells anhand von im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ausgewählt wird bzw . werden . Subsequently, in step -g-, at least one fractal curve type of a space-filling curve is selected with a fractal degree of dimension for each of the at least two or more virtual object sections of the virtual data model, wherein the at least one fractal curve type and / or the fractal degree of dimension for the j respective virtual object section of the virtual data model is selected based on strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility or become .
Wie eingangs bereits erwähnt , ermöglicht generell der Einsatz von Raumfüllenden Kurven, mathematisch definierte , linienförmige Strukturen zu bilden, die eine zweidimensionale Fläche oder einen mehrdimensionalen Raum beziehungsweise ein regelmäßiges Gitter, das diese Fläche und/oder diesen Raum beschreibt , komplett durchlaufen . Durch Anpassen eines geeigneten Kurvenverlaufs gelingt es dabei , mittels einer eindimensionalen Kurve beispielsweise eine zweidimensionale Ebene oder einen dreidimensionalen Raum Raumfüllend so auszufüllen, dass die Raumfüllende Kurve in einem Zug gezeichnet werden kann, ohne sich selbst dabei zu schneiden . Der Einfachheit wegen werden auch an sich flächenfüllende Kurven, die einen Flächeninhalt einer zweidimensionalen Fläche ausfüllen und an sich eine zweidimensionale „2D"-Kurve bilden, im Weiteren ebenfalls als Raumfüllende Kurven bezeichnet . As already mentioned at the beginning, the use of space-filling curves generally makes it possible to form mathematically defined, line-shaped structures that completely pass through a two-dimensional surface or a multi-dimensional space or a regular grid that describes this surface and/or this space. By adapting a suitable curve, it is possible to use a one-dimensional curve to fill a two-dimensional plane or a three-dimensional space in such a way that the space-filling curve can be drawn in one go without intersecting itself. For the sake of simplicity, curves that fill the area are also used Fill the area of a two-dimensional surface and form a two-dimensional “2D” curve, also referred to below as space-filling curves.
Definitionsgemäß werden als Fraktale bzw . fraktale Kurven j ene mathematischen Funktionen bezeichnet , die den Verlauf bestimmter natürlicher Gebilde wie beispielsweise von Küstenlinien oder Konturlinien von Schneeflocken, oder den Verlauf künstlicher Gebilde sowie von geometrischen Musterungen beschreiben . Diese Gebilde oder Muster besitzen im Allgemeinen keine ganzzahlige Dimension im Sinne beispielsweise einer zweidimensionalen „2D"-Kurve oder einer dreidimensionalen „3D"-Kurve , sondern besitzen eine gebrochene bzw . fraktale Dimension, wobei die fraktale Dimension keine ganze Zahl sein muss . Überdies weisen fraktale Kurven zudem einen hohen Grad von Skaleninvarianz bzw . Selbstähnlichkeit auf . Das ist beispielsweise dann der Fall , wenn ein Obj ekt aus mehreren verkleinerten Kopien seiner selbst besteht . Geometrische Obj ekte dieser Art unterscheiden sich in wesentlichen Aspekten von gewöhnlichen glatten Figuren . By definition, fractals or Fractal curves refer to those mathematical functions that describe the course of certain natural structures such as coastlines or contour lines of snowflakes, or the course of artificial structures and geometric patterns. These structures or patterns generally do not have an integer dimension in the sense of, for example, a two-dimensional "2D" curve or a three-dimensional "3D" curve, but rather have a broken or fractal dimension, where the fractal dimension does not have to be an integer. In addition, fractal curves also have a high degree of scale invariance or self-similarity. This is the case, for example, when an object consists of several reduced copies of itself. Geometric objects of this type differ from ordinary smooth figures in important aspects.
Die fraktale Dimension kann in der Oberflächenphysik zur Charakterisierung von Oberflächen verwendet werden und dient hier zur Klassifi zierung und zum Vergleich von Oberflächenstrukturen . The fractal dimension can be used in surface physics to characterize surfaces and is used here to classify and compare surface structures.
Bei der Herstellung einer fraktalen Raumfüllenden Kurve beispielsweise durch Extrusion mittels eines 3D-Druck-Verfahrens ist vorteilhaft, dass bei korrekter Berechnung des Kurvenverlaufs beim schichtweisen Drucken keine Überhänge produziert werden und somit Fehler bei der Schichthaftung zwischen den benachbarten, übereinander gedruckten Höhenschichten vermieden werden können . When producing a fractal space-filling curve, for example by extrusion using a 3D printing process, it is advantageous that if the curve shape is correctly calculated during layer-by-layer printing, no overhangs are produced and errors in layer adhesion between the adjacent height layers printed one above the other can therefore be avoided.
Bei der Auswahl , ob eine zweidimensionale „2D"-Kurve oder aber eine dreidimensionale „3D"-Kurve besser als Raumfüllende Kurve zur Anpassung an die individuellen Erfordernisse hinsichtlich der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit in einem virtuellen Obj ektabschnitt des virtuellen Datenmodells geeignet sei , kann überdies auch die Frage des Freiheitsgrades des j eweils ausgewählten Kurventyps zu beachten sein . Eine zweidimensionale „2D"-Kurve als Raumfüllende Kurve hat nur zwei Freiheitsgrade entsprechend den beiden Achsenrichtungen bzw . demj enigen Achsenpaar , welches die Flächenebene aufspannt , in der die j eweils betrachtete zweidimensionale „2D"-Kurve liegt . Der Einsatz einer dreidimensionalen ,,3D"-Kurve als Raumfüllende Kurve bietet demgegenüber den Vorteil , dass eine solche dreidimensionale „3D"- Kurve drei Freiheitsgrade hat und daher besonders einfach und flexibel an lokale Erfordernisse hinsichtlich der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit in einem virtuellen Obj ektabschnitt des virtuellen Datenmodells angepasst werden kann . When selecting whether a two-dimensional "2D" curve or a three-dimensional "3D" curve is better suited as a space-filling curve for adapting to the individual requirements with regard to the component load capacity and/or component mobility in a virtual object section of the virtual data model, can In addition, the question of the degree of freedom of the curve type selected must also be taken into account. A two-dimensional one "2D" curve as a space-filling curve has only two degrees of freedom corresponding to the two axis directions or the pair of axes that span the surface plane in which the two-dimensional "2D" curve under consideration lies. The use of a three-dimensional "3D" curve as a space-filling curve offers the advantage that such a three-dimensional "3D" curve has three degrees of freedom and can therefore be adapted particularly easily and flexibly to local requirements with regard to component load capacity and/or component mobility in a virtual object ect section of the virtual data model can be adjusted.
In Schritt -h- erfolgt sodann das Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite des ausgewählten zumindest einen fraktalen Kurventyps der Raumfüllenden Kurve innerhalb des j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitts für j eden der zumindest zwei virtuellen Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells anhand von im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit . Vorteilhaft können somit innerhalb eines virtuellen Obj ektabschnitts ein individueller Kurvenverlauf sowie eine individuelle Kurvenbreite einer Raumfüllenden Kurve oder auch mehrere individuelle Kurvenverläufe mehrerer Raumfüllender Kurven mit j eweils individuellen Kurvenbreiten an die Bauteilerfordernisse in diesem virtuellen Obj ektabschnitt angepasst werden . Durch geeignete Auswahl des fraktalen Kurventyps sowie der individuellen Kurvenbreite einer ausgewählten Raumfüllenden Kurve kann auf diese Weise der individuelle Kurvenverlauf einer bzw . j eder Raumfüllender Kurve innerhalb des betrachteten virtuellen Obj ektabschnitts an die lokal erforderlichen Festigkeitsdaten dieses Obj ektabschnitts angepasst werden . In step -h-, at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one fractal curve type of the space-filling curve are then adapted within the respective virtual object section for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model based on the virtual Strength data stored in the data model for component load capacity and/or component mobility. Advantageously, within a virtual object section, an individual curve profile and an individual curve width of a space-filling curve or several individual curve profiles of several space-filling curves, each with individual curve widths, can be adapted to the component requirements in this virtual object section. By appropriately selecting the fractal curve type and the individual curve width of a selected space-filling curve, the individual curve course of a or Each space-filling curve within the virtual object section under consideration must be adapted to the locally required strength data of this object section.
Wie vorhin bereits festgehalten kann die Unterteilung der virtuellen Obj ektabschnitte erforderlichenfalls bis auf einzelne Gitterpunkte bzw . Voxel heruntergebrochen werden, weshalb es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist , bei entsprechend kleinteiliger Unterteilung in Schritt -f- die Kurvenbreite sowie den Kurvenverlauf individuell für einzelne Gitterpunkte bzw . Voxel anzupassen . As already stated before, the virtual object sections can be subdivided down to individual grid points or Voxels are broken down, which is why it is possible within the scope of the method according to the invention, with a correspondingly small subdivision in step -f-, the curve width and the Curve progression individually for individual grid points or Adjust voxels.
Gemäß Schritt -i- können gegebenenfalls Schritt -g- und/oder Schritt -h- solange wiederholt werden, bis die Kurvenverläufe von Raumfüllenden Kurven für sämtliche virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells an im virtuellen Datenmodell hinterlegte Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst sind und ein dreidimensionales optimiertes virtuelles Datenmodell erhalten wird, welches optimierte virtuelle Datenmodell Koordinatenpunkte für die additive Fertigung des Modellobj ekts umfasst . Im optimierten virtuellen Datenmodell sind bereits die individuell angepassten Kurvenverläufe der ausgewählten Raumfüllenden Kurven so hinterlegt, dass beispielsweise Übergänge zwischen aneinandergrenzenden Kurvenabschnitten mit unterschiedlicher Kurvenbreite geglättet sind, um damit einhergehend lokale Spannungsverläufe bei entsprechender Bauteilbelastung zu glätten . Das optimierte virtuelle Datenmodell enthält bereits für die additive Fertigung des Modellobj ekts erforderliche Informationsdaten, insbesondere Angaben zu Koordinatenpunkten des Modellobj ekts . According to step -i-, if necessary, step -g- and/or step -h- can be repeated until the curve progressions of space-filling curves for all virtual object sections of the virtual data model are adapted to the strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility and a three-dimensional optimized virtual data model is obtained, which includes optimized virtual data model coordinate points for the additive manufacturing of the model object. In the optimized virtual data model, the individually adapted curve profiles of the selected space-filling curves are already stored in such a way that, for example, transitions between adjacent curve sections with different curve widths are smoothed in order to simultaneously smooth local stress curves with corresponding component loads. The optimized virtual data model already contains information data required for the additive manufacturing of the model object, in particular information about coordinate points of the model object.
Für die schichtweise bzw . lagenweise Fertigung des Modellobj ekts muss j edoch zuvor in Schritt -j - noch mittels Rechnerunterstützung die Gesamthöhe des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells in eine Anzahl N (N
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2 bis n) von sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts unterteilt werden, wobei j ede der N (N
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2 bis n) Höhenschichten des Modellobj ekts einer einzelnen Teilstruktur des optimierten virtuellen Datenmodells entspricht und Koordinatenpunkte für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht des Modellobj ekts umfasst . Vorteilhaft wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Anzahl N der Höhenschichten so ausgewählt, dass j ede einzelne der N Höhenschichten j eweils eine an die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des j eweiligen Obj ektabschnittes angepasste , individuelle Teilhöhe aufweist , wobei die Summe der N Teilhöhen der einzelnen Höhenschichten der Gesamthöhe des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells entspricht . Besonders vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die individuelle Kurvenbreite bzw . Layerbreite des individuell ausgewählten Kurvenverlaufs einer Raumfüllenden fraktalen Kurve , als auch die individuellen Teilhöhen der einzelnen Teilstrukturen bzw . Höhenschichten j eweils flexibel an die lokalen Erfordernisse betreffend die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des j eweiligen Obj ektabschnittes angepasst werden .
For the layered or However, the model object must be produced layer by layer in step -j - using computer support, the total height of the optimized three-dimensional virtual data model must be divided into a number N (N
Figure imgf000015_0001
2 to n) of sequentially stacked height layers of the model object, each of the N (N
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2 to n) height layers of the model object correspond to a single substructure of the optimized virtual data model and include coordinate points for the additive manufacturing of the corresponding height layer of the model object. Advantageously, in the method according to the invention, the number N of height layers is selected so that each of the N height layers has an individual partial height adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section, the sum of the N partial heights of the individual height layers corresponds to the total height of the optimized three-dimensional virtual data model. Particularly advantageously, with the method according to the invention, both the individual curve width or Layer width of the individually selected curve of a space-filling fractal curve, as well as the individual partial heights of the individual partial structures or Elevation layers can each be flexibly adapted to the local requirements regarding the component load capacity and/or component mobility of the respective object section.
So können beispielsweise besonders stark belastete Obj ektabschnitte mit einer hohen bzw . maximalen Füllrate des Füllmaterials gefertigt werden - vergleichbar mit einem starren Vollmaterial . Dies kann erzielt werden, indem die lokale Kurvenbreite bzw . Layerbreite und somit die Materialbreite des Füllmaterials in einem solchen stark belasteten Obj ektabschnitt des Modellobj ekts möglichst breit gewählt wird . Die Teilhöhe bzw . Layerhöhe der Teilstrukturen bzw . Höhenschichten wird zweckmäßigerweise in einem solchen stark belasteten Obj ektabschnitt möglichst gering gewählt, um durch schichtweisen Auftrag möglichst vieler Höhenschichten mit j eweils möglichst geringer Teilhöhe bzw . Layerhöhe einen maximalen Füllmaterialauftrag in dem belasteten Obj ektabschnitt zu erzielen . For example, particularly heavily loaded object sections with a high or maximum filling rate of the filling material - comparable to a rigid solid material. This can be achieved by increasing the local curve width or Layer width and thus the material width of the filling material in such a heavily loaded object section of the model object is selected as wide as possible. The partial height or Layer height of the substructures or Elevation layers are expediently chosen to be as low as possible in such a heavily loaded object section in order to create as many elevation layers as possible, each with the lowest possible partial height or height, by applying them layer by layer. Layer height to achieve a maximum filling material application in the loaded object section.
Umgekehrt können gering belastete Obj ektabschnitte oder j ene Obj ektabschnitte des Modellobj ekts , die beweglich oder verformbar sein sollen, mit Kurvenverläufen der Raumfüllenden Kurven mit geringer lokaler Kurvenbreite bzw . Layerbreite und somit mit geringem Materialauftrag bei größerer Teilhöhe bzw . Layerhöhe der Teilstrukturen bzw . Höhenschichten ausgeführt werden . Conversely, lightly loaded object sections or those object sections of the model object that are intended to be movable or deformable can be designed with curves of the space-filling curves with a small local curve width or Layer width and therefore with little material application with larger part height or Layer height of the substructures or Elevation layers are carried out.
Abschließend erfolgt in Schritt -k- das schichtweises Aufträgen der N (N 2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts mittels einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, vorzugsweise mit einer 3D-Druck-Vorrichtung, um das Modellobj ekt zu fertigen . Finally, in step -k-, the N (N 2 to n) height layers of the model object are applied layer by layer using a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device, in order to manufacture the model object.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgehend von einem Vorlageobj ekt ein Modellobj ekt als Werkstück bzw . als Endprodukt des Verfahrens erhalten, wobei das Modellobj ekt mit einer additiven Fertigungsvorrichtung, vorzugsweise mit einer 3D-Druck-Vorrichtung, gefertigt wurde . Die für die additive Fertigung erforderlichen Fertigungsdaten werden in einem optimierten virtuellen Datenmodell ermittelt , wobei für die Modellierung des virtuellen Datenmodells optimierte Kurvenverläufe von Raumfüllenden fraktalen Kurven abschnittsweise an die j eweiligen lokalen Belastungsanforderungen der einzelnen virtuellen Obj ektabschnitte des Modellobj ekts angepasst werden . With the method according to the invention, starting from a template object, a model object is created as a workpiece or as the end product of Method obtained, wherein the model object was manufactured with an additive manufacturing device, preferably with a 3D printing device. The manufacturing data required for additive manufacturing is determined in an optimized virtual data model, with space-filling fractal curves optimized for modeling the virtual data model being adapted in sections to the respective local load requirements of the individual virtual object sections of the model object.
Vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Modellobj ekte bzw . Bauteile gefertigt werden, die besonders flexibel an bestimmte , gewünschte bzw . vorgegebene Belastungss zenarien des Modellobj ekts individuell angepasst sind . Model objects or Components are manufactured that are particularly flexible to specific, desired or specified load scenarios of the model object are individually adapted.
Die im Folgenden verwendeten Positionsangaben von Vorlageobj ekten und/oder Modellobj ekten sowie deren Bestandteilen, wie beispielsweise die Begriffe „oben" , „unten" , „oberhalb" , „unterhalb" , „vorne" , „hinten" , „seitlich" , „innerhalb" , „außerhalb" , „in axialer Richtung" , „in radialer Richtung" und dergleichen, dienen im Wesentlichen dem besseren Verständnis der Erfindung, insbesondere in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen . Die verwendeten Positionsangaben können sich möglicherweise auf bestimmte Positionen des erfindungsgemäßen Verfahrens oder auf einzelnen Ansichten in den Figuren beziehen . In j edem Fall sind solche Positionsangaben dem Fachmann geläufig, schränken die vorliegende Erfindung aber nicht ein . The position information used below of template objects and/or model objects as well as their components, such as the terms "top", "bottom", "above", "below", "front", "back", "side", " inside", "outside", "in the axial direction", "in the radial direction" and the like, essentially serve to better understand the invention, especially in connection with the following drawings. The position information used can possibly refer to specific positions of the method according to the invention or refer to individual views in the figures. In any case, such position information is familiar to those skilled in the art, but does not limit the present invention.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in Schritt -h- zum Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite des zumindest einen fraktalen Kurventyps der Raumfüllenden Kurve an den j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitt zumindest ein weiterer Parameter ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend : lokale Materialdichte , lokale Material-Füllrate , lokale Extrusionsweite , lokale Materialauswahl . Der Parameter der lokalen Materialdichte kann von 0% bis 100 % ausgewählt werden, wobei 0% Materialdichte einen Hohlraum sowie 100% Materialdichte einen Vollkörper bzw . ein Vollmaterial in dem betreffenden virtuellen Obj ektabschnitt spezifiziert . Die Wahl der lokalen Materialdichte ist folglich ein wichtiger Parameter insbesondere zur Modellierung eines porösen Modellkörpers . Die lokale Materialdichte ist immer kleiner oder gleich der lokalen Material-Füllrate . Die Materialdichte hängt vom verwendeten Werkstoff ab und kann beispielsweise durch Einschlüsse von Luft und/oder Feuchtigkeit beeinflusst werden . Zusätzlich kann die Materialdichte auch durch die gewählte Extrusionstemperatur beeinflusst werden . In a preferred variant of the method according to the invention, in step -h-, at least one further parameter can be selected from the group comprising: local material density, local material fill rate, local extrusion width, local material selection. The local material density parameter can be selected from 0% to 100%, where 0% material density represents a cavity and 100% material density represents a solid body or a solid material is specified in the relevant virtual object section. The choice of the local material density is therefore an important parameter, especially for modeling a porous model body. The local material density is always less than or equal to the local material filling rate. The material density depends on the material used and can be influenced, for example, by inclusions of air and/or moisture. In addition, the material density can also be influenced by the selected extrusion temperature.
Mittels des Parameters der lokalen Extrusionsweite kann die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des j eweiligen Obj ektabschnittes des Modellobj ekts angepasst werden . Der Parameter der lokalen Extrusionsweite bildet somit die Reaktion des Modellobj ekts auf unterschiedliche Belastungs fälle ab . Für Bauteile bzw . Bauteilabschnitte , die auf Belastung hin eher beweglich sein sollen, werden im virtuellen Datenmodell des Modellobj ekts für den entsprechenden virtuellen Obj ektabschnitt ein möglichst großer fraktaler Dimensionsgrad vorzugsweise von 3 bis 6 sowie eine geringe Extrusionsweite vorzugsweise von 0 , 05 mm bis 1 , 2 mm gewählt . Die Wahl einer geringen Extrusionsweite für die Fertigung beweglicher Bauteilabschnitte des Modellobj ekts führt also dazu, dass die Flexibilität des verwendeten Füllmaterials bzw . Druckmaterials , aus dem das Modellobj ekt gefertigt ist , besser ausgenutzt werden kann . Using the parameter of the local extrusion width, the component load capacity and/or component mobility of the respective object section of the model object can be adjusted. The parameter of the local extrusion width thus represents the reaction of the model object to different load cases. For components or For component sections that are intended to be more movable under load, the largest possible fractal dimension level, preferably from 3 to 6, and a small extrusion width, preferably from 0.05 mm to 1.2 mm, are selected in the virtual data model of the model object for the corresponding virtual object section . The choice of a small extrusion width for the production of movable component sections of the model object means that the flexibility of the filling material used or The printing material from which the model object is made can be better utilized.
Umgekehrt wird zur Modellierung starrer Bauteilabschnitte des Modellobj ekts eine möglichst hohe Extrusionsweite gewählt . Conversely, to model rigid component sections of the model object, the highest possible extrusion width is selected.
Für den Anwendungsfall , dass mittels der verwendeten Fertigungsvorrichtung zwei oder mehrere unterschiedliche Füllmaterialien zur Fertigung des Modellobj ekts eingesetzt werden können, kann durch geeignete lokale Materialauswahl eine ausgewählte Raumfüllende Kurve ebenfalls an die Erfordernisse des j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitts weiter angepasst werden . Besonders vorteilhaft kann es insbesondere bei einem Vorlageobj ekt mit einer komplexen Geometrie sein, wobei das Vorlageobj ekt beispielsweise innenliegende Ausnehmungen und/oder Abschnitte mit porösen Strukturen, insbesondere mit abgestufter Porosität und/oder abgestufter Dichte , aufweist , wenn bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schritt -c- zur Berechnung des virtuellen Strukturmodells des Modellobj ekts ein geometrisches Konturmodell sowie ein Porositätsmodell des physischen Vorlageobj ekts angefertigt werden . For the application in which two or more different filling materials can be used to produce the model object using the manufacturing device used, a selected space-filling curve can also be further adapted to the requirements of the respective virtual object section through suitable local material selection. It can be particularly advantageous in particular in the case of a template object with a complex geometry, the template object having, for example, internal recesses and/or sections with porous structures, in particular with graded porosity and/or graded density, if when carrying out the method according to the invention Step -c- to calculate the virtual structural model of the model object, a geometric contour model and a porosity model of the physical template object are created.
Die Aufteilung zur Berechnung des virtuellen Strukturmodells des Modellobj ekts in ein geometrisches Konturmodell sowie in ein Porositätsmodell des physischen Vorlageobj ekts erhöht die Flexibilität und Präzision bei der Erstellung des virtuellen Strukturmodells . So kann beispielsweise ein geometrisches Konturmodell des Vorlageobj ekts glatte , porenfreie Außenflächen des Vorlageobj ekts enthalten, die als glatte , porenfreie Außenflächen in das optimierte virtuelle Datenmodell des Modellobj ekts übertragen werden . Innenliegende Ausnehmungen und/oder Abschnitte mit porösen Strukturen, insbesondere mit abgestufter Porosität und/oder abgestufter Dichte , die möglicherweise für die Funktionalität des Vorlageobj ekts und/oder des Modellobj ekts von Bedeutung sind, können somit mit Hilfe des Porositätsmodells das optimierte virtuelle Datenmodell des Modellobj ekts übertragen werden . Somit können Modellobj ekte gefertigt werden, die beispielsweise glatte , porenfreie Außenflächen sowie innenliegende poröse Strukturen aufweisen . Ebenso können in dieser Verfahrensvariante poröse Modellobj ekte , bei denen auch die Außenflächen mit Poren versehen sind, besonders detailgetreu von entsprechenden porösen Vorlageobj ekten nachgebaut werden . Beispielsweise können schwammartige Werkstücke aus Sintermetall als Vorlageobj ekte für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen, um entsprechende Modellobj ekte mit vergleichbaren oder im Vergleich zum Vorlageobj ekt verbesserten Festigkeitseigenschaften zu fertigen . The division for calculating the virtual structural model of the model object into a geometric contour model and a porosity model of the physical template object increases the flexibility and precision when creating the virtual structural model. For example, a geometric contour model of the template object can contain smooth, pore-free external surfaces of the template object, which are transferred as smooth, pore-free external surfaces into the optimized virtual data model of the model object. Internal recesses and/or sections with porous structures, in particular with graded porosity and/or graded density, which may be important for the functionality of the template object and/or the model object, can thus be used to create the optimized virtual data model of the model object using the porosity model be transmitted directly. This means that model objects can be manufactured that have, for example, smooth, pore-free external surfaces and internal porous structures. Likewise, in this process variant, porous model objects, in which the outer surfaces are also provided with pores, can be recreated with particular detail from corresponding porous template objects. For example, sponge-like workpieces made of sintered metal can serve as template objects for carrying out the method according to the invention in order to produce corresponding model objects with comparable or improved strength properties compared to the template object.
Zweckmäßig kann es sein, wenn in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schritt -f- das virtuelle Datenmodell des Modellobj ekts in zumindest zwei innerhalb des Modellobj ekts liegende Obj ektabschnitte mit unterschiedlicherIt may be expedient if, in a variant of the method according to the invention, in step -f- the virtual data model of the model object is divided into at least two within the Object sections lying on the model object with different
Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit unterteilt wird . Component load capacity and/or component mobility is divided.
Vorteilhaft werden bei dieser Verfahrensvariante nur innenliegende Obj ektabschnitte des Modellobj ekts durch entsprechende Auswahl fraktaler Raumkurven an die j eweiligen Festigkeitserfordernisse adaptiert . Advantageously, with this method variant, only internal object sections of the model object are adapted to the respective strength requirements through appropriate selection of fractal space curves.
Besonders exakt kann mit einem erfindungsgemäßen Verfahren das virtuellen Datenmodell des Modellobj ekts an unterschiedliche Erfordernisse hinsichtlich der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst werden, wenn in Schritt -f- das Unterteilen des virtuellen Datenmodells des Modellobj ekts mittels einer Finite-Elemente-Analyse durchgeführt wird, wobei das virtuelle Datenmodell in eine Viel zahl von Obj ektabschnitten, vorzugsweise in eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten Obj ektabschnitten mit im Wesentlichen gleichem Bauteilvolumen, unterteilt wird, wobei eine Bauteilberechnung der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit an Knotenpunkten zwischen benachbarten Obj ektabschnitten durchgeführt wird . With a method according to the invention, the virtual data model of the model object can be adapted particularly precisely to different requirements with regard to the component load capacity and/or component mobility if, in step -f-, the virtual data model of the model object is divided using a finite element analysis, wherein the virtual data model is divided into a large number of object sections, preferably into a multiplicity of object sections arranged in a grid shape with essentially the same component volume, wherein a component calculation of the component load capacity and / or component mobility is carried out at nodes between adjacent object sections.
Mittels einer Finite-Elemente-Analyse werden zu analysierende Bauteile in kleine virtuelle Obj ektabschnitte unterteilt, wobei bevorzugt ein Raster bzw . Gitter mit gleicher Teilung zur Unterteilung dem zu untersuchenden Bauteil überlagert wird . Solcherart werden vorzugsweise kleine würfelförmige Obj ektabschnitte mit j eweils gleichem Volumen als Berechnungsgitter (englisch : „grid" ) gewählt , wobei an den Knotenpunkten aneinandergrenzender Obj ektabschnitte die j eweilige Bauteilberechnung erfolgt . Je nach gewählter Gittergröße bzw . gewähltem Volumen der würfelförmigen virtuellen Obj ektabschnitte kann die Berechnungsgenauigkeit der Finite-Elemente-Analyse an die j eweiligen Erfordernisse der Genauigkeit des virtuellen Datenmodells des Modellobj ekts angepasst werden . Wie vorhin bereits erwähnt ist es auch denkbar, das Berechnungsgitter mit so kleiner Schrittweite zu wählen, dass j eder Koordinatenpunkt bzw . j eder Voxel einem eigenen würfelförmigen virtuellen Obj ektabschnitt entspricht . Bei geeigneter Zielfunktion lässt sich mit der Finite-Elemente- Analyse besonders exakt ermitteln, in welchem virtuellen Obj ektabschnitt beispielsweise eine höhere lokale Material-Füllrate beim Fertigen einer Raumfüllenden Kurve in diesem Obj ektabschnitt zweckmäßig ist . Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, bei einer durchschnittlichen, globalen Füllrate von 20% in einzelnen virtuellen Obj ektabschnitten eine höhere lokale Material-Füllrate beispielsweise von 50% zu wählen . Using a finite element analysis, components to be analyzed are divided into small virtual object sections, preferably using a grid or Grid with the same pitch is superimposed on the component to be examined for subdivision. In this way, small cube-shaped object sections, each with the same volume, are preferably selected as the calculation grid (English: "grid"), with the respective component calculation taking place at the nodes of adjacent object sections. Depending on the selected grid size or selected volume of the cube-shaped virtual object sections The calculation accuracy of the finite element analysis can be adapted to the respective requirements of the accuracy of the virtual data model of the model object. As already mentioned before, it is also conceivable to choose the calculation grid with such a small step size that each coordinate point or each Voxel corresponds to its own cube-shaped virtual object section. With a suitable objective function, finite element analysis can be used to determine particularly precisely in which virtual object section, for example, a higher local material filling rate is appropriate when producing a space-filling curve in this object section. For example, with an average global fill rate of 20% in individual virtual object sections, it may be expedient to select a higher local material fill rate, for example of 50%.
Besonders flexibel kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ein erfindungsgemäßes Verfahren an unterschiedliche Erfordernisse hinsichtlich der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst werden, wenn bei Schritt -g- zumindest ein erster fraktaler Kurventyp einer ersten Raumfüllenden Kurve für zumindest einen ersten virtuellen Obj ektabschnitt sowie zumindest ein vom ersten fraktalen Kurventyp unterschiedlicher, zweiter fraktaler Kurventyp einer zweiten Raumfüllenden Kurve für zumindest einen vom ersten virtuellen Obj ektabschnitt unterschiedlichen, zweiten virtuellen Obj ektabschnitt ausgewählt werden . According to a further embodiment variant, a method according to the invention can be adapted particularly flexibly to different requirements with regard to the component load capacity and/or component mobility if, in step -g-, at least a first fractal curve type of a first space-filling curve for at least a first virtual object section and at least one of the first fractal curve type of different, second fractal curve type of a second space-filling curve can be selected for at least one second virtual object section that is different from the first virtual object section.
Durch geeignete Anpassung der individuellen Kurvenverläufe in Schritt -h- und/oder Schritt -i- gelingt es , den individuellen Kurvenverlauf eines ersten fraktalen Kurventyps einer ersten Raumfüllenden Kurve gegebenenfalls mit einer ersten Kurvenbreite in einem ersten virtuellen Obj ektabschnitt an den individuellen Kurvenverlauf eines zweiten fraktalen Kurventyps einer zweiten Raumfüllenden Kurve gegebenenfalls mit einer zweiten Kurvenbreite in einem zweiten virtuellen Obj ektabschnitt , der beispielsweise an den ersten virtuellen Obj ektabschnitt direkt angrenzt , anzupassen, wodurch Unstetigkeiten im Übergangsbereich der beiden Kurvenverläufe zwischen den beiden aneinander grenzenden Obj ektabschnitten vermieden werden . Die zugehörigen Berechnungsdaten der angepassten Kurvenverläufe werden im optimierten virtuellen Datenmodell hinterlegt . By suitably adapting the individual curve profiles in step -h- and/or step -i-, it is possible to match the individual curve profile of a first fractal curve type of a first space-filling curve, possibly with a first curve width, in a first virtual object section to the individual curve profile of a second fractal Curve type of a second space-filling curve, if necessary with a second curve width in a second virtual object section, which, for example, directly adjoins the first virtual object section, whereby discontinuities in the transition area of the two curve courses between the two adjacent object sections are avoided. The associated calculation data of the adapted curves are stored in the optimized virtual data model.
Besonders flexibel kann bei einem Verfahren gemäß der Erfindung bei Schritt -g- zumindest ein fraktaler Kurventyp einer Raumfüllenden Kurve ausgewählt werden aus der Gruppe umfassend : Hilbert 2D, Hilbert 3D, Hilbert b-Spline , Lebesgue , Lebesgue b-Spline , Koch, H- Tree , Peano 2D, Peano 3D, Peano b-Spline , Gosper, Sierpinski . In a method according to the invention, in step -g-, at least one fractal curve type of a space-filling curve can be selected particularly flexibly from the group comprising: Hilbert 2D, Hilbert 3D, Hilbert b-Spline, Lebesgue, Lebesgue b-Spline, Koch, H-Tree, Peano 2D, Peano 3D, Peano b-Spline, Gosper, Sierpinski.
Im Allgemeinen wird bei den zuvor genannten fraktalen Kurventypen von Raumfüllenden Kurven gesprochen . Streng genommen sind solche Kurvenverläufe allerdings nur dann „Raumfüllend" , wenn deren fraktaler Dimensionsgrad bzw . fraktaler Kurvengrad unendlich ist . Demnach werden die hier verwendeten fraktalen Kurventypen mit einem fraktalen Dimensionsgrad beispielsweise von 2 bis 6 auch als „Pseudo-Raumfüllende Kurven" bezeichnet . In general, the aforementioned fractal curve types are referred to as space-filling curves. Strictly speaking, such curves are only “space-filling” if their fractal dimension or fractal curve degree is infinite. Accordingly, the fractal curve types used here with a fractal dimension, for example from 2 to 6, are also referred to as “pseudo-space-filling curves”.
Je nach gewählter bzw . vorgegebener Belastungsart , für die das Modellobj ekt optimiert werden soll , hat sich in eigenen Vorarbeiten gezeigt , dass aus der vorgenannten Auswahl an unterschiedlichen fraktalen Kurventypen einzelne Kurventypen für die Bauteilanpassung an bestimmte Belastungs fälle besonders gut geeignet sind . Depending on the chosen or given the type of load for which the model object is to be optimized, it has been shown in our own preliminary work that from the aforementioned selection of different fractal curve types, individual curve types are particularly well suited for adapting the component to specific load cases.
Es kann zweckmäßig sein, zur vereinfachten Auswahl der j e nach Belastungsart besser geeigneten fraktalen Kurventypen anhand von Berechnungsergebnissen Vergleichswerte beispielsweise in Tabellenform gegenüberzustellen . In order to simplify the selection of the fractal curve types that are more suitable depending on the type of load, it may be useful to compare comparative values, for example in tabular form, based on calculation results.
Die in der folgenden Tabelle j e nach Belastungsart notierten, dimensionslosen normierten Fehlerwerte wurden wie folgt erhalten : The dimensionless standardized error values noted in the following table depending on the type of load were obtained as follows:
Es wurden dazu physische dreidimensionale Testobj ekte mit j eweils denselben Außenabmessungen von 80 mm x 30 mm x 30 mm beispielsweise aus Kunststoff hergestellt . Bei diesen Testobj ekten wurden allerdings die Füllraten der Raumfüllenden Kurven variiert und es wurden Testobj ekte mit unterschiedlichen Füllraten von 20% , 30% sowie mit 40% angefertigt . Anschließend wurden Dehnmessstreifen an den Testobj ekten befestigt , um j egliche Verzerrungen bzw . Spannungen im Material messen zu können . Diese vorbereiteten Testobj ekte wurden daraufhin j eweils unter Beaufschlagung mit bekannten, vorgegebenen Belastungskräften auf die gängigen Belastungsarten belastet - also auf Zug, Druck, Scherung, Torsion sowie auf Biegung . Mit einer entsprechenden Messvorrichtung wurden für die untersuchten Testobj ekte die Auslenkungen des Materials für die einzelnen Belastungsfälle aufgezeichnet . For this purpose, physical three-dimensional test objects were produced, each with the same external dimensions of 80 mm x 30 mm x 30 mm, for example made of plastic. For these test objects, however, the filling rates of the space-filling curves were varied and test objects were made with different filling rates of 20%, 30% and 40%. Strain gauges were then attached to the test objects to detect any distortions or To be able to measure tensions in the material. These prepared test objects were then each subjected to known, predetermined loading forces and subjected to the usual types of loading - i.e. tension, compression, shear, torsion and bending. An appropriate measuring device was used for the examined Test objects recorded the deflections of the material for the individual load cases.
Da der absolute Wert der Materialauslenkungen für die weiteren Berechnungen irrelevant ist , wurden die erhaltenen Messergebnisse zur vereinfachten weiteren Berechnung „normiert" . Dazu wurden die einzelnen Messergebnisse miteinander verglichen . Die so erhaltenen „normierten" Werte liegen damit zwischen -1 und +1 . Ein normierter Wert von -1 bedeutet hierbei , dass sich ein Testobj ekt mit der j eweils gewählten Füllrate der Raumfüllenden Kurven sehr stark aufgrund der j eweils vorgegebenen Belastung verformt . Umgekehrt bedeutet ein normierter Wert von +1 , dass sich das j eweilige Testobj ekt mit der j eweils gewählten Füllrate der Raumfüllenden Kurven kaum aufgrund der vorgegebenen Belastung verformt . Aufgrund des Normierungsschrittes wird auch der Einfluss der Materialauswahl der j eweils untersuchten Testobj ekte aufgehoben bzw . relativiert . Since the absolute value of the material deflections is irrelevant for further calculations, the measurement results obtained were “normalized” to simplify further calculation. For this purpose, the individual measurement results were compared with one another. The “normalized” values obtained in this way are between -1 and +1. A standardized value of -1 means that a test object with the respective selected filling rate of the space-filling curves deforms very strongly due to the respective specified load. Conversely, a standardized value of +1 means that the respective test object with the respective selected filling rate of the space-filling curves hardly deforms due to the specified load. Due to the standardization step, the influence of the material selection of the test objects examined is also eliminated or reduced. relativized.
Die folgenden Tabellenwerte bieten somit eine Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten Kurventyps j e nach Belastungsart und gewünschtem Belastungss zenario .
Figure imgf000023_0001
The following table values provide assistance in selecting the appropriate curve type depending on the type of load and the desired load scenario.
Figure imgf000023_0001
Tabelle : normierte Fehlerwerte (dimensionslos ) j e nach Belastungsart Negative normierte Werte deuten darauf hin, dass mit dem j eweiligen Kurventyp Raumfüllende Kurven erzeugt werden können, welche eine hohe Verformung des entsprechenden Obj ektabschnitts bei der j eweiligen Belastungsart ermöglichen . So kann es beispielsweise günstig sein, für die Herstellung eines unter Zugkraft besonders verformbaren Obj ektabschnitts eines Modellobj ekts Raumfüllende Kurven gemäß dem Kurventyp Gosper mit einem normierten Zugwert von -0 , 9 zu wählen . Umgekehrt kann es beispielsweise zweckmäßig sein, für die Herstellung eines unter Zugkraft möglichst starren bzw . nicht verformbaren Obj ektabschnitts eines Modellobj ekts Raumfüllende Kurven gemäß dem Kurventyp Sierpinski mit einem normierten Zugwert von +0 , 9 zu wählen . Table: standardized error values (dimensionless) depending on the type of load Negative normalized values indicate that space-filling curves can be generated with the respective curve type, which enable high deformation of the corresponding object section under the respective type of load. For example, for the production of an object section of a model object that is particularly deformable under tensile force, it may be advantageous to choose space-filling curves according to the Gosper curve type with a standardized tensile value of -0.9. Conversely, it can be useful, for example, to produce something that is as rigid or as rigid as possible under tensile force. non-deformable object section of a model object to select space-filling curves according to the Sierpinski curve type with a standardized tensile value of +0.9.
Um mögliche Fehlerquellen zu vermeiden werden zweckmäßig für die Herstellung der zu untersuchenden Testobj ekte j eweils j ene Materialien verwendet, die später beim additiven Fertigungsschritt , vorzugsweise beim 3D-Druck, für die Fertigung des entsprechenden Modellobj ekts eingesetzt werden . In order to avoid possible sources of error, it is advisable to use materials for the production of the test objects to be examined that will later be used in the additive manufacturing step, preferably in 3D printing, for the production of the corresponding model object.
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens , die eine besonders flexible Anpassung der individuellen Kurvenverläufe an die j eweiligen lokalen Erfordernisse zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ermöglicht , können bei Schritt -g- und bei Schritt -h- zumindest zwei individuelle Kurvenverläufe zweier unterschiedlicher Raumfüllender fraktaler Kurven innerhalb ein und desselben virtuellen Obj ektabschnitts des virtuellen Datenmodells festgelegt werden . In a further advantageous embodiment variant of the method according to the invention, which enables a particularly flexible adaptation of the individual curve profiles to the respective local requirements for component load capacity and/or component mobility, at least two individual curve profiles can be created in step -g- and in step -h- different space-filling fractal curves can be defined within one and the same virtual object section of the virtual data model.
Besonders vielseitig kann ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden, wenn in Schritt -h- zum Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite des ausgewählten zumindest einen ausgewählten fraktalen Kurventyps der Raumfüllenden Kurve an den j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitt abschnittsweise ein Füllmaterial ausgewählt wird, wobei entlang eines ersten Kurvenabschnitts des individuellen Kurvenverlaufs ein erstes Füllmaterial sowie entlang eines zweiten Kurvenabschnitts des individuellen Kurvenverlaufs ein vom ersten Füllmaterial unterschiedliches , zweites Füllmaterial ausgewählt wird . In dieser Variante der Erfindung können unterschiedliche Materialeigenschaften der unterschiedlichen Füllmaterialien wie beispielsweise Dichte , Porosität , Temperaturbeständigkeit und dergleichen sowie unterschiedliche Festigkeitseigenschaften wie beispielsweise Zugfestigkeit , Elastizitätsmodul und dergleichen zur optimierten Festigkeitsanpassung der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobj ekts genutzt werden . So können beispielsweise mechanisch höher belastete Obj ektabschnitte des Modellobj ekts aus einem mechanisch höher belastbaren, höherwertigeren ersten Füllmaterial hergestellt werden . Weniger stark belastete Obj ektabschnitte des Modellobj ekts können beispielsweise aus einem zweiten, günstigeren Füllmaterial gefertigt werden . A method according to the invention can be used in a particularly versatile manner if, in step -h-, a filling material is selected in sections in order to adapt at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one selected fractal curve type of the space-filling curve to the respective virtual object section, whereby a first filling material along a first curve section of the individual curve profile and a first filler material along a second curve section of the individual curve profile Filling material different, second filling material is selected. In this variant of the invention, different material properties of the different filling materials such as density, porosity, temperature resistance and the like as well as different strength properties such as tensile strength, modulus of elasticity and the like can be used for optimized strength adjustment of the component load capacity and/or component mobility of the model object. For example, object sections of the model object that are subject to higher mechanical loads can be produced from a first filling material that is of higher mechanical strength and of higher quality. Less heavily loaded object sections of the model object can, for example, be made from a second, cheaper filling material.
Besonders flexibel kann ein erfindungsgemäßes Verfahren geführt werden, bei dem mittels der Vorrichtung zur additiven Fertigung ein Füllmaterial , vorzugsweise ein erstes Füllmaterial und/oder ein zweites Füllmaterial , schichtweise mit lokal variabel einstellbarer Füllmaterialbreite aufgetragen wird, wobei eine lokale Füllmaterialbreite des Füllmaterials , vorzugsweise des gewählten ersten Füllmaterials und/oder des gewählten zweiten Füllmaterials , in einem Koordinatenpunkt des Modellobj ekts der im optimierten virtuellen Datenmodell für diesen Koordinatenpunkt hinterlegten Kurvenbreite oder für eine mit diesem Koordinatenpunkt korrespondierende Teilstruktur hinterlegten Kurvenbreite entspricht . Es wird auf die vorhin bereits genannten Vorteile einer lokal variabel einstellbaren Füllmaterialbreite sowie des Einsatzes unterschiedlicher Füllmaterialien zur lokalen Festigkeitsoptimierung von Obj ektabschnitten des Modellobj ekts verwiesen . A method according to the invention can be carried out particularly flexibly, in which a filler material, preferably a first filler material and/or a second filler material, is applied in layers with a locally variably adjustable filler material width by means of the additive manufacturing device, with a local filler material width of the filler material, preferably the selected one first filling material and / or the selected second filling material, in a coordinate point of the model object corresponds to the curve width stored in the optimized virtual data model for this coordinate point or for a partial structure corresponding to this coordinate point. Reference is made to the previously mentioned advantages of a locally variably adjustable filling material width and the use of different filling materials for local strength optimization of object sections of the model object.
Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders exakte Modellobj ekte anfertigen zu können, die möglichst nicht mehr nachbearbeitet werden müssen, kann es gemäß einer Verfahrensvariante vorteilhaft sein, wenn in Schritt -j - beim Unterteilen des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells in j eder einzelnen Teilstruktur des optimierten virtuellen Datenmodells Ausrichtmarken für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht des Modellobj ekts spezifiziert werden, wobei in Schritt -k- die N (N
Figure imgf000026_0001
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts während des schichtweisen Auftragens anhand der in den einzelnen Teilstrukturen hinterlegten Ausrichtmarken relativ zueinander versatzfrei j ustiert werden .
In order to be able to produce particularly precise model objects using the method according to the invention, which if possible no longer need to be reworked, it can be advantageous, according to a method variant, if in step -j - when dividing the optimized three-dimensional virtual data model into each individual substructure of the optimized virtual Data model alignment marks for the additive manufacturing of the corresponding ones Elevation layer of the model object can be specified, where in step -k- the N (N
Figure imgf000026_0001
2 to n) sequentially stacked height layers of the model object can be adjusted relative to one another without any offset during layer-by-layer application using the alignment marks stored in the individual substructures.
Im Rahmen der Erfindung wird auch eine erfindungsgemäße Steuerung für eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, angegeben, wobei die Steuerung zur Durchführung der folgenden Verfahrensschritte eingerichtet ist : As part of the invention, a control according to the invention for a manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, is also specified, the control being set up to carry out the following method steps:
A . ) Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen Strukturmodells eines dreidimensionalen Modellobj ekts in Abhängigkeit von bereitgestellten Topographiedaten eines Vorlageobj ekts ; A. ) Computer-aided calculation of a virtual structural model of a three-dimensional model object depending on provided topography data of a template object;
B . ) Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellenB. ) Computer-aided calculation of a virtual
Festigkeitsmodells des dreidimensionalen Modellobj ekts in Abhängigkeit von bereitgestellten Materialkennwerten des Vorlageobj ekts , wobei Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobj ekts erhalten werden;Strength model of the three-dimensional model object depending on the provided material characteristics of the template object, whereby strength data on the component load capacity and / or component mobility of the model object are obtained;
C . ) Rechnerunterstütztes Modellieren des virtuellen Strukturmodells sowie des virtuellen Festigkeitsmodells zu einem dreidimensionalen virtuellen Datenmodell des Modellobj ekts ; C. ) Computer-aided modeling of the virtual structural model and the virtual strength model into a three-dimensional virtual data model of the model object;
D . ) Rechnerunterstütztes Unterteilen des virtuellen Datenmodells desD. ) Computer-aided subdivision of the virtual data model of the
Modellobj ekts in zumindest zwei virtuelle Obj ektabschnitte mit unterschiedlicher Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ; Model objects into at least two virtual object sections with different component load capacity and/or component mobility;
E . ) Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps einerE. ) Select at least one fractal curve type
Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad für j eden der zumindest zwei virtuellen Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells , wobei der zumindest eine fraktale Kurventyp und/oder der fraktale Dimensionsgrad für den j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitt des virtuellen Datenmodells anhand von im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ausgewählt wird bzw . werden; Space-filling curve with a fractal degree of dimension for each of the at least two virtual object sections of the virtual data model, wherein the at least one fractal curve type and / or the fractal degree of dimension for the respective virtual object section of the virtual data model based on strength data on component load capacity stored in the virtual data model and/or component mobility is selected or become;
F . ) Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite des ausgewählten zumindest einen fraktalen Kurventyps der Raumfüllenden Kurve innerhalb des j eweiligen virtuellen Obj ektabschnitts für j eden der zumindest zwei virtuellen Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells anhand von im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ; F. ) Adjusting at least one individual curve profile and at least one individual curve width of the selected at least one fractal curve type of the space-filling curve within the respective virtual object section for each the at least two virtual object sections of the virtual data model based on strength data stored in the virtual data model for component load capacity and/or component mobility;
G . ) Gegebenenfalls Wiederholen von Schritt E . ) zum Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps einer Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad für einen oder mehrere virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells und/oder Wiederholen von Schritt F . ) zum Anpassen des j eweiligen individuellen Kurvenverlaufs mit individueller Kurvenbreite der zumindest einen ausgewählten Raumfüllenden Kurve für einen oder mehrere virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells , bis die Kurvenverläufe von Raumfüllenden Kurven für sämtliche virtuelle Obj ektabschnitte des virtuellen Datenmodells an im virtuellen Datenmodell hinterlegte Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst sind und ein dreidimensionales optimiertes virtuelles Datenmodell erhalten wird, welches optimierte virtuelle Datenmodell Koordinatenpunkte für die additive Fertigung des Modellobj ekts umfasst; G. ) If necessary, repeat step E. ) for selecting at least one fractal curve type of a space-filling curve with a fractal degree of dimension for one or more virtual object sections of the virtual data model and / or repeating step F. ) for adapting the respective individual curve profile with individual curve width of the at least one selected space-filling curve for one or more virtual object sections of the virtual data model, until the curve profiles of space-filling curves for all virtual object sections of the virtual data model correspond to strength data on component load capacity stored in the virtual data model and/or component mobility are adapted and a three-dimensional optimized virtual data model is obtained, which includes optimized virtual data model coordinate points for the additive manufacturing of the model object;
H . ) Rechnerunterstütztes Unterteilen einer Gesamthöhe des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells in eine Anzahl N (N
Figure imgf000027_0001
2 bis n) von sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts , wobei j ede der N (N
Figure imgf000027_0002
2 bis n) Höhenschichten des Modellobj ekts einer einzelnen Teilstruktur des optimierten virtuellen Datenmodells entspricht und Koordinatenpunkte für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht des Modellobj ekts umfasst , wobei die Anzahl N eine ganze Zahl ist , welche größer oder gleich der Zahl 2 ist , und wobei die Anzahl N (N
Figure imgf000027_0003
2 bis n) so ausgewählt wird, dass j ede einzelne der N (N
Figure imgf000027_0004
2 bis n) Höhenschichten j eweils eine an die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des j eweiligen Obj ektabschnittes angepasste , individuelle Teilhöhe hat, wobei die Summe der N (N 2 bis n) Teilhöhen der einzelnen Höhenschichten der Gesamthöhe des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells entspricht ; I . ) schichtweises Aufträgen der N (N 2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts , um das Modellobj ekt zu fertigen .
H . ) Computer-aided division of a total height of the optimized three-dimensional virtual data model into a number N (N
Figure imgf000027_0001
2 to n) of sequentially stacked height layers of the model object, each of the N (N
Figure imgf000027_0002
2 to n) height layers of the model object correspond to a single substructure of the optimized virtual data model and include coordinate points for the additive manufacturing of the corresponding height layer of the model object, where the number N is an integer which is greater than or equal to the number 2, and where the number N (N
Figure imgf000027_0003
2 to n) is selected so that each one of the N (N
Figure imgf000027_0004
2 to n) height layers each have an individual partial height adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section, whereby the sum of the N (N 2 to n) partial heights of the individual height layers corresponds to the total height of the optimized three-dimensional virtual data model; I. ) layer-by-layer application of the N (N 2 to n) height layers of the model object, stacked sequentially on top of each other, in order to manufacture the model object.
In einer besonders vielseitig einsetzbaren Weiterbildung der erfindungsgemäßen Steuerung kann die Steuerung in Schritt I . ) dazu eingerichtet sein, die Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, derart zu steuern, dass ein Füllmaterial , vorzugsweise ein erstes Füllmaterial und/oder ein zweites Füllmaterial , schichtweise mit lokal variabel einstellbarer Füllmaterialbreite aufgetragen wird, wobei eine lokale Füllmaterialbreite des Füllmaterials , vorzugsweise des gewählten ersten Füllmaterials und/oder des gewählten zweiten Füllmaterials , in einem Koordinatenpunkt des Modellobj ekts der im optimierten virtuellen Datenmodell hinterlegten Kurvenbreite für diesen Koordinatenpunkt oder der hinterlegten Kurvenbreite für eine mit diesem Koordinatenpunkt korrespondierende Teilstruktur entspricht . In a particularly versatile development of the control according to the invention, the control in step I. ) be set up to control the manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, in such a way that a filler material, preferably a first filler material and/or a second filler material, is applied in layers with a locally variably adjustable filler material width, wherein a local filler material width of the Filling material, preferably the selected first filling material and / or the selected second filling material, in a coordinate point of the model object corresponds to the curve width stored in the optimized virtual data model for this coordinate point or the stored curve width for a substructure corresponding to this coordinate point.
Zweckmäßiger Weise ist die Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung eines Modellobj ekts , mit der die erfindungsgemäße Steuerung korrespondiert bzw . die von der erfindungsgemäßen Steuerung angesteuert wird, mit zumindest einem Druckkopf ausgerüstet, der für den Auftrag von Füllmaterial mit adaptiver Layerbreite bzw . Füllmaterialbreite geeignet ist und mit dem Füllkurven mit unterschiedlicher Kurvenbreite gedruckt werden können . Im bevorzugten Ausführungsfall mit einer Fertigungsvorrichtung, die zur Fertigung eines Modellobj ekts aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Füllmaterialien geeignet ist , ist vorzugsweise für den Auftrag j edes einzelnen Füllmaterials j eweils ein eigener Druckkopf mit adaptiver Layerbreite bzw . lokal einstellbarer Breite des j eweiligen Füllmaterialauftrags vorgesehen . The manufacturing device for the additive manufacturing of a model object, with which the control according to the invention corresponds or is expediently. which is controlled by the control according to the invention, equipped with at least one print head which is used for the application of filling material with an adaptive layer width or Filling material width is suitable and with which filling curves with different curve widths can be printed. In the preferred embodiment with a manufacturing device that is suitable for manufacturing a model object from two or more different filling materials, each individual filling material is preferably assigned its own print head with an adaptive layer width or locally adjustable width of the respective filling material application is provided.
Besonders exakt lassen sich Modellobj ekte fertigen, wenn in einer weiteren Variante die erfindungsgemäße Steuerung in Schritt H . ) dazu eingerichtet ist , beim Unterteilen des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells in j eder einzelnen Teilstruktur des optimierten virtuellen Datenmodells Ausrichtmarken für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht des Modellobj ekts zu spezifizieren, wobei in Schritt I . ) die N (N
Figure imgf000029_0001
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten des Modellobj ekts während des schichtweisen Auftragens anhand der in den einzelnen Teilstrukturen hinterlegten Ausrichtmarken relativ zueinander versatzfrei j ustiert werden .
Model objects can be manufactured particularly precisely if, in a further variant, the control according to the invention is used in step H. ) is set up to assign alignment marks for additive manufacturing to the corresponding height layer of the model object when dividing the optimized three-dimensional virtual data model in each individual substructure of the optimized virtual data model specify, where in step I. ) the N (N
Figure imgf000029_0001
2 to n) sequentially stacked height layers of the model object can be adjusted relative to one another without any offset during layer-by-layer application using the alignment marks stored in the individual substructures.
Die Vorteile und vorteilhaften Wirkungen einer solchen erfindungsgemäßen Steuerung, die zur Steuerung und Durchführung des eingangs beschriebenen Verfahrens geeignet ist , entsprechen sinngemäß den vorhin genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens . Es wird daher an dieser Stelle auf die Ausführungen zum vorteilhaften Verfahren verwiesen . The advantages and advantageous effects of such a control according to the invention, which is suitable for controlling and carrying out the method described at the beginning, correspond correspondingly to the previously mentioned advantages of the method according to the invention. Reference is therefore made at this point to the comments on the advantageous method.
Weiters wird im Rahmen der Erfindung eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, angegeben, wobei die Fertigungsvorrichtung eine erfindungsgemäße Steuerung umfasst . Furthermore, within the scope of the invention, a manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, is specified, the manufacturing device comprising a control according to the invention.
Besonders vorteilhaft kann eine solche Fertigungsvorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein . Such a manufacturing device can be particularly advantageously set up to carry out a method according to the invention.
Die Vorteile und vorteilhaften Wirkungen einer solchen Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere eine 3D- Druckvorrichtung, die eine erfindungsgemäße Steuerung umfasst und die zur Steuerung und Durchführung des eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, entsprechen sinngemäß den vorhin genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens . Es wird daher auch hinsichtlich der vorteilhaften Fertigungsvorrichtung auf die Aus führungen zum vorteilhaften Verfahren verwiesen . The advantages and advantageous effects of such a manufacturing device for additive manufacturing, in particular a 3D printing device, which includes a control according to the invention and which is suitable for controlling and carrying out the method according to the invention described at the outset, correspond correspondingly to the advantages of the method according to the invention mentioned above. Reference is therefore also made to the explanations of the advantageous method with regard to the advantageous manufacturing device.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird nun anhand von Aus führungsbeispielen näher erläutert . Die schematischen Zeichnungen sind beispielhaft und sollen den Erfindungsgedanken zwar darlegen, ihn aber keines falls einengen oder gar abschließend wiedergeben . The invention will now be explained in more detail using exemplary embodiments. The schematic drawings are exemplary and are intended to explain the idea of the invention, but in no way represent it in a restrictive or even conclusive manner.
Dabei zeigen : Fig . 1 eine isometrische Ansicht eines dreidimensionalen Vorlageobj ekts ; Show: Fig. 1 an isometric view of a three-dimensional template object;
Fig . 2 eine zweidimensionale Darstellung von fraktalen Kurvenverläufen am Beispiel einer Koch-Kurve , wobei die Ansichten a) bis d) j eweils Koch-Kurven mit unterschiedlichem fraktalem Dimensionsgrad zeigen; Fig. 2 a two-dimensional representation of fractal curve progressions using the example of a Koch curve, with views a) to d) each showing Koch curves with different degrees of fractal dimension;
Fig . 3 eine zweidimensionale Darstellung von fraktalen Kurvenverläufen am Beispiel einer Hilbert-Kurve , wobei die Ansichten a) bis d) j eweils Hilbert-Kurven mit unterschiedlichem fraktalem Dimensionsgrad zeigen; Fig. 3 a two-dimensional representation of fractal curves using the example of a Hilbert curve, with views a) to d) each showing Hilbert curves with different degrees of fractal dimension;
Fig . 4 bis Fig. 7 j eweils in isometrischen Ansichten ein virtuelles Strukturmodell des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts , wobei j eweils ein Kurvenverlauf einer fraktalen Hilbert 3D-Kurve mit j eweils unterschiedlichem fraktalen Dimensionsgrad als Raumfüllende Kurve innerhalb des virtuellen Strukturmodells eingezeichnet ist ; Fig. 4 to Fig. 7, each in isometric views, a virtual structural model of the one shown in Fig. 1 illustrated template object, in each case a curve of a fractal Hilbert 3D curve, each with a different degree of fractal dimension, is drawn as a space-filling curve within the virtual structural model;
Fig . 8 eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs am Beispiel einer Hilbert b-Spline-Kurve ; Fig. 8 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert b-spline curve;
Fig . 9 eine isometrische Ansicht eines virtuellen Strukturmodells des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts , wobei ein Kurvenverlauf einer fraktalen Hilbert b-Spline 3D-Kurve als Raumfüllende Kurve innerhalb des virtuellen Strukturmodells eingezeichnet ist ; Fig. 9 is an isometric view of a virtual structural model of the one shown in FIG. 1 illustrated template object, whereby a curve of a fractal Hilbert b-spline 3D curve is drawn as a space-filling curve within the virtual structural model;
Fig . 10 bis Fig . 12 j eweils in isometrischen Ansichten ein virtuelles Festigkeitsmodell des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts , wobei anhand einer fraktalen Raumfüllenden Kurve vom Typ Hilbert 3D unterschiedliche Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit berechnet werden; Fig. 10 to Fig. 12 each in isometric views of a virtual strength model of the one shown in Fig. 1 illustrated template object, whereby different strength data for the component load capacity are calculated using a fractal space-filling curve of the Hilbert 3D type;
Fig . 13 eine Draufsicht auf ein virtuelles Strukturmodell des in Fig . 1 gezeigten dreidimensionalen Vorlageobj ekts ; Fig. 13 is a top view of a virtual structural model of the one shown in FIG. 1 shown three-dimensional template object;
Fig . 14 eine Draufsicht auf ein virtuelles Datenmodell basierend auf dem in Fig . 13 gezeigten Strukturmodell , unterteilt in virtuelle Obj ektabschnitte unterschiedlicher Bauteilbelastung, wobei die Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastung aus einem zuvor berechneten virtuellen Festigkeitsmodell erhalten werden; Fig. 14 is a top view of a virtual data model based on the one shown in FIG. 13 shown structural model, divided into virtual object sections with different component loads, the strength data for the component load being obtained from a previously calculated virtual strength model;
Fig . 15 eine Draufsicht auf das in Fig . 14 gezeigte virtuelle Datenmodell mit einer ersten fraktalen Raumfüllenden Kurve vom Typ Pseudo-Hilbert nach rasterförmiger Unterteilung in virtuelle Obj ektabschnitte gleicher Größe ; Fig. 15 is a top view of the one shown in FIG. 14 shown virtual data model with a first fractal space-filling curve of the Pseudo-Hilbert type after grid-like division into virtual object sections of the same size;
Fig . 16 eine Draufsicht auf das in Fig . 15 gezeigte virtuelle Datenmodell nach Überlagerung mit den in Fig . 14 gezeigten Festigkeitsdaten unterschiedlicher Bauteilbelastung; Fig. 16 is a top view of the one shown in FIG. 15 shown virtual data model after overlay with the ones in Fig. 14 shown strength data for different component loads;
Fig . 17 eine Draufsicht auf ein optimiertes virtuelles Datenmodell mit Kurvenverläufen von fraktalen Raumfüllenden Kurven, die bereits an die im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten zur Bauteilbelastbarkeit angepasst sind; Fig. 17 a top view of an optimized virtual data model with curve progressions of fractal space-filling curves, which are already adapted to the strength data for component load capacity stored in the virtual data model;
Fig . 18 eine isometrische Ansicht des optimierten virtuellen Datenmodells zur Fertigung eines dreidimensionalen Modellobj ekts basierend auf dem in Fig . 1 gezeigten Vorlageobj ekt; Fig. 18 an isometric view of the optimized virtual data model for producing a three-dimensional model object based on the one shown in FIG. 1 shown template object;
Fig . 19 eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs am Beispiel einer Hilbert-Kurve in einem ersten virtuellen Obj ektabschnitt, die mit einer H-Tree- Kurve in einem zweiten virtuellen Obj ektabschnitt verbunden ist; Fig. 19 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert curve in a first virtual object section, which is connected to an H-tree curve in a second virtual object section;
Fig . 20 eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs am Beispiel einer Hilbert-Kurve mit abschnittsweise unterschiedlichen Kurvenbreiten; Fig. 20 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert curve with different curve widths in sections;
Fig . 21 eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs am Beispiel einer Hilbert-Kurve mit abschnittsweise unterschiedlichen Kurvenbreiten und mit unterschiedlichen fraktalen Dimensionsgraden; Fig. 22 eine Schnittansicht von oben des angefertigten Modellobjekts während des 3D-Druckvorgangs; Fig. 21 a two-dimensional representation of a fractal curve using the example of a Hilbert curve with different curve widths in sections and with different fractal dimensions; 22 shows a sectional view from above of the model object produced during the 3D printing process;
Fig. 23 eine Draufsicht auf eine erste Höhenschicht des in Fig. 22 gezeigten Modellobjekts; Fig. 23 is a top view of a first height layer of the model object shown in Fig. 22;
Fig. 24 eine Draufsicht auf eine erste Teilstruktur eines optimierten virtuellen Datenmodells eines weiteren dreidimensionalen Modellkörpers; 24 shows a top view of a first partial structure of an optimized virtual data model of a further three-dimensional model body;
Fig. 25 eine Draufsicht auf eine weitere, zweite Teilstruktur gemäß dem in Fig. 24 gezeigten optimierten virtuellen Datenmodells des Modellkörpers; 25 shows a top view of a further, second partial structure according to the optimized virtual data model of the model body shown in FIG. 24;
Fig. 26 eine isometrische Ansicht schräg von oben gemäß dem in den Figuren 24 und 25 gezeigten, optimierten virtuellen Datenmodells des dreidimensionalen Modellkörpers; 26 is an isometric view obliquely from above according to the optimized virtual data model of the three-dimensional model body shown in FIGS. 24 and 25;
Fig. 27 in einer Seitenansicht die Unterteilung des in Fig. 26 gezeigten, optimierten virtuellen Datenmodells des dreidimensionalen Modellkörpers in Teilstrukturen des Datenmodells, welche Teilstrukturen einzelnen Höhenschichten während der Fertigung des Modellobjekts entsprechen. 27 is a side view of the division of the optimized virtual data model of the three-dimensional model body shown in FIG. 26 into substructures of the data model, which substructures correspond to individual height layers during the production of the model object.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION
Fig. 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines physischen dreidimensionalen Vorlageobjekts 10, hier beispielsweise eines Würfelförmigen Vorlageobjekts 10, wobei Topographiedaten 11 bzw. Geometriedaten des Vorlageobjekts 10 wie beispielsweise die Struktur und Abmessungen der Außenflächen 12 des Vorlageobjekts 10 für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst werden. Dies entspricht dem ersten Verfahrensschritt -a-, in dem Topographiedaten 11 des Vorlageobjekts 10 wie beispielsweise die Angaben zur Breite B.10, zur Höhe H.10 sowie zur Länge L.10 des Vorlageobjekts 10 bereitgestellt werden. Fig. 1 shows an isometric view of a physical three-dimensional template object 10, here for example a cube-shaped template object 10, with topography data 11 or geometry data of the template object 10 such as the structure and dimensions of the outer surfaces 12 of the template object 10 being recorded for carrying out the method according to the invention. This corresponds to the first method step -a-, in which topography data 11 of the template object 10 such as the information on the width B.10, the height H.10 and the length L.10 of the template object 10 are provided.
Gemäß dem zweiten Verfahrensschritt -b- sind zusätzlich auchAccording to the second process step -b- are also additional
Materialkennwerte 15 des Vorlageobjekts 10 von Interesse, wie beispielsweise seine Materialbeschaffenheit, Dichte, Porosität und dergleichen, sowie Informationsdaten hinsichtlich der Materialbelastung des Vorlageobjekts 10 bei seiner Verwendung. Vorteilhaft stehen diese Materialkennwerte 15 bereits für unterschiedliche innenliegende Abschnitte 21 bis 25 des Vorlageobjekts 10 zur Verfügung, die in Fig. 1 jeweils als würfelförmige Abschnitte 21 bis 25 mit strichpunktierten Konturkanten symbolisiert sind. Material characteristics 15 of the template object 10 of interest, such as for example, its material properties, density, porosity and the like, as well as information data regarding the material load on the template object 10 during its use. These material characteristics 15 are advantageously already available for different internal sections 21 to 25 of the template object 10, which are each symbolized in FIG. 1 as cube-shaped sections 21 to 25 with dash-dotted contour edges.
Fig. 2 zeigt eine zweidimensionale Darstellung von Raumfüllenden Kurven 60 eines fraktalen Kurventyps 70 eine erste Raumfüllende Kurve 61 mit einem fraktalen Kurvenverlauf am Beispiel eines ersten fraktalen Kurventyps 71, einer Koch-Kurve, wobei die Ansichten a) bis d) jeweils Koch-Kurven mit unterschiedlichem fraktalem Dimensionsgrad D.70 zeigen. In Fig. 2a) ist ein fraktaler Dimensionsgrad D.70 von 1 gewählt. Die in Fig. 2b) gezeigte Koch- Kurve hat den fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 2, jene in Fig. 2c) hat den Grad 3, sowie die in Fig. 2d) gezeigte Koch-Kurve weist einen fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 4 auf. Fig. 2 shows a two-dimensional representation of space-filling curves 60 of a fractal curve type 70 a first space-filling curve 61 with a fractal curve using the example of a first fractal curve type 71, a Koch curve, with views a) to d) each having Koch curves show different fractal dimensions D.70. In Fig. 2a) a fractal dimension D.70 of 1 is selected. The Koch curve shown in Fig. 2b) has the fractal dimension degree D.70 of 2, that in Fig. 2c) has the degree 3, and the Koch curve shown in Fig. 2d) has a fractal dimension degree D.70 of 4 on.
Fig. 3 zeigt eine zweidimensionale Darstellung von Raumfüllenden Kurven 60 eines fraktalen Kurventyps 70 eine zweite Raumfüllende Kurve 62 mit einem fraktalen Kurvenverlauf am Beispiel eines zweiten fraktalen Kurventyps 72, einer Hilbert-Kurve, wobei die Ansichten a) bis d) jeweils Hilbert-Kurven mit unterschiedlichem fraktalem Dimensionsgrad D.70 zeigen, nämlich in Fig. 3a) mit dem Grad 1, in Fig. 3b) mit dem Grad 2, in Fig. 3c) mit dem Grad 3, sowie in Fig. 3d) eine Hilbert-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 4. Fig. 3 shows a two-dimensional representation of space-filling curves 60 of a fractal curve type 70 a second space-filling curve 62 with a fractal curve using the example of a second fractal curve type 72, a Hilbert curve, with views a) to d) each having Hilbert curves show different fractal dimension degrees D.70, namely in Fig. 3a) with degree 1, in Fig. 3b) with degree 2, in Fig. 3c) with degree 3, and in Fig. 3d) a Hilbert curve a fractal dimension level D.70 of 4.
Fig. 4 zeigt in einer isometrischen Ansicht ein virtuelles Strukturmodell 30 des in Fig. 1 veranschaulichten Vorlageobjekts 10, welches in Schritt -c- des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnet wird. Für die nachfolgende Modellierung des virtuellen Strukturmodells 30 in Verfahrensschritt -e- wird hier für das virtuelle Strukturmodell 30 bereits mit der Anpassung eines Kurvenverlaufs einer Raumfüllenden Kurve 60 an die geometrischen Gegebenheiten bzw. Außenkonturen des virtuellen Strukturmodells 30 begonnen. Hier wird beispielsweise mit der Berechnung einer dritten Raumfüllenden Kurve 63 mit einem dritten fraktalen Kurventyp 73, nämlich einer fraktalen Hilbert 3D-Kurve, beispielsweise mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 1 als Raumfüllende Kurve innerhalb des virtuellen Strukturmodells 30 begonnen. 4 shows an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG. 1, which is calculated in step -c- of the method according to the invention. For the subsequent modeling of the virtual structural model 30 in method step -e-, the adaptation of a curve course of a space-filling curve 60 to the geometric conditions or outer contours of the virtual structural model 30 is already carried out here for the virtual structural model 30 began. Here, for example, the calculation of a third space-filling curve 63 with a third fractal curve type 73, namely a fractal Hilbert 3D curve, for example with a fractal dimensional degree D.70 of 1 as a space-filling curve within the virtual structural model 30, begins.
Fig. 5 zeigt - vergleichbar mit Fig. 4 - eine isometrische Ansicht eines virtuellen Strukturmodells 30 des in Fig. 1 veranschaulichten Vorlageobjekts 10, wobei als Raumfüllende Kurve 63 eine fraktale Hilbert 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 2 eingezeichnet ist, welche das virtuelle Strukturmodell 30 bereits raumfüllender ausfüllt als dies bei der in Fig. 4 gezeigten Hilbert 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 1 der Fall ist. 5 shows - comparable to FIG. 4 - an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG. which the virtual structural model 30 already fills more space than is the case with the Hilbert 3D curve shown in FIG. 4 with a fractal dimension level D.70 of 1.
Fig. 6 zeigt - vergleichbar mit Fig. 4 und Fig. 5 - eine isometrische Ansicht eines virtuellen Strukturmodells 30 des in Fig. 1 veranschaulichten Vorlageobjekts 10, wobei hier als Raumfüllende Kurve 63 beispielhaft ein dritter fraktaler Kurventyp 73 in Form einer fraktalen Hilbert 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 3 eingezeichnet ist. Diese ausgewählte Raumkurve füllt das virtuelle Strukturmodell 30 noch raumfüllender aus als dies bei der in Fig. 5 gezeigten Hilbert 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 2 der Fall ist. 6 shows - comparable to FIGS. 4 and 5 - an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG. Curve with a fractal dimension D.70 of 3 is drawn. This selected spatial curve fills the virtual structural model 30 even more space than is the case with the Hilbert 3D curve shown in FIG. 5 with a fractal dimension D.70 of 2.
Fig. 7 zeigt ebenso - vergleichbar mit den Figuren Fig. 4 bis 6 - eine isometrische Ansicht eines virtuellen Strukturmodells 30 des in Fig. 1 veranschaulichten Vorlageobjekts 10, wobei hier als Raumfüllende Kurve 63 beispielhaft ein dritter fraktaler Kurventyp 73 in Form einer fraktalen Hilbert 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 4 eingezeichnet ist. Diese ausgewählte Raumkurve füllt das virtuelle Strukturmodell 30 besonders raumfüllend aus und dichter als dies bei der in Fig. 6 gezeigten Hilbert 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D.70 von 3 der Fall ist. 7 also shows - comparable to FIGS. 4 to 6 - an isometric view of a virtual structural model 30 of the template object 10 illustrated in FIG -Curve with a fractal dimension D.70 of 4 is drawn. This selected spatial curve fills the virtual structural model 30 in a particularly space-filling manner and more densely than is the case with the Hilbert 3D curve shown in FIG. 6 with a fractal dimension level D.70 of 3.
Anhand der Figuren 4 bis 7 soll veranschaulicht werden, wie durch geeignete Auswahl des fraktalen Kurventyps 70 sowie des fraktalen Dimensionsgrads D.70 der Kurvenverlauf einer Raumfüllenden Kurve 60 an die Erfordernisse des j eweiligen Modellobj ekts angepasst werden kann . Die in der vorigen Beschreibung zu den Figuren 4 bis 7 sowie in der folgenden Beschreibung zu Fig . 9 getroffene Vereinfachung, wonach das Schema der Auswahl zumindest eines fraktalen Kurventyps sowie das Anpassen des ausgewählten zumindest einen fraktalen Kurventyps an die lokalen Erfordernisse des Modellobj ekts anhand des virtuellen Strukturmodells 30 veranschaulicht wird, dient bloß der einfacheren Darstellung und widerspricht nicht dem erfindungsgemäßen Verfahren . Tatsächlich erfolgt das verfahrensgemäße Auswählen (gemäß Verfahrensschritt -g-) zumindest eines geeigneten fraktalen Kurventyps 70 einer Raumfüllenden Kurve 60 mit einem fraktalen Dimensionsgrad D . 70 und Anpassen (gemäß Verfahrensschritt -h- ) des zumindest einen geeigneten fraktalen Kurventyps 70 anhand eines dreidimensionalen virtuellen Datenmodells 50 , welches zuvor in Verfahrensschritt -e- durch Rechnerunterstütztes Modellieren des virtuellen Strukturmodells 30 mit Festigkeitsdaten eines virtuellen Festigkeitsmodells 40 erhalten wurde . Figures 4 to 7 are intended to illustrate how the curve shape of a space-filling curve 60 can be created by appropriately selecting the fractal curve type 70 and the fractal dimension D.70 can be adapted to the requirements of the respective model object. The in the previous description of Figures 4 to 7 and in the following description of Fig. 9, according to which the scheme of selecting at least one fractal curve type and the adaptation of the selected at least one fractal curve type to the local requirements of the model object is illustrated using the virtual structural model 30, only serves to simplify the representation and does not contradict the method according to the invention. In fact, the selection according to the method (according to method step -g-) takes place at least one suitable fractal curve type 70 of a space-filling curve 60 with a fractal degree of dimension D. 70 and adapting (according to method step -h-) the at least one suitable fractal curve type 70 based on a three-dimensional virtual data model 50, which was previously obtained in method step -e- by computer-assisted modeling of the virtual structural model 30 with strength data of a virtual strength model 40.
Fig . 8 zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs einer weiteren, vierten Raumfüllenden Kurve 64 mit einem vierten fraktalen Kurventyp 74 am Beispiel einer Hilbert b- Spline-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D . 70 von 4 . Fig. 8 shows a two-dimensional representation of a fractal curve of a further, fourth space-filling curve 64 with a fourth fractal curve type 74 using the example of a Hilbert b-spline curve with a fractal degree of dimension D. 70 out of 4.
Fig . 9 zeigt eine isometrische Ansicht eines virtuellen Strukturmodells 30 des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts , wobei beispielsweise ein Kurvenverlauf eines weiteren, fünften fraktalen Kurventyps 75 , einer fraktalen Hilbert b-Spline 3D-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D . 70 von rund 3 , als Raumfüllende Kurve 65 innerhalb des virtuellen Strukturmodells 30 eingezeichnet ist . Fig. 9 shows an isometric view of a virtual structural model 30 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object, for example a curve of a further, fifth fractal curve type 75, a fractal Hilbert b-spline 3D curve with a fractal degree of dimension D. 70 of around 3, as a space-filling curve 65 within the virtual structural model 30 is drawn.
Fig . 10 zeigt eine isometrische Ansicht eines virtuellen Festigkeitsmodells 40 des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts 10 , wobei anhand einer fraktalen Raumfüllenden Kurve 63 mit einem fraktalen Kurventyp 73 , beispielsweise einer Hilbert 3D-Kurve , Festigkeitsdaten 41 zur Bauteilspannung berechnet werden . Fig . 11 zeigt eine isometrische Ansicht eines virtuellen Festigkeitsmodells 40 des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts 10 , wobei anhand einer fraktalen Raumfüllenden Kurve 63 vom Typ Hilbert 3D Festigkeitsdaten 42 zur Bauteilscherung berechnet werden . Fig. 10 shows an isometric view of a virtual strength model 40 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object 10, where strength data 41 for component stress are calculated using a fractal space-filling curve 63 with a fractal curve type 73, for example a Hilbert 3D curve. Fig. 11 shows an isometric view of a virtual strength model 40 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object 10, with 3D strength data 42 for component shear being calculated using a fractal space-filling curve 63 of the Hilbert type.
Fig . 12 zeigt eine isometrische Ansicht eines virtuellen Festigkeitsmodells 40 des in Fig . 1 veranschaulichten Vorlageobj ekts 10 , wobei anhand einer fraktalen Raumfüllenden Kurve 63 vom Typ Hilbert 3D-Kurve Festigkeitsdaten 43 zur Bauteildehnung berechnet werden . Fig. 12 shows an isometric view of a virtual strength model 40 of the one shown in FIG. 1 illustrated template object 10, with strength data 43 for component expansion being calculated using a fractal space-filling curve 63 of the Hilbert type 3D curve.
Die Figuren 10 bis 12 symbolisieren dabei den Verfahrensschritt -d- . Figures 10 to 12 symbolize process step -d-.
Fig . 13 stellt eine Draufsicht auf ein virtuelles Strukturmodell 30 des in Fig . 1 gezeigten dreidimensionalen Vorlageobj ekts 10 dar . Fig. 13 represents a top view of a virtual structural model 30 of the one shown in FIG. 1 three-dimensional template object 10 shown.
Festigkeitsdaten 41 , 42 , 43 zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des anzufertigenden Modellobj ekts 100 , die in Verfahrensschritt -d- durch Berechnen des virtuellen Festigkeitsmodells 40 erhalten werden, werden gemäß Verfahrensschritt -e- durch Rechnerunterstütztes Modellieren des virtuellen Strukturmodells 30 sowie des virtuellen Festigkeitsmodells 40 zu einem dreidimensionalen virtuellen Datenmodell 50 des Modellobj ekts kombiniert . Strength data 41, 42, 43 on the component load capacity and/or component mobility of the model object 100 to be produced, which are obtained in method step -d- by calculating the virtual strength model 40, are obtained according to method step -e- by computer-assisted modeling of the virtual structural model 30 and the virtual strength model 40 combined into a three-dimensional virtual data model 50 of the model object.
Fig . 14 zeigt eine Draufsicht auf ein solches virtuelles Datenmodell 50 basierend auf dem in Fig . 13 gezeigten Strukturmodell 30 . Das virtuelle Datenmodell 50 ist gemäß Verfahrensschritt -f- bereits hier in zwei virtuelle Obj ektabschnitte 51 , 52 unterschiedlicher Bauteilbelastung unterteilt , wobei die Festigkeitsdaten 41 , 42 , 43 zur Bauteilbelastung aus dem berechneten virtuellen Festigkeitsmodell 40 erhalten werden . In Fig . 14 ist im Bild der obere virtuelle Obj ektabschnitt 51 j ener mit vergleichsweise erhöhter Bauteilbelastung, welche Bauteilbelastung F . 40 durch Kraftpfeile F . 40 symbolisiert ist . Zweckmäßig wird zur Berechnung des virtuellen Festigkeitsmodells 40 eine Finite-Elemente-Analyse angewendet, um j ene virtuellen Obj ektabschnitte 51 zu identifizieren, in denen aufgrund einer lokal erhöhten Bauteilbeanspruchung beispielsweise eine höhere Material-Füllrate bei der Anfertigung der entsprechenden Raumfüllenden Kurven zu berücksichtigen ist . Fig. 14 shows a top view of such a virtual data model 50 based on the one shown in FIG. 13 shown structural model 30. According to method step -f-, the virtual data model 50 is already divided into two virtual object sections 51, 52 with different component loads, with the strength data 41, 42, 43 for the component load being obtained from the calculated virtual strength model 40. In Fig. 14 is the upper virtual object section 51 in the picture with a comparatively increased component load, which component load F. 40 by power arrows F. 40 is symbolized. A finite element analysis is expediently used to calculate the virtual strength model 40 in order to identify those virtual object sections 51 in which, for example, due to locally increased component stress A higher material filling rate must be taken into account when producing the corresponding space-filling curves.
Fig . 15 zeigt eine Draufsicht auf das in Fig . 14 gezeigte virtuelle Datenmodell 50 mit einer fraktalen Raumfüllenden Kurve 62 mit einem fraktalen Kurventyp 72 beispielsweise vom Typ Hilbert mit einem fraktalen Dimensionsgrad D . 70 von 4 nach raster förmiger Unterteilung in virtuelle Obj ektabschnitte 53 bis 55 gleicher Größe . Fig. 15 shows a top view of the one shown in FIG. 14 shown virtual data model 50 with a fractal space-filling curve 62 with a fractal curve type 72, for example of the Hilbert type with a fractal dimension degree D. 70 of 4 after grid-shaped division into virtual object sections 53 to 55 of the same size.
Fig . 16 zeigt eine Draufsicht auf das in Fig . 15 gezeigte virtuelle Datenmodell 50 nach Überlagerung mit den in Fig . 14 gezeigten virtuellen Obj ektabschnitten 51 und 52 mit unterschiedlicher Bauteilbelastung . Fig. 16 shows a top view of the one shown in FIG. 15 shown virtual data model 50 after superposition with the ones shown in Fig. 14 shown virtual object sections 51 and 52 with different component loads.
Fig . 17 zeigt eine Draufsicht auf ein optimiertes virtuelles Datenmodell mit Kurvenverläufen 80 von fraktalen Raumfüllenden Kurven, die bereits an die im virtuellen Datenmodell hinterlegten Festigkeitsdaten 41 , 42 , 43 zur Bauteilbelastbarkeit angepasst sind . In dem virtuellen Obj ektabschnitt 51 mit erhöhter Bauteilbelastung ist hier ein Kurvenverlauf 80 einer Raumfüllenden Kurve 62 mit einem zweiten fraktalen Kurventyp 72 , beispielsweise eine Hilbert-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D . 70 von 4 , an die lokal erhöhten Erfordernisse zur Bauteilbelastbarkeit bzw . Bauteilbeweglichkeit dieses virtuellen Obj ektabschnitts 51 angepasst . Fig. 17 shows a top view of an optimized virtual data model with curve progressions 80 of fractal space-filling curves, which are already adapted to the strength data 41, 42, 43 for component load capacity stored in the virtual data model. In the virtual object section 51 with increased component load, here is a curve 80 of a space-filling curve 62 with a second fractal curve type 72, for example a Hilbert curve with a fractal dimension D. 70 of 4, to the locally increased requirements for component resilience or. Component mobility of this virtual object section 51 adjusted.
In dem virtuellen Obj ektabschnitt 52 , welcher für eine vergleichsweise geringere Bauteilbelastung auszulegen ist , wird ein anderer Kurvenverlauf 80 einer vom zweiten fraktalen Kurventyp 72 unterschiedlichen Raumfüllenden Kurve 63 mit einem dritten fraktalen Kurventyp 73 , beispielsweise eine Pseudo-Hilbert-Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad D . 70 von 3 , ausgewählt . Die beiden unterschiedlichen Kurventypen 72 , 73 unterscheiden sich hier auch in ihren unterschiedlichen Kurvenbreiten 81 , 82 voneinander . In the virtual object section 52, which is to be designed for a comparatively lower component load, a different curve shape 80 of a space-filling curve 63 different from the second fractal curve type 72 is used with a third fractal curve type 73, for example a pseudo-Hilbert curve with a fractal dimension degree D . 70 of 3, selected. The two different curve types 72, 73 also differ from each other in their different curve widths 81, 82.
Fig . 18 zeigt eine isometrische Ansicht des optimierten virtuellen Datenmodells 90 gemäß Verfahrensschritt -i- zur Fertigung eines dreidimensionalen Modellobj ekts basierend auf dem in Fig . 1 gezeigten Vorlageobj ekts 10 bzw . basierend auf dem zuvor modellierten virtuellen Datenmodell 50 des anzufertigenden Modellobjekts . Fig. 18 shows an isometric view of the optimized virtual data model 90 according to method step -i- for producing a three-dimensional model object based on the one shown in FIG. 1 shown template object 10 or. based on the one before modeled virtual data model 50 of the model object to be produced.
Die Kurvenverläufe 80 sowie die Kurvenbreiten 81,82,83 der angepassten Raumfüllenden Kurven 60,61,62,63 - wobei die gewählten Kurvenbreiten den lokalen Füllmaterialbreiten 81,82,83 entsprechen - sind in diesem optimierten virtuellen Datenmodell 90 bereits für sämtliche virtuelle Objektabschnitte 51,52,53,54,55 des virtuellen Datenmodells 50 an im virtuellen Datenmodell 50 hinterlegte Festigkeitsdaten 41,42,43 zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst. Zweckmäßig ist das Bauteilvolumen 59 jedes virtuellen Objektabschnitts 51,52,53,54,55 jeweils möglichst gleich groß gewählt. Das dreidimensionale optimierte virtuelle Datenmodell 90 enthält bereits Koordinatenpunkte 101,102,103 für die additive Fertigung des anzufertigenden Modellobjekts. The curve progressions 80 and the curve widths 81,82,83 of the adapted space-filling curves 60,61,62,63 - where the selected curve widths correspond to the local filling material widths 81,82,83 - are already in this optimized virtual data model 90 for all virtual object sections 51 ,52,53,54,55 of the virtual data model 50 is adapted to strength data 41,42,43 stored in the virtual data model 50 for component load capacity and/or component mobility. The component volume 59 of each virtual object section 51,52,53,54,55 is expediently chosen to be as large as possible. The three-dimensional optimized virtual data model 90 already contains coordinate points 101,102,103 for the additive manufacturing of the model object to be produced.
Fig. 19 zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs einer ersten Raumfüllenden Kurve 61 am Beispiel einer Hilbert-Kurve 71 in einem ersten virtuellen Objektabschnitt 51, wobei die erste Raumfüllende Kurve 61 mit einer zweiten Raumfüllenden Kurve 62 beispielsweise vom Typ H-Tree-Kurve 72 in einem zweiten virtuellen Objektabschnitt 52 verbunden ist. Die beiden Raumfüllenden Kurven 61, 62 in den virtuellen Objektabschnitten 51,52 haben hier jeweils dieselbe Kurvenbreite 81. Die Grenze zwischen den beiden virtuellen Objektabschnitten 51 und 52 ist mittels einer strichpunktierten Linie angedeutet. 19 shows a two-dimensional representation of a fractal curve progression of a first space-filling curve 61 using the example of a Hilbert curve 71 in a first virtual object section 51, the first space-filling curve 61 having a second space-filling curve 62, for example of the type H-tree curve 72 in a second virtual object section 52 is connected. The two space-filling curves 61, 62 in the virtual object sections 51, 52 each have the same curve width 81. The boundary between the two virtual object sections 51 and 52 is indicated by a dash-dotted line.
Fig. 20 zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs einer ersten Raumfüllenden Kurve 61 am Beispiel einer Hilbert-Kurve 71 mit abschnittsweise unterschiedlichen Kurvenbreiten 81,82,83. Der fraktale Dimensionsgrad D.70 der hier gezeigten Hilbert-Kurve 71 beträgt etwa den Wert 3. Der Kurvenverlauf der Hilbert-Kurve 71 im ersten virtuellen Objektabschnitt 51 links im Bild weist eine erste, vergleichsweise geringe Kurvenbreite 81 auf, die mit einer vergleichsweise geringen lokalen Füllmaterialbreite einhergeht. Im zweiten virtuellen Objektabschnitt 52 rechts oben im Bild weist der Kurvenverlauf der Hilbert-Kurve 71 eine zweite, vergleichsweise große Kurvenbreite 82 auf. Im dritten virtuellen Objektabschnitt 53 rechts unten im Bild weist der Kurvenverlauf der Hilbert-Kurve 71 eine dritte, mittlere Kurvenbreite 83 auf, wobei diese mittlere Kurvenbreite 83 zwischen der geringen Kurvenbreite 81 und der großen Kurvenbreite 82 liegt. Die Grenzen zwischen den virtuellen Objektabschnitten 51,52, 53 sind jeweils mit strichpunktierten Linien angedeutet. Fig. 20 shows a two-dimensional representation of a fractal curve of a first space-filling curve 61 using the example of a Hilbert curve 71 with different curve widths 81, 82, 83 in sections. The fractal dimension D.70 of the Hilbert curve 71 shown here is approximately the value 3. The curve shape of the Hilbert curve 71 in the first virtual object section 51 on the left in the picture has a first, comparatively small curve width 81, which has a comparatively small local Filling material width is accompanied. In the second virtual object section 52 at the top right of the image, the curve of the Hilbert curve 71 has a second, comparatively large curve width 82. In the third virtual Object section 53 at the bottom right of the picture, the curve of the Hilbert curve 71 has a third, average curve width 83, with this average curve width 83 lying between the small curve width 81 and the large curve width 82. The boundaries between the virtual object sections 51, 52, 53 are each indicated by dash-dotted lines.
Fig. 21 zeigt eine zweidimensionale Darstellung eines fraktalen Kurvenverlaufs von Raumfüllenden Kurven 61,62 am Beispiel von Hilbert-Kurven 71,72 mit abschnittsweise unterschiedlichen Kurvenbreiten 81,82,83 und mit unterschiedlichen fraktalen Dimensionsgraden D.70 mit Werten von etwa 3 bzw. von etwa 4. Der Kurvenverlauf der Hilbert-Kurve 71 im ersten virtuellen Objektabschnitt 51 links im Bild weist eine erste, vergleichsweise geringe Kurvenbreite 81 auf, die mit einer vergleichsweise geringen lokalen Füllmaterialbreite einhergeht. Im zweiten virtuellen Objektabschnitt 52 rechts oben im Bild weist der Kurvenverlauf der Hilbert-Kurve 71 eine zweite, vergleichsweise große Kurvenbreite 83 bzw. eine vergleichsweise große lokale Füllmaterialbreite auf. Eine Kurvenbreite 82 am Übergang zwischen dem ersten virtuellen Objektabschnitt 51 und dem zweiten virtuellen Objektabschnitt 52 liegt zwischen der geringen Kurvenbreite 81 und der großen Kurvenbreite 83. Der Kurvenverlauf der Raumfüllenden Kurve 61 am Beispiel einer Hilbert-Kurve 71 im ersten sowie im zweiten virtuellen Objektabschnitt 51,52 hat jeweils einen fraktalen Dimensionsgrad D.70 von etwa 3. Fig. 21 shows a two-dimensional representation of a fractal curve of space-filling curves 61,62 using the example of Hilbert curves 71,72 with different curve widths 81,82,83 in sections and with different fractal dimension degrees D.70 with values of approximately 3 or of approximately 4. The curve shape of the Hilbert curve 71 in the first virtual object section 51 on the left in the image has a first, comparatively small curve width 81, which is accompanied by a comparatively small local filling material width. In the second virtual object section 52 at the top right of the image, the curve of the Hilbert curve 71 has a second, comparatively large curve width 83 or a comparatively large local filling material width. A curve width 82 at the transition between the first virtual object section 51 and the second virtual object section 52 lies between the small curve width 81 and the large curve width 83. The curve shape of the space-filling curve 61 using the example of a Hilbert curve 71 in the first and in the second virtual object section 51 .52 each has a fractal dimensionality D.70 of approximately 3.
Im dritten virtuellen Objektabschnitt 53 rechts unten im Bild weist der Kurvenverlauf der Hilbert-Kurve 72 wiederum eine geringe Kurvenbreite 81 auf, wobei diese geringe Kurvenbreite 81 kleiner als die große Kurvenbreite 83 im zweiten virtuellen Objektabschnitt 52 ist. Eine Kurvenbreite 82 am Übergang zwischen dem zweiten virtuellen Objektabschnitt 52 und dem dritten virtuellen Objektabschnitt 53 liegt zwischen der geringen Kurvenbreite 81 und der großen Kurvenbreite 83. Der Kurvenverlauf der Raumfüllenden Kurve 62 am Beispiel einer Hilbert-Kurve 72 hat im dritten virtuellen Objektabschnitt 53 einen fraktalen Dimensionsgrad D.70 von etwa 4. Die Grenzen zwischen den virtuellen Objektabschnitten 51,52, 53 sind jeweils mit strichpunktierten Linien angedeutet. In the third virtual object section 53 at the bottom right of the image, the curve of the Hilbert curve 72 again has a small curve width 81, this small curve width 81 being smaller than the large curve width 83 in the second virtual object section 52. A curve width 82 at the transition between the second virtual object section 52 and the third virtual object section 53 lies between the small curve width 81 and the large curve width 83. The curve shape of the space-filling curve 62 using the example of a Hilbert curve 72 has a fractal in the third virtual object section 53 Dimensional grade D.70 of approximately 4. The boundaries between the virtual object sections 51, 52, 53 are each indicated with dash-dotted lines.
Fig. 22 zeigt eine Schnittansicht von oben des angefertigten Modellobjekts 100 während des 3D-Druckvorgangs . Koordinatenpunkte 101,102,103 des dreidimensionalen optimierten virtuellen Datenmodells 90 werden zu physischen Koordinatenpunkten 101,102,103 des Modellobjekts 100 gefertigt. 22 shows a sectional view from above of the manufactured model object 100 during the 3D printing process. Coordinate points 101,102,103 of the three-dimensional optimized virtual data model 90 are manufactured into physical coordinate points 101,102,103 of the model object 100.
Fig. 23 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Höhenschicht 111 des in Fig. 22 gezeigten Modellobjekts 100. Es sind unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Kurvenverläufen 80 bzw. unterschiedlichen fraktalen Kurventypen 70,71,72,73 von Raumfüllenden Kurven 60,61,62,63 zu erkennen. 23 shows a top view of a first height layer 111 of the model object 100 shown in FIG to recognize.
Fig. 24 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Teilstruktur 91 eines optimierten virtuellen Datenmodells 90 eines weiteren dreidimensionalen Modellkörpers, der hier beispielsweise eine rechteckförmige Grundfläche mit einer zentral angeordneten kreisförmigen Ausnehmung aufweist. In dieser ersten Teilstruktur 91 ist ein optimierter Kurvenverlauf einer Raumfüllenden Kurve 62 eines bestimmten fraktalen Kurventyps 72 zu sehen. Als Füllmaterial 120 zur Fertigung der Raumfüllenden Kurve 62 in dieser ersten Teilstruktur 91 ist ein erstes Füllmaterial 121 vorgesehen. 24 shows a top view of a first partial structure 91 of an optimized virtual data model 90 of a further three-dimensional model body, which here, for example, has a rectangular base area with a centrally arranged circular recess. In this first substructure 91, an optimized curve shape of a space-filling curve 62 of a specific fractal curve type 72 can be seen. A first filling material 121 is provided as filling material 120 for producing the space-filling curve 62 in this first partial structure 91.
Fig. 25 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere, zweite Teilstruktur 92 gemäß dem in Fig. 24 gezeigten optimierten virtuellen Datenmodells 90 des dreidimensionalen Modellkörpers. Hier sind unterschiedliche virtuelle Objektabschnitte 51 bis 55 zu erkennen mit unterschiedlichen optimierten Kurvenverläufen unterschiedlicher Raumfüllender Kurven 60 bis 65, die sich auch in ihrem fraktalen Kurventyp 70 bis 75 sowie in ihrer Kurvenbreite 81,82,83 unterscheiden können. Die Kurvenverläufe der Raumfüllenden Kurven 60 bis 65 in mechanisch höher belasteten virtuellen Objektabschnitten 52, 53 sind hier beispielsweise für die Fertigung aus einem zweiten, besonders robusten Füllmaterial 122 vorgesehen. Die Raumfüllenden Kurven 60 bis 65 in mechanisch geringer belasteten virtuellen Objektabschnitten 54, 55 sind für die Fertigung aus dem ersten Füllmaterial 121 vorgesehen. 25 shows a top view of a further, second partial structure 92 according to the optimized virtual data model 90 of the three-dimensional model body shown in FIG. 24. Here different virtual object sections 51 to 55 can be seen with different optimized curve progressions of different space-filling curves 60 to 65, which can also differ in their fractal curve type 70 to 75 and in their curve width 81, 82, 83. The curve progressions of the space-filling curves 60 to 65 in virtual object sections 52, 53 that are subject to higher mechanical loads are intended here, for example, for production from a second, particularly robust filling material 122. The space-filling curves 60 to 65 in virtual ones with less mechanical load Object sections 54, 55 are intended for production from the first filling material 121.
Fig. 26 zeigt eine isometrische Ansicht schräg von oben gemäß dem in den Figuren 24 und 25 gezeigten, optimierten virtuellen Datenmodell 90 des dreidimensionalen Modellkörpers. Eine Gesamthöhe H.90 des optimierten virtuellen Datenmodells 90 entspricht der Gesamthöhe des anzufertigenden Modellobjekts. 26 shows an isometric view obliquely from above according to the optimized virtual data model 90 of the three-dimensional model body shown in FIGS. 24 and 25. A total height H.90 of the optimized virtual data model 90 corresponds to the total height of the model object to be produced.
Fig. 27 zeigt in einer Seitenansicht die Unterteilung des in Fig. 26 gezeigten, optimierten virtuellen Datenmodells 90 des dreidimensionalen Modellkörpers in Teilstrukturen 91,92,93 des Datenmodells 90 (in Fig. 27 links im Bild) , welche Teilstrukturen 91,92,93 einzelnen Höhenschichten 111,112,113 während der additiven Fertigung des Modellobjekts 100 entsprechen (in Fig. 27 rechts im Bild) . 27 shows a side view of the division of the optimized virtual data model 90 of the three-dimensional model body shown in FIG correspond to individual height layers 111,112,113 during the additive manufacturing of the model object 100 (in Fig. 27 on the right in the picture).
Gemäß Verfahrensschritt -j- erfolgt ein Rechnerunterstütztes Unterteilen einer Gesamthöhe H.90 des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells 90 in eine Anzahl N (N
Figure imgf000041_0001
2 bis n) von sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten 111,112,113 des Modellobjekts 100, wobei jede der N (N
Figure imgf000041_0002
2 bis n) Höhenschichten 111,112,113 des Modellobjekts 100 einer einzelnen Teilstruktur 91,92,93 des optimierten virtuellen Datenmodells 90 entspricht und Koordinatenpunkte 101,102,103 für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht 111,112,113 des Modellobjekts 100 umfasst. Die Anzahl N ist dabei als eine ganze Zahl gewählt, welche größer oder gleich der Zahl 2 ist, und wobei die Anzahl N (N
Figure imgf000041_0003
2 bis n) so ausgewählt wird, dass jede einzelne der N (N
Figure imgf000041_0004
2 bis n) Höhenschichten 111,112,113 jeweils eine an die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des jeweiligen Objektabschnittes 51,52,53 angepasste, individuelle Teilhöhe H. Ill, H.112 , H.113 hat. Die Summe der N (N
Figure imgf000041_0005
2 bis n) Teilhöhen H. Ill, H.112, H.113 der einzelnen Höhenschichten 111,112,113 entspricht dabei der Gesamthöhe H.90 des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells 90.
According to method step -j-, a total height H.90 of the optimized three-dimensional virtual data model 90 is divided into a number N (N
Figure imgf000041_0001
2 to n) of sequentially stacked height layers 111,112,113 of the model object 100, each of the N (N
Figure imgf000041_0002
2 to n) height layers 111,112,113 of the model object 100 corresponds to a single substructure 91,92,93 of the optimized virtual data model 90 and includes coordinate points 101,102,103 for the additive manufacturing of the corresponding height layer 111,112,113 of the model object 100. The number N is chosen as an integer which is greater than or equal to the number 2, and where the number N (N
Figure imgf000041_0003
2 to n) is selected so that each of the N (N
Figure imgf000041_0004
2 to n) height layers 111,112,113 each have an individual partial height H. Ill, H.112, H.113 adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section 51,52,53. The sum of the N (N
Figure imgf000041_0005
2 to n) Partial heights H. Ill, H.112, H.113 of the individual height layers 111, 112, 113 correspond to the total height H.90 of the optimized three-dimensional virtual data model 90.
In Fig. 27 rechts im Bild wird schematisch der Verfahrensschritt -k- veranschaulicht , wobei ein schichtweises Aufträgen der N (N 2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten 111,112,113 des Modellobjekts 100 mittels einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, hier beispielsweise mit einer 3D-Druck- Vorrichtung, erfolgt, mit der das Modellobjekt 100 gefertigt wird. In Fig. 27 on the right of the picture, the process step -k- is schematically illustrated, with a layer-by-layer application of the N (N 2 to n) sequentially stacked height layers 111, 112, 113 of the model object 100 by means of a manufacturing device for additive manufacturing, here for example with a 3D printing device, with which the model object 100 is manufactured.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn wie in Fig. 27 veranschaulicht beim Unterteilen des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells 90 in jeder einzelnen Teilstruktur 91,92,93 des optimierten virtuellen Datenmodells 90 Ausrichtmarken 109 für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht 111,112,113 des Modellobjekts 100 spezifiziert werden, wobei die N (N
Figure imgf000042_0001
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten 111,112,113 des Modellobjekts 100 während des schichtweisen Auftragens anhand der in den einzelnen Teilstrukturen 91,92,93 hinterlegten Ausrichtmarken 109 möglichst versatzfrei relativ zueinander justiert werden können. Eine aufwendige Nachbearbeitung des angefertigten Modellobjekts 100 beispielsweise durch Glätten der Oberflächen kann somit entfallen.
It is particularly advantageous if, as illustrated in FIG. where the N (N
Figure imgf000042_0001
2 to n) sequentially stacked height layers 111, 112, 113 of the model object 100 can be adjusted relative to one another with as little offset as possible during layer-by-layer application using the alignment marks 109 stored in the individual substructures 91, 92, 93. A complex post-processing of the manufactured model object 100, for example by smoothing the surfaces, can therefore be omitted.
Ein solcherart mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Modellobjekt 100 ist hinsichtlich seiner Festigkeitserfordernisse optimiert und kann anschließend sogleich für den jeweiligen Anwendungs zweck eingesetzt werden. A model object 100 produced in this way using a method according to the invention is optimized with regard to its strength requirements and can then immediately be used for the respective application.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE SYMBOL LIST
10 dreidimensionales Vorlageobjekt 10 three-dimensional template object
11 Topographiedaten bzw. Geometriedaten des Vorlageobjekts11 Topography data or geometry data of the template object
12 Außenfläche des Vorlageobjekts 12 Outer surface of the template object
15 Materialkennwerte des Vorlageobjekts 15 material characteristics of the template object
B.10 Breite des Vorlageobjekts B.10 Width of the template object
H.10 Höhe des Vorlageobjekts H.10 Height of the template object
L.10 Länge des Vorlageobjekts L.10 Length of the template object
21 (erster, innenliegender) Abschnitt des Vorlageobjekts21 (first, inner) section of the template object
22 (zweiter, innenliegender) Abschnitt des Vorlageobjekts22 (second, internal) section of the template object
23,24,25 (weiterer bzw. n-ter) Abschnitt des Vorlageobjekts23,24,25 (further or nth) section of the template object
30 virtuelles Strukturmodell b.30 Breite des virtuellen Strukturmodells h.30 Höhe des virtuellen Strukturmodells 30 virtual structural model b.30 width of the virtual structural model h.30 height of the virtual structural model
1.30 Länge des virtuellen Strukturmodells 1.30 Length of the virtual structural model
40 virtuelles Festigkeitsmodell 40 virtual strength model
41 Festigkeitsdaten zur Bauteilspannung 41 strength data for component tension
42 Festigkeitsdaten zur Bauteilscherung 42 strength data for component shear
43 Festigkeitsdaten zur Bauteildehnung 43 strength data for component elongation
F.40 Bauteilbelastung (Kraftpfeil) F.40 Component load (force arrow)
50 dreidimensionales virtuelles Datenmodell 50 three-dimensional virtual data model
51 (erster) virtueller Objektabschnitt 51 (first) virtual object section
52 (zweiter) virtueller Objektabschnitt 52 (second) virtual object section
53,54,55 (weiterer bzw. n-ter) virtueller Objektabschnitt 53,54,55 (further or nth) virtual object section
59 Bauteilvolumen eines virtuellen Objektabschnitts 59 component volume of a virtual object section
60 Raumfüllende Kurve 60 Space-filling curve
61 (erste) Raumfüllende Kurve 61 (first) space-filling curve
62 (zweite) Raumfüllende Kurve 62 (second) space-filling curve
63,64,65 (weitere bzw. n-te) Raumfüllende Kurve 63,64,65 (further or nth) space-filling curve
70 fraktaler Kurventyp 70 fractal curve type
71 (erster) fraktaler Kurventyp 71 (first) fractal curve type
72 (zweiter) fraktaler Kurventyp 72 (second) fractal curve type
73,74,75 (weiterer bzw. n-ter) fraktaler Kurventyp 73,74,75 (further or nth) fractal curve type
D.70 fraktaler Dimensionsgrad D.70 fractal dimension level
80 Kurvenverlauf 80 curve course
81,82,83 Kurvenbreite; lokale Füllmaterialbreite BEZUGSZEICHENLISTE (Fortsetzung) 81,82,83 curve width; local filling material width REFERENCE SYMBOL LIST (continued)
90 optimiertes dreidimensionales virtuelles Datenmodell90 optimized three-dimensional virtual data model
91 (erste) Teilstruktur des Datenmodells 91 (first) substructure of the data model
92 (zweite) Teilstruktur des Datenmodells 92 (second) substructure of the data model
93 (weitere bzw. N-te) Teilstruktur des Datenmodells93 (further or Nth) substructure of the data model
H.90 Gesamthöhe des optimierten virtuellen DatenmodellsH.90 Total height of the optimized virtual data model
100 dreidimensionales Modellobjekt 100 three-dimensional model object
101 (erster) Koordinatenpunkt des Modellobjekts 101 (first) coordinate point of the model object
102 (zweiter) Koordinatenpunkt des Modellobjekts 102 (second) coordinate point of the model object
103 (weiterer) Koordinatenpunkt des Modellobjekts 103 (additional) coordinate point of the model object
109 Ausrichtmarke 109 alignment mark
111 (erste) Höhenschicht des Modellobjekts 111 (first) elevation layer of the model object
112 (zweite) Höhenschicht des Modellobjekts 112 (second) elevation layer of the model object
113 (weitere bzw. N-te) Höhenschicht des Modellobjekts113 (additional or Nth) elevation layer of the model object
H.lll Teilhöhe einer (ersten) Höhenschicht des ModellobjektsH.lll Partial height of a (first) height layer of the model object
H.112 Teilhöhe einer (zweiten) Höhenschicht des ModellobjektsH.112 Partial height of a (second) height layer of the model object
H.113 Teilhöhe einer (weiteren) Höhenschicht des ModellobjektsH.113 Partial height of a (further) elevation layer of the model object
120 Füllmaterial des Modellobjekts 120 Fill material of the model object
121 erstes Füllmaterial 121 first filling material
122 zweites Füllmaterial 122 second filling material

Claims

ANSPRÜCHE . Verfahren zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: EXPECTATIONS . Method for additive manufacturing, in particular for 3D printing, the method comprising the following steps:
-a- Bereitstellen von Topographiedaten (11) eines physischen dreidimensionalen Vorlageobjekts (10) ; -a- Providing topography data (11) of a physical three-dimensional template object (10);
-b- Bereitstellen von Materialkennwerten (15) des-b- Providing material characteristics (15) of the
Vorlageobjekts (10) ; template object (10) ;
— c~ Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen— c~ Computer-aided calculation of a virtual
Strukturmodells (30) eines dreidimensionalen Modellobjekts (100) in Abhängigkeit von den in Schritt -a- bereitgestellten Topographiedaten (11) des Vorlageobjekts (10) ; Structural model (30) of a three-dimensional model object (100) depending on the topography data (11) of the template object (10) provided in step -a-;
-d- Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellen-d- Computer-aided calculation of a virtual
Festigkeitsmodells (40) des dreidimensionalen Modellobjekts (100) in Abhängigkeit von den in Schritt -b- bereitgestellten Materialkennwerten (15) des Vorlageobjekts (10) , wobei Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobjekts (100) erhalten werden;Strength model (40) of the three-dimensional model object (100) as a function of the material characteristics (15) of the template object (10) provided in step -b-, with strength data (41,42,43) relating to the component load capacity and/or component mobility of the model object (100) be obtained;
-e- Rechnerunterstütztes Modellieren des virtuellen-e- Computer-aided modeling of the virtual
Strukturmodells (30) sowie des virtuellen Festigkeitsmodells (40) zu einem dreidimensionalen virtuellen Datenmodell (50) des Modellobjekts (100) ; Structural model (30) and the virtual strength model (40) to a three-dimensional virtual data model (50) of the model object (100);
-f- Rechnerunterstütztes Unterteilen des virtuellen-f- Computer-assisted subdivision of the virtual
Datenmodells (50) des Modellobjekts (100) in zumindest zwei virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) mit unterschiedlicher Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit; Data model (50) of the model object (100) into at least two virtual object sections (51,52,53) with different component load capacity and/or component mobility;
-g- Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps-g- Select at least one fractal curve type
(70,71,72,73) einer Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63) mit einem fraktalen Dimensionsgrad (D.70) für jeden der zumindest zwei virtuellen Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) , wobei der zumindest eine fraktale Kurventyp (70,71,72,73) und/oder der fraktale Dimensionsgrad (D.70) für den jeweiligen virtuellen Objektabschnitt (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) anhand von im virtuellen Datenmodell (50) hinterlegten Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ausgewählt wird bzw. werden; -h- Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs(70,71,72,73) a space-filling curve (60,61,62,63) with a fractal degree of dimension (D.70) for each of the at least two virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) , wherein the at least one fractal curve type (70,71,72,73) and/or the fractal dimension level (D.70) for the respective virtual object section (51,52,53) of the virtual data model (50) based on in the virtual data model (50) stored strength data (41,42,43) for component load capacity and/or component mobility is or are selected; -h- Adjust at least one individual curve profile
(80) sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite (81,82,83) des ausgewählten zumindest einen fraktalen Kurventyps (70,71,72,73) der Raumfüllenden Kurve(80) and at least one individual curve width (81,82,83) of the selected at least one fractal curve type (70,71,72,73) of the space-filling curve
(60,61,62,63) innerhalb des jeweiligen virtuellen Objektabschnitts (51,52,53) für jeden der zumindest zwei virtuellen Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) anhand von im virtuellen Datenmodell (50) hinterlegten Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit; (60,61,62,63) within the respective virtual object section (51,52,53) for each of the at least two virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) based on those stored in the virtual data model (50). Strength data (41,42,43) on component load capacity and/or component mobility;
-i- Gegebenenfalls Wiederholen von Schritt -g- zum Auswahlen zumindest eines fraktalen Kurventyps (70) einer Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad (D.70) für einen oder mehrere virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) und/oder Wiederholen von Schritt -h- zum Anpassen des jeweiligen individuellen Kurvenverlaufs (80) mit individueller Kurvenbreite (81,82,83) der zumindest einen ausgewählten Raumfüllenden Kurve-i- If necessary, repeat step -g- to select at least one fractal curve type (70) of a space-filling curve with a fractal degree of dimension (D.70) for one or more virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) and/or repeating step -h- to adapt the respective individual curve profile (80) with individual curve width (81,82,83) of the at least one selected space-filling curve
(60,61,62,63) für einen oder mehrere virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) , bis die Kurvenverläufe (80) von Raumfüllenden Kurven(60,61,62,63) for one or more virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) until the curves (80) of space-filling curves
(60,61,62,63) für sämtliche virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) an im virtuellen Datenmodell (50) hinterlegte Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst sind und ein dreidimensionales optimiertes virtuelles Datenmodell (90) erhalten wird, welches optimierte virtuelle Datenmodell (90) Koordinatenpunkte (101,102,103) für die additive Fertigung des Modellobjekts (100) umfasst; (60,61,62,63) for all virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) are adapted to strength data (41,42,43) stored in the virtual data model (50) for component load capacity and / or component mobility and a three-dimensional optimized virtual data model (90) is obtained, which comprises optimized virtual data model (90) coordinate points (101,102,103) for the additive manufacturing of the model object (100);
-j- Rechnerunterstütztes Unterteilen einer Gesamthöhe (H.90) des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells (90) in eine Anzahl N (N
Figure imgf000046_0001
2 bis n) von sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) , wobei jede der N (N
Figure imgf000046_0002
2 bis n) Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) einer einzelnen Teilstruktur (91,92,93) des optimierten virtuellen Datenmodells (90) entspricht und Koordinatenpunkte (101,102,103) für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht (111,112,113) des Modellobjekts (100) umfasst, wobei die Anzahl N eine ganze Zahl ist, welche größer oder gleich der Zahl 2 ist, und wobei die Anzahl N (N
Figure imgf000047_0001
2 bis n) so ausgewählt wird, dass jede einzelne der N (N
Figure imgf000047_0002
2 bis n) Höhenschichten (111,112,113) jeweils eine an die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des jeweiligen Objektabschnittes (51,52,53) angepasste, individuelle Teilhöhe (H. Ill, H.112 , H.113) hat, wobei die Summe der N (N
Figure imgf000047_0003
2 bis n) Teilhöhen (H. Ill, H.112 , H.113) der einzelnen Höhenschichten (111,112,113) der Gesamthöhe (H.90) des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells (90) entspricht;
-j- Computer-aided division of a total height (H.90) of the optimized three-dimensional virtual data model (90) into a number N (N
Figure imgf000046_0001
2 to n) of sequentially stacked height layers (111,112,113) of the model object (100), each of the N (N
Figure imgf000046_0002
2 to n) height layers (111,112,113) of the model object (100) corresponds to a single substructure (91,92,93) of the optimized virtual data model (90) and coordinate points (101,102,103) for the additive manufacturing of the corresponding Elevation layer (111,112,113) of the model object (100), where the number N is an integer which is greater than or equal to the number 2, and where the number N (N
Figure imgf000047_0001
2 to n) is selected so that each of the N (N
Figure imgf000047_0002
2 to n) height layers (111,112,113) each have an individual partial height (H. Ill, H.112, H.113) adapted to the component load capacity and / or component mobility of the respective object section (51,52,53), whereby the sum of N (N
Figure imgf000047_0003
2 to n) partial heights (H. Ill, H.112, H.113) of the individual height layers (111,112,113) correspond to the total height (H.90) of the optimized three-dimensional virtual data model (90);
-k- schichtweises Aufträgen der N (N
Figure imgf000047_0004
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) mittels einer Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, vorzugsweise mit einer 3D-Druck- Vorrichtung, um das Modellobjekt (100) zu fertigen. . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt -h- zum Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs (80) sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite (81,82,83) des zumindest einen fraktalen Kurventyps (70,71,72,73) der Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63) an den jeweiligen virtuellen Objektabschnitt (51,52,53) zumindest ein weiterer Parameter ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend: lokale Materialdichte, lokale Material-Füllrate, lokale Extrusionsweite, lokale Materialauswahl (120,121,122) . . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt -c- zur Berechnung des virtuellen Strukturmodells (30) des Modellobjekts (100) ein geometrisches Konturmodell sowie ein Porositätsmodell des physischen Vorlageobjekts (10) angefertigt werden. . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt -f- das virtuelle Datenmodell (50) des Modellobjekts (100) in zumindest zwei innerhalb des Modellobjekts (100) liegende Objektabschnitte (51,52,53) mit unterschiedlicher Bauteilbelastbarkeit und/oder
-k- layer-by-layer orders of the N (N
Figure imgf000047_0004
2 to n) sequentially stacked height layers (111,112,113) of the model object (100) using a manufacturing device for additive manufacturing, preferably with a 3D printing device, in order to manufacture the model object (100). . Method according to claim 1, characterized in that in step -h- for adapting at least one individual curve profile (80) and at least one individual curve width (81,82,83) of the at least one fractal curve type (70,71,72,73). Space-filling curve (60,61,62,63) to the respective virtual object section (51,52,53) at least one further parameter is selected from the group comprising: local material density, local material filling rate, local extrusion width, local material selection (120,121,122) . . Method according to claim 1 or 2, characterized in that in step -c- for calculating the virtual structural model (30) of the model object (100), a geometric contour model and a porosity model of the physical template object (10) are produced. . Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in step -f- the virtual data model (50) of the model object (100) is divided into at least two object sections (51, 52, 53) located within the model object (100). different component load capacities and/or
Bauteilbeweglichkeit unterteilt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt -f- das Unterteilen des virtuellen Datenmodells (50) des Modellobjekts (100) mittels einer Finite-Elemente-Analyse durchgeführt wird, wobei das virtuelle Datenmodell (50) in eine Vielzahl von Objektabschnitten (51,52,53,54,55) , vorzugsweise in eine Vielzahl von rasterförmig angeordneten Objektabschnitten (51,52,53,54,55) mit im Wesentlichen gleichem Bauteilvolumen (59) , unterteilt wird, wobei eine Bauteilberechnung der Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit an Knotenpunkten zwischen benachbarten Objektabschnitten (51,52,53) durchgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt -g- zumindest ein erster fraktaler Kurventyp (71,72) einer ersten Raumfüllenden Kurve (61,62) für zumindest einen ersten virtuellen Objektabschnitt (51) sowie zumindest ein vom ersten fraktalen Kurventyp (71,72) unterschiedlicher, zweiter fraktaler Kurventyp (73,74) einer zweiten Raumfüllenden Kurve (63,64) für zumindest einen vom ersten virtuellen Objektabschnitt (51) unterschiedlichen, zweiten virtuellen Objektabschnitt (52) ausgewählt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt -g- zumindest ein fraktaler Kurventyp (70,71,72,73,74,75) einer Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63,64,65) ausgewählt wird aus der Gruppe umfassend: Hilbert 2D, Hilbert 3D, Hilbert b-Spline, Lebesgue, Lebesgue b- Spline, Koch, H-Tree, Peano 2D, Peano 3D, Peano b-Spline, Gosper, Sierpinski. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schritt -g- und bei Schritt -h- zumindest zwei individuelle Kurvenverläufe (80) zweier unterschiedlicher Raumfüllender Kurven (60,61,62,63,64,65) innerhalb ein und desselben virtuellen Objektabschnitts (51) des virtuellen Datenmodells (50) festgelegt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt -h- zum Anpassen zumindest eines individuellen Kurvenverlaufs (80) sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite (81,82) des ausgewählten zumindest einen ausgewählten fraktalen Kurventyps (70,71,72,73) der Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63) an den jeweiligen virtuellen Objektabschnitt (51,52,53) abschnittsweise ein Füllmaterial (120,121,122) ausgewählt wird, wobei entlang eines ersten Kurvenabschnitts des individuellen Kurvenverlaufs (80) ein erstes Füllmaterial (121) sowie entlang eines zweiten Kurvenabschnitts des individuellen Kurvenverlaufs (80) ein vom ersten Füllmaterial (121) unterschiedliches, zweites Füllmaterial (122) ausgewählt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Vorrichtung zur additiven Fertigung ein Füllmaterial (120) , vorzugsweise ein erstes Füllmaterial (121) und/oder ein zweites Füllmaterial (122) , schichtweise mit lokal variabel einstellbarer Füllmaterialbreite (81,82,83) aufgetragen wird, wobei eine lokale Füllmaterialbreite (81,82,83) des Füllmaterials (120) , vorzugsweise des gewählten ersten Füllmaterials (121) und/oder des gewählten zweiten Füllmaterials (122) , in einem Koordinatenpunkt (101) des Modellobjekts (100) der im optimierten virtuellen Datenmodell (90) für diesen Koordinatenpunkt (101) hinterlegten Kurvenbreite (81,82,83) oder für eine mit diesem Koordinatenpunkt (101) korrespondierende Teilstruktur (91) hinterlegten Kurvenbreite (81,82,83) entspricht. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt -j- beim Unterteilen des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells (90) in jeder einzelnen Teilstruktur (91,92,93) des optimierten virtuellen Datenmodells (90) Ausrichtmarken (109) für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht (111,112,113) des Modellobjekts (100) spezifiziert werden, wobei in Schritt -k- die N (N 2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) während des schichtweisen Auftragens anhand der in den einzelnen Teilstrukturen (91,92,93) hinterlegten Ausrichtmarken (109) relativ zueinander versatzfrei justiert werden . . Steuerung für eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung zur Durchführung der folgenden Verfahrensschritte eingerichtet ist: Component mobility is divided. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in step -f- the division of the virtual data model (50) of the model object (100) is carried out by means of a finite element analysis, the virtual data model (50) being divided into one A plurality of object sections (51,52,53,54,55), preferably divided into a plurality of object sections (51,52,53,54,55) arranged in a grid shape with essentially the same component volume (59), wherein a component calculation of the Component load capacity and/or component mobility is carried out at junction points between adjacent object sections (51,52,53). Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that in step -g- at least a first fractal curve type (71,72) of a first space-filling curve (61,62) for at least a first virtual object section (51) and at least one of first fractal curve type (71,72) different, second fractal curve type (73,74) of a second space-filling curve (63,64) can be selected for at least one second virtual object section (52) that is different from the first virtual object section (51). Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that in step -g- at least one fractal curve type (70,71,72,73,74,75) of a space-filling curve (60,61,62,63,64,65 ) is selected from the group comprising: Hilbert 2D, Hilbert 3D, Hilbert b-Spline, Lebesgue, Lebesgue b-Spline, Koch, H-Tree, Peano 2D, Peano 3D, Peano b-Spline, Gosper, Sierpinski. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that in step -g- and in step -h- at least two individual curve profiles (80) of two different space-filling curves (60,61,62,63,64,65) within one and the same virtual object section (51) of the virtual data model (50). Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in step -h- for adapting at least one individual curve profile (80) and at least one individual curve width (81,82) of the selected at least one selected fractal curve type (70,71,72 ,73) of the space-filling curve (60,61,62,63) on the respective virtual object section (51,52,53) a filling material (120,121,122) is selected in sections, a first filling material being along a first curve section of the individual curve profile (80). (121) and along a second curve section of the individual curve profile (80) a second filling material (122) that is different from the first filling material (121) is selected. Method according to claim 9, characterized in that by means of the device for additive manufacturing a filler material (120), preferably a first filler material (121) and/or a second filler material (122), in layers with a locally variably adjustable filler material width (81,82,83 ) is applied, wherein a local filling material width (81,82,83) of the filling material (120), preferably of the selected first filling material (121) and / or the selected second filling material (122), in a coordinate point (101) of the model object (100 ) corresponds to the curve width (81,82,83) stored in the optimized virtual data model (90) for this coordinate point (101) or to the curve width (81,82,83) stored for a substructure (91) corresponding to this coordinate point (101). Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that in step -j- when dividing the optimized three-dimensional virtual data model (90) in each individual substructure (91,92,93) of the optimized virtual data model (90) alignment marks (109) for the additive manufacturing of the corresponding height layer (111,112,113) of the model object (100) are specified, wherein in step -k- the N (N 2 to n) sequentially stacked height layers (111,112,113) of the model object (100) during the layer-by-layer application based on the in the individual sub-structures (91, 92,93) stored alignment marks (109) can be adjusted relative to each other without any offset. . Control for a manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, characterized in that the control is set up to carry out the following process steps:
A.) Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellenA.) Computer-aided calculation of a virtual
Strukturmodells (30) eines dreidimensionalen Modellobjekts (100) in Abhängigkeit von bereitgestellten Topographiedaten (11) eines Vorlageobjekts (10) ; Structural model (30) of a three-dimensional model object (100) depending on provided topography data (11) of a template object (10);
B.) Rechnerunterstütztes Berechnen eines virtuellenB.) Computer-aided calculation of a virtual
Festigkeitsmodells (40) des dreidimensionalen Modellobjekts (100) in Abhängigkeit von bereitgestellten Materialkennwerten (15) des Vorlageobjekts (10) , wobei Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des Modellobjekts (100) erhalten werden;Strength model (40) of the three-dimensional model object (100) as a function of provided material characteristics (15) of the template object (10), whereby strength data (41,42,43) on the component load capacity and/or component mobility of the model object (100) are obtained;
C.) Rechnerunterstütztes Modellieren des virtuellenC.) Computer-aided modeling of the virtual
Strukturmodells (30) sowie des virtuellen Festigkeitsmodells (40) zu einem dreidimensionalen virtuellen Datenmodell (50) des Modellobjekts (100) ; Structural model (30) and the virtual strength model (40) to a three-dimensional virtual data model (50) of the model object (100);
D.) Rechnerunterstütztes Unterteilen des virtuellenD.) Computer-aided subdivision of the virtual
Datenmodells (50) des Modellobjekts (100) in zumindest zwei virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) mit unterschiedlicher Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit; Data model (50) of the model object (100) into at least two virtual object sections (51,52,53) with different component load capacity and/or component mobility;
E.) Auswählen zumindest eines fraktalen KurventypsE.) Select at least one fractal curve type
(70,71,72,73) einer Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63) mit einem fraktalen Dimensionsgrad (D.70) für jeden der zumindest zwei virtuellen Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) , wobei der zumindest eine fraktale Kurventyp (70,71,72,73) und/oder der fraktale Dimensionsgrad (D.70) für den jeweiligen virtuellen Objektabschnitt (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) anhand von im virtuellen Datenmodell (50) hinterlegten Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit ausgewählt wird bzw. werden; (70,71,72,73) a space-filling curve (60,61,62,63) with a fractal degree of dimension (D.70) for each of the at least two virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) , wherein the at least one fractal curve type (70,71,72,73) and/or the fractal dimension level (D.70) for the respective virtual object section (51,52,53) of the virtual data model (50) based on in the virtual Data model (50) stored strength data (41,42,43) for component load capacity and/or component mobility is or are selected;
F.) Anpassen zumindest eines individuellen KurvenverlaufsF.) Adjusting at least one individual curve profile
(80) sowie zumindest einer individuellen Kurvenbreite (81,82,83) des ausgewählten zumindest einen fraktalen Kurventyps (70,71,72,73) der Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63) innerhalb des jeweiligen virtuellen Objektabschnitts (51,52,53) für jeden der zumindest zwei virtuellen Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) anhand von im virtuellen Datenmodell (50) hinterlegten Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit; (80) and at least one individual curve width (81,82,83) of the selected at least one fractal curve type (70,71,72,73) of the space-filling curve (60,61,62,63) within the respective virtual object section (51, 52,53) for each of the at least two virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) based on strength data (41,42,43) stored in the virtual data model (50) regarding component load capacity and/or component mobility;
G.) Gegebenenfalls Wiederholen von Schritt E.) zum Auswählen zumindest eines fraktalen Kurventyps (70) einer Raumfüllenden Kurve mit einem fraktalen Dimensionsgrad (D.70) für einen oder mehrere virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) und/oder Wiederholen von Schritt F.) zum Anpassen des jeweiligen individuellen Kurvenverlaufs (80) mit individueller Kurvenbreite (81,82,83) der zumindest einen ausgewählten Raumfüllenden Kurve (60,61,62,63) für einen oder mehrere virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) , bis die Kurvenverläufe (80) von Raumfüllenden Kurven (60,61,62,63) für sämtliche virtuelle Objektabschnitte (51,52,53) des virtuellen Datenmodells (50) an im virtuellen Datenmodell (50) hinterlegte Festigkeitsdaten (41,42,43) zur Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit angepasst sind und ein dreidimensionales optimiertes virtuelles Datenmodell (90) erhalten wird, welches optimierte virtuelle Datenmodell (90) Koordinatenpunkte (101,102,103) für die additive Fertigung des Modellobjekts (100) umfasst; G.) If necessary, repeat step E.) to select at least one fractal curve type (70) of a space-filling curve with a fractal degree of dimension (D.70) for one or more virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) and/or repeating step F.) to adapt the respective individual curve profile (80) with individual curve width (81,82,83) of the at least one selected space-filling curve (60,61,62,63) for one or more virtual object sections ( 51,52,53) of the virtual data model (50) until the curve progressions (80) of space-filling curves (60,61,62,63) for all virtual object sections (51,52,53) of the virtual data model (50) are at im strength data (41,42,43) stored in the virtual data model (50) are adapted to the component load capacity and/or component mobility and a three-dimensional optimized virtual data model (90) is obtained, which has optimized virtual data model (90) coordinate points (101,102,103) for the additive manufacturing of the Model object (100);
H.) Rechnerunterstütztes Unterteilen einer Gesamthöhe (H.90) des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells (90) in eine Anzahl N (N 2 bis n) von sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) , wobei jede der N (N 2 bis n) Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) einer einzelnen Teilstruktur (91,92,93) des optimierten virtuellen Datenmodells (90) entspricht und Koordinatenpunkte (101,102,103) für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht (111,112,113) des Modellobjekts (100) umfasst, wobei die Anzahl N eine ganze Zahl ist, welche größer oder gleich der Zahl 2 ist, und wobei die Anzahl N (N
Figure imgf000052_0001
2 bis n) so ausgewählt wird, dass jede einzelne der N (N
Figure imgf000052_0002
2 bis n) Höhenschichten (111,112,113) jeweils eine an die Bauteilbelastbarkeit und/oder Bauteilbeweglichkeit des jeweiligen Objektabschnittes (51,52,53) angepasste, individuelle Teilhöhe (H. Ill, H.112, H.113) hat, wobei die Summe der N (N
Figure imgf000052_0003
2 bis n) Teilhöhen (H. Ill, H.112, H.113) der einzelnen Höhenschichten (111,112,113) der Gesamthöhe (H.90) des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells (90) entspricht;
H.) Computer-aided division of a total height (H.90) of the optimized three-dimensional virtual data model (90) into a number N (N 2 to n) of sequentially stacked height layers (111,112,113) of the model object (100), each of the N (N 2 to n) height layers (111,112,113) of the model object (100) of a single one Partial structure (91,92,93) of the optimized virtual data model (90) corresponds and includes coordinate points (101,102,103) for the additive manufacturing of the corresponding height layer (111,112,113) of the model object (100), where the number N is an integer which is greater than or is equal to the number 2, and where the number N (N
Figure imgf000052_0001
2 to n) is selected so that each of the N (N
Figure imgf000052_0002
2 to n) height layers (111,112,113) each have an individual partial height (H. Ill, H.112, H.113) adapted to the component load capacity and/or component mobility of the respective object section (51,52,53), whereby the sum of N (N
Figure imgf000052_0003
2 to n) partial heights (H. Ill, H.112, H.113) of the individual height layers (111,112,113) correspond to the total height (H.90) of the optimized three-dimensional virtual data model (90);
I.) schichtweises Aufträgen der N (N
Figure imgf000052_0004
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) , um das Modellobjekt (100) zu fertigen. . Steuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung in Schritt I.) dazu eingerichtet ist, die Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, derart zu steuern, dass ein Füllmaterial (120) , vorzugsweise ein erstes Füllmaterial (121) und/oder ein zweites Füllmaterial (122) , schichtweise mit lokal variabel einstellbarer Füllmaterialbreite aufgetragen wird, wobei eine lokale Füllmaterialbreite des Füllmaterials (120) , vorzugsweise des gewählten ersten Füllmaterials (121) und/oder des gewählten zweiten Füllmaterials (122) , in einem Koordinatenpunkt (101) des Modellobjekts (100) der im optimierten virtuellen Datenmodell (90) hinterlegten Kurvenbreite (81,82,83) für diesen Koordinatenpunkt (101) oder der hinterlegten Kurvenbreite (81,82,83) für eine mit diesem Koordinatenpunkt (101) korrespondierende Teilstruktur (91) entspricht. . Steuerung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung in Schritt H.) dazu eingerichtet ist, beim Unterteilen des optimierten dreidimensionalen virtuellen Datenmodells (90) in jeder einzelnen Teilstruktur (91,92,93) des optimierten virtuellen Datenmodells (90) Ausrichtmarken (109) für die additive Fertigung der entsprechenden Höhenschicht (111,112,113) des Modellobjekts (100) zu spezifizieren, wobei in Schritt I.) die N (N
Figure imgf000053_0001
2 bis n) sequentiell übereinander gestapelten Höhenschichten (111,112,113) des Modellobjekts (100) während des schichtweisen Auftragens anhand der in den einzelnen Teilstrukturen (91,92,93) hinterlegten Ausrichtmarken (109) relativ zueinander versatzfrei justiert werden. Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung, insbesondere zum 3D-Drucken, umfassend eine Steuerung nach einem der Ansprüche 12 bis 14. Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.
I.) layer-by-layer application of the N (N
Figure imgf000052_0004
2 to n) sequentially stacked height layers (111,112,113) of the model object (100) in order to produce the model object (100). . Control according to claim 12, characterized in that the control in step I.) is set up to control the manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, such that a filling material (120), preferably a first filling material (121) and/or a second filler material (122), is applied in layers with a locally variably adjustable filler material width, wherein a local filler material width of the filler material (120), preferably of the selected first filler material (121) and/or the selected second filler material (122), in one Coordinate point (101) of the model object (100) of the curve width (81,82,83) stored in the optimized virtual data model (90) for this coordinate point (101) or the stored curve width (81,82,83) for one with this coordinate point (101 ) corresponding substructure (91). . Control according to claim 12 or 13, characterized in that the control in step H.) is set up to divide the optimized three-dimensional virtual Data model (90) in each individual substructure (91,92,93) of the optimized virtual data model (90) to specify alignment marks (109) for the additive manufacturing of the corresponding height layer (111,112,113) of the model object (100), in step I.) the N (N
Figure imgf000053_0001
2 to n) sequentially stacked height layers (111,112,113) of the model object (100) can be adjusted relative to one another without any offset during the layer-by-layer application using the alignment marks (109) stored in the individual substructures (91,92,93). Manufacturing device for additive manufacturing, in particular for 3D printing, comprising a control according to one of claims 12 to 14. Manufacturing device according to claim 15, characterized in that the manufacturing device is set up to carry out a method according to one of claims 1 to 11.
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