NL1013460C2

NL1013460C2 - Werkwijze voor het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen.

Info

Publication number: NL1013460C2
Application number: NL1013460A
Authority: NL
Inventors: Jeroen Van Den Hout; Germsn Enrique Knoppers
Original assignee: Tno
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-03
Also published as: DE60021596D1; ATE300772T1; WO2001033510A3; EP1226552B1; CA2389847A1; WO2001033510A2; EP1226552A2; DE60021596T2; JP2003514289A; AU1739101A; US6882895B1

Description

Titel: Werkwijze voor het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen waarvan de geometrische vorm wordt beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren, 5 in het bijzonder in STL (structural triangulation language).

Dergelijke producten kunnen worden vervaardigd door het laagsgewijs opbouwen van het product door het toepassen van allerlei laagsgewijs materiaal toevoegende technieken, 10 bekend onder de aanduiding LMT (layers manufacturing technology) of SFF (solid freedom fabrication), zoals bijvoorbeeld stereolithographie en selectieve laser sintering. Ook is het mogelijk dergelijke produkten te vervaardigen in een matrijsvormproces, waarbij onder de 15 term matrijs hier tevens allerlei typen stempels en verdere gereedschappen worden verstaan, die nodig zijn voor het vervaardigen van specifieke productvormen. Bij het ontwerp en vervaardigen van dergelijke producten wordt veel gebruik gemaakt van CAD/CAM-systemen. Opgemerkt zij dat onder een 20 laagsgewijs opgebouwd produkt ook een matrijs kan worden gerekend welke op zijn beurt gebruikt kan worden voor het vervaardigen van een verder produkt met lokaal specifieke eigenschappen.

Om bij deze bekende technieken het te vervaardigen 25 produkt een grotere flexibiliteit in uiterlijk, materiaalsamenstelling en/of fysische of andersoortige eigenschappen te geven, omvat de werkwijze, zoals deze in de aanhef is omschreven, overeenkomstig de uitvinding de navolgende stappen: het uit de genoemde basisfiguren 30 selecteren van een uit samenhangende basisfiguren samengesteld vlakdeel, het toevoegen aan dat vlakdeel van ten minste één specifieke eigenschap, die tijdens de vervaardiging van het product aan dat deel daarvan moet 101 3460 2 worden gegeven dat het genoemde vlakdeel omvat, het eventueel herhalen van de genoemde processtappen voor andere te selecteren vlakdelen, en het op basis van de dan verkregen modelinformatie met behulp van een laagsgewijs 5 materiaal toevoegende techniek of in een matrijsvormproces vervaardigen van het product, waarbij tijdens het laagsgewijs opbouwen van ten minste dat deel van het product dat het genoemde vlakdeel omvat, respectievelijk tijdens het spuitgieten de bijbehorende specifieke 10 eigenschap wordt gegeven.

De genoemde specifieke eigenschappen kunnen betrekking hebben op de kleur die aan bepaalde vlakdelen moet worden gegeven, de materiaalsamenstelling van bepaalde delen van het produkt en/of de fysische of andersoortige 15 eigenschappen van bepaalde delen van het produkt, zoals de elasticiteit, de hardheid, en dergelijke, of, wanneer de werkwijze wordt toegepast in een matrijsvormproces, het aanduiden van dat deel van het product dat in een bepaalde matrijshelft dient te worden vervaardigd. Wanneer het 20 produkt een matrijs is, kan bijvoorbeeld een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek worden toegepast om delen van een matrijshelft van verschillende materialen te vervaardigen. Op deze wijze kunnen verschillende delen van de matrijs verschillende eigenschappen worden gegeven, 25 zoals bijvoorbeeld een verschillend warmtegeleidings- vermogen, of kan de matrijs lokaal worden voorzien van een slijtvaste laag in één bewerkingsgang.

Ook kunnen aan vlakdelen meerdere eigenschappen worden toegekend, bijvoorbeeld zowel een bepaalde 30 materiaalsamenstelling als een kleur. Het toevoegen van specifieke eigenschappen aan een vlakdeel houdt in zowel het rechtstreeks toekennen van specifieke eigenschappen aan de basisfiguren van het vlakdeel, als het indirect toekennen van specifieke eigenschappen aan het vlakdeel, 35 door een toekennen van deze eigenschappen aan het vlakdeel, 10 1 34 6 0 3 waarna ze vervolgens aan de basisfiguren waaruit dit vlakdeel is samengesteld worden toegevoegd.

Omdat de wanddikte van de vlakdelen die tezamen het model opspannen nul is, zal, nadat aan een of meer 5 geselecteerde vlakdelen een of meer specifieke eigenschappen zijn gegeven, de dan op een schilmodel (met wanddikte nul) betrekking hebbende modelinformatie wordt geconverteerd in op een volumetrisch model betrekking hebbende modelinformatie, waarna op grond van 10 laatstgenoemde informatie het product wordt vervaardigd met behulp van een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek. Deze maatregel is uiteraard niet van toepassing in een matrijsvormproces. Immers, een CAD-model, waarbij aan de basisfiguren specifieke eigenschappen zijn toegevoegd, 15 blijft een CAD-model dat rechtstreeks kan worden toegevoerd aan een CAM-systeem.

Het selecteren van vlakdelen kan geschieden door het afbeelden van de geometrische vorm van het product op het scherm van een bij een computer behorende monitor, het op 20 de monitor aanwijzen van een meerhoekig basisfiguur, waarna al die basisfiguren met de aangewezen basisfiguur tot een vlakdeel worden samengevoegd waarvan de normaalvectoren onderling of ten opzichte van de normaalvector van de aangewezen basisfiguur een te voren ingesteld hoekverschil 25 niet overschrijden.

Het toevoegen aan de vlakdelen van specifieke eigenschappen kan geschieden door uit de in het geheugen van een computer in code opgeslagen specifieke eigenschappen een code te selecteren en deze toe te voegen aan 30 bestandgegevens behorende bij de geselecteerde vlakdelen. Deze code kan voor elk van de basisfiguren in het geheugen van de computer worden opgeslagen.

Wanneer de basisfiguren bestaan uit driehoeken in STL, kan de code voor elk van de driehoeken worden 35 opgeslagen in de in het STL-bestand van elke driehoek beschikbare geheugenruimte. Momenteel bedraagt de standaard 101 3460 4 beschikbare geheugenruimte twee bytes, zodat bijvoorbeeld in de in het STL-bestand van elke driehoek beschikbare geheugenruimte 215 kleurcodes kunnen worden opgeslagen.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een 5 computerprogramma toegepast voor het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen waarvan de geometrische vorm wordt beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren, in het bijzonder in STL (structural triangulation language), welke programma de 10 navolgende stappen omvat: het uit de genoemde basisfiguren selecteren van een uit samenhangende basisfiguren samengesteld vlakdeel en het toevoegen aan dat vlakdeel van ten minste één specifieke eigenschap, die tijdens de vervaardiging van het product aan dat deel daarvan moet 15 worden gegeven dat het genoemde vlakdeel omvat, het eventueel herhalen van de genoemde processtappen voor andere te selecteren vlakdelen. Dit programma kan gebruikt worden bij de vervaardiging van producten zowel met behulp van een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek, als in 20 een matrijsvormproces. Speciaal bij toepassing van eerstgenoemde technieken is het programma zodanig uitgevoerd dat hierin, nadat aan een of meer geselecteerde vlakdelen een of meer specifieke eigenschappen zijn gegeven, de dan op een schilmodel betrekking hebbende 25 modelinformatie wordt geconverteerd in op een volumetrisch model betrekking hebbende modelinformatie, waarna op grond van laatstgenoemde informatie het produkt met behulp van een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek kan worden vervaardigd.

30 Tenslotte heeft de uitvinding nog betrekking op een computersysteem gebruikt bij het vervaardigen van een produkt met lokaal specifieke eigenschappen waarvan de geometrische vorm wordt beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren, in het bijzonder in STL 35 (structural triangulation language), welk computersysteem 101 3460 5 daarbij gebruik maakt van een van de hiervoor genoemde programma's.

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de 5 hand van de bijgaande tekening. In deze tekening toont:

Fig. 1 een blokvormig model in STL met daarop in reliëf een letter T die in een andere kleur moet worden uitgevoerd dan het blok zelf;

Fig. 2 een deel van de letter T in fig. 1, waarbij 10 echter de overgang van het bovenvlak van de letter naar de achtergrond niet scherp verloopt? en

Fig. 3 een doorsnede van het in fig. 2 weergegeven deel van de letter T.

15 Alhoewel een geometrische vorm kan worden beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren in het algemeen, zal in het hiernavolgende worden uitgegaan van driehoekige basisfiguren, dat wil zeggen basisfiguren in standaard STL (structural triangulation language), zoals 20 deze bijvoorbeeld bij toepassing van een "rapid prototyping techniek" door een CAD-systeem worden afgegeven. Het STL-bestand omvat een verzameling driehoeken waarvan elk beschreven is door drie coördinaten en een normaalvector. Daarnaast zijn momenteel standaard per driehoek twee bytes 25 beschikbaar voor additionele informatie. Deze informatie zal in het aan de hand van fig. 1 beschreven voorbeeld bestaan uit een kleurcode. Fig. 1 toont een blokvormig model in STL met daarop in reliëf een letter T die in een andere kleur moet worden uitgevoerd dan het blok zelf. Om 30 aan elke driehoek een kleurcode te kunnen geven, wordt het object, in dit voorbeeld het blokvormige model van fig. 1, driedimensionaal afgebeeld op het scherm van een bij een computer behorende monitor. Vervolgens wordt een driehoek, bijvoorbeeld driehoek 1, met de cursor op het scherm 35 aangewezen. Vervolgens worden dan automatisch alle steeds aangrenzende driehoeken geselecteerd die voldoen aan een te 101 3460 6 voren ingesteld criterium, te weten dat de hoek tussen de normaalvectoren, ook tolerantiehoek genoemd, van de steeds aangrenzende driehoeken kleiner moet zijn dan een te voren bepaalde waarde. Wanneer in het hier beschreven voorbeeld 5 deze tolerantiehoek 60° bedraagt, dan zullen, na aanwijzing van driehoek 1, direct de driehoeken 2, 3 en 4 worden geselecteerd. Door daarna uit een in het geheugen opgeslagen kleur-code lijst een gewenste kleur te kiezen, wordt aan de STL-bestanden van de driehoeken 1-4 de 10 desbetreffende code toegevoegd. Vervolgens dient in dit voorbeeld achtergronddriehoek 5 te worden aangewezen, waarna door het hanteren van hetzelfde criterium direct de driehoeken 6-16 zullen worden geselecteerd. Ook aan de STL-bestanden van deze groep kan een kleurcode worden 15 toegevoegd. Hierna kan dit proces worden herhaald totdat ook aan de STL-bestanden van de driehoeken in alle verticale vlakken van het in fig. 1 afgebeelde model een kleurcode is toegevoegd. Op deze wijze worden groepen driehoeken, dat wil zeggen vlakdelen verkregen, waarvan 20 voor de desbetreffende driehoeken een kleurcode in de STL-bestanden is opgenomen. Zo kan het blok in fig. 1 bijvoorbeeld de kleur wit worden gegeven en de hierop in reliëf aangebrachte letter T de kleur rood. Wanneer in dit voorbeeld voor de verticale vlakken van de letter T en van 25 het blok als criterium een tolerantiehoek van bijvoorbeeld 100° zou worden gekozen, dan kunnen, nadat een driehoek in een desbetreffend verticaal vlak is aangewezen, alle driehoeken in alle verticale vlakken' van de letter T of van het blok in een keer worden geselecteerd. Dit is echter 30 slechts mogelijk wanneer de reeds van een kleurcode voorziene vlakdelen worden uitgesloten.

Problemen kunnen zich voordoen, wanneer de overgang tussen twee vlakdelen niet scherp genoeg verloopt. Deze situatie is weergegeven in de fig. 2 en 3. Fig. 2 toont een 35 deel van de letter T in fig. 1, waarbij echter de overgang van het bovenvlak van de letter naar de achtergrond niet 101 346 0 7 scherp verloopt, terwijl in fig. 3 een doorsnede van het in fig. 2 weergegeven deel van de letter T is weergegeven. In fig. 2 is slechts in een van de overgangsvlakken van het naar boven uitstekende reliëfvlak naar het achtergrondvlak 5 de driehoekstructuur weergegeven. Wanneer steeds de tolerantiehoek tussen twee aangrenzende driehoeken in aanmerking wordt genomen, zullen, na bijvoorbeeld aanwijzen van de bovenste driehoek 17 achtereenvolgens alle driehoeken in het desbetreffende overgangsvlak worden 10 geselecteerd. Het is echter ook mogelijk de normaalvectoren van de desbetreffende driehoeken steeds te vergelijken met die van de driehoek 17, zodat, wanneer als criterium een hoek tussen de normaalvectoren van bijvoorbeeld 30° wordt genomen, slechts de bovenste groep driehoeken wordt 15 geselecteerd. In het eerste geval kan worden gesproken over een relatieve tolerantiehoek, in het tweede geval over een absolute tolerantiehoek.

Ook is het mogelijk de doorsnede op het scherm af te beelden (fig. 3) en door het aanbrengen van een venster de 20 delen 18 van de desbetreffende overgangsvlakken, waaraan een bepaalde kleurcode moet worden toegevoegd, aan te wij zen.

Door het toevoegen van een kleurcode in de STL-bestanden van het model, wordt dit beschreven in CTL 25 (colored triangulation language). Een CAD-model in CTL kan worden toegevoerd aan een CAM-systeem voor het ontwerpen van een matrijs, waarna de producten met behulp van een overeenkomstig gerealiseerde matrijs door spuitgieten kunnen worden vervaardigd, waarbij rekening moet worden 30 gehouden met de kleur waarin bepaalde delen van een product moeten worden gespoten. In het in fig. 1 weergegeven voorbeeld kan bijvoorbeeld het blok in de ene matrijshelft zijn gevormd en de letter T in de andere matrijshelft. Door vanaf de ene matrijshelft een witte kunststof van 35 bijvoorbeeld ABS (acrylonitril-butadieen-styreen copolymeer) in de matrijs te brengen en, wanneer deze 1013460 8 voldoende is uitgehard, vanaf de andere matrijshelft een rode kunststof van bijvoorbeeld PC (polycarbonaat), kan een in twee kleuren gespoten product worden verkregen.

De matrijs moet daarbij wel op geëigende wijze zijn 5 uitgevoerd.

Om een product te kunnen vervaardigen in een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek, is een in CTL weergegeven model onvoldoende. Immers, de wanddikte van de vlakdelen die tezamen het model opspannen is nul; een 10 dergelijk model wordt verder aangeduid als schilmodel. Dit schilmodel moet worden geconverteerd in een volumetrisch model.

Nadat de vlakdelen zijn geselecteerd die een bepaalde kleur moeten krijgen, dient een conversie plaats te vinden 15 van het door de gezamenlijke vlakdelen opgebouwde schilmodel in een volumetrisch model. In fig. 4A-4C zijn achtereenvolgens weergegeven een schilmodel van een kubusvormige object, een solid element model daarvan en een solid element schil model van dit object. Stel dat de door 20 de vier opstaande zijden gevormde vlakdelen de kleurcodes blauw (Bi), rood (Ro), groen (Gr) en geel (Ge) hebben gekregen, dan dient het in CTL beschreven model 4A te worden omgezet in een volumetrisch model, dat wil hier zeggen in hetzij het solid element model 4B, hetzij het 25 solid element schil model 4C. Van deze modellen 4B en 4C is immers een zogenaamde "slice" te maken, dat wil zeggen een laagje met een opgegeven dikte. Het product kan dan op een bij laagsgewijs materiaal toevoegende technieken bekende wijze worden opgebouwd door het op elkaar aanbrengen van 30 laagjes 19 (fig. 4C), waarbij de onderscheiden delen van elk laagje in de aangegeven kleur worden aangebracht.

De werkwijze waarbij een model in STL wordt omgezet in CTL en eventueel vervolgens in een volumetrisch model, wordt gerealiseerd met behulp van een daartoe geëigend 35 programma. Daarbij moet het algoritme zodanig zijn, dat de te extruderen vlakken elkaar niet snijden. In fig. 5A zijn 101 34 60 9 twee driehoeken weergegeven in CTL. Wanneer hiervan zonder meer een solid element schil model wordt gemaakt, dan zal een product worden verkregen als weergegeven in fig. 5B. Correcties in het algoritme dienen er voor te zorgen dat 5 een model als weergegeven in fig. 5C wordt verkregen. Uiteraard kunnen, indien gewenst, ook andere correcties worden aangebracht.

De uitvinding is niet beperkt tot de hier aan de hand van de figuren beschreven uitvoeringsvoorbeelden, doch 10 omvat allerlei modificaties hierop, uiteraard voor zover deze vallen binnen de beschermingsomvang van de hiernavolgende conclusies.

Zo is mogelijk dat de aan het model in STL toe te voegen codes betrekking hebben op niet alleen de kleur van 15 geselecteerde vlakdelen, maar ook of andere specifieke eigenschappen of op combinaties van specifieke eigenschappen, zoals reeds eerder is vermeld. Zo kunnen bijvoorbeeld de opstaande rode en gele zijvlakken van het in fig. 4C weergegeven solid element schil model van een 20 hardere kunststof worden vervaardigd dan de blauwe en groene opstaande zijvlakken.

De hier beschreven werkwijze wordt gerealiseerd met behulp van computer programma's die speciaal gericht zijn op het uit de basisfiguren selecteren van een uit 25 samenhangende basisfiguren samengesteld vlakdeel en het toevoegen aan dat vlakdeel van ten minste één specifieke eigenschap, die tijdens de vervaardiging van het product aan dat deel daarvan moet worden gegeven dat het genoemde vlakdeel omvat, en het eventueel herhalen van deze 30 processtappen voor andere te selecteren vlakdelen, respectievelijk op het converteren van de dan op een schilmodel betrekking hebbende modelinformatie in op een volumetrisch model betrekking hebbende modelinformatie.

101 34 60

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen waarvan de geometrische vorm wordt beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren, in het bijzonder in STL (structural 5 triangulation language), welke werkwijze de navolgende stappen omvat: het uit de genoemde basisfiguren selecteren van een uit samenhangende basisfiguren samengesteld vlakdeel, het toevoegen aan dat vlakdeel van ten minste één specifieke eigenschap, die tijdens de vervaardiging van het 10 product aan dat deel daarvan moet worden gegeven dat het genoemde vlakdeel omvat, het eventueel herhalen van de genoemde processtappen voor andere te selecteren vlakdelen, en het op basis van de dan verkregen modelinformatie met behulp van een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek 15 of in een matrijsvormproces vervaardigen van het product, waarbij tijdens het laagsgewijs opbouwen van ten minste dat deel van het product dat het genoemde vlakdeel omvat, respectievelijk tijdens het spuitgieten de bijbehorende specifieke eigenschap wordt gegeven.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat, nadat aan een of meer geselecteerde vlakdelen een of meer specifieke eigenschappen zijn gegeven, de dan op een schilmodel betrekking hebbende modelinformatie wordt geconverteerd in op een volumetrisch model betrekking 25 hebbende modelinformatie, waarna op grond van laatstgenoemde informatie het product wordt vervaardigd met behulp van een laagsgewijs materiaal toevoegende techniek.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het selecteren van vlakdelen geschiedt door het 30 afbeelden van de geometrische vorm van het product op het scherm van een bij een computer behorende monitor, het op de monitor aanwijzen van een meerhoekig basisfiguur, waarna al die basisfiguren met de aangewezen basisfiguur tot een 1013460 vlakdeel worden samengevoegd waarvan de normaalvectoren onderling of ten opzichte van de normaalvector van de aangewezen basisfiguur een te voren ingesteld hoekverschil niet overschrijden.

4. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het toevoegen aan de vlakdelen van specifieke eigenschappen geschiedt door uit de in het geheugen van een computer in code opgeslagen specifieke eigenschappen een code te selecteren en deze toe te voegen 10 aan bestandgegevens behorende bij de geselecteerde vlakdelen.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de specifieke eigenschappen een of meer van de navolgende eigenschappen kunnen zijn: de kleur van een vlakdeel, de 15 fysische eigenschappen van een vlakdeel, zoals de materiaalsamenstelling, en de aanduiding van dat deel van een product dat in een bepaalde matrijshelft dient te worden vervaardigd.

6. Werkwijze volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, 20 dat de genoemde code voor elk van de basisfiguren in het geheugen van de computer wordt opgeslagen.

7. Werkwijze volgens een van de conclusies 4-6, waarbij de basisfiguren bestaan uit driehoeken in STL, met het kenmerk, dat de code voor elk van de driehoeken wordt 25 opgeslagen in de in het STL-bestand van elke driehoek beschikbare geheugenruimte.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat in de in het STL-bestand van elke driehoek beschikbare geheugenruimte 21S kleurcodes kunnen worden opgeslagen.

9. Computerprogramma voor het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen waarvan de geometrische vorm wordt beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren, in het bijzonder in STL (structural triangulation language), welke programma de 35 navolgende stappen omvat: het uit de genoemde basisfiguren selecteren van een uit samenhangende basisfiguren 1013460 samengesteld vlakdeel en het toevoegen aan dat vlakdeel van ten minste één specifieke eigenschap, die tijdens de vervaardiging van het product aan dat deel daarvan moet worden gegeven dat het genoemde vlakdeel omvat, het 5 eventueel herhalen van de genoemde processtappen voor andere te selecteren vlakdelen.

10. Computerprogramma volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat hierin, nadat aan een of meer geselecteerde vlakdelen een of meer specifieke eigenschappen zijn 10 gegeven, de dan op een schilmodel betrekking hebbende modelinformatie wordt geconverteerd in op een volumetrisch model betrekking hebbende modelinformatie, waarna op grond van laatstgenoemde informatie het product kan worden vervaardigd met behulp van een laagsgewijs materiaal 15 toevoegende techniek.

11. Computersysteem gebruikt bij het vervaardigen van een product met lokaal specifieke eigenschappen waarvan de geometrische vorm wordt beschreven door een verzameling meerhoekige basisfiguren, in het bijzonder in STL 20 (structural triangulation language), welk computersysteem daarbij gebruik maakt van een programma volgens conclusie 9 of 10 . 101 3460