DE4402847A1 - Rapid prototyping of three=dimensional objects - Google Patents

Rapid prototyping of three=dimensional objects

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Abstract

A rapid prototyping system uses a CAD system to represent the product as a number of laminates that can be produced and assembled. The laminate shapes in different thicknesses (if necessary) can be produced by high pressure water jet cutting. The laminates can be assembled by an industrial robot. A multi-axis laser can also be used for cutting out the laminates.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen freiformenden Herstellung von dreidi­ mensionalen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a method for the rapid free-form production of dreidi dimensional components according to the preamble of the main claim.

Derartige Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung von Werkstück-Prototypen bei einer besonders kurzen Produktentwicklungszeit und Fertigungsdauer. Die Prozeßzeiten bei diesen Verfahren liegen bei einigen Stunden und sind damit um ein vielfa­ ches kürzer als bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Prototypen, z. B. durch Fräsen, Drehen, Erodieren usw . . Die Bauteile werden dabei schichtweise hergestellt, wobei zunächst in einstellbaren Abständen parallele Schnitte senkrecht zur Herstellungsrichtung berechnet und hergestellt werden. Eines dieser bekannten Verfahren, das Laminated Object Manufacturing (LOM)-Verfahren beruht auf dem sukzessiven Verkleben und Konturschneiden von Folien oder dünnen Papierschichten. Die Schichten werden mit einem Heißkleber übereinander laminiert und die Kontur der zuvor im Computer schichtweise zerlegten Konstruktion von einem Laserstrahl ausgeschnitten. Die Intensität der Laserenergie ist dabei so eingestellt, daß immer nur die oberste Papierschicht geschnitten wird. Da das nicht zum Bauteil gehörende Material entfernt werden muß, wird bei jeder Schicht ein Rechteckmuster in das restliche Material geschnitten. Um das Restmaterial aus dem Inneren des Bauteiles zu entfernen, muß dieses nachträglich aufgeschnitten und danach wieder verklebt werden. Die üblichen minimalen Dicken einzelner Schichten liegen bei 0,1 mm. Die Konturen der einzelnen Schichten werden senkrecht geschnitten. Hierdurch wird bei schrägen Flächen eine Stufung der Kontur eingearbeitet, was eine Abweichung von der Soll-Kontur bewirkt. Die Schichtdicke ist also ein Maß für die Qualität und Oberflächengüte der so hergestellten Prototypen bzw. Bauteile. Dünnere Schichten ermöglichen eine höhere Annäherung an die Soll-Geometrie/Kontur des Bauteiles, wirken sich jedoch negativ auf die Fertigungszeiten aus. Darüber hinaus führt die erforderliche große Anzahl von Schichten zu einer hohen Anzahl der Schnitte. Dadurch steigt auch der Rechenaufwand, da vom 3D-Datenmodell im CAD-System eine höhere Anzahl von Schnitten erzeugt werden muß. Des weiteren wird dadurch, daß die einzelnen Schichten sehr dünn und damit leicht verformbar sind, deren automatisierte Handhabung erschwert. Beim Zusammenfügen der einzelnen Schichten zu einem Prototyp/Bauteil werden diese immer in eine Wachstumsrichtung miteinander verklebt, wodurch das herzustellende Bauteil anisotrope physikalische Eigenschaften erhält. So ist z. B. die Belastbarkeit senkrecht zur Wachstumsebene von der Güte der Klebtechnik abhängig und meist niedriger als gegenüber parallelen Kräften.Such methods are particularly suitable for the production of workpiece prototypes with a particularly short product development time and production time. The Process times in these processes are a few hours and are therefore a lot ches shorter than conventional methods for the production of prototypes, e.g. B. by Milling, turning, eroding, etc. . The components are produced in layers, whereby First, parallel cuts perpendicular to the production direction at adjustable intervals calculated and manufactured. One of these known processes, the laminated Object Manufacturing (LOM) process is based on successive gluing and Contour cutting of foils or thin layers of paper. The layers are covered with a Hot glue laminated on top of each other and the contour of the layer previously in the computer disassembled construction cut out by a laser beam. The intensity of the Laser energy is set so that only the top paper layer is cut becomes. Since the material not belonging to the component has to be removed, every Layer a rectangular pattern cut into the rest of the material. To the rest of the material to remove the interior of the component, it must be cut open subsequently then be glued again. The usual minimum thicknesses of individual layers are at 0.1 mm. The contours of the individual layers are cut vertically. Hereby a gradation of the contour is worked into sloping surfaces, which is a deviation caused by the target contour. The layer thickness is therefore a measure of the quality and Surface quality of the prototypes or components produced in this way. Thinner layers enable a closer approximation to the target geometry / contour of the component however, negatively impact manufacturing times. It also performs the required large number of layers to a high number of cuts. This also increases Computational effort, since the 3D data model in the CAD system has a higher number of Cuts must be created. Furthermore, the individual layers  are very thin and therefore easily deformable, making their automated handling difficult. When the individual layers are combined to form a prototype / component, they become always glued together in a direction of growth, whereby the component to be manufactured maintains anisotropic physical properties. So z. B. the resilience perpendicular to Growth level depends on the quality of the adhesive technology and usually lower than against parallel forces.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das bei Vermeidung der obengenannten Nachteile eine schnellere und genauere Herstellung von Bauteilen erlaubt.The object of the present invention is to provide a method which, when avoided the above-mentioned disadvantages a faster and more accurate manufacture of components allowed.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß zunächst in einem CAD-System die Geo­ metrie des herzustellenden Bauteiles in Teilkörper zerlegt wird, wobei dieser jeweils zwei planparallele Flächen besitzen. Die einzelnen Teilkörper werden im nächsten Schritt des Verfahrens so bearbeitet, daß ihre Form möglichst der durch das CAD-System berechneten Soll-Geometrie entspricht, d. h. mit schrägen oder gekrümmten Wandungen zwischen den planparallelen Flächen und nicht nur senkrechten Wandungen wie bei den bekannten Verfahren. Nach der Fertigung von allen Teilkörpern werden diese zusammengefügt. Wesentlich für das Verfahren ist, daß die Dicke der einzelnen Teilkörper, die durch den Abstand der beiden parallelen Begrenzungsflächen definiert ist, unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen des Werkzeuges und der Geometrie des Gesamtbauteiles so gewählt wird, daß eine minimale Anzahl von Teilkörpern gefertigt wird. Dies hat nicht nur die Beschleunigung des gesamten Herstellungsverfahrens eines Prototypes zur Folge, sondern auch eine Kostensenkung für das gesamte Verfahren. Durch geeignete Bearbeitungsverfahren können auch bei größeren Dicken der Teilkörper genaue Geometrien herausgearbeitet werden. Ein Softwaremodul berechnet aus den Geometrieinformationen des Bauteiles die Steuerparameter für das Bearbeitungswerkzeug so, daß die Konturen an der Ober- und Unterseite der Teilkörper im Rahmen der Ferti­ gungsmöglichkeiten genau nachgearbeitet werden.The method according to the invention provides that the geo Metry of the component to be manufactured is broken down into partial bodies, each of which is two have plane-parallel surfaces. In the next step of the Processed so that their shape as possible as calculated by the CAD system Corresponds to target geometry, d. H. with sloping or curved walls between the plane-parallel surfaces and not just vertical walls as in the known ones Method. After the production of all partial bodies, these are put together. It is essential for the method that the thickness of the individual sub-bodies by the Distance between the two parallel boundary surfaces is defined, taking into account the Manufacturing tolerances of the tool and the geometry of the overall component selected in this way is that a minimum number of partial bodies is manufactured. Not only does this have Accelerate the entire manufacturing process of a prototype, but instead also a cost reduction for the entire process. By suitable Machining processes can be accurate even with larger thicknesses of the part bodies Geometries are worked out. A software module calculates from the Geometry information of the component, the control parameters for the machining tool so that the contours on the top and bottom of the part body within the framework of the Ferti options are carefully reworked.

Die Dicke der einzelnen Teilkörper kann unterschiedlich oder gleich sein, d. h. das Bauteil kann aus Schichten gleicher Dicke oder Schichten unterschiedlicher Dicke zusammenge­ fügt werden. Dabei können die Dickenwerte der Teilkörper vorgegeben werden, d. h. das CAD-System ordnet die Dickenabmessungen dem verfügbaren Material der Teilkörper zu unter Berücksichtigung der fertigungstechnischen Toleranzen und der Möglichkeiten der Herstellung einer genauen Bauteilgeometrie. Vorzugsweise können die Dicken der Teilkörper 1, 2, 5 oder 10 mm betragen. The thickness of the individual sub-bodies can be different or the same, i. H. the component can be composed of layers of the same thickness or layers of different thickness be added. The thickness values of the partial bodies can be specified, i. H. the CAD system assigns the thickness dimensions to the available material of the part body taking into account the manufacturing tolerances and the possibilities of Manufacture of an exact component geometry. Preferably, the thicknesses of the Partial body 1, 2, 5 or 10 mm.  

Die bearbeiteten und fertigen Teilkörper können entweder schichtweise, in parallelen Schichten aufeinander oder unter verschiedenen Winkeln zueinander zusammengefügt werden. Das Zusammenfügen der Teilkörper kann durch Verkleben oder andere Verfahren erfolgen.The machined and finished partial bodies can either be layered, in parallel Layers joined together or at different angles to each other become. The sub-bodies can be joined together by gluing or other methods respectively.

Es ist für die Herstellungsgenauigkeit günstig, wenn die Bearbeitung der Teilkörper mittels Energie- oder Materialstrahlen erfolgt. Dazu eignet sich insbesondere ein 5-achsiges Hochdruck-Wasserstrahlschneiden. Durch die Verwendung des 5-achsigen Wasserstrahlverfahrens können nicht nur senkrechte, sondern auch schräge und gekrümmte Flächen bzw. Wandungen erzeugt werden. Auf diese Weise können die Teilkörper aus planparallelen Platten so herausgeschnitten werden, daß ihre Geometrie der Soll-Geometrie des Endbauteiles entspricht. Die durch das CAD-System berechneten Steuerparameter des Werkzeuges bzw. der Werkzeugmaschine sind so, daß die Geometrie an den beiden, den Teilkörper begrenzenden planparallelen Flächen im Rahmen der Fertigungstoleranzen der eingesetzten Maschine exakt sind, d. h. die Strahlführung ist so berechnet, daß die hergestellten Wandkonturen möglichst wenig von der Soll-Geometrie des Bauteiles abweichen. Da die aneinander liegenden Teilkörper bei dieser Vorgehensweise an unter- und darüberliegender Oberseite die gleiche Kontur haben, ist im Gegensatz zu den bekannten Verfahren keine treppenförmige Stufung gegeben. Die Schichtdicken können somit bei gleicher oder besserer Genauigkeit des Gesamtbauteiles deutlich höher gewählt werden. Das Zusammenfügen der Teilkörper erfolgt vorteilhafterweise durch eine automatische Handhabung der Teilkörper mit Hilfe einer Handhabungseinrichtung, z. B. eines Industrieroboters. Die Teilkörper können aber auch manuell zusammengesetzt werden.It is favorable for the manufacturing accuracy if the machining of the partial body by means of Energy or material jets take place. A 5-axis is particularly suitable for this High pressure water jet cutting. By using the 5-axis Water jet processes can not only be vertical, but also oblique and curved surfaces or walls are generated. That way they can Partial bodies are cut out from plane-parallel plates so that their geometry Target geometry of the final component corresponds. The ones calculated by the CAD system Control parameters of the tool or machine tool are such that the geometry on the two plane-parallel surfaces delimiting the partial body within the scope of the Manufacturing tolerances of the machine used are exact, d. H. the beam guidance is like this calculated that the wall contours produced as little as possible from the target geometry of the component. Since the part bodies lying against each other in this The procedure on the top and bottom is the same in the Contrary to the known methods, no step-like gradation is given. The Layer thicknesses can thus with the same or better accuracy of the overall component can be chosen significantly higher. The partial bodies are joined together advantageously by automatic handling of the partial bodies with the aid of a Handling device, e.g. B. an industrial robot. The partial bodies can also be assembled manually.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem CAD-System, welches die Steuerung eines Werkzeuges derart übernimmt, daß einzelne Teilkörper mit solchen Abmessungen und einer solchen Geometrie hergestellt werden, daß sie in einem nächsten Schritt des Verfahrens durch eine Handhabungseinrichtung vollautomatisch zu dem geforderten Bauteil zusammengefügt werden.A plant for carrying out the method according to the invention consists of a CAD system that controls a tool in such a way that individual Partial bodies with such dimensions and such a geometry are produced that in a next step of the method by a handling device can be assembled fully automatically to the required component.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anlage zur schnellen freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen; Figure 1 is a schematic representation of the system for fast free-form production of three-dimensional components.

Fig. 2 ein dreidimensionaler Teilkörper, hergestellt im Verfahren des 5-achsigen Hochdruck-Wasserstrahlschneidens. Fig. 2 is a three-dimensional partial body, produced in the process of 5-axis high-pressure water jet cutting.

Die Anlage zur freiformenden, schnellen Herstellung von Bauteilen weist ein CAD-System 1, ein Bearbeitungswerkzeug 2 und eine Handhabungseinrichtung auf. In dem CAD-System 1 wird in Abhängigkeit von den technologischen Daten des Werkzeuges 2 und in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit eines herzustellenden Bauteiles das Bauteil 4 in Teilkörper 5 zerlegt, die mittels einer 5-achsigen Wasserstrahlschneidvorrichtung 2 hergestellt bzw. bearbeitet werden. Dabei wird die Dicke der Teilkörper 5 bei einer minimalen Anzahl derselben berechnet. Meistens jedoch wird dem CAD-System eine Auswahl von Dicken-Werten aus den üblichen Plattendicken, die auf dem Markt erhältlich sind, vorgegeben. Aus dieser Auswahl werden die die Parameter Fertigungstoleranzen und Bauteilgeometrie berücksichtigenden Dicken-Werte der Teilkörper 5 ausgewählt. Die Teilkörper 5 werden nach ihrer Herstellung zu dem Roboter 3 gebracht, der sie zu dem herzustellenden Bauteil 4 zusammenfügt. In Fig. 2 ist ein Teilkörper 6 dargestellt, der durch das Herausschneiden aus einer Platte hergestellt wird. Für die Erzeugung der Steuerung des Schneidwerkzeuges 2 (Fig. 1,) werden Punkte 9 der oberen Kontur 7 des herzustellenden Teilkörpers 6 Punkten 9 der unteren Kontur 8 des herzustellenden Teilkörpers 6 zugewiesen. An diesen Punkten 9 dringt der Wasserstrahl in die Platte ein bzw. aus ihr heraus. Auf diese Weise werden Strahlwege berechnet, längs derer der Teilkörper 6 herausgeschnitten wird. Die Lage der einzelnen benachbarten Strahlwege 10 ergeben die Geometrie der Seitenwände 11 des Teilkörpers 6. Sind die benachbarten Strahlwege 10 parallel, so erhält der Teilkörper 6 ebene Wände, die entweder senkrecht (Punkte 12 liegen übereinander) oder schräg zu den Schnittebenen liegen. Sind die benachbarten Strahlwege 10 nicht parallel, so erhält der Teilkörper 6 gekrümmte Wände 13. Der hier dargestellte Teilkörper 6 kann in einem Schritt hergestellt werden und hat die Form eines Schaufelrades. Die Schaufeln 14 des Schaufelrades werden durch das Herstellen eines Teilkörpers 6 mit zwei parallelen Ebenen und ein Wegschneiden der restlichen, nicht zwischen diesen Ebenen liegenden Geometrien hergestellt. Die Konturinformationen der beiden Schnitte entsprechen den Konturen an der Ober- und Unterkante 7, 8 der Platte.The system for the free-form, rapid production of components has a CAD system 1 , a processing tool 2 and a handling device. In the CAD system 1 , depending on the technological data of the tool 2 and depending on the required accuracy of a component to be manufactured, the component 4 is broken down into partial bodies 5 , which are manufactured or processed by means of a 5-axis water jet cutting device 2 . The thickness of the partial bodies 5 is calculated with a minimum number of the same. Most often, however, the CAD system is given a selection of thickness values from the usual board thicknesses that are available on the market. From this selection, the thickness values of the partial bodies 5 that take into account the parameters of manufacturing tolerances and component geometry are selected. After their manufacture, the partial bodies 5 are brought to the robot 3 , which assembles them into the component 4 to be manufactured. In Fig. 2 a partial body 6 is shown, which is produced by cutting out of a plate. For the generation of the control of the cutting tool 2 ( FIG. 1,), points 9 of the upper contour 7 of the partial body 6 to be produced are assigned points 9 of the lower contour 8 of the partial body 6 to be produced. At these points 9 , the water jet penetrates into and out of the plate. In this way, beam paths are calculated along which the partial body 6 is cut out. The position of the individual adjacent beam paths 10 result in the geometry of the side walls 11 of the partial body 6 . If the adjacent beam paths 10 are parallel, then the partial body 6 is given flat walls which are either perpendicular (points 12 lie one above the other) or obliquely to the cutting planes. If the adjacent beam paths 10 are not parallel, the partial body 6 receives curved walls 13 . The partial body 6 shown here can be produced in one step and has the shape of a paddle wheel. The blades 14 of the blade wheel are produced by producing a partial body 6 with two parallel planes and cutting away the remaining geometries that are not between these planes. The contour information of the two cuts corresponds to the contours on the top and bottom edges 7 , 8 of the plate.

Claims (10)

1. Verfahren zur schnellen freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß das herzustellende Bauteil (4) mittels eines CAD-Systems (1) in durch zwei planparallele Flächen (begrenzte Teilkörper (5) zerlegt wird, wobei die Dicke derselben so gewählt wird, daß die Geometrie des Bauteiles (4) unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen des eingesetzten Werkzeuges bei einer minimalen Anzahl von Teilkörpern (5) mit der Soll-Geometrie des Bauteiles (4) übereinstimmt, und daß die Teilkörper (5) zwischen den beiden ebenen Flächen (7, 8) so bearbeitet wird, daß ihnen die Soll-Geometrie gegeben wird und diese anschließend zu dem Bauteil (4) zusammengefügt werden.1. A method for the rapid free-form production of three-dimensional components, characterized in that the component to be manufactured ( 4 ) is disassembled by means of a CAD system ( 1 ) into two plane-parallel surfaces (limited partial body ( 5 )), the thickness of which is chosen so that the geometry of the component ( 4 ), taking into account the manufacturing tolerances of the tool used, with a minimum number of partial bodies ( 5 ), matches the target geometry of the component ( 4 ), and that the partial body ( 5 ) between the two flat surfaces ( 7 , 8 ) is processed in such a way that the desired geometry is given to them and these are then combined to form the component ( 4 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teil­ körper (5) eines Bauteiles (1) unterschiedlich oder gleich ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the thickness of the part body ( 5 ) of a component ( 1 ) is different or the same. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Teilkörper (5) aus einer begrenzten Menge von vorgegebenen Dickenwerten ausgewählt werden.3. The method according to claim 2, characterized in that the thicknesses of the partial body ( 5 ) are selected from a limited amount of predetermined thickness values. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Teilkör­ per (5, 6) 1, 2, 5 und 10 mm betragen.4. The method according to claim 3, characterized in that the thicknesses of the Teilkör by ( 5 , 6 ) 1, 2, 5 and 10 mm. 5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (5) unter verschiedenen Winkeln zueinander zusammengefügt werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the partial body ( 5 ) are joined together at different angles. 6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der Teilkörper (5, 6) mittels Energie- oder Materialstrahlen erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the processing of the partial body ( 5 , 6 ) takes place by means of energy or material jets. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mittels Materialstrahl ein 5-achsiges Wasserstrahlschneiden ist.7. The method according to claim 6, characterized in that the processing means Material jet is a 5-axis water jet cutting. 8. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mittels Energiestrahl ein 5-achsiges Laserschneiden ist.8. The method according to claim 6, characterized in that the processing means Energy beam is a 5-axis laser cutting. 9, Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenfügen der Teilkörper (5) durch einen CAD-gesteuerten Handhabungseinrichtung (3) erfolgt.9, Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial bodies ( 5 ) are joined together by a CAD-controlled handling device ( 3 ). 10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen An­ sprüche mit einem CAD-System (1) zur Berechnung von Werkzeugdaten zur Herstellung von Teilkörper (5), mit einem 5-achsigen CAD-gesteuerten Bearbei­ tungswerkzeug (2) für die Teilkörper (5) und einem CAD-gesteuerten Handhabungseinrichtung (3) zur Zusammenfügung von Teilkörpern (5).10. System for performing the method according to one of the preceding claims with a CAD system ( 1 ) for calculating tool data for the production of part body ( 5 ), with a 5-axis CAD-controlled machining tool ( 2 ) for the part body ( 5 ) and a CAD-controlled handling device ( 3 ) for joining partial bodies ( 5 ).
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