RU2843999C2 - Method of weight reduction and/or design of additively fabricated article - Google Patents
Method of weight reduction and/or design of additively fabricated articleInfo
- Publication number
- RU2843999C2 RU2843999C2 RU2021136986A RU2021136986A RU2843999C2 RU 2843999 C2 RU2843999 C2 RU 2843999C2 RU 2021136986 A RU2021136986 A RU 2021136986A RU 2021136986 A RU2021136986 A RU 2021136986A RU 2843999 C2 RU2843999 C2 RU 2843999C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- article
- quasi
- planes
- present
- skeletal
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к способу облегчения веса и/или проектирования аддитивно изготовленного изделия. Изобретение дополнительно относится к компьютерному программному продукту, выполненному с возможностью осуществления способа настоящего изобретения, а также к аддитивно изготовленному изделию, получаемому посредством способа согласно настоящему изобретению, полностью в соответствии с преамбулами независимых пунктов формулы изобретения.The present invention relates to a method for reducing the weight and/or design of an additively manufactured article. The invention further relates to a computer program product capable of implementing the method of the present invention, as well as to an additively manufactured article obtained by means of the method according to the present invention, in full accordance with the preambles of the independent claims.
Уровень техникиState of the art
Способы, которыми может организовываться пространство-заполняющая периодическая решетка, ограничены 213 общими симметричными конструктами, называемыми «пространственными группами», которые описывают все комбинаторные решения для проблемы повторения точки в пространстве с использованием последовательности операций копирования, таких как перемещения в пространстве, вращения и отражения. Тем не менее, предусмотрено исключение для этого правила: бесконечные, непериодические структуры, называемые «квазикристаллами». Идентично решеткам, представленным посредством одной из периодических пространственных групп, квазикристаллы формируются из одного или множества, но не бесконечного множества типов фундаментальных ячеек. Поскольку повторение этих ячеек способствует формированию аналогичных (или даже идентичных) размещений в мелком масштабе, которые никогда не повторяются в крупном масштабе, квазикристаллы демонстрируют признак, называемый «квазипериодичностью» (вместо «апериодичности»). Квазикристаллы могут заполнять («располагать плитками») пространство вообще без повторения. Хотя расположение двумерными квазикристаллическими плитками (к примеру, известное расположение плитками Пенроуза) состоит из двух или более типов ромбов, трехмерные квазикристаллы изготавливаются из двух или более ромбовидных ячеек.The ways in which a space-filling periodic lattice can be organized are limited by 213 general symmetric constructs called "space groups," which describe all combinatorial solutions to the problem of repeating a point in space using a sequence of copying operations such as translations, rotations, and reflections. However, there is an exception to this rule: infinite, non-periodic structures called "quasicrystals." Like lattices represented by one of the periodic space groups, quasicrystals are formed from one or more, but not infinite, types of fundamental cells. Because the repetition of these cells produces similar (or even identical) arrangements on a small scale that never repeat on a large scale, quasicrystals exhibit a property called "quasiperiodicity" (instead of "aperiodicity"). Quasicrystals can fill ("tile") space without repeating at all. While two-dimensional quasi-crystalline tiling arrangements (such as the famous Penrose tiling arrangement) consist of two or more types of rhombuses, three-dimensional quasicrystals are made of two or more rhombus-shaped cells.
Широко используются два способа создания квазикристаллов: способ проецирования, в котором шести- или более-мерный рисунок проецируется на трехмерное пространство, и способ на основе сеток де Брейна, в котором три или более вектора в пространстве создают последовательность семейств плоскостей, которые в свою очередь приводят к спецификации квазикристалла.There are two widely used methods for creating quasicrystals: the projection method, in which a six- or more-dimensional pattern is projected onto three-dimensional space, and the de Bruijn mesh method, in which three or more vectors in space create a sequence of families of planes that in turn result in a specification of the quasicrystal.
Минимальные поверхности представляют собой искривленные двумерные занимающие пространство математические конструкты, которые удовлетворяют такому требованию, что в каждой точке среднее двух перпендикулярно измеренных кривизн составляет ноль. Следовательно, каждая точка задается таким образом, что если поверхность искривлена на определенную величину в определенном направлении, то кривизна, измеряемая перпендикулярно к этому направлению, является отрицательным значением первой кривизны. Вследствие того факта, что минимальные поверхности представляют собой наименее изогнутые поверхности, соединяющие определенный набор точек, они составляют идеальную геометрию, которая обеспечивает возможность наиболее эффективных проводников сил, отличных от сфер и цепных линий (причем второе из указанного представляет собой минимальную поверхность непосредственно). Это делает минимальную поверхность идеальной для того, чтобы распределять нагрузки и силы в структурах, например, трехмерно отпечатанных частей, а фактически, в каждой несущей нагрузку структуре. Минимальные поверхности, фундаментальные ячейки которых структурируются таким способом, при котором они могут повторяться во всех направлениях (за счет этого располагая плитками бесконечное пространство), называются «трижды периодическими минимальными поверхностями (TPMS - triply periodic minimal surfaces)».Minimal surfaces are curved, two-dimensional, space-occupying mathematical constructs that satisfy the requirement that at each point, the average of two perpendicularly measured curvatures is zero. Each point is therefore defined such that if the surface is curved by a certain amount in a certain direction, then the curvature measured perpendicular to that direction is the negative of the first curvature. Because minimal surfaces are the least curved surfaces connecting a given set of points, they constitute an ideal geometry that allows for the most efficient conductors of forces other than spheres and catenaries (the latter of which is a minimal surface itself). This makes a minimal surface ideal for distributing loads and forces in structures such as three-dimensionally printed parts, and indeed in every load-bearing structure. Minimal surfaces whose fundamental cells are structured in such a way that they can be repeated in all directions (thereby tiling an infinite space) are called "triple periodic minimal surfaces (TPMS)".
Аддитивное изготовление (AM - Additive Manufacturing, «трехмерная печать», «быстрое прототипирование») представляет собой обобщающий термин, охватывающий широкий диапазон управляемых компьютером производственных процессов, которые обеспечивают возможность физического формирования изделий, изготовленных из различных материалов. Для объема настоящего изобретения, следует понимать, что аддитивное изготовление также содержит роботизированную сборку по частям.Additive manufacturing (AM, "three-dimensional printing", "rapid prototyping") is an umbrella term covering a wide range of computer-controlled manufacturing processes that enable the physical formation of products made from various materials. For the purposes of the present invention, it should be understood that additive manufacturing also includes robotic assembly of parts.
До того, как объект может подвергаться трехмерной печати, он должен задаваться в форме виртуальной компьютерной модели («CAD-модели», «трехмерной модели»), в которой его геометрия представляется как математические функции («CAD-поверхности»), через координаты вершин, ребра, грани и их взаимозависимости, описывающие пространство, окружаемое посредством трехмерной модели, или как трехмерная вокселная матрица («воксел» представляет собой комбинированное слово, которое комбинирует «объем» и «пиксел»). В большинстве стандартизированных форматов обмена трехмерными моделями, геометрия объектов представляется как многоугольная ячеистая сетка, состоящая из треугольных и/или четырехугольных граней (координат и взаимозависимостей вершин, ребер и граней, формирующих объем). Хотя представление в виде многоугольной ячеистой сетки является очень гибким и может использоваться для того, чтобы (приблизительно) описывать почти любую форму без необходимости математического анализа ее геометрии (который необходим при использовании представления в виде CAD-поверхностей), оно явно подвержено ошибкам и имеет тенденцию давать в результате большие объемы данных и в силу этого высокий сетевой трафик и высокую вычислительную нагрузку.Before an object can be 3D printed, it must be defined in the form of a virtual computer model ("CAD model", "3D model") in which its geometry is represented as mathematical functions ("CAD surfaces"), through the coordinates of vertices, edges, faces and their interdependencies describing the space enclosed by the 3D model, or as a 3D voxel matrix ("voxel" is a combination word that combines "volume" and "pixel"). In most standardized 3D model interchange formats, the geometry of objects is represented as a polygonal mesh of triangles and/or quadrilaterals (the coordinates and interdependencies of vertices, edges and faces that form the volume). While the polygonal mesh representation is very flexible and can be used to (approximately) describe almost any shape without the need for mathematical analysis of its geometry (which is necessary when using the CAD surface representation), it is clearly error-prone and tends to result in large amounts of data and therefore high network traffic and computational load.
В большинстве типов AM-процесса, изделие формируется посредством последовательного, послойного применения или связывания, или укрепления, или полимеризации одного или более веществ. Процесс связывания, укрепления или полимеризации может вызываться непрерывно, сразу после применения или после того, как каждый слой обрабатывается, либо в конце процесса компоновки, либо в полностью отдельном процессе за пределами фактической печатной машины. Подготовка к трехмерной печати трехмерной модели в силу этого заключает в себе преобразование пространственной информации, содержащейся в трехмерной модели («предварительную обработку»), в информационные пакеты «материал/без материала» для каждого слоя («срезов»). В большинстве случаев, срезы представляют собой изображения простой битовой карты, связанные с требуемой высотой печатного слоя, при этом черный цвет представляет «материал», а белый цвет - его отсутствие. С одной стороны, каждый пиксел в срезе соответствует одной минимальной единице печати в слое (например, в зависимости от характеристик печатной машины; минимального диаметра лазерной точки, лазерного тракта и т.д.), и с другой стороны, он представляет один воксел в отпечатанном изделии. В некоторых случаях, срез содержит дополнительную управляющую информацию, связанную с конкретными для принтера или для изделия параметрами, такими как лазерная энергия или скорость движения лазера, которые могут отличаться для каждого слоя или варьироваться внутри слоя.In most types of AM processes, the part is formed by the sequential, layer-by-layer application of either bonding, strengthening, or polymerization of one or more substances. The bonding, strengthening, or polymerization process may be called upon continuously, immediately after application or after each layer is processed, either at the end of the build process or in an entirely separate process outside the actual printing press. Preparing a 3D model for 3D printing therefore involves converting the spatial information contained in the 3D model (the "preprocessing") into "material/no-material" information packets for each layer (the "slices"). In most cases, the slices are simple bitmap images associated with the desired print layer height, with black representing "material" and white representing "no-material". On the one hand, each pixel in the slice corresponds to one minimum printing unit in the layer (e.g. depending on the characteristics of the printing machine; minimum diameter of the laser dot, laser path, etc.), and on the other hand, it represents one voxel in the printed product. In some cases, the slice contains additional control information related to printer-specific or product-specific parameters, such as laser energy or laser travel speed, which may differ for each layer or vary within a layer.
Другие операции в предварительной обработке включают в себя глобальные регулирования параметров на основе характеристик печатной машины и/или процесса печати и/или их моделирования и оптимизации, такие как снижение веса («облегчение веса»).Other operations in pre-processing include global parameter adjustments based on the characteristics of the printing press and/or the printing process and/or their modeling and optimization, such as weight reduction ("lightweighting").
AM обеспечивает возможность формирования чрезвычайно сложных изделий, которые очень трудно, если не невозможно, компоновать с классическими способами изготовления. В зависимости от геометрии изделия, способа печати и используемого материала, внешняя компоновочная опорная структура («компоновочная опора») необходима, чтобы выявлять корректное и безошибочное производство изделия. Некоторые способы и/или материалы не требуют компоновочных опор, поскольку они стабилизируются посредством самого носителя при формировании. Тем не менее, большинство способов, используемых для того, чтобы формировать изделия из металлов, таких как сталь, алюминий, титан и т.д., требуют компоновочных опор не только для того, чтобы выявлять безошибочное формирование и корректную геометрию распечатки, но и для того, чтобы рассеивать избыточное тепло. Удаление компоновочных опор во время постобработки зачастую является трудоемким, и в случае, когда компоновочные опоры находятся внутри или являются труднодоступными вследствие формы изделия, почти невозможным или просто невыполнимым без повреждения объекта.AM enables the formation of extremely complex parts that are very difficult, if not impossible, to assemble with classical manufacturing methods. Depending on the geometry of the part, the printing method and the material used, an external assembly support structure (“assembly support”) is necessary to ensure correct and error-free production of the part. Some methods and/or materials do not require assembly supports, as they are stabilized by the carrier itself during formation. However, most methods used to form parts from metals such as steel, aluminum, titanium, etc. require assembly supports not only to ensure error-free formation and correct print geometry, but also to dissipate excess heat. Removal of assembly supports during post-processing is often labor-intensive, and in cases where the assembly supports are internal or difficult to access due to the shape of the part, almost impossible or simply impossible without damaging the object.
Следовательно, чем более самонесущим является изделие (чем меньшее число компоновочных опор требуется для успешного процесса компоновки), тем лучше. Чтобы максимизировать прочность при минимизации веса, и поскольку в AM сложные, «бионические» или аморфные геометрии могут формироваться без дополнительных затрат или усилий, форма изделий зачастую параметрически оптимизируется согласно минимальному использованию материалов и оптимальной форме, удовлетворяющей структурным и геометрическим требованиям изделия. По сравнению с начальным проектным решением изделия (которое в некоторых случаях является «классическим» монолитным), такая оптимизированная форма зачастую обладает отверстиями, ветвями, выпуклостями и жилами; процесс, приводящий к этой форме, в силу этого называется «топологической оптимизацией», поскольку топология изделия - число отверстий, которыми он обладает (его «род») - изменяется.Therefore, the more self-supporting the product is (the fewer the number of assembly supports required for a successful assembly process), the better. In order to maximize strength while minimizing weight, and since complex, "bionic" or amorphous geometries can be formed in AM without additional cost or effort, the shape of products is often parametrically optimized according to the minimum use of materials and the optimal shape that satisfies the structural and geometric requirements of the product. Compared to the initial design solution of the product (which in some cases is "classical" monolithic), such an optimized shape often has holes, branches, bulges and veins; the process leading to this shape is therefore called "topology optimization", since the topology of the product - the number of holes it has (its "genus") - is changed.
Такая оптимизация зачастую составляет часть процесса CAE (CAE - computer-aided engineering, автоматизированного моделирования), в котором геометрические ограничения, силы, механические напряжения и движения моделируются, зачастую с использованием компьютерного способа, называемого «FEM» (FEM - finite element modeling, конечно-элементным моделированием). Некоторые изделия проектируются и изготавливаются без необходимости или без помощи FEM-моделирования; они чаще всего представляют собой изделия, которые не должны оптимально оптимизироваться. Изделия, в которых отношение прочности к весу является критически важным (к примеру, в авиакосмических или промышленных вариантах применения), с другой стороны, всегда проектируются с использованием FEM или аналогичных способов. Поскольку силы имеют тенденцию проходить вдоль поверхности объекта, а не через его внутреннюю часть, объект может, в принципе, уменьшаться до тонкой обшивки. Естественно, определенное поперечное сечение материала должно сохраняться, чтобы проводить силы, выявлять геометрическую целостность и учитывать характеристики материала и механические напряжения, действующие на изделие.Such optimization is often part of the CAE (computer-aided engineering) process, in which geometric constraints, forces, stresses, and motions are modeled, often using a computer-aided technique called finite element modeling (FEM). Some products are designed and manufactured without the need or assistance of FEM modeling; these are often products that are not intended to be optimally optimized. Products in which the strength-to-weight ratio is critical (e.g. in aerospace or industrial applications), on the other hand, are always designed using FEM or similar techniques. Since forces tend to flow along the surface of an object rather than through its interior, the object can, in principle, be reduced to a thin skin. Naturally, a certain cross-section of the material must be maintained to conduct the forces, reveal the geometric integrity, and account for the material characteristics and stresses acting on the product.
В некоторых случаях, добавление внутренней структуры, соединяющей стороны обшивки, значительно повышает общую стабильность, при невыявлении геометрической целостности изделия под действием механического напряжения и во время процесса компоновки. Тем не менее, в то время как это выхолащивание «классически» сформированного или топологически оптимизированного изделия приводит к уменьшенному времени и затратам на производство, к значительным приростам веса и иногда даже к повышенной стабильности, большинство изделий по-прежнему производятся в твердой форме. Это частично обусловлено сложностью обработки больших многоугольных ячеистых сеток, которые явно подвержены ошибкам, и необходимостью выявлять целостность формы и геометрии изделий, которая может быть подвержена искажению, во время процесса компоновки, использования и под нагрузкой, если когерентная, тщательно спроектированная и тщательно смоделированная внутренняя структура не присутствует.In some cases, the addition of an internal structure connecting the skin sides significantly increases the overall stability, while not revealing the geometric integrity of the product under mechanical stress and during the assembly process. However, while this dilution of the "classically" formed or topologically optimized product results in reduced manufacturing time and cost, significant weight gains, and sometimes even increased stability, most products are still manufactured in solid form. This is due in part to the difficulty of machining large polygonal meshes, which are inherently error-prone, and the need to reveal the integrity of the form and geometry of the products, which may be subject to distortion, during the assembly process, in use, and under load if a coherent, carefully designed, and carefully modeled internal structure is not present.
Широко используемая технология выхолащивания представляет собой применение "заполнений", которые представляют собой простые геометрические решетчатые структуры («пространственные сетки»), которые дополняют «внутреннюю часть» изделия. Тем не менее, имеется три основных недостатка этой технологии: (1) эффективное структурное воздействие и эффективность заполнения подвергаются необоснованным предположениям, если не изучается с использованием FEM, (2) заполняющая геометрия по сути должна быть чрезвычайно простой, поскольку она должна быть аналогичной компоновочной опорной структуре (которая, конечно, всегда может компоноваться без необходимости дополнительной компоновочной опоры), и (3) заполняющая структура значительно увеличивает количество многоугольников трехмерной модели (в силу этого также увеличивая вычислительную нагрузку и время отклика), поскольку оно является очень мелкомасштабным по сравнению с самой трехмерной моделью, но при этом должна точно задаваться. Поскольку комплексные и/или сложные заполнения могут увеличивать количество многоугольников трехмерной модели на один или несколько порядков величины, заполнения обычно являются аналогичными компоновочным опорам: приблизительной формы, грубые и тонкие, оптимизированные в большей степени для пригодности для печати, чем для структурной эффективности.A widely used hollowing out technique is the application of "infills", which are simple geometric lattice structures ("spatial grids") that complement the "interior" of the product. However, there are three major drawbacks to this technique: (1) the effective structural impact and infill efficiency are subject to unreasonable assumptions unless studied using FEM, (2) the infill geometry must be inherently extremely simple since it must be similar to the layout support structure (which, of course, can always be laid out without the need for an additional layout support), and (3) the infill structure significantly increases the number of polygons in the 3D model (thereby also increasing the computational load and response time), since it is very small-scale compared to the 3D model itself, but must be precisely defined. Because complex and/or sophisticated infills can increase the polygon count of a 3D model by one or more orders of magnitude, infills are typically analogous to layout supports: roughly shaped, coarse and fine, optimized more for printability than structural efficiency.
Следовательно, существует потребность в том, чтобы обеспечивать способы и средства предварительной обработки аддитивно изготовленных изделий, которые преодолевают по меньшей мере одно известное ограничение.Therefore, there is a need to provide methods and means for pre-processing additively manufactured articles that overcome at least one known limitation.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention
В силу этого цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить способ, компьютерный программный продукт и аддитивно изготовленное изделие, которые преодолевают по меньшей мере один из недостатков предшествующего уровня техники. Конкретная цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить такой способ, компьютерный программный продукт или изделие, которое обеспечивает облегчение веса и/или проектирование изделия с превосходящими свойствами по меньшей мере относительно его геометрической целостности и/или несущей нагрузку структуры по сравнению с наличием идентичного изделия, традиционно спроектированного и/или подвергнутого облегчению веса.It is therefore an object of the present invention to provide a method, a computer program product and an additively manufactured article that overcome at least one of the disadvantages of the prior art. A specific object of the present invention is to provide such a method, a computer program product or an article that provides weight reduction and/or design of an article with superior properties at least with respect to its geometric integrity and/or load-bearing structure compared to having an identical article conventionally designed and/or weight-reduced.
Настоящее изобретение в силу этого относится к изготовлению аддитивно изготовленных изделий и их предварительной обработке, за счет чего изделие может содержать одну или более выполненных за одно целое частей изделия, каждая из которых имеет внутреннюю структуру («заполнение»), обеспечивающую повышение стабильности, снижение веса и сопровождение производства и/или компоновочную опору.The present invention therefore relates to the production of additively manufactured articles and their pre-processing, whereby the article may comprise one or more integral parts of the article, each of which has an internal structure (“filling”) that provides increased stability, reduced weight and production support and/or assembly support.
Цель настоящего изобретения достигается за счет способа, компьютерного программного продукта и аддитивно изготовленного изделия согласно отличительным частям независимых пунктов формулы изобретения.The aim of the present invention is achieved by a method, a computer program product and an additively manufactured article according to the characteristic parts of the independent claims of the invention.
Один аспект настоящего изобретения представляет собой способ облегчения веса и/или проектирования аддитивно изготовленного изделия. Изделие содержит одну или более выполненных за одно целое частей изделия, каждая из которых имеет структуру. Способ содержит по меньшей мере этап заполнения и/или компоновки каждой из одной или более выполненных за одно целое частей изделия посредством квазикристаллической структуры.One aspect of the present invention is a method for lightening the weight and/or design of an additively manufactured article. The article comprises one or more integral parts of the article, each of which has a structure. The method comprises at least a step of filling and/or assembling each of the one or more integral parts of the article by means of a quasi-crystalline structure.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, каждая или некоторые из одной или более выполненных за одно целое частей изделия содержат внутреннюю структуру, и облегчение веса относится к проектированию внутренней структуры таким образом, что стабильность, вес и сопровождение производства, соответственно, компоновочная опора во время процесса аддитивного изготовления затрагиваются посредством этапов способа, описанных в данном документе.In a particular embodiment of the present invention, each or some of the one or more integral parts of the article comprises an internal structure, and lightening the weight refers to designing the internal structure in such a way that stability, weight, and manufacturing support, respectively, of the assembly support during the additive manufacturing process are affected by the method steps described herein.
В одном конкретном варианте осуществления, изделие и/или одна выполненная за одно целое часть изделия по существу состоят из структуры.In one particular embodiment, the article and/or one integral part of the article substantially consists of a structure.
В контексте настоящего изобретения, заполнение согласно вышеуказанному этапу может пониматься как этап облегчения веса согласно настоящему изобретению, тогда как этап компоновки выше может рассматриваться как этап проектирования аддитивно изготовленного изделия согласно настоящему изобретению. В контексте настоящего изобретения, заполнение может пониматься как обеспечение внутренней структуры, которая в обработанном изделии согласно настоящему изобретению по меньшей мере частично, предпочтительно по существу маскируется посредством наружной обшивки изделия. В отличие от этого, проектирование представляет собой релевантный способ, когда структура является «открытой», т.е. изделие, не покрытое посредством внешней обшивки. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что комбинация обоих этапов способа может применяться для одного конкретного изделия, например, с множеством выполненных за одно целое частей изделия, и обработанное изделие, получающееся в результате способа согласно настоящему изобретению, может состоять из частей, которые имеют обшивку, покрывающую заполнение, и частей изделия, для которых структура является доступной снаружи, с различными степенями между ними.In the context of the present invention, the filling according to the above step can be understood as a weight reduction step according to the present invention, whereas the assembly step above can be considered as a design step of the additively manufactured article according to the present invention. In the context of the present invention, the filling can be understood as providing an internal structure, which in the processed article according to the present invention is at least partially, preferably substantially, masked by the outer skin of the article. In contrast, the design is a relevant method when the structure is "open", i.e. the article is not covered by the outer skin. It will be obvious to those skilled in the art that a combination of both method steps can be applied to one specific article, for example with a plurality of integrally formed parts of the article, and the processed article resulting from the method according to the present invention can consist of parts that have a skin covering the filling and parts of the article for which the structure is accessible from the outside, with different degrees between them.
В контексте настоящего изобретения, квазикристаллическая структура может пониматься как структура, которая является упорядоченной, но не периодической, как должны понимать специалисты в данной области техники.In the context of the present invention, a quasi-crystalline structure may be understood as a structure that is ordered but not periodic, as will be understood by those skilled in the art.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, квазикристаллическая структура представляет собой трехмерный квазикристалл, изготовленный из двух или более типов ячеек в форме ромбоидов.In a particular embodiment of the present invention, the quasi-crystalline structure is a three-dimensional quasicrystal made of two or more types of rhomboid-shaped cells.
В альтернативном варианте осуществления, квазикристаллическая структура представляет собой трехмерный кристалл, т.е. регулярно повторяющиеся единицы, сформированные согласно одной из пространственных групп, а именно, согласно одной из 219 нехиральных или 11 хиральных пространственных групп.In an alternative embodiment, the quasicrystalline structure is a three-dimensional crystal, i.e., regularly repeating units formed according to one of the space groups, namely, according to one of the 219 non-chiral or 11 chiral space groups.
В контексте настоящего изобретения, ячейка в этой форме ромбоида может пониматься как трехмерное тело с шестью поперечными сторонами параллелограммной геометрии.In the context of the present invention, a cell in this rhomboid shape can be understood as a three-dimensional body with six transverse sides of parallelogram geometry.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, квазикристаллическая структура может создаваться посредством способа проецирования, для которого шести- или более-мерный рисунок проецируется на трехмерное пространство. Альтернативно или дополнительно, квазикристаллическая структура может создаваться посредством применения способа на основе сеток, в котором четыре или более вектора в пространстве создают последовательность семейств плоскостей, которые в свою очередь приводят к спецификации квазикристалла. Различные способы формирования квазикристаллической структуры могут применяться для производства одного изделия, например, для различных частей изделия или даже впоследствии в качестве этапа верификации.In a particular embodiment of the present invention, the quasi-crystalline structure may be created by a projection method, for which a six- or more-dimensional pattern is projected onto a three-dimensional space. Alternatively or additionally, the quasi-crystalline structure may be created by applying a grid-based method, in which four or more vectors in space create a sequence of families of planes, which in turn lead to a specification of the quasi-crystal. Different methods for forming the quasi-crystalline structure may be used for the production of a single product, for example, for different parts of the product, or even subsequently as a verification step.
В конкретном предпочтительном варианте осуществления, способ на основе сеток основан на диагонализации согласно работе де Брейна (N. de Bruijn, Ned. Akad. Weten. Proc. Ser. A 43, 39 (1981); 43, 53 (1981).In a particularly preferred embodiment, the grid-based method is based on the diagonalization of de Bruijn (N. de Bruijn, Ned. Akad. Weten. Proc. Ser. A 43, 39 (1981); 43, 53 (1981).
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, заполнение и/или компоновка каждой из одной или более выполненных за одно целое частей изделия представляет собой заполнение и/или компоновку посредством квазипериодического минимального поверхностного заполнения и/или квазипериодической минимальной поверхностной проектной структуры, и/или апериодической минимальной поверхностной проектной структуры, и/или апериодического минимального поверхностного заполнения.In a particular embodiment of the present invention, the filling and/or arrangement of each of the one or more integral parts of the article is a filling and/or arrangement by means of a quasi-periodic minimum surface filling and/or a quasi-periodic minimum surface design structure and/or an aperiodic minimum surface design structure and/or an aperiodic minimum surface filling.
В конкретном предпочтительном варианте осуществления, результирующее заполнение и/или проектное решение содержит минимальные поверхности, т.е., например, поверхности, для которых в каждой точке поверхности, среднее двух перпендикулярно измеренных кривизн составляет ноль или фактически ноль.In a particularly preferred embodiment, the resulting infill and/or design solution comprises minimal surfaces, i.e., for example, surfaces for which, at each point on the surface, the average of two perpendicularly measured curvatures is zero or virtually zero.
В контексте настоящего изобретения, «фактически нуль» может пониматься как кривизна, достаточная для того, чтобы практически отображать минимальные поверхностные свойства в масштабе и форме проектного решения по изделию и/или его заполнения, еще более конкретно, имеющая отклонение от ноля до+/-0,0005 для среднего двух перпендикулярно измеренных кривизн на поверхности.In the context of the present invention, “virtually zero” may be understood as a curvature sufficient to substantially represent the minimum surface properties in the scale and shape of the design solution for the article and/or its filling, even more specifically, having a deviation from zero to +/- 0.0005 for the average of two perpendicularly measured curvatures on the surface.
В конкретном предпочтительном варианте осуществления, результирующее заполнение и/или проектное решение содержит периодические поверхности, такие как, например, трехмерные кристаллические поверхности.In a particularly preferred embodiment, the resulting infill and/or design comprises periodic surfaces, such as, for example, three-dimensional crystalline surfaces.
Одно из преимуществ минимальных поверхностей согласно настоящему изобретению может состоять в том, что они являются идеальными для того, чтобы распределять нагрузки и силы внутри или через структуры. Кроме того, эти минимальные поверхности могут быть идеальными для создания предметов, для которых большие поверхности и/или отношения величины поверхности к объему являются полезными, к примеру, в частях изделия, которые имеют варианты применения в области техники строительства, катализа, теплообмена, аккумуляторов и т.д. либо в любой другой области применения, для которой является важным отношение величины поверхности к объему. Без привязки к теории, реализованные структурные преимущества могут быть обусловлены таким фактом, что минимальные поверхности представляют собой наименее изогнутые поверхности, соединяющие определенный набор точек, и в силу этого обеспечивают возможность самого эффективного проводника сил между этими точками.One advantage of the minimal surfaces according to the present invention may be that they are ideal for distributing loads and forces within or through structures. In addition, these minimal surfaces may be ideal for creating objects for which large surfaces and/or surface-to-volume ratios are useful, such as in parts of an article that have applications in the field of construction engineering, catalysis, heat transfer, batteries, etc., or in any other field of application for which the surface-to-volume ratio is important. Without being bound by theory, the realized structural advantages may be due to the fact that minimal surfaces are the least curved surfaces connecting a certain set of points and therefore provide the ability to conduct forces between these points most efficiently.
В конкретном предпочтительном варианте осуществления, способ настоящего изобретения осуществляется за счет заполнения и/или компоновки посредством квазипериодического минимального поверхностного заполнения и/или квазипериодической минимальной поверхностной проектной структуры, и/или апериодической минимальной поверхностной проектной структуры, и/или апериодического минимального поверхностного заполнения таким образом, что обеспечивается эффективный проводник сил через изделие.In a particularly preferred embodiment, the method of the present invention is carried out by filling and/or arranging by means of a quasi-periodic minimum surface filling and/or a quasi-periodic minimum surface design structure and/or an aperiodic minimum surface design structure and/or an aperiodic minimum surface filling in such a way that an effective conductor of forces is provided through the article.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, способ содержит дополнительный этап использования квазикристаллической структуры в качестве каркаса для того, чтобы формировать квазипериодическое минимальное поверхностное заполнение и/или квазипериодическую минимальную поверхностную проектную структуру. В контексте настоящего изобретения, каркас может представлять собой сформирование скелета, например, для достижения задания рода квазипериодической минимальной поверхности. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения, способ содержит дополнительный этап использования квазикристаллической структуры в качестве каркаса для того, чтобы формировать апериодическое минимальное поверхностное заполнение и/или апериодическую минимальную поверхностную проектную структуру.In a particular embodiment of the present invention, the method comprises an additional step of using the quasi-crystalline structure as a framework to form a quasi-periodic minimum surface filling and/or a quasi-periodic minimum surface design structure. In the context of the present invention, the framework may be a skeleton formation, for example, to achieve a definition of the kind of quasi-periodic minimum surface. In an alternative or additional embodiment of the present invention, the method comprises an additional step of using the quasi-crystalline structure as a framework to form an aperiodic minimum surface filling and/or an aperiodic minimum surface design structure.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит этап создания геометрии квазикристалла. Это создание геометрии квазикристалла может выполняться, в частности, посредством первого этапа ввода по меньшей мере трех первичных векторов. В дополнительном конкретном варианте осуществления, этап представляет собой ввод 3-12 векторов. В контексте настоящего изобретения, ввод может пониматься как выбор и/или формирование соответствующего конкретного параметра в компьютерном программном продукте. Такой ввод может выполняться, например, посредством цифровой предварительной обработки и/или конфигурирования предварительной обработки, ассоциированной с программным обеспечением и устройством для аддитивного изготовления.In a particular embodiment of the present invention, the method further comprises a step of creating a quasicrystal geometry. This creation of the quasicrystal geometry may be performed, in particular, by a first step of inputting at least three primary vectors. In a further particular embodiment, the step is the input of 3-12 vectors. In the context of the present invention, the input may be understood as the selection and/or formation of a corresponding specific parameter in the computer program product. Such input may be performed, for example, by means of digital pre-processing and/or configuring pre-processing associated with the software and the device for additive manufacturing.
В этом конкретном варианте осуществления, создание геометрии квазикристалла может содержать, в частности, дополнительный этап создания числа групп параллельных плоскостей для каждого из введенных первичных векторов. Каждая группа параллельных плоскостей содержит по меньшей мере три плоскости.In this particular embodiment, the creation of the quasicrystal geometry may comprise, in particular, an additional step of creating a number of groups of parallel planes for each of the input primary vectors. Each group of parallel planes contains at least three planes.
В этом конкретном варианте осуществления, число групп параллельных плоскостей ограничивается только посредством мощности обработки и запоминающего устройства используемой компьютерной системы. Тем не менее, обнаружено, что число групп параллельных плоскостей в диапазоне между 3 и 1000 является особенно предпочтительным, а в диапазоне между 3 и 50 является еще более предпочтительным. Число групп параллельных плоскостей вместе с числом плоскостей в каждой группе может выбираться пользователем и задает «разрешение» квазикристалла. В контексте настоящего изобретения, разрешение может пониматься как число ячеек в конкретном предварительно заданном объеме изделия. Без привязки к теории, число плоскостей, выбранных пользователем, задается на усмотрение пользователя, но может затрагиваться или должно обязательно составлять в пределах определенных пороговых значений для определенных целей или вариантов применения. Например, конкретное число плоскостей может задаваться требуемым образом для достижения требуемой стабильности или вследствие требований, вследствие ограничений по размеру изделия. Как упомянуто выше, теоретически отсутствуют пределы для верхнего числа выбранных плоскостей, хотя фактически они могут быть ограничены посредством вычислительной мощности компьютеров, используемых для способа. Тем не менее, есть возможность того, что до 100000 плоскостей могут обрабатываться посредством надлежаще мощных компьютеров.In this particular embodiment, the number of parallel plane groups is limited only by the processing power and memory of the computer system used. However, it has been found that a number of parallel plane groups in the range between 3 and 1000 is particularly preferred, and in the range between 3 and 50 is even more preferred. The number of parallel plane groups together with the number of planes in each group can be selected by the user and defines the "resolution" of the quasicrystal. In the context of the present invention, the resolution can be understood as the number of cells in a specific predetermined volume of the article. Without being bound by theory, the number of planes selected by the user is set at the discretion of the user, but can be affected by or must necessarily be within certain threshold values for certain purposes or applications. For example, a specific number of planes can be set as required to achieve the desired stability or due to requirements due to limitations in the size of the article. As mentioned above, there are theoretically no limits to the upper number of planes selected, although in fact they can be limited by the processing power of the computers used for the method. However, it is possible that up to 100,000 planes can be processed using suitably powerful computers.
В конкретном варианте осуществления, число групп параллельных плоскостей соответствует числу введенных векторов. В конкретном предпочтительном варианте осуществления, направление плоскостей задается посредством векторов. Еще более предпочтительно, направление плоскостей является нормальным к выбранному вектору. Другими словами, каждый вектор может быть ассоциирован с группой параллельных плоскостей, которая охватывает угол в 90° относительно вектора.In a particular embodiment, the number of parallel plane groups corresponds to the number of input vectors. In a particularly preferred embodiment, the direction of the planes is specified by the vectors. Even more preferably, the direction of the planes is normal to the selected vector. In other words, each vector may be associated with a parallel plane group that spans an angle of 90° relative to the vector.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, плоскости в одной конкретной группе параллельных плоскостей равномерно разнесены. В этом контексте, «равномерно разнесены» должно означать плоскости в одной конкретной группе, т.е., например, расстояние в группе по меньшей мере из трех плоскостей, соответствующих друг другу. В конкретном предпочтительном варианте осуществления, все плоскости этой конкретной группы равномерно разнесены. Это может пониматься как все плоскости в этой конкретной группе, имеющие идентичное расстояние в нормальном направлении, соответствующем плоскости относительно предыдущей соседней плоскости и следующей соседней плоскости.In a particular embodiment of the present invention, the planes in one particular group of parallel planes are uniformly spaced. In this context, "uniformly spaced" shall mean planes in one particular group, i.e., for example, the distance in a group of at least three planes corresponding to each other. In a particularly preferred embodiment, all planes of this particular group are uniformly spaced. This may be understood as all planes in this particular group having an identical distance in the normal direction corresponding to the plane relative to the previous neighboring plane and the next neighboring plane.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, плоскости в одной конкретной группе параллельных плоскостей случайно разнесены. Еще более конкретно, все плоскости в этой конкретной группе случайно разнесены. Случайное разнесение может задаваться в момент времени формирования векторов. Посредством ввода вектора, может создаваться определенное число случайно размещенных плоскостей, нормальных к этому вектору, например, каждая из которых имеет случайное расстояние относительно других плоскостей в идентичной группе.In a particular embodiment of the present invention, the planes in one particular group of parallel planes are randomly spaced. More particularly, all the planes in this particular group are randomly spaced. The random spacing may be specified at the time of generating the vectors. By inputting a vector, a certain number of randomly placed planes normal to this vector may be created, for example, each of which has a random distance relative to the other planes in the identical group.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, плоскости в одной конкретной группе параллельных плоскостей разнесены согласно заданному рисунку. В частности, предпочтительно, если все плоскости в одной конкретной группе затем размещаются в этом заданном рисунке. В конкретном варианте осуществления, разнесение может определяться посредством результатов конкретного FEM, т.е. конечно-элементного способа, применяемого для проектирования и/или заполнения изделия относительно требуемых свойств.In a particular embodiment of the present invention, the planes in one particular group of parallel planes are spaced according to a given pattern. In particular, it is advantageous if all the planes in one particular group are then arranged in this given pattern. In a particular embodiment, the spacing may be determined by means of the results of a particular FEM, i.e., finite element method, applied to design and/or fill the product with respect to the desired properties.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере некоторые плоскости в одной конкретной группе параллельных плоскостей равномерно разнесены, и/или некоторые плоскости плоскостей случайно разнесены, и/или некоторые плоскости разнесены согласно заданному рисунку. Как указано выше, число плоскостей может выбираться в качестве показателя разрешения для результирующей геометрии квазикристалла. В дополнительном конкретном варианте осуществления, одна группа плоскостей может создаваться с использованием конкретных заданных правил. В контексте этого примера, заданные правила могут задавать, например, то, что если число в десять плоскостей создается в одной конкретной группе, например, один входной вектор должен иметь число в десять параллельных плоскостей, нормальных к упомянутому вектору, другими словами, охватывающих угол в 90° между плоскостью и вектором, то из этих десяти плоскостей, три плоскости задаются с возможностью быть случайно разнесенными вдоль протяженности вектора, четыре плоскости размещаются с возможностью находиться с равноотстоящем размещением, соответствующем друг другу, т.е. когда после каждой плоскости идет последовательная плоскость из четырех после определенного правильного расстояния, и результирующие три плоскости в этой группе плоскостей размещаются согласно рисунку, который может представлять собой, например, 1:3, что означает то, что вторая плоскость идет после первой плоскости с первым расстоянием, и третья плоскость идет после второй плоскости со вторым расстоянием, которое в три раза превышает первое расстояние. Специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что эти переменные могут подвергаться взаимозависимым способам управления посредством правила, при этом, например, конкретный заданный рисунок комбинируется с равноотстояще размещенными плоскостями, так что все три требования «случайный», «заданный» и «равноотстоящий» могут быть включены в создание геометрии одного конкретного квазикристалла согласно настоящему изобретению.In a particular embodiment of the present invention, at least some planes in one particular group of parallel planes are equally spaced, and/or some planes of the planes are randomly spaced, and/or some planes are spaced according to a given pattern. As indicated above, the number of planes may be selected as an indicator of the resolution of the resulting quasicrystal geometry. In a further particular embodiment, one group of planes may be created using particular given rules. In the context of this example, the given rules may specify, for example, that if a number of ten planes are created in one particular group, for example, one input vector should have a number of ten parallel planes normal to said vector, in other words, covering an angle of 90° between the plane and the vector, then out of these ten planes, three planes are specified to be randomly spaced along the extent of the vector, four planes are arranged to be in an equally spaced arrangement corresponding to each other, i.e. where each plane is followed by a successive plane of four after a certain correct distance, and the resulting three planes in this group of planes are arranged according to a pattern, which may be, for example, 1:3, which means that the second plane comes after the first plane with a first distance, and the third plane comes after the second plane with a second distance, which is three times the first distance. It should be obvious to those skilled in the art that these variables can be subject to interdependent control methods by means of a rule, where, for example, a specific prescribed pattern is combined with equidistantly placed planes, so that all three requirements of "random", "prescribed" and "equally spaced" can be included in the creation of the geometry of one specific quasicrystal according to the present invention.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, способ дополнительно содержит этап деления пополам ячейки(-ек) в форме ромбоида таким образом, что грани, получающиеся в результате деления пополам, имеют шестиугольную форму. В контексте настоящего изобретения, деление пополам в силу этого приводит к пересечению, которое имеет шестиугольную форму.In a particular embodiment of the present invention, the method further comprises the step of bisecting the rhomboid-shaped cell(s) such that the faces resulting from the bisection have a hexagonal shape. In the context of the present invention, the bisection thereby results in an intersection that has a hexagonal shape.
В конкретном варианте осуществления, деление пополам ячейки в форме ромбоида приводит к двум равным монотриаусеченным четырехгранникам из ячейки.In a particular embodiment, bisecting a rhomboid-shaped cell results in two equal monotruncated tetrahedra from the cell.
Усеченный четырехгранник представляет собой правильный четырехгранник с четырьмя вырезанными углами. Для контекста настоящего изобретения, монотриаусеченный четырехгранник представляет собой новый термин, заданный для целей иллюстрации настоящего изобретения, и может пониматься как четырехгранник, только три из четырех углов которого вырезаются. По сравнению с усеченным четырехгранником, он имеет семь граней вместо восьми (греческий язык; «моно=один» и «триа=три»).A truncated tetrahedron is a regular tetrahedron with four corners cut off. For the purposes of the present invention, a monotruncated tetrahedron is a new term defined for the purposes of illustrating the present invention and can be understood as a tetrahedron with only three of its four corners cut off. Compared to a truncated tetrahedron, it has seven faces instead of eight (Greek; "mono=one" and "tria=three").
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, центр тяжести ячейки в форме ромбоида находится в плоскости пересечения, получающегося в результате деления пополам ячейки в форме ромбоида. Эта грань имеет шестиугольную форму, как описано выше.In a particular embodiment of the present invention, the center of gravity of the rhomboid-shaped cell is in the plane of intersection resulting from dividing the rhomboid-shaped cell in half. This face has a hexagonal shape, as described above.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, деление пополам выполняется через шесть ребер ячейки рассматриваемой ромбовидной формы, предпочтительно в середине шести рассматриваемых сегментных линий.In a particular embodiment of the present invention, the bisection is performed across six edges of the cell of the diamond shape in question, preferably in the middle of the six segment lines in question.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, способ содержит дополнительный этап назначения каждого монотриаусеченного четырехгранника одной из двух групп таким образом, что два лабиринта формируются из двух групп монотриаусеченных четырехгранников. В конкретном варианте осуществления, каждый из монотриаусеченных четырехгранников, получающихся в результате деления пополам ячейки в форме ромбоида, назначается любой из двух групп, т.е. первой группе монотриаусеченных четырехгранников или второй группе монотриаусеченных четырехгранников. Первая группа формирует первый лабиринт, и вторая группа формирует второй лабиринт. Предпочтительно, первый и второй лабиринт продолжаются по всей внутренней структуре изделия и/или выполненной за одно целое части изделия.In a particular embodiment of the present invention, the method comprises the additional step of assigning each monotritruncated tetrahedron to one of the two groups such that two labyrinths are formed from the two groups of monotritruncated tetrahedrons. In a particular embodiment, each of the monotritruncated tetrahedrons resulting from dividing the rhomboid-shaped cell in half is assigned to either of the two groups, i.e. the first group of monotritruncated tetrahedrons or the second group of monotritruncated tetrahedrons. The first group forms the first labyrinth, and the second group forms the second labyrinth. Preferably, the first and second labyrinths extend throughout the internal structure of the article and/or the integral part of the article.
В конкретном варианте осуществления, способ настоящего изобретения содержит дополнительный этап вставки скелетного графа в каждый из типов ячейки в форме ромбоида, в частности, один скелетный граф в каждый монотриаусеченный четырехгранник таким образом, что создаются два перемеженных скелетных графа, охватывающих весь квазикристалл без взаимного соединения в любой точке. Эти скелетные графы продолжаются через один из двух лабиринтов, сформированных посредством назначения каждого монотриаусеченного четырехгранника одной из двух групп, как описано выше. Скелетные графы могут размещаться внутри монотриаусеченного четырехгранника таким способом, при котором они продолжаются через поверхности четырехгранников в соседние четырехгранники идентичной группы таким образом, что все скелетные графы в конкретной группе монотриаусеченных четырехгранников соединяются между собой. Другими словами, первый скелетный граф продолжается через первую группу монотриаусеченных четырехгранников, и второй скелетный граф продолжается через вторую группу монотриаусеченных четырехгранников.In a particular embodiment, the method of the present invention comprises the additional step of inserting a skeleton graph into each of the types of rhomboid-shaped cells, in particular one skeleton graph into each monotritruncated tetrahedron in such a way that two interleaved skeleton graphs are created, spanning the entire quasicrystal without being interconnected at any point. These skeleton graphs extend through one of the two labyrinths formed by assigning each monotritruncated tetrahedron to one of the two groups, as described above. The skeleton graphs may be placed inside a monotritruncated tetrahedron in such a way that they extend through the surfaces of the tetrahedrons into neighboring tetrahedrons of the same group in such a way that all skeleton graphs in a particular group of monotritruncated tetrahedrons are connected to each other. In other words, the first skeleton graph extends through the first group of monotritruncated tetrahedrons, and the second skeleton graph extends through the second group of monotritruncated tetrahedrons.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, для изделия более чем с одной выполненной за одно целое частью изделия, каждая из которых имеет структуру, этапы выбора числа плоскостей выполняются отдельно. Одно из преимуществ достижения этого может заключаться в том, что появляется возможность создавать зоны увеличенного «разрешения».In a particular embodiment of the present invention, for an article with more than one integral part of the article, each of which has a structure, the steps of selecting the number of planes are performed separately. One advantage of achieving this may be that it becomes possible to create zones of increased "resolution".
В конкретном варианте осуществления, связанном с выполненными за одно целое частями изделия с внутренней структурой, скелетные графы могут повышающе и/или понижающе масштабироваться, чтобы создавать локально уплотненные скелетные графы и/или менее плотные скелетные графы. Повышающее и/или понижающее масштабирование может становиться зависимым от набора параметров, к примеру, параметров, выбранных из группы, состоящей из следующего: трехмерная геометрия изделия, параметра(-ов) принтера, конечно-элементное моделирование и т.д.In a particular embodiment related to integral parts of an article with an internal structure, skeletal graphs may be scaled up and/or down to create locally dense skeletal graphs and/or less dense skeletal graphs. The scaling up and/or down may be dependent on a set of parameters, such as parameters selected from the group consisting of the following: three-dimensional geometry of the article, printer parameter(s), finite element modeling, etc.
В контексте настоящего изобретения, скелетный граф, например, может формироваться посредством множества деревьев, причем каждое дерево представляет мелкомасштабный граф, заполняющий один монотриаусеченный четырехгранник и состоящий из множества сегментов. В частности, каждое дерево идет с зеркальным партнером, вращаемым на 60 градусов вдоль оси диагонали ромбовидной ячейки соответствующего монотриаусеченного четырехгранника.In the context of the present invention, a skeleton graph, for example, can be formed by a plurality of trees, where each tree represents a fine-scale graph filling one monotritruncated tetrahedron and consisting of a plurality of segments. In particular, each tree comes with a mirror partner rotated by 60 degrees along the axis of the diagonal of the diamond cell of the corresponding monotritruncated tetrahedron.
В конкретном варианте осуществления, повышающее и/или понижающее масштабирование может приводить к пустым областям в выполненных за одно целое частей изделия с внутренней структурой. Соответственно, способ дополнительно может содержать этап заполнения пустых областей в выполненных за одно целое частях изделия с внутренней структурой, получающейся в результате повышающего и/или понижающего масштабирования скелетных графов. Это может достигаться, например, посредством продолжения свободных концов скелетных графов с дополнительными деревьями.In a particular embodiment, the up- and/or down-scaling may result in empty areas in integrally formed parts of the product with an internal structure. Accordingly, the method may further comprise a step of filling empty areas in integrally formed parts of the product with an internal structure resulting from the up- and/or down-scaling of the skeletal graphs. This may be achieved, for example, by extending the free ends of the skeletal graphs with additional trees.
Посредством способности динамически и локально адаптировать геометрию, плотность и масштаб скелетных графов, появляется возможность создавать настраиваемые и адаптивные заполнения и/или проектные решения. Если параметры печати также учитываются, дополнительно может становиться возможным делать изделия печатаемыми без необходимости печатных опорных структур для процессов, ранее требующих их, и/или печати стойких к большим силам изделий. Эти предметы дополнительно характеризуются посредством максимальной сопрягаемой поверхности в данном пространстве и с использованием наименьшего количества материала для достижения этого. Возможные варианты применения могут представлять собой в качестве компоновочных блоков или в качестве структур для теплообменников, кондиционирования воздуха, аккумуляторов, диализных аппаратов, других медицинских устройств, фильтров, имплантатов, наномасштабных материалов и метаматериалов, микромасштабных материалов и метаматериалов и т.д. Поскольку лабиринты создают два перемеженных, но отдельных непрерывных внутренних объема, они могут использоваться в качестве ударостойких резервуаров для порошков, зерен, жидких и/или газообразных веществ со специальными преимуществами в вариантах применения, в которых два компонента должны храниться отдельно, т.е. до смешивания между собой во время использования. Дополнительно преимущественно, результирующие изделия являются полезными в качестве контейнеров для систем, в которых два компонента хранятся отдельно и впоследствии используются вместе, к примеру, для топлива, клеев или строительных материалов. Означенное представляет собой только примерное число возможных вариантов применения результирующих изделий.By being able to dynamically and locally adapt the geometry, density and scale of the skeletal graphs, it becomes possible to create customizable and adaptive infills and/or design solutions. If the printing parameters are also taken into account, it may additionally become possible to make parts printable without the need for printed support structures for processes that previously required them and/or to print parts that are resistant to high forces. These objects are further characterized by the maximum mating surface in a given space and by using the least amount of material to achieve this. Possible applications may be as building blocks or as structures for heat exchangers, air conditioning, batteries, dialysis machines, other medical devices, filters, implants, nanoscale materials and metamaterials, microscale materials and metamaterials, etc. Since the labyrinths create two interleaved but separate continuous internal volumes, they can be used as impact-resistant containers for powders, grains, liquids and/or gases with special advantages in applications in which two components must be stored separately, i.e. before being mixed together during use. In addition, the resulting products are advantageously useful as containers for systems in which two components are stored separately and subsequently used together, such as fuels, adhesives or building materials. This represents only an approximate number of possible applications for the resulting products.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, который может представлять собой альтернативу или добавление относительно масштабирования скелетных графов, описанного выше, выполняется вокселная трехмерная предварительная обработка, при которой внутренняя структура оптимизируется на основе механического напряжения и автоматически формируется. В этом варианте осуществления, пара скелетных графов может формироваться, как описано выше, с немасштабированной плотностью, предпочтительно с немасштабированной плотностью, соответствующей наибольшей плотности, требуемой для конкретного задания в зависимости от механического напряжения/растяжения и формы изделия. В дополнительном конкретном варианте осуществления, вокселная трехмерная предварительная обработка содержит FEM-моделирование. В еще одном дополнительном конкретном варианте осуществления, форма изделия соответствует упомянутым скелетным графам с гомогенной плотностью. На основе формы изделия и/или параметров компоновки, и/или анализа механического напряжения/растяжения, скелетные графы прореживаются посредством удаления отдельных сегментов и/или магистралей графов, за счет этого создавая локально более плотные и менее плотные области.In a specific embodiment of the present invention, which may be an alternative or additional to the scaling of the skeleton graphs described above, a voxel-based three-dimensional pre-processing is performed, in which the internal structure is optimized based on the mechanical stress and automatically generated. In this embodiment, a pair of skeleton graphs may be generated as described above with an unscaled density, preferably with an unscaled density corresponding to the highest density required for a specific task depending on the mechanical stress/stretching and the shape of the product. In a further specific embodiment, the voxel-based three-dimensional pre-processing comprises FEM modeling. In yet another further specific embodiment, the shape of the product corresponds to said skeleton graphs with a homogeneous density. Based on the shape of the product and/or the layout parameters and/or the analysis of the mechanical stress/stretching, the skeleton graphs are thinned by removing individual segments and/or highways of the graphs, thereby creating locally denser and less dense regions.
В контексте настоящего изобретения, скелетный граф немасштабированной плотности может обеспечиваться посредством способа настоящего изобретения, как описано выше, с началом с ячеек в форме ромбоида, деления пополам ячеек на монотриаусеченные четырехгранники и создания скелетных графов, которые продолжаются через обе группы монотриаусеченных четырехгранников, как пояснено выше и с охватыванием различных варьирований и альтернатив, как описано выше. Альтернативно, скелетный граф, обеспеченный посредством способа этого варианта осуществления, может обеспечиваться посредством существующего ранее скелетного графа, например, из трижды периодической минимальной поверхности, известной в данной области техники.In the context of the present invention, the unscaled density skeleton graph may be provided by the method of the present invention as described above, starting with rhomboid-shaped cells, bisecting the cells into monotritruncated tetrahedra, and creating skeleton graphs that continue through both groups of monotritruncated tetrahedra, as explained above, and encompassing various variations and alternatives as described above. Alternatively, the skeleton graph provided by the method of this embodiment may be provided by a pre-existing skeleton graph, such as from a triply periodic minimal surface known in the art.
Одно дополнительное преимущество настоящего изобретения может заключаться в обеспечении автоматизируемой заполняющей системы посредством осуществления способа согласно настоящему изобретению. Все это, с учетом FEM-моделирования, требуемого сопротивления, геометрии, размера, веса, материала и параметров устройств, является дискреционным от соответствующего задания печати.One additional advantage of the present invention may be to provide an automated filling system by implementing the method according to the present invention. All this, taking into account the FEM modeling, the required resistance, geometry, size, weight, material and parameters of the devices, is discretionary from the corresponding printing task.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, скелетные графы используются для того, чтобы конструировать поверхности, равноотстоящие от обоих графов и глобально разделяющие два лабиринта, заданные посредством скелетных графов.In a particular embodiment of the present invention, skeleton graphs are used to construct surfaces that are equidistant from both graphs and globally separate two mazes defined by the skeleton graphs.
В дополнительном конкретном варианте осуществления, вокселный анализ Вороного используется для того, чтобы создавать первое приближение поверхности, равноотстоящей от обоих графов.In a further specific embodiment, a voxel-based Voronoi analysis is used to create a first approximation of a surface equidistant from both graphs.
В еще одном дополнительном варианте осуществления, посредством минимизации среднеквадратической кривизны этой поверхности, минимальная поверхность может создаваться, как подробно указано выше. Альтернативно и/или дополнительно, сглаживание поверхности может выполняться посредством способов, выбранных из группы, состоящей из следующего: сглаживание посредством использования оператора Лапласа, LS3-подразделение Лупа и алгоритмы на основе потока кривизны и т.д. либо комбинация вышеозначенного. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления, посредством минимизации среднеквадратической кривизны этой поверхности, может создаваться апериодическая минимальная поверхность, как подробно указано выше.In yet another further embodiment, by minimizing the mean square curvature of this surface, the minimum surface can be created as detailed above. Alternatively and/or additionally, the surface smoothing can be performed by methods selected from the group consisting of the following: smoothing by using the Laplace operator, LS3 subdivision of Loop and algorithms based on curvature flow, etc., or a combination of the above. In an alternative or additional embodiment, by minimizing the mean square curvature of this surface, an aperiodic minimum surface can be created, as detailed above.
В еще одном дополнительном варианте осуществления, сглаживание поверхности, равноотстоящей от обоих графов, полученных посредством вокселного анализа Вороного, может выполняться посредством повторного применения следующих операций: (1) одна итерация LS3-подразделения Лупа, взвешиваемого для того, чтобы улучшать регулярность, (2) одна-десять итераций, предпочтительно три итерации, сглаживания посредством оператора Лапласа с использованием котангенсного взвешивания, и (3) уменьшение разрешения ячеистой сетки вплоть до 50% с использованием алгоритма упрощения на основе квадратичного схлопывания граней или уменьшение разрешения ячеистой сетки до 50% либо до 25%, либо до 12,5%, либо до 6,25%, либо до 3,125%. Предпочтительно, эти операции выполняются таким образом, что все треугольники на границе(ах) поверхности остаются без касания.In yet another embodiment, smoothing the surface equidistant from both graphs obtained by the Voronoi voxel analysis may be performed by repeatedly applying the following operations: (1) one iteration of the LS3 Loop subdivision weighted to improve regularity, (2) one to ten iterations, preferably three iterations, of smoothing by the Laplace operator using cotangent weighting, and (3) reducing the mesh resolution to 50% using a quadratic face collapse simplification algorithm or reducing the mesh resolution to 50%, or to 25%, or to 12.5%, or to 6.25%, or to 3.125%. Preferably, these operations are performed such that all triangles on the boundary(ies) of the surface remain non-touching.
За счет увеличения итераций, можно аппроксимировать минимальную поверхность с большей точностью. Это приводит к более сглаженной поверхности. Число повторений может зависеть от производительности компьютера, требуемой точности и доступного времени вычислений, предпочтительно выполняются два-три повторения.By increasing the iterations, the minimal surface can be approximated with greater accuracy. This results in a smoother surface. The number of iterations may depend on the computer performance, the required accuracy and the available computation time, but two or three iterations are preferably performed.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, скелетные графы после минимизации и/или сглаживания кривизны равноотстоящей поверхности создают трижды периодическую минимальную поверхность, выбранную из группы, состоящей из следующего: дисфеноидальные поверхности Бракке рода 31, 35, 43, 51, 55 и 67, гексаплоскостные поверхности Бракке рода 6, 12, 18, 24 и 30, звездоподобные поверхности Бракке рода 31, 43, 47, 55, 59, 63, 67, 71, 75, 79, 83, 87, 91, 99, 103, 115, триплоскостные поверхности Бракке рода 3, 9, 15, 21, 27, 33, S-, C(S)-, Y- и C(Y)-поверхности Фишера-Коха, P3a-поверхность Лорда-Макея, поверхность Неовиуса и комплементарные P-поверхности Шена рода 15, 21, 27, 33, 39 и 45, Ж-образные поверхности Шена рода 25, 41 и 57 и псевдо-Ж-образная поверхность Бракке, F-RD-, F-RD(r)-, P-, F-RD-, S'-S''|P- и S-S''-поверхности Шена, GW-, I-WP-, I-WP(r)- и O-, CT-O-поверхности Шена, гироидальная поверхность Шена, H'-T, H''-R, T'-R', H'-T|H''-R, T'-R'|H'-T и H''-R|T'-R'-поверхности Шена, гибридные S-S'', S'-S''|P, H'-T, H''-R, T'-R', H'-T|H''-R, T'-R'|H'-T и H''-R|T'-R'-поверхности Шена, мантовые поверхности Шена рода 19, 35 и 51, RII-, RIII-, I-6-, I-8- и I-9-поверхности Шена, N14-, N26- и N38-поверхности Шена/Бракке, P-, D-, H-, CLP-поверхности Шварца, комплементарная D-поверхность Шена и все производные означенного.In a particular embodiment of the present invention, the skeleton graphs, after minimizing and/or smoothing the curvature of the equidistant surface, create a triply periodic minimal surface selected from the group consisting of the following: disphenoidal Bracke surfaces of genus 31, 35, 43, 51, 55 and 67, hexaplanar Bracke surfaces of genus 6, 12, 18, 24 and 30, star-shaped Bracke surfaces of genus 31, 43, 47, 55, 59, 63, 67, 71, 75, 79, 83, 87, 91, 99, 103, 115, triplanar Bracke surfaces of genus 3, 9, 15, 21, 27, 33, S-, C(S)-, Y- and C(Y)-surfaces Fischer-Koch, P3a-Lord-Mackay surface, Neovius surface and complementary P-Schoen surfaces of genus 15, 21, 27, 33, 39 and 45, Ж-shaped Shen surfaces of genus 25, 41 and 57 and pseudo-Ж-shaped Brakke surface, F-RD-, F-RD(r)-, P-, F-RD-, S'-S''|P- and S-S''-Schoen surfaces, GW-, I-WP-, I-WP(r)- and O-, CT-O-Schoen surfaces, gyroidal Shen surface, H'-T, H''-R, T'-R', H'-T|H''-R, T'-R'|H'-T and H''-R|T'-R'-Schoen surfaces, hybrid S-S'', S'-S''|P, H'-T, H''-R, T'-R', H'-T|H''-R, T'-R'|H'-T and H''-R|T'-R'-Schwarz surfaces, mantle Shen surfaces of genus 19, 35 and 51, RII-, RIII-, I-6-, I-8- and I-9-Schwarz surfaces, N14-, N26- and N38-Schwarz/Bracke surfaces, P-, D-, H-, CLP-Schwarz surfaces, complementary D-Schwarz surface and all derivatives of the above.
В частности, предпочтительно, если скелетные графы после минимизации среднеквадратической кривизны равноотстоящей поверхности либо после сглаживания посредством любого другого средства, как описано выше, создают трижды периодическую минимальную поверхность, выбранную из группы, состоящей из следующего: тип P-поверхности Шварца, тип D-поверхности Шварца, тип G-поверхности Шена, тип S-поверхности Фишера-Коха, тип CY-поверхности Фишера-Коха, тип GW-поверхности Шена и/или тип P3a-поверхности Лорда-Макея.In particular, it is preferable if the skeletal graphs, after minimizing the mean square curvature of the equidistant surface or after smoothing by any other means as described above, create a triply periodic minimal surface selected from the group consisting of the following: a Schwartz type P-surface, a Schwartz type D-surface, a Shen type G-surface, a Fischer-Koch type S-surface, a Fischer-Koch type CY-surface, a Shen type GW-surface and/or a Lord-Mackay type P3a-surface.
Специалисты в данной области техники понимают из идеи настоящего изобретения то, что вариант применения способа, описанный в данном документе, может приводить к проектному решению и/или заполнению с квазипериодической и/или апериодической минимальной поверхностью, ранее не характеризуемой, как представлено в любой из вышеприведенных групп.Those skilled in the art will appreciate from the teachings of the present invention that the embodiment of the method described herein may result in a design solution and/or filling with a quasi-periodic and/or aperiodic minimum surface not previously characterized as represented in any of the above groups.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, локальная адаптация скелетных графов, как описано выше, т.е. посредством повышающего и/или понижающего масштабирования и/или удаления сегментов, приводит к уникальной минимальной поверхности, оптимизированной для конкретного изделия.In a particular embodiment of the present invention, local adaptation of skeletal graphs as described above, i.e. by up-scaling and/or down-scaling and/or segment removal, results in a unique minimum surface optimized for a particular product.
Один аспект настоящего изобретения заключается в применении описанного способа на этапе проектирования и предварительной обработки при аддитивном изготовлении для облегчения веса и/или проектирования изделия, которое должно печататься. Параметры для локальной адаптации и гиперболического масштабирования скелетных графов затем определяются на основе геометрии изделия, конечно-элементного моделирования случаев нагрузки, параметров способа печати и т.д., требуемых для специалистов в данной области техники для конкретного задания печати.One aspect of the present invention is the application of the described method in the design and pre-processing stage of additive manufacturing for lightening the weight and/or design of an article to be printed. Parameters for local adaptation and hyperbolic scaling of skeletal graphs are then determined based on the article geometry, finite element modeling of load cases, printing method parameters, etc., required by those skilled in the art for a specific printing task.
Один дополнительный аспект настоящего изобретения заключается в компьютерном программном продукте для предварительной обработки аддитивно изготовленного изделия, причем изделие содержит одну или более частей изделия, каждая из которых имеет структуру, в частности, в силу чего одна из этих структур представляет собой внутреннюю структуру. Компьютерный программный продукт выполнен с возможностью осуществления способа согласно настоящему изобретению, при выполнении на компьютере.An additional aspect of the present invention is a computer program product for pre-processing an additively manufactured article, wherein the article comprises one or more parts of the article, each of which has a structure, in particular, whereby one of these structures is an internal structure. The computer program product is configured to implement the method according to the present invention, when executed on a computer.
Один дополнительный аспект настоящего изобретения заключается в аддитивно изготовленном изделии, получаемом посредством осуществления способа настоящего изобретения. Изделие содержит квазикристаллическое и/или квазипериодическое минимальное поверхностное заполнение, и/или квазипериодическую минимальную поверхностную проектную структуру, и/или апериодическое минимальное поверхностное заполнение, и/или апериодическую минимальную поверхностную проектную структуру.An additional aspect of the present invention is an additively manufactured article obtainable by implementing the method of the present invention. The article comprises a quasi-crystalline and/or quasi-periodic minimum surface filling and/or a quasi-periodic minimum surface design structure and/or an aperiodic minimum surface filling and/or an aperiodic minimum surface design structure.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, аддитивно изготовленное изделие, получаемое посредством способа, описанного выше, содержит наружную обшивку, задающую форму изделия и заполнение. Заполнение содержит по существу квазипериодическую минимальную поверхность. В контексте настоящего изобретения, по существу квазипериодическая минимальная поверхность может представлять собой приближение минимальной поверхности посредством выполнения сглаживания, как описано в вышеприведенных вариантах осуществления способа.In a particular embodiment of the present invention, the additively manufactured article obtained by the method described above comprises an outer skin defining the shape of the article and a filling. The filling comprises a substantially quasi-periodic minimum surface. In the context of the present invention, the substantially quasi-periodic minimum surface may be an approximation of the minimum surface by performing smoothing, as described in the above embodiments of the method.
В дополнительном конкретном варианте осуществления, аддитивно изготовленное изделие имеет минимальное поверхностное заполнение, которое касается наружной обшивки по существу в перпендикулярном направлении. В настоящем контексте, "по существу перпендикулярный" может пониматься как допуск потенциального отклонения между 0,1 и 5 градусов от угла в 90 градусов, причем он обеспечивает идеальный проводник нагрузок из обшивки изделия в заполнение. В конкретном варианте осуществления, минимальная поверхность является апериодической.In a further specific embodiment, the additively manufactured article has a minimum surface filling that touches the outer skin in a substantially perpendicular direction. In the present context, "substantially perpendicular" can be understood as a tolerance of a potential deviation between 0.1 and 5 degrees from an angle of 90 degrees, whereby it provides an ideal conductor of loads from the skin of the article to the filling. In a specific embodiment, the minimum surface is aperiodic.
В конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, аддитивно изготовленное изделие состоит из металла, еще более предпочтительно металла, используемого для селективной лазерной плавки.In a particular embodiment of the present invention, the additively manufactured article comprises a metal, even more preferably a metal used for selective laser melting.
Посредством настоящего изобретения, представляется универсальный способ создания, спецификации и определения размеров адаптированных и оптимизированных структур для аддитивно изготовленных изделий, который обеспечивает структурирование и заполнение этих изделий изготовленной на заказ структурой, приспособленной к геометрическим, структурным и конкретным для принтера требованиям конкретного изделия, которые должны задавать специалисты в данной области техники.By means of the present invention, a universal method for creating, specifying and sizing customized and optimized structures for additively manufactured articles is provided, which enables structuring and filling of these articles with a custom-made structure adapted to the geometric, structural and printer-specific requirements of the particular article, which must be specified by specialists in the art.
Ниже по тексту проиллюстрировано настоящее изобретение посредством чертежей и конкретных примеров, без ограничения ими. Однако, специалисты в данной области техники должны иметь возможность извлекать дополнительные преимущественные варианты осуществления и реализации изобретения посредством изучения соответствующих примеров.The present invention is illustrated below by means of drawings and specific examples, without being limited thereto. However, those skilled in the art should be able to derive additional advantageous embodiments and implementations of the invention by studying the corresponding examples.
Специалистам в данной области техники должно быть совершенно очевидным, что все вышеуказанные описанные варианты осуществления могут быть включены в способ, компьютерный программный продукт и/или изделие согласно настоящему изобретению в любой комбинации при условии, что они не являются взаимоисключающими.It should be readily apparent to those skilled in the art that all of the above described embodiments may be included in the method, computer program product and/or article of manufacture according to the present invention in any combination, provided that they are not mutually exclusive.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Фиг. 1a-1e схематично показывают то, как может компоноваться структура или внутренняя структура согласно настоящему изобретению;Fig. 1a-1e schematically show how the structure or internal structure according to the present invention can be arranged;
Фиг. 2a и фиг. 2b показывают примерные структуры, получаемые посредством способа настоящего изобретения;Fig. 2a and Fig. 2b show exemplary structures obtainable by the method of the present invention;
Фиг. 3a и фиг. 3b схематично показывают то, как понижающее масштабирование согласно настоящему изобретению может выполняться для иллюстративных геометрий;Fig. 3a and Fig. 3b schematically show how downscaling according to the present invention can be performed for illustrative geometries;
Фиг. 4a и фиг. 4d схематично показывают то, как примерный объект может заполняться адаптивно масштабированной структурой согласно настоящему изобретению;Fig. 4a and Fig. 4d schematically show how an exemplary object may be filled with an adaptively scaled structure according to the present invention;
Фиг. 5a-5e схематично показывают то, как примерный объект может заполняться адаптивно масштабированной структурой согласно дополнительному варианту осуществления настоящее изобретениеFig. 5a-5e schematically show how an exemplary object may be filled with an adaptively scaled structure according to a further embodiment of the present invention.
Фиг. 6a и 6b показывает пример настоящего изобретения;Fig. 6a and 6b show an example of the present invention;
Фиг. 7a и 7b показывают примерные внутренние структуры и/или структуры согласно настоящему изобретению, иFig. 7a and 7b show exemplary internal structures and/or structures according to the present invention, and
Фиг. 8 показывает вариант осуществления настоящего изобретения на основе способа согласно фиг. 5a-5e;Fig. 8 shows an embodiment of the present invention based on the method according to Figs. 5a-5e;
Фиг. 9 является изображением изделия без наружной обшивки, компонуемой согласно идее настоящего изобретения.Fig. 9 is an illustration of a product without outer skin, assembled according to the idea of the present invention.
Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of embodiments of the invention
Фиг. 1a-1e служат для иллюстрации некоторых этапов способа настоящего изобретения для облегчения веса и/или проектирования аддитивно изготовленного изделия посредством иллюстрации поэтапного подхода и схематичного продвижения через различные этапы процесса, которые могут приводить к структуре согласно настоящему изобретению, в упрощенном примере.Fig. 1a-1e serve to illustrate some steps of the method of the present invention for lightening the weight and/or design of an additively manufactured article by illustrating a step-by-step approach and a schematic progression through the various process steps that may lead to a structure according to the present invention, in a simplified example.
Фиг. 1a показывает ячейку в форме ромбоида 1, которая может использоваться в качестве базового начального компоновочного блока для осуществления способа настоящего изобретения. На первом этапе, обеспечивается ячейка в форме ромбоида 1 с шестью гранями, и в настоящем примере она состоит из шести ромбовидных граней, соединенных посредством ребер 11, ..., 22, имеющих общее число в двенадцать ребер 11, ..., 22. Ячейка в форме ромбоида 1 в настоящем примере формирует ромбоэдр, в котором ни один из углов между двумя смежными ребрами 11, ..., 22 не располагается под правильным углом. В контексте настоящего изобретения, ромбоид должен всегда упоминаться как связанный с трехмерной формой.Fig. 1a shows a rhomboid-shaped cell 1, which can be used as a basic initial building block for implementing the method of the present invention. In a first step, a rhomboid-shaped cell 1 with six faces is provided, and in the present example it consists of six rhomboid-shaped faces connected by edges 11, ..., 22, having a total number of twelve edges 11, ..., 22. The rhomboid-shaped cell 1 in the present example forms a rhombohedron in which none of the angles between two adjacent edges 11, ..., 22 are located at a right angle. In the context of the present invention, a rhomboid should always be referred to as associated with a three-dimensional shape.
Ячейка в форме ромбоида 1, как проиллюстрировано на фиг. 1a, является примерным представлением такой ячейки. В этом примере, способ на основе сеток де Брейна использован посредством ввода четырех векторов в качестве первичного ввода и создания определенного числа семейств плоскостей (каждое из которых состоит из определенного числа параллельных плоскостей). В настоящем примере, число семейств плоскостей соответствует числу векторов, т.е. четырем.The rhomboid-shaped cell 1, as illustrated in Fig. 1a, is an exemplary representation of such a cell. In this example, the de Bruijn grid-based method is used by inputting four vectors as the primary input and creating a certain number of plane families (each consisting of a certain number of parallel planes). In the present example, the number of plane families corresponds to the number of vectors, i.e. four.
Дополнительно касательно настоящего примера, каждое семейство плоскостей имеет три плоскости. Как уже подробно указано в общем описании, число плоскостей может изменяться в зависимости от требуемого разрешения для намеченной геометрии результирующей квазикристаллической структуры и по существу ограничивается только посредством мощности обработки компьютерной системы, используемой для проектирования изделия.Additionally, with respect to the present example, each plane family has three planes. As already detailed in the general description, the number of planes may vary depending on the required resolution for the intended geometry of the resulting quasicrystalline structure and is essentially limited only by the processing power of the computer system used to design the product.
В настоящем примере, три плоскости использованы для каждого семейства плоскостей, и разнесение между плоскостями выбрано одинаковым, т.е. каждая плоскость размещается равноотстояще от соответствующей последовательной плоскости относительно предыдущей. Все эти плоскости являются нормальными к вектору. Как уже подробно указано выше, размещение плоскостей может изменяться на случайное или соответствующее конкретным заданным расстояниям.In this example, three planes are used for each plane family, and the spacing between the planes is chosen to be uniform, i.e. each plane is placed equidistant from the corresponding successive plane relative to the previous one. All these planes are normal to the vector. As already detailed above, the placement of the planes can be changed to random or to correspond to specific specified distances.
На первом этапе, ячейка в форме ромбоида 1 делится пополам. Деление пополам ячейки в форме ромбоида 1 выполняется посредством размещения двух четырехгранников 30.1, 30.2, имеющих идентичный объем в ячейке в форме ромбоида 1, таким образом, что только минимальный объем соответствующего четырехгранника 30.1, 30.2 остается за пределами ячейки в форме ромбоида 1, и ни один из объема ячейки в форме ромбоида 1 не покрывается посредством соответствующего четырехгранника 30.1, 30.2. В иллюстрации по фиг. 1a, четырехгранники 30.1, 30.2 показаны с пунктирной линией. Четырехгранники 30.1, 30.2 помещаются в ячейку в форме ромбоида 1 таким образом, что каждый пирамидальный четырехгранник вырезается из ребер четырехгранников 30.1, 30.2. Контактная грань между двумя четырехгранниками 30.1, 30.2 должна формировать грань F пересечения (см. фиг. 1b). В настоящем примере, контактная поверхность между двумя четырехгранниками 30.1, 30.2 вырезает поперечные ребра 13, 14, 15, 17, 19, 20 в середине соответствующей длины ребра. Углы четырехгранников 30.1, 30.2 выбираются таким образом, что он совпадают с углами ячейки в форме ромбоида 1.In the first step, the rhomboid-shaped cell 1 is divided in half. The bisection of the rhomboid-shaped cell 1 is performed by placing two tetrahedrons 30.1, 30.2 having identical volume in the rhomboid-shaped cell 1 in such a way that only the minimum volume of the corresponding tetrahedron 30.1, 30.2 remains outside the rhomboid-shaped cell 1 and none of the volume of the rhomboid-shaped cell 1 is covered by the corresponding tetrahedron 30.1, 30.2. In the illustration of Fig. 1a, the tetrahedrons 30.1, 30.2 are shown with a dotted line. The tetrahedrons 30.1, 30.2 are placed in the rhomboid-shaped cell 1 in such a way that each pyramidal tetrahedron is cut out from the edges of the tetrahedrons 30.1, 30.2. The contact face between two tetrahedrons 30.1, 30.2 shall form the intersection face F (see Fig. 1b). In the present example, the contact surface between two tetrahedrons 30.1, 30.2 cuts transverse edges 13, 14, 15, 17, 19, 20 in the middle of the corresponding edge length. The corners of the tetrahedrons 30.1, 30.2 are chosen so that they coincide with the corners of the rhomboid-shaped cell 1.
Дополнительно, первый четырехгранник 30.1 из двух из них выделяется первой группе A, тогда как второй четырехгранник 30.2 выделяется второй группе B.Additionally, the first tetrahedron 30.1 of the two of them is allocated to the first group A, while the second tetrahedron 30.2 is allocated to the second group B.
Как показано на фиг. 1b, деление пополам ячейки в форме ромбоида 1 приводит к грани F пересечения, которая является шестиугольной, при этом каждый угол находится на соответствующем поперечном ребре ячейки в форме ромбоида 1 и, в настоящем примере, точно в середине упомянутого ребра. Ячейка в форме ромбоида 1 делится пополам на два тела равного объема. Для целей настоящего изобретения, эти два тела называются "монотриаусеченными четырехгранниками 2, 2'". Как уже указано выше, для контекста настоящего изобретения, усеченный четырехгранник может пониматься как правильный четырехгранник с четырьмя вырезанными углами. Монотриаусеченный четырехгранник, с другой стороны, представляет собой четырехгранник, только три из четырех углов которого вырезаются. По сравнению с усеченным четырехгранником, он имеет семь граней вместо восьми.As shown in Fig. 1b, the bisection of the rhomboid cell 1 results in an intersection face F which is hexagonal, with each corner located on the corresponding transverse edge of the rhomboid cell 1 and, in the present example, exactly in the middle of said edge. The rhomboid cell 1 is bisected into two bodies of equal volume. For the purposes of the present invention, these two bodies are called "monotriatruncated tetrahedrons 2, 2'". As already indicated above, for the context of the present invention, a truncated tetrahedron can be understood as a regular tetrahedron with four corners cut out. A monootriatruncated tetrahedron, on the other hand, is a tetrahedron only three of whose four corners are cut out. Compared to a truncated tetrahedron, it has seven faces instead of eight.
Деление пополам в силу этого приводит к двум монотриаусеченным четырехгранникам 2, 2', соответствующим четырехграннику, используемому для деления пополам, и подходящим для соответствующей половины ячейки в форме ромбоида 1. Каждый из монотриаусеченных четырехгранников 2, 2' принадлежит любой из групп A или B. На иллюстрации по фиг. 1b, монотриаусеченный четырехгранник 2 слева принадлежит группе A, тогда как монотриаусеченный четырехгранник 2' справа принадлежит группе B. Специалистам в данной области техники должно быть совершенно очевидным, что это разделение является чисто произвольным, и для целей иллюстрации идеи настоящего изобретения, релевантно, если на основе любой ячейки в форме ромбоида, посредством деления пополам ячейки на два четырехгранника равного объема, каждый из которых по существу находится внутри структуры с множеством ячеек в форме ромбоида, создаются две группы A, B, каждая из которых формирует лабиринт, как подробнее поясняется ниже.The bisection therefore results in two monotriatruncated tetrahedra 2, 2' corresponding to the tetrahedron used for the bisection and suitable for the corresponding half of the rhomboid-shaped cell 1. Each of the monotriatruncated tetrahedra 2, 2' belongs to either the groups A or B. In the illustration of Fig. 1b, the monotriatruncated tetrahedron 2 on the left belongs to the group A, while the monotriatruncated tetrahedron 2' on the right belongs to the group B. It will be readily apparent to those skilled in the art that this division is purely arbitrary and, for the purposes of illustrating the teachings of the present invention, it is relevant if, based on any rhomboid-shaped cell, by bisecting the cell into two tetrahedra of equal volume, each of which is substantially located within a structure with a plurality of rhomboid-shaped cells, two groups A, B are created, each of which forms a labyrinth, as explained in more detail below.
Для настоящего примера, после начального выделения монотриаусеченного четырехгранника 2, 2' любой из групп A или B, фактически необходимо следовать идентичной логике для всех ячеек в форме ромбоида внутри одной структуры. Другими словами, если половина "слева" выбирается таким образом, что она принадлежит группе A, то в полной структуре, все половины, которые логически представляют собой "левые" половины, должны формировать монотриаусеченный четырехгранник 2, принадлежащий группе A.For the present example, after initially selecting a monotriatruncated tetrahedron 2, 2' of either group A or B, one must in fact follow identical logic for all rhomboid-shaped cells within the same structure. In other words, if the half "on the left" is selected such that it belongs to group A, then in the full structure, all halves that are logically "left" halves must form a monotriatruncated tetrahedron 2 belonging to group A.
Это выделение монотриаусеченных четырехгранников 2, 2' одной группе уже создает два вплетенных непрерывных и квазипериодических бесконечных многогранника внутри структуры.This allocation of monotriatruncated tetrahedra 2, 2' to one group already creates two interwoven continuous and quasi-periodic infinite polyhedra within the structure.
Фиг. 1c иллюстрирует дополнительный этап способа. В каждый из результирующих монотриаусеченных четырехгранников 2, 2', вставляется скелетный граф A', B'. Скелетные графы A', B', проиллюстрированные на фиг. 1c, являются иллюстративными примерами того, как такие скелетные графы могут вставляться в соответствующий монотриаусеченный четырехгранник 2, 2'. За счет этого, для каждой ячейки в форме ромбоида соответствующей структуры, скелетные графы A', B' продолжаются, к примеру, таким образом, что они охватывают весь объем структуры. Каждый скелетный граф A', B' соединяется со скелетным графом(-ами) A', B' в соседнем монотриаусеченном четырехграннике идентичной группы. Для иллюстрации присоединения к группе в настоящем примере, на скелетные графы ссылаются с идентичной буквой, что и группа, которой они принадлежат, т.е. скелетный граф A' по фиг. 1c продолжается в объем, созданный посредством всех монотриаусеченных четырехгранников 2, принадлежащих группе A.Fig. 1c illustrates an additional step of the method. In each of the resulting monotritruncated tetrahedrons 2, 2', a skeleton graph A', B' is inserted. The skeleton graphs A', B' illustrated in Fig. 1c are illustrative examples of how such skeleton graphs can be inserted into the corresponding monotritruncated tetrahedron 2, 2'. In this way, for each rhomboid-shaped cell of the corresponding structure, the skeleton graphs A', B' are extended, for example, in such a way that they span the entire volume of the structure. Each skeleton graph A', B' is connected to the skeleton graph(s) A', B' in the adjacent monotritruncated tetrahedron of the identical group. To illustrate the group attachment in the present example, the skeleton graphs are referred to with the same letter as the group to which they belong, i.e. the skeleton graph A' of Fig. 1c continues into the volume created by all monotriatruncated tetrahedra 2 belonging to group A.
В настоящем примере, как проиллюстрировано на фиг. 1d, скелетный граф A' разветвляется из двух внутренних узлов N1, N2. Внутренние узлы N1, N2 могут размещаться внутри конкретной области N внутри объема монотриаусеченного четырехгранника 2, принадлежащего группе A. Это может приводить к "магистрали" древовидной структуры для скелетного графа в монотриаусеченном четырехграннике 2. "Магистраль" имеет варьирующийся размер, вплоть до конкретного варианта осуществления, в котором первый внутренний узел N1 и второй внутренний узел N2 являются идентичными, т.е. находятся в идентичном пятне, и длина "магистрали" равна нулю.In the present example, as illustrated in Fig. 1d, the skeleton graph A' branches from two internal nodes N1, N2. The internal nodes N1, N2 may be located within a particular region N within the volume of the monotritruncated tetrahedron 2 belonging to the group A. This may result in a "backbone" of the tree structure for the skeleton graph in the monotritruncated tetrahedron 2. The "backbone" has a varying size, up to a particular embodiment in which the first internal node N1 and the second internal node N2 are identical, i.e., are in the same spot, and the length of the "backbone" is zero.
В настоящем примере, первый внутренний узел N1 и второй внутренний узел N2 разнесены и разветвляются на три ответвления каждый. Для понятности чертежей, ветвление проиллюстрировано посредством упомянутого примера в монотриаусеченном четырехграннике 2', принадлежащем группе B. Здесь, первый и второй внутренние узлы разнесены и соединяются посредством магистрали b1. Каждый внутренний узел разветвляется на три ответвления, и эти ответвления срезают поверхности монотриаусеченного четырехгранника 2' в конкретных зонах. Для конструирования скелетного графа B', принадлежащего группе B, каждый монотриаусеченный четырехгранник 2' соединяется со смежными монотриаусеченными четырехгранниками и имеет соединительный узел bi, ..., bl, который касается соединительного узла соответствующего соседнего монотриаусеченного четырехгранника в конкретной грани G, ..., L узла. Например, ветвь первого узла скелетного графа B' на фиг. 1d продолжается через грань G узла и вырезает эту грань в соединительном узле bg. Этот соединительный узел bg представляет собой точку, в которой соответствующее ответвление соседнего скелетного графа соединяется со скелетным графом монотриаусеченного четырехгранника 2' по фиг. 1d.In the present example, the first internal node N1 and the second internal node N2 are spaced apart and branch into three branches each. For the clarity of the drawings, the branching is illustrated by means of the mentioned example in the monotritruncated tetrahedron 2' belonging to the group B. Here, the first and second internal nodes are spaced apart and connected by the backbone b1. Each internal node branches into three branches, and these branches cut the surfaces of the monotritruncated tetrahedron 2' in specific zones. To construct the skeleton graph B' belonging to the group B, each monotritruncated tetrahedron 2' is connected to adjacent monotritruncated tetrahedrons and has a connecting node bi, ..., bl that touches the connecting node of the corresponding neighboring monotritruncated tetrahedron in a specific face G, ..., L of the node. For example, the branch of the first node of the skeleton graph B' in Fig. 1d extends through the face G of the knot and cuts this face at the connecting node bg. This connecting node bg is the point at which the corresponding branch of the adjacent skeleton graph connects to the skeleton graph of the monotriatruncated tetrahedron 2' of Fig. 1d.
Результирующие скелетные графы A', B' охватывают или объединяют в себе весь квазикристалл без взаимного соединения в любой точке. Фиг. 1e иллюстрирует этап создания минимальной поверхностной заполняющей структуры посредством конструирования поверхности, равноотстоящей от обоих скелетных графов. Это разделяет объем полной структуры, которая заполняется заполнением или проектируется с возможностью компоноваться из структуры согласно настоящему изобретению, на два отдельных объема A, B. Структура может динамически адаптироваться для регулирования согласно варьирующимся геометриям изделия, и поскольку ячейка в форме ромбоида 1 настоящего изобретения специально выбирается на фиг. 1a-1e простой, специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что внутри структуры, может существовать определенное число сжатых, расширенных или искаженных ячеек в форме ромбоида. Конструирование поверхности, равноотстоящей от обоих скелетных графов, может содержать приближение поверхности, равноотстоящей от обоих скелетных графов.The resulting skeletal graphs A', B' encompass or integrate the entire quasicrystal without being interconnected at any point. Fig. 1e illustrates the step of creating a minimal surface infill structure by constructing a surface equidistant from both skeletal graphs. This divides the volume of the overall structure, which is filled with infill or designed to be composed from the structure according to the present invention, into two separate volumes A, B. The structure can be dynamically adapted to adjust to varying product geometries, and since the rhomboid-shaped cell 1 of the present invention is specifically chosen to be simple in Figs. 1a-1e, it should be obvious to those skilled in the art that within the structure, there may be a certain number of compressed, expanded or distorted rhomboid-shaped cells. The construction of the surface equidistant from both skeletal graphs may comprise an approximation of the surface equidistant from both skeletal graphs.
В настоящем примере, структура 10 проиллюстрирована с двумя соответствующими скелетными графами A', B' и соответствующим внутренним объемом A, B, через который расширяются скелетные графы A', B', принадлежащие одной конкретной группе A или B.In the present example, structure 10 is illustrated with two corresponding skeleton graphs A', B' and a corresponding interior volume A, B through which the skeleton graphs A', B' belonging to one particular group A or B are extended.
В этом конкретном примере, применяется минимизация среднеквадратической кривизны поверхностей, равноотстоящих от обоих графов, посредством компьютерных FEM-процессов. В зависимости от пространственных, геометрических и механических ограничений и случаев нагрузки, заданных для изделия, при использовании настоящего способа, структура является уникальной и, в частности, адаптированной для изделия. В силу этого наиболее базового принципа настоящего изобретения, обеспечивается способ, посредством которого может компоноваться бессчетное число изделий, состоящих из вышеописанной структуры или содержащих вышеописанную структуру в качестве заполняющей и внутренней структуры по несущим нагрузку или другим структурным причинам. Дополнительно, поскольку способ настоящего изобретения по существу идеально разделяет данный объем на два равных лабиринта, варианты применения, в которых такое разделение объема в двух отсеках требуется, получают существенную выгоду от идеи настоящего изобретения.In this particular example, the minimization of the root-mean-square curvature of surfaces equidistant from both graphs is applied by means of computer FEM processes. Depending on the spatial, geometrical and mechanical constraints and load cases specified for the product, when using the present method, the structure is unique and, in particular, adapted to the product. Due to this most basic principle of the present invention, a method is provided by which an infinite number of products can be assembled, consisting of the above-described structure or containing the above-described structure as a filling and internal structure for load-bearing or other structural reasons. In addition, since the method of the present invention essentially ideally divides a given volume into two equal labyrinths, applications in which such a division of a volume into two compartments is required receive a significant benefit from the idea of the present invention.
Фиг. 2a иллюстрирует то, как изделие 50 может компоноваться при наличии множества ячеек в форме ромбоида 1, 1', 1''. В настоящем примере по фиг. 2a, в качестве иллюстрации показывается всего четыре ячейки в форме ромбоида 1, 1', 1'', причем две из этих ячеек в форме ромбоида 1'', 1'' являются идентичными друг другу, и две дополнительных ячейки 1, 1' отличаются друг от друга и от вышеуказанного типа ячейки в форме ромбоида 1'', 1''. Как видно из фиг. 2a, скелетный граф A', который продолжается через объем A, который является отдельным от объема B посредством структуры 10, охватывает каждую из ячеек в форме ромбоида 1, 1', 1''. Структура может расширяться с дополнительными ячейками на основе конкретных потребностей изделия, которое должно изготавливаться, и на фиг. 2b проиллюстрировано, что независимо от того, насколько большое изделие формируется, и того, сколько ячеек добавляется, базовые компоновочные блоки придерживаются идентичного принципа с ячейкой в форме ромбоида 1, и соответствующие монотриаусеченные четырехгранники 2, 2' по-прежнему формируют базовые компоновочные блоки и обеспечивают размещение соответствующих скелетных графов A', B', которые продолжаются через внутренние объемы A, B и охватывают весь объем изделия.Fig. 2a illustrates how the article 50 can be laid out with a plurality of rhomboid-shaped cells 1, 1', 1''. In the present example of Fig. 2a, a total of four rhomboid-shaped cells 1, 1', 1'' are shown for illustration, wherein two of these rhomboid-shaped cells 1'', 1'' are identical to each other, and two additional cells 1, 1' are different from each other and from the above-mentioned type of rhomboid-shaped cell 1'', 1''. As can be seen from Fig. 2a, the skeletal graph A', which extends through the volume A, which is separate from the volume B by the structure 10, encompasses each of the rhomboid-shaped cells 1, 1', 1''. The structure can be expanded with additional cells based on the specific needs of the article to be manufactured, and in Fig. 2b illustrates that no matter how large the product is formed and how many cells are added, the basic building blocks adhere to the same principle with the rhomboid-shaped cell 1, and the corresponding monotritruncated tetrahedra 2, 2' still form the basic building blocks and provide the placement of the corresponding skeletal graphs A', B', which continue through the internal volumes A, B and cover the entire volume of the product.
Одно преимущественное понятие настоящего изобретения проиллюстрировано на фиг. 3a и 3b. Способ настоящего изобретения может легко адаптироваться с возможностью размещать варьирующиеся геометрии изделий и может приводить к конструктивной целостности оптимизации и к случаю нагрузки для большого числа изделий посредством масштабирования структуры согласно геометрии изделия.One advantageous concept of the present invention is illustrated in Fig. 3a and 3b. The method of the present invention can be easily adapted to accommodate varying product geometries and can result in structural integrity optimization and a load case for a large number of products by scaling the structure according to the product geometry.
Фиг. 3a показывает пример, в котором заполнение для переднего конца изделия, содержащего наружную обшивку 23, при этом обшивка 23, которая задает форму изделия, адаптируется посредством применения гиперболического масштабирования к скелетному графу A'. Идентичное масштабирование, конечно, применяется к скелетному графу B' (тем не менее, он не показан на этом чертеже для прозрачности).Fig. 3a shows an example in which the filling for the front end of an article comprising an outer skin 23, wherein the skin 23 which defines the shape of the article is adapted by applying a hyperbolic scaling to the skeletal graph A'. An identical scaling is, of course, applied to the skeletal graph B' (however, it is not shown in this figure for the sake of transparency).
При начале с сужения переднего конца изделия, внутренняя структура масштабируется посредством уплотнения скелетного графа A' в более плотный скелетный граф A''. Это предотвращает клиновидную геометрию переднего конца изделия, имеющего внутреннюю структуру, которая имеет слабые места под поверхностью обшивки 23 в любой точке. Посредством понижающего масштабирования скелетного графа A', результирующая минимальная поверхностная структура, обеспечивающая внутреннюю структуру для изделия, адаптируется к геометрии таким образом, что оптимальная стабильность и заполнение обеспечиваются во всех геометриях. Это обеспечивает аддитивное изготовление изделий с оптимизированной внутренней структурой и заполнением посредством использования более мелкомасштабного заполнения, если геометрия требует его, или более крупномасштабного заполнения (не показано на фиг. 3a), если оно является предпочтительным. Масштабирование дополнительно может не только находиться под влиянием трехмерной геометрии изделия, но также и становиться зависящим от параметров принтера или случаев нагрузки для соответствующего изделия.By starting with a tapered front end of the article, the internal structure is scaled by compacting the skeletal graph A' into a denser skeletal graph A''. This prevents a wedge-shaped geometry of the front end of the article having an internal structure that has weak points under the surface of the skin 23 at any point. By downward scaling the skeletal graph A', the resulting minimum surface structure providing the internal structure for the article is adapted to the geometry in such a way that optimal stability and infilling are provided in all geometries. This enables additive manufacturing of articles with optimized internal structure and infilling by using a smaller-scale infilling if the geometry requires it, or a larger-scale infilling (not shown in Fig. 3a) if it is preferred. The scaling may additionally not only be influenced by the three-dimensional geometry of the article, but also become dependent on the printer parameters or the load cases for the respective article.
На фиг. 3b проиллюстрирован альтернативный пример, в котором локальное уплотнение применяется для центрального фрагмента фактически штангообразного изделия. Скелетные графы A' гиперболически масштабируются в уплотненные скелетные графы A''. Эта уплотненная структура, посредством наложения формы изделия поверх скелетного графа, должна находиться за пределами изделия. Посредством масштабирования, создается более уплотненная область, под которой обшивка 23 поддерживается посредством внутренней структуры, которая является более плотной, т.е. обеспечивает повышенную стабильность для изделия.In Fig. 3b an alternative example is illustrated in which a local densification is applied to the central portion of a virtually bar-shaped article. The skeletal graphs A' are hyperbolically scaled into densified skeletal graphs A''. This densified structure, by superimposing the form of the article on top of the skeletal graph, must be outside the article. By scaling, a more densified region is created, under which the skin 23 is supported by an internal structure that is denser, i.e. provides increased stability for the article.
Фиг. 4a-4d иллюстрируют аспект настоящего изобретения, в котором базовый набор из двух связанных скелетных графов A', B', созданных посредством способа согласно настоящему изобретению, адаптируется в качестве заполнения к изделию, имеющему форму 25 изделия. Форма 25 изделия по существу представляет собой Г-образное изделие; на первом этапе этого использования упомянутых нескольких скелетных графов A', B', форма 25 изделия накладывается на сетку, сформированную посредством двух скелетных графов A', B'.Fig. 4a-4d illustrate an aspect of the present invention, in which a basic set of two connected skeletal graphs A', B', created by means of the method according to the present invention, is adapted as filling to an article having an article shape 25. The article shape 25 is essentially an L-shaped article; in a first step of this use of said several skeletal graphs A', B', the article shape 25 is superimposed on a grid formed by means of the two skeletal graphs A', B'.
Фиг. 4a показывает то, как такая форма 25 изделия размещается при виде сверху.Fig. 4a shows how such a product shape 25 is positioned when viewed from above.
На фиг. 4b, форма 25 изделия по-прежнему показывается в виде сверху, но для сравнения скелетный граф A' уплотняется в уплотненный скелетный граф A'' посредством гиперболического масштабирования. Для простоты представления, скелетный граф B' и его соответствующее масштабирование в уплотненный скелетный граф B'' опускаются. Очевидно, что слева направо, выступ формы 25 изделия заполняется "сравнительно больше" скелетным графом, чем слева. Это приводит к более плотной области, обеспечивающей лучшую конструктивную целостность и потенциально опору обшивки. Тем не менее, следует отметить, что скелетный граф служит в качестве шаблона или плана квазипериодической минимальной поверхности, которая разделяет внутренний объем формы 25 изделия на два лабиринта A, B, которые должны соответствовать скелетным графам A', A'', соответственно. Масштабирование скелетных графов в силу этого приводит к масштабированию квазипериодической минимальной поверхности, аддитивно изготовленной в результирующем изделии в качестве заполнения для настоящего примерного изделия.In Fig. 4b, the product shape 25 is still shown in plan view, but for comparison, the skeletal graph A' is densified into a densified skeletal graph A'' by means of a hyperbolic scaling. For ease of presentation, the skeletal graph B' and its corresponding scaling into a densified skeletal graph B'' are omitted. It is evident that from left to right, the protrusion of the product shape 25 is filled with "comparatively more" skeletal graph than from the left. This results in a denser region providing better structural integrity and potentially skin support. However, it should be noted that the skeletal graph serves as a template or plan of a quasi-periodic minimal surface that divides the interior volume of the product shape 25 into two labyrinths A, B, which are to correspond to the skeletal graphs A', A'', respectively. The scaling of the skeletal graphs thereby results in a scaling of the quasi-periodic minimal surface additively fabricated into the resulting product as infill for the present exemplary product.
Фиг. 4c показывает идентичное изделие с уплотненным скелетным графом группы A на виде спереди, т.е. с выступом, продолжающимся в направлении смотрящего.Fig. 4c shows an identical product with a condensed skeletal graph of group A in front view, i.e. with the projection continuing in the direction of the viewer.
Аналогичным способом, фиг. 4d иллюстрирует форму 25 изделия при виде сбоку, в которой, аналогично фиг. 4b, уплотнение скелетного графа A' в уплотненный скелетный граф A'' увеличивается слева направо.In a similar manner, Fig. 4d illustrates the shape 25 of the product in a side view, in which, similarly to Fig. 4b, the densification of the skeletal graph A' into a densified skeletal graph A'' increases from left to right.
На всех вышеуказанных чертежах, немасштабированный исходный скелетный граф A' отображается для справки и для иллюстрации понятия в качестве точечного скелетного графа.In all the above figures, the unscaled original skeleton graph A' is shown for reference and to illustrate the concept as a point skeleton graph.
Фиг. 5a-5e иллюстрируют альтернативный способ адаптации заполнения к конкретной геометрии изделия и к потребностям по несению нагрузки, которые, впрочем, также могут использоваться, в дополнение к вышеуказанному способу. Иллюстрация предназначена для того, чтобы направлять по способу, и не имеет намерение представлять собой реальный рабочий пример. По этой причине, некоторые упрощения заданы на чертежах. Одно такое упрощение заключается в иллюстрации только одного скелетного графа A'. В реальной реализации, конечно, нижеприведенное описание прореживания скелетных графов должно применяться к обоим графам из пары (созданной посредством способа, проиллюстрированного на фиг. 1 выше).Figs. 5a-5e illustrate an alternative method of adapting the infill to a specific product geometry and load-bearing needs, which, however, can also be used in addition to the above method. The illustration is intended to guide the method and is not intended to represent a real working example. For this reason, some simplifications are given in the drawings. One such simplification consists in illustrating only one skeleton graph A'. In a real implementation, of course, the following description of the thinning of the skeleton graphs must be applied to both graphs of the pair (created by the method illustrated in Fig. 1 above).
Фиг. 5a иллюстрирует то, как изделие с формой 25 изделия накладывается на немасштабированный скелетный граф A' по существу гомогенной плотности. Плотность выбрана настолько высокой, насколько требуется для настоящего примера, и наиболее часто обуславливается посредством ожидаемых потребностей формы изделия относительно несения нагрузки и геометрии, т.е. не выше наибольшей требуемой конечной плотности в изделии.Fig. 5a illustrates how an article with article shape 25 is superimposed on an unscaled skeletal graph A' of substantially homogeneous density. The density is chosen to be as high as required for the present example and is most often determined by the expected load-bearing and geometrical needs of the article shape, i.e., not higher than the highest required final density in the article.
На фиг. 5b (s) структура 25 изделия подвергается первому анализу, при котором форма 25 изделия и геометрия диктуют то, какие области должны заполняться более плотно, а какие могут заполняться менее плотно. Для этого, изделие разделяется на кубы такого размера, что каждый куб содержит по меньшей мере несколько магистралей скелетных графов, предпочтительно содержит более трех магистралей, еще более предпочтительно 5-8 магистралей, еще более предпочтительно, менее 100 магистралей. В настоящее время, проводится различие между двумя типами кубов: куб(-ы), поддерживающие процесс 45 компоновки, и куб(-ы) на границе 46 изделия. В зависимости от определения типа куба, операция для того, чтобы удалять единицы скелетных графов, может выполняться в конкретном кубе. В контексте настоящего изобретения, единица скелетного графа должна пониматься как ветвь в одном конкретном монотриаусеченном четырехграннике. Конечно, поскольку они всегда поступают в парах, это означает удаление двух ветвей скелетных графов, т.е. пары в двух монотриаусеченных четырехгранниках, первоначально принадлежащих идентичной ячейке в форме ромбоида.In Fig. 5b(s) the structure 25 of the product is subjected to a first analysis, in which the shape 25 of the product and the geometry dictate which regions are to be filled more densely and which may be filled less densely. For this purpose, the product is divided into cubes of such a size that each cube contains at least some skeletal graph backbones, preferably contains more than three backbones, even more preferably 5-8 backbones, even more preferably less than 100 backbones. Currently, a distinction is made between two types of cubes: the cube(s) supporting the layout process 45 and the cube(s) on the boundary 46 of the product. Depending on the definition of the cube type, the operation to remove skeletal graph units may be performed in a specific cube. In the context of the present invention, a skeletal graph unit is to be understood as a branch in one specific monotriatruncated tetrahedron. Of course, since they always come in pairs, this means removing two branches of the skeletal graphs, i.e. pairs in two monotriatruncated tetrahedra, originally belonging to an identical rhomboid-shaped cell.
Фиг. 5b(q) иллюстрирует второй анализ, выполняемый для структуры 25 изделия, при этом анализ случаев вокселной нагрузки выполняется снова посредством кубов, причем каждый куб охватывает множество вокселов, предпочтительно каждый куб охватывает идентичное число вокселов. Это может выполняться посредством сортировки кубов на основе их требований по механическому напряжению/растяжению и характеристик. В настоящем примере, различаются пять типов: куб(-ы) 40 с нулевым механическим напряжением, куб(-ы) 41 с небольшим положительным механическим напряжением (со сжатием), куб(-ы) 42 с небольшим отрицательным механическим напряжением (с натяжением), куб(-ы) 43 с высоким положительным механическим напряжением (со сжатием) и куб(-ы) с высоким отрицательным механическим напряжением (с натяжением). В зависимости от характеристик, конкретная операция может быть предварительно определена: например, по существу, все или большая часть единиц могут удаляться в кубе(-ах) 40 с нулевым механическим напряжением, половина единиц в кубе(-ах) 41 с небольшим положительным механическим напряжением (со сжатием) и т.д., в зависимости от параметров анализа случаев нагрузки. В реальном случае, конечно, проводится гораздо большее число инкрементных этапов и соответствующих адаптаций, и куб(-ы) являются значительно меньшими.Fig. 5b(q) illustrates a second analysis performed for the structure 25 of the product, wherein the analysis of the voxel load cases is again performed by means of cubes, wherein each cube covers a plurality of voxels, preferably each cube covers an identical number of voxels. This may be performed by sorting the cubes based on their stress/strain requirements and characteristics. In the present example, five types are distinguished: cube(s) 40 with zero stress, cube(s) 41 with a small positive stress (with compression), cube(s) 42 with a small negative stress (with tension), cube(s) 43 with a high positive stress (with compression) and cube(s) with a high negative stress (with tension). Depending on the characteristics, the specific operation can be pre-defined: for example, essentially all or most of the units can be removed in cube(s) 40 with zero mechanical stress, half of the units in cube(s) 41 with a slight positive mechanical stress (with compression), etc., depending on the parameters of the load case analysis. In the real case, of course, a much larger number of incremental steps and corresponding adaptations are carried out, and the cube(s) are(are) significantly smaller.
Результирующие адаптированные скелетные графы A''' (B''' опущено для прозрачности на чертежах) формируются отдельно для анализа формы 25 изделия, приводящего к соответствующему форме частично прореженному скелетному графу A'''(s) группы A, как показано на фиг. 5c(s), и к соответствующему нагрузке частично прореженному скелетному графу A'''(q) группы A, как проиллюстрировано на фиг. 5c(q).The resulting adapted skeletal graphs A''' (B''' omitted for clarity in the drawings) are generated separately for the analysis of the shape 25 of the product, resulting in a shape-corresponding partially thinned skeletal graph A'''(s) of group A, as shown in Fig. 5c(s), and in a load-corresponding partially thinned skeletal graph A'''(q) of group A, as illustrated in Fig. 5c(q).
Результирующий комбинированный масштабированный скелетный граф A''', достигаемый посредством унификации A'''(s) и A'''(q), показывается на фиг. 5d для полной структуры 25 изделия и имеет области O''' низкой плотности (прореженные скелетные графы высокого разрешения) и области P''' высокой плотности (скелетные графы высокого разрешения).The resulting combined scaled skeleton graph A''', achieved by unifying A'''(s) and A'''(q), is shown in Fig. 5d for the full product structure 25 and has low-density regions O''' (high-resolution sparse skeleton graphs) and high-density regions P''' (high-resolution skeleton graphs).
Фиг. 5e показывает конечный этап настройки, сегменты A'''(x) с открытым концом, т.е. сегменты, которые не соединяются с дальнейшими сегментами и заканчиваются пустотой, удалены. Дополнительно, из крайнего внешнего сегмента(-ов), т.е. сегментов, которые должны проходить по обшивке изделия, части A'''(o) за пределами обшивки удаляются и заменяются зеркальным изображением A'''(m) части A'''(i) сегмента внутри изделия. За счет этого зеркальное изображение представляет собой зеркальное изображение части внутри, которая зеркально отражается относительно обшивки в месте, в котором она проходится посредством сегмента. После этого этапа настройки, как описано выше, выполняется анализ Вороного, и поверхность с нулевой средней кривизной вычисляется между скелетными графами. Это выявляет то, что результирующая минимальная поверхность M (аналогично структуре 10 предыдущих примеров) касается поверхности изделия 50 по существу в перпендикулярном направлении, за счет этого обеспечивая идеальный проводник нагрузок из поверхности в заполнение. В настоящем контексте, «по существу перпендикулярный» может пониматься как содержащий отклонение между 1 и 5 градусов от угла в 90 градусов.Fig. 5e shows the final step of the adjustment, the open-ended segments A'''(x), i.e. the segments that are not connected to further segments and end in a void, are removed. Additionally, from the outermost segment(s), i.e. the segments that must pass along the skin of the product, the parts A'''(o) outside the skin are removed and replaced by a mirror image A'''(m) of the part A'''(i) of the segment inside the product. Due to this, the mirror image is a mirror image of the part inside, which is mirrored with respect to the skin at the place where it is passed by the segment. After this adjustment step, the Voronoi analysis is performed as described above and a surface with zero mean curvature is calculated between the skeleton graphs. This reveals that the resulting minimum surface M (similar to the structure 10 of the previous examples) touches the surface of the article 50 in a substantially perpendicular direction, thereby providing an ideal conductor of loads from the surface to the filling. In the present context, "substantially perpendicular" can be understood as containing a deviation of between 1 and 5 degrees from an angle of 90 degrees.
Фиг. 6a показывает то, как конкретный пример настоящего изобретения может выполняться для процесса изготовления с аддитивным изготовлением изделия, который обычно требует множества компоновочных опор. Изделие 50 содержит заполнение структуры 10 на основе минимальной поверхности, получаемой посредством способа изобретения. Структура адаптируется к форме 25 изделия и конструируется при продвижении 62 из компоновочной платформы посредством добавления печатных слоев 54.Fig. 6a shows how a specific example of the present invention can be carried out for a manufacturing process with additive manufacturing of an article, which typically requires a plurality of build supports. The article 50 comprises an infill of a structure 10 based on a minimum surface obtained by means of the method of the invention. The structure is adapted to the shape 25 of the article and is constructed during advancement 62 from the build platform by adding printing layers 54.
За счет настоящего изобретения, становится возможным изготовление с минимальным числом компоновочных опор. Это примерно проиллюстрировано на фиг. 6b.Due to the present invention, it becomes possible to manufacture with a minimum number of assembly supports. This is approximately illustrated in Fig. 6b.
Текущие используемые способы для аддитивного изготовления содержат компоновку изделия из последовательных слоев, первоначально размещенных на компоновочной платформе 51. Способы с использованием металла в качестве аддитивного материала предшествующего уровня техники должны справляться с максимальным углом от слоя до слоя в 45°, после чего компоновочная опора требуется для удержания слоя в ходе процесса компоновки, чтобы рассеивать тепло и предотвращать деформацию изделия в производстве. Для целей настоящего примера, способ быстрого прототипирования селективной лазерной плавки выполняется для аддитивного изготовления изделия с формой 25 изделия, которая имеет наклон на одной части, который меньше 45°, относительно компоновочной опоры 53. Способ изготовления селективной лазерной плавки выполняется в порошковом основании, в котором требуемая форма избирательно расплавляется за счет использования лазера, обычно иттербиевого волоконного лазера, в одной плоскости в то время, когда последовательные слои порошка применяются к форме синхронно с работой лазера.The currently used methods for additive manufacturing include building up the product from successive layers initially placed on a build platform 51. The methods using metal as the additive material of the prior art must cope with a maximum layer-to-layer angle of 45°, after which a build support is required to hold the layer during the build process in order to dissipate heat and prevent deformation of the product during production. For the purposes of this example, a selective laser melting rapid prototyping method is carried out for the additive manufacturing of a product with a shape 25 of the product that has an inclination on one part that is less than 45°, relative to the build support 53. The selective laser melting manufacturing method is carried out in a powder bed, in which the desired shape is selectively melted by using a laser, typically an ytterbium fiber laser, in one plane while successive layers of powder are applied to the shape synchronously with the operation of the laser.
В настоящем примере по фиг. 6b, в качестве иллюстрации, требуемые опорные структуры 52 согласно предшествующему уровню техники показаны для сравнения только с одной требуемой компоновочной опорой 53, которая является достаточной для того, чтобы выполнять аддитивное изготовление изделия 50 с конкретной формой 25 изделия. Для этого примера, форма 25 изделия соответствует наружной обшивке изделия. При начале с компоновочной опоры 53, определенное число печатных слоев 54 добавляется в направлении продвижения 62. Печать начинается с первого слоя контактной зоны 55 изделия 50, которая представляет собой покоящуюся зону, которая контактирует с компоновочной опорой 53. Осаждение слоев 54 выполняется в направлении продвижения 62 компоновки. По мере того, как компоновка продвигается со структурой 10, центр 58, 59, 57 тяжести изделия сдвигается с середины контактной зоны 55 влево, т.е. в направлении выступающей части слева. Дорожка 57 центра тяжести показана на фиг. 6b, чтобы иллюстрировать сдвиг центра 58, 59, 57, 60 тяжести по мере того, как добавляются слои. Например, центр тяжести 58 смещается от центра контактной зоны 55 после того, как сформировано несколько слоев выступающей части слева. Центр 58, 59, 57, 60 тяжести перемещается дальше влево, вплоть до центра тяжести в определенный момент 59 времени, с явным смещением, и в момент X времени, центр тяжести 60 достигает вертикального разделителя 56 контактной зоны. Продвижение за пределы этого разграничения 56 сдвигает центр тяжести за пределы контактной зоны 55, после чего изделие 50 рискует искривлением и нарушением формы, когда опоры не используются под этим данным углом. Максимальный угол печати предшествующего уровня техники без необходимости опорных структур, отображаемых под максимальным углом предшествующего уровня техники для неподдерживаемой компоновки 61. Он, по существу, составляет угол в 45°.In the present example of Fig. 6b, by way of illustration, the required support structures 52 according to the prior art are shown for comparison with only one required assembly support 53, which is sufficient to perform the additive manufacturing of the article 50 with a specific article shape 25. For this example, the article shape 25 corresponds to the outer skin of the article. Starting from the assembly support 53, a certain number of printing layers 54 are added in the direction of advance 62. Printing begins with the first layer of the contact zone 55 of the article 50, which is a resting zone that contacts the assembly support 53. The deposition of the layers 54 is performed in the direction of advance 62 of the assembly. As the assembly advances with the structure 10, the center of gravity 58, 59, 57 of the article shifts from the middle of the contact zone 55 to the left, i.e. in the direction of the protruding part on the left. The track 57 of the center of gravity is shown in Fig. 6b to illustrate the shift of the center of gravity 58, 59, 57, 60 as layers are added. For example, the center of gravity 58 shifts from the center of the contact area 55 after several layers of the projecting part on the left have been formed. The center of gravity 58, 59, 57, 60 moves further to the left, up to the center of gravity at a certain time 59, with a clear shift, and at time X, the center of gravity 60 reaches the vertical divider 56 of the contact area. Advancing beyond this delimitation 56 shifts the center of gravity beyond the contact area 55, after which the article 50 risks warping and distortion of shape when supports are not used at this given angle. The maximum angle of the prior art printing without the need for support structures, shown at the maximum angle of the prior art for an unsupported arrangement 61. It is essentially an angle of 45 °.
В момент X времени, печатается верхняя граница изделия 60.1, и центр тяжести должен проходить вертикальный разделитель 56.At time X, the top border of the product 60.1 is printed, and the center of gravity must pass the vertical divider 56.
Для печати изделия, как проиллюстрировано, вместо наличия множества компоновочных опор 52, только одна компоновочная опора 53 приблизительно в верхней границе в момент X времени, в которых центр тяжести изделия перемещается за пределы или находится непосредственно в вертикальном разделителе контактной зоны, является достаточной для того, чтобы поддерживать изделие и обеспечивать достаточную стабильность для продолжения выступающей части влево. Максимальный угол предшествующего уровня техники для неподдерживаемой компоновки 61 показывается для ссылки. В силу идеи настоящего изобретения, печать с более крутыми углами с меньшей опорой, чем требовалось раньше, становится возможной за счет заполняющей структуры 10, обеспечивающей достаточную опору.For printing the article as illustrated, instead of having a plurality of arrangement supports 52, only one arrangement support 53 approximately at the upper limit at the time X in which the center of gravity of the article moves beyond or is located directly in the vertical divider of the contact zone is sufficient to support the article and provide sufficient stability for the extension of the projecting part to the left. The maximum angle of the prior art for an unsupported arrangement 61 is shown for reference. Due to the idea of the present invention, printing with steeper angles with less support than previously required becomes possible due to the filling structure 10 providing sufficient support.
Помимо обеспечения компоновки изделий с более крутыми углами, настоящее изобретение и способ, раскрытый в данном документе, также обеспечивают преимущества в селективной лазерной плавке посредством обеспечения оптимального рассеяния тепла внутри компоновочных структур. Поскольку минимальные поверхности настоящего изобретения всегда рассеивают тепло в оптимальном тракте, изделие рассеивается на компоновочную платформу более эффективно, что позволяет обеспечивать увеличенную скорость печати и/или увеличенную стабильность и/или гладкость расплавляемых поверхностей.In addition to providing a layout of products with steeper angles, the present invention and the method disclosed herein also provide advantages in selective laser melting by providing optimal heat dissipation within the layout structures. Since the minimum surfaces of the present invention always dissipate heat in an optimal path, the product is dissipated onto the layout platform more efficiently, which allows for increased printing speed and/or increased stability and/or smoothness of the melted surfaces.
Для настоящего примера, использован принтер EOS GmbH типа M290, оснащенный иттербиевым волоконным лазером на 400 Вт. В качестве сплава, мартенситностареющая NEOS-сталь MS1/1, 2709, предлагаемая компанией EOS, использована с размером зерна в 20-65 мкм. Результирующие изделия могут принимать такую форму, как показано на фиг. 7a и 7b. На фиг. 7a, наружная обшивка (соответствующая форме 25 изделия) опущена, чтобы показывать заполняющую и внутреннюю структуру изделия 50. Внутренний объем изделия подразделяется на два лабиринта A, B. Структура 10 представляет собой минимальную поверхностную структуру и содержит повышающе масштабированную зону O и понижающе масштабированную зону P, при этом гиперболическое масштабирование, как описано выше, выполнено для того, чтобы достигать определенных структурных характеристик в данных зонах.For the present example, an EOS GmbH printer of the M290 type, equipped with a 400 W ytterbium fiber laser, is used. As an alloy, the maraging NEOS steel MS1/1, 2709, offered by EOS, is used with a grain size of 20-65 μm. The resulting products can take a shape as shown in Fig. 7a and 7b. In Fig. 7a, the outer skin (corresponding to the shape 25 of the product) is omitted to show the filling and internal structure of the product 50. The internal volume of the product is divided into two labyrinths A, B. The structure 10 represents the minimum surface structure and comprises an upwardly scaled zone O and a downwardly scaled zone P, whereby the hyperbolic scaling, as described above, is performed in order to achieve certain structural characteristics in these zones.
В отличие от фиг. 7a, изделие 50 по фиг. 7b не имеет наружной обшивки, и поверхность изделия соответствует самой структуре 10. Фактически штангообразное изделие 50 также разделяет свой объем на два лабиринта A, B. Также проиллюстрированы повышающе масштабированная зона O, в которой структура 10 является менее плотной, и понижающе масштабированная зона P, в которой структура 10 уплотняется, к примеру, чтобы получать в результате более стабильную поверхность.In contrast to Fig. 7a, the article 50 of Fig. 7b does not have an outer skin, and the surface of the article corresponds to the structure 10 itself. In fact, the rod-shaped article 50 also divides its volume into two labyrinths A, B. Also illustrated are an upwardly scaled zone O, in which the structure 10 is less dense, and a downwardly scaled zone P, in which the structure 10 is compacted, for example, in order to obtain a more stable surface as a result.
Фиг. 8 показывает изделие, получаемое посредством способа, описанного на фиг. 5a-5e, в котором прореживание сегментов скелетных графов выполняется на основе формы изделия и/или параметров компоновки, и/или анализ механического напряжения/растяжения посредством удаления отдельных сегментов и/или магистралей графов, чтобы создавать локально более плотные и менее плотные области, проиллюстрирован на фиг. 8. Форма 25 изделия показывается без наружной обшивки, которая удалена для того, чтобы лучше обеспечивать внутренний вид. Если форма 25 изделия должна присутствовать, форма 25 изделия по существу должна быть кубической.Fig. 8 shows an article obtained by the method described in Fig. 5a-5e, in which the thinning of the skeletal graph segments is performed based on the article shape and/or the layout parameters, and/or the analysis of mechanical stress/strain by removing individual segments and/or graph highways to create locally denser and less dense areas, illustrated in Fig. 8. The article shape 25 is shown without the outer skin, which is removed in order to better provide an internal view. If the article shape 25 is to be present, the article shape 25 should be substantially cubic.
Изделие имеет несколько областей, которые, как обнаружено, в зависимости от анализа случаев формы и/или нагрузки, являются печатаемыми с заполнением низкой плотности, либо которые, как обнаружено, требуют заполнения высокой плотности. В изделии апериодическая минимальная поверхность подразделяет объем на два лабиринта A и B, разделенные посредством структуры 10, формирующей заполнение. Структура 10 представляет собой минимальную поверхность M. Зона O''' низкой плотности, которая прорежена из скелетных графов высокого разрешения, является видимой в верхнем правом углу изделия. Кроме того, зона P''' высокой плотности, в которой поддерживается исходная плотность скелетных графов высокого разрешения, является видимой слева от O''', выше левого верхнего угла изделия.The article has several regions that are found, depending on the analysis of the shape and/or load cases, to be printable with low-density infill or that are found to require high-density infill. In the article, an aperiodic minimal surface subdivides the volume into two labyrinths A and B, separated by a structure 10 that forms the infill. The structure 10 is a minimal surface M. A low-density zone O''', which is thinned out from the high-resolution skeletal graphs, is visible in the upper right corner of the article. In addition, a high-density zone P''', in which the original density of the high-resolution skeletal graphs is maintained, is visible to the left of O''', above the upper left corner of the article.
Фиг. 9 является фотографией, показывающей изделие 50, распечатанное согласно способу настоящего изобретения.Fig. 9 is a photograph showing an article 50 printed according to the method of the present invention.
Изделия, полученные посредством способа настоящего изобретения, могут использоваться в большом числе вариантов применения. Один из наиболее базовых вариантов применения заключается в том, чтобы использовать изделие, как показано на фиг. 9, в качестве компоновочного блока для облегченной компоновки, в которой стабильность и вес представляют собой важные факторы. Способ настоящего изобретения показывает то, что печать металлических структур является возможной, и обеспечивает изделия с огромной стабильностью, которые являются легкими и имеют оптимальное рассеяние тепла при разделении объема на два различных и отдельных лабиринта.The articles obtained by the method of the present invention can be used in a large number of applications. One of the most basic applications is to use the article as shown in Fig. 9 as a building block for a lightweight assembly in which stability and weight are important factors. The method of the present invention shows that printing of metal structures is possible and provides articles with great stability, which are lightweight and have optimal heat dissipation when dividing the volume into two different and separate labyrinths.
В дополнительном примере настоящего изобретения, способ и идея настоящего изобретения используются в качестве предварительной обработки для изделия, предназначенного для аддитивного изготовления посредством использования компьютерного программного обеспечения, интегрирующего исполняемый фрагмент, адаптированный с возможностью выполнения настоящего изобретения. Общие потоки обработки при проектировании и предварительной обработке в ходе аддитивного изготовления содержат первый этап формирования трехмерной модели. Наиболее часто оно выполняется посредством CAD-проектирования, адаптации или опрашивания соответствующей модели.In a further example of the present invention, the method and idea of the present invention are used as a pre-processing for an article intended for additive manufacturing by using computer software integrating an executable fragment adapted to perform the present invention. The general processing flows in the design and pre-processing during additive manufacturing include a first stage of forming a three-dimensional model. Most often, this is performed by CAD design, adaptation or interrogation of the corresponding model.
На втором этапе, силы моделируются. Это может осуществляться посредством конечно-элементного моделирования (FEM) и дополнительно может содержать этап определения размеров и оптимизации для адаптации проектного решения или изменения топологии при необходимости посредством моделирования сил. Подготовка к печати содержит облегчение веса и применение простого заполнения, которое увеличивает количество многоугольников при моделировании. Моделирование печати затем выполняется для того, чтобы проверять то, может или нет подлинно печататься набор правил печати. Внешние и внутренние опоры при необходимости также интегрируются на этом этапе способа. Для выполнения печати, выполняется разделение на срезы, которое зависит от параметров процесса компоновки и настроек принтера, которые главным образом обуславливаются аппаратными средствами. Этап компоновки в таком случае выполняется «по слоям», что примерно соответствует «по срезам» в зависимости от предыдущего этапа разделения на срезы аддитивного изготовления изделия.In the second step, the forces are simulated. This can be done by means of finite element modeling (FEM) and can additionally include a dimensioning and optimization step to adapt the design solution or change the topology if necessary by means of force modeling. The preparation for printing includes weight reduction and the use of simple infill, which increases the number of polygons in the modeling. The print simulation is then performed to check whether the print rule set can be printed or not. External and internal supports are also integrated in this step of the method if necessary. To perform the printing, a slicing is performed, which depends on the parameters of the nesting process and the printer settings, which are mainly determined by the hardware. The nesting step is then performed "layer by layer", which roughly corresponds to "slicing" depending on the previous slicing step of the additive manufacturing of the product.
Настоящее изобретение содержит альтернативный или дополнительный инструмент для выполнения облегчения веса и для обеспечения заполнения, как указано на вышеприведенных этапах процесса предварительной обработки.The present invention comprises an alternative or additional tool for performing weight reduction and for providing filling as indicated in the above steps of the pre-treatment process.
Альтернативно или дополнительно, способ настоящего изобретения также может использоваться для того, чтобы создавать структуру из сырого материала. Это означает то, что способ настоящего изобретения может использоваться для того, чтобы создавать структуру, в которой заполнение, сформированное посредством, как подробно указано выше, представляет собой непосредственно структуру.Alternatively or additionally, the method of the present invention can also be used to create a structure from raw material. This means that the method of the present invention can be used to create a structure in which the filling formed by means of, as detailed above, is the structure itself.
Следовательно, дополнительно аспект настоящего изобретения относится к изделию, получаемому посредством способа, описанного выше, имеющего характеристики, как описано выше. Еще один дополнительный аспект также относится к компьютерному программному продукту, который содержит управляющие инструкции и/или скелетные графы, требуемые для того, чтобы применять предварительную обработку к изделию, на основе идеи настоящего изобретения.Therefore, a further aspect of the present invention relates to an article obtainable by the method described above, having the characteristics as described above. Yet another further aspect also relates to a computer program product, which comprises control instructions and/or skeleton graphs required to apply a pre-processing to the article, based on the idea of the present invention.
Хотя примеры в данном документе описываются с селективной лазерной плавкой, специалисты в данной области техники могут легко принимать во внимание, что способ настоящего изобретения является в равной степени применимым с любым другим типом технологий аддитивного изготовления, таких как полимеризация в ванне, струйное разбрызгивание материала, струйное разбрызгивание связующего, выдавливание материала, направленный энерговклад или наслаивание листовых материалов, как требуется посредством соответствующего принтера и для целей рассматриваемого изделия.Although the examples in this document are described with selective laser melting, those skilled in the art will readily appreciate that the method of the present invention is equally applicable to any other type of additive manufacturing technology, such as bath polymerization, material jetting, binder jetting, material extrusion, directed energy deposition, or sheet material layering, as required by the appropriate printer and for the purposes of the article in question.
Идея настоящего изобретения обеспечивает способ и изделие с превосходящими характеристиками и атрибутами, открывающими новую область применения для конструкционных материалов, а также для эффективной печати геометрий, и требующими гораздо меньшей постобработки, такой как удаление заусенцев и/или опорных структур. Изделия, получающиеся в результате способа настоящего изобретения, также могут проще вакуумироваться от материала, поскольку поверхности разделяют объем изделия на два полных лабиринта. По существу, двух небольших отверстий, размещенных в правильном пятне изделия, может быть достаточно для того, чтобы удалять посредством слива или выдувания материала.The idea of the present invention provides a method and an article with superior characteristics and attributes that open up a new field of application for structural materials, as well as for the efficient printing of geometries, and require much less post-processing, such as the removal of burrs and/or support structures. The articles resulting from the method of the present invention can also be more easily evacuated from the material, since the surfaces divide the volume of the article into two complete labyrinths. As such, two small holes placed in the correct spot of the article can be sufficient to remove the material by draining or blowing.
Ссылочные позицииLink positions
1 - ячейка в форме ромбоида1 - rhomboid shaped cell
1' - вторая ячейка в форме ромбоида1' - the second cell in the shape of a rhomboid
1'' - третья ячейка в форме ромбоида1'' - the third cell in the shape of a rhomboid
2 - группа A монотриаусеченного четырехгранника2 - group A of a monotriatruncated tetrahedron
2' - группа B монотриаусеченного четырехгранника2' - group B of monotriatruncated tetrahedron
10 - структура10 - structure
11 - первое ребро11 - first rib
12 - второе ребро12 - second rib
13 - третье ребро13 - third rib
14 - четвертое ребро14 - fourth rib
15 - пятое ребро15 - fifth rib
16 - шестое ребро16 - sixth rib
17 - седьмое ребро17 - seventh rib
18 - восьмое ребро18 - eighth rib
19 - девятое ребро19 - ninth rib
20 - десятое ребро20 - tenth rib
21 - одиннадцатое ребро21 - eleventh rib
22 - двенадцатое ребро22 - the twelfth rib
23 - обшивка23 - sheathing
24 - гиперболическое масштабирование24 - hyperbolic scaling
25 - форма изделия25 - product shape
30.1 - четырехгранник, группа A 30.1 - tetrahedron, group A
30.2 - четырехгранник, группа B30.2 - tetrahedron, group B
40 - воксел с нулевым механическим напряжением40 - voxel with zero mechanical stress
41 - воксел с небольшим положительным механическим напряжением (со сжатием)41 - voxel with slight positive mechanical stress (with compression)
42 - воксел с небольшим отрицательным механическим напряжением (с натяжением)42 - voxel with slight negative mechanical stress (with tension)
43 - воксел с высоким положительным механическим напряжением (со сжатием)43 - voxel with high positive mechanical stress (with compression)
44 - воксел с высоким отрицательным механическим напряжением (с натяжением)44 - voxel with high negative mechanical stress (with tension)
45 - воксел, поддерживающий процесс компоновки45 - voxel supporting the compositing process
46 - воксел на границе изделия46 - voxel on the product boundary
50 - изделие50 - product
51 - компоновочная платформа51 - assembly platform
52 - компоновочные опоры предшествующего уровня техники52 - prior art assembly supports
53 - компоновочная опора53 - layout support
54 - печатный слой54 - printing layer
55 - контактная зона55 - contact zone
56 - вертикальный разделитель контактной зоны56 - vertical contact zone divider
57 - дорожка центра тяжести (COG)57 - Center of gravity track (COG)
58 - COG изделия в момент #1 времени58 - COG of the product at time #1
58.1 - верхняя граница изделия в момент #1 времени58.1 - upper limit of the product at time #1
59 - COG изделия в момент #4 времени59 - COG product at time #4
59.1 - верхняя граница изделия в момент #4 времени59.1 - upper limit of the product at time #4
60 - COG изделия в момент X времени60 - COG of the product at X time
60.1 - верхняя граница изделия в момент X времени (COG, чтобы перемещаться за пределы контактной зоны)60.1 - upper limit of the product at time X (COG to move beyond the contact zone)
61 - максимальный угол предшествующего уровня техники для неподдерживаемой компоновки61 - Prior art maximum angle for unsupported layout
62 - продвижение62 - promotion
A - лабиринт первой группыA - labyrinth of the first group
A' - скелетный граф группы AA' is the skeleton graph of group A
A'' - уплотненный скелетный граф группы AA'' is the condensed skeleton graph of group A
A'''(s) - соответствующий форме частично прореженный скелетный граф группы AA'''(s) is the corresponding partially thinned skeleton graph of group A
A'''(q) - соответствующий нагрузке частично прореженный скелетный граф группы AA'''(q) is the load-matched partially sparse skeleton graph of group A
A''' - частично прореженный скелетный граф группы A: унификация A'''(s) и A'''(q)A''' is a partially thinned skeleton graph of group A: unification of A'''(s) and A'''(q)
A'''(i) - внутренняя часть крайнего внешнего сегмента частично прореженного скелетного графа группы AA'''(i) is the interior of the outermost segment of the partially thinned skeleton graph of group A
A'''(o) - внешний сегмент крайнего внешнего сегмента частично прореженного скелетного графа группы AA'''(o) is the outer segment of the outermost segment of the partially thinned skeleton graph of group A
A'''(m) - зеркально отраженная копия внутренней части крайнего внешнего сегмента частично прореженного скелетного графа группы AA'''(m) is a mirror image of the interior of the outermost segment of the partially thinned skeleton graph of group A
A'''(x) - сегмент с открытым концом частично прореженного скелетного графа группы AA'''(x) is an open-ended segment of the partially thinned skeleton graph of group A
B - лабиринт второй группыB - labyrinth of the second group
B' - скелетный граф группы BB' is the skeleton graph of group B
B'' - уплотненный скелетный граф группы BB'' is the condensed skeleton graph of group B
F - грань пересеченияF - intersection face
G - первая грань узлаG - first edge of the knot
H - вторая грань узлаH - the second edge of the knot
I - третья грань узлаI - the third edge of the knot
J - четвертая грань узлаJ - the fourth edge of the knot
K - пятая грань узлаK - the fifth edge of the knot
L - шестая грань узлаL - the sixth edge of the knot
M - минимальная поверхностьM - minimum surface
N - переменная область внутренних узловN - variable area of internal nodes
N1 - первый внутренний узел (скелетная группа A)N1 - first internal node (skeletal group A)
N2 - второй внутренний узел (скелетная группа A)N2 - the second internal node (skeletal group A)
O - зона низкой плотности (повышающе масштабированные скелетные графы)O - low density zone (upscaled skeletal graphs)
O''' - зона низкой плотности (прореженные скелетные графы высокого разрешения)O''' - low density zone (high resolution sparse skeletal graphs)
P - зона высокой плотности (понижающе масштабированные скелетные графы)P - high density zone (downscaled skeletal graphs)
P''' - зона высокой плотности (скелетные графы высокого разрешения)P''' - high density zone (high resolution skeletal graphs)
S - анализ формы изделияS - analysis of product shape
Q - анализ случаев нагрузки (FEM-моделирование)Q - load case analysis (FEM modeling)
b1 - "магистраль"b1 - "highway"
bg - соединительный узел, первая грань узлаbg - connecting node, first edge of the node
bh - соединительный узел, вторая грань узлаbh - connecting node, second edge of the node
bi - соединительный узел, третья грань узлаbi - connecting knot, third edge of the knot
bj - соединительный узел, четвертая грань узлаbj - connecting node, fourth edge of the node
bk - соединительный узел, пятая грань узлаbk - connecting knot, fifth edge of the knot
bl - соединительный узел, шестая грань узла.bl - connecting node, sixth edge of the node.
Claims (26)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021136986A RU2021136986A (en) | 2023-06-16 |
| RU2843999C2 true RU2843999C2 (en) | 2025-07-23 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130313743A1 (en) * | 2012-05-22 | 2013-11-28 | Benjamin E. Rockhold | In-filling for additive manufacturing |
| RU2642654C1 (en) * | 2015-02-03 | 2018-01-25 | Филипс Лайтинг Холдинг Б.В. | Technological plates, manufactured on the basis of fused deposition modeling, for forming and replicating of objects |
| US20180169954A1 (en) * | 2016-12-20 | 2018-06-21 | Textron Aviation Inc. | Additive manufacturing method for improved core structure |
| RU2666444C2 (en) * | 2014-03-25 | 2018-09-07 | Двс С.Р.Л. | Method and equipment for defining supporting structure for three-dimensional object to be made through stereolithography |
| WO2019021011A1 (en) * | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Imperial Innovations Limited | Lattice structures |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130313743A1 (en) * | 2012-05-22 | 2013-11-28 | Benjamin E. Rockhold | In-filling for additive manufacturing |
| RU2666444C2 (en) * | 2014-03-25 | 2018-09-07 | Двс С.Р.Л. | Method and equipment for defining supporting structure for three-dimensional object to be made through stereolithography |
| RU2642654C1 (en) * | 2015-02-03 | 2018-01-25 | Филипс Лайтинг Холдинг Б.В. | Technological plates, manufactured on the basis of fused deposition modeling, for forming and replicating of objects |
| US20180169954A1 (en) * | 2016-12-20 | 2018-06-21 | Textron Aviation Inc. | Additive manufacturing method for improved core structure |
| WO2019021011A1 (en) * | 2017-07-27 | 2019-01-31 | Imperial Innovations Limited | Lattice structures |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| INFINITE PERIODIC MINIMAL SURFACES WITHOUT SELF-INTERSECTIONS, Alan H. Scboen, NASA Technical Notes, May 1970, ссылка на документ в Internet https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19700020472/downloads/19700020472.pdf. Laurent Mazet et al. A quasi-periodic minimal surface, November 6, 2006, p. 1-34, ссылка на документ в Internet https://www.idpoisson.fr/mazet/docu/quasi.pdf. Martin Traizet, Exploring the Space of Embedded Minimal Surfaces of Finite Total Curvature. Experiment. Math. 17 (2) 205-221, 2008, ссылка на документ в Internet https://projecteuclid.org/journals/experimental-mathematics/volume-17/issue-2/Exploring-the-Space-of-Embedded-Minimal-Surfaces-of-Finite-Total/em/1227118972.full. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7503575B2 (en) | Methods for lightweighting and/or design of additively manufactured articles | |
| Aremu et al. | A voxel-based method of constructing and skinning conformal and functionally graded lattice structures suitable for additive manufacturing | |
| Wang et al. | Support-free hollowing | |
| Choi et al. | A virtual prototyping system for rapid product development | |
| Hur et al. | Determination of fabricating orientation and packing in SLS process | |
| US20200257268A1 (en) | Creating a voxel representation of a three dimensional (3-d) object | |
| Canellidis et al. | Efficient parts nesting schemes for improving stereolithography utilization | |
| Chiu et al. | Multiple material objects: from CAD representation to data format for rapid prototyping | |
| EP3551458B1 (en) | Additive manufacturing | |
| US20190061269A1 (en) | Fast, efficient direct slicing method for lattice structures | |
| US20230182397A1 (en) | Workflow for layer-less multi-axis material extrusion | |
| CN110020455A (en) | Pass through topology optimization design part | |
| Goel et al. | Design of functionally graded lattice structures using B-splines for additive manufacturing | |
| Barnett et al. | Weak support material techniques for alternative additive manufacturing materials | |
| Azman | Method for integration of lattice structures in design for additive manufacturing | |
| Harris et al. | Conformal refinement of all-hexahedral element meshes based on multiple twist plane insertion. | |
| MXPA02006452A (en) | Mesh generator for and method of generating meshes in an extrusion process. | |
| Pütz et al. | Reconstruction of microstructural and morphological parameters for RVE simulations with machine learning | |
| EP4339898A2 (en) | System and method for generating an infill geometry of a body | |
| RU2843999C2 (en) | Method of weight reduction and/or design of additively fabricated article | |
| Fanni et al. | Fabrication oriented shape decomposition using polycube mapping | |
| EP3448660B1 (en) | Density rank matrix generation for three-dimensional printing | |
| Dickinson et al. | Serial packing of arbitrary 3D objects for optimizing layered manufacturing | |
| Nguyen | A method for generation of random lattice structure for additive manufacturing | |
| Letov et al. | Volumetric cells: A framework for a bio-inspired geometric modelling method to support heterogeneous lattice structures |