Vollendetes Design

>> Zur Beschleunigung der Herstellung von Prototypen im Designprozess gehört eine Digitalisierung der Daten, wozu ein passendes Messsystem eingesetzt werden muss. Das Comet-5-Streifenlichtprojektionssystem von Steinbichler Optotechnik arbeitet mit einer neu entwickelten Projektionstechnologie und garantiert dadurch eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit sowie eine exzellente Datenqualität. Die Aufbereitung der Daten zum Fräsen erfolgt mit Polyworks-Software.

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Carl Zeiss Optotechnik GmbH

Im Designprozess eines Fahrzeugs werden unterschiedliche Ideen von Formen, Features und Charakterlinien zunächst in Zeichnungen und Renderings und später in einem 3D-Modell verwirklicht. Das Design nimmt in Form eines dreidimensionalen Clay-Modells Gestalt an. Eine Masse aus speziellem Clay (Ton) wird auf einen Grundträger aus Holz aufgebracht und kann dann mit verschiedenen Werkzeugen von Hand geformt werden – ein aufwendiger und zeitintensiver Prozess.

Die Clay-Modelle dienen als Prototyp, um die Form der Aussenhaut eines neuen Autos exakt bestimmen zu können, und werden auch für erste aerodynamische Tests verwendet. Da die verfügbare Entwicklungszeit für neue Produkte immer kürzer wird, müssen Wege gefunden werden, die Entstehung von Prototypen im Designprozess zu beschleunigen. Computer-aided Styling (CAS), der virtuelle Entwicklungsprozess im Design, ergänzt dabei in zunehmendem Masse die klassische Formfindung.

Weniger Handarbeit durch Digitalisierung

Im Rahmen eines Projektes haben die beteiligten Partner Herr Prof. Dr. Wickenheiser vom Studiengang Transportation Design an der Hochschule München, die Steinbichler Optotechnik GmbH und die Duwe-3D AG mit freundlicher Unterstützung der Firma Rücker auf Grundlage eines Clay-Modells durch 3D-Digitalisierung und Aufbereitung der Messdaten in der Software Polyworks einen vollständigen dreidimensionalen Prototyp entstehen lassen. So war es nicht notwendig, das gesamte Clay-Modell in Handarbeit fertigzustellen.

Durch die 3D-Digitalisierung des Halbmodells und Spiegelung konnte ein vollkommen symmetrisches Modell aus dem leichten Blockbaumaterial Ureol gefräst werden. Im Anschluss wurde das gefräste Modell grundiert und lackiert. Der gespeicherte 3D-Datensatz dient nicht nur zur Archivierung und Dokumentation vergangener Designideen, sondern ermöglicht auch, den Prototyp jederzeit zu vervielfältigen und zu skalieren.

Digitalisierung mit Streifenlichtprojektionssystem

Das Clay-Modell wurde mit dem Comet 5 11M, einem Streifenlichtprojektionssystem der Firma Steinbichler Optotechnik GmbH, digitalisiert. Dieses System vereint Leistungsfähigkeit mit hohem Bedienkomfort. Die neu entwickelte Projektionstechnologie in Kombination mit der bewährten Ein-Kamera-Technik garantiert eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit sowie eine exzellente Datenqualität.

Der Aufbau besitzt eine extrem hohe Stabilität und kann über einen weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Durch seine robuste Konstruktion ist der Comet 5 optimal für den mobilen Einsatz geeignet und kann auf diversen Handlingsystemen positioniert werden.

«Das besonders innovative Sensorkonzept des Systems bietet grösste Flexibilität und Präzision für herausfordernde Aufgabenstellungen. Dabei erlaubt die modulare Bauweise ein einfaches und schnelles Anpassen des Systems an verschiedene Messfeldgrössen und ermöglicht so eine individuelle Konfiguration für die jeweiligen Messaufgaben. Der Comet 5 erledigt alle Messungen schnell und präzise und ist für den effektiven Einsatz gerade in der Produktentwicklung wie auch in der produktionsnahen Qualitätssicherung bestens geeignet», erklärt Herbert Daxauer, Produktmanager 3D-Digitalisierung bei der Steinbichler Optotechnik GmbH.

Geschlossene Oberfläche aus Punktwolke

Um das vorliegende Modell komplett zu erfassen, wurde aus unterschiedlichen Blickrichtungen aufgenommen. Mittels mathematischer Verfahren sind die einzelnen Aufnahmen zu einer gesamten Punktwolke zusammengefasst worden. Diese stellt den Ausgangspunkt für die Aufbereitung der Daten in der Software Polyworks dar. Die 3D-Daten (Punktwolken) werden in die Software eingelesen. Die Aufgabe ist, aus der Punktwolke eine geschlossene Oberfläche des aufgenommenen Objekts zu generieren. Hierzu werden die Punkte durch Triangulation in Dreiecke umgewandelt und auf diese Weise ein Polygonnetz berechnet.

Polygonnetz als Grundlage

In Polyworks werden Polygonnetze aus Punktwolken mit Millionen von Punkten einfach und schnell per Knopfdruck generiert, geglättet und gefiltert. Im Anschluss daran können noch vorhandene Löcher im Polygonnetz geschlossen werden. Bauteilkanten, die bei der Digitalisierung nur ungenau aufgenommen wurden, können ausserdem in der Softwarelösung als scharfe Kanten rekonstruiert werden. Im vorliegenden Fall wurde das Polygonnetz des halben Fahrzeugs gespiegelt, um aus dem Halbmodell einen symmetrischen Prototyp zu generieren. Das fertig bearbeitete Polygonnetz stellt eine optimale Grundlage für die eigentliche Flächenrückführung dar.

Reverse Engineering: Flächen-Patches aus Polygonnetz

Nach der Aufbereitung des Polygonnetzes beginnt der eigentliche Reverse-Engineering-Prozess. Polygonnetze können nicht direkt für die Konstruktion in CAD-Systemen verwendet werden, da keine parametrischen Informationen vorhanden sind. Deshalb ist ein weiterer Bearbeitungsschritt notwendig, um fräsfähige NURBS-Flächen aus dem Polygonnetz zu generieren.

Der Hauptaufwand beim Erstellen CAD-fähiger NURBS-Flächen besteht darin, das Polygonnetz in sogenannte Flächen-Patches einzuteilen. Die Begrenzung von dreiseitigen und vierseitigen Flächen-Patches wird durch «Spline-Kurven» erreicht. Nachdem die Flächen-Patches die gesamte Struktur des Polygonnetzes in Bereiche unterteilt haben, werden diese gefittet, d. h. wie eine Haut über die aufgenommenen Messdaten gespannt. Das Ergebnis der gefitteten Flächen-Patches sind die NURBS-Patches. Alle zusammenhängenden NURBS-Patches werden auch als NURBS-Modell bezeichnet. Dieses NURBS-Modell kann nun als IGES- oder Step-Datei exportiert werden und liegt somit in einem fräsfähigen CAD-Format vor.

Prototypherstellung mit 5-Achsen-Fräsbearbeitung

Um aus dem virtuellen Designmodell wieder einen realen Prototyp zu machen, wurde der aufbereitete Datensatz von der Firma Rücker AG in Böblingen aus dem Werkstoff Ureol gefräst. Ureol wurde gewählt, da es sich für den industriellen Urmodellbau optimal eignet. Es besteht aus einem PU-Harz, das mit Füllstoff gesättigt wird, und ist somit sehr belastbar bei gleichzeitig geringem Gewicht. Durch die sehr feine Struktur lässt es sich auch sehr gut veredeln, d. h. feinschleifen und lackieren.

Für die Herstellung des Fahrzeugmodells kam eine 5-Achsen-CNC-Fräse zum Einsatz. Beim CNC-Fräsen werden die 5 Achsen und die Verfahrwege der Fräse über eine Maschinensteuerung programmiert. Das Werkstück wird dabei in vielen kleinen, nebeneinanderliegenden Zeilen abgefahren. Die Maschine kann den Fräser beim 5-Achsen-Fräsen unter jedem Winkel am Werkstück positionieren und verfahren, wodurch die Fertigung von extrem komplexen 3D-Konturen ermöglicht wird. Für das Fahrzeugmodell kamen ausserdem Fräsköpfe unterschiedlicher Grösse zum Einsatz. Zunächst ist ein grobes Modell gefräst worden, welches in jedem folgenden Fräsgang immer mehr verfeinert wurde, bis eine glatte Oberfläche entstand. Das fertige Ureol-Modell wurde anschliessend grundiert und lackiert, um es wie ein «echtes» Fahrzeug aussehen zu lassen. In kürzester Zeit entstanden somit aus einem Clay-Halbmodell ein digitaler dreidimensionaler Datensatz sowie ein vollständiger Ureol-Prototyp. <<

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