CAD Von der Punktewolke zu parametrischen Daten

Redakteur: Annedore Munde

In der industriellen Massenfertigung mit Hilfe von Formen ist eine hundertprozentige Übereinstimmung des Inneren der Form und des Äußeren des darin produzierten Werkstückes kaum möglich. Ein Beispiel dafür ist die elastische Rückstellung von Blechen nach dem Öffnen von Presswerkzeugen. Die Software Rapidform von Inus Technology schließt die Lücke zwischen dem 3D-Scan und den CAD-Daten der Formen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Wenn die vom Presswerk produzierte B-Säule des neuen PKW-Modells nicht mit der Konstruktionszeichnung beziehungsweise den CAD-Daten übereinstimmt, dann wird die vom Zulieferer „just in sequence“ angelieferte Kompletttür nicht entsprechend der Qualitätsanforderungen passen – inakzeptable Spaltmaße werden auftreten. Teure Nacharbeiten oder vielfacher Ausschuss sind die Folge.

Deshalb gilt es, sowohl im Konstruktions- als auch im Produktionsprozess der Blechbearbeitung, zwei Grundregeln zu beachten: Pressteil und Form können aufgrund von Naturgesetzen nicht übereinstimmen, doch das Pressteil und seine Konstruktionsdaten müssen übereinstimmen.

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Bisher halfen nur die Erfahrungen der Werkzeug- und Formenbauer, gepaart mit zeitaufwendigen Tuschierprüfungen oder mit modernen Koordinatenmessungen. Allerdings liefern beide Methoden nur punktuelle Messergebnisse.

Die seit einem Jahrzehnt verfügbaren 3D-Scanner eröffnen allein durch die große Menge der von ihnen bereitgestellten Daten eine neue Dimension in der Prüftechnologie. Sie bieten die Möglichkeit, schnell und genau die Geometrie von physischen Objekten zu erfassen und darauf basierend CAD- und CAE-Modelle zum durchgängigen Einsatz in Konstruktions-, Entwurfs- und Herstellungsprozessen zu entwickeln.

Die fehlende Kompatibilität der eingescannten Punktewolken

Doch die eingescannten Punktwolken und die aus ihnen berechneten Oberflächennetzwerke existieren nicht in der Welt der ursprünglichen Konstruktionsdaten. Sogenannte Punktwolken, Polygonnetze und Nurbs-Oberflächenmodelle sind weder parametrisch noch enthalten sie Konstruktionsmerkmale. Die meisten etablierten CAD-Programme können mit den Punktewolken nicht umgehen.

Dies ist jedoch notwendig, wenn der unzureichende Prototyp der B-Säulen-Pressform nachvollziehbar dokumentiert, neu definiert und auf den heute verfügbaren numerisch gesteuerten Maschinen überarbeitet werden soll – sei es durch einen Auftrag von zusätzlichem Formwerkstoff oder durch das Entfernen von Material. Da sich auch die Form im Produktionsprozess abnutzt, muss diese laufend in allen Dimensionen überprüft und beim Erreichen von Grenzwerten überarbeitet oder durch ein neues Exemplar ersetzt werden.

CAD-Systeme brauchen konstruktionsbasierten Ansatz

Weil jedes größere mechanische CAD-System heute einen festen Modellieransatz verwendet, um Bauteilgeometrien zu erstellen, ist ein konstruktionsbasierter Ansatz nötig. Dieser ermöglicht es, dass Bauteile parametrisiert, dimensioniert und überall in den Konstruktionsprozess eingepasst und leicht bearbeitet werden können.

Für die Praxis in der Blechbearbeitung bedeutet das: Wenn das Ziel beim Digitalisieren eines Bauteils einfach darin besteht, eine Kopie seiner Geometrie zu erzeugen, um Konstruktionsänderungen vorzunehmen, kann ein Oberflächenmodell eines 3D-Scans genügen. Wenn jedoch Änderungen an den Merkmalen eines Bauteils erforderlich sind, wie das Versetzen einer Lochposition in einem Blechteil oder die Vergrößerung eines Verrundungsradius, ist ein konstruktionsmerkmalbasiertes parametrisches Modell erforderlich.

Gleiches gilt, wenn, von den Daten ausgehend, direkt produziert werden soll. Genau dort setzt die Rapidform-Software von Inus Technology an: Sie schließt die Lücke zwischen dem 3D-Scan des Bauteils und den CAD-Daten der Produktionsformen.

Inus gestaltet Bauteile mit Hilfe der Scandaten um

Um parametrische CAD-Modelle aus den 3D-Scandaten zu erstellen, hat Inus den Denkansatz beim Reverse Engineering gewechselt: Statt nur Geometrie zu erfassen und sie von einem Datentyp in einen anderen zu konvertieren, werden die Bauteile mit Hilfe der Scandaten umgestaltet, indem diese als Schablone oder Anleitung interpretiert werden.

Dabei zeigt sich, dass die Rekonstruktion von Bauteilen mit Hilfe von Scandaten oft schneller funktioniert, als die Erzeugung eines Oberflächennetzwerkes und seine Nachbearbeitung, weil viel weniger Zeit darauf verwandt wird, die Polygonnetze zu optimieren und eine schlechte Geometrie zu reparieren.

CAD-Modell erhält wieder mathematische Vollkommenheit

Durch das Redesign eines Bauteils mit der Software Rapidform kann der Benutzer die Konstruktionsabsicht extrahieren und dem Modell die mathematische Vollkommenheit der CAD-Welt zurückgeben, obwohl er der Geometrie des eingescannten Bauteils treu bleibt. Der Rekonstruktionsprozess folgt demselben Arbeitsablauf, mit dem das Bauteil in einem Volumenkörper-Modellierungssystem von Anfang an gestaltet würde.

Der Vorteil ist, dass man die zugrunde liegende gescannte Geometrie als Konstruktionsrichtlinie und zur Überprüfung der Genauigkeit verwenden kann. Am Ende des Prozesses stehen parametrische Daten. Jedes Merkmal des gescannten Bauteils, das ursprünglich auf der Basis von Skizzen konstruiert wurde, kann mit Hilfe von Skizzen rekonstruiert werden.

Während des Redesigns von Blechbauteilen aus 3D-Scandaten taucht immer die Frage nach der Genauigkeit auf. Scandaten sind immer fehlerhaft, so dass der Benutzer eine Auswahl treffen muss. Folgt er den Scandaten genau oder weicht er ein wenig ab, um ein sauberes, idealisiertes CAD-Modell zu erstellen? Entscheidend wird immer sein, ein Minimalniveau der zum Gebrauch des Werkstücks erforderlichen Genauigkeit einzuhalten. Während des gesamten Redesign-Prozesses ist es daher wichtig, so häufig wie möglich zu überprüfen, wie stark die Abweichung ist.

Einsatz in der Praxis genügt hohen Qualitätsanforderungen

Grundsätzlich kann Rapidform überall dort in der Blechbearbeitung eingesetzt werden, wo planbare Werkzeug- und Produktkonstruktionen auf der Basis von 3D-Scan-Daten entstehen sollen. Rapidform wird heute von Unternehmen wie Toyota, Audi, Panasonic oder Benteler eingesetzt.

Die Lufthansa Technik AG verwendet 3D-Scans beispielsweise, um Flugzeuge in bestmöglichem Zustand zu halten. Durch das Scannen von vorhandenen Bauteilen mit einem 3D-Alliance-Laserscanner und das Erstellen von CAD-Modellen mit Hilfe der Software Rapidform-XO Redesign können Ersatzteile innerhalb enger Toleranzen gefertigt werden. Statt einfach vorhandene Geometrien zu kopieren, wird jedes Bauteil direkt von den Scandaten ausgehend rekonstruiert. •

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