Flächenrückführung

Die Flächenrückführung ist eine Methode für das Reverse Engineering. Dank moderner Scanmethoden ist sie heute in einer hohen Präzision verfügbar.

Die Scanverfahren sind zudem sehr schnell. Sie werden durch hoch entwickelte Programme ergänzt, welche die Datenmenge reduzieren.

Das verringert die benötigte Rechenleistung und den erforderlichen Speicherplatz. Mit den modernen Verfahren für die Flächenrückführung sind sehr schnell Anschauungskopien von realen Produkten herstellbar.

Vorteile der Flächenrückführungsverfahren

Die Überführung von einem Objekt in ein CAD Volumenmodell mit dem Flächenrückführungsverfahren eignet sich besonders für organische Formen und Oberflächen.

Amorphe Strukturen sind mit manuellen oder taktilen Messverfahren nur sehr schwer zu erfassen. Typische Anwendungen für die Flächenrückführung sind folgende:

• Gesichter
• Körper
• Organisch geformtes Industriedesign
• Skulpturen
• Aerodynamisch optimierte Formen

Die Erfassung und Digitalisierung dieser Objekte über Flächenrückführung ist besonders schnell und präzise durchführbar. Zudem wird die benötigte Hardware und Software immer billiger und leistungsstärker.

Teilweise sind bereits brauchbare Programme für diese Anwendungen als Freeware erhältlich. Das macht dieses Verfahren sowohl für die Maker-Szene wie auch für das Gewerbe und die Industrie interessant.

Flächenrückführung als Teil des Reverse Engineerings

Das Reverse Engineering ein Verfahren, mit dem von einem realen Produkt auf seine Konstruktion geschlossen wird. Das Engineering verläuft rückwärts: Zuerst wird das Produkt vermessen, anschließend grafisch dargestellt und schließlich auf seine technischen Eigenschaften untersucht.

Es ist beispielsweise für historische Modelle oder Produkte, für die keine Konstruktionsunterlagen mehr auffindbar sind, ist es die einzig verfügbare Methode der Reproduktion.

Außerdem bilden die gewonnenen Daten eine schnelle und bequeme Grundlage, um neue Produkte zu entwickeln. Für dieses Konstruktionsverfahren kommen folgende Methoden in Betracht:

• Manuelles Ausmessen und Nachzeichnen
• Taktiles Ausmessen mit 3-D-Koordinatenmesssystem
• Diverse Scanverfahren mit anschließender Flächenrückführung

Die Flächenrückführung hat sich in jüngster Zeit aufgrund hoch entwickelter Hard- und Software zum bevorzugten Verfahren für das Reverse Engineering von amorphen Objekten entwickelt.

Definition Flächenrückführung

Die Flächenrückführung bezeichnet nicht den eigentlichen Scanprozess, sondern die Aufbereitung der daraus gewonnenen Daten. Zwar können moderne Scanner bereits ein sehr plastisches 3-D-Modell eines Objekts erstellen.

Um daraus einen brauchbaren Datensatz zu generieren, der auf einer Bearbeitungsmaschine einsetzbar ist, sind noch weitere Schritte notwendig. Die vom Scanner gelieferten Rohdaten liegen zunächst als Punktwolke oder als chaotisch generiertes Gitternetz vor.

Die Datenmenge ist noch enorm groß und die Oberflächen entsprechen nicht vollständig dem Original. Die Flächenrückführung ist die Nachbearbeitung dieser Rohdaten, bis ein verwertbares 3-D-Modell vorliegt.

In der Fachsprache lautet die Definition der Flächenrückführung: „Die Flächenrückführung ist der Prozess, bei dem eine Polygonfläche (oder Punktwolke) in NURBS-Flächen umgewandelt wird.“ NURBS sind „Non-Uniform-Rational-B-Spline“ Vektorkurven. Dieser Umwandlungsprozess geschieht teilweise automatisch.

Heute muss der Anwender bei den meisten Programmen noch etwas assistieren und unterstützend eingreifen. Diese Vektorkurven werden von dem Konstruktionsprogramm erfasst und zu einem Modell zusammengefügt. Dieses Modell lässt sich beliebig nachbearbeiten. Üblich sind folgende Verwendungen:

• Erstellung einer 1:1 Kopie
• Skalierung (Maßstabsgerechte Vergrößerung oder Verkleinerung)
• Ergänzungen
• Formveränderungen

Die Modellierbarkeit des erstellten 3-D-Modells ist beliebig und hängt nur von der Phantasie und dem Geschick des Konstrukteurs ab.

Das erste Ergebnis von einer gelungenen Rückführung der Flächen ist die Erstellung von einem Flächenmodell. Im zweiten Schritt wird daraus ein Volumenmodell erstellt.

Unterschied Flächenmodell zu Volumenmodell

Ein Flächenmodell ist eine zusammenhängende, vollständige Fläche. Sie ist aber noch zweidimensional und definiert nur die Hülle von einem Volumenmodell innerhalb eines bestimmten Bereichs.

Um aus einem Flächenmodell ein Volumenmodell zu generieren, muss es vollständig geschlossen werden. Im Fall vom Flächenrückführungsverfahren bedeutet dies, dass beispielsweise die Auflagefläche zu schließen ist.

Glätten, Nachbessern und Anpassen von Übergängen sind weitere Schritte beim Flächenrückführungsverfahren.

Scanverfahren für die Flächenrückführung

Für die Flächenrückführung kommen drei Erfassungsmethoden von plastischen Objekten infrage:

• Digitalfotografie
• Streifenlichtabtastung
• Laserscanning

Die Digitalfotografie ist ein einfaches und breit verfügbares Verfahren zur Rohdatengewinnung für 3-D-Modelle. Die normalen Handy-Kameras reichen bereits aus, um sehr interessante Ergebnisse zu erzielen.

Jedoch ist der Erfassungsprozess aufwendig und erfordert viel Nacharbeit. Das Scannen über Digitalfotos ist in der Maker-Bewegung sehr beliebt. Es lassen sich damit interessante Kopien für Gesichter und anderen komplexen Formen erstellen und anschließend ausdrucken.

Die Streifenlichtabtastung ist ein schnelles, preiswertes und präzises Verfahren. Es projiziert ein Streifenmuster auf eine Oberfläche. Durch schnelles Wechseln der Richtung werden alle Strukturen der Oberfläche genau erfasst.

Der angeschlossene Rechner wandelt die Daten anschließend in das CAD Flächenmodell um.
Das Laserscanning ist das präziseste Verfahren zum Vermessen einer Oberfläche. Der abtastende Laserstrahl erfasst kleinste Erhebungen.

Die gewonnenen Daten sind besonders valide und kommen den tatsächlichen Maßen des gescannten Objekts schon sehr nahe. Wenn es fertig eingescannt ist, liegen die Dateien für die Flächenrückführung im STL Format vor.

Varianten vom Flächenrückführungsverfahren

Wenn für die Flächenrückführung die STL Dateien erzeugt wurden, beginnt die eigentliche Umwandlung. Dazu stehen die folgenden beiden Varianten zur Auswahl:

• Autosurface
• Boundary Fit

Das „Autosurface“ ist das automatische Flächenrückführungsverfahren. Hierbei definiert das 3D Scan Verarbeitungsprogramm die Flächen und die Gitternetzstruktur – die benannten „NURBS“ automatisch.

Beim „Boundary Fit“ werden die Nurbs manuell definiert. Die Erstellung der Flächen geschieht anschließend wieder automatisch.

Die Vorteile vom Autosurface sind die hohe Umwandlungsgeschwindigkeit vom 3D Scan zum Flächenmodell und die hohe Präzision. Die Differenz in der Genauigkeit beträgt vom Original zum Flächenmodell bei einer hochwertigen Ausstattung lediglich 0.05%.

Die Nachteile vom Autosurface sind folgende:

• Zufällige NURBS-Struktur
• Häufig fehlende Flächen
• Hohe Datenmenge
• Nicht mehr veränderbar

Die zufällige NURBS-Struktur ist vor allem dann problematisch, wenn das Modell zerlegbar dargestellt werden soll. Die Gitternetzlinien hüllen das Objekt willkürlich ein und machen ihre Zuordnung zu einzelnen Bauabschnitten unmöglich.

Die häufig fehlenden Flächen müssen manuell nachbearbeitet werden. Das kann, je nach Größe des Objekts, sehr zeitaufwendig sein.

Die große Datenmenge erschwert die weitere Verarbeitung des Modells und macht Rechner mit hoher Prozessorleistung erforderlich.

Aufgrund der zufällig generierten Struktur von Gitternetz und Flächen ist eine spätere Veränderung des 3-D-Modells schwierig bis unmöglich. Es können bestenfalls Skalierungen noch umgesetzt werden, Darüber hinaus stoßen die Autosurface-Modelle aber an ihre Grenzen.

Die Vorteile vom Boundary Fit sind folgende:

• Logisches NURBS-Netzwerk
• Weniger Flächen
• Schließung zum Volumenmodell einfacher
• Beliebige Nachbearbeitung möglich

Das logisch aufgebaute NURBS Netzwerk vom Boundary Fit orientiert sich an der Bauteilstruktur des Objekts. Das 3D-Modell kann so anschließend zerlegbar animiert werden. Die geringere Anzahl an Flächen reduziert die Dateigröße.

Das vereinfacht die weitere Verarbeitung. Mit einem geschlossenen Volumenmodell wird der 3D Scan beliebig bearbeitbar. Die Nachteile vom Boundary Fit sind die erforderliche Sachkenntnis des Bearbeiters und der hohe Arbeitsaufwand.

Vorgang einer Flächenrückführung

Die Erstellung eines 3-D-Modells über Flächenrückführung ist ein dreistufiger Prozess. Er besteht aus folgenden Schritten:

1. Erfassen des Objekts
2. Umrechnen der Punktwolke in ein CAD-Flächenmodell
3. Nachbearbeiten über Flächenrückführung

Die üblichen Dateiformate für die erstellten 3-D-Modelle sind .STEP, .X_T, .SAT, .CATPART und .IGIS.

Das Objekt wird mit den beschriebenen Scanning-Verfahren als Digitalmodell in den Rechner geladen. Dort liegt es nur als Punktwolke vor. Die Programme erstellen daraus zunächst ein CAD-Flächenmodell.

Die entstandenen NURBS sind vorerst noch chaotisch angeordnet. Das 3-D-Modell in diesem Zustand noch eine hohe Datenmenge. Im dritten Schritt, der eigentlichen Flächenrückführung, wird das 3-D-Modell vereinfacht und geglättet.

Je stärker das Modell vereinfacht wird, desto weniger Rechenleistung wird für die weitere Bearbeitung benötigt. Dies kann einige Zeit und manuelles Nachziehen der digitalen Strukturen bedeuten. Es steigert aber die Präzision vom CAD Volumenmodell und beschleunigt die Prozesse.

Vereinfachung der Geometrien

Bei Objekten, die nur teilweise amorph geformt sind, bietet es sich an, die definierten Teile nachzubilden. Die vektorielle Auflösung von Grundkörpern reduziert die zu verarbeitende Datenmenge erheblich.

So benötigt ein Programm zur Berechnung eines Quaders lediglich seine Raumdiagonale. Das bedeutet, dass ein Konstruktionsprogramm aus diesem einzigen Vektor bereits ein komplettes CAD Volumenmodell erstellen kann.

Gleiches gilt für Zylinder, Ringe, Kugeln, Kreise und Pyramiden. Die für eine Modellierung erforderliche Datenmenge ist minimal, vor allem im Vergleich zu den restlichen, undefinierbaren Strukturen eines typischen teilamorphen Objekts.

Grenzen vom Flächenrückführungsverfahren

So gut sich das Flächenrückführungsverfahren für organisch-amorphe Strukturen eignet, so ungeeignet ist es für kantige Bauteile mit Bohrungen.

Das Verfahren stößt vor allem in Bereichen mit präzise definierten technischen Geometrie an seine Grenzen. Für die folgenden Strukturen ist es unbrauchbar:

• Gewindebohrungen
• Sacklöcher
• Gewindebolzen
• Definierte Rauheiten

Alle optischen Erfassungssysteme haben außerdem Schwierigkeiten damit, glänzende Objekte zu erfassen. Verchromte oder auf Hochglanz polierte Produkte sind deshalb nur mit Zusatzmaßnahmen, beispielsweise einem „Vermattungs-Spray“ mit einem Scanner digitalisierbar.

Gewinde, gleichgültig ob als Bohrung oder als Bolzen, haben für Scanner eine zu filigrane Struktur. Der Übergang zwischen einem Feingewinde zu einer Rauheit ist auch für moderne Erfassungsgeräte schwierig erkennen.

Bohrungen sind beim äußeren Erfassen kaum definierbar. Man erkennt am fertigen 3D-Modell nicht eindeutig, wie tief das gebohrte Loch sein soll.

Wenn eine Oberfläche eine definierte Rauheit besitzt, wird diese vom Scanner meist nicht in der Regelmäßigkeit des Originals wieder gegeben. Die Darstellung einer Feile oder ein aufgerauter Bereich wird in den meisten Fällen chaotisch.

Um eckige und klar strukturierte Objekte zu digitalisieren, eignen sich deshalb die traditionellen manuellen und taktilen Methoden besser als das Scannen mit anschließendem Flächenrückführungsverfahren.

Flächenrückführungsverfahren für das Reverse Engineering

Das Flächenrückführungsverfahren ist für organische Formen optimal geeignet. Die Rohmodelle aus dem 3D Scan haben große Datenmengen. Diese lassen sich durch geeignete Nachbearbeitung deutlich reduzieren.

Die fertigen Daten sind die Grundlage für die Herstellung einer Anschauungskopie des Originals. Für eckige Ausgangsprodukte ist das konstruktive Nachbilden durch präzise Vermessung für das Reverse Engineering vorteilhafter.

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