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CAD-Technologie - Reverse Engineering einfach umgesetzt

CAD-TechnologieReverse Engineering einfach umgesetzt

Aktuell wird ein vereinfachter Ansatz des Reverse Engineering an der Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn untersucht. Entgegen einer klassischen Flächenrückführung, bei der die Generierung von Flächen auf Basis von Punktewolken geschieht, werden hier mit den gescannten Punktewolken Bauteile direkt mit dem CAD-System Creo Elements/Pro 5.0 volumetrisch rekonstruiert. Die so erstellten CAD-Modelle können in weiterführenden CAx-Prozessketten verarbeitet und beliebig angepasst werden. Als erstes größeres Projekt wurde mit dieser Methode das Kurbelgehäuse eines 4-Zylinder-Boxermotors vollständig als Volumenmodell rekonstruiert.

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Kurbelgehäuse

In der industriellen Praxis ist es oft notwendig, ein reales Bauteil in ein CAD-Modell zu überführen. Dieser Prozess lässt sich beispielsweise bei der Entwicklung von Karosserieoberflächen in der Automobilindustrie beobachten, wo auf Basis handgefertigter Clay-Modelle im CAD-System Flächenmodelle entstehen. Üblicherweise spricht man in diesem Zusammenhang von der Thematik des Reverse Engineering oder zum Teil auch von einer Flächenrückführung. Die beiden Fachbegriffe können folgendermaßen unterschieden werden.

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Reverse Engineering bedeutet so viel wie „umgekehrt entwickeln“ beziehungsweise „rekonstruieren“. Beim Reverse Engineering wird ein Bauteil nicht, wie sonst üblich, auf der Grundlage eines konstruktiven Entwurfs modelliert, sondern es wird ein realer Gegenstand durch die Digitalisierung und eine anschließende Flächenrückführung in das CAD-System übertragen. Ziel ist es dabei, den Gegenstand möglichst realitätsnah zurückzuführen, sodass schließlich eine digitale Kopie des realen Bauteils entsteht.

Nach [Sch09] lässt sich die Prozesskette in das „Reverse Engineering im engeren Sinn“ und das „Reverse Engineering im erweiterten Sinn“ unterteilen.

CAD-Technologie: Reverse Engineering einfach umgesetzt

Von der 3D-Digitalisierung bis zur Flächenrückführung spricht man vom „Reverse Engineering im engeren Sinn“. Die Schritte 3D-Digitalisierung und anschließende Flächenrückführung werden grundsätzlich beim Reverse Engineering durchlaufen, unabhängig davon, wofür das gewonnene CAD-Modell später eingesetzt wird.

Das „Reverse Engineering im erweiterten Sinn“ beschreibt im Grunde die darauffolgenden Schritte der Prozesskette wie beispielsweise die Fertigung (CAM), die Berechnung (CAE) oder die Qualitätskontrolle (CAQ). Diese Prozessschritte können anschließend je nach praktischem Anwendungsfall zum Tragen kommen.

Flächenrückführung
Die Flächenrückführung ist ein Bestandteil der Reverse Engineering Prozesskette, wenn primär Freiformflächen generiert werden sollen. Diese treten in der Praxis auf, wenn sich Gegenstände nicht durch einfach beschreibbare Flächen, also etwa Ebenen, Kugeln oder Zylinder beschreiben lassen. Der Einsatz von Freiformflächen begründet sich oft durch ein gewünschtes Design oder funktionale Gesichtspunkte.

CAD-Technologie: Reverse Engineering einfach umgesetzt

Die Flächenrückführung lässt sich definieren als die rechnergestützte Erstellung eines dreidimensionalen Flächenmodells auf Basis von im Raum taktil oder optisch erfassten Punkten einer Bauteiloberfläche.

Für die Flächenrückführung werden unterschiedliche Softwarelösungen auf dem Markt angeboten. Teilweise gibt es neben diesen „Stand-alone-Lösungen“ Zusatzmodule, die in Standard CAD-Systemen integriert sind.

Der Vorteil der Flächenrückführung liegt darin, dass mit einigen Softwarelösungen Freiformflächen von hoher Qualität generiert werden können. Hier seien vor allem die krümmungsstetigen Class-A-Flächen im Exterieur- und Interieurbereich bei der Automobilentwicklung genannt [HAN2006].

CAD-Technologie: Reverse Engineering einfach umgesetzt

Digitalisierung von Bauteiloberflächen
Bei der Digitalisierung handelt es sich um den ersten Schritt in der Reverse Engineering Prozesskette. Dabei werden Bauteile mit Hilfe mechanisch tastender oder durch berührungslose Messgeräte erfasst, wobei Punktewolken entstehen. Die Messverfahren lassen sich in die Bereiche Volumen- und Oberflächenerfassung einteilen.

Ein bekanntes volumenerfassendes Messverfahren ist beispielsweise die Computertomographie. Hier werden Gegenstände schichtweise gescannt, sodass sowohl die äußere als auch die innere Geometrie des Bauteils erfasst werden können. Nachteile sind vor allem in den hohen Anschaffungs- und Betriebskosten der Computer-Tomographen zu sehen.

Zu den oberflächenerfassenden Messverfahren gehören zum Beispiel Koordinatenmessgeräte (KMG) und 3D-Scanner. Bei KMGs werden Bauteiloberflächen mit einem Taster abgefahren, wodurch sehr genaue Messergebnisse erzielt werden können, [HAN2001]. Allerdings entsteht bei diesen Messverfahren ein enorm großer Zeitaufwand wenn komplexe Geometrien erfasst werden sollen. Demgegenüber stehen die 3D-Scanner, mit denen in kurzer Zeit komplizierte Oberflächen digitalisiert werden können. Deshalb eignen sich diese Verfahren besonders zum Einsatz für die Reverse Engineering Prozesskette.

Das Ergebnis der 3D-Digitalisierung ist die Punktewolke, welche die Basis für die Rekonstruktion von Bauteilen darstellt.

Volumetrische Rekonstruktion
Die Integration des Reverse Engineering in bestehende Prozessketten erfordert viel Know-how und ist oft mit hohen Kosten verbunden. Zum einen muss in eine entsprechende Digitalisierungstechnik und zum anderen in eine Flächenrückführungs-Software investiert werden. Dazu kommt unter Umständen die Einstellung neuer Mitarbeiter, verbunden mit diversen Weiterbildungsmaßnahmen.

Um den damit steigenden Kosten entgegenzuwirken, wird an der Fachhochschule Südwestfalen ein Ansatz entwickelt, bei dem für die Rekonstruktion des Bauteils keine separate Flächenrückführungs-Software oder entsprechende Zusatzmodule eingesetzt werden müssen, sondern die Rückführung der Bauteile mit den grundlegenden Basisfunktionalitäten eines CAD-Systems durchgeführt werden kann.

Bei der Methode wird das reale Bauteil zunächst mit Hilfe eines 3D-Scanners digitalisiert. Dazu wird an der Fachhochschule Südwestfalen der Atos Compact Scan 2M der Firma GOM eingesetzt. Der 3D-Digitalisierer arbeitet nach dem Streifenprojektionsverfahren, bei dem verschiedene Streifenmuster auf die Bauteiloberfläche projiziert und anschließend von zwei Kameras erfasst werden. Durch den Einsatz des sogenannten Phasenshift-Verfahrens wird so eine Vielzahl von dreidimensionalen Punkten aufgenommen.

Da Bauteile in den seltensten Fällen mit nur einem Scanvorgang vollständig erfasst werden können, müssen oft mehrere Messungen aus verschiedenen Blickwinkeln durchgeführt werden. Durch das Anbringen von Referenzpunkten an dem Bauteil können die Einzelaufnahmen in der GOM Software prozesssicher zu einer einzigen Punktewolke zusammengefasst werden.

Im Anschluss an die Digitalisierung wird eine Aufbereitung der Punktewolke durchgeführt, bei der das Punktenetz partiell ausgebessert wird. Dabei können beispielsweise Löcher geschlossen oder Bereiche geglättet werden (vgl. Abbildung 2).

Über entsprechende Schnittstellen kann die aufbereitete Punktewolke an ein CAD-System übergeben werden. Die Rekonstruktion kann zum Beispiel mit der Software Creo Elements/Pro 5.0 durchgeführt werden. Dabei lassen sich auf Basis der Punkte Referenzgeometrien, wie Ebenen, Achsen oder Kurven ableiten, die anschließend für die volumetrische Rekonstruktion verwendet werden. So kann das jeweilige Bauteil vollständig volumetrisch aufgebaut und durch das Einfügen sinnvoller Parameter eine hohe mathematische Stabilität erzielt werden (vgl. Abbildung 3).

Soll-Ist-Vergleich
Zur Überprüfung der Rekonstruktion kann zusätzlich ein Soll-Ist-Vergleich mit der Software GOM Inspect V7.5 durchgeführt werden (vgl. Abbildung 4). Dabei werden das rekonstruierte Volumenmodell und die Punktewolke vollautomatisch miteinander verglichen. Dadurch lässt sich die Konstruktion einfach kontrollieren, wobei größere Abweichungen oft den Fertigungsungenauigkeiten bei der Herstellung der realen Teile geschuldet sind.

Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Flächenrückführung liegen darin, dass das Modell im CAD-System parametrisch und mit Referenzgeometrien aufgebaut werden kann, was im Nachhinein eine einfache Anpassung der Geometrie ermöglicht. Dafür reichen meistens CAD-Basiskenntnisse aus. Diese Möglichkeiten führen also dazu, dass viele Bauteile schnell und einfach rekonstruiert werden können. Ein weiterer großer Vorteil liegt darin dass die Rekonstruktion mit vorhandenen CAD-Systemen wie etwa Creo Elements/Pro 5.0 durchgeführt werden kann. Es muss also keine separate Flächenrückführungs-Software eingesetzt werden.

Beschränkungen der volumetrischen Rekonstruktion sind darin zu sehen, dass Freiformflächen nur in begrenztem Maße nachgestaltet werden können.

Als aktuelles Projekt zu diesem Themenbereich wurden die beiden Kurbelgehäusehälften eines 4-Zylinder-Boxermotors mit der beschriebenen Methode zurückgeführt. Die CAD-Modelle konnten ohne technische Zeichnungen oder sonstige Hilfsmittel vollständig rekonstruiert werden. Dies unterstreicht, dass mit der beschriebenen Methode auf simple Art und Weise auch komplexe Geometrien auf Basis von Punktewolken erstellt werden können.

Wenn aus Punktewolken Daten werden
Anwendungsgebiete für diese neue Methode sind vor allem in Gebieten zu sehen, wo Bauteile rekonstruiert werden müssen, für die keine technischen Unterlagen mehr vorhanden sind. Dies kommt beispielsweise in mittelständischen Unternehmen vor, wo teilweise alte Produkte für aktuelle Serien genutzt werden sollen. Die einzige Voraussetzung für die Rekonstruktion mit parametrischen CAD-Systemen ist eine Punktewolke, die möglichst mit einem 3D-Scanner aufgenommen wurde.

Weiterhin lässt sich mit High-end CAD-Systemen, wie mit dem an dieser Stelle eingesetzten Tool auch mit begrenzter Funktionalität eine Flächenrückführung von Class-A-Flächen realisieren. Diese können mit den volumetrisch erzeugten Geometrien zu komplexen Hybridmodellen verknüpft werden, eine Thematik, die an der Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn eine aktuelle Forschungsaufgabe darstellt. -sg-

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal, Sebastian Schütte, Robin Otto


Quellen:
[SCH2009] Schöne, C.: Reverse Engineering für Freiformflächen in Prozessketten der Produktionstechnik, München: Verlag Dr. Hut, 2009

[HAN2006] Hannibal, W.; Pregitzer, G.: Flächenrückführung als integraler Bestandteil von CAx-Prozessketten, in: CAD-CAM Report, 6/2006

[HAN2001] Hannibal, W.; Metzlaw, A.: Von der Idee zum Produkt, in Qualität und Zuverlässigkeit, Juli 2001

Fachhochschule Südwestfalen, Iserlohn, Tel. 02371/566-0, http://www.fh-swf.de

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