Ausgangssituation und Zielsetzung
Ausgangssituation:
Es werden seitens der Großindustrie verstärkt Entwicklungsaufträge an externe Unternehmen vergeben. Dies ist eine große Chance für die regionalen Unternehmen (KMU) an solchen Projekten zu partizipieren. Die regionale Industriestruktur der Unternehmen (KMU) wird immer stärker durch die Zulieferer der Automobil-, Luftfahrt- und Transportindustrie geprägt. Um als Zulieferer im globalen Wettbewerb weiter bestehen bzw. in den Kreis der Zulieferer aufgenommen werden zu können, müssen die betroffenen Unternehmen (KMU) die anspruchsvollen Soft- und Hardwareanforderungen und die konforme Entwicklungsmethodik ihrer Kunden erfüllen. Zusätzlich werden Basisbausteine zur Bildung von Prozessketten und -netzen benötigt, um das arbeitsteilige Denken und Handeln in der Produktentwicklung zu überwinden. Dadurch wird die Zielsetzung erreicht, eine hohe Entwicklungsqualität auf Anhieb zu erhalten. Die erforderlichen Entwicklungswerkzeuge müssen die effiziente Modellierung von Prozessen und Produkten ermöglichen. Im Vordergrund muss dabei stehen, zuverlässige und schnelle Aussagen über das Verhalten des Produkts während des Entwicklungsprozesses zu gewinnen.
Zielstellung:
In der letzten Dekade wurde in den Unternehmen viel Erfahrung und Know-how auf den Gebieten der Simulationstechnologie, des Rapid Prototyping und des Rapid Manufacturing gesammelt bzw. aufgebaut. In den letzten Jahren wurde die Möglichkeit der Erfassung der Oberflächengeometrie und weiterer Oberflächeneigenschaften, wie Farbe oder Textur durch 3D-Mess-techniken zu erfassen, verstärkt. Dies spiegelt sich in der verstärkten Nachfrage dieser neuartigen Messtechniken seitens der OEM an seine Zulieferer wider. Diese Messverfahren bieten neben den traditionellen Aufgaben im industriellen Qualitätsmanagement ein zusätzliches breites Anwendungsfeld.
Industrielle Inspektion: Die industrielle Qualitäts- und Fertigungskontrolle ist das klassische Anwendungsgebiet für die dreidimensionale Formerfassung. Die rasche und komplette Erfassung des gesamten Bauteils macht eine ganzheitliche Oberflächenkontrolle möglich. Anhand der Abweichungen von der Spezifikation können fehlerhafte Teile ausgeschieden und Fertigungsprozesse überwacht und korrigiert werden.
Medizin: Auch in der Medizin gibt es weit reichende Anwendungsmöglichkeiten für die optische 3D-Formerfassung. So lassen sich Prothesen speziell auf den Patienten anpassen. In der plastischen Chirurgie ermöglicht die genaue Kenntnis der Anatomie des Patienten Eingriffe besser zu planen und die Ergebnisse einer Operation bereits im Voraus simulieren zu können.
Reverse Engineering: Die Entwicklung erfolgt heutzutage unter Verwendung von 3D-CAD-Software. In vielen Fällen, insbesondere wenn die Form ästhetischen Gesichtspunkten genügen muss, ist die manuelle Gestaltung intuitiver als die Manipulation der Stützpunkte einer NURBS-Oberfläche. Der Designer und Prototypenbauer kann so auf natürliche Weise mit seinem Objekt interagieren. Anschließend kann die Form digitalisiert und in eine für die Weiterverarbeitung mittels CAD geeignete Darstellung überführt werden. Es ist ebenso denkbar, Bauteile älterer Geräte, welche noch ohne den Einsatz von CAD-Software hergestellt wurden, zu digitalisieren und für die Entwicklung neuer Geräte oder die Herstellung von Ersatzteilen zu verwenden. Der Prozess des Reverse Engineering beschreibt im Gegensatz zum normalen Konstruktionsprozess den umgekehrten Vorgang. Dabei wird ein dreidimensionales, physisches Modell vermessen und eine möglichst abbildungsgetreue Rechnerdarstellung dieses Modells aus den Messdaten errechnet.
Neben der Laser- und Weißlichtstreifenprojektion wird die Computertomographie (CT) im zukünftigen Produktentwicklungsprozess ein notwendiges und wichtiges Werkzeug darstellen. Wenn von einem vorhandenen Bauteil die 3D-Daten generiert werden müssen, wird das CT das dominierende Verfahren sein. Die erzeugten Voxel-Daten können entweder zur Werkstoffuntersuchung weiterverwendet oder aber zu STL-Datei weiterverarbeitet werden. Das STL-Datenformat ist ein verbreitetes 3D-Format, das zum Datenaustausch für zahlreiche weitere Applikationen verwendet werden kann. Dadurch ist es möglich aus den CT-Daten über die diversen Rapid Prototyping Verfahren den kompletten Reverse Engineering Prozess abzubilden.
Außerdem ist es möglich, die gemessenen Daten durch einen Soll/Ist-Vergleich mit dem CAD-Modell oder einem Mastermodell zu überprüfen. Die geometrischen Abweichungen werden als Falschfarbenbild dargestellt und spielen eine wichtige Rolle im Qualitätsmanagement.
Ein weiterer Schritt ist die Generierung eines FEM-Netzes aus den CT-Daten. Somit können für eine Simulation nicht nur die idealisierten CAD-Daten sondern auch die realen Bauteildaten mit allen Geometrieabweichungen und Fehlern verwendet werden. Die ist besonders für lunker- und porenbehaftete Bauteile interessant, die einer Safe or Fail Analyse unterzogen werden müssen. Daraus ergibt sich, ob z. B. der Fertigungsprozess weiter optimiert werden muss oder ob man die fehlerbehafteten Teile verwenden kann. Ein nächster Schritt ist die Weiterverarbeitung der CT-Daten mittels Flächenrückführung zu IGES-Flächen. Dieses erzeugte Flächenmodell kann dann in jedes beliebige CAD-System eingelesen und konstruktive Veränderungen vorgenommen werden.
Die besondere Herausforderung bei der Computertomographie besteht – neben der erfahrungsbasierten Bedienung – in der Handhabung der großen Datenmengen für die nachfolgenden Auswertungs- und Entwicklungsprozessschritte.
In den Entwicklungsbereichen der KMU sollen die Akzeptanzprobleme und Berührungsängste bezüglich der Anwendung diesen innovativen Verfahrens abgebaut, die Chancen und Vorteile des neuartigen Verfahrens aufgezeigt und der durchgängige Datentransfer erprobt werden.
