Freiform-Flächen sind unsere Spezialität. iCapp entwickelt CAD Applikationen - Funktionsbibliotheken, mit oder ohne GUI - für Spezialanwendungen im Werkzeugbau, der Fertigung oder dem allgemeinen Maschinenbau. Exzellente Erfahrungen haben wir bei der Erstellung von krümmungs- und prozessoptimierten NURBS-Spline-Flächen - nach beliebigen Kriterien.

Typische Anwendungen sind nicht nur im Automobilbau zu finden, sonder auch in der Architektur, der Medizintechnik oder dem Produkt-Design. Dächer, Knochen, Bootskörper, Turbinenschaufeln und Umformwerkzeuge für Karosseriebleche sind durch Freiformflächen charakterisiert. Die Ästhetik wird mehr und mehr zum Erfolgskriterium, was im Produktdesign zu immer aufwendigeren Formen führt.

Die folgenden Beispiele zeigen typische Projekte aus den erwähnten Bereichen.

Holzbau Amann (Weilheim, Deutschland), ein führendes Unternehmen im Ingenieur-Holzbau, benötigte eine einzelne NURBS-Fläche für die Dach-Konstruktion (ca. 100m * 100m) des Gebäudes "Centre Pompidou Metz".

Die durch den Entwurf gegebenen 3000 3d Punkte mussten in eine NURBS-Fläche umgewandelt werden. Die berechnete Fläche sollte zusätzlich den Randbedingungen aus Statik, Produktion und Ästhetik genügen: Sie durfte z.B. keine Wassersäcke bilden und die Tragbalken sollten aus der Perspektive der späteren Besucher des Gebäudes in vertikalen Ebenen planar verlaufen.

Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit designtoproduction (Zürich, Schweiz) durchgeführt.

Technische Details

Es wurde eine Master-Fläche berechnet (linkes Bild). Die Verwendung einer solchen einteiligen Fläche ermöglicht globale Optimierungen, wie z.B. der Glattheit und Straffung der Fläche. Das rechte Bild weist den gleichmässigen Verlauf der Flächenkrümmungen anhand eines Zebra-Plots nach.

Die Holzkonstruktion des Dachs (linkes Bild) besteht aus 6 Schichten Holzbalken (rechtes Bild). Zur Planung der zweiachsig gekrümmten Leimholzbalken wurden wiederum NURBS-Flächen der einzelnen Schichten benötigt. Mit der Master-Fläche lässt sich nun für jede Schicht die entsprechende NURBS-Fläche berechnen. Die Schichten liegen jeweils mit einem Offsetabstand von jeweils ca. 40 cm übereinander.

Um die ca. 16 000 m Balken formgenau herstellen zu können, muss der Fertigungsprozess automatisiert vorgenommen werden. Dafür wiederum werden digitale Daten benötigt. Aufgrund der Fräsrandbedingungen mit begrenztem Arbeitsraum ergeben sich aus den unterschiedlichen Krümmungen der Balken auch unterschiedliche machbare Balkenlängen. Das linke Bild zeigt erste Fertigungsdaten für die Holzbalken (designtoproduction). Dabei hat jedes Balkensegment eine andere Form.

Martin Pfundt (Holzbau Amann) und Fabian Scheurer (designtoproduction) berichten in der Zeitschrift für Architektur ARCH+ "Zur Kommunikation zwischen Zimmermeistern und CNC-Fräsen".

Stryker entwickelt Medizintechnik für höchste Ansprüche. Um mit virtuellen Daten automatisiert arbeiten zu können, wurden hunderte von Knochen der unteren Extremitäten durch CT-Aufnahmen digitalisiert. Für jeden Knochen wurden aus den CT-Daten drei Schichten segmentiert: Der äussere Markskanal, die äussere spongiöse Fläche und die äussere Oberfläche. Aus den diskreten Netzdaten galt es nun, kontinuierliche NURBS-Flächenmodelle zu erstellen, um die anstehenden Ingenieursaufgaben wie z.B. Volumenkonstruktionen durchführen zu können.

iCapp hat dafür eine vollautomatische Software entwickelt, die ohne Interaktivität auskommt und komplett im Hintergrund arbeitet:
1. Lesen des STL-Datensatzes,
2. Berechnen des NURBS-Flächenmodells und
3. Schreiben der STEP-Datei.

Technische Details

Im linken Teil des Bildes sind STL-Daten der Knochenoberfläche zu sehen, im rechten Teil das daraus resultierende NURBS-Flächen-Modell. Jede der einzelnen Flächen wurde mit 3 bis 15 Kanten getrimmt. Im Vergleich zu der in der Flächenrückführung üblichen Limitierung auf 4 Randkurven wird das automatische Vorgehen dadurch deutlich flexibler und auch für derart komplexen Geometrien wie die hier gezeigten Knochen anwendbar (siehe Vergrösserung im oberen Bild rechts). Die Übergänge zwischen den Flächen werden in einem nachgeschalteten Schritt glatt und wasserdicht eingestellt (Toleranz: 0.01mm).

Das Bild zeigt exemplarisch alle drei segmentierten Schichten zusammen: Äusserer Markskanal, spongiöse Oberfläche und Knochenoberfläche. Im Durchschnitt wurden ungefähr 200 Flächen benötigt, um eine Schicht abzubilden. Im STL-Modell wurden dafür zuvor ca. 20000 - nach krümmungskriterien unterteilte - Dreiecke verwendet. Die Datenmenge des Flächenmodells (STEP) enspricht hier ungefähr der STL-Datei.

Für die Berechnungen der NURBS-Flächen wurde keine spezielle Hardware eingesetzt. Die Rechenzeit, um eine Oberfläche vollständig abzubilden, betrug auf einem (single) 2 GHz Prozessor ca. 6min.

Für jede der drei Schichten wurden NURBS-Flächen-Modelle berechnet. Die beiden Bilder zeigen die Komplexität für den oberen und den unteren Teil des Oberschenkelknochens im Detail.

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Berechnungsmethode, welcher die hohe Qualität der Ergebnisdaten ermöglicht, liegt darin, dass jede einzelne Fläche innerhalb einer Toleranz von 0.1mm an die Dreiecksdaten approximiert wird. Dadurch können alle Details auch genügend genau abgebildet werden.

Seit 1896 entwirft und baut Stämpfli Boote. Stämpfli ist heute einer der führenden Hersteller von high-end Ruderbooten. Vor einigen Jahren begannen Sie in Zusammenarbeit mit hs composite, ein Skiff in Carbon-Bauweise zu entwickeln. Um den Wasserwiederstand am symmetrischen Boot optimal zu reduzieren, wurden Fertigungs-Werkzeuge mit höchster Oberflächengüte benötigt. Um diese wiederum anfertigen zu können, ist die Beschreibung des Endproduktes mit CAD-NURBS-Flächen unumgänglich.

Für den Entwicklungsprozess müssen folglich beide Welten zusammengebracht werden: Die traditionelle und erfolgreiche Methode, die richtige Bootsform durch Versuche zu ermitteln. Und die virtuelle Methode, den Herstellprozess für die Werkzeuge durch NC Daten zu unterstützen.


Technical details

Professionelle Ruderer haben den 8 m langen Bootskörper des Prototyps in vielen Versuchen optimiert, bevor die Form mit einem optischen Scanner (ATOS von GOM) digitalisiert wurde. Als Ergebnis lag ein Dreieck-Netz der Oberfläche vor (siehe Bild oben).

Beim Fixieren und Digitalisieren langer, wenig steifer Körper kommt es leider immer zu elastischen, bananenförmigen Verformungen, hervorgerufen durch das Eigengewicht des Bootes. Die Scan-Daten wurden deswegen vor der Flächenrückführung rechnerisch von dieser Art der Verformungen bestmöglich bereinigt.

Um die Dreiecksdaten in kontinuierliche NURBS-Flächen mit der gewünschten Qualität überführen zu können, mussten spezielle Approximations-Methoden entwickelt werden. Das Bild oben zeigt das symmetrische CAD-Modell des Ruderboots. Die Glattheit und Straffheit der Flächen sind so eingestellt worden, dass der Wasserwiederstand minimiert und die Schwimmeigenschaften optimiert werden konnte. Krümmungswechsel im Unterwasserschiff wurden vermieden, während die NURBS-Flächen gleichzeitig die Messdaten so gut wie möglich abbildeten.

Zum Schluss wurde das wasserdichte Flächenmodell zu einem Volumenkörper zusammengefasst. Zur Qualitätskontrolle dient auch hier der typische Zebra-Plot: Das obere Bild zeigt die Lichtlinien-Reflektionen am vorderen Unterwasserschiff.