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Vom 3D-Scan zum parametrischen Modell

Rosenberg Ventilatoren kann künftig auf Basis eines parametrischen 3D-CAD-Modells nicht nur der Qualitätskontrolle ein Vergleichsmodell zur Verfügung stellen, sondern auch neue Geometrien schneller testen und effizienter Kundenlösungen erstellen. Da der Aufbau des 3D-Modells aus 2D-Daten zu aufwändig gewesen wäre, griff das Unternehmen auf die Reverse-Engineering-Dienstleistung von Sigma3D zurück. Hier nutzt man die Software Rapidform-XOR von Inus Technology.
Aufbau einer Versteifungsrippe mit der Funktion ‚Extrude‘.

Um die Qualität von Ventilatorflügeln auf Basis eines CAD-Modells prüfen zu können, wandte sich die Rosenberg Ventilatoren GmbH in Künzelsau an die Messtechnik-Spezialisten von Sigma3D. Diese sollten das gewünschte parametrische CAD-Modell anhand einer Musterform per Reverse Engineering erzeugen. „Unsere Anforderungen in der Qualitätssicherung erfordern ein 3D-Modell auf Basis eines Musterflügels“, erläutert Hubert Schwarz, Konstrukteur bei Rosenberg. „Die komplizierte, in sich verdrehte Oberfläche, ihre Beschaffenheit und die Abstände lassen sich mit 2D-Techniken nur bedingt gut darstellen.“ Und eine Erstellung eines 3D-CAD-Modells aus den vorhandenen 2D-Daten wäre viel zu aufwändig gewesen.

Sigma3D setzt für den Reverse-Engineering-Prozess die Scan-zu-CAD-Software Rapidform-XOR von Inus Technology ein. „Damit habe ich die Möglichkeit, die CAD-Fläche der Ventilatorflügel-Oberfläche innerhalb der benutzerdefinierten Toleranz an die Scan-Daten anzupassen“, sagt Nikolai Polkowski, Application Engineer bei Sigma3D. Zunächst wurde dazu der Ventilatorflügel eingescannt. Ein Axi- alventilator, wie ihn Rosenberg herstellt, besteht aus mehreren dreidimensional verdrehten Ventilatorflügeln, die auf einer Nabe befestigt sind, sowie einem Antriebsmotor und einer Einströmdüse. Das Flügelmuster bei Rosenberg ist 180 mm x 150 mm groß. Da die Oberfläche glatt ist, wurde sie für die Vermessung mit einem Anti-Reflexionsmittel weiß mattiert, so dass man eine Messgenauigkeit besser als ±0,1 mm erwarten konnte. Ein Laser-Scan-Arm erfasste daraufhin berührungslos eine Punktewolke von der Oberfläche des Ventilatorflügels.

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Das Messergebnis liegt zunächst in Form eines Polygonalmodells vor, welches die Grundlage für den folgenden Reverse-Engineering-Prozess ist. Hierbei werden die Oberflächen des Ventilators modelliert und miteinander verschnitten. Auf Basis dieser CAD-Flächen kann der Anwender dann ein Solid konstruieren. Mit Rapidform-XOR lassen sich diese Konstruktionsschritte zusammenhängend in einer CAD-Anwendung erledigen. Außerdem kann das auf diese Weise gewonnene Modell anschließend über Schnittstellen so gespeichert werden, dass es sich in allen großen CAD-Anwendungen weiterverarbeiten lässt.

Modellaufbau lässt sich flexibel beeinflussen

Für den parametrischen Aufbau des CAD-Modells wird das Polygonalmodell also zunächst in Rapidform-XOR importiert und mit der Funktion ‚Region Group‘ krümmungsabhängig in Teilbereiche segmentiert. Die Segmentierung lässt sich in Detailbereichen noch per Hand anpassen. Dies ermöglicht es dem Konstrukteur, eine automatische Feature-Erkennung durchzuführen. Jede gewünschte Regelgeometrie kann bei diesem Prozess aus dem Polygonalmodell extrahiert werden. Bereiche, die sich nicht einer Regelgeometrie zuordnen lassen, werden als Freiformflächen gruppiert.

Im folgenden Schritt wird dann die Flügeloberfläche konstruiert, basierend auf der zuvor mittels der Region-Group-Funktion erzeugten Freiformfläche. Mit der Flächen-Funktion ‚Mesh Fit‘ erfolgt die Anpassung an die vorhandene Polygonalmodell-Oberfläche. Die Berechnung der CAD-Fläche lässt sich dabei über zwei verschiedene Berechnungsalgorithmen steuern:

Ein Algorithmus minimiert die Abweichung zur Polygonalmodell-Oberfläche,

der andere nutzt eine bestimmte Anzahl von Kontrollpunkten in u- und v-Richtung der Fläche.

Auf diese Weise lässt sich jede CAD-Fläche bestmöglich an die geforderten Flächenbedingungen anpassen.

Da die erzeugte Oberfläche über das Polygonalmodell hinaus vergrößert wird, folgt im nächsten Schritt das Erzeugen einer Berandungskurve der Axialflügel-Oberfläche. Hierzu wird die Top-Ebene als Konstruktionsebene gewählt. Mit der Funktion ‚Mesh Sketch Setup‘ überführt der Anwender zunächst die Silhouette (Berandung) des Polygonalmodells in eine Polylinie. Diese lässt sich auf eine ausgewählte Ebene projizieren und in dieser in einzelne Konstruktionselemente (Gerade, Kreis oder Spline) zerlegen. Den Elementen werden im Anschluss die entsprechenden Abhängigkeiten (horizontal, vertikal, fix, konzentrisch, tangential ...) zugeordnet. Parallel zum Konstruktionsprozess zeigt der ‚Accuracy Analyzer‘ in Rapidform-XOR übrigens die Einhaltung der Toleranzvorgaben an.

Anschließend arbeitet der Anwender die Versteifungsrippen des Ventilatorflügels separat in die Flügeloberfläche ein. Der Verlauf einer Versteifungsrippe wird zunächst über die Funktionen ‚Ref. Polyline Property‘ und ‚Extract Virtual Sharp Edge‘ erzeugt. Hierzu lassen sich die beiden Regionen Rippenboden (Freiform) und Verrundung (Rotationsform) mit Hilfe der Funktion ‚Region Group‘ miteinander verschneiden. Die Polylinie wird dann in eine Skizze überführt und in dieser Konstruktionsebene das Profil der Verstärkungsrippe gezeichnet. Dieses lässt sich anschließend mit der Funktion ‚Extrude‘ bis zur Region Rippenboden austragen. Über die ‚Surface-Trim-Funktion‘ kann dann eine Fläche aus dem Rippensolid gelöscht werden, so dass sich die anderen Flächen der Verstärkungsrippe mit der Ventilatorflügel-Oberfläche zu einer Oberfläche verschmelzen lassen.

Als nächstes kommen die Verrundungen an der Oberfläche an die Reihe. Mit der Funktion ‚Fillet‘ lassen sich die Oberflächenkanten entsprechend ihres Radius kombiniert auswählen und verrunden. Die Software bietet hier die Möglichkeit, den Verrundungsradius aus dem Polygonalmodell zu extrahieren. Eine Tangentenfortsetzung der Verrundung ist ebenfalls enthalten. Die Konstruktion der drei Aufnahmebohrungen kann dann in drei separaten Schritten mit der gleichen Vorgehensweise erfolgen. Hierfür wird eine Konstruktionsebene aus der Region um das Aufnahmeloch erzeugt und mit der Funktion ‚Mesh Sketch Setup‘ ein Schnitt durch das Polygonalmodell gelegt. In dieser Skizze lässt sich dann der Kreis für die Aufnahmebohrungsebene definieren. Über die Funktionen ‚Surface-Extrude‘ und ‚Draft‘ folgt die Austragung des Profils in beide Richtungen über die Ventilatorflügel-Oberfläche. Für eine zusammenhängende Oberfläche werden die beiden Flächen der Ventilatorflügel-Oberfläche und der Aufnahmebohrungsfläche miteinander verschnitten und mit der Funktion ‚Fillet‘ wiederum die vier Verrundungen an der Oberfläche angebracht. Im letzten Schritt kann dann die Ventilatorflügel-Oberfläche mit der Funktion ‚Thicken‘ aufgedickt und mit den drei Zylindern der Aufnahmebohrungen verschnitten werden.

Rosenberg will das dreidimensionale Modell des Ventilatorflügels zukünftig auch bei der Produktplanung nutzen und zur Visualisierung im Produktkatalog. Über diesen Zusatznutzen freut sich vor allem Hubert Schwarz. „Mit Hilfe der 3D-Daten lassen sich bei den komplizierten Oberflächen, mit denen wir arbeiten, Kundenlösungen in Zukunft viel effizienter erstellen.“ Und man könne nun direkt testen, welchen Einfluss Modifikationen hätten. Das ist vor allem deshalb von Nutzen, weil Produkte von Rosenberg nicht nur für ihre Energieeffizienz, sondern auch für ihre geringe Geräusch- und Vibrationsentwicklung bekannt sind. Das sorgt nicht nur für niedrige Heiz- und Kühlkosten, sondern reduziert auch die Geräuschbelastung beim Anwender. Die Ingenieure unterziehen die Produkte deshalb nicht nur laufend einer Qualitätskontrolle, sondern sie optimieren auch ständig die Ventilatorflügel-Geometrien. -co-

Rapidform (Inus Technology), Eschborn Tel. 06196/76948-0, www.rapidform.com

Sigma3D GmbH, Gladbeck Tel. 02043/94443-4, www.sigma3d.de

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