Die 3. Dimension
Der Sprung in die 3. Dimension bedeutet für viele Benutzer einen großen Vorteil. Nur hier werden Möglichkeiten offenbart, die eine ebene Zeichnung nicht bieten kann. Im Wesentlichen werden bei 3D-Zeichnungselementen Volumenkörper und Oberflächenmodelle unterschieden. Oberflächenmodelle haben den Vorteil, daß sie variabler eingesetzt werden können. Volumenmodelle sind aber im allgemeinen einfacher zu bearbeiten und werden deshalb vorzugsweise eingesetzt.
Die Eingabe
Natürlich werden auch in 3D-CAD-Systemen die Koordinaten und Strecken immer noch von Hand eingegeben, es gibt aber immer mehr Möglichkeiten, die Eingabe am System zu erleichtern und die Handhabung der Zeichnungselemente zu verbessern. Einige der 3D-CAD-Programme können die Zeichnungselemente gerendert, das heißt im schattierten Zustand anzeigen, während der Benutzer diese bearbeitet, wodurch die Zeichnung übersichtlicher bleibt. Mittels einer Spacemouse, kann dann das Objekt am Bildschirm in Echtzeit gedreht, verkleinert oder vergrößert werden. Es werden aber nicht nur Daten verwendet, die ein Benutzer eingibt, sondern auch 3D-Daten, die durch Messungen oder 3D-Scans entstanden sind. Moderne Programme erlauben es, diese Daten in 3D-Modelle Umzusetzen und weiter zu bearbeiten.
Anwendungsgebiete
Zeichnungsableitung
Das Erstellen von 3D-Zeichnungen hat den wesentlichen Vorteil, daß Ansichten, Schnitte oder Isometrien automatisch von der eigentlichen Zeichnung abgeleitet werden können. Auch die Aktualisierung wird durchgeführt, wenn das Orginalbauteil geändert wird. Dies spart nicht nur sehr viel Zeit, sondern verringert auch die Anzahl der Fehler in der Zeichnung. Aber nicht nur einfache Ansichten, sondern auch komplexe Explosionszeichnungen und perspektivische Ansichten lassen sich mit wenigen Schritten erstellen.
3D-Berechnungen
Da in der 3D-Zeichnung die Form des Körpers vollständig bekannt ist, können Berechnungen direkt an der Zeichnungen durchgeführt werden. Über Finite Elemente-Verfahren Können Biegungen, Verformungen, Schwerpunkt und Trägheitsmomente berechnet werden. Ebenfalls können Überprüfungen durchgeführt werden, wie der Kollisionstest, bei dem Körper auf Verschneidungen getestet werden.
CAM, CAE und Rapid Prototyping
Allgemeines
Weltweit gibt es mehr als 30 im Ansatz oder weiter erprobte RP-Verfahren.Davon befinden sich im Wesentlichen die folgenden 5 Verfahren bereits im industriellen Einsatz. Unterschieden werden die Verfahren nach der Art und Weise der Materialaddition, die den Bauprozeß des Prototypen bestimmt. Klassifiziert werden sie nach dem Ausgangszustand des Materials vor dem Bauprozeß.
Tabelle 5-1. Rapid Prototyping Verfahren
| Flüssig | Pulver | Feststoffe |
|---|---|---|
| Stereolithographie | Selective Laser Sintering | Fused Deposition Modelling |
| Solid Ground Curing | Laminated Object Manufacturing |
Handicap der bekannten RP-Verfahren ist, daß nur eine begrenzte Zahl von Werkstoffen für die Prototypen in Frage kommen. Die derzeit verarbeitbaren Werkstoffe - hauptsächlich Polymere, Wachse, Nylon und Papier- sind nur sehr begrenzt mechanisch, thermisch und chemisch belastbar. Die Weiterentwicklung der Verfahren wird dazu führen, daß auch Werkstoffe für Serienfertigungen zu verwenden.
Verfahren
Stereolithographie In einem mit Harz gefüllten Behälter befindet sich eine absenkbare Trägerplattform. Die erste Schicht entsteht, indem auf die knapp unterhalb der Harzoberfläche befindliche Trägerplattform die beim Slicen erhaltene Kontur vom Laser nachgeführt wird und durch das Einwirken des UV- Laserlichtes polimerisiert. Anschließend taucht die Plattform um eine genau eingestellte Schichtdicke (Maschinenbau 0,1mm; medizinische Modelle 0,25mm) ab. Flüssiges Harz fließt nun über die bereits ausgehärtete Struktur. Die nächste Schichtkontur kann nun vom Laser nachgezeichnet werden. Die Einhärtetiefe des Laserstrahls ist so eingestellt, daß eine Verbindung mit der darunterliegenden Struktur erfolgt. Auf diese Art und Weise entsteht sukzessive das Stereolithographiemodell. Alle bereits ausgehärteten Strukturen befinden sich somit unterhalb der Harzoberfläche. Die Stereolithographie basiert auf dem sogenannten Photoploymerisationsprozeß, bei dem ein Flüssigharz ultraviolettem Licht ausgesetzt und somit in ein festes Polymer umgewandelt wird. Die Gesamtmenge der absorbierten Lichtmenge bestimmt den Polymerisationsgrad und somit auch die Härte und Festigkeit des Materials. Bei der Polymerisation von Flüssigharzen handelt es sich keineswegs um eine neuartige Technologie, sie wird im Gegenteil seit mehr als zwanzig Jahren für beispielsweise ultravioletten Tintensorten, Beschichtungen, Lacken und gedruckten Schaltungen angewandt. Neu ist hingegen, daß Laserenergie als Lichtquelle verwendet wird.
- Solid Ground Curing
Solid Ground Curing funktioniert ähnlich wie die Stereolitographie. Die Modelle sind allerdings in einer Wachsmatrize eingebettet, wodurch Stützkonstruktionen entfallen.
- Selective Laser Sintering
Beim Laser-Sinter-Verfahren wird mittels CO2-Laser eine dünne Schicht des pulverförmigen Materials lokal geschmolzen. Verarbeitbar sind alle thermisch reagierenden Werkstoffe.
- Fused Deposition Modelling
Dies ist ein Verfahren, bei dem das thermoplastische Material in Drahtform durch eine elektrisch beheizte Düse aufgeschmolzen und schichtweise extrudiert wird. Ein nachträgliches Reinigen und Aushärten ist nicht erforderlich.
- Laminated Objekt Manufacturing
Prototypen werden mit hitzeaktivierbaren, klebstoffbeschichteten Papier-, Kunststoff-, Keramik- oder Metallfolien sowie Verbundstoffen hergestellt. Der Teilaufbau erfolgt schichtweise durch Zusammenkleben der Folien. Die Querschnittskontur wird dann durch einen CO2-Laserstrahl ausgeschnitten.
- Hot Plot
Mittels einer Heitzelektrode wird aus einer Platte ein zum Modell gehörender Querschnitt herausgeschnitten und schichtweise verklebt.
- 3D-Drucken mit Ink-Jet Düsen
Bei diesem Verfahren wird Bindemittel (Harz) über einen Tintenstrahl-Druckkopf auf das Pulverförmige Ausgangsmaterial (Metall- und/oder Keramikpulver) aufgesprüht. Zur Aufschmelzung muß eine Nachbehandlung in einem Ofen vorgenommen werden.
- Virtual Prototyping
Der Benutzer sieht und manipuliert die virtuellen Prototypen dreidimensional. Die Bedienerschnittstellen bestehen aus Datenhandschuh, Steuerkugel, und einem am Kopf tragbaren Stereodisplay. Die Daten aus Kopf- und Handbewegung werden in Echtzeit in die Simulation miteinbezogen.
Photorealismus, Animation
Durch Rendering (Schattieren) können Drahtmodelle als flächige Körper dargestellt werden. Mit den heutigen Programmen kann dabei Photorealismus erreicht werden, das heißt die Computerbilder sind von echten Photographien kaum noch zu unterscheiden. Beim Rendering werden verschiedene Qualitätsstufen unterschieden, was Einfluß auf die Darstellung im Bezug auf Lichter und Schatten hat. Über Bumpmaps können zusätzlich zum Beispiel gescannte Bilder auf die Oberfläche des Körpers aufgebracht, oder den Bauteilen Materialien wie Kunstoff, oder Glas zugewiesen werden, was die "Echtheit" des Bildes noch unterstützt. Da das Rendering ein sehr aufwendiger Algorithmus ist, wird dafür ein entsprechender Rechner benötigt. Natürlich funktioniert dies auch auf einem gewöhnlichen PC, kann dort bei großen Bildern aber auch bis zu mehreren Tagen brauchen. Weitere Effekte können über die gezielte Plazierung von Lichtern, oder das Hinzufügen von Nebel erzielt werden. Auch Brechungen, Spiegelungen, oder Glas können berechnet werden, was aber ebenfalls erheblich die Rechenzeit erhöht.
Der nächste Schritt ist die Animation, bei der die Bilder laufen lernen. Durch die Aneinanderkettung von gerenderten Bildern erscheint dann zum Beispiel der Eindruck, daß man sich durch einen Raum bewegt. Dies bedeutet, daß bei einem Film jedes Bild einzeln berechnet werden muß und sich somit die benötigte Rechenzeit vervielfacht, weshalb bei größeren Programmen für Photorealistische Darstellung, wie zum Beispiel 3D-Studio der Firma Autodesk, die Möglichkeit besteht, die Bildberechnung über das Netz auf mehrere Rechner zu verteilen.
Die Photorealistische Darstellung, bzw. die Animation finden viele Einsatzgebiete:
In Prospekten können Bauteile abgebildet werden, die noch nicht gefertigt, aber bereits Konstruiert wurden. Im CAD-Programm wird dann aus dem 3D-Element eine realistische Abbildung erzeugt. Bei Messen können Animationen eines Produktes gezeigt werden, bei denen zum Bespiel eine bestimmter Bewegungsablauf zu sehen ist. Die Werbung setzt diese Art der Darstellung schon seit langem ein.
Simulation
Durch die Computer-Simulation können bestimmte Abläufe direkt am Bildschirm dargestellt werden. Auch hier meist die gerenderte Darstellungsweise verwendet, meist jedoch nicht in allzu hoher Qualität, da es bei diesem Gebiet nicht so sehr auf das Aussehen, als vielmehr auf den eigentlichen Ablauf ankommt. In sehr vielen Bereichen der Entwicklung und Forschung wird dieses Mittel genutzt, um zum Beispiel Vorraussagen machen zu können. Ohne viel zu beschädigen können somit Unfälle, Flugzeugabstürze oder ähnliches simuliert werden.
Virtuelle Realität
Von der Animation zur Virtuellen Realität ist nur ein kleiner Schritt. Im wesentlichen unterscheidet sie sich durch die Interaktivität, wodurch der Benutzer direkt die Animation steuern kann. So ist es möglich, daß der Benutzer durch ein Haus geht und sich dieses genauer Betrachtet, oder auch eine ganze Stadt mal aus einem anderen Blickwinkel erkunden kann. Ein Beispiel hierfür ist Berlin 2010 oder auch die virtuelle Stadt:
Auch im Internet kommt die Virtuelle Realität immer mehr zum Einsatz. Ermöglicht wird dies durch VRML. Dieses Dateiformat kann aus vielen der heutigen CAD-Programmen, die 3D-Elemente unterstützen, exportiert werden.
Zeichnungsaustausch
Natürlich ist das Kompatibilitätsproblem, das im 2D-Zeichnungsaustausch angesprochen wurde, im 3D-Bereich ebenso vorhanden. Die Dateinormen für den Zeichnungsaustausch werden in diesem Bereich aber von den Herstellern besser beachtet. Tatsächlich können die meisten Zeichnungen mehr oder weniger problemlos ausgetauscht werden. Probleme bereiten hierbei meist die 2D-Elemente wie der Text, oder die Bemaßungen. Im Wesentlichen muß beim Austausch beachtet werden, daß bei 3D-Geometrien unter Flächen- und Volumenkörper unterschieden werden, wobei nicht alle CAD-Programme beide Arten unterstützen und die Umwandlung von der einen in die andere nur bedingt möglich ist.
Dateiformate
- IGES
Initial Graphics Exchange Specification ist ein Standard-Dateiformat für Computergrafik, das von ANSI (American National Standards Institute) unterstützt wird und besonders für die Beschreibung von Modellen in CAD-Programmen geeignet ist. IGES verfügt entsprechend den Erfordernissen der computergestützten Konstruktion über Methoden für die Beschreibung und Kommentierung von (technischen) Zeichnungen. Dieses Format bietet sowohl eine breite Vielfalt von grundlegenden geometrischen Formen (Primitiven) als auch Werkzeuge für Anmerkungen und strukturelle Definitionen
- ACIS
Abkürzung für "Andy, Charles, Ian's System". Ein objektorientiertes Toolkit zur geometrischen Modellierung. Es dient als "geometrische Engine" im Bereich von 3D-Modellierungsanwendungen. ACIS stellt ein offenes System für die Erzeugung von Draht-, Oberflächen- und Volumenmodellen mit Hilfe einer allgemeinen, einheitlichen Datenstruktur dar. Das System wird im allgemeinen als der De-facto-Standard für die Herstellung von Volumenmodellen betrachtet. ACIS wurde von der Firma Spatial Technology, Inc. entwickelt.
- VDA
Verband der deutschen Automobilhersteller - Flächenschnittstelle VDA-FS beschränkt sich auf den Austausch reiner Gestaltdaten auf der Basis der topologischen Verknüpfung von Freiformflächen (bis 5. Grades).