Vom CAD zum
Reverse Engineering

3D-Digitalisierung und Flächenbearbeitung - nicht nur für MicroScribe- und MicroScan Anwender

Die folgende technische Information erläutert Methoden und Hintergründe der Formerfassung. Zwei gängige Verfahren werden gegenübergestellt - die Vermessung charakteristischer Punkte und Kurven und die Aufnahme dichter Punktwolken.

Die MicroScribe Desktop-Digitalisierer von Immersion existiert seit vielen Jahren – über 8000 Systeme wurden bisher an Anwender in aller Welt geliefert. Seither wurden 3D-Vermessung und Objektrekonstruktion mit Hilfe eines Tastscanners populär und für fast jeden Anwender im 3D-Bereich erschwinglich.

Die 3D-Nachmodellierung eines Objekts mit Hilfe des MicroScribe erfolgt in drei Schritten:

1. Die Vorbereitung:

Aufstellung einer Digitalisierungsstrategie unter Berücksichtigung der objektspezifischen Merkmale (Konturen, Freiformflächen, geometrische Basiselemente wie Linien, Kurven, Ecken, Ebenen, prismatische Körper, Kugeln, Kegel u.a.), Unterteilung der Objektoberfläche in entsprechende Einzelflächen, falls erforderlich Markierung eines Gitters von Hilfslinien zur verbesserten Erfassung von Freiformanteilen.

2. Die Digitalisierung:

Abtastung von Messpunkten für die Einzelflächen entlang der zuvor definierten Konturen und Hilfslinien und Übernahme in ein geeignetes 3D-Programm (direkt oder mit Hilfe von MUS), Anpassung des Punktabstandes an die Oberflächenkrümmung im Hinblick auf eine präzise Flächenerzeugung im letzten Schritt, beim Digitalisieren mit MUS allein (falls keine unterstütze 3D-Software verfügbar ist) alle Punkte in einer ASCII- bzw. Textdatei speichern zur anschließenden Übernahme in ein anderes 3D-Modellierungsprogramm.

Auch beim Entwurf eines Objekts baut der Designer die Modelloberflächen anhand von Stützpunkten und Konturlinien auf, die er der Designabsicht entsprechend eingeben muss. Diese von uns als CAD-Rekonstruktion bezeichnete Methode ist für 3D Designer und CAD-Ingenieure unmittelbar einsichtig und anwendbar. Da die einschlägigen Programme mathematische Oberflächen in NURBS-Repräsentation (Non-Uniform Rational B-Splines) erzeugen, sind die Ergebnisse in der Regel auch problemlos mit weiteren Anwendungen kompatibel (Formänderung oder Nachmodellierung, Reverse Engineering, Rapid Prototyping, Visualisierung, physikalische Analyse u.s.w.).

Allerdings hat die CAD-Rekonstruktion auch ihre Grenzen. So führt diese Methode beispielsweise bei sehr komplexen Objekten (natürlichen oder biologischen Formen, Skulpturen oder Kunstwerken, freiform-dominierten oder willkürlich geformten Gegenständen u.a.) nur mit hohem Aufwand oder überhaupt nicht zum Ziel. Auch weiche oder empfindliche Oberflächen können nicht mit der MicroScribe-Tastspitze erfasst werden. In all diesen Fällen erweitert der neue MicroScan Lasersensor von RSI wesentlich die Möglichkeiten des MicroScribe. Der kompakte Miniatursensor wird auf einfache Weise am Taststift des MicroScribe befestigt und ist innerhalb einer Minute einsatzbereit. Sonstige externe Komponenten werden nicht benötigt.

3. Die Modellierung:

Erzeugung von CAD-Flächen über den digitalisierten Stützpunkten unter Verwendung der Modellierungswerkzeuge des 3D-Programms, individuelle Bearbeitung und abschließende Vereinigung aller Einzelflächen zu einem wasserdicht geschlossenen Flächenmodell oder Volumenkörper, Export in einem geeigneten Format für nachfolgende Anwendungen.

Diese Vorgehensweise ist dem traditionellen CAD sehr ähnlich oder sogar äquivalent.

Mit MicroScan verfügt der MicroScribe zusätzlich über die Fähigkeit der dualen Laserdigitalisierung (es kann zwischen zwei unterschiedlich großen Arbeitsräumen mit unterschiedlicher Auflösung und unterschiedlichem Objektabstand gewählt werden). Natürlich ist die 3D-Digitalisierung mit MicroScan sehr viel aufwendiger als die Abtastung isolierter Punkte. Der Anwender spürt davon jedoch nichts, für ihn ist dieser Prozess sogar viel einfacher und schneller durchzuführen.

Grundsätzlich verläuft die Objektrekonstruktion durch 3D-Scannen in zwei Schritten:

1. Die Digitalisierung:

Führen der Laserlinie über das Objekt ähnlich wie beim Sprühlackieren, erfassen  der Oberfläche soweit von der aktuellen Position des MicroScribe aus erreichbar (das Modell entsteht in Echtzeit auf dem Bildschirm), bei stark gekrümmten Bereichen zur Erhöhung der Punktdichte in verschiedenen Richtungen scannen, falls die gewünschte Oberfläche nicht vollständig erfasst werden kann dieses oder den MicroScribe umpositionieren (bei Bedarf wiederholen, bis die Oberfläche geschlossen ist).

Während mit Hilfe der durch den MicroScribe abgetasteten Punkte direkt CAD-compatible Modelle aus NURBS-Oberflächen erzeugt werden können, sind MicroScan-Modelle hochaufgelöste Polygonmodelle (Drahtgitternetze). Dies gilt für andere Scanner auf optischer oder Laserbasis gleichermaßen. Polygonmodelle werden bei vielen Anwendungen eingesetzt wie z.B. Rendering und Visualisierung, Rapid Prototyping (Stereolithographie, NC-Fräsen), physikalische Analyse (FEM im Hinblick auf Stabilität, Thermo- und Fluiddynamik).

Gebräuchliche Polygonformate sind AutoCAD dxf und stl. Hinsichtlich ihrer Qualität sind Polygonmodelle nur durch die Genauigkeit und Auflösung des Scanners begrenzt, nicht durch Faktoren wie die Messstrategie oder die persönliche Sorgfalt des Anwenders. Der Scanner erfasst die gesamte Oberfläche detailgetreu bis herunter zur Auflösungsgrenze, die Topologie des Objekts wird dabei nicht berücksichtigt. Da Punkt- und Polygoninformationen die Grundlage für industrielles Reverse Engineering bilden, bezeichnen wir die MicroScan-basierte Objekterfassung als Reverse-Engineering-Rekonstruktion.

Zu den populäre NURBS-Formaten gehören IGES, STEP und VDA. Einige führende Softwaresysteme für CAD bieten bereits Funktionen zur Flächenrückführung. Typischerweise wird hierbei die traditionelle, vorwärtsgerichtete CAD-Arbeitsweise auf Reverse Engineering übertragen. Bei den modernen unabhängigen und zielgerichteten Programmen für die Flächenrekonstruktion werden jedoch deutlich andere Ansätze verfolgt. Diese auch von RSI vertriebenen Pakete sind weitaus produktiver (schneller leichter zu erlernen und zu bedienen, hochautomatisiert, ablaufgesteuert) als die hauseigenen Werkzeuge der CAD-Hersteller.

Da NURBS-Objekte sich genau wie CAD-Modelle verhalten, können sie direkt in nachgeschalteten CAD-Anwendungen verwendet werden.

2. Die Modellbearbeitung:

Mit Hilfe der MicroScan SoftwareTools die gemessene Punktwolke(n) in ein hochwertiges Polygonmodell überführen, dies beinhaltet Bereinigen, Triangulieren (Erzeugen des Basis-Gitternetzes), Schließen von Löchern, Glätten und Dezimieren, bei Mehrfach-Scans Registrieren und Vereinigen, und Exportieren des Modells in einem Polygonformat (stl, dxf)

Anmerkung: Eine Nachbearbeitung der Punktmessdaten ist bei jedem Scannersystem erforderlich, da in der Regel Punkte fehlen, Ausreißer auftreten und theoretisch auch Rausch- oder Verzerrungsprozesse die Messung überlagern können. Von wesentlicher Bedeutung ist hier eine leistungsfähige und komfortable Software, die eine zügige Bearbeitung ermöglicht.

Im umfassenden Sinne beinhaltet Reverse Engineering zusätzlich einen als Flächenrückführung bekannten Prozess. Polygonmodelle werden häufig mit Flächenmodellen gleichgesetzt, da sie sich durch Rendering als geschlossene Flächen darstellen lassen. Sie bestehen aus Punkten, die durch Linien oder Kurven zu Dreiecks- oder Vierecksstrukturen verbunden wurden, zwischen denen in jedoch in dieser Repräsentation keine Flächen existieren. Polygone könne daher mit CAD-Mitteln auch nur bedingt modifiziert oder manipuliert werden. Das Ziel der Flächenrückführung ist die Konversion der Polygonnetze in NURBS-Flächen, die uneingeschränkt zu CAD-Objekten kompatibel sind. NURBS bestehen aus mathematischen Funktionssätzen und ermöglichen den Zugriff auf jedes Flächeninkrement innerhalb einer Fläche, wodurch Formänderungen und Flächenbearbeitungen mit sehr hoher Flexibilität ermöglicht werden.