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Gestaltung von Freiformflächen

  • Clay Modellierung-Technologie und Umsetzung durch ein haptisches Eingabegerät

Die Erzeugung von freien Geometrien oder organischen Oberflächen stellt in der Regel herkömmliche CAD Anwendungen immer noch vor großen Herausforderungen. Mit der am Labor Virtuelles Prototyping an der Hochschule Ansbach unter der Leitung von Prof. Dr. Christian Uhl eingesetzten digitalen "Clay-Modellierungs-Technologie" lassen sich viele Problemfälle einfacher und zum Teil wesentlich schneller lösen als bei der konventionellen 3D-Konstruktion. Der wesentliche Unterschied besteht in der Generierung der 3D-Daten mittels virtuellem "Ton" anstatt durch Flächen- oder Kurvenbeschreibungen bzw. durch räumliche Netze.

Diese virtuelle Bearbeitung von Ton, das digitale "Clay-Modellieren", wird durch ein haptisches Eingabegerät, welches den Bediener den Ton ertasten lässt, möglich. Dieser Eingabestift, an einem Arm zur Kraftübertragung befestigt, inklusive der dazugehörigen Modellier-Software ist seit einigen Jahren auf dem Markt, jedoch in vielen Kreisen noch unbekannt. Ein Grund hierfür war die anfänglich starke Betonung bei der Einführung auf das haptische Feedback für den Nutzer. Dabei geriet oft der eigentliche Nutzen und Vorteil des Systems in den Hintergrund. Die fühlbare Komponente ist im Grunde genommen nur der Weg zum Ziel um virtuellen "Ton" überhaupt handhaben zu können. Dies verhält sich ähnlich wie zu einem Bildhauer. Könnte dieser sein Material nicht spüren, wäre eine genaue Bearbeitung für ihn nur schwer möglich.

Modifikation CAD-Modelle

Die dreidimensionale Konstruktion von Produkten am Computer hat sich fest als Standard etabliert. Dabei wird die Form mittels mathematisch beschriebener Vektoren, Pfaden oder räumlichen Flächen - unterhalb der Benutzeroberfläche - beschrieben. Dies hat die bekannten Vorteile, wie das einfache Rückgängigmachen von Änderungen, die genaue Eingabe und Steuerung von Werten oder das nachträgliche Einfügen von Ergänzungen mit der automatischen Anpassung der damit verbundenen Bauteile.

Sehr viel schwieriger wird es, wenn die räumlichen Daten nicht mittels eines speziellen CAD-Programms erstellt wurden, sondern z.B. durch das dreidimensionale Scannen gewonnen wurden und somit nur als Punktewolke oder Flächengitter vorliegen. Hier können die bekannten Vorteile der CAD Werkzeuge nicht greifen und wie gewohnt eingesetzt werden.

Abhilfe schafft hier ebenfalls das im Labor Virtual Prototyping eingesetzte System der Firma SensAble Technologies, Inc.®. Es arbeitet nach einem anderen Prinzip, in dem die Erzeugung der unterschiedlichen Strukturen oder Formen mittels eines dreidimensionalen, virtuellen Tons oder Clays geschieht und ebenso bearbeitet werden können wie Ton. D.h. mittels entsprechender Werkzeuge lässt sich, analog zum Töpfern, Ton hinzufügen oder entfernen, glätten, dehnen oder eindrücken. Dies bedeutet für den Anwender, dass er sehr frei Formen entwickeln kann, ohne sich dabei mit Kurvenstetigkeiten, Polygonen oder Flächenbeschreibungen zu beschäftigen.

Besonders vorteilhaft ist dies auch, wenn organische Strukturen oder sehr unregelmäßige Krümmungen in der Produktform stecken und diese erzeugt, verändert oder ergänzt werden sollen.

Oberflächenstruktur

Oberflächenstruktur

Als besonders vorteilhaft hat sich unter anderem die im System enthaltene Funktion der Umwandlung von 2D Bildern in reale 3D-Strukturen herausgestellt. Hierbei kann aus einem beliebigen Bild in Form eines Musters, einer Struktur oder Zeichnung ein dreidimensionales Abbild, ähnlich zu einem Relief, erzeugt werden. Die Höhenwerte werden aus den Helligkeitsunterschieden zur „Farbe“ Schwarz ermittelt. Damit lassen sich z.B. Gumminoppen-, Leder- oder Geflecht-Strukturen sehr leicht erzeugen, die zudem senkrecht zur Oberfläche ausgetragen oder nach innen geprägt sind.

Bei der somit erzeugten strukturierten Oberfläche handelt es sich nicht um eine nur optische Anmutung der gewünschten Oberfläche, wie dies im Animationsbereich unter dem Begriff Bump-Mapping üblich ist, sondern um tatsächliche räumliche Strukturen. Diese können zum Beispiel im frühen Entwicklungsprozess somit sehr einfach erzeugt und auf einem 3D-Drucker oder mit Hilfe eines anderem Rapid Prototyping Verfahren zur Bemusterung ausgegeben werden.

Auf ähnliche Weise lassen sich Ornamente oder einzelne Verzierungen auf die Oberfläche aufbringen, um mitunter Verpackungen haptischer und individueller zu gestalten. Der eigentliche Austragungsprozess ist in sehr kurzer Zeit vollzogen. Die sorgfältige Auswahl der Vorlage nimmt dabei oftmals den größeren Anteil in Anspruch.