DE102004007446A1

DE102004007446A1 - Verfahren zur detailgetreuen Umsetzung der Abmessungen eines dreidimensionalen Körpers in ein massstäbliches Modell

Info

Publication number: DE102004007446A1
Application number: DE200410007446
Authority: DE
Inventors: Heinz Krick
Original assignee: Individual
Current assignee: Krick Heinz 72461 Albstadt De
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung der Abmessungen eines Körpers in ein maßstäbliches Modell, bei dem es Aufgabe war, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem auf eine relativ einfache und schnelle Art und Weise Abmessungen und Detaillierung eines Originals umgesetzt werden können. Die Aufgabe wird gelöst, indem die Geometriedaten durch berührungs- und verlustfreies Abtasten der durch eine Vielzahl von Punkten und deren Koordinaten räumlich bestimmbaren Originalkonturen eines dreidimensionalen Körpers mittels bekannter Distanzmessverfahren und -geräte, insbesondere Scanner und Laser, festgestellt und einschließlich ihrer Koordinaten zunächst erfasst werden, so dass sich 3-D-Daten ergeben. Hergestellte raumbezogene Flächenmodelle werden in einem üblichen CAD-Format exportiert und als Steuerungsgröße für die Umsetzung der Abmessungen des Körpers über eine prozessgesteuerte Werkzeugmaschine bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung der Abmessungen eines dreidimensionalen Körpers, vorzugsweise eines Fahrzeuges, in ein massstäbliches Modell, vorzugsweise in ein Modellfahrzeug.
Modellfahrzeuge dienen insbesondere Modelleisenbahnern und anderen technisch Interessierten zur Nachbildung der Umwelt einer massstäblich verkleinerten Eisenbahn, die in Massstäben im mehrfachen Zehnerbereich liegend, verkleinert ist.
Sehr häufig werden kleine, den Originalen nachgebildete verkleinerte Modellfahrzeuge durch Zusammenfügen einzelner kleiner Teilelemente hergestellt. Diese Feststellung bezieht sich ebenfalls auch auf die Nachbildung anderer Originale im Sinne einer Verkleinerung. Das Zusammenfügen ist im Allgemeinen ein Vernieten, Verkleben und/oder Aneinanderfügen unter Benutzung rastender Verbindungen der Einzelteile. Der manuelle Aufwand hierzu ist erheblich und die Detaillierung durch die notwendige Wirtschaftlichkeit begrenzt.
Eine andere Möglichkeit ist die, dass das bereits erwähnte Verfahren in Kombination mit einer anderen Methode angewandt wird, indem die Abmessungen des Originals massstäblich umgerechnet und nach den im gewünschten Verhältnis verkleinerten Abmessungen eine umfassende Urform im Formenbau oder als Siliconform hergestellt wird, die zum Abspritzen, Abpressen oder Abgiessen der Modellfahrzeugformen dient. Hier besteht häufig die Notwendigkeit des Teilens der Form, um den fertigen Spritz- oder Pressling aus der Form entfernen zu können. Die Möglichkeiten der Detaillierung sind, da diese insbesondere ohnehin zu Lasten der Aufwendungen für die Form gehen und bereits erwähnte Montageaufwendungen das fertige Produkt verteuern, ebenfalls begrenzt, so dass der erzielbare Preis die Aufwendungen für das Produkt stark beeinflusst. Durch die Art der Formherstellung ist die Stückzahl zum einen begrenzt, zum anderen müssen die Aufwendungen für die teure Form refinanziert und alle hergestellten Produkte müssen verkauft werden. Interessante seltene Modelle werden deshalb auf Grund des Aufwandes bei ihrer Herstellung sehr häufig nicht in die Form eines erheblich verkleinerten Modells umgesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb ein Verfahren zu entwickeln, mit dem auf eine relativ einfache und schnelle Art und Weise und im Vergleich zur bekannten Technik die Abmessungen und die Detaillierung eines Originals kostengünstiger in die Detaillierung einer Nachbildung des Originals umgesetzt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Geometriedaten durch berührungs- und verlustfreies Abtasten der durch eine Vielzahl von Punkten und deren Koordinaten räumlich bestimmbaren Originalkonturen eines dreidimensionalen Körpers mittels bekannter Distanzmessverfahren und -geräte, insbesondere Scanner und Laser, festgestellt und einschliesslich ihrer Koordinaten zunächst erfasst werden, so dass sich 3D-Daten ergeben. Die aus einer Vielzahl von Details gewonnenen Daten werden als Punktewolke erfasst und auf Basis eines Polygonnetzes mittels eines Verfahrens der Flächenrückführung in Datenfiles für eine im späteren folgende Prozesssteuerung überführt. Diese Daten der Urform (3D-Volumenmodell) werden softwareseitig so aufgebaut, dass sie ein getreues Abbild des nachzubildenden dreidimensionalen Körpers ergeben und in die Konstruktion, die sehr häufig eine Verkleinerung darstellt, übernommen werden können. Ebenso dazu erfolgt ein rechnergestütztes Modellieren, indem digitale Ansichten des gesamten Gegenstandes, vorzugsweise Fahrzeugs, im Rechner hinterlegt werden. Mit Hilfe einer geeigneten Software werden Konturen und Details nachkonstruiert. Der Körper wird in ein räumliches Raster gestellt und mittels Distanzmessung werden definierte Referenzpunkte ermittelt. Diese werden ebenfalls in das 3D-System übertragen.
Beim Ausweis von Differenzen erfolgt ein Nachmodellieren, indem die durch Differenzen ausgewiesenen Punkte korrigiert werden. Des weiteren werden auf der Basis der vorhandenen raumbezogenen Daten anhand der digitalisierten Bildpunkte und der 3D-Daten zunächst Kurven im Raum erzeugt. Aus diesen Kurven werden die Flächen mit den entsprechenden Krümmungen gebaut und die Flächen verschnitten sowie die nötigen Details modelliert und eingefügt.
Damit sind raumbezogene Flächenmodelle erzeugt, die nun in einem geeigneten Datenformat wie z. B. IGS oder in einem sonst üblichen CAD-Format exportiert und als Steuerungsgrösse für die Umsetzung der Abmessungen des Körpers bereitgestellt werden. Der Datensatz ist durch eine geeignete Kombination von Flächendaten, also den Konstruktionsdaten, sowie Flächen- und Standard-Triangel-Language-Daten (sogenannte STL-Daten; Hybridkonstruktion) fertigungsgerecht aufgebaut. Damit ist die Steuerung der Werkzeuge von prozessgesteuerten Werkzeugmaschinen für die Herstellung des zu bearbeitenden Formlings zur Gewährleistung der Massstäblichkeit über einen diese prozessgesteuerte Werkzeugmaschine steuernden Rechner gegeben.
Bei Körpern, vorzugsweise Fahrzeugen, die im Original nicht mehr auffindbar sind, werden auf der Basis einer massstäblichen Form, deren Erschaffen ein Nachmodellieren voraus geht, über eine den Massstäben und Einzelheiten des Originals entsprechende Positivdarstellung eine Vielzahl von Punkten und de ren Koordinaten erfasst. Im gleichen Sinne kann eine Negativdarstellung des relevanten Fahrzeugs verwendet werden, die ebenso zur Herstellung eines Formwerkzeuges nach dem Rapid Tooling Verfahren dient. Die Erstellung der Urform zur Abbildung eines Prototyps mittels der aufbereiteten Datenfiles erfolgt als erfindungsgemässe Vorzugsvariante unter Anwendung eines Rapid Prototyping Systems, vorzugsweise des Stereolithografieverfahrens. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Erstellung der Urform zur Abbildung eines Prototyps mittels der aufbereiteten Datenfiles unter Anwendung eines Stereolithografieverfahrens, mittels des Fused Deposition Modeling (FDM)-Verfahrens oder des 3D-Laserkopierverfahrens erfolgt.
Die Erfassung der relevanten Geometriedaten vom Original erfolgt erfindungsgemäss über Messverfahren, bei denen insbesondere ein hochpräzis arbeitender Sensor, der vorzugsweise ein Lasersensor ist, zur Anwendung kommt. Dieser Sensor kann ebenso als Taster ausgeführt sein oder ein Scanner sein, der wiederum vorzugsweise als Laser ausgeführt ist. Die Erfassung der Geometriedaten kann ebenfalls mittels der Weisslicht-Streifenprojektion erfolgen. Ebenso kann die Photogrammetrie als Messverfahren angewandt werden. Die Datenerfassung ist ebenfalls auf photooptischem Wege über die übliche Digitalphotographie möglich.
Bei Ausführungsformen eines Körpers, die in irgendeiner Form zu einer beliebigen Symmetrieachse teilbar sind, kann die Erfassung der Geometriedaten dieses Körpers ebenso durch ein optisches Messverfahren von wenigstens einer Körperseite erfolgen, die gewonnenen Daten werden als definierbare Datenkonfiguration gespeichert und die Daten der anderen fehlenden Körperseite(n) werden durch Spiegeln der gewonnenen Daten der definierbaren Datenkonfiguration gewonnen und für die Arbeitsverrichtungen der Werkzeugmaschine bereitgestellt.
Als prozessgesteuerte Werkzeugmaschine kann eine solche nach dem Prinzip der spanenden Formgebung arbeitende eingesetzt sein. Es kann jedoch ebenso eine unter Anwendung des Prinzips der Erodiertechnik arbeitende oder eine unter Anwendung des Prinzips der 3D-Lasergravurtechnik arbeitende eingesetzt sein. Auch die Anwendung der Ätztechnik im Sinne einer definierten und gerichteten chemischen Zersetzung des Grundwerkstoffes ist möglich. Die Arbeitsausführung ist ebenfalls möglich durch Kombinationen der bisherigen Einzelverfahren in Abfolge oder in einer prozessgesteuerten Werkzeugmaschine.
Als Variation wird ebenso vorgeschlagen, mittels des Prototyps und dem erfindungsgemässen Verfahren eine Siliconform zu erzeugen, die für den Vakuumguss dient. Ebenso kann eine Metall- oder Sandsinterform erzeugt werden oder eine Siliconform, die für den Schleuderguss dient. Bei Anwendung des Kunststoffspritzgiessens und -pressens kann ein Aluminiumguss-Formwerkzeug ebenso wie ein Formstahl-Formwerkzeug eingesetzt sein. Dieses erlaubt die Herstellung wesentlicher Bestandteile des betreffenden massstäblichen Modells auf dem Wege des Kunststoffspritzgiessens oder des Mikro-Spritzgiessens.
Damit ist es in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit möglich, entweder einen Formling herzustellen, der masslich dem gewünschten Endprodukt entspricht und, wenn überhaupt, nur noch der äusseren Verfeinerung bedarf, oder einen solchen Formling, der eine weitere Bearbeitung zur Herstellung seiner Endmasse (Negativform) mittels einer erfindungsgemäss vorgeschlagenen Werkzeugmaschine erfährt.
Die erfindungsgemässe Methode dient insbesondere zur kostengünstigen und schnellen Nachbildung von Originalen und der Herstellung von verkleinerten Modellfahrzeugen zeitlich-historisch vorauslaufender Originale. Voraussetzung ist, dass ein Original, eine Urform und/oder Abbildungen davon oder Zeichnungen vorhanden sind. Es ist jedoch ebenso möglich, auf der Grundlage der erfassten und digitalisierten Merkmale der relevanten Körperform Nachbildungen von Teilen des Originals anzufertigen. Selbstverständlich kann die erfindungsgemässe Lösung ebenso bei der Herstellung beliebiger anderer Verkleinerungen dreidimensionaler Formen angewandt werden.
Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Von einem körperlich vorhandenen Fahrzeug sollen im Massstab 1 : 87 industriell Verkleinerungen hergestellt werden. Zu diesem Zweck wird das Objekt in seiner Gesamtheit, beziehungsweise bei Vorliegen einer symmetrischen Form, hälftig digitalisiert. Die dabei generierte Punktewolke wird in einen Rechner übertragen und mit einem Polygonnetz vermascht. Anschliessend werden mittels Flächenrückführung oder direkt auf der Basis von STL-Daten definierte Flächen erzeugt, die eine fertigungsgerechte Teilekonstruktion zulassen. Details können nachträglich modifiziert, hinzugefügt oder weggelassen werden. Als Variante dazu werden zunächst Fotos in allen Ansichten und mit allen Details aufgenommen. Diese werden in einen Rechner eingelesen. Im weiteren werden die signifikanten Raumpunkte der äusseren Kontur festgelegt, eingelesen und das Fahrzeug wird nach seinem Positionieren mit einem Raster überzogen, dessen Koordinaten und Schnittstellen auch später reproduzierbar sind. Entsprechend diesem Raster werden Punkte auf der Raumform des Fahrzeuges definiert und mit einem Laserdistanzmessgerät vermessen. Die dem Raster sowie den Positionen der fixierten Raumpunkte adäquaten Werte werden digi talisiert und einer Bearbeitung mittels einer geeigneten Software unterzogen. An Hand der Kurven und Messpunkte werden zunächst Kurven im Raum erzeugt. Aus diesen Kurven werden datentechnisch die Flächen aneinander angepasst und mit den entsprechenden Krümmungen gebaut. Anschliessend werden die Flächen verschnitten und Rundungen erzeugt. Die gesamten Details werden nochmals mit den fototechnisch erzeugten Darstellungen verglichen und, falls erforderlich, korrigiert. Im weiteren wird softwareseitig ein 3D-Volumenmodell erstellt und in einen fertigungsgerecht aufgebauten Datensatz umgearbeitet. Dieser Datensatz dient im weiteren zur Steuerung einer Werkzeugmaschine, mit deren Hilfe die äussere Hülle des Fahrzeuges aus geeignetem Werkstoff mittels des Hochgeschwindigkeitsfräsens oder Erodierens grob herausgearbeitet wird. Auf einer weiteren Werkzeugmaschine werden in der Endbearbeitung mittels der 3D-Lasergravurtechnik die Detaillierungen herausgearbeitet.
Nach den gleichen beschriebenen Verfahrensschritten wird die Inneneinrichtung des relevanten Fahrzeugs ermittelt und konstruktiv an die innere Struktur des massstäblichen Modells angepasst. Dazu wird vorher das innere Volumen des Modellkörpers bis auf eine verbleibende dünne fertigungstechnisch notwendige Wandstärke reduziert.
Nach zweckentsprechender Farbgebung der Modellkarosserie und Montage von Fenstern und der Inneneinrichtung sowie der Achsen, Räder, Bodenplatte und Stossstangen ist ein Fahrzeugmodell entstanden, das unverkennbar eine authentische Verkleinerung des Originals darstellt.

Claims

Verfahren zur detailgetreuen Umsetzung der Abmessungen eines dreidimensionalen Körpers, vorzugsweise eines Fahrzeuges, in ein massstäbliches Modell, bei dem die Geometriedaten des Körpers durch berührungsfreies und verlustfreies Abtasten über Distanzmessgeräte der durch eine Vielzahl von Punkten und deren Koordinaten, die einem Raster zuordenbar sind, festgestellt und digitalisiert und diese in einem Rechner als 3D-Daten in einer Programmbibliothek erfasst aufgebaut werden, im weiteren eine digitalisierte Abbildung geschaffen wird, die zum Vergleich mit den bisher erfassten Daten dient und Basis eines nichtausschliessbaren Nachmodellierens ist, in dessen Rahmen definierte Punkte, die ebenfalls Details des Originals sein können, ausgewählt, in das 3D-System übertragen und hier als Referenzpunkte bereitgestellt werden, im weiteren anhand von Abbildungen und Kurven Messpunkte erzeugt werden, die zu Flächen mit den entsprechenden Krümmungen gebaut werden, das erzeugte Flächenmodell in einem üblichen 3D-Format als Datensatz aufgebaut und exportiert wird, wovon ausgehend die fertigungstechnische Teilekonstruktion unter geeigneter Verknüpfung von Konstruktions- und Standard-Triangel-Language-Daten erfolgt, die auf einem Rapid Prototyping System reproduzierbar sind, und mit einem anschliessenden Rapid Tooling Verfahren die Erstellung von Formeinsätzen für ein Formwerkzeug erfolgt, sowie diese Werte zur Steuerung der Werkzeuge von prozessgesteuerten Werkzeugmaschinen zur Herstellung für massstäbliche Formeinsätze einem die prozessgesteuerte Werkzeugmaschine steuernden Rechner aufgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die massstäbliche Form eine den Massstäben des Körpers entsprechende Positivdarstellung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die massstäbliche Form eine den Massstäben des Körpers entsprechende Negativdarstellung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die massstäbliche Form eine Verkleinerung des Körpers in seiner Form des Originals ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die massstäbliche Form eine identische Darstellung von ausgewählten Teilen des Körpers in seiner Form des Originals ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Erfassung der Geometriedaten des Körpers durch einen hochpräzis arbeitenden Sensor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Sensor ein Lasersensor ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Sensor ein Taster ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Sensor ein Scanner ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Scanner ein Laser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Erfassung der Geometriedaten mittels der Weisslicht-Streifenprojektion als Messverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Erfassung der Geometriedaten mittels der Photogrammetrie als Messverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Erfassung der Geometriedaten mittels digitaler Photographie erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Umsetzung der fotooptisch gewonnenen Geometriedaten in Konturen und Details des Körpers rechnergestützt durch ein Modeling-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem die Erfassung der Geometriedaten eines Körpers von wenigstens einer Körperseite erfolgt, gewonnene Daten als definierte Datenkonfiguration gespeichert werden und die Daten der anderen fehlenden Körperseite(n) durch Spiegeln der gewonnenen Daten der bereits vorhandenen Datenkonfiguration gewonnen und für die Arbeitsverrichtungen der Werkzeugmaschine bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die asymme Irisch vorhandene Details gesondert erfasst und die der Erfassung der Koordinaten räumlich bestimmbarer Punkte der Details entsprechenden Daten digitalisiert und in einer Datenbank abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die asymmetrisch vorhandenen Details aus der Datenbank in die digital gespiegelte Struktur eingefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem eine gewonnene Punktewolke in ein Polygonnetz überführt und mittels eines Verfahrens der Flächenrückführung in Datenfiles für die Prozesssteuerung übertragen wird.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 18, bei dem fertigungsgerechte Informationen aus der Kombination von Flächendaten und Standard-Triangel-Daten in Datenfiles für die Prozesssteuerung übertragen werden.
Verfahren nach einem der Anspürche 1 bis 18, bei dem fertigungsgerechte Informationen auf Basis von Standard-Triangel-Language-Daten in Datenfiles für die Prozesssteuerung übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und 18 bis 20, bei dem die Erstellung einer Urform zur Abbildung eines Prototyps mittels der aufbereiteten Datenfiles unter Anwendung eines Stereolithografieverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und 18 bis 20, bei dem die Erstellung einer Urform zur Abbildung eines Prototyps mittels des Fused Deposition Modeling (FDM) – Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15 und 18 bis 20, bei dem die Erstellung einer Urform zur Abbildung eines Prototyps mittels der aufbereiteten Datenfiles unter Anwendung eines 3D-Laserkopierverfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem mittels des Prototyps eine für die Anwendung des Vakuumgussverfahrens dienende Siliconform erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem mittels des Prototyps eine für die Anwendung des Vakuumgussverfahrens dienende Sinterform für die Herstellung des zu bearbeitenden Formlings erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem mittels des Prototyps eine für die Anwendung des Schleudergussverfahrens dienende Siliconform für die Herstellung des zu bearbeitenden Formlings erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem ein Aluminiumguss-Formwerkzeug für die Anwendung des Kunststoffspritzgiessens und -pressens für die Herstellung des zu bearbeitenden Formlings eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem ein Formstahl-Formwerkzeug für die Anwendung des Kunststoffspritzgiessens und -pressens für die Herstellung des zu bearbeitenden Formlings eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem ein Rapid Tooling Verfahren-Werkzeug nach dem Prinzip des Kunststoffspritzgiessens und -pressens für die Herstellung des zu bearbeitenden Formlings eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, bei dem als prozessgesteuerte Werkzeugmaschine eine unter Anwendung des Prinzips der spanenden Formgebung arbeitende eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, bei dem als prozessgesteuerte Werkzeugmaschine eine unter Anwendung des Prinzips der Erodiertechnik arbeitende eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, bei dem als prozessgesteuerte Werkzeugmaschine eine unter Anwendung des Prinzips der 3D-Lasergravurtechnik arbeitende eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, bei dem als prozessgesteuerte Werkzeugmaschine eine unter Anwendung des Prinzips der Ätztechnik arbeitende eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, bei dem als prozessgesteuerte Werkzeugmaschine eine solche wenigstens zwei der Arbeitsprinzipien gemäss der Ansprüche 30 bis 33 gemeinsam einsetzend verwendet ist.