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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konstruktion von Leichtbauteilen, ein Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen, ein Computerprogramm zur Konstruktion von Leichtbauteilen und ein Leichtbauteil.
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Aus Gründen der Kosten- und Gewichtsersparnis werden in allen Konstruktionsbereichen immer öfter Leichtbauteile verwendet. Eine Möglichkeit, ein Leichtbauteil bereitzustellen, besteht darin, das Bauteil nicht als Massivteil auszuführen, sondern statt dessen eine Skelettstruktur zu benutzen.
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Neben einteiligen Skelettstrukturen sind auch Skelettstrukturen bekannt, die nach dem Knoten-Streben-Prinzip aufgebaut sind. Bei einer solchen Lösung (Stabwerk) sind typischerweise zug- und druckbeanspruchte Streben (Stäbe) mit ihren Enden in Knotenpunkten miteinander verbunden. Zur Minimierung der Herstellungs-, Lagerungs- und Montagekosten werden dabei in aller Regel standardisierte, insbesondere untereinander austauschbare Einheitskomponenten verwendet, um die Skelettstruktur aufzubauen. Werden individuell oder besonders komplex geformte Bauteile benötigt, sind dann entweder sehr aufwendige Einzellösungen erforderlich, um die gewünschte Skelettstruktur nach dem Knoten-Streben-Prinzip herzustellen oder aber die Herstellung ist nur auf andere Weise möglich, beispielsweise mit Hilfe eines Urformverfahrens.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung komplex geformter Leichtbauteile zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die im Folgenden im Zusammenhang mit den Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie das Leichtbauteil und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Konstruktion von Leichtbauteilen ist dadurch gekennzeichnet,
- - daß ein virtuelles Gitter definiert wird, das eine Oberfläche oder ein Raumvolumen beschreibt,
- - daß mindestens einem Element des virtuellen Gitters eine Anzahl von Konstruktions- und/oder Funktionseigenschaften zugewiesen werden, und
- - daß für wenigstens ein Element des virtuellen Gitters, dem diese Eigenschaften zugewiesen wurden, unter Berücksichtigung der diesem Element zugewiesenen Eigenschaften ein Datenmodell zur Beschreibung eines realen Elements einer Skelettstruktur des Leichtbauteils erzeugt wird und/oder Steuerungsdaten zur Steuerung einer Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung eines solchen realen Elements erzeugt werden.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung handelt es sich bei dem Element des virtuellen Gitters um einen Gitterpunkt bzw. eine Gitterlinie und bei dem realen Element der Skelettstruktur um einen Knotenkörper bzw. um ein Verbindungselement zur Verbindung wenigstens zweier Knotenkörper.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den dem Element des virtuellen Gitters zugewiesenen Eigenschaften um wenigstens eine der folgenden Eigenschaften: Größe, Form, Material, Oberflächenbeschaffenheit, Funktion.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konstruktion von Leichtbauteilen ist gekennzeichnet durch
- - Mittel zum Definieren eines virtuellen Gitters, das eine Oberfläche oder ein Raumvolumen beschreibt,
- - Mittel zum Zuweisen einer Anzahl von Konstruktions- und/oder Funktionseigenschaften zu mindestens einem Element des virtuellen Gitters, und
- - Mittel zum Erzeugen
- eines Datenmodells zur Beschreibung eines realen Elements einer Skelettstruktur des Leichtbauteils
und/oder
- von Steuerungsdaten zur Steuerung einer Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung eines solchen realen Elements
für wenigstens ein Element des virtuellen Gitters, dem diese Eigenschaften zugewiesen wurden, unter Berücksichtigung der diesem Element zugewiesenen Eigenschaften.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm zur Konstruktion von Leichtbauteilen, umfaßt
- - Computerprogrammanweisungen zum Definieren eines virtuellen Gitters, das eine Oberfläche oder ein Raumvolumen beschreibt,
- - Computerprogrammanweisungen zum Zuweisen einer Anzahl von Konstruktions- und/oder Funktionseigenschaften zu mindestens einem Element des virtuellen Gitters, und
- - Computerprogrammanweisungen zum Erzeugen
- eines Datenmodells zur Beschreibung eines realen Elements einer Skelettstruktur des Leichtbauteils und/oder
- von Steuerungsdaten zur Steuerung einer Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung eines solchen realen Elements
für wenigstens ein Element des virtuellen Gitters, dem diese Eigenschaften zugewiesen wurden, unter Berücksichtigung der diesem Element zugewiesenen Eigenschaften,
wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen ist dadurch gekennzeichnet,
daß zur Beschreibung eines realen Elements einer Skelettstruktur des Leichtbauteils ein Datenmodell verwendet wird, das mit dem oben genannten Verfahren zur Konstruktion von Leichtbauteilen oder mit der oben genannten Vorrichtung zur Konstruktion von Leichtbauteilen erzeugt wurde und/oder
daß zur Steuerung einer Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung eines solchen realen Elements Steuerungsdaten verwendet werden, die mit dem oben genannten Verfahren zur Konstruktion von Leichtbauteilen oder mit der oben genannten Vorrichtung zur Konstruktion von Leichtbauteilen erzeugt wurden.
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Das erfindungsgemäße Leichtbauteil ist dadurch gekennzeichnet, daß es entweder mit dem oben genannten Verfahren zur Konstruktion von Leichtbauteilen oder mit der oben genannten Vorrichtung zur Konstruktion von Leichtbauteilen oder mit dem oben genannten Computerprogramm konstruiert oder aber mit dem oben genannten Verfahren zur Herstellung von Leichtbauteilen hergestellt wurde.
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Das erfindungsgemäße Konstruktionsverfahren zeichnet sich nach einer anderen Formulierung dadurch aus, daß Punkten und Linien eines Gitters, welches eine Fläche oder einen Körper repräsentiert, Eigenschaften zugewiesen werden derart, daß Knotenkörper und Verbindungselemente einer Skelettstruktur definiert werden, wobei zumindest die so definierten Knotenkörper mittels additiver Fertigung herstellbar sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden bei diesem Konstruktionsverfahren unter Verwendung der zugewiesenen Eigenschaften Daten erzeugt, unter deren Verwendung die additive Fertigung erfolgt.
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Die Erfindung stellt ein computer- bzw. softwareunterstütztes Verfahren zur Konstruktion von Leichtbauteilen in Skelettbauweise zur Verfügung.
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Bei dem zu erstellenden Bauteil handelt es sich um ein funktionales Skelettsystem mit intelligenten Knotenkörpern (Knoten) und niederkomplexen Verbindungselementen (stabförmige Elemente, Streben). Der zur Konstruktion verwendete Generator (Software) ist derart ausgeführt, daß sich mit ihm die gewünschten Skelettstrukturen automatisch generieren lassen. Im Ergebnis wird ein Leichtbauelement hergestellt, dessen Knotenkörper automatisiert additiv gefertigt werden können.
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Die Erfindung dient zur Herstellung funktionaler Skelette und Designobjekte oder dergleichen. Mit der Erfindung können individualisierte Produkte automatisch generiert und additiv gefertigt werden.
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Die Erfindung zeichnet aus, daß individuelle Geometrien automatisch generiert werden können, mit einer Fertigung ab Stückzahl eins. Vorzugsweise wird dabei die gewünschte Funktion in den additiv gefertigten, individualisierten Knotenkörpern konzentriert, während die Verbindungselemente neben ihrer konstruktiven Funktion zur Verbindung der Knotenkörper lediglich einfache funktionale Aufgaben übernehmen, wie beispielsweise die Aufnahme von Leitungen, Kabeln oder dergleichen.
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Bei den Leichtbauteilen, deren Skelettstruktur mit Hilfe der Erfindung auf vorteilhafter Art und Weise herstellbar ist, handelt es sich z. B. um Glasdachkonstruktionen, Fachwerke, Sonnenschutzelement (Sonnensegel) bzw. Skelette dafür, Fassadenelemente (Fassadenverkleidung), Lichtschienensysteme, Designobjekte oder allgemein Kunst am Bau, Wasserleitsysteme, Lichtschienensysteme und dergleichen oder auch um Skelettstrukturen, bspw. Tragwerke für Maschinen, Stützskelette im Automobilbau, z.B. Karosserieteile. Die Skelettstruktur des sich ergebenden Leichtbauteils kann dabei neben der ihr ohnehin eigenen Trag- bzw. Stützfunktion (Statik) weitere Funktionen übernehmen, wie beispielsweise den Schutz vor Witterung, Beleuchtung, Kabelführung usw.
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Bei den Leichtbauteilen handelt es sich vorzugsweise um vergleichbar große Bauteile, typischerweise mit Abmessungen von mehreren Metern.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der grundlegenden Idee, Flächen bzw. Körper (Raumvolumen) in Punkte und Linien eines Gitters umzuwandeln bzw. zu zerlegen und diesen Punkten und Linien Eigenschaften zuzuweisen, so daß Knotenkörper (Knoten) und Verbindungselemente (Streben) definiert werden können, wobei zumindest die Knotenkörper mittels additiver Fertigung vorteilhaft hergestellt werden können. Die Erfindung betrifft mit anderen Worten die Reduzierung einer großen komplexen Form auf kleine komplexe Knoten und standardisierte Streben. Mit der Erfindung wird eine das spätere Leichtbauteil, genauer gesagt eine Oberfläche oder ein Volumen des späteren Leichtbauteils vorgebende virtuelle Gitterstruktur in die Realität übertragen. Dies erfolgt durch Erzeugung einer Bauanleitung für die additive Fertigung für zumindest die Knotenkörper einer aus Knotenkörpern und diese verbindenden Verbindungselementen aufgebauten Skelettstruktur des Leichtbauteils.
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Die Erfindung betrifft eine Software, die als Bindeglied dient zwischen einer Designsoftware, wie sie von einem professionellen Designer oder aber auch von einem Endkunden bedienbar ist, einerseits und einer produktionsoptimierten Datei (Datensatz) andererseits, wie sie für die additive Fertigung verwendbar ist.
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Mit Hilfe der Erfindung wird die Anwendung der Topologieoptimierung auf große Objekte, beispielsweise um anschließend diese Objekte kosteneffizient mittels additiver Fertigung aufzubauen, vereinfacht. Mit der Erfindung können topologisch optimierte, hochindividualisierte Produkte mit einem vergleichsweise geringen Aufwand (automatisch) in Form eines Datensatzes generiert und anschließend additiv gefertigt werden. Damit wird eine kostengünstige Fertigung teilweise oder vollständig individualisierter Objekte ab Stückzahl 1 möglich.
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Das Gitter dient dabei zur Modellierung einer (virtuellen) Oberfläche oder eines (virtuellen) Raumvolumens oder aber das Gitter dient zur Beschreibung (Rekonstruktion, Nachbildung, Simulation) einer gegebenen (virtuellen) Oberfläche oder eines gegebenen (virtuellen) Raumvolumens.
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Wird eine vorhandene Oberfläche bzw. ein Raumvolumen mit einem Gitter belegt bzw. gefüllt, dann wird die Oberfläche oder das Raumvolumen durch eine Menge kleiner, meist sehr einfacher Elemente angenähert, so daß das entstehende Gitter eine Beschreibung der Fläche oder des Körpers darstellt.
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Das Gitter stellt mit anderen Worten die Oberfläche oder das Raumvolumen dar bzw. repräsentiert die Oberfläche oder das Raumvolumen. Das Gitter wird durch Gitterpunkte und die Gitterpunkte miteinander verbindende Gitterlinien bestimmt. Bei den Gitterpunkten kann es sich um Kreuzungs- oder Endpunkte des Gitters handeln. Anstelle des Begriffs „Gitter“ kann auch der Begriff „Netz“ verwendet werden.
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Bei dem verwendeten Gitter kann es sich um ein strukturiertes oder ein unstrukturierte Gitters handeln. Typischerweise kommen unstrukturierte Gitter zur Anwendung, also solche Gitter, die keine festgelegte Topologie und keine gleichmäßige Zellgeometrie aufweisen, insbesondere dann, wenn das Gitter das Ergebnis eines Adaptionsprozesses ist.
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Durch die Zuordnung von Eigenschaften zu den Gitterpunkten des (virtuellen) Gitters entstehen Knotenkörper einer Skelettstruktur. Je nach Lage und Position sowie in Abhängigkeit von der Funktion der einzelnen Knotenkörper in der Skelettstruktur des Leichtbauteils können entweder Gruppen von Knotenkörpern gemeinsame Eigenschaften aufweisen oder aber jeder Knotenkörper weist individuelle Eigenschaften auf, die ihn von anderen Knotenkörpern unterscheiden. Typischerweise handelt es sich bei den Knotenkörpern jedoch um individualisierte Bauteile der jeweiligen Skelettstruktur, die in ihrer jeweiligen Ausprägung nur ein einziges Mal vorkommen.
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Der am Ende des Konstruktionsvorgangs erstellte Datensatz dient mittelbar oder unmittelbar zur Steuerung einer additiven Fertigung der Knotenkörper.
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In einer weiterführenden Ausführungsform der Erfindung werden nicht nur den Gitterpunkten sondern auch den Gitterlinien Eigenschaften zugewiesen und der erstellte Datensatz umfaßt zusätzlich auch Aufbau- und/oder Steuerungsinformationen zur additiven Fertigung von Verbindungselementen, die zusammen mit den Knotenkörpern die Skelettstruktur bilden. Statt eines gemeinsamen Datensatzes können auch zwei voneinander getrennte Datensätze erstellt werden, wobei einer der Datensätze zur Herstellung der Knotenkörper und der andere Datensatz zur Herstellung der Verbindungselemente ausgeführt ist.
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Die Zuordnung von Eigenschaften zu den Gitterlinien kann alternativ auch zur Erstellung eines Datensatzes dienen, der zur Steuerung einer nicht-additiven Fertigung der Verbindungselemente dient bzw. zu einem Datensatz führt, der überhaupt keine Steuerinformationen enthält, sondern lediglich Angaben zu den jeweiligen geometrischen Eigenschaften der einzelnen Verbindungselemente, so daß diese anschließend beispielsweise manuell hergestellt bzw. angepaßt werden können.
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Die Zuordnung der Eigenschaften zu den Gitterlinien erfolgt in Abstimmung bzw. entsprechend der Zuordnung der Eigenschaften zu den Gitterpunkten. Anders ausgedrückt sind die Eigenschaften derart aufeinander abgestimmt, daß die entstehenden Knotenkörper und Verbindungselemente sowohl konstruktiv als auch funktional aufeinander abgestimmt sind bzw. miteinander zusammenwirken können derart, daß sich die gewünschte Skelettstruktur ergibt. In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Datensatz zumindest die automatisch konfigurierten Längen standardisierter Verbindungselemente.
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Vor der eigentlichen Fertigung des Leichtbauteils ist das Erstellen der benötigten Daten erforderlich. Ausgegangen wird hierbei von virtuellen, d. h. beispielsweise im CAD erstellten Flächen (Körperoberflächen) oder Körpern (Raumvolumen) großer (offener oder geschlossener) Objekte, wie beispielsweise von Fahrzeug- oder Gebäudeteilen, die als Leichtbauelemente hergestellt werden sollen (Ausgangsgeometrie). Derartige virtuelle Oberflächen oder Raumvolumen können z. B. aus einer Topologieoptimierung (Softwareanwendung) entstanden sein.
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Jetzt werden mit Hilfe einer geeigneten Software diese Oberflächen (Flächen) bzw. Raumvolumen (Körper) mit einer (virtuellen) Gitterstruktur belegt (2D) bzw. gefüllt (3D). Bei dieser Gittergenerierung wird eine bevorzugte Gitterstruktur verwendet, die zuvor aus einer Anzahl möglicher Gitterstrukturen ausgewählt werden kann. Anstelle einer einzigen Gitterstruktur können auch mehrere voneinander verschiedene Gitterstrukturen verwendet und/oder zur Abbildung bzw. Annäherung der Fläche oder des Körpers miteinander kombiniert werden. Vorteilhafterweise ist die verwendete Software derart ausgebildet, daß sich die Gitterstruktur (Gitter, Netz) der Form der Oberfläche bzw. des Raumvolumens (automatisch) anpaßt. Vorteilhafterweise kann die Dichte des Gitters variiert werden und auch einzelne Bereiche des Gitters können getrennt voneinander verdichtet oder geweitet werden. Es ist von Vorteil, wenn zu diesem Zweck eine manuelle Änderung des Gitters möglich bleibt (Gitternachjustierung), beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Benutzerschnittstelle zu der Konstruktionssoftware. Die Benutzerschnittstelle kann dazu dienen, vorgestaltete Objekte über Regler zu verändern oder aber einen Objektgenerator für frei geplante Objekte zu steuern. Die Konstruktionssoftware ist dabei derart ausgeführt, daß sämtliche relevanten Ergebnisse des Konstruktionsvorgangs, insbesondere das verwendete Gitter und die nach der Zuweisung der Eigenschaften erzeugte Skelettstruktur, mit Hilfe einer Anzeigeeinrichtung (Bildschirm), die vorzugsweise als Teil der Benutzerschnittstelle ausgeführt ist, dem Benutzer der Software angezeigt werden.
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Im Ergebnis werden die virtuellen Oberflächen bzw. Raumvolumen dann von einem (virtuellen) Gitter (Netz) repräsentiert.
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In einem nächsten Schritt wird dieser (virtuellen) Gitterstruktur mit Hilfe einer geeigneten Software (automatisch) eine (virtuelle) Geometrie zugewiesen bzw. zugeordnet, nämlich in Gestalt von komplexen („intelligenten“) Knotenkörpern (Knoten) für die Kreuzungs- und Endpunkte des Gitters sowie in Gestalt von niederkomplexen, vorzugsweise standardisierten (insbesondere lediglich längenvariablen) Verbindungselementen (Streben) für die Linien des Gitters. Hierdurch wird der lediglich aus (zweidimensionalen) Punkten und Linien bestehenden Gitterstruktur eine (virtuelle) dreidimensionale Skelettstruktur zugeordnet.
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Mit anderen Worten wird den Punkten des Gitters jeweils eine bestimmte Knotengeometrie und den Linien des Gitters eine bestimmte Strebengeometrie zugewiesen (automatische Konstruktion), wobei zuvor eine bevorzugte Streben- und/oder eine bevorzugte Knotengeometrie (Knotengrunddesign) aus einer Anzahl von zur Verfügung stehenden Grunddesigns ausgewählt werden kann.
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Es findet mit anderen Worten eine automatische Konstruktion der Skelettstruktur (Knotenkörper und Verbindungselemente) aus den vorgegebenen Oberflächen bzw. Raumvolumen unter Verwendung einer bevorzugten Gitterstruktur sowie einer bevorzugten Knoten- und Strebengeometrie statt.
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Neben der Zuweisung von geometrischen Eigenschaften (Geometriedaten), insbesondere bezüglich Form und Größe, können auch weitere konstruktive sowie auch funktionale Eigenschaften zugewiesen werden.
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So kann bei der Zuordnung der Eigenschaften beispielsweise bestimmt werden, ob es sich bei den Verbindungselementen um starre Element, wie beispielsweise Streben oder aber um andere Verbindungselemente, wie Füllungen oder aber Spannseile oder dergleichen handelt. Dabei kann die Definition der geometrischen Eigenschaften durch ein standardmäßig aktiviertes Grunddesign der Verbindungselemente vorgegeben sein oder aber ein solches Grunddesign ist aus einer Anzahl verschiedener Grunddesigns auswählbar. Gleiches gilt entsprechend für das Design bzw. die Ausführung der Knotenkörper. Auch hier ist vorteilhafterweise eine Auswahl aus verschiedenen Designs möglich.
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Die Zuordnung der Eigenschaften zu den Bauteilen der Skelettstruktur bzw. den Komponenten des Leichtbauteils erfolgt vorzugsweise mittels einer geeigneten Bedienoberfläche der Konstruktionssoftware.
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Vorzugsweise ist auch nach der erstmaligen Zuordnung der Eigenschaften zu den Punkten und Linien des Gitters, mit anderen Worten nach der Umwandlung des Gitters in die Skelettstruktur, eine Veränderung der konstruktiven und funktionalen Eigenschaften der Knotenkörper und Verbindungselemente möglich. Wird beispielsweise die Lage eines Knotenkörpers verändert, ändert sich automatisch die Knoten- und Strebengeometrie aller übrigen Bauteile der Skelettstruktur.
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Optional umfaßt die automatische Konstruktion der Skelettstruktur die Berücksichtigung weiterer konstruktiver und/oder funktionaler Eigenschaften.
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Das Zuweisen der späteren Eigenschaften der realen Elemente der Skelettstruktur zu den virtuellen Elementen des virtuellen Gitters bewirkt eine qualitative Änderung der verwendeten Daten insoweit, daß jetzt anstelle des virtuellen „zweidimensionalen“ Gitter eine, wenngleich noch virtuelle, dreidimensionale Skelettstruktur vorliegt. Der Schritt der Zuweisung kann daher auch mit der Erzeugung der (virtuellen) Skelettstruktur des späteren Leichtbauteils gleichgesetzt werden. Die auf diese Weise erzeugte (virtuelle) Skelettstruktur wird dem Benutzer angezeigt. Er erhält damit bereits eine Darstellung der späteren realen Skelettstruktur und kann Änderungen aller Eigenschaften, beginnend bei der Wahl der Gitterstruktur und des Knotendesigns, vornehmen, bevor die additive Fertigung beginnt.
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Ist die fertige Skelettstruktur definiert, wird mit Hilfe einer geeigneten Software unter Verwendung der endgültigen, gewünschten (virtuellen) 3D-Skelettstruktur, also insbesondere unter Verwendung (Einbeziehung, Berücksichtigung) der zugeordneten Knotengeometrien und Strebengeometrien, eine (reale) 3D-CAD- bzw. STL-Datei oder dergleichen erstellt, d. h. ein Datensatz (Baudaten, Steuerungsdaten), der zur Steuerung der additiven Fertigung der realen Skelettstruktur (Knoten und/oder Streben) dienen kann.
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Die zur Steuerung einer Schichtbauanlage bzw. allgemein der additiven Fertigung verwendeten Steuerungsdaten umfassen ein entsprechendes Datenmodell zur Beschreibung des herzustellenden Bauteils bzw. werden unter Verwendung eines solchen Datenmodells erzeugt. Das Datenmodell und/oder die Steuerungsdaten sind dabei vorteilhafterweise in einem universell einsetzbaren, standardisierten Datenformat gefaßt, das unabhängig von dem gewählten Aufbauverfahren einsetzbar ist.
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Der zur Fertigung erstellte Datensatz kann über die vorzugsweise vollständig automatisch erstellten Primärdaten (Knotengeometrie, Stückliste, Montageanleitung, ...) hinaus auch weitere, vorzugsweise ebenfalls vollständig automatisch erstellte Angaben (Sekundärdaten) enthalten, beispielsweise zur (optimierten) Anordnung der einzelnen Bauteile im Bauraum der additiven Fertigungsanlage, insbesondere hinsichtlich der Orientierung im Bauraum oder der Bauteilausrichtung (unter dem Gesichtspunkt der Optimierung der Festigkeit während des Aufbauvorgangs) bzw. hinsichtlich der optimalen Packdichte („Nesting“). Weitere Sekundärdaten können das automatische Entpacken und/oder die Nachbearbeitung der einzelnen Bauteile im Anschluß an die additive Fertigung betreffen.
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Zusammenfassend könnte man den Ablauf auch so beschreiben, daß ein Topologieoptimierer (Software) das Skelett einer Topologieoptimierung großer Objekte (Automobil, Gebäude, ...) in Striche und Knoten zerlegt und somit eine große, komplexe Form auf kleine, komplexe Knoten und standarisierte Streben reduziert. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dies derart realisiert, daß zunächst die erfindungsgemäße Software das (virtuelle) Ergebnis einer Topologieoptimierung in einem definierten ersten Designraum (das große Objekt betreffend) in ein (reales) Skelett mit Standardbauteilen als Streben und zweiten Designräumen für die Knoten übersetzt, bevor eine zweite Topologieoptimierung für jeden Knoten durchgeführt wird (mehrere zweite Designräume). Eine solche Topologieoptimierung der Knoten ist insbesondere bei statisch belasteten Knoten vorteilhaft.
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Weiterhin können beispielsweise gleichartige oder voneinander verschiedene Füllungen für die den Gitterzellen entsprechenden Teilflächen der Skelettstruktur vorgesehen sein. Als Füllungen kommen dabei beispielsweise starre Bauelemente, wie Platten, Wände oder Spiegel, oder flexible Bauelemente, wie Stoffe (bedruckte oder unbedruckte Gewebe), in Frage, je nach Anwendungsfall. Die Füllungen (Füllungselemente) können dabei zur Bereitstellung bestimmter Eigenschaften oder Funktionalitäten der Skelettstruktur bzw. des Leichtbauteils ausgebildet sein, beispielsweise zur Versteifung des Leichtbauteils dienen, und/oder sie dienen zu gestalterischen Zwecken, wie beispielsweise zur Verkleidung der Skelettstruktur.
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Die derart in die Skelettstruktur integrierten Füllungen können als integraler Bestandteil eines oder mehrerer Verbindungselemente ausgeführt sein, so daß beispielsweise zwei Knotenkörper nicht durch ein Verbindungselement in Form einer Strebe oder dergleichen sondern statt dessen durch ein als Füllung ausgeführtes Verbindungselement miteinander verbunden sind; in diesem Fall übernehmen die Füllungen die Funktion der Verbindungselemente in der Skelettstruktur. Oder aber die Knotenkörper und/oder Verbindungselemente weisen Befestigungselemente zur Befestigung der Füllungen auf; mit anderen Worten sind die Füllungen lediglich zusätzliche Bauteile, die an der bereits vollständig vorhandenen Skelettstruktur befestigbar sind.
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Anders ausgedrückt sind die Füllungen für die Teilflächen des Gitters (entsprechen den Maschen des Gitters) ausgeführt zur Anbringung an/zwischen den Streben (d. h. zusätzlich zu den Streben) oder aber als Ersatz für eine oder mehrere Streben.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Füllungen derart ausgeführt, daß sie mehrere Teilabschnitte der Skelettstruktur (entsprechen mehreren Gitterzellen des Gitters) überdecken; besonders vorteilhaft sind dann elastische Füllungen, wie beispielsweise Gewebe oder dergleichen, die über mehrere Verbindungselemente (Streben) gespannt werden können.
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Je nach ihrer Ausführung können auch die Füllungen als Elemente der Skelettstruktur verstanden werden. Sie können ebenfalls additiv hergestellt werden, zu welchem Zweck der erzeugte Datensatz entsprechende Angaben enthält, oder sie werden auf andere Weise gefertigt und lediglich nachträglich an der Skelettstruktur montiert.
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Die Konstruktion der Skelettstruktur kann so erfolgen, daß bei der Zuweisung der Eigenschaften zu den Punkten und Linien des Gitters eine Integration von Befestigungselementen in den Knotenkörpern und/oder Verbindungselementen oder Füllungen vorgesehen ist. Die Befestigungselemente können dabei zur Befestigung des Leichtbauteils an einem Baukörper oder an anderen Objekten dienen und/oder die Befestigungselemente dienen zur Befestigung von Objekten an dem Leichtbauteil. Die optimalen Positionen der Befestigungspunkte an der Skelettstruktur (Ankerpunkte) können zuvor, vorzugsweise automatisch, berechnet werden, beispielsweise nach einer FEM-Analyse.
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Darüber hinaus können die Knotenkörper auch als Halte- und/oder Aufnahmeelemente für zusätzliche Bauteile dienen, wie beispielsweise als Halterungen für Beleuchtungseinrichtungen.
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Bei der Verwirklichung der in die Skelettstruktur integrierbaren Funktionen können beispielsweise folgende Bauelemente verwendet werden: Endo- und Exo-Skelette, Steckplätze für Funktionselemente (LED, Stecker, Kabel, Sensoren, ...), Dichtelemente für den Außenbereich. Diese können entweder zusammen mit den Knotenkörpern additiv aufgebaut oder nachträglich an entsprechend vorgesehenen, additiv aufgebauten Verbindungs- oder Schnittstellen der Knotenkörper angebracht werden.
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In Ergänzung ihrer rein mechanischen Funktion zur gegenseitigen Verbindung können sowohl Knotenkörper als auch Verbindungselemente zusätzliche funktionale Eigenschaften aufweisen.
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Beispielsweise können Knotenkörper und/oder Verbindungselemente als Versorgungsleitungen (zur Einleitung, Ausleitung und/oder Durchleitung von Medien) ausgeführt sein, z. B. zur Aufnahme von elektrischen Leitungen oder von Anschlußleitungen für Beleuchtungen und dergleichen. Ein anderes Beispiel ist die Ausführung als Hohlkörper (Rohre), die beispielsweise für das Durchleiten von Gasen oder Flüssigkeiten ausgebildet sind, z.B. bei der Verwendung des Leichtbauteils für eine Bewässerungsanlage eines bepflanzten Bereiches oder für eine Sprinkleranlage als Teil eines Feuerlöschsystems oder für eine Klimaanlage. In diesem Zusammenhang können an den Knotenkörpern und/oder Verbindungselementen auch Düsen oder andere verschließbare (steuerbare) Auslässe vorgesehen sein. Die Knotenkörper und/oder Verbindungselemente können auch als Stromschienen ausgeführt werden.
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Der im Zuge der Konstruktion erzeugte Datensatz enthält in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zusätzlich eine (zuvor automatisch erstellte) Stückliste mit einer Numerierung sämtlicher Bauteile der Skelettstruktur des Leichtbauteils (Knotenkörper und Verbindungselemente sowie ggf. Füllungen).
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Darüber hinaus erzeugt die Software, entweder als Teil des Datensatzes oder als separate Datei, eine (zuvor automatisiert erstellte) Aufbauanleitung der Skelettstruktur des Leichtbauteils. Es handelt sich dabei vorzugsweise um eine automatisch erzeugte Anleitung zum Aufbau der Körperoberfläche bzw. des Raumvolumens in einer bevorzugten Reihenfolge, insbesondere in einer Reihenfolge, die eine für den Aufbau notwendige Stabilität der Skelettstruktur gewährleistet. Die Aufbauanleitung bedient sich dabei der zuvor definierten Numerierung der Knotenkörper, Verbindungselemente und ggf. Füllungen. Die Numerierung wird mit anderen Worten der Aufbauanleitung zugeordnet.
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Im Anschluß an diese Datengenerierung erfolgt die eigentliche Produktion, also die Herstellung der einzelnen Bauteile (Knotenkörper und Verbindungselemente). Dies umfaßt insbesondere die (automatische) additive Fertigung der Knotenkörper der Skelettstruktur gemäß den erstellten Baudaten. Die Knotenkörper können dabei einteilig oder mehrteilig aufgebaut werden.
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In einem besonders einfachen Fall handelt es sich bei den benötigten Verbindungselemente um standardisierte Streben, die lediglich noch in der gewünschten Länge bereitgestellt werden müssen, wobei die benötigten Längenangaben vorzugweise mit dem Datensatz zur Herstellung der Knotenkörper erstellt und ausgegeben werden.
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Die additive Fertigung erfolgt vorzugsweise in einigen oder allen Bereichen automatisiert. Ein automatisierter Ablauf wird durch die große Anzahl berechenbarer Arbeitsschritte unterstützt, welche sich aus den sehr ähnlichen Geometrien der Knotenkörper ergeben.
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Bei der additiven Fertigung der Knotenkörper (und ggf. der Verbindungselemente bzw. Füllungen wird (automatisch) die zuvor erstellte Numerierung auf den einzelnen Bauteilen angebracht (Beschriftung der Bauteile). Dies dient zur späteren Identifikation der einzelnen Bauteile sowie für die Zuordnung der Bauteile zur Aufbauanleitung.
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Das Leichtbauteil ist aufgrund seiner Bauweise, genauer gesagt aufgrund der Verwendung einer Skelettstruktur, und einer geeigneten Materialauswahl für seine Komponenten, beispielsweise Aluminium oder Kunststoff für die Knotenkörper oder beispielsweise Holz oder Kunststoff für die Verbindungselemente (Streben), nicht nur besonders leicht. Die Komponenten des Leichtbauteils können auch sehr platzsparend und damit auch kostensparend gelagert, verpackt und versandt werden, da es möglich ist, sie auf kleinstem Raum anzuordnen. Dies ist besonders bei sehr großen Leichtbauteilen von Vorteil, wie beispielsweise Decken- oder Fassadenkonstruktionen für Gebäude, die im zusammengebauten Zustand eine Fläche von wenigen Quadratmetern bis hin zu einigen Dutzend Quadratmetern einnehmen können.
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Grundsätzlich können auch andere Materialien für den additiven Aufbau der Knotenkörper und anderer Komponenten der Skelettstruktur verwendet werden, wie beispielsweise Zement.
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Abschließend erfolgt der Aufbau des Leichtbauteils, indem anhand der Aufbauanleitung die Komponenten miteinander verbunden werden. Jeder Knotenkörper weist einen oder mehrere, typischerweise gabel-, stern- oder strahlenförmig sich aus einem Grundkörper des Knotenkörpers nach außen weg erstreckende Schenkel auf. Diese Schenkel sind zur Ausbildung einer Verbindung mit einer entsprechenden Anzahl Verbindungselemente ausgebildet. Dabei können beispielsweise Schraub-, Steck-, Rast- und/oder Schnapp-Verbindungen realisiert werden.
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Kommt eine Steckverbindung zur Anwendung, weist jeder Schenkel eine Aufnahmeöffnung bzw. ist jeder Schenkel als Rohrstück mit einer Aufnahmeöffnung ausgestaltet und die Verbindungselemente (Streben) werden zur Ausbildung der Steckverbindung mit ihren freien Enden jeweils in eine Aufnahmeöffnung eines Schenkels eingeführt oder aber die Verbindungselemente weisen an ihren Verbindungsenden Aufnahmeöffnungen auf, in welche jeweils ein Schenkel des Knotenkörpers eingesteckt wird; die Steckverbindung ist dabei vorzugsweise gas- bzw. flüssigkeitsdicht ausgeführt. Die derart ausgebildeten Steckverbindungen können durch Rast- bzw. Schnappverbindungen ergänzt werden, wenn an den Verbindungsenden der Verbindungselemente sowie an den Schenkeln miteinander zusammenwirkende, komplementär zueinander ausgebildete Rast- oder Schnappelemente vorhanden sind.
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Typischerweise sind die Schenkel starr zueinander und zu dem Grundkörper an diesem angebracht. Es kann jedoch auf vorteilhaft sein, einen oder mehrere Schenkel einzelner oder aller Knotenkörper der Skelettstruktur mit gelenkig an dem Grundkörper angebrachten Schenkeln zu versehen.
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Die erfindungsgemäßen Konstruktionsverfahren können rechnergestützt durchgeführt werden. Die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Konstruktionsverfahren geeignete Vorrichtung läßt sich im Wesentlichen durch die Bereitstellung eines geeigneten Computerprogramms realisieren. Bei der Recheneinheit zur Ausführung des Computerprogramms handelt es sich vorzugsweise um einen PC oder einen anderen Universalcomputer mit geeigneter Grafikhardware. Dabei sind vorzugsweise die folgenden Mittel als Computerprogramm ausgeführt: Mittel zum Definieren eines virtuellen Gitters, das eine Oberfläche oder ein Raumvolumen beschreibt; Mittel zum Zuweisen einer Anzahl von Konstruktions- und/oder Funktionseigenschaften zu mindestens einem Element des virtuellen Gitters; und Mittel zum Erzeugen eines Datenmodells zur Beschreibung eines realen Elements einer Skelettstruktur des Leichtbauteils und/oder von Steuerungsdaten zur Steuerung einer Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung eines solchen realen Elements, für wenigstens ein Element des virtuellen Gitters, dem diese Eigenschaften zugewiesen wurden, unter Berücksichtigung der diesem Element zugewiesenen Eigenschaften.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein virtuelles Gitter, das eine Oberfläche repräsentiert,
- 2 eine virtuelle Skelettstruktur auf der Grundlage des Gitters aus 1,
- 3 ein virtuelles Gitter, das ein Raumvolumen repräsentiert,
- 4 eine virtuelle Skelettstruktur auf der Grundlage des Gitters aus 3,
- 5 Knotenkörper und Verbindungselemente einer virtuellen Skelettstruktur,
- 6 Konstruktionsdetails von Knotenkörpern (CAD-Daten, Teil eines erzeugten Datensatzes),
- 7 einen mit additiver Fertigung hergestellten Knotenkörper,
- 8 einen Teil einer Skelettstruktur eines Leichtbaukörpers mit hochkomplexen, individualisierten Knotenkörpern und standardisierten Verbindungselementen,
- 9 ein Konstruktionssystem.
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Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Mit Hilfe der Konstruktionssoftware (Objektgenerator) wird eine individuelle Oberfläche 1 mit einem virtuellen Gitter 2 belegt (1) . Anschließend werden dieser Gitterstruktur mit Hilfe der Konstruktionssoftware eine Geometrie und weitere Eigenschaften zugewiesen. Es entstehen Knotenkörper 5 für die Kreuzungs- und Endpunkte 3 des Gitters 2 sowie Verbindungselemente 6 in Form von Streben für die Linien 4 des Gitters. Hierdurch wird das Gitter 2 in eine virtuelle Skelettstruktur 7 umgewandelt (2).
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Anstelle einer Oberfläche 1 kann auch ein Raumvolumen mit einem Gitter 2' gefüllt werden (3) und anschließend durch Zuweisung der Knoten- und Strebengeometrie in eine Skelettstruktur 7' umgewandelt werden (4).
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Unter Verwendung der zur Definition der Skelettstruktur 7 vorhandenen Daten erzeugt die Konstruktionssoftware einen Datensatz, der zumindest Datenmodelle (6) für alle additiv herzustellenden Knotenkörper 5, im übrigen Baudaten und/oder Steuerungsdaten für eine Schichtbauanlage enthält. Unter Verwendung dieses Datensatzes werden mittels additiver Fertigung reale Knotenkörper 8 hergestellt (7), beispielsweise durch selektives Lasersintern, selektives Laserschmelzen oder anderen geeigneten Verfahren. Dabei erfolgt eine automatische Numerierung aller Bauteile auf der Grundlage einer von der Konstruktionssoftware erzeugten Teileliste, so daß anschließend unter Verwendung der ebenfalls von der Konstruktionssoftware erstellten Aufbauanleitung der Zusammenbau der Skelettstruktur 10 (8) erfolgen kann. Zur Verbindung der individuell gefertigten Knotenkörper 8 müssen lediglich die standardisierten Verbindungselemente (Streben) 9 bereitgestellt werden, die zuvor auf das aus der Teileliste bekannte, benötigte Maß zugeschnitten werden.
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Das verwendete Konstruktionssystem (9) ist ein Rechner 11, in dessen Prozessor 12 die Konstruktionssoftware ausgeführt wird. Mit Hilfe einer Benutzerschnittstelle, die u.a. einen Bildschirm 13 sowie eine Tastatur 14 umfaßt, ist die Bedienung der Software durch einen Benutzer möglich, beispielsweise zur Anpassung des Gitters 2, zur Auswahl der Geometrie der Knotenkörper 5 und zur Zuweisung der Eigenschaften zu den Knotenkörpern 5. Verschiedene Softwarekomponenten dienen u.a. als Mittel 15 zum Erstellen des Gitters, als Mittel 16 zum Zuweisen der Eigenschaften (Mittel zum Erstellen der Skelettstruktur) und Mittel 17 zum Erzeugen des Datensatzes. Der Datensatz wird in einem Speicher 18 des Systems gespeichert und kann ausgegeben bzw. an andere Systeme, beispielsweise die Schichtbauanlage, übertragen werden.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- (virtuelle) Oberfläche
- 2
- (virtuelles) Gitter
- 3
- (virtueller) Punkt
- 4
- (virtuelle) Linie
- 5
- (virtueller) Knotenkörper
- 6
- (virtuelles) Verbindungselement
- 7
- (virtuelle) Skelettstruktur
- 8
- (realer) Knotenkörper
- 9
- (reales) Verbindungselement
- 10
- (reale) Skelettstruktur
- 11
- Rechner
- 12
- Prozessor
- 13
- Bildschirm
- 14
- Tastatur
- 15
- Komponente der Konstruktionssoftware
- 16
- Komponente der Konstruktionssoftware
- 17
- Komponente der Konstruktionssoftware
- 18
- Datenspeicher
