DE3711470A1 - Verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen modells - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her­ stellen eines dreidimensionalen Modells, insbesondere eines Fahrzeugmodells, das aus einer Vielzahl von Schei­ ben zusammengesetzt ist, die Modellkonturen aufweisen und aus Plattenwerkstoff durch materialabtragende Bearbeitung hergestellt werden.

Bei der Herstellung von Kraftfahrzeugmodellen für Windkanalversuche und Styling-Studien wird ein aufwendi­ ges Fräsverfahren angewendet, um Modelle im Maßstab 1:1 aus Polystyrolblöcken herauszuarbeiten, die anschließend per Hand glattgeschliffen werden. Das Fräsverfahren ist nicht nur aufwendig, sondern die Herstellung eines Modells dauert auch vergleichsweise lange.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Modells zu schaffen, das eine schnelle und kostengünstige Herstel­ lung erlaubt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Ver­ fahren mit den eingangs genannten Merkmalen das Herstellen der Modellkonturen durch Bearbeitung des Plattenwerkstoffs mit Laserstrahlung erfolgt.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß das dreidi­ mensionale Modell nicht mehr aus einem Stück hergestellt wird, sondern daß eine Zusammensetzung einer Vielzahl von Scheiben erfolgt, welche die Modellkonturen aufweisen. Derartige Scheiben können vorteilhafterweise mit Laserstrah­ lung hergestellt werden, also durch materialabtragende Bearbeitung, bei der der Werkstoff durch die Energie eines Laserstrahls verdampft wird.

Zweckmäßigerweise werden aus dem Plattenwerkstoff Scheibenrohlinge mittels Laserstrahls herausgeschnitten, wobei der Laserstrahl senkrecht zum Plattenwerkstoff und/ oder mit einer der Modellform angepaßten Neigung zum Plat­ tenwerkstoff geführt ist. Das Herstellen von Scheibenroh­ lingen ermöglicht eine schnelle erste Annäherung an die­ jenigen Scheiben, welche die endgültigen Modellkonturen aufweisen sollen. Dabei genügt die zum Plattenwerkstoff senkrechte Führung des Laserstrahls, wenn der Scheiben­ rohling nur in geringem Maße genau sein soll oder die Mo­ dellkontur durch die senkrechte Strahlführung genügend ge­ nau angenähert wird. Durch eine der Modellform angepaßte Neigung des Laserstrahls zum Plattenwerkstoff lassen sich die Scheibenrohlinge noch genauer herstellen, insbesondere wenn die Scheibenkanten geneigt sind oder der Plattenwerk­ stoff verhältnismäßig dick ist.

Die Scheibenrohlinge werden zu einem Grobkonturmodell zusammengefügt, das danach erforderlichenfalls von Hand und/oder mit Laserstrahlung geglättet wird. Eine Glättung von Hand kann ausreichen, wenn das Grobkonturmodell dem gewünschten endgültigen Modell möglichst genau angenähert werden konnte. Eine Glättung mit Laserstrahlung erfolgt insbesondere, um verhältnismäßig grobe Konturen schnell zu verfeinern und ist für den Einsatz in automatischen bzw. gesteuerten Verfahren besonders geeignet.

Um die Vorteile elektronisch- bzw. rechnergestützter Fertigung nutzen zu können, wird die festgelegte Modell­ form von einem Rechner in Scheiben eingeteilt und der Rechner berechnet die Konturwerte der Modellform für die jeweiligen Scheibenstärken und beaufschlagt dementsprechend den Laserstrahl beim Schneiden der Scheibenrohlinge und/ oder beim Glätten des Grobkonturmodells. Das Herstellungs­ verfahren des Modells beginnt also damit, daß die Modellform in einem Rechner gespeichert wird. Es erfolgt dann eine Einteilung in Scheiben mit Hilfe eines Programms, mit dem beispielsweise die Konturgenauigkeit berücksichtigt wird. Dann werden mit diesem Programm auch die Konturwerte des Modells für die jeweiligen Scheibenstärken berechnet, um dementsprechend den Laserstrahl steuern zu können.

Nach jedem Anfügen eines Scheibenrohlings erfolgt eine Erfassung der tatsächlichen Konturwerte und die Be­ aufschlagung des Laserstrahls wird erforderlichenfalls entsprechend korrigiert. Infolgedessen können Toleranzen des Plattenwerkstoffs bzw. durch den Zusammenbau der Schei­ benrohlinge bedingte Toleranzen berücksichtigt werden, um das Grobkonturmodell der gewünschten Modellform mög­ lichst anzunähern.

Als Konturwerte der Modellform werden die von den Scheibenseiten und -kanten gebildeten Konturlinien ver­ wendet, wenn diese Konturlinien die Konturwerte der Schei­ benkante genügend genau wiedergeben.

Beim Glätten des Grobkonturmodells werden ein Ab­ standsmeßsystem zur Steuerung einer den Laserstrahl auf das Grobkonturmodell fokussierenden Optik und/oder ein Laser­ leistungsmeßsystem zur Steuerung von Betriebsgrößen des Lasers verwendet. Auf diese Weise kann das Glätten auto­ matisiert werden, weil die gewünschte Modellform im Rechner gespeichert ist und infolgedessen zur Sollwertbildung heran­ gezogen werden kann. Als Betriebsgrößen des Lasers werden dessen Leistung und/oder dessen Einschaltdauer verwendet, so daß also die Intensität des Laserstrahls und/oder dessen Impulsparameter beeinflußt werden können.

Das Zusammenfügen der Scheibenrohlinge erfolgt auf einander parallelen Fixierstäben einer mit einer Abstreif­ einrichtung versehenen Montagebühne. Mit Hilfe dieser Monta­ gebühne wird nicht nur das maßgerechte Zusammenfügen der Scheibenrohlinge erleichtert, sondern auch die Erfassung der tatsächlichen Konturwerte ausgehend von dieser Montagebühne.

Die Modellform wird vom Rechner in Teilbereiche auf­ geteilt, in denen die Einteilung in Scheiben in zuein­ ander unterschiedlichen Scheibenebenen erfolgt. Einzelne Bereiche eines Modells können infolgedessen mit geringerem Aufwand an Materialabtragung hergestellt werden.

Als Plattenwerkstoff wird Kunststoff und/oder Metall verwendet. Der Kunststoff kann durch die Energie des Laser­ strahls vergleichsweise leicht verdampft werden. Mit Metall können insbesondere scharfe Konturen maßgenau hergestellt werden. Es versteht sich jedoch, daß auch andere Werkstoffe verwendet werden können, wie Keramiken oder Gläser, um konturgetreue Modelle oder Teile davon herzustellen.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Modellen, Anordnungen und Verfahrensabläufen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schema eines Verfahrensablaufs zum Her­ stellen eines Modells,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Verfahrensablaufs der Fig. 1 unter Heranziehung von Modelldarstel­ lungen,

Fig. 3 eine Darstellung zur Führung eines Laser­ strahls,

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Ver­ fahrens zur Modellglättung und

Fig. 5 ein Kraftfahrzeugmodell mit mehreren unter­ schiedlich geschichteten Teilbereichen.

Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Fertigungsablauf ist ein Rechner 16 vorhanden, der Bestandteil eines so­ genannten CAD-Systems ist. Mit Hilfe dieses Systems bzw. eines Rechnerprogramms kann eine Modellformerstellung 30 erfolgen und die Modellform 18 kann gespeichert werden, vgl. Fig. 2. Mit Hilfe des Rechners 16 wird eine Fixpunkt­ erfassung 31 durchgeführt, von der aus die Modellform 18 in Scheiben 11 eingeteilt wird, wobei das Scheibenein­ teilen 32 die Gestaltungen der Modellform 18 berücksichtigt und der Rechner 16 gegebenenfalls lediglich Teilbereiche 27 berücksichtigt, vgl. Fig. 5.

Nach dem Scheibeneinteilen 32 erfolgt das Ausschnei­ den 33 von Scheibenrohlingen 13 und danach ein Zusammen­ fügen von Scheibenrohlingen 13 zu einem Grobkonturmodell 15. Nach dem Zusammenfügen 34 der Scheibenrohlinge 13 er­ folgt eine Meßwertaufnahme 35 am Grobkonturmodell 15. Die erfaßten Konturwerte werden dem Rechner 16 eingegeben, der das Ausschneiden 33 eines weiteren Scheibenrohlings 13 entsprechend steuert.

Nach dem Fertigstellen des Grobkonturmodells 15 erfolgt eine Feinkonturherstellung 36 entweder durch ein Glätten 37 durch Abtragen mit dem Laserstrahl, oder eine Nachbe­ arbeitung 38 von Hand, mit Spachteln und Schleifen.

Fig. 2 veranschaulicht die Verfahrensschritte 32 bis 35 unter Teildarstellung der dabei erforderlichen Gegen­ stände. Zum Scheibeneinteilen wird auf einem Bildschirm 39 des Rechners 16 die Modellform 18 dargestellt. Der den Frontbereich bildende Teilbereich 27 der Modellform 18 wird vom Scheibenteinteilen ausgeschlossen. Das Scheiben­ einteilen erfolgt ausgehend von dem Fixpunkt 31. An­ schließend an die Scheibeneinteilung 32 werden die Kon­ turwerte der Modellform 18 für die gewählte Stärke 17 der Scheibe 11 berechnet, wobei hier als Konturwerte die Konturlinien 21 dienen, welche gemäß Fig. 3 von den Scheibenseiten 19 und den Scheibenkanten 20 gebildet wer­ den. Dabei ist der Einfachheit der Darstellung halber in Fig. 2 angenommen, daß die beiden Konturlinien 21 deckungsgleich sind.

Das Ausschneiden 33 eines Scheibenrohlings 13 er­ folgt gemäß Fig. 2 mit einem Laser 23, dessen Strahl 14 mit einer Bearbeitungsoptik 22 auf den Plattenwerkstoff 12 fokussiert wird. Zum Ausschneiden des Scheibenrohlings 13 wird ein rechnergesteuertes Mehrachs-Strahlführungs­ system verwendet, welches den Laserstrahl 14 so führt, daß er stets die Verbindungslinie zwischen zwei Kontur­ linien 21 bildet.

Fig. 3 zeigt eine zum Plattenwerkstoff 12 senkrechte Strahlführung, so daß sich eine zur Seitenfläche 19 senkrechte Schnittfuge mit entsprechend senkrechter Schnittkante 20 ergibt. Bei der des weiteren der Fig. 3 entnehmbaren Strahlführung mit Neigung zum Plattenwerkstoff 12 ergibt sich eine entsprechend geneigte Scheibenkante 20.

Die ausgeschnittenen Scheibenrohlinge 13 werden zu einem Grobkonturmodell 15 zusammengesetzt, wozu eine Montagebühne 26 dient. Die Montagebühne hat einen Boden 40, eine Rückwand 41 und eine Abstreifeinrichtung 25. Es sind einander parallele Fixierstäbe 24 vorhanden, die parallel zum Boden 40 angeordnet sind und infolgedessen ein nacheinander erfolgendes Aufstecken der Scheibenroh­ linge 13 gestatten. Dabei erfolgt ein Zusammenfügen die­ ser Rohlinge 13 beispielsweise durch leichten Klemmsitz auf den Fixierstäben 24 oder durch Verkleben miteinander. Durch Scheibentoleranzen und/oder Klebmittelauftrag er­ gibt sich in Richtung der Fixierstäbe 24 ein etwas grö­ ßeres, als das berechnete Maß, so daß die infolgedessen vorhandene Ungenauigkeit durch die Erfassung 35 der tatsächlichen Konturwerte bzw. Konturlinien 21 vor dem Scheibeneinteilen 32 für einen weiteren Scheibenrohling 13 berücksichtigt werden muß. Nach der Fertigstellung des Grobkonturmodells 15 wird es mit der Abstreifeinrich­ tung 25 von den Fixierstäben 24 heruntergeschoben, falls sich nicht eine Feinkonturherstellung anschließt.

Eine Feinkonturherstellung wird mit Fig. 4 erläutert. Dort ist die Außen- bzw. Grobkontur eines Teils 15′ des Grobkonturmodells 15 als Ist-Kontur bezeichnet, die es mit dem Laserstrahl 14 abzuarbeiten gilt, um die Soll-Kontur zu erreichen, also die Modellkontur einer Modellform 18. Hierzu wird die Energie des Lasers 23 mit einer Bearbei­ tungsoptik 22 auf das Teil 15′ bzw. das abzutragende Material fokussiert. Der Laserstrahl 14 hat dort die ge­ wünschte Energiedichte, um das abzutragende Material zu verdampfen.

Der Laser 23 erzeugt einen gepulsten Laserstrahl 14, der mit einem Impuls oder einer bestimmten Anzahl von Impulsen eine Materialabtragung bis auf den Wert z _MESS bewirkt hat. Dieser Wert bzw. der Abstand zwischen der Soll- und der Ist-Kontur wird mit einem Abstandsmeß­ system ermittelt und gemäß Fig. 4 in die Prozeßdaten­ verarbeitung 42 gegeben. Außerdem wirkt die Bearbeitungs­ optik 22 mit einem Laserleistungsmeßsystem zur Ermittlung derjenigen Laserleistung P _L zusammen, mit der der Wert z _MESS erreicht wurde. Auch der gemessene Laserleistungs­ wert wird in die Prozeßdatenverarbeitung 42 eingegeben. Außerdem wird die Prozeßdatenverarbeitung 42 mit den je­ weiligen Werten z _SOLL versorgt, welche in Fig. 4 nur bei­ spielsweise zur Steuerung der Bearbeitungsoptik 22 in nur eine Richtung z dienen, tatsächlich aber sämtliche Werte betreffen, mit denen die Modellform 18 charakterisiert wird. Die in Fig. 4 dargestellte Vorgabe erfolgt mit dem Rechner 16, welcher der Prozeßdatenverarbeitung 42 alle zur Bearbeitung des Grobkonturmodells 15 erfor­ derlichen Daten übermittelt, gegebenenfalls alle erfor­ derlichen Daten zur Bearbeitung des Plattenwerkstoffs 12 schlechthin. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, daß Scheibenrohlinge 13 zu einem Grobkonturmodell 15 zu­ sammengefügt werden, sondern es ist auch möglich, daß ungeschnittener Plattenwerkstoff auf die Fixierstäbe 24 gegen das zuvor bereits erstellte Grobkonturmodellteil ge­ steckt wird und dann das Herausschneiden eines Scheibenroh­ lings 13 mittels Laserstrahls 14 erfolgt.

Der Rechner 16 gibt dem Laser 23 die Laserleistung P _L vor, wie auch als weitere Betriebsgröße desse Ein­ schaltdauer, bei einem gepulsten Laser 23 also Impuls­ länge und Impulsfrequenz. Die Prozeßdatenverarbeitung 42 ergänzt die Steuerung des Lasers 23 durch ± Δ P und P _L AN/AUS. Diese Größen variieren die Laserleistung P _L und die Einschaltdauer t _L derart, daß mit dem nächst­ folgenden Laserimpuls bzw. der nächstfolgenden Impuls­ kette der in Fig. 4 schraffiert dargestellte Materialbe­ reich abgetragen wird. Zuvor hat die Prozeßdatenverar­ beitung 42 einen Wert für einen Verstellweg ± Δ z be­ stimmt und einem Stellmotor 43 zugeleitet, der die Be­ arbeitungsoptik 22 in Richtung auf die Soll-Kontur ver­ schoben hat.

Bei Erreichen des vorgegebenen Soll-Konturwertes wird die Bearbeitung gestoppt und die Bearbeitungsoptik um ein dem Durchmesser des Laserstrahls 14 entsprechendes Wegstück Δ x in Vorschubrichtung verschoben. Danach wird die Bearbeitung fortgesetzt, bis das gesamte Grobkontur­ modell 15 geglättet bzw. die Modellform 18 erreicht ist. Daran kann sich eine Nachbearbeitung von Hand sowie eine Lackierung des Modells anschließen.

Fig. 5 zeigt ein Modell 10, dessen Modellform 18 aus drei Teilbereichen 27 besteht. Es handelt sich um ein Personenkraftfahrzeugmodell, dessen mittlerer Teil­ bereich 27 eine Schichtung aus vertikal nebeneinander geordneten Scheiben 11 aufweist, dessen frontaler und heckseitiger Teilbereich 27 hingegen jeweils horizontal geschichtete Scheiben 11 aufweisen. Das hat den Vor­ teil, daß weit vorspringende Bereiche, beispielsweise die Stoßstangenbereiche, durch eine entsprechend ge­ wählte Stärke des Plattenwerkstoffs 12 feiner geschich­ tet modelliert werden können, ohne daß dabei erhebliche Materialabtragung beim Glätten erforderlich ist.

Fig. 5 läßt auch deutlich erkennen, daß sich die Stärke des Plattenwerkstoffs 12 bzw. der Scheiben 11 nach den am Modell vorkommenden Krümmungen richtet. Die in Fig. 5 dargestellten Plattenstärken sind ledig­ lich schematisch. Um die Scheibenrohlinge 13 weitgehend bearbeitungsfrei herzustellen, können die Scheiben sehr dünn gewählt werden, z. B. 1 bis 2 mm.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Modells, insbesondere eines Fahrzeugmodells, das aus einer Vielzahl von Scheiben zusammengesetzt ist, die Modellkonturen aufweisen und aus Platten­ werkstoff durch materialabtragende Bearbeitung hergestellt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Herstellen der Modell­ konturen durch Bearbeitung des Plattenwerkstoffs (12) mit Laserstrahlung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus dem Plattenwerk­ stoff (12) Scheibenrohlinge (13) mittels Laser­ strahls (14) herausgeschnitten werden, wobei der Laserstrahl (14) senkrecht zum Plattenwerkstoff (12) und/oder mit einer der Modellform (18) angepaßten Neigung zum Plattenwerkstoff (12) geführt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenroh­ linge (13) zu einem Grobkonturmodell zusammenge­ fügt werden, das danach erforderlichenfalls von Hand und/oder mit Laserstrahlung geglättet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die festgelegte Modellform (18) von einem Rechner (16) in Scheiben (11) eingeteilt wird, und daß der Rechner (16) die Konturwerte der Modellform (18) für die jeweiligen Scheibenstärken (17) berechnet und dementsprechend den Laserstrahl (14) beim Schneiden der Scheibenrohlinge (13) und/oder beim Glätten des Grobkonturmodells (15) beaufschlagt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Anfügen eines Scheibenrohlings (13) eine Erfassung der tatsächlichen Konturwerte erfolgt und die Beauf­ schlagung des Laserstrahls (14) erforderlichenfalls entsprechend korrigiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Konturwerte der Modellform (18) die von den Scheibenseiten (19) und/oder Kanten (20) gebildeten Konturlinien (21) verwendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Glätten des Grobkonturmodells (15) ein Abstandsmeßsystem zur Steuerung einer den Laserstrahl (14) auf das Grobkonturmodell (15) fokussierenden Optik (22) und/oder ein Laserleistungsmeßsystem zur Steuerung von Betriebsgrößen des Lasers (23) verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Betriebsgrößen des Lasers (23) dessen Leistung P und/oder dessen Einschaltdauer t _L verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenfügen der Scheibenrohlinge (13) auf einander parallelen Fixierstäben (24) einer mit einer Abstreifeinrich­ tung (25) versehenen Montagebühne (26) erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Modellform (18) in Teilbereiche (27) aufgeteilt wird, in denen die Ein­ teilung der Scheiben (11) in zueinander unterschied­ lichen Scheibenebenen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Plattenwerk­ stoff (12) Kunststoff und/oder Metall verwendet wird.