In den vergangenen Jahrzehnten haben Computer und programmierbare Fertigungsmaschinen die Produktionslandschaft gravierend verändert; die Möglichkeit, Werkstücke beliebiger Komplexität direkt aufgrund von 3D-CAD-Daten durch schichtweisen Materialauftrag zu erzeugen, wird künftig vergleichbare Auswirkungen haben. Außer einer deutlichen Beschleunigung der Produktentwicklung ist das Potential, damit weiterhin die Qualität zu steigern, dafür ausschlaggebend, wie das folgende Anwendungsbeispiel zeigt.

Die Kamerawerke Noble in Dresden hatten 1992 mit der "Noblex 06/150" (Bild, a) eine professionelle Panoramakamera erfolgreich in den Markt eingeführt. Um auch Amateurphotographen anzusprechen, entwickelte das Unternehmen in Zusammenarbeit mit uns von Ende 1993 an eine Variante, die kleiner und leichter sein sollte; zudem war das Design zu verbessern, und neue technische Funktionen mußten integriert werden. Weitere Forderungen waren Zeitgewinn durch paralleles Lösen wesentlicher Augaben von Entwicklung und Fertigung sowie geringer Aufwand im Werkzeugbau selbst bei kleinen und mittleren Stückzahlen (als Werkzeug bezeichnet man auch alle Formen, die im Produktionsprozeß benötigt werden, wie etwa Gußformen oder Stempel).

Zunächst wurden bereits vorhandene Designvarianten des Äußeren – Zeichnungen und Schaumstoffmodelle – in das 3D-CAD-System übertragen (Bild, b und c). Dazu mußten sie nach funktionellen und fertigungstechnischen Aspekten in verschiedene Konstruktionsobjekte aufgeteilt werden. Laser-Scanner vermaßen dann die physischen Modelle. Weil die Außenfläche des Gehäuses aus ästhetischen Gründen sehr verrundet gestaltet war, ergab sich beim punktweisen Abtasten eine Vielzahl von Teilflächen, die mittels CAD-System mathematisch neu beschrieben und miteinander verknüpft wurden.

Bei der weiteren CAD-Modellierung kam es zum einen auf die harmonische Verschmelzung von Form und Funktionalität an, zum anderen auf Genauigkeit und Dichtheit des Datenmodells, entscheidenden Kriterien für die Qualität des weiteren Ablaufs. Bei der Gestaltung des Kamera-Inneren waren optische, mechanische und elektronische Komponenten zu vereinigen, Konturen für Befestigungs- und Lagerelemente festzulegen sowie funktionsbedingte Hohlräume vorzusehen. Dabei war auf ausreichende Abstände für die Bewegungsfreiheit von Hebelsystemen sowie für die Wärmeableitung von der Elektronik zu achten.

In dieser Phase lassen sich unter Umständen Konstruktionsfehler schon erkennen; so ergaben sich anfangs beim Übergang mehrerer Verrundungen zu dünne Wandstärken. Zudem kann der Rechner Zeichnungen ausgeben, die den gesamten Entwicklungsprozeß dokumentieren.

Der nächste Schritt war der Übergang zu physischen Modellen. Mittels Stereolithographie wurden Kunststoffmodelle (Bild, d) für umfangreiche Untersuchungen hergestellt: Es galt nun, die Gefälligkeit des Außenhaut-Designs zu beurteilen, die Paßgenauigkeit, Funktionsfähigkeit und Fertigungsgerechtigkeit der Komponenten zu überprüfen sowie den Gehäuseträger mit allen Funktionsbaugruppen unter realen Platz- und Lastverhältnissen zu testen. Schließlich wurden Vakuumguß-Modelle der Komponenten hergestellt, um komplette Testkameras auf ihre Funktionsfähigkeit zu untersuchen (Bild, e).

Weitaus früher als bei der traditionellen Produktentwicklung konnte die Kleinserienfertigung vorbereitet werden. Entweder ergaben sich die Formen der Werkzeuge aus dem entsprechenden Stereolithographie-Modell (das für eine Griffschale beispielsweise ließ sich mit dem Metall-Spray-Verfahren anfertigen), oder die 3D-CAD-Modelldaten dienten unmittelbar zur Steuerung von Maschinen, die das Unternehmen zur Produktion hochgenauer Teile einsetzt. Des weiteren ließ sich anhand des exakten Datenmodells entwicklungsbegleitend eine Dokumentation für die Montage und für Prüfvorschriften erstellen.

Durch dieses Vorgehen reduzierte sich die gesamte Entwicklungszeit von üblichen zwei Jahren auf neun Monate; die Zeit für die Werkzeugerstellung verringerte sich etwa in gleicher Weise. Die hohe Präzision, die mit dieser Prozeßkette erreichbar ist, kommt der Qualität des Produkts (Bild, f) und damit sowohl dem Hersteller wie dem Kunden zugute.


Weitere Anwendungen

Der präzise Aufbau von Objekten nach einem Datensatz ist freilich nicht auf die industrielle Produktentwicklung beschränkt. Beispielsweise ließe sich das Verfahren in der Archäologie zur Anfertigung von Modellen anhand rekonstruierter Formen von unvollständigen Fundstücken oder von Gebäuden nutzen, deren Ruinen ausgemessen werden, so daß sich im Rechner zunächst eine visuelle Repräsentation der Strukturen vervollständigen läßt.

Wir haben das Konzept inzwischen in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Fakultät der Universität Dresden auf die Planung eines kieferchirurgischen Eingriffs angewandt: Bei einem Patienten sollte ein Tumor im Unterkiefer entfernt und die Lücke durch ein entsprechend geformtes Implantat aus seinem Hüftknochen geschlossen werden. Dazu wurde mittels Computertomographie des noch gesunden Kieferabschnitts ein 3D-CAD-Datenmodell der gesamten Gesichtshälfte erstellt. Obwohl die Schichtbilder in relativ großen Abständen von etwa zwei Millimetern aufgenommen worden waren, um die Strahlenbelastung möglichst gering zu halten, ermöglichte eine spezielle Software einer belgischen Firma durch Interpolation eine ziemlich naturgetreue rechnerinterne Repräsentation, die dann stereolithographisch in ein reales Modell umgesetzt wurde. Damit ließ sich schließlich das anzupassende Stück aus dem Hüftknochen immer wieder vergleichen. Die Operation verlief schonend und erfolgreich.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1995, Seite 99
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