Präzise Freiformflächen in der virtuellen Welt Das perfekte Abbild eines Körpers mit Freiformflächen für den Flugzeugbau
„M&D Flugzeugbau GmbH setzt bei der Modellierung eines Diffusorsauf die Reverse Engineering Software Rapidform®-XOR™ aus dem Hause INUS Technology„

M&D Flugzeugbau ist Hersteller und einziger Vertrieb des Motorseglers Samburo sowie Instandhaltungsbetrieb für die General Aviation. Darüber hinaus ist M&D auch in anderen Industriebereichen mit seinem Know-how im Bereich von Kunst- und Verbundwerkstoffen erfolgreich. Seit April 2008 ist M&D Flugzeugbau EASA-anerkannter Entwicklungsbetrieb für Gasturbinen (Jet) zum Einbau in Segelflugzeuge und Motorsegler. Hierbei werden Turbinen aus dem Modellbaubereich verwandt. Allerdings sind diese Triebwerke oftmals viel zu leistungsschwach und werden somit für den Einbau in Segelflugzeugen neu dimensioniert.

Der als Ergebnis einer praktischen Versuchsreihe entwickelte Diffusor einer Turbine, wurde mittels der Scan-Zu-CAD-Softwarelösung, Rapidform®-XOR™ in ein exaktes CAD-Modell überführt, um mittels präziser Ergebnisse ein Modell für weitere strömungstechnische Untersuchungen zu erstellen.

Original Diffuser

Original Diffuser

Hochgenaue Geometrie für die optimale Untersuchung
Das erzeugte 3D-Modell auf Basis des gescannten Diffusors ist ein vollwertiges Abbild des physischen Bauteils. Die erzeugten Flächen liegen mit einer hohen Genauigkeit auf den Scandaten und spiegeln somit das reale Objekt präzise wider. Dieses ist in diesem Fall insofern von hoher Bedeutung, als die Geometrien des Diffusors strömungstechnisch optimiert sind.

“Die Untersuchung des Entwicklungsstandes mit der Möglichkeit späterer Reproduzierbarkeit erforderte eine genaue Kopie des entwickelten Diffusors. Dies ist uns dank der verwendeten Softwarelösung Rapidform® XO Redesign™ optimal gelungen.“
- M&D Flugzeugbau GmbH, Konstruktion und Entwicklung, Frank Arntjen -

Der Diffusor ist ein Alubauteil aus einer Gasturbine, der die Gasströmung verlangsamt und den Gasdruck erhöht. Der Diffusor ist ein Rotationskörper mit einem Durchmesser von 146 mm und einer Höhe von 26 mm, die Messgenauigkeit wird im Ergebnis besser als 0.1 mm erwartet. Die Oberfläche ist glatt, für die Vermessung wird die Oberfläche mit einem Anti-Reflexionsmittel weiß mattiert. Während der Messung ist ein besonderes Interesse auf die saubere Erfassung der Schaufeln zu legen. Das Messergebnis wird als ein Polygonalmodell ausgegeben.

Vom 3D-Scan zu einer CAD-Datei
Der Diffusor wird mit dem Scanner ATOS der Firma GOM vermessen. Das Messsystem besteht aus einer Messkamera ATOS, uncodierten Messmarken und der Auswertesoftware ATOS. Die uncodierten Messmarken sind die Grundlage für die Orientierung der einzelnen Messbilder des ATOS-Scanners. Mit Hilfe von zwei Kameras wird das zu vermessende Objekt aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen, so dass alle relevanten Objektbereiche erfasst sind. Dabei wird eine Punktwolke von der Oberfläche des Diffusors erzeugt. Aus der erzeugten Punktwolke generiert die Software ATOS ein Polygonalmodell.

Polygonalmodell

Polygonalmodell.

Das Polygonalmodell wiederum ist die Grundlage für den folgenden Reverse Engineering Prozess. Hierfür werden mit XOR™ Regionen zusammen hängender Flächenstücke (Patches) erzeugt, aus denen die endgültigen Geometrien und Freiformflächen erstellt werden können. Das CAD-Modell des Diffusor wird somit vollständig über die 3D-Scandaten modelliert.

Erkennen Sie sofort die Vorzüge des 3D-Scans
Für den parametrischen Aufbau des CAD-Modells wird das Polygonalmodell in XOR importiert und mit dem Mesh Buildup Wizard™ optimiert. Eine wesentliche Konstruktionshilfe ist die Ausrichtung des Diffusors über das Zentrum des Zylinders. Die so definierte Rotationsachse liegt mittig in dem Bauteil und rationalisiert den Konstruktionsprozess. Nun wird die Oberfläche des Modells mit der Funktion Region Group in geometrisch zusammenhängende Bereiche, sogenannte Regionen, unterteilt. Um die Freiformoberflächen, auf die es im Besonderen ankommt, hinreichend genau konstruieren zu können, werden die Regionen ihrerseits bearbeitet. Ziel ist es, dass die einzelnen Geometrien der für die Strömung relevanten Freiformoberflächen von jeweils einer einzigen Region bedeckt werden.

Region Group

Region Group

Mit dem Befehl “Append” werden nun einzelne Regionenstücke so zu einer Gesamtregion zusammengefügt, dass deren Aussenkontur die zugrunde gelegte Geometrie abdeckt. Ragen Teile der Geamtregion über die Geometrie hinaus, so werden die überhängenden Teile mit dem Befehl “Split” abgetrennt. Diese abgetrennten Teile können später an die Region der benachbarten Geometrie angehängt werden.

Sind nun die Geometrien mit den entsprechenden Regionen belegt, lassen sich aus diesen Regionen Oberflächen generieren, welche den Verläufen der jeweiligen Geometrien entsprechen. Hierzu nutzt man die Funktion “Mesh Fit”.

MeshFit

MeshFit

Mit Hilfe dieser Funktion lassen sich die erzeugten Oberflächen auch in der Anlagegenauigkeit zur Geomtrie anhand von Erzeugungsparametern variieren, so dass man die spätere Entsprechnung zwischen Scan und Modell während des Konstruktionsprozesses steuern kann. Mit Hilfe des Accuracy Analyzer™ lassen sich die Abweichungen der erzeugten Oberflächen zum Polygonalmodell anhand von Falschfarben jederzeit kontrollieren und gegebenenfalls die Erzeugungsparameter ändern.

MeshFit Surface Accuracy Analyzer

MeshFit Surface Accuracy Analyzer

Mit der Funktion “Trim Surface” werden die Flächen miteinander verschnitten und diejenigen Bereiche gelöscht, welche außerhalb der Geometrien liegen. Als Ergebnis dieser Schritte erhält man die Oberflächen der Freiformgeometrien eines Ausschnitts.

TrimSurface Freiformflächen

TrimSurface Freiformflächen

Da der Diffusor ein rotationssymmetrisches Bauteil ist, können die übrigen Geometrien in Form einer rotatorischen Austragung konstruiert werden. Hier arbeitet man mit einer Skizze als Grundlage. Um ein Rotationssolid zu erstellen, benötigt man den vertikalen Querschnitt des Diffusor als Skizze. Die Funtion, die es erlaubt, den exakten Querschnitt der vertikalen Mittelebene zu skizzieren, heißt “Mesh Sketch”.

Mesh Sketch Querschnitt

Mesh Sketch Querschnitt

Diese liefert Schnittlinien durch die Mittelebene, welche man als Hilfslinien nutzt, um die Skizze des Querschnitts zu erstellen. Es ist hierbei möglich, die Linien der späteren Körperkanten und -flächen parametrisch zu bestimmen, so dass die Konstruktion technisch einwandfrei wird. Mit Hilfe der Rotationsachse liefert nun der Befehl “Revolve” den gesamten Rotationskörper.

Aus diesem Körper müssen nun diejenigen Bereiche ausgeschnitten werden, welche zuvor auf Grundlage der Freiformgeometrien konstruiert worden sind. Da zuvor lediglich ein einziger Ausschnitt kontruiert worden ist, werden die übrigen dadurch erstellt, dass die Oberflächen des ersten Ausschnitts mit dem Befehl “Circular Pattern” um die Rotationsachse in der notwendigen Anzahl vervielfältigt werden. In einem weiteren Schritt werden die rotierten Auschnitte mit dem Befehl “Cut” aus Rotationskörper geschnitten, so dass der Diffusor als Volumenkörper konstruiert ist.

Circular Pattern Freiformflächen

Circular Pattern Freiformflächen

Im letzten Schritt werden die Verrundungen an dem Solid angebracht. Mit der Funktion Fillet™lassen sich die Solid-Kanten entsprechend Ihres Radius kombiniert auswählen und verrunden. Eine spezielle Funktion bietet die Möglichkeit, den Verrundungsradius aus dem Polygonalmodell zu extrahieren, dies ist eine sehr nützliche Vorgehensweise, den richtigen Radius abzuleiten. Eine Tangentenfortsetzung der Verrundung ist in der Funktion ebenfalls enthalten.

Cut Freiformsurface mit Solid Grundkörper

Cut Freiformsurface mit Solid Grundkörper

Rapidform®-XOR™ bietet die Möglichkeit, über das Mesh Fit™ eine CAD-Fläche optimal an die Scan-Daten anzupassen. Dank Accuracy Analyzer™ ist es möglich, innerhalb der benutzerdefinierten Toleranz zu den Messdaten ein funktionales CAD-Model des Diffusors zu konstruieren.
Solid Diffusor

Solid Diffusor

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