Forschungsprojekte bei TECOSIM: Lückenschluss durch STL-Konverter

In den meisten Bereichen der Automobilentwicklung setzen Unternehmen auf den Einsatz virtueller Verfahren und Simulationen. Anders bei der Qualitätssicherung und Fertigungskontrolle: Hier werden die Analysen noch fast ausschließlich anhand von realen Produkten durchgeführt. Dabei kann ein virtuelles Verfahren den Zeitaufwand und die Kosten deutlich senken und die Ergebnisse verbessen. TECOSIM Technische Simulation hat gemeinsam mit der Hochschule RheinMain einen STL-Konverter entwickelt. Mit diesem Lückenschluss ist der Weg frei für eine effiziente virtuelle Qualitätskontrolle.

Bisherige Ansätze für die virtuelle Qualitätssicherung

Für eine virtuelle Qualitätssicherung mit Hilfe von Finite Element-Modelle gab es bisher nur Ansätze: In der Fertigungskontrolle wurden zunächst real produzierte Karosserieteile im Reverse Engineering-Verfahren eingescannt. Die mit dem Oberflächen-Scanner gewonnenen Daten sind so genannte "STL-Netze" (STL – Standard Triangulation Language), aus sehr feinen Punktwolken formatierte Dreiecksflächen. Sie taugen für sich genommen nur zur Visualisierung, bilden aber die Basis für die weitere Verarbeitung.

An dieser Stelle bestand eine Lücke in der Prozesskette der Datenkonvertierung: Aus den Verdichtungen der Punktwolke ließen sich Krümmungen bisher nur durch einen fachmännischen, manuellen Eingriff identifiziert und Geometrielinien ableiten. Das heißt, die Verarbeitung der STL-Netze zu CAD-Flächendaten und weiter zu Finite-Element-Modelle erfolgte weitgehend manuell. Der Zeitaufwand lag je nach Prüfungsgegenstand bei bis zu sechs Wochen und war damit wirtschaftlich nicht effizient. Zudem bildete die manuelle Datenkonvertierung eine Fehlerquelle.

Zusammenarbeit mit der Hochschule RheinMain

Ende 2008 begann TECOSIM Technische Simulation gemeinsam mit der Hochschule RheinMain mit der Entwicklung eines Programms, das die Konvertierung von STL-Daten weitgehend automatisieren sollte. Das Vorhaben mit dem Arbeitstitel "Direktkonvertierung von Punktwolken aus Scan-Daten in Finite Element Modelle" wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Forschungsprojekt gefördert.

"Unser Schwerpunkt als CAE-Entwicklungspartners liegt eigentlich auf den Bereichen CFD, Crash, Safety, Statik & Dynamik und Virtual Benchmarking", erklärt Udo Jankowski, Geschäftsführer der TECOSIM Technische Simulation GmbH. Die Entwicklung eigener Software-Programme ist ein erfolgreiches Nebenprodukt und unterstützen die eigene Arbeit: Das Programm TEC|ODM generiert zum Beispiel aus CAD-Konstruktionsdaten automatisch FE-Berechnungsmodelle. Daran konnte nun angeknüpft werden.

Schritt für Schritt: Von der Punktwolke zur berechenbaren Oberfläche

Bei der Entwicklung des STL-Konverter standen die Projektpartner TECOSIM und die Hochschule RheinMain vor verschiedenen Herausforderungen: Die STL-Punktwolke enthält eine enorme Datenmenge, die auf die relevanten Oberflächen-Daten reduziert werden musste. Dabei durften keine Geometrieinformationen verloren gehen oder Fehlinterpretationen stattfinden. Zudem konnten bisher keine so genannte Features, Begrenzungslinien einzelner CAD-Flächen, erkannt werden, die zur Erzeugung eines FE-Modells erforderlich sind.

In einem Zeitraum von 2 Jahren entwickelte das Projektteam von TECOSIM und Hochschule RheinMain in enger Abstimmung Datenstrukturen, eine C++Bibliothek sowie verschiedene Algorithmen. 2010 wurden die einzelnen Algorithmen in das bestehende Programm TEC|ODM implementiert und hintereinander geschaltet: Gemeinsam bilden sie den STL-Konverter STL-TEC|ODM, der als Ausgabedaten ein Finite-Elemente-Netz liefert.

Virtuelle Qualitätssicherung als Erfolgsfaktor

Mit dem STL-Konverter wird die Lücke in der Prozesskette der Datenkonvertierung von STL- zu FEM-Daten geschlossen. TECOSIM kann Automobilhersteller mit dem neuen Konverter STL-TEC|ODM nun optimal in der Qualitätssicherung unterstützen: Die Erstellung eines FE-Modells dauert nun nur noch halb so lange wie zuvor. Die ersten real produzierten Muster eines Produkts können mit dem im Rechner ausgelegten Modell direkt verglichen werden. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise die Einhaltung von Toleranzen bei Bauteilen zu überprüfen.

Aufgabe: Erkennung von Überstand

Beim Scannen wird oft der Übergang von der Ober- zur Unterseite eines Bauteils mit abgebildet. Diese Überstände müssen erkannt und bei der späteren Berechnung berücksichtigt werden. Ebenso müssen Bauteil- und Lochränder, die im STL-Datensatz stark gezackt erscheinen, geglättet werden.

Diese automatische Erkennung von unscharfen Bauteilrändern und Löchern bzw. Lochrändern in Bauteilen hilft, die Einhaltung von Toleranzen zu überprüfen sowie Abweichungen von Standardformen zu erfassen.

Neben den STL-Daten von Blech- und Gussbauteilen kann der Konverter auch STL-Daten von Kunststoffteilen in FEM-Modelle umwandeln. Mit der automatischen Erkennung unscharfer Bauteilränder und von Löchern sowie deren Glättung lassen sich nun auch Bohrungen und deren Standardform beziehungsweise Abweichungen davon erfassen. Auf dieser Datenbasis lassen sich Fertigungsprozesse deutlich optimieren.

Aufgabe: Glättung von Oberflächen
Die Glättung von Oberflächen ermöglicht später eine bessere Überprüfung und Vergleich mit dem realen Bauteil.
Links: Eine Kunststoff-Komponente mit rauer Oberfläche auf Basis der STL-Daten, rechts geglättet nach Einsatz des STL-Konverters.
Wie die automatische Erkennung von unscharfen Bauteilrändern und Löchern bzw. Lochrändern in Bauteilen hilft die Glättung von Oberflächen, die Einhaltung von Toleranzen zu überprüfen sowie Abweichungen von Standardformen zu erfassen.

 

"Wir sind stolz darauf, dass wir gemeinsam mit der Hochschule RheinMain die Basis für einen wirtschaftlichen Durchbruch der virtuellen Qualitätssicherung mit Hilfe von Finite Elemente Modellen geschaffen haben", erklärt Udo Jankowski. Neben der Qualitätssicherung erhält auch das Thema virtuelles Benchmarking, der Produktvergleich von rein virtuellen Produkten, mit dem STL-Konverter wichtige neue Impulse im Entwicklungsprozess