Freiformflächen in der rechnerunterstützten Karosseriekonstruktion und im Industriedesign

Grundlagen und Anwendungen

verfasst von: Peter Bonitz

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Das Buch wendet sich an die Spezialisten, Entwickler für CAD-Anwendungen, sowie an Designer, Konstrukteure und Werkzeugbauer aus den Bereichen Automotive, Maschinenbau sowie Luft- und Raumfahrt, die bei ihren Produkten frei geformte Oberflächen gestalten. Es geht über die Beschreibung grundlegender Fähigkeiten zur Bedienung von CAD-Systemen weit hinaus. Dazu werden mathematische Grundlagen gut verständlich vermittelt und deren Einsatz in der Gestaltung, beim Straken der mehrfach gekrümmten Flächen, beschrieben. Der CAD-Entwicklungsprozess von der Idee des Designers bis zum Werkzeug für die Blechumformung im Karosseriebau oder zur Spritzgußform für den Gebrauchsgegenstand benötigt ein solides Verständnis der CAD-Technologien, insbesondere bei komplexen Geometrien. Die Kenntnis der Zusammenhänge erst ermöglicht qualitativ hochwertige Konstruktionen und Endprodukte unter Ausnutzung aller Möglichkeiten der CAD-Systeme.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Von 2D-Zeichnungen zum CA-Design-Modell

Frontmatter

1. Designkontext

Zusammenfassung

Um für den Designmodellbau aus perspektivischen Zeichnungen Geometrieelemente entnehmen zu können, muss eine ausreichende Qualität der manuellen Skizze vorhanden sein oder der Computer soll helfen, diese Qualität zu erreichen. Einerseits benötigt der CAD-Anwender dafür Wissen aus der Darstellenden Geometrie und anderseits sollen die Computerprogramme Fehler in der Handskizze aufzeigen und Korrekturmöglichkeiten anbieten. Sind die Voraussetzungen für ein Exzerpieren von Formcharakter bestimmenden Hauptschnitten gegeben, dann soll der Computer auch dafür Hilfen anbieten. Der Weg dazu über Methoden der Photogrammetrie mit Unterstützung durch Methoden der Projektiven Geometrie wird anhand eines Beispieles gewiesen.

2. Geometrische Grundlagen

Zusammenfassung

Ausgehend von den Grundlagen der Zentralperspektive wird die Anwendung im Fahrzeugbau erklärt. Die Zusammenhänge und Begriffe werden für die Ableitung der inneren und äußeren Orientierung aus Designskizzen benötigt. Diese Orientierungsdaten benutzen wir, um mit Mitteln der Projektiven Geometrie Konturen (Hauptschnitte) manuell zu entzerren. Wir diskutieren dazu das Fluchtpunktverfahren, die Verfahren auf Basis der Invarianz des Doppelverhältnisses, die Perspektive Kollineation und die Projektiven Netze. Vom manuellen Weg wird danach zum CAD-Weg übergeleitet.

3. Beispiel eines Rohlingsaufbaus aus Designskizzen

Zusammenfassung

Bei den folgenden Aufbauschritten zum Designrohling (auf Basis der Urdaten aus [1]) werden

– die Class A – Regeln noch nicht vollständig beachtet. Dies wird erst später an anderen geeigneten Strakbeispielen geschehen. Zu Grundregeln s. Abschn. 4.3.2, ab S. 130 und zu Anwendungen Abschn. 6, ab S. 153.

– CAD-Begriffe zu Kurven und Flächen (Bézier und B-Spline) vorgreifend schon benutzt, obwohl die theoretischen Grundlagen dazu erst im Abschn. 4.2 behandelt werden. Dies wird absichtlich in Kauf genommen, um das einführende Beispiel nicht zu überfrachten. Als Hilfe sei hier nur erklärt, dass die Ordnung einer Bézierkurve gleich der Anzahl der Kontrollpunkte ist und die Kontrollpunkte als Steuerpunkte für die Kurve selbst dienen, s. Abschn. 4.2.1. Analog gilt dies für Bézierpatches, nur eben in zwei Richtungen. Mehrere Bézierpatches bilden einen Bézierpatchverband, kurz eine Bézierfläche. Bei B-Spline-Kurven und -Flächen ist es bezüglich Ordnung und Wirkung der Steuerpunkte komplizierter, deshalb müssen wir auf den Abschn. 4.2.2 verweisen.

Beginnend mit einem leeren Bildschirm wird auf Grundlage von Designzeichnungen mittels CAD Schritt für Schritt ein Rohlingskörper für ein Designmodell eines kompakten Kleinwagens aufgebaut. Die Designzeichnungen stammen aus der (unter diesem Traditionsnamen) bekannten Wagenbauschule Hamburg. Es werden dabei grundsätzliche CAD-Möglichkeiten aufgezeigt, wie aus 2D-Hintergrund-Pixelbildern 3D-Formen geschaffen werden können.

CAD-Flächenmodellierungstechniken

Frontmatter

4. Grundlagen und Übersichten zu CAD-Flächenmodellierungstechniken

Zusammenfassung

Anfangs wird die Stellung der Freiformflächen in der Prozesskette Karosseriebau kurz beleuchtet. Um die CAD-Werkzeuge für diese Flächen zweckentsprechend einsetzen zu können, wird das notwendige Minimum an theoretischem Grundwissen zu Kurven und Flächen (basierend auf [14] und [15]) vermittelt. Die Vor- und Nachteile der mathematischen Ansätze (Bézier und B-Spline) werden gegenübergestellt, damit der CAD-Nutzer je nach Anwendungsgebiet selbst den richtigen Ansatz auswählen kann. Für tiefere Studien wird auf die entsprechende mathematische Literatur verwiesen. Weitere Unterabschnitte behandeln die Oberflächenklassifizierung, – gebräuchlicherweise mit Classes A, B und C englisch bezeichnet – und bewährte Regeln und Empfehlungen zum so genannten Straken im Falle von Class A-Flächen. An einem Beispiel wird aufzeigt, wie man importierte B-Spline-Geometrien erforderlichenfalls (zwecks Qualitätsverbesserung) durch stückweise Konvertierung in zusammengesetzte Béziergeometrien verwandeln kann.

5. CAD-Werkzeuge und -Methoden zur Oberflächenmodellierung

Zusammenfassung

Klassische Verfahren der manuellen Austragung einer Karosserie werden hier nicht behandelt, s. dazu z.B. [1] und [2]. Es geht in unserem Kapitel rein um die rechnergestützte Entwicklung einer Karosserieoberfläche, wie sie sich in den letzten zwei Jahrzehnten unter CAD-Einfluss in der Industrie durchgesetzt hat. Bevor aber ein Praxisbeispiel im Kap. 6 vorgestellt wird, soll hier noch etwas über allgemeine Inputdaten, Hilfsmittel und Verfahren sowie Resultate im CAD-Prozess mitgeteilt werden.

6. Ablauf der Konstruktion eines Karosseriekörpers

Zusammenfassung

An der Karosserieaußenhaut kann man Teile der gesamten Oberfläche zu Gruppen zusammenfassen, die sich sinnvollerweise als Teilkomplexe separat und parallel zueinander bearbeiten lassen:

1. Seitenflächen mit Radlauf und Anformung zu den Seitenflächen

2. Alle Flächen der oberen Fahrgastzelle (Greenhouse)

3. Alle mittensymmetrischen Frontflächen wie Frontklappe und Front-Stoßfänger

4. Alle mittensymmetrischen Heckflächen wie Heckklappe und Heck-Stoßfänger.

Hinweise:

Die Seitenflächen schließen Schweller- und Brüstungsflächen ein. Die obere Fahrgastzelle umfasst alle mittensymmetrischen Flächen wie Dach, Windschutzscheibe und Heckscheibe. Dazu gehören auch die Seitenscheiben, die Scheibenöffnungslinie (SOEL) und die Türöffnungslinie (TOEL). Ebenso ist der Übergangsbereich zur Brüstung mit Anschluss an die Seitenwand zu beachten.

Im Rahmen dieser Einführung soll hier nur die Konstruktion bzw. das Straken der Seitenflächen behandelt werden. Der Strakvorgang läuft bei den anderen Oberflächengruppen ähnlich ab. Dort, wo mittensymmetrische Flächen verwendet werden, sind jedoch Besonderheiten zu beachten, s. Abschn. 5.1.3, S. 140 und Anhang L.6, S. 293.

7. Glossar

Zusammenfassung

Das alphabetisch geordnete Glossar zum schnellen Nachschlagen von Fachbegriffen beschränkt sich (entsprechend der Hauptorientierung des Buches) auf die Oberflächenmodellierung in der Karosseriekonstruktion. Dabei werden solche Oberbegriffe wie z. B. CAD – Computer Aided Design (Rechnerunterstützte Konstruktion) als bekannt vorausgesetzt, was auch für Begriffe aus der PC-Welt gilt.

Der vielleicht nicht so bekannte Begriff CAS bedeutet Computer Aided Styling.

Mathematische und geometrische Fachbegriffe werden hier nicht nochmals einbezogen, da oftmals Zeichnungen dazu notwendig wären. Über das Sachwortverzeichnis findet man jedoch die entsprechenden bebilderten Erklärungen.

Die nun folgenden Begriffe sind immer im Zusammenhang mit dem CAD-System zu sehen.

Backmatter

Titel: Freiformflächen in der rechnerunterstützten Karosseriekonstruktion und im Industriedesign
verfasst von: Peter Bonitz
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-540-79440-0
Print ISBN: 978-3-540-79439-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-79440-0