Ziel der Entwicklung

Logo: 3D-Scan einer Autofelge mit adaptiver Volumenvernetzung in der Clipping-Ansicht
3D-Scan einer Autofelge mit adaptiver Volumenvernetzung in der Clipping-Ansicht

Strukturdynamische Simulationen spielen in der Automobil-, Luftfahrt-, Verteidigungs- und Raumfahrtindustrie eine wichtige Rolle, da sie die Bewertung von Bauteilen und Systemen ohne physische Prototypen ermöglichen. Grundlage jeder solchen Simulation ist ein hochwertiges digitales Modell des Bauteils. Liegt dieses nicht als CAD-Modell vor, muss es aus 3D-Scandaten rekonstruiert werden.
Genau an dieser Stelle bestand ein klar identifizierter Bedarf: Bestehende Softwarelösungen am Markt wiesen erhebliche Defizite in der durchgängigen, automatisierten Verarbeitung von 3D-Scandaten auf. Sie decken in der Regel nur Teilbereiche der Prozesskette ab und gehen von kompatiblen Eingangsdaten aus. Bei Fehlschlägen in der Rekonstruktion oder Vernetzung geben sie dem Anwender meist nur allgemeine Fehlermeldungen aus, ohne Rückschlüsse auf die tatsächliche Ursache zu ermöglichen. Eine ganzheitliche Lösung, die den gesamten Prozess vom 3D-Scan bis zur Finite-Elemente-Simulation mit hohem Automatisierungsgrad und gezielter Nutzerführung abdeckt, war am Markt nicht verfügbar.
Aus Gesprächen mit Entwicklern und Anwendern der bestehenden Simulationssoftware WaveSim wurden praxisnahe Anwendungsfälle und konkrete Anforderungen abgeleitet. Ziel des Vorhabens war daher die Entwicklung eines Softwaremoduls zur automatisierten Aufbereitung von 3D-Scandaten für strukturdynamische Simulationen. Im Mittelpunkt stand die robuste Umwandlung von 3D-Scandaten in geschlossene polygonale Oberflächen- und Volumenmodelle, auch bei unterschiedlicher Qualität und Dichte der Eingangsdaten. Als Bestandteil von WaveSim sollte das Modul eine geschlossene digitale Prozesskette vom 3D-Scan bis zur Finite-Elemente-Simulation ermöglichen. Weitere Ziele waren die Implementierung eines Fehler- und Informationsprotokolls zur Nutzerführung sowie die Verkürzung der Aufbereitungszeit bei gleichzeitig verbesserter Simulationsqualität.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurde eine geschlossene digitale Prozesskette vom 3D-Scan bis zur Finite-Elemente-Simulation konzipiert und softwaretechnisch umgesetzt. Sie führt den Anwender in klar definierten Schritten von der Rohdatenerfassung über die Vorverarbeitung, die Rekonstruktion einer geschlossenen Bauteiloberfläche und deren Volumenvernetzung bis zur Übergabe an die Simulationsumgebung.
Als repräsentative Testbauteile dienten eine Autofelge, zwei Bremsscheiben sowie ein orthopädisches Korsett, ergänzt durch CAD-Modelle und synthetisch erzeugte Punktwolken. Damit wurde sichergestellt, dass die entwickelten Verfahren an realitätsnahen und vielseitigen Datensätzen erprobt und validiert werden konnten.
Für die Oberflächenrekonstruktion kommt ein erweiterter 3D-Poisson-Algorithmus zum Einsatz. Dieser erwies sich gegenüber konkurrierenden Verfahren wie Ball-Pivoting, Delaunay-Triangulation und Alpha Shapes als robustestes Verfahren. Er überzeugt insbesondere durch seine Stabilität gegenüber unvollständigen und verrauschten Eingangsdaten sowie durch einen hohen Automatisierungsgrad bei einfacher Parametrierung. Der Algorithmus wurde um ein kantenerhaltendes, adaptives Remeshing sowie eine schwellenwertbasierte Steuerung des Lochschließverhaltens erweitert, um zwischen scanverfahrensbedingten Fehlstellen und tatsächlichen Bauteilmerkmalen wie konstruktiven Aussparungen unterscheiden zu können.
Die Volumenvernetzung erfolgt auf Basis von TetGen und liefert adaptive Tetraedernetze mit feiner Auflösung in oberflächennahen Bereichen und gröberer Auflösung im Inneren. Dieses Verhalten ist aus simulationstechnischer Sicht besonders vorteilhaft, da es Rechenaufwand und Simulationsgenauigkeit optimal ausbalanciert.
Eine zentrale Eigenentwicklung ist das Fehler- und Informationsprotokoll im JSON-Format. Es dokumentiert alle Verarbeitungsschritte, verwendeten Parameter und aufgetretenen Ereignisse als digitale Bauteilakte und stellt diese dem Anwender strukturiert und visuell aufbereitet zur Verfügung. Damit erhält der Anwender bei Problemen nicht nur eine allgemeine Fehlermeldung, sondern eine nachvollziehbare Ursachenanalyse mit konkreten Hinweisen zur Behebung.
Die grafische Benutzeroberfläche wurde plattformunabhängig als Electron-Desktop-Applikation auf Basis von Vite.js, React, Material UI und Three.js umgesetzt und ermöglicht eine intuitive, interaktive Darstellung und Manipulation der 3D-Modelle. Die Algorithmen sind über pybind11 und WebAssembly flexibel in unterschiedliche Anwendungsumgebungen integrierbar. Die Architektur gliedert sich in eine Bibliotheks, eine Interface und eine Anwendungsschicht und ermöglicht damit den Einsatz in verschiedenen Softwareumgebungen wie FinalSurface, WaveSim sowie zukünftigen SaaS-Lösungen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielgruppe der entwickelten Lösung sind Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die strukturdynamische Simulationen einsetzen, insbesondere in der Automobil-, Luftfahrt-, Verteidigungs- und Raumfahrtindustrie sowie im allgemeinen Maschinenbau. Anwender profitieren von einer durchgängigen, weitgehend automatisierten Aufbereitung von 3D-Scandaten für strukturdynamische Simulationen. Der transparente Prozess mit gezielter Nutzerführung über das Fehler- und Informationsprotokoll reduziert den Bedarf an Expertenwissen für die Datenaufbereitung.
Der Transfer der Forschungsergebnisse ist primär über das bestehende Softwareprodukt WaveSim vorgesehen, in das das entwickelte Modul integriert wurde. Damit lassen sich die etablierte Kundenbasis und die vorhandenen Vertriebsstrukturen nutzen. Darüber hinaus kann das Modul als eigenständige Lösung zur Aufbereitung von 3D-Scandaten angeboten werden. Ergänzend ist eine Bereitstellung als serverbasierte Software-as-a-Service-Lösung denkbar.
Der Vertrieb erfolgt in Zusammenarbeit mit der Tochterfirma gfai tech GmbH, die über ein internationales Vertriebsnetz mit Distributoren in Europa, Asien, den USA und Südamerika verfügt. Begleitende Dienstleistungen wie Integrationsunterstützung sowie individuelle Anpassungen und Erweiterungen ergänzen die Vermarktung.
Da die entwickelten Algorithmen nicht ausschließlich auf strukturdynamische Anwendungen beschränkt sind, eröffnen sich weitere Anwendungsfelder wie die additive Fertigung sowie das Umfeld der Signalverarbeitung im Zusammenspiel mit der bestehenden Software WaveCam.
Als Anwendungsbeispiele wurden im Projekt eine Autofelge, zwei Bremsscheiben sowie ein orthopädisches Korsett zur Behandlung von Skoliose-Patienten erfolgreich verarbeitet. Diese Bauteile stehen exemplarisch für typische industrielle Anwendungsfälle in der Automobil- und Maschinenbaubranche und decken zusammen mit dem Korsett als organischer Freiformgeometrie ein breites Spektrum an geometrischer Komplexität ab.