3-D Konstruktion von massiven Werkstücken
Aus Open-Naturstein
3D-CAD Konstruktionen bei der Ausführung von massiven Werkstücken
Dr. Richard Stein
Die technische Bearbeitung und die Erstellung der für die Fertigung erforderlichen Schablonen gehören zu der hohen Kunst der Steinbautechnik. In ihr wurden ganze Generationen von Steintechnikern in einer Vielzahl von Stunden an den Fachschulen ausgebildet. Um zu verdeutlichen, welche Entwicklungen im Bereich der CADKonstruktion stattgefunden haben, soll am Beispiel der nachfolgend dargestellten Fensterrahmung die Konstruktionsweise mit Hilfe der Volumenmodellierung in AutoCAD ® aufgezeigt werden. Der Schwierigkeitsgrad wurde so gewählt, dass an 4 Werksteinen mit unterschiedlichen Schwierigkeitsgraden die Konstruktionsmöglichkeiten aufgezeigt werden.
Bei der klassischen Konstruktionsweise mit Hilfe des Zeichenbrettes wird zuerst die zweidimensionale Darstellung der Ansichten konstruiert und zur besseren Anschauung des Werkstückes eine Isometrie erstellt. Mit Hilfe der Volumenmodellierung wird dies Konstruktionsweise umgekehrt. Aus der 3-dimensionalen Darstellung werden die zweidimensionalen Ansichten abgeleitet
Für die Erstellung komplexer Werksteingeometrien bietet das CAD-System Volumenkörpergrundformen an.
Für die Erstellung komplexer Werksteingeometrien bietet das CAD-System Volumenkörpergrundformen an.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, komplexe Körper durch Extrudieren eines Polylinienzuges entlang einer Konstruktionslinie zu erstellen.
Die aufgezeigten Beispiele zur Volumenerzeugung zeigen schon die Problematik für die Konstruktion mit der Volumenmodellierung auf. Der CAD-Anwender muss wissen, mit welchen Volumina der Werkstein erstellt werden kann. Dies bedarf der Erfahrung und bedingt eine anderen Vorgehensweise wie beispielsweise mit Hilfe der 3-Tafel- Projektion. Weiterhin können Volumina zu neuen Körpern addiert werden z.B. bei einer Fensterbank mit Gewändeaufstand oder von einander subtrahiert werden wie beispielsweise eine Nut durch Subtrahieren eines Quaders.
Die Extrusion als Konstruktionsprinzip ist für den Naturwerksteinbereich die häufigste Konstruktionsart. So werden zur Erstellung der Volumina die Pfade (Konstruktionslinien wie Achsen oder Außenkanten) und geschlossene Polylinienzüge (Profile) benötigt.
Zuerst werden von der Fensterrahmung die Außenkanten (Bild 7) gezeichnet. Sie dienen lediglich dazu die Fugen festzulegen. Aus den vorhandenen Außenkanten werden die gewählt, die als Extrusionspfade (Bild 8) geeignet sind. Die Kanten wurden im Fugenbereich bereits unterbrochen, so dass die Pfade für die vier erforderlichen Steine vorhanden sind.
Der Werkstein 1 ist relativ einfach zu konstruieren, da lediglich das Profil entlang des Bogens zu extrudieren ist. Das Profil muss rechtwinklig zum Bogen angeordnet sein. Der Bediener des CAD-Systems muss mit Koordinatensystemen gut vertraut sein, um sie nach Bedarf zum Einfügen von Profilen im Raum ausrichten zu können.
Der Werkstein 2 ist von der Grundform relativ einfach. Er setzt sich zusammen aus 2 Profilen, die ineinander laufen. Der zusätzliche Schwierigkeitsgrad bildet der schräge Todlauf.
Der durch Extrusion erzeugte Quader muss in Richtung der schrägen Todlauffläche gekappt werden. Hierzu wird das Koordinatensystem so gedreht, dass die x- und die y-Achse und Ursprung des Koordinatensystems sich in dieser Fläche befinden. Nach dem Kappen kann der überflüssige obere Teile des Quaders gelöscht werden.
Anschließend wird das Profil extrudiert. Dieses Profilstück wird mit dem gekappten Rest des Quaders zum endgültigen Werkstück addiert
Die Fensterbank setzt sich aus vier Volumina zusammen. Die Gewändeaufstände erben sich aus zwei Quadern, die mit der Vereinigung der Fensterbank entstehen.
Die Konstruktion der Fensterbank mit den Wiederkehren links und rechts muss in zwei Teilschritten erfolgen. Hierzu wird das Profil in zwei Teilprofile aufgeteilt werden:
Somit besteht das Profil aus einem Teil, der nur geradlinig extrudiert werden muss, und aus einem zweiten Profilteil, der einen Körper mit zwei äußeren Wiederkehren erzeugt. Zur Extrusion ist eine Polinie erforderlich, die der Außenabwicklung (Bild 14) des Profils entspricht.
Der Werkstein 4 enthält den höchsten Schwierigkeitsgrad aller Werksteine. Die Fensterrahmung wurde bewusst mit diesem Stein gewählt, da die klassische Konstruktionsweise in der Fachliteratur (Bild 12) ausführlich dokumentiert ist. Eine 3- dimensionale Darstellung in Form einer Isometrie wird man erst gar nicht angehen, da der Aufwand im Vergleich zum Nutzen zu groß ist.
Im Gegensatz dazu wird im CAD von der 3-dimensionalen Darstellung ausgegangen, Die Vergatterung der Durchdringungsflächen, die bei der 2-dimensonalen Konstruktion (Bild 16) einen erheblichen Aufwand bedeuten, hat bei der CADKonstruktion keine Bedeutung. Sie ist des Ergebnis der Vereinigung zweier Volumina.
Am Beispiel des Werksteines 4 wird die unterschiedliche Vorgehensweise sehr deutlich. Zur Volumenmodellierung werden 3 Volumina (Bild 8.19) benötigt, die sich durch das Extrudieren von 3 Profilen (Bild 8.18) an 3 Pfaden ergeben. Zwei Volumina werden vereinigt und ein 3. Volumen wird abgezogen.
Aus der Vereinigung des Bogenstückes mit dem Profil des Seitengewändes ergibt sich der Körper, bei dem bereits die Schnittkante der Flächendurchdringung zu erkennen ist.
Das überstehende Bogenstück wird mit der Funktion Kappen entfernt.
Das über den Bogen hinausragende Seitengewände wird durch ein eigens dafür erzeugtes Volumen subtrahiert. Übrig bleibt der Werkstein 4.
Es stellt sich die Überlegung, warum den diese Überstände sein müssen, deren Beseitigung einen nicht unerheblichen Aufwand bedeuten. Würde man ohne diese Überstände arbeiten und nur bis zur Außenecke (Bild 23) hin extrudieren, so würde der entstandene Werkstein (Bild 24) an zwei Stellen fehlerhaft sein.
Durch Spiegelung der Werksteine 2 und 4 an der Spiegelachse von Mittelpunkt Bogen zu Mittelpunkt Fensterbank erhält man die komplette Fensterrahmung.
Liegt die Fensterrahmung als 3D-Modell vor, so können aus dem Modell für den Steinmetzen erforderliche Ansichten und Schnitte abgeleitet werden. Legt man beispielsweise das Koordinatensystem mit dem Ursprung in die Kehle des nachfolgend dargestellten Ecksteins (Bild 26) , so kann man mit der AutoCADFunktion Querschnitt die Schablone in der X-Y-Ebene erzeugen und anschließen als Polylinienzug (Bild 27) für die Ausgabe der 1:1 Schablone verwenden.
Dreht man den Werkstein in die Lage, wie er beispielsweise auf dem Tisch einer CNC-gesteuerten Maschine zu liegen kommt, so kann man durch das Erzeugen mehrerer Schnitte die Bahndaten für die Fräswerkzeuge der Maschine auch für komplexe Werksteine einfacher ermitteln. Hierzu verschiebt man den Ursprung des Koordinatensystems auf den Werkstück-Nullpunkt. Anschließend kann man im CADSystem jede Koordinaten entlang der Profilschnitte mit dem Befehl ID abfragen und alle Koordinaten beziehen sich auf dem Werkstück-Nullpunkt. Mit dem Befehl SOLPROF können aus den 3D-Modellen zweidimensionale Zeichnungen abgeleitet werden. Wird dieser Befehl im Papierbereich von AutoCAD angewendet so erzeugt das CAD-System von der jeweils aktuellen Ansicht ein 2DModell in Form von Linien. Dieses erstellte Modell wird auf zwei Layer aufgeteilt. Der erste Layer enthält die sichtbaren und der zweite die unsichtbaren Kanten. Ordnet man dem Layer mit den unsichtbaren Kanten den Linientyp verdeckt zu, so kann man die Fensterrahmung herkömmlich (Bild 28) darstellen. Der gleiche Befehl ermöglicht es von jedem Werkstein alle erforderlichen Ansichtsschablonen (Bild 29) abzuleiten und im Maßstab 1:1 zu plotten. Folglich ist die 2DDarstellung ein „Abfallprodukt“ der 3D-Konstruktion, die automatisch die Schnittkanten der Flächen erzeugt und alle unsichtbaren Kanten erkennt.
Das CAD-System ermöglicht dem Nutzer mit dem Befehl Kamera eine beliebige Blickrichtung festzulegen. So kann man den Punkt, aus dem man das Objekt betrachten will, festlegen und den zu betrachtenden Punkt, den Zielpunkt, eingeben.
Damit der Werkstein ein realistisches Aussehen erhält, kann man dem 3D-Modell Materialstrukturen, z.B. Sandstein (Bild 31) oder Basaltlava (Bild 32), zuordnen. Materialstrukturen erhält man, in dem man Natursteinflächen mit einer Digitalkamera fotografiert. Diese digitalen Materialbilder bezeichnet man auch als Texturen. Texturen sind 2D-Bilder in einem von mehreren Dateiformaten, unter anderem BMP, TGA, TIFF, PCX und JPEG.
Durch verschiedenartige Lichtquellen kann man eine realistische Beleuchtung simulieren. AutoCAD unterscheidet folgende Lichtquellen:
Bei dem Beispiel wurde Parallellicht verwendet verwendet. Diese Art der Lichtquelle entspricht dem Sonnenlicht. Der CAD-Anwender kann den Lichteinfallswinkel selbst festlegen oder durch Eingabe von Datum und Uhrzeit einen bestimmten Sonnenstand berechnen lassen.
Da oben aufgezeigt Beispiel der Fensterrahmung zeigt die Vorzüge der 3DKonstruktion auf. In der herkömmlichen Konstruktionsweise werden zuerst die 3 Ansichten konstruiert und hieraus falls erforderlich eine Isometrie angefertigt. Die Vergatterung von 3D-Flächen bedingen je nach Schwierigkeitsgrad des Werkstückes einen erheblichen Konstruktionsaufwand. Dagegen wird im CAD mit 3D-Körpern das Werkstück modelliert. Die Vergatterung der Flächen ist das Ergebnis eines Rechenvorganges und alle erforderlichen 2D-Darstellungen für die Produktion werden aus dem 3D-Werkstein abgeleitet.
Literatur [1] Dietmar Rudolph AutoCAD 2004 SYBEX-Verlag GmbH, Köln [2] Detlef Ridder AutoCAD 2004 mitp-Verlag, Bonn [3] Richard Stein Präzise Krümmung STONEPLUS 5/2003, Seite 80 – 81 [4] Richard Stein Maschinelle Vorfertigung minimiert Handarbeit Naturstein 1/2003, Seite 44 – 45 [5] Richard Stein Steinmetzgerechte 3D-Konstruktion Naturstein 2/2002, Seite 68 – 69 [6] Richard Stein CAD-Einsatz verbessert Steinmetzausbildung Stein 1/2002, Seite , Seite 8 –9 [7] Richard Stein Der virtuelle Naturwerkstein STONEPLUS 5/2001, Seite 18 –20 [8] Frieder Bernhard Technisches Zeichnen [6] Richard Stein CAD-Einsatz verbessert Steinmetzausbildung Stein 1/2002, Seite , Seite 8 –9 [7] Richard Stein Der virtuelle Naturwerkstein STONEPLUS 5/2001, Seite 18 –20 [8] Frieder Bernhard Technisches Zeichnen für Steinmetze Verlag Georg D. W. Callwey, München 1984
--Benutzer:Dr. Richard Stein 10:36, 31. Dez. 2008 (CET)
