3D-CAD-Software Mix aus traditionalem Tonmodell, Flächenrückführung, CAD und Rapid-Prototyping schafft neuen Bediengriff

Geomagic Studios Punktwolkenverarbeitung und 3D Modellierungssoftware hilft ADC bei der Entwicklung eines realen Prototyps für den Force America Hydraulik-Bediengriff in der Hälfte der erwarteten Zeit.

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Viele Unternehmen kennen das Problem, auch Force America: Wie kann ein bestehendes Design verbessert werden, ohne das gewohnte Look and Feel zu verlieren, die der Kunde so an dem Produkt liebt?

Advanced Design Concepts (ADC) hatte die Antwort auf diese Frage. Das Unternehmen kombinierte konventionelle Tonmodellierung mit der Punktwolkenverarbeitung und 3D-Modellierung der Software Geomagic Studio sowie Rapid-Prototyping auf einem 3D-Drucker von Objet. Das Ergebnis war ein vollständiger physischer Prototyp eines neuen Bediengriffs in der Hälfte der geplanten Zeit.

Seit fast 50 Jahren stellt Force America Steuerungs- und Bedienprodukte für mobile Hydrauliksysteme her, die in Nutzfahrzeugen und Agrarmaschinen verbaut werden, zu deren Einsatzgebieten Winterdienst, Holztransport, Bergbau, Ernte und andere Schwerlastarbeiten gehören.

Der von ADC modellierte Bediengriff soll für kommunale Schneepflüge verwendet werden. Er soll drei verschiedene Steuerhebel zum Bedienen der Pflugscharen, drei Schalter zur Salzstreuung sowie die Elektronik für Steuerung und Beleuchtung des Gerätes enthalten.

Kosteneffizientes Produktdesign

Zuverlässigkeit spielt eine vorrangige Rolle bei Designs von Force America, aber die Steuerungen müssen auch ergonomisch sein und auch unterschiedlich großen Händen eine einfache Bedienung bieten.

David Zech ist mechanischer Projektingenieur bei Force America und war der Ansicht, dass ADC der perfekte Ansprechpartner zur Realisierung mehrschichtiger Designziele sei.

„In vorangegangen Projekten hatte ADC bewiesen, dass sie über die entsprechenden Konstruktionskenntnisse verfügen, um letztendlich ein Produktdesign zu liefern, das sowohl baulich stimmig ist als auch kosteneffizient ist“, erklärt David Zech. Ein Vorteil dabei ist auch, dass ADC über sämtliche notwendigen Werkzeuge verfügt, um den Auftrag an einem Ort zu erledigen.

„Da das Design, die Modellierung und die Teileherstellung in derselben ADC-Einrichtung untergebracht sind, können wir die für die Konzeption bis zur Produktion benötigte Zeit reduzieren“, führt Zech weiter aus. „Diese Anordnung verkürzt auch die Zykluszeiten, wenn unvorhergesehene Änderungen bei dem neuen Produktdesign auftreten.“

Werkzeuge zum Sprung nach Vorn

Das Bediengriff-Projekt illustriert das Know-how von ADC in der Anwendung der Punktwolkentechnologie, die dem Benutzer einen effizienten Wechsel zwischen physischer und digitaler Welt ermöglicht. Im Mittelpunkt des Prozesses steht die Software Geomagic Studio, die ADC bereits in Konstruktionsprojekten für unterschiedlichste Produkten eingesetzt hat, vom individuellen Kraftstofftank für Harley-Davidsons bis hin zum Werbezeppelin.

„Geomagic Studio verändert die Art und Weise, wie Sie konstruieren, grundlegend“, sagt Mark Schaefer, Präsident von ADC. „Es bietet Ihnen Werkzeuge, mit denen Sie mit einem schnellen Satz vom physischen Model mit allseits beliebter Form und Funktion beim exakten CAD-Modell für die Produktion sind.”

Force America begann mit dem Projekt, indem es ADC die internen Komponenten gab, die für das neue Design benötigt werden und ein ungefähres Tonmodell der Form. Mithilfe von Pro/Engineer erstellte Schaefer, basierend auf bereits bestehenden Zeichnungen und 3D-Scans, CAD-Modelle der Tasten und Schaltplatinenbereiche. Anschließend fertigte er ein Volumenmodell um die Komponenten herum, um Anhaltspunkte für die Abstände bei der Tonarbeit zu bieten.

Einen Monat Iterationen eingespart

Mit einem Objet 3D-Drucker erstellte ADC einen Rapid-Prototyp (RTP) des Volumenmodells mit Abständen für die internen Komponenten der Steuerung.

So konnte Chris Mulhall, Senior-Ingenieur bei ADC, das RPT-Modell mit Ton ergänzen und gewährleisten, dass der endgültige Versatz (die Wandstärke des Teils) die anderen vorentwickelten internen Komponenten nicht behindert. Durch weiteres Hinzufügen von Ton wurde die gewünschte Form der Steuerung gemäß den ergonomischen und stilistischen Anforderungen von Force America ausgeführt. Der Ton wurde von Hand geändert, bis die Optik und Haptik stimmten.

„Ein Bauteil mit dem richtigen Erscheinungsbild zu schaffen, ist nicht einfach“, erklärt Mark Schaefer. „Mit der Verwendung von Ton als Medium für die Gestaltung der Form konnte ungefähr ein Monat an Iterationsarbeiten in CAD und für physische Prototypen gespart werden.”

Greg Groth, Reverse Engineering Manager bei ADC, erfasste die Geometrie des Tonmodells mithilfe eine GOM ATOS-Weißlichtscanners. Er speicherte die Daten in einer STL-Datei und importierte sie in Geomagic Studio. In Geomagic Studio glättete er Unebenheiten in der Tonoberfläche, flachte die Tastenbereich ab und erstellte Modelle für die Ober- und Unterschale des Bediengriffs sowie einen Notschalter für die Rückseite der Steuerung. Die Modelle gingen wieder zurück an Herrn Schaefer, der dann in Pro/Engineer die Oberflächen und Kurven der Trennlinien erzeugte.

In wenigen Tagen zum betriebs- und installationsbereiter Prototyp

Die Pro/Engineer-Modelle wurden wiederum in Geomagic Studio importiert, wo Greg Groth die Teile an die Anforderungen aus dem Werkzeugbau anpasste. Nach dem Einrichten der Formschrägen erstellte er die Versatzflächen, um die Wandstärke zu erhalten. Geomagic Studio wurde auch zum Gestalten der Oberflächen der endgültigen Teile und Festlegen der internen Geometrie des Versatzes eingesetzt.

Die Oberflächen wurden dann wieder von Geomagic Studio zurück in Pro/Engineer übertragen, um hier die Verstärkungsrippen, Öffnungen und andere Elemente hinzuzufügen. Die fertigen Modelle des Griffs, also Ober- und Unterseite sowie Notschalter, wurden mit dem Objet-System gedruckt und für die endgültige Abnahme zusammengesetzt.

„Sobald das Tonmodell ausgereift war, dauerte es nur noch ein paar Tage, bis aus den Scandaten letztendlich ein betriebs- und installationsbereiter Prototyp samt Schalter und Komponenten geworden war“, sagt Mark Schaefer.

Zusammenarbeit von Flächenrückführung mit Geomagic und CAD

Der schnelle Projektverlauf ist großteils dem wechselnden Austausch zwischen Geomagic Studio und Pro/Engineer während der gesamten Konstruktionsphasen zu verdanken.

„Die Kombination aus Geomagic Studio und Pro/Engineer hat es uns ermöglicht, das Erfassen des Tonmodells, das Prüfen der Schrägen und Verändern der Oberflächengeometrie, um die Steuerung produzierbar zu machen, zu beschleunigen“, erläutert Greg Groth. „Das ist ein perfektes Beispiel für die Zusammenarbeit von Flächenrückführung mit Geomagic und CAD, um in sehr kurzer Zeit in hochwertiges Design zu erzeugen.“

Der für sechs Wochen geplante Auftrag konnte binnen gerade einmal drei Wochen fertiggestellt werden. Während ADC das Griffdesign fertigstellte, konnten die Ingenieure von Force America bereits an anderen Teilen der neuen Systembaugruppe arbeiten. Am Wichtigsten für David Zech war, dass ADC bereits in den frühen Entwicklungsphasen die Designqualität sicherstellen konnte.

„Indem wir ADC den Entwurf und den Bau der Teile und Formen überließen, konnten wir uns deren Wissen aus vorangegangen Projekten zunutze machen und Qualität von Anfang an als festen Bestandteil integrieren“, bestätigt er. „Dank ADC können wir ein Produkt bieten, das gegenüber vorherigen Produkten neu und verbessert ist, jedoch über dieselbe hochwertige Optik und Haptik verfügt, die unsere Kunden von Force America erwarten.“

(hö)

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