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Ausgewählte Ausgabe: 04-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Skin Model Shapes: ein neuer Ansatz zur Toleranzsimulation auf Basis von Punktwolken und Oberflächennetzen

3 Das Konzept der Skin Model Shapes und der zugehörige Toleranzanalyseansatz

Motiviert durch die dargelegten Schwächen etablierter Toleranzanalyseverfahren wurde in den letzten Jahren das Konzept der Skin Model Shapes als neuartiger Ansatz zur Modellierung geometrischer Abweichungen und zur Simulation deren Auswirkungen auf kritische Baugruppenmaße entwickelt [6, 7].

3.1 Konzeptionelle Grundlagen, Repräsentation und Visualisierung

Die konzeptionellen Grundlagen dieser Skin Model Shapes bildet das sog. nicht-ideale Oberflächenmodell (engl. Skin Model), das als Modell der physikalischen Trennfläche zwischen einem Bauteil und seiner Umgebung definiert ist und ein Grundkonzept der ISO GPS-Standards darstellt [8]. Aufbauend auf diesem Oberflächenmodell ist jede geometrische Spezifikation (Toleranz) als eine Bedingung an ein oder mehrere geometrische Merkmale definiert, die wiederum durch Operationen vom Oberflächenmodell erzeugt werden [8, 9].
Skin Model Shapes sind nun konkrete Ausprägungen dieses nicht-idealen Oberflächenmodells und beinhalten alle Bauteilabweichungen, die etwa durch Fertigungs- und Montageprozesse sowie durch Verformungen und Verschleiß im Betrieb eingebracht werden. Zur Repräsentation dieser Skin Model Shapes werden Punktwolken und Oberflächennetze genutzt, da diese diskreten Geometrierepräsentationen entlang des kompletten Produktlebenszyklus verfügbar sind. So können Punktwolken und Oberflächennetze während der virtuellen Produktentwicklung aus dem CAD-Modell durch Tesselierung erzeugt oder aus Fertigungsprozess-Simulationen und Nachgiebigkeitsberechnungen exportiert werden, wohingegen sie in der Fer- tigung und Qualitätssicherung von taktilen und optischen Messsystemen gesammelt werden.
Die Visualisierung dieser ab- weichungsbehafteten Punktwolken und Oberflächennetze kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, die meist eine Falschfarbendarstellung nutzen, um die geometrischen Abweichungen in Bezug auf die Nominalgeometrie zu veranschaulichen.

3.2 Erzeugung von Skin Model Shapes

Bild 1 Verfahren zur Erzeugung von Skin Model Shapes

Bild 1
Verfahren zur Erzeugung von Skin Model Shapes

Zur Erschließung der vollen Potentiale von Punktwolken und Oberflächennetzen in der Toleranzanalyse bedarf es zunächst geeigneter Verfahren zur realitätsnahen Erzeugung solcher Skin Model Shapes. Hierbei kann grundsätzlich zwischen frühen und späten Produktentwicklungsphasen unterschieden werden. Während in frühen Phasen noch Erfahrungen und Vor-hersagen genutzt werden müssen, um erwartete geometrische Bauteilab- weichungen nachzubilden, können in späteren Phasen Beobachtungen aus Fertigungsprozess-Simulationen oder Messdaten von Bauteilprototypen zur Abbildung von Bauteilabweichungen genutzt werden. Zur Nutzung in frühen Vorhersagephasen wurden Methoden zur Modellierung von systema- tischen Abweichungen durch Flächen zweiter Ordnung und von zufälligen Abweichungen durch Zufallsfelder entwickelt. In späteren Beobachtungsphasen kann hingegen mittels statistischer Verfahren aus einer vergleichsweise geringen Anzahl an verfügbaren Beobachtungen abweichungsbehafteter Bauteile aus Fertigungsprozesssimulationen oder Messdaten eine für eine statistische Toleranzanalyse ausreichende Anzahl an Skin Model Shapes erzeugt werden. Diese beiden Ansätze sind in Bild 1 schematisch dargestellt.

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Autoren

Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benjamin Schleich

Lehrstuhl für Konstruktionstechnik
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Martensstraße 9
91058 Erlangen
Tel.: 0 91 31/85-2 32 20
E-Mail: schleich@mfk.fau.de
www.mfk.fau.de

Prof. Dr.-Ing.  Sandro Wartzack

Lehrstuhl für Konstruktionstechnik
FAU Erlangen-Nürnberg
Martensstr. 9
91058 Erlangen
https://www.mfk.uni-erlangen.de/web/