Wagen zu reparieren – Phase 2b: CAD-Modellierung

Dies ist einer in einer Reihe von Anleitungen, die in unserem „Wagen zu reparieren“-Wettbewerb für 3D-gedruckte Ersatzteile verwendet werden. Diese Anleitung beschreibt die erste Phase des Projekts: Zerlegung. Erstlesern wird empfohlen, die gesamte Anleitung zu lesen; erfahrene Leser können die Schnellliste in jedem Schritt zur Orientierung nutzen.

Für weitere Informationen – einschließlich Regeln, Einreichungsrichtlinien und Preisen – schau dir unsere Wettbewerbsankündigung „Wagen zu reparieren“ auf unserem Blog an. Vergiss nicht, deine Einreichungen sind bis Montag, 14. Mai fällig.

Hier ist für den schnellen Zugriff eine vollständige Liste der Anleitungen in dieser Reihe:

• Phase 1: Zerlegung
• Phase 2a: Neugestaltung mit 3D-Scan
• Phase 2b: Neugestaltung mit CAD
• Phase 3: Reproduktion

Wenn du der Zerlegungsanleitung gefolgt bist und festgestellt hast, dass das Bauteil hauptsächlich messbare, geometrische Formen aufweist, bist du wahrscheinlich hier gelandet: CAD-Modellierung des Bauteils.

Bei der CAD-Modellierung ist die parametrische Modellierung im Kontext der Reparatur der am häufigsten verwendete und auch nützlichste Ansatz. Bei der parametrischen Modellierung verhindern Abmessungen und andere Randbedingungen, dass der Modellierer „unmögliche“ Geometrien erstellt – im Wesentlichen wird nur vollständig definierte, solide Geometrie erstellt, die durch Fertigung (zum Beispiel mit einem 3D-Drucker) reproduzierbar ist.

Grundlegende parametrische Modellierung beginnt oft mit bemaßten 2D-Linienzeichnungen, sogenannten „Skizzen“, die mithilfe eines Features in einen 3D-Volumenkörper umgewandelt werden. Die 2D-Skizzen werden auf einer Ebene gezeichnet, einer definierten, flachen Oberfläche im kartesischen Koordinatensystem. Ein grundlegender 3D-Modellierungsraum, der auf diesem System basiert, besteht aus drei Achsen (X, Y und Z), die sich im Ursprung schneiden. Oft sind drei Basisebenen bereits aktiv (XY, YZ und XZ) und bilden einen bequemen Ausgangspunkt für viele 3D-Modelle. Eine 2D-Skizze wird erstellt, indem die Konturen des Modells gezeichnet werden, um ein geschlossenes Randprofil zu erstellen, das in eine 3D-Form umgewandelt werden kann. Das Extrudieren des Inneren dieser Skizzenkontur erzeugt beispielsweise eine 3D-Form, indem die Oberfläche von ihrer Ebene „gezogen“ wird, wodurch eine zweite, parallele Oberfläche und eine „Wand“ zwischen den beiden entsteht, die der Kontur folgt. Das Drehen der Skizze um eine Achse erzeugt eine kreisförmige 3D-Form, die unendlich symmetrisch um diese Achse ist. Das Austragen eines Skizzenprofils entlang einer Linie in einer anderen Skizze (dem Pfad) führt zu einer geführten Extrusion.

Indem man mit einfachen Formen beginnt, Form auf Form aufbaut und dieselben Techniken verwendet, um Volumenkörper zu erstellen, die von vorherigen Formen „abgezogen“ werden können, nimmt das 3D-Modell Gestalt an.

• Die folgenden Werkzeuge werden in diesem Schritt verwendet:
• Ein ordentlicher Computer, Windows (nur x64!) oder Mac. Autodesk empfiehlt mindestens 4 GB RAM und eine dedizierte Grafikkarte mit mindestens 512 MB GDDR-Speicher.
• Autodesk Fusion 360, eine Lizenz für Studierende, Hobbyisten und Start-ups ist kostenlos! Lade Autodesk Fusion 360 herunter und führe ein Upgrade auf eine kostenlose einjährige Lizenz durch.
• Kamera: jede Digitalkamera oder jedes Smartphone
• Messschieber: vorzugsweise digital, und weitere Messwerkzeuge wie ein Winkelmesser oder ein Lineal
• (Optional) Adobe Illustrator oder eine ähnliche Vektorzeichnungssoftware, die in der Lage ist, ein Foto in ein Vektorbild nachzuzeichnen

CAD-Modellierungssoftware kann sehr teuer sein. Zum Glück hat Autodesk kürzlich ein vollständiges und intuitives CAD-Modellierungsprogramm namens Fusion 360 auf den Markt gebracht, das für Studierende, Hobbyisten und Start-ups kostenlos ist. Es bietet zahlreiche Funktionen und eine intuitive Benutzeroberfläche, was es ideal für Anfänger macht. Diese Anleitung konzentriert sich auf Fusion 360, sollte aber für jede parametrische CAD-Modellierungssoftware funktionieren, mit der du möglicherweise bereits vertraut bist.

Nimm Maße mit einem Messschieber. Verwende die Hauptbacken für Außenmaße und die hinteren Backen für Innenmaße. Die Tiefenlehre an der Unterseite kann verwendet werden, um Hohlräume zu messen!

Dokumentiere so viel wie möglich! Je mehr du misst, desto genauer kann dein Modell bemaßt werden!

Das Erste, was du tun musst, ist, so viele Maße wie möglich zu nehmen! Versuche, jede Form, die du findest, zu bemaßen und dabei punktweise von Referenzpunkten aus mit dem Messschieber zu messen. Jede scharfe Kante oder Ecke zwischen zwei parallelen Oberflächen sowie Durchmesser von Zylindern müssen gemessen werden. (Falls du nicht weißt, wie ein Messschieber funktioniert, nur einen nicht-digitalen (Nonius) hast oder eine kurze Auffrischung möchtest, lies diese exzellente kurze Anleitung auf Instructables: How to read a Vernier caliper.)

Stelle sicher, dass du mit einer Genauigkeit von mindestens 0,1 mm misst. Viele Kunststoffteile sind mit noch höheren Toleranzen konstruiert (um perfekt auf andere Teile zu passen), aber die Genauigkeit beim 3D-Druck ist im Allgemeinen auf etwa 0,1 mm begrenzt.

Fertige schnelle Skizzen deines Bauteils an und notiere alle entsprechenden Maße, die du nimmst. Gib die exakten Punkte an, von denen aus du gemessen hast, da du dein 3D-Modell ähnlich bemaßen wirst, wie du die Maße genommen hast.

Beginne mit dem Erstellen einer 2D-Skizze auf einer Ebene. Wenn du dir das Originalteil ansiehst, versuche, eine „logische“ Ausrichtung zu finden, die in der 3D-Modellierungsumgebung Sinn ergibt. Oft richten sich einige Flächen oder Features an den Basisebenen und Achsen des Koordinatensystems aus. Tue dasselbe, wenn du ein 3D-gescanntes Modell importierst. Versuche, den Scan so am Koordinatensystem auszurichten, dass es für deine Modellierungsvorgänge bequem ist.

Beginne mit einer globalen Skizze des Hauptkörpers des Bauteils und gib für die gezeichneten Linien Maße an, basierend auf den Messungen, die du mit einem Messschieber vom Originalteil genommen hast. Je genauer du dies tust, desto genauer wird das Modell sein. Versuche, die 2D-Skizzen auf ähnliche Weise zu bemaßen, wie du die Maße vom Originalteil genommen hast.

Versuche bei Formen mit zwei parallelen Oberflächen Extrusionsvorgänge zu verwenden. Verwende Dreh- oder Austragungsvorgänge für zylindrische Formen, um 3D-Formen aus den skizzierten Profilen zu erstellen. Alle resultierenden Körper können so eingestellt werden, dass sie Geometrie zu vorherigen Formen „addieren“ oder davon „subtrahieren“.

Wenn du mit einem 3D-Scan beginnst, wie in der 3D-Scan-Anleitung beschrieben, kann dieser in Fusion 360 importiert werden, um weitere Ergänzungen und Änderungen zu modellieren. Öffne dazu die Sculpt-Umgebung, indem du auf „Form erstellen“ klickst. Importiere das exportierte .OBJ „Quads“-Modell (siehe 3D-Scan-Anleitung) und konvertiere es durch Rechtsklick in „Konvertieren“ zu T-Spline.

Der neue Körper sollte ähnlich ausgerichtet sein wie das, was du beim Modellieren von Grund auf wählen würdest. Denke an die Änderungen, die du modellieren möchtest; es ist viel einfacher, wenn diese an den Basisebenen oder Achsen des Systems ausgerichtet werden können. Nachdem du das Modell zufriedenstellend verschoben und gedreht hast, schließe die Sculpt-Umgebung, um zur grundlegenden Modellierung zurückzukehren, und fahre mit den regulären Plan-Skizze-Feature-Vorgängen fort, mit denen du Geometrie zum Scankörper addieren oder davon subtrahieren kannst.

Wenn kritische Features Krümmungen, bestimmte Winkel oder andere unmessbare Geometrien beinhalten, kannst du Fotoreferenzen verwenden, um diese schwierigen Formen anzunähern. Dies kann auf zwei Arten geschehen: Entweder du machst Fotos der kritischen Features und importierst sie auf einer Ebene in der Modellierungsumgebung, ausgerichtet am Modell, oder du bearbeitest das Foto, um es direkt bei der Modellierung zu verwenden.

Mache Fotos der kritischen Features deines Bauteils oder im Kontext des gesamten Produkts. Lege ein Lineal oder eine andere messbare Referenz in das Bild, um das Skalieren des Bildes in Fusion 360 zu erleichtern. Denke an bequeme Ansichten dafür, wie eine „Draufsicht“ oder „Seitenansicht“. Diese Bilder erfassen dann die Kontur des Teils aus einer logischen Perspektive, die den Basisebenen in der Modellierungsumgebung entspricht. Zum Beispiel ist die Trennlinie auf der Rückplatte dieses Bügeleisens am besten von der Seite zu sehen, also habe ich ein Seitenansichtsfoto gemacht und es als visuelle Referenz verwendet, um die Krümmung nachzubilden.

In Fusion 360 kann das Bild unter Einfügen > „Angefügte Ansichtsebene“ auf einer Ebene importiert und skaliert/ausgerichtet werden, um es an das Modell anzupassen, das du gerade erstellst. Um das Bild zu skalieren, kannst du es entweder ziehen und anpassen oder im Browser (links) mit der rechten Maustaste auf die Ansichtsebene klicken und die Funktion „Kalibrieren“ verwenden, um von Punkt zu Punkt zu skalieren (indem du einen festen Abstand zwischen zwei Punkten angibst).

Eine weitere Option ist das Bearbeiten eines Fotos für die direkte Verwendung in der Modellierung. Dies erfordert ein Vektorzeichenprogramm wie Adobe Illustrator, um das Foto in ein Vektorbild „nachzuzeichnen“. Dies ist besonders nützlich, um eine gekrümmte Kontur präzise zu erzeugen. Auch hier ist die Bereitstellung einer Skalenreferenz wichtig. Anstelle eines Fotos kann auch ein 2D-Scan des Teils auf einem normalen Flachbettscanner verwendet werden, der bei Wahl einer Standardpapiergröße automatisch in Originalgröße scannt.

Importiere das Bild in Illustrator und zeichne es in ein schwarz-weißes Vektorbild nach. Die Schwellenwert- und Genauigkeitseinstellungen können angepasst werden, um ein brauchbares Ergebnis zu erzielen. Erweitere und bereinige den Vektor von unerwünschten Details, indem du alle Ankerpunkte außer der Kontur entfernst. Vergiss nicht, das nachgezeichnete Bild mithilfe von messbaren Referenzen zu skalieren! Verwende Objekt > Pfad > Vereinfachen, um das Nachzeichnungsergebnis bei Bedarf zu glätten. Exportiere den resultierenden Vektor im .DXF-Format, um ihn in Fusion 360 einzufügen. Das Vektorbild wird nun als Skizze importiert und erzeugt eine brauchbare Kontur für die weitere Modellierung.

Fahre fort mit der Phase 3 dieses Projekts: Reproduktion