Geometrisches Modellieren / CAD

Seit Jahren beschäfti­gen wir uns am Welfen­lab mit der com­put­ergestützten Beschrei­bung und Kon­struk­tion von geometrischen Ob­jek­ten. Sowohl zwei­di­men­sion­ale Kur­ven, wie Bézier-Splines oder B-Splines, als auch drei­di­men­sion­ale Flächen und Körper sind hier Gegen­stand der Forschung. Das zwei- und drei­di­men­sion­ale Geometrische Mod­el­lieren ist als Grund­lage für die Darstel­lung com­put­era­n­imierter Szenen in Film und Fernse­hen, für die Kon­struk­tion tech­nis­cher Pro­dukte, wie Flugzeu­gen oder Bügeleisen, oder das De­sign von Buch­staben, um nur einige An­wen­dun­gen zu nen­nen, all­ge­genwärtiger Be­standteil un­serer Lebenswelt.

Eine gute Übersicht über die Grund­la­gen und An­wen­dung der wichtig­sten Tech­niken im Bere­ich der In­ge­nieur­wis­senschaften findet sich z.B. in dem Auf­satz "Geo­met­ric Mod­el­ing for En­gi­neer­ing Ap­pli­ca­tions" von Wolter et al. in der En­cy­clo­pe­dia of Com­pu­ta­tional Me­chan­ics, er­schienen bei J. Wiley & Sons, 2007.

Sehr eng ver­wandte The­men sind die Analyse und Erken­nung von Gestalt, die Kom­pres­sion der für die Mod­el­lierung benötigten teil­weise sehr großen Daten­men­gen sowie die Vi­su­al­isierung von Ob­jek­ten. In einem Vor­trag an der Brown Uni­ver­sity, Prov­i­dence, USA hat Prof. Wolter 2003 eine Übersicht der Zusam­menhänge zwis­chen "Kon­struc­tion", "Kog­ni­tion" und "Kom­pres­sion" von Gestalt gegeben.

Computer Aided Design (CAD)

In den let­zten 30 Jahren hat in der En­twurfs- und Fer­ti­gung­stech­nolo­gie aller in­dus­triellen Pro­dukte eine Rev­o­lu­tion stattge­fun­den. Während noch in den siebziger Jahren des let­zten Jahrhun­derts Entwürfe für ein in­dus­trielles Pro­dukt mit tech­nis­chen Ze­ich­nun­gen beschrieben und daher auch in Pa­pier­form als Blau­pausen archivert wur­den, ex­istieren seit eini­gen Jahren die Entwürfe großer und kom­plexer Pro­dukte wie Verkehrs­flugzeuge oder auch mit­tel­großer Ob­jekte wie Kraft­fahrzeuge kom­plett in dig­i­tal­isiertem For­mat und wer­den vollständig mit Daten aus CAD-Sys­te­men beschrieben. Die Pro­dukte liegen mit ihrer dig­i­talen Beschrei­bung nun virtuell vor und können mit Vi­su­al­isierungssys­te­men für tech­nis­che oder ästhetis­che In­spek­tio­nen präzise drei­di­men­sional und auch pho­to­re­al­is­tisch dargestellt wer­den. Schließlich wer­den aus diesen CAD-Daten au­toma­tisiert die Steuerungs­daten für Fer­ti­gungs­maschi­nen erzeugt, mit denen alle Teile der Pro­dukte hergestellt wer­den.

Konstruktion in Virtuellen Welten

Der gesamte En­twurf­sprozess inklu­sive des Prüfens und Testens der in­ge­nieurstech­nisch rel­e­van­ten physikalis­chen Eigen­schaften ver­lagert sich zunehmend in virtuelle Wel­ten, in denen dann z.B. mit Sim­u­la­tions- und Vi­su­al­isierungssys­te­men virtuelle Crash-Tests für Fahrzeuge durchgeführt wer­den, die noch nicht ma­teriell ex­istieren, son­dern nur virtuell in dig­i­talen Datensätzen von CAD-Sys­te­men vor­liegen. Dadurch ver­lagert sich ein fortwährend wach­sender Teil des gesamten in­dus­triellen Erzeu­gung­sprozesses zunehmend in einen virtuellen Raum, in dem dann auch ein großer Teil der in­dus­triellen Wertschöpfung stat­tfindet. In dieser "Virtuellen Re­alität" laufen schließlich die kreativsten, tech­nisch anspruchsvoll­sten und daher kost­barsten Teile des gesamten Pro­duk­tion­sprozesses ab. Das hat zur Folge, dass die dig­i­talen Datensätze, die die Geome­trie der mühsam en­twick­el­ten virtuellen Ob­jekte beschreiben, große Werte darstellen und auch vor un­berechtigten Kopien geschützt wer­den müssen. Außerdem bere­itet die Ver­wal­tung der gewalti­gen Menge dig­i­tal vor­liegen­der Ob­jekte große Mühe. Die Suche nach Flächen-Datensätzen, die einer vor­liegen­den Fläche sehr ähn­lich sind, ist schwierig. Für diese Suche wird bei herkömm­lichen Ver­fahren oft geprüft, ob man eine Fläche so im Raum po­si­tion­ieren und skalieren kann, dass sie möglichst wenig von einer Ver­gle­ichsfläche ab­we­icht. Diese so­ge­nan­nten "Match­ing"-Ver­fahren (Passproben Ver­gle­ich) sind rel­a­tiv zeitaufwendig, so dass ihr Ein­satz beim Ver­gle­ich mit sehr vie­len Flächen nicht an­wend­bar ist.