Projektarbeit Bumann Foehn - Lignocam

Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau Abteilung Bachelor Holz

Solothurnstrasse 102 CH 2504 Biel/Bienne

Semesterarbeit

5. Semester des Studiengangs Bachelor of Science in Holztechnik

Vertiefungsrichtung PPM

mit dem Thema

Integration von Freiformgeometrien in die BTL - Schnittstelle

eingereicht von

Bastian Bumann von Brig

Luca Föhn von Muotathal

Klosmattenstrasse 111 3902 Brig-Glis

Oberfeld 47 6430 Schwyz

CH 2500 Biel / Bienne, im Januar 2019 Solothurnstrasse 102

Semesterarbeit Nr. H / 0802 / 1063 / 19 / 0

Sperrfrist: keine

Verfasser mit Adresse

Bumann Bastian Klosmattenstrasse 111 3902 Brig-Glis

Föhn Luca Oberfeld 47 6430 Schwyz

Erstprüfender Dozent

Frau Christiane Rehm, Professorin für Produktion und Logistik

Zweitprüfender Dozent

Herr Denis Maillard, Wissenschaftlicher Mitarbeiter Technologiepark

Coaching, Korrektur

Herr Ronald Giroud, Herr Thomas Jaisli

Adresse der Hochschule

Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau Abteilung Bachelor Holz Solothurnstrasse 102 CH 2504 Biel/Bienne

Industriepartner mit Adresse

Lignocam SA Case Postale 64 CH 1806 Saint Légier

© 2019 CH 2500 Biel / Bienne

Alle Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung, Verbreitung und Übersetzung vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form ohne schriftliche Genehmigung reproduziert oder über elektronische Systeme verbreitet werden. Die Genehmigung ist bei der Abteilung Bachelor Holz einzuholen. Bei gesperrten Arbeiten ist jegliche Art der Wei-terverwendung verboten

Integration Freiformgeometrien in BTL Schnittstelle 5. Sem BSc Holztechnik 2018

Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences I

Abstract

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Erarbeitung und Konzeptionierung einer Schnittstellenerweiterung bei der Datenübergabe von Konstruktionsprogrammen zu computergesteuerten Maschinen. Dabei soll eine im Holzbau weit verbreitete Schnittstelle um Freiformgeometrien ergänzt werden. Zudem sollen für die betei-ligten Softwarehersteller Vorschläge zur Umsetzung erarbeitet werden.

Der Industriepartner dieser Projektarbeit, die Firma Lignocam, hatte dazu bereits Vorarbeit geleistet. Anhand dieser Grundlage konnte das nötige Hintergrundwissen aufgearbeitet werden.

Daraufhin begann die Informationssammlung bei Fachpersonen aus produzieren-den Betrieben, sowie Fachleuten aus den beteiligten Bereichen Datenverarbeitung, Maschinenbau und Softwareentwicklung. Begleitet wurde die Informationssamm-lung von einer Reihe verschiedener Versuche mit Beispieldateien sowie selbst er-stellten Funktionen. Dabei konnte zunächst die korrekte Wiedergabe der Daten von Software zu Software verifiziert werden. Im Anschluss wurden die Möglichkeiten der Schnittstelle mittels eigens erstellter Geometrie getestet.

Als Resultat dieser Arbeit entstanden mehrere Vorschläge und Ansätze zur Reali-sierung der Schnittstellenerweiterung unter Berücksichtigung verschiedenster As-pekte.

Erfreulicherweise war im Zuge der gesamten Arbeit eine grosse Hilfsbereitschaft und Offenheit, sowie ein grosses Interesse seitens aller Beteiligten vorhanden.

« Fortschritt besteht nicht in der Verbesserung dessen, was war, sondern in der Ausrichtung auf das, was sein wird. »

Khalil Gibran, Schriftsteller

Schlüsselwörter

- BTL - Freiformen - NURBS - Schnittstellen


Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences II

Vorwort

In der vorliegenden Arbeit befassen wir uns mit der Weiterentwicklung einer Geo-metriedatenschnittstelle zwischen CAD Systemen und CAM Systemen.

Aufgrund der aktuellen Bauprojekte ist ersichtlich, dass der Holzbau zunehmend komplexere Bausituationen bewerkstelligen muss. Die Geometrien des Bauens wer-den hierbei immer unregelmässiger. Kurven, Schrägen, freie Geometrien müssen verarbeitet werden können. Viele Holzbau Referenzobjekte sind in den letzten Jah-ren in diesen Bereichen entstanden. Betrachtet man jedoch die Datenaufbereitung solch komplexer Holzbauprojekte, so ist diese noch sehr umständlich und von ei-nigen Umwegen und somit auch Inneffizienzen gekennzeichnet.

Vor rund einem Jahr besuchten wir einige Mastervorlesungen zum Thema «Free Form and Shell Structures». Im Zuge dieser Vorlesungen bemerkten wir, dass die Datenaufbereitungen in diesem Bereich nicht mit den gebräuchlichen Softwaretools des Holzbaus erstellt werden konnten. Daraufhin kontaktierten wir erstmals unse-ren Industriepartner Lignocam im Februar 2018, um eine mögliche Weiterentwick-lung in diesem Bereich anzugehen. Die Zusammenarbeit in Form dieser Projektar-beit kam allerdings erst ein halbes Jahr später, während des 5. Semesters unseres Studienganges, zustande.

An dieser Stelle möchten wir uns für die äusserst konstruktive und zielgerichtete Zusammenarbeit mit unserem Industriepartner Lignocam, namentlich den Herren Jean Roulier und Markus Wassmer bedanken. Sie haben uns während unseren Re-cherchen und Entwicklungen stets sehr gut unterstützt.

Einen weiteren Dank gilt den zahlreichen Fachpersonen die wir im Zuge der Recher-chen getroffen und mit denen wir hilfreiche Informationen austauschen konnten, welche wiederum gewinnbringend in die Arbeit integriert werden konnten.

Andreas Burch, PointLine

Daniel Schönenberger, Technowood GmbH

Driton Komani, Dozent BFH

Hanno Stehling, Design to Production

Katharina Lindenberg, Dozentin BFH

Kai Strehlke, Dozent BFH

Urs Steinmann, Technowood GmbH

Ebenfalls gilt ein grosser Dank den Betreuern unserer Arbeit, Frau Rehm und Herr Maillard haben uns in diesem innovativen und weitreichenden Thema stets unter-stützt und unsere Arbeit zielgerichtet begleitet.

Aus Gründen der Leserlichkeit werden Fachbegriffe und Abkürzungen in einem Glossar am Ende dieser Arbeit erläutert.


Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences III

Inhaltsverzeichnis

Abstract I

Vorwort II

Inhaltsverzeichnis III

1 Ausgangslage 1

1.1 Problemstellung 1

1.2 Problemanalyse 2

1.3 Stand des Wissens 2 1.3.1 Vorwort 2

1.3.2 Grundlagen Freiformgeometrien 2

1.3.3 Regelflächen 6

1.3.4 Software 7

1.3.5 Bestehende Datenabläufe 8

1.3.6 Vergleiche zum Maschinenbau 9

1.3.7 Vergleiche zur Automobilindustrie 10

1.3.8 Aufbau von NURBS in BTL 10.6 10

2 Zielsetzung 11

2.1 Grundidee 11

2.2 Konkrete Ziele 11

2.3 Abgrenzungen 12

3 Methodik 12

3.1 Vorwort 12

3.2 Informationen zusammentragen 12 3.2.1 Lignocam, Kickoffmeeting 12

3.2.2 D2P, Informationsaustauch 13

3.2.3 PointLine, Informationsaustausch 15

3.2.4 Philipp Föhn, Informationsaustausch 16

3.2.5 Literaturrecherchen 16

3.2.6 Driton Komani, Mathematisches Modell 17

3.2.7 Lignocam, Zwischenbericht 18

3.2.8 Technowood, Steuerung 18

3.2.9 Katharina Lindenberg, Kurven und Flächen 19

3.2.10 GiBCam, Datenabläufe 19

3.2.11 Lignocam, Zwischenbesprechung 20

3.2.12 Design to Production, Meeting 20

3.2.13 Kai Strehlke, Datenabläufe 21


Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences IV

3.2.14 Vorbereitungen, Informationsmeetings CAD 21

3.2.15 SEMA, Informationsmeeting 22

3.2.16 CADWORK, Informationsmeeting 23

3.2.17 CNC Dynamix, Datenabläufe 23

3.2.18 MasterCAM, Datenabläufe 24

3.3 Testserien 24 3.3.1 Testserie 1, BTL - NURBS Import 24

3.3.2 Testserie 2, Aufbau NURBS Fläche 26

3.4 Testserie 3, Export BTL mittels Rhino & Grasshopper 27

3.5 Testserie 4, Dach gebogen 29

3.6 Testserie 5, doppelt gebogener Träger 30

4 Ergebnisse 32

4.1 BTL NURBS 32

4.2 Vergleich bestehende Technologien 32

4.3 Schnittstelle BTL 32

4.4 Vorschlag CAD 33

4.5 Freiformabläufe aufzeigen 34

4.6 Ausblick 34

5 Schlusswort 35

Eidesstattliche Erklärung 36

Bewertung der Semesterarbeit 37

Abnahmeerklärung und Bewertung 38

Abbildungsverzeichnis i

Tabellenverzeichnis ii

Glossar ii

Literaturverzeichnis iii

6 Anhang v

6.1 Projektplan v

6.2 Testserie 1 vi


Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences 1

1 Ausgangslage

1.1 Problemstellung

Mittels untenstehender Definition wurde die Projektarbeit ausgeschrieben.

Tabelle 1: Beschrieb aus Themenvorschläge Projektarbeiten 5. Semester PPM HS 2018_19.pdf

Integration von Freiformbearbeitungen in die BTL Schnittstelle

Immer häufiger werden komplexe Strukturen aus Holz gefertigt. Vielfach ba-sieren die Freiformelemente auf sogenannten NURBS (Non-uniform rational B-Splines). Diese im CAD generierten Formen in maschinenlesbaren Code um-zuwandeln, bringt nach wie vor einen grossen Programmieraufwand mit sich. Deshalb soll die bereits bestehende BTL-Schnittstelle zwischen CAD und CAM ergänzt werden, damit diese Geometrien interpretiert und rationell umge-wandelt werden können.

Industriepartner: Lignocam SA

Architekturgeometrien bestehen zunehmend aus Freiformgeometrien. Oftmals aus sogenannten NURBS (Non-uniform rational B-Splines). Diese Freiformgeo-metrien (NURBS) gehen aktuell sehr früh im gesamten Datenprozess aufgrund von Vereinfachungen und Annäherungen verloren. Die Vereinfachungen zie-hen einerseits Veränderungen der Geometrien und andererseits Informations-verluste mit sich. Diese Umwandlung des ursprünglichen Datenformats muss umgangen werden um zukünftig Freiformgeometrien durchgängiger fertigen zu können.

Die BTL Schnittstelle ist eine Kooperation der Firmen Lignocam (CAM), cadwork (CAD) und SEMA (CAD). Sie dient der Übergabe von Geometriedaten von der Zeichnungssoftware zur Maschinensoftware. Die BTL Schnittstelle beherrscht aktuell keine Freiformgeometrien (NURBS). Deshalb sollen diese nun in die Schnittstelle integriert werden.



1.2 Problemanalyse

Die BTL Schnittstelle ist seit einiger Zeit nicht mehr um Geometriefunktionen erweitert worden. Aufgrund der wachsenden Nachfrage von Freiformbauten und der damit resultierenden Komplexität sollte die Schnittstelle nun erweitert werden, um eine datendurchgängige Fertigung zu ermöglichen.

Für das Erstellen dieser Arbeit wirken verschiedene Faktoren ein. Zum einen setzen wir uns das Ziel, die BTL Schnittstelle, um Freiformgeometrien zu er-weitern. Auf der anderen Seite eine Sensibilisierung der Software- und Holz-bauunternehmen in diesem Bereich stattfinden.

Zur Erweiterung der BTL Schnittstelle hat der Industriepartner Lignocam bereits einige Ressourcen in einen ersten Prototyp investiert. Auf dieser Grundlage können wir in dieser Arbeit die Schnittstellendefinition weiterentwickeln.

Die Softwareunternehmungen jedoch müssen bereit sein, ihrerseits Wissen und Zeit in den Aufbau der Funktionen zu investieren, um die Erweiterungen der Schnittstellen für die Holzbauunternehmungen nutzbar zu machen. Hierzu muss den Softwareunternehmungen die Notwendigkeit dieser Erweiterung auf-gezeigt werden können.

Schlussendlich ist eine erfolgreiche Kommunikation zwischen Industriepartner und weiteren Unternehmungen entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung der vorliegenden Arbeit.

Weiter sollen im Zuge der Arbeit ähnliche Systeme aus anderen Handwerksbe-reichen verglichen werden, um bestenfalls bestehende Strukturen übernehmen zu können.

1.3 Stand des Wissens

1.3.1 Vorwort

Nachfolgend werden die einzelnen Bestandteile der vorliegenden Arbeit kurz beschrieben, um den Einstieg in das Thema zu erleichtern.

1.3.2 Grundlagen Freiformgeometrien

1.3.2.1 Erstellung von Geometrie

In gängigen CAD Systemen für die Holzbranche wird die Geometrie grundsätz-lich mittels Linien und Bögen erstellt. Auf diesem Wege lassen sich etliche, verschiedene Volumen erzeugen. Der Bedarf, gebogene Teile zu zeichnen war bisher eher eine Randerscheinung für spezifische Anwendungen. Als Beispiele sind hier Bauteile wie Treppenhandläufe, Bogenbinder oder Bogenfenster zu nennen.



Gekrümmte Teile lassen sich mittels gerader Linien und Bögen nur vereinfacht darstellen. Deshalb wurden in den 50er Jahren sogenannte Splines entwickelt, mit Hilfe derer sich eine Vielzahl von Krümmungen darstellen lassen. Die Ent-wicklung fand unabhängig voneinander bei den beiden Automobilherstellern Renault (Pierre Bézier) und Citroën (Paul de Casteljau) statt. Das Ziel dabei war es, geometrische Informationen zur Beschreibung von Kurven, seien sie von Hand oder mittels Kurvenlineals sog. «Straklatten» erstellt, mathematisch so zu beschreiben, dass sie reproduzierbar wurden (Pottmann, Asperl, Hofer, & Kilian, 2010).

Nachfolgend werden die für diese Projektarbeit relevanten Arten von Splines beschrieben. Der Begriff «Freiform» wird dabei innerhalb dieser Arbeit allge-mein verwendet unabhängig vom Typ des Splines.

1.3.2.2 Bézier-Splines

Bézier-Splines sind Kurven, welche durch Kontrollpunkte definiert sind und sich mit dem Algorithmus von de Casteljau an diesen Punkten beschreiben lassen. Dabei wird die Länge (t) einer Spline (P) unterteilt, sie beginnt bei t=0 und endet bei t=1. Die Kontrollpunkte können verbunden werden und bilden so das sogenannte Kontrollpolygon. Auf Abbildung 1 ist eine Bézier-Spline mit vier Kontrollpunkten zu sehen, das Kontrollpolygon ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt.

Abbildung 1: Bézier-Spline (Wikipedia contributors, 2015)

Mit Hilfe des de-Casteljau-Algorithmus lässt sich nun jeder Punkt P(t) auf der Kurve bestimmen. Dieser Algorithmus basiert auf einer linearen Interpolation (Pottmann, Asperl, Hofer, & Kilian, 2010, S. 251). Das Verfahren findet in meh-reren Schritten statt: im ersten Schritt (blaue Linie in Abbildung 2) werden die einzelnen Strecken des Kontrollpolygons an der Stelle (t) unterteilt, dabei er-hält man neue Punkte.



Abbildung 2: Ablauf de-Casteljau-Algorithmus

Die Linien zwischen den neuen Punkten werden in weiteren Schritten wieder geteilt (grüne Linie). Zum Schluss erhält man eine Tangente an der Kurve P im Punkt P(t). Im Beispiel werden die Strecken dabei jeweils in der Hälfte geteilt und so erhält man den Berührungspunkt P(0.5). Mit Hilfe des de-Casteljau-Al-gorithmus kann also jeder Punkt der Kurve von P(0) bis P(1) beschrieben wer-den.

Eine Kurve die in drei Schritten beschrieben wird (rot, blau, grün im Beispiel), kann mit einer mathematischen Funktion berechnet werden, bei welcher der Parameter t höchstens den Grad 3 aufweisen kann (Pottmann, Asperl, Hofer, & Kilian, 2010, S. 252). Man spricht auch von einer Bézier-Spline vom Grad 3.

Bei Bézier-Splines gilt dadurch die Regel, dass die Anzahl der Kontrollpunkte weniger Eins dem Grad der Kurve entspricht. Konkret heisst das, dass bei-spielsweise eine Bézier-Spline mit fünf Kontrollpunkten immer den Grad 4 be-sitzt.

Die Form von Splines lässt sich also trivial mittels Kontrollpunkten verändern.

1.3.2.3 B-Splines

Bei der Gestaltung von Geometrie bringen Bézier-Splines Einschränkungen mit sich, so wird beispielsweise bei der Änderung eines Kontrollpunktes die ge-samte Kurvengeometrie mitverändert. Da sich dies beim Design störend aus-wirkt, wurden Bézier-Splines weiterentwickelt. Dabei entstanden die sogenann-ten Basic-Splines oder kurz B-Splines genannt. B-Splines setzen sich aus meh-reren Bézier-Splines zusammen, was auf Abbildung 3 ersichtlich ist.

Abbildung 3: B-Spline (Wikipedia contributors, 2013)

P(0.5)



Zusätzlich zu den zwei bestimmenden Eigenschaften Grad und Kontrollpunkte werden B-Splines noch durch sogenannte Knoten (auch Knotenvektoren) be-stimmt. Diese Knoten beschreiben das Verhalten der Kurve am Übergang der einzelnen Bézier-Splines und spielen beim Konstruieren keine Rolle, da sie vom CAD verteilt werden. Die Anzahl der Knoten folgt dabei der Regel Grad + An-zahl Kontrollpunkte +1, eine B-Spline vom Grad drei mit fünf Kontrollpunkten weist demnach insgesamt neun Knoten auf.

Der Grad der B-Spline entspricht dabei dem Grad der beteiligten Bézier-Kurven, diese besitzen wiederum alle denselben Grad (Pottmann, Asperl, Hofer, & Kilian, 2010, S. 262).

1.3.2.4 NURBS

Eine Weiterentwicklung von B-Splines sind wiederum NURBS, ausgeschrieben nicht-uniforme rationale Basis-Splines (non-uniform rational B-Spline). Zusätz-lich zu den Eigenschaften der Bézier- und B-Splines, können bei NURBS die ein-zelnen Kontrollpunkte mit einer Gewichtung (auch Wichtung genannt) verse-hen werden. Dieser Umstand ermöglicht eine weitere Verfeinerung der Geo-metrie. Auf Abbildung 4 erkennt man sehr gut wie sich die Kurve verändert, sobald die Gewichtung des zweitletzten Kontrollpunktes verändert wird. Die restlichen Eigenschaften der Kurve bleiben dabei unverändert.

Abbildung 4: Gewichtete NURBS Kurve, Rhino

Durch diese zusätzliche Möglichkeit lassen sich mit NURBS nun auch Kreise exakt darstellen. In vielen CADs lässt sich bei genauerem Hinsehen feststellen, dass Kreise diskretisiert, also mit Hilfe von Geraden welche die Geometrie ap-proximieren, dargestellt werden.

1.3.2.5 Freiformflächen

Splines lassen sich auch im dreidimensionalen Raum erzeugen. Damit daraus jedoch Flächen entstehen, bedarf es zweier Kurven. Diese Freiformflächen kön-nen natürlich wiederum aus Bézier-, B-Spline oder NURBS Kurven entstehen, die Eigenschaften und Einschränkungen der jeweils zu Grunde liegenden Spli-nes bleiben dabei bestehen. Sobald aus zwei Spline-Kurven Flächen gebildet werden, spricht man von u- und v-Kurven. Wie bei Spline-Kurven lässt sich auf diesen Freiformflächen jeder Punkt P(u,v) in Abhängigkeit von U und V ausdrü-cken.



1.3.3 Regelflächen

Regelflächen können als Sonderfall von Freiformflächen betrachtet werden, sie setzen sich aus einer erzeugenden Linie und einer Leitkurve zusammen. Für das Verständnis dieser Arbeit ist die Unterscheidung zwischen einer Regel- und einer Freiformfläche von enormer Bedeutung.

Eine Regelfläche oder auch abwickelbare Fläche kann trivial durch folgende Definition beschrieben werden:

«Durch jeden Punkt der Fläche geht eine Gerade, die ganz in der Fläche ent-halten ist.» (Wikipedia-Autoren, 2018)

Auf Abbildung 5 ist eine Regelfläche zu sehen, welche mit NURBS erstellt wurde. Diese Fläche wird aus einer Linie mit zwei Kontrollpunkten und Grad 1 sowie einer NURBS Kurve mit sechs Kontrollpunkten und Grad 3 gebildet.

Abbildung 5: Regelfläche, Rhino

Diese Flächen sind für die Bearbeitung im Holzbau von wesentlicher Bedeu-tung. Denn um eine rationelle Bearbeitung der Freiformträger zu ermöglichen, müssen die Bauteile mit Schaftfräsern bearbeitet werden können. Schaftfräser erlauben das Arbeiten am Umfang des Fräsers, bei Kugelkopffräsern ist eine viel höhere Anzahl an Fräsbahnen nötig. Dieses Umfangsfräsen ist nur mög-lich, wenn die zu bearbeitende Geometrie in der Richtung des Fräsers eine Gerade bildet und somit eine Regelfläche ist.

Grundsätzlich lassen sich mit NURBS auch Flächen wie in Abbildung 6 erstellen, welche in beide Richtungen (U und V) höhere Grade aufweisen. Für den Holz-bau sind diese Geometrien zum Teil auch von Bedeutung, beispielsweise bei der Skulpturenfertigung. Diese Geometrien werden allerdings sehr oft mit Ku-gelfräsern bearbeitet, da in keiner Richtung mehr Geraden vorhanden sind.

Abbildung 6: NURBS Freiformfläche, BTL Viewer



1.3.4 Software

Folgend werden die im Zusammenhang mit dieser Arbeit verwendeten Soft-wares kurz vorgestellt.

1.3.4.1 BTL/BTLx

Die in dieser Arbeit behandelte Schnittstelle BTL (Building Transfer Language) wird seit 1992 von den beiden Holzbau-CAD Anbietern cadwork und SEMA ent-wickelt. Sie dient dazu, Geometriedaten aus der CAD Software auf Maschinen zu übertragen. Der Grundgedanke dabei ist, Maschinenherstellern sowie ande-ren Softwareanbietern eine kostenlose und offene Schnittstelle anzubieten, mit der Bearbeitungsdaten effizient und genau ausgetauscht werden können. Im Jahr 2006 wurde damit begonnen, die Schnittstelle gemeinsam und einheitlich weiterzuentwickeln (design2machine, 2018).

In der BTL-Schnittstelle sind Standardbearbeitungen der Holzbranche mit Para-metern beschrieben, anhand dieser Parameter lassen sich die Informationen von der empfangenden Software (CAM) verlustfrei einlesen, so dass eine zweite manuelle Anpassung der Daten entfällt.

BTL-Dateien werden in YAML, einer maschinenlesbaren Sprache geschrieben. In Abbildung 7 ist ein Ausschnitt abgebildet, der einen rechtwinkligen Ab-schnitt an einem drei Meter langen Balken definiert.

Abbildung 7: Beispiel Ausschnitt einer BTL-Datei

Die aktuellste Version von BTL, welche auch in dieser Arbeit verwendet wurde, ist BTL 10.6. Seit 2015 wird BTL auch auf XML Basis geschrieben, das neue BTLx Format enthält mehrere Verbesserungen und Neuerungen, unter ande-rem erhöht sich durch das XML Format die Lesegeschwindigkeit. (design2machine, 2018)

1.3.4.2 Lignocam

Lignocam ist ein Anbieter einer CAM Software, welche seit 1997 spezifisch für die Holzbaubranche entwickelt wird (Lignocam SA, 2018).

Da Lignocam zu Beginn als Teil von cadwork entstanden ist, beschäftigt sich die Firma mit der Bearbeitung von Daten, welche über die BTL Schnittstelle vom CAD ins CAM gelangen und ist auch aktiv an der Entwicklung dieser beteiligt.

Bei der Verwendung von Lignocam definiert der Anwender eine Zuordnung von Bearbeitungsstrategien (sog. Makros) zu den BTL konformen Bearbeitungen (also Geometrien). Lignocam beginnt dann, nach einem Ausschlussverfahren und den vorhandenen Makros und Werkzeugen, jeder Bearbeitung die passen-den Optionen zuzuweisen. Gleichzeitig wird der nötige ISO-Code (G-Code) für den gewählten Postprozessor generiert. Dabei werden die maschinenspezifi-schen Eigenheiten berücksichtigt und ergänzt.



1.3.4.3 Rhino & Grasshopper

Rhino oder Rhinoceros ist eine CAD-Software und eignet sich besonders für die 3D-Modellierung im Architekturbereich, da sämtliche Geometrie NURBS basie-rend erstellt wird. Grasshopper ist wiederum ein Plugin, welches in Rhino ent-halten ist. Es dient dem parametrischen Aufbau von Geometrien für Rhino. Da-bei kann grafisch programmiert werden. Hierbei sind der Modellierung prak-tisch nur die mathematischen Grenzen gesetzt.

Verschiedenste mathematische und geometrische Komponenten stehen zum Programmieren in Grasshopper bereits zur Verfügung. Ebenfalls sind weitere Plugins als opensource erhältlich oder können gar selbst programmiert wer-den. Die Möglichkeiten von Grasshopper reichen bis hin zur Erstellung von Maschinen- oder beispielsweise Robotercode.

1.3.4.4 Woodpecker

Woodpecker ist ein Plugin für Grasshopper, welches durch die Firma Design to Production in Kooperation mit Lignocam entwickelt wurde. Es erlaubt dabei Geometrien aus Rhino im BTL Format auszugeben. Dazu werden den Geomet-rien die entsprechenden Bearbeitungen zugewiesen, welche im Anschluss im BTL ausgegeben werden. Dies erlaubt eine Kombination der flexiblen, para-metrisierbaren Funktionen von Grasshopper mit der effizienten Generierung von Maschinencode über die BTL Schnittstelle.

1.3.5 Bestehende Datenabläufe

1.3.5.1 Konventionell

Im Holzbau werden Geometrien meist mittels einem branchenspezifischen CAD erstellt. Diese Informationen werden dann im BTL resp. BTLx Format aus-gegeben und als Datei gespeichert. Dabei sind die Geometrien bereits in die späteren Bearbeitungen unterteilt. Die so generierten BTL Dateien werden im Anschluss mit einer entsprechenden CAM Software geöffnet, um die Bearbei-tung für die Maschine vorzubereiten sowie den entsprechenden Maschinen-code zu generieren.

Ab der Erstellung der Geometrie hält sich der manuelle Eingriff, bei entspre-chender Vorbereitung der einzelnen Systeme, in Grenzen. So ist eine sehr effi-ziente und doch flexible Verarbeitung individueller Teile von CAD bis CAM möglich.

1.3.5.2 Mit komplexer Geometrie

Bei der Herstellung von individuellen Bauteilen mit NURBS Komponenten haben die führenden Firmen jeweils eigene Herangehensweisen entwickelt.

Zum Beispiel können verschiedene CAM Systeme kombiniert werden. So lässt sich beispielsweise BTL konforme Geometrie weiterhin sehr effizient konventi-onell verarbeiten, während komplexe Teile der Geometrie über Schnittstellen zu anderen CAM Systemen eingespeist werden. Dieses Vorgehen bedingt die Erstellung der genannten Schnittstellen und das entsprechende Fachwissen



dazu. Hinzu kommt, dass seitens der Softwarehersteller die Bereitschaft vor-handen sein muss, diese Schnittstellen zu entwickeln, respektive anderen da-für Einblicke in die eigene Arbeitsweise zu gewähren. Die Erstellung von Ma-schinencode innerhalb von branchenfremden CAM Systemen ist zudem mit mehr Aufwand durch manuelle Definitionen verbunden. Die maschinenspezifi-schen Anpassungen am Code müssen ebenfalls vom Anwender definiert wer-den.

Andere Firmen übernehmen direkt die durch Drittfirmen optimierten Architek-turgeometrien beispielsweise mit Rhino, um dann den Maschinencode über Grasshopper oder selbst programmierte Postprozessoren erstellen zu lassen. Diese Variante mit selbst kreierten Tools ist mit enorm viel Eigenleistung und Fachwissen verbunden und muss zum Teil auf projektspezifische Besonderhei-ten angepasst werden.

In der Praxis sind verschiedene Methoden und Kombinationen verbreitet, alle bedingen jedoch tiefgreifendes Fachwissen und besonders zu Beginn einen enormen Ressourcenaufwand, der beispielweise von kleineren KMU kaum ge-tragen werden kann.

1.3.6 Vergleiche zum Maschinenbau

Da sämtliche betrachteten Technologien, also CAD, CAM und CNC ursprüng-lich dem Maschinenbau entstammen, ist es sinnvoll dort auch nach bereits be-kannten Möglichkeiten zur effizienten Bearbeitung von NURBS Geometrien zu suchen.

Bei vielen CAM Systemen aus dem Maschinenbau erfolgt die Berechnung der Zerspanung aus einem Vergleich. Dabei wird die fertige Geometrie, welche mit einem CAD in ein Austauschformat konvertiert wurde, mit der Geometrie des Rohlings verglichen. Die Rohlinge werden meist im CAM System definiert. Die Bearbeitungsstrategien werden vielfach manuell definiert und dann vom CAM System berechnet.

Es gibt verschiedene Einflussgrössen, die einen Vergleich vom Maschinenbau zur Holzbranche erschweren. Die unterschiedlichen Materialeigenschaften sind ein erster Punkt. Der Grossteil der im Maschinenbau bearbeiteten Stoffen sind homogen aufgebaut und besitzen, im Gegensatz zum Holz, keine rich-tungsabhängigen Eigenschaften, welche bei der Zerspanung berücksichtigt werden müssen. Das Hauptaugenmerk liegt eher bei der zu erreichenden Prä-zision und Oberflächengüte durch das Herstellverfahren. Zum anderen erlau-ben die viel grösseren Stückzahlen als im Holzbau mehr manuelle Nacharbeit im CAM System, um die Maschinendurchlaufzeiten so tief wie möglich zu hal-ten.

Aus den genannten Gründen spielt also die Form, in der die Geometrie von CAD an CAM Systeme weitergegeben werden, für die Anwender eine sekundäre Rolle.



1.3.7 Vergleiche zur Automobilindustrie

Die Definitionen für NURBS stammen ursprünglich aus der Automobilindustrie. Sie wurden dafür geschaffen, Geometrieinformationen präzise weitergeben zu können. Im Automobilbereich betrifft dies vor allem sogenannte «Class A» Flä-chen. Diese kommen bei sichtbaren Teilen zur Anwendung, bei denen hohe Ansprüche an die Ästhetik und das Reflexionsverhalten gefordert werden. (Adam, 2018) (Wikipedia contributors, 2018)

Da sich auch die Automobilindustrie in den letzten 50 Jahren verändert und weiterentwickelt hat, werden diese Teile heutzutage von Zulieferern gefertigt. Hier findet eine Unterteilung von Bauteilen für den Aussenbereich (also Karos-serie) und den Innenbereich statt. Dennoch bleibt deren ursprüngliche Herstel-lung sehr ähnlich. Blechteile für den Karosseriebereich werden meist mit Hilfe gefräster Matrizen in Form gepresst, währenddem Cockpitteile aus Kunststoff durch Giessen oder Spritzgiessen hergestellt werden. Bei beiden Verfahren wird die benötigte Urform aus Metall gefräst oder erodiert, um dann daraus grosse Stückzahlen herstellen zu können. Das Vorgehen beim Formenbau kann mit dem allgemeinen Maschinenbau verglichen werden.

1.3.8 Aufbau von NURBS in BTL 10.6

Der Entwurf der NURBS Bearbeitung für die BTL-Schnittstelle, welcher bereits von Lignocam entwickelt wurde, ist mit insgesamt sieben Parameter aufge-baut. Untenstehend sind die einzelnen Parameter in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2: Aufbau NURBS BTL-Bearbeitung

Parametername Syntax Datentyp Inhalt

NURBS_COUNT_U «3» Integer Anzahl Kontrollpunkte in U-Richtung

NURBS_COUNT_V «3» Integer Anzahl Kontrollpunkte in V-Richtung

NURBS_DEGREE_U «2» Integer Grad der Kurve in U-Richtung

NURBS_DEGREE_V «2» Integer Grad der Kurve in V-Richtung

NURBS_CON-TROLPOINTS

«0. 4. 8. 1.» Doubles, Punktge-trennte Liste

Koordinaten der Kontroll-punkte in der Form «X. Y. Z. Wichtung.»

NURBS_KNOTS_U «0. 0. 1. 1.» Doubles, Punktge-trennte Liste

Knotenvektoren von U

NURBS_KNOTS_V «0. 0. 1. 1.» Doubles, Punktge-trennte Liste

Knotenvektoren von V



2 Zielsetzung

2.1 Grundidee

Aufgrund der aktuellen Bausituation ist ersichtlich, dass Freiformgeometrien in den nächsten Jahren stark an Bedeutung gewinnen werden. Aus diesem Grund soll es für Holzbauer möglich sein, eine «Architektengeometrie» mög-lichst unverändert und vor allem ohne komplexe Zwischenschritte bis hin zu den Maschinenbearbeitungen weiterzugeben.

Deshalb sollen folgende Grundideen in diese Arbeit einfliessen:

- Prozessoptimierung,Rationalisierung und Standardisierung der Frei-formbearbeitungen im CAD-CAM Bereich.

- Integration und Beschrieb von NURBS Geometrien in die BTL Schnitt-stelle.

- Durchgängigere CAD-CAM Verarbeitung ohne Änderung des ursprüng-lichen Geometrieformats um Informationsverluste zu eliminieren.

2.2 Konkrete Ziele

Tabelle 3: Beschrieb Zielvorgaben

Teilbereich Beschrieb

BTL NURBS Aufbau und Beschrieb der NURBS Geometrien in der BTL Schnittstelle. Theoretischer Beschrieb des Aufbaus von NURBS, im Hinblick auf einen Implementierungsvorschlag für CAD Anbieter.

Bestehende Technologien

Vergleich bestehender Technologien (z.B. Maschinenindust-rie) in Bezug auf Datenübergabe in NURBS oder ähnlichen Formaten.

Prüfung einer Integration in die Prozesse der Holzbauer.

Vorschlag CAD Für CAD-Software soll ein Vorschlag für die Integration der Ausgabe von NURBS Geometrien erstellt werden.

Schnittstelle Aus der Arbeit soll für CAD und CAM Anbieter ersichtlich sein, wie die NURBS Geometrien standardmässig implemen-tiert werden können.

Freiformab-läufe aufzeigen

Bis anhin sind die Fertigungsabläufe im Hinblick der Gene-rierung der Maschinendaten sehr komplex und aufwendig.

Hier soll der Nutzen der Integration von NURBS Geometrien für Holzbauer und CAD Anbieter aufgezeigt werden können.



2.3 Abgrenzungen

Tabelle 4: Beschrieb Abgrenzungen

Teilbereich Abgrenzung

Makros Im Zuge der Arbeit werden keine Bearbeitungsstrategien von Fräsbearbeitungen für NURBS Geometrien erarbeitet.

Umfang Damit die schriftliche Projektarbeit für unseren Industrie-partner attraktiv bleibt, wird bei zu theoretischen Grundla-gen auf weiterführende Literatur verwiesen.

3 Methodik

3.1 Vorwort

Da Kurven und Freiformgeometrien wohl mehr in die Vorlesungspläne der Ar-chitektur gehören, war schnell klar, dass wir sehr viele grundlegende Informa-tionen vorgängig aufarbeiten müssen. Wir begannen mit dem Anschreiben von uns bekannten Firmen und Personen mit Fachwissen in diesen Bereichen. Schnell zeigte sich ein grosses Interesse an dieser Arbeit. Nach den ersten Ge-sprächen wurden wir an weitere Firmen und Fachpersonen vermittelt und konnten daraus enorm viel hilfreiches Fachwissen mitnehmen.

3.2 Informationen zusammentragen

Das folgende Kapitel zeigt den methodischen Ablauf der wichtigen Informationssammlung zu dieser Arbeit in chronologischer Reihenfolge.

3.2.1 Lignocam, Kickoffmeeting

Meeting Lignocam

Datum 21. September 2018

Personen Jean Roulier (Geschäftsleiter)

Markus Wassmer (Entwicklung)

Ziel Struktur und Strategie für die Arbeit festlegen

Ort Café Stadt Biel

Bei diesem Kickoffmeeting mit Jean Roulier und Markus Wassmer schilderten Sie zunächst ihre Visionen über die zukünftige Handhabung solcher Geomet-rien.

Markus Wassmer beschäftigt sich bereits seit über einem Jahr mit dem Thema NURBS im Zuge eines internen Projekts. Er schilderte dabei die weitreichenden Möglichkeiten freie Geometrien einfach abzubilden.



Der Stand dieses internen Projekts wurde vorgeführt. In der neusten Beta-Ver-sion des BTL Viewers war es bereits möglich, NURBS Geometrien zu importie-ren und rudimentär darzustellen. Weiterführende Bearbeitungen waren nicht möglich.

Des Weiteren konnte der Aufbau der BTL-Kooperation zwischen den drei Fir-men cadwork, SEMA und Lignocam angesprochen und nachvollzogen werden.

Nach den ersten Einblicken zur Ausgangslage dieser Arbeit wurden die Ziele sowie die grundlegende Vorgehensstrategie besprochen.

Daraus entstanden die Zieldefinitionen welche im Kapitel 2.2 «Konkrete Ziele» niedergeschrieben sind.

Aus dem Kickoffmeeting war bereits ersichtlich, dass diese Arbeit zum einen Teil aus einer Art Forschung im Bereich des technologischen Forstschritts für NURBS Geometrien im Holzbau besteht, zum anderen Teil soll dieses Projekt eine Wegleitung abliefern, an welchem sich die Softwarefirmen orientieren kön-nen.

3.2.2 D2P, Informationsaustauch

Meeting Design to Production (D2P)

Datum 03. Oktober 2018

Personen Hanno Stehling (Managing Partner)

Ziel NURBS Datenabläufe kennen

Vorgehen mit Woodpecker erarbeiten

Ort Firmensitz D2P Erlenbach, Zürich

Design to Production ist eine der führenden Firmen im Bereich der komplexen Gebäudemodellierung. Bei speziellen Holzbauprojekten bilden sie die Schnitt-stelle zwischen Architektur und Maschine. Ebenso sind sie die Entwickler der der Woodpecker Schnittstelle für Rhino/Grasshopper.

Hanno Stehling zeigte uns bei diesem Informationsaustausch die komplexen Vorgänge seiner Projekte.

Zusammen mit Hanno diskutierten wir die Aufbauten von NURBS Geometrien bei seinen Datenabläufen und erarbeiteten einige zukünftige Möglichkeiten.

Ein wesentlicher Vorteil bei der Weiterverarbeitung von NURBS-Geometrien bis zum CAM oder gar bis zur Steuerung hin, stellt der wegfallende Informations- und Genauigkeitsverlust dar. Bei jeder Diskretisierung einer Kurve wird die Ge-ometrie in Polygonzüge unterteilt (siehe Abbildung 8).



Abbildung 8: Besprechungsnotiz, Unterschied Polygonzug - NURBS

Dabei kann die Genauigkeit über die maximale Länge der Segmentlinien oder über die maximale Distanz zwischen Sehne und Kurve gesteuert werden. Ein Genauigkeitsverlust findet allerdings immer statt. Des Weiteren ist die Geo-metrie anschliessend zerstört. Das heisst beispielsweise, die Kurven können nicht mehr an einem Kontrollpunkt gezogen werden und die gesamte Geomet-rie passt sich auch nicht mehr den neuen Kontrollpunkten an. Ebenfalls erhöht sich der Speicheraufwand solcher Geometrien immens, was allerdings heutzu-tage durch die grossen Speicherkapazitäten nicht mehr ein elementares Krite-rium darstellt.

Abbildung 9: Besprechungsnotiz, Unterschiede bei der Segmentierung/ Erstellung von Regelflächen



Bei der Segmentierung einer NURBS Fläche zu einer Regelfläche gibt es ver-schiedene Varianten der Berechnung der Segmentlinien. Beim Woodpecker Ex-port beispielsweise werden die Segmentlinien anhand der oberen Kante, der sogenannten Master Curve, ausgerichtet (Abbildung 9). Dies hat den Vorteil, dass bei der späteren Bearbeitung mit einem Schaftfräser auch diese Segment-linien zur Steuerung übergeben werden.

Momentan werden bei Design to Production firmeninterne Tools verwendet, um Fräsbahnen zu berechnen. Gleichzeitig werden die nötigen Offsetkonturen generiert, welche eine vorgängige Grobzerspanung ermöglichen (Abbildung 10). Mit Hilfe dieser Tools werden ebenfalls BTL Dateien erstellt, die bereits segmentierte Geometrie enthalten, welche z.B. mit Lignocam weiterverarbeitet werden können.

Abbildung 10: Besprechungsnotiz, momentane Übergabe in BTL

3.2.3 PointLine, Informationsaustausch

Meeting PointLine CAD


Personen Andreas Burch (Leiter Entwicklung)

Ziel Aufbau Geometrien softwareseitig verstehen

Ort Büro Steinhausen

Bei diesem Austausch mit Andreas Burch ging es einerseits darum die Geomet-rieaufbauten softwareseitig zu verstehen. Andererseits diskutierten wir die Ex-portmöglichkeiten verschiedener Geometrieformate.

Schnell zeichnete sich eine Problemstellung bei der Entwicklung von CAD Soft-ware im Bereich von NURBS und ähnlichen Geometrien ab.

Wie soll das User Interface (GUI) zum Aufbau dieser Geometrien aussehen?

Diese Frage wurde auch in der Entwicklung des PointLine CAD diskutiert und konnte noch nicht vollständig beantwortet werden. Da NURBS aufgrund des



Aufbaus zwischen Kontrollpunkten interpolieren, können nur erschwert mass-haltige Konstruktionen gezeichnet werden. Grad und Gewichtungen machen die Erstellung noch komplexer.

Im Zuge der Diskussion über Exporte von NURBS-Geometrien, diskutierten wir auch eine mögliche Implementation der Rhino openNURBS Initiative. Diese bie-tet Opensource Tools zur Übertragung von 3D-Geometrien an.

Das Treffen hat uns aufgezeigt, dass die exportierten Informationen eines CAD’s nicht zwingend deckungsgleich mit den angezeigten Informationen übereinstimmen müssen, da die graphische Oberfläche häufig einen anderen Kernel verwendet als die Exportfunktionen.

3.2.4 Philipp Föhn, Informationsaustausch

Meeting Philipp Föhn


Personen Philipp Föhn (PHD at Robotics and Perception Group, Uni-versity of Zurich)

(Master Mechatronics ETH Zürich)

Ziel Erkenntnisse über Datenabläufe im Maschinenbau

Ort Schwyz

Philipp zeigte uns einige Datenabläufe, welche im Bereich des Maschinenbaus angewendet werden. Im Zuge der Diskussion und Nachforschungen kamen mehrere Möglichkeiten auf, Splines sowie auch NURBS im G Code abzubilden. Diese beschränken sich allerdings grösstenteils auf den 2-dimensionalen Be-reich und sind somit nicht direkt hilfreich für unsere Arbeit.

Ebenfalls konnte im Zuge dieses Treffens der Kontakt zu einem Unternehmen im CNC Fräsbereich (CNC Dynamix) hergestellt werden.

3.2.5 Literaturrecherchen

Aufgrund der zunehmenden Komplexität dieses Themas waren wir gezwun-gen, uns nebst allen Fachgesprächen mit der Literatur der Kurven- und Flä-chengeometrie vertraut zu machen.

Deshalb wurde folgende Fachliteratur intensiv vertieft:

NURBS: From projective geometry to practical use, Gerald Farin

Kurven und Flächen im Computer Aided Geometric Design: Eine praktische Einführung, Gerald Farin

Architekturgeometrie: Helmut Pottmann, Andreas Asperl, Michael Hofer und Axel Kilian



3.2.6 Driton Komani, Mathematisches Modell

Meeting Driton Komani


Personen Driton Komani (Mathematikdozent BFH-AHB)

Ziel Erkenntnisse über den mathematischen Aufbau der NURBS-Geometrien

Ort BFH Holz Biel

Driton Komani erklärte uns das mathematische Funktionsmodell, welches NURBS zugrunde liegt. Anhand dieser entscheidenden Hinweise und mit Hilfe des Beispiels von Lignocam (Abbildung 11 & Abbildung 12) konnte anschlies-send vollständig nachvollzogen werden, wie die einzelnen Parameter zusam-menspielen. So beispielsweise, dass es sich beim Grad um die Exponenten der zugrundeliegenden Polynome der Splines handelt.

Abbildung 11: Ausschnitt Userattribute BTL Code

Abbildung 12: NURBS Flächenbeispiel Lignocam



3.2.7 Lignocam, Zwischenbericht

Meeting Markus Wassmer


Personen Markus Wassmer (Entwicklung)

Ziel Testserie analysieren

Weiteres Vorgehen besprechen

Ort TeamViewer Meeting

In diesem Meeting standen die Besprechung und Fehleranalyse der ersten Test-serie (beschrieben in Kapitel 3.3.1) im Zentrum.

Ebenso wurde das weitere Vorgehen in Bezug auf die offizielle Implementation in die BTL Schnittstelle besprochen. So beispielsweise sollte es eine separate BTL-Bearbeitung in Anlehnung an die bestehende Bearbeitung «Freie Kontur, 250» geben. Mit dem Unterschied, dass die neue Bearbeitung als NURBS Geo-metrie übergeben wird.

3.2.8 Technowood, Steuerung

Meeting Technowood GmbH

Datum 21. November 2018

Personen Urs Steinmann, Daniel Schönenberger

(Geschäftsleitungsmitglieder)

Ziel Möglichkeiten Steuerungen (ISG)

Ort Alt St. Johann

Anlässlich eines «holzTalks» des Verein Swiss Timber Engineers, konnten wir bei einer Firmenbesichtigung die Gelegenheit nutzen, einige Fragen über die Steuerungsmöglichkeiten zu stellen. Technowood verwendet hierbei einen Kernel des Herstellers ISG, welcher beispielsweise auch bei HOMAG Maschinen eingesetzt wird.

Im Hinblick auf die Weiterverarbeitung des G-Codes auf den Steuerungen inte-ressierten wir uns, inwieweit NURBS Geometrien hier zum Einsatz kommen. Im Fall von Technowood können zweidimensionale Splines gefahren werden oder HSC (High Speed Cutting) Module gekauft werden. Eine geringfügige Vereinfa-chung der Geometrie lässt sich jedoch nicht vermeiden.



3.2.9 Katharina Lindenberg, Kurven und Flächen

Meeting Katharina Lindenberg

Datum 28. November 2018

Personen Katharina Lindenberg (Dozentin Architektur BFH)

Ziel Aufbau Kurven und Flächen

Modellierung Rhino & Grasshopper

Ort Skype Meeting

Aufgrund der Zusammenarbeit in einem Projekt der AHB – Special Week, kam ein Meeting mit Katharina Lindenberg zustande.

Im Zuge des Meetings konnten viele Unklarheiten zum Aufbau von Kurven so-wie auch Flächen beseitigt werden.

Ebenfalls konnten einige Problemstellungen im Aufbau des Grasshopper Files zur BTL Ausgabe (beschrieben in Kapitel 3.5) behoben werden.

3.2.10 GiBCam, Datenabläufe

Mailverkehr GIB Dresden mbH

Datum 28.-30. November 2018

Personen Frank Adam (Geschäftsführer)

Ziel Datenwege im Maschinenbau/Automobilbau

Unsere Betreuerin Frau Rehm stellte uns freundlicherweise den Kontakt zu ei-nem CAM-Hersteller in Deutschland her. Die Firma entwickelt eine Software für den Werkzeug-, Formen- und Automobilbau namens GiBCam.

Herr Adam erklärte hierbei ihre Verarbeitung der Freiformflächen.

Im Maschinenbau müssen sämtliche mathematischen Verfahren oder Algorith-men zur Erstellung von Geometrien abgebildet werden können. Dies gehört heutzutage zu den Grundanforderungen eines CAM-Systems. Nach dem Import einer Geometrie werden die Flächen in GiBCam allerdings diskretisiert, um an-schliessend Werkzeugbahnen berechnen zu können.



3.2.11 Lignocam, Zwischenbesprechung

Meeting Markus Wassmer

Datum 6. Dezember 2018

Personen Markus Wassmer (Entwicklung)

Ziel Besprechung Testserie Export BTL aus Rhino

Ort Holzbauforum Garmisch-Partenkirchen

In dieser Zwischenbesprechung diskutierten wir unsere Testserie der BTL Ex-porte aus Rhino zusammen mit Markus. Einerseits konnten so Schwierigkeiten in der Aufbereitung analysiert werden. Andererseits wurden Problemstellun-gen in der Weiterverarbeitung bis hin zur Fräsbahngenerierung diskutiert.

3.2.12 Design to Production, Meeting

Meeting Hanno Stehling


Personen Hanno Stehling (Managing Partner)

Ziel Möglichkeiten Integration NURBS BTL/Woodpecker

Ort Holzbauforum Garmisch-Partenkirchen

Das Holzbauforum in Garmisch-Partenkirchen war ideal, um Fachgespräche für diese Arbeit aufzugleisen. So verabredeten wir uns erneut mit Hanno Stehling.

Im Zuge dieses Meetings zeigten wir unseren Stand der NURBS-Exporte und besprachen erstmals konkrete Möglichkeiten von NURBS in Woodpecker. Sei-tens D2P ist allerdings keine Erweiterung des Woodpecker Exports geplant. Zumal D2P ohne Woodpecker arbeitet und die Geometrien per Python-Skripts exportiert. Dennoch könnte die BTL Erweiterung um NURBS-Geometrien auch für D2P hilfreich sein, um ihre komplexen Flächen ohne Informations- und Ge-nauigkeitsverluste zu exportieren.



3.2.13 Kai Strehlke, Datenabläufe

Meeting Kai Strehlke


Personen Kai Strehlke (Dozent Architektur BFH)

(Leiter digitale Prozesse, Blumer Lehmann AG))

Ziel Datenaufbereitungen Maschinentechnisch

Ort BFH-AHB Burgdorf

Nach dem Holzbauforum trafen wir uns mit Kai Strehlke, um zu sehen, wie er seine Maschinendaten aufbereitet. Aus diesem äusserst interessanten Ge-spräch konnten wir neue Inputs über die Extraktion der Isokurven aus der Rhino Geometrie sowie die Schwierigkeiten dazu mitnehmen. Ebenfalls erhiel-ten wir neue Einsichten bezüglich der Reihenfolge der Kontrollpunkte im Zu-sammenhang mit der Aussen- und Innenfläche der NURBS-Geometrie. Dies ist wichtig für die spätere Aufbereitung des Maschinencodes.

3.2.14 Vorbereitungen, Informationsmeetings CAD

Da nun ein präsentierbarer Stand der Arbeit erreicht wurde, war es an der Zeit, die beiden weiteren Trägerfirmen der BTL-Schnittstelle über die geplante Er-weiterung zu informieren. Zunächst bereiteten wir diese beiden Meetings vor.

Folgenden Standpunkt, den wir aufgrund unserer Arbeit erkennen, möchten wir im Zuge dieser Meetings weitergeben:

- Wir sehen grosses Potenzial für den «Holzbau der Zukunft» bei der In-tegration solcher Geometrien.

Natürlich kann eine Firma nicht immense Ressourcen in ein solches Projekt stecken, deshalb unterteilten wir unsere Anliegen in verschiedene Phasen.

Phase Beschrieb

BTL NURBS Ausgeben der NURBS Geometrien in BTL

Automatisierte Bearbeitungserkennung von sog. «Freiform-flächen» evtl. im Stil von Woodpecker mit Master- und Slave-Curve

Damit Freiformgeometrien im CAD eingelesen werden kön-nen und anschliessend im BTL Format exportiert werden.

Bearbeiten der NURBS Geometrien

NURBS Geometrien sollen bearbeitet werden können, damit Verbindungen hinzugefügt werden können

Erstellen der NURBS Geometrien

Freiformgeometrien sollen erstellt und konstruiert werden können.



Ebenfalls wurden verschiedene Gründe für eine Investition in eine Erweiterung zusammengetragen.

Gründe Erweiterungen Freiformgeometrien:

- Architekten werden aufgrund von zahlreichen Referenzobjekten bei speziellen Formen auf den Holzbau zurückgreifen. Deshalb besteht hier ein grosses zukünftiges Marktpotenzial für alle Holzbauer.

- Ohne die passenden Bearbeitungstools ist es den Holzbauern nicht möglich Freiformprojekte umzusetzen. In dieser Situation sind sie ge-zwungen auf andere Software auszuweichen (Rhino usw.)

- Eine vollumfängliche Datendurchgängigkeit von Rhino – Cadwork – Lig-nocam wäre visionär und ermöglicht neue Datenabläufe, wobei ein noch grösserer Anteil der Wertschöpfung im Holzbau bleiben könnte.

Risiken

- Die Schwierigkeit bei Freiformflächen liegt in der Erzeugung und Her-stellung der Geometrie. Dies müsste primär allerdings nicht die Sache des Holzbauers sein. Dennoch werden geeignete Funktionen benötigt, um Geometrien bearbeiten zu können.

3.2.15 SEMA, Informationsmeeting

Meeting SEMA GmbH


Personen Georg Keller (Software Entwickler)

Manfred Pfeiffer (Software Entwickler)

Ziel Möglichkeiten Integration NURBS in Schnittstelle und Soft-ware


Das Interesse an unserer Arbeit war im Vorfeld des Meetings sehr gross. Die Präsentationen der momentan aufgebauten Funktionen wurden ebenfalls po-sitiv aufgenommen.

Eine mögliche Umsetzung konnte allerdings nicht direkt in Betracht gezogen werden. Zuerst müsse die Schnittstelle in beiden Formaten (BTL und BTLx) of-fiziell erweitert werden.

Ebenfalls müssten einige Funktionen, um NURBS-Geometrien in diesem Schnittstellenformat ausgeben zu können, erst noch aufgebaut werden.

Aus unserer Sicht war dieses Meeting dennoch erfolgreich, da sich das Unter-nehmen nicht nur ein Bild der Schnittstellenerweiterung machen konnte, son-dern auch bereits sah wie solche Geometrien zukünftig importiert und verar-beitet werden könnten.



3.2.16 CADWORK, Informationsmeeting

Meeting Cadwork informatik software GmbH, Hildesheim


Personen Susanne Quast (Entwicklung)

Dirk Gnutzmann (Geschäftsführer)

Markus Wassmer (Entwicklung, Fa. Lignocam)

Ziel Möglichkeiten Integration NURBS in Schnittstelle und Soft-ware


Auch bei cadwork war das Interesse an diesem Meeting sehr gross.

In cadwork gibt es bereits Funktionen, welche quasi ein durchschleusen von Freiformgeometrien ermöglichen. Allerdings sind auch hier die Funktionen zum Bearbeiten und exportieren in BTL noch nicht vorhanden.

Cadwork steht der Erweiterung der Schnittstelle offen gegenüber. Gewünscht wird ebenfalls, dass die Erweiterung in beiden Formaten (BTL und BTLx) statt-findet.

3.2.17 CNC Dynamix, Datenabläufe

Mailverkehr CNC Dynamix

Datum 16-18. Dezember 2018

Personen Ruedi Weber (Geschäftsführer)


Auch das CAM System von CNC Dynamix arbeitet durchgehend mit allen Flä-chen. Bei Importen sowie Exporten bleiben NURBS oder auch Bézier Geomet-rien vorhanden. Unklar bleibt aber welche Geometrie schlussendlich zur Be-rechnung der Fräsbahnen verwendet wird.



3.2.18 MasterCAM, Datenabläufe

Mailverkehr MasterCAM

Datum 18.-22. Dezember 2018

Personen Bruno Good (Verkauf und Support)


MasterCAM kann Geometrien importieren, ohne daraus Polygonzüge oder Meshs zu erstellen. Die ursprünglichen Formate bleiben also erhalten.

Auch zur Fräsbahngenerierung können die ursprünglichen Freiformgeomet-rien verwendet werden.

Gängige Formate bei der Übernahme von Freiformgeometrien bei MasterCAM sind Dateien im STEP und IGES Format.

3.3 Testserien

Mittels verschiedener Testserien versuchten wir uns in die Komplexitäten der NURBS Geometrien einzuarbeiten und gleichzeitig die ersten Aufbauten von Lignocam zu testen.

3.3.1 Testserie 1, BTL - NURBS Import

In der ersten Testserie bestand das Ziel darin, das Verständnis für die einzel-nen Parameter des NURBS Import von Lignocam besser zu verstehen.

Dazu wurde die Musterfläche aus Abbildung 13 und Abbildung 14 verwendet, bei welcher verschiedene Parameter manipuliert wurden (Abbildung 15).

Abbildung 13: Ausgangsgeometrie Lignocam, BTL Viewer

Abbildung 14: Ausgangsgeometrie Lignocam seitlich, BTL Viewer



Abbildung 15: Ausschnitt Ausgangscode Lignocam

Bei dieser Testserie konnten die Funktionalitäten des Lignocam Imports der NURBS-Geometrien sehr gut mit den definierten mathematischen NURBS Re-geln verglichen werden.

So wurde beispielsweise die Anzahl der Knotenpunkte in U- Richtung um einen Knotenpunkt verringert:

"NURBS_COUNT_U": "4"

Deshalb mussten auch die entsprechend wegfallenden Kontrollpunkte aus der Datei gelöscht werden.

In diesem Beispiel wurde jeder Kontrollpunkt mit dem Y-Wert von 220mm so-wie die dazugehörende Wichtung gelöscht.

"NURBS_CONTROLPOINTS": "100. 20. 0. 1. 100. 70. 0. 1. 100. 120. 0. 1. 100. 170. 0. 1. 150. 20. 0. 1. 150. 70. 25. 1. 150. 120. 50. 1. 150. 170. 25. 1. 200. 20. 0. 1. 200. 70. 25. 1. 200. 120. 50. 1. 200. 170. 25. 1. 250. 20. 0. 1. 250. 70. 25. 1. 250. 120. 150. 1. 250. 170. 25. 1. 300. 20. 0. 1. 300. 70. 0. 1. 300. 120. 0. 1. 300. 170. 0. 1."

Ebenfalls mussten die Knotenvektoren entsprechend der Regel «Grad plus Anz. Kontrollpunkte minus Eins» angepasst werden

"NURBS_KNOTS_U": "0. 0. 0. 1. 1. 1."

Im Anschluss erscheint ein leicht verändertes Abbild der NURBS-Fläche (Abbil-dung 16).

Abbildung 16: Versuch Testserie 1, BTL Viewer

Diese Testserie gab uns vertiefte Einblicke in die Zusammenhänge der einzel-nen Parameter. Ebenfalls konnten wir einzelne Fehler im Import feststellen, welche im Anschluss von Markus Wassmer behoben wurden.

Die gesamte Testserie ist im Anhang in Testserie 1abgebildet.



3.3.2 Testserie 2, Aufbau NURBS Fläche

In dieser zweiten Testserie sollte eine eigens manuell definierte NURBS-Fläche aufgebaut und im BTL Viewer abgebildet werden können. Dies diente uns da-bei, zu kontrollieren ob wir den Aufbau der Geometrie bereits verstanden hatten. Dazu wurden mittels cadwork zwei imaginäre Kurven mit je fünf Kontroll-punkten definiert (Abbildung 17).

Abbildung 17: definierte Kontrollpunkte in cadwork

Der Grad in V-Richtung sollte dabei eins sein und damit eine Gerade bilden. So sollte die Fläche eine Regelfläche darstellen. Die Reihenfolge der Kontrollpunkte ist dabei sehr entscheidend. Wird sie nicht korrekt eingehalten, so entstehen seltsame Flächenkonstellati-onen wie in Abbildung 18 ersichtlich.

Abbildung 18: Testserie 2, falsche Reihenfolge der Kontrollpunkte, BTL Viewer

Schlussendlich konnte eine saubere manuell aufgebaute Regelfläche aus ei-ner NURBS Geometrie abgebildet werden (Abbildung 19).



Abbildung 19: Resultat Testserie 2, BTL Viewer

3.4 Testserie 3, Export BTL mittels Rhino & Grasshopper

Das Ziel dieser Testserie war es, eine eigens gezeichnete Fläche zu exportie-ren und im BTL-Viewer exakt darstellen zu können. Dazu wurde zunächst die gleiche NURBS-Fläche wie in der Testserie 2 in Rhino erstellt (Abbildung 20).

Abbildung 20: NURBS-Fläche modelliert in Rhino

Zu dieser Fläche konnten die benötigten Informationen mittels Grasshopper-Komponenten herausgelesen und manuell in das BTL File geschrieben wer-den (Abbildung 21).



Abbildung 21: Informationen exportieren mittels Grasshopper Komponenten

Für den Export der Grade in U und V Richtung gab es keine standardmässige Komponente. Dies kann aber aus der Objektbeschreibung einer Fläche in Rhino ausgelesen werden. Die Zusammenstellung der Knotenvektoren erfolgte bei der Testserie eben-falls manuell. Schnell zeigte sich wiederum die Problematik, dass die Kontrollpunkte nicht in der richtigen Reihenfolge ausgegeben werden, was zu extrem veränderten Geometrien führte. Im Beispiel von Abbildung 22 wurden anschliessend zuerst die Kontroll-punkte der unteren Kurve definiert und anschliessend die Kontrollpunkte der oberen Kurve.

Abbildung 22:Ausschnitt Code BTL NURBS-Fläche



3.5 Testserie 4, Dach gebogen

Das Ziel dieser Testserie bestand darin aus einer in Rhino modellierten Fläche dynamisch ein komplettes BTL-File zu erzeugen. Damit jede NURBS Fläche mit diesem Grasshopper File in BTL exportiert werden kann. Dazu musste zunächst die Problematik der Reihenfolge der Kontrollpunkte gelöst werden. Die in Abbildung 23 abgebildeten Komponenten sorgen dafür, dass die Kon-trollpunkte in der gewünschten Reihenfolge ausgegeben werden. In diesem Beispiel wird wiederum die untere Kurve zuerst ausgegeben und dann die obere Kurve.

Abbildung 23: Extraktion der Kontrollpunkte, richtige Reihenfolge

Eine weitere Schwierigkeit bestand darin, den Grad einer Kurve zu extrahie-ren. Dazu musste das Rhino McNeel Forum kontaktiert werden, um uns etwas Hilfestellung zu leisten. Mittels einer C# Komponente konnten die Grade der beiden Kurven anschliessend extrahiert werden (Abbildung 24).

Abbildung 24: Komponenten zum extrahieren des Grades einer Kurve, Grasshopper



So konnte nun eine beliebige NURBS Fläche erstellt und mit dem Grasshopper File gekoppelt werden, um automatisch ein funktionierendes BTL File zu er-halten. Getestet wurde dies mit der in Abbildung 25 zu sehenden NURBS Flä-che.

Abbildung 25: NURBS Fläche Testserie 4, Rhino

Das ganze Grasshopper File (siehe Abbildung 26) enthielt dabei bereits einige Komponenten, um ein komplettes BTL auszugeben.

Abbildung 26: Ansicht komplettes Grasshopper File

3.6 Testserie 5, doppelt gebogener Träger

Um die Praxistauglichkeit der BTL Erweiterung richtig zeigen zu können, mo-dellierten wir in Rhino einen doppelt gebogenen Träger.



Der in Abbildung 27 ersichtliche Balken ist in zwei Richtungen gekrümmt. Die einzelnen Seitenflächen sind als NURBS-Flächen abgebildet. Der Grad in einer Richtung ist eins, damit die Flächen wiederum als Regelflächen betrach-tet und bearbeitet werden können.

Abbildung 27: doppelt gekrümmter Balken

Mit einer Erweiterung des bestehenden Grasshopper Files konnten alle vier Seiten des Balkens in ein BTL File exportiert werden (Abbildung 28).

Abbildung 28: Darstellung doppelt gebogener Träger, BTL Viewer

Ebenfalls wurden erste Testversuche unternommen die Rohlingsgeometrie als X3D Modell im selben BTL File mitzugeben (Abbildung 28).

Abbildung 29: Rohlingsgeometrie, BTL Viewer

Dieses Vorhaben wurde allerdings aus zeitlichen Gründen nicht abgeschlos-sen.



4 Ergebnisse

4.1 BTL NURBS

Wir konnten uns im Laufe dieser Projektarbeit das notwendige Wissen über NURBS und das BTL Format erarbeiten, die Erkenntnisse dazu sind im Kapitel 1.3 «Stand des Wissens» aufbauend beschrieben.

4.2 Vergleich bestehende Technologien

Der Import von Freiformgeometrien ist in CAM-Systemen des Maschinen-, For-men- oder Automobilbau verbreitet. Geometrien wie NURBS oder Bézier kön-nen von den gängigen Systemen importiert und zumeist auch wieder expor-tiert werden.

Die Handhabung der Flächen zur Berechnung der Werkzeugbahnen wird aber vielfach diskret durchgeführt. Es gibt allerdings Systeme welche Fräsbahnen direkt aus den Freiformgeometrien berechnen.

Ein ähnliches Verfahren oder Schnittstellenformat, welches die Bearbeitungs-spezifischen Daten bereits beim Export aus der CAD Software in die späteren Bearbeitungen unterteilt, konnte allerdings nicht gefunden werden.

Alle im Zuge der Informationssammlung dieser Arbeit betrachteten Systeme importieren reine Geometriedaten ohne bearbeitungsspezifische Voreinstel-lungen, anders als beispielsweise in der BTL-Schnittstelle.

Deshalb ist ein direkter Vergleich der Datenwege mit Vorsicht zu betrachten.

Grundsätzlich sollten bei Datenabläufen die verwendeten Stückzahlen berück-sichtigt werden. So ist ersichtlich, dass beispielsweise im Maschinenbau ver-hältnismässig sehr viel Zeit in der Aufarbeitung der Fräsbahnen im CAM Sys-tem aufgewendet werden kann, da die Stückzahlen meist sehr hoch sind. Für den Holzbau gilt dies allerdings nicht. Deshalb ist es wichtig die manuelle Nacharbeit im CAM System so gering wie möglich zu gestalten.

4.3 Schnittstelle BTL

Mit dem aktuellen Vorschlag der NURBS Bearbeitung von Lignocam, werden sieben Parameter benötigt, um die Geometrie fehlerfrei zu übertragen. Beim Sammeln von Informationen hat sich herausgestellt, dass für die grosse Mehr-heit der aktuellen Projekte Regelflächen bearbeitet werden müssen. Dieser Um-stand ermöglicht einige Vereinfachungen bei der Bearbeitungserkennung.

Regelflächen können aus einer simpleren Definition als Freiformen erzeugt werden, beispielsweise aus einem «oberen Konturzug» (Master-Curve) und ei-nem «unteren Konturzug» (Slave-Curve), also sehr ähnlich wie Fünfachskontu-ren bereits jetzt in BTL definiert werden. Ein Beispiel Ablauf ist nachfolgend Beschrieben und in Abbildung 30 zu sehen.



Abbildung 30: Schematische NURBS Definition, Rhino

Dadurch ergibt sich die eine Richtung, sagen wir V folgendermassen: die An-zahl Kontrollpunkte entspricht der Anzahl Kurven, also zwei. Der Grad in V Richtung einer Regelfläche ist bekanntermassen gleich eins. Dadurch ergeben sich die Knotenvektoren in V-Richtung mit Null und Eins («0. 1.»).

Durch die Wahl der zwei Leitkurven kann ein grösseres Problem, nämlich die Reihenfolge, in der die Kontrollpunktkoordinaten und deren Wichtung aufge-listet werden, umgangen werden. Hier gilt es die Kontrollpunkte beider Kurven in der gleichen Reihenfolge aufsteigend aufzulisten und gleichzeitig die Nor-male der NURBS zu finden. Das heisst die Seite auf der bearbeitet werden soll. Zur Vervollständigung der Geometrie fehlen also noch die Angaben zur Anzahl der Kontrollpunkte, des Grades und der Knoten der NURBS Kurve in U-Rich-tung.

4.4 Vorschlag CAD

Nach der Erweiterung der offiziellen BTL-Schnittstelle in beiden Formaten BTL und BTLx liegt es an der CAD-Entwicklung einen passenden Export für Frei-formgeometrien zu entwickeln.

Zunächst sollten bereits erstellte Freiformgeometrien gehandhabt werden kön-nen. Mittels einer automatisierten Bearbeitungserkennung, wie sie bereits jetzt für freie Konturen eingesetzt wird, sollte ein Export von NURBS Regelflächen in BTL möglich sein.

Für den Import und Export der NURBS Geometrien kann eine Implementation der Rhino SDK von McNeel & Associates geprüft werden.

Nach diesem Schritt wäre es möglich Freiformgeometrien aus der Architektur herzustellen, ohne die holzbauspezifischen Softwares zu verlassen.



In einem nächsten Schritt sollten die NURBS Flächen in den CAD-Softwares be-arbeitet werden können. Dies wäre ein immens wichtiger Schritt und erlaubt den Holzbauern Verbindungen selbst zu konstruieren.

In einem weiteren Schritt sollte es möglich sein, NURBS Geometrien im CAD zu erstellen. Damit wäre eine grundlegende Konstruktion von Freiformgeometrien ermöglicht. Das GUI der Funktionen könnte in einem ähnlichen Stil wie dasje-nige der Architektursoftware Rhino entwickelt werden.

Nach Erstellung dieser drei Funktionalitäten wäre ein sehr grosser Schritt ge-tan, um Holzbauern die Herstellung komplexer Bauteile zu ermöglichen und zukünftig ein Grossteil der Planungswertschöpfung im Holzbau zu behalten.

4.5 Freiformabläufe aufzeigen

Der Ablauf bei der Bearbeitung von Freiformflächen sollte sich mit der Integra-tion in die BTL-Schnittstelle wesentlich vereinfachen. Der Nutzen für die An-wender ist in erster Linie die Effizienzsteigerung sowie die damit verbundenen Kosteneinsparungen.

4.6 Ausblick

Nach der Integration in die BTL-Schnittstelle wird die Entwicklung von geeig-neten Bearbeitungsstrategien zur Priorität. Wie bei allen BTL Bearbeitungen stehen auch bei den Regelflächen sehr viele Strategien im Raum. Am wahr-scheinlichsten könnten dabei ähnliche Makros angewendet werden wie bei der derzeitigen Bearbeitung von Konturen.

Das zweite grosse Thema wird die Handhabung grosser Spanvolumen werden. Im Maschinenbau lässt sich beobachten, dass beinahe alle CAM Systeme die Zerspanung jeweils über einen Vergleich des rohen Bauteilvolumens mit der Endgeometrie berechnen. Für die Freiformbearbeitungen in BTL wird dieser Schritt auf lange Sicht ebenfalls nötig werden. Da sich die Fräsbahnen beim Schruppen von Freiformgeometrien und Regelflächen nur selten mit einfachen Offsetflächen generieren lassen.

Zu guter Letzt sehen wir, dass sich aus den Freiformkonturen auch noch an-dere Bearbeitungen weiterentwickeln könnten, z.B. Blätter und Taschen, wel-che über gekrümmte Seiten- oder Grundflächen verfügen. Auch hier werden sicherlich zuerst die Möglichkeiten zur Erstellung solcher Geometrien ein Hauptthema werden.



5 Schlusswort

Zu Beginn dieser Arbeit musste viel Zeit in die Aufarbeitung von theoretischen Grundlagen der Geometrien investiert werden. Durch das hohe Eigeninteresse an dieser Arbeit konnte allerdings schnell ein solider Wissensstand erreicht werden, um selbständig weitere Funktionen und Möglichkeiten zu erarbeiten.

Bereits bei den ersten Meetings mit Industriepartnern und weiteren Fachperso-nen stellte sich ein hohes Interesse ein. Die vielseitigen Anforderungen und Umstände einer solch komplexen Weiterentwicklung machten die Arbeit zu keiner einfachen Herausforderung. Durch grosses Engagement, sowie die stets offene Hilfsbereitschaft aller Fachpersonen und Betreuern konnten letztendlich genügend Informationen zusammengetragen werden, um einen konkreten Umsetzungsvorschlag vorzulegen.

Persönlich sehen wir enormes Potenzial in einer Erweiterung der BTL Schnitt-stelle um NURBS Geometrien. Auch im Hinblick auf die steigende Tendenz zur Fertigung von individuellen Produkten sehen wir eine Markttauglichkeit mit Hilfe von NURBS Geometrien massgeschneiderte Objekte herstellen zu können. Die Branche hat bereits mehrfach bewiesen, dass sie innert kurzer Zeit neue Technologien aufnehmen und anwenden kann. Die Betriebe sind mit ihren Pro-jekten und Maschinen bereits heute breit aufgestellt und offen für Weiterent-wicklungen. Am Beispiel der 3D Drucker zeigt sich eindrücklich, dass sich bei der Vereinfachung von Prozessen grosse Märkte entwickeln.

Wir hoffen die Erwartungen der Industriepartner mit dieser Arbeit befriedigen zu können und möchten uns an dieser Stelle noch einmal bei allen Beteiligten herzlich bedanken.

Wir sind überzeugt mit dieser Arbeit einen möglichen Weg der zukünftigen Handhabung von Freiformgeometrien im Holzbaubereich aufzuzeigen.



Eidesstattliche Erklärung

Wir versichern, dass wir diese Arbeit selbständig verfasst haben, nicht ander-weitig als Arbeit vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittel benützt sowie wörtliche und sinngemässe Zitate als solche gekenn-zeichnet haben.

Wir haben die Bestimmungen des Studiengangs Bachelor Holztechnik über die Sperrfristen und das geistige Eigentum, namentlich über die Urheber-, Publi-kations-, Verfügungs- und Nutzungsrechte zur Kenntnis genommen.

Biel, 7. Januar 2019

Bumann Bastian ……………………………….

Föhn Luca ……………………………….



Bewertung der Semesterarbeit

Gesamtnote (numerisch / ECTS-Grade) Gesamtnote (100%) ............/…... (Numerische Note auf 0,1 gerundet aus den gewichteten Teilnoten A und B. ECTS-Grades gemäss Umrechnung der Modulnotenblätter)

Teilnoten

Teilnote A Detaillierte Bewertung durch Fach-Dozierende (zusammengesetzt aus den gewichteten Teilnoten A1 bis A3) Teilnote A (75%) ...............

Teilnote A1 Fachliche Problemlösung (unter Berücksichtigung des Schwierigkeitsgrades der Aufgabenstellung) Fachliches Urteil, Qualität der Ergebnisse und Schlussfolgerungen, Vorgehen, Logik. Teilnote A1 (50% von A) ...............

Teilnote A2 Methodische Problembearbeitung Kreativität, Systematik, Eigeninitiative, eigenkritische Bewertung, Einsatz usw. Teilnote A2 (25% von A) ...............

Teilnote A3 Fachliche Vermittlung der Ergebnisse Wissenschaftlich-technische Nachvollziehbarkeit, Verständlichkeit der Abbildungen und Diagramme, Präsentationstechniken und Einsatz von Präsentationsmitteln (letztere zwei gelten nicht für die Semesterarbeit). Teilnote A3 (25% von A) ...............

Teilnote B Summarische Bewertung durch Dozent/-in des Fachs Methodik und Wissenschaft mit Fokus auf Vermittlung, Sprache, Einhaltung der Formen, Leserinnenführung und Kundenorientierung, Abstract als Publikationsmittel. Teilnote B (25%) ...............



Abnahmeerklärung und Bewertung

Die vorliegende Arbeit ist als Thesis an der Berner Fachhochschule, Fachbereich Holz, Studiengang Bachelor Holztechnik entgegengenommen worden:

Gesamtbewertung der Semesterarbeit: ......................... / ............ (zusammengesetzt aus den gewichteten Teilnoten I, II und III)

Name erstprüfender Dozent Rehm Christiane

Unterschrift: .........................................

Name zweitprüfender Dozent Maillard Denis

Unterschrift: .........................................

Coaching Experte Giroud Ronald

Unterschrift: .........................................

Ort und Datum .........................................................................

Teilnoten

Teilnote I Fachliche Problemlösung (unter Berücksichtigung des Schwierigkeitsgrades der Aufgabenstellung)

Fachliches Urteil, Qualität der Ergebnisse (Schlussfolgerungen), Vorgehen, Logik.

Teilnote I (50 %) ......................

Teilnote II Methodische Problembearbeitung

Kreativität, Systematik, Eigeninitiative, eigenkritische Bewertung der Vorgehensweise und der Ergebnisse, Einsatz usw.

Teilnote II (25 %) ......................

Teilnote III Vermittlung der Ergebnisse

Sprache, Sauberkeit, Verständlichkeit der Darstellung, Erfüllung von Formvorschriften, Einsatz von Präsentationsmitteln und Präsentationstechniken während der Verteidigung, Klarheit der Formulierung und Fragenbeantwortung, Qualität des Abstracts.

Teilnote III (25 %)......................



Schriftliche Beurteilung (Stärken und Schwächen)

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Ort und Datum: ....................................................................................

Unterschrift erstprüfender Dozent: ....................................................

Unterschrift zweitprüfender Dozent: ..................................................

Unterschrift Expertin: ........................................................................


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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Bézier-Spline (Wikipedia contributors, 2015) ............................ 3

Abbildung 2: Ablauf de-Casteljau-Algorithmus .............................................. 4

Abbildung 3: B-Spline (Wikipedia contributors, 2013) .................................... 4

Abbildung 4: Gewichtete NURBS Kurve, Rhino ............................................... 5

Abbildung 5: Regelfläche, Rhino ................................................................... 6

Abbildung 6: NURBS Freiformfläche, BTL Viewer ........................................... 6

Abbildung 7: Beispiel Ausschnitt einer BTL-Datei .......................................... 7

Abbildung 8: Besprechungsnotiz, Unterschied Polygonzug - NURBS ............ 14

Abbildung 9: Besprechungsnotiz, Unterschiede bei der Segmentierung/ Erstellung von Regelflächen ....................................................................... 14

Abbildung 10: Besprechungsnotiz, momentane Übergabe in BTL ................ 15

Abbildung 11: Ausschnitt Userattribute BTL Code ....................................... 17

Abbildung 12: NURBS Flächenbeispiel Lignocam ......................................... 17

Abbildung 13: Ausgangsgeometrie Lignocam, BTL Viewer .......................... 24

Abbildung 14: Ausgangsgeometrie Lignocam seitlich, BTL Viewer ............... 24

Abbildung 15: Ausschnitt Ausgangscode Lignocam .................................... 25

Abbildung 16: Versuch Testserie 1, BTL Viewer .......................................... 25

Abbildung 17: definierte Kontrollpunkte in cadwork ................................... 26

Abbildung 18: Testserie 2, falsche Reihenfolge der Kontrollpunkte, BTL Viewer ................................................................................................................. 26

Abbildung 19: Resultat Testserie 2, BTL Viewer .......................................... 27

Abbildung 20: NURBS-Fläche modelliert in Rhino ........................................ 27

Abbildung 21: Informationen exportieren mittels Grasshopper Komponenten ................................................................................................................. 28

Abbildung 22:Ausschnitt Code BTL NURBS-Fläche ....................................... 28

Abbildung 23: Extraktion der Kontrollpunkte, richtige Reihenfolge ............. 29

Abbildung 24: Komponenten zum extrahieren des Grades einer Kurve, Grasshopper .............................................................................................. 29

Abbildung 25: NURBS Fläche Testserie 4, Rhino .......................................... 30

Abbildung 26: Ansicht komplettes Grasshopper File ................................... 30

Abbildung 27: doppelt gekrümmter Balken ................................................ 31


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Abbildung 28: Darstellung doppelt gebogener Träger, BTL Viewer .............. 31

Abbildung 29: Rohlingsgeometrie, BTL Viewer ............................................ 31

Abbildung 30: Schematische NURBS Definition, Rhino ................................. 33

Abbildung 31: Resultat Versuch 2 ............................................................... vi

Abbildung 32: Resultat Versuch 4 .............................................................. vii

Abbildung 33: Resultat Versuch 8 ............................................................... ix

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Beschrieb aus Themenvorschläge Projektarbeiten 5. Semester PPM HS 2018_19.pdf ........................................................................................... 1

Tabelle 2: Aufbau NURBS BTL-Bearbeitung .................................................. 10

Tabelle 3: Beschrieb Zielvorgaben .............................................................. 11

Tabelle 4: Beschrieb Abgrenzungen ............................................................ 12

Glossar

Begriff Erklärung

Class A Flächen Bezeichnung für Flächen im Automobilbau, welche höchs-ten Ansprüchen bezüglich Reflektion und Krümmung ge-nügen müssen

C# C-Sharp, Eine höhere Programmiersprache

Diskretisierung Parametrisches Objekt in n-Linien oder n-Dreiecke geteilt um dargestellt oder weiterverarbeitet werden zu können.

Freiformbauten Bauwerke bei denen NURBS oder ähnliche Geometrien zur Gestaltung verwendet wurden.

Freiformgeomet-rien

Geometrie die mittels Splines oder NURBS Gestaltet wird

Freie Kontur 250

Eine definierte Bearbeitung aus dem BTL Schnittstelle

G Code Auch ISO-Code, eine maschinenlesbare Sprache für CNC-Maschinen


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GUI Graphical User Interface, die grafische Benutzeroberfläche

Isokurven In Rhino werden Isokurven dazu verwendet die einzelnen Splines einer NURBS Fläche zu visualisieren, jeder Kon-trollpunkt befindet sich auf einer Isokurve

Kernel Grundkomponente einer Software oder eines Betriebssys-tems

Makros Bezeichnung für Bearbeitungsstrategien in Lignocam

Mesh Polygonnetz zur Modellierung von 3D Objekten, im Ge-gensatz zu Freiformen, weisen sie Vereinfachungen auf, werden häufig in der Gaming- und Filmindustrie einge-setzt, da sie sich vereinfachen lassen, um die Rechenleis-tung zu reduzieren

openNURBS Eine Initiative von Robert McNeel & Associates zur Verein-fachung der Übergabe von Geometrieinformation zwi-schen Software von unterschiedlichen Herstellern https://www.rhino3d.com/opennurbs

Opensource Quelloffene Software, also für alle frei zugänglich

Polygonzug Streckenzug, der sich aus geraden Linien zusammensetzt

Postprozessor Teils von CAM Software, erstellt maschinenspezifischen ISO-Code

Schaftfräser Werkzeugform die Bearbeitungen am Umfang zulässt, ge-gensätzlich dazu sind z.B. Kugelkopffräser

Segmentierung Erstellung von Polygonzügen aus einer parametrischen Kurve, siehe auch Diskretisierung

Splines Im CAD verwendete Kurven, welche sich mathematisch be-schreiben lassen

Triangulierung Durch Dreiecke angenähert, kommt z.B. bei der Umrech-nung von NURBS zu Meshs zum Einsatz

X3D Ein 3D Datenformat, häufig für den Informationsaustausch verwendet

Literaturverzeichnis

Adam, F. (30. 11 2018). NURBS bei Gib Dresden mbH. (L. Föhn, Interviewer)


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design2machine. (2018). History. Abgerufen am 04. 01 2019 von design2machine The data transfer interface for wood constructions: https://www.design2machine.com/history.html

Lignocam SA. (2018). Lignocam. Abgerufen am 04. 01 2019 von Lignocam, CAM solution for BTL: https://lignocam.com/index.php/de/lignocam

Pottmann, H., Asperl, A., Hofer, M., & Kilian, A. (2010). Architekturgeometrie. Wien: Springer-Verlag.

Wikipedia contributors. (2013, 10 19). B-spline. Retrieved 01 04, 2019, from Wikipedia, The Free Encyclopedia: https://en.wikipedia.org/wiki/File:B-spline_curve.svg

Wikipedia contributors. (2015, 11 04). Bézier curve. Retrieved 01 03, 2019, from Wikipedia, The Free Encyclopedia: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Bezier_curve.svg&oldid=177991773

Wikipedia contributors. (06. 06 2018). Wikipedia, The Free Encyclopedia. Abgerufen am 05. 01 2019 von Class A surface: https://en.wikipedia.org/wiki/Class_A_surface

Wikipedia-Autoren. (13. 12 2018). Regelfläche. Abgerufen am 04. 01 2018 von Wikipedia, Die freie Enzyklopädie.: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Regelfl%C3%A4che&oldid=183664996


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6 Anhang

Im Anhang werden die Funktionen und Einstellungen im Hinblick auf die prak-tische Anwendung der Auftragsverfolgung im Unterricht beschrieben.

6.1 Projektplan

Projektplan "NURBS" gegliedert in zwei Wochen Intervalle

Datum Nurbs BTL Schnittstelle Technologien Vorschlag CAD Freeformabläufe Arbeit

24. Sep 18

8. Okt 18

22. Okt 18

5. Nov 18

19. Nov 18

3. Dez 18

17. Dez 18

31. Dez 18

8. Jan 19

Meeting offen / erledigt praktische Arbeit schriftliche Arbeit optionaloffen / erledigt offen / erledigt

Meeting LignocamKickoff, Erwartungen

Meeting D2P H. Stehling, Woodpecker & Freeforms

Meeting PointLineAndreas Burch, NURBS Aufbau

Meeting Philipp FöhnETH Maschinenbau, Technologien

15.10.18BesprechungBetreuer

2x Meeting Driton KomaniDr. Mathematik, NURBS Grundlagen

29.10.18BesprechungBetreuer

Testserie 1BTL Import Lignocam

Besprechung MarkusWassmer

Testserie 2 NURBS aus Rhino- Import Lignocam

H. Stehling Woodpecker-erweiterung

Katharina LindenbergNurbs Grundlagen

ISG SteuerungenMöglichkeiten

Meeting CadworkVorschläge,Pläne

Meeting SEMAVorschläge,Pläne

Zielsetzung verfassen

Literatur Farin vertiefen

Testserie 3 Exporte-Importe CAD1-CAD2-CAD1

Automobil BFHBezierkurven

Maschinenindustrie-kontakte Fr. Rehm

Einleitung, Ausgangslage verfassen

Material und Methode verfassen

Ergebnisse und Diskussion verfassen

Besprechung Betreuer



8. Januar Abgabe, 16. Januar Präsentation

Genauigkeitsverluste 2fache Interpolationanalysieren

mögliche Vereinfachung der Datenaufbereitung prüfen

NUBRS Aufbau niederschreiben und

Vergleich bestehende Datenformate (STEP,IGES)

Projektziele verfassen

BTL Import Syntaxaufbau

detaillierter Vorschlag Schnittstellen-erweiterung BTL

Implementierungs-vorschlag

Beschrieb Abläufe bestehende Technologien

Nutzen NURBS in Freeform zusammentragen

Zwischenbesprechung Markus Wassmer

Zwischenbesprechung Markus Wassmer

Verständnisgrundlagen erarbeiten

erste Tests in PointLine, AutoCAD und Rhino

Testserie 3 NURBSImport Lignocam

Kontakt CNC Dynamix,Kontakt MasterCAM

IHF Kontakt Maschinenhersteller


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6.2 Testserie 1

Alle Versuche referenzieren sich auf die Beschreibung der oben definierten Ausgangsgeometrie.

1. Versuch

Vorgehen:

Änderung des Grades in V auf 1 senken.

"NURBS_DEGREE_V": "1"

Zusätzlich Knotenvektoren in V auf 0. 1. 2. 3. 4 ändern.

"NURBS_KNOTS_V": "0. 1. 2. 3. 4. "

Resultat:

Fehlermeldung

Analyse:

Falsche Definition der Knotenvektoren, entsprechen nicht der Regel für Knotenvektoren

2. Versuch

Vorgehen:



Resultat:

Abbildung 31: Resultat Versuch 2

Analyse:

Fläche wird abgeschnitten aufgrund einer Überdefinitionen von zu vielen Knotenvektoren.


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3. Versuch

Vorgehen:



Zusätzlich Knotenvektoren in V auf 0. 1. 2. 3. ändern.

"NURBS_KNOTS_V": "0. 1. 2. 3."

Resultat:

Fehlermeldung

Analyse:

Falsche Definition der Knotenvektoren, siehe Regel Knotenvektoren

4. Versuch

Vorgehen:

Z-Werte der letzten Reihe der Kontrollpunkte erhöhen. Somit erhält die letzte Reihe gleiche Z-Werte wie die zweite und dritte Reihe der Kontroll-punkte

"NURBS_CONTROLPOINTS": "100. 20. 0. 1. 100. 70. 0. 1. 100. 120. 0. 1. 100. 170. 0. 1. 100. 220. 0. 1. 150. 20. 0. 1. 150. 70. 25. 1. 150. 120. 50. 1. 150. 170. 25. 1. 150. 220. 0. 1. 200. 20. 0. 1. 200. 70. 25. 1. 200. 120. 50. 1. 200. 170. 25. 1. 200. 220. 0. 1. 250. 20. 0. 1. 250. 70. 25. 1. 250. 120. 150. 1. 250. 170. 25. 1. 250. 220. 0. 1. 300. 20. 0. 1. 300. 70. 25. 1. 300. 120. 50. 1. 300. 170. 25. 1. 300. 220. 0. 1."

Resultat:


Analyse:

Die Fläche ist auf der letzten Reihe leicht erhöht, aufgrund der erhöhten Z-Werte.


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5. Versuch

Vorgehen:

Änderung der Kontrollpunktmenge in V auf 1 senken.

"NURBS_COUNT_V": "4"

Löschen der letzten Reihe

Alle Kontrollpunkte mit x = 300mm

Resultat:

Fehlermeldung

Analyse:

Die Knotenvektoren wurden nicht angepasst.

6. Versuch

Vorgehen:



"NURBS_KNOTS_V": "0. 0. 0. 1. 1. 1."

Löschen der letzten Reihe der Kontrollpunkte

Alle Kontrollpunkte mit x = 300mm

Resultat:

Fehlermeldung

Analyse:

Hier ist ein Fehler in der Software entdeckt worden. Markus Wassmer hat diesen bereits behoben.

7. Versuch

Vorgehen:



"NURBS_KNOTS_V": "0. 0. 0. 1. 1. 1."


Alle Kontrollpunkte mit Y = 220mm

Resultat:

Fehlermeldung

Analyse:

Falsche Richtung, nicht V, sondern U


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8. Versuch

Vorgehen:

Änderung der Kontrollpunktmenge in U auf 1 senken.

"NURBS_COUNT_U": "4"

"NURBS_KNOTS_U": "0. 0. 0. 1. 1. 1."


Alle Kontrollpunkte mit Y = 220mm

Resultat:


Analyse:

Hier ist ein Fehler in der Software entdeckt worden. Markus Wassmer hat diesen bereits behoben.

Projektarbeit Bumann Foehn - Lignocam

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