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.