Die extreme organische Komplexität der Modelle macht eine Konstruktion und Verwaltung der Form mit einem flächenbasierten 3D-CAD System unmöglich. Folglich konnten bisher auch keine auf CAD Daten basierende modernen Prototyping- und Fertigungsverfahren eingesetzt werden.

Das ATOS Digitalisiersystem eröffnet dem Formenhersteller nun die Möglichkeit zum Einsatz modernster 3D-CAD/CAM Techniken auch dort, wo eine CAD Definition der Form im klassischen Sinne unmöglich ist und auf ein physikalisches Ur- oder Designmodell zurückgegriffen werden muss:

• Mit ATOS lassen sich Modelle, Fertigteile und Werkzeuge exakt und hochauflösend dreidimensional digitalisieren. Ergebnis der Abtastung ist ein Polygonnetz der Oberfläche im STL-Format
• Der mit dem ATOS Digitalisiersystem eingescannte 3D-Datensatz lässt sich mit CAD-CAM Programmen mit Modulen zur Polygonbearbeitung editieren - auf diese Weise können Modelländerungen eingebracht werden, ohne das das Urmodell verändert werden muss.
• Mit Rapid-Prototyping Verfahren (z.B. Stereolithographie oder Wachsdrucker) lassen sich Kopien des Urmodells erstellen, die in der klassischen Fertigungskette die Funktion des Urmodells vollständig übernehmen können. Mit dieser Methode lassen sich daher Urmodelle einfach und kostengünstig maßstäblich skalieren.
• Das generierte STL-Netz kann in CAM-Systeme eingelesen werden, und mit CAD Datensätzen und Verfahren kombiniert werden. Erstmals wird dadurch ein optimiertes Produzieren/Fräsen hochkomplexer Spritzgussformen ermöglicht.

Zunächst werden die manuell gefertigten Wachs-Urmodelle des dreigeteilten Magens mit dem hochgenauen ATOS System eingescannt (Bild 2). An Stelle des Master-Modells kann auch ein skaliertes Modell, eine Produktionsform oder ein Fertigteil abgetastet werden.

Benötigt wird eine exakte und hochauflösende Komplettdigitalisierung des Objektes. Bedingt durch die Komplexität der Objekte werden somit unterschiedliche Ansichten benötigt, die über eine genaue und automatische Methode ineinander transformiert werden.
Aufgrund des Zwei-Kamera-Prinzips ist ATOS als einziger Weißlichtscanner in der Lage, ständig die Datenqualität und die Integration der Einzelansichten in einen gemeinsamen Datensatz zu überwachen. Diese Eigenschaft ist Vorraussetzung für eine genaue und zuverlässige Digitalisierung.

Nach dem Digitalisieren wird die aus verschiedenen Ansichten bestehende 3D-Punktewolke in der ATOS Software zu einem hochwertigen Polygonnetz im STL-Format aufgearbeitet. Basisoperationen wie das Transformieren, Zusammenfügen, Separieren und Darstellen der Daten, das Berechnen von Abweichungen, Filtern und Ausdünnen der Datennetze sowie das Schließen von Löchern mit NURBS-Patches lassen sich mit der ATOS Software effektiv durchführen (Bild 3).

Der mit dem ATOS System generierte STL-Datensatz ist zum Einlesen in Rapid Prototyping Systeme bereit. Bild 4 zeigt eine auf Basis der Scanner Daten hergestellte Kopie des Originals mit dem Thermojet-Wachsdrucker der Firma 3D-Systems. Die gescannten Datensätze lassen sich beliebig skalieren und die erzeugten Kopien übernehmen vollständig die Funktionen eines Urmodells. Auch in der klassischen Fertigungskette ergeben sich dadurch ganz neue Möglichkeiten.

Aufgrund der geplanten hohen Stückzahlen und den kurzen geforderten Lieferzeiten des Anatomiemodells muss ein Stahl-Spritzgusswerkzeugsatz erstellt werden. Da kein CAD Datensatz besteht, wird erstmals das beschriebene Hybridverfahren zur Formherstellung angewendet.

Das Werkzeug wird auf Basis der digitalisierten Daten konstruiert und gefräst. Dazu werden die STL-Daten in das CAM-System TEBIS importiert. TEBIS erlaubt mit seiner hybriden Modellierung die gleichzeitige Handhabung von Dreiecksnetzen und CAD Flächen. Nach dem Einlesen der digitalisierten Daten wird die Position der Teile im Werkzeug virtuell festgelegt, sodass ein möglichst einfaches Werkzeug mit wenig Einsätzen und einfachen Trennlinien gefertigt werden kann. Dann wird die Trennlinie im Werkzeug bestimmt. Anschließend werden die nötigen Funktionselemente der beiden Werkzeughälften mit klassischen CAD-Methoden, wie in Bild 5 gezeigt, an das Dreiecksnetz konstruiert und die Fräsbahnen festgelegt.

Das Fräsen der beiden Werkzeughälften in Stahl erfolgte auf einer 3Achs-HSC-Fräse.

Nach dem Fräsen der Formen werden die feinen Details vom Graveur per Hand innerhalb einer Woche in der Stahlform nachgearbeitet (Bild 6).

Durch die Kombination moderner Verfahren konnte die Firma 3B Scientific einen "unmöglichen" Auftrag effizient und lukrativ abarbeiten. In kurzer Zeit wurde ein qualitativ hochstehendes Produktionswerkzeug zur Fertigung von hochkomplexen Teilen hergestellt. Das Werkzeug ist jetzt im Einsatz zur Herstellung von Hunderttausenden exakter Kopien, ohne aufwendige Nacharbeit an den Teilen oder am Werkzeug.

Wir möchten 3B Scientific herzlich danken für die gute Zusammenarbeit und die Zustimmung zur Veröffentlichung der beschriebenen Werkzeugproduktion.