Labor für Robotik und virtuelle Systeme

Michael Rothofer

In Zusammenarbeit mit der Kunsthochschule Stuttgart konnten 3-D Daten der historisch bedeutsamen Maulbronner Madonna erfasst und bei uns im Labor für Robotik und virtuelle Systeme an der Hochschule Aalen ausgewertet werden. Dieser Vorgang wird als Reverse Engineering (deutsch: umgekehrt entwickeln, rekonstruieren) bezeichnet. Dieses System wird immer dann angewendet, wenn kein rechnerinternes Modell vorhanden ist. Das gibt uns die Möglichkeit detailgetreue Nachbauten von mittelalterlichen Kunstwerken zu erstellen.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurden die 3-D digitalisierten Daten aufbereitet und in ein CAD-Modell überführt. Basierend auf dieser Grundlage lässt sich eine robotergestützte spanende Bearbeitung (Fräsen) verwirklichen.

Damit können wir zeigen, dass auch unser „Großer“, der ABB IRB 6400 Roboter, die handwerkliche Geschicklichkeit und Präzision des mittelalterlichen Kunsthandwerks, die man unteranderem anhand des Ritter Rezzo sehen kann, beherrscht.

Thomas Rothofer

Schon immer ist es ein Ziel unserer Gesellschaft etwas zu erschaffen, das genauso aussieht wie sein Original. Egal, ob es eine Statue von einem Menschen oder wie in diesem Fall ein Modell eines historischen Reliefs ist.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird mithilfe eines Industrieroboters, der die genaue Präzision sicherstellt, ein Abbild des Originals aus Schaumstoff gefräst.

Genau dieser Weg, von einer Vorlage über virtuelle Daten zurück zu einem Modell, das genauso aussieht wie sein Original, galt es zu kreieren und schlussendlich zu dokumentieren.

Dies soll vor allem den Interessierten einen Einblick geben, wie solch ein Weg aussehen könnte und darüber hinaus zu neuen Gedanken anregen, um neue und verbesserte Lösungswege zu entwickeln.

Mike Tauporn & Vinh-Khanh Jürgen Hong

Um die an der Hochschule Aalen zur Verfügung stehende Technik im Bereich des 3D-Drucks zu demonstrieren, sollte ein repräsentatives Anschauungsobjekt entwickelt werden, welches zum einen für die Hochschule wirbt, zum anderen aber auch die Grundzüge des 3D-Drucks aufzeigt. Als Ergebnis dieser Bachelorarbeit wurde ein dreidimensionales Puzzle erstellt, welches mit dem Logo der Hochschule und der Robotik Abteilung versehen ist. In diesem Puzzle befindet sich ein Modell eines detailgetreuen Industrieroboters.

Viktor Ehof

Das Thema beschreibt die Entwicklung eines Systems, welches das Steuern eines Roboters mit Hilfe der Erfassung von Kraftwirkung durch die Hand des Bedieners am Steuerknüppel (Joystick) ermöglicht. Das System stellt eine schnelle und vereinfachte Bedienung von Robotern sicher. Die Krafterfassung wird über einen Kraft-Momenten-Sensor (KMS) ermittelt und an die Steuerung des Roboters übergeben. Der Roboter bewegt sich in die, der Krafteinwirkung, auf den Sensor entsprechende Richtung.

Studenten der Studiengänge Maschinenbau: Wirtschaft und Management und Maschinenbau: Produktion und Management haben für ihre Projektarbeit im 6. Semester ein besonders spannendes Thema erhalten. 

Es soll ein 3D-Druck des berühmten Mount Rushmore erstellt werden, allerdings nicht mit den Köpfen der ehemaligen amerikanischen Präsidenten. Es sollen die Gesichtszüge von Rektor Prof. Dr. Schneider, Kanzlerin Frau Uhrmann, Dekan der Fakultät Maschinenbau/Werkstofftechnik Prof. Dr. Kley und dem Leiter des Robotiklabors Prof. Dr. Haag in die Fassade der neuen Aula integriert werden. 

Zuerst werden die einzelnen Köpfe der Personen mittels eines 3D-Laserscanners aus mehreren Perspektiven aufgenommen und können in Folge digital überarbeitet werden. Das Gebäude wird als 3D-Modell nachgestellt. Der Ausbruch muss aus praktischen Gründen erst noch mit einer Art Knetmasse nachmodelliert werden und wird danach separat eingescannt. 

Zum Schluss werden die einzelnen 3D-Dateien zusammengefügt und mittels CAM im 3D-Drucker modelliert. Das fertige Modell wird zum Abschluss zur Glättung der Oberfläche noch mit Acetondampf behandelt. 

Im Rahmen der Vorlesung Generative Fertigung sollte in einer Gruppenarbeit eine zuvor gewählte Problemstellung gelöst werden. Dabei sollte eine entsprechende Konstruktion ausgeführt werden, die anschließend generativ gefertigt werden soll. Dabei sollte auch die Gestaltungsfreiheit, die sich bei einer generativ zu fertigenden Umsetzung ergibt, berücksichtigt werden. Die detaillierte Aufgabenbeschreibung ist im Folgenden dargestellt.

Aufgabenstellung:

Elektrisch angetriebene Greifer sind industrieller Standard und kommen insbesondere dann zum Einsatz wenn Kraft und Position geregelt werden sollen. Bei generisch erstellten Greifern kommt als Aktor ein pneumatisch betätigter Faltenbalg zum Einsatz. Übergeordnet werden alle Greifer-Finger aufgabenspezifisch 3D gedruckt. Sollen aber elektrische Greifer in 3D erstellt werden, so wird pragmatisch auf Servos aus dem Modellbau zurückgegriffen, was daher rührt, dass kleine Elektromotoren hoch drehen und somit zur Kraftentfaltung ein Getriebe unumgänglich erscheint. Durch generische Fertigung können aufgabenspezifisch Finger, Kinematik und Tragstruktur entwickelt werden, sodass dann eben nur noch ein Antrieb (idealerweise durch plug-in) eingebracht werden muss.

SHW Casting Technologies GmbH

Im Jahr 2011 arbeitete der Studiengang Maschinenbau/Fertigungstechnik und SHW Casting Technologies an einem gemeinsamen Projekt der besonderen Art: Aus den Händen von Professoren, Studierenden, Hochschulmitarbeitern und Mitarbeitern der SHW CT wuchs eine 2,5 Meter hohe und 1,7 Tonnen schwere Gießerfigur, welche seit April 2011 den Kreisverkehr vor dem SHW CT Firmengebäude in Wasseralfingen schmückt. (Siehe Abb.1)

Roboterarme haben einen Gießer aus gelbem Polyurethanschaum gefräst (siehe Abb.2), der zuvor - in Anlehnung an eine alte Bronzefigur - mittels 3D-Aufnahmetechnik und CNC-Programm am PC entstanden ist. „Mit dem Modell aus Schaum wurde bei SHW CT eine Form hergestellt, später entstand die Figur aus Gusseisen", erklärt Prof. Dr. Eckehard Kalhöfer, Leiter des Projekts im Studiengang Maschinenbau/Fertigungstechnik der Hochschule Aalen. „Mittels Sandguss", ergänzt Wolfgang Seibold, der als Betriebsleiter in Rente das Projekt seitens SHW CT betreut.

Studentenprojekte, betreut von Bernd Röth und Bernhard Mäule, schufen die entsprechende Datenbasis und erstellten das 3D-Modell am Rechner. Aus diesen Daten wurden Fräsprogramme erzeugt, welche im Roboterlabor der Hochschule zum Fräsen der Figur genutzt wurden. Zunächst aus gelbem Polyurethanschaum gefräst, bildete die so erzeugte Figur die Grundlage für den Sandguss.

Entstanden ist die Projektidee beim Singen: Rainer Abele, Mitarbeiter im Studiengang Mechatronik, singt im Wasseralfinger Chor gemeinsam mit Wolfgang Seibold. So war unter anderem auch ein Erasmus-Student aus Finnland am Projekt beteiligt."

Die Gießer-Figur ist kürzlich von Oberbürgermeister Martin Gerlach und Ortsvorsteherin Andrea Hatam gemeinsam mit gut 50 Gästen offiziell eingeweiht worden (siehe: Artikel: Schwäbische Zeitung Online). Sie steht für die seit langer Zeit lebendige Industriekultur in der Region, die heute auch durch die Zusammenarbeit zwischen Hochschule Aalen und Unternehmen immer wieder befruchtet wird.

Betreuender Professor war Prof. Dr. Eckehard Kalhöfer.

In Zusammenarbeit mit der Stuttgarter Kunstakademie wurde die "Maulbronner Madonna" digitalisiert. Im Rahmen einer Studienarbeit wurden hierbei die gescannten Bilder zusammengesetzt und verschmolzen, so dass ein "wasserdichtes" 3D-Abbild entstand die Statue:

Die Statue selbst wurde um 1320 n. Chr. hergestellt:

• Höhe: 170cm
• Breite: 70cm
• Tiefe: 50cm

Das 3D-Scannen:

Hardware: 3D-Laserscanner VI900 Minolta

• Angel SHOT Messung: automatisch alle vier Ansichten(0, 90, 180, 270Grad)
• der Scanner basiert auf dem Prinzip der Triangulation
• Entfernung von 60cm bis 2,5m
• Einsatzzwecke: Archäologie, Medizin, Raumfahrt, Produktion, Robotik und Produktdesign

Vorgehensweise:

1. Statue von allen Seiten scannen
2. Einzelne Bilder mit Rapidform zusammenfügen(siehe obere Abb.)
3. Bereiche die nicht erfasst sind sowie alle Löcher, mit Rapidform schließen
4. Ein "wasserdichtes" 3D-Abbild erstellen

Die gelungene Gestaltung beispielsweise einer Skulptur darf zu Recht als große künstlerische Leistung bezeichnet werden. Allenfalls als Herausforderung gilt es solche Kunstwerke getreu dem Original in die virtuelle Welt zu überführen.
Anlässlich der Ausstellung "Caracalla" im Limesmuseum Aalen wurde ein 3D-Datensatz der Büste des römischen Herrschers erstellt. Die Rohdaten dienen zunächst dem naheliegenden Zweck elektronischer Dokumentation.

Von wissenschaftlichem Wert ist diese Basis allerdings zur Beurteilung elektronischer Bearbeitungswerkzeuge wie "Zusammenfügen" der Einzelaufnahmen und Filterfunktionen, welche zur Überführung der aufgenommen Raumpunkte zu einem geschlossenen 3D-Flächenmodell dienen. Einmal als Datensatz im Rechner, lassen sich Volumen und Schwerpunkt bestimmen, aber auch Anpassungen in Größe und Form sind möglich.

Caracalla diente uns zur Ausarbeitung verschiedener Reproduktionsverfahren. Exemplarisch sei hier eine Möglichkeit mittels Silikonnegativ bebildert.
Werden die Daten in ein STL-Format überführt, so ist der 3D-Druck auf der FTM-Anlage möglich.

Der schichtweise Aufbau (Dicke 1/10mm) erzeugt eine charakteristische Oberfläche (vergleichbar mit geographischen Höhenlinien).
Mittels Aceton-Dampf kann die Oberfläche geglättet werden, was das Trennen des 3D gedruckten Negativs vom Silikonpositiv erleichtert.
Es folgt ein Abguss in Gips.
Die Schwindung kann durch Skalieren des Modells kompensiert werden.