3D - Stadtmodelle Input- und Outputverfahren für 3D-Stadtmodelle GIS-Seminar WS 2000/2001 3D - Stadtmodelle Input- und Outputverfahren für 3D-Stadtmodelle Ein Vortrag im Rahmen des Seminars Geoinformation von Markus Kosbab

Wofür benötigt man ein 3D-Stadtmodell bei Neuplanungen, Umstrukturierungen oder Sanierung größerer Stadtgebiete als Arbeits- und Darstellungsmittel bei der Planung zum Veranschaulichen der räumlich-funktionalen Anordnungen Darstellung des Planungsgebietes der Umgebung Stadtmodelle werden bei Neuplanungen, Umstrukturierungen oder Sanierung größerer Stadt- oder Ortsgebiete benötigt. Dargestellt wird das eigentliche Planungsgebiet, sowie die nähere Umgebung, damit man direkt erkennen kann, wie sich das neue Gebiet in die Umgebung einpassen wird. Es wird als Arbeits- und Darstellungsmittel bei der Planung benötigt, da sich am Modell sehr gut die räumlich-funktionale Anordnung von Gebäuden und deren Beziehungen zum Freiraum, zu Verkehrswegen usw. veranschaulichen lassen.

Die Planung Ideen werden skizziert aus Skizzen wird grobes Volumenmodell Modell ist methodisches Mittel zur Gestaltsfindung Modell gleichberechtigt neben dem Zeichenstift Zeichnung und Modell treiben sich in der Entwicklung gegenseitig voran Bereits in der frühen Entwurfsphase wird das Modell gleichberechtigt neben dem Zeichenstift als methodisches Gestaltungsinstrument eingesetzt. Entwurfsideen werden zuerst skizziert und in grobe Volumenmodelle umgesetzt. Mit diesen Raumkörpern kann man frei experimentieren und ihre Wirkung aufeinander feststellen. Diese neuen Erkenntnisse können dann wieder zu Papier gebracht werden, wobei wiederum neue Ideen entstehen. Auf diese Weise entsteht ein ständiges, vorantreibendes hin und her zwischen Modell und Zeichnung.

Welche Vorteile bieten 3D-Stadtmodelle die „Modellsprache“ ist leicht verständlich kein gedankliches übersetzen einer Zeichnung in die dritte Dimension räumliche Zusammenhänge werden sofort klar Blickperspektive weitgehend frei wählbar Bewegungsabläufe sind realisierbar dient zur räumlich-funktionalen Entwurfsprüfung Kommunikation zwischen Planern und Außenstehenden

Welche Modelle gibt es Computermodelle physische Modelle meist erstellt mit CAD/CAAD - Programmen liegen als Daten im Rechner vor Computermodelle tatsächlich vorhandene, maßstabstreue Modelle unterschieden in Ideen- oder Massenmodell Arbeitsmodell Ausführungs- oder Präsentationsmodell physische Modelle

Ideen- oder Massemodell Ideen-/Massenmodelle dienen der erstmaligen Verkörperung des Entwurfsgedankens. Grobe Vorstellung von der zu bauenden Architektur die als Gedanken oder Skizze vorliegen werden in groben maßstabslosen Zügen modelliert. Es werden noch keine festen Gefüge gebildet, um ein schnelles umstellen und Variieren zu erlauben. So wird die Idee allmählich in ein Modell umgesetzt. Um Ideen spontan umsetzen zu können, müssen die Formen schnell und einfach herzustellen sein. Zweck: Ideenfindung Inhalt: Grundstruktur Detaillierung: gering Änderungen: viele Verfügbarkeit: sofort

Arbeitsmodell Zweck: Optimierung Inhalt: Struktur und Details Arbeitsmodelle sind eine Weiterentwicklung der Ideenmodelle. Ihre Grundstruktur liegt fest, viele Details liegen schon fest und sind im Arbeitsmodell erkennbar. Die Ausführung ist schon detailliert und maßstabsgerecht. Es werden evtl. Alternativmodelle gefertigt, um an ihnen gestalterische oder räumliche Veränderungen zu sehen. Sie bilden die Grundlage zur Abstimmung der am Entwurf beteiligten Fachleute. Änderungen und Weiterentwicklungen werden direkt am Arbeitsmodell umgesetzt. Ziel ist die Optimierung des bisherigen Entwurfsstandes. Zweck: Optimierung Inhalt: Struktur und Details Detaillierung: mittel bis hoch Änderungen: viele Verfügbarkeit: sofort / kurzfristig (1 Tag)

Ausführungs- oder Präsentationsmodell Stehen am Ende der Entwicklung und zeigen das Ergebnis. Exakte Elemente ersetzen die Provisorien des Arbeitsmodells. Zusätzliche Details wie Bäume, Figuren oder Fahrzeuge werden als maßstabsbildende Elemente hinzugefügt. Zweck: Präsentation Inhalt: endgültige Gestaltung Detaillierung: hoch Änderungen: keine Verfügbarkeit: mittelfristig (Tage / Wochen)

Eigenschaften des Materials Ideenmodell einfach zu verarbeiten in ausreichender Menge vorhanden kostengünstig Arbeitsmodell genau zu verarbeiten in ausreichender Menge verfügbar Präsentationsmodell in Farbe u. Oberflächenstruktur zum Bauteil passend Kosten weniger wichtig Die Modelle bestehen aus den unterschiedlichsten Materialien, von den einfachsten wie Papier, Karton, Holz, Hartschaumstoff bis zu Kunstsoffen, Acrylglas und Metall. Es unterscheidet sich aber auch stark nach der Art des Modells. So werden bei Ideenmodellen hauptsächlich leicht zu verarbeitende, billige Werkstoffe verarbeitet, bei Präsentationsmodellen nur die besten.

Muß das digitale Modell wirklich neu konstruiert werden? Das Problem physische Modelle liegen aus der Planungs- und Entwicklungsphase vor digitale Modelle werden für weitere umfangreichere Planungen und Berechnungen benötigt Muß das digitale Modell wirklich neu konstruiert werden?

Das Problem Gibt es ein Verfahren, das vorhandene Modell zu digitalisieren? INPUT-Verfahren Gibt es auch Verfahren, aus dem digitalen Computermodell wieder ein physisches Modell herzustellen? OUTPUT-Verfahren

INPUT - Verfahren 3D - Digitizer 3D - Laser Digitalisierung (Laserscanner) Computertomographie

3D - Digitizer (Am Beispiel MicroScribe-3DX / 3DLX) Gerät zur dreidimensionalen Koordinatenbestimmung mit einem Taststift wird das Modell Punktweise oder kontinuierlich abgetastet die Position des Taststifts wird durch optische Winkelgeber überwacht Arbeitsraumdurchmesser ca. 1.270 / 1.670 mm Genauigkeit 0,23 / 0,30 mm Nachteile: nur die äußere Hülle kann erfaßt werden nur teilweise Erfassung von überdeckten Flächen Stadtmodell sind für diese Methode zu komplex

3D - Digitizer (MicroScribe-3DX / 3DLX)

3D-Laser Digitalisierung (Surveyor 3D Laser Digitizing Systems) Kontaktloses Verfahren zur Digitalisierung dreidimensionaler Modelle direkte Digitalisierung der Oberfläche durch sehr feinen Laserstrahl hohe Auflösung die registrierten x-, y- und z-Koordinaten werden als Datei gespeichert Genauigkeit: zwischen 0,01 und 0,02 mm schnelles Verfahren Geschwindigkeit: 3.000 bis 4.000 Punkte / Sekunde Nachteil: keine Digitalisierung verdeckter Flächen oder Hohlräume Die 3D-Laserdigitalisierung ist ein kontaktloses Verfahren zur Digitalisierung von Oberflächen. Es wird direkt die Oberfläche digitalisiert und aufgrund des sehr feinen Lasers können noch Details digitalisiert werden, für die ein 3D-Digitizer nicht mehr fähig wäre. Die Koordinaten werden in einer Datei gespeichert und können dann in CAD-Programmen verarbeitet werde. Die Genauigkeit ist abhängig von der Oberfläche, matte Flächen können genauer abgetastet werden, glänzende Flächen führen zu einem Flimmern des Lasers auf dem CCD-Array. Dieses Rauschen beeinträchtigt die Genauigkeit ein wenig. Sie liegt zwischen 0,01 und 0,02 mm. Ist die Oberfläche zu dunkel und wird der Laserstrahl nicht reflektiert, treten ebenfalls Probleme auf. Die Scangeschwindigkeit ist vom Objekt und vom Benutzer abhängig. Dunkle Flächen müssen langsamer gescannt werden, des weiteren beeinträchtigt der Abstand der zu scannenden Punkte die Geschwindigkeit. Ein realer Wert liegt bei ca. 3 bis 4 tausend Punkten pro Sekunde. Verdeckte Flächen können nicht erfaßt werden. Es kann nur das digitalisiert werden, was man auch auf einem Photo aus gleicher Perspektive sehen würde.

3D-Laser Digitalisierung (Surveyor 3D Laser Digitizing Systems) Aufbau des Scanners Lasersensor, befestigt an einem 3- bis 6-achsigen computergesteuerten Positionierungssystem das zu digitalisierende Objekt wird unter dem Positionierungssystem plaziert Laser Design Inc.®

3D-Laser Digitalisierung (Surveyor 3D Laser Digitizing Systems) der Laser-Sensor besteht aus: Beispiel: der Laser-Sensor besteht aus einem Laser und zwei optischen Sensoren mit CCR-Array. Bei dem von mir vorgestellten System ist jedoch jeweils nur ein optischer Sensor im Einsatz. Kann ein Punkt von diesem Sensor aus nicht betrachtet werden, wird auf den anderen gewechselt. In das Grafik kann man erkennen, das ein Punkte unterschiedlicher Höhen auch unterschiedlich auf dem CCD-Array abgebildet wird. Die Höhenänderung ist proportional zur Lageänderung des reflektierten Srales auf dem Array. Dadurch lassen sich die Höhen der Punkte erfassen. Laser 2 optische Sensoren mit CCD-Array nur jeweils einer aktiv

Computertomographie nahezu jedes physische Objekt kann vollautomatisch digitalisiert werden nicht nur auf die Oberfläche beschränkt Probleme: die Voxelstruktur der CT muß in CAD-Datensatz transformiert werden Voxelstruktur in Vektordaten umzuwandeln

Computertomographie Beispiel: traditionell hergestelltes Architekturmodell

Computertomographie

OUTPUT - Verfahren subtraktive Verfahren additive Verfahren 2D - Schneidverfahren 3D - Fräsverfahren 3-Achsen-Fräsmaschine 4- und mehr-Achsen-Fräsmaschine Stereolithographie (STL) serielle Belichtung flächige Belichtung Selective Laser Sintering (SLS) 3D Printing and Glueing (3DP) additive Verfahren Die bisher bekannten computergestützten Modellbauverfahren lassen sich in zwei Hauptklassen unterteilen: subtraktive Verfahren: das physische Modell wird durch Materialreduktion erzeugt additive Verfahren: das physische Modell wird durch sukzessives Aneinanderfügen und Verbinden von Modellbaumaterial erzeugt Es gibt noch wesentlich mehr additive Verfahren, aber ich beziehe mich hier nur auf drei Verfahren. Diese Unterscheidung bezieht sich aber nur auf die Bereiche der Maschinellen Fertigung. Manuelle Handarbeiten zum Zusammenfügen der Modelle werden davon nicht tangiert.

Subtraktive Verfahren 2D - Schneidverfahren Funktion wie Stiftplotter Herausschneiden zweidimensionaler Formplatten 2D - Schneidverfahren ist das mechanisch einfachste subtraktive Verfahren. Die Funktion ist wie bei einem Stiftplotter, nur das statt des Stiftes andere Werkzeuge verwendet werden. Schneidbrenner z.B. für Metall, Fräsbohrer ebenfalls für Metall sowie für Holz und Kunststoff. Bestimmte Arten von Kunststoffen lassen sich auch mit Schneiddrähten bearbeiten. Laser eignen sich für Pappe, Metall, Holz, Kunststoff oder Textilien. Die herstellbare Baugeometrie ist ist auf ebene Scheiben eingeschränkt. Aussparungen und Löcher sind möglich. Dringt das Werkzeug nur bis zu einer bestimmten Tiefe in das Werkstück ein, können auch Gravuren hergestellt werden. Dies kann man z.B. zur erstellung von Fassaden benutzen. Dennoch ist dieses Verfahren aufgrund des Fehlens einer Dimension eher weniger geeignet.

Subtraktive Verfahren 3-Achsen-Fräsmaschine Aufbau wie 2D - Schneider zusätzliche Bewegung in der z-Richtung keine Hinterschneidungen möglich Die 3-Achsen-Fräse ist analog zum 2D-Schneider aufgebaut. Zusätzlich besteht noch die Möglichkeit, den Fräskopf in der z-Richtung zu bewegen. Vorteil von Fräsmaschinen: können nahezu jedes Material bearbeiten. Hierbei gibt der Werzeigdurchmesser die minimalen Lochgrößen und Nutbreiten vor. Es sind nur vertikale Löcher und keine Hinterschneidungen möglich.

Subtraktive Verfahren 4- und mehr-Achsen-Fräsmaschine Aufbau wie 3-Achsen-Fräsmaschine Fräskopf zusätzlich in senkrechter Ebene drehbar Bei dieser Maschine ist der Fräskopf zusätzlich noch in der vertikalen Ebene drehbar. Dies ermöglicht es auch Hinterschneidungen zu erzeugen, sowie schräg zur horizontalen laufende Löcher oder Vertiefungen herzustellen.

Additive Verfahren Stereolithographie (STL) serielle Belichtung an der Flüssigkeitsoberfläche unter der Flüssigkeitsoberfläche flächige Belichtung Die Stereolithographie ist ein additives Verfahren. Zur grundsätzlichen Erklärung ist zu sagen, daß eine Reaktionsflüssigkeit mit UV-Licht (Laser) belichtet wird, wodurch die Flüssigkeit an der belichteten Stelle aushärtet. Die Belichtung kann auf verschiedene Arten erfolgen: Serielle Belichtung (nacheinander Punkt für Punkt), wobei noch zwischen Belichtung an der Flüssigkeitsoberfläche und unterhalb der Oberfläche unterschieden wird. Flächige Belichtung (Belichtung durch eine Maske).

Additive Verfahren - Stereolithographie (STL) serielle Belichtung auf der Flüssigkeitsoberfläche Die dreidimensionalen Werkstückdaten müssen von einem Rechner in horizontal übereinander liegende Grundrißschichten umgerechnet werden. Der Computer steuert dann die Belichtungseinheit, einen UV-Laser mit einem Scannerspiegel. Der Spiegel lenkt den Laserstrahl so ab, das er den Grundriß des Modells auf der Flüssigkeitsoberfläche beschreibt. An den Stellen, die von dem Laser belichtet wurden, erhärtet die Reaktionsflüssigkeit. Der Objektträger wird jetzt um um eine Schichtstärke abgesenkt, so daß das Modell wieder komplett in der Flüssigkeit liegt. Die nächste Schicht kann aufgetragen werden. Das Werkstück wächst von unten nach oben und versinkt dabei immer tiefer in der Materialflüssigkeit. Die Minimaldicke einer Schicht beträgt dabei 0,1 mm. Dies erlaubt natürlich ein sehr genaues Arbeiten. Nachteil: da der Belichtungsvorgang an der Oberfläche stattfindet, kann es zu Unregelmäßigkeiten aufgrund der Flüssigkeitsoberfläche kommen. Des weiteren müssen Stützkonstruktionen „mitbelichtet“ werden, die dann nach Fertigstellung des Models wieder entfernt werden können. Die Berechnung solcher Stützen übernimmt normalerweise das Programm. Materialwahl sehr begrenzt. Maßabweichung durchschn. 0,5% => das genaueste Verfahren Minimale Schichtdicke: 0,1 mm Bauzeit: ca. 65 mm³/h

Additive Verfahren - Stereolithographie (STL) serielle Belichtung unter der Flüssigkeitsoberfläche Diese Verfahren ist eigentlich das selbe, wie das zuvor beschriebene, nur daß es „auf dem Kopf steht“. Die Belichtungseinheit befindet sich unter dem Gefäß, welches einen Glasboden besitzt. Die Trägerplatte ist zu Beginn des Vorgangs ganz in das Becken eingetaucht. Es befindet sich gerade soviel Platz zwischen dem Objektträger und dem Glasboden, wie er einer Schichtstärke entspricht. Der Objektträger besitzt eine poröse Unterseite, so daß sich der bildende Kunststoff mit ihr verbinden kann. Nach dem Belichtungsvorgang wird der Träger wieder eben um eine Schichtstärke angehoben, damit sich der Zwischenraum wieder mit neuer Flüssigkeit füllen kann. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Schichten aufgrund des Glasbodens immer plan sind und notwendige Stützkonstruktionen, wie schon am vorangegangenen Beispiel erklärt, wesentlich dünner ausfallen können, da sie auf Zug und nicht auf Druck belastet werden. Dadurch lassen sie sich später leichter entfernen. Genauigkeit: 0,1 mm Baugeschwindigkeit: 400 mm/s

Additive Verfahren - Stereolithographie (STL) flächige Belichtung auf der Flüssigkeitsoberfläche Dieser Herstellungsprozeß läuft ähnlich wie der zuerst beschriebene ab. Anstelle des Lasers befindet sich jedoch eine starke UV-Lampe oberhalb des Behälters. Mit Hilfe eine Photoplotters wird eine Maske erstellt, die einem Negativ der herzustellenden Grundrißschicht entspricht, d.h. die Stellen an denen der Kunststoff aushärten soll sind durchsichtig, die Anderen sind schwarz eingefärbt. Diese Maske wird nun über den Behälter gelegt und anschließend die Lampe eingeschaltet. Somit wird die Gesamte Schicht auf einmal belichtet. Nach der Belichtung wird eine neue Maske erstellt, der Objektträger abgesenkt und das Ganze beginnt von neuem. Schichtdicke: 0,013 bis 1,3 mm Genauigkeit horizontal: 0,03 mm vertikal: 0,05 mm Geschwindigkeit: 60 s/Layer Hier auch noch anderes Verfahren mit Wachs: Objektträger wird mit Flüssigkeit beschichtet, es wird belichtet, Träger aus der Flüssigkeit raus, Flüssigkeit wird abgesaugt, alles mit Wachs verfüllt, plan geschliffen, neue Flüssigkeit drauf. Wenn Modell fertig und ausgehärtet, durch erwärmen den Wachs raus, => werden keine Stützen benötigt, ist aber sehr langsam und teuer.

Additive Verfahren Selective Laser Sintering (SLS) Bei diesem Verfahren wird das Modell durch Verschmelzen oder Verkleben von Materialpartikeln aufgebaut. Die verwendeten Materialien sind hauptsächlich Thermoplaste zum Schmelzen und Kunststoffe zum Kleben. Beim SLS-Verfahren wird das Modell schichtweise durch Verschmelzen (Versintern) von Thermoplastepartikeln hergestellt. Es wird zunächst eine dünne Pulverschicht auf dem Objektträger aufgebracht. Ein über ein Computergesteuertes Spiegelsystem gesteuerter Infrarot-Laser zeichnet jetzt die Grundrißfläche nach, wobei sich an den von ihm überstrichenen Stellen das Pulver verbindet. Nun wird der Objektträger um eine Schichtstärke abgesänkt und neues Pulver wird, in eben dieser Schichtstärke neu aufgetragen. Nun kann die neue Schicht nachgezeichnet werden. Da die losen, nicht gesinterten Partikel in den Zwischenräumen des Modells verbleiben, sind keine Stützkonstruktionen notwendig. Schichtdicke 0,13 mm, Bauhöhe 12-25 mm/h Durchschn. MAßabweichung 1% Das SLS-Verfahren ist nicht so genau wie das STL-Verfahren. Die zum Sintern benötigte Wärmezufuhr läßt sich nur schwer fokussieren. Somit läßt sich die Größe der zu erzeugenden Partikel nur schwer kontrollieren. Dies führt zu Nachteilen bei der Maßgenauigkeit sowie bei der Detaillierung. Die kleinsten herzustellenden Strukturen messen ca. 0,15 mm. Längliche Strukturen sollten mind. 1 mm Dicke haben. Interessant ist die durch die Körnung auftretende rauhe Struktur. Es können Metallmodelle hergestellt werden: Metallpartikel umgeben von Thermoplaste, werden Verklebt und anschließend im Ofen endgültig versintert.

Additive Verfahren 3D Printing and Glueing (3DP) Dieses Verfahren ähnelt dem SLS-Verfahren. Die Strukturen werden jedoch nicht durch Versintern sondern durch Verkleben geschaffen. Das Pulver (Keramik, Metall) wird in einer Schichtstärke auf den Objektträger aufgetragen und durch eine in x/y-Richtung bewegliche Düse wird der Klebstoff aufgetragen. Er verklebt das Baumaterial zu einer festen Platte. Der Objektträger wird nun um eine Schichtstärke abgesänkt und neues Pulver aufgetragen. Der Kleber dringt gerade so tief in das Pulver ein, daß die neue Schicht mit der Alten verklebt wird. Wenn das Modell fertig ist, wird das überschüssige Pulver aus den Zwischenräumen entfernt und das Modell in einem Ofen endgehärtet. Als Baumaterial: Keramikpulver mit einer Korngröße von 0,01 bis 0,1 mm, oder eine Mischung aus Keramik- und Metallpulver. Mit der kleinsten Korngröße kann eine Schichtdicke von 0,05 mm erreicht werden, bei einer Genauigkeitsabweichung von bis zu 13%. Die Baugeschwindigkeit beträgt im Einzeltropfverfahren 20 mm/h, im Dauertropfverfahren 270 mm/h.

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