Strategies to Approximate Free-Form Surfaces for the Development of a New Control System for CNC Cutting Machines to Manufacture Them

Diese Arbeit untersucht Strategien zur Approximation von Freiformflächen unter Verwendung von Regelflächen mit dem Ziel, deren Fertigung mittels eines Zwei-Portal-Heißdrahtschneiders zu ermöglichen. Während computergestützte Entwurfswerkzeuge die Generierung hochkomplexer Formen erlauben, bleibt deren direkte Überführung in effiziente Fertigungsprozesse weiterhin eine Herausforderung, insbesondere für großformatige oder ressourceneffiziente Produktionsmethoden. Heißdrahtschneiden bietet hier ein schnelles und ressourcenschonendes Verfahren, ist jedoch durch strenge geometrische und kinematische sowie softwareseitige Einschränkungen limitiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, welches Freiformflächen hinsichtlich Krümmung und geometrischer Zugänglichkeit analysiert und daraus optimierte Regelflächenapproximationen ableitet. Ziel ist es, die Anzahl notwendiger Schnitte zu minimieren und gleichzeitig kollisionsfreie, kontinuierliche Schneidpfade zu erzeugen. Diese werden direkt aus einer rechnergestützten Konstruierumgebung generiert und für die maschinelle Ausführung aufbereitet. Ergänzend dazu wird eine neue Steuerungsarchitektur für einen bestehenden Zwei-Portal-Heißdrahtschneider konzipiert und implementiert, die eine direkte Anbindung an den digitalen Entwurfsprozess, sowie die Echtzeitausführung der generierten Maschinentrajektorien ermöglicht. Der integrierte Arbeitsablauf wird durch geometrische Konsistenzprüfungen, kinematische Machbarkeitsanalysen, digitale Simulationen und Bewegungstests auf Hardwareebene des neuen Steuerungssystems validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass komplexe Freiformflächen unter strengen maschinellen Einschränkungen systematisch approximiert und innerhalb eines einheitlichen Berechnungsrahmens in ausführbare Bewegungsdaten umgewandelt werden können. Der vorgestellte Ansatz leistet damit einen Beitrag zur engeren Verzahnung von digitalem Entwurf und Fertigung und stellt eine kohärente Verbindung zwischen geometrischem Verständnis und Maschinensteuerung her. Er bietet eine übertragbare Methodik für Fertigungsprozesse auf Basis von Regelflächen im Architektur- und Ingenieurwesen.