Segmentierung des Zielobjekts

Die Oberfläche des Zielobjekts wird in Segmente unterteilt, denen eine spezifische Semantik zugewiesen werden kann. Die Seg­men­tierung der Ober­flä­che dient als Basis einer adaptiven Bahnplanung, welche Bahnplanungsstrategien und -parameter an das über­deck­te Ober­flächensegment anpasst. Auf diese Weise werden z.B. Löcher, Zapfen, Präparationsgrenzen, Restmaterial-Regionen oder auch die Ober-/Unter- bzw. Innen-/Außenseite von Objekten spezifisch behandelt.

Neben der Möglichkeit einer manuellen Unterteilung der Oberfläche durch den Anwender im Rahmen der Prozessplanung, liegt eine höhere Relevanz bei der automatischen Erzeugung und Klassifikation von Oberflächensegmenten im Rahmen der Bahnplanung. Die Unterteilung kann dabei z.B. auf Basis einer Analyse der geometrischen Eigenschaften der Oberfläche oder der Werkzeugbahnen des bisherigen Bearbeitungsprozesses (Ermittlung der Oberflächenabdeckung) erfolgen.

Geometrische Analyse: Hauptkrümmungen, Kammlinien, Zusammenhangskomponenten

Die automatische Oberflä­chen­seg­men­tierung so­wie die ober­flä­chen­sensitive Bahnplanung erfordern eine geometrische Analyse der Oberfläche hinsichtlich Hauptkrümmungen, Krümmungsrichtungen und Extremalkoeffizienten. Letztere ermöglichen daraufhin die Berechnung von Kamm- und Tal-Linien, welche zur Identifikation von Kanten sowie zur Separation von Regionen dienen.
Die geometrische Analyse erfordert zunächst die Berechnung der zweiten Fundamentalform, welche aufgrund nicht stetig differenzierbarer Oberflächen numerisch geschätzt werden muss. Das wesentliche Kriterium ist hierbei die Robustheit, d.h. die Unabhängigkeit von gewissen Schwankungen in den Eingabedaten. Diese Schwankungen resultieren einerseits unvermeidbar aus der Diskretheit (und damit der fehlenden hinreichenden Glattheit) der Oberfläche an sich, sowie andererseits aus dem Prozess der Modellerstellung, in dem Aspekte wie Abtastrate, Quantisierung und Sensorgenauigkeit relevant sind. Zur Gewährleistung eines kontrollierbaren Grades an Robustheit erfolgt die Schätzung der zweiten Fundamentalform durch Approximation der Umgebung des jeweiligen Oberflächenpunktes mittels eines quadratischen oder kubischen Polynoms, aus dem die relevanten Koeffizienten berechnet werden können. Insbesondere ergeben sich die Hauptkrümmungen als Lösung eines Eigenwertproblems.
Zusammenhangskomponenten mit ähnlichen geometrischen Eigenschaften können daraufhin mittels Graphenalgorithmen und Clustering identifiziert werden.

Bearbeitungsprozess-Analyse: Oberflächenabdeckung

Die Analyse des Bearbeitungsprozesses partitioniert die Oberfläche in Regionen, welche genügend bzw. ungenügend mittels der Werkzeugbahnen bisheriger Arbeitsschritte überdeckt sind. Ungenügend überdeckte Regionen sind daraufhin für weitere Pfadgenerierungsschritte, wie die Restmaterialbearbeitung oder die interaktive Bahnplanung, relevant. Eine ungenügende Überdeckung resultiert z.B. aus der Verwendung eines Werkzeugs, dessen Radius den Krümmungskreisradius der Oberfläche lokal übersteigt, oder welches keinen kollisionsfreien Zugriff auf die Oberfläche erhält.

Als Maß für die Überdeckung eines Punktes auf der Zieloberfläche dient dessen kleinste Distanz zu bisherigen Werkzeugbahnen. Diese Distanz stellt einen wesentlichen Einflussfaktor auf die resultierende Abweichung zwischen der Soll- und Ist-Oberfläche an dem Punkt dar. Da diese Abweichung jedoch auch von weiteren Einflussfaktoren abhängt (z.B. Fräsergeometrie), unterscheidet sich die resultierende Partition i. Allg. von einer Partition auf Basis der exakten Soll-Ist-Abweichung im Rahmen der Materialabtragsimulation, erfordert dafür allerdings einen deutlich geringeren Berechnungsaufwand.

Segmentierung des Bearbeitungsprozesses

Im Rahmen des Fertigungsprozesses wird das Zielobjekt innerhalb des Rohlings freigelegt. Dabei kann entweder sämtliches nicht zum Zielobjekt gehörige Material des Rohlings entfernt werden, oder nur das Rohmaterial innerhalb einer vorgegebenen Hülle um das Zielobjekt (Beschränkung der Bearbeitungsregion auf eine Teilmenge des Rohlings). Der zweite Fall ist z.B. im dentalen Anwendungsbereich relevant, welcher aus ökonomischen Gründen die Fertigung mehrerer Prothesen aus einem einzigen Rohling vorsieht.

Aus beiden Fällen resultieren unterschiedliche Strategien zur Abdeckung der Oberfläche mit Werkzeugbahnen, sowie zur Unterteilung der Bahnen in einzelne Arbeitsschritte. Im Falle der vollständigen Entfernung des Rohmaterials ist ein freier Zugriff auf das Zielobjekt aus beliebiger Richtung möglich, und somit eine zusammenhängende/fließende Bearbeitung des gesamten Zielobjekts. Im Falle der begrenzten Entfernung des Rohmaterials beschränkt das verbleibende Rohmaterial jenseits der vorgegebenen Objekthülle die Richtungen, aus denen ein Zugriff auf das Zielobjekt möglich ist, und erlaubt somit keine fließende Bearbeitung des gesamten Zielobjekts mehr. Dies erfordert eine Aufteilung des Fertigungsprozesses in Arbeitsschritte entsprechend des Halbraums, aus dem der Zugriff erfolgen kann.