Dienstag, 12.09.2017
Vom Plan zum Frästeil
Automatische Umwandlung von PDF-Daten.
Als der Bauplan des Thermy 3 in der FMT 6 und 7.2016 veröffentlicht wurde, spürte ich schon beim zweiten Bericht eindeutige Krankheitssymptome des für Modellflieger oft so typischen Haben-Will-Syndroms. Verspricht die Konstruktion doch gute Segelflugeigenschaften, gepaart mit einem äußerst gefälligen Aussehen. Ob ich den Frästeilesatz bestellen soll? Doch halt – ich habe ja selber eine Fräse und bin in Sachen CAD und CAM nach anfänglichem Nullniveau zwischenzeitlich zwar schon deutlich weiter, aber immer noch heftig am Lernen. Warum also nicht am Thermy 3 lernen?
Also habe ich den Plan stückweise auf meinem DIN-A4-Flachbettscanner eingescannt, um anschließend die Einzelteile zum Fräsen aufzubereiten. Aber Aua – das wird ja eine reine Scanner-Schlacht. Und das, obwohl es den Plan doch ganz sicher schon als CAD-Datei gibt. Na dann lieber mal beim VTH anfragen, ob ich den Plan nicht als Datei im DXF-Format bekommen könnte. Schließlich können wahrscheinlich alle CAD-Programme dieses Dateiformat erzeugen und auch weiterbearbeiten. Klar, damit könnte man im Extremfall auch Missbrauch betreiben. Letztlich lässt sich das aber auch bei einem Papierplan unter Inkaufnahme von etwas Zusatzaufwand auch nicht verhindern.
Überrascht war ich dann über die schnelle Antwort des Chefredakteurs der FMT, Herrn Puchtinger. Er teilte mir mit, dass man sich zum Thema DXF-Dateien verlagsintern auch schon Gedanken gemacht hätte, sich aber aus verschiedenen, guten und mir einleuchtenden Gründen für das PDF-Format entschieden habe. Und so kam ich dann zu einer PDF-Datei des Thermy 3-Planes. Damit sollte ich mir doch zumindest den Scan-Marathon sparen können.
Gab’s zum Thema vom Bild zur Fräsdatei nicht schon mal einen Artikel in der FMT? Da wurde doch irgendwann mal von einem Programm berichtet, das Bilddateien in Vektorzeichnungen konvertiert. Und tatsächlich habe ich im Internet einige Programme gefunden, die so etwas bewerkstelligen. Auch in dem von mir genutzten Zeichenprogramm DevCad gibt es diese Funktion. Nachdem ich mehrere Programme getestet hatte, war schon bald klar, dass eigentlich alle Programme mit mehr oder weniger ähnlichen Strategien arbeiten und die Ergebnisse der vollkommen automatischen Umsetzung – gelinde gesagt – nicht gerade berauschend sind. Da letztlich keines der getesteten Programme deutlich besser war als die entsprechenden Funktionen in DevCad, habe ich mich letztlich darauf festgelegt. Die nachfolgenden Beispiele basieren also alle auf den wesentlichen zwei (von vier) unterschiedlichen Strategien von DevCad.
Vom Plan übers Bild zur Zeichnung
Meine generelle Vorgehensweise zum Fräsen der Bauteile für den Thermy 3 ist so geplant: Die Bauteile für den Rumpf einzeln vektorisieren und die Fläche mit Hilfe des von mir ebenfalls genutzten Programms DevWing nachkonstruieren. Dies deshalb, weil ich mit DevWing schon relativ viel Erfahrung habe, man damit sehr zügig voran kommt und weil es viel zu aufwändig wäre, alle Rippenzeichnungen einzeln zu vektorisieren.
Um die Funktionen zur Umsetzung von Bild in Vektorgrafik in DevCad nutzen zu können, habe ich nun erst mal aus der PDF- eine JPG-Datei gemacht. Dies geht sehr einfach mit einem Grafikprogramm, das auch PDF-Dateien einlesen kann. In meinem Fall war das Adobe Photoshop Elements. Es geht aber auch mit Freeware-Programmen wie z.B. Irfanview. Allerdings habe ich festgestellt, dass Irfanview deutlich unschärfere Linien erzeugt als Photoshop Elements, was sich dann später negativ auf die Vektorisierung auswirkt.
Aus dem Gesamtbild der einzelnen Planblätter habe ich mir dann die Einzelteile herausgeschnitten und als eigene Bilddateien gespeichert. In DevCad kann man nun eine solche Datei in den Hintergrund legen und sie anschließend vektorisieren lassen. Im Falle des Thermie-Planes ist keine explizite Skalierung der Bauteile erforderlich, da die Zeichnungen alle 1:1 vorhanden sind und die Skalierung dann einfach aus der Bildgröße übernommen wird.
Automatische Vektorisierung
Für die Vektorisierung der Bilddateien gibt es nun verschiedene Strategien, die für den geplanten Zweck sehr unterschiedliche Ergebnisse liefern. Diese reichen von völlig unbrauchbar bis einigermaßen brauchbar, wobei das Ergebnis sehr stark von der Art der Zeichnung abhängig ist. Am besten funktioniert die Sache bei „isoliert“ gezeichneten Bauteilen, also bei Bildern, auf denen lediglich die Umrisse und Ausschnitte eines Bauteils gezeichnet sind, wie es z.B. beim Teil 15 des Thermy-Plans der Fall ist. In allen anderen Fällen, also z.B. Rumpfspanten, bei denen die Rumpfgurte und Beplankungen mit eingezeichnet sind, kommen bei den meisten Umsetzungsstrategien eher unbrauchbare Ergebnisse zustande.
Mittellinien zeichnen
Mit Abstand am schlechtesten schneidet in diesen Fällen die Methode ab, die Hauptlinien als Mittellinien zu zeichnen. Bei dieser Methode wird versucht, aus einem mehrere Pixel breiten Strich der Bildvorlage in der Zeichnung, möglichst einen Vektor zu erzeugen. Dabei werden zum Teil „unendlich viele“ Vektoren erzeugt, die sich aus allem Möglichen zusammensetzen, nur nicht aus geraden Strichen. Die Bilder 1 und 2 zeigen für Spant 5 was gemeint ist. Damit man Hintergrundbild und erzeugte Linien unterscheiden kann, sind das Bild hell grün und die automatisch erzeugten Linien in schwarz dargestellt. Für den gezeigten Spant werden mehr als 2.000 einzelne Linien gezeichnet. Die einzig brauchbaren sind die orthogonalen Linien des Ausschnittes und der oberen Begrenzung.
Bild 1:
Bild 2:
Bild 3:
Deutlich besser wird das Ergebnis bei einem isoliert gezeichneten Bauteil. Hier entstehen im Falle des Teils 15 nur noch sieben Linien. Bild 3 zeigt eine davon rot gekennzeichnet. Hier wäre eine Nachbereitung denkbar, die sich drauf beschränken würde, diese sieben Linien zu einer zusammenzuführen.
Grenzlinien zeichnen
Statt die Mittellinien zu erzeugen, kann man auch Grenzlinien erkennen lassen. In diesem Fall wird ein mehrere Pixel breiter Strich von beiden Seiten her abgetastet, was dann zu zwei Grenzlinien führt. Bild 4 und 5 zeigen das Ergebnis. Dabei kommen dann für den vorher schon gezeigten Spant 5 zwar immer noch mehr als 1.800 einzelne Linien zustande. Aber im Gegensatz zur vorigen Methode entstehen hier einige wenige, wirklich verwertbare Linien. Wenn man sich diese in eine getrennte Zeichnung kopiert, erhält man das in Bild 6 gezeigte Ergebnis. Hier ist zwar auch noch einiges an Nacharbeit erforderlich, aber immerhin möglich.
Bild 4:
Bild 5:
Bild 6:
Bild 7:
Im Falle des Bauteils 15 kommen bei dieser Methode, wie Bild 7 zeigt, tatsächlich nur noch vier geschlossene Linien zustande, so dass man nur noch entscheiden muss, ob man nun die beiden inneren oder die äußeren Grenzlinien verwenden will. Und trotzdem hat die Sache einen Haken. Zugegeben, einen kleinen. Der Abstand zwischen den inneren und äußeren Linien beträgt zwischen 0,3 und 0,4 mm, was letztendlich eine entsprechende Ungenauigkeit gegenüber dem Originalteil bedeutet. Im Falle von Spant 5 kommt noch hinzu, dass die eine oder andere Ecke eine eher runde ist. Zumindest an einer Stelle sieht man das relativ deutlich. Das ist natürlich unterm Strich nach dem Fräsen wahrscheinlich deutlich weniger Abweichung vom Original, als bei der Methode „Bild aufs Holz kleben und von Hand aussägen“ entsteht. Man könnte sich deshalb auch damit zufrieden geben.
Selber zeichnen
Da aber z.B. beim Spant 5, auch bei der zweiten Methode, doch noch einiges an Nacharbeit erforderlich ist, habe ich mal den Versuch unternommen, den Spant 5 über dem Hintergrundbild komplett neu zu zeichnen. Um Aufwand zu sparen, habe ich natürlich nur eine Hälfte gezeichnet und das Ganze dann gespiegelt. Bei diesem Zeichnen kommt einem nun der PDF-Plan sehr stark zugute. Und zwar deshalb, weil die senkrechten und waagrechten Linien der Zeichnungen auch wirklich senkrecht und waagrecht ausgerichtet sind. Das gelingt mir bei meinem A4-Scanner, mit den ja größeren Plänen, so gut wie nie. Meist erfordert das anschließend notwendige, passgenaue Drehen mehrere Versuche. Der große Vorteil der genauen Ausrichtung ist der, dass man dann mit orthogonalen Linien (rechtwinklig zueinander stehende Linien) zeichnen kann. Das geht um ein Vielfaches schneller, als das freie Zeichnen von Linien. Wenn man sich die Zeichnung so vergrößert, dass der im Falle von DevCad quadratische Cursor genau der Linienbreite entspricht, dann ist ein Spant wie der Spant 5 schneller neu gezeichnet, als die nach Methode 2 erstellte Zeichnung zu korrigieren. Wie das im Ergebnis aussieht, zeigen die Bilder 8 und 9 .
Bild 8:
Bild 9:
Je nach Komplexität des jeweiligen Spants dauerte die Zeichnung über der Vorlage zwischen zwei und vier Minuten pro Spant. Das hat unter dem Strich dazu geführt, dass ich die automatische Erstellung im Falle der Rumpfbauteile bis auf die isoliert gezeichneten Bauteile für mich persönlich verworfen habe.
PDF2DXF
Nachdem ich mich mehr oder weniger intensiv in das Thema Konvertieren Bild in Vektorzeichnung eingearbeitet hatte und dabei immer zügiger voran kam, habe ich mich doch nochmal ans Internet gesetzt, um nach einer Möglichkeit zu suchen, PDF-Dateien nach Möglichkeit direkt in Vektorzeichnungen umzusetzen. Und siehe da – es gibt eine ganze Menge solcher Programme. Ich habe mich für das von CAD-KAS entschieden und zunächst mal die kostenlose Version mit entsprechenden Funktionseinschränkungen heruntergeladen. Der Download des Programmes ist unter folgendem Link möglich: http://www.cadkas.de/downgerpdf14.php .
Die ersten Versuche waren sehr vielversprechend. Und da ich nicht der Geiz-ist-Geil-Generation angehöre und meine Brötchen beinahe 15 Jahre lang als Programmierer verdient habe und abschätzen kann, was für ein Aufwand hinter einem solchen Programm steckt, habe ich die 30 Euro für die Vollversion ausgegeben.
Das Programm konvertiert in der Vollversion alle vier Seiten des PDF-Plans in vier getrennte DXF-Dateien, auf die man dann aufsetzen kann. Im Wesentlichen entstehen dabei ähnliche Probleme, wie bei der Vektorisierung von Bilddateien. Jedoch sind die Ergebnisse im Mittel deutlich besser weiterverwendbar, so dass sich die Nacharbeit der konvertierten Zeichnungen im Vergleich zum selber Zeichnen nochmal deutlich verringert. Auch hier ist es so, dass isolierte Bauteil-Zeichnungen wesentlich besser in Vektor-Zeichnungen umgesetzt werden, als Zeichnungen mit dem ganzen Drumherum. Allerdings fällt das Thema Ungenauigkeit durch mehrere Pixel breite Striche weg. Voraussetzung dürfte wohl sein, dass die PDF-Datei als solche nicht einfach auch wieder nur Grafikdateien enthält. Im Falle des Thermy-Bauplans kann man jedenfalls alle isoliert gezeichneten Bauelemente unbesehen übernehmen, ohne sie nachbearbeiten zu müssen. Die Maßhaltigkeit ist 100-prozentig, rechtwinklige Ecken sind immer auch solche und nicht wie bei der automatischen Bildumsetzung teilweise abgerundet. Die entstehenden Linien sind deutlich besser weiterverwendbar als bei der Vektorisierung von Bilddateien.
Bild 10:
Als Beispiel soll hier wieder Spant 5 dienen. Bild 10 zeigt die aus der Konvertierung herauskopierten Elemente für Spant 5. Diese anzupassen und zu ergänzen ist – zumindest in DevCad – deutlich weniger Aufwand, als das selber Zeichnen über der Bildvorlage. Und natürlich auch viel, viel schneller als das Nachbearbeiten der über die Vektorisierung der Bilddatei entstandenen Zeichnung.
Sowohl bei der Erstellung der Zeichnung über Bilder als auch über PDF2DXF habe ich zum Schluss die vielen einzelnen, aneinander hängenden Linien, z.B. für einen Spant-Umriss, immer zu einer Linie zusammen gefasst. DevCad bietet dazu eine sehr einfach zu bedienende Funktion. Das Zusammenfassen hat zwei Vorteile. Zum einen wird das Arbeiten mit der Zeichnung wesentlich einfacher, da man alle zusammengefassten Linien mit einem einzigen Mausklick markieren kann. Zum anderen werden eventuell noch offene Umrisslinien entdeckt bzw. je nach Parametrisierung der Zusammenführungsfunktion automatisch geschlossen. Dies ist in DevCad eine wichtige Voraussetzung dafür, dass die Fräsdateien automatisch erzeugt werden können.
Sonderfall Profil
Für das Nachkonstruieren des Flügels in DevWing benötigt man natürlich eine Profildatei. Der Baubeschreibung kann man entnehmen, dass ein modifiziertes Profil SD7037 verwendet wird, wobei zur Modifikation keine Aussagen getroffen werden. Da der Plan eine fast isolierte Profilzeichnung enthält, produziert PDF2DXF auch eine nahezu perfekte Profilzeichnung. Bild 11 zeigt, dass lediglich drei Linien entstehen, die sehr schnell zu einer verbunden werden können. Ist das getan, hat man auch fast schon eine Profildatei. DevCad bietet nämlich die Möglichkeit, aus einer geschlossenen Linie eine DAT-Datei erzeugen zu lassen, wobei die Maße dabei auch gleich auf 1 normiert werden. In der Regel reicht ein Mausklick und man hat damit eine Profildatei. In Einzelfällen, kann es jedoch erforderlich werden, dass man die Reihenfolge der Koordinatenpaare an die Konventionen der Profildateien anpassen muss (x von 1 bis 0 zu 1). Dies kann man mit einem einfachen Editor tun. Im Falle des Thermy Profils war keine Nachbearbeitung erforderlich.
Rein interessehalber habe ich dann mal die Polare des Originalprofils mit dem des modifizierten Profils verglichen. Bild 12 zeigt beide Polaren und lässt die Modifikation erkennen.
Bild 11:
Bild 12:
Das modifizierte Profil zeigt im unteren Re-Bereich praktisch keine Laminardelle mehr, was sich an den schmaleren Flügelenden dahingehend besser auswirken könnte, dass der Flügelwiderstand bei kleineren Anstellwinkeln insgesamt kleiner wird als beim Originalprofil. Auch bleibt die Widerstandsänderung von etwa 0,2 bis 0,8 etwas geringer als beim Originalprofil. Beides deutet darauf hin, dass das Modell mit dem modifizierten Profil im normalen Geschwindigkeitsbereich etwas schneller sein und es etwas mehr Durchsetzungsvermögen haben dürfte. Das originale Profil weist ein etwas höheres ca max auf. Außerdem nimmt bei größeren Anstellwinkeln im Gegensatz zum modifizierten Profil nicht nur der Widerstand sondern auch der ca-Wert immer noch deutlich zu. Von daher würde ich mal davon ausgehen, dass das Originalprofil beim „Wiesenschleichen” eindeutig Vorteile haben dürfte.
Bildumsetzung bei PDF2DXF
PDF2DXF kann in der Vollversion auch dann DXF-Dateien erzeugen, wenn eine PDF-Datei Grafiken beinhaltet. Dazu kann man die PDF-Datei in eine Bilddatei mit bis zu 300 dpi umwandeln und dann nach .dxf konvertieren. Die zur Vektorisierung verwendeten Strategien entsprechen im Wesentlichen dem, was zu DevCad beschrieben wurde. Es gibt dabei auch die gleichen oben schon beschriebenen Probleme.
Zusätzlich kann eine Bilddatei auch direkt oder über den Scanner eingelesen werden. Man hat damit quasi ein all-in-one-Packet zur Vektorisierung von PDF- und Bilddateien.
Im Falle des Thermy-Plans waren die Ergebnisse über die Bilderzeugung deutlich schlechter als bei der direkten Umwandlung, was aus meiner Sicht auch nicht anders zu erwarten war. Ausführlichere Tests mit Bilddateien habe ich allerdings keine gemacht.
Was ist besser?
Nach den gemachten Erfahrungen war für mich abschließend ein Vergleich interessant. Was ist nun besser? Die selbst gezeichnete Variante des Spants 5 oder die aus der konvertierten DXF-Datei? Oder vielleicht besser formuliert: Wie weit kommt die selbst gezeichnete Variante an die aus der PDF konvertierten und nachbearbeiteten DXF-Variante heran. Der Vergleich ist aus Bild 13 ersichtlich. Hier ist die PDF-Variante in rot und die selbst gezeichnete in grün dargestellt, wobei beide Zeichnungen direkt übereinander gelegt wurden. Einziger signifikanter Unterschied sind die Bögen beim inneren Ausschnitt des Spants 5. Dieser kommt dadurch zustande, dass ich diese Bögen beim Nachbearbeiten nicht ganz so verkniffen gesehen habe, da es auf deren Maßhaltigkeit nun wirklich nicht ankommt. Aus meiner Sicht sagt Bild 13 mehr oder weniger eindeutig: Beide Varianten sind gleichwertig. Da der Aufwand für die Nachbearbeitung jedoch im Falle der PDF-Konvertierung deutlich geringer ist und man alle isolierten Zeichnungen in der PDF-Konvertierung direkt und unbearbeitet übernehmen kann, ist die Sache für mich eindeutig. Die Anschaffung von PDF2DXF hat sich definitiv gelohnt.
Bild 13:
Der optimale Bauplan?
Zum Schluss möchte ich nochmal hervorheben, dass man um ein Vielfaches schneller ans Ziel käme, wenn die PDF-Baupläne alle Bauteile als isolierte Zeichnungen beinhalten würden und das Drumherum nur dort separat gezeichnet werden würde, wo es zum Planverständnis beiträgt. Ältere Baupläne sind eigentlich fast alle so aufgebaut. Bei DevWing und DevFus wäre die Erstellung eines solchen Plans ein Klacks, da man auswählen kann, ob man die Bauteile mit oder ohne Drumherum zeichnen lassen will. Ich vermute mal, dass das bei anderen Konstruktionsprogrammen auch nicht viel anders sein wird.
Also liebe Konstrukteure, die ihr eure Pläne für die FMT erstellt: Seid so nett und fertigt euren Plan zwar mit modernsten Mitteln aber trotzdem nach alter Väter Sitte!
Hermann Eichner
Anmerkung der Redaktion
Für unsere Download-Pläne haben wir uns ganz bewusst für das PDF-Format entschieden, da die Datenbasis unserer Pläne sehr vielfältig ist. Die Pläne werden von den Autoren im Original in verschiedensten Formaten eingereicht, das DXF-Format ist leider noch nicht der Standard. Wir benötigen daher eine Lösung für die Mehrheit unserer Pläne – auch für die älteren – und haben daher das PDF-Format gewählt. Das Format ist universell und mit guter Datenbasis zum Umwandeln geeignet. Die Ausführungen des Autors können wir bestätigen. Trotz der noch vorhandenen Defizite sind wir der Meinung, dass ein Bauplanes im PDF-Format viele Vorteile bringt, die das digitale Format als Alternative zum gedruckten Plan rechtfertigen.
Der Bitte an die Konstrukteure, alle Einzelteile darzustellen, können wir leider nicht immer entsprechen. Unsere Vorgabe an die Autoren, auch größere und komplexere Modelle auf das begrenzte Beilage-Format zu bringen, verlangt nach einer komprimierten Darstellung des Bauplanes. Die separate Darstellung der Einzelteile ist dann ein Luxus, den wir nicht mehr in jedem Fall anbieten können und er fällt der Entscheidung, das Niveau der Bauplanmodelle zu heben, zum Opfer. Alternativ müssten wir diese Pläne dann über drei Ausgaben ziehen oder sie nur als Bauplanvorstellung veröffentlichen – und dann muss der Plan zusätzlich gekauft werden. Das wollen wir aber vermeiden – und so ist an dieser Stelle ein Kompromiss nötig.
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