Reverse Engineering

Vom physischen Produkt zur digitalen Konstruktion.

1999 startete das Staatliche Institut für Denkmalpflege in Prag die Überwachung des Zustandes der Statuen der berühmten Prager Karlsbrücke. Die im 14. Jahrhundert gebaute Karlsbrücke ist nicht nur ein geschichtlich bedeutendes Bauwerk, sondern gleichzeitig eine Galerie barocker Plastiken.

Die wertvolle Vojtech-Statue wurde durch einen Meister seines Fachs geschaffen und steckt voller detaillierter Merkmale und versteckter Flächen. Die Erfassung der Skulptur mir all ihren Einzelheiten stellt deshalb eine große Herausforderung an die verwendete Methode zur exakte Digitalisierung der Statue dar.

Durch Reverse Engineering wurde auf einfache Weise die Statue des Heiligen Adalberts (tschech. Vojtech) optisch 3D digitalisiert und die erhaltenen Messdaten zur Herstellung von originalgetreuen Kopien verwendet.

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Was ist eigentlich Reverse Engineering?

Entgegen dem gängigen Entwicklungsverlauf, d.h. dass aus einem Computer Aided Design (CAD)-Datenmodell ein Produkt entsteht, wird bei Reverse Engineering aus einem bestehenden Prototyp/Produkt/Werkzeug ein CAD-Datensatz gewonnen, also vom realen physischen Produkt zur digitalen Konstruktion.

Das Reverse Engineering schafft dadurch einen Expresszugang vom bereits vorhanden Werkstück zu einem Konstruktionsmodell in der Rechnerwelt und beschleunigt damit den Entwicklungsprozess erheblich.
Die dazu verwendeten Methoden der Datenrückführung basieren auf zwei Systemen, die die räumlichen Koordinaten des Produkts/Werkstücks liefern. Diese System sind
Taktiles Digitalisieren:

  • Berührendes Messverfahren (Eine Kugel ist auf einer Feder befestigt)
  • Oberfläche wird zeilenweise erfasst
  • Bewährte Technik (Genauigkeit: ? 0,02 mm):
    Anschließend: Rückrechnung auf Nullgeometrie
    kann zu 90% mannlos betrieben werden
    Andruckkraft: ~ 0,1 – 2 N
  • Komplexe Gerätetechnik
  • Hoher Zeitaufwand zur Durchführung einer Messung
  • Schlecht geeignet für Objekte mit hohem Freiformflächenanteil, die gegenwärtig und zukünftig einen immer größeren Anteil ausmachen.
  • Mit dem taktilen Messen sind max. 12 000 Daten pro Oberfläche möglich.

und optisches Digitalisieren

  • Sehr schnelle Digitalisierung durch flächenhafte Objekterfassung
  • Sehr gut für Freiformflächen
  • Mit einer Digitalkamera sind etwa 20 Mio. Messpunkte auf der Oberfläche möglich.

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Am Beispiel der Vojtech-Statue erklärt:

Zur Erfassung des Ist-Zustandes wurde eine zerstörungsfreie Messmethode (optische Systeme) eingesetzt - die bisher verwendete fotografische Dokumentation der "flachen Bilder" erfüllte nicht den neue geforderten Anspruch zur exakten 3D-Nachbildung der Statue.

Deshalb war eine 3D-Digitalisierung erforderlich, damit die Formdaten der Statue auf einfache Weise archiviert, verglichen und, falls erforderlich, zur Herstellung von Kopien verwendet werden können. Für die genaue Erfassung des Heiligen Vojtech wurden an die Statue Referenzpunkte angebracht, und mit der Digitalkamera Aufnahmen aus verschiedenen Kamerapositionen gemacht.
Diese Bilder wurden in einen Rechner eingespeist, in dem die Auswertungssoftware die genaue 3D-Position der Referenzpunkte auf dem Objekt berechnet.

Das Netz der Referenzpunkte wird nun verwendet, um mit Hilfe von Computern die weiteren digitalen Fotografien automatisch in das definierte Koordinatensystem zu integrieren. Aus den verschiedenen Messungen lässt sich nun die gesamte Oberflächenform des Objekts exakt und effizient erfassen und digital am PC darstellen.

Zur Erfassung dieser Staute wurden mehr als 350 Aufnahmen gemacht und über 37 Millionen Datenpunkte mit einem Messpunktabstand von 0,5 mm erfasst. Je nach Statue und erforderlicher Datendichte können derartige Messungen in zwei bis drei Tagen erledigt werden.

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Warum soll man Reverse Engineering einsetzen?

Das Herz des Reverse Engineering ist eine schnelle optische Messtechnik. Schnell weil das Objekt beispielsweise bei der Verwendung eines Lasers flächenhaft vermessen wird. So ergeben sich aus einer Ansicht heraus viele Zehn- bis hunderttausend Messpunkte (Punktewolke). Ein leistungsfähiger Computer nimmt die Messdatenpunkte direkt auf und wandelt sie in dreidimensionale Geometriewerte um, die schließlich zu einer lückenlosen 3D Gesamtansicht zusammengefügt werden.

Mit "Reverse Engineering" – beschleunigt man somit den Entwicklungs- und Konstruktionsprozess, der sich vor allem durch folgende Punkte auszeichnet:

  • Kürzerer und kostengünstigerer Prozessablauf als die komplette Neuentwicklung des Produkts auf dem herkömmlichen Weg.
  • Nach erfolgreichem Reverse Engineering ist die spätere Nachproduktion oder Weiterentwicklung kostengünstiger, da auf die digitalisierten Daten zurückgegriffen werden kann.
  • Reale Modelle (Prototypen, Oldtimer-Karosserien, Unikate, u.a.) für die es noch keine CAD-Beschreibung gibt, lassen sich hierdurch schnell in einer CAD-Zeichnung darstellen.
  • Bei getesteten Prototypen, die neu vermessen werden, um zu überprüfen inwieweit durch die Tests das Produkt sich zum ursprünglichen Konstruktionsmodell verändert hat. Diese Werte können dann schnell durch einen geringen Zeit- und Ressourcenaufwand zur Weiterbearbeitung digitalisiert werden.

Reverse Engineering trägt somit zu einer geschlossenen digitalisierten Prozesskette im Entwicklungsprozess bei, die vom vorhandenen Objekt über das 3D-Abtastsystem und die 3D-Objektbildung bis hin zur optimalen Visualisierung und Bearbeitung von 3D-Objekten am PC reicht.
Beispiel: Reverse Engineering in der Automobilindustrie
Die Ford Motor Company hat so beispielsweise durch einen Reengineering-Prozess mit integriertem Reverse Engineering die Produktentwicklungszeiten erheblich verkürzt.

Bis heute konnten die Entwicklungszeiten um mindestens 30 Prozent und der Aufwand für das Änderungsmanagement um 50 Prozent gesenkt werden, bei Verbesserung der Qualität im gleichen Maße. Nach Aussagen von Ford werden mit dieser Strategie 200 Millionen US$ pro Fahrzeugprogramm und Jahr gespart.

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Reverse Engineering im Kontext

Reengineering

  • "Reengineering umfasst den gesamten Prozess einschließlich des Reverse Engineerings zur Wiederverwendung eines Altsystems."

Business Reengineering

  • "Beim Business Reengineering steht nicht primär die Hardware/Software eines Systems im Blickpunkt, sondern der betriebswirtschaftliche Ablauf bis hin zum verfügbaren Personalstamm innerhalb eines Unternehmens."

Business Process Reengineering

  • "... die kritische Analyse und die radikale Umstrukturierung eines bestehenden Geschäftsprozesses um spür- und messbare Verbesserungen zu erreichen." (nach Trend, 1994)

Software Engineering

  • "... Nutzung bestehender Altsysteme (Programmcode und Dokumentation) als Informationsquelle zur Wartung und Neuentwicklung von Anwendungssystemen." (H.Munz,1997)

Forward-Engineering

  • "Forward-Engineering ist der übliche Weg, Software neu zu entwickeln, indem die Anforderungen eines Benutzerkreises in Spezifikationen und diese wiederum schließlich in Software umgesetzt werden."

Reverse Engineering

  • "Reverse Engineering beschreibt die Erarbeitung von Messpunkten und Konstruktionspunkten aus der Analyse eines Altsystems."

Links und Literatur

  • Aus: Ein Silberpfeil in der Cyber-Welt, Süddeutsche Zeitung, Samstag, 20. April 2002
  • Aus: Reverse Engineering, www.atech.de
  • Aus: Reverse Engineering – neue Wege in die Entwicklung und Konstruktion (www.iwd-online.de/public)
  • Aus: Engineering Solution Center – Kooperative, virtuelle und integrierte Produktentwicklung (http://www.sfb374.uni-stuttgart.de/rv_00_01/Ringvorlesung_hauss.pdf)
  • Reengineering (http://www.informatik.tu-clausthal.de/winf/download/ss03/mba_integration_vortrag.pdf)
  • Aus: IT Glossar (http://www.kurt-aus-kienitz.de)
  • Aus: Reverse Engineering eines Seitenschwellers mittels CATIA V5, (https://www.fh-trier.de/fachbereiche/mb/ak_cad/vortragsreihe/12-02/)
  • Aus: 3D Optische Digitalisierung von Statuen der Prager Karlsbrücke
  • Aus: www.reengineering.org/
  • Aus: www.sei.cmu.edu/reengineering/

Weitere Informationen

Digitalisierung eines Falcon 20 Düsenflugzeugs, das Experimente in nahezu Schwerelosigkeit ermöglicht

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