Tuboly-Astronic ist spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von Maschinen, die mehrheitlich in der Produktion von Transformatoren eingesetzt werden. Für die Präsentation an einer Messe in Dubai erhielten wir den Auftrag, 10 Anlagen als 3D-Animationen zu visualisieren. Als Basis dienten die technischen CAD-Daten des Kunden. Bei komplexen 3D-Modellen ist es entscheidend, einen effizienten Workflow zu finden, um die Kosten und die Produktionsdauer möglichst tief zu halten.
Design
3D-Animationen mit komplexen CAD-Modellen
3D-Projekte beginnen oft mit der Übernahme von CAD-Daten, die für die Animation optimiert werden. Doch wie geht man mit einem Modell um, das aus über 50’000 Einzelteilen besteht?
NURBS vs. Polygon-Modell
CAD-Programme basieren häufig auf NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines). Mit dieser Technik lassen sich Flächen und Körper mathematisch exakt beschreiben. Für Animation und Rendering hingegen sind Polygon-Modelle flexibler. Deshalb werden NURBS-Modelle für Animationsprojekte in Polygone umgewandelt, wobei sich bestimmen lässt, wie fein die Flächen unterteilt werden.
Wie aus CAD-Daten Animationsmodelle werden
Die Auflösung der Polygon-Modelle beeinflusst sowohl die Darstellungsqualität als auch die Performance und die Renderzeit. Gerade bei komplexen Modellen gilt es, hier einen Kompromiss zu finden. Für Tuboly-Astronic habe ich die CAD-Daten zweimal umgewandelt: Einmal mit hoher, einmal mit reduzierter Polygonanzahl.
Diese unterschiedlich aufgelösten Modelle wurden anschliessend zu einem neuen, optimierten Gesamtmodell kombiniert. Für kleinere Bauteile wie Schrauben, Muttern, Unterlagscheiben und ähnliche Komponenten kam die Version mit reduzierter Polygonanzahl zum Einsatz; alle übrigen Objekte wurden aus der detaillierteren Version übernommen.
Da einzelne Anlagen weit über 20’000 Kleinteile umfassten, musste ich mir etwas einfallen lassen, um diesen Prozess zu automatisieren. Ich entwickelte ein Python-Script, das die Kleinteile anhand der hinterlegten Objektnamen identifizieren, kategorisieren und separieren konnte.
Der realistische 3D-Look
Ein wesentlicher Schritt, um aus einem technischen CAD-Modell eine attraktive 3‑Visualisierung zu machen, ist die Zuweisung von Materialien. Diese werden durch zahlreiche Parameter definiert wie Farbe, Reflexionsverhalten, Rauheit oder Refraktionsindex bei transparenten Materialien.
Je nach Bauteil kamen unterschiedliche Shader zum Einsatz, damit Metalle, Kunststoffe, Glas und lackierte Oberflächen realistisch wirken. Als Referenz dienten mir bestehende Videos und Bilder des Kunden.
Um über sämtliche Anlagen und Animationen hinweg einen konsistenten Look sicherzustellen, habe ich zunächst die verschiedenen Materialien zentral definiert. Bei der individuellen Zuweisung der Shader war erneut die Vielzahl der Einzelobjekte eine Herausforderung.
Das zuvor entwickelte Python-Script erwies sich einmal mehr als äusserst nützlich. Die Kleinteile liessen sich dadurch innerhalb kürzester Zeit automatisch identifizieren und mit den passenden Materialien versehen. Bei den prägenderen Bauteilen hingegen war manuelle Arbeit erforderlich, wobei ich Objekte teilweise über ihre hinterlegten Namen identifizieren und gruppenweise texturieren konnte, was den Prozess merklich vereinfachte.
Animation und Rendering
Als Blickfang für Messen konzipiert, ging es Tuboly-Astronic nicht darum, mit den Videos die exakte Funktionsweise der Anlagen zu erklären. Der Fokus lag auf Kamerafahrten mit dem Ziel, einen Gesamtüberblick über das Sortiment zu vermitteln und ausgewählte technische Details visuell hervorzuheben.
Die finalen Animationen wurden in 4K-Auflösung mit 50 Bildern pro Sekunde gerendert. Insbesondere bei Kamerafahrten sorgt dies für eine detailreiche Darstellung mit flüssigen Bewegungen. Da diese hohe Qualität einiges an Rechenpower erfordert, nahmen wir den Service einer externen Renderfarm in Anspruch. Für die Videos mit einer Gesamtdauer von 9 Minuten mussten rund 30'000 Einzelbilder berechnet werden.
Fazit: Effizienter Workflow mit CAD-Modellen
Die Integration komplexer CAD-Modelle in 3D-Animationen bringt technische Herausforderungen mit sich: Tausende Einzelobjekte, hohe Polygonzahlen und grosse Datenmengen machen eine direkte Verwendung in den meisten Fällen unpraktikabel.
Es ist entscheidend, die CAD-Daten bereits vor Projektbeginn genau zu analysieren und einen passenden Workflow zu definieren. Struktur, Benennung, Detailgrad und Datenqualität der Modelle haben einen direkten Einfluss auf den weiteren Aufwand. Nur mit einer gut überlegten Aufbereitung der gelieferten Daten, Reduktion unnötiger Geometrie und automatisierten Prozessen lässt sich ein 3D-Animationsprojekt auf der Basis komplexer CAD-Modelle effizient realisieren.