3D-Scannen für die Metrologie

Es mag zwar offensichtlich erscheinen, doch drei der ersten Dinge, die Sie berücksichtigen müssen, bevor Sie einen messtechnischen 3D-Scanner einsetzen, sind Größe, Komplexität und Genauigkeit Ihres Zielobjekts. Diese Schlüsselfaktoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entscheidung, welche der auf dem Markt erhältlichen Geräte am besten geeignet sind, um Ihre Anforderungen an die Messungen zu erfüllen.

Stationäre 3D-Scanner

Stationäre Vermessungssysteme wurden für die Erstellung von Modellen im Mikromaßstab mit extrem hoher Auflösung und Genauigkeit entwickelt und sind in der Lage, selbst kleinste Oberflächendetails zu erfassen. Damit eignen sich diese 3D-Scanner perfekt für Reverse Engineering oder Inspektionen direkt im Büro oder im Labor.

Ein kleines, kompliziertes Objekt wird mit einem 3D-Scanner Artec Micro II digitalisiert.

Im Idealfall sind diese Komponenten jedoch kleiner als eine Faust, da alles, was viel größer ist, wahrscheinlich die Kapazität eines stationären Systems übersteigt. Vor diesem Hintergrund eignen sich kompakte 3D-Scanner ideal für die Erfassung winziger, komplexer Komponenten, und sie können sogar solche mit reflektierenden Oberflächen vermessen. Solche Geräte werden häufig für das Reverse Engineering oder die Qualitätsprüfung komplizierter Industrieteile wie Lager, Laufräder und Ventile eingesetzt, unabhängig davon, ob diese im Kunststoffspritzguss oder 3D-Druck entstehen sollen. Stationäre 3D-Scanner werden auch in anderen Branchen, wie der Dental- und Schmuckindustrie, verwendet.

Handgeführte 3D-Scanner

Sind Sie auf der Suche nach einer tragbaren messtechnischen 3D-Scanlösung, die ohne Einschränkungen und mit echter Bewegungsfreiheit eingesetzt werden kann? Dann sind tragbare 3D-Messgeräte vielleicht das Richtige für Sie. Diese Scanner ermöglichen den Nutzern, in kürzester Zeit mittlere bis große Objekte zu scannen. Wenn der 3D-Scanner kabellos ist, bringt das eine noch größere Beweglichkeit, was das Scannen schwieriger Oberflächen und von Objekten mit komplexen Merkmalen natürlich erleichtert.

Da es so zahlreiche Geräte mit unterschiedlichen Reichweiten, Texturauflösungen und Punktaufnahmefähigkeiten gibt, ist es auch für Neueinsteiger in dieser Kategorie am einfachsten, ein Gerät zu finden, das ihren persönlichen Anwendungsanforderungen entspricht.

Die Niedrigschwelligkeit ist ein weiterer Faktor, der handgeführte 3D-Scanner zu einer attraktiven Alternative zu sperrigen, teuren KMGs macht. In den meisten Fällen sind 3D-Scanner billiger in der Anschaffung und einfacher in der Anwendung. Bei Artec Leo können Sie zudem die integrierte Farb- und 3D-Kamera nutzen, um den entstehenden Scan in Echtzeit auf dem Display zu verfolgen.

Das interaktive 5,5-Zoll-Touchpanel des kabellosen, KI-gesteuerten 3D-Scanners Artec Leo.

Wer in der industriellen Fertigung arbeitet, kann auch die Prüfung von Teilen automatisieren. Handgeführte 3D-Scanner können in der Regel an Roboterarmen montiert werden, die wiederum mit KI so gesteuert werden können, dass die Teilechargen mit dem idealen Scan-Pfad gemessen werden können, was Vorteile bei der Erfassungsgeschwindigkeit und -genauigkeit mit sich bringt.

Robotergestützte 3D-Scanner

Nun kommen wir zu roboterarmgestützten Scanlösungen. Obwohl es sich hierbei streng genommen nicht um einen eigenständigen Typ von 3D-Laserscanner handelt, stellen Robotersysteme dennoch eine besonders zu beachtende Möglichkeit der Automatisierung dar. Egal, ob es sich um handgeführte Systeme oder Langstrecken-Laserscanner handelt, bietet die Mechanisierung viele potenzielle Vorteile, insbesondere wenn sie in der Industrie eingesetzt wird.

Einer der Hauptvorteile Scannens mit Unterstützung von Roboterarmen besteht darin, dass weniger menschliche Interaktion bei der 3D-Vermessung erforderlich ist, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass Produkte falsch erfasst werden, geringer ist. Beim Einsatz in Produktionslinien sind solche Lösungen auch besonders gut für Multitasking geeignet, um etwa Daten zu erfassen und gleichzeitig die Qualität der Teile zu analysieren.

3D-Scanner an Roboterarmen bieten auch eine potenzielle Lösung für die Engpässe, wie sie bei der Qualitätssicherung mit hohem Durchsatz mit herkömmlichen KMGs auftreten können. Die Befestigung von 3D-Messtechnik an einer festen Basis schränkt sie jedoch auf den Betrieb in einem vorgegebenen Bereich ein. Daher erfordern die Aufbauten eine umfangreiche Vorausplanung und sind daher für Anwendungsfälle, bei denen Flexibilität grundlegend ist, nicht zu empfehlen.

3D-Scanner mit fester Position

Mit bestimmten 3D-Laserscannern ist es jetzt möglich, Objekte in wahrhaft epischem Ausmaß zu scannen: von Offshore-Windturbinen über ganze Gebäude bis hin zu weitläufigen Außenanlagen.

Für solche Zwecke wenden sich viele LIDAR-3D-Messgeräten (Light Detection and Ranging) zu – und das aus gutem Grund.

Der neueste Langstrecken-3D-Laserscanner von Artec 3D, Artec Ray II, bei der Arbeit.

Bei kleineren Objekten sind jedoch handgeführte Geräte oft besser geeignet sind. Außerdem ist die Einstiegshürde für die LIDAR-Geräte recht hoch, vor allem wenn es um die tatsächliche Nutzung der Daten geht. Daher ist es ratsam, sich vor der Einführung ein gewisses Fachwissen anzueignen.

Es gibt auch Lösungen mit strukturiertem Licht und Infrarotscanner, die auf Teleskopstativen befestigt werden können. Diese können zwar so eingerichtet werden, dass sie Daten aus verschiedenen Höhen und Entfernungen erfassen können, doch aufgrund ihrer feststehenden Position bieten sie nicht die Manövrierfähigkeit, die gerade tragbare Geräte zu so attraktiven Erfassungsinstrumenten macht.

Wenn Sie auf der Suche nach einer Alternative sind, sollten Sie die Photogrammetrie in Betracht ziehen. Systeme wie das Artec Metrologie-Kit ermöglichen es, mit einer unglaublichen Genauigkeit von bis zu 2 Mikrometern zu messen und Aufgaben der Qualitätsprüfung und Verformungsanalyse mit minimalen Fehlern zu erledigen. In der Praxis bedeutet dies, dass man etwa die geometrischen Veränderungen von Bauteilen wie Fahrzeugteilen und Lagertanks mit hoher Genauigkeit messen und ihre Materialverformung unter Belastung analysieren kann.

Das Kit ist zwar eigenständig einsetzbar, kann aber auch in umfassendere industrielle Arbeitsabläufe integriert oder als Referenzwerkzeug verwendet werden, um eine noch höhere Genauigkeit beim 3D-Scannen über größere Entfernungen zu erzielen.

Wie Sie sehen können, gibt es viele verschiedene 3D-Scanner für messtechnische Anwendungen. Hier stellt sich zwangsläufig die Frage: Welchen sollten Sie wählen? Es gibt keine pauschale Antwort für Photogrammetrie, strukturiertes Licht oder Laserscanning, daher sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen, bevor Sie sich für eine Technologie entscheiden.

Genauigkeit

Die meisten Geräte werden mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern beworben. In Wirklichkeit gibt diese Zahl an, wie nah der Scanner an die tatsächlichen Maße eines Objekts herankommen kann. Natürlich variiert die Genauigkeit von Modell zu Modell, doch es ist allgemein anerkannt, dass eine Einzel-Scan-Genauigkeit (im Gegensatz zu einer volumetrischen Genauigkeit) von 0,1 mm oder weniger erforderlich ist, um ein Objekt effektiv zu messen oder digitale Doppelgänger zu erstellen.

Bei der 3D-Messtechnik gilt: Je größer der Fehlerbereich, desto weniger effektiv ist ein Gerät. Bei Anwendungen wie der Inspektion von Teilen ist die Datenintegrität von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass sie in Übereinstimmung mit dem ursprünglichen Produktentwurf hergestellt wurden. Ein weiteres Hindernis für das Erreichen der Hauptziele der Qualitätssicherung – die Erkennung und Behebung von Fehlern und die Verbesserung der Wiederholbarkeit des Produkts – sind signifikante Abweichungen.

Auflösung

Wenn Sie die Anschaffung eines Scanners für 3D-Messtechnik erwägen, müssen Sie auch berücksichtigen, wie viele Details Sie erfassen möchten. Das Scannen komplexer Komponenten, die von dunklen oder reflektierenden Oberflächen bedeckt, von Löchern durchzogen sind oder tiefe Vertiefungen aufweisen, wird immer schwieriger sein als das Scannen weniger komplexer Objekte. Doch können Sie sich das Leben leichter machen, indem Sie prüfen, ob der Scanner, den Sie kaufen, bestimmte Spezifikationen erfüllt.

Ein hochdetaillierter 3D-Scan, erstellt mit einem unglaublich präzisen Artec 3D-Scanner.

Einer der wichtigsten Werte ist die 3D-Auflösung. Dieser Begriff beschreibt nicht die Auflösung der Scans selbst, sondern den Mindestabstand zwischen zwei Punkten auf den resultierenden 3D-Polygonnetzen. Eine höhere Auflösung bedeutet, dass mehr Datenpunkte verarbeitet werden müssen, führt aber im Allgemeinen auch zu detaillierteren Modellen. Wer vollfarbige Texturen erfassen will, muss auch auf die „Bits pro Pixel“ eines Geräts achten. Je höher der BPP-Wert, desto besser ist die Farbaufnahmefähigkeit.

Größe

Es mag offensichtlich klingen, aber potenzielle Anwender von 3D-Scans müssen sich zunächst überlegen, wie groß ein Objekt ist, das sie digitalisieren oder messen möchten. Mit handgeführten Geräten können Sie zum Beispiel eine Vielzahl von mittelgroßen bis großen Objekten erfassen. Bei Artec 3D ist die Flexibilität einer der Gründe, warum unser kabelloser, vielseitiger Artec Leo weiterhin so beliebt ist. Wenn Sie jedoch im Mikromaßstab scannen oder extrem große Objekte wie Flugzeuge oder Strukturen wie Gebäude erfassen möchten, sind andere Geräte möglicherweise besser geeignet.

Während Artec Micro II auch die feinsten Details erfasst, ist Artec Ray II für die Verarbeitung besonders großer Objekte ausgelegt.

Woran können Sie also die Kapazität eines 3D-Scanners erkennen? Nun, der Arbeitsabstand eines Geräts sagt Ihnen, wie nah Sie an ein bestimmtes Objekt herankommen müssen, um es zu erfassen. Ob dieser Wert hoch oder niedrig sein muss, hängt (zumindest bis zu einem gewissen Grad) von Ihrer Zielanwendung ab. Wenn Sie Landschaften oder Infrastrukturen aus der Ferne erfassen wollen, ist das LIDAR-Laserscanning mit großer Reichweite wahrscheinlich die beste Option. Wenn Sie hingegen in engeren, beengten Räumen arbeiten, ist ein Handscanner mit einem kurzen Arbeitsabstand die bessere Wahl.

Geschwindigkeit

Je nach Anwendung ist es möglich, sowohl kleine Teile in hohen Stückzahlen als auch kleine Mengen von größeren Bauteilen zu scannen. Gehen wir nun auf die Faktoren ein, die zu berücksichtigen sind, wenn 3D-Scans zur Qualitätssicherung in Bereichen mit hohem Durchsatz, wie etwa bei Produktionslinien, eingesetzt werden sollen.

Eine von mehreren Größen, die es beim Messen abzuwägen gilt, ist die Geschwindigkeit der Datenerfassung eines Geräts. Sie wird oft in Punkten pro Sekunde gemessen. Je höher diese Zahl ist, desto schneller kann das Gerät Datenpunkte auf der Oberfläche eines Objekts erfassen. Zwar gibt es bei vielen modernen Geräten nur geringe Unterschiede hinsichtlich der 3D-Belichtungszeit, jedoch wirkt sich dies auch auf die Geschwindigkeit aus.

Das Sichtfeld Ihres 3D-Scanners, das heißt der maximale Bereich, den er aus einer bestimmten Entfernung erfassen kann, kann sich auch auf die Geschwindigkeit auswirken, mit der Sie scannen können. Der auf Präzision optimierte Spider ll ist beispielsweise in der Lage, einen Bereich von 171 × 152 mm zu scannen, während Artec Leo eine größere Reichweite von 838 × 488 mm hat. Das bedeutet, dass beide zwar Objekte der gleichen Gesamtgröße erfassen können, Space Spider dafür aber länger braucht als Artec Leo.

Auch andere Faktoren wie die Nutzerfreundlichkeit können sich auf den Durchsatz auswirken, denn je länger die Einarbeitung in einen 3D-Scanner dauert, desto weniger produktiv werden die Nutzer sein. Mit einem flexiblen, handgeführten Gerät ist es auch einfacher, Hindernisse zwischen Ihnen und dem zu messenden Objekt zu umgehen. Tragbarkeit ist also nicht nur eine Frage des Komforts, sondern trägt auch wesentlich dazu bei, dass Benutzer ihre Aufgaben schneller erledigen können.

Mobilität

Da Artec Leo völlig kabellos ist, kann er zum Erfassen von Scans auch unter schwierigen Bedingungen verwendet werden.

Zu guter Letzt lohnt sich die Frage: Brauche ich einen montierten oder einen tragbaren 3D-Scanner? Während ersterer eher für 3D-Scans in großen Mengen oder für die Erfassung großer Objekte (z. B. große Flugzeugteile und Fabriken) geeignet ist, ist letzterer vielseitiger anwendbar.

Theoretisch bieten selbst preisgünstigere handgeführte Geräte eine Bewegungsfreiheit, die es den Anwendern ermöglicht, ein Zielobjekt aus jedem erdenklichen Winkel zu erfassen. Allerdings sind solche Geräte in der Regel mit Kabeln ausgestattet, was die Möglichkeiten in der Praxis einschränkt. Die Benutzer solcher 3D-Scanner müssen daher das Vorhandensein Steckdose sowie den Standort des zu erfassenden Objekts berücksichtigen.

Stellen Sie sich einmal vor, wie es wäre, wenn Sie das Innere eines Fahrzeugs in einem Montagewerk scannen wollten: Wäre das Kabel dann in der Lage, sich um Sitze und andere Hindernisse im Innenraum zu wickeln?

3D-Messlösungen wie Leo überwinden diese Probleme, indem sie völlig kabellos sind. Leo ist nicht nur der weltweit erste kabellose und KI-gestützte 3D-Scanner, sondern ermöglicht dank seiner Mobilität auch die Datenerfassung aus schwer erreichbaren Winkeln. Mit Hilfe des integrierten Bildschirms können sich Anwender zudem auf die Erfassung aller wichtigen Datenpunkte konzentrieren, ohne ständig auf einen externen Monitor schauen zu müssen.

Qualitätssicherung

Eine der wichtigsten Anwendungen der 3D-Messtechnik ist die Teileprüfung. In der Industrie nutzen Hersteller die Technologie, um zu überprüfen, ob die Endkomponenten wie geplant funktionieren können. Dieser Prozess ist nicht nur für die Gewährleistung der Produktqualität (und der Kundenzufriedenheit, wenn das Produkt für den Verkauf bestimmt ist), sondern auch für die Vermeidung kostspieliger Fertigungsfehler von entscheidender Bedeutung.

Obwohl die Einheitlichkeit der Teile für den Erfolg der Fertigung generell von entscheidender Bedeutung ist, ist die Toleranz gegenüber Abweichungen in bestimmten Sektoren noch einmal geringer. In streng regulierten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt müssen Bauteile oft strenge Kriterien in Bezug auf Hitzebelastung, Gewicht und chemische Beständigkeit erfüllen. Infolgedessen stellen Unstimmigkeiten hier schnell ein potenzielles Ausfallrisiko dar. Mit 3D-Scans können Sie dies verhindern, indem Sie sicherstellen, dass die Teile gemäß den Spezifikationen hergestellt werden.

In Bereich der Luftfahrt hat ein Team der luxemburgischen Luftrettung Artec Scanner bereits zur 3D-Modellierung eines Hubschraubers eingesetzt. Dies ermöglichte den Ingenieuren unter anderem, die Außenhülle des Hubschraubers auf Schäden, die durch Stöße bei Flügen bei schlechtem Wetter oder bei harten Landungen verursacht wurden, zu untersuchen. Mithilfe der gesammelten Daten kann das Team die Ausfallzeiten der Hubschrauber durch schnelle Bewertungen und Diagnosen von Defekten nachhaltig minimieren.

Reverse Engineering

Mithilfe der mit 3D-Messtechnik gewonnenen Messdaten ist es auch möglich, die Parameter eines Bauteils nachzuentwickeln, zu digitalisieren und zu optimieren, um seine Leistung zu verbessern. Eine Digitalisierung kann besonders praktisch sein, wenn es um die Beschaffung von Altteilen geht, da diese, sobald sie nicht mehr hergestellt werden, selten oder teuer werden und in einigen Fällen sogar ganz verschwinden können. Anstatt alte Geräte aus dem Verkehr zu ziehen oder zu erneuern, bietet das 3D-Scannen den Herstellern eine Möglichkeit, sie kostengünstig zu reparieren und zu erhalten.

Um dies effektiv zu erreichen, müssen die Nutzer die ursprüngliche Absicht des Konstrukteurs erkennen und die Fehlerquote minimieren. Teile mit dunklen oder reflektierenden Oberflächen sowie solche mit organischen Formen sind naturgemäß schwieriger zu digitalisieren. Doch mit Softwarepaketen wie Artec Studio, die eine automatische Ausrichtung von Scans ermöglichen und den Nutzern manuelle und automatische Oberflächenbearbeitungswerkzeuge zur Verfügung stellen, wird es definitiv einfacher, dies zu erreichen.

Zur Beurteilung von Abweichungsbereichen wird das Distanzmapping in Artec Studio verwendet.

Wenn Sie Zugriff auf fortgeschrittene Inspektionswerkzeuge für Ihre 3D-Scans benötigen, bietet Artec Studio auch nahtlose Kompatibilität mit Software wie ZEISS INSPECT Optical 3D und Geomagic Control X. 

Produkttests und Iteration

Bei der Produktentwicklung sind die schnelle Digitalisierung und Iteration von Entwürfen entscheidend für den Erfolg. 3D-Scanning ermöglicht die schnelle und einfache Erstellung hochpräziser 3D-Modelle und beschleunigt so den gesamten Ablauf. Ebenso ist die eingängliche Prüfung von Prototypen entscheidend, um Fehler zu erkennen und zu beheben – und auch hier können 3D-Scanner eine Schlüsselrolle spielen.

Bei ASICS beispielsweise werden Laufschuhe zu Zwecken von Prüfung, Iteration und Marketing mit dem Vorgängermodell von Spider II, Artec Space Spider, 3D-gescannt. Die Integration der Technologie in den Arbeitsablauf hat die Möglichkeiten des Unternehmens bei der Visualisierung verbessert und ermöglicht eine bessere Produktbewertung, bevor Artikel in den Handel kommen. In der Fertigung lässt sich dasselbe Konzept auf die Erfassung älterer Teile anwenden, um Verbesserungen oder Erneuerungen zu implementieren.

Verformungsanalyse

Wie in der Luft- und Raumfahrt sind auch in der Automobilindustrie verschiedene Konstruktionselemente unter Belastung starken Verformungen ausgesetzt. Aus Sicherheitsgründen sind die Automobilhersteller daher verpflichtet, zu analysieren, wie sich ihre Leistung bei fortgesetzter Nutzung verändert. Aber wie schaffen sie es, dies schnell und mit der erforderlichen messtechnischen Präzision zu tun?

Viele nutzen heute 3D-Scans, um zu beurteilen, wie sich Prototypen verhalten werden oder wie sich Teile im Laufe der Zeit durch unterschiedliche Fahrbedingungen verändern. Im Gegensatz zu KMGs kann die Technologie auch spontan eingesetzt werden. Dadurch eignet sie sich besser für die Analyse der Position von Bauteilen wie Schweißbolzen in Autofahrgestellen unmittelbar an laufenden Produktionslinien.

Ein Scan eines Dodge Charger wird mit einem exemplarischen 3D-Modell desselben Fahrzeugs zusammengeführt, um die Inspektion in Artec Studio vorzubereiten.

Im größeren Maßstab eignet sich 3D-Scanning auch hervorragend zur Untersuchung des Verfalls von Infrastruktur im Laufe der Zeit. Untersuchungen in den USA haben gezeigt, dass die Technologie etwa die Tragfähigkeit von Bauwerken wie Brücken landesweit präzise und mit hoher Geschwindigkeit ermitteln kann.