Dr.-Ing. Martin Schilling, Dr.-Ing. Thomas Schilling 3D-Schilling GmbH Oberspier

3D-Scannen in der Modellbildung und Produktion

1. Motivation

1963 hatte am MIT in Boston Ivan Sutherland an einfachen Radarbildschirmen mit Lichtstift und Tastatur erste einfache Zeichnungen erstellt und geändert. Damit war der Anfang für CAD-Systeme getan. Der Übergang vom 2D zum 3D erfolgte Mitte der 1980er Jahre mit dem deutschen 3D-CAD-System PYTHA. Der erste Farb-Renderer kam auf den Markt /1/. Die Vorteile von 3D-Daten für die Produktentwicklung und –herstellung lagen auf der Hand: Rasant stellten sich die Entwicklungsmethoden und die Maschinentechnik auf die neuen Möglichkeiten ein. 1988 waren die ersten Stereolithografiemaschinen kommerziell verfügbar. Die Produktion von Modellen erforderte erstmals kompromisslos die 3D-Beschreibung der Modelle. Genial war die Beschreibung der 3D-Oberflächen mittels STL-Format. STL steht für „Standard Transformation Language“ und wurde von Anfang an für die damals als Rapid Prototyping bezeichneten Verfahren genutzt. Dieses Format wurde im Sommer 1994 als ein Standard für ISO/ANSI /2/ akzeptiert.

Die Vorteile der Arbeit mit 3D-Daten sind erheblich: Die Zeit der Produktentwicklung und –herstellung wurde beträchtlich verkürzt, Produktverbesserungen erfolgten in einem Bruchteil der früher benötigten Zeit, Modelle waren innerhalb weniger Tage verfügbar und die Zeiten für die Werkzeug- und Formenherstellung wurden überschaubar.

Abb. 1 Allgemeiner Ablauf der Produktentwicklung

Ein wesentliches Problem beim Übergang zu 3D-Daten war die Datenerzeugung. Eine Alternative zur 3D-Konstruktion war das Scannen. 3D-Schilling konzentrierte sich seit seiner Gründung 1993 auf 3D-Konstruktionen. Leider lässt sich nicht alles konzentrieren und so wurde 1995 ein erstes Projekt durchgeführt, bei dem ein Modell einzuscannen und Formen für Porzellanfiguren herzustellen waren. Seit dieser Zeit verfolgen wir das Scannen als Alternative zur Konstruktion, als Ergänzung für die Modellbildung und letztlich hinsichtlich der Einsatzfähigkeit in der Produktion. Aber wir suchen auch ständig nach Möglichkeiten, verschiedene Verfahren zur Datenerfassung zu kombinieren.

2. 3D-Messmaschinen

Eine wichtige Forderung ist die Objekterfassung und Datenrückführung. Rückgeführte komplexe Daten können IGES oder STEP- Importdaten in die meisten CAD-Systeme einpflegen. Für nur sehr wenige Systeme stellen STEP-Daten eine Alternative dar.

Die Flächenrückführung gestaltete sich in Abhängigkeit von der Datenqualität sehr aufwendig. Die Datenqualität lässt sich erheblich verbessern, wenn die Scann-Daten mit Messdaten ergänzt werden. Damit kann ein Kompromiss zwischen Flächenrückführung und Nachkonstruktion getroffen werden. Beim Scannen ist die ermittelte Punktewolke quasi gleich über das Teil verteilt ermittelt. Konstruktionsrelevante Kanten und Ecken sind meist über Flächenverlängerungen und Verschneiden der Flächen ableitbar. Anders beim Vermessen, wo Elemente, z.B. durch das Antasten von Kanten, Scannen von Bohrungen und Durchbrüche gezielt vermessen werden. 3D-Schilling nutzt für das Vermessen eine 5Achs-Meßmaschine MPS 500 der Fa. 4H-JENA Engineering GmbH, mit der es möglich ist, Teile optisch und taktil zu vermessen. Zu den Messdaten wird die Punktewolke der jeweiligen Scans in das CAD-Programm eingeladen. Die Flächenrückführung erfolgt dort, wo eine Geometrieelemente für die Beschreibung der Punktewolke gefunden werden kann.

Abb. 2: Optisch-taktile Messmaschine MPS 500

3. Kameramesstechnik

3.1 Streifenlichtprojektion

Mit der Verfügbarkeit von Digitalkameras werden seit den 90iger Jahren mehr und mehr Kameras für Scanaufgaben genutzt. Eine sehr genaue und effektive Methode zum Einscannen von Daten ist die Streifenlichtprojektion. Die projektzierten Streifen werden von einer Kamera aufgenommen und die Bilder der Kameras werden unter Einbeziehung der geometrischen Aufnahmeverhältnisse über nachfolgende automatisierte Bildverarbeitung zu einem Messsystem verknüpft.

Abb. 3: Streifenlichtprojektion mittels GOM-Scanner

Abb. 4: Einscannen einer Figur

3.2 Fokus-Scann

Für kleine Teile bietet sich ein anderes Kamera-Messverfahren an. Die 4H- JENA Engineering GmbH entwickelte ein Verfahren, mit dem es möglich ist, 3D-Scann`s direkt in Fräsmaschinen durchzuführen. Die Messeinrichtung wird analog einem Fräser über eine HSK-Aufnahme in der Fräsmaschine aufgenommen. Die Optik hat einen minimalen Fokusbereich im /um-Bereich und wird durch die Fräsmaschine in z-Richtung verfahren. Im Abstand von 5 µm wird jeweils ein Bild aufgenommen. Die Bildbearbeitungssoftware von 4H- JENA Engineering GmbH errechnet aus den jeweils „scharfen“ Bildbereichen und der jeweiligen z-Koordinate das 3D-Modell.

Abb. 5: Fokus-Scann eines Würfels mit Innenteil. Die Kantenlänge des Würfels beträgt 2,5mm

3.3 Personenscanner

Beim Einscannen von Lebewesen kommt es auf minimale Scann-Zeiten an. Die Fa. Vitronic entwickelte hierzu einen Scanner, bei dem in vier Säulen je eine Scaneinheit synchron zu einander verfahren wird. Die Scaneinheit besteht

1. aus einem Linienpointer, der eine Laserlinie auf das Scanobjekt erzeugt 2. zwei Kameras die die Veränderung der Laserlinie auf dem Objekt triangulieren.

Die vier Scaneinheiten bewegen sich parallel über das Projekt und nehmen in Abständen von 1 bzw. 2 mm die Veränderung der Laserlinie auf. Für den Scanvorgang werden ca. 20s benötigt. Mittels einer speziellen Bildverarbeitungssoftware wird die räumliche Anordnung der Punkte des Scanobjektes ermittelt. Es erfolgt eine manuelle Bearbeitung der Punktwolke und anschließend die Erzeugung der Modelle mittels 3D-Druck.

Abb. 6: Scanvorbereitung und Scannen mit dem Scanner von Vitronic

Abb. 7: 3D-Abbildungen, gescannt mit dem Body-Scanner von Vitronic

3.4 Modellbildung auf Basis von Fotografien

Das Erstellen von 3D-Modellen auf Basis von Fotos gewinnt immer mehr an Bedeutung. Es ist möglich, 3D-Objekte aus digitalen Fotografien zu errechnen. Voraussetzung ist, dass das Objekt mit ausreichend vielen Kameras aufgenommen wird und die Bilder untereinander zuordenbar sind. Mit diesen Scanboxen reduzieren sich die Scanzeiten auf die Belichtungszeit der Fotografie. Damit können auch Objekte im Flug gescannt werden.

Das Prinzip kann auch umgekehrt werden: Von einer Landschaft oder einem Bauwerk werden aus verschiedenen Richtungen Fotos gemacht, die durch Marker untereinander zuordenbar sind. So ist es möglich, mit einem Multicopter Objekte zu überfliegen und kontinuierlich Bilder zu machen. Den Bildern werden Höhen und GPS-Daten zugeordnet, die Ausrichtung der Bilder zueinander erfolgt an markanten Geländepunkten. Frau Ine Langer vom FabLab Thüringen hat mit diesen Verfahren die unterschiedlichsten Gelände- und Objektmodelle berechnet.

Abb. 8 Multicopter Überflug und Geländemodell, Quelle Ine Langer, Fablab Thüringen

4. Modellbildung auf Basis von Computertomografie

1972 war der erste Computertomograf kommerziell verfügbar und war durch den hervorragenden Weichteilkontrast sofort in der Radiologie akzeptiert. Die Informationen liegen schichtweise in Form von Bildern vor. Durch die lokalen Dichten lassen sich Knochen, Haut, Gewebe bzw. vollständige Organe selektieren. Ist eine bestimmte Dichte ausgewählt, können die Randkurven um gleichdichte Bereiche gelegt werden. Werden die Randkurven verschiedener Bilder in Punkte umgewandelt und benachbarte Punkte zu Dreiecken verbunden, erhält man ein STL-Modell. Diese Modelle lassen sich komfortabel mittels 3D-Druck vergegenständlichen. Die so hergestellten Modelle finden Anwendungen für Demonstrationszwecke, OP-Planungen, studentische Übungen und letztlich auch für Bohrschablonen, Vorlagen für Nachbildungen aus Gewebe.

Abb. 9 Haut – Knochen Modell auf Basis CT-Daten.

5. Anwendungen von Scannern in der Produktion a. Qualitätssicherung von Kunststoffteilen

Bei Kunststoffteilen mit großen Wandstärken verändert sich die Geometrie des Spritzlings im Abkühlprozess erheblich und neue Flächenkonturen entstehen. Ohne Scanner war nur das Nachmessen einzelner Punkte auf einer Koordinatenmessmaschine zwar möglich, aber nicht die Erfassung der Fläche als Ganzes. Durch das Einscannen der Kunststoffteile lassen sich die Verformungen als Ganzes darstellen. Durch die Überlagerung von gemessener und konstruierter Fläche können die Abweichungen im Farbmodus dargestellt werden.

Abb.10: Farbdarstellung der Abweichung vom gescannten Teil zu CAD-Daten

Auf Grund der so erhaltenen Daten kann die Werkzeugkontur so geändert werden, dass die Spritzform so verändert wird, dass das Teil beim Abkühlen in die vorgegebenen Toleranzgrenzen

schwindet. Das bedeutet auch, dass die geänderte Werkzeugkontur teilweise stark von der ursprünglichen CAD-Vorgabe abweicht. Das „Gegenarbeiten“ von Spritzformen, also das Nachbessern von Formen ist eine gängige Methode, qualitätsgerechte Spritzgießteile herzustellen. Die Abfolge Messen – Vergleichen – Gegenarbeiten – Abmustern – Bewerten kann dabei durchaus mehrfach wiederholt werden.

b. Qualitätssicherung im Werkzeug- und Formenbau

Optische Scanverfahren haben an spiegelnden oder schlecht reflektierenden Oberflächen oft Probleme. Wider Erwarten lassen sich aber Grafitelektroden sehr gut einscannen.

Abb.11: Elektrode während des Scannens mittels Streifenlichtprojektion

Durch das Spannen der Elektroden mittels Null-Punkt-Spannsystem lässt sich das Elektrodenscannen, die Bildbearbeitung und Messdatenauswertung automatisieren. Ein wesentliches Problem besteht darin, dass die Vielfalt der Informationen verdichtet und zielgerichtet im Prozess bereitgestellt werden.

Im Rahmen der Dissertation von Dr. Thomas Schilling wurde das Thema „Augmented Reality in der Produktentstehung“ bearbeitet. AR ist die Bereitstellung von digitalen Informationen in den jeweils konkreten Zusammenhang mit der Realität.

Abb. 12: Reality-Virtuality-Kontinuum für eine Elektrode (Quelle: Dissertation Dr. Thomas Schilling)

Die realen Daten werden mit einer Kamera aufgenommen, die virtuellen Daten (hier die Farbdarstellung der Abweichung der gefrästen Elektrode (Scan) von den CAD-Daten werden lagegerecht auf das Bild der Elektrode gelegt und auf dem Bildschirm in Echtzeit sichtbar gemacht. Der Werker sieht auf dem Bildschirm die Abweichung und kann einschätzen, ob diese qualitätsrelevant sind. Damit können große Datenmengen kontextabhängig nutzbar gemacht werden.

Virtuelle Informationen sind alle CAD-Daten. Mit AR lassen sich die Daten zielgerichtet darstellen und an der Realität bewerten.

Abb. 13 Kontrolle der Elektrode auf Vollständigkeit (Quelle: Dissertation Dr. Thomas Schilling)

Abb. 14 Kontrolle Fertigungsstand eines Werkzeugeinsatzes (Quelle: Dissertation Dr. Thomas Schilling)

Abb. 15 Darstellung CAD-Daten auf Werkzeug (Quelle: Dissertation Dr. Thomas Schilling)

5.3 Scannen und Industrie 4.0

Messen und Scannen sind wichtige Bestandteile in der Produktentstehung. Die Strategie Industrie 4.0 /4/ hat sich als Ziel die Informatisierung der klassischen Industrien / Produktionstechnik gesetzt, in deren Ergebnis die intelligente Fabrik entstehen soll, die sich verändernden Aufgaben anpassen kann. Der Werkzeug- und Formenbau ist eine klassische Einzelfertigung. Um den Erfordernissen der

Strategie Industrie 4.0 zu genügen, ist eine enge Kopplung der Mitarbeiter mit dem komplexen System aus Daten – Maschinen –Informationen Voraussetzung.

Abb. 16: Traditioneller Produktentstehungsprozess und Produktentstehungsprozess unter den Bedingungen der Industrie 4.0 /4/

In den Jahren 2005 bis 2011 wurden bei 3D-Schilling eine Reihe von Arbeiten durchgeführt, deren Ziel es war, Möglichkeiten der besseren Ausnutzung der Ressourcen zu ermitteln. Folgende Themenfelder wurden bearbeitet:

- Fehlerquellen im Formenbau - Logistik im Formenbau - Standzeiten von Werkzeugen - Visualisierungen im Werkzeugbau - Messen und Scannen - Nullpunktspannsysteme

In 2012 wurde eine automatische Fertigungslinie konzipiert. Eine zentrale Funktion kommt der Arbeitsvorbereitung zu. Hier wird der komplette Arbeitsablauf erstellt und die notwendigen Daten und Informationen für die verschiedenen Bearbeitungsschritte bereitgestellt. Dazu gehören

- Vorfräsprogramme für die Einsätze - Programme für das Drahterodieren - Ableiten von Elektroden, Erstellen der Fräsprogramme für die Elektroden,

Messprogramme für die Elektroden - Hartfräsprogramme für die Formen und Einsätze , Messprogramme hierfür.

Vorgearbeitete Werkzeugeinsätze (vorgefräst, gehärtet, geschliffen, gedrahtet) und Elektrodenrohlinge werden auf ein Nullpunktspannsystem gespannt und in zwei Palettenspeichern

abgelegt. Von hier entnimmt ein Linearroboter die Werkstücke und Elektroden und bringt sie zum Bearbeiten. Nach jedem Bearbeitungsschritt werden die Werkstücke und Elektroden taktil vermessen. Interaktionen mit dem Anlagenbediener sind nur notwendig, wenn Toleranzen nicht eingehalten werden. Sind alle Werte innerhalb der Toleranzen, erfolgt die Freigabe für den nächsten Bearbeitungsschritt.

Abb. 17 Automatisierte Fertigung im Formenbau: Werkzeugmaschinen und Messtechnik verknüpft mittels Linearroboter

Durch das System können nur die vorher festgelegten Messpunkte für gut/schlecht-Entscheidungen herangezogen werden. Sollten an Elektroden Konturen abgebrochen sein, die nicht zum Vermessen vorgesehen sind, merkt es das System nicht.

Abb. 18 Elektrode mit Wandausbruch

6. Zusammenfassung

Das Scannen hat sich als eine sehr effektive Methode zur Datenerfassung etabliert. Durch leistungsstarke Rechentechnik und eine umfassende Bildverarbeitung eignet sich die Technik hervorragend zur Integration in der Modellbildung und Produktion.

Literaturnachweis:

/1/ http://de.wikipedia.org/wiki/CAD

/2/ http://hjl.giswiki.org/wiki/C%2B%2B_Standard_Template_Library_(STL)

/3/ http://de.wikipedia.org/wiki/Industrie_4.0

/4/ Schilling, T.: „Augmented Reality in der Produktentstehung“, Jahr: 2008 Verlag: ISLE

Steuerungstechnik und Leistungselektronik; Auflage: 1

ISBN-10: 393884342X; ISBN-13: 978-3938843420