Große Teile exakt vermessen, am Beispiel von Schiffs- und Flugzeugteilen Damit sich findet, was zusammen gehört - Quality Engineering

Große Teile exakt vermessen, am Beispiel von Schiffs- und Flugzeugteilen

Damit sich findet, was zusammen gehört

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Digitale 3D-Messsysteme ersetzen seit Anfang der 90er Jahre im modernen Schiffs- und Flugzeugbau Holzschablone und Senkblei und helfen bei der Qualitätssicherung der hergestellten Riesenteile.
Die Liegezeiten von Schiffen im Trockendock verkürzen sich durch die messtechnische Unterstützung von Monaten auf Tage und auch die Fehlerquote bezüglich Biegung, Präzision von Ausfräsungen etcetera sinkt signifikant. „3D-Koordinatenmesstechnik steigert wesentlich die Effizienz und Genauigkeit bei Reparaturen und Umbauten in der Schiffbau-Industrie“, betont Andreas Zilker, Niederlassungsleiter bei GOM in Braunschweig.
Digitalkameras
Digitalkameras erfassen die Oberflächengeometrie von Schiffen oder Schiffsteilen als Punktewolke, die dann von einer Software zu Bildern zusammengefügt wird. So lässt sich sicherstellen, dass die hergestellten und so geprüften Rumpfteile eines U-Bootes bei der Montage auch wirklich millimetergenau zusammenpassen, umreißt Professor Martin-Christoph Wanner vom Fraunhofer Anwendungszentrum für Schiffbau in Rostock eines der Anwendungsgebiete, in dem die wohl größtmögliche Präzision im Schiffsbau gefragt ist.
Laserscanner
Ähnliches können Laserscanner leisten, die die Punktewolke in der notwendigen Dichte per Triangulation oder Phasenverschiebungsberechnung in ihrem Sensor erfassen und in 3D wiedergeben. Besonders wichtig ist dabei bei den großen Teilen immer der Ansatz, „Messgerät kommt zum Messobjekt“. Die Tritop-Messmaschine von GOM beispielsweise besteht aus zwei Koffern, die zusammen 23 Kilogramm wiegen und völlig ohne Berührung des zu messenden Objektes auskommen. Einen ähnlichen Ansatz fahren auch andere Anbieter. Einer davon kommt sogar mit nur einem remote steuerbaren Gerät aus. Denn „wozu zwei 2D-Bilder auf 3D umrechnen, wenn man auch viel präziser mit direktem 3D-Bildmaterial arbeiten kann?“ Mit dieser Frage stellt Jürgen Steinert, Geschäftsführer der Nürnberger Solectrix die derzeitige Praxis der bildverarbeitenden Qualitätssicherung und Messtechnik in Frage.
Während sich die Vermessung großer Konstruktionen für Schiffs- oder Flugzeugbau bislang also zwischen den Fronten Lasermesstechnik versus bildverarbeitende Erfassung mit Hilfe von Kameras, der Photogrammetrie, bewegte, eröffnen die Embedded-Experten aus Nürnberg mit ihrem echten 3D-Kamerasystem eine neue Diskussion. Die Spezialisten für extrem datenintensive Anwendungen stellen mit ihrer Procam-Plattform den Prototyp eines 3D-Videokamerasystems vor, das bis zu 60 Bilder pro Sekunde bei full HD-Auflösung in Echtzeit auf einen Bildschirm liefern kann. „Eine Oberflächenerfassung in Bewegtbild oder eine Montageüberwachung sind damit in sogenannter Echtzeit möglich“, betont Steinert. Außerdem können bei einem solchen, volldigitalen, Kamerasystem mit Hilfe von Applikationen und Algorithmen, die direkt in das Single Chip 3D Processing Unit implementiert werden, Messpunkte festgelegt und deren Einhaltung überprüft werden.
Darüber hinaus können die beiden Kameraköpfe durch den Übertragungsstandard Coaxpress bis zu 150 Meter von der Kamera entfernt, und damit nah am Objekt eingesetzt werden. Dieses erste digitale Kamerasystem, das Solectrix selbst vermarktet, sei dabei, so Steinert, für ein Bewegtbildsystem außergewöhnlich lichtstark und die Bildqualität habe sich selbst im Einsatz bei Hubschrauberflügen bewährt.
Der 2/3 Zoll-CCD-Sensor der bereits im Einsatz befndlichen sinaCAM ist in Kooperation mit den oberbayerischen Sensorspezialisten der Firma Anadicon entwickelt worden und unterstützt C-Mount und B4-Mount Objektive. So eignet sich das System mit einem Weitwinkel zur Videoaufzeichnung aller Geschehnisse im Raum, während sie mit einem 2/3 Zoll Objektiv bei Bedarf auch extrem kleine Details sehr genau im Blick hat.
Die Verarbeitung der Bilder der Procam erfolgt zeitsynchron in der Steuerungseinheit. Die Daten können über verschiedenste IT-übliche Schnittstellen ausgeleitet und direkt im PC verarbeitet werden. Darüber hinaus sind zahlreiche Schnittstellen wie eine 10 Gigabit Ethernet, PCI Express und CAN-Bus neben den Standardschnittstellen wie USB, DVI, HD-SDI, 3G-SDI, GigE etc. bereits vorhanden. Weitere Anschlüsse lassen sich bei Bedarf schnell und unproblematisch realisieren.
Pate bei der Entwickung der Solectrix-Procam Plattform stand dabei die Solectrix SinaCam. System und Sensor wurden ursprünglich für die Filmindustrie entwickelt, um digitale Bewegtbilder unmittelbar in 3D gewinnen zu können ohne die Daten wie sonst üblich aus zwei Kameras mühsam und fehleranfällig zusammenrechnen zu müssen. Die Procam ist als neue 3D-Hochleistungskamera für unterschiedliche Anwendungen in der Überwachungs-, Produktions- und Medizintechnik gedacht. In Anwendungen wie dem Schiffsbau, so Steinert, könne ein solches System dazu beitragen das jeweilige Objekt oder Teilobjekt zu erfassen, zu überwachen und zu vermessen.
Streifenprojektion oder Bilderfassung
Professor Martin-Christoph Wanner ist Experte für Schiffsbau und Reverse Engineering beim Fraunhofer Anwendungszentrum für Schiffbau in Rostock. Ein Institut, das sich unter anderem damit beschäftigt, unterschiedliche Messsysteme zu vergleichen. Dabei hat Wanner – „erfolglos, da zu ungenau“, wie Wanner betont – schon mit der Alternative der zeitgleich eingesetzten miteinander verrechneten zwei 2D-Bilder experimentiert. Wanner sieht die Auflösung, die ein Messsystem ermöglicht, als kritischen Faktor für die Systementscheidung in der Schiffskonstruktion oder auch im Flugzeugbau: „Letztlich kommt es jedoch auf die Aufgabe an“, so Wanner, „welche Anwendung für die jeweilige Vermessungsaufgabe geeignet ist.“ Je kleiner das zu erfassende Teil oder je kürzer die Distanz auf die man sich ihm nähern könne, um so interessanter seien zum Beispiel Streifenlichtprojektionen; je weiter entfernt und je größer das zu vermessende Objekt um so mehr kämen bildverarbeitende Systeme in denen Kameras das Bild erfassen zum Tragen.
Der Schiffbau ist wegen der extremen Individualität der Anwendungen ein spannendes Feld. Daher ist es eine besondere Herausforderung, dort die optimale Integration der Prozesse zu gewährleisten. Vermessung, Produktion und Qualitätssicherung müssen dort ganz besonders Hand-in-Hand arbeiten. Man denke nur an Fälle, in denen die enorme Hitzeentwicklung von Schweißarbeiten während der Produktionsphase kritische Teile zu verformen droht, was wiederum spezielle Qualitätssicherungsmaßnahmen und Vermessungen auch nach dem Einsetzen der Teile nötig macht. Die notwendige Integration reicht dabei von der Vermessung der Teile über die Verarbeitung der gewonnen Daten im CAD-System und gegebenenfalls Weiterleitung an die CNC-Maschine, gefolgt von der Kontrolle der Großteile noch vor dem aufwändigen Einbau. Das betrifft ganz besonders den Einbau von Ersatzteilen in einen Schiffsrumpf. Gerne erinnert sich Wanner beispielsweise an ein Projekt in dem das Institut die Maßhaltigkeit von Schiffsrumpfsektionen von U-Booten zu betreuen hatte. Generell sei die erforderliche Genauigkeit bei Militärprojekten etwa um den Faktor 10 höher als in der zivilen Seefahrt.
Laserdistanzmessung
Standardmethode, so Wanner, sei dafür bis heute die Laser Distanzmessung mit Totalstation, wie sie auch in der Geodäsie verwendet wird. Aus ihr haben sich die sogenannten Laser-Tracker entwickelt, die von Unternehmen wie API, Leica oder Faro angeboten werden und durch eine Kombination aus Winkelmessung und interferometrischer Laser-Distanzmessung die 3D-Punktkoordinaten eines Objekts dynamisch erfassen.
Photogrammetrie
Was die optischen Messverfahren angehe, so Andreas Zilker, Leiter der süddeutschen Niederlassung von GOM, seien immer wieder auch Lichtschnittverfahren und Streifenprojektionen als 3D-Scannertechnologie möglich. Das Streifenverfahren sei besonders detailreich, jedoch für große Objekte klar zu langsam und im Außenbereich wegen der inkonsistenten Licht- und Oberflächenbeschaffenheiten kaum einsetzbar – weshalb es eher im Flugzeug, denn im Schiffbau eingesetzt würde. Besonders im Kommen ist dort laut Forschungszentrum Rostock die Photogrammetrie für hochgenaue Messaufgaben, wie sie unter anderem von GOM betrieben wird.
Hierbei wird statt eines Lasers eine herkömmliche 2D-Digitalkamera eingesetzt. Dazu selbstklebende, magnetische Messmarken und eine Software, die aus den Messmarkenpunkten die 3D-Punktewolke errechnet. Die durchschnittliche Messabweichung bei einem Rumpf Reverse Engineering Projekt auf der niederländischen Kooiman-Werft in Zwijndrecht seien dabei nach Angaben des Herstellers GOM geringer als 0,6 mm gewesen. Die Laserverfahren bringen es nach Herstellerangaben und im besten Fall auf Genauigkeiten um plusminus 1mm.
Auch das Platzproblem habe die Photogrammetrie inzwischen weitgehend im Griff: Bis zu sechs mal sechs Meter kleine Schotts seien so bei Kooiman vermessen worden. Allerdings, so Wanner sei diese Methode natürlich deutlich personalintensiver als eine automatisierte Lasererfassung, dafür könnten jedoch mit dieser Methode auch große Flächen wie Schiffsrümpfe im Gesamten vermessen werden. Wanner: „Wie gesagt, es kommt eben immer darauf an, was man braucht. Wir haben hier systematisch die verschiedensten Verfahren getestet und können in jedem individuellen Fall eine exakte Auskunft geben über Genauigkeiten und Einsatzbereiche. Denn letztlich hängt der Messerfolg auch immer wieder von ganz anderen Faktoren wie Helligkeit, nasse Oberflächen oder Farben mit einer bestimmten Oberflächenreflexion des vermessenen Objektes ab. Jedes Projekt braucht eigene Algorithmen und eigene Kontrollverfahren für die mittleren Abweichungen.“ Standard-Vermessung und Standard-Qualitätssicherung wie in der Serienproduktion spielen bei der Konstruktion und Verarbeitung großer Teile kaum eine Rolle.
Fraunhofer Anwendungszentrum für Schiffbau, Rostock www.hro.ipa.fraunhofer.de
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