3D-Scanning von transparenten, spiegelnden und schwarzen Oberflächen Sprühst Du noch oder scannst Du schon? - Quality Engineering

3D-Scanning von transparenten, spiegelnden und schwarzen Oberflächen

Sprühst Du noch oder scannst Du schon?

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Zu den grundlegenden Problemen der flächenhaften 3D-Erfassung mittels Scannern gehört, dass sich transparente, spiegelnde und schwarze Oberflächen nur nach einer Vorbehandlung der Objektoberfläche digitalisieren lassen. Aus diesem Grund hat Aimess mit dem R3Dscan eine Lösung auf Infrarot-Basis entwickelt, mit der sich solche Objekte sogar im Produktionstakt effizient scannen lassen.
Das 3D-Scanning ist heute in vielen Fachbereichen fest etabliert: In der Industrie wird das Verfahren im Rahmen der Qualitätssicherung zur Erfassung von Bauteilgeometrien und für Rapid-Prototyping-Aufgaben genutzt. Im kulturellen Bereich dient es u.a. zur Digitalisierung von Statuen und Denkmälern. Und auch im medizinischen Sektor finden sich verschiedenste Einsatzzwecke, beispielsweise zur Erzeugung einer digitalen Grundlage für die Herstellung von Zahnprothesen.
Abhängig von der eingesetzten Scantechnologie und den damit verbundenen Sensoren können sowohl Oberflächenanalysen an Kleinstbauteilen/Mikrostrukturen mit einer Messgenauigkeit von wenigen Mikrometern durchgeführt werden, als auch Objekte gigantischen Ausmaßes digitalisieren werden, wie zum Beispiel ganze Städte – dann natürlich mit weitaus höheren Messtoleranzen.
Da es unmöglich wäre, all diese Anwendungsfälle mit einem einzigen Sensor abzudecken, hält der Markt eine vielfältige Auswahl an 3D-Scannern für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke bereit.
Alle handelsüblichen optischen Messsysteme im Bereich der dimensionalen Messtechnik basieren auf der Reflektion elektromagnetischer Strahlung an der Materialoberfläche. Typischerweise wird Licht oder auch ein Laser von einer Quelle emittiert, von der Oberfläche reflektiert und von einem Sensor detektiert. Dies ist die Basis aller derzeit in der Praxis eingesetzten Verfahren, sei es die Pulslaufzeitmessung, Phasenvergleichsverfahren oder das Triangulationsprinzip einschließlich Streifenprojektion.
Um die Strahlung im Detektor erfassen zu können, muss bei den genannten Verfahren eine diffuse Reflektion an der Oberfläche stattfinden. Die Strahlung wird dabei in alle Richtungen reflektiert und nur ein kleiner Anteil wird in den Detektor zurück gestrahlt um die Signalauswertung vornehmen zu können.
Reflektionsprinzip stößt bei transparenten, spiegelnden und schwarzen Oberflächen an Grenzen
Das Messprinzip der Reflektion funktioniert zuverlässig, solange das Oberflächenmaterial einen hohen Reflektionsgrad besitzt. Was passiert aber bei transparenten, spiegelnden oder schwarzen Oberflächen? Bei transparenten Oberflächen strahlt die Lichtquelle durch das Material hindurch. Eine diffuse Reflektion kann so nicht stattfinden. Eine Erfassung ist nicht möglich. Spiegelnde Oberflächen reflektieren sehr stark und noch dazu richtungsabhängig vom Eintreffwinkel. Das ausgesendete Licht wird direkt und nicht diffus reflektiert und erreicht den Detektor nicht. Schwarze Oberflächen „schlucken“ einen großen Anteil der diffusen Reflektion durch die Oberflächenfarbe. Die Signalstärke des reflektierten Lichtes ist zu schwach für die Detektion. Deshalb behilft man sich in der Praxis mit weißem Spray (Anti-Glare-Spray) und sprüht damit die zu messenden Objekte ein um eine diffuse Reflektion an der Oberfläche zu ermöglichen. Der Nachteil: Das Messobjekt muss im Nachgang wieder gesäubert werden – ein zeitraubender und kostspieliger Vorgang, der trotz aller Mühe nur selten zu einem perfekten Reinigungsergebnis führt. Oftmals müssen die Probeteile und Baugruppen nach dem Scannen sogar entsorgt werden, da sie durch das Sprühen nicht mehr für die Serienproduktion zu gebrauchen sind. Aus diesen Gründen wird das Anti-Glare-Spray häufig nur für Stichproben genutzt, keinesfalls für Serienmessungen.
In Zeiten, in denen die Produktivitätssteigerung und Qualitätssicherung im industriellen Umfeld eine immer größere Rolle spielt, erweist sich der Einsatz des Anti-Glare-Sprays also als Effizienzkiller. Gäbe es eine Lösung, Objekte mit transparenten, spiegelnden oder schwarzen Oberflächen ohne Einsprühen zu digitalisieren, so entfiele der Reinigungsaufwand, und eine 100-Prozent-Kontrolle wäre machbar. Nicht zu säubernde Bauteile müssten nicht mehr weggeworfen werden.
An dieser Stelle setzt der 3D-Infrarot-Scanner R3Dscan an. Er digitalisiert Objekte mit transparenten, spiegelnden und schwarzen Oberflächen ohne Oberflächenvorbehandlung. Das Einsprühen und Säubern der Messobjekte entfällt. Das patentierte Messprinzip erweitert damit die Möglichkeiten bisheriger Systeme, die nach dem Prinzip der Streifenprojektion arbeiten.
Das System strahlt mit einem aufgeweiteten Laserstrahl auf die Objektoberfläche und erwärmt diese in einem Streifenmuster um wenige zehntel Kelvin gegenüber der Bauteiltemperatur. Die vom Bauteil absorbierte Wärmeenergie wird vom Bauteil wieder abgestrahlt. Durch einen Hochgeschwindigkeits-Infrarotdetektor werden die Muster auf der Bauteiloberfläche erfasst und daraus 3D-Punktwolken beziehungsweise als Endergebnis Meshdaten erstellt.
Die Datenverarbeitung erfolgt in einem von Aimess entwickelten Softwarepaket. Alternativ können die Scan-Daten an ein Standard-Programm zur Punktwolkenverarbeitung übergeben werden. Größere Teile werden durch Mehrfachaufnahmen aus verschiedenen Aufnahmewinkeln erfasst und automatisch zu einer Gesamtpunktwolke zusammengefügt. Die Datenqualität entspricht der von konventionellen Streifenlichtprojektor-Messsystemen. Durch das neue Messverfahren spielt die Reflektivität des Materials keine Rolle mehr. Ebenso wenig beeinflussen das Umgebungslicht oder die Umgebungstemperatur das Messergebnis. Die Technik lässt sich dadurch problemlos im Produktionsumfeld einsetzen.
Manuelle und automatische Führung möglich
Der R3Dscan ist als manuell und automatisch geführter Sensor erhältlich. Das manuelle System kann an einem handelsüblichen tragbaren oder fahrbaren Stativ befestigt werden. Das automatisch geführte System wird an einem Industrieroboter befestigt und kann sehr schnell und effizient Teile und Baugruppen von allen Seiten in der Produktionslinie erfassen. Das Gerät bewältigt die unterschiedlichsten Digitalisieraufgaben, dazu gehören Autoglasscheiben mit Gummidichtungen, halbtransparente CFK-Oberflächen, spiegelnde Oberflächen aus Glas oder Kunststoff, Metalliclack-Oberflächen oder Klavierlacke. Eine Vorbehandlung der Oberflächen entfällt dabei komplett.
Leichtbaumaterialien wie etwa kohlen- (CFK) oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) besitzen im sichtbaren Spektrum in der Regel halbdurchlässige Strukturen. Diese Materialien lassen sich mit dem R3Dscan leicht erfassen. Deshalb kommt der Scanner in Projekten wie Prophomula (Prozessorientierte Erforschung photonischer Werkzeuge zum Kleben von Multi-Material-Leichtbaustrukturen im Automobil) zum Einsatz. Ziel des Verbundprojekts ist es, das Potenzial einer Laservorbehandlung für die klebetechnische Verbindung von Metall mit Faserverbundkunststoffen in automobilen Leichtbaustrukturen zu erschließen, um in Kombination mit einer inlinefähigen Messtechnik eine effiziente Fügetechnik im Automobilbau unter Berücksichtigung der Randbedingungen einer Großserienfertigung zu realisieren. ■
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