Was sind die wichtigsten Arten des 3D-Scannens?

3D-Scantechnologie

Die 3D-Scantechnologie lässt sich in berührende, berührungslose und zerstörende Verfahren unterteilen. Sie findet breite Anwendung in den Bereichen Messtechnik, Reverse Engineering, Qualitätskontrolle und verwandten Anwendungsgebieten.

Kontaktmessverfahren

Berührendes Scannen: Koordinatenmessgeräte

Koordinatenmessgeräte (CMMs) sind effiziente Präzisionsmessgeräte, die in den 1960er Jahren entwickelt wurden. Ihr Aufkommen wurde durch den Bedarf an zuverlässigen Messgeräten vorangetrieben, die die effiziente Bearbeitung immer komplexerer Teile auf automatischen und CNC-Werkzeugmaschinen unterstützen sollten. Fortschritte in den Bereichen Elektronik, Informatik, numerische Steuerung und Präzisionsbearbeitung bildeten zudem die technische Grundlage für CMMs.

Im Jahr 1960 entwickelte Ferranti im Vereinigten Königreich erfolgreich den weltweit ersten CMM. Bis Ende der 1960er Jahre stellten mehr als 30 Unternehmen in fast 10 Ländern CMMs her, obwohl sich die Produkte noch in einem frühen Entwicklungsstadium befanden. Ab den 1980er Jahren führten Unternehmen wie ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti und Moore weiterhin neue Produkte ein, was zu einer rasanten Entwicklung der CMM-Geräte führte. Moderne CMM-Geräte können komplexe Messungen computergesteuert durchführen, Informationen mit CNC-Werkzeugmaschinen austauschen, um die Bearbeitung zu steuern, und Reverse Engineering auf der Grundlage von Messdaten unterstützen.

Heute finden CMMs breite Anwendung in der Maschinenbau-, Automobil-, Elektronik-, Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie. Sie sind zu unverzichtbaren Geräten für die moderne industrielle Prüfung und Qualitätskontrolle geworden.

CMM – Komponenten und Funktionsweise

Ein CMM ist ein typisches mechatronisches System, das hauptsächlich aus mechanischen und elektronischen Systemen besteht.

1. Mechanisches System: Dieses System besteht in der Regel aus drei orthogonalen Linearachsen. In einem typischen Aufbau ist das Führungssystem der X-Achse auf dem Arbeitstisch montiert, der bewegliche Brückenträger bildet das Führungssystem der Y-Achse, und das Führungssystem der Z-Achse ist im zentralen Schlitten installiert. Jede Achse ist mit einer Skala zur Messung der Verschiebung ausgestattet. Manuelle Handräder und Motorantriebe, ob motorisch angetrieben oder CNC-gesteuert, befinden sich in der Regel in der Nähe der Achsen. Der Taster, der zum Abtasten der Oberfläche des zu prüfenden Teils verwendet wird, ist am Ende der Z-Achse angebracht.
2. Elektroniksystem: Dieses System umfasst in der Regel ein Messwert-Zählsystem, eine Schnittstelle für Messsignale und einen Computer. Es erfasst Koordinatenpunktdaten des Messobjekts und verarbeitet diese Daten.

Das Funktionsprinzip eines CMM besteht darin, die Messung geometrischer Merkmale in die Messung der Koordinaten einer Reihe von Punkten auf diesen Merkmalen umzuwandeln. Nachdem die Punktkoordinaten ermittelt wurden, werden anhand mathematischer Berechnungen die Maße und geometrischen Toleranzen bestimmt. Bei der Messung einer zylindrischen Bohrung können beispielsweise mehrere Punkte in einer Ebene senkrecht zur Bohrungsachse abgetastet werden. Anhand ihrer Raumkoordinaten lassen sich dann der Bohrungsdurchmesser, die Mittelpunktskoordinaten, der Rundheitsfehler, der Zylindrizitätsfehler sowie die Lagebeziehung der Bohrungsachse berechnen. Dies verdeutlicht die hohe Vielseitigkeit und Flexibilität eines CMM: Grundsätzlich kann es jedes geometrische Merkmal und jeden Parameter eines beliebigen Werkstücks messen.

Die ergänzende Rolle von Messmaschinen mit Gelenkarm

Eine Messmaschine mit Gelenkarm ist ebenfalls ein berührendes Messgerät. Im Gegensatz zu einer CMM verfügt sie weder über einen Präzisionsarbeitstisch noch über eine Säule oder Führungsschienen. Stattdessen nutzt sie einen Gelenkarm mit mehreren Freiheitsgraden und kann als flexible Koordinatenmessmaschine eingesetzt werden.

Am Ende des Arms kann ein Sensor angebracht werden. Drehgeber erfassen den Drehwinkel jedes Gelenks, und die Raumkoordinaten des Sensors werden anhand kinematischer Prinzipien berechnet. Während des Einsatzes hält ein Bediener den Messarm und bringt die Sonde mit der zu prüfenden Oberfläche in Kontakt. Durch Drücken einer Taste werden die Koordinaten und die Ausrichtung des Sondengriffs erfasst, die anschließend über ein serielles Kabel an die Messsoftware übertragen werden. Diese Art von Gerät unterliegt nahezu keinen Richtungsbeschränkungen und kann in jeder Ausrichtung innerhalb seines Arbeitsbereichs messen. Sie wird im Allgemeinen für Reverse-Engineering-Messungen großer Blechwerkzeuge eingesetzt, darunter auch manuelle Arme von CIM-CORE und FARO.

Im Vergleich zu CMMs weisen Messmaschinen mit Gelenkarm eine etwas geringere Genauigkeit auf, verfügen jedoch über einen größeren Messbereich und unterliegen weniger Einschränkungen hinsichtlich der Größe und Form der Werkstücke. Sie sind kompakt, flexibel einsetzbar und eignen sich für die Messung während des Fertigungsprozesses. In anderer Hinsicht ähneln sie den CMMs.

Berührungslose Verfahren

Bei der berührungslosen Messung werden zur Datenerfassung hauptsächlich optische Prinzipien genutzt. Zu den gängigen Verfahren zählen Laser-Entfernungsmessung, Lasertriangulation, strukturiertes Licht, Bildanalyse und interferometrische Messung. Optische Messgeräte zeichnen sich durch eine hohe Messgeschwindigkeit und einen hohen Automatisierungsgrad aus. Da weder Anpressdruck noch Reibung auftreten, lassen sich Messfehler vermeiden, die durch Verformungen des unter Krafteinwirkung stehenden Bauteils verursacht werden. Dadurch eignen sie sich besonders gut für die schnelle und großflächige Datenerfassung an komplexen Modellen.

Das Grundprinzip der optischen Messung besteht darin, eine physikalische analoge Größe mithilfe geeigneter Algorithmen in Koordinatendaten für die Werkstückoberfläche umzuwandeln.

Laserentfernungsmessung

Bei der Laserentfernungsmessung wird die Entfernung zwischen einem Messpunkt und einer Referenzebene anhand der Laufzeit des Laserstrahls, der Lichtgeschwindigkeit und des Brechungsindexes der Atmosphäre berechnet. Da eine direkte Zeitmessung schwierig ist, wird bei phasenbasierten Entfernungsmessern üblicherweise die Phasenmessung mit Dauerstrichlaser verwendet. Mit diesem Verfahren lassen sich Entfernungen von mehreren hundert Metern mit einer typischen Genauigkeit im Millimeterbereich messen.

Lasertriangulation

Bei der Lasertriangulation werden die Position und der Winkel zwischen einer Lichtquelle und einem Bildsensor, beispielsweise einer Kamera, genutzt, um die räumlichen Koordinaten von Punkten zu berechnen. Dieses Verfahren kann zur Punkt-, Linien- oder Flächenmessung eingesetzt werden.

1. Er verfügt über einen großen Arbeitsabstand und kann ein Werkstück auch dann messen, wenn es sich relativ weit von der Werkstückoberfläche entfernt befindet.
2. Es verfügt über einen großen Messbereich. Durch den großen Messbereich verursachte nichtlineare Fehler lassen sich per Software kalibrieren und korrigieren.
3. Die Sonde berührt das Messobjekt nicht, sodass sie Daten von Oberflächen aus weichen Materialien erfassen und scharfe Kanten, Vertiefungen und andere komplexe Konturen effektiv messen kann.
4. Die Datenerfassung erfolgt schnell. Bei großen Oberflächen lassen sich die Daten auf einer CMM- oder CNC-Werkzeugmaschine schnell und ohne Tasterkompensation erfassen.
5. Es ist relativ teuer, und Streureflexionen sowie Oberflächenmerkmale wie senkrechte Wände können die Erfassungsgenauigkeit beeinträchtigen.
6. Es ist empfindlich gegenüber dem zu messenden Material, der Oberflächenrauheit und dem Reflexionsgrad, und seine Genauigkeit ist im Allgemeinen etwas geringer als die eines CMM.

Strukturiertes Licht und Gray-Code-Technologie

Bei Methoden mit strukturiertem Licht wird ein bestimmtes Lichtmuster, beispielsweise Streifen oder Gitter, auf die Oberfläche eines Objekts projiziert. Die dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche werden berechnet, indem erfasst wird, wie das reflektierte Muster durch die gekrümmte Oberfläche verzerrt wird. Ein typischer Ansatz sind projizierte Gitter, bei denen Höheninformationen aus der Verzerrung der Gitterstreifen gewonnen werden, die durch Änderungen der Oberflächenhöhe verursacht wird.

Im Gegensatz zur passiven Bildanalyse erfordert die Strukturlichttechnik die aktive Projektion einer künstlichen Lichtquelle. Bei der passiven Stereosicht werden ein oder mehrere Kameras verwendet, um ein Objekt aus verschiedenen Blickwinkeln aufzunehmen, und die Tiefe wird anhand der Bilddisparität berechnet. Binokulare Strukturlichtsysteme vereinen die Vorteile beider Ansätze und können die Messleistung weiter verbessern.

Die binokulare Strukturlichtmessung kann in einem einzigen Durchgang eine große Datenmenge erfassen und eignet sich für die effiziente Vermessung komplexer Oberflächen. Die Ergebnisse werden jedoch durch die optischen Eigenschaften der Objektoberfläche beeinflusst, wodurch transparente oder schwarze Oberflächen schwieriger zu vermessen sind. Die Genauigkeit ist im Allgemeinen etwas geringer als bei der Kontaktmessung.

Der optische Scanner ATOS von GOM aus Deutschland ist ein typisches Strukturlicht-Messsystem. Er projiziert Gitterstreifen auf eine Objektoberfläche, erfasst die verzerrten Streifenbilder mit zwei hochauflösenden Kameras und berechnet dreidimensionale Oberflächenkoordinaten. Er kann in sehr kurzer Zeit vollständige Punktwolkendaten für komplexe Strukturen erfassen. Der ATOS II verfügt über einen Einzelmessbereich von etwa 280 mm × 350 mm, kann bis zu 1,3 Millionen Scanpunkte erfassen und erreicht eine Einzelmessgenauigkeit von plus/minus 0,03 mm. Bei größeren Objekten lassen sich durch die Kombination von Messungen aus mehreren Winkeln vollständige Modelle erstellen, wobei die Zusammenbau-Genauigkeit bei etwa 0,1 mm/m liegt.

Der Gray-Code in Kombination mit einer sinusförmigen Phasenverschiebung ist ein häufig verwendetes Kodierungsverfahren im Bereich des strukturierten Lichts. Der Gray-Code unterteilt zunächst den Messraum in Bereiche, um die ungefähre Position jedes Punktes zu bestimmen. Anschließend wird eine Phasenverschiebung zur präzisen Positionierung innerhalb jedes Bereichs eingesetzt.

Das wesentliche Merkmal des Gray-Codes besteht darin, dass sich benachbarte Codes nur um ein Bit unterscheiden. Dadurch werden Fehler vermieden, die auftreten können, wenn sich mehrere Bits gleichzeitig ändern, was eine hohe Zuverlässigkeit und eine niedrige Dekodierungsfehlerrate bei Messungen mit großem Messbereich gewährleistet. Zu seinen Hauptmerkmalen zählen:

1. Zuverlässige Kodierung mit geringer Fehlerrate.
2. Es handelt sich um einen gewichteten Code. Verschiedene Gray-Codes lassen sich nicht direkt miteinander vergleichen und müssen zur Verarbeitung zunächst in Binärcode umgewandelt werden.
3. Anhand der Anzahl der Einsen in einem Codewort lässt sich feststellen, ob der entsprechende Wert gerade oder ungerade ist.

Bei der Multifrequenz-Heterodyn-Phasengitter-Technologie werden computergenerierte digitale Gitter mithilfe eines DLP-Projektors auf die Oberfläche eines Objekts projiziert. Zwei Kameras erfassen die verformten Streifen synchron, und anhand von Phasenberechnungen werden anschließend dreidimensionale Punktwolkendaten für die Objektoberfläche erzeugt. Dieser Ansatz ermöglicht eine flexible Anpassung der Gitterfrequenz bei gleichbleibend hoher Projektionsgenauigkeit.

Bildanalyse

Bei der Bildanalyse wird die relative Position desselben Punktes in mehreren Bildern genutzt, um anhand der Disparität die Entfernung zu berechnen und so die räumlichen Koordinaten des Punktes zu ermitteln. Häufig wird sie zudem mit anderen optischen Verfahren kombiniert, um die Messleistung und die Anwendbarkeit zu verbessern.

Zerstörende Verfahren

Anwendungsgrenzen des zerstörenden Scannens

Ein automatischer Serienschnitt-Scanner kombiniert den schichtweisen Materialabtrag mit dem schichtweisen Scannen, um die inneren und äußeren Konturdaten eines Modells zu erfassen. Zunächst wird das zu vermessende Bauteil vollständig in ein spezielles, mit Graphitpulver oder Pigmenten angereichertes Harzmaterial eingekapselt. Nach dem Aushärten des Harzes wird es auf einer Fräsmaschine befestigt und mit sehr geringer Schnitttiefe bearbeitet, um einen Querschnitt zu erzeugen, der sowohl das Bauteil als auch das Harz enthält. Der Querschnitt wird anschließend zur digitalen Abtastung unter eine digitale CCD-Kamera geführt. Da zwischen dem Einkapselungsmaterial und dem Werkstück eine deutliche Grenze besteht, können digitale Bildverarbeitungsverfahren wie Filterung, Kantenerkennung, Texturanalyse und Binarisierung die Grenzkontur extrahieren und Konturkoordinatenwerte ermitteln. Das Fräsen und die Analyse werden so lange wiederholt, bis Koordinatendaten für alle Modellquerschnitte vorliegen.

Im Vergleich zur industriellen Computertomographie weisen automatische Serienschnitt-Scanner geringere Geräte- und Betriebskosten auf. Da sie auf der Pixelerfassung basieren, können sie zudem in jeder Schicht eine große Datenmenge erfassen. Ihr klarer Nachteil besteht darin, dass sie das Messobjekt zerstören. Ein relativ ausgereifter automatischer Serienschnitt-Scanner auf dem Markt ist der RE1000 von CGI aus den Vereinigten Staaten.

Industrielle Computertomographie

Die industrielle Computertomographie (ICT) bietet ein zerstörungsfreies digitales tomographisches Verfahren zur Darstellung komplexer innerer und äußerer Strukturen sowie Materialformen. Nachdem ein physisches Muster einer tomographischen Abtastung unterzogen wurde, erzeugt die ICT eine Reihe von Querschnittsbildschichten und Daten. Diese Schichten und Daten enthalten vollständige Informationen über die Konturen des Werkstückquerschnitts und dessen innere Struktur.

Die IKT erweitert den erfolgreichen Einsatz der medizinischen Computertomographie auf die Industrie. Sie kann zur inversen Modellierung und Qualitätskontrolle von kleinen, mittleren und großen Formteilen mit komplexen Strukturen sowie zur technischen Analyse, zur zerstörungsfreien Diagnose von Produktfehlern und zur Zuverlässigkeitsbewertung sowie zur Analyse von Baugruppenstrukturen eingesetzt werden.