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Messsystem zur Erfassung von Objektgeometrien mit Laserlichtschnittverfahren

David Auzinger

Computergesteuerte Fertigungsverfahren und auch der 3D-Druck ermöglichen die Herstellung komplexer Objektgeometrien anhand von digitalen CAD-Modellen. Umgekehrt ermöglichen 3D-Scanner das Abbilden komplexer Objektgeometrien als CAD-Modelle. Dies führt zu einer Beschleunigung der Produktentwicklung - Stichwort Rapid-Prototyping - bzw. lassen sich damit direkt Produkte während der Herstellung überprüfen, bezeichnet als  closed-loop-manufacturing. Dabei kann ein 3D-Scanner direkt in den Herstellungsprozess eingebunden werden und in Echtzeit Feedback geben, oder es können stichprobenartige Kontrollen durchgeführt werden.

Abbildung 1: Scan eines IP-Telefons im Vergleich zum Original

Das Lichtschnittverfahren mit einem Linienlaser erlaubt eine kostengünstige Realisierung eines solchen 3D-Scanners. Der im Rahmen dieser Masterarbeit konstruierte Messaufbau kombiniert zwei Ansätze, eine Drehung des Messobjektes vorbei an einem fix positionierten Linienlaser und eine lineare Bewegung eines zweiten Linienlasers um trotz möglicher Abschattungen auch komplexe Objektgeometrien erfassen zu können. Zusätzlich werden eine Messkamera, die Kinematik mit der notwendigen Steuerungselektronik und ein Computer benötigt. Der Computer auf dem die rechenintensive Auswertung geschieht, ist über Ethernet und USB mit dem Messaufbau verbunden.
Anhand eines mathematischen Modells der Messanordnung wurden Kalibrierversuche zur Parameteridentifikation entwickelt. Die Auswertung von Messdaten basiert wiederum auf dem Modell und den identifizierten Parametern. Die Aufnahmen der Messkamera werden dabei in mehreren Verarbeitungsschritten gefiltert und aufbereitet um zu einer Punktwolkendarstellung des Messobjektes zu gelangen. Aus der Punktwolke können einerseits direkt Objektinformationen gewonnen werden, andererseits kann sie, u.a. mit der frei verfügbaren Software CloudCompare, weiterverarbeitet werden um die Objektoberfläche zu rekonstruieren. Um den Kreis zu schließen kann aus einer solchen Oberfläche ein 3D druckbares Modell erstellt, und so das Messobjekt repliziert werden.
Darüber hinaus wurde die mit dem Messaufbau erreichbare Messunsicherheit u <= 0.33mm bei einem 95.5% Konfidenzintervall untersucht. Dabei konnte vor allem die verwendete Kamera als limitierender Faktor und somit als Ansatzpunkt für zukünftige Verbesserungen identifiziert werden.
Nach der Untersuchung von konzeptbedingten Einschränkungen der Messmethode sowie der Diskussion von Lösungsansätzen wird eine Auswahl an Testobjekten vorgestellt, mittels derer die Leistungsfähigkeit des Systems demonstriert wird.

Schlagwörter: 3D-Scanner, Lichtschnittverfahren, 3D-Druck, Linienlaser

14. Mai 2018