3D-Datenerfassung in der Qualitätskontrolle – eine Einführung

Gerade in Anwendungen mit kleinen Stückzahlen bis Losgröße 1 werden herkömmliche taktile Verfahren oft noch bevorzugt. Kein Wunder: Sie können bei prinzipiell hoher Grundgenauigkeit und großer Flexibilität auch Hinterschneidungen, Kantenschärfen und Tiefenstrukturen vermessen  – allerdings nur in sukzessiver Antastung einzelner Punkte. Die lückenlose Erfassung dreidimensionaler Freiformgeometrien ist so allerdings fast unmöglich. Allenfalls Objekte, die aus Regelgeometrien zusammengesetzt sind, können so vollständig digitalisiert werden. Denn drei mit der Koordinatenmessmaschine (KMM) gemessene Punkte ergeben zwar eine ebene Fläche. Im Sinne einer Qualitätsprüfung ist das aber nicht – zumindest dann, wenn nicht nur die Lage dieser Fläche, sondern auch ihre Oberflächentopologie geprüft werden soll.
Dazu sind konsistente 3D-Tiefenkarten der Objektoberfläche erforderlich. Optische Oberflächenerfassungssysteme sind hier das Mittel der Wahl. Für beinahe jede Anwendung gibt es mittlerweile optische Verfahren mit der jeweils nötigen Genauigkeit und Auflösung. Ähnlich den in Fertigungsstraßen eingesetzten industriellen Bildverarbeitungssystemen gibt es zwar auch in der Inline-Qualitätskontrolle automatisierte Setups mit 3D-Digitalisierern unterschiedlicher Bauart. Doch aufgrund ihrer speziellen Applikation sind auch diese Systeme zur schnellen Generierung robuster CAD-Daten relativ unflexibel: Mit jeder Formänderung des Prüflings muss auch das Bildverarbeitungssystem angepasst werden. Der Aufwand für die Neukonfiguration der Hard- und Software kann beträchtlich sein.

Zeit sparen durch 3D-Scannen

Sind 3D-Scanner also überhaupt für die flexiblen Erfordernisse in der Qualitätskontrolle kleiner Losgrößen geeignet? Von Entscheidern (gerade in kleinen und mittleren Unternehmen) werden häufig die Kosten ins Feld geführt, um bestimmte Messaufgaben weiterhin quasi-manuell, beziehungsweise mit taktilen Mitteln durchzuführen. Die hohe Entwicklungsdynamik (nicht nur) im Bereich optoelektronischer Systemkomponenten macht optische Systeme zur Oberflächenerfassung und -vermessung nicht nur immer erschwinglicher, sondern auch immer leistungsfähiger. Es ist vor allem die Zeitersparnis beim Einsatz optischer 3D-Digitalisierer, die ihre Anschaffungs- und Gesamtbetriebskosten in vielen Fällen einer taktilen Lösung überlegen macht. Zudem verfolgen profilierte Anbieter wie Artec das erklärte Ziel, das Thema 3D-Scanning in den Massenmarkt zu bringen. Mittel- und langfristig sind also deutliche Kostensenkungen für entsprechendes Equipment zu erwarten – auch im High-End-Bereich. Eine Marktübersicht und der Vergleich einzelner Systeme und Anbieter kann also lohnend sein.

Aktive Triangulation

3D-Scanner tasten Objekte mit Licht ab und wandeln die Daten in virtuelle Modelle am Computer um. Sie tun das berührungslos, und sie bleiben dabei an der Oberfläche. Von Oberflächen sprechen wir hier, weil andere Verfahren (etwa Röntgen-CT oder Wärmefluss-Thermographie) mitunter auch detailreiche Blicke ins Innere der Objekte ermöglichen. Doch schon bei der Oberflächenerfassung mit sichtbarem Licht ist die Vielfalt der technischen Ansätze zu groß, als dass sie sich an dieser Stelle voraussetzungslos ausbreiten ließe. Stattdessen lassen wir in diesem ersten Überblick die koaxialen Verfahren vollständig außen vor und konzentrieren uns auf das triangulierende Messprinzip, genauer: Auf aktive Triangulationsverfahren wie den einfachen Lichtschnitt und die Streifenprojektion („Structured Light“).
Im Gegensatz zu den koaxialen Messanordnungen schließen die optischen Achsen von Sender und Empfänger bei den triangulierenden Verfahren einen bestimmten Winkel ein: den Triangulationswinkel. Lichtquelle, Objekt und Kamera bilden die Ecken eines gedachten Dreiecks. Mit Hilfe der Triangulation lassen sich die Raumkoordinaten einzelner Punkte auf dem Objekt berechnen – und aus einer Punktwolke mit sehr vielen solchen Punkten werden dann die gewünschten virtuellen Objektoberflächen berechnet, die zum Beispiel zur Qualitätskontrolle herangezogen werden können.
Streifenprojektion
Der Lichtschnitt ist häufig das Grundprinzip integrierter Sensoren der industriellen Bildverarbeitung. Die Auswertung eines einzelnen, auf das Objekt projizierten Lichtstreifens zeigt bereits das Höhenprofil der Objektoberfläche entlang dieses ‚Schnittes‘. Betrachtet man mehrere, dicht nebeneinander liegende Schnittlinien beziehungsweise Profilkurven, so wird aus dem streifenförmigen Profil eine dreidimensionale Tiefenkarte: Die dreidimensionale Abbildung der Objektoberfläche. 3D-Scanner auf Basis des einfachen Lichtschnittes sind schon lange erhältlich, doch sind sie zur Referenzierung beziehungsweise Kalibrierung oft an KMM gebunden, was ihre Flexibilität und Mobilität einschränkt.
Die Streifenprojektion ist im Grunde nur eine logische Weiterentwicklung des einfachen Lichtschnittes: Statt einer einzelnen Linie werden spezielle Lichtstreifen oder -muster gleichzeitig oder kurz nacheinander auf dem Prüfling abgebildet. Die Auswertung der 2D-Aufnahmen der Kamera in 3D-Daten erfolgt ähnlich wie beim Lichtschnittsensor durch Triangulation der Tiefenwerte. Damit kann das Objekt grundsätzlich sehr viel schneller vollständig digitalisiert werden als mit vielen, einzelnen, Bild für Bild nur leicht versetzten Linienprojektionen. Selbst komplexe Werkstücke lassen sich so in wenigen Minuten vollständig digitalisieren und in ein CAD-System importieren.

Fazit

Anwendungen in der Qualitätssicherung stellen hohe Ansprüche an die Präzision eines 3D-Scanners. Die jüngste Generation von Structured-Light-Scannern des Luxemburgischen Herstellers Artec 3D drängt sich hier mit Werten im Mikrometer-Bereich in den Fokus der entsprechenden Entscheidungsträger. Die Scanner generieren schnell und einfach robuste CAD-Daten aus beliebigen Regel- und Freiformgeometrien und sind ideal für Designer, Ingenieure und Entwickler aller Branchen geeignet. Artec 3D ist der einzige Anbieter, der ohne zusätzliche Markierungen am Objekt scannen kann, und die Technologie erlaubt sogar leichte Bewegungen des Objektes während des Scannens. Ehemals problematische Messaufgaben mit reflektierenden, absorbierenden oder (teil-)transparenten Objektoberflächen sind heute durchaus lösbar, teilweise sogar ohne bewährte Taschenspielertricks wie reversible Beschichtungen oder Kontrastverstärkung mit Hilfe des Lichtschalters an der Tür. Auch Objektmerkmale, die für 3D-Scanner üblicherweise stets Problemzonen waren (etwa scharfe Kanten, Bohrungen oder Gussgrate) haben inzwischen ihren Schrecken verloren. Selbstkalibrierende, handgeführte Geräte mit hochwertigen, automatisierten Post-Processing-Algorithmen unterstützen den Anwender (nicht nur) in der Qualitätssicherung mit größtmöglicher Flexibilität im praktischen Einsatz. High-End-3D-Scanner der jüngsten Generation eröffnen also in allen Bereichen der industriellen Wertschöpfungskette völlig neue Möglichkeiten. (anm) 

Der Autor, Artem Yukhin, CEO, Artec 3D, ist einer der Gründer von Artec 3D. Er rief das Unternehmen 2007 ins Leben und fungiert seitdem als Chief Executive Officer. Yukhin ist ein erfahrener Manager, Unternehmer, Technologie-Visionär und Investor.