Vermessen 3D-Objekte ermöglichen effizienten Prozess in der Umformtechnik

Autor / Redakteur: Gunther Notni und Peter Kühmstedt / Annedore Munde

Industrietauglichkeit, Robustheit, ein hoher Automatisierungsgrad, Flexibilität und hohe Genauigkeit sind Anforderungen, die an optische 3D-Messsysteme gestellt werden. Das Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena entwickelt und bietet Messkonzepte und -systeme an, welche die gesamte Messprozesskette in der Umformtechnik und der Blechbearbeitung abdecken können.

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3D-Messsystem Kolibri-1500 zur vollautomatischen Vermessung von komplexen Bauteilen.
3D-Messsystem Kolibri-1500 zur vollautomatischen Vermessung von komplexen Bauteilen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Produktionsprozesse in der Umformtechnik sind durch eine weitgehend automatisierte Fertigung, Schichtbetrieb und unwirtliche Arbeitsumgebungen wie Staub, Lärm und Bodenschwingungen gekennzeichnet. Die am Fraunhofer IOF in Jena entwickelten optischen Messsysteme erfüllen die hohen Ansprüche an die Prozessfähigkeit und werden entsprechend der VDI/VDE-Richtlinie für optische 3D-Messgeräte abgenommen.

Optische 3D-Messsysteme zum berührungslosen Vermessen

Optische 3D-Messsysteme erlauben eine berührungslose Vermessung von Objekten. Bei komplexen Messobjekten kommen moderne Mehrbild-Messsysteme zum Einsatz, welche die Objekte aus unterschiedlichen Ansichten erfassen und somit ein vollständiges Bild liefern. Beim Einsatz im produktiven Umfeld kommt es insbesondere darauf an, dass die Messsysteme ohne aufwändige Kalibrierung und mit geringen Anforderungen an Systemvorbereitung und Bedienbarkeit arbeiten.

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Im Vorfeld eingestellte Messpläne ermöglichen einen vollautomatischen Ablauf des Messvorgangs, bei dem beispielsweise einzelne Blechteile komplett erfasst werden. Die gesamte Messzeit, einschließlich der Vermessung und der Datenauswertung, liegt dabei je nach Messplan und System zwischen einer Sekunde und einigen Minuten.

Optische 3D-Messsysteme sichern Effizienz und Qualität in der Produktion

Optische 3D-Messsysteme können in der Umformtechnik zur Steigerung der Effizienz und damit zur Verringerung der Produktionskosten beitragen. Durch ihren Einsatz lässt sich eine Reihe von Wettbewerbsvorteilen erzielen, beispielsweise die Qualitätsbeobachtung, die Reduzierung von Ausschuss, der Direktvergleich mit CAD-Daten, die Garantie der Materialüberdeckung, die Verbessung des Prozessablaufes sowie die Erhöhung der Produktqualität und die Verkürzung der Lieferzeiten.

Ganz konkret weisen 3D-Messsysteme vielfältige Einsatzmöglichkeiten auf. Mit ihrer Hilfe lassen sich Modelle digitalisieren und zu CAD-Daten zurückführen, Geometriemerkmale – sogenannte Stichmaße – an Blechteilen bestimmen sowie Verschleißerscheinungen an Werkzeugen und langfristige Formveränderungen an umgeformten Teilen frühzeitig erkennen.Die Abweichungen können mittels leicht verständlicher Farbwertskalen deutlich gemacht werden (Bild 1).

Eine durchgängige Fertigungskontrolle und Qualitätssicherung auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen wird möglich. Eine derart breite Einsatzpalette wird durch flexible Messsysteme erreicht, die kleine bis große Messfelder genauso zulassen wie zahlreiche Möglichkeiten bei der Wahl von Messplänen und Auswertetools.

Mehrbild-3D-Messsysteme für komplexe Objekte

Komplexe Objekte werden mit Hilfe der Mehrbild-3D-Messtechnik aus verschiedenen Ansichten gemessen und damit vollständig rundum erfasst. Aus den Einzelbildern entsteht mittels spezieller Auswertestrategien ein Gesamtbild des Messobjektes.

Am Fraunhofer IOF wurde die Phasogrammetrie entwickelt, eine spezielle Auswertemethode auf der Basis von Streifenprojektion und virtuellen Passmarken. Die Zusammensetzung des Gesamtbildes erfolgt hier ohne die sonst üblichen aufgeklebten Passmarken und ohne aufwändiges Matching. Kalibrierprozeduren vor der Messung entfallen.

Diese Methode eignet sich in besonderer Weise für die In-Prozess-Qualitätssicherung, da sie eine vollautomatische Messung und eine Integration in den Produktionsprozess erlaubt. Zudem ermöglichen die geringen Anforderungen an Positionier- und Führungsgenauigkeit einen Einsatz im Produktionsumfeld.

Punktewolke aus optischer 3D-Messung mit normaler Software zu bearbeiten

Das Resultat einer kompletten optischen 3D-Messung ist eine Punktewolke, die typischerweise im ASCII-Format an ein handelsübliches Softwaretool übergeben wird. Die Programmpakete für die weitere Bearbeitung sind zahlreich und vielseitig, beispielsweise die Programme Geomagic, Polyworks, Metris, Contur Control und Surfacer.

Mit derartigen Softwarelösungen können aus den Punktewolken einzelne Geometriemaße wie Strecken oder Winkel analysiert werden. Im dargestellten Beispiel wurden der Durchmesser und die Lage von Bohrungen sowie die Biegewinkel bestimmt.Die Genauigkeit liegt je nach Messsystem im Bereich einiger Mikrometer.

Des Weiteren können mit den Softwarelösungen aus den Punkt-Messwerten Kurvenschnitte extrahiert oder 3D-CAD-Vergleiche durchgeführt werden und Geometrie- oder Flächenmodelle generiert werden, beispielsweise in den üblichen Ausgabeformaten STL, VRML, IGES, VDAFS. Für die Erzeugung der Flächen werden die Nachbarschaftsbeziehungen der Punkte berücksichtigt (Triangulation) und eine zusammenhängende Menge von Dreiecksflächen generiert.

Sie dienen als Grundlage für die Berechnung von im Produktionsprozess folgenden Verfahrensschritten, beispielsweise der spanenden Bearbeitung (Berechnung von Fräsbahnen) oder für die Erzeugung von Nurbsflächen und verschiedene weitere Nutzungen. Das Beispiel in Bild 2 zeigt die STL-Fläche der PKW-Bodenbaugruppe aus Bild 1.

Automatisierte 3D-Messsysteme für unterschiedliche Aufgaben

Die gemessenen 3D-Punktewolken können mit bestehenden CAD-Modellen verglichen werden, um globale und lokale Formabweichungen zu detektieren. Dieser Vergleich basiert auf einem Best-Fit-Ansatz: Die Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Form werden farbkodiert dargestellt.

Mit Hilfe eines derartigen 3D-CAD-Vergleichs können auch Verschleißerscheinungen an Werkzeugen und die Wirkung von Änderungsmaßnahmen sichtbar gemacht, kontrolliert und dokumentiert werden. Schwachpunkte an Produktionsmitteln werden erkannt und können rechtzeitig beseitigt werden, wodurch die Kosten reduziert und die Qualitätsvorgaben eingehalten werden.

Die 3D-Messgeräte der Systemfamilie Kolibri, die vom Fraunhofer IOF und der IVB GmbH Jena entwickelt wurden, bieten das Potenzial, die optische 3D-Messtechnik in den Fertigungsprozess zu integrieren und sie damit unabhängig von speziellen Messräumen zu machen.

Flexibilität der 3D-Messsysteme auch im direkten Prozess gegeben

Die Systeme sind unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, arbeiten ohne Passmarken, Matchingprozeduren und aufwändige Systemvorbereitungen. Variable Messfelder (Zoom und Übersicht) sind in einem Messvorgang realisierbar. Neben den im Folgenden angeführten Systemen sind andere Konzepte mit Messzeiten im Sekundentakt und direkter Prozessintegration realisierbar.

Komplexe und auch große Teile bis zu mehreren Quadratmetern können mit Hilfe sogenannter Mehrbild-Technik automatisiert erfasst werden. Hier können je nach Größe des Objektes, Einsatzbedingungen und -zweck unterschiedliche Systemvarianten zum Einsatz kommen. Bild 3 zeigt das robotergeführte Sensorsystem Kolibri-Robot im Messeinsatz. Bei diesem System handelt es sich um ein stationäres System, das, einmal eingerichtet, vollautomatisiert arbeiten kann.

Oft ist eine hohe Flexibilität bezüglich der Art von zu vermessenden Objekten und darüber hinaus eine Messung an verschiedenen Standorten im Unternehmen oder gar im Feld gewünscht. Erforderlich sind also flexibel einsetzbare und mobile Systeme. Hier kommen stativgeführte Systeme wie das Kolibri-Move zum Einsatz. Im Messablauf wird der Sensorkopf mittels des beweglichen Stativs an verschiedenen Punkten in Bezug zum Objekt sta-tioniert. Diese Positionierung ist vollständig frei und somit wird höchste Flexibilität in der Messwertaufnahme und für den Einsatz im Gesamtprozess ermöglicht.MM

Dr. Gunther Notni leitet die Abteilung Optische Systeme am Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik in Jena. Dr. Peter Kühmstedt ist hier für die Entwicklung optischer 3D-Messsysteme zuständig. Weitere Informationen: Fraunhofer IOF, 07745 Jena

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