Artec 3D / Asom Datenerfassung für den Nachbau eines 15 m langen Ersatzrohrs

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Ein 15 m langes, senkrechtes Rohrstück auf einem Offshore-Schiff zur Öl- und Gasförderung in Afrika leckte und musste ausgetauscht werden. Der gesamte Pumpenraum sollte ohne externe Computer erfasst und ein einzelnes Rohrstück als eigenständiges Scanmodell extrahiert werden. Danach sollten die Modelldaten von 3D auf 2D vereinfacht, das Ersatzrohr gefertigt, auf Genauigkeit überprüft und anstelle des defekten Rohrs eingebaut werden.

Die Sache klingt erst einmal nicht sonderlich kompliziert: Ein Rohr ist defekt und soll ausgetauscht werden. Doch wenn man weiß, dass dieses Rohr 15 m lang ist und von anderen Rohren und Geräten umgeben senkrecht in einem 30 m hohen, 10 m tiefen und 3 m breiten Pumpenraum auf einem Offshore-Schiff verbaut ist, sieht die Sache anders aus. Ohne präzise Messtechniken schien ein Austausch unmöglich. Aus dem Rohr leckte verunreinigtes Wasser, das als Nebenprodukt der Öl- und Gasförderung Kohlenwasserstoff, Schwermetalle und andere Schadstoffe enthielt.

Um das Problem zu lösen, wandte sich Asian Sealand Offshore & Marine (Asom), ein Anbieter von Offshore-Lösungen mit Sitz in Singapur, an den Artec-Gold-Partner Shonan Design. Gemeinsam entwickelten sie einen Plan: Das Rohr und seine Umgebung sollten präzise vermessen werden, um dann anhand der erfassten Daten ein Ersatzrohr anfertigen zu können.

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Die Umsetzung des aufwändigen Plans sollte in mehreren Schritten erfolgen: Zuerst musste ein gänzlich unerfahrenes Team im 3D-Scannen geschult werden, um dann zahlreiche Scans in einer fast vollkommen senkrechten Umgebung anzufertigen. Zahlreiche Messungen sollten angestellt und Daten erhoben werden, bevor ein möglichst originalgetreues Ersatzrohr angefertigt werden konnte.

Eine weitere Schwierigkeit war, dass Computer im Pumpenraum aus Sicherheitsgründen nicht erlaubt waren. Neben der schieren Größe des Rohrs und den beengten Raumverhältnissen erwies sich diese Vorgabe als eine der größten Herausforderungen. (Spoiler: Die Echtzeit-Bildschirmanzeige des kabellosen 3D-Handscanners Artec Leo sollte sich hierbei als äußerst praktisch erweisen.) „Als erstes setzten wir Artec Ray ein, einen Lidar-Scanner mit großer Reichweite, um den gesamten Pumpenraum zu erfassen – oder so viel wie möglich“, so Chief Application Engineer Lee Siow Hoe von Shonan Design. Artec Ray erfasst Objekte aus einer Entfernung bis 110 m. Er ist der schnellste und präziseste 3D-Scanner für Abstandsgenauigkeit im Submillimeterbereich, und somit ideal für große Objekte und weite Entfernungen.

Reinzoomen und winzige Details erkennen

Er ist mit seiner Laser-Technik das perfekte Tool, um Schiffsschrauben, Flugzeuge oder große Gebäude zu erfassen. Dank einer hervorragenden Winkelgenauigkeit sind die aufgezeichneten Daten extrem präzise und entwickeln kaum Störgeräusche. So gelingen nicht nur schnelle Scans, auch die Nachbearbeitung läuft rasch und unproblematisch. Um die gesamte Umgebung zu erfassen, wurde Artec Ray an neun verschiedenen Stellen auf den wenigen geraden Oberflächen im Pumpenraum installiert – meist auf Treppenabsätzen.

„Anfangs wollten wir für die Scans mit Artec Ray dessen Scan-Targets nutzen“, so Lee. „Doch es war unmöglich, genug von ihnen zu platzieren, um den gesamten Raum zu erfassen.“ Für einen effizienten Einsatz der Scan-Targets muss die Sichtachse stimmen und es dürfen keine spitzen Winkel entstehen. Es traf sich gut, dass mit der neuen Version von Artec Studio 14 anstelle von manuell gesetzten Zielen geometrische Funktionen für die Ausrichtung und Registrierung zur Verfügung stehen. „Für die Registrierung haben wir weder Schachbrettmuster noch Referenzkugeln als Zielmarken eingesetzt. Stattdessen nutzten wir eine vollautomatische geometrische Registrierung, was das Verfahren deutlich vereinfachte“, so Lee.

Obwohl bereits das Scannen des Pumpenraums aufwendig war, fing danach die eigentliche Arbeit erst an. Zusätzlich zu dem mithilfe von Ray angefertigten umfassenden Scan war nun noch ein hochqualitativer Scan mit Artec Leo erforderlich. Dieser zweite Scan konnte „reinzoomen“ und winzige Details erfassen, sowie Aufnahmen einiger unzugänglicher Bereiche anfertigen, die vorher aus Platzmangel nicht möglich waren. Durch den senkrechten Rohrverlauf und die Enge des Pumpenraums konnte der Scanvorgang nicht im Stehen vorgenommen werden. Also wurden zwei Industriekletterer geschult – nicht nur im 3D-Scannen, sondern auch in puncto Sicherheit. Schon bald seilten sie sich am Rohr hinab – das Seil in der einen, Leo in der anderen Hand.

Fehlende Bereiche einfach nachscannen

Wenn das für Sie wie eine Jobbeschreibung für ausgewiesene Scanning-Experten klingt, sollten Sie nicht vergessen, dass die beiden Kletterer ihr Know-how erst drei Stunden zuvor erworben hatten. Ihr Lehrmeister war Asom-Einsatzleiter Arun Muthukrishnan, der selbst erst wenige Wochen zuvor geschult worden war.

„Ich besaß keine Erfahrung auf dem Gebiet und musste mich erst einmal einarbeiten“, so der Einsatzleiter. Doch selbst ein Neuling wie er erkannte auf den ersten Blick Artec Leos hohe Benutzerfreundlichkeit während des Scanvorgangs – und danach. „Leo arbeitet schnell und bietet eine automatische Ausrichtung. Das erleichterte die Sache ungemein“, so Muthukrishnan. „Ohne dieses Feature wäre nach dem Scannen deutlich mehr Arbeit angefallen.“ Seit diesem ersten Einsatz hat Muthukrishnan weitere Scanaufträge angenommen: „Meine Scanning-Erfahrung macht sich bezahlt, ich habe viel mehr Selbstvertrauen.“

Die Aufgabe war wie gemacht für Artec Leo: Durch die integrierte automatische Verarbeitung konnten die Industriekletterer während des Scannens die erstellten Bilder in Echtzeit sehen – auch ohne Computer im Pumpenraum. Leos Touchscreen-Monitor ermöglicht zudem das Heranzoomen von Bildausschnitten, sodass bereits während des Scannens überprüft werden kann, ob alles korrekt erfasst wurde. Fehlende Bereiche können einfach nachgescannt werden. Diese Funktion erweist sich besonders für Einsteiger als praktisch, die den Scanner in einer ihnen fremden Umgebung einsetzen. „Meine Mitarbeiter mussten lediglich zu mir auf den Treppenabsatz steigen“, erzählt Muthukrishnan. „Dort prüfte ich den Scan und konnte an Ort und Stelle erkennen, ob Daten fehlten. Wenn nötig kletterten die Männer einfach noch einmal zurück und nahmen den betreffenden Bereich ein zweites Mal auf.“

Laut Asom-Director Simon Ng übten die beiden Kletterer während ihrer kurzen Schulung an geeigneten Objekten wie einem Treppenabsatz oder ähnlichen Rohrstücken. Angesichts der großen Herausforderung war dies für den Erfolg des Projekts essentiell. „Wir wollten vermeiden, dass unser Team den aufwendigen Weg zur Bohrplattform antritt, nur um später herauszufinden, dass die erfassten Daten fehlerhaft sind“, so Ng. „Schließlich kann man in diesem Fall nicht mal schnell zurückfahren und das Rohr ein zweites Mal scannen.“

Mit den Daten von Ray – einem hochpräzisen Scan des gesamten Pumpenraums – und denen von Leo – einer Detailaufnahme des Rohrstücks – standen alle Informationen zur Verfügung, um das defekte Rohr nachzubauen. Nach der Überlagerung der beiden Datensätze sorgte eine abschließende globale Registrierung für einen letzten Datenabgleich.

Erstellen einer isometrischen 2D-Grafik anhand des 3D-Modells

„Leos Rohdaten wurden auf Basis der mit Ray angefertigten Scans, die quasi als Rückgrat dienten, zusammengefügt und verarbeitet. Somit gab es bei dem 15-m-Scan nur eine minimale Fehlerquote.“, so Lee. Sobald der Scan des 15 m langen Rohrstücks mit ausreichend Daten unterfüttert war, um ein möglichst originalgetreues 3D-Modell zu liefern, war es Zeit für den nächsten Schritt: Dem Erstellen einer akkuraten isometrischen 2D-Grafik anhand des 3D-Modells. „Wir mussten den Scan auf eine vereinfachte isometrische 2D-Zeichnung herunterbrechen, um die Techniker mit brauchbaren Angaben zu versorgen“, so Lee. „Mit dem 3D-Scan als Vorlage hätten sie nichts bauen können.“

Mithilfe einer „Rohrfunkion“ der Reverse Engineering Software Geomagic Design X, wurde die Achse bestimmt und einige Änderungen am Bauplan des Originalrohres vorgenommen. So umfasst der längste Abschnitt im Original zehn Meter. Um das Material leichter transportieren und vor Ort montieren zu können, wurde es in drei kürzere Stücke unterteilt. Obwohl das Rohr nach Maß gefertigt wurde, war der Auftrag noch nicht abgeschlossen - ein Qualitätscheck war noch nötig. „Das Team wollte sich vergewissern, dass das Ersatzrohr wirklich präzise gefertigt war“, so Lee. „Also erstellte es mit Artec Leo einen Scan des Nachbaus und verglich ihn mit dem des Originalrohrs.“

Nun lagen zwei Scans vor – einer des defekten Originals und einer des neu gefertigten Ersatzrohrs. Das Ziel war eine größtmögliche Deckungsgleichheit. Tatsächlich fiel der Vergleich mehr als zufriedenstellend aus. Die monatelange Arbeit hatte sich gelohnt. Die Ersatzteile wurden auf das Offshore-Schiff geschickt, um dort gegen das schadhafte Rohr ausgetauscht zu werden. Bisher hat das Verfahren, das im Juni 2019 begann und im April 2020 abgeschlossen werden soll, die Erwartungen sämtlicher Beteiligten übertroffen. „Der Schlüssel zum Erfolg lag in der Kombination des tragbaren Leo mit dem eigenständigen Ray. Durch die Nutzung beider Modelle konnten wir erstaunlich viele Details erfassen“, so Ng. „Auf einer Skala von eins bis zehn würde ich dieser Mission eine neun geben“, fügt er hinzu. „Angesichts dessen, dass Scannen für uns alle absolutes Neuland war, haben wir uns fantastisch geschlagen“, so Lee abschließend.

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