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3D-Scanner für die Bildverarbeitung liefern die dritte Dimension, mit der Sie den Durchblick behalten
Denken Sie bei 3D-Aufnahmetechniken zuerst ans Kino, an Avatare und Dinosaurier, die täuschend echt die Fiktion in unser Leben bringen? Auch in der industriellen Qualitätsinspektion von Bauteilen sind 3D-Bilder vorteilhaft und sind der Automobilindustrie, Elektronik, Medizintechnik oder der additiven Fertigung nicht mehr wegzudenken. Lesen Sie hier, wie man dank eines 3D-Scanners dreidimensionale Aufnahmen – ganz ohne Spezialbrillen – in Fertigung und Entwicklung für die schnelle und zuverlässige Bildverarbeitung und Analyse nutzt.
, Alexander DrothenDurch den rasanten technischen Fortschritt haben 3D-scannende Technologien in der industriellen Bildverarbeitung unzählige neue Einsatzgebiete erobert. LIDAR-Sensoren im Auto scannen die Umgebung, um autonomes Fahren zu ermöglichen. 3D-Sensoren navigieren Roboter oder beobachten Menschen in Echtzeit zur Steuerung von Mensch-Maschine-Interaktionen. Stereosensoren sind in Spielekonsolen integriert oder werden für die Herstellung und Anpassung kundenindividueller Medizin- und Lifestyle-Produkte wie Schuhe, Orthesen oder Zahnersatz verwendet.
In der industriellen Qualitätsinspektion ermöglichen 3D-Scanner die schnelle und zunehmend lückenlose Prüfung und ersetzen mehr und mehr manuelle Kontrollen oder zeitaufwendige Prüfroutinen mit klassischen, taktilen Koordinatenmessmaschinen. Industrielle 3D-Scanner scannen komplette Autokarosserien, aber auch kleinste Bauteile wie LED-Optiken oder Elektronikkontakte. Sie sind aus Bereichen wie der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik, Elektronik, Medizintechnik oder der additiven Fertigung nicht mehr wegzudenken.
Aber warum die dritte Dimension, und warum optisch?
Industrielle, optische 3D-Scanner erzeugen ein genaues Abbild real gefertigter Teile in Form einer hochgenauen 3D-Punktewolke. Die Scandaten können nicht nur punktuell dreidimensional ausgewertet, sondern direkt gegen ein digitales Soll-Modell, zum Beispiel einen CAD-Datensatz, verglichen werden. Abweichungen werden über Farbskalen auf einem Blick sichtbar und Fehler können so einfach eingegrenzt werden.
3D-Scanner sind deutlich schneller als herkömmlich verwendete, tastende Koordinatenmessmaschinen und weitgehend unabhängig von schwankenden Umgebungsbedingungen. Sie sind daher ideal für die Analyse im Wareneingang, der Bemusterung von Prototypen oder zur Fertigungsüberwachung von Serienteilen geeignet.
Neben der Qualitätssicherung wird das 3D-Scannen erfolgreich zur Flächenrückführung bzw. zum sogenannten „Reverse Engineering“ eingesetzt. Die reale Form von Prototypen, Design- oder Formmodellen kann dabei vervielfältigt, manipuliert oder zum Beispiel für die CAD/CAM-Fertigung individualisierter Medizinprodukte oder Konsumgüter verwendet werden.
Die Fülle an verfügbaren optischen 3D-Systemen ist mittlerweile ziemlich groß. Sehr erfolgreich sind optische 3D-Streifenlichtscanner, die das Triangulationsprinzip nutzen, ähnlich dem menschlichen Stereosehen.
Stereokameras beobachten die Projektion eines Streifenmusters auf das Messobjekt aus verschiedenen Perspektiven. Durch das Auffinden korrespondierender Punkte in beiden Kameras kann ein hochauflösendes 3D-Modell der realen Objektform berechnet werden. Das auf Phasenverschiebung basierende Messverfahren generiert sehr schnell und vollflächig 3D-Scandaten mit einer Messgenauigkeit im einstelligen Mikrometer-Bereich.
Wir revolutionieren die Welt im Kleinen – 3D-Inspektion von Einpress-Kontakten für die Elektronikindustrie
Der Streifenlichtscanner FLEX-3A zeichnet sich vor allem durch zwei Alleinstellungsmerkmale aus. Seine smarte Referenzkamera dient dem hochgenauen, photogrammetrischen Zusammenführen der vielen Teilansichten zu einem exakten 3D-Modell. Dabei arbeitet jeder Referenzkamerapixel wie eine virtuelle Passmarke. Physische Passmarken müssen nicht mehr geklebt werden. Und er kann mit sehr kleinen Messfeldgrößen bei hoher Kameraauflösung arbeiten.
Die Objektpunktauflösung von bis zu 5 Mikrometer macht ihn daher speziell für die kleinen Teile dieser Welt interessant. Kaum ein anderer verfügbarer, industrieller 3D-Scanner auf Basis der Streifenprojektion kann das von sich behaupten.
Ein erfolgreiches Einsatzbeispiel ist die zerstörungsfreie Inspektion der flexiblen Einpresszone von Einpresskontakten. Sogenannte Press-Fit-Kontakte werden in einem schnellen und einfachen Montageprozess in Leiterplatten eingepresst. Aufgrund ihrer exakten Form und des flexiblen Materials kann das lotfrei und damit umweltfreundlich erfolgen. Trotz der einfachen Steckverbindung gewährleistet der Press-Fit-Kontakt eine langzeitstabile, elektrische Verbindung. Die Technik ist mittlerweile Standard in vielen Steckverbindern von Autozulieferern und Elektronikunternehmen, die unter anderem im Fahrzeug für Sicherheitssysteme wie ABS, EPS oder in sonstigen Elektroniksystemen eingesetzt werden.
In der Vergangenheit wurden die etwa 5-10 mm großen Press-Fit-Kontakte in Kunststoff eingebettet und durch eine zerstörende Schliffbildinspektion geprüft. Diese manuelle Prüfmethode war mit einer Dauer von bis zu 90 Minuten sehr zeitaufwendig. Die optische Inspektion bringt da ganz klare Geschwindigkeitsvorteile. Die winzigen Kontakte werden mit dem FLEX-3A vollautomatisch rundum digitalisiert und im virtuellen Schnitt begutachtet. Im Vergleich zur herkömmlichen Methode geht der Prüfprozess mit einer Zeitdauer von ca. 8 min jetzt bis zu 10 Mal schneller. Die Automatisierung vereinfacht den Inspektionsprozess zusätzlich. Prüfzyklen können erhöht und bei Abweichungen kann deutlich frühzeitiger eingegriffen werden. Der vereinfachte Inspektionsprozess trägt so maßgeblich zur Verbesserung der Qualitätsziele bei und erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit der betroffenen Anwendungen und Systeme.
Dreidimensionale Bilder sorgen im Kino für ein anderes, oft besseres Filmerlebnis. In der Fertigung diverser Industrien optimieren sie zunehmend die Qualitätskontrolle – dank 3D-Scannern. Wenn Sie Ihren Qualitätssicherungsprozess mit optischen 3D-Messsystemen deutlich beschleunigen und vereinfachen wollen, kontaktieren Sie unsere Experten und lassen Sie sich beraten!
Fragen und Antworten
Was ist das Triangulationsprinzip?
Das Triangulationsprinzip ist eine einfache Methode der optischen 3D-Messtechnik. Lichtquellen wie Laserlinien oder flächige Streifenmuster werden durch ein oder mehrere Kameras beobachtet und spannen dabei ein Dreieck auf.
Ist die Orientierung und Lage der Lichtquelle und der Kamera bzw. mehrerer Kameras zueinander bekannt, kann die Lage des beobachteten Objektpunkts auf der Oberfläche des Messobjekts berechnet werden.
Was versteht man unter Reverse Engineering?
Unter Reverse Engineering versteht man die Umkehrung des Produktionsprozesses. Man geht nicht von der Konstruktionszeichnung eines Produkts aus, sondern vom fertigen Produkt selbst. Dieses wird vollflächig dreidimensional digitalisiert, wodurch Rückschlüsse hinsichtlich der Form und der damit verbundenen Funktionalität gezogen werden können.
Entwürfe, Designs sowie Produkte können so einfach erfasst, weiterentwickelt und verbessert werden. Zudem ist es möglich, Konstruktions- und Formelemente zu extrahieren, die dann als Datengrundlage für Simulation und Optimierung, z.B. in der Finiten-Elemente-Analyse (FEM) dienen.
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Über Alexander Drothen
Alexander Drothen ist Head of Sales für optische 3D-Messtechnik im Jenoptik-Geschäft rund um die Marke OTTO Vision und seit über 15 Jahren in den Bereichen Vertrieb, Produktmanagement und Applikation tätig. Neben Streifenprojektionssystemen spielen dabei zunehmend Applikationen für die 3D-Inlineinspektion eine wichtige Rolle. Aufgrund seiner langjährigen Erfahrungen im Bereich der optischen 3D-Inspektion ist er kompetenter Ansprechpartner unserer Kunden zur Konzeption und Umsetzung technologisch anspruchsvoller Produkte und Lösungen.
