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3D Scannen

Flächenrückführung

3D-Scans für Reverse Engineering

Die Flächenrückführung ist Teil des sogenannten Reverse-Engineering-Prozesses, bei dem bestehende Objekte oder Bauteile durch Analyse und Nachbildung verstanden und digital rekonstruiert werden. In den letzten Jahren hat sich 3D-Scanning zu einem unverzichtbaren Werkzeug für diese anspruchsvolle Aufgabe entwickelt.

Für das 3D-Nahbereichscannen verwenden wir mobile 3D-Scanner, den Laser-Scanner T-Scan LV von Zeiss (Steinbichler) oder den Streifenprojektions-Scanner Comet L3D von Zeiss (Steinbichler). Mit diesen 3D-Scannern können wir Bauteile fast aller Größen digitalisieren. Die Genauigkeit der Scanner liegt je nach Messvolumen zwischen ca. 6 µm bis ca. 200 µm. Die Scanner arbeiten berührungslos und können meist ohne Objektmarken fast alle Oberflächen scannen. Die gescannte Punktewolke des zu digitalisierenden Objekts bereiten wir mit der Software Geomagic Design X (Rapidform XOR) auf um ein CAD-Modell zu erzeugen. CAD-Modelle entstehen entweder durch exakte Flächenrückführung, oder durch parametrischen Neuaufbau des Modells mittels 3D-CAD-System. Beides fällt unter den Begriff  Reverse Engineeing. 3D-CAD-Systeme die wir einsetzen sind Creo (Pro/Engineer) und Autodesk Inventor.

Die Rolle von 3D-Scans

Präzise Erfassung von physischen Objekten

Mit Hilfe eines 3D-Scanners und dessen 3D-Scans kann man physische Objekte äußerst präzise erfassen. Diese Scanner erfassen nicht nur die äußere Form eines Objekts, sondern auch seine innere Struktur und Oberflächenbeschaffenheit. Dies ermöglicht es, selbst komplexeste Teile in digitale 3D-Modelle umzuwandeln, die am Computer bearbeitet werden können. Dabei kommen verschiedene Scantechnologien wie Laser-Scanner, Strukturlicht-Scanner, Computer-Tomographie und photogrammetrische Systeme zum Einsatz.

Reverse Engineering mit 3D-Scans

Analyse und Rekonstruktion von Produkten

Einmal in digitaler Form vorliegend, können diese 3D-Modelle dann für Reverse Engineering verwendet werden. Das bedeutet, dass Ingenieure die Konstruktion und Funktionsweise eines vorhandenen Produkts analysieren können, ohne die Originalpläne oder CAD-Dateien zu besitzen. Dies ist besonders nützlich, wenn keine Dokumentation für ältere Produkte vorhanden ist oder wenn Modifikationen oder Verbesserungen vorgenommen werden müssen.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Innovation und Effizienz

In vielen Branchen, von der Luft- und Raumfahrt bis zur Automobilindustrie, hat die Verwendung von 3D-Scans für Reverse Engineering zu Innovationen und gesteigerter Effizienz geführt. Unternehmen können bestehende Produkte optimieren oder Ersatzteile herstellen, ohne teure Werkzeugänderungen durchführen zu müssen. Die 3D-Scantechnologie hat Reverse Engineering zu einem leistungsfähigen Werkzeug für die Produktentwicklung und -verbesserung gemacht.

Für das 3D Scannen im Nahbereich verwenden wir mobile 3D-Scanner, Laser-Scanner oder Streifenprojektions-Scanner, sowie Photogrammetriesysteme.

Arbeitsablauf: Reverse engineering

Varianten vom Flächenrückführungsverfahren

Es gibt verschiedene Varianten des Flächenrückführungsverfahrens, die je nach den spezifischen Anforderungen und der Art des Objekts verwendet werden. Hier sind einige gängige Varianten:

Beispielprojekte zum Reverse Engineering

Gussgehäuse Kraftwerks Gasturbine

Gasturbine 5-Frame. 3D-Scan

Die Bauteile einer zerlegten Kraftwerks Gasturbine, Typ 5-Frame, wurden mit einem Streifenprojektionsscanner 3D gescannt. Die…
Abgasturbolader, 3D-Scan, NURBS-Modell, exakte Flächenrückführung

Abgas-Turbo-Lader, exakte Flächenrückführung

Beide Gehäusehälften eines Abgas-Turboladers wurden mit einem Streifenprojektionsscanner 3D gescannt. Anschließend wurde eine exakte Flächenrückführung…
Räumarm, 3D-Scan, Reverse Engineering

Räumarm Schweisskonstruktion, Reverse Engineering

Ein Räumarm (Schweisskonstruktion), wurde mit einem Laserscanner digitalisiert. Anschließend wurde ein neues 3D-CAD-Modell (Inventor) samt…
Getriebegehäuse Windkraftanlage, Reverse Engineering

Getriebegehäuse Windkraftanlage, Reverse Engineering

Das Getriebegehäuse einer Windkraftanlage, bestehend aus Ober- u. Untergehäuse  (Gussbauteile), wurde mit einem Laserscanner digitalisiert.…
Segment Kohlebrecher, Reverse Engineering

Kohlebrecher, Reverse Engineering

Ein Kohlebrecher (Gussbauteil), wurde mit einem Laserscanner digitalisiert. Anschließend wurde ein neues 3D-CAD-Modell (Inventor) samt…

Zahnwelle, Reverse Engineering

Die Zahnwelle wurde 3D gescannt. Anschließend wurde ein neues 3D-CAD-Modell erstellt, ein Flächenvergleich zwischen neuem…

Modellfigur eines Giessers, 3D-Scan

Die ca. 7 cm hohe Modellfigur eines Giessers wurde mit einem Laserscanner gescannt, um Sie…
Barocker Bilderrahmen 3D-Scan

Baroker Bilderrahmen 3D-Scan

Der barocke Holzbilderrahmen wurde mit einem Laserscanner gescannt. Anschließend wurde in den STL-Daten 30 Schnitte…

Unterschied Flächenmodell zu Volumenmodell

Flächenmodelle und Volumenmodelle sind zwei verschiedene Darstellungsarten von 3D-Objekten in der Computergrafik und dem CAD-Design. Hier sind die wichtigsten Unterschiede zwischen Flächenmodellen und Volumenmodellen:

Flächenmodelle:

1. Oberflächendarstellung

Bei Flächenmodellen handelt es sich um Modelle, die nur die äußere Oberfläche eines Objekts repräsentieren. Diese Oberfläche wird durch eine Sammlung von verbundenen Flächen (z.B. Dreiecken oder Polygonen, Freiformflächen oder Regelgeometrie) dargestellt.

2. Geringerer Speicherbedarf

Flächenmodelle haben tendenziell einen geringeren Speicherbedarf als Volumenmodelle, da sie nur die äußeren Grenzen eines Objekts speichern.

3. Für visuelle Darstellungen

Flächenmodelle eignen sich gut für visuelle Darstellungen und Animationen, da sie die äußere Form eines Objekts präzise darstellen können. Sie werden häufig in der Unterhaltungsindustrie, der Spieleentwicklung und der Architekturvisualisierung verwendet.

4. Unvollständige Informationen

Da Flächenmodelle nur die äußere Oberfläche repräsentieren, fehlt ihnen oft die interne Struktur eines Objekts wie Bohrungen, Kanäle oder Hinterschnitte. Das bedeutet, dass sie nicht immer geeignet sind, um Informationen über Hohlräume oder innere Komponenten wiederzugeben.

Volumenmodelle:

1. Volumendarstellung

Volumenmodelle repräsentieren die Gesamtheit eines Objekts, einschließlich seiner äußeren Oberfläche und seines inneren Raums. Sie bestehen aus Regelgeometrien oder Freiformflächen, die den gesamten Raum innerhalb und außerhalb des Objekts beschreiben.

2. Größerer Speicherbedarf

Volumenmodelle erfordern in der Regel mehr Speicherplatz als Flächenmodelle, da sie Informationen über den gesamten Raum auch innerhalb eines Objekts speichern.

3. Für Analyse und Simulation

Volumenmodelle eignen sich gut für technische Analysen, Simulationen und Berechnungen, da sie die interne Struktur eines Objekts genau darstellen können. Sie werden häufig in der medizinischen Bildgebung, in der Finite-Elemente-Analyse oder bei Strömungsanalysen und in der Materialwissenschaft verwendet. Sie sind bei der CNC-Fertigung oder additiven Fertigung (dem 3D-Druck) zwingend erforderlich.

4. Umfassende Informationen

Volumenmodelle bieten umfassendere Informationen über die innere Struktur von Objekten, was sie für wissenschaftliche und technische Anwendungen unverzichtbar macht.

In vielen Fällen hängt die Wahl zwischen Flächen- und Volumenmodellen von den spezifischen Anforderungen eines Projekts ab. Wenn es darum geht, die äußere Form eines Objekts visuell darzustellen, sind Flächenmodelle oft ausreichend. Wenn jedoch detaillierte Analysen, Simulationen, Fertigungsprozesse oder die Darstellung der inneren Struktur erforderlich sind, sind Volumenmodelle die bessere Wahl.

Vorgang einer Flächenrückführung mittels 3D-Scannen

Die Flächenrückführung mittels 3D-Scannen ist ein entscheidender Prozess im Bereich des Reverse Engineerings und der digitalen Fertigung. Dieser Prozess konzentriert sich auf die Erfassung und Umwandlung der Oberflächen geometrischer Objekte in digitale Modelle, die in verschiedenen Anwendungen wie 3D-Druck, CAD-Modellierung und Qualitätskontrolle verwendet werden können. Im Folgenden wird der Vorgang der Flächenrückführung mittels 3D-Scannen näher erläutert.

Vorteile der Flächenrückführungsverfahren

Die Flächenrückführung ist ein wesentliches Verfahren, um die ursprüngliche „design intent“ bei der Umwandlung physischer Objekte in digitale Modelle präzise beizubehalten.

Hier sind einige Punkte der wichtigsten Vorteile dieser Verfahren:

1. Digitalisierung physischer Objekte

Flächenrückführung ermöglicht die präzise Digitalisierung von physischen Objekten. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie reale Objekte in digitale Modelle umwandeln müssen, sei es für Design, Analyse, Archivierung, Skallierung oder Fertigungszwecke.

2. Reverse Engineering

Die Flächenrückführung ist ein Schlüsselprozess im Reverse Engineering. Sie ermöglicht es, bestehende Produkte oder Bauteile zu analysieren, zu rekonstruieren, zu skallieren und zu verbessern, ohne auf ursprüngliche Konstruktionsdaten oder Zeichnungen angewiesen zu sein.

3. Präzise Erfassung von Oberflächen

Diese Verfahren bieten die Möglichkeit, die Oberflächen von Objekten äußerst präzise zu erfassen. Dies ist besonders wichtig in Bereichen wie Medizin, Luft- und Raumfahrt, Architektur und Automobilindustrie.

4. Qualitätskontrolle

Flächenrückführung wird sehr effektiv in der Qualitätskontrolle eingesetzt, um sicherzustellen, dass gefertigte Teile oder Produkte den ursprünglichen Konstruktionsanforderungen entsprechen. Geometrieabweichungen können schnell erkannt und behoben werden, indem das digitale CAD-Modell (das Soll) mit den 3D-Scan-Daten (dem Ist) überlagert wird.

5. Effiziente Modellierung

In der Computergrafik und im Design ermöglichen Flächenrückführungsverfahren die schnelle und effiziente Erstellung von 3D-Modellen. Dies ist besonders wichtig für Animationsprojekte, Computerspiele und Architekturvisualisierungen.

6. Medizinische Anwendungen

In der Medizin werden Flächenrückführungsverfahren häufig für die Erstellung von Patientenspezifischen Modellen, Implantaten und Prothesen verwendet. Sie sind auch in der Chirurgieplanung und -simulation entscheidend.

7. Reduzierte Entwicklungskosten & Datenmenge

Durch die Nutzung vorhandener physischer Prototypen oder Modelle und die Umwandlung in digitale Formate können Entwicklungskosten gesenkt werden. Dies spart Zeit und Ressourcen. Flächenrückführung reduziert die Datenmenge erheblich.

8. 3D-Druck & Fertigung

Die Flächenrückführung ermöglicht es, 3D-Modelle für den 3D-Druck oder die CNC-Bearbeitung zu erstellen. Dies ist entscheidend für die Herstellung von Prototypen, maßgeschneiderten Teilen und sogar für die Produktion von Kunstobjekten.

9. Bauwesen & Architektur

In der Architektur ermöglicht die Flächenrückführung die Erstellung von digitalen Modellen von Gebäuden, Denkmälern und historischen Stätten. Dies kann bei der Renovierung, Restaurierung und Planung von Bauprojekten hilfreich sein.

10. Forschung & wissenschaftliche Analyse

Flächenrückführungsverfahren sind auch in der wissenschaftlichen Forschung und Analyse von großer Bedeutung. Sie können bei der Untersuchung von Materialstrukturen, biologischen Geweben, geologischen Formationen und vielem mehr eingesetzt werden.

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Unterschiede Zwischen CAD und CNC

CNC (Computerized Numerical Control) und CAD (Computer-Aided Design) sind zwei unterschiedliche, aber eng miteinander verbundene Technologien, die in der Fertigungsindustrie und im Designprozess eingesetzt werden. Hier sind die Hauptunterschiede zwischen CNC und CAD:

Need to „CAD“ (Computer-Aided Design):

1. Funktion

CAD-Software wird verwendet, um 2D- und 3D-Modelle von Produkten, Bauteilen oder Gebäuden zu erstellen. Es handelt sich um ein Design- und Zeichenwerkzeug, das Ingenieuren und Designern ermöglicht, digitale CAD-Modelle zu erstellen, zu modifizieren und zu analysieren. Dieses CAD-Modell dient als virtuelle Repräsentation von realen Objekten und ermöglicht eine präzise Gestaltung und Überprüfung vor der tatsächlichen Herstellung oder Umsetzung.

2. Anwendungsbereiche

CAD wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, einschließlich Maschinenbau, Architektur, Elektronikdesign, Automobilindustrie und Luftfahrt. Es dient dazu, Produkte und Gebäude zu entwerfen und zu visualisieren, bevor sie gebaut oder hergestellt werden.

3. Erstellung von Entwürfen

CAD ermöglicht es den Benutzern, präzise 3D-Modelle zu erstellen und davon technische Zeichnungen abzuleiten, die alle relevanten Abmessungen und Details enthalten. Diese Zeichnungen dienen als Grundlage für den Konstruktionsprozess.

4. Kreativer Prozess

CAD unterstützt den kreativen Prozess des Designs und bietet Werkzeuge zur Erstellung und Manipulation von Formen, Oberflächen und Strukturen. Es erleichtert auch die Erstellung von Prototypen und CAE-Simulationen, wie FEM-Analysen oder Strömungsanalysen.

5. Ausgabe

Die Ausgabe von CAD-Software sind digitale 2D- und 3D-Modelle, technische Zeichnungen und Dateien, die zur Kommunikation mit anderen Teams oder zur Herstellung von physischen Prototypen verwendet werden können.

Die Abkürzung CNC (Computerized Numerical Control):

1. Funktion

CNC ist eine automatisierte Fertigungstechnologie, die computergesteuerte Maschinen verwendet, um physische Objekte basierend auf digitalen Entwürfen (CAD-Dateien) herzustellen. CNC-Maschinen sind in der Lage, präzise und wiederholbare Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse durchzuführen.

2. Anwendungsbereiche

CNC wird in der Fertigungsindustrie eingesetzt, um eine Vielzahl von Materialien wie Metall, Holz, Kunststoff und mehr zu bearbeiten. Dies umfasst das Fräsen, Drehen, Bohren, Schneiden und 3D-Drucken.

3. Erstellung von Entwürfen

CNC-Maschinen lesen digitale CAD-Dateien, die das Design eines Bauteils oder Produkts enthalten. Basierend auf diesen CAD-Daten steuern sie die Werkzeuge und Bewegungen, um das physische Objekt zu erstellen.

4. Kreativer Prozess

CNC bietet hohe Präzision und Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Teilen. Es minimiert menschliche Fehler und ermöglicht die Herstellung von komplexen Bauteilen mit engen Toleranzen.

5. Ausgabe

Die Ausgabe von CNC sind physische Teile oder Werkstücke, die genau den Spezifikationen in der CAD-Datei entsprechen. CNC wird häufig in der Serienfertigung eingesetzt, um Bauteile in großer Stückzahl herzustellen.

Vom Bauteil werden per 3D Scan optimale CNC Daten rekonstruiert

Die Verwendung von 3D-Scans zur Rekonstruktion optimaler CNC-Daten hat die Fertigungsindustrie revolutioniert. Diese innovative Technologie stellt einen wichtigen Schritt in Richtung Industrie 4.0 dar.

Insgesamt ergänzen sich CAD und CNC, da CAD die Erstellung digitaler Modelle ermöglicht, die dann von CNC-Maschinen zur Herstellung physischer Teile verwendet werden. Diese Kombination hat die Fertigungsprozesse in vielen Branchen verbessert und beschleunigt.

Die Bedeutung von 3D-Scans

Präzise Erfassung der Bauteile

Der Schlüssel zum Erfolg dieses Ansatzes liegt in der präzisen Erfassung der Bauteile mittels 3D-Scans. Diese hochauflösenden Scanner sind in der Lage, jedes Detail eines Bauteils zu erfassen, einschließlich seiner komplexen Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit und eventueller Defekte. Dies ermöglicht eine äußerst genaue Darstellung des Bauteils in digitaler Form.

Rekonstruktion optimaler CNC-Daten

Effiziente Bearbeitung dank präziser Informationen

Die erfassten 3D-Scandaten werden dann in CNC-Daten umgewandelt, die die Grundlage für die maschinelle Bearbeitung bilden. Dieser Prozess ermöglicht die Erstellung von optimalen CNC-Programmen, die perfekt auf das Bauteil zugeschnitten sind. Durch die Berücksichtigung der exakten Form und Abmessungen des Bauteils können unnötige Materialabfälle vermieden und die Bearbeitungszeit erheblich reduziert werden.

Die Vorteile des Ansatzes

Präzision, Effizienz und Nachhaltigkeit

Die Rekonstruktion optimaler CNC-Daten per 3D-Scan bietet zahlreiche Vorteile. Die CNC-Programme sind äußerst präzise und führen zu Bauteilen von höchster Qualität. Gleichzeitig werden Ressourcen geschont, da die optimierten Programme weniger Materialverschwendung und kürzere Bearbeitungszeiten ermöglichen. Dies trägt zur Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz bei.

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Von der Luftfahrt bis zur Medizintechnik

Dieser Ansatz findet in verschiedenen Branchen Anwendung, von der Luftfahrt bis zur Medizintechnik. In der Luftfahrtbranche ermöglicht er die Herstellung leichter und dennoch robuster Bauteile, während in der Medizintechnik maßgeschneiderte Implantate und Prothesen präzise gefertigt werden können. Die Verwendung von 3D-Scans zur Rekonstruktion optimaler CNC-Daten zeigt das enorme Potenzial dieser Technologie für die moderne Fertigungsindustrie.