Nützlichkeit von 3D-Skaning bei Industriedesign

„Nützlichkeit von 3D-Skaning bei Industriedesign”

3D-Scannen ist eine moderne, schnelle und einmalig präzise Technologie zum Erzielen der dreidimensionalen Umgebungsdaten. Trotz der Tatsache, dass sie immer noch eine Art technische Neuheit darstellt, wächst die Gruppe ihrer Befürworter ständig. Welche sind die Vorteile des Einsatzes solcher Messungen, bewähren sie sich beim Industriedesign?

Was ist 3D-Scannen?

Das Scannen ist ein Verfahren des Lesens der Daten (z. B. Bilddaten), der Speicherung und Verarbeitung in die elektronische Form. Ein 3D-Scanner ist ein Gerät, das ein dreidimensionales Modell auf Grundlage eines echt bestehenden Objekts entwickelt. Das Zielmodell stellt eine Sammlung einer enormen Punktzahl (STL-Datei), die das gescannte Objekt perfekt wiedergeben. Aktuell erhältliche 3D-Scananlagen (der nahen, mittleren und langen Reichweite) erstellen Modelle mit einer Präzision von bis zu 0,005 mm (5 µm), und unterstützen dabei viele Branchen, wie: die Medizin (Scannen und Wiederaufbau von Knochen oder Knochenteile, Prothesenreparatur), Bauwesen (Inventur der Gebäuden, der internen Anlagen und der Konstruktionen, Untersuchung möglicher Konflikte), Geodäsie (lokale Messungen, Höhenmessungen), Schiffbau (Inventur von Schiffen und anderen Hochseestrukturen). Es ist von da her möglich, Objekte diverser Größen oder Strukturen bildlich aufzunehmen, wobei andere Scanner bei dem Scannen von z. B. Gebäuden oder anderen komplizierten Objekten (3d-Laserscanner) und andere bei Aufnahme beweglicher Objekte, wie der menschliche Körper (Strukturlicht-3D-Scanner) eingesetzt werden.

Laserscanner:

Auf Basis des Messverfahrens der Entfernung wird unter drei Arten der Laserscanner unterschieden: Impulsscanner, Phasenscanner sowie Triangulationsscanner (mit Einzel- oder Doppelkamera). Bei Messung mit einem Impulsscanner wird der emittierte Lichtstrahl von der Zieloberfläche widerspiegelt, und der Rückkehr wird beim Detektor aufgezeichnet. Auf Grundlage der Messung der Zeit zwischen Emission und Rückkehr wird die Entfernung des genauen Punkts vom Scanner ermittelt. Die Präzision solcher Messungen liegt bei 4-10 mm bei einer Scangeschwindigkeit von 50000 Punkten in der Sekunde und bei maximaler Reichweite von 300 m. Bei Phasenscannern erfolgt die Entfernungsmessung durch Analyse der Phasenverschiebung de zum Detektor wieder kehrenden Welle nach Widerspiegelung beim analysierten Objekt im Vergleich zur Phase der heraus gestrahlten Bündels. Phasenscanner ermöglichen Messungen mit einer höheren Präzision (4 mm) und Geschwindigkeit (bis ca. 970.000 Punkte in der Sekunde), die Reichweite ist aber geringer (bis ca. 130 m). Die Industrie bedient sich am stärksten der Triangulationsscanner, da sie durch eine noch höhere Messpräzision gekennzeichnet sind (geringere Reichweite, höhere Präzision – sogar bis zu hundertstel Millimeter). Die Messung erfolgt durch Ausstrahlen eines Laserstrahlbündels, das auf die Matrize einer Digitalkamera nach Widerspiegelung beim Objekt fällt.
Bei Kategorisierung der Scanner im Hinblick auf das Sichtfeld muss man Scanner in panoramische, hybride und kameraartige unterscheiden – die Wahl des Geräts hängt immer von der Komplexität und der Größe des aufzunehmenden Objekts. Es wird erforderlich, auch andere Fragen mit ein zu beziehen, wie: Aufstellungsort des Scanners, entsprechende Auflösung, Fallwinkel des Laserstrahls auf das gescannte Objekt, Störungen, Wetterverhältnisse, Glasoberflächen und andere glänzende Flächen, die den Strahl in andere Richtungen widerspiegeln lassen.

Industriescannen:

Bei Analyse moderner Messverfahren durch das der Erfahrungen von Proster sollen zwei Hauptbereiche genannt werden, bei denen 3D-Scannen eine bedeutende Unterstützung darstellen wird. Der erste Bereich ist die Notwendigkeit des Scannens eines gesamten Produktionsbetriebs, des jeweiligen Baus, im Hinblick auf den geplanten künftigen Umbau/ Ausbau, usw. eine derart durchgeführte Inventur verleiht ein einmalig präzises Bild (auch bei Sachen, die für das menschliche Auge nicht wahrzunehmen sind). Einmalig behilflich ist diese Lösung bei Gebäuden, die bereits seit Jahrzehnten bestehen, für welche man verlässliche oder sogar jegliche technische Unterlagen nur schwierig bekommen kann. Dank den ausgeführten Messungen wird der Designer eine Analyse des Baus, der Senkrechte der Teile sowie der Gestalt und der Struktur bestehender Verformungen durchführen können. Die hohe Auflösung der erzielten Punktenwolke ermöglicht eine präzise Erkennung bestehender Probleme sowie eine Beurteilung der Größe derselben. Eine solche Sammlung von Informationen lässt die Notwendigkeit einer Sanierung oder Modernisierung einschätzen.
Der zweite Bereich ist das Scannen der einzelnen Teile der Produktionsanlagen (der Maschinendetails), die aus dem Grund von Schäden oder Abnutzung zu ersetzen sind. Ein derart erstelltes Modell der Details ermöglicht eine getreue Wiedergabe. Ein Beispiel solcher Projekte bei Proster war eine Glühkammer, die eine Kopie einer bestehenden Lösung gewesen sein wollte (als Guss), die wiederum Bestandteil einer größeren Produktionsanlage gewesen sein sollte. Die Ausführungspräzision war also von besonderer Bedeutung für die perfekte Anpassung alter und neuer Teile aneinander. Vor diesem Hintergrund ist die enorme Nützlichkeit von Scangeräten insbesondere bei komplizierten Objekten zu betonen, bei welchen traditionelle Messverfahren nicht nur zeitraubend aber auch fehlerbehaftet und oft schlicht unmöglich einzusetzen waren. Der Einsatz vom Laserscannen als Messmethode beim Industriedesign ermöglicht die Aufnahme des echten und präzisen Plans eines Objekts und liefert detaillierte Daten zur Erstellung der technischen Dokumentation. Was für Designer wichtig ist, es besteht die Möglichkeit des Exports der Datenwolke in CAD-Software zur Erstellung von Modells, Querschnitten, Schemen und weiteren Studien.

Autorin: Marzena Fijałkowska

Literatur:

1. Magdalena Bernat, Alicja Byzdra, Mariusz Chmielecki, Przemysław Laskowski, Janusz Orzechowski, Sławomir Rzepa, Jakub Szulwic, Patryk Ziółkowski, Zastosowanie naziemnego skaningu laserowego i przetwarzanie danych: inwentaryzacja i inspekcja obiektów budowlanych. Przegląd technologii i przykłady zastosowań [Einsatz von bodengebundenen Laserskansystemen und Datenverarbeitung: Inventur und Prüfung von Bauten. Übersicht der Technologien und Einsatzbeispiele] Seria GEOMATYKA [Reihe ‚Geomatik‘], Hrsg. Technische Universität Danzig, Fakultät für Hochbau und Umwelt, 2016, S. 11.