Oktober Vom 3D-Scan zum Modell. Dieses WhitePaper zeigt den Ablauf von einer 3D-Digitalisierung bis hin zum 3D-Modell.

Transkript

1 Oktober 2015 Vom 3D-Scan zum Modell Dieses WhitePaper zeigt den Ablauf von einer bis hin zum 3D-Modell.

2 WhitePaper Was kann die leisten und wie können Sie davon profitieren? Die optische 3D-Messtechnik besteht im Wesentlichen aus zwei Bereichen: Der dreidimensionalen Digitalisierung und der Auswertung wie z.b. dem Soll-Ist-Vergleich der erfassten Daten zum CAD-Modell. Bei der werden die Oberflächen der Werkstücke, Bauteile oder Prüflinge erfasst. Hierbei werden Millionen von 3D-Koordinaten je Sensorposition aufgenommen. Durch das Zusammensetzen dieser Einzelaufnahmen entsteht eine hochgenaue virtuelle Kopie des Werkstücks als 3D-Modell. Dieser Vorgang ist weitaus schneller als bei einer taktilen Messung oder Prüfung mit Handmessmitteln. Es besteht eine geringere Gefahr von Fehlmessungen oder Ausreißern, da mehr Information aufgenommen werden. Als zu digitalisierendes Objekt haben wir uns für ein Elektroauto entschieden. 03 Inhalt: Vorbereitung für die Digitalisierung 4 TRITOP - Punkte und codierte Marken als Referenzpunkte 4 Der 3D-Scan im Detail 5 Der Soll-Ist-Vergleich 8 Arbeitszeit - Von der Vorbereitung über den Scan bis hin zur Nachbearbeitung 9

3 WhitePaper Vorbereitung für die Digitalisierung Im ersten Schritt muss das Messobjekt, hier das Fahrzeug, für die Digitalisierung vorbereitet werden. Die Vorbereitungen ergeben sich aus der speziellen Scanmethode per Streifenlichtprojektion. Auf das Auto werden in unregelmäßigen Abständen Referenzpunkte geklebt. Die auf der gesamten Karosserie verteilten Marken dienen der Scansoftware (GOM ATOS Professional) als Stützpunkte, um die Einzelaufnahmen zu einem gesamten 3D-Modell zusammen zu transformieren. Zusätzlich zu den Referenzpunkten werden rund um das Fahrzeug, für die Software erkennbare, codierte Marken angebracht und fest definierte Maßstäbe ausgelegt. TRITOP - Punkte und codierte Marken als Referenzpunkte 04 Bei der TRITOP Messung handelt es sich um eine Photogrammetrie. Dabei werden hochauflösende Fotos vom Messobjekt, inklusive Referenzpunkten, codierte Marken und den fest definierten Maßstäben, erstellt. In der Software sind die exakten Maße der Maßstäbe hinterlegt und kann so die Aufnahmen genau skalieren. Um alle Referenzpunkte zu erfassen, müssen Fotos aus verschiedenen Positionen und Winkeln geschossen werden. Die nun im 3D-Koordinatensystem erfassten Punkte dienen zur Orientierung der Scans im Objektraum.

4 WhitePaper Der 3D-Scan im Detail In diesem Fall wurde ein GOM ATOS III Triple Scan mit einer Auflösung von 8 Millionen Messpunkten und einem Messvolumen von 560 x 420 x 420mm3 verwendet. Der Scan selbst verläuft nach dem Prinzip der Streifenlichtprojektion. Dabei wird ein Streifenlichtmuster auf das zu scannende Objekt projiziert. Durch zwei im Sensor verbaute Kameras wird das projizierte Streifenmuster auf dem Messobjekt aufgenommen. Die Oberfläche des Messobjekts verzerrt dabei das Streifenmuster. Da die Kameras einen bekannten Abstand und Blickwinkel zum Projektor haben, können die Punkte der Oberfläche durch eine Dreiecksberechnung (Triangulation) im 3D-Koordinatensystem erfasst werden. Dabei ist zu beachten, dass sich bei jedem Scan-Schritt mindestens drei Referenzpunkte innerhalb des Messvolumens befinden. Durch die Eindeutigkeit der Punktekonstellation ist die Position des derzeitigen Scans am Fahrzeug stets bekannt und gescannte Flächen werden an die richtige Position im Koordinatensystem gelegt. So entsteht Schritt für Schritt ein detailliertes 3D-Modell des Fahrzeugs. Somit werden pro Einzelscan mit dem ATOS III Triple Scan bis zu 8 Millionen Messpunkte auf einmal erfasst. Warum wir diesen Sensor verwendet haben? Die Messanforderungen bestimmen die Auswahl des Sensors. Ein Sensor mit einer höheren Auflösung kann mehr Messpunkte je Aufnahme aufzeichnen, als ein Sensor mit einer geringeren. Dadurch ist die resultierende Datenmenge um ein vielfaches größer. Der Sensor mit geringerer Auflösung ist allerdings nicht ungenauer, sondern nimmt nur eine geringere Punktedichte auf. 05

5 WhitePaper Beispiel: Ein Scan mit zwei unterschiedlichen Messvolumen. Scan 1 mit einem Messvolumen von 320 x 240 x 240mm 3 Scan 2 mit einem Messvolumen von 560 x 420 x 420mm 3 Scan 1 Scan 2 Der zweite Scan hat auf Grund des größeren Messvolumens einen größeren Punkteabstand. Wesentliche Merkmale werden erfasst, kleinere Messunterschiede fallen nicht so stark ins Gewicht. In diesem Fall wollen wir eine möglichst ebene Oberfläche. Somit ist das größere Messvolumen die bessere Wahl, da hier weniger Daten anfallen und die Oberfläche anschließend in der Aufbereitung der Daten die perfekte Struktur aufweisen. Mit Hilfe des größeren Messvolumens werden insgesamt weniger Einzelscans benötigt. Damit ist gleichzeitig eine große Zeitersparnis verbunden. Besondere Anforderungen entstehen durch transparente oder spiegelnde Flächen. Hier muss mit einem speziellen Matt-Spray gearbeitet werden. Diese Flächen könnten ohne das Einsprühen nicht optisch erfasst werden. Das Spray mattiert die spiegelnden oder transparenten Flächen und ermöglicht dadurch die optische Digitalisierung wieder. Nach wenigen Stunden löst sich dieses Pulver wieder rückstandslos auf. Der minimale Auftrag durch diese Schicht ist so gering, dass er bei der Digitalisierung und der anschließenden Auswertung des Fahrzeuges vernachlässigbar ist. 06

6 WhitePaper Im Fall von reflektierenden Flächen gibt es neben der Einsprühmethode noch eine softwareseitige Lösung. Durch die Reflexionserkennung wird vor dem Streifenmuster ein weiteres Muster aufprojiziert. Dieses verfügt über bestimmte Maskierungsoptionen. So werden Stellen, die während des Scans zu stark reflektieren, schon vor der Projektion ausmaskiert. Diese stark reflektierenden Stellen werden im Anschluss mit einer niedrigeren Belichtung erneut gescannt. Ein Nachteil dieser Methode ist die verlängerte Messzeit des Scans. Durch die Maskierung kleiner Stellen muss eine Fläche aus verschiedenen Blickwinkeln erfasst werden um ein lückenloses Modell zu erhalten. Um auch verdeckte Flächen, wie die Frontscheibe unter dem Scheibenwischer, scannen zu können werden die Scheibenwischer zur Seite geklappt. Der Scan referenziert sich weiterhin an den Punkten auf der Frontscheibe. Die aus den Messdaten erstellte STL-Datei - hierbei handelt es sich um ein dreiecksvermaschtes Netz - wird im Anschluss weiter aufbereitet. Bei der Aufbereitung können kleine Löcher durch Interpolation von Randbereichen geschlossen und Flächen geglättet werden. Nach der Aufbereitung in der GOM Software werden die Daten an die CAD Abteilung weitergereicht. Hier werden Hinterschnitte wie z.b. der Unterboden oder der hintere Teil der Reifen nachkonstruiert, um so ein vollständiges Modell zu erhalten. Hinweis: Auf einer Hebebühne wäre auch ein vollständiger Scan möglich. 07

7 WhitePaper Der Soll-Ist-Vergleich Mit diesem Verfahren werden verschiedene Merkmale eines Messobjekts dem CAD-Modell gegenüber gestellt und verglichen. Beispiele hierfür sind Flächenvergleiche, Schnitte, Auswertungen von Maßen sowie Form- und Lageelemente. Zur besseren Visualisierung der Messdaten werden 3D-Ansichten des Messobjektes in den Messbericht integriert. 08 Bei der Falschfarbendarstellung wird von jedem Punkt der Messdaten aus der kürzeste Abstand zur Fläche bzw. Linie des CAD-Modells berechnet. Diese Abweichungen werden anhand eines Farbverlaufs auf dem Messobjekt dargestellt, d.h. jeder Punkt der Messdaten wird entsprechend seiner Abweichung zu den CAD-Daten eingefärbt. Die Farben hellgrün bis rot stehen für Abweichungen positiv zur CAD-Oberfläche (Aufmaß), die Farben dunkelgrün bis blau signalisieren Abweichungen negativ zur CAD-Oberfläche (Untermaß). Grau bedeutet außerhalb der jeweiligen Farbskalierung. Um Maßhaltigkeiten in bestimmten Koordinatenrichtungen zu prüfen (hier in der Y-Ebene) eignen sich Schnitte. In diesen vergleicht man zum Beispiel Spaltmaße, Winkel, Radien und Abstände zu ihrem Soll-Wert. Durch die einmalige Festlegung der zu prüfenden Merkmale entsteht ein Messplan, welcher bei einem typgleichen Bauteil wieder angewendet werden kann. So sind Serienmessungen von Bauteilen schneller umsetzbar.

8 WhitePaper Anhand der ausgewerteten Messdaten werden beispielsweise Werkzeuge neu eingestellt und Montageprozesse optimiert. Somit hilft der Soll-Ist-Vergleich jedes Messobjekt schnell und effektiv auf seine Qualität zu prüfen. Arbeitszeit - Von der Vorbereitung über den Scan bis hin zur Nachbearbeitung Für ein Fahrzeug dieser Art kann mit einer Vorbereitungszeit von 0,5 Stunden gerechnet werden. Der Scan selbst dauert je nach Komplexität des Fahrzeugs unterschiedlich lange. Dieses Fahrzeug benötigte ca. 100 Scans und war nach 5 Arbeitsstunden komplett digitalisiert. Für die Nachbearbeitung der Daten wurden in unserem Fall 3 Stunden benötigt. Insgesamt wurden für den Komplettscan inklusive aller Schritte ca. 1,5 Tage benötigt. Die Arbeitszeit für die anschließende Auswertung ist abhängig von der Anzahl der zu prüfenden Merkmale. 09 Messequipment Sensorik Photogrammetrie Software ATOS III Triple Scan Canon EOS 1D X - 18,1 Megapixel GOM ATOS Professional

9 WhitePaper 10 Über die topometric GmbH Die 2001 in Uhingen gegründete topometric GmbH gilt als führender Dienstleister in der industriellen Messtechnik. Auf einer Gesamtnutzungsfläche von über 6.000m2 werden nahezu alle Bereiche der dimensionalen Messtechnik abgedeckt. Die topometric GmbH ist sowohl in der taktilen als auch optischen Messtechnik nach DIN EN ISO/IEC akkreditiert. Das Unternehmen beschäftigt aktuell rund 80 Mitarbeiter an den Standorten Göppingen und München. Autoren: Carsten Vollmer / Michêl Meeh topometric GmbH 2015 Sämtliche Texte, Bilder und andere veröffentlichten Informationen unterliegen - sofern nicht anders gekennzeichnet - dem Urheberrecht der topometric GmbH oder werden mit Erlaubnis der Rechteinhaber veröffentlicht. Jede Verlinkung, Vervielfältigung, Verbreitung, Sendung und Wiedergabe bzw. Weitergabe der Inhalte ist ohne schriftliche Genehmigung der topometric GmbH ausdrücklich untersagt.

10 topometric GmbH Wilhelm-Zwick-Straße Göppingen Tel.: Fax: info@topometric.de