Anwendungsbeispiel: Reverse Engineering Modell- /Formenbau: Einsatz Optischer Messtechnik in der Keramischen Industrie Messsysteme: ATOS Keywords: Reverse Engineering, Formen- und Werkzeugbau, Qualitätskontrolle, Keramikguss, Schwundmaßanalyse, CNC-Fräsen Komplexere Bauteile, höhere technische Anforderungen, neue Materialien und kurze Produktzyklen stellen auch die keramische Industrie vor neue technische Herausforderungen und Aufgaben bei immer kürzeren Entwicklungszeiten. Die optische 3D-Messtechnik kann hierbei in allen Stadien der Produktentwicklung, in der Form- und Werkzeugentwicklung eines Keramikproduktes aber auch produktionsbegleitend Unterstützung und Vorteile bieten. Innovative Firmen nutzen heute die optische 3D-Digitalisierung zur schnelleren Erstellung von Formgebungswerkzeugen, zur Sicherung funktionierender Einrichtungen sowie zur Form- und Maßkontrolle bei der Erstmusterprüfung. In der Keramischen Industrie spielt die Erfassung der Ist-Kontur des Produktes eine sehr wichtige Rolle, da der Trockenschwund, Brenn- bzw. Sinterschwund und dadurch bedingte Verformungen im Produktionsprozess kompensiert werden müssen. GOM mbh Mittelweg 7-8 38106 Braunschweig Deutschland Phone +49 531 390 29 0 Fax +49 531 390 29 15 info@gom.com GOM International AG Bremgarterstrasse 89B 8967 Widen Schweiz Phone +41 5 66 31 04 04 Fax +41 5 66 31 04 07 international@gom.com GOM France SAS 10 Quai de la Borde - Bât A2 91130 Ris Orangis Frankreich Phone +33 1 60 47 90 50 Fax +33 1 69 06 63 60 info-france@gom.com GOM UK Ltd Business Innovation Centre Coventry, CV3 2TX Großbritannien Phone +44 2476 430 230 Fax +44 2476 430 001 info-uk@gom.com GOM Branch Benelux Interleuvenlaan 15 E 3001 Leuven Belgien Phone +32 16 408 034 Fax +32 16 408 734 info-benelux@gom.com Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 1
Reverse Engineering / Modell- /Formenbau Einsatz Optischer Messtechnik in der Keramischen Industrie Messsysteme: ATOS Keywords: Reverse Engineering, Formen- und Werkzeugbau, Qualitätskontrolle, Keramikguss, Schwundmaßanalyse, CNC-Fräsen Optisches 3D-Digitalisiersystem Der Streifenprojektionssensor ATOS basiert auf dem Triangulationsprinzip: Mittels einer Projektionseinheit werden unterschiedliche Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert und von zwei Kameras beobachtet. Mit Kenntnis der Abbildungsgleichungen der Optik (Kalibrierung) können die 3D-Koordinaten der beleuchteten Fläche für jedes Kamerapixel automatisch und hochpräzise im Rechner ermittelt werden. Einzelne Messungen werden automatisch und benutzerunabhängig in ein gemeinsames Objektkoordinatensystem überführt. Bei jeder laufenden Messung wird online überwacht, ob das Messsystem dekalibriert ist, der Sensor sich bewegt hat oder sonstige Fremdfaktoren die Messung beeinflusst haben. Der ATOS Messkopf kann auf einem Stativ frei im Raum positioniert werden und ist durch seine Robustheit auch im rauen Produktionsumfeld einsetzbar. Der optische 3D-Digitalisierer ATOS ist somit mobil verwendbar und lässt sich durch den Austausch unterschiedlicher Objektive in wenigen Minuten an bestimmte Messaufgaben und Bauteilgrößen anpassen. Dank dieser Flexibilität können mit dem ATOS-System Objekte verschiedener Größe, vom kleinsten filigranen Spritzgussteil bis hin zum Flugzeug, vermessen werden. Für automatisiertes Messen stehen Roboter oder Multi-Achsen Verfahreinheiten zur Verfügung. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 2
Reverse Engineering / Design Handgefertigte Modelle wie z.b. Anschauungs- oder auch Aufmaßmodelle, in welche Schwindmaße bereits eingearbeitet sind, werden mittels optischer Digitalisierung schnell und flächenhaft erfasst (Abb. 1). Die Messdaten liegen zunächst in Form von Punktewolken bzw. Polygonnetzen vor und können in der ATOS-Software gespiegelt, invertiert oder skaliert werden (Abb. 2). Abb.1: Digitalisierung eines Designmodells mit dem ATOS 3D-Messsystem. Abb. 2: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Skalierung). Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 3
Zur Übernahme ins CAD können die ATOS-Messdaten je nach Anforderung krümmungsabhängig ohne Qualitätsverlust reduziert werden, um so die Datenmenge zu minimieren (Abb. 3). Zudem können beliebige Schnitte z.b. achsparallel, entlang von Splines oder Radien und Primitive exportiert werden (Abb. 4, 5). Abb. 3: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Krümmungsbasierte Datenreduzierung). Abb. 4: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Schnitte). Abb. 5: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Primitive). Für die eigentliche Flächenrückführung stehen CAD-ähnliche Systeme (z.b. RapidForm, Geomagic, Polyworks, Pointmaster, Icem-Surf, etc.) zur Verfügung, mit denen Merkmale direkt auf den Polygonnetzen konstruiert werden können. So können auch Oberflächen mathematisch beschrieben werden, deren CAD-Konstruktion zu zeitaufwendig ist. Mittlerweile können auch zahlreiche CAD-Programme wie z.b. Catia, ProE, etc. sowie Formen- und Werkzeugbauprogramme wie z.b. Tebis, Visi und Delcam die ATOS-Messdaten in ihrer ursprünglichen Detailtreue und Ortsauflösung einlesen und effektiv verarbeiten. Der Konstrukteur ist nun nicht mehr auf die vorausschauende Arbeitsweise der Messtechniker angewiesen, sondern kann sich direkt aus der hochaufgelösten Punktewolke die Schnitte errechnen lassen, die für die Konstruktion erforderlich sind. Ihm steht die komplette Datenbasis zur Verfügung. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 4
Reverse Engineering / Formenbau Bei der Erstellung von Formgebungswerkzeugen im Keramikbereich muss der dem Material eigene Trocken- und Brennschwindung Rechnung getragen werden. Jede Kontur der Form muss um einen bestimmten Prozentsatz vergrößert werden (Aufmass), um am Ende ein Werkstück mit der richtigen Form und Größe zu erhalten. Dabei sind nicht nur das Material sondern auch dessen Geometrie (Schwindungsbehinderung) und besonders eine fachgerechte Konstruktion entscheidend. Ist zuvor das Anschauungs- oder das Aufmaßmodell digitalisiert worden, kann nun der Weg komfortabel über CAD/CAM weitergegangen werden und die CAD-Daten der Modelle und Formen mittels Flächenrückführung (Reverse- Engineering) in entsprechenden Softwarepaketen von den Scandaten abgeleitet werden (Abb. 6-8). Abb. 6: Flächenrückführung anhand der ATOS-Messdaten (Leitkurven). Abb. 7: Flächenrückführung anhand der ATOS-Messdaten (NURBS-Flächen). Abb. 8: Flächenrückführung anhand der ATOS-Messdaten (gerendertes Modell). Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 5
Qualitätssicherung / Erstmusterprüfung Im Werkzeug- und Formenbau spielt die Erfassung der Ist-Kontur eine sehr wichtige Rolle, da passende Teile aus "falschen" Formen kommen, die Schrumpfen und Verformen der Teile im Produktionsprozess und bei der Formentnahme kompensieren. Zur Erstmusterprüfung und Qualitätssicherung lassen sich die ATOS-Messdaten digitalisierter Bauteile direkt mit den ursprünglichen Mess- oder CAD- Masterdaten eines Bauteils überlagern (Abb. 9). Auf Basis eines solchen flächigen Soll/Ist-Vergleiches lässt sich unter anderem schnell überprüfen, ob die Toleranzen eingehalten wurden oder in welchen Bereichen sich das Bauteil verformt hat. Die gemessenen Daten und das CAD-Modell werden in das ATOS-Inspektionsmodul importiert. Nach der Ausrichtung zum CAD- Koordinatensystem (z.b. RPS-Ausrichtung, 3-2-1, Best-Fit) können die Abweichungen mittels einer Falschfarbendarstellung über das gesamte Bauteil umgehend flächig visualisiert und leicht interpretiert werden (Abb. 10). Abb. 9: Messung eines glasierten Waschtisches einer Vorserie mit dem ATOS 3D-Messsystem. Abb. 10: Erstmusterprüfung an Teilen aus der Vorserie (Vollflächiger Soll-Ist-Vergleich zu den Master-Daten). Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 6
Ebenso gut können aber auch nach herkömmlicher KMG-Methode konkrete Punkte einzeln berechnet werden (Abb. 11). Zur Dokumentation und für die Weiterverarbeitung lassen sich 3D-Reports oder Tabellen erstellen und die Messergebnisse sowie die Abweichungen in verschiedene Formate (Excel, HTML, Word, 3D-Viewer, etc.) exportieren (Abb. 12). Abb. 11: Erstmusterprüfung an Teilen aus der Vorserie (definierte Messpunkte). Abb. 12: Erstmusterprüfung an Teilen aus der Vorserie (Exporttabelle definierter Messpunkte mit Toleranzen). Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 7
Reverse Engineering / Werkzeuganpassung in der Pilotproduktion Aufgrund der zuvor erfassten Abweichung zwischen den CAD-Daten des Anschauungsmodells und der Messung der ersten Bauteile aus dem Formgebungswerkzeug lassen sich evtl. erforderliche Änderungen in der Pilotproduktion gezielter durchführen. Vorgenommene Modifikationen während der Einarbeitungsphase und des Produktionsanlaufes können mit Hilfe des ATOS-3D-Digitalisieres und der Flächenrückführung sofort in das CAD-Modell übernommen werden. In dieser Phase können durch einen Soll/Ist-Vergleich zwischen dem CAD-Modell und dem realen Bauteil die Bereiche mit den manuell durchgeführten Änderungen sichtbar gemacht werden. Aufbauend auf dieser Analyse können nun die gefundenen Bereiche aus dem STL-Netz herausgelöst und im CAD-Flächenmodell angepasst werden (Abb. 13-16). Dadurch wird jederzeit garantiert, dass der aktuelle Zustand des Werkzeuges auch als CAD- Datensatz vorliegt. Der komfortable Weg über CAD/CAM bleibt somit weiterhin durchgängig. Abb. 13-16: Beispielhafte Darstellung Form- und Werkzeugentwicklung mit Anpassung. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 8
Archivierung / Produkt-Varianten Durch das Digitalisieren während der Pilotproduktion werden zudem permanent alle unterschiedlichen Formen- und Modellstände archiviert. Dies erlaubt den Zugriff auf Varianten, die physikalisch nicht mehr vorhanden sind (Abb. 17). Die Netze verschiedener Modellstände können verglichen und bereichsweise vereinigt werden. Somit können auch zu einem späteren Zeitpunkt schnell und einfach Produkt-Ableitungen und Varianten erstellt werden. Durch die ATOS 3D-Digitalisierung alter Werkzeug- und Formenbestände können somit auch klassische Bauteile schnell angepasst und neu aufgelegt werden. Abb. 17: Archivierung von Modellvarianten. Werkzeugduplizierung durch 3D-Messdaten / Digitale Datensicherung In der Keramikindustrie ist vor allem die Einrichtung, also das Werkzeug zur Duplizierung der Formgebungswerkzeuge ein entscheidender Faktor. Hier wird der ATOS 3D-Digitalisierer neben der oben beschriebenen Werkzeuganpassung insbesondere für ein Daten-Back-Up zur Sicherung einer eingefahrenen Einrichtung eingesetzt. Viele CNC-Programme und Steuerungen können Fräsbahnen mittlerweile auch direkt auf der digitalisierten Punktewolke bzw. den Dreiecksmaschen generieren und fräsen (Abb. 18, 19). Auf diese Weise lassen sich Werkzeuge bei Bruch schnell und einfach duplizieren, ohne dass zuvor überhaupt eine Flächenrückführung stattfinden muss. Abb. 18 und 19: Fräsbahngenerierung direkt auf den ATOS-Messdaten. Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 9
Qualitätssicherung / Endkontrolle Produktion Durch den Einsatz von Macros ist der ATOS 3D-Digitalisierer auch für die Endkontrolle von Bauteilen geeignet (Abb. 20). Mit Hilfe einer einzigen Messung kann z.b. die Ebenheit von Flächen (Abb. 21), Winkelstellungen, Vorfall und Rückfall, Hahnlochbankneigung, Ventilstellung, etc. analysiert werden (Abb. 22, 23). Zur Automatisierung des Messvorganges können Roboter oder Multi-Achsen Verfahreinheiten eingesetzt werden. Abb. 20: ATOS Messung an einem glasierten Waschbecken zur Endkontrolle der Produktion. Abb. 21: Messprotokoll (Ebenheit Fläche). Abb. 22: Messprotokoll (Vorfall, Rückfall, Neigung). Abb. 23: Messprotokoll (Ventilstellung). Copyright 2008 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de) 20122010 www.gom.com 10