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3D-Scannen Qualitätskontrolle und Reverse Engineering clever kombinieren

| Autor / Redakteur: Andrei Vakulenko, Scott Green / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die Kombination aus Reverse Engineering und Qualitätskontrolle ist eine Möglichkeit, etablierte Ansätze weiterzudenken und so neue, effizientere Methoden zu finden. Auf diese Weise können Entscheidungsträger über den Tellerrand hinausschauen und bei der Problemlösung kreativ werden.

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Die Hybridisierung von Reverse Engineering und Qualitätskontrolle hielt zuletzt in ausgewählten Branchen verstärkt Anwendung, vor allem bei Werkzeugbauern.
Die Hybridisierung von Reverse Engineering und Qualitätskontrolle hielt zuletzt in ausgewählten Branchen verstärkt Anwendung, vor allem bei Werkzeugbauern.
(Bild: Artec3D/PHOT'ON AIR)

Auf dem heutigen wettbewerbsintensiven Markt zählen Qualität und Zuverlässigkeit mehr denn je. Unternehmen müssen der Konkurrenz ständig einen Schritt voraus sein, um sicherzustellen, dass ihre Produkte konsistent und präzise hergestellt werden – denn es gilt, den guten Ruf ihrer Marken sicherzustellen und zugleich weiter auszubauen. Qualitätskontrolle mag als ein zeitaufwändiger und eher mechanischer Prozess erscheinen, jedoch haben die jüngsten Fortschritte in der Technik Inspektionen hinsichtlich der Qualität geradezu zu einer exakten Wissenschaft gemacht.

Vorteile des 3D-Scannens

Eines der Werkzeuge, das sich als nützlich zum Messen und Prüfen herausgestellt hat, ist das 3D-Scannen. Diese Technologie ist in ihrer heutigen Form eine Neuheit, die wegen ihrer Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Nutzerfreundlichkeit gerne zum Einsatz kommt. 3D-Scannen kann komplett kontaktlos durchgeführt werden, und bietet eine enorme Flexibilität, die die Technologie ideal für Messungen an unterschiedlichen Objekten in einer Vielzahl von Branchen macht. Die Anwendung von 3D-Scannen in der Qualitätskontrolle trägt zudem zuverlässig dazu bei, Prüfprozesse schneller und effizienter durchzuführen und damit Zeit und Geld zu sparen.

3D-Scans in der Qualitätskontrolle

Folgende Aufgaben und Anzeichen können darauf hindeuten, dass die Einführung von Scanverfahren Vorteile hat:

  • Komplexe Teile müssen vermessen werden: Durch die Erfassung jeder Oberfläche an Millionen von Punkten erleichtert das 3D-Scannen die Messung selbst sehr komplexer Formen.
  • Weichkomponenten müssen gemessen werden: 3D-Scannen ist ein kontaktloses Verfahren, das weiche Komponenten nicht verformt.
  • Das Vermessen von Teilen nimmt zu viel Zeit in Anspruch: 3D-Scannen ist bei der Erfassung von Messungen exponentiell schneller als kontaktbasierte Techniken.
  • Teile, die nicht mehr vorliegen, müssen erneut vermessen werden: Wenn ein Objekt in 3D gescannt wird, wird eine vollständige digitale Abbildung erstellt, die jederzeit neu vermessen werden kann.
  • Es besteht Unsicherheit, warum der Messvorgang an manchen Stellen scheitert: Da beim 3D-Scannen die gesamte Oberfläche eines Teils gemessen wird, ist es weniger wahrscheinlich, dass Unternehmen eine unerwartete Abweichung vom Sollwert erhalten.
  • Intakte Teile werden aussortiert: Mit einem 3D-Scanner haben Verantwortliche einen vollständigen Überblick über ihre Teile, so dass sie fundiertere Entscheidungen darüber treffen können, ob ein Teil wiederverwendbar ist oder nicht.
  • Flexibilität bei der Messung ist ein relevanter Aspekt: Manchmal ist es effizienter, die Messinstrumente zum Objekt zu bringen als umgekehrt. Scanner und Software sind in jeder Umgebung einfach zu verwenden.

Erhöhtes Interesse kommt auch aus dem Bereich der additiven Fertigung und Modellkorrektur.
Erhöhtes Interesse kommt auch aus dem Bereich der additiven Fertigung und Modellkorrektur.
(Bild: Artec3D/PHOT'ON AIR)

Welcher 3D-Scanner für welche Aufgabe?

3D-Scanner gibt es in verschiedenen Ausführungen, um eine Vielzahl von Objektgrößen aufnehmen zu können. Stationäre Desktop-3D-Scanner können etwa für kleine Kunststoffteile, Motorventile, Steckverbinder oder elektronische Komponenten verwendet werden. Handgeführte 3D-Scanner sind voll beweglich und können für größere Objekte, zum Beispiel Kompressoren, Gussteile, Getriebe, Industrieausrüstung, Fahrzeuginnenräume und Turbinen verwendet werden. Auf Stativen montierte Scanner schließlich können aus weiter Entfernung große Strukturen und Objekte erfassen, wie etwa Flugzeuge, Gebäude, Schiffe, Lager- oder Fabrikhallen.

  • Die dazugehörige Scan-Software kann grundlegende Qualitätskontrollwerkzeuge für schnelle Qualitätsprüfungen bereitstellen, mit denen 3D-Scans mit CAD-Modellen oder Scans miteinander verglichen werden können. Dies kann eine große Zeitersparnis darstellen, da dadurch eine schnelle Prüfung von Teilen ermöglicht wird.
  • Für fortgeschrittenere Funktionen ist eine Prüf-Software wie Geomagic Control X erforderlich. Dieses Programm kann Millionen von Punkte verarbeiten und sämtliche Merkmale der kontaktlos erfassten Daten verwalten.
  • Prüf-Software kann farbige Karten von einem importierten CAD-Modell anzeigen, um Inkonsistenzen aufzuzeigen.
  • Üblicherweise umfasst diese Art von Software auch fortschrittliche Abweichungsanalysefunktionen anhand von Parametern wie 3D- und 2D-Querschnitten, Grenzen, entlang von Kurven, Silhouetten und virtuellen Kantenvergleichen.

3D-Scannen im Reverse Engineering

Neben den genannten Vorteilen eröffnet die Nutzung von 3D-Scannern in der Qualitätskontrolle auch neue Möglichkeit für das Reverse Engineering. Für Hersteller gibt es mehrere Beweggründe ein bestehendes Objekt im Nachhinein weiterzuentwickeln: von der Neuerstellung eines Originalartikels über die Verbesserung von Entwürfen bis hin zur Schaffung völlig neuer Produkte. Reverse Engineering kann Hersteller dabei unterstützen, ihre Produktionsabläufe zu verbessern und die Produkteffektivität zu steigern.

Paradigmenwechsel in der Zusammenarbeit

Tatsächlich kann die Kompetenz, ein Objekt zu zerlegen, um zu sehen, wie genau es aufgebaut und entstanden ist, eine Fähigkeit sein, auf der ein ganzes Unternehmen oder eine bestimmte Dienstleistung basiert. Denn auf diese Weise können Hersteller bestehende Probleme nicht nur finden, sondern auch beheben. Früher hingegen lagen Entwurf, Konstruktion und Qualitätskontrolle oft in der Kompetenz verschiedener Abteilungen, die kaum zusammenarbeiteten. Dies ändert sich nun rapide.

Qualität liegt nunmehr in der Verantwortung jedes einzelnen, vom Ingenieur über den Inspekteur bis zum Geschäftsführer. Wenn bei einer Qualitätskontrolle ein Problem mit einem gefertigten Teil festgestellt wird, ist es essentiell, dass der Fertigungsprozess bis zur Konstruktion des Teils nachvollzogen werden kann. Es muss sichergestellt sein, dass das 3D-CAD-Modell des betreffenden Teils aktualisiert wird, damit es mit dem Teil im Fertigungszustand übereinstimmt – oder aber, dass es angepasst wird, um prozessbedingte Fertigungsfehler auszugleichen. Mit der Hybridisierung von Reverse Engineering und Qualitätskontrolle ist es einfacher, diese Anpassungen vorzunehmen und einen vollständigen Feedback Loop über die Abteilungen hinweg aufrechtzuerhalten.

Wie Reverse Engineering abläuft

  • Für das Reverse Engineering können Verantwortliche einen Stil oder Ansatz wählen, der sich entweder an einem Originalteil oder aber einem Originalentwurf orientiert.
  • In Fällen, in denen die Oberflächenbeschaffenheit entscheidend ist oder eine kritische Beziehung zwischen Merkmalen eines bestimmten Teils besteht, ist eine tiefere Analyse und mehrdimensionale Überprüfung erforderlich, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu gewährleisten.
  • Wenn ein Teil von Grund auf neu entworfen wird, nimmt der Konstrukteur mehrere Vermessungen des Modells vor.
  • Wenn das Teil anhand von Scandaten neu konstruiert wird, gelten die gleichen Anforderungen.
  • Bei der Arbeit im Bereich der additiven Fertigung und der Anpassung additiver Fertigungsanwendungen arbeiten die Kunden an einer digitalen Entwurfsdatei, die zudem ausgedruckt wird. Liegen jedoch sämtliche Formen digital in 3D erfasst vor, ergeben sich besondere Möglichkeiten, beides zu nutzen. So können Verantwortliche also eine 3D-gedruckte Komponente inspizieren und gleichzeitig diese Informationen nutzen, um das Modell auf Grundlage der Scandaten anzupassen, sodass sie bessere Ergebnisse aus dem Druckprozess erzielen.

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CAD spiegelt die Realität wider

Ein weiterer Bereich, in dem Qualitätskontrolle und Reverse Engineering zusammentreffen, ist die Aktualisierung von CAD-Modellen, um sie der Realität anzupassen. Es gibt eine Reihe von Gründen, ein CAD-Modell anzupassen – etwa um sicherzustellen, dass es den Urzustand eines Teils widerspiegelt. Beispielsweise können gegossene, weiche Komponenten aufgrund von Hitze und anderen Materialbelastungen immer von der ursprünglichen Form abweichen. Dies bedeutet, dass die Modelle angepasst werden müssen, um darzustellen, wie das Teil gebaut werden sollte. Für eine effizientere Feinbearbeitung oder andere Endbearbeitungsvorgänge ist es weitaus besser, ein genaues Modell zu verwenden, welches das reale Teil widerspiegelt als ein ursprüngliches digitales Ausgangsmodell.

Qualitätskontrolle und Reverse Engineering können den Herstellern in der additiven Fertigung helfen, prozessbedingte Fehler zu reduzieren und gleichzeitig Fertigungsparameter – einschließlich Position und Ausrichtung – abzustimmen und zu modifizieren, um den Einfluss des Prozesses selbst auf Maßfehler zu minimieren.
Qualitätskontrolle und Reverse Engineering können den Herstellern in der additiven Fertigung helfen, prozessbedingte Fehler zu reduzieren und gleichzeitig Fertigungsparameter – einschließlich Position und Ausrichtung – abzustimmen und zu modifizieren, um den Einfluss des Prozesses selbst auf Maßfehler zu minimieren.
(Bild: Artec3D)

Verformungen entgegenwirken

Verantwortliche können aber auch einen Schritt weiter gehen als nur ein 3D-Modell anzupassen, um die Realität widerzuspiegeln: Sie können die Verformung eines Teils antizipieren. Verformungen können etwa durch den Spritzgussprozess oder die Rückfederung einer Metallstanze während des Herstellungsprozesses verursacht werden.

Fast jede Art von Verformung kann in einem 3D-Modell kompensiert werden, nachdem ein Teil gescannt wurde. Verantwortliche können aber das CAD-Modell auch so modifizieren, dass sie durch das Auftreten der Verformung am Ende der Fertigung ein Teil in genau der gewünschten Form erhalten. Durch 3D-Scannen kommen hier die Stärken des Reverse Engineering besonders zum Tragen. Wenn 3D-Scannen später in einer Inspektion eingesetzt wird, können die Teile vermessen und die CAD-Modelle ganz einfach angepasst oder neu erstellt werden.

Steigendes Interesse durch Additive Fertigung

Die Hybridisierung von Reverse Engineering und Qualitätskontrolle fand zuletzt in einigen ausgewählten Branchen verstärkt Anwendung, vor allem bei Werkzeugbauern. Ein erhöhtes Interesse kommt jedoch aus dem Bereich der additiven Fertigung und Modellkorrektur. Aufgrund der großen Vielfalt an Optionen und Abläufen, die von Maschinenherstellern auf dem Markt angeboten werden, und der relativ uneinheitlichen Prozesse in der gesamten Branche sind die Kunden der Unternehmen stark in Prozessoptimierungen involviert, wobei Messtechnik und Modellkorrektur im Mittelpunkt stehen.

Qualitätskontrolle und Reverse Engineering können den Herstellern in der additiven Fertigung helfen, prozessbedingte Fehler zu reduzieren und gleichzeitig Fertigungsparameter – einschließlich Position und Ausrichtung – abzustimmen und zu modifizieren, um den Einfluss des Prozesses selbst auf Maßfehler zu minimieren. Abweichungen in der Form vollständig zu vermeiden wird durch eine fundierte Modellkorrektur unter Berücksichtigung des Fertigungskontextes ermöglicht. Diese Methode kann vielen Unternehmen dabei helfen sicherzustellen, dass ihre Produkte und Teile von hoher Qualität sind.

Buchtipp

Das Buch Additive Fertigung beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

* Andrei Vakulenko, CBDO, Artec 3D und Scott Green, Director of Product Management, Software, 3D Systems

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