Reverse Engineering Wie 3D-Scannen die Fahrzeugkonstruktion vereinfacht

| Aktualisiert am 08.12.2020Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

3D-Scanner ermöglichen das schnelle und genaue Erfassen von einzelnen Komponenten oder auch ganzen Fahrzeugen. Die Engineeringspezialisten Tekk Consulting nutzen die 3D-Scantechnologie unter anderem, um Spezialanfertigungen von Autokarosserien zu beschleunigen. Wie das funktioniert.

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Das ideale Verhältnis zwischen Robustheit und Gewicht in jedem Fahrgestell ist seit Jahren die Kernkompetenz von Tekk Consulting. Seit das Unternehmen auf das 3D-Scannen setzt, können die Konstrukteure den Wettlauf gegen die Zeit gewinnen.
Das ideale Verhältnis zwischen Robustheit und Gewicht in jedem Fahrgestell ist seit Jahren die Kernkompetenz von Tekk Consulting. Seit das Unternehmen auf das 3D-Scannen setzt, können die Konstrukteure den Wettlauf gegen die Zeit gewinnen.
(Bild: Tekk Consulting)

An einem Auto kann so einiges zu Schaden kommen, besonders, wenn es mit halsbrecherischer Geschwindigkeit durch die Landschaft oder über eine Rennstrecke gefahren wird. Die meisten Schäden, die entstehen können, bringen die Insassen nicht in Gefahr. Egal, ob es sich um einen Motorschaden, einen Ausfall des elektrischen Systems oder einen Getriebebruch handelt – solche Ausfälle enden selten in schwerwiegenden Unfällen. Ein Fahrwerksversagen hingegen ist für Fahrer und Insassen fast immer lebensgefährlich. Und genau das ist es, was die moderne Fahrwerkskonstruktion zu einem so verantwortungsvollen Tätigkeitsbereich macht. Ist die Konstruktion zu leicht, werden Festigkeit und Sicherheit beeinträchtigt. Wenn jedoch zu viele oder massive Materialien verwendet werden, leidet zwangsläufig die Leistung.

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Fahrgestellkonstruktion ist wettbewerbsintensiv

Das Erreichen des idealen Verhältnisses zwischen Robustheit und Gewicht in jedem Fahrgestell ist seit Jahren die Kernkompetenz von Tekk Consulting Inc., Spezialist für Fahrwerkskonstruktion. Das Unternehmen ist monatelang im Voraus ausgebucht – von Privatkunden, aber auch von Schwergewichten der Branche, darunter Erstausrüster.

Doch das war nicht immer so: Noch im Jahr 2018, mit bereits mehr als einem Jahrzehnt Erfahrung in der Fahrwerkskonstruktion, hatte Tekk Consulting Inc. einen Punkt erreicht, an dem die Konstrukteure, obwohl die technischen Aspekte ihrer Arbeit zweifellos einwandfrei waren, ständig in einem Wettlauf gegen die Zeit standen, um ihre Projekte unter Beibehaltung der hohen Standards pünktlich abzuschließen. Damals reichten die Kapazitäten nicht aus, um weitere Kunden zu gewinnen. Es konnten nicht genug Projekte umgesetzt werden, um in der wettbewerbsintensiven Branche der Fahrgestellkonstruktion an die Spitze zu gelangen.

3D-Scannen ersetzt manuelles Messen

Aus diesem Grund setzten sich die Gründer Jason Heard und Jack Fisher zusammen und überdachten ihre Arbeitsabläufe von Grund auf. Sie begannen nach Möglichkeiten zu suchen, um die Arbeit straffer und schneller zu gestalten, ohne an Qualität einzubüßen. Einer der ersten Punkte, auf die sie sich konzentrierten, war die Vermessung von Karosserien, Teilen und Komponenten der Autos.

Die traditionelle Methode, mit Messschiebern, Maßbändern und Linealen, lieferte äußerst zuverlässige Ergebnisse. Jedoch war der Arbeitsschritt an sich sehr mühsam und konnte bei jedem Projekt Stunden oder sogar Tage in Anspruch nehmen. Die Gründer informierten sich über das 3D-Scannen als Ersatz für manuelle Messmethoden. Sie landeten schließlich auf der Website von Artec 3D, einem Unternehmen, das 3D-Lösungen und -Produkte entwickelt und produziert.

Karosserien und Komponenten digital erfassen

Der tragbare 3D-Handscanner Artec Eva erfasst Millionen von Punkten pro Sekunde und erstellt innerhalb von Minuten hochpräzise 3D-Modelle von Autoteilen und unzähligen anderen Objekten. Die Gründer wandten sich an ihren lokalen Händler, um eine Vorführung vor Ort zu vereinbaren und mehr zu erfahren. „Das war ein Volltreffer“, berichtet Jason Heard. „In den ersten 15 Minuten der Vorführung wussten wir, dass wir mit dieser Lösung unser Ziel erreichen können. Also kauften wir Artec Eva und nahmen den Scanner direkt mit. Es brauchte nicht einmal eine Schulung, so einfach ist das Gerät zu bedienen. Wir kauften den Scanner einfach und verbrachten den Rest des Nachmittags damit, alles Mögliche in der Werkstatt zu scannen. Am Ende des Tages hatten wir unseren neuen Arbeitsablauf zu Ende gedacht.“

Tipps und Tricks für den Arbeitsablauf

Heard skizziert den Scan-Ablauf: „Für Teile und Komponenten habe ich eine kleine Drehscheibe gebaut, auf der ich die Teile scanne. Wenn diese glänzen, benutze ich etwas Babypuder oder einen Sprühzerstäuber. Dadurch wird die Oberflächenbeschichtung um etwa 1/5000 Zoll vergrößert, sodass die Scanqualität überhaupt nicht beeinträchtigt wird. Dann scanne ich das Teil: Zwei Durchgänge für die eine Seite, zwei Durchgänge für die andere, nur um sicherzugehen, dass ich alle Details eingefangen habe. Für die Maschinenteile des Bauteils, um den genauen Abstand zwischen den Bolzenlöchern und die Größe der Löcher selbst zu erhalten, zeichne ich diese einfach in Geomagic Design X, nachdem ich mit einem Mikrometer gemessen habe. Auf diese Weise ist es superleicht und sehr schnell.“

„Wenn wir Karosserien scannen“, so Heard, „scannen wir normalerweise in einem großen 'Geometrie-Durchgang', das heißt, wir erfassen als erstes das Objekt komplett. Danach machen wir noch einige Scans von bestimmten Teilen. Diese fügen wir dann dem Scan aus dem ersten Durchgang hinzu. Und schließlich verarbeiten wir die Scans in Artec Studio.“

Auch ohne CAD-Daten starten

Jeder Auto-Customizer, der jemals CAD-Dateien von einem Erstausrüster benötigt hat, weiß um die zumindest gelegentlich auftretende Frustration, die beim Warten auf solche Dateien entstehen kann. Erschwerend kommt hinzu, dass die Geduld nachlässt, je näher der Abgabetermin rückt und die Kunden unruhig werden. Wie Heard sagt: „Wenn wir zuerst auf CAD-Dateien warten müssten, bevor wir mit der Arbeit beginnen, könnten wir die engen Fristen, die wir haben, auf keinen Fall einhalten. Aber jetzt müssen wir ja überhaupt nicht mehr warten: Wir scannen einfach alles selbst, egal, ob es sich um einen Porsche, einen Toyota, eine Charge von Teilen oder was auch immer handelt.“

Heard weiter: „Wir vergleichen auch unsere Scans aus Artec Eva mit den CAD-Dateien, die wir bekommen. Sie werden nicht glauben, wie genau diese übereinstimmen – und das jedes Mal! Zuerst waren wir noch überrascht, aber nach Hunderten von Projekten haben wir uns an diese Qualität gewöhnt. Jetzt warten wir nicht einmal mehr auf CAD-Dateien: Wir scannen einfach und machen uns direkt an die Arbeit. Das allein erspart uns tagelanges Warten.“

Reverse Engineering für Oldtimer ohne Originaldaten

Was die Arbeit mit Oldtimern betrifft, so existieren derartige CAD-Dateien nur selten. In diesem Fall kann 3D-Scannen ein entscheidender Faktor sein, um ein Projekt voranzubringen. Heard erklärt: „Mit Artec Eva kann ich Teile oder ganze Karosserien von Oldtimern scannen. Diese Scans gehören dann mir allein – und sie sind perfekt bis ins kleinste Detail.“

Heard fährt fort und spricht über die daraus entstehenden Möglichkeiten: „Ich kann alles auch in Geomagic exportieren, in 3D drucken, mit CNC fräsen oder online an einen von Tausenden von Geschäftspartnern auf der ganzen Welt verkaufen. Werkstätten mit einem, zwei oder drei Konstrukteuren, die vielleicht 10 bis 20 Autos pro Jahr produzieren, machen im übrigen 90 % der Branche aus.“

Keine Probleme mit Fertigungstoleranzen

Was die Werkstoleranzen als Teil des Fertigungsprozesses betrifft, so sind diese auch beim 3D-Scannen von Autos und Karosserien direkt am Fließband ersichtlich. Laut Heard: „Es ist eine bekannte Tatsache, dass CAD-Dateien vom Erstausrüster die Fertigungstoleranzen nicht berücksichtigen. Das ist einfach so.“ Heard weiter: „Wenn Sie mit einem amerikanischen Auto arbeiten, könnten Sie eine Abweichung von 1/4" haben, und das wäre noch akzeptabel. Bei einem wirklich teuren europäischen oder japanischen Auto zum Beispiel werden es vielleicht 1/8" sein. Aber unsere Scans mit Eva sind so viel genauer als das. Wenn wir also Unterschiede zwischen unseren 3D-Scans und den CAD-Dateien sehen, berücksichtigen wir diese Toleranzen.“

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Perfekte Daten für die Simulation

Eine weitere Facette der Arbeit, die Tekk Consulting Inc. leistet, ist die Simulation gescannter Komponenten, normalerweise durch Dünnschalen-Approximation. Dabei werden die genauen Maße der Teile erfasst und dann ihre mechanische Festigkeit und Flexibilität analysiert, beziehungsweise wie stark sie sich biegen können und wie diese Abweichung in CAD aussieht. Dieser Ablauf ermöglicht es, eine Komponente so zu überarbeiten, dass ein Fehler behoben wird, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass die Komponente die gleiche oder eine bessere Qualität als zuvor hat. In der Vergangenheit mussten diese Komponenten noch von Hand vermessen werden, was oft Stunden in Anspruch nahm, einschließlich einer zweiten Überprüfung und erneuten Messung.

Mit Artec Eva können Teile in Minutenschnelle und hochpräzise aufgenommen werden. Von Querlenkern über Drehgelenke, Überrollbügel bis hin zu ganzen Aufhängungen und mehr – kein Nachmessen oder Nachjustieren ist mehr erforderlich. Heard erklärt, warum das so entscheidend ist: „Ausschlaggebend ist nicht, wie gut Ihr FEM ist – denn wenn die eingegebenen Daten fehlerhaft sind, sei es auch nur um den Bruchteil eines Zentimeters, wird das Ergebnis zwangsläufig katastrophal. Man wird damit auf keinen Fall in der Lage sein, diese Komponenten noch mathematisch genau zu biegen und zu verdrehen, um einen Ausfall zu verhindern und die Leistung zu erhöhen. Auf keinen Fall.“

„Wenn man versucht, einen Rennwagen zu bauen, und man hat eine Phase, für die man früher 14 bis 16 Stunden brauchte, dann dauert dies jetzt nur noch zwei bis drei Stunden. Das macht für uns bereits einen gewaltigen Unterschied und das ganz zu schweigen von den Vorteilen in Sachen Genauigkeit und Sicherheitswinkel, die uns das 3D-Scann

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