Punktwolken 3D-Scanner Klostermann GmbH

Laser Scanning ist gemäß Christian Klostermann, Geschäftsführer der Klostermann GmbH, eine „Technologie aus zwei Technologien“. Zum einen umfasst die Technik ein optisches Digitalisieren, basierend auf maschinengebundenen Laserscannern beziehungsweise singulär eingesetzten Streifenlicht-Projektionssystemen und zum anderen Teile aus dem Bereich der Computertomographie. Die beiden Grundtechnologien existieren dabei seit mehr als 25 Jahren. Angenommen wurde die Technik seitens der Industrie aber erst seit rund fünf Jahren, denn gerade in der Anfangszeit war die Technologie noch mit vielen Unsicherheiten, insbesondere im Rahmen der Auswertung gewonnener Daten, behaftet. Aktuell werden 3D-Scanner und die von ihnen erzeugten Punktwolken in unterschiedlichsten Branchen eingesetzt, darunter die Automobilindustrie, die Kunststofftechnik, der Maschinenbau und auch die Konsumgüterindustrie.

Was bedeutet „Punktewolken-basiertes Messen“?
Beim konventionellen Vermessen von Bauteilen werden einzelne Messpunkte mit einem Messtaster oder Scanning-Taster aufgenommen und daraus das Messergebnis abgeleitet. Beim 3D-Scanning hingegen wird das gesamte Bauteil abfotografiert oder mittels Röntgenstrahlen vollständig durchleuchtet. Durch diesen Vorgang erhält man Millionen unterschiedlicher Messpunkte eines Bauteils. Diese Messpunkte beschreiben das Objekt hochpräzise und vollständig. Der Vorteil des punktewolken-basierten Messens besteht in der Möglichkeit, auch im Nachhinein komplexe Auswertungen durchführen zu können – und das sogar anhand von Merkmalen, an die man zum Zeitpunkt der Datengenerierung nicht einmal gedacht hat.

Auch Punktewolken wollen aufgeräumt sein
Auch wenn der 3D-Scan hochgradig automatisiert abläuft, gelingt die Digitalisierung nicht immer ohne anschließende automatische, teilautomatisierte oder gar händische Aufbereitung. Denn gerade beim optischen Digitalisieren auf Basis der Streiflicht-Projektion, aber auch beim Einsatz von Laserscannern, werden nicht nur Punktewolken des gewünschten Objektes, sondern auch solche von Vorrichtungen aufgenommen. Auch können Reflexionen oder Überblendungen das Ergebnis beeinträchtigen. Bei Objekten, die mittels Computertomographie digitalisiert werden, sind es sogenannte Artefakte und Streustrahlungen, die das digitale Abbild negativ beeinflussen können. In beiden Fällen muss die generierte Punktewolke in einem sekundären Prozess bereinigt, also „aufgeräumt“ werden, um Verfälschungen bei den gescannten Konturen und Geometrien auszuschließen.

„Unsere Genauigkeiten starten bei knapp 10 Mikrometern!“
Punktewolken-Technik funktioniert sowohl im großen als auch ganz kleinen Maßstab. Das digitale Erfassen von Geometrien ist beispielsweise als „Indoor GPS“ im Einsatz, wo Fabrikhallen oder ganze Straßenzüge digital gescannt werden. Bei Objektgrößen von fünf, zehn oder fünfhundert Metern spielt die Genauigkeit eine eher untergeordnete Rolle. Hier sind Genauigkeiten im Bereich von einigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern völlig ausreichend. Anders in dem Bereich, in dem sich Christian Klostermann mit seinem Team bewegt. „Bei uns ist alles ein paar Faktoren kleiner“, so der Geschäftsführer. Denn die Bauteilgrößen der Kunden der Klostermann GmbH starten bei fingernagelgroßen Elementen aus der Medizintechnik und enden bei kompletten Fahrzeugen. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die erreichbaren Messgenauigkeiten. Gestartet wird bei einer Messgenauigkeit von rund 10 Mikrometern, die Skala endet bei maximal einem Zehntel Millimeter bei großen Teilen wie dem bereits erwähnten Fahrzeug.

Trotz höchster Präzision nur geringe Scan-Laufzeiten
Die Messmaschinen aus dem Hause Klostermann sind nicht nur überaus präzise, sondern gleichzeitig auch überzeugend schnell. Soll beispielsweise eine handelsübliche Getränkeflasche vollständig digital erfasst werden, benötigen die Maschinen aus dem Bereich der Streiflicht-Projektion hierfür rund 10 bis 20 Minuten, wobei in diesem Zeitraum bereits das Kalibrieren des Sensors inbegriffen ist. Wird Computertomographie in höchster Auflösung eingesetzt, verlängert sich der Zeitraum auf gerade mal 20 bis 35 Minuten.

Praxistauglichkeit durch Algorithmen
Die von der Messmaschine generierten Punktwolken beschreiben ein Bauteil durch Millionen einzelner Messpunkte. Dabei verfügt jeder Messpunkt über eine eigene XYZ-Koordinate, so dass man über enorm große Punktewolken sprechen muss. Auch wenn modernste, hochleistungsfähige PC Systeme eingesetzt werden, sind die rohen Punktewolken zu umfangreich, um sie wirtschaftlich verarbeiten zu können. Daher wird seit vielen Jahren auf die bewährte STL Transformation der Rohdaten gesetzt. Beim sogenannten STL Post Processing übernimmt ein spezieller Algorithmus das Durchsuchen der Punktewolke und versucht, die vorliegenden Daten optimal auszudünnen. Während dieses Vorgangs werden einzelne Punkte mit Dreiecken beschrieben, deren Größe sich an der Krümmung der Bauteiloberfläche orientiert. Bereiche mit wenig Krümmung werden durch größere Dreiecke beschrieben, je stärker die Krümmung oder je kleiner ein Radius ist, desto kleiner werden auch die beschreibenden Dreiecke durch den Algorithmus „geformt“. Durch das STL Post Processing lässt sich die Datengröße um bis zu 90 % reduzieren – bei gleichbleibend genauer Beschreibung der Kontur des Bauteils. Die so gewonnenen STL Dateien können anschließend mit kostenfreier Software betrachtet oder für eine messtechnische Analyse in entsprechende Messsysteme eingelesen werden.

Mit Falschfarben zur anwenderfreundlichen Auswertung
Das STL Format ermöglicht Anwendern unterschiedliche Strategien zur Auswertung. Die messtechnische Analyse auf Basis der Daten gilt dabei als die schnellste und am häufigsten eingesetzte Methode. Für die Analyse werden die aufbereiteten 3D-Scan-Daten mit einem bereits vorliegenden CAD Modell des Bauteils „verheiratet“, also digital verbunden. Der Anwender generiert durch diesen Prozess eine vollflächige Falschfarbenanalyse. Wie im Bereich der Thermographie, wo Farben einer Temperatur zugeordnet werden, wird bei der Falschfarbenanalyse einem Farbspektrum eine maßliche Abweichung beigeordnet. Die Farbe Grün steht hier beispielsweise für keine oder nur geringe Abweichungen, Farben aus dem roten Farbspektrum stehen für einen überhöhten, blaue Farben für einen zu geringen Materialanteil. Diese vergleichsweise einfache Zuordnung ermöglicht es auch ungeübten Personen, ein gescanntes Bauteil schnell und qualifiziert zu bewerten. Die Analyse funktioniert sowohl auf Basis von durch Streiflicht-Projektion gewonnenen STL Modellen als auch mittels Computertomographie.

In welchen Branchen werden 3D-Scanner bereits eingesetzt?
Zu den Kunden der Klostermann GmbH zählen Unternehmen aus den unterschiedlichsten Branchen. Neben dem Automobilsektor ist es vor allem der Maschinenbau, der von den hochpräzisen, schnellen Messmaschinen profitiert. Auch die Medizintechnik setzt seit mehreren Jahren konsequent auf das Vermessen von kleinen und kleinsten Teilen mittels Punktwolke. Kurz gesagt: Immer dort, wo hochpräzise Messungen und umfangreiche Analysemöglichkeiten erforderlich sind, wird 3D-Scan-Technik eingesetzt.

Für den Consumer-Bereich zu überdimensioniert
Auch wenn es technisch problemlos möglich wäre, verweist Christian Klostermann bei Anfragen aus dem Endanwenderbereich auf entsprechend spezialisierte Anbieter. „Wenn es nur darum geht, ein 3D Objekt zu bebildern, beispielsweise für den Showroom eines Webshops, können das andere wesentlich günstiger als wir“, so Klostermann. Das Abfotografieren von Objekten und das Errechnen von 3D-Punktwolken gelingen heutzutage bereits mit handelsüblichen Fotokameras und entsprechender Software. Sobald jedoch ein Bauteil in CAD Programmen für eine messtechnische Analyse für die Flächenrückführung und anschließende Weiterverarbeitung digital verarbeitet werden soll, kommen die Messmaschinen der Klostermann GmbH zum Einsatz. Die so digitalisierten technischen Bauteile bieten eine deutlich höhere Genauigkeit und eine dimensionale Punkt-zu-Punkt Beschreibung des Objektes – was im Consumer-Bereich „einfach überdimensioniert“ und damit zu teuer wäre.

Mit Punktewolken zum Reverse Engineering
Viele Kunden der Klostermann GmbH lassen Bauteile digitalisieren, von denen es keinerlei technische Zeichnungen mehr gibt. Oder es werden Bauteile eingescannt, von denen man den aktuellen Ist-Zustand sichern möchte, um bei Bedarf schnell darauf zurückgreifen zu können. Gerade bei anspruchsvollen Werkzeugen mit vielen Freiformkonturen ist das Digitalisieren der deutlich schnellere Weg im Vergleich zur klassischen, händischen Rekonstruktion. Im Bereich des Reverse Engineering ermöglicht das moderne 3D-Scanning Datensätze, die nahezu perfekt dem ursprünglichen Teil entsprechen. Auch Rapid Prototyping wird durch die Punktewolken aus den Maschinen der Klostermann GmbH wesentlich vereinfacht. Denn per Knopfdruck lassen sich alle STL Dateien mühelos exportieren und an einen 3D-Drucker übermitteln.

Über die Klostermann GmbH
Die Klostermann GmbH mit Sitz in Remscheid ist als Werksvertretung mit dem Vertrieb von 3D-Messmaschinen marktführender Hersteller tätig. Das Angebot des Unternehmens umfasst dabei taktile und optische Messmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Digitalisiersysteme, Röntgen- und CT-Anlagen sowie Verzahnungs-Messgeräte. Ein Team von derzeit 28 Experten übernimmt dabei nicht nur den Vertrieb, sondern auch alle dazugehörigen Service- und Dienstleistungsaufgaben. So gehören Inbetriebnahmen, Kalibrierungen, Schulungen und die Lohnmesstechnik mit zu den Kernkompetenzen des Remscheider Unternehmens. Eine Besonderheit im Sektor der Lohnmesstechnik ist sicherlich die Tatsache, dass die eingesetzten Anlagen maximal 24 Monate alt sind und entsprechend regelmäßig gegen neueste Versionen ausgetauscht werden. So wird gewährleistet, dass man jederzeit auf dem aktuellen Stand der Technik ist.

Die Klostermann GmbH wurde bereits 1979 als Vertriebsunternehmen für Werkzeugmaschinen gegründet. In den vergangenen Jahren konnten allein in NRW mehr als 800 Messmaschinen erfolgreich am Markt platziert werden. Seit Unternehmensgründung steht die Klostermann GmbH für kompetente Beratung und eine umfassende Betreuung seiner Kunden auch nach dem Kauf. In enger Zusammenarbeit mit den Kunden werden maßgeschneiderte Lösungen für die unterschiedlichsten Anforderungen in der Fertigung und Qualitätssicherung erarbeitet. Das hauseigene „Kompetenzzentrum für Qualitätssicherung und Messtechnik“ ermöglicht passgenaue, auf den jeweiligen Bedarf hin optimierte Lösungen für jede Messmaschine aus dem Hause Klostermann.

Neben dem Vertrieb bietet das Unternehmen ein umfangreiches Schulungsprogramm für die 3D Koordinatenmesstechnik an: Grundlegend sind hier die AUKOM- Seminare der Stufen 1 und 2. Weiterhin wird aktuell der Bereich der individuellen Schulungen ausgebaut. Im Rahmen dieses Konzeptes werden individuell auf jeden Kunden zugeschnittene Schulungskonzepte entwickelt, insbesondere für die Bereiche Form- und Lagetoleranzen oder für aktuelle ISO GPS Normen.

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