Autonomer 3D-Scanner unterstützt individuelle Fertigungsprozesse

Der besondere Charme von Oldtimern liegt darin, dass sie schon lange nicht mehr gefertigt werden –auf den Straßen sind sie somit rar und etwas Besonderes. Geht jedoch etwas am Fahrzeug kaputt, wird diese Sonderstellung schnell zum Problem. Denn Ersatzteile werden naturgemäß nicht mehr produziert. Im Zuge von Industrie 4.0 soll sich das ändern: Die Produktion wandelt sich hin zur Losgröße eins, sprich zur individuellen Fertigung. Man spricht dabei auch von »Highly customized mass production«.

Neuer Scanner arbeitet autonom und in Echtzeit

Bislang ist diese individuelle Fertigung noch weitestgehend Zukunftsmusik. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD holen die Vision von der Losgröße eins nun jedoch einen großen Schritt weiter in Richtung Realität, mit einem neuartigen 3D-Scansystem. »Das Besondere an unserem System: Es scannt Bauteile erstmals autonom – und zwar in Echtzeit«, sagt Pedro Santos, Abteilungsleiter am Fraunhofer IGD.

Für Oldtimer-Besitzer mit einem kaputten Bauteil heißt das: Das defekte Bauteil wird notdürftig zusammengeklebt und auf einen Drehteller gelegt, der sich unter einem Roboterarm mit dem Scanner befindet. Alles Weitere geschieht automatisch: Der Roboterarm fährt den Scanner so um das Bauteil herum, dass er mit möglichst wenigen Scans die komplette Geometrie erfassen kann.

Dafür braucht er, je nach Größe und Komplexität des Bauteils, nur einige Sekunden bis wenige Minuten. Bereits während des Scans erstellen intelligente Algorithmen im Hintergrund ein dreidimensionales Abbild des Objekts. Eine anschließende Materialsimulation des 3D-Abbilds überprüft, ob ein 3D-Druck den Anforderungen in punkto Stabilität genügt. In einem letzten Schritt wird das Bauteil über einen 3D-Drucker ausgedruckt und kann im Oldtimer verbaut werden.

Langwieriger Anlernprozess entfällt

Die Entwicklungsleistung liegt jedoch nicht im Scanner an sich, wie Santos betont, sondern vielmehr in der Kombination des Scanners mit einer Ansichtenplanung zu einem autonomen Gesamtsystem. Diese Ansichtenplanung stammt ebenfalls vom Fraunhofer IGD. Darin ermitteln Algorithmen anhand eines ersten Scans, welche weiteren im Anschluss sinnvoll sind, sodass das Objekt mit möglichst wenigen Scans erfasst werden kann. Diese Vorgehensweise ermöglicht es dem System, ihm vollkommen unbekannte Objekte selbständig und schnell zu vermessen.

Dies ist bislang einmalig, denn bei bisherigen Scannern hieß es, sie entweder anzulernen, oder das CAD-Modell des Bauteils zu besitzen und dadurch die Lage des Objekts relativ zum Scanner zu erkennen. Hatte man für die Qualitätskontrolle (SOLL-IST-Vergleich) den Scanner für ein Autositz angelernt, so würde er die nächsten 200 Autositze scannen können, weil sie in der Massenproduktion weitgehend identisch sein würden. Für die Losgröße eins sind die herkömmlichen Scanner allerdings wenig geeignet.

»Unser Scansystem dagegen kann jedes beliebige Bauteil vermessen, unabhängig davon, wie es ausgerichtet ist – und man muss es nicht anlernen«, erläutert Santos. »Auch Informationen zu CAD-Modellen oder Templates – also die Vorgaben von Standardformen, die ein Bauteil üblicherweise aufweist – sind nicht nötig.«

Fertigungsassistent für die Industrie 4.0

Durch diese Alleinstellungsmerkmale ermöglicht der autonome Scanner gänzlich neue Anwendungen. So kann er etwa als Fertigungsassistenz dienen und die Zusammenarbeit von Mensch und Maschine verbessern. Diese Interaktion steht im Projekt »Autoware« im Fokus, das von der EU gefördert wird. Die Aufgabenstellung liegt im Zusammensetzen von Zylindern samt Kolben, Gehäuse und Dichtungen.

Bisher werden die Zylinder manuell zusammengesetzt, die anschließende Qualitätskontrolle erfolgt über eine ausgedruckte Liste und manuelle Messungen. »Unser 3D-Scansystem versetzt Roboter nun in die Lage, über einen Abgleich mit der Datenbank sowohl zu erkennen, welches Bauteil er gerade vor sich hat, als auch zu ermitteln, welche sein menschlicher Mitarbeiter zum Zusammensetzen des Zylinders als nächstes braucht«, erklärt Santos.

Zudem übernimmt die Maschine per Scan die abschließende Qualitätskontrolle: Ist der Zylinder maßhaltig? Im Rahmen weiterer Projekte arbeiten die Forscher des Fraunhofer IGD zudem daran, die gesamte Kette von Erfassung, Visualisierung und 3D-Reproduktion durchzuspielen.

Auf der Hannover-Messe Preview (Messegelände, Halle 19) am 6. Februar und auf der Hannover Messe vom 23. bis 27. April 2018 stellen die Forscher ihr autonomes Scansystem vor (Halle 6, Stand A30). Die Besucher können verschiedene Objekte unter den Laserscanner legen und sich das live erstellte Ergebnis am Monitor anschauen. Auf Wunsch können sie auch eigene Gegenstände scannen – und sich auf diese Weise davon überzeugen, dass das System tatsächlich autonom und in Echtzeit die exakte Geometrie von dreidimensionalen Gegenständen erfasst.

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