3D-Scan einer Reparatur Lock

3D-Scan einer Reparatur Lock

Von Kabelleger – Eigenes Werk, also available at https://bahnbilder.ch/picture/24429, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52453619

Die Montreux-Berner Oberland-Bahn, abgekürzt MOB, ist eine Schweizer Bahngesellschaft, die als Eisenbahnverkehrsunternehmen und als Eisenbahninfrastrukturunternehmen handelt. Für die Modernisierung und Erweiterung eines Reparaturzuges wurden wir beauftragt einen 3D-Scan zu erstellen.

Projekt Realisierung

Für die Modernisierung eines Reperaturzuges haben wir einen 3D-Scan des Zuges erstellt. Um diese Daten für den Kunden nutzbar zu machen, wurden eine Reihe von Zielen definiert, an denen sich die Umsetzung orientiert hat.

Projektziele

  1. Der Zug soll von Innen und von Außen, möglichst komplett, und in hoher Auflösung mit dem Scanner erfasst werden
  2. Die Scandaten sollen im CAD-System Autodesk Inventor der MOB nutzbar sein
  3. Einzelne Bereiche sollen per Reverse-Engineering als CAD Daten bereitgestellt werden
  4. Die Daten sollen für das CAD-System so strukturiert werden, dass es einfach ist Updates zu integrieren
  5. Es muss sichergestellt sein, dass auch Bereiche, die nicht gescannt wurde später nacherfasst werden können

Diese Ziele sind nicht einfach unter einen Hut zu bringen.

Setup für das Scanning

Reparaturzug auf der Grube

Bei einem Objekt dieser Größe, ist der Einsatz von einem Handgeführten 3D-Scanner, wie dem MetraScan oder dem HandyScan nicht mehr wirtschaftlich durchführbar. Im Architekturbereich werden Terrestrische-Scanner eingesetzt. Mit diesen Scannern können Objekte dieser Größe problemlos gescannt werden. Diese Scanner haben aber nicht die Auflösung, die für ein Reverse-Engineering benötigt wird und systembedingt werden in Bereichen, wo es „eng“ wird, oft nicht alle Bauteile erfasst.

Vom Grundsatz wäre zwei unterschiedliche Ansätze denkbar gewesen.

Kombination von Photogrammetrie und Hand-Scanner

Creaform bietet mit dem MaxShot ein Photogrammetrie System an, mit dem bei sehr großen Bauteilen die Targets mit einer speziellen Kamera eingemessen werden. Damit erreicht man auch bei sehr großen Bauteilen einen sehr kleinen Fehler von 0,02mm / Meter. In unserem Fall hätten wir damit eine Längenfehler von ca. ±0,5mm bei einer Distanz von 24m erhalten. Nachteilig ist dabei, dass das scannen mit dem Handscanner sehr lange gedauert hätte.

Kombination von Hand-Scanner und Terrestrische-Scanner

Der Teristische-Scanner hat einen größeren Fehler, der bei ca. ±5mm bei einem Objekt dieser Größe liegt. Der Vorteil ist aber, dass wir „nebenbei“ alle Flächen erfassen. Das sind insbesondere die großen Flächen von Außen, der Boden und die Decke in der Kabine. Diese haben wenig Details und müssen daher nicht mit dem Handscanner erfasst werden. Die 3D-Scans, die mit dem Handscanner erstellt wurden können nun problemlos in den Gesamtscan eingepasst werden. Was bedeutet das nun für die Genauigkeit? Von Puffer zu Puffer haben wir einen Längenfehler von ±5mm. In den Bereichen, die mit dem Hand-Scanner aufgenommen wurde liegt die Genauigkeit deutlich im Submilimeter-Bereich.

Bei der gegebenen Aufgabenstellung haben wir uns für die Kombination aus Terrestrischem und Hand-Scanner entschieden.

Diese Projekt haben wir gemeinsam mit LEHMANN ENGINEERING & SERVICES AG durchgeführt.

Verarbeitung der Daten

3D-Scans Hand und Terrestrischer Scanner

Im ersten Schritt wurden alle Daten aus dem Terrestrischen-Scanner „registriert“. Das heißt die einzelnen Punkte-Wolken worden zueinander ausgerichtet. Die ausgerichteten Daten wurden dann als Punktwolke in das Design X importiert. Dort wurde aus den Punkten ein Dreiecksnetz erstellt. An diesem Netz wurden die Daten des Handscanners ausgerichtet. Nun sind alle Daten in einem gemeinsamen Koordinatensystem.

Diese Daten direkt in ein CAD-System zu importieren ergibt keinen Sinn, da es dazu führen wird dass das System komplett überlastet ist. Daher wurden die Daten adaptiv vernetzt und dann in technisch sinnvolle Bereiche zerlegt. Der Konstrukteur kann sich nur die benötigten Daten einblenden und diese im CAD-System nutzen.

Einige Bereiche wurden direkt nach dem Scan, durch ein Reverse-Engineering, in Design X als CAD-Geometrie erstellt. Diese Daten wurden so in einer Baugruppe angelegt, dass es jederzeit möglich ist neue Scandaten in höherer Auflösung oder weitere Komponenten als CAD-Daten zu liefern.

In dem Bild sind die Scandaten in grau und die CAD-Geometrie in grün dargestellt.

Scandaten und Reverse-Engineering eines Racks

Für uns ist das ein Szenario, wie es häufig vorkommt. Wir erstellen vorhanden Geometrie aus den Scandaten und der Kunden nutzt diese Daten um die neuen System selber zu integrieren.

Wie detailliert kann die Auflösung werden?

Der Handscanner schafft eine Auflösung von bis zu 0.1mm. Das sind dann 200 Dreiecke pro Quadratmillimeter! In dem Bild unten sieht man einen Handhebel, der mit 0,75mm aufgelöst wurde. Das ist für die meisten Aufgaben aus dem Reverse-Engineering mehr als genug. Damit lassen sich selbst Kabel in Schaltschränken abbilden.

Detail Scan

Ist das das Ende der Fahnenstange

The Sky is the Limit – sagt man im englischen. In der Praxis sind die Mittel – Geld und Zeit – knappe ressourcen. Was man noch besser machen kann?

  • Farbige Scans erstellen. Das sieht hübsch aus und ergibt bei einem Schaltschrank mit farbcodierten Kabeln auch Sinn.
  • Man könnte länger und von allen Seiten scannen, dann wären weniger Löcher im Scan.
  • Man kann nach dem Scan von Fußboden und Decke diese Demontieren, um den Zwischenraum zu scannen.

Am Ende treibt das die Zeit und die Kosten massiv nach oben. Nach dem Pareto Prinzip steck man bei der 80%/20% Regel in die letzten 20% dieselbe Menge an Ressourcen wie für die ersten 80%.

Kosten Zeit und Nutzen

Fahrgestell

Für den Scan so wir er hier vorgestellt wird muss man für das Scannen mit ca. 4 Tagen Rechnen. Für die Bereitstellung der Daten im CAD System fallen ca. 5 Tage an. Der Aufwand für das Reverse-Engineering hängt direkt mit dem Anzahl der Komponenten zusammen, für die ein Reverse-Engineering benötigt wird.

Bei den Kosten muß man bei so einem Umfang mit ca. ±10’000€ rechnen.

Der Nutzen für den Kunden muß die Kosten wesentlich übertreffen.

Welchen Nutzen hat der Kunde?

  1. Was offensichtlich ist, eine Maßaufnahme wie Sie sonst erforderlich ist, kann wegfallen
  2. Kollisionen, mit vorhandenen Komponenten fallen bereits bei der Konstruktion auf
  3. Die ganz Konstruktion kann deutlich dichter erfolgen, da der Bauraum präzise erfasst wurden
  4. Bei Abstimmungen mit der Produktion, dem Kunden muß nicht lange erklärt werden wo sich Konstruktion im Raum befindet
  5. Bei weiteren Projekten können diese Daten wieder verwendet werden

Ausblick für andere Systeme

Es gibt eine Reihe von weiteren Systemen, bei denen wir die Kombination aus verschiedenen Messsystemen bereits eingesetzt haben.

Ausrichten

Ausrichten von 3D-Scandaten im SOLIDWORKS

Für die weitere Verarbeitung der Scandaten in einem CAD-System ist es notwendig diese in einem sinnvollen Koordinatensystem auszurichten. Bei den Creaform Scannern könnt ihr diesen Schritt sehr einfach direkt in der Software VXElements, die mit dem Scanner mitgeliefert wird, erledigen. Will man die Scandaten nur für die Systemintegration nutzen kann man diese dann in ein CAD-System laden und weiter Komponenten hinzufügen. Wer die seine Scandaten im SOLIDWORKS ausrichten muß, findet hier eine Anleitung.

Optimieren der 3D-Scandaten für ihr CAD System

Optimieren der 3D-Scandaten für ihr CAD System

Scan-Daten in einem CAD nutzbar zu machen ist oftmals eine Herausforderung. Normalerweise findet sich bei einem aktuellen CAD System immer eine Lösung.

Wo liegt eigentlich das Problem?

In der CAD Software wird die Geometrie durch einfache, mathematisch bestimmt Flächen, abgebildet. Einfach und mathematisch naja … es gibt Ebenen- , Zylinder- , Kugel- , Torus und Freiform- Flächen, und die CAD Software ist für die Darstellung dieser Art von Flächen optimiert. Bei den Scan-Daten ist das anders, diese bestehen nur aus Dreiecken. Wenn man mit Hilfe von Dreiecken einen 3D-Körper aufbauen will, kann das immer nur näherungsweise erfolgen. Je kleiner die Dreiecke werden, desto genauer entspricht der Körper dem gescannten Bauteil. Was aber dazu führt, dass die Anzahl der Dreiecke zunimmt. In folgendem Bild seht Ihr diesen Effekt.

Links ist das CAD Model, in gelb daneben die selbe Geometrie in hoher Auflösung, also mit vielen Dreiecken und rechte in grün der selbe Bogen mit einer geringen Auflösung. Zählt man die Flächen des CAD Models sind das genau 3 Flächen. Das gelbe Netz besteht aus 3100 Dreiecksflächen, das grüne Netz hat immer noch 460 Dreiecke.

Das STL Datenformat

Die Scan-Daten werdet Ihr vermutlich als STL Daten bekommen. Wer mehr zu dem Datenformat STL erfahren will, kann sich auf diesen Seiten informieren.

Vorgehen bei der Optimierung

Je nach verwendeter CAD Software ist diese von Hause besser oder schlechter für die Verarbeitung der Scandaten ausgelegt.

Der Ansatz ist dabei folgende Kette zu optimieren.

  • Optimierung der 3D-Scan-Daten für CAD Import
  • Aufteilen der Scan-Daten
  • Import der Scan-Daten
  • Visualisierung der Scan-Daten
  • 2D Zeichnungsableitung mit Scan-Daten

Den größten Einfluss auf die spätere Performance hat dabei der erste Schritt und den könnt ihr nicht im CAD System durchführen.

Optimierung der 3D-Scandaten

Die meisten CAD Systeme haben nur eine sehr begrenzte Möglichkeit die Scandaten zu verändern. Die besten Möglichkeiten die Daten für den CAD Einsatz vorzubereiten hat der Lieferant und da liegt oftmals der Hase im Pfeffer, der Lieferant hat meistens nicht sehr viel Erfahrung im Umgang mit dem CAD System.

Neben vielen weitern Möglichkeiten ist das wichtigste, die Anzahl der Dreiecke für den Import zu verringern ohne dabei die Auflösung zu verringern. Was im ersten Moment wie eine Widerspruch klingt, können die meisten Programme, die die Scandaten erfassen automatisch erledigen. Dabei werden Bereiche, die Eben sind, mit größeren Dreiecken vernetzt als Bereiche die eine starke Krümmung aufweisen. Adaptive Vernetzung ist auch aus dem Bereich der FEM-Analyse bekannt.

Optimiert und Reduziert

Auf den ersten Blick sind zwischen dem gelben und dem gründen Model keine Unterschiede sichtbar. Durch die adaptive Vernetzung ist es aber gelungen, dass das gründe Modell 10x weniger Dreiecke hat.

Adaptive Vernetzung

In dieser Darstellung wird ersichtlich, dass bei dem grünen Model die Dreiecke auf den ebenen Flächen größer werden und in Bereichen mit starker Krümmung kleiner werden.

Wird diese Optimierung nicht vorgenommen wird es bei großen Modellen sehr schwer werden diese nur im CAD System zu optimieren.

Aufteilen der Scandaten

Handelt es sich bei dem Model nur um ein Bauteil, kann man diesen Schritt auch übergehen.

Hat man dagegen eine große Maschine gescannt sieht das schon anders aus. Nehmen wir an es wurde ein Flugzeug gescannt, da kommen dann Datenmengen zusammen, die man nicht mehr einfach weg optimieren kann.

3D-Scan Flugzeug

Das gute ist aber, dass man in aller Regel nur einen Teil der Daten für die Konstruktion benötigt. Es wird dann eine sinnvolle Aufteilung der Daten vorgenommen. In diesem Fall kann man z.B. die einzelnen Deckes, Gepäck und Kabine trennen. Trennt man dann noch die Daten in linke Seite, rechte Seite und schneidet an jedem Spant das Netz auseinander erhält man aus den Ursprünglich 100.000.000 Dreiecken nun kleine Dateien, mit ca. 500.000 Dreiecken. Diese lassen sich dann auch weider gut im CAD-System bearbeiten.

Jetzt müssen Sie diese Daten nur noch in einer sinnvollen Baugruppen-Struktur organisieren.

Import der Scandaten

Beim Import hat jedes System seine Eigenheiten. Am Beispiel von SOLIDWORKS zeige ich euch mit welchen Einstellungen der Import klappt. Beim öffnen der Datei wählt Ihr Mesh Files aus und wechselt dann in die Optionen.

In den Optionen werden die markierten Einstellungen gewählt. In der Regel sollte man dort Grafikkörper anwählen.

Sind die Daten in Ordnung, werden diese importiert. Kommt es beim Import zu einer Fehlermeldung, muss der Lieferant die Daten nochmal bereinigen.

Dazu gibt es z.B. in Programmen, wie dem Design X Funktionen wie den Meshdoktor, der solche Aufgaben schnell und sicher eledigt.

Achtung: Die STL Daten sind Einheitslos. Deshalb muss beim Import auf die Einstellung der richtigen Einheiten geachtet werden. Am besten den Lieferanten fragen oder einen Import machen und selber nachmessen.

Visualisierung der Scandaten

In den CAD Systemen werden die Modelle meist mit Kanten dargestellt. Da es nur wenige Flächen gibt ist das eine sinnvolle Einstellung.

Bei 200.000 Dreiecken sieht das nicht mehr so gut aus

und führt zu einer massiven Performance-Einbusse. Da sich die Scan-Daten meist in einer Baugruppe verwendet werden. Ist es sinnvoll die Visualisierungseinstellungen für diese Einzelteil auf schattierte Darstellung ohne Kanten einzustellen.

Im SOLIDWORKS geht das einfach, indem man in der Baugruppe mit der rechten Maustaste klickt und die Komponenten-Anzeige auswählt.

Komponentenanzeige

Auch dem nächsten Bild kann man erkennen, dass bei dem CAD Model, in grau, die Kanten gezeichnet werden. Bei dem gescannten Bauteil in blau werden die Kanten nicht mehr dargestellt.

Netz ohne Kanten

2D Zeichnungsableitung mit Scandaten

Nun wird es gruselig!

Versucht man von einer Baugruppe, die Scan-Daten enthält, eine Zeichnung zu erstellen, werden die Kanten, wie in der Baugruppe, von jedem Dreieck gezeichnet. Aber genau wie in der Baugruppe stellt man den Komponenten Anzeige für die Scan-Daten so ein, dass das Model ohne Kanten schattiert dargestellt wird.

Wenn Sie weitere Informationen benötigen, dürfen Sie sich gerne bei uns melden. Wir helfen Ihnen gerne weiter.