Anwendungsbeispiel: Reverse Engineering Modell- · PDF fileceramics_DE Created Date: 12/21/2010 9:21:55 AM

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Anwendungsbeispiel: Reverse Engineering

Modell- /Formenbau: Einsatz Optischer Messtechnik in der Keramischen Industrie

Messsysteme: ATOSKeywords: Reverse Engineering, Formen- und Werkzeugbau, Qualitätskontrolle, Keramikguss, Schwundmaßanalyse, CNC-Fräsen Komplexere Bauteile, höhere technische Anforderungen, neue Materialien und kurze Produktzyklen stellen auch die keramische Industrie vor neue technische Herausforderungen und Aufgaben bei immer kürzeren Entwicklungszeiten.Die optische 3D-Messtechnik kann hierbei in allen Stadien der Produktentwick-lung, in der Form- und Werkzeugentwicklung eines Keramikproduktes aber auch produktionsbegleitend Unterstützung und Vorteile bieten.Innovative Firmen nutzen heute die optische 3D-Digitalisierung zur schnelleren Erstellung von Formgebungswerkzeugen, zur Sicherung funktionierender Einrichtungen sowie zur Form- und Maßkontrolle bei der Erstmusterprüfung.In der Keramischen Industrie spielt die Erfassung der Ist-Kontur des Produktes eine sehr wichtige Rolle, da der Trockenschwund, Brenn- bzw. Sinterschwund und dadurch bedingte Verformungen im Produktionsprozess kompensiert werden müssen.

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Reverse Engineering / Modell- /Formenbau

Einsatz Optischer Messtechnik in der Keramischen Industrie

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Messsysteme: ATOSKeywords: Reverse Engineering, Formen- und Werkzeugbau, Qualitätskontrolle, Keramikguss, Schwundmaßanalyse, CNC-Fräsen Optisches 3D-DigitalisiersystemDer Streifenprojektionssensor ATOS basiert auf dem Triangulationsprinzip: Mittels einer Projektionseinheit werden unterschiedliche Streifenmuster auf das zu vermessende Objekt projiziert und von zwei Kameras beobachtet. Mit Kenntnis der Abbildungsgleichungen der Optik (Kalibrierung) können die 3D-Koordinaten der beleuchteten Fläche für jedes Kamerapixel automatisch und hochpräzise im Rechner ermittelt werden. Einzelne Messungen werden automatisch und benutzerunabhängig in ein gemeinsames Objektkoordinaten-system überführt. Bei jeder laufenden Messung wird online überwacht, ob das Messsystem dekalibriert ist, der Sensor sich bewegt hat oder sonstige Fremdfak-toren die Messung beeinflusst haben.

Der ATOS Messkopf kann auf einem Stativ frei im Raum positioniert werden und ist durch seine Robustheit auch im rauen Produktionsumfeld einsetzbar. Der optische 3D-Digitalisierer ATOS ist somit mobil verwendbar und lässt sich durch den Austausch unterschiedlicher Objektive in wenigen Minuten an bestimmte Messaufgaben und Bauteilgrößen anpassen. Dank dieser Flexibilität können mit dem ATOS-System Objekte verschiedener Größe, vom kleinsten filigranen Spritzgussteil bis hin zum Flugzeug, vermessen werden. Für automatisiertes Messen stehen Roboter oder Multi-Achsen Verfahreinheiten zur Verfügung.


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Abb.1: Digitalisierung eines Designmodells mit dem ATOS 3D-Messsystem.

Reverse Engineering / DesignHandgefertigte Modelle wie z.B. Anschauungs- oder auch Aufmaßmodelle, in welche Schwindmaße bereits eingearbeitet sind, werden mittels optischer Digitalisierung schnell und flächenhaft erfasst (Abb. 1). Die Messdaten liegen zunächst in Form von Punktewolken bzw. Polygonnetzen vor und können in der ATOS-Software gespiegelt, invertiert oder skaliert werden (Abb. 2).

Abb. 2: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Skalierung).


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Für die eigentliche Flächenrückführung stehen CAD-ähnliche Systeme (z.B. RapidForm, Geomagic, Polyworks, Pointmaster, Icem-Surf, etc.) zur Verfügung, mit denen Merkmale direkt auf den Polygonnetzen konstruiert werden können. So können auch Oberflächen mathematisch beschrieben werden, deren CAD-Konstruktion zu zeitaufwendig ist. Mittlerweile können auch zahlreiche CAD-Programme wie z.B. Catia, ProE, etc. sowie Formen- und Werkzeugbauprogramme wie z.B. Tebis, Visi und Delcam die ATOS-Messdaten in ihrer ursprünglichen Detailtreue und Ortsauflösung einlesen und effektiv verarbeiten.Der Konstrukteur ist nun nicht mehr auf die vorausschauende Arbeitsweise der Messtechniker angewiesen, sondern kann sich direkt aus der hochaufgelösten Punktewolke die Schnitte errechnen lassen, die für die Konstruktion erforderlich sind. Ihm steht die komplette Datenbasis zur Verfügung.

Abb. 5: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Primitive).

Abb. 3: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Krümmungsbasierte Datenreduzierung).

Abb. 4: Weiterverarbeitung der Messdaten in der ATOS-Software (Schnitte).

Zur Übernahme ins CAD können die ATOS-Messdaten je nach Anforderung krümmungsabhängig ohne Qualitätsverlust reduziert werden, um so die Datenmenge zu minimieren (Abb. 3). Zudem können beliebige Schnitte z.B. achsparallel, entlang von Splines oder Radien und Primitive exportiert werden (Abb. 4, 5).


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Reverse Engineering / FormenbauBei der Erstellung von Formgebungswerkzeugen im Keramikbereich muss der dem Material eigene Trocken- und Brennschwindung Rechnung getragen werden. Jede Kontur der Form muss um einen bestimmten Prozentsatz vergrö-ßert werden (Aufmass), um am Ende ein Werkstück mit der richtigen Form und Größe zu erhalten. Dabei sind nicht nur das Material sondern auch dessen Geometrie (Schwindungsbehinderung) und besonders eine fachgerechte Konstruktion entscheidend.

Ist zuvor das Anschauungs- oder das Aufmaßmodell digitalisiert worden, kann nun der Weg komfortabel über CAD/CAM weitergegangen werden und die CAD-Daten der Modelle und Formen mittels Flächenrückführung (Reverse-Engineering) in entsprechenden Softwarepaketen von den Scandaten abgelei-tet werden (Abb. 6-8).

Abb. 6: Flächenrückführung anhand der ATOS-Messdaten (Leitkurven).

Abb. 7: Flächenrückführung anhand der ATOS-Messdaten (NURBS-Flächen).

Abb. 8: Flächenrückführung anhand der ATOS-Messdaten (gerendertes Modell).


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Qualitätssicherung / ErstmusterprüfungIm Werkzeug- und Formenbau spielt die Erfassung der Ist-Kontur eine sehr wichtige Rolle, da passende Teile aus "falschen" Formen kommen, die Schrumpfen und Verformen der Teile im Produktionsprozess und bei der Formentnahme kompensieren.

Zur Erstmusterprüfung und Qualitätssicherung lassen sich die ATOS-Messdaten digitalisierter Bauteile direkt mit den ursprünglichen Mess- oder CAD-Masterdaten eines Bauteils überlagern (Abb. 9). Auf Basis eines solchen flächigen Soll/Ist-Vergleiches lässt sich unter anderem schnell überprüfen, ob die Toleranzen eingehalten wurden oder in welchen Bereichen sich das Bauteil verformt hat. Die gemessenen Daten und das CAD-Modell werden in das ATOS-Inspektionsmodul importiert. Nach der Ausrichtung zum CAD-Koordinatensystem (z.B. RPS-Ausrichtung, 3-2-1, Best-Fit) können die Abwei-chungen mittels einer Falschfarbendarstellung über das gesamte Bauteil umgehend flächig visualisiert und leicht interpretiert werden (Abb. 10).

Abb. 10: Erstmusterprüfung an Teilen aus der Vorserie (Vollflächiger Soll-Ist-Vergleich zu den Master-Daten).

Abb. 9: Messung eines glasierten Waschtisches einer Vorserie mit dem ATOS 3D-Messsystem.


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Abb. 11: Erstmusterprüfung an Teilen aus der Vorserie (definierte Messpunkte).

Abb. 12: Erstmusterprüfung an Teilen aus der Vorserie (Exporttabelle definierter Messpunkte mit Toleranzen).

Ebenso gut können aber auch nach herkömmlicher KMG-Methode konkrete Punkte einzeln berechnet werden (Abb. 11). Zur Dokumentation und für die Weiterverarbeitung lassen sich 3D-Reports oder Tabellen erstellen und die Messergebnisse sowie die Abweichungen in verschiedene Formate (Excel, HTML, Word, 3D-Viewer, etc.) exportieren (Abb. 12).


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Reverse Engineering / Werkzeuganpassung in der PilotproduktionAufgrund der zuvor erfassten Abweichung zwischen den CAD-Daten des Anschauungsmodells und der Messung der ersten Bauteile aus dem Formge-bungswerkzeug lassen sich evtl. erforderliche Änderungen in der Pilotprodukti-on gezielter durchführen. Vorgenommene Modifikationen während der Einar-beitungsphase und des Produktionsanlaufes können mit Hilfe des ATOS-3D-Digitalisieres und der Flächenrückführung sofort in das CAD-Modell übernommen werden. In dieser Phase können durch einen Soll/Ist-Vergleich zwischen dem CAD-Modell und dem realen Bauteil die Bereiche mit den manu-ell durchgeführten Änderungen sichtbar gemacht werden. Aufbauend auf dieser Analyse können nun die gefundenen Bereiche aus dem STL-Netz heraus-gelöst und im CAD-Flächenmodell angepasst werden (Abb. 13-16). Dadurch wird jederzeit garantiert, dass der aktuelle Zustand des Werkzeuges auch als CAD-Datensatz vorliegt. Der komfortable Weg über CAD/CAM bleibt somit weiterhin durchgängig.

Abb. 13-16: Beispielhafte Darstellung Form- und Werkzeugentwicklung mit Anpassung.


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Archivierung / Produkt-Varianten Durch das Digitalisieren während der Pilotproduktion werden zudem perma-nent alle unterschiedlichen Formen- und Modellstände archiviert. Dies erlaubt den Zugriff auf Varianten, die physikalisch nicht mehr vorhanden sind (Abb. 17). Die Netze verschiedener Modellstände können verglichen und bereichsweise vereinigt werden. Somit können auch zu einem späteren Zeitpunkt schnell und einfach Produkt-Ableitungen und –Varianten erstellt werden. Durch die ATOS 3D-Digitalisierung alter Werkzeug- und Formenbestände können somit auch klassische Bauteile schnell angepasst und neu aufgelegt werden.

Abb. 17: Archivierung von Modellvarianten.

Werkzeugduplizierung durch 3D-Messdaten / Digitale Datensiche-rungIn der Keramikindustrie ist vor allem die „Einrichtung“, also das Werkzeug zur Duplizierung der Formgebungswerkzeuge ein entscheidender Faktor. Hier wird der ATOS 3D-Digitalisierer neben der oben beschriebenen Werkzeuganpassung insbesondere für ein Daten-Back-Up zur Sicherung einer eingefahrenen Einrich-tung eingesetzt. Viele CNC-Programme und –Steuerungen können Fräsbahnen mittlerweile auch direkt auf der digitalisierten Punktewolke bzw. den Dreiecks-maschen generieren und fräsen (Abb. 18, 19). Auf diese Weise lassen sich Werkzeuge bei Bruch schnell und einfach duplizieren, ohne dass zuvor über-haupt eine Flächenrückführung stattfinden muss.

Abb. 18 und 19: Fräsbahngenerie-rung direkt auf den ATOS-Messdaten.


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Qualitätssicherung / Endkontrolle ProduktionDurch den Einsatz von Macros ist der ATOS 3D-Digitalisierer auch für die Endkontrolle von Bauteilen geeignet (Abb. 20). Mit Hilfe einer einzigen Messung kann z.B. die Ebenheit von Flächen (Abb. 21), Winkelstellungen, Vorfall und Rückfall, Hahnlochbankneigung, Ventilstellung, etc. analysiert werden (Abb. 22, 23). Zur Automatisierung des Messvorganges können Roboter oder Multi-Achsen Verfahreinheiten eingesetzt werden.

Abb. 20: ATOS Messung an einem glasierten Waschbecken zur Endkontrolle der Produktion.

Abb. 21: Messprotokoll (Ebenheit Fläche).

Abb. 22: Messprotokoll (Vorfall, Rückfall, Neigung).

Abb. 23: Messprotokoll (Ventilstellung).

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