Wer schon einmal versucht hat, ein Bauteil für Reverse Engineering, Qualitätskontrolle oder Werkzeugbau zu digitalisieren, kennt das Problem: Der normale „Profi-3D-Scanner“ liefert zwar ein schönes Modell – aber keine belastbaren Messdaten, auch wenn solche professionellen 3D-Scanner in jüngster Zeit grosse Fortschritte gemacht haben.
Genau hier beginnt die Welt der Metrologie-3D-Scanner.
Anhand der Systeme von lässt sich gut erklären, warum industrielle 3D-Messtechnik eine eigene Geräteklasse ist — und welche Technologien dahinterstecken.
Was ist ein Metrologie-3D-Scanner?
Entgegen der landläufigen Meinung ist ein Metrologie-Scanner kein „besserer“ Profi- oder Consumer-Scanner, sondern ein Messgerät / Messmittel.
Zum besseren Verständnis dieses entscheidenden Unterschieds erinnern wir uns:
| Scanner-Typ | Ziel |
| Consumer-/Prosumer-3D-Scanner | Visuell brauchbares 3D-Modell |
| Professioneller 3D-Scanner | Gute Geometrie für Design und Visualisierung / einfaches Reverse Engineering |
| Metrologie-3D-Scanner | Reproduzierbare, normierte Messdaten |
Ein Metrologie-System muss Genauigkeiten im Bereich von Hundertstelmillimetern liefern. Dazu gehören die dokumentierte Wiederholbarkeit und eine Kalibrierung nach Industrienormen wie VDI/VDE 2634 oder ISO 10360.
Warum reicht ein normaler Profi-Scanner oft nicht aus?
Viele Anwender merken erst spät, dass „sieht gut aus“ und „ist masshaltig“ zwei völlig unterschiedliche Dinge sind. Auch werden häufig die beiden Begriffe Genauigkeit und Auflösung gleichgesetzt, was ein fundamentaler Irrtum ist. Selbst günstige Anbieter aus Fernost, verwenden zuweilen diese Begriffe in ihren Datenblättern falsch.
Ein klassischer professioneller Scanner kann:
- schöne Netzdateien (Meshes) erzeugen
- Farben und Oberflächen (sogenannte Textur) erfassen
- grosse Objekte schnell digitalisieren
- Scans auch ohne Markierungspunkte erstellen
Aber in industriellen Anwendungen entstehen andere Anforderungen:
Qualitätskontrolle
Wenn ein Flugzeugbauteil oder ein Spritzgussteil geprüft wird, reichen keine geschätzten Masse. Abweichungen von wenigen Zehntel- oder Hundertstelmillimetern entscheiden darüber, ob ein Teil Ausschuss ist. Hier reicht eben eine hohe Auflösung nicht; es braucht die reproduzierbare Genauigkeit.
Reverse Engineering
CAD- oder Fläche-Rückführung funktioniert nur zuverlässig, wenn Bohrungen, Kanten und Radien exakt erfasst werden. Schon kleine Skalierungsfehler ruinieren spätere Konstruktionen.
Grosse Bauteile
Bei grossen Objekten summieren sich Fehler. Ein Scanner mit guter Nahbereichsgenauigkeit kann über einen Meter Länge plötzlich mehrere Millimeter Abweichung erzeugen. Das Stichwort ist die volumetrische Genauigkeit. Diese ist nur glaubhaft, wenn sie in einem entsprechend zertifizierten Labor festgestellt wurde.
Genau deshalb setzen Metrologie-Scanner auf spezifische Technologien wie:
- Laserlinien statt reiner Strukturbeleuchtung
- Photogrammetrie
- Referenzmarker
- kalibrierte Kamerasysteme
- temperaturkompensierte Messmodelle
Im Folgenden erklären und beleuchten wir daher diese Technologien.
Die wichtigsten Technologien beim 3D-Scannen erklärt
1. Strukturlicht
Das ist die klassische Abtast-Methode vieler Desktop-Scanner, wird aber auch bei Handheld-Scanner verwendet.
Dabei projiziert der Scanner Muster auf das Objekt und berechnet daraus die Geometrie. Solche Muster sind entweder Linien / Streifen oder ein komplexeres Quadratmuster, das ähnlich wie ein QR-Code aussieht. Zwei Kameras registrieren das auf der Objektoberfläche abgebildete Muster und der Scanner errechnet daraus Punkte der Oberfläche. Als Lichtquelle dient dabei sichtbares Licht (was blenden kann) oder infrarotes (IR) Licht. Strukturlicht liefert sehr hohe Detailtreue, ist aber empfindlich gegenüber:
- glänzenden Oberflächen
- dunklen Materialien
- Umgebungslicht (nur sichtbares Licht)
- grossen Volumina
Bei Shining 3D besitzen mehrere Modelle, einen IR-Modus, etwa der (mit Kabel) oder der autonome . Der arbeitet mit blauem Streifenlicht.
2. Lasertriangulation
Viele Metrologie-Scanner, z.B. die FreeScan-Geräte von SHINING 3D, arbeiten mit blauen Laserlinien. Laserdioden generieren das Licht und mittels Linsen (z.B. Zylinderlinsen) bzw. sogenannter diffraktiver optischer Elemente in eine Linie gestreut. Eine oder zwei Kameras registrieren die Abbildung dieser Laserlinie.
Die Vorteile dabei sind:
- höhere Stabilität
- bessere Kantenmessung
- präzisere Tiefenerfassung
- robuster bei schwierigen Oberflächen
Besonders bei glänzenden Metallteilen oder technischen Bauteilen ist das entscheidend.
3. Marker-Tracking
Handheld-3D-Scanner, egal ob mit Kabel, drahtlos oder autonom, benötigen Referenzpunkte, an denen sie sich im Raum orientieren können. Solche Referenzpunkte, bei Shining 3D Marker genannt, gibt es in verschiedenen Grössen. Kleinere Marker werden für detailreiche Scans in geringer Distanz benutzt während grosse Marker für grosse Objekte aus Abständen von einem Meter und mehr Anwendung finden. Für ein zuverlässiges Tracking sollte der 3D-Scanner immer 4-5 Marker gleichzeitig sehen. Viele industrielle Scanner arbeiten mit Klebemarkern. Es gibt auch Hilfsmittel mit Markern welche magnetisch sind oder über ein Gewinde oder einen Saugnapf verfügen.
Der Einsatz solcher Marker wirkt zunächst umständlich, verbessert aber massiv:
- Tracking-Stabilität
- Volumengenauigkeit
- Drift-Korrektur
Einige Handheld-Systeme wie der kombinieren Marker- und markerlose Verfahren. Mit Markern werden typisch Genaugikeiten bis zu 0.02 mm und Scan-Raten von mehreren Millionen Punkten pro Sekunde erreicht.
4. Tracking-Systeme
Bei diesem Verfahren ist der Handheld-3D-Scanner selbst mit speziellen Markierungselementen ausgestattet. Diese werden von einem zweiten Scanner, dem sogenannten Tracker, innerhalb eines durch die Optik des Trackers vorgegebenen Volumenelements ständig überwacht. Dadurch kann der Handheld-Scanner im Tracker-Modus beliebige Oberflächen ohne jeglichen Marker präzise vermessen.
Bei modernen Tracker-Systemen ist auch ein sogenannt dynamisches Tracking möglich. Dabei orientiert sich der Tracker an grossen Markern in der Umgebung und macht damit nichts anderes als Marker-Tracking, wie oben beschrieben, für das Überwachungsvolumen.
Typische Vertreter dieser Kategorie von Shining 3D sind der oder der mit riesigem Überwachungsvolumen.
5. Photogrammetrie
Bei grossen Bauteilen wird zusätzlich Photogrammetrie eingesetzt.
Dabei analysiert das System Kamerabilder zur räumlichen Referenzierung. SHINING 3D integriert dafür „Video Photogrammetry“ (VPG), um Genauigkeit bei grossen Objekten zu stabilisieren. Dazu wird ein hochgenaues Element mit kalibrierter Länge (sogenannter Photogrammetrie-Balken) zusammen mit den Markern erfasst. Dabei werden die Marker in der Umgebung präziser ausgerichtet. Der Balken kann mehrere Male an verschiedenen Positionen und in verschiedenen Orientierungen eingesetzt werden um das totale Marker-Netzwerk zu präzisieren.
Ohne solche Verfahren entstehen bei grossen Scans schnell kumulative Fehler.
Beispiele aus der Praxis
Im Folgenden betrachten wir typische Anwendungen für Metrologie-3D-Scanner in verschiedenen Branchen.
Luftfahrt
In der Luftfahrt werden:
- Flugzeugrümpfe
- Turbinenteile
- Dellen
- Wartungsschäden
präzise digitalisiert. Schon geringe Abweichungen von der Sollform können einen deutlich höheren Verbrauch oder Folgeschäden verursachen. Selbst ein teurer Metrologie-3D-Scanner amortisiert sich in diesem Bereich sehr schnell.
Der ist speziell auf mobile Inspektionen ausgelegt und kann Prüfungen direkt am Scanner durchführen. Dazu haben wir einen eigenen Blog-Artikel erstellt.
Automotive und Reverse Engineering
Häufig stellen Automobil-Hersteller aus Wettbewerbsgründen keine CAD-Daten an Fahrzeugbau-Unternehmen oder Carrosserie-Betriebe. Die notwendigen Daten für das Reverse Engineering müssen daher mühsam durch Ausmessen oder elegant via 3D-Scan beschafft werden. Beim Reverse Engineering von Fahrzeugteilen zählen:
- Kantenqualität
- Bohrungen
- Tiefenbereiche
- Unterboden-Geometrien
Die FreeScan-Systeme nutzen dafür verschiedene Laser-Modi für schnelle Flächenscans und Detailerfassung:
- Gekreuzte Laserlinien (z.B. 2x 25 Linien beim Combo+ oder 3x 31 Linien beim Omni) für schnelle Flächenscans
- Parallele Laser linien (z.B. 7 beim Combo+ und 25 beim Omni) für detailgenaue Erfassung
- Einzelne Laser Linie für die Tiefenerfassung von Bohrungen usw.
Werkzeug- und Formenbau
Im Formenbau werden oft Guss- oder Frästeile gegen CAD-Daten geprüft. Hier entscheidet nicht die Optik des Meshes, sondern:
- Formabweichung
- Ebenheit
- Toleranzanalyse (z.B. mittels geometrischer Produktspezifikationen)
- Wiederholbarkeit
Die unbequeme Wahrheit: Der Scanner allein reicht nicht
Ein häufig unterschätzter Punkt in den oben beschriebenen Gebieten ist, dass selbst teure Scanner "nur" eine Netzdatei als Ergebnis liefern. Für den Vergleich mit bestehenden CAD-Daten (Inspektion) oder der Scan-gestützten Erstellung solcher (Reverse Engineering) braucht es Zusatzsoftware.
Gerade im Bereich des Reverse Engineering wird der Zeitaufwand heute deutlich unterschätzt. Im Zeitalter der künstlichen Intelligenz (KI) wird erwartet, dass eine Reverse-Engineering-Software automatisch jegliche Art von Strukturen erkennt und in parametrisierter Form (CAD-Datei) umsetzt. Tatsächlich gibt es in diesem Bereich erste KI-Anwendungen. So erkennt das KI-Modul im FreeScan Omni etwa Löcher und Öffnungen in Blechkonstruktionen.
Generell werden aber professionelle Reverse-Engineering-Software wie Geomagic oder QuickSurface / EXModel zusätzlich zur Scan-Software eingesetzt.
Je komplexer ein Scan-System ist, desto anspruchsvoller ist natürlich auch die Kalibrierung dieses Systems. Shining 3D hat in diesem Bereich in den letzten Jahren die Prozesse kontinuierlich vereinfacht und so sind auch Metrologie-3D-Scanner von Shining 3D heute sehr einfach und nahezu selbsterklärend zu kalibrieren.
Generell ist die Software-Qualität einer der wichtigsten Punkte bei der Auswahl eines Metrologie-3D-Scanners - oder sollte es zumindest sein. Hier patzen Billig-Anbieter von 3D-Scanner aus Fernost ganz stark. Anbieter wie Shining 3D, welche auf mehr als 20 Jahre Erfahrung zurückgreifen können, bieten optimale Software-Qualität.
Der eigentliche Arbeitsablauf bei Metrologie-Anwendungen besteht damit aus:
- Scannen
- Mesh-Bereinigung
- Ausrichtung
- Flächenrekonstruktion / CAD-Modellierung (Reverse Engineering)
- Inspektion
Fazit
Metrologie-3D-Scanner sind keine Luxusversion normaler 3D-Scanner sondern Präzisionsmessgeräte.
Während klassische Profi-Scanner oft für Visualisierung, Design oder einfache Digitalisierung ausreichen, brauchen industrielle Anwendungen:
- normierte Genauigkeit
- stabile Volumetrie
- reproduzierbare Messungen
- robuste Tracking-Technologien
- professionelle Auswertesoftware
Systeme wie die FreeScan-Serie von SHINING 3D zeigen gut, wie moderne Metrologie heute funktioniert: mobile Laser-Messtechnik, Photogrammetrie, hybride Tracking-Verfahren und integrierte Inspektions-Workflows verschmelzen zunehmend zu kompletten digitalen Messsystemen.