Präzision im 3D-Scanning für die Automobil-Qualitätssicherung steigern

ARIS Technology verbessert 3D-Scanning für Qualitätskontrolle

Obwohl 3D-Scanning bei vielen Automobilzulieferern bereits im Einsatz ist, bleiben die Anwendungsfälle in der Qualitätssicherung (QS) begrenzt. Hauptgründe dafür sind:

1. 3D-Scanning war bislang manuell.
2. Bestehende „sogenannten“ automatisierten 3D-Scansysteme sind oft unproduktiv.
3. 3D-Scanning versuchte, eine All-in-One-Lösung zu sein, obwohl taktile Messgeräte (KMG) für bestimmte Messaufgaben nach wie vor unverzichtbar sind.

Manuelles 3D-Scanning überwinden

Kauft ein Hersteller ein eigenständiges 3D-Scansystem, folgen meist Zusatzinvestitionen in Bildverarbeitungssoftware (z. B. Geomagic, PolyWorks), Drehtische, Stative u. a. Danach muss ein Mitarbeiter geschult werden in:

• Bedienung des Scanners (Ein-/Ausschalten, Einstellungen ändern etc.)
• Erfassung korrekter Scans aus geeigneten Winkeln und Distanzen für das jeweilige Bauteil
• Berücksichtigung von Oberflächeneigenschaften (z. B. Belichtung je nach Reflexionsverhalten)
• Zusammenführung mehrerer Scans zu einer Datei und Nachbearbeitung der Scandaten
• Bildverarbeitung für den Soll-Ist-Vergleich mit CAD-Daten
• Weitere Themen: Kalibrierung, Einmessung der Vorrichtung etc.

Für jedes neue Bauteil entsteht somit eine neue Lernkurve. Bei Neuprojekten muss der Mitarbeiter das Scannen des spezifischen Teils erlernen; bei Wiederholaufträgen alte Projekte reaktivieren oder neu erlernen. Trotz inkrementeller Softwareverbesserungen fehlt eine Lösung, die diese steile Lernkurve grundlegend beseitigt.

Das kollaborative ARIS-System, unterstützt durch die einfache Benutzerführung (UX) der ARIS-Software, ermöglicht eine einfache Einrichtung neuer Bauteile.

Warum ARIS-Systeme besser sind

Viele Anbieter nutzen Roboterautomation, um den Arbeitsaufwand beim 3D-Scanning zu reduzieren. Doch aktuelle Lösungen haben gravierende Einschränkungen:

• Herstellerbindung: Die meisten Lösungen stammen von 3D-Scanner-OEMs und binden an eine bestimmte Marke/Technologie. Beispiel: Eine populäre Automationslösung nutzt strukturiertes Blaulicht – ungünstig für glänzende Oberflächen (Teile müssen besprüht werden), großer Abstand der Optiken limitiert die Erfassung enger Bohrungen, oft sind Markierungen am Teil nötig, was die Automation paradoxerweise wieder manuell macht.
• Mangelnde Flexibilität: Systeme veralten schnell, wenn sie für neue Produktionslinien umgerüstet werden müssen. Ein Austausch von Scanner, Roboter und/oder Software erfordert meist eine komplette Neuintégration, Neutrainierung und Neukalibrierung.
• ARIS löst diese Limitierungen durch proprietäre Softwareprodukte:
  • Modulare Integrationsplattform: ARIS empfiehlt marktbewährte Sensoren und Roboter, integriert und implementiert diese.
  • Automationssoftware (Run): Ermöglicht minimal geschultem Personal die wiederholbare Ausführung programmierter Prüfungen.
  • Einrichtungssoftware: Erlaubt einfache Neuprogrammierung und Nachscan-Analysen bei sich wandelnden Anforderungen.

Wie ARIS-Systeme KMGs ergänzen

3D-Scanning erfasst Millionen Messpunkte in Sekunden – hohe Auflösung, kurze Taktzeiten. Doch bei transparenten/transluzenten, hochglänzenden Oberflächen oder inneren Details stoßen optische Systeme an Grenzen. Für ein Bauteil können daher beide Verfahren nötig sein: KMG und 3D-Scanning.

KMG-Hersteller haben 3D-Scanner auf KMG-Arme montiert – ein langsamer, unproduktiver Prozess. Ein Industrieroboter im Messlabor wirkt ebenfalls suboptimal.

ARIS löst dies durch Integration von Cobots mit schnellem Multi-Linien-Laserscanning. Ein solches System weist leicht geringere Genauigkeit auf als ARIS-Systeme mit Flächen-Scannern (z. B. strukturiertes Blaulicht), maximiert jedoch Geschwindigkeit und Produktivität und übertrifft andere 3D-Scanverfahren bei reflektierenden Oberflächen.

Zudem lassen sich große Bauteile signifikant effektiver erfassen, ohne Präzisionsverlust, da externe Trackingsysteme die Bilder live während der Roboterbewegung zusammenfügen (Stitching).

Schließlich ermöglichen Cobots den Einsatz in Bereichen mit bestehenden manuellen Prozessen – direkt neben einem KMG, um KMG-Messungen in Echtzeit zu ergänzen.

Praxisbeispiel: Präzisionssystem

Für ein Druckgussbauteil wurde ein vollständiger Prüfbericht mit einem Referenz-ARIS-System erstellt, umfassend alle relevanten Merkmale zur Qualitätssicherung. Anschließend wurde eine Gage-R&R-Studie (Wiederhol- und Vergleichbarkeit) durchgeführt und die Ergebnisse mit anerkannten Industriestandards verglichen.

Dieser Präzisionstest zeigt, ob automatisierte 3D-Scansysteme in der Produktion – nicht nur im Labor – für Erstmusterprüfung (FAI) und Serienüberwachung einsetzbar sind, was erhebliche Kosteneinsparungen verspricht.

Die Wahl des 3D-Scanners ist oft wichtiger als die des Roboterarms, da unterschiedliche Toleranzen, Oberflächen und Bauteilgrößen verschiedene optische Genauigkeiten und Sichtfelder erfordern. Höhere Genauigkeit und größeres Sichtfeld bedeuten höhere Kosten – daher ist die Plug-and-Play-Fähigkeit verschiedener Scanner-Typen über die ARIS-Integrationssoftware entscheidend, um geforderte Genauigkeit und Taktzeit im Budget zu erreichen. Beispiel: Scanner mit ±2,5 µm Genauigkeit kosten leicht über 100.000 USD.

Nach Positionierung und Verkabelung erfolgt die initiale Kalibrierung der relativen Positionen von Scanner und Roboter – per ARIS-Automationssoftware per Ein-Klick automatisch. Tägliche Neukalibrierung (z. B. durch Temperaturschwankungen) läuft ebenfalls automatisiert mit minimalem manuellen Aufwand. Beim Referenzsystem dauerte die Ersteinrichtung weniger als 15 Minuten manueller Bedienerzeit.

Das Ergebnis: Auch in der Produktionsumgebung liefert die Lösung bei minimalem Invest Genauigkeit vergleichbar mit KMGs. Die Präzision war leicht schlechter als bei Labor-KMGs, aber besser als bei portablen KMGs. Da viele hochpräzise Labor-KMGs kontrollierte Umgebungen (Betonboden, temperatur-/schwingungsgeregelter Raum) benötigen, 3D-Scanner jedoch unempfindlicher gegen solche Einflüsse sind, manifestiert sich hier die Flexibilität und Effizienz einer automatisierten robotergestützten 3D-Scan-QS-Lösung.

ARIS-Systeme fügen sich in die bestehende Infrastruktur von Automobilherstellern ein und liefern einen starken ROI – ohne bestehende KMG-Prozesse ersetzen zu müssen, indem kollaborative ARIS-Systeme diese ergänzen.

Redaktionell bearbeitet von Yearbook Editor Bill Koenig basierend auf Informationen von ARIS Technology.