Fortschrittliche strukturierte Lichtlösungen für präzise Fertigung

Anbieter liefern vielfältige Sensoren, um den Bedürfnissen und Budgets der Industrienutzer gerecht zu werden. Da Preise sinken und Fähigkeiten wachsen, stellt sich die Frage: Was ist die nächste beste Anwendung?

Strukturierte-Licht-Systeme messen Oberflächen, indem sie ein Streifenmuster projizieren und dann Kameras und anspruchsvolle Software nutzen, um sie in Punktwolken von Metriedaten umzuwandeln. Genauigkeit kann einstellige Mikrometer über Millionen von Punkten erreichen. Erfassungsraten mancher neuerer Geräte liegen im Millisekundenbereich. Erschwinglichkeit und Auswahl wachsen bei diesen Sensoren. Während die meisten weiterhin Zwei-Kamera-Stereo-Setups verwenden, nutzen einige Einzelkamera-Setups für flexiblere Deployment, besonders nah an Produktionslinien. Mehr Deployments und mehr Anwendungen sind die Markenzeichen der Branche.

Pionier GOM erweitert ATOS-Produktlinie

Einer der Pioniere war GOM, ein Unternehmen, das nun die Optionen in seiner ATOS-Linie strukturierter Lichtsysteme erweitert. „Früher sah jeder ATOS-Sensoren als High-End, aber teure Scanner. Aber jetzt bietet GOM eine ganze Linie strukturierter Lichtscanner“, sagte Frank Stone, National Sales Engineering Manager bei Capture 3D Inc., Santa Ana, Calif., ein Value-Added-Reseller von ATOS-Sensoren. „Sie erkannten, dass man, um den Markt zu erweitern, eine breite Vielfalt an Kunden bedienen muss – nicht jeder braucht so enge Toleranzen und Genauigkeiten wie andere.“

Ein gutes Beispiel für die Vielfalt ist der ATOS Core, ein Einstiegs-System. Es kann in der Leistung mit den Bedürfnissen des Besitzers wachsen. Einstiegsanwendungen wie Reverse Engineering oder Rapid Prototyping benötigen laut Capture3D Scannen ohne erweiterte Inspektionsfunktionalität. Ein komplettes „Einstiegs“-Kit beinhaltet Software, die Punktwolken-Daten in STL-formatierte Polygonnetze umwandelt. Der Core bietet einen Upgrade-Pfad vom manuellen Betrieb zum halbautomatisierten Betrieb, der das Hinzufügen von Tasttastern und Photogrammetrie für höhere Qualitäts-Metrologie-Inspektionen einschließen kann. Dasselbe Gerät kann letztlich zur vollen Automatisierung für industrielle Qualitätskontrollinspektionen aufgerüstet werden.

Aber GOM hat auch seine High-End-Systeme nicht vernachlässigt. Die neuesten sind ATOS 5 und ATOS 5X, konzipiert für industriellen Einsatz und Integration von Messungen in Produktionslinien. Ein Schlüssel für den Einsatz strukturierten Lichts in rauen Umgebungen ist die Verkürzung der Erfassungszeit, was es weniger empfindlich gegenüber Vibrationen und Rauschen macht. Laut Unternehmen erfasst der ATOS 5 Scans in 0,2 Sekunden (200 Millisekunden) bei 100 Frames pro Sekunde. In Kombination mit dem ATOS Scanbox-Automationssystem kann er Karosserieabschlüsse, Instrumententafeln, Turbinenschaufeln oder Gussteile messen. Auf Robotern montiert in kundenspezifischen Integrationen kann er komplette Body-in-White messen, was in der Automobilfertigung üblich ist.

Vielfalt bei Projektionsquellen

Um den Nutzen weiter zu erweitern, nutzt der fortgeschrittene ATOS 5X eine viel hellere Lichtquelle. „Der ATOS 5X verwendet einen integrierten Laserlichtkompressor, um diese hellere Lichtquelle bereitzustellen, was das Messvolumen erweitert“, erklärte Stone. „Wo wir früher nur 700 mm messen konnten, können wir mit dieser neuen Quelle nun bis zu 1000 mm in derselben Zeit messen. Es dauert nur 0,2 Sekunden pro Scan.“ Technisch gesehen ist dies immer noch strukturiertes Licht und nutzt nicht die Kohärenz eines Lasers für Interferometrie – es ist ein sehr helles, aber dennoch standardmäßiges strukturiertes Lichtgerät.

Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, R.I., hat in den letzten Jahren ebenfalls eine breite Palette strukturierter Licht-Scangeräte entwickelt. Sie sind in zwei Grundtechnologien gruppiert: solche, die Einzelbildprojektionen nutzen, und solche, die Mehrfachstreifenprojektionen verwenden. Einzelbildsensoren betonen Geschwindigkeit und Einsatz in rauen Bedingungen und umfassen Hexagons WLS qFLASH, BLAZE 600 und WLS 400.

„Diese Sensoren betonen schnelle Bilderfassung“, sagte Amir Grinboim, Technical Program Manager bei Hexagon. Diese erfassen Daten im Durchschnitt in 0,015 Sekunden (15 Millisekunden). Die Erfassungsgeschwindigkeit ist wichtig – sie macht sie ideal für Fabrik-Shopfloor-Einstellungen. „Die Philosophie ist ‚messen, wo immer Sie wollen‘“, sagte Grinboim.

Die Mehrfachstreifenprojektionstechnologie ist langsamer, aber mit besserer Auflösung. Dazu gehören die AICON-Angebote von Hexagon. „Wenn wir einen Schuss machen, wird das Bild aus einer Folge von Projektionen aufgebaut. Und diese Projektionen sind Linien, die auf das Teil projiziert werden, und diese Linien bewegen sich und ändern die Orientierung entlang des Bilderfassungsprozesses. Das ist ein relativ langer Prozess“, erklärte Grinboim, der im Durchschnitt 2 Sekunden für eine einzelne Erfassung benötigt. „Das Ziel ist nicht Geschwindigkeit, sondern die Qualität der Punktwolke.“

Hexagon nutzt auch einen Rot/Grün/Blau (RGB) DLP-Projektor in seinem neuesten Sensor, dem AICON StereoScan neo. Der Sensor hat einen weiten Messfeldbereich von 75 mm bis 1100 mm. Dies wird durch Wechsel der Kameralinsen oder der Basislänge erreicht. Die Erfassungszeit beträgt ca. 2 Sekunden und das Gerät kann mit einer 8- oder 16-Megapixel-Kamera ausgestattet werden.

Der RGB-DLP-Projektor ist ideal für Anwendungen, bei denen Messungen in eine Farbkarte der Abweichungen gegenüber CAD-Nominalwerten umgewandelt und zurück auf das gerade gemessene Teil projiziert werden können.

„[Dies ist] ideal für Designarbeit, Nacharbeit für Werkzeuge und Anzeige von Über- oder Unterfüllmaterial beim Gießen. All dies kann dem Ingenieur direkt am Teil sichtbar gemacht werden, ohne Bezug auf einen Computerbildschirm oder PDF“, erklärte Grinboim.

Hexagon nennt dies See What You Measure (SWYM). „Dies ist ideal beim Messen und Arbeiten mit Guss-, Schmiede- oder Spritzgussteilen. Wenn Sie ein großes Geometrie-Teil haben, näht unsere Software automatisch mehrere Erfassungen zusammen, ohne dass Referenzziele auf dem Teil nötig sind“, sagte er.

Industrialisierung und Automatisierung

„Beliebte Anwendungen [für strukturierte Lichtscanner] umfassen Legacy-Werkzeuge für Reverse Engineering und Luftfahrtanwendungen. Beide erfordern häufig höhere Präzisionstoleranzen, die der strukturierten Licht-Hardware entgegenkommen“, erklärte Greg Groth, Division Manager bei Exact Metrology, Brookfield, Wis. Exact Metrology bietet Vertragsmess- und Scanservices, Metrologie-Gerätelösungen sowie Hardware- und Softwarevermietung. Es bietet oder nutzt Metrologiegeräte von Portable Arm CMMs bis zu High-End-CT-Scannern.

Das Unternehmen nutzt auch GOM ATOS strukturierte Lichtsysteme. Dazu gehören ATOS II Triple Scan und ATOS III Triple Scan, die Exact in seiner Vertragsarbeit einsetzt. Exact vertreibt auch den AICON PrimeScan von Hexagon Manufacturing Intelligence.

Automatisierung wird zum Mainstream-Einsatz strukturierter Lichtgeräte. „Derzeit übernimmt die Automatisierungswelt die [strukturierte Licht] Technologie. Da Roboterzellen sicherer und kosteneffektiver werden, parallel zur Hardware, die günstiger wird, steigt die Popularität von Inline-Automatisierung“, sagte Groth. „Da Erfassungsgeschwindigkeiten auf subsekundärer Ebene steigen, eröffnet sich eine neue Welt von Durchsatz-Effizienzen.“

Er glaubt auch, dass aktuelle industrielle Buzzwords – wie KI, Internet der Dinge und Big Data Analytics – die Adoption strukturierter Lichtsysteme beeinflussen. „Eine große Veränderung ist das dynamische Feedback, also ein geschlossener Regelkreis. Zum Beispiel: Komponente scannen, mit CAD-Designintent vergleichen, Diskrepanzen an den Fertigungsprozess zurückmelden und adaptive Änderungen am Werkzeug vornehmen, um korrekte Teile zu produzieren.“

Ian Scribner, Portable 3D Scanning Product Sales Manager bei Carl Zeiss Industrial Metrology LLC, Brighton, Mich., bekräftigte diesen Fokus auf Automatisierung. „[Automatisierung ist] der Bereich, auf den sich der Fokus in den letzten paar Jahren bei der Verbesserung unserer Software zur Automatisierung der Hardware konzentriert hat“, erklärte er.

Die Geschichte der strukturierten Lichtsysteme, die Zeiss anbietet, geht zurück auf einen der frühen Gründer des Feldes, die Steinbichler Company. Zeiss übernahm das Unternehmen und seine Technologie vor einigen Jahren. Die Zeiss COMET-Linie strukturierter Lichtsysteme stammt aus diesem Erbe, zeigt aber nun einige einzigartige Zeiss-Verbesserungen. Ein Beispiel ist das Zeiss ABIS II System zur Erkennung von Oberflächenfehlern. Es ist besonders nützlich bei der Messung von Class-A-Karosserieoberflächen in der Automobilfertigung – wieder für den Einsatz an oder nahe der Produktionslinie konzipiert.

Ein weiteres neueres Angebot von Zeiss ist der COMET Pro AE. Das Gerät wird in den vorverpackten Automatisierungslösungen AIBox und AIBox flex von Zeiss verwendet. Es illustriert auch einen Trend, der bei allen Anbietern strukturierter Lichtsysteme vorherrscht – die Kombination verschiedener Messtechnologien zur Verbesserung von Automatisierung und Genauigkeit.

„Der COMET Pro AE ist strikt der Automatisierung gewidmet. Er hat ein paar zusätzliche Features – einschließlich Photogrammetrie“, sagte Scribner. „Dies hilft, größere Komponenten schneller und mit besserer Genauigkeit zu erfassen. Er hat auch Lichtringe, die es Nutzern ermöglichen, Blech zu scannen und bessere Merkmalsdetails an Löchern, Nuten oder Ausschnitten im Blech zu erhalten.“

Erfassungszeiten des COMET Pro AE hängen von der Teilegröße ab. Ein Blech-Karosserieteil dauert beispielsweise einige Minuten. Das Ergebnis sind Zehner-Millionen Punkte bei 25 bis 35 µm Genauigkeit, so Scribner. Seine größten Erfolgsgeschichten in jüngster Zeit lagen in der Automatisierung der Messung von Blechteilen.

Während der COMET Pro AE als „at-line“-Gerät für Stichprobeninspektionen angeboten wird, bietet Zeiss auch eine strukturierte Lichtlösung für Inline-Inspektion mit seinen AIMax Inline und BestFit Angeboten. Das Unternehmen bewirbt diese als gut für Qualitätssicherung, Lageerkennung und Produktionskontrolljobs, einschließlich Roboterführung.

Das Gerät kann auch Scanpunkte in STL-formatierte Oberflächen umwandeln. „Oft wird der COMET AIMax programmiert, um nach spezifischen Merkmalen für Inline-Lehren zu suchen“, sagte er. Da es programmierbar ist, vermeidet es die Fallstricke harter Lehren, zu einem zunehmend erschwinglichen Preis.

„Jedes Jahr haben wir gesehen, dass strukturierte Lichtsysteme als Gruppe im Preis sinken und an Fähigkeit zunehmen, was neue Anwendungen eröffnet“, sagte Scribner. Die kompakte Größe des BestFit wird durch seine Einzelkamera-Technologie ermöglicht. Auch die raue Umgebung, für die sie konzipiert sind, erkennend, weisen beide Sensoren hohe Temperaturstabilität durch aktive Kompensation auf.

Erschwinglichkeit und Anwendungen

Große Veränderungen kommen auf den Vision-System-Markt, laut Scott Green, Director of Software bei 3D Systems Inc., Rock Hill, S.C. „Es wird einen riesigen Shift im Markt für hochauflösende strukturierte Lichtsysteme geben“, sagte er.

Das Unternehmen bietet ein breites Produktspektrum, von 3D-Druckern bis zu haptischen Kraft-Feedback-Geräten, einschließlich einer Linie strukturierter Licht-Metrologiesysteme. Der Shift wird durch fallende Gerätepreise bei gleichzeitig steigender Qualität und Scan-Abdeckung verursacht, so Green.

„Das sind [Systeme], die man bald per Kreditkarte kaufen kann. Schon heute gibt es sehr kostengünstige, hochqualitative strukturierte Lichtsensoren, die für unter 10.000 $ verkauft werden“, sagte er – ein weiter Weg von den ursprünglichen 100.000 $+ Systemen, die ursprünglich in den Markt eingeführt wurden. 3D Systems bietet das, was es als industrietauglichen Scanner bezeichnet – den Capture und eine kleinere Version, den Capture Mini. Ein weiteres Handgerät nutzt ebenfalls strukturiertes Licht für schnelle Messungen kleiner Objekte.

Wie ist das möglich? Diese Systeme benötigen hochwertige, präzise Lichtquellen und präzise Projektionsmuster. Kameras müssen scharfe Bilder bis 16 Megapixel erfassen. Es steckt viel anspruchsvolle Software und Mathematik darin, die Daten aus diesen Komponenten zu extrahieren. Jahrzehnte der Verfeinerung machen Software und Algorithmen anspruchsvoller. Doch im Grunde seien die Systeme … einfach. „Ein strukturiertes Lichtsystem ist im Grunde zwei Kameras und ein Projektor“, sagte er, mit einem Computer und Software.

Der allgemeine Konsummarkt treibt die Kosten- und Qualitätskurve bei diesen Komponenten. Computing auf diesem Level wird fast kostenlos. Massengefertigte Smartphones und Consumer-Kameras bedeuten, dass digitale Kameras und Lichtquellen sich rasant weiterentwickeln.

„Die funktionalen Komponenten, die tatsächlichen Komponenten zum Bau eines strukturierten Lichtsensors, werden viel erschwinglicher“, sagte Green. „So sehen Sie einen Abwärtstrend bei den Besitzkosten für diese Art hochqualitativer strukturierter Lichter, da die Komponenten darin leichter verfügbar und billig werden.“

Sobald die Hardwarekosten sinken, sagte er, wird der Preisdruck auf die begleitende Software steigen. Mit sinkenden Gesamtbetriebskosten öffnet sich der Einsatz der nun kostengünstigen strukturierten Lichtsysteme in dedizierten Anwendungen, so Green. Denken Sie an Spalt-und-Flush-Messung in Automotive Body-in-White oder 100%-Inspektion einzelner Merkmale in einer Bearbeitungszelle durch einzelne Sensoren.

„Für die richtigen Anwendungen werden wir viel intelligentere Sensoren haben, die viel näher am Produktionsort sind“, sagte er. „Die Rolle von Desktop-Software für diese Anwendungen wird viel mehr wie ein Informationsaggregator sein.“