3D-Messtechnik / Metrologie: Präzises Messen mit 3D-Scans
Einführung und Relevanz
Ohne laufende internationale Bemühungen der Metrologie und in der Messtechnik, physikalische Größen und deren Messungen zu standardisieren, wäre eine moderne, international vernetzte Industrie wohl kaum möglich.
In der Industrie gilt es zwischen Kontakt-3D-Scan (Coordinate Measuring Machines oder CMMs), bei dem man Messpunkte mit einem Taster direkt am Objekt nimmt, und kontaktlosem 3D-Scan, bei dem man mittels elektromagnetischer Wellen Messungen an Objekten vornehmen kann zu unterscheiden.1, 2
In diesem Beitrag geben wir Ihnen einen Einblick in die spannende Welt der Messtechnik und Metrologie mit 3D-Scannern in einem industriellen Umfeld.
Was ist ein 3D-Scanner?
Unter 3D-Scan verstehen wir im Grunde alle Verfahren, die zur dreidimensionalen Aufnahme und räumlichen Vermessung von physischen Gegenständen dienen. 3D-Scanner sind jene Geräte, die diese Verfahren weitgehend automatisieren.
Es gibt viele Methoden, an Objekten Messpunkte aufzunehmen. Das kann durch physischen Kontakt, durch einen Taster (CMMs) oder mittels akustischer, seismischer oder elektromagnetischer Wellen (optischer 3D-Scan) geschehen.
Bedeutung der Metrologie für die Industrie
Um metrologische Standards einzuhalten, wurden bereits Anfang des 20. Jahrhundert Verfahren zur genauen Vermessung von Werkstücken entwickelt. Unternehmen wie Zeiss spielen seit jeher eine große Rolle für die Entwicklung von feinmechanischen Messgeräten wie CMMs, die auch heute noch in der Industrie eingesetzt werden.
Im Gegensatz zu herkömmlichen mechanischen Messverfahren ist es mit optischen 3D-Scan möglich, Messpunkte viel schneller und wirtschaftlicher zu erfassen. Gerade Freiformflächen oder komplexe Objekte können so sehr viel einfacher und schneller vermessen werden. Mit der richtigen Kombination aus 3D-Scanner und Software können sogar ganze Objekte digitalisiert und auch gleich in CAD-Modelle umgewandelt werden.
Grundlegende 3D-Scan Technologien
Messgeräte wie CMMs sind zwar sehr genau, müssen aber mechanisch mit dem Objekt interagieren und sind dementsprechend langsam. Optische Verfahren wie Laserscanning sind mittlerweile hinreichend genau, um mechanische Verfahren in vielen Bereichen zu ergänzen oder sogar zu ersetzen. Aufgrund höherer Messgeschwindigkeiten und größerer Datenmengen werden sie deswegen für die Industrie immer interessanter.3
Um den Umfang dieses Artikels nicht zu sprengen, möchten wir vor allem auf den optischen 3D-Scan eingehen. Dieser lässt sich zur Zeit des Verfassens dieses Artikels grob in 5 Herangehensweisen einteilen, welche in der Industrie Anwendung finden.
Optische Triangulation
Ist die Seitenlänge und deren anliegende Winkel eines Dreieckes bekannt, so kann man seine gesamte Form bestimmen. Dieses Prinzip wird bei der optischen Triangulation genutzt. Meist wird das Dreieck aus einem Laser, einer Kamera und dem Laserpunkt auf dem Objekt gebildet. Ist der Abstand zwischen Laser und Kamera und deren Winkel bekannt, so lässt sich die Entfernung zum Laserpunkt durch dessen Position im Bild berechnen. Ändert sich der Abstand des Laserpunktes zur Kamera, dann ändert sich auch dessen Position auf dem Kamerasensor.4 In dem Fall, dass ein Laser als Lichtquelle verwendet wird, spricht man auch von Lasertriangulation.
Dieses Verfahren ist relativ genau, allerdings nimmt die Genauigkeit durch Messfehler und Interferenz mit der Distanz ab. Um die Messung mehrerer Punkte zu beschleunigen, wird oft auch kein Punkt, sondern eine Laserlinie auf das Objekt projiziert (Lichtschnittverfahren).
Lasertriangulation wird oft in mobilen 3D-Scannern verwendet. 3D-Scanner mit diesem Verfahren werden oft auch als Laserscanner bezeichnet.
Photogrammetrie
Die Photogrammetrie kann als eine erweiterte optische Triangulation verstanden werden. Bei dem Photogrammetrie-Verfahren kann, sofern die Position und der relative Abstand der Aufnahmegeräte zueinander bekannt ist, aus mindestens einem stereoskopischem Bildpaar durch die Triangulierung mehrerer Referenzpunkte auf den Bildern, Tiefeninformation herausgelesen werden.5, 6 Dies geschieht unter Anderem mit der sogenannten Bündelblockausgleichung, einen Verfahren zur Optimierung von aus mehreren Perspektiven aufgenommenen Strahlenbündel.
Ein Vorteil der Photogrammetrie ist, dass gleich eine Textur mit Farbinformation für die Anwendung auf das computergenerierte Objekt aufgenommen werden kann.
Strukturlicht
Beim Strukturlicht-Verfahren handelt es sich um eine Präzisierung des Photogrammetrie-Verfahrens. Es wird mit einem Projektor ein helles Lichtmuster (Meist Streifen) auf das Objekt geworfen. Eine Kamera, welche sich in einem bekannten Abstand und Winkel zum Projektor befindet, misst auf einem Bildsensor dann alle einfallenden Lichtstrahlen. Im Prinzip wird dadurch die perspektivische Deformation des Musters erfasst und daher auch die Geometrie der bestrahlten Oberfläche. Diese Deformation wird dann mit aus der Photogrammetrie bekannten Verfahren berechnet. Man spricht deshalb in der Literatur auch oft von Nahbereichsphotogrammetrie.7
Das Strukturlicht-Verfahren liefert sehr schnell genaue Messdaten, was es optimal für die Anwendung in handgeführten 3D-Scannern macht.
Time-Of-Flight
Das Time-of-Flight-Verfahren basiert auf der Laufzeitmessung von Licht. Hierbei wird die Distanz vom Gerät (Referenzpunkt) zu einem Messpunkt ermittelt, indem die Zeit gemessen wird, die z.B. ein Laserpunkt braucht, um am Kamerasensor registriert zu werden. Aus mehreren Messpunkten kann dann eine Punktwolke erstellt und zu einem 3-dimensionalen Objekt trianguliert werden.8
Dieses Verfahren kann über große Distanzen (oft über mehrere Kilometer) hinreichend genaue Messdaten liefern. Allerdings ist es wegen der Geschwindigkeit von Licht schwer, ein präzises Timing zwischen dem Emittieren des Lichts und der Messung am Sensor zu bestimmen. Die Genauigkeit nimmt daher mit der Distanz zum Objekt zu.
Eine oft verwendete Implementierung des Time-of-Flight-Verfahrens sind zum Beispiel LIDAR-Scanner und andere 3D-Scanner für große Objekte und Geometrien.
Ein Spezialfall des Time-of-Flight-Verfahren ist die Laufzeitmessung mit moduliertem Licht. Hierbei wird ein Laserpunkt oder ein projiziertes Muster in der Zeit, meist mit einem Sinussignal, in seiner Helligkeit moduliert. Durch die Phasenverschiebung des ausgehenden und gemessenen Lichts kann dessen Laufzeit gemessen werden.9
Laserinterferenz
Beim Laserinterferenzverfahren wird die Phasenverschiebung zwischen dem ausgehenden und einfallenden Laserlicht gemessen. Dadurch können Verschiebungen zwischen Objekt und Messgerät innerhalb nur einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichts gemessen werden. Wird das Messgerät relativ zum Objekt bewegt, können die Phasenübergänge gezählt und mit der Wellenlänge des Lichts multipliziert werden, um die exakte Distanz der Bewegung zu errechnen.10
Dieses Verfahren ist zwar sehr genau, aber wegen des unbekannten Initialabstands alleine nicht eindeutig genug. Es wird, um den Initialabstand zu erfassen, oft mit anderen Verfahren kombiniert.
Ein Spezialfall ist die Konoskopische Holografie, bei der mittels Interferenz über einen doppelt brechenden Kristall der Winkel zur gemessenen Oberfläche und dann mittels Triangulation deren Distanz zum Gerät gemessen wird.11
Messtechnische Datenerfassung
Die genaue Messpunktaufnahme geschieht je nach eingesetzter Technologie. Damit das Objekt allerdings vollständig und nicht nur aus einem Winkel erfasst werden kann, muss der Scanner oder das Objekt selbst bewegt und die Messpunkte zusammengefügt werden.
Dabei muss der 3D-Scanner zur dreidimensionalen Maßhaltung seine Position und Rotation relativ zum aufgenommenen Objekt kennen und Referenzpunkte am Objekt selbst identifizieren können. Dies geschieht in den meisten Fällen durch Referenzmarker, die am Objekt angebracht werden. Mit Hilfe dieser Referenzpunkte kann der Scanner den gemessenen Blickwinkel genau im virtuellen Raum ablegen. Sie helfen auch dabei, die unterschiedlichen Blickwinkel aneinander auszurichten. Allerdings gibt es auch Ausnahmen, bei denen keine Referenzmarker notwendig sind.
Bei der Datenerfassung gilt es zwischen oberflächlicher Auflösung und dreidimensionaler oder volumetrischer Genauigkeit zu unterscheiden.
Wichtig ist auch die Wellenlänge des beim optischen 3D-Scan verwendeten Lichts, denn Oberflächen erscheinen dem 3D-Scanner je nach Beleuchtung unterschiedlich.
Genauigkeit und Auflösung
Die Genauigkeit, 3D-Auflösung oder auch Formtreue, beschreibt beim 3D-Scan die maximale Abweichung der geometrischen Grundform eines Objektes zu den Messdaten. Kurz gesagt geht es darum, wie sehr die Position eines Messpunkts von der tatsächlichen Position der Messung am Objekt abweicht.
Die Auflösung oder Detailtreue beschreibt bei 3D-Scannern die Größe der kleinstmöglich messbaren Details auf der Oberfläche eines Objektes. Oft lässt sich diese auch aus dem Abstand der Messpunkte am Objekt zueinander ablesen.
Bei vielen 3D-Scannern ist sowohl die Genauigkeit als auch die Auflösung sehr von der Entfernung des Objekts zum Messgerät abhängig.
Messen mit und ohne Referenzmarker
Eine präzise Positionsmessung ist vor Allem bei handgeführten 3D-Scannern sehr wichtig. In vielen Fällen werden hier Referenzmarker in Form von Aufklebern verwendet, damit der 3D-Scanner, vor allem bei größeren Objekten, die Messdaten präzise aneinander ausrichten kann. Geschieht dies nicht, dann kann es zu einem Verlust von dreidimensionalen Genauigkeit kommen.12
Einige 3D-Scanner wie zum Beispiel der Scantech Trackscan verwenden zur Positionsbestimmung ein externes optisches Tracking-System, andere wie der Artec Leo verwenden künstliche Intelligenz, um die Strukturen auf Objekten zu verfolgen.
In diesen Fällen sind Referenzmarker am Objekt nicht zwingend notwendig. Trotzdem können Sie die Genauigkeit beim 3D-Scan weiter erhöhen.
Lichtfarbe/Wellenläge der Lichtquelle
Tatsächlich ist die Lichtfarbe oder die Wellenlänge des zur Messung verwendeten Lichts wichtig für die Qualität der Messdaten. Blaues oder ultraviolettes Licht kann durch seine kurze Wellenlänge eine theoretisch höhere Auflösung und Genauigkeit erreichen. Rotes oder infrarotes Licht ist besser für dunkle oder reflektierende Oberflächen geeignet. Es ist auch weniger energetisch und wird daher für 3D-Scans von sensiblen Oberflächen verwendet.
Beeinflussende Faktoren
Die Genauigkeit und Auflösung von 3D-Scannern werden durch Toleranzen in deren Konstruktion und der Wellenlänge des zur Messung verwendeten Lichtes grundlegend limitiert. Die präzise Dimensionierung mechanischer Konstruktionen ist bis zu einem gewissen Grad auch immer temperaturabhängig. Dadurch können bei großen Temperaturschwankungen Messfehler entstehen.
Störfaktoren in der Umgebung wie Reflexionen, andere Lichtquellen und andere Objekte können ebenfalls die Genauigkeit und Auflösung des 3D-Scanners beeinflussen. Referenzmarker helfen, auch diese Störfaktoren zu verringern.
Einige der dadurch entstandenen Messfehler können allerdings entweder direkt beim Scan oder aber auch bei der Nachbearbeitung in der Software kompensiert werden.
Anwendung in der Industrie
In der Industrie werden optische 3D-Scanner vor allem aufgrund ihrer Flexibilität und Geschwindigkeit mittlerweile sowohl bei der Forschung und Entwicklung, als auch in der Produktion zur Inspektion und Qualitätskontrolle eingesetzt.
Bei der Forschung und Entwicklung
Bei der Forschung und Entwicklung wird zum Erkenntnisgewinn häufig auf Methoden wie Reverse-Engineering gesetzt. Hier bieten 3D-Scanner eine ausgezeichnete Möglichkeit, physische Objekte zu dokumentieren, um deren Funktion zu ergründen oder deren Qualität zu sichern. Bis dato werden oft noch CMMs verwendet, um einfache Dimensionen zu messen. Kontaktlose 3D-Scanner haben ihnen gegenüber allerdings erhebliche Vorteile. In Verbindung mit einer leistungsstarken Software kann man sogar aus den Messdaten gleich ein CAD-Modell zu erstellen.13
Zur Inspektion und Qualitätskontrolle
In der Industrie sind 3D-Scanner ein ausgezeichnetes Werkzeug zur Inspektion und Qualitätskontrolle. Innerhalb hochautomatisierter Produktionsprozesse ist es notwendig, dreidimensionale Toleranzen laufend zu überprüfen. Um diese automatisiert zu erfassen und auszuwerten, werden heutzutage gerne optische 3D-Scanner verwendet. Diese generieren ein Vielzahl an Messdaten, die dann mit nominellen Größen verglichen werden.3 Dies geschieht meist in Form von Falschfarbanalysen.
Empfohlene 3D-Scanner für Messtechnik
Wir arbeiten schon seit Jahren Tag für Tag mit vielen verschiedenen 3D-Scannern. Unsere Erfahrung macht es uns daher möglich, Ihnen eine sichere Empfehlung für die, zur Zeit dieses Beitrags, besten 3D-Scanner für metrologische Zwecke zu geben.
Unsere Empfehlungen basieren ausschließlich auf den Erfahrungen des 3Dee-Scan Teams, und wir erhalten keinerlei Vergütung oder sonstige Leistungen von den Herstellern.
Empfohlene Software für Messtechnik
Über das Letzte Jahrzehnt haben sich einige Softwarelösungen für Reverse Engineering, Analyse, Inspektion und Qualitätskontrolle in der Industrie etabliert. Wir möchten Ihnen an diesem Punkt Empfehlungen für die unserer Meinung nach besten Softwarelösungen geben. Wir werden weder von den Herstellern dieser gesponsert, noch erhalten wir Geld für deren Bewerbung in diesem Beitrag.
Geomagic Control X
Geomagic Control X wurde speziell von Oqton zur Analyse von 3D-Scans, den Vergleich zu CAD-Daten und zur Messberichterstellung entwickelt. Wir verwenden Geomagic Control X seit mehreren Jahren sehr erfolgreich in unserem 3D-Scanservice.
So gelingt Messtechnik in der Praxis
Für Anfänger ist Messtechnik mit 3D-Scan oft eine Herausforderung. Wir möchten Ihnen deswegen hier unsere Erfahrungen teilen.
Mit uns als Partner haben Sie Zugriff auf jahrelange Expertise im Umgang mit 3D-Scannern und deren Software. Haben Sie keine Scheu uns zu kontaktieren, wenn Sie Hilfe brauchen oder noch Fragen zu dieser Technologie haben.
Best Practices für erfolgreiche Messung
- Informieren Sie sich: Viele 3D-Scanner setzen ein gewisses Maß an Erfahrung und Wissen voraus. Erkundigen Sie sich im Vorfeld über das benötigte Wissen.
- Definieren Sie klare Anforderungen: Definieren Sie vor dem Kauf klare Anforderungen an den 3D-Scanner. Hier gilt es zum Beispiel zu beachten, ob die Genauigkeit und Auflösung genügen, Ihr Objekt in den Scanbereich passt und ob die Daten schnell genug aufgenommen und verarbeitet werden können.
- Überprüfen Sie die Software-Kompatibilität: Wenn Sie bereits eine Softwarelösung verwenden, dann stellen Sie vor dem Kauf sicher, dass das Gerät mit Ihrer Software kompatibel ist. Bei manchen 3D-Scannern ist eine zusätzliche Software notwendig. Diese wird meist vom Hersteller zum Download angeboten oder wird auf einem Datenträger mitgeliefert.
- Bereiten Sie Ihren Arbeitsbereich für den Scan vor: Zur Vorbereitung entfernen Sie alle störenden Objekte und Lichtquellen aus der Umgebung. Spiegelnde Oberfläche sollten, falls möglich, vor dem Scan mit einem Entspiegelungsspray behandelt werden. Einige 3D-Scanner brauchen Referenzmarker am Objekt oder auf der Arbeitsfläche.
- Erfassen Sie die Daten richtig: Wenn Sie einen handgeführten 3D-Scanner verwenden, achten Sie darauf, dass Sie mit einer langsamen und kontinuierlichen Bewegung den Gegenstand aus so viel Winkeln wie möglich aufnehmen.
- Nachbearbeitung der Rohdaten: Grundsätzlich sollten Sie bei der Nachbearbeitung der Scandaten auf beim Scan entstandene Löcher achten. Oft entsteht auch ein geringes Rauschen auf Oberflächen oder Artefakte durch Spiegelungen oder versehentliche Erfassung anderer Gegenstände in der Umgebung. Mit der richtigen Software können Sie diese Fehler allerdings problemlos entfernen, meist sogar automatisch
- Analyse und Messberichterstellung: Für die Analyse und Messberichtersetellung empfehlen wir Geomagic Control X.
Herausforderungen und Lösungen
- Geometrie der Objekte: Seien Sie sich bewusst, dass große Objekte mit komplexer Geometrie sehr schwer vollständig zu erfassen sind. Für komplexe Objekte bis 5m Seitenlänge empfehlen wir den Scantech Simscan, von 5m bis 10m den Scantech TrackScan oder den Shining Freescan Track. Bei Größenordnungen von mehr als 10m können auch mehrere 3D-Scans zusammengefügt werden (in diesem Fall sind Marker unbedingt empfohlen).
- Umgebungsbedingungen und Beleuchtung: Viele 3D-Scanner, welche nicht mit Laserlicht funktionieren, können durch zu helle Beleuchtung und Reflexionen in der Umgebung gestört werden. Viele haben auch Probleme, reflektierende Oberflächen zu erfassen.
- Parallaxenfehler: Farbdaten werden aus einem anderen Blickwinkel als die Entfernungsdaten erfasst, dadurch sind manchmal Farbtexturen verzerrt.
- Große Datenmenge: Achten Sie auf die gemessenen Datenmengen. Es kommt auf den Computer an, auf dem Sie die Daten verarbeiten, ob ein einzelner Scan, oder ein Mosaik mehrerer 3D-Scans sinnvoller ist.
Nutzen Sie unsere Expertise
Sollten Sie Fragen zum Thema 3D-Scan, Metrologie und Messtechnik haben, zögern Sie nicht und kontaktieren Sie uns! Wir beraten Sie auch gerne bei Ihrem Messtechnik Projekt und bei der Auswahl eines passenden 3D-Scanners.
Sollte Ihnen ein 3D-Scanner für Ihr Messtechnik Projekt fehlen, können Sie unser 3D-Scanservice nutzen.
Aktuelle Entwicklungen, Trends und Fazit
Neuentwicklungen bei Computerprozessoren und künstlicher Intelligenz ermöglichen immer leistungsstärkere und genauere optische 3D-Scanner. Diese lassen sich auch immer besser in bestehende Prozesse in der Industrie integrieren. Daher geht auch in Zukunft die Entwicklung in der Industrie mit großer Wahrscheinlichkeit weg von CMMs und hin zu optischen Messmethoden.13
Eine Vielzahl an modernen Technologien ermöglicht eine sehr breite Anwendung von 3D-Scannern in der Industrie. Bereits jetzt werden optische 3D-Scanner im gesamten Produktzyklus eingesetzt, von der Forschung und Entwicklung über die Produktion bis hin zur Analyse und Qualitätskontrolle.
Mit uns an Ihrer Seite haben Sie einen starken Partner für all Ihre 3D-Scan Projekte.
Referenzen und Quellen
1.) “Coordinate Measuring Machine History – Fifty Years of CMM History leading up to a Measuring Revolution”, COORD3 Metrology, 2013
2.) Brian Curless (04 November 1999). “From range scans to 3D models”. URL: https://dl.acm.org/doi/10.1145/345370.345399
3.) Christian Teutsch (2007). “Model-based Analysis and Evaluation of Point Sets from Optical 3D Laser Scanners”
4.) Franca, J.G.D.M.; Gazziro, M.A.; Ide, A.N.; Saito, J.H. (2005). “A 3D scanning system based on laser triangulation and variable field of view”. IEEE International Conference on Image Processing 2005. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/1529778
5.) Albrecht Meydenbauer, “Die Photometrographie” In “Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin” Jg. 1, 1867, Nr. 14, S. 125–126. Digitalisiert: https://opus4.kobv.de/opus4-btu/files/749/db186714.pdf
6.) Karl Kraus: Fotogrammetrie (7. Auflage) Band 1 und 2, de Gruyter, Berlin 2004.
7.) Luhmann, Thomas: “Nahbereichsphotogrammetrie Grundlagen, Methoden und Anwendungen”. Wichmann, Berlin 2010
8.) Andrii Nazar; Vasyl Tataryn; Yaroslav Bobitski; Svitlana Ponomarenko (2017) “3D scanner with modulation of light intensity”. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/7916108
9.) Matthias Flack, “Time-of-Flight zur Entfernungs-
messung und Objekterkennung” für die Neumüller Elektronik GmbH. PDF: https://www.neumueller.com/Downloads/News/Article/PDF/Fachartikel-Time-of-Flight-2016.pdf
10.) Joeckel, Stober, Huep: “Elektronische Entfernungs- und Richtungsmessung und ihre Integration in aktuelle Positionierungsverfahren”. 5. Auflage. Wichmann, 2007
11.) Sirat, Gabriel; Psaltis, Demetri (1. Januar 1985). “Conoscopic holography”. URL: https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-10-1-4
12.) Burcin Becerik-Gerber; Farrokh Jazizadeh; Geoffrey Kavulya; Gulben Calis (2011). “Assessment of target types and layouts in 3D laser scanning for registration accuracy”. URL: https://www.researchgate.net/publication/229398580_Assessment_of_target_types_and_layouts_in_3D_laser_scanning_for_registration_accuracy
13.) Jean-Francois Larue, Daniel Brown, Marc Viala. (2015). “How Optical CMMs and 3D Scanning Will Revolutionize the 3D Metrology World”. Springer-Verlag London. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4471-6741-9_5
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