Optische 3D-Messtechnik

Verfahren und Einsatzgebiete der optischen 3D-Messtechnik

Die optische 3D-Messtechnik kommt in der Qualitätssicherung industrieller Fertigungsprozesse, in der Prozesssteuerung durch direkte Rückkopplung der Messergebnisse sowie bei der Anwesenheits- und Vollständigkeitsprüfung, der Positions- und Lageerkennung und im Reverse Engineering zum Einsatz. Eingesetzt wird sie unter anderem in der Automobil- und Zulieferindustrie, der Luftfahrt, im Guss- und Kunststoffbereich, im Maschinen- sowie Werkzeug- und Formenbau, in der Glas- und Keramikindustrie, in der Medizintechnik und im Rapid Prototyping aber auch in der Kriminalistik zur Spurensicherung und in der Archäologie. Je nach Anwendungsspektrum werden die Möglichkeiten der optischen 3D-Messtechnik zudem durch Technologien wie die Röntgen-Computertomographie erweitert.

Anwendungsbeispiele aus der Praxis

• Geometrieprüfung von Eisenbahnradsätzen
• Geometrieprüfung von Fahrzeugrädern (Felgen)
• Unterstützung der Montage komplexer Baugruppen durch digitale Assistenz- und Prüfsysteme
• Geometrische Vermessung von Spritzlöchern an Einspritzdüsen mittels faseroptischer Sonden
• Robotergeführte 3D-Prüfung großer und komplexer Werkstücke wie Karosserieteilen
• Millisekundenschnelle 3D-Erfassung von Mikrostrukturen mittels digitaler Holographie
• 100-Prozent-Qualitätskontrolle von Bauteiloberflächen direkt in der Werkzeugmaschine

Verfahren der optischen 3D-Messung im Überblick

Die gängigsten Verfahren der optischen 3D-Messung sind etwa Muster- und Streifenprojektion, Lichtschnitt, Photogrammetrie, Lichtlaufzeit, Weißlichtinterferometrie, konfokale Messtechnik, Fokus-Variation und 3D-Laserscanning. Viele dieser Verfahren eignen sich dabei für eine Vielzahl von Oberflächen. Die konfokale Messtechnik etwa ist weitgehend unabhängig von den Oberflächeneigenschaften des Prüflings und kann dadurch inlinefähig sowohl metallische oder verchromte als auch spritzgegossene Kunststoffbauteile geometrisch vermessen. Die industrielle Qualitätssicherung der Zukunft erfordert zudem fertigungsintegrierte Mess- und Prüftechnik, die ihre Informationen in Echtzeit bereitstellt. Der industriellen Bildverarbeitung kommt damit als Enabler-Technologie und Wegbereiter für Industrie 4.0 eine Schlüsselrolle zu.

Null-Fehler-Produktion durch optische 3D-Technik

Hohe Qualität, Flexibilität und niedrige Kosten gehören in der modernen Produktion zum Anforderungskatalog. Berührungslose Mess- und Prüftechnik kommt deshalb zunehmend direkt in der Fertigungslinie zum Einsatz und überwacht qualitätsbestimmende Schritte möglichst frühzeitig, umfassend und taktgebunden. Das vermeidet teure Ausschusskosten, weil fehlerhafte Bauteile im Sinne einer Null-Fehler-Produktion erst gar nicht produziert werden. Bei der geometrischen Qualitätsprüfung von Nietverbindungen an Flugzeugrumpfschalen oder von Aluminiumrädern im Fertigungstakt übernimmt diese Aufgabe beispielsweise das Lichtschnittverfahren.

100-Prozent-Qualitätsprüfung im Produktionstakt

Effektive, verschwendungsarme Abläufe, hohe Produkt- und Prozessqualität sowie kontinuierlich sinkende Herstellkosten gehören zu den zentralen Zielen moderner Fertigung. Die digitale Mehrwellenlängen-Holographie – etwa im 3D-Inline-Inspektionssystem HoloTop – ermöglicht hochpräzise Inline-Messungen im Produktionstakt, unter anderem für die 100-Prozent-Qualitätsprüfung von Druckgussteilen auf Entgratungs- und Verrundungsfehler.

Arbeitssicherheit und Automatisierung durch 3D-Sensorik

Die Anwendung der optischen 3D-Messtechnik beschränkt sich nicht auf die Prüfung von Bauteilen im Rahmen der Qualitätssicherung. Beispielsweise erfassen LiDAR-Sensoren mithilfe ausgesendeter Laserstrahlen ihre Umgebung und erzeugen daraus ein präzises, dreidimensionales Abbild des Raums, etwa zur Arbeitsraumüberwachung und Kranassistenz in der Industrie sowie beim autonomen Fahren und in der Robotik.

Funktionsweise der optischen 3D-Messtechnik

Optische Sensorsysteme für die 3D-Messung bestehen in der Regel aus einer Lichtquelle (Sender), die das Prüfobjekt mit einem speziellen, a priori bekannten Lichtsignal beaufschlagt, und einer das Lichtsignal aufzeichnenden Empfangseinheit (Empfänger). Durch das Objekt wird hierbei die Amplitude, Phase, Polarisation oder Richtung des optischen Signals in bekannter Art und Weise geändert und als Messgröße genutzt. Durch die Auswertung dieser Änderungen kann dann je nach Messprinzip auf die 3D-Information bzw. Oberflächenstruktur des Objekts rückgeschlossen werden.

Nach der Digitalisierung eines Bauteils erfordert der Nachweis der Maßhaltigkeit Methoden und Algorithmen zur Auswertung der 3D-Daten, um Maß-, Form- und Lageabweichungen zu bestimmen, etwa durch den Vergleich der Messdaten mit einer CAD-Referenz. Für die fertigungsintegrierte, automatisierte Auswertung wurde dafür beispielsweise das 3D-Messdatenverarbeitungspaket OptoInspect 3D entwickelt.