Terrestrisches 3D-Laserscanning: DIN gerechte Dokumentationen in der Industrie

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In der Industrie hat die dreidimensionale Messtechnik längst Einzug gehalten. So wird auf höchstem Niveau daran gearbeitet, mithilfe der passenden Technik beispielsweise eine miniaturisierte Projektion von Bauteilen oder Zubehör zu erstellen. 3D-Laserscanner finden bei Automobilherstellern und –zulieferern ebenso Anwendung wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie, in Gießereien, im Werkzeugbau und Formenbau oder in der Elektroindustrie. Auch die Kunststoffindustrie setzt verstärkt auf die Möglichkeiten des Laserscannings.

Terrestrisches Laserscanning: Technologie auf dem Vormarsch

Hierbei handelt es sich um eine Technologie, die nahezu vollständig automatisiert möglich ist. Zuerst wird der Laserscanner an einem festen Standpunkt aufgestellt – wobei für verschiedene Anwendungen auch sehr kleine mobile Geräte einsetzbar sind. Von diesem Standpunkt aus erfolgt die Messung. Dafür wird der Laserstrahl ausgesendet, trifft auf das Objekt und wird wieder reflektiert. Das Aufstellen eines Reflektors ist damit nicht nötig. Die gemessenen Entfernungen bieten die Möglichkeit der Berechnung der Koordinaten. Diese werden durch das System oder eine spezielle Software ausgewertet und die einzelnen Messpunkte ergeben die Visualisierung des Objekts. Schnitte und Ansichten, CAD-Modelle und Reliefs der vermessenen Oberflächen können damit erstellt werden.

Einsatz der 3D-Laserscanner in der Industrie

Im industriellen Bereich gibt es viele Möglichkeiten für den Einsatz eines 3D-Laserscanners. So können zum Beispiel Schmiedeerzeugnisse in ihrem Profil vermessen werden. Hier geht es in erster Linie darum, die Korrektheit der Profile zu überprüfen. Sie müssen DIN gerecht sein. Die 3D-Formen erhalten einen eigenen Messalgorithmus, der auf der Grundlage der gesammelten Profildaten erstellt wird. Der Laserscanner arbeitet hier mit höchster Geschwindigkeit und stellt die Daten direkt zur Auswertung und Visualisierung zur Verfügung.

Auch lose Lagerdichtungen können mithilfe des 3D-Laserscanners vermessen werden. Die Lager werden dafür gedreht. Die Messgeschwindigkeit ist wiederum sehr hoch, was die erforderliche Zeit für die Vermessung der Lager erheblich verkürzt.

Im Maschinenbau und in der Metallverarbeitung werden durch 3D-Laserscanner Stahlbleche vermessen, wobei es hier um die Wölbung derselben geht. Durch diese Messung wird festgestellt, wie gleichmäßig die Bleche sind. Sie werden mit einer hohen Geschwindigkeit am Messgerät vorbeigeführt. Die Messungen erfolgen in kleinen Intervallen, wobei Abtastraten von bis zu 64 kHz erreicht werden können.
Ein weiterer Einsatzbereich in der Industrie ergibt sich bei der Messung von Schweißnähten. Hier ist es sogar möglich, Schweißnähte auf runden Oberflächen abzutasten.

Durch den Einsatz der 3D-Laserscanner wird es möglich, die Anforderungen der verschiedenen Zielgruppen besser zu erfüllen. Es kommt generell darauf an, dass möglichst rasch Ergebnisse vorliegen und dass verschiedene Datenmodelle erstellt werden. Durch die exakte Vermessung können sehr genaue Dokumentationen erstellt werden, wobei für die Aufbereitung der Daten verschiedene Methoden und Softwares infrage kommen. Nicht selten werden die Laserscannings auch für Planungen eingesetzt, die in der Industrie ebenso vorkommen wie in der Architektur.

Innovative Dokumentationen

Durch den terrestrischen Laserscanner können die einzelnen Ebenen eines Werkstücks abgetastet und vermessen werden. So lassen sich die jeweiligen Teile in dreidimensionaler Form darstellen, was in der Projektbearbeitung für neue Möglichkeiten und Blickwinkel sorgt. Viele Bau- und Zubehörteile verfügen über keinerlei Vermessungspläne, was durch die einfache Vorgehensweise beim Laserscanning abzuändern ist. Die Teile können perfekt in CAD dargestellt werden, was die Basis für die weitere Bearbeitung der Werkstücke ist.

Das macht das terrestrische Laserscanning so besonders

Das terrestrische Laserscanning ermöglicht das Vermessen von Gegenständen, die dazu nicht einmal berührt werden müssen. Empfindliche Bauteile oder solche, an die nicht direkt heranzukommen ist, können damit vermessen und später dargestellt werden. Es ist nicht nötig, Messmarken anzubringen, denn Reflektoren werden nicht gebraucht. Im Grunde kann die Arbeit mit dem Laserscanner auf 3D-Basis mit dem Betätigen einer digitalen Fotokamera verglichen werden. Es wird ein Standpunkt festgelegt, danach erfolgt die Wahl von Blickpunkt und Bildausschnitt. Nun kann herangezoomt werden und es ist nur noch der Auslöser zu betätigen. Die Anwendung des 3D-Laserscanners ist damit nicht komplizierter als die Benutzung der Kamera.

Die dargestellten Werkstücke oder Bauteile können in Originalgröße abgebildet werden. Die Darstellung wird damit sehr realistisch möglich. Hierin unterscheidet sich das Laserscanning von der Fotogrammetrie. Diese verkleinert die Objekte zwingend und legt damit eine kleinere Bildmatrix fest. Außerdem werden die gemessenen Teile nur zweidimensional dargestellt. Beim Laserscannen können keine Verfälschungen vorkommen, gleichzeitig ist die Messung in Sekundenschnelle erledigt. Mehrere Tausende Messpunkte können pro Sekunde vermessen und dargestellt werden.

Binnen weniger Minuten entsteht damit ein realistisches Bild vom zu vermessenden Objekt. Dabei ist es stets möglich, das Objekt in seiner Gesamtheit zu vermessen, selbst wenn nur einzelne Messpunkte vorliegen und genutzt werden. Wenn von einem Standpunkt aus nur wenige Messpunkte nutzbar sind, weil vielleicht Überschneidungen vorliegen, so werden die gesammelten Daten referenziert. Sie werden dazu zueinander einer Referenzierung unterzogen oder werden in ein übergeordnetes Bezugssystem gebracht. Eine hohe Punktdichte sorgt dafür, dass am Ende ein vollständiges Objekt abgebildet werden kann.

Trotz aller Geschwindigkeit bei der Messung wird ein sehr genaues Bild erzielt. Die Abweichungen der Messdaten bewegen sich nur im Millimeterbereich. Dies wird als Messrauschen bezeichnet.

Messrauschen beim Scannen

Die einzelnen 3D-Laserscanner bieten eine unterschiedliche Distanz, auf der sie messen können. Das heißt, manche Geräte messen in einem Bereich von bis zu einem Meter Entfernung, andere können sogar noch Werkstücke oder Bauwerke vermessen, die sich 100 Meter entfernt befinden. Mit Zunahme der Entfernung tritt bei der Messdatenerfassung ein sogenanntes Messrauschen ein. Die Hersteller geben für ihre Laserscanner bekannt, in welchem Bereich sich welche Abweichungen einstellen können. Das heißt, bei einigen Geräten erfolgt die Messung eines Objekts, welches sich in 25 Meter Entfernung befindet, mit einer Genauigkeit von maximal zwei Millimeter Abweichung. Andere hingegen weisen ein höheres Messrauschen auf, hier betragen die Abweichungen bis zu fünf Millimeter. Es kommt daher gerade in der Industrie darauf an, Laserscanner mit geringem Messrauschen einzusetzen. Allerdings werden hier ohnehin in erster Linie Geräte verwendet, die nur für kurze Distanzen konzipiert wurden. Diese arbeiten überaus exakt und das Messrauschen tritt kaum auf.

Übrigens eignen sich die modernen Laserscanner auch für den Einsatz in Werkhallen oder in Räumen mit schlechten Lichtverhältnissen. Selbst in völliger Dunkelheit können die Laserscanner noch zuverlässige Bilder abliefern. Der Grund liegt darin, dass der Laserstrahl ausgesendet und vom Messobjekt zurückgeworfen wird. Nur das empfangene Licht wird für die Verarbeitung der Daten herangezogen. Dieses wird aber bei jedweden Lichtverhältnissen empfangen und ist nicht davon abhängig, wie die Umweltverhältnisse am Einsatzort des Scanners sind.

Fazit: In der Industrie bieten sich vielfache Möglichkeiten für den Einsatz von 3D-Laserscannern. Diese arbeiten mit höchster Genauigkeit und umweltunabhängig. Sie bieten die Möglichkeit, Oberflächenabweichungen zu erkennen, die mit anderen Messmethoden nicht darstellbar wären.

Terrestrische 3D-Laserscanner: Marktübersicht

Als terrestrisches Laserscanning wird das bildgebende und stationäre 3D-Verfahren bezeichnet, bei welchem Streckenmessungen laserbasiert vorgenommen werden. Dazu gibt es eine automatisierte Abfolge von Abtastschritten, die immer in gleichen Abständen vorgenommen werden und sowohl horizontale als auch vertikale Informationen umfassen. Hier entsteht ein regelmäßiges Raster, was wiederum eine flächenhafte Erfassung der Objekte ermöglicht. Damit unterscheidet sich das terrestrische Laserscanning von anderen Messverfahren.

Eingesetzt werden zwei verschiedene Bauformen der Laserscanner: zum einen die Kamera-Gesichtsfeld-Laserscanner, zum anderen die Panorama-Gesichtsfeld-Laserscanner. An dieser Stelle folgt ein Überblick über aktuelle Hersteller und deren Produkte.

1. Riegl: VZ400

Die effektive Messrate bei diesem Gerät liegt bei 125.000 Punkten pro Sekunde, was laut Hersteller eine Punktgenauigkeit von fünf Millimetern bei einer Distanz von einhundert Metern entspricht. Eine maximale Reichweite von 300 Metern ist möglich. Die Reflexivität beträgt 80 Prozent. Das horizontale Sichtfeld liegt bei 360°, das vertikale Gesichtsfeld beträgt 100°. Ausgestattet ist das Gerät mit einem GPS-Receiver sowie mit einem Anschluss für eine GPS-Antenne. Diese ist für die absolute Orientierung der Punktwolke wichtig. Integriert sind des Weiteren ein Zeitgeber für die Synchronisation mit den GPS-Daten und ein Neigungssensor. Außerdem gibt es oberseitig Auflageflächen, die für die hochpräzise Montage des Adapters einer hochauflösenden Kamera verwendet werden können. Die Besonderheit des VZ400 liegt in der Detektion von mehreren Objekten mit einem Laserpuls. Die Bedienung erfolgt über das 3,5 Zoll große Display.

2. Basis Software, Inc.: Surphaser 25HSX

Die Scangenauigkeit dieses Geräts ist vergleichsweise hoch und liegt bei 800.000 Punkten pro Sekunde. Die verschiedenen Ausführungen dieses Laserscanners unterscheiden sich bezogen auf die Reichweite und die Genauigkeit. Die verschiedenen Distanzbereiche sind „Short Range“ (0,5 bis 5 m), „Intermediate Range“ (0,8 bis 16 m), „Medium Range“ (1 bis 27 m) und „Extended Range“ (1,5 bis 38 m). Der Surphaser ist vor allem für industrielle Anwendungen im Nahbereich konzipiert worden. Er verfügt über ein 360° horizontales und 270 ° vertikales Gesichtsfeld. Mithilfe eines Laptops und der USB-Schnittstelle wird das Gerät betrieben. Hierüber erfolgt auch die Speicherung der Daten.

3. Callidus: CPW 8000

Die Scangeschwindigkeit dieses Geräts liegt bei 50.000 Punkten in der Sekunde, die Reichweite beträgt bis zu 80 Meter. Die Genauigkeit bei der Messung über Distanzen beträgt zwei Millimeter bei einem Ziel, welches sich 30 Meter entfernt befindet. Der Sichtbereich liegt bei 360° horizontal und 300° vertikal. Der Scanner kann bei 10 bis 50 °C Umgebungstemperatur eingesetzt werden. Außerdem ist die abgespeicherte Konfigurationsdatei autark einsetzbar. Gespeichert werden die Daten auf einem USB-Stick. Außerdem verfügt das Gerät über eine Schnittstelle für WLAN und Ethernet, damit kann es auch mit einem Laptop betrieben werden. Integriert ist eine Kamera, über die der Scanbereich ausgewählt werden kann.

4. Faro: Photon 80 und 20

Die Geräte Photon 80 und Photon 20 unterscheiden sich lediglich in Bezug auf ihre Reichweite. Der Photon 80 kann von 0,6 bis 76 Meter eingesetzt werden, der Photon 20 von 0,6 bis 20 Meter. Die Scangeschwindigkeit beträgt bis zu 120.000 Punkte in der Sekunde, das Gesichtsfeld beträgt 360° horizontal und 320 ° vertikal. Der Laserscanner ist als autarkes System einsetzbar und kann die gesammelten Daten auf der 80 Gigabyte Festplatte speichern, die integriert ist. Außerdem kann der Laser über Ethernet und WLAN gesteuert werden. Optional ist eine hochauflösende Kamera erhältlich. Diese erlaubt fotogrammetrische Anwendungen, die mit dem Laserscanning kombiniert werden.

5. Zöller und Fröhlich: Imager 5006i

Weit verbreitet war der 5006 Laserscanner, dieser wurde mit dem 5006i weiterentwickelt. Neu ist hier die WLAN-Schnittstelle, die der Vorgänger noch nicht besitzt. Außerdem gibt es die Möglichkeit, eine hochauflösende Digitalkamera mit dem Laser zu kombinieren. Vorteilhaft ist vor allem das geringe Messrauschen, auch ein großer Temperaturbereich, bei dem der Laserscanner betrieben werden kann, ist positiv anzumerken. Die maximale Scangeschwindigkeit beträgt 506.000 Punkte in der Sekunde, die Reichweite wird mit bis zu 79 Metern angegeben.

Das bereits erwähnte Messrauschen liegt bei einer Entfernung des Ziels von 25 Meter und einer mit 20 Prozent angegebenen Reflexivität der Oberfläche bei 2,5 Millimeter. Das Sichtfeld beträgt 360° horizontal und 310° vertikal. Der Betrieb des Geräts erfolgt über das integrierte Display, was den Laserscanner autark werden lässt. Die Daten können auf der Festplatte gespeichert werden, die im Laser integriert ist und eine Größe von 60 Gigabyte aufweist. Über den USB-Anschluss ist jedoch auch das externe Speichern möglich. Außerdem ist die Steuerung und Auslesung über Ethernet und WLAN durchführbar.
Der Hersteller bietet verschiedene Möglichkeiten für die Anwendung einer hochauflösenden Kamera an, die gemeinsam mit dem Scanner betrieben werden kann. So ist eine motorisierte Kamera für die Echtzeiteinfärbung der Punktwolke erhältlich.

6. Site: 4400 LR

Der 4400 LR bietet eine Geschwindigkeit von 4400 Punkten pro Sekunde, die Reichweite beträgt bis zu 700 Meter. Das Sichtfeld wird mit 360° horizontal und 80° vertikal angegeben. Ein 700 Meter entfernter Punkt kann noch mit einer Genauigkeit von 50 Millimetern vermessen werden. Durch einen Handheld Controller, der extern angeschlossen wird, ist das Gerät steuerbar. Die Verbindung dazu erfolgt über Ethernet. Außerdem ist es möglich, einen GPS-Receiver anzuschließen. Integriert ist bereits eine Kamera mit 37 Megapixeln, die das Einfärben der Punktwolke ermöglicht.

7. Leica: Scan Station 2

Die Reichweite dieses 3D-Laserscanners beträgt 300 Meter, die Scanrate erreicht bis zu 50.000 Punkte pro Sekunde. Dabei ist das die Scan Station 2 in der Lage, eine Streckengenauigkeit von vier Millimetern bei einer Distanz über 50 Meter einzuhalten. Das Sichtfeld wird mit 360° horizontal und 270° vertikal seitens des Herstellers angegeben. Die Bedienung erfolgt über einen Laptop, der über die Ethernet-Schnittstelle mit dem Laserscanner verbunden ist.

Ein weiteres Modell ist der HDS 6000, der von der Firma Zöllner und Fröhlich entwickelt wurde, aber zur Familie der Leica Geosystems gehört. Das Gerät ist bauähnlich mit dem Imager 5006. Die maximale Reichweite beträgt hier 79 Meter, die höchste Geschwindigkeit liegt bei 500.000 Punkten pro Sekunde.

Die Distanzgenauigkeit beträgt vier Millimeter bei einem Ziel, welches 25 Meter entfernt ist und bei einer Oberfläche mit einer 90prozentigen Reflexivität. Das Sichtfeld beträgt 360° horizontal und 310° vertikal. Der Scanner kann autark eingesetzt werden und wird über das integrierte Display bedient. Außerdem ist eine Fernsteuerung möglich, hierfür wird die Bluetooth-Technik verwenden. Über diese Schnittstelle ist die Bedienung per Laptop durchführbar. Das Gerät kann dank der integrierten Lithium-Ionen – die sich inzwischen bei fast allen 3D-Laserscannern durchgesetzt haben – rund eineinhalb Stunden betrieben werden. Die Leistungsaufnahme beträgt hier 50 Watt. Werden externe Batterien verwendet, so ist eine Betriebsdauer von bis zu vier Stunden möglich.


Bildnachweis: © Zoller + Fröhlich GmbH

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