Das Arbeitsablauf vom ersten Entwurf zu CAD kann mit Artec 3D-Scanning von Wochen auf Stunden verkürzt werden

Von Paul Hanaphy

3D-Scanner

Herausforderung: Nutzung bestehender Produktdesigns ohne Zugriff auf die ursprünglichen CAD-Daten, die entweder verloren gegangen oder beschädigt sind beziehungsweise einfach nicht in digitaler Form vorliegen.

Lösung: Artec Leo, Artec Space Spider, Artec Studio, Geomagic Design X

Ergebnis: 3D-Modelle von Möbeln mit allen Details, wie sie für den Aufbau von Oberflächen und die Erstellung neuer Teile, die in Baugruppen passen, erforderlich sind. In einem Fall konnte der US-Möbelgigant Kimball durch die Digitalisierung des Gestänges eines verstellbaren Sessels in allen seinen verschiedenen Einstellungen Teile entwickeln, die in Systeme eines Drittanbieters passen. Sämtliche Arbeitsschritt, die früher zwei Wochen in Anspruch genommen hätten, konnten in weniger als 24 Stunden abgeschlossen werden.

Warum Artec 3D? Die Umstellung vom roboterarmgestützten 3D-Scannen auf Artec Leo, einem vielseitigen kabellosen Gerät, erhöht die Flexibilität und ermöglicht die Überprüfung der Scans in Echtzeit, so dass die Nutzer alle wichtigen Details mit einem einzigen Scan erfassen können. Zum Erreichen noch höherer Präzision kann zusätzlich noch mit Artec Space Spider erfasst werden, bevor die Daten in Artec Studio mit Leo Scans zusammenführt, in Design X in CAD konvertiert und danach iteriert oder in 3D gedruckt werden können.

Alex Mlsna von Kimball International beim 3D-Scannen mit Artec Leo. Bild mit freundlicher Genehmigung von Kimball International

Diese Frage mag Ingenieuren in allen Branchen mehr als bekannt sein, doch sie ist nach wie vor sehr wichtig: Wie kann man etwas zurückentwickeln, wenn die ursprünglichen CAD-Konstruktionsdaten nicht verfügbar sind?

Dies ist ein besonderes Problem, wenn es um historische Teile geht, von denen einige noch aus der Zeit vor der 3D-Modellierung stammen – das heißt sie wurden noch auf Papier skizziert, waren danach dem Verfall ausgesetzt oder gingen in der Zwischenzeit gänzlich verloren. Da derweil die Globalisierung die Welt immer weiter verkleinert, haben die Hersteller die Produktion vieler Teile ausgelagert, so dass eine nahtlose gemeinsame Nutzung von Konstruktionsentwürfen umso wichtiger geworden ist.

Bei Kimball International, einem Hersteller von Möbeln für den Arbeitsplatz, das Gesundheitswesen, das Bildungswesen und das Gastgewerbe, trafen all diese Herausforderungen zusammen und drohten Produkteinführungen zu verzögern.

Bei der Entwicklung eines Sessels für medizinische Untersuchungen stellte das Unternehmen fest, dass es Teile für einen von einem Drittanbieter hergestellten Satz von Stahlhebeln anfertigen musste. Dies bedeutete, dass das Team Zugriff auf die Konstruktionsdateien der betreffenden Bauteile benötigte. Der Zulieferer war zwar bereit, diese zur Verfügung zu stellen, allerdings nur als PDF-Zeichnung und nicht in Form der für die schnelle Iteration erforderlichen 3D-Konstruktionsdaten.

Um den Bausatz so zu digitalisieren, dass die Produkteinführung nicht verzögert würde, waren Präzision, Geschwindigkeit und Flexibilität auf höchstem Niveau gefragt. Da die vorhandene Technik dieser Aufgabe nicht gewachsen war, schaute sich das Team die Scanner Artec Leo und Artec Space Spider genauer an – und wurde für seine Mühen schnell belohnt.

Kürzere Vorlaufzeiten mit Leo

Als Kimball International zum ersten Mal mit dem 3D-Scannen begann, geschah dies mit der Absicht, Produkte ohne die Verwendung von Zielmarken zu erfassen, da deren Anwendung kostspielig und zeitaufwändig ist. Aus diesem Grund entschied sich das Team für einen an einem Roboterarm befestigten Laserscanner, der zwar brauchbare Daten erfasste, aber aufgrund der statischen Unterlage des Systems in seiner Bewegung eingeschränkt und schmerzhaft langsam war.

Der Hauptsitz von Kimball International in Jasper, Indiana. Bild mit freundlicher Genehmigung von Kimball International

Als sie Artec Leo, ein völlig kabelloses Gerät, das bis zu 35 Millionen Datenpunkte pro Sekunde erfassen kann, entdeckt hatten, wandten sich die Spezialisten sofort an Digitize Designs, um den Scanner zu erwerben.

Und seitdem der Artec Ambassador das Team von Kimball International auf den Weg gebracht hat, läuft alles wie am Schnürchen. Mit Artec 3D-Scannern können sämtliche Digitalisierungsaufgaben bewältigt werden, sodass der am Roboterarm befestigte stationäre Scanner nur noch für die Qualitätskontrolle zum Einsatz kommt. Die leistungsstarke Erfassung und die Echtzeit-Anzeige von Leo ermöglichten gigantische Fortschritte in Schnelligkeit und Effizienz – denn der medizinische Stuhl war in weniger als 24 Stunden vollständig erfasst und modelliert.

„Was uns an Leo wirklich gefällt, ist die Fähigkeit, einzelne Merkmale wiederzuerkennen, wenn das Gerät einmal die Spur verloren haben sollte“, sagt Alex Mlsna, Technical Services Manager bei Kimball International. „Da das Gerät kabellos ist, kann man sich auch frei bewegen und in Echtzeit sehen, was man gerade scannt. Man kann den Scanner sogar mit einer IP-Adresse verknüpfen, so dass man die Anzeige von Leo auch auf größere Bildschirme übertragen kann.“

„Ursprünglich hatten wir vier Treffen mit Vorführungen vorgesehen, wir sind also sehr wählerisch. Doch als wir Artec Leo sahen, setzte er sich locker gegen seine drei Hauptkonkurrenten durch.“

Der Verstellmechanismus des Stuhls, den Kimball International 3D-gescannt hat. Bild mit freundlicher Genehmigung von Kimball International

Das Werk von Kimball International in Indiana, USA, war bereits mit einer Vielzahl moderner Technologien ausgestattet, so dass es nur eine Frage der Zeit war, bis man von der Digitalisierung zum 3D-Druck von Endteilen übergehen konnte.

Das Designteam wusste, dass es dafür möglichst präzise erfasste Daten brauchte. Deshalb kam auch Artec Space Spider zum Einsatz. Space Spider ist ein Gerät von metrologischer Qualität und einer Genauigkeit von 0,05 mm, mit dem sie noch detailliertere, höher aufgelöste Datensätze, die sich ideal für die 3D-Modellierung und das selektive Lasersintern (SLS) oder den Binderjet-3D-Druck eignen, erfassen können.

Was mit dem 3D-Druck von Werksendmaßen, Vorrichtungen und Ersatzwerkzeugen begann, entwickelte sich schnell zu einem wichtigen Bestandteil regelmäßiger Arbeitsabläufe bei Kimball International. Tatsächlich werden jetzt viele Prototypen für Haltbarkeits- und Strukturtests in 3D gedruckt, wobei die gleiche Technologie zur Herstellung von nicht weniger als 28 Teilen der an Kunden verkauften Endprodukte verwendet wird.

„Wir wussten, dass wir ein Gerät brauchten, das eine noch höhere Auflösung hat und auch die kleinsten Details erfassen kann, also haben wir uns einen Space Spider zugelegt", erklärt Mlsna. „Er hat sich als sehr nützlich erwiesen, da wir viele Teile digitalisieren, sie modifizieren und dann auf unseren 3D-Maschinen produzieren. Es gibt eigentlich nicht viel, was wir nicht in 3D drucken können. Jedenfalls nichts, was ich 3D-gescannt habe.“

Der Weg vom Scan zum CAD

Unabhängig davon, ob sie jeweils nur Leo verwendet oder ein Objekt auch mit Space Spider erfasst haben, beginnt die Nachbearbeitung bei den Spezialisten von Kimball International mit der globalen Registrierung, die mit einem einzigen Mausklick in Artec Studio durchgeführt wird. In Fällen, in denen Scans von beiden Geräten vorliegen, ermöglicht dieser Prozess die Zusammenführung der betreffenden Scans zu unglaublich detaillierten Polygonnetzen, die aus den Daten mit der jeweils höchsten verfügbaren Auflösung erstellt werden.

Scan eines medizinischen Liegestuhls von Kimball auf Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung von Kimball International

Für die Feinabstimmung der 3D-Datensätze verwendete Mlsna nach eigenen Angaben früher den intuitiven Autopiloten von Artec Studio, der die jeweils idealen Datenverarbeitungs-Algorithmen für den Nutzer auswählt. Nachdem er sich aber mit den Feinheiten der Software vertraut gemacht hatte, verarbeitete er die Daten zunehmend manuell. Da aber generell wenig Bereinigung erforderlich ist, reicht es in der Regel aus, die Polygonnetze direkt an Geomagic Design X zu senden.

Die Auto-Surfacing-Tools des leistungsstarken Reverse-Engineering-Programms ermöglichen es dem Nutzer, feature-basierte CAD-Modelle zu erstellen und (falls erforderlich) STL-Dateien für den 3D-Druck zu exportieren. Mlsna hatte zwar schon vorher mit Design X gearbeitet, war aber angenehm überrascht, wie einfach es ist, Artec 3D-Scans in diesen Arbeitsablauf einzubinden und ihn zu beschleunigen – die Zeit für die 3D-Modellierung wurde um 60 % reduziert.

„Artec Studio leistet sehr gute Arbeit bei der Nachbearbeitung und der Vorbereitung des Polygonnetzes für die Verwendung mit Oberflächenwerkzeugen“, so Mlsna. „In der Vergangenheit musste ich oft Modelle [vor dem Export] bereinigen, aber jetzt muss ich das nicht mehr - was ein echtes Kompliment an die Arbeit von Artec ist.“

Das nächste Ziel: Modellierung von Fertigungszellen?

Wie geht es nun weiter mit Kimballs 3D-Scanner-gestütztem Digitalisierungsworkflow, nachdem das Design des verstellbaren Gesundheitsstuhls entwickelt, hergestellt und auf den Markt gebracht wurde?

Kimballs fertiger verstellbarer medizinischer Stuhl. Bild mit freundlicher Genehmigung von Kimball International

Die Bemühungen des Unternehmens im Bereich der Produktdigitalisierung gehen weiter, und die lebensechten 3D-Darstellungen werden nun auch in den Marketingmaterialien des Unternehmens verwendet. Nun erwägt das Unternehmen die Erschließung eines neuen Bereichs: Das Entwerfen von Fertigungszellen. Da dieser Prozess immer noch auf 2D-CAD-Layouts beruht, die für die Beurteilung der Ergonomie nicht besonders geeignet sind, sieht Mlsna hier ein weiteres Potenzial für sein Unternehmen.

„Wir sind noch nicht so weit, wir könnten uns noch weiterentwickeln, aber insgesamt ist das 3D-Scannen mit Artec für uns von großem Wert, weil sich unsere nicht mehr nur auf das Digitalisieren beschränken“, schließt Mlsna. „Wir sind jetzt in der Lage, die Produktentwicklung mit etwas zu unterstützen, das in einer CAD-Datei gar nicht vorhanden ist. Das ist echtes Reverse Engineering.“