Mit Artec 3D-Scanning neue Höhen erklimmen: Inspektion einer acht Meter hohen Flutmauer

Der 3D-Scanner Ray ll von GoMeasure3D in der Nähe der Flutmauer in Richmond, Virginia. Bild mit freundlicher Genehmigung von GoMeasure3D

Am 19. Juni 1972 geschah etwas, das Richmonds Hafenviertel für immer verändern sollte. Als der Hurrikan Agnes über die US-Küste hinwegfegte, trat der nahe gelegene James River über die Ufer und löste Überschwemmungen in den Gemeinden, auf den Autobahnen und entlang der Eisenbahnlinien in der Stadt aus.

Allein in Virginia verursachte dies Straßenschäden in Höhe von 14,8 Millionen Dollar (oder 110 Millionen Dollar nach heutigem Kurs), und auch Häuser, Abwassersysteme und andere Infrastrukturen mussten repariert werden. Vier Menschen verloren ihr Leben, nachdem ihr Auto von den Fluten weggeschwemmt worden war. Doch erst als 1985 eine weitere große Überschwemmung geschah, änderten die örtlichen Behörden ihre Strategie und führten neue Präventivmaßnahmen ein.

Schon bald begannen die Arbeiten an einer massiven Flutmauer, die sowohl das Nord- als auch das Südufer des James River abdeckte. Zehn Jahre später war sie fertig, und auch als der Blizzard von 1996 den Fluss auf 6,7 Meter ansteigen ließ, hielt die Barriere stand – und das tut sie seither.

Dennoch ist die Region nach wie vor stark gefährdet, und die Mauer selbst wurde nie wirklich gewartet. Wie können wir also sicher sein, dass sie Richmond, eine Industriestadt mit 230.000 Einwohnern und unersetzlicher historischer Architektur aus der Kolonialzeit, weiterhin standhaft verteidigen wird?

Hier nun kommt der Gold-zertifizierte Artec 3D Partner GoMeasure3D ins Spiel. Nachdem das Unternehmen gerade einen neuen 3D-Scanner des Typs Artec Ray II in die Hände bekommen hatte, testete es diesen umgehend und verband ihn mit dem kabellosen Artec Leo, um schnell alle für eine präzise Inspektion erforderlichen Daten zu erfassen.

Ray II: „Ein Sprung nach vorn“ beim 3D-Scannen

Das ehrgeizige 3D-Scanning-Projekt von GoMeasure3D begann damit, dass sich Art Pekun, Anwendungsingenieur und selbst aus Richmond stammend, mit Ray II in der Hand auf die Baustelle begab. So sehr er sich auch darauf freute, das neue LiDAR-Gerät vor Ort zu testen, so schnell wurde ihm das Ausmaß der Herausforderung, der er sich stellen wollte, klar.

Scandaten des Richmond Flutwalls von GoMeasured3D. Bild mit freundlicher Genehmigung von GoMeasure3D

Noch bevor er den Fußweg verlassen, identifizierte Art die Brücke, die das Sperrwerk überblickt, und den Fußgängerverkehr auf den umliegenden Straßen als potenzielle Ursachen für Störungen des GPS-Trackings und Bewegungsunschärfe. Und dann war da noch die schiere Größe – denn nicht viele Geräte bieten das Echtzeit-Feedback, die Reichweite und die Akkulaufzeit, die erforderlich sind, um ein so großes Sperrwerk aus mehreren Blickwinkeln in einem einzigen Arbeitsablauf zu erfassen.

Doch nachdem er Ray II auf seinem leichten Stativ befestigt hatte, wurde Art schnell klar, warum Gerät eine so wertvolle Ergänzung des Sortiments von Artec 3D ist. Mit dem eingebauten Display und der Verfolgung ohne Zielmarken ist die Einrichtung in Sekundenschnelle erledigt, während das visuelle Trägheitssystem (VIS) des Geräts sicherstellt, dass dieses immer weiß, wo es gerade ist.

In diesem Fall war es dank des VIS schnell und einfach möglich, die Mauer aus neun verschiedenen Winkeln zu digitalisieren und alle Anzeichen von Schäden zu erfassen, wobei die Ausrichtungspunkte in einem Schwung erstellt wurden. Laut Paul Motley, COO von GoMeasure3D, ermöglichte Ray II eine ultrapräzise Datenerfassung in 20 Minuten, was nicht nur beeindruckend ist, sondern bisher einfach nicht möglich gewesen wäre.

Das integrierte Display von Ray II zeigt an, dass der fertige 3D-Scan nur noch Sekunden entfernt ist. Bild mit freundlicher Genehmigung von GoMeasure3D

„Vor Ray II hätten wir das wahrscheinlich nicht einmal versucht, weil all diese Herausforderungen zwar zu bewältigen, aber exponentiell schwieriger gewesen wären“, erklärt Paul. „Wie soll man ohne Ausrichtungsverfolgung Daten zusammenführen? Allein die Vorstellung, von einer Seite der Flutmauer auf die andere zu gelangen, wäre schon sehr schwierig gewesen.“

„In der Vergangenheit hätten wir so etwas wahrscheinlich nicht einmal im Entferntesten in Erwägung gezogen. Aber mit all seinen leistungsstarken Funktionen ist Ray II ein echter Sprung nach vorn.“

Als es darum ging, die Tore der Flutmauer, zu denen auch kompliziertere Bereiche mit deutlichen Rostspuren gehörten, zu inspizieren, setzte Art Artec Leo ein. Und obwohl „Schleifen“-Scans an beiden Enden schwierig abzugleichen sein können, stellte er fest, dass die Texturverfolgung des Geräts derart effizient ist, dass auch dies kein Problem mehr darstellte.

Durch die Zusammenführung des hochpräzisen Leo Scans mit den Daten aus Ray ll ist es laut Art möglich, mehrfach Polygonnetze aus Abbildungen unterschiedlicher Auflösungen zu erstellen, um auch die kleinsten Merkmale für eine eingehende Analyse zu erfassen. In Fällen, in denen man beispielsweise die Dichtungseigenschaften von Toren beurteilen muss, könnte dies die entscheidenden Daten darüber liefern, ob eine Wand effektiv oder undicht ist. Detaillierte Daten waren also unabdingbar.

Eines der Hochwasserschutztore bei der ersten Analyse in Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung von GoMeasure3D

„Ray II eignet sich großartig, um Positionen und Messungen zu erhalten, doch mit Leo kann man näher herangehen und einen detaillierteren Bezugsrahmen erhalten“, sagt Art. „Jeder wünscht sich, dass ein einziger Scanner absolut alles abdecken kann. Das gibt es zwar noch nicht, doch die Art und Weise, wie Artec Studio die Daten mit Smart Fusion kombiniert, ist etwas, das ich noch bei keiner anderen Software gesehen habe.“

Inspektion der Flutmauer von Richmond

Bei der Datenverarbeitung mit Artec Studio begann das Team mit der Triangulierung der Daten und nutzte den Algorithmus Globale Registrierung des Programms, um alle Scans mit einem Klick auszurichten. Zur Vereinfachung und Verkleinerung des Polygonnetzes wurden dann alle nicht benötigten Bilder entfernt, bevor das Polygonnetz in drei Schichten unterteilt wurde: die Brücken, die Straße und die Mauer selbst.

Nach der Optimierung wurde dieses Polygonnetz mit den Qualitätsprüfungswerkzeugen von Artec Studio analysiert. Mithilfe der Abstandsmessung konnten Abweichungen durch den Vergleich von Merkmalen festgestellt werden, während sich die Anpassungsebenen als ideal für die Messung der Ebenheit und die Analyse, ob sich die Oberflächen zu einer Dichtung schließen könnten, erwiesen.

Der vollständige 3D-Scan der Hochwasserschutzwand in Artec Studio. Bild mit freundlicher Genehmigung von GoMeasure3D

Zur genaueren Prüfung öffneten die Spezialisten den Scan später in Geomagic Design X, einer Reverse-Engineering-Software mit zahlreichen Werkzeugen zur Erstellung von merkmalsbasierten CAD-Modellen aus Scandaten. Paul sagt, man habe schnell herausgefunden, dass die Segmentierungswerkzeuge besonders nützlich sind, da sie „komplexe Teile nehmen und sie auf grundlegende Formen reduzieren“, und zwar auf eine Art und Weise, welche „die Zeitersparnis erheblich erhöht“.

Danach war es möglich, all die verschiedenen Formen in brauchbare CAD-Objekte umzuwandeln, indem sie mit Design X SOLIDWORKS LiveTransfer in SOLIDWORKS exportiert wurden. Dabei wurde nicht nur die gesamte Arbeit übertragen, sondern auch alle parametrischen Beziehungen beibehalten, um sicherzustellen, dass die ursprünglichen Daten erhalten blieben.

Nachdem das Polygonnetz in Fangstrukturen zerlegt, auf denen man aufbauen oder die man genauer untersuchen konnte, worden war, wurde alles in Geomagic Control X exportiert. Dort ermöglichten die Funktionen zur Abweichungsanalyse, wie etwa die organische Oberflächenanpassung, dem GoMeasure3D-Team die schnelle Identifizierung von potenziell problematischen Verformungen, bevor man Tiefe, Volumen und Materialverlust analysierte.

„Bei Betonstrukturen ist es nicht so, dass man genau sehen kann, ob sie mit der CAD-Zeichnung übereinstimmen. Wir suchen nach Erosion, Lochfraß, Verformung - also nach physischen Schäden“, fügt Paul hinzu. „Die organische Oberflächenanpassung, die ziemlich einzigartig für Control X ist, gibt Ihnen die Möglichkeit, das Volumen der Defekte zu finden und dies als Referenzrahmen zu verwenden, um zu sehen, wie strukturell solide die Objekte sind.“

„Sobald man die Fehlerstellen identifiziert hat, kann man sehen, ob es eine Häufung in einem bestimmten Bereich gibt, und bei Bedarf sagen: 'Wir müssen eine Reparatur durchführen'.“

Analyse der Abweichung des Hochwasserschutzes in Richmond, durchgeführt in Geomagic Control X. Bild mit freundlicher Genehmigung von GoMeasure3D

Ein „extrem einfach“ zu übernehmender Arbeitsablauf

Der Ablauf vom Scan zur Inspektion bei GoMeasure3D mag ein paar Schritte erfordern, doch mit intuitiven Ausrichtungs- und Scan-to-CAD-Tools (sowie ein wenig Übung) kann er laut Paul „extrem einfach“ werden.

Er und seine Kollegen fanden zwar keine beunruhigenden Abweichungen bei den Hochwasserschutzwänden, aber sie konnte vorführen, wie die Methode auch anderswo eingesetzt werden kann. Ihr Arbeitsablauf eignet sich ideal für die Erfassung präziser, detaillierter Daten für Inspektion, Qualitätskontrolle und Wartung in einer Reihe anderer Anwendungen, darunter industrielle Fertigung, Bergbau und Luft- und Raumfahrt.

„Bei diesem Arbeitsablauf werden keine CAD-Daten benötigt, so dass er mit vielen anderen Anwendungen im Bauwesen korreliert“, so Paul abschließend. „Es besteht eine große Nachfrage in der Nukleartechnik und in anderen Bereichen, in denen die Integrität von Betonstrukturen geprüft und im Laufe der Zeit überwacht werden muss. Es gibt also einen riesigen Markt für diese scheinbar einfachen, aber tatsächlich recht komplexen Inspektionen.“

„Einige wollen eine Genauigkeit von 10 bis 20 Mikrometern, anderen ist es vielleicht egal, ob es weniger als ein Zoll ist, aber die gleichen Prinzipien gelten für die Inspektion von Turbinenschaufeln bis hin zu Hochwassermauern.“

Letztendlich, so Art, zeigt das Projekt die „bemerkenswerten Fähigkeiten“ moderner Scanner als Werkzeug zur Erhöhung der Sicherheit und Effizienz bei der Wartung. Das Projekt unterstreicht nicht nur die Bedeutung der Technologie für die Instandhaltung der Hochwasserschutzmauer von Richmond, sondern auch ihr Potenzial für Anwendungen in verschiedenen Branchen.