Mit Artec Leo und Ray werden für den Bergbau Lösungen entwickelt, die alle Erwartungen übertreffen

Von Paul Hanaphy

3D-Scanner

Herausforderung: Entwicklung von Lösungen für den Bergbau, die sich nahtlos in die bestehende Infrastruktur einfügen, ohne dass mehrere Besuche an entlegenen Standorten erforderlich werden und stundenlange manuelle Messungen vorgenommen werden müssen.

Lösung: Artec Leo, Artec Ray, Artec Studio, Geomagic Design X, SOLIDWORKS

Ergebnis: Die Entwicklung eines „virtuellen Arbeitsablaufs“ zur testweisen Anpassung, der sicherstellt, dass industrielle Plattformen, Böden, Rohrleitungen und andere Teile für den Bergbau vor der Lieferung in die bestehende Infrastruktur passen wurden. Durch die Umstellung auf 3D-Scanner konnten die Vorlaufzeiten für die Datenerfassung um zwei Drittel verkürzt und Konstruktionsfehler aufgrund von möglichen Passformeinschränkungen drastisch reduziert werden.

Warum Artec 3D? Artec Leo ist kabellos, wendig und Nutzerfreundlich – er eignet sich ideal für die genaue Datenerfassung von Aufzügen oder Gerüsten. Artec Ray hingegen glänzt bei der Vermessung großer Flächen, eta von Bergwerksschächten. In der Software Artec Studio kann schließlich mit nur einem Mausklick in Design X/SOLIDWORKS exportiert werden.

Titan Engineered Solutions wartet Technik, wie Plattformen für Bergwerke, an abgelegenen Standorten. Bild mit freundlicher Genehmigung von Titan Engineered Solutions

Wie jeder produzierende Betrieb ist auch der Bergbau auf eine Reihe schwerer Maschinen und robuster Ausrüstungen angewiesen, um zu funktionieren. Es ist jedoch leichter gesagt als getan, Anlagen und Abbaustätten beständig mit höchster Effizienz zu betreiben.

Da Bergwerke in der Regel in entlegeneren Gebieten liegen, verbringen Ingenieure häufig Stunden allein damit, zu den Anlagen zu fahren und dort manuelle Messungen vorzunehmen. Diese Arbeiten bergen zudem ein erhebliches Risiko, da manuelle Messungen eher zu menschlichen Fehlern, unvollständiger Datenerfassung und der Notwendigkeit wiederholter Fahrten zur Bestätigung der Abmessungen führen können. Dennoch galt diese beste Praxis bislang als weitgehend alternativlos.

Viele Bergwerke verlassen sich zudem auf veraltete Komponenten, um ihren Betrieb auf einem optimalen Niveau zu halten. Der Austausch vorhandener Ausrüstung kann zu störenden Ausfallzeiten führen, wenn Demontagen und manuelle Messungen durchgeführt werden müssen. Lässt man aber zu, dass Komponenten irgendwann komplett ausfallen, erhöht sich die Ausfallzeit noch einmal drastisch und die Rentabilität des Bergwerks sinkt.

Bergwerke sind oft mit Maschinen ausgestattet, die mit veralteten Teilen repariert werden müssen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Titan Engineered Solutions

Was die Lösung derartiger Probleme angeht, ist Titan Engineered Solutions in seiner Branche führend. Das Unternehmen ist mittlerweile in der Lage, innovative technische Lösungen anzubieten, die proaktiv und schnell anwendbar sind und für die Kunden geringere Ausfallzeiten und höhere Effizienz ermöglichen.

In der Vergangenheit hatte Titan bei Kundenanfragen ein Team von Ingenieuren noch direkt an Ort und Stelle entsandt. Später arbeitete das Unternehmen jedoch eng mit Artec Ambassador Rapid Scan 3D zusammen, um seinen Arbeitsablauf zu überarbeiten. Titan ist nun nicht mehr auf manuelle Messungen angewiesen, sondern kann einen einzigen Techniker mit Artec Leo und Artec Ray losschicken, um nahezu alle geometrischen Eigenschaften, die vor Ort vorhanden sind, genau erfassen.

„Selbst wenn es das Produkt noch gar nicht gibt, können wir die aus einem 3D-Scan gewonnenen Maße verwenden, um das Teil anzupassen und es auf 1,6 mm genau anzufertigen“, erklärt Brandon Koch, Geschäftsführer von Titan. „Wir fertigen zum Beispiel maßgeschneiderte Rohre an und können sicherstellen, dass diese passen werden, ohne vorher mehrere mühsame manuelle Messungen vornehmen zu müssen.“

Artec Ray vor Ort, bereit zur Erfassung von 3D-Scans. Bild mit freundlicher Genehmigung von Titan Engineered Solutions

Vermessung des Bergwerks für die erstmalige Anpassung

Der Weg von Titan zum 3D-Scannen begann mit einem einwöchigen Schulungskurs bei Rapid Scan 3D in North Carolina. Seitdem hat das Unternehmen gelernt, den wendigen, kabellosen Leo zu bedienen und ihn gekonnt an Bergbaustandorten im Südwesten der Vereinigten Staaten einzusetzen. Koch lobt vor allem das integrierte Format und die Click-to-Scan-Funktionalität des Geräts: „Man kann es nicht wirklich vermasseln.“

„Man schaltet ihn einfach ein, zielt und drückt ab. Er ist sehr nutzerfreundlich und einfach zu bedienen“, so Koch weiter. „Man sieht auf dem Bildschirm, was man scannt, und kann direkt so sicherstellen, dass man ausreichend gute Daten hat. Im Nachhinein kann man immer überlegen: Habe ich diesen Bereich gescannt? Wenn die Daten besonders wichtig sind, scannt man einfach noch einmal.“

Angesichts der schieren Größe der meisten Bergbauanlagen erkannte Titan, dass auch eine Lösung zur Datenerfassung mit noch größerer Reichweite benötigt wurde. Nachdem sie Ray bei einem Kunden in Aktion gesehen hatten, investierten die Spezialisten bei Titan ihr eigenes Gerät. Die Ergebnisse waren beeindruckend, denn auch große Anlagen wurden schnell und mit einem hohen Maß an Genauigkeit vermessen.

Artec Ray, auf einem ausgefahrenen Stativ, erfasst ein großes Stück Rohrleitung zur Analyse. Bild mit freundlicher Genehmigung von Titan Engineered Solutions

Kürzlich dauerte die Erfassung des Bodens für eine Kupfermine mit Ray nur eine Stunde, während sie vorher drei bis sechs Stunden in Anspruch genommen hätte. Laut Jonathan Turner, einem Ingenieur bei Titan, konnten mit dem neuen Ansatz auch Details erfasst werden, die bei einer groben Vermessung von Hand übersehen worden wären, und zudem eine reibungslose Verlegung sichergestellt werden, was bisher schwieriger gewesen wäre.

„Wir waren in der Lage, den gesamten Boden auf der Grundlage dieses Scans neu zu erstellen“, so Turner. „Bei der manuellen Vermessung erhält man grobe Maße, die hoffentlich passen werden, während man bei einem 3D-Scan genau weiß, dass es passen wird. Dank des Scans konnten wir den neuen Boden perfekt verlegen.“

Prüfen von Toleranzen mit Design X

Mit den 3D-Scannern stieg Titan auch in das Reverse Engineering ein, um Teile anzupassen und sicherzustellen, dass sie die Toleranzen einhalten werden. Dazu werden eine Abweichungsanalysen durchgeführt.

Nachdem die gewünschten Scans mit Leo oder Ray erfasst worden sind, beginnt das Team mit der Bearbeitung in Artec Studio. Wenn erst nicht benötigte Daten gelöscht sind, ist die Verschmelzung mehrerer Datensätze ein Kinderspiel, und das entstandene Modell kann sofort in Geomagic Design X exportiert werden.

In Design X ist es danach möglich, für kritische Teilebereiche „Regionen“ zu erstellen. Bei der Konstruktion benutzerdefinierter Rohrleitungen wird beispielsweise darauf geachtet, dass die Enden der einzelnen Rohre in bestehende Netze passen. Zu diesem Zweck werden die geometrischen Maße skizziert, in Scan-basierte CAD-Körper umgewandelt und die Bedingungen (beziehungsweise die Einschränkungen, die den Entwurf beeinflusst haben) ermittelt.

Anschließend werden die Rohrleitungen in SOLIDWORKS exportiert, wo die Beschränkungen zur Konstruktion vollständiger Modelle verwendet werden. Nach dem Abgleich können die Rohrleitungsmodelle (oder andere Ergebnisse von Nachkonstruktionen) an Design X zurückgegeben werden, wo die Hitzekarten-Funktion des Programms das Überlagern von CAD-Daten, das Auffinden von Abweichungen und die Einhaltung von Installationstoleranzen erleichtert.

Ein komplexer Rohrabschnitt wird in Geomagic Design X mit Wärmebildern versehen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Titan Engineered Solutions

Laut Turner wird durch diesen dreistufigen Arbeitsablauf nicht nur die Produktion gestrafft und beschleunigt, sondern Titan kann auch viel sicherer sein, dass die gefertigten Teile bei ihrer Ankunft passen werden.

„Bei Rohren sagen mir die Enden, wie lang das Rohr ist, welchen Durchmesser es haben muss und wie es angeschlossen werden muss“, erklärt Turner. „Dank unseres nahtlosen dreistufigen Verfahrens kann ich herausfinden, wo alle Löcher sein müssen, damit die Rohre miteinander verschraubt werden können. Wir erfassen einfach den ursprünglichen Entwurf, ermitteln die Randbedingungen und modellieren dann.“

Sind Modellierung mit mehreren Auflösungen möglich?

Da viele seiner Lieferungen so groß sind, dass ein Tieflader benötigt wird, betont Koch, wie wichtig eine genaue Produktanpassung ist, um die Wahrscheinlichkeit von Installationsproblemen zu verringern. Bei Projekten wie dem bereits erwähnten Boden würde ein Fehler bedeuten, dass das Projekt ganz verworfen werden muss. Und „wenn man diesen Weg weitergeht, steigen die Kosten schnell an“.

Aus diesem Grund experimentiert das Unternehmen auch in neuen Bereichen mit 3D-Scans. Mit Artec Studio ist es jetzt zum Beispiel möglich, Scans, die mit völlig unterschiedlichen Geräten aufgenommen wurden, zu einem einzigen Polygonnetz zusammenzufügen, wobei die Daten mit der jeweils höchsten Auflösung verwendet werden.

„Ursprünglich haben wir uns für Leo und Ray aufgrund ihrer individuellen Eigenschaften entschieden. Aber 3D-Scans mit mehreren Auflösungen sind definitiv etwas, das wir in Betracht ziehen“, so Koch abschließend. „Es gibt viele Projekte, bei denen eine Kombination von Scans sinnvoll wäre. Mit einem totalen Scan (mit Ray) und einem weiteren, detaillierteren Scan (mit Leo) könnten wir verdeckte Merkmale erfassen, die (mit Ray allein) einfach nicht sichtbar würden.“