Design und Konstruktion eines automatisierten, optischen 6-Seiten-3D-Scanners


Bachelorarbeit, 2021

106 Seiten, Note: 1,5


Leseprobe


Inhalt

1 Ausgangssituation/Zielsetzung

2 Grundlagen
2.1 Gliederung
2.2 Technische Grundlagen
2.2.1 Computer aided Design (CAD)
2.2.2 Scantechniken- und Sensoren
2.2.2.1 Fotogrammetrie
2.2.3 Streifenlicht-/ Musterprojektion
2.2.3.1 LiDAR
22.3.2 Frequenzmodulation LiDAR (FMCW Scanning LiDAR)
2.2.3.3 Grundprinzip Time of Flight (TOF)
2.2.24 TOF VCSEL Scanning LiDAR
2.24.3 TOF Rotating Scanning LiDAR
2.23.6 TOF MEMS Scanning LiDAR
22.3.7 TOF Flash LiDAR
2.2.3.8 TOF OPA Scanning LIDAR
2.2.3.9 Optionale Elemente eines Scan-Systems: IMU
2.2.4 Antriebs- und Führungselemente
2.2.4.1 Antriebselement: Kugelgewindetrieb
2.2.4.2 Antriebselement: Riementrieb
2.2.4.3 Antriebselement: Servomotoren
2.2.4.4 Antriebselement: Schrittmotor
2.2.4a Führungselement: Lineargleitlager
2.2.4.6 Führungselement: Profilrollen
22.4.7 Energieketten
2.2.5 Materialauswahl
2.2.3. 1 Werkstoffe
2.2.5.1.1 PLA
2.2.5.1.2 ABS
2.2.5.1.3 Stahl
2.2.5.1.4 Aluminium
2.2.6 Materialbearbeitung
2.2.6.1 Subtraktive Bearbeitung vorrangig runder Teile: Drehen
2.2.6.2 Subtraktive Bearbeitung vorrangig kubischer Teile: Fräsen
2.2.6.3 Subtraktive Bearbeitung senkrechter Schnitte: Wasserstrahlschneiden
2.2.6.4 Additive Bearbeitung vorrangig wenig belasteter Teile: 3D-Druck
2.3 Methodische Werkzeuge
2.3.1 Funktionsstruktur
2.3.2 Morphologischer Kasten
2.3.3 Nutzwertanalyse

3 Konzeptionierung
3.1 Anforderungsliste
3.1.1 Randbedingungen Fertigungsverfahren mit minimalen Werkzeugkosten
3.1.2 Weitere Erklärungen zur Anforderungsliste
3.2 Blackbox und Funktionsstruktur
3.3 Maschinenkonzept
3.3.1 Konzept A: Symmetrischer Aufbau
3.3.2 Konzept B: Asymmetrischer Aufbau
3.4 Arbeitsszenario
3.4.1 Detaillierungsoptionen X-Achse
3.4.2 Detaillierungsoptionen Z-Achse
3.4.3 Detaillierungsoptionen C-Achse
3.4.4 Detaillierungsoptionen B-Achse
3.4.5 Detaillierungsoptionen Werkstückeinspannung
3.5 Morphologischer Kasten der Detaillierungsoptionen
3.6 Abschätzung Materialkosten
3.7 Technische Nutzwertanalyse der Detaillierungsoptionen
3.7.1 Festlegung und Gewichtung der Kriterien
3.7.2 Durchführung der technischen Bewertung
3.8 Auswahl des optimalen Konzepts
3.9 Auslegung der Achsantriebe

4 Auswahl des Sensors

5 Konstruktion
5.1 CAD mit Inventor/ Einleitung
5.1.1 Konstruktion der Kaufkomponenten
5.1.1.1 Kugelgewindetrieb X-Achse
5.1.1.2 Kugelgewindetrieb Z-Achse
5.1.1.3 Schneckengetriebe, Intel- Sensor und Nema 23 Motor
5.1.2 Konstruktion der Adapter
5.1.2.1 X-Z- Adapter (X- und Z-Achse)
5.1.2.1.1 Wirkende Kräfte
5.1.2.1.2 Existierende Befestigungspunkte
5.1.2.2 Z-Kippadapter (B-Achse)
5.1.2.3 Kipp- Sensor- Adapter (B-Achse)
5.1.2.4 Dreheinheit Basis (C-Achse)
5.1.2.5 Werkstückverspannung/ Aufnahme (C-Achse)
5.1.2.6 Achs-Grundplatte- Verbindung
5.1.2.7 Energieketten/ Energielauf
5.1.2.7.1 Auslegung der Energiekette
5.1.2.7.2 Konstruktion der Energiekettenaufnahmen
5.1.2.7.3 Konstruktion des Schaltterminals
5.1.2.8 Fertigungsoptimierung
5.1.2.8.1 Fertigungsoptimierung für Druckteile
5.1.2.8.2 Fertigungsoptimierung für Frästeile/ Schnittteile
5.1.2.8.3 Fertigungsoptimierung Drehteile
5.1.2.8.4 Kaufteiloptimierung

6 Kalkulation Herstellkosten und Bewertung
6.1 Maschinenstundensatz
6.2 Kostenkalkulation auf Featurebasis
6.3 Abschließende Überprüfung der Gesamtkosten
6.4 Einsparpotentiale/ Skaleneffekte

7 Einordnung in den Markt

8 Zusammenfassung und Ausblick

9 Literaturverzeichnis

Kurzzusammenfassung

Für die kurzfristige Herstellung von Bauteilen und Prototypen gewinnt die Kombination aus 3D- Druck und 3D-Scan zunehmend an Bedeutung. Während der Druck bereits für geringe Kosten realisiert werden kann, ist ein qualitativ hochwertiger Scan fast ausschließlich dem investitionsfreudigen Industriesektor zugeordnet.

Diese Ausarbeitung schließt die Lücke zwischen hochwertigen, teuren Scans und Heimlösungen, die für den Bauteilscan wegen geringer Qualität und geringem Maximalgewicht der zu scannenden Objekte nicht angewendet werden können.

Dazu wird nach technischer und wirtschaftlicher Analyse ein Scanneraufbau konstruiert, der als Alleinstellungsmerkmale besonders schwere Bauteile aufnimmt und einen vollständigen Sechs-Seiten Scan ermöglicht. Der Endpreis liegt dank hohem Fremdbezug der Komponenten bei ca. 3.190 € inklusive Sensor.

Durch modularen Aufbau und der Wahl eines LiDAR Sensors bietet dieser Prototyp eine hervorragende Basis um mit Erweiterungen wie softwareseitiger Ansteuerung den Markt um ein wettbewerbsfähiges Produkt mit sehr interessanten Features zu bereichern.

Brief Summary

For the short-term production of components and prototypes, the combination of 3D printing and 3D scanning is becoming increasingly important.

While printing can already be realized for low costs, a high-quality scan is almost exclusively assigned to the investment-friendly industrial sector.

This paper closes the gap between high quality, expensive scans and home solutions that cannot be used for component scanning due to low quality and low maximum weight of the objects to be scanned.

To this end, after technical and economical analysis, a scanner design is constructed which, as a unique selling point, accommodates particularly heavy components and enables a complete six-sided scan.

Thanks to many purchased components, the final price is about 3.190 € including the sensor. Due to its modular design and the choice of a LiDAR sensor, this prototype offers an excellent basis for enhancements such as software control to enrich the market with a competitive product with very interesting features.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1 BA Abfolge (.Heßhaus 2021)

Abbildung 2-1 CAD Geometriemodellierung (Der-wirtschaftsingenieur.de 2021)

Abbildung 2-2 Aufbau Fotogrammetrie (Uni Hannover 2021)

Abbildung 2-3 Mantis Vision F5 (Aniwaa 2021)

Abbildung 2-4 Codierung Streifenlichtprojektion (.Alexander Grote 2016)

Abbildung 2-5 VW-Nutzfahrzeuge-Werk (Automobilkonstruktion.industrie.de 2021)

Abbildung 2-6 Investitionen in den LiDAR-Markt (Idtechex.com 2021)

Abbildung 2-7 Moduliertes Licht (Blickfeld Blog 2021)

Abbildung 2-8 TOF-Prinzip (.DVW 2017)

Abbildung 2-9 Vcsel Arrays (.Boucard 2018)

Abbildung 2-10 Iphone 12 Pro (Apple.com 2021)

Abbildung 2-11 LiDAR mit Drehspiegel (.Dingkank Wang 2020)

Abbildung 2-12 Slamtec RPLiDAR A3 360Grad (Robotshop.com 2021)

Abbildung 2-13 MEMS TOF LiDAR (.Dingkank Wang 2020)

Abbildung 2-14 Intel Realsense L515 (Intelrealsense.com 2020)

Abbildung 2-15 Flash TOF-LiDAR (.Dingkank Wang 2020)

Abbildung 2-16 OPA TOF LiDAR (.Dingkank Wang 2020)

Abbildung 2-17 Schaltbild IMU (EDN.com 2015)

Abbildung 2-18 Kugelgewindetrieb (LCM 2021)

Abbildung 2-19 Energiekette der Firma Igus (Igus.de 2021)

Abbildung 2-20 Erklärung des Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Precifast.de 2021)

Abbildung 2-21 Spannungs- Dehnungsdiagramm Alu (Pedelecforum 2021),erweitert

Abbildung 2-22 Drehen (Wikipedia.org 2021)

Abbildung 2-23 Fräsen (Wikipedia.org 2021)

Abbildung 2-24 Wasserstrahlschneiden (Maschinenmarkt Vogel 2021)

Abbildung 2-25 Funktionsprinzip SLA (3D-Druck.com 2021)

Abbildung 2-26 Funktionsprinzip FDM (3D-Druck.com 2021)

Abbildung 2-27 Funktionsprinzip SLS (3D-Druck.com 2021)

Abbildung 2-28 Morphologischer Kasten (Ressource-deutschland 2021)

Abbildung 3-1 Blackbox (.Heßhaus 2021)

Abbildung 3-2 Funktionsstruktur (.Heßhaus 2021)

Abbildung 3-3 Grundsätzliche Konzepte (.Heßhaus 2021)

Abbildung 3-4 Kugelgewindetrieb Antrella (Amazon.de 2021)

Abbildung 3-5 Gleitlager mit Riementrieb (Amazon.de 2021), modifiziert

Abbildung 3-6 Profilrollenantrieb Set (Amazon.de 2021)

Abbildung 3-7 Riementrieb Werkstück (.Heßhaus 2021)

Abbildung 3-8 Skizze Schneckengetriebe (Aliexpress 2021)

Abbildung 3-9 Syrp Genie Mini 2 (Syrp 2020)

Abbildung 3-10 Stirnseitenmitnehmer (Profi Werkzeug Shop 2021)

Abbildung 3-11 Schnittpunktdiagramm ausgefüllt (.Heßhaus 2021)

Abbildung 3-12 Weg- Zeit Diagramme KGT X-Achse (.Heßhaus 2021)

Abbildung 3-13 Weg- Zeit Diagramme KGT Z-Achse

Abbildung 3-14 Weg-Zeit-Diagramme gewählte KGT (Vergleich ) (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-1 Microsoft Kinect V2 Bewertung (Amazon 2021)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-2 Mantis Vision F5 Bewertung (Aniwaa 2021)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-3 Artec Eva 3D Bewertung (artec3d.com 2020)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-4 GOM Atos Q8M Bewertung (GOM.com 2020)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-5 Intel L515 Bewertung (Intelrealsense.com 2020)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-6 Apple Iphone 12 Pro Bewertung (Apple.com 2021)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-7 Intel D435i Bewertung (Intelrealsense.com 2020)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-8 Occipital Structure Core Bewertung (Amazon 2021)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-9 Shining Einscan Pro 2x Bewertung (Amazon 2021)/ (.Heßhaus 2021)

Abbildung 4-10 Gesamtvergleich der Sensoren (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-1 KGT X-Achse (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-2 KGT Z-Achse (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-3 Schneckengetriebe, Intel-Sensor und Nema- Motor (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-4 Kraftentwicklung KGT (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-5 Befestigungspunkte KGTs (Amazon.de 2021), modifiziert

Abbildung 5-6 XZ-Adapter (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-7 Z-Kipp-Adapter (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-8 Kipp-Sensor-Adapter (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-9 Basisplatte mit Kragarm (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-10 Werkstückeinspannung (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-11 Verbindung Grundplatte zu Achseneinheit (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-12 Signalpins (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-13 Energiekettenhalterungen (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-14 Schaltkasten (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-15 CURA- Positionierung01 (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-16 CURA- Positionierung02 (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-17 CURA- Positionierung03 (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-18 Alle Bauteile als 25mm Platte (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-19 Visuelle Darstellung der Features (.Heßhaus 2021)

Abbildung 5-20 Kompletter Scanner (.Heßhaus 2021)

Abbildung 6-1 Herstellkostenberechnung Diagramm (.Heßhaus 2021)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1 Sensor-Prinzipien (.Deutges-Macherey-Heßhaus 2021)

Tabelle 2-2 Werkstoffvergleich (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-1 Anforderungsliste (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-2 Vergleich Maschinenkonzepte (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-3 Morphologischer Kasten- System 1-3 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-4 Materialkosten System1 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-5 Materialkosten System2 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-6 Materialkosten System3 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-7 Kriterien Nutzwertanalyse (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-8 Nutzwertanalyse System1 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-9 Nutzwertanalyse System2 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-10 Nutzwertanalyse System3 (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-11 Maximale Achsgeschwindigkeit Berechnung X-Achse (.Heßhaus 2021)

Tabelle 3-12 Maximale Achsgeschwindigkeit Berechnung Z-Achse (.Heßhaus 2021)

Tabelle 4-1 Sensorauswahl (.Heßhaus 2021)

Tabelle 5-1 Bauteilauflistung zur Optimierung (.Heßhaus 2021)

Tabelle 5-2 Feature Auflistung (.Heßhaus 2021)

Tabelle 6-1 Kosten auf Feature-Basis (.Deutges-Macherey-Heßhaus 2021)

Tabelle 6-2 Herstellkostenberechnung (.Heßhaus 2021)

Tabelle 7-1 Marktübersicht (.Heßhaus 2021)

Formelverzeichnis

Formel 3-1 Maximale Geschwindigkeit (.Heßhaus 2021)

Formel 3-2 Maximale lineare Beschleunigung (.Heßhaus 2021)

Formel 3-3 Berechnung der Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme (.Heßhaus 2021)

Formel 5-1 Durchmesser aus Querschnitt berechnen (Tontechnik-Rechner Sengpielaudio 2021)

Formel 6-1 Erweiterter Maschinenstundensatz (.Heßhaus 2021)

Anhangsverzeichnis

Skizze Antrella 500mm Typ T T8x4 (Amazon 2021)

Skizze Antrella SGX-RM1204-600mm 42US (Amazon 2021)

Skizze Nema Motor (Amazon 2021)

Skizze Schneckengetriebe (Aliexpress 2021)

Skizze Intel LiDAR (Mouser.de 2020)

Skizze XZ-Adapter 1 (.Heßhaus 2021)

Skizze XZ-Adapter 2 (.Heßhaus 2021)

Skizze Z-Kipp-Adapter (.Heßhaus 2021)

Skizze Kipp-Sensor-Adapter (.Heßhaus 2021)

Skizze Grundplatte (.Heßhaus 2021)

Skizze Dreieckshalter (.Heßhaus 2021)

Skizze Kragarm (.Heßhaus 2021)

Skizze Verlängerung Weldon- Schaft (.Heßhaus 2021)

Skizze Spannbuchse (RS Components 2021)

Skizze Weldonschaft (.Heßhaus 2021)

Skizze Stirnmitnehmer Oben (.Heßhaus 2021)

Skizze Stirnmitnehmer Unten (.Heßhaus 2021)

Skizze Anschraubleiste (.Heßhaus 2021)

Skizze Konterleiste (.Heßhaus 2021)

Skizze Nutensteinadapter (.Heßhaus 2021)

Skizze Energiekettenglied (.Heßhaus 2021)

Skizze Energiekettenadapter Oben (.Heßhaus 2021)

Skizze Energiekettenadapter Unten (.Heßhaus 2021)

Skizze Halter Schaltkasten (.Heßhaus 2021)

Skizze Schaltkasten (.Heßhaus 2021)

Skizze Deckel Schaltkasten (.Heßhaus 2021)

Skizze Anschluss Inlay (.Heßhaus 2021)

Alle vorkommenden Bauteile sind, um ein schnelles Nachschlagen zu ermöglichen, im Anhang als Abbildungen skizziert.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol

CAD Computer aided design

CNC Computerized Numerical Control

DIN Deutsches Institut für Normung e.V.

DMD Digital Micromirror Device

D-SUB D-Subminiature

EN Europäische Norm

FDM Fused Deposition Modeling

FEK Fertigungseinzelkosten

FGK Fertigungsgemeinkosten

FMCW frequency modulated continuous wave

GPS Global Positioning System

IMU inertial measurement unit

IOS Internetwork Operating System

IP International Protection

ISO Internationale Organisation für Normung

KGT Kugelgewindetrieb

KI Künstliche Intelligenz

LiDAR Light detection and ranging

MEK Materialeinzelkosten

MEMS Micro-Electro-Mechanical System

MGK Materialgemeinkosten

MP Musterprojektion

NEMA National Electrical Manufacturers Association

OPA Optical Phased Array

Ph Phenole

PLA polylactic acid

SEK Sondereinzelkosten

SL Streifenlichtprojektion

SLA Stereolithografie

SLM Selektive laser melting

STL Standard Triangulation/Tessellation Language

TOF Time of flight

USB Universal serial bus

VCSEL vertical-cavity surface-emitting laser

1 Ausgangssituation/Zielsetzung

Für die kurzfristige Herstellung von Bauteilen und Prototypen gewinnt die Kombination aus 3D-Druck und 3D-Scan zunehmend an Bedeutung.

Auch in der Herstellung von Ersatzteilen verfolgt man den Ansatz, Bauteile zu scannen und nach einer Bearbeitung der Daten wieder zu drucken. Auf dem Markt befindliche Lösungen lassen sich einerseits preiswerten Lösungen für den Hobbybereich zuordnen (TOF (Time of Flight)) 3D-Scanner und FDM (Fused Deposition Modeling) - oder SLA (Stereolithografie) - 3D-Drucker mit Kunststofffilamenten oder lichtaushärtenden Harzen).1

Andererseits gibt es wesentlich teurere Lösungen für den Industriesektor, der z.B. mit der genaueren Streifenprojektionstechnik scannt und mit SLM (Selective laser melting) Metalldruckern druckt.

Scanning-Lösungen mit einer Genauigkeit im einstelligen pm-Bereich liegen bei Handscannern dabei im Preissegment von ca. 10.000 €, bei Kombination mit einem intelligenten Stativ mit absoluter Referenzierung in Bereichen von über 40.000 €.

Ziel dieser Bachelorarbeit ist das Design und die Konstruktion eines automatisierbaren 6-Seiten 3D-Scanners im Low-Cost-Bereich, der mehr messtechnische Qualität als die Geräte des Hobby-Bereichs liefert und gleichzeitig eine flexible Werkstückaufspannung zwischen Spitzen bietet. Die Sensorzustellung und Werkstückdrehung sollen dabei durch Schrittmotorachsen automatisiert sein. Durch dieses Konzept wird ein automatisierter Scan von Bauteilen von allen Seiten möglich. Diese Arbeit ist in neun Kapitel aufgeteilt. Nach dieser Einleitung beginnt der Grundlagenteil, der benötigtes Wissen zu den weiteren Kapiteln vermittelt. Das Kapitel Konzeptionierung zeigt den Weg von der Anforderungsliste bis zur konkreten, wirtschaftlich und technisch bewerteten besten Alternative auf. Das vierte Kapitel stellt ausgesuchte Sensormodelle gegeneinander, bewertet diese und bestimmt auch hier die optimale Wahl. Das fünfte Kapitel „Konstruktion“ verarbeitet das Ergebnis des dritten Kapitels in ein vollständiges CAD (Computer- Aided Design) - Modell. Folgend werden die Herstellkosten auf Abweichungen, die sich in der Konstruktionsphase ergeben haben, geprüft. So lässt sich das vorerst fertige Produkt im nächsten Kapitel in den Markt einordnen. Das vorletzte Kapitel beinhaltet die Zusammenfassung und weitere Verbesserungsmöglichkeiten, das letzte Kapitel das Literaturverzeichnis. Aufgrund der erhöhten Komplexität ist die Abfolge auch grafisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1 BA Abfolge (.Heßhaus 2021)

2 Grundlagen

2.1 Gliederung

Der Grundlagenteil dieser Arbeit ist in zwei Bereiche gegliedert: Den technischen Teil, der die für die Konstruktion gängigsten nutzbaren Komponenten aufzeigt und deren Funktionsweisen erklärt sowie den Teil „Methodische Werkzeuge“, der Instrumente zur grundlegenden Bestimmung der Ausrichtung dieser Arbeit beschreibt. Die meisten in diesem Kapitel genannten Elemente werden im weiteren Verlauf ohne zusätzliche Erklärung verwendet. Einzelne Elemente sind nur aufgeführt, um ein vollständiges Bild der Thematik darzustellen.

2.2 Technische Grundlagen

2.2.1 Computer aided Design (CAD)

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-1 CAD Geometriemodellierung (Der-wirtschaftsingenieur.de 2021)

Computer Aided Design wird meist als „rechnerunterstütztes Erzeugen und Ändern einer geometrischen Bauform“ beschrieben. Es ist also ein Sammelbegriff für alle Tätigkeiten, bei denen ein Konstrukteur seine Arbeit durch einen Computer unterstützen lässt. Dazu zählen neben der Erstellung der geometrischen Form auch deren Analyse, Festigkeitsberechnung und Fertigungsoptimierung.2 3 4 Im Kontext dieser Arbeit bezieht sich der Begriff CAD auf die Nutzung der Software Autodesk Inventor Professional 2020 bzw. 22, die all diese Möglichkeiten bietet. So können in einem Schritt ganze Baugruppen erstellt werden, ohne Fertigungsmaschinen nutzen zu müssen oder Ressourcen (Baustoffe) zu verbrauchen. Inventor nutzt B-REP-Modellierung. Dieses Verfahren bildet ein Modell aus Flächen, die verknüpft werden. Definiert werden nur diese Verknüpfungspunkte und Flächen. Durch die Vielzahl an Flächengeometrie- und Verknüpfungsdaten, die dieses Verfahren erzeugt und speichert, ist auch der Speicherbedarf relativ groß. B-Rep wird als indirekte Modellierungsform bezeichnet, da keine kompletten Volumen definiert werden.34

2.2.2 Scantechniken- und Sensoren

2.2.2.1 Fotogrammetrie

Fotogrammetrie bezeichnet sehr allgemein die Messung von Objekten mithilfe von Licht. Dabei können sowohl fotografische Abbildungen als auch Scanner die Daten liefern. Einsatzgebiet sind 3D-Rekonstruktion und Dokumentation von Objekten und Anlagen, zum Beispiel in der Archäologie (Nahbereichsfotogrammetrie). Bei der Fotogrammetrie werden mehrere Fotos aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen.5 Es werden Punkte registriert und dann aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet und zusammengesetzt.

„Eine spezielle Software durchsucht (...) die Aufnahmen nach markanten Merkmalen und berechnet mit Hilfe bekannter Abbildungseigenschaften z.B. Brennweite des Objektivs, Sensorgröße etc., die Form des Objekts in 3D.“6 Da jedes Bild als Quelle für dieses Verfahren genutzt werden kann, umschließt der Markt hierfür alle Geräte, die fähig sind, Bilder aufzunehmen (Kameras, Smartphones, Tablets). Softwares, die diese in ein 3D- Modell transformieren können, sind teilweise frei erhältlich, professionelle Lizenzen sind je nach Einsatzgebiet z.B. von dem Unternehmen Globe Flight GmbH in Barbing, Deutschland zwischen 309,00 € (Pix4DMapper) und 1.199 € (Pix4DReact) zu beziehen.7 Da mehrere Kameras vonnöten sind oder eine einzelne Kamera immer wieder umgestellt werden muss (eine exakte Vorpositionierung durch z.B. Marker ist dann nötig), ist dieser Ansatz zu kostspielig, zu komplex und zu langwierig für die hier zu verfolgenden Ziele. Dieser Ansatz wird in dieser Arbeit aufgrund dessen nicht weiterverfolgt und ist nur der Vollständigkeit halber aufgelistet.

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-2 Aufbau Fotogrammetrie (Uni Hannover 2021)

2.2.3 Streifenlicht-/ Musterprojektion

Das Einsatzgebiet von Sensoren, die mit der Streifenlichtprojektion arbeiten, befindet sich in der 3D-Messung von Kunst- und Kulturgütern als auch von industriellen Bauteilen. Die Punktwolken, welche bei dieser Technik erzeugt werden, beinhalten eine hohe Informationsdichte bei einer gleichzeitig sehr geringen Fehlertoleranz.8 Ermöglicht wird dies durch einen DMD-Chip bzw. DMD-Beamer (Digital Micromirror Device), der eine Reihe von Lichtlinien, gesteuert durch Millionen Mikrospiegeln auf das zu scannende Objekt projiziert. Das komplette Muster inklusive der Hell-Dunkel-Grenzen kann vom Detektor erfasst werden und eine Software berechnet alle Punkte der Linie, indem die verschiedenen Aufnahmen als Binäre Sequenz gespeichert werden.9 Der Aufbau macht die Bilderfassung zwar sehr genau, jedoch auch sehr teuer.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-4 Codierung Streifenlichtprojektion (.Alexander

Grote 2016)

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-3 Mantis Vision F5 (Aniwaa 2021)

Scansysteme die die Streifenlichtprojektion nutzen, sind absoluter Standard in vielen industriellen Bereichen. Genutzt werden hier Profisysteme wie das Mantis- Vision F5 für ca. 50.000 €. Weitere High- End- Lösungen werden z.B. von den Unternehmen Artec (Eva 3D, 13.700 €) und GOM (Atos Q8M, ca 40.000 €) vertrieben. Letzteres ist fester Bestandteil des VW- Nutzfahrzeuge- Werks in Wrzesnia und sichert dort die Qualität des VW Crafter.10

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-5 VW-Nutzfahrzeuge-Werk (Automobilkonstruktion.industrie.de 2021)

2.2.3.1 LiDAR

Tabelle 2-1 Sensor-Prinzipien (.Deutges-Macherey-Heßhaus 2021)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Tabelle zeigt die unterschiedlichen Funktionsweisen aller LiDAR (Light detecting and ranging) - Techniken, die aktuell Relevanz auf dem Markt besitzen. Neben dem Laser- Betrieb, der Laserleistung und der Wellenlänge ist vor allem die Störungsempfindlichkeit von zentraler Bedeutung für den reibungslosen Ablauf eines Scans. Die Anzahl beweglicher Teile kann ein Indikator für die Anfälligkeit des mechanischen Bauteils insgesamt darstellen. Es folgen Einzelerklärungen der Techniken und deren Grundlagen.11

LiDAR bedeutet Light detecting and ranging und beschreibt die aktuell wohl expansivste Technik zum Scannen von Umgebungen. LiDAR- Systeme können sowohl auf der TOF- als auch auf der FMCW (frequency modulated continuous wave) - Technik basieren. Bis 2019 wurden Weltweit 1,9 Milliarden USD in die Entwicklung und Etablierung investiert. Lt. Schätzungen soll der Markt bis 2030 die 5,4 Milliarden USD Marke erreichen, was einer Steigerung von 184 % in 10 Jahren entspricht. Neben den USA investiert Israel beachtliche Summen. Deutschland agiert (noch) sehr abgeschlagen.12

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6 Investitionen in den LiDAR-Markt (Idtechex.com 2021)

2.2.3.2 Frequenzmodulation LiDAR (FMCWScanning LiDAR)

Bei dieser Technik wird ein einzelner Laserstrahl kontinuierlich und moduliert ausgestoßen, die Frequenz des Signals ändert sich also stetig. Das durch einen Spiegel gelenkte Signal trifft auf das Objekt. Die Reflektion ist schwächer als der ursprüngliche Laser. Sie wird im System aufgefangen und mit gerade ausgesandten Signalen verglichen. Aus der Frequenzdifferenz heraus lässt sich nun der Abstand zum Objekt ermitteln.13

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-7 Moduliertes Licht (Blickfeld Blog 2021)

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-9 Vcsel Arrays (.Boucard 2018) Abbildung 2-10 Iphone 12 Pro (Apple.com 2021)

Das Time of Flight System benötigt neben dem Laser (Sender) einen Detektor (Empfänger). Der Laser sendet (nicht in der Frequenz moduliertes) Laserlicht aus und der Detektor fängt dieses wieder auf, nachdem es reflektiert wurde. Durch eine Laufzeitmessung wird der Abstand zum gescannten Objekt gemessen, indem die Laufzeitunterschiede zugrunde gelegt werden. TOF kann eher als Grundprinzip verschiedener Scantechniken anstatt als eigenständige Scanart verstanden werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-8 TOF-Prinzip (.DVW 2017)

2.2.3.4 A TOF VCSEL Scanning LiDAR

Der Begriff VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) beschreibt die Art der Signalabstrahlung. Statt einer einzelnen Quelle werden viele Quellen auf einem Halbleiterchip angeordnet.14 Diese werden gepulst und dann ausgelesen. Diese Technik verzichtet auf bewegliche Teile, zählen also zu den Solid- State Systemen.15 Sie ist unter anderem im Iphone 12 Pro oder der Microsoft Kinect zu finden.16

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-9 Vcsel Arrays (.Boucard 2018) Abbildung 2-10 Iphone 12 Pro (Apple.com 2021)

2.2.3.5 OF Rotating Scanning LiDAR

TOF Rotating Scanning LiDARs können auf verschiedenen Techniken basieren und beschreiben einen Aufbau, der viele übereinander angeordnete Laserpunkte aussendet und diese mechanisch rotieren lässt, indem entweder das ganze System rotiert, oder der Laser durch einen rotierenden Spiegel abgelenkt wird. Auf diese Weise können 360° Aufnahmen der Umgebung generiert werden. Die Masse des Sensors ist im Vergleich zu anderen Systemen sehr hoch.17

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-11 LiDAR mit Drehspiegel (.Dingkank Wang 2020)

Abbildung 2-12 Slamtec RPLiDAR A3 360Grad (Robotshop.com 2021)

2.2.3.6 TOF MEMS Scanning LiDAR18

Ein einzelner Laser als Signalquelle sendet einen Laserstrahl aus, der von einem einzelnen Spiegel umgelenkt wird.18 Dieser Spiegel (Mirror) ist nicht mechanisch, sondern magnetisch mit dem restlichen Bauteil verbunden und somit wenig anfällig gegen Stöße o.ä. zugleich lässt diese Aufhängung durch hochfrequentes vibrieren extrem schnelle Positionswechsel des Signals zu.19

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-13 MEMS TOF LiDAR (.Dingkank Wang 2020)

Abbildung 2-14 Intel Realsense L515 (Intelrealsense.com 2020)

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Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-15 Flash TOF-LiDAR (.Dingkank Wang 2020)

2.2.3.8 TOF OPA Scanning LIDAR

OPA steht für Optical Phased Array. Dieses System ist technisch aufgebaut wie das VCSEL-LiDAR, jedoch werden die einzelnen, auf dem Halbleiterchip befindlichen Laserquellen nicht synchron, sondern phasenverschoben angesteuert.20 Durch eine Signalüberlagerung der Quellen entstehen Maxima,21 mit denen sich das gewünschte Objekt scannen lässt.22 Diese Solid-State-Technik (keine beweglichen Teile) ist noch nicht serienreif.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-16 OPA TOF LiDAR (.Dingkank Wang 2020)

2.2.3.9 Optionale Elemente eines Scan-Systems: IMU

Eine inertiale Messeinheit (engl.: inertial measurement unit) ist eine Baugruppe, die mehrere Sensoren wie GPS, Neigungs- oder Beschleunigungssensoren kombiniert und so zur Standort- und Lagebestimmung eines Scanners beiträgt. Signale werden aufgenommen, verarbeitet und für den jeweiligen Zweck genutzt. IMUs in Scannersystemen können mit einer Lagebestimmung während des Scans das zusammenfügen der Punktewolke erleichtern.23

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Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-17 Schaltbild IMU (EDN.com 2015) 24

2.2.4 Antriebs- und Führungselemente

Ein automatisierter 6- Seiten-Scanner benötigt bewegliche Achsen und passende Antriebe für diese, um Abstände zuverlässig reproduzieren zu können und damit verwertbare Scanergebnisse zu erreichen. In diesem Unterkapitel wird eine Auswahl von gängigen Antrieben, Führungen sowie Möglichkeiten zum Schutz der Signal- und Energieleitungen beschrieben.

2.2.4.1 Antriebselement: Kugelgewindetrieb

Kugelgewindetriebe wandeln eine drehende Antriebsbewegung in eine Linearbewegung um und umgekehrt. Es werden zwei Antriebsarten unterschieden, so sind Kugelgewindetriebe sowohl mit angetriebener Mutter, als auch angetriebener Spindel erhältlich.25

Kugelgewindetriebe benötigen Schmierung, um ordnungsgemäß funktionieren zu können. Eine einmalige Fettfüllung als Lebensdauerschmierung ist in der Regel nicht ausreichend, da die kontinuierlich in den Schmierbereich ein- und austretende Gewindespindel Fett austrägt. Dadurch könnten infolge einer Mangelschmierung Schäden am Kugelgewindetrieb auftreten, allerdings auch durch eine zu hohe Fettmenge.26

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Abbildung 2-18 Kugelgewindetrieb (LCM 2021)

2.2.4.2 Antriebselement: Riementrieb

Ein Riementrieb (auch Riemengetriebe) überträgt Kraft zwischen zwei Getriebeteilen. Das kann kraftschlüssig durch einen Flachriemen oder formschlüssig durch einen Zahnriemen passieren. Die rotierende Kraftrichtung wird bei der Übertragung nicht geändert.27

2.2.4.3 Antriebselement: Servomotoren

Servomotoren sind keine eigenständige Art von Motoren, sondern als Erweiterung bestehender Motorarten zu sehen. Basis bildet ein Synchronmotor, der über einen Sensor zur Winkellagenbestimmung verfügt. Ein Steuergerät erhält die Sensorsignale und ist so in der Lage, die Motorposition zu regeln. Damit sind Positionen deutlich genauer anfahrbar.28

2.2.4.4 Antriebselement: Schrittmotor

Schrittmotoren sind spezielle Ausführungen von Servomotoren, die sich intervallweise mit einer festen Anzahl von gleich großen Schritten pro Umdrehung bewegen. Hier ist die Polpaarzahl der direkte Indikator für die Größe der Schritte- je mehr Pole, desto kleiner können die Schritte ausfallen. Schrittmotoren können mit und ohne Sensor und damit Positionsbestimmung verwendet werden. Schrittmotoren mit Sensor werden als Closed Loop- Variante bezeichnet. Das Haltemoment wird hier auch bei stromlosen Spulen erhalten (jedoch reduziert). Schrittmotoren sind immer Synchronmaschinen.29

2.2.4.5 Führungselement: Lineargleitlager

Lineargleitlager sind Hohlprofile (z.B. Zylinder, Schwalbenschwanz...), die über eine Welle oder in einem Profil gleiten. Sie können Schmierstoffe beinhalten oder aus extrem reibungsarmen Materialien gefertigt sein. Der auf den Hohlzylindern befestigte Schlitten ist nicht selbstangetrieben. Er benötigt also eine äußere Kraft, z.B. einen Zahnriemen.30

2.2.4.6 Führungselement: Profilrollen

Eine weitere Möglichkeit für die Führung einer Linearbewegung stellen Profilrollen dar. Rollen aus verschiedenen Materialien werden beidseitig auf ein Profil gesetzt und können so den Schlitten entlang der Achse halten. Eine Ausrichtung erfolgt über eine exzentrische Aufhängung. Der Antrieb kann z.B. über einen Zahnriemen oder Kugelgewindetrieb erfolgen.

2.2.4.7 Energieketten

Energieketten (auch Energieführungsketten) sind modular aufgebaute Bauteile, die im inneren Strom- und Signalleitungen führen, die nicht starr verlegt werden können. Sie werden vor Umgebungseinflüssen geschützt und ein minimaler Biegeradius wird eingehalten.

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung werden können. Sie werden vor Umgebungseinflüssen wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-19 Energiekette der Firma Igus

(Igus.de 2021)

2.2.5 Materialauswahl

Für die Fertigung der Bauteile des 6-Seiten-Scanner kommen verschiedene Materialien in Frage, die alle auf verschiedene Arten bearbeitet werden können oder müssen. Alle in dieser Arbeit bedachten Möglichkeiten werden in diesem Unterkapitel erläutert. Dabei wird der Fokus auf Metalle und Polymere gelegt. Belastete Teile sollen aus Metall, wenig belastete Teile aus Polymeren gefertigt werden um deren Vorteile der flexibleren Fertigung (3D-Druck) zu nutzen.

2.2.5.1 Werkstoffe

Kunststoffe unterteilen sich in drei große Gruppen:

- Thermoplaste (lassen sich in einem gewissen Temperaturbereich reversibel verformen)
- Duroplaste (Lassen sich nach der Aushärtung nicht mehr verformen)
- Elastomere (Lassen sich ohne Zuführung von Temperatur reversibel verformen)31

Es gibt allein durch die Zugabe von Additiven sehr viele Varianten. Auch die folgend beschriebenen Materialien können sich durch die Zugabe solcher in ihren Eigenschaften ändern- das sei aber nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Dieses Unterkapitel befasst sich mit weitestgehend unbehandelten Kunststoffen.32

2.2.5.1.1 PLA

Polyactide (Polymilchsäure) wird aus nachwachsenden Rohstoffen wie z.B. Mais gewonnen. Es zählt zu den Thermoplasten und hat im Zuge des 3D-Drucks seinen Marktanteil stark vergrößern können, da es sich sehr leicht verarbeiten lässt. Die Zugfestigkeit variiert je nach Füllgrad und Art des Drucks. PLA bricht spröde.33

2.2.5.1.2 ABS

Auch ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere) zählt zu den Thermoplasten und lässt sich so mit dem 3D-Drucker verarbeiten. Durch höhere Anfälligkeit bei Temperaturschwankungen und Ausgasungen gestaltet sich das jedoch schwieriger als bei PLA. Vorteile sind hingegen eine höhere Festigkeit und etwas bessere Witterungsbeständigkeit. ABS wird erst ab Temperaturen von ca. 110° C weich.34

2.2.5.1.3 Stahl

Stahl ist eine Legierung, die überwiegend aus Eisen besteht. Eine weitere Komponente ist Kohlenstoff. Die Höhe dieses Anteils bestimmt neben anderen Faktoren die Duktilität (Verformbarkeit) des Werkstoffs. So sind Stähle mit einem geringen Kohlestoffanteil von 0,25 % leicht verformbar, während ein Anteil von 1,5 % den Stahl sehr spröde macht. Stahl ist hochbelastbar. Je nach Legierung ist ein Kraftaufwand bis zu 690 Mpa notwendig, um einen Bruch zu verursachen.35 Rostfrei wird Stahl durch eine Legierung mit mindestens 10.5 % Chrom oder eine Beschichtung.36

2.2.5.1.4 Aluminium

Der Werkstoff Aluminium ist ein Nichteisenmetall, welches aus dem natürlich vorkommenden Rohstoff Bauxit durch z.B. das Elektrolyseverfahren gewonnen wird. Aluminium ist im Gegensatz zu (ferritischen) Stählen nicht magnetisch. Die geringere Dichte sorgt für ein geringeres Gewicht, zusätzlich bildet der Werkstoff eine Passivschicht, kann also nicht durchrosten. Im Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt sich ein elastischer Bereich vor dem Beginn der eigentlichen Dehnung. Aluminium weist zudem eine bedeutend geringere Zugfestigkeit als Stahl auf.37 Wenn die Stabilität ausreicht, sollte Aluminium aufgrund der einfacheren Verarbeitung gewählt werden.38 39

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.40 41

Abbildung 2-20 Erklärung des Spannungs-Dehnungs-Diagramm (Precifast.de 2021)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-21 Spannungs- Dehnungsdiagramm Alu (Pedelecforum 2021),erweitert38

Tabelle 2-2 Werkstoffvergleich (.Heßhaus 2021)3940

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.6 Materialbearbeitung

Dieses Unterkapitel beschreibt Verfahren, Werkstoffe effizient zu bearbeiten. Die folgenden Methoden beschränken sich ausschließlich auf CNC- (Computerized Numerical Control) gestützte Fertigungsmöglichkeiten.42 43

2.2.6.1 Subtraktive Bearbeitung vorrangig runder Teile: Drehen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-22 Drehen (Wikipedia.org 2021)

Ein rotierendes Werkstück wird von einer stehenden Schneide bearbeitet. Sinnvoll lässt sich eine Drehbank dementsprechend bei rundlichen, achsrotatorischen Bauteilen einsetzen.

2.2.6.2 Subtraktive Bearbeitung vorrangig kubischer Teile: Fräsen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-23 Fräsen (Wikipedia.org 2021)

Im Gegensatz zu einer Drehmaschine wird bei einer Fräsmaschine das Werkzeug rotiert und das Werkstück verspannt. Es gibt viele verschiedene Varianten von Drehmaschinen, die sich in der44 Werkzeugausrichtung (horizontal, vertikal), dem Umfang der Bearbeitung (Fräszentrum), Anzahl der beweglichen Achsen und allgemeinen Aufbau (z.B. Gantry- Bauweise) unterscheiden.45

2.2.6.3 Subtraktive Bearbeitung senkrechter Schnitte: Wasserstrahlschneiden

Auch das Wasserstrahlschneiden ist ein abtragendes Verfahren. Es wird unterschieden in Wasserstrahlschneiden mit reinem Wasser und Abrasivschneiden (mit Zusatz von Schleifgranulat). Dieses Verfahren ist besonders geeignet um senkrecht zu schneiden. Der Hochdruckwasserstrahl kann Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1.000 m/s erreichen. Das Werkstück erhitzt sich bei diesem Kaltschneideprozess kaum, es können also auch hitzeempfindliche Materialien bearbeitet werden.46

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-24 Wasserstrahlschneiden (Maschinenmarkt Vogel 2021)

2.2.6.4 Additive Bearbeitung vorrangig wenig belasteter Teile: 3D-Druck

Im Gegensatz zu den subtraktiven Fertigungsprozessen Drehen, Fräßen und Wasserstrahlschneiden ist der 3D- Druck ein additives Fertigungsverfahren. Hier wird Material Schicht für Schicht aufgetragen. Der konstruktive Prozess gestaltet sich durch diese Tatsache bedeutend einfacher. Hinterschnitte und kleine Kavitäten stellen kein Problem mehr dar.

Neben SLA- Verfahren (Stereolithografie), die Bauteile schichtweise in flüssigem Harz aufbauen oder FDM- Verfahren (Fused Deposition Modeling), die Thermoplaste aufschmelzen und auftragen, gewinnt im Metallsektor das selektive Laserschmelzen (SLS) immer weiter an Bedeutung. Hier werden Bauteile aus Metallpulver „herausgeschmolzen“. Diese Bauteile können ähnliche Eigenschaften wie subtraktiv bearbeitete Bauteile aufweisen. Die Konstruktionsmöglichkeiten sind wie bei den anderen 3D-Druckarten nahezu unbegrenzt.47

Aber: SLS ist teuer und aufwendig. Neben dem hohen Anschaffungspreis für die Maschine stellen auch die Repetierfaktoren (Metallpulver) erhebliche Kosten dar.

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-25 Funktionsprinzip SLA (3D-Druck.com 2021)

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-26 Funktionsprinzip FDM (3D-Druck.com 2021)

Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.

Abbildung 2-27 Funktionsprinzip SLS (3D-Druck.com 2021)

2.3 Methodische Werkzeuge

2.3.1 Funktionsstruktur

Um die optimale Auswahl für eine Neukonstruktion treffen zu können, ist es ratsam, alle erforderlichen und gewünschten Funktionen zu formulieren und in einer Anforderungsliste darzustellen. Mit diesen Merkmalen kann dann eine Funktionsstruktur erzeugt werden, indem folgende Schritte auszuführen sind:

- Formulierung der Gesamtfunktion
- Blackbox- Darstellung (Kasten, bei welchem nur In- und Output formuliert sind).
- Zerlegung der Gesamtfunktion in Teilfunktionen, dargestellt in einer Grafik, die zusätzlich alle Verknüpfungen veranschaulicht)48

2.3.2 Morphologischer Kasten

Der Morphologische Kasten ist ein zentrales Element der Konstruktionsmethodik.

Die in der Funktionsstruktur aufgestellten Teilfunktionen und gefundenen Teilfunktions­lösungen werden im morphologischen Kasten einander übersichtlich in tabellarischer Form zugeordnet. Mehrere Konzeptvarianten werden mit farbigen oder anders zu unterscheidenden Linien gekennzeichnet.49

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-28 Morphologischer Kasten (Ressource-deutschland 2021)

2.3.3 Nutzwertanalyse

Die Nutzwertanalyse hilft bei der Bewertung verschiedener Handlungsalternativen. Folgende Schritte werden dazu ausgeführt:

- Festlegung der Alternativen

Entsprechen den Ergebnissen des morphologischen Kastens

- Definition von Bewertungskriterien

Ist ein leichtes Produkt besser? Ist Flexibilität wichtig?

- Gewichtung der Bewertungskriterien

Wie wichtig ist das Gewicht in Prozent? Wie wichtig ist Flexibilität in Prozent? Die Summe der Einzelgewichtungen beträgt 100 %.

- Festlegung des Bewertungsmaßstabes

z.B. 5 Punkte = sehr gut, 1 Punkt = mangelhaft.

- Bewertung der Alternativen

Punktevergabe für die Alternativen und prozentuale Gewichtung.

- Summierung und Auswahl

Summierung der Einzelgewichtungen und Erstellung einer Rangliste50 51

3 Konzeptionierung

3.1 Anforderungsliste

Gesamtfunktion: Ein kostengünstiger Scanner der in der Lage ist Bauteile mit einem Gewicht von bis zu 70 kg von allen Seiten zu scannen und dabei ausreichend gute, reproduzierbare Ergebnisse liefert. In einer weiteren Ausbaustufe soll er in der Lage sein, Bauteile eigenständig zu scannen, Features besonders intensiv zu erfassen und die Ergebnisse als NC- Programm zur Reproduktion an Werkzeugmaschinen zu senden. Die Anforderungsliste fasst diese Funktionen zusammen. Sie unterscheidet dabei zwischen Forderung (F) und Wunsch (W). Es wird versucht, alle Wünsche zu beachten, wenn sie nicht in Konflikt mit Forderungen stehen oder unverhältnismäßig viel Aufwand oder Kosten erzeugen.

Tabelle 3-1 Anforderungsliste (.Heßhaus 2021)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.1.1 Randbedingungen Fertigungsverfahren mit minimalen Werkzeugkosten

Alle Eigenbauteile werden sich mindestens mit der CNC- Fräsmaschine herstellen lassen (Nr.25), eine vereinfachte Geometrie für die Herstellung mit einer Wasserschneidanlage (Nr. 24) wird jedoch angestrebt. Gleichzeitig wird für manche, wenig belastete Bauteile ein Alternativmaterial gewählt werden, dass eine Fertigung durch 3D-Drucker ermöglicht.

3.1.2 Weitere Erklärungen zur Anforderungsliste

Zu Nr. 20: Eine automatische Feature Erkennung (Bohrungen, Taschen etc.) lässt sich nur durch passende Softwares realisieren. Eine mechanische Vorbereitung lässt jedoch eine benötigte Nachkonstruktion entfallen, wenn dieser Automatisierungsschritt in weiteren Ausbaustufen jenseits dieser Arbeit umgesetzt wird.

3.2 Blackbox und Funktionsstruktur

Die Blackbox weist neben den Steuersignalen und der elektrischen Energie nur das Werkstück als Inputfaktor auf. Der einzige Outputfaktor ist das 3D-Abbild des Werkstücks bzw. eine Punktwolke, aus der dieses Abbild berechnet werden kann (streng genommen zählen auch das unveränderte Werkstück sowie Lärm und Wärme zu den Outputfaktoren, sind hier jedoch nicht beachtet, da sie zu gering sind, um Gegenmaßnahmen treffen zu müssen). Im nächsten Schritt werden diese Faktoren kleinteilig zerlegt und in der Funktionsstruktur grafisch dargestellt.

[...]


1 Vgl. (3D-Druck.com 2021)

2 Vgl. (.AWF Ausschuß 1985), S.4

3 Vgl. (.Lupa 2009) S.12ff

4 Vgl. (.Sandor Vajna 2013) S.96ff

5 Vgl. (.Ackermann 2013)

6 (Parametric-van-conversion.de 2018)

7 Vgl. (Globe-flight.de 2021)

8 Vgl. (.Klocke 2018) S.233ff; Vgl. (.Hother 1998); Vgl. (.Reinhard Koether 2016) S.8ff

9 Vgl. (Parametric-van-conversion.de 2018); Vgl. (.Alexander Grote 2016)S. 30ff

10 Vgl. (Automobilkonstruktion.industrie.de 2021)

11 Chirp= Signal, dessen Frequenz sich zeitlich ändert

12 Vgl. (Idtechex.com 2021)

13 Vgl. (Blickfeld Blog 2021); Vgl. (.Jankiraman 2018)

14 Vgl. (.Michalzik 2013)

15 Vgl. (.Schneider 2003)

16 Vgl. (Parametric-van-conversion.de 2018); Vgl. (.Lindemann 2019)

17 Vgl. (Parametric-van-conversion.de 2018); Vgl. (.Lindemann 2019)

18 Vgl. (Parametric-van-conversion.de 2018); Vgl. (.Lindemann 2019)

19 Vgl. (.Weicun Zhang 2020)

20 Vgl. (.Weicun Zhang 2020)

21 (Jenaoptik.de 2020)

22 Vgl. (.Schneider 2003);Vgl. (.Yaacobi 2015)

23 Vgl. (EDN.com 2015); Vgl. (.Kok 2016)

24 Beispielhafte Abbildung, kein expliziter Bezug zu einem erwähnten Scansystem

25 Vgl. (.Antriebstechnik 2014)

26 Vgl. (.Christian Brecher 2017) S.385ff; Vgl. (.Urbana-Champaign 2018)

27 Vgl. (.Wittel 2019) S. 649ff; Vgl. (.Künne 2001) S.322ff

28 Vgl. (.Plaßmann 2007) S.835

29 Vgl. (.Plaßmann 2007) S.835 ff; Vgl. (.Rummich 2005)

30 Vgl. (.Wittel 2019) S. 591ff

31 Vgl. (.Bonnet 2016) S. 60

32 Vgl. (.Streit 2011)

33 Vgl. (.Minna Hakkarainen 2011) S.71ff

34 Vgl. (.Bonnet 2016) S.223; Vgl. (.Wittel 2019) S.30

35 Vgl. (.Deutges 2018) S. 2.7ff

36 Vgl. (.Gertrud Altmann-Gädke 1984) S.195

37 Vgl. (.Deutges 2018) S.2.16ff, 2.42ff

38 Vgl. auch (KRV.de 2021)

39 Vgl. (3D-Druck.com 2021)

40 Vgl. auch (.Repp 1964)

41 Stahl= Unlegierter Baustahl

42 Werte variieren extrem stark durch Variablen wie Feuchtigkeit, Schichtdicke, Druckqualität. Jedoch sind sie bedeutend niedriger einzuordnen als bei Aluminium und Stahl.

43 Vgl. (.Ostermann 2014) S.768

44 (ESB Group 2021)

45 Vgl. (.H.H.Klein 2013), Vgl. (.Selig 2016)

46 Vgl. (Flowwaterjet.de 2021); Vgl. (.Wehner 2005)

47 Vgl. (.Anonym 2020); Vgl. (.Andreas Gebhardt 2017); Vgl. (.Oberwahrenbrock 2020)

48 Vgl. (.Hintzen 2002) S.11

49 Vgl. (.Hering 2015)

50 (.Andler 2013) S.383ff

51 (.Andler 2013) S.383ff

Ende der Leseprobe aus 106 Seiten

Details

Titel
Design und Konstruktion eines automatisierten, optischen 6-Seiten-3D-Scanners
Hochschule
Hochschule Niederrhein in Krefeld
Note
1,5
Autor
Jahr
2021
Seiten
106
Katalognummer
V1128088
ISBN (eBook)
9783346491510
ISBN (Buch)
9783346491527
Sprache
Deutsch
Schlagworte
design, konstruktion
Arbeit zitieren
Michael Heßhaus (Autor:in), 2021, Design und Konstruktion eines automatisierten, optischen 6-Seiten-3D-Scanners, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1128088

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