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 circa 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.
Inhaltsverzeichnis
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
2.2.3.2 Frequenzmodulation LiDAR (FMCW Scanning LiDAR)
2.2.3.3 Grundprinzip Time of Flight (TOF)
2.2.3.4 TOF VCSEL Scanning LiDAR
2.2.3.5 TOF Rotating Scanning LiDAR
2.2.3.6 TOF MEMS Scanning LiDAR
2.2.3.7 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
2.2.4.5 Führungselement: Lineargleitlager
2.2.4.6 Führungselement: Profilrollen
2.2.4.7 Energieketten
2.2.5 Materialauswahl
2.2.5.1 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
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit hat das Ziel, einen automatisierten 6-Seiten-3D-Scanner im Low-Cost-Bereich zu entwerfen und zu konstruieren. Dabei soll eine höhere messtechnische Qualität als bei gängigen Hobby-Geräten erreicht werden, kombiniert mit einer flexiblen Werkstückaufspannung, um Bauteile effizient von allen Seiten scannen zu können.
- Technische und wirtschaftliche Analyse von Scantechniken
- Konzeptionierung und Konstruktion (CAD) des Scanners
- Detaillierung der Antriebs- und Sensorachsen
- Optimierung der Fertigungsverfahren für Eigenbauteile
- Kostenkalkulation und Einordnung in das Marktsegment
Auszug aus dem Buch
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).
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 μm-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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Ausgangssituation/Zielsetzung: Einführung in die Problematik der Lücke zwischen Hobby- und Industrielösungen beim 3D-Scan und Definition des Projektziels.
2 Grundlagen: Vermittlung des technischen Basiswissens zu CAD, Scantechniken, Sensoren, Antriebselementen und Materialbearbeitung.
3 Konzeptionierung: Schrittweise Erarbeitung des Maschinenkonzepts, beginnend bei der Anforderungsliste bis hin zur Auswahl des optimalen Systems mittels Nutzwertanalyse.
4 Auswahl des Sensors: Vergleich und Bewertung verschiedener am Markt verfügbarer Sensormodelle zur Bestimmung der optimalen Wahl für das Projekt.
5 Konstruktion: Detaillierte Ausarbeitung des CAD-Modells, der notwendigen Adapter, der Energiekettenführung und der Fertigungsoptimierung für die Bauteile.
6 Kalkulation Herstellkosten und Bewertung: Ermittlung der Maschinenstundensätze und detaillierte Kostenaufstellung für Zukauf- und Fertigungsteile zur Einhaltung des Budgets.
7 Einordnung in den Markt: Vergleich des entwickelten Konzepts mit bestehenden Marktmodellen hinsichtlich Leistung, Funktion und Preis.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit des Projektergebnisses sowie Auflistung identifizierter Verbesserungsmöglichkeiten für zukünftige Entwicklungsstufen.
Schlüsselwörter
3D-Scanner, Konstruktion, CAD, Low-Cost, LiDAR, Schrittmotor, Kugelgewindetrieb, Prototyping, Fertigungstechnik, Maschinenbau, Sensortechnik, 6-Seiten-Scan, Nutzwertanalyse, Automatisierung, Kostenkalkulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines automatisierten, optischen 3D-Scanners, der Werkstücke von sechs Seiten erfassen kann, um eine Lücke zwischen günstigen Hobby-Lösungen und teuren Industrie-Systemen zu schließen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Sensortechnik (LiDAR/TOF), mechanische Antriebs- und Führungselemente, Fertigungsverfahren (CNC, 3D-Druck) und die konstruktive Umsetzung mittels CAD.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist das Design und die Konstruktion eines kostengünstigen 6-Seiten-3D-Scanners, der eine höhere messtechnische Qualität bietet als herkömmliche Hobby-Geräte und eine automatisierte Werkstückdrehung ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Zur Entscheidungsfindung und Systembewertung wurden methodische Werkzeuge wie Anforderungslisten, morphologische Kästen, Nutzwertanalysen und Schnittpunktdiagramme angewendet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Konzeptionierung, die Auswahl des Sensors, die CAD-Konstruktion der Baugruppen sowie die betriebswirtschaftliche Kalkulation der Herstellkosten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem 3D-Scanner, Kugelgewindetrieb, CAD, Fertigungstechnik, LiDAR, Nutzwertanalyse und Prototyping.
Warum wurde der Intel Realsense L515 als Sensor ausgewählt?
Der Sensor wurde basierend auf einer Nutzwertanalyse gewählt, da er in der Gesamtwertung aller Kriterien wie Preis, Tiefengenauigkeit und Arbeitsabstand das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für das Projekt bot.
Welche Rolle spielen die Energieketten im Aufbau?
Die Energieketten dienen dazu, die Strom- und Signalleitungen zu den beweglichen Motoren und Sensoren sicher zu führen, ohne dass diese bei der mechanischen Bewegung der Achsen beschädigt werden.
- 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
