Gemeinsam mit der n-protec AG haben wir eine Auswertung eines Turbinengehäuses durchgeführt. Auf Basis eines Befundes bei der Revision wurde Entschieden das Gehäuse mit einem 3D-Scanner aufzunehmen. Diese Aufgaben sind perfekt für unsere Creaform-Scanner geeignet, da diese mobil und ohne großen Aufwand auch in schwierigen Situationen beim Kunden eingesetzt werden können. Das Gehäuse in ein Messlabor zu transportieren ist offensichtlich mit größerem Aufwand verbunden.
Turbinengehäuse
Nach dem der 3D-Scan erstellt war, haben wir im Design X die Position der axialen Ringe für Lager und Schaufelträger bestimmt. Diese wurde als 3D-Model erstellt und können somit in der weitern Entwicklung auch im SOLIDWORKS verwendet werden.
Reverse-Engineering von Teilen des Gehäuses
Auf dem nächsten Bild erkennt man dass die roten Ringe gemeinsam mit den 3D-Scandaten in das SOLIDWORs importiert wurden. Dort wurden die Positionen mit den Bemaßungsfunktionen von bemaßt. Bei solchen Themen haben die CAD-Systeme ganz klar die Nase vorne.
Eine weitere Frage war wie Eben die Dichtflächen des Gehäuses sind. Dazu wurde im Design X eine Ebene Fläche erzeugt und gemeinsam mit den Scandaten in das Control X zu Qualitätssicherung übergeben. Auf dem nächsten Bild sieht man anhand der Falschfarben, an welchen Stelle die Dichtfläche von der Ebene Fläche abweicht. Die dunkel blauen Stellen sind Bohrungen. Von Interesse bei der Bewertung sind die Cyan und die Gelben Flachen.
Abweichen der Dichtfläche von der definierten Ebene
Neben dem normalspurigen Streckennetz gibt es in der Schweiz, vor allem in den Alpen, zahlreiche meterspurige Bahnen. Speziell für die GoldenPassLine wurde ein umspurbares Drehgestell für die Spurweiten 1000 mm und 1435 mm entwickelt. Als Besonderheit wird beim Umspuren die Drehgestellgeometrie auch in der Höhe verändert, wodurch die Einstiegshöhe der Wagen an die unterschiedlichen Bahnsteighöhen im Schmalspur- und Normalspurnetz angepasst wird. Die Umspuranlage ist im Bahnhof Zweisimmen eingerichtet und die Züge werden in langsamer Fahrt (15 km/h) beim Ein- und Ausfahren aus dem Bahnhof umgespurt.
Der Auftrag
Falschfarben Bild der Platte
Die Prose AG ist für die Entwicklung und den Aufbau der Anlage in der Schweiz verantwortlich und hat die SCAN IT 3D beauftragt die gesamte Anlage in Zweisimmen mit einem 3D-Scanner zu erfassen. Ein Scan der unter freiem Himmel durchgeführt wird, ist immer besonderen Risiken verbunden. Wenn es regnet oder schneit kann der Scan nicht durchgeführt werden. Wir haben uns entschieden in der Nacht zu scannen, da die Strecke direkt in Ost-West Richtung verläuft und die Sonne das scannen ansonsten behindert hätte. Für die Erfassung haben wir den Creaform MetraScan Elite eingesetzt. Zum ersten mal seit wir diesen Scanner einsetzten, war es notwendig, den Scanner während der Messung mehrfach neu zu kalibrieren. Die Ursache dafür lag ein in den stark fallenden Temperaturen vom frühen Abend bis tief in die Nacht. Zur Vorbereitung wurde die Anlage mit ca. 150 magnetischen Targets ausgestattet, an denen sich der Scanner orientiert hat. Für den Scan haben wir 10 Stunden mit zwei Personen benötigt.
Die Auswertung
Bei der Aufnahme haben wir ca. 30Mio Messpunkte erzeugt. Mit einer so großen Anzahl von Messungen ist es möglich eine Aussage über die gesamte Anlage zu treffen. Weiterhin kann diese Messung zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, um festzustellen, wie sich die Anlage über die Zeit verändert hat.
Anschließend haben wir die Scandaten mit den CAD Daten der Konstruktion, die uns von der PROSE AG übergeben wurden, verglichen. Bei dem Vergleich haben wir nach Zeichnungsvorgabe die Toleranzen ermittelt und mit der Vorgabe verglichen. Für die Beurteilung der gesamten Anlagen haben wir die Abweichungen in Form von Falschfarbenbildern bereitgestellt.
In den Schnitten, in denen die Maßtoleranzen ermittelt wurden, haben wir zur Kontrolle und zum besseren Verständnis die Abweichungen mit Hilfe von Wisker-Linien dargestellt. Die Wisker-Linien überzeichnen die Abweichung um einen definierten Faktor, so dass man sehr schnell zu einem klaren Verständnis kommt.
Die größten Herausforderungen
Im Rückblick gab es drei Punkte, die eine besondere Herausforderung darstellten.
Die Anzahl der Einzelteile im CAD Model der PROSE AG
Für die Konstruktion der Anlage ist es notwendig alle Details und Einzelteile als 3D-Körper zu modellieren. Viele der modellierten Einzelteile haben wir für die Vermessung nicht benötigt. Mit Hilfe von SOLIDWORKS wurden die verdeckten Teile und alles was kleiner als eine Schaube war aus dem Model gelöscht. Durch diese Reduzierung haben wir sichergestellt, dass die Auswertungen mit einer guten Performance im Control X erstellt wurden.
Die Ausrichtung der Scandaten an die CAD Modelle
Bei der Konstruktion ist man von einer perfekt Ebenen und geraden Anlage ausgegangen. Bei der gesamten Länge von ca. 40m ist das im Gleisbett nicht einzuhalten. Die zweigeteilte Umspurplatte, die auf einer Beton Platte verlegt wurde, passte extrem gut zu den CAD Daten. Den Bereich der im Gleisbett verlegt war haben wir in kleinere Abschnitte zerlegt und einzeln an den CAD Daten ausgerichtet.
Die Temperaturabsenkung in der Nacht
Den Scann haben wir spät im Herbst durchgeführt, währen der Nacht sind die Temperaturen stark gefallen. Das führte dazu, dass der Scanner und der Kamerabalken mehrfach neu kalibriert werden mussten. Eigentlich ist das keine große Sache, nur kann die Kalibrierung nicht im Gleisbett durchgeführt werden. Das Equipment muss mit allen Anschlüssen und Kabeln wieder auf den Bahnsteig getragen werden.
Mit sinkender Temperatur nahm auch die Kondensation an den Geräten so stark zu, dass wir entschieden haben abzubrechen und einen kleinen Teil der noch nicht erfasst war zu einem späteren Zeitpunkt aufzunehmen. Der fehlende Teil wurde schließlich eine Woche später aufgenommen und konnte ohne Probleme an die bestehenden Scans angepasst werden.
Lessons Learned
…und das auf einer WEB-Seite: Es ist wichtig aus Fehler zu lernen und die Erkenntnisse auch anderen zugänglich zu machen. Wenn man Neuland Betritt geht man immer ein Risiko ein. Wir würden bei einem Objekt dieser Größe in jedem Fall noch ein zweites Messystem einsetzen um den gesamt Fehler besser abschätzen zu können und wir würden ca. alle 2 Meter ein kalibriertes Endmaß mit dem Scanner erfassen, um die lokale Genauigkeit gewährleisten zu können.
Profil Gleis
Wird ein Objekt dieser Größe vermessen, würde wir heute zusätzlich den Einsatz eines Lasertrackers empfehlen. Nur mit zwei Systemen, die unabhängig arbeiten können Abweichungen sicher einer Ursache zugeordnete werden.
Weiterhin hätte der Einsatz einer Photogrammmetrie den Gesamtfehler, der beim Scannen entstanden ist nochmal deutlich kleiner Ausfallen lassen.
Weiterhin ist das Profil der Schienen, die Lauffläche ist ballig, die Seiten sind abgeschrägt für eine Vermessung nicht trivial.
Die Notwendigkeit die Daten in kleiner Abschnitte zu unterteilen und diese separat an den CAD Daten auszurichten hat für einen sehr großen Aufwand gesorgt.
Bei den 3D-Scanner von Creaform gibt es zwei Parameter, die sich nicht auf den ersten Blick erschließen. Die Hilfe liefert dazu auch wenig erhellendes. Es geht um die Randgenauigkeit und das Dezimieren. Beide Parameter haben eine Einfluss auf die Qualität und die Rechenzeit bei der Erstellung des Netztes. Um der Sache auf den Grund zu gehen habe ich eine Borschablone und ein Gehäuse mit dem HandyScan Black | Elite erfasst.
Optimieren durch Dezimieren
Beim automatischen Dezimieren werden Bereiche mit wenig Details und Krümmung gröber vernetzt als flache Bereichen. Zur Veranschaulichung eine Schreibtischplatte kann ich mit zwei Dreiecken perfekt abbilden. Der positive Effekt vom Dezimieren ist das die Anzahl der Dreiecke drastisch reduziert wird. Ohne großen Qualitätsverlust kann man so ca. 60% der Daten einsparen. Der Nachteil ist, dass es Rechenzeit kostet das Model zu Dezimieren. Bei kleinen Modellen wirkt sich das nicht sehr stark aus bei dem Beispiel hat die Berechnung mit Dezimieren 20 Sekunden gedauert ohne das Dezimieren war die Berechnung in 18 Sekunden fertig. Bei großen Modellen sind die Unterschiede gravierender.
Neben dem VXElements kann man die Modelle auch im Design X reduzieren. Das Design X bietet dabei noch weiter Parameter an, um auf das Ergebnis Einfluß zu nehmen.
In dem Bild seht Ihr dreimal den selben Scan.
Blau ohne dezimieren
Gelb mit Deszimieren im VXElements
Grün mit Dezimieren im Design X
Was man gut erkennen kann, ist das Bereiche mit starker Krümmung mit kleinen Dreiecken Vernetzt werden und Flache Bereiche mit großen Dreiecken vernetzt werden. Wenn man das Resultat vom Design X mit dem VXElements vergleicht, fällt auf dass die Dreiecke im Design X (grün) stärker an den Übergängen ausgerichtet sind. Das hat beim Reverse Engineering bei der Selektion Vorteile. Das ist aber eher marginal.
