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3D-SCAN RAHMENTEIL EINES FAHRRADS - Reverse Engineering des Rahmenteils für einen Fahrradhersteller

LeaderFox ist ein zuverlässiger und bekannter Fahrradhersteller mit einem breiten Portfolio an Mountain-, Street-, City-, Trekking- und E-Bikes sowie einigen weiteren Spezialfahrrädern.


Ziel dieses Projekts war es, 3D-Daten für die Herstellung eines neuen Fahrradmodells vorzubereiten, insbesondere des Verbindungselements eines Cross Country Bikes. Dieses Element dient zur Verbindung der hinteren Stoßdämpfer und der hinteren Strukturräder, die am Rohr des Fahrradsitzes befestigt sind. Alles wird dann zur Übertragung der Hinterradaufhängung übertragen, um den Fahrkomfort des Radfahrers zu erhöhen.


Für das Scannen des Teils wurde der 3D-Scanner KSCAN Magic verwendet. Mit ihm erhalten wir digitale Daten mit einer VDI/VDE 2634 Teil 2 zertifizierten Genauigkeit von 0,02 mm und sehr hohen Auflösung von 0,01 mm.


Im Folgenden der Workflow für dieses Projekt:


  1. Anbringung der Referenzpunkte (Marker)

  2. Scannen mit dem KSCAN Magic

  3. Nachbearbeitung der gescannten Daten

  4. Messung und Berichterstattung


1. Anbringung der Referenzpunkte (Marker)


Da wir einen tragbaren, laserbasierten 3D-Scanner verwenden, müssen wir zunächst die Referenzpunkte (Marker) anbringen, die der Scan-Software helfen, eine Punktwolke zu erstellen. Die Marker sind kleine, entfernbare (sie können auch magnetisch sein) Aufkleber mit reflektierenden Oberflächen, die im Lieferumfang des 3D-Scanners enthalten sind. Jede Packung enthält zwei verschiedene Größen: 3 mm und 6 mm. Da wir relativ kleine Teile gescannt haben, haben wir uns für den kleineren Durchmesser entschieden und Marker mit der goldenen Regel platziert, dass mindestens 4 Marker für 3D-Scanner im Scanbereich sichtbar sein müssen.


Benötigte Zeit: 1 Minute



2. Vorbereitung und Scan mit dem KSCAN Magic


Das Scannen selbst mit dem portablen, laserbasierten 3D-Scanner ist ein sehr schneller Vorgang. Die Bewegung des Scanners erfolgt so, um nach und nach Daten zu erfassen. Der Vollständigkeit halber sollte das Objekt aus mehreren Winkeln gescannt werden. Sobald die Daten vollständig sind, wird das Objekt in die nächste(-n) Position gebracht, um die verbleibenden Teile zu scannen. In diesem Fall haben wir auch an den Seiten kleine Referenzpunkte (3 mm) angebracht, damit wir uns nahtlos von der Oberseite des Teils nach unten bewegen können. Obwohl der Laserscanner leicht an die gescannte Oberfläche angepasst werden kann, um die Qualität der gescannten Daten zu erhöhen, wurde die Oberfläche des Objekts mit dem AESUB-Scanningspray vorbehandelt. Anschließend wurden der Raum und die Komponenten auf eine stabile Temperatur erwärmt und der Scanner kalibriert.


Benötigte Zeit: 30 Minuten




3. Nachbearbeitung der Daten in der Scan-Software


Nach dem Scannen werden die Daten in der Scan-Software ScanView bereinigt. Alle gescannten Daten werden dann durch die Geometrie des Objekts oder unter Verwendung von Referenzmarkern zusammengefügt. Anschließend müssen die Daten auf ihre Qualität und ihre Vollständigkeit überprüft werden. Der letzte Schritt besteht darin, dass 3D-Modell zu generieren. Das Ergebnis kann in die gängigen Ausgabeformate wie .stl, .ply oder in Punktwolkendateien wie .asc, .igs oder .txt exportiert werden. Eine spezielle CAD-Software kann dann einfach Netzdateien hochladen und Oberflächen erzeugen.


Benötigte Zeit: 10 Minuten




4. Messung und Berichterstellung in der Scan-Software


Die mit dem KSCAN Magic mitgelieferte Scan- und Messsoftware ScanView kann direkt einen CAD-Dateivergleich durchführen und eine Farbkarte mit einem Abweichungsbericht erstellen, der in einer PDF-Datei gespeichert werden kann. Sie können CAD-Daten importieren, die auf verschiedene Methoden mit den gescannten Daten verglichen werden können, einschließlich der Einrichtung von RPS-Punkten. Es ist auch möglich, Basiselemente zu erstellen, d. h. Oberflächen, die mit einem 3D-Scan durchsetzt sind.


Benötigte Zeit: 15 Minuten



Zusätzliche Messung

Das Bauteil wurde vom Fahrradhersteller ohne eine technische Dokumentation und Materialinformationen bereitgestellt. Das Hauptziel dieses Projekts waren die Vorbereitung von 3D-Daten für das Reverse Engineering. Wir haben jedoch fünf Parameter für die zusätzliche Messung und Prüfung von KSCAN Magic bestimmt, insbesondere die Durchmesser der drei Löcher (D1 = 30 mm, D2 = 17 mm, D3 = 8,10 mm) und die zwei Abstände zwischen ihnen D1 - D2 (Abstand L1) = 120 mm) und D1 - D3 (Abstand L2 = 71,07 mm). Entsprechend der Montagemethode des Bauteils und seiner Funktion haben wir uns dafür entschieden, die Loch- und die Abstandstoleranzen zu bestimmen.




Zur Messung der ermittelten Parameter wurde die externe Software GOM Inspect Suite verwendet. Die GOM Inspect Suite ist eine kostenlose Version einer komplexen Messsoftware. Die ScanTech ScanView-Software bietet den direkten Datenexport per Knopfdruck an GOM Inspect. Für diejenigen, die Messungen in GOM Inspect bevorzugen, gibt es eine schnelle und einfache Möglichkeit, die Zeit im Workflow zu reduzieren.



Als Methode zur Auswertung von Parametern des gescannten Teils wurde die Messung durch die erzeugten Elemente (Zylinder, Punkt, Linie) gewählt. Zunächst wurden in den gemessenen Löchern zylindrische Elemente erzeugt. Diese wurden durch die Best-Fit-Funktion in die gescannten Daten erzeugt. Daraufhin wurden Punkte erstellt, die die Oberseite des Zylinders und die Mittelachse kreuzen. Durch die Verwendung dieser Punkte werden ferner zwei Linien gebildet. Die Länge dieser Linien drückt den gemessenen Abstand zwischen den Löchern 1-2 und 1-3 aus.


Die Tabelle 1 zeigt 10 wiederholte Messungen ausgewählter Parameter:

Tabelle 1: Wiederholte Messungen

Aufgrund der Tatsache, dass das Bauteil mit einem Mattierungskreidespray vorbehandelt wurde, mussten die gelieferten Ergebnisse korrigiert werden. Der vom Hersteller empfohlene Wert der Schichtdicke für eine zufriedenstellende Scanqualität beträgt mindestens 0,015 mm. Daher wurden die Werte aller gemessenen Mittelwerte Löcher um 0,03 mm korrigiert.


Da wir nur ein Bauteil zur Messung zur Verfügung gestellt bekommen haben, wird die Berechnung der Standardunsicherheit des Typs A auf standardmäßige Weise als Standardabweichung der gemessenen Werte durchgeführt. Um die gesamte erweiterte Messunsicherheit zu berechnen, wählen wir den Expansionskoeffizienten k = 2 mit einer Überdeckungsswahrscheinlichkeit von p = 95,45%.


Die folgende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der berechneten erweiterten Gesamtunsicherheit unserer 10 Messungen an ausgewählten Parametern:

Tabelle 2: Erweiterte Gesamtunsicherheit

Wie wir anhand der berechneten Ergebnisse sehen konnten, überschritt keiner der gemessenen Werte die zertifizierte Genauigkeit des ScanTech KSCAN Magic, die 0,02 mm beträgt.


Zusammenfassung


Reverse Engineering ist ein Begriff, auf den wir in verschiedenen Industriebereichen immer häufiger und auch aufgrund der allgemeinen Digitalisierung der Produktion treffen. Es ist ein Vorgang, bei dem die technologischen Parameter des Objekts bestimmt werden. In der Welt des 3D-Scannens ist das Konzept des Reverse Engineerings mit der Konvertierung gescannter 3D-Daten eines realen Objekts in ein CAD-Modell verbunden. Es wird dann zur Herstellung eines neuen Bauteils, zur Analyse oder Designanpassungen verwendet. Die klassische, manuelle Modellierung ist ein viel langsamerer Prozess, der mit einem hohen Zeitaufwand sowie höheren Kosten verbunden ist. Durch Reverse Engineering oder gescannte 3D-Daten konnte das Unternehmen LeaderFox ein CAD-Modell für die Serienproduktion neuer Cross-Country-Bikes in viel kürzerer Zeit und mit geringerem Kostenaufwand erstellen.


Benötigte Zeit (ohne zusätzliche Messung): 56 Minuten

Verwendete Technologie: ScanTech KSCAN Magic , DELL Precision 7540 Laptop

Ort: Brünn, Tschechische Republik

Labortemperatur: 25 °C




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