Wie verhält es sich, wenn es in Unternehmen zu einem Ausfall in der Fertigung kommt und planmäßige Instandhaltungsmaßnahmen nicht mehr rechtzeitig durchgeführt werden können? Das ist beispielsweise der Fall, wenn benötigte Ersatzteile nicht mehr erhältlich sind oder der Hersteller vollständig vom Markt verschwunden ist. Vor allem dort, wo spezielle oder maßgefertigte Anlagen zum Einsatz kommen, stehen Betriebe häufig vor großen Herausforderungen, wenn sich Verschleiß an einzelnen Teilen oder sogar ganzen Segmenten einstellt. 

Liegen Ersatzteile bei Defekt nicht mehr vor, bedürfen Konstrukteure Zeichnungen oder 3D-Modelle der nachzukonstruierenden Segmente. Um diese zur Verfügung zu stellen, empfiehlt sich das Reverse Engineering. Dabei erstellen Anwender auf Grundlage des vorliegenden Objektes zeit- und kostensparend präzise CAD-Datensätze, die zur Fertigung der Prototypen genutzt werden. Dazu wird ein 3D-Scanner verwendet, um das Bauteil exakt abzubilden. Auch stark beschädigte oder nicht mehr vollständige Objekte lassen sich auf diese Weise nachkonstruieren, da das Verfahren unregelmäßige Geometrien digital aufbereitet. Hierbei wird das Reverse Engineering unabhängig vom Maschinentyp immer auf dieselbe Art und Weise durchgeführt und findet insbesondere bei Objekten mit Freiformflächen Anwendung.
 

3D-Scanner im Einsatz

Das angewandte Verfahren stellt in mehreren Stufen präzise Datensätze bereit, die als Basis für die Produktion dienen. Dabei werden alle konstruktionsrelevanten Merkmale eines vorliegenden Original-Bauteils mit einem handgeführten 3D-Scanner extrahiert. Dank seiner empfindlichen Sensoren bietet er flexible Einsatzmöglichkeiten und nimmt Objekte sowie deren Umgebung aus unterschiedlichen Winkeln auf.

Der Lasersensor des handgeführten 3D-Scanners zeichnet 88.000 Punkte pro Sekunde auf.

© Norrenbrock

Auf das zu scannende Bauteil gerichtet, lassen sich mit einem Knopfdruck neben Strukturen ebenso Materialeigenschaften erfassen. Mit einer Wiederholgenauigkeit von unter 0,02 Millimetern zeichnet der Lasersensor so bis zu 88.000 Punkte pro Sekunde auf. Um die Geometrie des vorliegenden Bauteils so präzise wie möglich zu erfassen, kann dieser Vorgang sowohl optisch als auch taktil durchgeführt werden. Dabei beschränkt sich der Prozess nicht auf Einzelteile, sondern findet auch bei der Nachbildung größerer Segmente Anwendung. Unregelmäßige Geometrien bereitet das Scan-Verfahren digital auf. Eine anschließende Flächenrückführung erzeugt präzise CAD-Datensätze, die später in ein Koordinatensystem überführt und zur Fertigung des Prototyps genutzt werden.

Indem der Scanner während des gesamten Vorgangs zusammen mit einem Tablet oder Laptop verwendet wird, bietet er eine Echtzeit-Visualisierung der sogenannten Punktwolkendaten. So können die erfassten Bereiche parallel zur Aufnahme geprüft werden, um auszuschließen, dass während der Datenerfassung wichtige Informationen verloren gehen. Die erfassten 3D-Daten werden direkt auf einen PC für die weitere Verar-beitung gespeichert. Hier stehen sie etwa im STL-Format zur Weiterverarbeitung für diverse CAD-Programme zur Verfügung. Zudem besteht die Möglichkeit, eine bereits erfasste Punktwolke mit einer weiteren zu kombinieren. Zum effektiven und unternehmensinternen Austausch bearbeiteter Scan-Daten bieten sich Clouds an.
 

Daten greifbar machen

Den Grundstein, um aus dem Urmodell ein neues, identisches Bauteil zu entwickeln, legt die Erstellung der notwendigen CAD-Datensätze. Gleichzeitig beginnt mit diesem Schritt der eigentliche Reverse-Prozess. Er bildet die Schnittstelle zwischen der durch den Scanner erzeugten Punktwolke und der Erstellung eines CAD-Modells mit bestimmten Objekt- und Flächeneigenschaften. Um als optimale Produktionsbasis zu dienen, werden die Daten als ver-einfachte 3D-Repräsentation in Form von interaktiven CAD-Modellen dargestellt.

Die Erzeugung dieser Geometriemerkmale unterteilt sich in zwei Kategorien. So werden bei der parametrisierten Rückführung einfache Geometrie-Elemente auf die Punktwolke gelegt und zu einem Ganzen zusammengefügt. Dieses Verfahren findet vorwiegend bei Kugeln, Kreisen sowie Flächen zweiten, dritten und vierten Grades Anwendung. Die nichtparametrisierte Rückführung hingegen wird bei Objekten an-gewandt, die keine expliziten Geometrie-Eigenschaften aufweisen. Um diese im CAD darzustellen, wird das gesamte Objekt mit einer Art virtuellem Netzstrumpf überzogen. Dabei bilden die Maschen des Strumpfes die Flächen des CAD-Modells. Diese sind durch eine Vielzahl kleinerer Segmente, sogenannter Grids, unterteilt und besitzen keine eigentlichen Geometrie-Elemente mehr. Auf diese Weise lassen sich mit Hilfe des Reverse Engineering Objekte mit komplexen und unregelmäßigen Strukturen detailgetreu im CAD-System darstellen. 

Außer geometrischen Eigenschaften simuliert dieses virtuelle Modell auch physikalische Aspekte wie die Dichte oder den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Bauteils. Zudem berücksichtigt es Oberfläche, Struktur und optische Materialeigenschaften des Originals. Der so beschriebene Körper lässt sich virtuell wiegen und verformen. So können selbst komplexe Fragen zur Fertigung anhand des virtuellen Abbilds mit wenigen Klicks direkt am Bildschirm beantwortet werden. Dieses Vorgehen spart zum einen wichtige Zeitressourcen und hilft zum anderen, Produktionsfehler zu vermeiden. Auf Basis des so erzeugten CAD-Modells wird im Anschluss der Prototyp des rekonstruierten Bauteils gefertigt.
 

Keine Zeit verlieren

Mit dem Verfahren decken Betriebe zudem alle strategischen Überlegungen über den Ablauf der Rückführung in ein reproduzierbares Ausgangsmodell ab. Dabei beachtet das Reverse Engineering auch die Interak-tionsstellen mit korrespondierenden Elementen, damit Bauteil und Maschine nach der Rekonstruktion uneingeschränkt funktionieren. Durch die Herstellung des benötigten Bauteils und die damit verbundene Aufrechterhaltung der Maschine sparen Unternehmen Zeit und Geld. Für die Nachkonstruktion eines Zahnrads sei der Ablauf einmal beispielhaft beschrieben: Mit ungefähr 45 Minuten umfasst der Scan-Vorgang die kürzeste Zeitspanne im Gesamtprozess. Die Konstruktion dauert knapp 90 Minuten und umfasst neben der Erstellung der CAD-Datensätze deren detailgetreue Darstellung. 

Die erfassten 3D-Daten werden direkt auf einen PC für die weitere Verarbeitung gespeichert und stehen hier anschließend etwa im STL-Format zur Weiterverarbeitung für diverse CAD-Programme zur Verfügung.

© Norrenbrock

Abgeschlossen wird das Reverse Engineering durch die Fertigung des Bauteils, die beim Zahnrad noch einmal circa zwei Stunden in Anspruch nimmt.

Je nach Auftragseigenschaften gilt es zu reagieren und das Fertigungsverfahren den entsprechenden Gegebenheiten anzupassen. Bei Originalteilen, die in der Vergangenheit zum Beispiel als Gussteil hergestellt wurden und jetzt zur Nachkonstruktion gegeben werden, kommen moderne Prozesse zur Erzielung optimaler Ergebnisse zum Einsatz. So lassen sich selbst geringe Stückzahlen problemlos herstellen. Indem alternative Verfahren wie beispielsweise das Zerspanen oder die Kombination mehrerer Fertigungsmethoden eingesetzt werden können, reduziert sich der Arbeitsaufwand. Zusätzlich spart eine neuartig angepasste Fertigungsmethode Kosten ein. Mit dem Verfahren generiert der Anwender letztlich ein Frästeil, da sich Form- und Lagetoleran- zen hierbei viel genauer fertigen lassen.

Mit dem Funktionieren der Maschinen steht und fällt der Umsatz vieler Unternehmen. Ausfälle in der Produktion bewirken folglich, dass Aufträge nicht abgeschlossen werden können. Betreiber verfolgen daher das Ziel, ihre Anlagen instand zu halten. Verfahren wie das Reverse Engineering tragen dazu bei, Maschinen bei Defekten kosten- und zeiteffizient zu reparieren. Die Methode eignet sich besonders, um Bauteile, die sich bewegen beziehungsweise Reibung verursachen, zu rekonstruieren. Bei diesen fällt das Risiko eines Schadens am höchsten aus. Kommt es zu einem Stillstand im Ablauf, entstehen vermeidbare Kosten. Durch die schnelle Abwicklung des Verfahrens gestalten sich Ausfallzeiten kurz und die Produktion kann schnell fortgeführt werden. So reagieren Instandhaltungsmanager besonders auf unvorhergesehene Ausfälle.

Autor: Robert Norrenbrock ist Geschäftsführer der Norrenbrock Technik.