Industrielle Serienmessung – Was ist das und wie funktioniert sie?

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Die Digitalisierung macht auch vor der Vermessung nicht halt. Gerade die präzise Erfassung geometrischer und räumlicher Informationen über Anlagen, Maschinen, Bauteile und Produkte wird vor allem für die Industrie immer wichtiger. Damit die Daten zeitnah und in entsprechender Dichte und Genauigkeit zur Verfügung gestellt werden können, bedienen sich die Unternehmen immer modernerer Technik. So können mit der neuesten 3D-Serienmessung exakte Messungen an Objekten mit komplexer Geometrie durchgeführt werden. Die industrielle Serienmessung ist Teil der industriellen Computertomographie. 

Was ist die industrielle Serienmessung? Die industrielle Serienmessung ermöglicht ein genaues, kosteneffizientes und fast automatisiertes Messen von Bauteilen, Produkten oder Vorrichtungen. Dabei sind genaue Ergebnisse und kurze Taktzeiten wichtig. Die Genauigkeit wird durch Messpläne und wiederholte Messungen an ein und demselben Produkt, Bauteil oder einer Vorrichtung garantiert. 

Doch was genau ist die industrielle Serienmessung und warum ist sie in der Industrie so beliebt?

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Was ist Industrievermessung?

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Zur Industrievermessung gehören sämtliche messtechnischen Leistungen, die Industrieunternehmen erbringen müssen. Dazu gehört beispielsweise das Vermessen von Anlagen und die Erstellung von 3D-Modellen der Anlagen. Ebenfalls ein Teil der Industrievermessung sind Setzungsmessungen. Hierbei werden große, schwere Bauwerke wie Brücken und deren Auswirkungen auf den Untergrund – infolge von Belastung – untersucht und analysiert. Besonders wichtig im Bereich der Industrievermessung ist aber die Bauteilvermessung. Diese werden mittels der industriellen Serienmessung untersucht.

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Was bedeutet industrielle Serienmessung?

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Bei der industriellen Serienmessung werden von ein und demselben Produkt, Bauteil oder einer Vorrichtung große Stückzahlen wiederholt vermessen. Wichtig sind hierbei möglichst kurze Taktzeiten und zuverlässige Messergebnisse. Mittels individuell erarbeiteter Messpläne soll bei der industriellen Serienmessung ein möglichst hoher Grad der Automatisierung erreicht werden. Sinn ist es, den Zeitaufwand und Kostenfaktor für die Messungen so gering wie möglich zu halten. Daher sollen die sich wiederholenden Messaufgaben so einfach wie möglich gestaltet sein. Des Weiteren sollen die Messungen auch nicht durch Bedienfehler beeinflusst werden. Dagegen helfen die immer wieder abrufbaren Messpläne.

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Wo liegt der Ursprung der industriellen Serienmessung?

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Seit der Mensch existiert, hat er versucht, die Erde und deren Gestalt zu erkunden und zu vermessen. Neben der Landvermessung entwickelten sich auch die Ingenieurvermessung und die Messungen in der Medizin. 

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Geschichte der Computertomographie

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Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung am 8. November 1895 durch den deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen begannen die Menschen, die elektromagnetischen Wellen zum Durchleuchteten von Körpern und Objekten zu verwenden.

Dabei macht man sich das Absorptionsverhalten der verschiedenen Materialien zunutze. Das Absorptionsverhalten beruht zum einen auf der Dichte eines Objekts. Zum anderen auf der chemischen Zusammensetzung. Demnach sind Elemente, mit vielen Protonen im Atomkern, für die Röntgenstrahlen kaum zu durchdringen. Andersherum können die Strahlen Elemente mit wenig Protonen leichter durchdringen. Durch die unterschiedliche Gewebedichte der durchleuchteten Objekte ergab sich ein zweidimensionales Schattenbild.

Erst 1971, wurde der erste CT-Scanner vorgestellt. Entwickelt wurde der Prototyp von Godfrey Newbold Hounsfield, einem Elektrotechniker bei Electric and Musical Industries Ltd.

Mit den Jahren wurde der Prototyp immer weiter entwickelt. Außer in der Medizin wird die Computertomographie mittlerweile auch in materialwissenschaftlichen Gebieten verwendet. Da dabei häufig Materialien geröntgt werden, die eine stärkere Absorption haben als der menschliche Körper, beispielsweise Metalle, müssen in der industriellen Computertomographie höhere Strahlungsenergien genutzt werden.

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Wie läuft die industrielle Serienmessung ab? 

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Für die industrielle Serienmessung von kleineren Objekten werden diese meist auf rotierenden Tellern montiert. Anders als beim medizinischen CT rotiert nämlich beim industriellen CT nicht die Röntgenquelle um das zu untersuchende Objekt, sondern die Gegenstände drehen sich um die eigene Achse. Dabei verharren eine Röntgenquelle und ein Detektor an ihrer Position.

Während die Röntgenquelle, Röntgenstrahlungen erzeugt, misst der Detektor die Intensitäten der Strahlung, wandelt diese zuerst in sichtbares Licht und anschließend mit einer Fotodiode in Elektronen um. Die Pixelgröße und die räumliche Auflösung des Objektes ergibt sich aus den Abständen der einzelnen Messpunkte auf dem Detektor. Danach werden alle Pixel der industriellen Serienmessung zu einem 2D Gesamtbild oder Projektion, zusammengefügt. Je nach Intensität wird jedes Pixel mit unterschiedlichen Grauwerten dargestellt. Das Ergebnis ist ein Schwarz-Weiß-Bild. Dabei gilt: Je dichter ein Objekt an einer Stelle ist, desto größer ist die Abschwächung der Ausgangsstrahlung und desto weniger deutlich sind die Aufnahmen des Detektors.

Neben dem Verständnis über Detektor und Röntgengerät spielt bei der industriellen Serienmessung, aber auch der rotierende Teller eine wichtige Rolle. Dieser dreht sich nicht ununterbrochen um die eigene Achse. Er dreht sich eher nach jeder einzelnen Messung um ein zehntel Grad weiter, bis das Objekt einmal komplett vermessen wurde. Das Ergebnis sind bis zu 2.000 Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichsten Blickwinkeln. In der Regel sind 180° als Drehung ausreichend, da alles darüber hinaus bereits einmal vermessen wurde. Nur eben von der anderen Seite.

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Wie wird aus dem 2D Modell ein 3D Modell?

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Sobald die Projektionen aus allen Blickwinkeln erstellt wurden, errechnet eine spezielle Software, unter Zuhilfenahme eines Algorithmus, ein 3D-Objekt. Das Ergebnis ist die sogenannte Rekonstruktion. Dazu werden nicht nur die gemessenen Intensitäten benötigt. Auch die Geometrie des Messaufbaus spielt eine Rolle. Sprich: Wie weit waren Röntgenquelle, Objekt und Detektor voneinander entfernt. 

Nach der Rekonstruktion liegt das vermessene Objekt als Grauwert-Bilderstapel vor. Je nach Größe des zu vermessenden Gegenstands können mehrere Stunden vergehen. Auch die Rekonstruktion nimmt einige Zeit in Anspruch. Sobald jedoch das digitale Objekt vorliegt, können die Bildpixel mittels eines Grafikprogramms zu volumetrischen Pixeln umgewandelt werden. Diese werden auch „Voxel“ genannt. 

Im ersten Augenblick erscheint ein massiver, grauer Block. Denn bei der industriellen Serienmessung wird auch all das, was als Nicht-Objekt definiert wurde, aber im Messvolumen liegt, mitgemessen. Das kann beispielsweise ein Behälter sein, in dem sich das zu vermessende Objekt befindet, oder ein Polstermaterial bei zerbrechlichen Gegenständen. Das Computerprogramm kann hier nicht zwischen den verschiedenen Materialien unterscheiden. 

Erst durch das Ausblenden bestimmter Grauwerte, können Eigenschaften sichtbar gemacht werden, die bis dahin verborgen waren. Generell ist für die weitere Bearbeitung die Verringerung des Bildvolumens immer von Vorteil. Das funktioniert mit einer sogenannten Segmentierung: Hierbei werden alle Grauwerte, die das Objekt markieren beziehungsweise darstellen, markiert. Alle anderen Werte werden entfernt.

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Doch wie wird aus dem grauen Gebilde ein buntes 3D Modell?

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Um nun das Innenleben des Objektes betrachten zu können und möglicherweise Lufteinschlüsse oder Fehler in der Produktion aufdecken zu können, müssen bestimmte Wertebereiche farblich markiert werden. Dabei können auch Kontrasteinstellungen bei der Visualisierung hilfreich sein. 

Dieser Teilschritt in der industriellen Serienmessung ist das Rendering. To render something bedeutet übersetzt in etwa etwas wiedergeben oder vorlegen. Übrigens: Diese Methode wird auch bei der Visualisierung von Computerspielen angewendet. So entstehen virtuelle räumliche Modelle, die auf Basis von Rohdaten die Blickrichtung, Lichteffekte und Schärfentiefen künstlerisch erzeugen. Somit können Farbe und Materialeigenschaften, wie Oberflächenspiegelungen unabhängig von einem Objekt, beliebig dargestellt oder verändert werden. Um beispielsweise einen Lufteinschluss in Metallteilen oder Werkzeugen erkennen zu können, muss dafür die Transparenz des umliegenden Materials erhöht werden. Anhand der Ergebnisse können dann Änderungen im Produktionsverfahren durchgeführt werden.

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Warum ist die industrielle Serienmessung so wichtig?

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Die industrielle Serienmessung beinhaltet die professionelle und genaue Überprüfung sowie Realisierung von Vermessungen bei industriellen Anlagen. Somit können ganze Fertigungsstrecken oder einzelne Maschinen auf ihre ordnungsgemäße Funktionalität hin überprüft werden. Besonders die Soll-Geometrie wird bei der industriellen Serienmessung in regelmäßigen Abständen kontrolliert. Denn gerade zur Qualitätssicherung und ordnungsgemäßen Überwachung großer Anlagen sind die turnusmäßigen Kontrollen unerlässlich. Dafür kommen unter anderem

• digitale Präzisionsnivellierer, 
• 3D-Laserscanner, 
• oder Laserdrucker zum Einsatz. 

Nur so können

• Qualitätsprüfungen von Baugruppen,
• Qualitätsprüfungen von homogenen Materialien,
• Qualitätsprüfungen von inhomogenen Materialien
• und Reverse Engineering 

durchgeführt werden.