Reverse Engineering für komplexe Teile: Laufrad einer Wasserpumpe

Einführung in das Reverse Engineering

Reverse Engineering ist ein hochentwickelter Prozess, bei dem ein physisches Objekt oder Modell mit Hilfe fortschrittlicher Techniken vermessen wird, um sein CAD-Modell zu rekonstruieren. Diese Methode ist von unschätzbarem Wert, wenn Konstruktionszeichnungen unvollständig oder nicht verfügbar sind. Sie ermöglicht die präzise und schnelle Erfassung der Oberflächendaten oder Konturen eines Musters durch dreidimensionale Scaninstrumente. Der Arbeitsablauf umfasst die Verarbeitung von Punktdaten, die Erstellung von Oberflächen und die Rekonstruktion von dreidimensionalen Volumenmodellen und gipfelt in der Fertigung über CAM-Systeme, CNC-Bearbeitung oder Rapid Prototyping.

In industriellen Anwendungen dient das Reverse Engineering mehreren Zwecken:

• Neue Teile entwerfeninsbesondere für die Veränderung oder Nachahmung von Produkten.
• Vermessung und Replikation vorhandener Teile, um die ursprüngliche Entwurfsabsicht wiederherzustellen und dreidimensionale digitale Modelle zu rekonstruieren.
• Wiederherstellung von beschädigten oder verschlissenen Teilen zur Reparatur oder Wiederaufbereitung.
• Prüfung von Produkten, z. B. Analyse von Verformungen, Bewertung der Schweißqualität und Vergleich von bearbeiteten Teilen mit ihren digitalen Modellen zur Fehleranalyse.

Reverse Engineering umfasst zwei Kerntechnologien: die Digitalisierung, bei der dreidimensionale Scanner zur Erfassung von Oberflächendaten eingesetzt werden, und die Oberflächenrekonstruktion, bei der aus gemessenen Punkten Kurven und Flächen zu einem vollständigen dreidimensionalen Modell zusammengesetzt werden. Diese Technologie beschleunigt die Produktentwicklung, unterstützt das Rapid Prototyping und erleichtert die Bearbeitung von Formen durch die Ausgabe von vielseitigen Datenformaten.

Dreidimensionale Datenmessung eines Wasserpumpenlaufrads

Bedingungen der Datenerhebung

Die Fortschritte in den Bereichen Sensorik, Steuerung, Bildverarbeitung und Computer Vision haben zu verschiedenen Methoden zur Erfassung der Oberflächengeometrie eines Objekts geführt. Geräte wie dreidimensionale Scanner und Koordinatenmessmaschinen (KMG), die in Ländern wie Deutschland, dem Vereinigten Königreich, Italien und den USA hergestellt werden, stellen die erforderliche Hardware bereit. Diese Geräte lassen sich in zwei Kategorien einteilen: die berührende Messung mit harten oder weichen Tastern (z. B. KMGs) und die berührungslose Messung mit optischen Verfahren, industrieller CT, Ultraschall und MRT. Im Reverse Engineering ist die optische Messung der am weitesten verbreitete Ansatz, der die Prinzipien der Optik und des Lasers nutzt.

Vorteile von optischen Scannern beim Oberflächenscannen

Die Geschwindigkeit und die Qualität der dreidimensionalen Abtastung beeinflussen die Effektivität des Reverse Engineering erheblich. KMGs, eine ausgereifte Technologie zur Messung von Kontakten, bieten geringes Rauschen, hohe Präzision (±0,5 μm) und hervorragende Wiederholbarkeit. Zu ihren Einschränkungen gehören jedoch langsame Messgeschwindigkeiten, geringe Effizienz, Probleme bei der Messung weicher Objekte und die Notwendigkeit, Beschädigungen am Taster und Radiuskompensationen vorzunehmen, was zu hochpräzise aber Daten mit geringer Dichte.

Optische Scanner, wie der mobile optische dreidimensionale Scanner ATOS des deutschen Unternehmens GOM, zeichnen sich dagegen durch ihre Leistungsfähigkeit aus. Mit einer Messgeschwindigkeit von über 43.000 Punkten pro Sekunde, einer Einzelaufnahme mit bis zu 400.000 Punkten, einer Einzelaufnahmegenauigkeit von ±0,03 mm und einer Gesamtgenauigkeit von unter 0,1 mm/m übertreffen optische Scanner die CMMs beim Scannen komplexer Oberflächen. Während KMGs nur begrenzte Punkte auf komplizierten Formen messen, was die Gesamtgenauigkeit verringert, erfassen optische Scanner umfassende Oberflächendaten. Weitere Vorteile sind der große Scanbereich (bis zu 8m×8m mit hochauflösenden Kamerasystemen) und die Tragbarkeit, wodurch sie sich ideal für Anwendungen wie die Modellierung von Automobil- und Motorradteilen eignen.

Vorbereitung für das Scannen von Wasserpumpenlaufrädern

Das exakte Scannen eines Wasserpumpenlaufrads erfordert eine sorgfältige Vorbereitung. Dazu gehört das Anbringen von Referenzpunkten auf der Oberfläche des Laufrads, das Besprühen mit einem Entwickler, um die Sichtbarkeit zu verbessern, und die Kalibrierung des Scan-Instruments und der Software, um Präzision zu gewährleisten.

Scannen des Laufrads einer Wasserpumpe

Angesichts der die komplexe Geometrie des Laufradskann ein einziger Scan nicht die gesamte Form erfassen. Das Bauteil mit einer Größe von ca. φ370×85 mm wird in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt, die getrennt gescannt werden. Mit dem optischen Scanner ATOS (Modell ATOS I 600 EU) werden mehrere Winkel und Ausrichtungen gescannt. Die Software richtet jeden Scan automatisch anhand gemeinsamer Referenzpunkte aus und fügt die Daten zu einer vollständigen dreidimensionalen Darstellung des Laufrads zusammen.

Nachfolgend finden Sie eine Tabelle mit den technischen Daten des ATOS-Scanners:

Punktwolkenverarbeitung und dreidimensionale Rekonstruktion mit Imageware und UG NX

Verarbeitung von Punktwolkendaten mit Imageware

Die gescannten Punktwolkendaten werden in die Imageware-Software importiert, wo auf der Grundlage der Datenmerkmale Hilfspunkte erstellt werden, um die Punktwolke des Laufrads für die Extraktion von Schnittlinien auszurichten. Die Rohdaten enthalten oft Streupunkte, die gefiltert und optimiert werden müssen, um überflüssige Punkte zu entfernen und die Dichte zu verringern und so die Verarbeitungseffizienz zu erhöhen.

Die Extraktion von Merkmalslinien ist für die Oberflächenrekonstruktion von entscheidender Bedeutung. Die Form des Laufrads wird in quadratische Flächen (z. B. Ebenen, zylindrische Flächen, sphärische Flächen) segmentiert, die entsprechend angepasst werden. Ebenen werden durch drei Punkte oder zwei sich schneidende Linien definiert, während zylindrische Flächen auf Schnittlinien und Vektoren beruhen. Für Freiformflächen werden Schnittlinien extrahiert, Streupunkte entfernt und die Daten vor der Kurvenanpassung geglättet. In schwierigen Bereichen, wie z. B. in der spiralförmigen Nut des Laufrads, wird in UG NX eine Spirale konstruiert, indem ein Kreis auf die Punktwolke projiziert, eine spiralförmige Schnittlinie eingepasst und eine Steigung von 29,86 mm berechnet wird, die aus mehreren Messungen gemittelt wird, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Aufbau eines Oberflächenmodells mit UG NX

Die verarbeiteten Feature-Kurven aus Imageware werden im *.IMW-Format exportiert und in UG NX importiert, um die Konsistenz des Koordinatensystems sicherzustellen. Diese Kurven werden nach Bedarf analysiert, geglättet oder bearbeitet. Die Funktionen von UG NX zur Feature- und Oberflächenmodellierung werden dann genutzt, um das dreidimensionale Modell des Laufrads zu vervollständigen. Nach der Rekonstruktion wird das Modell wieder in Imageware importiert, um die Abweichungen von der ursprünglichen Punktwolke mithilfe einer Farbkarte zu bewerten und die Genauigkeit innerhalb bestimmter Toleranzbereiche zu überprüfen.

Produktinspektion mit Reverse Engineering

Inspektionsmethode

Reverse Engineering verbessert die Produktprüfung, insbesondere bei komplexen Teilen, bei denen herkömmliche Methoden versagen. Das bearbeitete Teil wird gescannt und seine Punktwolke wird mit dem ursprünglichen dreidimensionalen digitalen Modell in Imageware verglichen. Abweichungen werden über eine Farbkarte visualisiert, was eine präzise Bewertung der Bearbeitungsgenauigkeit ermöglicht.

Vorteile in der Batch-Produktion

Diese Technologie erweist sich sowohl in der Einzel- als auch in der Serienfertigung als vorteilhaft. Bei Massenartikeln wie spritzgegossenen Telefongehäusen erleichtert das Reverse Engineering beispielsweise schnelle Stichprobenprüfungen und gewährleistet so die Qualitätskontrolle in allen Produktionsläufen.

Schlussfolgerung

Reverse Engineering kombiniert optisches Scannen und fortschrittliche Software wie Imageware und UG NX, um physische Objekte in präzise digitale Modelle zu verwandeln. Der Prozess hängt von einer genauen Kurvenkonstruktion ab, mit Oberflächenqualität abhängig von glatten Funktionslinien. Durch die Möglichkeit der Replikation, Modifikation und Innovation rationalisiert Reverse Engineering die Produktentwicklung, verkürzt die Zyklen und steigert die Erfolgsquote von Innovationen und ist damit ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen Fertigung.

KeSu Laufrad-Bearbeitungsservice

Das CNC-Fertigungsteam von KeSu, das sich aus professionellen Ingenieuren und Maschinisten zusammensetzt, wendet eine optimierte Programmierung und effiziente Werkzeugwege für die Laufradhersteller an.

Die kontinuierliche 5-Achsen-CNC-Bearbeitung von Laufrädern bietet größere Genauigkeit und Flexibilität bei der Herstellung komplexer Laufradkonstruktionen.

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