Laser-Profilometer 2D und 3D sowie Industriescanner sind berührungslose Systeme zur Erfassung geometrischer Profile. Eingesetzt werden sie zur Maßprüfung von Oberflächen, Formprofilen, Schweißnähten, Extrusionsquerschnitten und komplexen Freiformbauteilen. Sie erzeugen eine vollständige 2D-Profilaufnahme eines Querschnitts (durch Projektion einer Laserlinie und Kamera in Triangulation) oder eine 3D-Punktwolke (durch linearen oder rotierenden Scan der Laserlinie über das Werkstück). In der Qualitätsprüfung von Bauteilen der Luft- und Raumfahrt, des Automobil- und Bahnbaus, in der Industrierobotik und für Anwendungen des Reverse Engineering sind sie unverzichtbar.
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2D-Profilometer mit Laserlinie
Das 2D-Profilometer projiziert eine Laserlinie auf die Werkstückoberfläche und nimmt mit einer hochauflösenden Kamera das Bild der durch die Werkstückgeometrie verformten Linie auf. Ein Triangulationsalgorithmus setzt diese Verformung in ein Maßprofil um und liefert Tausende von Punkten pro Profil bei Raten bis zu mehreren kHz. Die typischen Auflösungen betragen 5-50 μm auf der X-Koordinate und 1-10 μm auf der Z-Koordinate (Tiefe), bei Arbeitsfeldern von wenigen cm bis über 1 Meter. Blaue Laserquellen (405 nm) eignen sich besser für heiße, organische oder spiegelnde Objekte.
3D-Scanner
3D-Systeme entstehen durch Verbindung eines 2D-Profilometers mit einem Bewegungssystem (motorisierte Linearachse, Drehung des Werkstücks, Roboterarm). Die Überlagerung aufeinanderfolgender Profile erzeugt eine dreidimensionale Punktwolke, die mit dedizierter Software zu Polygonnetzen verarbeitet wird; diese lassen sich für den Vergleich mit dem Soll-CAD, die Toleranzberechnung und die Erstellung von Prüfberichten nutzen. Fortgeschrittene 3D-Systeme arbeiten mit Mehrbild-Streifenlicht, Streifenprojektion oder Stereoskopie und erreichen auf kleinen Arbeitsvolumina Genauigkeiten im Submikrometerbereich.
Anwendungen
2D-Profilometer dienen der Prüfung von Schweißnähten (Höhe, Breite, Profil, Vorhandensein von Fehlern), der Messung von Dichtungen und Gummiprofilen, der Prüfung von Extrusionsformen, der Prüfung von Schienen und Bahnprofilen sowie der Prüfung von Folien und Bahnen. 3D-Scanner finden Anwendung bei der Maßprüfung von Turbinenschaufeln, Fahrwerksteilen, Bauteilen der Luft- und Raumfahrt, Formen und Werkzeugen, Prototypen, Medizinprodukten und Prothesen sowie Kunstwerken und Kulturgütern. Das Reverse Engineering von Bauteilen ohne technische Zeichnung ist eine der verbreitetsten Anwendungen.
Software und Arbeitsablauf
Die dedizierte Software übernimmt die Kalibrierung des Systems (Kalibriernormale und Entzerrungsalgorithmen), die Erfassung und Aufzeichnung der Profile, die Rauschfilterung, die Ausrichtung am Soll-CAD (Best-Fit, RPS, Bezugssystem), den Vergleich mit Form- und Lagetoleranzen (GD&T), die Erzeugung von Farbkarten der Abweichungen und die fotorealistische Berichterstellung. Der Export in Standardformate (STL, OBJ, IGES, STEP, DXF) ermöglicht die Einbindung in CAD-/CAM-Software von Drittanbietern. Zu den erweiterten Funktionen gehören Netzausdünnung, Lochfüllung und Flächenrückführung aus der Punktwolke.
Normen und Auswahl
Optische 3D-Systeme werden messtechnisch nach VDI/VDE 2634 Teil 2 und 3 charakterisiert (acceptance testing, verification). Die Kalibrierung erfolgt mit nach ISO 17025 zertifizierten Kugelstäben und Kugelplatten. Die Auswahl richtet sich nach den Abmessungen des Arbeitsvolumens, nach der geforderten Auflösung, nach den Eigenschaften der Oberfläche (Reflektivität, Farbe, Textur), nach der Einbindung in Roboterarme oder motorisierte Achsen und nach der Bediensoftware.
Mit der Entwicklung der Industrie 4.0 haben sich robotergestützte Profilometersysteme verbreitet: der 3D-Sensor sitzt auf einem anthropomorphen Roboterarm, der komplexe Werkstücke selbsttätig abtastet und in wenigen Minuten die vollständige Digitalisierung des Produkts sowie den Vergleich mit dem Soll-CAD liefert.
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