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Laserscanner Kooperativ zu besserer Messtechnik

Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Udo Schnell

Bei der Entwicklung eines Laserscanners waren die Anforderungen hoch. Die gelungene Kooperation zwischen Experten aus Messtechnik und Präzisionsmechanik führte dazu, dass die komplexe Aufgabe in kurzer Zeit bewältigt werden konnte.

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Polymeca fertigt bereits seit Jahrzehnten kundenspezifische Präzisionsmechaniken für Unternehmen aus unterschiedlichen Bereichen.
Polymeca fertigt bereits seit Jahrzehnten kundenspezifische Präzisionsmechaniken für Unternehmen aus unterschiedlichen Bereichen.
(Bild: Klaus Vollrath)

Bei Entwicklungsprojekten technischer Produkte geht es meist um eher kleine Fortschritte im Vergleich zum Vorgängermodell. Der Laserscanner BLK 360 vom Schweizer Präzisionsgerätehersteller Leica Geosystems ist dagegen ein sogenanntes disruptives Produkt, weil er eine Kombination von Eigenschaften bietet, die dem Marktstandard weit voraus sind. Einen wichtigen Beitrag zur erfolgreichen Realisierung des völlig neu konzipierten Messgerätes leistete auch der Hochpräzisionsbearbeitungs-Spezialist Polymeca.

Ein Laserscanner für alle

„Unser Auftrag lautete, einen neuartigen Jedermann-Laserscanner zu entwickeln, der auch neuen Anwendergruppen den Einsatz dieser faszinierenden Technik ermöglichen würde“, erläutert Simon Mark, Leiter strategische Innovationen bei Leica Geosystems AG in Heerbrugg (Schweiz).

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Laserscanner, welche ihre Umgebung mithilfe von Laserimpulsen abtasten und aus der Zeit zwischen Aussenden und Empfang der Pulse die exakten Koordinaten der Messpunkte ermitteln, werden in vielen Bereichen seit Jahrzehnten mit großem Erfolg eingesetzt. Sie ermöglichen die großräumige Erfassung von Räumen und Objekten in Form von Punktwolken mit hoher Auflösung. Mithilfe ausgefeilter Software können im Computer daraus 3D-Darstellungen erzeugt und für unterschiedlichste Einsatzzwecke genutzt werden.

Die bisher am Markt verfügbaren Geräte waren jedoch preislich deutlich höher angesiedelt, aufwendig zu transportieren und erforderten speziell ausgebildetes Personal. Vom Entwicklungsteam wurden jetzt Verbesserungen in einem Umfang gefordert, die im Vergleich zum Stand der Technik geradezu einem Quantensprung entsprachen. Die Neuentwicklung sollte klein, leicht und handlich sein, auf Knopfdruck funktionieren, zusätzlich zu Raumkoordinaten auch noch farbige Bild- sowie Infrarotinformationen liefern und erheblich günstiger sein als alles, was sonst auf dem Markt verfügbar war. Und – last, but not least – sollte das Gerät uneingeschränkt den Qualitätsanforderungen von Leica Geosystems entsprechen.

Zusammenarbeit von Experten

„Das anfangs aus knapp zehn Mitarbeitern bestehende Team wuchs im Lauf der Entwicklung auf zeitweise bis zu 40 Personen an“, erinnert sich Simon Mark. Es umfasste Fachleute aus vielen unterschiedlichen Bereichen wie Elektronik, Optik, Mechanik, Bildverarbeitung, Software, Produktionsplanung oder Supply Chain Management. Aufgrund ihres Engagements gelang es den Mitarbeitern, die gesamte, äußerst komplexe Aufgabe in knapp anderthalb Jahren zu bewältigen: Bereits im November 2016 konnte das Gerät angekündigt werden und schon im Frühjahr/Sommer 2017 erfolgten die ersten Auslieferungen.

Das kleine, handliche Gerät in Form einer mittig geteilten Kuppel wiegt nur 1 kg, kann sowohl mit einem Stativ als auch direkt auf einer Unterlage stehend eingesetzt werden und wird mit einem einzigen Knopfdruck gestartet. Danach läuft die gesamte Mess­sequenz vollautomatisch ab, die Daten werden auf einem Tablet gespeichert und können sofort verarbeitet und angesehen werden. Die Reichweite liegt bei 60 m, die Messunsicherheit bei ±4 mm auf 10 m und die Messrate bei 360.000 Punkten in der Sekunde. Eine vollständige Raumerfassung ist in 3 min möglich, wobei jedem Messpunkt zugleich Farb- und Infrarotinformationen zugeordnet sind. Dies ermöglicht auch die Verknüpfung von Raumkoordinaten mit Bildinformationen, beispielsweise für Virtual-Reality-Anwendungen. Das Gerät erfreut sich großer Beliebtheit bei Architekten, Tunnelbauern, Filmschaffenden, Raumausstattern oder Fabrikplanern, die beispielsweise in einer Werkshalle zusätzliche Ausrüstung zwischen vorhandenen Installationen unterbringen müssen. Aufgrund der Infrarotkamera lassen sich teils sogar unter der Oberfläche verlaufende Leitungen erkennen.

„Zu den entscheidenden Komponenten des Geräts gehören auch die mechanisch bearbeiteten Metallkomponenten wie das Chassis oder die Kuppelhälften“, ergänzt Heinz Staub, Verkaufsleiter bei Polymeca, einem Hersteller von mechanischen Präzisionskomponenten im Dreiländereck D-A-CH. Bei der Entwicklung kam es zu einer intensiven Zusammenarbeit mit dem Team von Leica Geosystems. Zwar gehören beide Unternehmen inzwischen zum gleichen Konzern, doch musste Polymeca ungeachtet dessen zunächst ein kritisches Auswahlverfahren durchlaufen, bevor es als Lieferant akzeptiert wurde.

Ausschlaggebend für den Zuschlag waren das spezielle Know-how sowie die umfassende Erfahrung, die bei Polymeca aufgrund der jahrzehntelangen Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen innerhalb und außerhalb des Mutterkonzerns Hexagon vorhanden sind. Zudem ist das Unternehmen sehr breit aufgestellt, nicht nur mit Blick auf die mechanische Bearbeitung mit höchster Präzision, sondern auch was anspruchsvolle Oberflächenveredelungen angeht.

Keine aufwendige Lieferkette

Ein wesentlicher Pluspunkt ist darüber hinaus, dass dies alles aus einer Hand durchgeführt wird, so­dass keine aufwendige Lieferkette mit zahlreichen Unterlieferanten nebst dazwischengeschalteten Transport-, Handling- und Prüfabläufen aufgebaut werden muss. Zudem konnte Polymeca wegen der eigenen Labors und technischen Einrichtungen auch beim Entwicklungsprozess schnell und effizient komplexe Prozesslösungen passend zu den Wünschen der Designmannschaft konzipieren, optimieren und validieren. Diese One-Stop-Shop-Befähigung ist auf dem Markt der Präzisionsbearbeitung nicht allzu häufig zu finden.

„Als Beispiel für die geforderte Präzision kann die Kuppelteilschale mit den Kameramodulen dienen“, sagt Staub. Diese sind zusammen in unterschiedlichen Winkeln im Gehäuse angeordnet. Aus den Bildern wird per Software durch Überlagerung ein einziges erzeugt, dessen Pixeldaten anschließend mit den Entfernungsinformationen des Laserscanners und den Infrarotdaten des IR-Sensors verknüpft werden.

Dazu müssen die 15-Megapixel-Kameras sowohl von der Orientierung her als auch bezüglich ihrer Farbeigenschaft gemeinsam kalibriert werden. Voraussetzung dafür ist eine äußerst genaue und zugleich langzeitstabile Orientierung der Kameras samt der dazugehörigen Hilfs-Lichtquellen sowie der IR-Kamera. Diese Schale sowie weitere metallische Komponenten wie der Batteriefachdeckel werden von Polymeca mechanisch bearbeitet und oberflächenveredelt. Anschließend wird das gesamte Subsystem mit Zubehörteilen, Kamera- und Sensorausstattung sowie zugehöriger Elektronik komplett montiert, getestet und einbaufertig ausgeliefert.

Zu den Besonderheiten der Kameraausstattung gehört ihr HDR-­Modus (High Dynamic Range). Dabei werden schnell hintereinander mehrere Aufnahmen mit stark unterschiedlicher Lichtempfindlichkeitseinstellung gemacht. Die Verrechnung der entsprechenden Bildinformationen ergibt ein Bild mit deutlich erhöhter Informationstiefe in Bits, sodass Über- oder Unterbelichtung auch bei stark wechselnden Helligkeiten vermieden werden kann.

Hohe Anforderung an die Oberflächenstruktur

„Zu den wichtigen Aspekten bei der Entwicklung des Geräts gehörten auch seine Optik und Haptik“, sagt Mark. Dabei wurde gerade angesichts des günstigen Preises größter Wert darauf gelegt, dass der Scanner auch von diesen Eigenschaften her dem hochwertigen Markenimage von Leica Geosystems entspricht. Eine einfache Eloxalbeschichtung, auf der jeder Fingerabdruck sofort zu sehen wäre, kam daher von vornherein nicht infrage. Weil Polymeca auch die Beschichtungen seiner Produkte selbst entwickelt und mit eigenen Anlagen aufbringt, wurde dort für die Geräte eine ganz spezielle Oberflächenbehandlung kreiert, wozu auch eine besondere Oberflächenstruktur gehört. Diese führt in Verbindung mit der Beschichtung zu einer samtigen, mattschwarzen Oberfläche, die hohen ästhetischen Ansprüchen genügt und leicht zu reinigen ist.

Diese Entwicklung, die dem Gerät ein Quasi-Alleinstellungsmerkmal verleiht, war für Polymeca trotz der vorhandenen Erfahrung eine echte Herausforderung, die umfassende Tests und Versuchsreihen erforderte, bis die hohen Anforderungen vollumfänglich erfüllt werden konnten. Die Strenge der Vorgaben lässt sich auch daran ermessen, dass der gebogene Deckel des Batteriefachs, der sich seitlich im unteren Bereich des kuppelförmigen Gehäuses befindet, auch von der Oberflächenstruktur her exakt der Optik des übrigen Gehäuses entsprechen musste.

„Polymeca war bei diesem Projekt die richtige Wahl. Im Laufe der Zusammenarbeit erwiesen sich deren Mitarbeiter als kompetente Mitstreiter bei der Entwicklung, die wichtige Beiträge und Ideen einbrachten“, fasst Mark seine Erfahrung zusammen. Gestützt auf seine umfassende Erfahrung und Ausstattung in Bereichen wie mechanische Bearbeitung, Messtechnik, Oberflächenveredelung, Baugruppenmontage und Qualitätssicherung, habe Polymeca maßgebliche Beiträge zum Gelingen des Projekts geleistet. Dies betraf auch die zur Umsetzung erforderlichen Produktionsprozesse. Deren Auslegung und Optimierung seien in enger Zusammenarbeit zwischen Polymeca und seinem Entwicklungsteam realisiert worden. MM

* Klaus Vollrath ist freier Journalist in 4912 Aarwangen (Schweiz). Weitere Informationen: Leica Geosystems AG in CH-9435 Heerbrugg (Schweiz), Tel. (00 41-71) 7 27-31 31, info@leica-geosystems.com

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