Was ist ein KMG-Gerät?

5. Apr. 2021
Lesezeit 12 Min.
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Zusammenfassung 

Seit Jahrzehnten greifen Unternehmen, die hochgenaue Messungen benötigen, häufig auf KMG zurück. In jüngster Zeit hat sich jedoch eine andere Lösung etabliert, die viele überzeugende Vorteile gegenüber KMG bietet, darunter etwa Tragbarkeit und damit ortsunabhängige Einsetzbarkeit, eine einfache Bedienung, vollkommen kontaktloses Vermessen und eine 10- bis 50-fache Messgeschwindigkeit.

STÄRKEN VON KGM
hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit, Langlebigkeit
NACHTEILE VON KGM
Kosten, niedrige Geschwindigkeit, lange Lernkurve
DIE ALTERNATIVE: 3D-SCANNER
kostengünstig, schnell, einfach zu bedienen, kontaktlos

Einleitung

Genaue lineare Messungen sind schon seit Jahrtausenden eine gesellschaftliche Praktik. Das allererste Messinstrument war der menschliche Körper selbst — sei es eine Fingerbreite, ein Fuß oder eine Elle (der Abstand vom Ellenbogen zur mittleren Fingerspitze). Seitdem hat sich aber viel getan.

Irgendwann erfanden wir Lineale, Messschieber und Maßbänder. Diese Werkzeuge haben bis heute ihren wohlverdienten Platz im Werkzeugkasten der Messtechnik. Doch dann, in den späten 1950er- und frühen 1960er-Jahren, kamen die ersten dreiachsigen KMG (Koordinatenmessgeräte) auf den Markt. Und in den frühen 1980er Jahren erschienen erstmals tragbare KMG mit Messarmen.

Mit jedem Jahr verbesserte sich die Technologie weiter, so dass moderne KMG heute bei Tausenden von Anwendern auf der ganzen Welt bevorzugt für die Qualitätsprüfung eingesetzt werden.

Neben dem Bereich der Qualitätskontrolle werden Koordinatenmessgeräte, ob direkt gesteuert oder programmiert, auch im Reverse Engineering, Rapid Prototyping und anderen Bereichen eingesetzt.

Wie KMG funktionieren

 CMM measurement of hardened steel worm gear

Stellen Sie sich einmal vor, Sie nehmen Ihren Finger und fahren damit über ein Objekt — zum Beispiel eine Hochreliefkarte. Sie gleiten mit Ihrer Fingerspitze um den Rand eines Gebirges, durch ein tiefes Tal und steigen dann bis zum höchsten Gipfel auf. Während Sie dies tun, ändern sich die Koordinaten für den Längengrad (X), den Breitengrad (Y) und die Höhe (Z) Ihrer Fingerspitze.

Schlüsselpunkt

Ein schaltender Messtaster erfasst Punkte auf der Oberfläche des zu erfassenden Teils oder Objekts.

Ein Koordinatenmessgerät funktioniert auf ähnliche Weise. Um dies zu veranschaulichen, konzentrieren wir uns nun auf die Verwendung eines KMG mit einem schaltenden Messtaster, dem heutzutage zweifellos am häufigsten verwendeten KMG-Taster. Dieser hochempfindliche Taster erfasst Punkte auf den Oberflächen des zu messenden Objekts.

Die drei Achsen (XYZ), die der Messtaster berührt, werden vom KMG aufgezeichnet und in Kombination mit Dutzenden bis Hunderten anderer XYZ-Messungen zur präzisen Vermessung des Objekts verwendet, etwa zu Prüfzwecken. Diese Messungen werden dann mit den Standardwerten verglichen, um zu überprüfen, ob das Objekts den akzeptablen Standards entspricht.

Kategorien von KMG

Die vier Grundtypen von KMG sind solche mit Ständer-, Brücken-, Portal- und Auslegerbauweise. Unter diesen sind Brücken-KMG ohne Frage die beliebtesten, da sie mikrometergenaue Messfunktionen bieten. Ihre relative Erschwinglichkeit ist auf ihre niedrigen Herstellungskosten zurückzuführen.

 Eine Charge von technischen Maschinenteilen

CAusleger-KMG, die für die Arbeit mit kleineren Objekten und Teilen konzipiert sind, eignen sich normalerweise für den Einsatz in der Werkstatt, da ihr offener Zugang an drei Seiten eine bequeme Handhabung für die Bediener ermöglicht. Portal-KMG bieten die optimale Präzision eines Brücken-KMG, jedoch für große und schwere Teile. Da Portal-Geräte auf dem Boden montiert werden, benötigen sie ein solides Fundament für die Installation.

Ständer-KMG sind am ungenauesten von allen, bieten jedoch zahlreiche Vorteile bei der Prüfung größerer Objekte und Komponenten. Dies ist insbesondere bei erhöhten Produktionsvolumina, wie sie häufig in der Automobil-, Schifffahrts- und Eisenbahnindustrie vorkommen, der Fall. Solange die Toleranzvorgaben die Leistung des gewählten KMG nicht überschreiten, können Ständer-KMG für kostengünstige Inspektionslösungen eine gute Wahl sein.

Arten von KMG-Tastern

Es stehen verschiedene Arten von KMG-Tastern zur Verfügung, darunter schaltende Messtaster, messende Messtaster, Näherungstaster sowie Multisensortaster.

Beginnen wir mit schaltenden Messtastern: Damit diese ihre Koordinaten an das KMG übertragen können, müssen sie mit der Oberfläche des zu messenden Objekts in Kontakt gebracht werden. Im Gegensatz dazu scannen die Messtaster das Objekt, wobei der Taster einen Strom von Oberflächenmessdaten an das KMG weiterleitet.

Näherungstaster funktionieren ähnlich wie Messtaster, da sie keinen physischen Kontakt des Tasters mit dem Objekt erfordern. Der Unterschied zu den Wegmesstastern liegt darin, dass sie Lasern oder Videotechnologien verwenden — und nicht etwa optoelektronische Sensoren, wie bei den Messtastern.

 Ein KMG-Techniker und ein Roboter erfassen ein Automobilteil

Stärken von KMG

Blättern Sie einfach mal in einer beliebigen Fachzeitschrift für Messtechnik. Sie werden sich anschaulich davon überzeugen können, dass KMG unglaubliche Submillimetergenauigkeit und Präzision bei einer Vielzahl von Formen liefern können. Hinzu kommt, dass die besten Koordinatenmessgeräte jahrelang halten werden. Wer in diese Technologie investiert, kann davon ausgehen, dass die Geräte ein Jahrzehnt oder länger im Einsatz sein werden.

Schlüsselpunkt

KMG liefern eine unglaubliche Genauigkeit und Präzision im Submillimeterbereich für eine Vielzahl von Geometrien.

Koordinatenmessgeräte können eine effektive Lösung für die Prüfung von Teilen und Komponenten sein, sei es in der Vorproduktion, in der Inline- oder Endkontrolle. Wenn sie innerhalb eines etablierten Qualitätsprüfungs-Ablaufs eingesetzt werden, können KMG Ihnen mit ihrer unerschütterlichen Fähigkeit, bis in den Submillimeterbereich hinein präzise zu messen, sowohl Zeit als auch Geld sparen und sogar juristische Klagen und Unglücke verhindern.

Nachteile

Kosten, Installation, Programmierung

Die Preisspanne für ein hochwertiges Koordinatenmessgerät kann je nach Ausstattung und Leistung von etwa 50.000 $ bis zu 250.000 $ oder mehr reichen. Selbst wenn man bedenkt, dass die Anschaffung nur einmal im Jahrzehnt erfolgt, kann das immer noch eine beträchtliche Ausgabe sein. Die Installation ist ein weiterer Kostenfaktor, der mit einkalkuliert werden muss: KMG müssen ordnungsgemäß in einem Raum mit ausreichender Belüftung, auf einer schwingungsdämpfenden Platte und mit einer beständigen Druckluftversorgung installiert werden.

Inspektion eines Motorblocks mit einem KMG

Alles in allem können Ausrüstung und Installation den Preis für ein zuverlässiges, aber mittelmäßiges Koordinatenmessgerät auf die 500.000-Dollar-Marke treiben, wenn nicht sogar mehr. Und dann ist da noch der Schulungsaufwand: Da es sich bei KMG um Messgeräte handelt, müssen sie von technisch versierten Experten bedient werden. Dies erfordert sowohl Zeit als auch Ausbildung. Außerdem sind erfahrene Techniker in der Branche sehr gefragt und oft rar gesät.

Sobald ein KMG mit einem qualifizierten Bediener an seiner Seite einsatzbereit ist, muss das Gerät neben der Erstkalibrierung auch für die Arten von Teilen und Objekten, die regelmäßig gemessen werden sollen, programmiert werden. Einmalige Prüfungen von ungewöhnlichen Bauteilen können zeitaufwendig sein, da sie normalerweise im Vorfeld eine spezielle Programmierung erfordern.

Schlüsselpunkt

Große Objekte, wie sie häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und auch in der Archäologie vorkommen, können übermäßig lange Zeitspannen erfordern, um angemessen vermessen zu werden.

Da KMG erfordern, dass die Objekte vor der Messung richtig positioniert und dann fixiert werden, müssen die Bedienenden zusätzliche Zeit für jedes Objekt einkalkulieren. Außerdem können große Objekte, wie sie häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und auch in der Archäologie vorkommen, übermäßig lange Zeitspannen erfordern, um angemessen vermessen zu werden. Dies kann leicht zu einer Überlastung der Bedienenden führen.

Langsame Messungen, Überlastung des Bedienenden, Schadensrisiko

Ein Beispiel dafür ist der Versuch von Meeresarchäologen, mit einem KMG (Faro-Arm) 8 Meter lange Schiffshölzer eines Schiffes aus der Wikingerzeit genau zu vermessen. Jedes Holz erforderte mehr als zwei Stunden Messung mit dem KMG. Bei 228 Holzteilen hätte das vierköpfige Team mehr als ein Jahr gebraucht, um alles mit dem Gerät abzuarbeiten.

Ein Meeresarchäologe erfasst der mit Artec Eva alte Schiffshölzer

Da der Abgabetermin immer näher rückte, nahmen die Archäologen für diese Aufgabe 3D-Scanner zu Hilfe. Im Gegensatz zu ihrem KMG erfasste und verarbeitete der von ihnen gewählte handgeführte 3D-Scanner alle 228 Hölzteile in hochauflösender Farbe in nur einem Monat. Jedes Holzteil wurde in nur fünf bis zehn Minuten erfasst. Und die Detailgenauigkeit der Scans reichte sogar für dendrochronologische Analysen, um genau zu bestimmen, woher das alte Holz stammt, aus.

Abgesehen von den langen Messzeiten ist es bei der Prüfung von Teilen mit einem KMG unter Verwendung der gängigsten Tasterarten notwendig, den Taster mit jeder zu messenden Oberfläche in Kontakt zu bringen. Dies kann sich als schwierig erweisen, insbesondere wenn einige Abschnitte eines Teils blockiert sind oder sich an schwer zugänglichen Stellen befinden. In solche Fällen können einzelne Oberfläche nicht gemessen werden und müssen stattdessen später per Software neu erstellt werden. Darunter leidet dann zwangsläufig die Genauigkeit.

Ein KGM vermisst ein Autoteil

Die Notwendigkeit der Berührung durch KMG schließt den Einsatz in einer Reihe von Anwendungen generell aus. So kann der Messtaster bei Kontakt Gummi oder weiche Teile verformen, was zu Ungenauigkeiten führt. Zudem kann es vorkommen, dass KMG-Taster dem Material Schaden zufügen: Kratzer, Schrammen und andere Oberflächendefekte können leicht entstehen.

Aus den gerade genannten Gründen sind kontaktlose Messmethoden wie das 3D-Scannen in so unterschiedlichen Bereichen wie Reverse Engineering und Archäologie, Qualitätskontrolle, Denkmalpflege oder Forensik die erste Wahl. Experten auf der ganzen Welt sind sich darüber im Klaren, dass bei der Arbeit mit wertvollen Objekte oder wichtigen Beweismittel keinerlei irreversible Schäden zugelassen werden dürfen.

3D-Scannen als echte Alternative

Wie bereits erwähnt, können professionelle Hand- und Desktop-3D-Scanner eine effektive Lösung selbst für die anspruchsvollsten Aufgaben der Qualitätssicherung, Inspektion oder im Reverse Engineering darstellen. In jeder Phase eines Produktionsablaufs, ob in der Fabrikhalle, an der Laderampe oder anderswo, kann ein solcher Scanner in nur wenigen Minuten in Submillimeter-3D erfassen, wofür ein fest installiertes KMG eine Stunde oder mehr benötigen würde.

Schnelligkeit, Nutzerfreundlichkeit, Tragbarkeit

Ein anschauliches Beispiel ist ein Projekt im British Museum, bei dem gerade einmal zwei Mitarbeiter in nur wenigen Wochen über 400 zerbrechliche Gipsabdrücke alter Maya-Denkmäler aus dem neunzehnten Jahrhundert erfassen sollten. Die Exponate für die Vermessungen anzufassen kam aufgrund des Beschädigungsrisikos nicht in Frage, ganz zu schweigen von den zeitlichen Einschränkungen. Gleichzeitig war eine Genauigkeit im Submillimeterbereich unabdingbar. Zudem warteten Forscher und Museen warteten schon gespannt auf die realitätsgetreuen virtuellen und 3D-gedruckten Modelle.

SCHLÜSSELPUNKT

Professionelle 3D-Scanner sind einfach zu bedienen und können eine schnelle und effektive Lösung selbst für anspruchsvollste Aufgaben in der Qualitätssicherungs, Inspektion oder im Reverse Engineering sein.

Jeder mittelgroße bis große Gipsabdruck wurde in nur 10 Minuten gescannt. Alle Oberflächen, einschließlich der tiefen, schwer zugänglichen Gravuren und gewölbten Kanten, wurden akribisch in hochauflösendem Farb-3D erfasst. Selbst wenn ein KMG hier eine sichere Option gewesen wäre, hätte die für jeden Abguss benötigte Zeit die Ein-Stunden-Marke weit überschritten und den Abschluss des Projekts um Monate nach hinten verschoben.

3D-Scannen mit Artec Eva von Abdrücken von Maya-Denkmälern im British Museum

Die besten 3D-Scanner sind relativ einfach zu bedienen, und nach nur ein oder zwei Stunden Schulung können selbst blutige Anfänger solide 3D-Fähigkeiten entwickeln. Das bedeutet, dass vorhandenes Personal mehr als in der Lage ist, die Technologie zu erlernen und für Qualitätsprüfungsaufgaben einzusetzen.

Erschwingliche Preise, intuitive Software, oberflächenschonende Datenverarbeitung

Im Gegensatz zu KMG erfordern 3D-Scanner keine Installationskosten, Schulungen sind in der Regel inbegriffen und die Endpreise vergleichsweise überschaubar. Hochwertige 3D-Scanner sind leichtgewichtig und tragbar, sodass sie sowohl im Büro als auch vor Ort bei Kunden in der näheren und weiteren Umgebung eingesetzt werden können.

Wenn das Gerät, für das Sie sich entscheiden, mit regelmäßigen Softwareerweiterungen zum Scannen, welche die Auflösung und Genauigkeit vervielfachen, ausgestattet ist, wird Ihr Scanner auch nach Jahren noch fortschreitend bessere Ergebnisse liefern.

3D-Modelle eines Metallteils, ebenfalls erstellt mit dem Scanner Artec Eva. Ein Upgrade zu Artec Studio mit HD-Modus verbessert die Ergebnisse erheblich.

Wenn es um die Erfassung einwandfreier Daten Ihrer Objekte geht, insbesondere für Inspektionen, sollte der professionelle 3D-Scanner, den Sie auswählen, über eine einfach zu bedienende Scan-Verarbeitungssoftware mit unkomplizierten visuellen Funktionen, wie etwa der Abbildung des Oberflächenabstands, verfügen. Darüber hinaus ist eine Integrationsmöglichkeit mit vollwertigen Inspektionspaketen, etwa Geomagic Control X, ein großer Vorteil.

Ein zu 100% kontaktloses Scannen bedeutet, dass kein Risiko einer Beschädigung des Objekts, mit dem Sie arbeiten, besteht. Dabei kann es sich um feine Silikonteile für die Luft- und Raumfahrt, jahrtausendealte Fossilien, wichtige forensische Beweise an einem Tatort oder unbezahlbare Museumsobjekte handeln. Versicherungsgesellschaften, Qualitätsprüfer und Museumsmitarbeiter gehören zu den vielen, deren Leben nun stark erleichtert wird — besonders, wenn sie sich in der Vergangenheit mit den Folgen von Schäden durch Messungsarbeiten auseinandersetzen mussten.

Erfassung eines uralten, versteinerten Krokodils in Kenia mit Artec Eva

Schnellere Markteinführungszeit, unzählige Anwendungen, Automatisierungsmöglichkeiten

In den letzten Jahren konnten tragbare 3D-Scanlösungen bei allen möglichen Herstellern Fuß fassen. Die Technologie gibt Unternehmen die Möglichkeit, sorgfältig definierte Standards bereits in einem frühen Stadium des Produktionszyklus zu erreichen. Auf diese Weise können Sie die Anzahl der Arbeitszyklen von Design über Fertigung zum Test auf ein absolutes Minimum optimieren und so erheblich Zeit und Geld sparen, während Sie gleichzeitig die Retourequote bei den Kunden senken und Rechtsstreitigkeiten vermeiden können.

Der hohe Grad an Mobilität von Handheld- und Desktop-3D-Scannern in Verbindung mit schnellen Erfassungszeiten eröffnet die Möglichkeit, die Geräte abteilungsübergreifend zu nutzen: Sobald ein Unternehmen erkennt, dass sein 3D-Scanner nicht nur für eine hochpräzise Qualitätsprüfung, sondern auch für Reverse Engineering, VR/AR-Schulungen, Rapid Prototyping und mehr eingesetzt werden kann, lässt sich der ROI dieser Technologie noch einmal deutlich erhöhen.

Durch die jüngsten Entwicklungen in der KI- und 3D-Scantechnologie sind auch automatisierte 3D-Scanlösungen in den Vordergrund gerückt. Fast ohne menschliche Eingaben werden große Mengen identischer, hochkomplexer Objekte und Teile mit idealen Scanpfaden erfasst, was schnelle und vollständige Oberflächenerfassungen mit höchster Genauigkeit ermöglicht. Bei Inspektionen — ob vor oder nach der Produktion — können professionelle Desktop-3D-Scanlösungen und solche mit Roboterarm die Ablafaufzeiten verkürzen und gleichzeitig sämtliche Abweichungen und Defekte präzise aufspüren. Das Ergebnis ist ein reibungsloserer, verschlankter Arbeitsablauf mit geringeren Materialkosten, weniger Rücksendungen und höheren Qualitätsstandards.

Fazit

Artec Leo: Der schnelle submillimetergenaue 3D-Scanner mit drahtloser automatischer Verarbeitung «an Bord»

Es ist unbestritten, dass KMG effektive Lösungen für messtechnische Arbeitsabläufe sein können. Vor einer Kaufentscheidung sollten jedoch auch andere Messtechnologien sorgfältig in Betracht gezogen werden. Wie oben beschrieben, bieten moderne Handheld- und Desktop-3D-Scanlösungen für viele Unternehmen und Organisationen eine Reihe von Vorteilen gegenüber KMG.

SCHLÜSSELPUNKT

Vielen Unternehmen und Organisationen bieten moderne Lösungen für tragbare und stationäre 3D-Scannern eine Reihe von Vorteilen gegenüber KMG.

Am besten sollten Sie sich selbst davon überzeugen. Vereinbaren Sie zunächst eine Vorführung eines KMG im Vergleich zu einer professionellen 3D-Scanlösung — je nach Anwendungsbedarf entweder ein Handheld- oder ein Desktop-Gerät. Machen Sie vorher eine Liste mit Ihren Anforderungen. Wenn Sie dann nach der Vorführung die Preisangebote für jede Lösung in der Hand haben, sollten Sie die Betriebskosten und die mögliche Nutzung des Geräts in anderen Abteilungen Ihres Unternehmens in Ihre Überlegungen mit einbeziehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass professionelle Handheld- und Desktop-3D-Scanner wirklich jedem Nutzer, unabhängig von seiner beruflichen Ausbildung, ein mobile, digitale Erfassung im Submillimeterbereich und Messungen auf metrologischem Niveau ermöglichen. Und das zu einem Bruchteil der Kosten und des laufenden Wartungsaufwands für ein KMG.

Inhaltsverzeichnis
Geschrieben von: 

Matthew McMillion

Technologiereporter

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