Design und Konstruktion eines automatisierten, optischen 6-Seiten-3D-Scanners

Inhaltsverzeichnis

1 Ausgangssituation/Zielsetzung

2 Grundlagen

2.1 Gliederung

2.2 Technische Grundlagen

2.2.1 Computer aided Design (CAD)

2.2.2 Scantechniken- und Sensoren

2.2.2.1 Fotogrammetrie

2.2.3 Streifenlicht-/ Musterprojektion

2.2.3.1 LiDAR

2.2.3.2 Frequenzmodulation LiDAR (FMCW Scanning LiDAR)

2.2.3.3 Grundprinzip Time of Flight (TOF)

2.2.3.4 TOF VCSEL Scanning LiDAR

2.2.3.5 TOF Rotating Scanning LiDAR

2.2.3.6 TOF MEMS Scanning LiDAR

2.2.3.7 TOF Flash LiDAR

2.2.3.8 TOF OPA Scanning LIDAR

2.2.3.9 Optionale Elemente eines Scan-Systems: IMU

2.2.4 Antriebs- und Führungselemente

2.2.4.1 Antriebselement: Kugelgewindetrieb

2.2.4.2 Antriebselement: Riementrieb

2.2.4.3 Antriebselement: Servomotoren

2.2.4.4 Antriebselement: Schrittmotor

2.2.4.5 Führungselement: Lineargleitlager

2.2.4.6 Führungselement: Profilrollen

2.2.4.7 Energieketten

2.2.5 Materialauswahl

2.2.5.1 Werkstoffe

2.2.5.1.1 PLA

2.2.5.1.2 ABS

2.2.5.1.3 Stahl

2.2.5.1.4 Aluminium

2.2.6 Materialbearbeitung

2.2.6.1 Subtraktive Bearbeitung vorrangig runder Teile: Drehen

2.2.6.2 Subtraktive Bearbeitung vorrangig kubischer Teile: Fräsen

2.2.6.3 Subtraktive Bearbeitung senkrechter Schnitte: Wasserstrahlschneiden

2.2.6.4 Additive Bearbeitung vorrangig wenig belasteter Teile: 3D-Druck

2.3 Methodische Werkzeuge

2.3.1 Funktionsstruktur

2.3.2 Morphologischer Kasten

2.3.3 Nutzwertanalyse

3 Konzeptionierung

3.1 Anforderungsliste

3.1.1 Randbedingungen Fertigungsverfahren mit minimalen Werkzeugkosten

3.1.2 Weitere Erklärungen zur Anforderungsliste

3.2 Blackbox und Funktionsstruktur

3.3 Maschinenkonzept

3.3.1 Konzept A: Symmetrischer Aufbau

3.3.2 Konzept B: Asymmetrischer Aufbau

3.4 Arbeitsszenario

3.4.1 Detaillierungsoptionen X-Achse

3.4.2 Detaillierungsoptionen Z-Achse

3.4.3 Detaillierungsoptionen C-Achse

3.4.4 Detaillierungsoptionen B-Achse

3.4.5 Detaillierungsoptionen Werkstückeinspannung

3.5 Morphologischer Kasten der Detaillierungsoptionen

3.6 Abschätzung Materialkosten

3.7 Technische Nutzwertanalyse der Detaillierungsoptionen

3.7.1 Festlegung und Gewichtung der Kriterien

3.7.2 Durchführung der technischen Bewertung

3.8 Auswahl des optimalen Konzepts

3.9 Auslegung der Achsantriebe

4 Auswahl des Sensors

5 Konstruktion

5.1 CAD mit Inventor/ Einleitung

5.1.1 Konstruktion der Kaufkomponenten

5.1.1.1 Kugelgewindetrieb X-Achse

5.1.1.2 Kugelgewindetrieb Z-Achse

5.1.1.3 Schneckengetriebe, Intel- Sensor und Nema 23 Motor

5.1.2 Konstruktion der Adapter

5.1.2.1 X-Z- Adapter (X- und Z-Achse)

5.1.2.1.1 Wirkende Kräfte

5.1.2.1.2 Existierende Befestigungspunkte

5.1.2.2 Z-Kippadapter (B-Achse)

5.1.2.3 Kipp- Sensor- Adapter (B-Achse)

5.1.2.4 Dreheinheit Basis (C-Achse)

5.1.2.5 Werkstückverspannung/ Aufnahme (C-Achse)

5.1.2.6 Achs-Grundplatte- Verbindung

5.1.2.7 Energieketten/ Energielauf

5.1.2.7.1 Auslegung der Energiekette

5.1.2.7.2 Konstruktion der Energiekettenaufnahmen

5.1.2.7.3 Konstruktion des Schaltterminals

5.1.2.8 Fertigungsoptimierung

5.1.2.8.1 Fertigungsoptimierung für Druckteile

5.1.2.8.2 Fertigungsoptimierung für Frästeile/ Schnittteile

5.1.2.8.3 Fertigungsoptimierung Drehteile

5.1.2.8.4 Kaufteiloptimierung

6 Kalkulation Herstellkosten und Bewertung

6.1 Maschinenstundensatz

6.2 Kostenkalkulation auf Featurebasis

6.3 Abschließende Überprüfung der Gesamtkosten

6.4 Einsparpotentiale/ Skaleneffekte

7 Einordnung in den Markt

8 Zusammenfassung und Ausblick

9 Literaturverzeichnis

Zielsetzung & Themen

Die Arbeit hat das Ziel, einen automatisierten 6-Seiten-3D-Scanner im Low-Cost-Bereich zu entwerfen und zu konstruieren. Dabei soll eine höhere messtechnische Qualität als bei gängigen Hobby-Geräten erreicht werden, kombiniert mit einer flexiblen Werkstückaufspannung, um Bauteile effizient von allen Seiten scannen zu können.

• Technische und wirtschaftliche Analyse von Scantechniken
• Konzeptionierung und Konstruktion (CAD) des Scanners
• Detaillierung der Antriebs- und Sensorachsen
• Optimierung der Fertigungsverfahren für Eigenbauteile
• Kostenkalkulation und Einordnung in das Marktsegment

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Ausgangssituation/Zielsetzung: Einführung in die Problematik der Lücke zwischen Hobby- und Industrielösungen beim 3D-Scan und Definition des Projektziels.

2 Grundlagen: Vermittlung des technischen Basiswissens zu CAD, Scantechniken, Sensoren, Antriebselementen und Materialbearbeitung.

3 Konzeptionierung: Schrittweise Erarbeitung des Maschinenkonzepts, beginnend bei der Anforderungsliste bis hin zur Auswahl des optimalen Systems mittels Nutzwertanalyse.

4 Auswahl des Sensors: Vergleich und Bewertung verschiedener am Markt verfügbarer Sensormodelle zur Bestimmung der optimalen Wahl für das Projekt.

5 Konstruktion: Detaillierte Ausarbeitung des CAD-Modells, der notwendigen Adapter, der Energiekettenführung und der Fertigungsoptimierung für die Bauteile.

6 Kalkulation Herstellkosten und Bewertung: Ermittlung der Maschinenstundensätze und detaillierte Kostenaufstellung für Zukauf- und Fertigungsteile zur Einhaltung des Budgets.

7 Einordnung in den Markt: Vergleich des entwickelten Konzepts mit bestehenden Marktmodellen hinsichtlich Leistung, Funktion und Preis.

8 Zusammenfassung und Ausblick: Fazit des Projektergebnisses sowie Auflistung identifizierter Verbesserungsmöglichkeiten für zukünftige Entwicklungsstufen.

Schlüsselwörter

3D-Scanner, Konstruktion, CAD, Low-Cost, LiDAR, Schrittmotor, Kugelgewindetrieb, Prototyping, Fertigungstechnik, Maschinenbau, Sensortechnik, 6-Seiten-Scan, Nutzwertanalyse, Automatisierung, Kostenkalkulation.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines automatisierten, optischen 3D-Scanners, der Werkstücke von sechs Seiten erfassen kann, um eine Lücke zwischen günstigen Hobby-Lösungen und teuren Industrie-Systemen zu schließen.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Die zentralen Felder umfassen die Sensortechnik (LiDAR/TOF), mechanische Antriebs- und Führungselemente, Fertigungsverfahren (CNC, 3D-Druck) und die konstruktive Umsetzung mittels CAD.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das primäre Ziel ist das Design und die Konstruktion eines kostengünstigen 6-Seiten-3D-Scanners, der eine höhere messtechnische Qualität bietet als herkömmliche Hobby-Geräte und eine automatisierte Werkstückdrehung ermöglicht.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Zur Entscheidungsfindung und Systembewertung wurden methodische Werkzeuge wie Anforderungslisten, morphologische Kästen, Nutzwertanalysen und Schnittpunktdiagramme angewendet.

Was wird im Hauptteil behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die technische Konzeptionierung, die Auswahl des Sensors, die CAD-Konstruktion der Baugruppen sowie die betriebswirtschaftliche Kalkulation der Herstellkosten.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Wichtige Begriffe sind unter anderem 3D-Scanner, Kugelgewindetrieb, CAD, Fertigungstechnik, LiDAR, Nutzwertanalyse und Prototyping.

Warum wurde der Intel Realsense L515 als Sensor ausgewählt?

Der Sensor wurde basierend auf einer Nutzwertanalyse gewählt, da er in der Gesamtwertung aller Kriterien wie Preis, Tiefengenauigkeit und Arbeitsabstand das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für das Projekt bot.

Welche Rolle spielen die Energieketten im Aufbau?

Die Energieketten dienen dazu, die Strom- und Signalleitungen zu den beweglichen Motoren und Sensoren sicher zu führen, ohne dass diese bei der mechanischen Bewegung der Achsen beschädigt werden.