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M3D ist das neueste vom Bundeministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt. Das M3D Projekt umschließt und untersucht eine ganze Kette von Prozessen – von der mobilen 3D-Erfassung bis hin zum 3D-Druck in einem industriellen Umfeld. Ziel ist es dabei, das enorme Potential von ortsunabhängigen Mobilgeräten und Clouds zu analysieren und Technologien zu optimieren.

Überblick

M3D beschreibt ein laufendes Kollaborationsprojekt verschiedener Partner für mobile 3D-Erfassung und 3D-Druck in industriellen Anwendungen. Die immer weiter steigende Geschwindigkeit in der digitalen Datenübertragung hat dazu geführt, dass die Erzeugung, Verarbeitung und Darbietung von Audio- und Videodaten sowie von multimedialen Dokumenten aller Art ortsunabhängig geworden sind. Die ebenfalls rasante Entwicklung der Ein- und Ausgabetechniken von 3D-Daten wird diese Ortsunabhängigkeit in der Erfassung, Verarbeitung und Erzeugung auch für reale 3D-Objekte bzw. Produkte ermöglichen. Ein besonders wichtiger Aspekt in diesem Zusammenhang ist auch die rapide Entwicklung bei additiven Fertigungsverfahren, die medial derzeit unter dem Begriff 3D-Drucker bekannt werden.

Während diese Technologien bisher vorwiegend zur industriellen Herstellung von Prototypenteilen verwendet wurden, sind die neuen Anwendungen auf die Fertigung von Produkten sowie Produkt- und Ersatzteilen ausgerichtet. Ein Forschungsziel ist es die Bauteilqualität durch Prozessoptimierung zu erhöhen. Beispielsweise fehlt bislang ein Prozess zur schnellen und preisgünstigen Beschaffung von fertigungsgerechten 3D-Daten. Ist dieser Prozess erst einmal entwickelt, kann dieser in Zukunft in vielen Anwendungsfällen durch die Möglichkeit einer mobilen 3D-Erfassung unterstützt, vereinfacht und beschleunigt werden.

In wenigen Jahren wird der Einsatz additiver Fertigungsverfahren für viele Produktteile wirtschaftlich möglich sein. Besonders für die Ersatzteilbeschaffung ist dies von großem Nutzen, da hier meist sehr kleine Losgrößen und Kleinteile benötigt werden.

Das Projekt M3D untersucht konzeptionell und technologisch das enorme Potential dieser Entwicklungen am Beispiel von Bauteilen und Werkstücken in industriellen Anwendungen. Die Ergebnisse werden in prototypischer Form demonstriert. Mit mobilen Endgeräten sollen vor Ort notwendige Bauteile erfasst oder vermessen werden, die dann in Bauteildatenbanken identifiziert und mit vorhandenen Modelldaten abgeglichen werden können. Ein komplett digitaler Prozessablauf ermöglicht vor der Erstellung mittels additiver Fertigung eine Modellsimulation, um mögliche Schwachstellen im Bauteil zu identifizieren und vor der Herstellung zu beheben. Dabei profitieren die jeweiligen Schritte davon, dass alle Geräten über schnelle Datenkommunikationsnetze an dezentrale Speicher- und Rechenanlagen (die sog. „Cloud“) angebunden sind.



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Ziele

Am Beispiel von Bauteilen und Werkstücken in industriellen Anwendungen wird das Potential konzeptionell und technologisch untersucht und in prototypischer Form demonstriert. Das Projekt besitzt im Wesentlichen fünf Hauptarbeitsziele:

1.     Entwicklung neuer bild- und sensorbasierte Algorithmen zur 3D-Datenerfassung.
2.     Entwicklung von Verfahren und Algorithmen zum Datenmanagement und zur Identifikation.
3.     Entwicklung von Verfahren zur Datenverarbeitung für die additive Fertigung.
4.     Entwicklung von Techniken zur cloudbasierten Unterstützung einer schnellen, echtzeitfähigen 3D-Datenverarbeitung.
5.     Aufbau eines Demonstrators zur Erprobung der entwickelten Technologien.



Ergebnisse

Bild- und sensorbasierte Algorithmen zur 3D-Datenerfassung

Die digitale Erfassung der Objektdaten erfolgt auf zwei verschieden Wegen. Zum einen mittels Fotos – durch ein mobiles Endgerät (photogrammetrisch) – und zum anderen mittels Streifenlichtscanner (siehe Abb. 2). Die Herausforderung bei beiden Verfahren zur Aufnahme von Industrieobjekten sind transparente, homogene, dunkle, absorbierende und/oder reflektierende Materialien und Oberflächen, da diese eine robuste Datenakquise erschweren.

Um 3D-Objekte zu erfassen, erstellen Filter und spezielle Algorithmen erste dünnbesetze Punktwolken. Diese können mittels eines erweiterten Poisson-Meshing in ein verfeinertes 3D-Objekt überführt werden (siehe Abb. 3). Das 3D-Objekt kann in einem nächsten Schritt durch Nutzerinformationen verbessert werden.

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Abbildung 2:   Leichtbauroboter mit Echtzeit-Streifenlichtscanner zur objektschonenden Oberflächenerfassung © Fraunhofer IGD.

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Abbildung 3:   Eine dünnbesetzte Punktwolke dient als Vorlage zur ersten groben Erstellung des digitalen 3D-Objektes © FraunhoferHHI.

Eine anschließende geometrische und physikalische Optimierung des Modells erlaubt eine optimale Modellierung für die additive Fertigung. Somit wird es möglich sein, die Artefakte zu minimieren, die durch das in der additiven Fertigung nötige Slicing entstanden sind, und die Herstellungszeit ebenfalls zu verringern bzw. zumindest konstant zu halten.



Datenverarbeitung für die additive Fertigung

Um ein verbessertes Objekt als Ersatzteil in den Einsatz zu bringen, erfolgt vor der additiven Fertigung eine umfangreiche Simulation verschiedenster Anwendungen am digitalen Objekt. Ziel ist es vorangegangene Defekte zu vermieden. Beispielsweise kann eine Lastfallanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode Aufschluss über mögliche Bruchstellen des Objektes geben (Abb. 4). Anhand der zusammengetragenen Informationen kann eine Form-Optimierung des Objektes erfolgen.

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Abbildung 4:   Sensitivitäten werden dem Nutzer farblich am Modell angezeigt, um eine Form-Optimierung des Bauteils vor der Fertigung zu ermöglichen © Fraunhofer IGD.

Eine anschließende geometrische und physikalische Optimierung des Modells erlaubt eine optimale Modellierung für die additive Fertigung. Somit wird es möglich sein, die Artefakte zu minimieren, die durch das in der additiven Fertigung nötige Slicing entstanden sind, und die Herstellungszeit ebenfalls zu verringern bzw. zumindest konstant zu halten.



Arbeitspakete

Das Projekt M3D gliedert sich in verschiedene Arbeitspakete (AP 1 – AP 5). Jedes Arbeitspaket beschäftigt sich mit bestimmten Schritten der Prozesskette. Die Projektpartner widmen sich mit ihrem speziellen Fachwissen unterschiedlichen Arbeitspaketen, wobei die Ergebnisse der einzelnen Pakete schlussendlich zusammengetragen werden.

AP1:     Projektleitung
AP2:     Anforderungen und Systemarchitektur
AP3:     Mobile 3D-Erfassung und 3D-Rekonstruktion
AP4:     Datenmanagement und Algorithmen zur Identifikation
AP5:     Modellierung von Daten für additive Fertigung
AP6:     Hardwarebeschleunigte Serverarchitektur für Cloud Processing
AP7:     Integration & Demonstratoraufbau



Events und Projektpräsentationen

23.10.2017 – 24.10.2017       3IT Summit: Meilensteinpräsentation des Projekts.

                                                   Hier können Sie die Präsentation von cirp downloaden.

30.05.2017 – 02.06.2017       Moulding Expo 2017 Stuttgart: Internationale Fachmesse für Werkzeug-, Modell- und Formenbau.

29.06.2017                               Technologietag Cirp GmbH: Vorstellung und Präsentationen zum Thema additive manufacturing für hochbelastete Prothesenbauteile.

14.11.2017 – 17.11.2017        FormNext: Internationale Ausstellung und Konferenz über die nächste Generation von Fertigungstechnologien.

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20.06.2017:       30 Jähriges Jubiläum des Projektpartners Fraunhofer IGD © cirp.



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30.05. – 02.06.2017:       Moulding Expo 2017 Stuttgart © cirp.



Konsortialführung:




Projektpartner:






BMWI