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antriebstechnik 3/2015

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Wie kommt die Kuh auf

Wie kommt die Kuh auf das Sofa? Miniatur-Gantry mit Linearmotor-Antrieb ermöglicht Kartographierung von Materialoberflächen Benjamin Schäfer Mithilfe eines 3-D-Flachbettscanners kann Kunstleder eine naturgetreue Oberflächenstrukturierung verliehen werden. Der Scanner erfasst die Reliefs natürlicher Oberflächen detailgenau. Für die automatisierte Rasterung und Vermessung der Höhenprofile kommt ein Miniatur- Gantry mit Linearmotor-Antrieb zum Einsatz. Benjamin Schäfer ist Produktmanager bei HIWIN in Offenburg Vielleicht wundert sich Otto Normalverbraucher bei der Auswahl eines schönen neuen Holzlaminatbodens darüber, wie die verblüffend echte Maserung auf seine praktische Auslegeware kommt. Ebenso dürfte sich auch manch ein technisch inte ressierter Käufer von kunstlederüberzogenen Sitzgelegenheiten fragen, wie die Hersteller die täuschend echte Zeichnung von Schweins- oder Rindsleder auf das künstliche Material bringen. Die Herausforderung, großflächige, natürliche Strukturen zu imitieren, ist alles andere als trivial: Eine händische Gestaltung naturgetreuer Oberflächen würde jeden Designer überfordern, und eine synthetische Generierung biologischer – oder für Fliesen – mineralischer Strukturen könnte nicht das gewünschte lebensechte Ergebnis erzielen. Aber auch der naheliegende Ansatz, die Oberflächen abzufotografieren und mit entsprechenden Verfahren für die Prägewalzenherstellung aufzubereiten, ist nicht ohne weiteres umsetzbar: Variierende Materialbeschaffenheit und schwer zu kalkulierende Lichtreflexionen beeinträchtigen die Verwertbarkeit von 3-D­ Fotografien, mit der ein exaktes Relief der Tiefenstrukturen des jeweiligen Materials nachgebildet werden soll. „Stempeln“ als Lösung Die AKK GmbH zählt zu den weltweit führenden Anbietern von Lasern zum Gravieren diverser Materialien sowie von Wachsjetgravurmaschinen zur Herstellung von Präge­ 01 Prototyp des 3D-Flachbettscanners von AKK 70 antriebstechnik 3/2015

SPECIAL I MDA – MOTION, DRIVE AND AUTOMATION platten und -zylindern. Auch die Moldherstellung mittels bedruckter Folien gehört zu den Kompetenzen des Unternehmens. Für die Entwicklung eines 3-D-Scanners zur exakten Vermessung von Oberflächenstrukturen hat AKK eine intelligente Lösung entwickelt, um das Problem der Reflexionen in den Griff zu bekommen und verwertbare hochauflösende 3-D-Fotografien der Reliefstrukturen zu erhalten. Das Positioniersystem des Flachbettscanners verfährt die Kamera nach einem schachbrettartigen Muster über das einzuscannende Ausgangsmaterial. Doch anstatt die Oberfläche direkt abzulichten, wird zunächst ein dünnes Gelkissen durch die Z-Achse auf das vorliegende Material gepresst, dessen Struktur später auf die Prägewalzen übertragen werden soll. Das elastische Kissen schmiegt sich mit der aufliegenden Seite auch in feinste Vertiefungen, wobei sich an seiner gegenüberliegenden Oberseite ein exakter Abdruck der Materialoberfläche bildet. Die normierten, berechenbaren Reflexionseigenschaften des Gels gestatten es, von den an der Oberfläche des Gelkissens nachgebildeten Strukturen verwertbare Fotografien aufzunehmen. Dazu wird die abfotografierte Oberseite des Kissens aus unterschiedlichen Richtungen jeweils nacheinander mit sechs LEDs beleuchtet, wobei die 3-D-Aufnahmen nach dem Prinzip „Shape from Shades“ ausgewertet werden. Das bedeutet, dass sich aus der Intensität der Schatten und dem bekannten Winkel der Lichtquelle der genaue Tiefenverlauf der abgelichteten Oberflächenstrukturierung errechnen lässt. Die Auflösung der eingescannten Fläche – das kleine Kissen hat eine Kantenlänge von 1,5 × 1,5 cm – beträgt 3 600 dpi oder höher. Die Tiefe der 3-D-Aufnahmen wird mit einer Präzision von 32 bit aufgelöst, wodurch noch Höhendifferenzen bis in den Mikrometerbereich erfasst werden können. Das elastische Gelkissen nimmt nach jedem Vorgang des Anpressens wieder seine ursprüngliche Form an und steht für den nächsten Abdruck zur Verfügung. Um zu vermeiden, dass beim späteren Zusammenrechnen der abfotografierten Flächen „Nahtstellen“ durch nicht erfasste Bereiche entstehen, werden die Aufnahmen des Materials mit einer Überlappung von 10 % angefertigt. Zur Kalibrierung des Systems setzt AKK eine Kachel mit filigranem Muster ein, die zu Beginn des Scanvorgangs an einem definierten Punkt auf das Flachbett gelegt wird und an dem sich die Kamera mittels automatischer Mustererkennung selbst einjustiert. Eine Frage der Positionierung Um die Tiefenstrukturierung von Holz, Leder, Stoffen oder Mineralien so naturgetrau wie möglich auf die Prägewalzen zu bringen, erfolgt das Ätzverfahren in mehreren Schritten. Dazu werden die Walzenrohlinge an den Stellen, die nicht geätzt werden sollen, mit einer Wachsschicht besprüht. Anschließend werden nach diesem Verfahren die größeren Vertiefungen Schritt für Schritt herausgearbeitet. Ebenso lassen sich auch mittels Laser dreidimensionale Profile in harten Kunststoff oder Metall gravieren. Auf diese Weise entsteht auf der Walze ein exaktes Oberflächenabbild des Ausgangsmaterials. Für das automatisierte Abrastern des Ausgangsmaterials und die Positionierung von Gelkissenstempel und 3-D-Kamerasystem benötigte das Krefelder Unternehmen eine präzise, wartungsarme Positionierungslösung mit hoher Wiederholgenauigkeit. Die Wahl fiel auf das Minatur-Gantry-System LMG2C von Hiwin, das im Wesentlichen dem standardisierten Gantry-Modell LMG2A mit einseitigem Stützlager entspricht, aber vom Lineartechnikhersteller nach Vorgaben von AKK noch mit zusätzlichen Endschaltern, einer Kabelführung einschließlich der Kabel und einer variierten Bodenplatte angepasst wurde. „Als uns das System geliefert wurde, konnten wir gleich loslegen, denn Anpassungen waren nicht mehr nötig“, erläutert Dipl.-Ing. Bernhard Anker, Produktionsleiter bei AKK. Der Verfahrweg der X-Achsen beträgt bei der gelieferten Ausführung 300 mm, der Y-Achse, an die die Erfassungsvorrichtungen mit Gelkissenstempel und Kamerasystem montiert sind, 400 mm. Die Bewegung des Gelkissens in Z-Richtung wird in der bestehenden Anordnung pneumatisch gesteuert. Die eisenlosen Motoren der mit einem optischen Wegmesssystem ausgerüsteten Linear motor achsen minimieren die Trägheit und gewährleisten hohe Beschleunigungen ohne Rastmomente. „Allerdings ist die Geschwindigkeit des Gantry-Systems für uns nicht ausschlaggebend“, erläutert Anker. „Für uns standen Präzision, Wartungsfreiheit und die einfache Einrichtung des Systems im Vordergrund.“ www.hiwin.de 02 Die fotografische 3D-Erfassung des Höhenprofils organischer Materialien erfordert ein spezielles Verfahren 03 Bildschirmwiedergabe der Kalibrierkachel zur Justierung des Kamerasystems 04 Dipl.-Ing. Bernhard Anker ist Produktionsleiter bei AKK antriebstechnik 3/2015 71

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