„Fast unmöglich“ umzusetzendes Reverse Engineering zur Herstellung von Flugzeugersatzteilen mit Artec 3D-Scanning

Von Paul Hanaphy

3D-Scanner

Artec Leo

Herausforderung: Die Digitalisierung der strukturarmen, fließenden Oberflächen eines alten Flugzeugs mit ausreichender Präzision, um eine digitale Kopie zu erstellen, die - falls erforderlich - zur Herstellung funktionaler Ersatzteile verwendet werden kann.

Lösung: Artec Leo, Artec Studio

Ergebnis: Ein unglaublich detailliertes 3D-Modell, das das glänzende, merkmalarme Fiberglas-Cockpit des Flugzeugs vollständig erfasst und sein einzigartiges, experimentelles Design in virtueller Form bewahrt.

Warum Artec 3D? Ohne den branchenweit ersten drahtlosen Artec Leo wäre die Erfassung der komplizierten, teilweise verdeckten Geometrie des Sadler Vampire nahezu unmöglich gewesen. Mit den fortschrittlichen Bearbeitungswerkzeugen von Artec Studio Software können solche komplexen Oberflächen später mit wenigen Mausklicks bereinigt werden, so dass ein hochdetailliertes Polygonnetz entsteht, das für Reverse Engineering geeignet ist.

Ein Testpilot im Leichtflugzeug Sadler Vampire. Bild über Wikimedia Commons

Haben Sie schon einmal davon geträumt, in Ihrem eigenen Flugzeug in die Lüfte zu steigen und an einen neuen Teil der Welt zu entdecken, wann immer Sie wollen? Die Aussicht auf vollkommen unbeschränkte Freiheit hat in der gesamten Luftfahrt seit jeher die Innovation beflügelt und immer neue inspiriert, um diese Fantasie Wirklichkeit werden zu lassen.

Seitdem der LearJet 23 im Jahr 1964 auf den Markt kam und damit den Privatjet populär machte, haben sich die Modelle rasant weiterentwickelt, wobei einige Konstrukteure auf immer luxuriösere Flugreisen abzielten, während andere den Nutzen in den Vordergrund stellten.

Eines der originellsten dieser Flugzeuge kam in den 1980erjahren auf den Markt: die Sadler Vampire. Im Gegensatz zu vielen anderen Flugzeugen verfügte diese Maschine über klappbare Flügel und ein Pod-and-Boom-Layout. Bis heute ist das Flugzeug bei Freizeitpiloten beliebt, und seine Konstruktion wurde immer wieder neu aufgelegt. Irgendwann entstand sogar eine Version mit Maschinengewehr eingeführt, die „Piranha“.

Der experimentelle Charakter des Flugzeugs trug jedoch dazu bei, dass sein Design nie in CAD-Form erhalten blieb, und entsprechend wird es zusehends schwieriger, Ersatzteile zu beschaffen. In Anbetracht der sich abzeichnenden Versorgungsprobleme versuchte ein Pilot, dem Spiel einen Schritt voraus zu sein, indem er seine gesamte Sadler Vampire mit Artec 3D-Scannern zu digitalisieren.

Digitalisierung einer Luftfahrt-Ikone

Seit dem Verkauf seiner ersten Sadler Vampire vor mehreren Jahrzehnten war sich der besagte Pilot der Seltenheit dieses Flugzeugs bewusst geworden. Für den Fall, dass etwas kaputt geht oder er selbst Änderungen vornehmen wollte, hielt er es für geboten, eine digitale „Grundfundus“ an Konstruktionselementen zu erstellen.

Während die Tragflächenstruktur des Flugzeugs mit Rippen versehen ist und sich daher relativ leicht digitalisieren lässt, ist das weiße, gondelartige Cockpit niet- und strukturfrei und besteht aus reflektierendem Glasfasergewebe. Die fotogrammetrische Erfassung war hier eine Möglichkeit, doch hätte das resultierende Modell eine erhebliche Nachbearbeitung erfordert.

Bald wurde nun 3DMakerWorld um Unterstützung gebeten, und der langjährige US-Partner von Artec schlug umgehend eine Alternative vor: den Einsatz von Artec Leo. Obwohl Artec Space Spider das Flugzeug ebenfalls mit der für das Reverse Engineering erforderlichen Präzision hätte erfassen können, war Leo mit seiner Scangeschwindigkeit von 35 Millionen Punkten/Sekunde, seinem integrierten Display und seiner kabellosen Vielseitigkeit noch besser für diese Aufgabe geeignet.

Chad Mees von 3DMakerWorld digitalisiert das Gehäuse einer Sadler Vampire mit Artec Leo. Bild mit freundlicher Genehmigung von 3DMakerWorld

„Wir hatten einen fragilen Aufbau, auf einem Motorständer und mit einem langen, hindurchführenden Balken. Ich musste also darum herum manövrieren“, erklärt 3DMakerWorld-Ingenieur Chad Mees. „Beim Arbeiten mit Artec Leo war es einfach, das Gerät umzudrehen, in Kavitäten einzuführen und interne Merkmale zu erfassen. Dank des eingebauten Bildschirms konnte ich außerdem beobachten, was ich tue, ohne in irgendetwas hineinlaufen zu müssen!“

Ein weiterer Vorteil des Artec 3D-Scanners war die hohe Genauigkeit, die das Team erreichen konnte, ohne dass Zielmarken oder Markierungen erforderlich waren. Dies stellte sicher, dass die Sadler Vampire während der Digitalisierung nicht beschädigt wurde, straffte den Arbeitsablauf und ermöglichte die Erfassung aller erforderlichen Daten in wenigen Minuten.

Scan-to-CAD in Artec Studio

Für fortgeschrittenes Reverse Engineering investieren Unternehmen oft in zusätzliche Werkzeuge, wie sie etwa in Form von Geomagic für SOLIDWORKS angeboten werden, doch in diesem Fall erwies sich Artec Studio als mehr als ausreichend.

Mees sagt, dass sich insbesondere der Defeature-Pinsel der Software für 3D-Scans und die Verarbeitung von Scandaten hervorragend zur Beseitigung von Artefakten eignet. Normalerweise wären derartige Arbeiten aufgrund der nahtlosen Form des Cockpits eine Herausforderung, doch mit dem Werkzeug gelang es, dass die Oberflächen der Teile perfekt passten.

Ein Polygonnetz des gebogenen Cockpits der Sadler Vampire. Bild mit freundlicher Genehmigung von 3DMakerWorld

„An einigen Stellen, an denen wir kleine Artefakte hatten, konnten wir diese mit den Glättungswerkzeugen von Artec Studio entfernen“, so Mees. „Dort, wo die Scans nicht ganz perfekt anschlossen, konnte die Software die Oberflächen problemlos verbinden. Die Bereinigung war sehr einfach.“

„Unsere Bereinigung, die all diese verschiedenen Komponenten umfasste, wurde vollständig in Artec Studio durchgeführt. Ich brauchte keine weitere Polygonnetzbearbeitung vorzunehmen.“

Rückblickend ist Mees der Meinung, dass die Oberflächenverdickungs-Werkzeuge von Artec Studio den Prozess noch einfacher hätten machen können. Die Vampire wies zahlreiche sehr schmale Teile auf, bei denen es sehr schwierig war, beide Seiten zu erfassen - ein Problem, das durch Hinzufügen von Dicke an bestimmten Stellen hätte gelöst werden können.

Doch auch ohne diese Funktion konnte das resultierende Polygonnetz schließlich exportiert und in ein vollständig texturiertes 3D-Modell, das den für das Reverse Engineering erforderlichen Detailgrad aufweist, umgewandelt werden.

Ein Polygonnetz eines einzelnen Einlasses, der aus dem Sadler Vampire extrahiert wurde. Bild mit freundlicher Genehmigung von 3DMakerWorld

Analyse- und Nachrüstungsmöglichkeiten

Man kann davon ausgehen, dass Leo weitere Möglichkeiten für das 3D-Scannen von Flugzeugen bieten könnte, insbesondere in den Bereichen nichtinvasive Prüfung (NDT) und numerische Strömungsmechanik (CFD).

Selbst wenn man in der Lage wäre, manuell ein perfektes Modell eines Flugzeugs wie der Vampire zu erstellen, würde dies laut Mees „nicht wirklich zeigen, ob es korrekt hergestellt wurde“. Mit dem 3D-Scanner von Artec dagegen kann man gekrümmte Körper erfassen und die daraus resultierenden Daten in eine CFD-Simulation einspeisen, mit der sich analysieren lässt, wie sich Luftturbulenzen auf die Leistung des Flugzeugs auswirken.

Vorerst plant der Besitzer der Vampire keine CFD-Analyse, doch hat er jetzt eine Konstruktionsdatei, auf die er zurückgreifen kann, falls er sich für Nachrüstungen entscheidet oder Ersatzteile benötigt.

„Der Artec Leo war aufgrund seines größeren Sichtfelds und seiner Wendigkeit genau das Richtige für diese Aufgabe“, fügt Kevin Stucky, bei 3DMakerWorld Berater für 3D-Scans, hinzu. „Es wäre ziemlich mühsam gewesen, in geschlossene Räume zu gelangen oder einen Laptop mitzuschleppen. Der Scan war außerdem rauschfrei und die unglaubliche Flexibilität von Leo wirklich großartig anzusehen.“

„Eine exakte Messung (wie wir sie hier erhalten haben) wäre ohne das 3D-Scannen mit Artec Leo fast unmöglich gewesen.“