FHV-Forschende bringen den 3D-Druck virtuell zum Anfassen

Zur Qualitätssicherung im 3D-Druck mit Mixed Reality-Applikation, Hololens und Punktewolke.
Forschende des UCT Research Centre der Fachhochschule Vorarlberg (Vorarlberg University of Applied Sciences) entwickeln die integrierten Qualitätssicherung im FDM-3D-Druck (zuvor hier beschrieben) weiter. Mit einer an der FHV entwickelten Mixed Reality(MR)-Applikation, werden die von einem Laserscanner aufgezeichneten Daten eines 3D-Drucks auf der MR-Brille Microsoft HoloLens 2 dargestellt. Die von der Applikation verwendeten Daten beinhalten die vom Laserscanner aufgezeichneten Punkte im drei-dimensionalen Raum, sowie die Distanz jedes Punktes zum Soll-Modell. Die MR-Applikation verarbeitet diese Informationen zu einer farblich-kodierten Punktewolke im drei-dimensionalen Raum. Die Punktewolke kann mit Hilfe eines Markers direkt im Druckraum über den 3D-Druck überblendet werden. 


660.000 Punkte heben Druck-Fehler farblich hervor
Die MR-Applikation wurde mit der Game-Engine Unity entwickelt. Für die Platzierung des Modells im realen Raum wird die AR-Bibliothek Vuforia verwendet. Die vorbereiteten CSV-Daten können von der Brille oder einem Netzwerk-Laufwerk gelesen werden. Anschließend werden die Daten auf der HoloLens verarbeitet und als farblich kodierte Punktewolke dargestellt. Die Farb-Kodierung ergibt sich aus der Distanz der Punkte zum Soll-Modell, so werden die Punkte abhängig von ihrer Abweichung zum Soll-Modell von grün (0.0mm) bis rot (≥0.2mm) eingefärbt. Um Fehler im Druck hervorzuheben, werden die Punkte von grün bis rot mit aufsteigender Deckkraft dargestellt. Da es sich hier um dichte Punktewolken handelt (ca. 660.000 Punkte für einen 1.2 cm großen 3D-Druck) und die Verarbeitung der Daten zu einem 3D-Modell direkt auf der HoloLens passiert, stellte die Performance die größte Herausforderung dar. Für die Darstellung der Punktewolke auf der HoloLens 2 wird ein Mesh erzeugt, das für jeden Punkt einen Vertex an der entsprechenden Stelle beinhaltet. Ein selbst-programmierter Shader rendert an jedem Vertex ein Dreieck, das sich immer zur Brille ausrichtet. Jeder Vertex kann eine beliebige Farbe haben, der durch den Shader entsprechend gerendert wird. 


Zwei Mechanismen zur Runkte-Reduktion
Um die Performance zusätzlich zu verbessern, wurden zwei Mechanismen zur Punkte-Reduzierung umgesetzt. Der erste Mechanismus verwirft Punkte abhängig von ihrer Distanz zum Soll-Modell mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit. So werden Punkte mit einer geringen Abweichung nur mit einer 20-prozentigen Wahrscheinlichkeit berücksichtigt, während Punkte mit steigender Abweichung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit (bis zu 100%) dargestellt werden. Dies führt dazu, dass bei dem verwendeten, 660.000 Punkte umfassenden Modell ca. 360.000 Punkte eliminiert werden können. Der zweite Mechanismus berücksichtigt die Schichtdicke sowie die Höhe der aktuell gedruckten Schicht. Nachdem eine Schicht fertig gedruckt wurde, fährt der Laserscanner über das Modell und speichert die Daten in eine neue Datei. Somit ist pro Schicht eine eigene CSV-Datei mit Punkten verfügbar. Da der Laserscanner einen größeren Bereich scannt, werden auch darunterliegende Punkte mitgescannt, die bereits bei vorangegangen Schichten berücksichtigt wurden. Die MR-Applikation berücksichtigt pro Schicht nur die Punkte, die jeweils auf dieser Höhe gescannt wurden, sowie die Punkte, die in sich in einem konfigurierbaren Toleranzbereich befinden. Für Punkte mit einer besonders großen Abweichung kann ein erweiterter Toleranzbereich definiert werden, um Druck-Fehler zuverlässig abbilden zu können. Dies führt dazu, dass bei dem verwendeten, 660.000 Punkte umfassenden Modell mit einem definierten Toleranzbereich von jeweils vier Schichten nach oben und unten und einem erweiterten Toleranzbereich von jeweils insgesamt acht Schichten nach oben und unten für Punkte mit einer besonders großen Abweichung ca. 130.000 Punkte eliminiert werden können. Durch Anwendung dieser beiden Mechanismen wurden somit nur ca. 170.000 Punkte der 660.000 berücksichtigt.

In den Bildern wird die Überblendung der Punktewolke über den realen 3D-Druck durch die HoloLens 2 sichtbar. Über ein Menü kann die Darstellung konfiguriert werden, so ist es z.B. möglich, das Modell zu skalieren, wie im zweiten Bild zu sehen ist. 

Darstellung der generierten Punktewolke in Unity
Darstellung der generierten Punktewolke in Unity. Fotos: FHV/T. Werner

Kontakt für interessierte Unternehmen:

Tobias Werner, BSc
Laborbetreuer

+435572 792 7308
tobias.werner@fhv.at

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