PhoTo3D

Einführung

Logo des Projektes PhoTo3D

Logo des Projektpartners Schwartmanns Maschinenbau GmbH

Neben den Vorteilen der Globalisierung erzeugt diese auch starke Abhängigkeit, welche wir durch den Ukraine-Krieg aktuell deutlich zu spüren bekommen. In dieser Hinsicht ist einerseits die Sicherstellung der eigenen Energieversorgung, aber auch die Einsparung und die effiziente Nutzung der Energie von großer Bedeutung.

Unterstützung bei diesen Aufgaben kommt auch von der THWS. Im Rahmen des Projekts „PhoTo3D“ (Photogrammetrische Erfassung von Rohrleitungssystemen sowie Erstellung von 3D-Modellen durch automatisierte Reverse Engineering-Prozesse) wird an der Automatisierung und der Digitalisierung der Arbeitsprozesse zur Dämmung von Industrieanlagen und Rohrleitungssysteme (Abb. 1) geforscht. Ziel ist die schnellere, passgenauere und kostengünstigere Durchführung der dafür notwendigen Arbeiten, um damit die Attraktivität zur Umsetzung energetischer Einsparmaßnahmen zu steigern.

Abbildung 1: Beispielbild einer ungedämmten Heizungsanlage

Das zweijährige Projekt PhoTo3D wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und ist im März 2020 gestartet. Durchgeführt wird es in Kooperation mit dem mittelständischen Unternehmen „Schwartmanns Maschinenbau GmbH“ aus Wesseling (NRW). Der international tätige Marktführer fertigt Maschinen sowie die dazugehörige Software für die Herstellung von passgenauen Dämmungen und Blechverkleidungen.

Bisherige Arbeitsweise bei der Durchführung der Dämmmaßnahmen

Der Kooperationspartner Schwartmanns produziert in erster Linie Maschinen zur Herstellung einer „Zwei-Komponenten“-Dämmung. Das zu dämmende Rohr wird mit einem flexiblen Dämmstoff (z.B. Mineralwolle) umwickelt, welcher dann mit einer, auf den Schwartmanns Maschinen maßangefertigten Blechhülle umschlossen und damit geschützt wird (Abb. 2 und Abb. 3).

Abbildung 2: Aufbau der Dämmung – Schnittansicht

Abbildung 3: Schritte zur Dämmung einer Rohrleitung. links: ungedämmte Rohre, Mitte: mit Isolierung umwickelte Rohre, rechts: fertige Dämmung mit Blechumhüllung (Bildquelle: ISO-BAsaran GmbH)

Da bei älteren Industrieanlagen und vor allem im privaten Bereich häufig keine Pläne von den zu dämmenden Wärme- beziehungsweise Kälteanlagen vorliegen, bildet das Aufmaß die Grundlage für die passgenaue Fertigung der Dämmung. Während die Digitalisierung in vielen Wirtschaftsbereichen sowie im Alltag stark vorangeschritten ist, liegt die Isolierbranche in diesem Punkt etwas zurück. Die Aufmaßarbeiten werden größtenteils noch in Handarbeit, d.h. mit Maßband und Zollstock, durchgeführt. Problematisch wird es dann, wenn die relevanten Anlagenteile nicht zugänglich sind, zum Beispiel, wenn diese an der Decke angebracht sind. Hier kommen häufig Arbeitsbühnen zum Einsatz, wodurch der Prozess langwierig und damit teuer wird. Da direkt am Objekt gearbeitet wird, wo extreme Temperaturen herrschen, ist gegebenenfalls ein Abschalten der Anlage von Nöten, wodurch zusätzliche Ausfallkosten entstehen.

Der Isolierer fertig zur Dokumentation eine technische Zeichnung, in der alle relevanten Maße des Objekts vermerkt werden, die für die Herstellung der Dämmung von Nöten sind. Im nächsten Schritt erfolgt die Übergabe dieser Maße an die Software von Schwartmanns und damit die digitale Planung der Dämmung. Der Entwurf wird anschließend über eine Schnittstelle an die Fertigungsmaschine übergeben, welche die Einzelteile der Blechhülle fertigt. Diese können dann zusammen mit dem manuell zugeschnittenen Dämmstoff am Objekt angebracht werden.

Neuer Ansatz und erste Ergebnisse

Für die Objektaufnahme wurde ein Stereokamera-Messsystem (Abb. 4) entwickelt. Dieses besteht aus drei Industriekameras, welche mit einem Abstand von jeweils 70 cm fest auf einer Tragkonstruktion verbaut wurden. Per LAN-Kabel werden die Bilder in nahezu Echtzeit an den Rechner übertragen, von dem die Aufnahme auch ausgelöst werden kann. Versehen sind die Kameras mit jeweils einer Ringleuchte, die für eine optimale Ausleuchtung sorgen.

Das Messprinzip der Stereokamera ist mit dem menschlichen Sehen vergleichbar. Durch zwei Bilder aus unterschiedlichen Perspektiven ist eine räumliche Wiedergabe der Objekte möglich. Der Abstand und die Ausrichtung der Kameras wird vor der Messung im Rahmen einer Kalibrierung hochgenau bestimmt, sodass aus den Bildern eine maßhaltige Rekonstruktion des Aufnahmeobjekts möglich ist.

Während flächenhaft messende Aufnahmesysteme nach der Messung eine Punktwolke bereitstellen, auf Basis derer die Weiterverarbeitung der Daten erfolgt, wird im Projekt PhoTo3D dieser Schritt bewusst übergangen. Punktwolken enthalten, je nach Anwendungszweck, neben einigen relevanten Informationen zum Teil auch sehr viele redundante Daten, was sich letztendlich auch im Speicherplatzbedarf bemerkbar macht. Mehrere Gigabyte entstehen auch bei kleineren Objekten schnell. Auch die Navigation und Verarbeitung der Punktwolke ist aufwändiger und erfordert Fachwissen.

Abbildung 5: Entwickelte PhoTo3D-Software mit Bild- und 3D-Viewer

Daher wird in einer eigens entwickelten Software (Abb. 5) die Rekonstruktion der Objekte direkt auf Basis der aufgenommenen Bilder durchgeführt. Hierfür werden zunächst die Objektkanten (Bereiche mit starker Grauwertänderung) mithilfe eines Kantenfilters und unterschiedlicher Algorithmen aus dem Bereich Computer Vision aus den Bildern extrahiert. Durch eine 3D-Verschneidung der Kanten können die Rohrgeometrien rekonstruiert werden und damit die Parameter wie Länge, Durchmesser, Biegeradius, … ermittelt werden (Abb. 6). Die Überlagerung der berechneten Geometrien mit den Bildern ist danach möglich. (Abb. 7)

Abbildung 6: Rekonstruierte Rohrleitungen und Behälter

Abbildung 7: Aufgenommenes Bild mit überlagerten Kanten der Rohrleitung

Die rekonstruierten 3D-Daten und die Parameter der Rohrgeometrien stellen die Grundlage für die anschließende Fertigung dar. Per Schnittstelle können diese aus der Rekonstruktionssoftware exportiert und in die Schwartmanns-Software isoconnect (Abb. 8), in der die Dämmung geplant wird, importiert werden. Im Wesentlichen werden dort die Dämmstärke und Detaildaten für die Blechummantelung spezifiziert. Anschließend werden die Zuschnittdaten generiert und an die Fertigungsmaschine geschickt (Abb. 9).

Abbildung 8: isoconnect-Software für den Entwurf der Dämmung

Abbildung 9: Steuerungssoftware für den Zuschnitt der Blechteile

Nach einigen Tests in verschiedenen Industrieanlagen wurde das System im Mai 2022 der Fachwelt auf der TI-Expo, der Fachmesse für technische Isolierung, präsentiert.