Koordinatenmessgerät vs. 3D-Scanning

Was lohnt sich mehr? Der Kauf eines neuen Koordinatenmessgeräts oder die Anschaffung eines mobilen 3D-Scanners?

Engpässe bei Koordinatenmessgeräten sind eine echte Herausforderung für produzierende Unternehmen, da sie ihren Produktionsprozess stetig optimieren müssen. Doch wird dies durch anstehende Prüfungen auf Koordinatenmessgeräten verlangsamt. Die Anschaffung eines messtechnikgeeigneten 3D-Scanners verspricht hier Entlastung – und das kostengünstig.

In der Vergangenheit war das traditionelle Koordinatenmessgerät das einzige Werkzeug, um Qualitätsprüfungen durchzuführen. Im Zuge einer veränderten technologischen Landschaft kamen jedoch neue Messgeräte auf den Markt, die der von der Industrie geforderten hohen Genauigkeit und Auflösung entsprachen. Das 3D-Scanning hat nicht nur einen Grad an Genauigkeit erreicht, der an die Abtastmethoden heranreicht, sondern bietet für die Qualitätssicherung auch mehr Daten, mehr Details und mehr Informationen, wodurch die Prüfung komplexerer Teile möglich ist. Infolgedessen haben die heutigen Branchenexperten Vertrauen in das 3D-Scanning gewonnen und messen ihm eine wichtige Rolle bei der Qualitätssicherung bei.
Wenn es also um Engpässe beim Koordinatenmessgerät geht, ist es dann profitabler, ein zweites traditionelles Abtastsystem oder ein mobiles 3D-Scan-Gerät zu kaufen? Dieser Artikel hat zum Ziel, die mit dem Betrieb eines Koordinatenmessgeräts und eines 3D-Scanners zusammenhängenden Kosten und den Zeitaufwand gegenüberzustellen. Mit diesen Zahlen werden wir dann in der Lage sein, die Anzahl der Teile zu berechnen, die täglich geprüft werden können, um die Zeit zu vergleichen, die für die Programmierung und den Betrieb der Geräte erforderlich ist. Schließlich kann dann ermittelt werden, welche dieser Optionen – A) Kauf eines zweiten Koordinatenmessgeräts oder B) Kauf eines mobilen 3D-Scanners – den besten ROI bietet, damit die Arbeitsbelastung eines herkömmlichen Koordinatenmessgeräts reduziert und aktuelle Engpässe vermieden werden können.

KOSTEN

Zunächst werden die Gesamtkosten für die Anschaffung eines zweiten Koordinatenmessgeräts mit denen verglichen, die beim Kauf eines messtechnikgeeigneten 3D-Scanners entstehen. Zu beachten ist, dass diese Beträge in US-Dollar angegeben sind und dass sich die Analyse auf die Qualitätssicherung von fünf Modellen von Autotüren bezieht, bei denen 400 Merkmale überprüft werden müssen.

Anschaffungskosten
Das für dieses Beispiel bestimmte Koordinatenmessgerät hat einen Kaufpreis von 200.000 $, während der Preis eines messtechnikgeeigneten 3D-Scanners mit vergleichbaren Funktionalitäten und Messvolumen 100.000 $ beträgt.

Mit anderen Worten, der Preis des Abtastinstruments ist doppelt so hoch wie der des Scanning-Tools. Dieser Unterschied ist auf die einzigartige Fähigkeit des Koordinatenmessgeräts zurückzuführen, enge Toleranzen mit einer hohen Genauigkeit zu messen. Doch von den 400 Merkmalen, die an der Fahrzeugtür gemessen werden sollen, werden nur 10 Prozent enge Toleranzen aufweisen, so dass der 3D-Scanner eine alternative Option für die überwiegende Mehrheit der Prüfungen sein kann.

Infrastrukturkosten
Hinzu kommen Infrastrukturkosten, da ein Koordinatenmessgerät eine Grundfläche von 13,84 m2 benötigt (0,09 m2 = 300 $ in einer industriellen Umgebung) und auf einer Vibrationsplatte positioniert werden muss, deren Installation 10.000 $ kostet. Somit müssen zu den Anschaffungskosten (200.000 $) 55.000 $ an Infrastrukturkosten hinzugerechnet werden, um ein zweites Koordinatenmessgerät unterzubringen. Dagegen fallen solche Kosten für einen 3D-Scanner nicht an, da das Gerät tragbar ist und überall aufgestellt werden kann.

Wartungskosten
Um sicherzustellen, dass sowohl die Abtast- als auch die 3D-Scan-Instrumente voll funktionsfähig bleiben, muss ein Wartungsbudget für Kalibrierung, Hardware-Upgrades und Ersatzteile eingeplant werden. Die jährlichen Kalibrier- und Wartungskosten für ein Koordinatenmessgerät werden mit 3.000 $ veranschlagt, verglichen mit 5.000 $ für einen mobilen 3D-Scanner.

Werkzeugkosten
Die Anschaffung eines Prüfwerkzeugs, ob als Abtast- oder Scan-Instrument, beschränkt sich nicht auf das Gerät selbst. Ein Vorrichtungswerkzeug ist ebenfalls erforderlich, um andere als die direkt mit dem Prüfwerkzeug gemessenen Merkmale zu überprüfen. Diese Vorrichtung ermöglicht es der Qualitätssicherung, zu überprüfen, ob das Teil korrekt auf seinem Gegenstück montiert ist sowie die Überprüfung des Vorhandenseins jedes einzelnen Lochs, das Messen der Durchmesser usw.
Dadurch werden die kritischen Punkte, wie beispielsweise die Befestigungspunkte, direkt mit dem Koordinatenmessgerät gemessen, während die anderen Punkte mit einer Prüfvorrichtung überprüft werden. Da dieses Werkzeug jedoch nur für ein einzelnes Modell vorgesehen ist, müssen so viele Prüfvorrichtungen wie Automodelle gekauft werden (in diesem Beispiel sind das fünf Modelle für 20.000 $, also insgesamt 100.000 $).
Für einen 3D-Scanner ist jedoch keine Prüfvorrichtung erforderlich. Stattdessen benötigt dieses Gerät eine Haltevorrichtung, die flexibler ist, da sie nicht einem einzelnen Modell zugeordnet werden muss. Selbst wenn sich ein Punkt oder eine Position von einem Modell zum anderen ändert, hält die Haltevorrichtung das Teil in der gleichen Position, unabhängig von der Konfiguration. Folglich kostet eine einzelne Haltevorrichtung 4.000 $ für 5-türige Modelle.
Software-Gebühren wurden bei dem Kostenvergleich nicht berücksichtigt, da es sich im Allgemeinen um die gleiche Datenverarbeitungssoftware handelt, die sowohl beim Abtasten als auch beim 3D-Scanning eingesetzt wird.

ZEIT

Zweitens muss die Gesamtzeit, die für die Durchführung einer Prüfung benötigt wird – von der Technikerausbildung über die Programmierung, Messung, Datenverarbeitung und Berichterstellung – verglichen werden, wenn die Prüfung entweder mit einem Abtast- oder einem 3D-Scan-System durchgeführt wird.

Ausbildungszeit
Koordinatenmessgeräte sind komplexe Messinstrumente, die mehr Ausbildung erfordern als 3D-Scanner. So erfordert der Betrieb eines Koordinatenmessgeräts eine viertägige Schulung und eine beaufsichtigte Praxis von drei bis vier Monaten. Der Betrieb eines 3D-Scanners hingegen erfordert lediglich eine zweitägige Schulung und zwei Wochen Betreuung, bevor ein Anwender mit dem Gerät vollständig vertraut geworden ist. Wenn ein Unternehmen also ausgebildete und erfahrene Fachkräfte gewinnen möchte, muss es möglicherweise ein zusätzliches Gehalt von 10.000 $ für einen Koordinatenmessgerät-Anwender bezahlen, was das Jahresgehalt von 40.000 $ auf 50.000 $ erhöht, basierend auf einem Stundensatz von 20 $.

Bearbeitungszeit
Die Qualitätssicherungen in der Automobilindustrie umfassen regelmäßig Teile mit großen Abmessungen. Der Transport dieser Teile von der Produktionshalle ins Labor dauert etwa 30 Minuten pro Teil und erfordert zwei Techniker, die die Aufgabe ausführen. Diese Bearbeitungszeit ist bei einem tragbaren 3D-Scanner jedoch nicht erforderlich, da das Prüfwerkzeug zu dem Teil gebracht wird und nicht umgekehrt.

Einrichtungszeit
Für ein Koordinatenmessgerät sind starre Messaufbauten unerlässlich, um genaue Messungen zu erhalten. Die Teile müssen sorgfältig fixiert und positioniert werden, damit der Anwender Messungen durchführen kann. Die Zeit für die Einrichtung eines Koordinatenmessgeräts kann auf 15 Minuten geschätzt werden, verglichen mit fünf Minuten bei einem 3D-Scanner.

Programmierzeit
Bei einem Koordinatenmessgerät bedeutet die Erstellung eines Programms, dass die Sondenkurven für jedes Merkmal festzulegen sind, wobei darauf geachtet werden muss, dass offensichtliche Hindernisse zu umgehen sind. Um 400 Merkmale an einer Autotür zu messen, kann die Programmierung des Koordinatenmessgeräts bis zu fünf Tage dauern, während bei einem 3D-Scanner keine Programmierung erforderlich ist, da die für die Datenerfassung verfolgte Kurve so einfach ist wie das manuelle Sprühlackieren.

Messzeit
Bei einem Koordinatenmessgerät beträgt die Messzeit für das vollständige Layout (400 Merkmale) vier Stunden. Bei einem 3D-Scanner dauert die Messzeit 30 Minuten. Allerdings müssen 10 Prozent der Merkmale – die mit hohen Toleranzen versehen sind – mit dem Koordinatenmessgerät gemessen werden. Daher erfordert die Messung dieser 40 Merkmale auf dem Koordinatenmessgerät vier Stunden Programmierung und 25 Minuten zusätzliche Messzeit, wodurch die gesamte Messzeit für das vollständige Layout 55 Minuten beträgt. In beiden Fällen werden 100 Prozent der Merkmale geprüft.
Somit können unter Berücksichtigung der Messzeit allein vier Teile pro 8-Stunden-Schicht mit zwei Koordinatenmessgeräten oder acht Teile pro 8-Stunden-Schicht mit der Kombination aus einem Koordinatenmessgerät und einem 3D-Scanner geprüft werden.

Fazit: Kombination beider Technologien bietet besten ROI

Koordinatenmessgeräte sind teure Messinstrumente, die doppelt so viel kosten wie 3D-Scanner. Zudem werden mehr Zeit und Geld für deren Betrieb benötigt. Daher ist es strategisch von Bedeutung, mit dem Koordinatenmessgerät nur die wichtigsten und empfindlichsten Prüfungen von Merkmalen mit hoher Toleranz vorzunehmen und alle verbleibenden Kontrollen an alternative Geräte, wie beispielsweise einen 3D-Scanner, zu übertragen. Diese Vorgehensweise spart nicht nur die Anschaffungskosten eines zweiten Koordinatenmessgeräts ein, sondern trägt auch dazu bei, einfache und tägliche Prüfungen zu beschleunigen.
3D-Scanner sind nicht nur günstiger in der Anschaffung, sondern messen auch schneller und erfordern weniger Schulung, Handhabung und Programmierzeit. Wie gezeigt, ermöglicht der kombinierte Einsatz eines Koordinatenmessgeräts (speziell für Prüfungen mit hohen Toleranzen) und eines 3D-Scanners das Messen von doppelt so vielen Teilen in der gleichen Arbeitsschicht. Infolgedessen werden mit dem Kauf eines 3D-Scanners weniger spezialisierte Ressourcen benötigt, es wird weniger Zeit für jedes Teil aufgewendet und es wird weniger Geld für die Technologie ausgegeben.

Diese Analyse zeigt, dass der Kauf eines messtechnikgeeigneten 3D-Scanners, der das aktuelle Koordinatenmessgerät ergänzt, die beste Lösung für die Entlastung eines Koordinatenmessgeräts ist, da dem Koordinatenmessgerät 10 Prozent der Merkmale, die eine kritische Genauigkeit erfordern, vorbehalten bleiben. Mit dem Einsatz eines 3D-Scanners kann die Qualitätssicherung Zeit und Geld sparen und gleichzeitig Effizienz und Flexibilität steigern. Daher bietet die Kombination der beiden Technologien den besten ROI für die Qualitätssicherung.

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