Innovative Fertigung für Spitzentechnologie: Eine Fallstudie zu Komponenten eines 3D-Laser-Scanningsystems

Wie Präzisions-CNC-Bearbeitung die Rapid Prototyping eines kritischen Rotationsbauteils für 3D-Laserscansystem RS100-RTK Mobile Mapping Systems ermöglichte

Projektübersicht

Über den Kunden und das Produkt

Dieses professionelle und industrielle 3D-Laserscansystem ist ein Vorreiter bei mobilen 3D-Laserscansystemen und verwendet die Simultaneous Localization and Mapping (SLAM)-Technologie. Das RS100-RTK-System ist ihr Flaggschiffprodukt und kombiniert SLAM mit RTK-Differenzialpositionierung für cm-genaue Genauigkeit sowohl in GNSS-verweigerter als auch in Außenumgebung.

Diese Fallstudie konzentriert sich auf das Gehäuse des Rotations-Laserscankopfs – die Kernkomponente, die Folgendes ermöglicht:

• 650.000 Punkte/Sekunde Datenerfassung
• 120 Meter Messbereich
• 360°×285° ultraweites Sichtfeld
• Integrierte RTK-Korrekturfunktionen

Das Gehäuse erforderte Präzisionsfertigung, um eine relative Genauigkeit von 1 cm beizubehalten und gleichzeitig einen stabilen Betrieb auf mobilen, Rucksack-, UAV- und Fahrzeugplattformen zu gewährleisten.

Auswahl der richtigen Fertigungsmethode

Für diese kritische Rotationskomponente wurden mehrere Fertigungsansätze evaluiert:

• Feinguss: Konnte die erforderliche Präzision für optische Ausrichtungsmerkmale nicht erreichen
• Additive Fertigung (Metall-3D-Druck): Unzureichende Oberflächenqualität und Dimensionsstabilität
• 5-Achsen-CNC-Drehen/Fräsen: Ausgewählt für unübertroffene Präzision, Optimierung der Rotationssymmetrie und Fähigkeit, Toleranzen von ±0,01 mm einzuhalten

Warum 5-Achsen-CNC-Drehen/Fräsen ideal war:

• Einmalige Bearbeitung: Die komplette Fertigung ohne Neupositionierung gewährleistete die Konzentrizität <0,005 mm
• Integration des dynamischen Auswuchtens: Auswuchten an der Maschine erreichte den Grad G0,4 (über dem Industriestandard)
• Wärmemanagement: Optimierte Materialabtragung lieferte ideale Wärmeableitungseigenschaften
• Kompatibilität mit Luftfahrtmaterialien: 7075-Aluminium bot Festigkeit bei gleichzeitiger Minimierung der Rotationsmasse

Wesentliche Herausforderungen und Lösungen bei der Herstellung von Scanköpfen

1. Ultrapräzise Rotationsauswuchtung

Herausforderung: Vibrationsfreie Rotation bei 5–20 U/min für genaue Punktwolken-Erfassung

Lösung:

• Integriertes dynamisches Auswuchten: Auswuchten an der Maschine während der Endbearbeitung
• Optimierung der asymmetrischen Masse: Strategische Materialabtragung zur Erzielung einer perfekten Rotationsauswuchtung

2. Präzision der optischen Ausrichtung

Herausforderung: Aufrechterhaltung der Genauigkeit des Laseremissions-/Empfangspfads während der 360°-Rotation

Lösung:

• Monolithische Konstruktion: Einteiliges Design, das Montagefehler vermeidet
• Bearbeitung der Referenzoberfläche: Alle optischen Montageflächen werden in derselben Einrichtung bearbeitet

3. Multi-Plattform-Kompatibilität

Herausforderung: Gewährleistung einer konsistenten Leistung auf Rucksack-, UAV- und Fahrzeugmontage

Lösung:

• Vereinheitlichte Montageschnittstelle: Präzisionsflanschdesign, das mit allen Plattformadaptern kompatibel ist
• Vibrationsdämpfungsmerkmale: Optimierte Strukturgeometrie zur Reduzierung harmonischer Schwingungen

4. Umweltschutz

Herausforderung: IP67-äquivalente Abdichtung unter Beibehaltung der Rotationsfunktionalität

Lösung:

• Integrierte Dichtungsnuten: Präzisionsgefräste Nuten für dreilippige Dichtungen
• Oberflächenoptimierung: Hartanodisieren, das Korrosionsbeständigkeit und eine Verschleißoberfläche bietet

Qualitätsvalidierung und -prüfung

Der Prototyp wurde einer strengen Validierung unterzogen, die den Feldbedingungen von GoSLAM entsprach:

Metrologische Verifizierung:

• CMM-Inspektion: Alle kritischen Merkmale innerhalb von ±0,01 mm
• Optische Ausrichtung: Laserpfadabweichung <0,005° über die volle Rotation

Dynamische Leistungstests:

• Rotationsauswuchtung: Grad G0,4 erreicht (Industriestandard: G2,5)
• Vibrationsanalyse: <5μm Verschiebung bei Betriebsdrehzahl

Umweltprüfung:

• Thermische Zyklen (-30°C bis +70°C): Keine Verformung oder Leistungsminderung
• IP67-Test: Kein Eindringen nach 30 Minuten Eintauchen

Feldvalidierung:

• Erfolgreiche Integration mit dem RS100-RTK-System
• Einhaltung einer relativen Genauigkeit von 1 cm bei Betriebstests

Kundenfeedback und zukünftige Anwendungen

Der Prototyp übertraf die technischen Anforderungen des Kunden:

25 % Reduzierung der Rotationsmasse im Vergleich zum vorherigen Design

40 % Verbesserung der Wärmeableitungseffizienz

Perfekte Integration mit bestehenden RS100-RTK-Systemen

Der Kunde hat Folgendes eingeleitet:

Konstruktion von Produktionswerkzeugen für die Kleinserienfertigung (50–100 Einheiten)

Konstruktionsanpassung für Scanner der nächsten Generation der T-Serie

Langfristige Partnerschaft für die laufende Komponentenentwicklung