Seeübergangsnivellement

PhoTo3D

Einführung

Logo des Projektes PhoTo3D
Logo des Projektes PhoTo3D
Logo des Projektpartners Schwartmanns Maschinenbau GmbH
Logo des Projektpartners Schwartmanns Maschinenbau GmbH

In Zeiten von Corona rückt das Mammutprojekt „Eindämmung des Klimawandels“ stark in den Hintergrund. Die FHWS wirkt diesem Problem entgegen und forscht im Rahmen des Projektes „PhoTo3D“ (Photogrammetrische Erfassung von Rohrleitungssystemen sowie Erstellung von 3D-Modellen durch automatisierte Reverse Engineering-Prozesse) aktuell an der Automatisierung und der Digitalisierung der Arbeitsprozesse zur Dämmung von Industrieanlagen und Rohrleitungssysteme (Abb. 1). 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
Abbildung 1: Beispielbild einer ungedämmten Heizungsanlage

Das Forschungsprojekt PhoTo3D ist aus dem Vorgängerprojekt „eDIan – effiziente Dämmung von Industrieanlagen“ hervorgegangen. Dieses hat sich ebenfalls mit der Dämmung von Industrieanlagen beschäftigt. Konkret stand hier die Grundlagenforschung im Bereich der Identifikation von Energieverlusten mittels Thermographie (wird aktuell im Rahmen des Projekts „ThermoHead“ fortgesetzt) sowie der geometrischen Erfassung der Bauteile im Vordergrund. Die aktuellen Arbeiten setzten somit auf den Ergebnissen von eDIan auf.

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).

Aufbau der Dämmung – Schnittansicht
Abbildung 2: Aufbau der Dämmung – Schnittansicht
Schritte zur Dämmung einer Rohrleitung. links: ungedämmte Rohre, Mitte: mit Isolierung umwickelte Rohre, rechts: fertige Dämmung mit Blechumhüllung
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.

Ziel des Projekts

Diese oben genannte, hauptsächlich von manueller Arbeit geprägte Arbeitsweise, soll durch einen automatisierten, digitalen Workflow ersetzt werden. Ziel ist die Entwicklung eines kostengünstigen Messsystems zur berührungslosen Digitalisierung des Aufnahmeobjekts. Nach der Aufnahme sollen die zu dämmenden Geometrien (z.B. Rohrleitungssysteme) auf Basis der Messdaten digital rekonstruiert werden. Hierbei bietet sich bereits vor der Fertigung eine virtuelle Anbringung der Dämmung am Computer an, um Kollisionen mit vorhandenen Objekten auszuschließen beziehungsweise, falls vorhanden, durch eine Änderung der Planung zu umgehen. Im letzten Schritt soll über eine Schnittstelle die geplante Dämmung direkt an die Fertigungsmaschine übergeben werden.

Neuer Ansatz und erste Ergebnisse

Für die Objektaufnahme wurde ein Stereokamera-Messsystem (Abb. 4) entwickelt. Dieses besteht aus zwei 12MP Industriekameras, welche mit einem Abstand von etwa 70cm auf einen Halter angebracht sind. Per LAN-Kabel werden die Bilder in nahezu Echtzeit an den Rechner übertragen, von dem die Aufnahme auch ausgelöst werden kann.

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.

Stereo-Messsystem
Abbildung 4: Stereo-Messsystem

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.

Daher wird in einer eigens entwickelten Software die Rekonstruktion der Objekte direkt auf Basis der aufgenommenen Bilder durchgeführt. Hierfür werden zunächst die Objektkanten mithilfe eines Kantenfilters (Abb. 5) sowie weitere Informationen mithilfe unterschiedlicher Algorithmen aus dem Bereich Computer Vision aus den Bildern extrahiert Daraus können anschließend halbautomatisiert die benötigten 3D-Regelgeometrien (z.B. Zylinder für gerade Rohrelemente beziehungsweise Torus-Segmente für Rohrbögen, …) berechnet werden.

Ergebnis der Kantendetektion (rot)
Abbildung 5: Ergebnis der Kantendetektion (rot)