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Die Erfindung betrifft ein Punktiergerät.
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Punktiergeräte dienen meistens bei Steinmetz- und Bildhauerarbeiten als Abtastgeräte zum Herstellen von Kopien eines vorgegebenen unsymmetrischen 2D- oder 3D-Original-Objektes.
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Aus der
EP 0525 344 A1 ist ein Punktiergerät für Steinmetz- und Bildhauerarbeiten bekannt, in dem ein mechanisches Abtastorgan mit einem Bohrgerät kombiniert ist.
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Derartige mechanischen Abtastorgane („Nadeln” oder auch nadelersetzende Bohrgeräte) müssen bei der Steinmetz- oder Bildhauerarbeit zum Sichtprüfen, Nachmessen oder Vergleichen immer wieder vor- oder zurückgeschoben werden, wobei gegebenenfalls das Werkzeug auch angehalten werden muss. Das ist zeitaufwendig und führt auch zu Ungenauigkeiten.
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Weiterhin ist aus der
DE 20 2006 012 703 U1 ist zwar ein Tachymeter bekannt, in dem ein Laserdistanzmessgerät auf einer astrologischen, Computer- oder manuell gesteuerten GOTO-Montierung als Dreh-Schwenkeinheit angebracht ist. Mit diesem Tachymeter können dreidimensionale Punkte, z. B. bei der Vermessung von Gebäuden oder von Grundstücken, gemessen werden, für die bezüglich der Messaufgabe eine Messgenauigkeit von größer/gleich 5 cm auf 10 m typisch ist. Dafür sind die handelsüblichen Laserdistanzmessgeräte ausreichend, die typischerweise einen Strahldurchmesser von größer/gleich 4 mm haben.
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Ein solches Tachymeter erzeugt jedoch nur einen einzigen Leuchtpunkt und ist somit nicht zur Verwendung als Punktiergerät für Steinmetz- und Bildhauerarbeiten geeignet. Für das Vermessen einer Skulptur zum Zweck des Herstellen einer Kopie ist außerdem eine wesentlich größere Messgenauigkeit von typischerweise kleiner/gleich 1 mm auf 1 m erforderlich. Dafür ist nur ein Messlaser mit einem Strahldurchmesser von kleiner/gleich 1 mm geeignet.
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Hinzu kommt, dass ein Laserdistanzmessgerät ein ständiges, viel zu umständliches Ablesen eines Displays erfordern würde, was in der staubanfälligen Arbeitsumgebung z. B. eines Bildhauers völlig unangemessen ist.
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Aus der
DE 29 823 439 U1 ist ferner ein 3D-Laser-Scanner bekannt, der Daten der Oberflächenpunkte eines Objektes liefern kann z. B. zum (voll-) automatischen Kopierfräsen in der Serienfertigung. Dies ist jedoch kein handwerkliches Erarbeiten von Einzelstücken mit Freiheiten in der Oberflächengestaltung. Auch ist ein Laser-Scanner in Anschaffung und Gebrauch sehr kostenaufwendig
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Darüberhinaus ist aus der
EP 0 867 259 A2 eine Vorrichtung zum Kopieren von dreidimensionalen Gegenständen z. B. im Rahmen von Bildhauerarbeiten bekannt, die im Wesentlichen aus zumindest einer, an ihrem oberen Ende mit einem Rollschlitten gekuppelten Haltestange besteht, an der zwei Lichtstrahler mit Hilfe von ebenfalls stangenartig ausgebildeten Befestigungsmitteln angeordnet sind. Die Lichtstrahler können hierbei je nach Bedarf an der Haltestange vertikal verschoben und zudem an den stangenartigen Befestigungsmitteln verschwenkt werden, um die Strahlrichtung in Vertikal- und Horizontalrichtung zu verändern.
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Die Haltestange sowie die Befestigungsstangenanordnung und damit die Lichtstrahler können jedoch insbesondere bei nur einseitiger Befestigung sowohl Dreh- bzw. Torsionsschwingungen um den Befestigungspunkt als auch = bei einer angenommenen Länge der Haltestange von etwa 2 m – erhebliche Längssschwingungen ausführen. Ferner ist zu berücksichtigen, dass die gesamte Stangenanordnung etwa Bildhauerarbeiten an einem Objekt auch im Wege steht und diese zumindest in einem gewissen Ausmaß behindert. Auf diese Weise besteht stets die Gefahr einer unbeabsichtigten Berührung der Stangenanordnung, wobei durch solche Stöße dann insbesondere die Haltestange in unerwünschte, länger andauernde Schwingungen versetzt werden kann.
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Um die erhebliche Beeinträchtigung der Kopiergenauigkeit durch die Schwingungsanfälligkeit der Stangenanordnung zu vermeiden, wäre zumindest eine massive, robuste und gleichzeitig feinmechanisch sehr aufwendige Ausführung der gesamten Lichtstrahler-Haltevorrichtung erforderlich, was zu erheblichen, wahrscheinlich untragbaren Kosten führen und darüberhinaus die vorstehend beschriebenen Nachteile auch nur teilweise beheben würde.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Computer- oder Mikroprozessor- gesteuertes Punktiergerät anzugeben, das bei einfachem Aufbau ein störungsfreies Arbeiten mit verlässlicher, hoher Genauigkeit ermöglicht.
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Da bei Steinmetz- oder Bildhauerarbeiten, bei denen ein Punktiergerät häufig eingesetzt wird, die handwerkliche Arbeit der Materialbearbeitung für das Herstellen der Einzelkopie, gegebenenfalls auch in Kleinserien, im Vordergrund steht, sollen die Gestaltungsmöglichkeiten der Oberfläche voll erhalten bleiben. Ein Punktiergerät soll aber auch für Modellierarbeiten in anderen formgebenden Gewerken verwendbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in Anspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße vertikal bewegbare Basisebene mit den vorgesehenen Lasern zum Anfahren eines Abtastpunktes bei einer Skulptur oder dergleichen, sowie der Halterahmen und der horizontal bewegbare Zwischenrahmen sind schwingungsfrei und damit weitgehend stoßfest angeordnet, wobei die Basisebene und der Zwischenrahmen z. B. in Schienen geführt und mit Hilfe von Linearantrieben in Form von Schnecken-Zahnstangen-Getrieben mit der gewünschten Genauigkeit und Geschwindigkeit verstellt werden können, da der mögliche Schlupf eines solchen Getriebes zugleich eine Ungenauigkeit der Position an der Zahnstange und eine gleich große (lineare) Ungenauigkeit auf der Oberfläche des abzutastenden Objekts bildet.
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Auf diese Weise lassen sich Punktiervorgänge mit hoher Genauigkeit ohne störungsbedingte Abweichungen zuverlässig ausführen, was insbesondere bei Bildhauerarbeiten von maßgeblicher Bedeutung ist. Weiterhin lässt sich das erfindungsgemäße Punktiergerät aufgrund seines einfachen Aufbaus auch mit relativ geringem technischem Aufwand und entsprechend geringen Herstellungskosten realisieren.
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Erfindungsgemäß sind zum berührungslosen 2D- und 3D-Abtasten mindestens 2 Messlaser vorgesehen, deren Strahlen sich im jeweiligen abzutastenden Oberflächenpunkt schneiden. Das Abtasten an der Original-Skulptur dient dem Erfassen von dreidimensionalen Oberflächenpunkten bzw. deren (x,y,z)-Raumvektoren. Diesem Arbeitsschritt folgt die Projektion der Skulptur-Oberflächenpunkte mit den gleichen (x,y,z)-Raumvektoren auf den Materialblock, aus dem die Kopie herausgearbeitet wird. Dabei ist vorteilhaft, dass auf der Oberfläche des Materialblocks zunächst die getrennten Leuchtflecke der Messlaser zu sehen sind. Beim fortschreitenden Arbeiten, das heißt beim Abtragen von Material, „wandern” diese Leuchtpunkte „aufeinander zu” bis sie schließlich zur Deckung kommen, damit ist dann der jeweilige Oberflächenpunkt vom Original auf die Kopie übertragen. Alternativ werden zum Herstellen von vergrößerten, verkleinerten und verzerrten Kopien die mit der Software berechneten oder konstruierten Raumvektoren auf den Materialblock projiziert.
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Erfindungsgemäß lassen sich durch das berührungslose Abtasten die Steinmetz- oder Bildhauerarbeiten erheblich beschleunigen, weil man während des Bohrens oder Fräsens zum Sichtprüfen, Nachmessen oder Vergleichen das weiterlaufende Werkzeug nur kurz aus den Strahlengängen der Laser herauszunehmen braucht und sofort weiterarbeiten kann
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Die Erfindung ermöglicht ein einfach aufgebautes und preiswertes Messgerät, das mit Lasern arbeitet. Von Vorteil ist, dass es für die handwerklichen Bearbeitungsgeräte und die Gestaltungsmöglichkeiten der Oberfläche keine Einschränkungen gibt. Weiterhin ist von Vorteil, dass es auch im Belieben des Anwendenden bleibt, an einem Objekt mit wechselnder Genauigkeit (künstlerische Absicht) zu arbeiten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen
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1: das grundsätzliche Funktionsprinzip des Abtasten mit 3 Lasern,
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2: a) das Vorgehen bei Vergrößerungen,
b) das Vorgehen bei Verkleinerungen,
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3: Ausführungsbeispiel eines Punktiergerätes mit 3 Lasern, bewegbarer Basisebene und bewegbarem Zwischenrahmen – vorzugsweise geeignet zur Wandmontage
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4: Abtasten durch Laser L1 und Laser L2 bei dem Punktiergerät gemäß 3
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5: Abtasten durch Laser L1 und Laser L3 bei dem Punktiergerät gemäß 3
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- P
- = Abtastpunkt des Originals
- P'
- = Abtastpunkt der Kopie
- L1
- = (Ort des) Laser1
- L2
- = (Ort des) Laser2
- L3
- = (Ort des) Laser3
- E
- = Basisebene, in der die 3 Laser angeordnet sind
- d
- = Abstand des Punktes P von der Ebene E
- d'
- = Abstand des Punktes P' von der Ebene E
- ZR
- = Zwischenrahmen
- HR
- = Halterahmen
- LA1
- = Linearantrieb der Basisebene gegenüber dem Zwischenrahmen in z-Richtung (vertikal)
- LA2
- = Linearantrieb des Lasers2 gegenüber der Basis in x-Richtung (= horizontal)
- LA3
- = Linearantrieb des Lasers3 gegenüber der Basis in z-Richtung (= vertikal)
- LA4
- = Linearantrieb des Zwischenrahmens gegenüber dem Halterahmen in x-Richtung (= vertikal)
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1 veranschaulicht, wie der Oberflächenpunkt P einer Skulptur abgetastet wird, die einen „molluskenartigen Stern” darstellt. Das grundsätzliche Funktionsprinzip des Abtastens ist sowohl für Original wie Kopie dasselbe. Bei dem Original wird der Raumvektor (x,y,z) des Oberflächenpunktes aufgenommen, bei der Kopie wird er wiedergegeben bzw. projiziert. Die Laser L1, L2 und L3 sind in der Basisebene E angeordnet. Sie werden derart ausgerichtet, dass sich ihre Strahlen in P kreuzen. Der Punkt P gilt damit als abgetastet, das heißt mit seinem Raumvektor erfasst. Die Koordinaten von P lassen sich aus den Koordinaten der 3 Laser und aus den Winkeln errechnen, die die 3 Laserstrahlen mit der Basisebene bilden.
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Die Länge d bezeichnet den Abstand der Basisebene (Lot von P auf E) von dem abgetasteten Punkt P. In der Praxis wird das abzutastende Objekt so gegenüber dem vorzugsweise an einer Wand montierten Punktiergerät aufgestellt, dass z. B. ein Bildhauer, der zwischen Basisebene und Objekt steht, in bequemer Haltung arbeiten kann, dass also z. B. d = 1 m beträgt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung steht die Skulptur auf einem Computer-, Mikroprozessor- oder manuell steuerbaren Drehteller, um damit die Rundum-Vermessung von Oberflächenpunkten auf allen Seiten der Skulptur zu ermöglichen, (nicht dargestellt).
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Nach dem Abtasten mehrerer ausgewählter und „charakteristischer” Oberflächenpunkte der Originalskulptur, z. B. zunächst der Armspitzen des Molluskensterns, wird die Originalskulptur entfernt und an derselben Stelle durch einen Materialblock ersetzt. Aus dem Materialblock wird die Kopie nach und nach herausgehauen, hier beginnend mit den Punkten der Armspitzen des Molluskensterns.
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Beim Herstellen einer Kopie, die gleich groß ist wie das Original, bleiben die Koordinaten der abgebildeten Oberflächenpunkte unverändert.
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Die 2a und 2b führen 1 fort und stellen das Abtasten für vergrößerndes und verkleinerndes Kopieren dar. Die 2a und 2b stellen den Fall dar, dass sich der Oberflächenpunkt P des Originals und der Oberflächenpunkt P' der Kopie in einer Ebene befinden, die senkrecht auf der Basisebene steht.
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Beim Herstellen einer vergrößerten Kopie gemäß 2a wird der Abstand d des Originals als Abstand d' der Kopie abgebildet, und d' in einem vorgegebenen Maßstabsverhältnis kleiner als d eingestellt. (Die Vergrößerung kommt z. B. dadurch zustande, dass die Schnittwinkel der Laserstrahlen in P' gegenüber denen in P vergrößert sind.)
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Für eine verkleinerte Kopie wird gemäß 2b der Abstand d des Originals als Abstand d' der Kopie abgebildet und d' in einem vorgegebenen Maßstabsverhältnis größer als d eingestellt. (Die Verkleinerung kommt z. B. dadurch zustande, dass die Schnittwinkel der Laserstrahlen in P' gegenüber denen in P verkleinert sind.)
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Nicht dargestellt in 1 ist eine Computer- oder Mikroprozessorsteuerung, die die Koordinaten der ausgewählten Oberflächenpunkte P der Originalskulptur berechnet und abspeichert sowie diese dann zum Herstellen der Oberflächenpunkte P' (gemäß 2a und 2b) aus dem Materialblock in der richtigen Reihenfolge zur Verfügung stellt. Die Steuerung berechnet jeweils die Koordinaten der Oberflächenpunkte P' und stellt die Stahlen der Laser L1, L2 und L3 entsprechend ein. Bei Verkleinerungen, Vergrößerungen und Verzerrungen ist der gewünschte Abbildungsmaßstab eine Führungsgröße der Steuerung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Laser L1, Laser L2 und Laser L3 mit festeingestellten Winkeln auf der Basisebene angebracht, wie es in den 3 dargestellt ist. Die Laser L2 und L3 sind mit den Linearantrieben LA2 und LA3 bewegbar. Die Basisebene E ist vertikal mit Linearantrieb LA1 bewegbar, und der Zwischenrahmen ist horizontal mit Linearantrieb LA4 bewegbar.
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Wegen der Bewegbarkeit der Laser L2 und L3 und der Bewegbarkeit der Basisebene E sowie des Zwischenrahmens können auch mit festeingestellten Winkeln der Laserstrahlen alle Punkte einer Skulptur bzw. ihrer Kopie abgetastet werden. Im Folgetext sind alle Maße bzw. die Koordinaten in Millimetern angegeben. Die Koordinaten der Laser bezeichnen die Ausgangsstellungen der jeweiligen Linearantriebe.
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Laser L1 ist ortsfest im Nullpunkt (x = 0, y = 0, z = 0) der Basisebene (= x,z-Ebene) angebracht. Der Strahl von Laser L1 steht senkrecht auf der Basisebene und zeigt in y-Richtung. (3, 4 und 5)
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Laser L2 ist mit den Koordinaten (x = 1000, y = 0, z = 0) in der Basisebene angebracht. Der Strahl von Laser L2 bildet mit der Basisebene einen festen Winkel von 45 Grad. Laser L2 ist mittels Linearantrieb LA2 horizontal von (x = 600, y = 0, z = 0) bis (x = 1400, y = 0, z = 0) bewegbar. (3 und 4)
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Laser L3 ist mit den Koordinaten (x = 0, y = 0, z = –1000) in der Basisebene angebracht. Der Strahl von Laser L3 bildet mit der Basisebene einen festen Winkel von 45 Grad Laser L3 ist mittels Linearantrieb LA3 vertikal von (x= 0, y = 0, z = –600) bis (x= 0, y = 0), z = –1400) bewegbar. (3 und 5)
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Vorteilhaft ist, dass bei der beschriebenen Ausgestaltung zum Abtasten eines Oberflächenpunktes grundsätzlich jeweils ein Paar von den 3 Lasern genügt. Damit sind auch schwierige Oberflächenpunkte abtastbar, bei denen u. U. einer der drei Strahlen etwa „durch Schatten, die die Skulptur wirft, ausschaltet ist”.
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Vorteilhaft ist, dass in der beschriebenen Ausgestaltung bei Vergrößerung oder Verkleinerung die Abstandsdifferenz der abgetasteten Punkte P und P' der Verschiebung des Laser L2 und/oder des Laser L3 entspricht. (Speziell der Fall der Vergrößerung ist in 4 und 5 mithilfe der gestrichelten Linien veranschaulicht.)
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Ausführungsform mit mehr als 3 Lasern: Für das Abtasten sehr kompliziert gebauter Skulpturen ist es u. U. notwendig, mehr als 3 Laser zu verwenden, die vorzugsweise auf einer Kreislinie in der Basisebene E angebracht werden, wobei ihre Linearantriebe radial ausgerichtet sind (nicht dargestellt). Den Mittelpunkt des Kreises bildet der Laser L1. Alle Laser auf der Kreislinie bilden mit der Basisebene jeweils einen festen Winkel von 45 Grad. Auch bei mehreren eventuell abgeschatteten Laserstrahlen stehen so immer mindestens zwei zum Abtasten zur Verfügung, die sich im abgetasteten Oberflächenpunkt kreuzen.
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Ausführungsform mit festen Winkeln von 26,56 Grad: Zum Erzielen einer doppelten Genauigkeit beim Herstellen vergrößerter oder verkleinerter Kopien wird der feste Winkel 26,56 Grad (anstatt 45 Grad) zwischen Basisebene und den Laserstrahlen benutzt. (nicht dargestellt). Auch Zwischengrößen der festen Winkel sind möglich.
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Ausführungsform mit ortsfesten Lasern und bewegbaren Winkeln: Eine andere Ausgestaltung der Erfindung (nicht dargestellt) besteht aus einer Basisebene, die horizontal mit einem Linearantrieb bewegbar ist gegenüber dem Halterahmen; und wobei auf der Basisebene mindestens 3 Laser ortsfest angebracht sind. Das Abtasten eines Oberflächenpunktes geschieht mittels Betätigen des Linearantriebes der Basisebene und/oder der Winkelantriebe der Laser.
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In einfachen Fällen genügt es, durch Sichtprüfen festzustellen, dass sich die Laserstrahlen in einem Oberflächenpunkt schneiden. Zum Erzielen einer größeren Genauigkeit misst ein (nicht dargestellter) Sensor in P die Intensität des einfallenden Laserlichts. P gilt als abgetastet, wenn die gemessene Intensität ihr Maximum hat. Die gemessene Intensität wird als eine Führungsgröße bei der Computer- oder Mikroprozessorsteuerung benutzt.
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Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, die verschiedene Laser mit Licht in unterschiedlichen Farben verwendet (nicht dargestellt). Das Prüfen wird erleichtert, ob sich die Leuchtpunkte überdecken bzw. die Laserstrahlen im abzutastenden Oberflächenpunkt schneiden.
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Beim Abtasten kompliziert gestalteter, rauer oder stark lichtabsorbierender Skulpturoberflächen ist eine Ausführungsform vorteilhaft, die „Strichlaser” verwendet (nicht dargestellt). Beim allmählichen Herausarbeiten eines Oberflächenpunktes der Kopie, wenn die Leuchtstriche „aufeinander zu werden”, werden die Laserstrahl-Striche zur Prüfung abwechselnd horizontal und vertikal ausgerichtet.
