Jak działa skaner 3D i jakie jest zastosowanie skanera 3D [Wszystko co musisz wiedzieć o skanerach 3D]

W poniższym artykule zebraliśmy wszystkie najważniejsze informacje o skanerach 3D. Z tekstu dowiesz się, jakie jest zastosowanie skanerów 3D,  jak działa skaner 3D oraz poznasz rodzaje tych urządzeń.

Co to jest skaner 3D?

Skaner 3D to urządzenie, które tworzy model 3D na podstawie fizycznego obiektu. Wygenerowane modele to pliki w postaci chmury punktów, najczęściej w rozszerzeniu STL (inne rozszerzenia to np. OBJ, ASC, PLY). Model taki można bezpośrednio wgrać do drukarki 3D lub frezarki do drewna (po uprzednim poprawieniu niedoskonałości) lub przerobić do formatu CAD i wykorzystać ogromne możliwości jakie daje ta technologia.

Dzisiejsze skanery 3D tworzą modele z precyzją nawet 0,005mm (5μm) oraz są w stanie zeskanować zarówno obiekty o małych gabarytach (kilka mikrometrów), średnich (np. drzwi samochodu) jak i ogromnych (budynki np. Katedra Notre Dame zeskanowana została skanerem 3D).

Wykorzystanie skanerów 3D

Najważniejsze wykorzystanie skanerów 3D omawiamy na poniższym filmie:

Wykorzystanie skanerów 3D krótkiego i średniego zasięgu

• Projektowanie 3D i odtwarzanie obiektów (reprodukcja np. na obrabiarce CNC)
• Branża CNC i Automotive – kontrola wymiarów (porównanie modelu bazowego ze skanem 3D, projektowanie 3D, dopasowanie projektu do samochodu)
• Medycyna – projektowanie leja do protezy i dopasowanie do pacjenta, tworzenie indywidualnych elementów dla osób z niepełnosprawnością, skanowanie i odtwarzanie kości lub ich fragmentów, naprawa protez
• Stomatologia – archiwizacja modeli, skanowanie wycisków lub szczęki dla protetyki
• Multimedia – wizualizacje produktów i gry komputerowe
• Wszystkie inne branże gdzie wykorzystywane jest projektowanie 3D

Wykorzystanie skanerów 3D dalekiego zasięgu

• Inwentaryzacja budynków – np.: inwentaryzacje systemu rur lub konstrukcji. Badanie potencjalnych kolizji
• Muzealnictwo – inwentaryzacja obiektów muzealnych i budynków
• Geodezja – Obliczanie objętości wykopów, hałd czy zbiorników,
• Budownictwo – BIM, skanowanie budynków do remontu, Dokumentacja 2D
• Kryminalistyka – skanowanie miejsc przestępstw, analiza
• Stocznie i statki – inwentaryzacje statków i innych obiektów morskich np. maszynowni czy modeli kadłubu statku

Jak w praktyce wygląda proces skanowania 3D

Film opisujący krok po kroku skanowanie 3D dostępny jest poniżej:

STL do CAD, czyli czym jest inżynieria odwrotna

Aby otrzymać plik w formatach CAD’owskich wymagane jest przerobienie pliku STL do CAD za pomocą odpowiedniego oprogramowania (np. Solid Edge z modułem do inżynierii odwrotnej).

Proces przerobienia STL do CAD w branży skanerów 3D nazywany jest inżynierią odwrotną i może trwać od kilku minut nawet do kilkunastu godzin. Czas trwania inżynierii odwrotnej zależy od takich czynników jak:

• Umiejętności projektanta
• Dokładność modelu powstałego ze skanowania 3D
• Wielkość i poziom skomplikowania modelu
• Możliwości oprogramowania, które może automatyzować niektóre procesy

Zasada działania i rodzaje skanerów 3D

Zasada działania skanera zależy przede wszystkim od typu urządzenia i wykorzystanej technologii. Poniżej przedstawiamy podział skanerów 3D:

Na poniższym filmie ukazujemy technologie stosowane w skanerach 3D oraz różnice między nimi.

Zasada działania skanerów stacjonarnych oraz ręcznych

Podstawowy podział skanerów dzieli je na urządzenia ręczne oraz stacjonarne.

Skanery Stacjonarne to urządzenia przeznaczone przede wszystkim do skanowania obiektów mniejszych (np. do 30 cm). Często wyposażone są one w stolik obrotowy, który automatycznie obraca skanowany detal. Skanery stacjonarne wykorzystywane są również do skanowania średnich obiektów, ale wymagają wtedy przestawiania. Może to być długotrwałe i dlatego dla szybkiego skanowania większych obiektów (np. kilka metrów) powstały ręczne skanery 3D.

Ręczne skanery 3D  szczególnie przydatne są do skanowania większych obiektów (np. samochód). Użytkownik trzyma skaner w ręku i kieruje strumień światła na skanowany przedmiot, a oprogramowanie automatycznie łączy skany i tworzy model 3D.

Aby skany te zostały poprawnie połączone wykorzystuje się najczęściej markery, czyli małe czarno białe znaczniki naklejanie na obiekt, które umożliwiają oprogramowaniu połączenie skanów.

Zasada działania skanera 3D laserowego

Laserowe skanery 3D emitują wiązkę lasera (czerwoną lub niebieską), którą kieruje się na skanowany obiekt. Urządzenie mierzy załamanie promieni lub ich odległość do obiektu. Wykorzystując te dane oprogramowanie buduje model 3D skanowanego obiektu.

Jakie są zalety i wady skanerów na światło lasera?

Zasada działania skanera 3D na światło strukturalne

Skaner działający w tej technologii emituje światło strukturalne np. białe, niebieskie, zielone ( w kształcie linii), które padają na mierzony obiekt i zmieniają swoje położenie. Następnie zamontowane kamery rejestrują przerwy pomiędzy liniami i na tej podstawie tworzony jest model 3D.

Jakie są zalety i wady skanerów na światło strukturalne?

Zasada działania fotogrametrii

Fotogrametria to system, który zajmuje się odtwarzaniem kształtów, rozmiarów, położenia obiektów na podstawie zdjęć. Dzięki fotogrametrii projektant z wykorzystaniem odpowiedniego oprogramowania może stworzyć model 3D wyłącznie na podstawie zdjęć. Nie jest potrzebne do tego dodatkowe urządzenie poza aparatem.

Modele stworzone z wykorzystaniem fotogrametrii nie są jednak bardzo dokładne i dlatego wykorzystywane są najczęściej do tworzenia dużych map terenu (np. z wykorzystaniem drona)  lub do amatorskich zastosowań.

Jakie są zalety i wady wykorzystania fotogrametrii?

Jakie obiekty mogą być zeskanowane 3D

Tak naprawdę wszystkie obiekty rzeczywiste mogą zostać zeskanowane. Są jednak sytuacje, w których szczególnie trzeba zwrócić uwagę na dobierany skaner, ponieważ skanery 3D wykorzystują światło emitowane przez urządzenie i z tego względu skanowanie niektórych obiektów może być utrudnione.

Skanowanie tych obiektów może być utrudnione

Skanowanie obiektów czarnych, błyszczących (np. chrom)

Pobieranie danych o obiektach ciemnych i błyszczących jest trudniejsze z wykorzystaniem skanerów na światło strukturalne. W przypadku tej technologii światło to jest pochłaniane (obiekty czarne) lub zbytnio odbijane (obiekty błyszczące) i kamery nie mogą poprawnie zarejestrować geometrii obiektu. Wymagane jest wtedy zmatowienie takich elementów, aby możliwe było zeskanowanie. (np. z wykorzystaniem specjalnego sprayu lub suchego szamponu)

Problem ten nie występuje w przypadku laserowych skanerów 3D, które bez problemu tworzą modele 3D. (skanery laserowe są najczęściej droższymi urządzeniami)

Obiekty przezroczyste (np. szyba)

Skanowanie obiektów w pełni przezroczystych bez względu na wykorzystywany skaner wymaga zmatowienia lub obklejenia folią. W przeciwnym wypadku światło skanera (laserowe jak i strukturalne) przejdzie na drugą stronę i oprogramowanie nie będzie w stanie stworzyć modelu 3D.

Skanowanie w trudnych warunkach oświetleniowych (np. na zewnątrz w pełnym świetle)

Skanery na światło strukturalne muszą wyraźnie „widzieć” światło rzucane przez urządzenie, które w przypadku zbyt intensywnego oświetlenia zewnętrznego będzie mało jasne. Tak samo skaner ten gorzej radzi sobie w miejscach zbytnio zacienionych).

Mniejszą czułość na światło mają skanery laserowe, które dzięki wykorzystaniu innej technologii bez problemu pracują w takich warunkach.

Żywe organizmy np. ludzie zwierzęta

Ruch skanowanego obiektu zdecydowanie zmniejsza precyzję, a często nawet uniemożliwia przeprowadzenie skanowania 3D. Dlatego do digitalizacji ciała ludzkiego lub innej żywej jednostki nie można wykorzystać wszystkich skanerów 3D. Najlepszą opcją są skanery 3D światła strukturalnego dla którego ruchy (nawet tak małe jak oddychanie) nie stanowi problemu, a powstały model 3D jest dokładny.

Budynki

Do skanowania budynków lub innych tak dużych obiektów wykorzystuje się specjalne skanery laserowe dalekiego zasięgu. Potrafią one pozyskać wszystkie widoczne dane w odległości nawet 350 m (np. FARO Focus). Skanery takie mają mniejsze dokładności od urządzeń „krótkiego zasięgu”.(np. FARO Focus S pobiera dane z dokładnością do 1 mm.)