W tym tekście staraliśmy się zawrzeć wszystkie najistotniejsze informacje na temat skanerów 3D. Z tego artykułu dowiesz się, jak działają te urządzenia, jakie są ich zastosowania, oraz poznasz rodzaje skanerów 3D.
Skaner 3D – co to za urządzenie?
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, PLY, ASC). Model taki można wgrać bezpośrednio do drukarki 3D lub frezarki do drewna (po wcześniejszym poprawieniu niedoskonałości) lub przerobić do formatu CAD i wykorzystać ogromne możliwości jakie daje ta technologia.
Dzisiejsze nowoczesne skanery 3D potrafią stworzyć model z precyzją nawet 0,005mm (5μm). Są także w stanie zeskanować nie tylko bardzo małe obiekty (kilka mikrometrów), średnie (np. drzwi samochodu) ale także ogromne (budynki np. Katedra Notre Dame zeskanowana została skanerem 3D).
Do czego wykorzystujemy skanery 3D?
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),
- Stomatologia – archiwizacja modeli, skanowanie szczęki lub wycisków dla protetyki,
- Medycyna – projektowanie leja do protezy i dopasowanie do pacjenta, tworzenie indywidualnych elementów dla osób z niepełnosprawnością, skanowanie i odtwarzanie fragmentu lub całości kości, oraz naprawa protez
- Multimedia – wizualizacje produktów i gry komputerowe,
- Wszystkie pozostałe branże gdzie wykorzystywane jest projektowanie 3D.
Wykorzystanie skanerów 3D dalekiego zasięgu
- Inwentaryzacje budynków – np.: inwentaryzacja konstrukcji lub systemu rur, badanie potencjalnych kolizji,
- Geodezja – obliczanie objętości wykopów, zbiorników czy hałd,
- Muzealnictwo – inwentaryzacja budynków i obiektów muzealnych,
- Budownictwo – BIM, skanowanie budynków do remontu, dokumentacja 2D,
- Stocznie i statki – inwentaryzacje statków i innych obiektów morskich np. maszynowni czy modeli kadłubu statku,
- Kryminalistyka – skanowanie miejsc przestępstw, analiza.
W poniższym filmie przedstawiamy najczęstsze wykorzystanie skanerów 3D
STL do CAD, czyli czym jest inżynieria odwrotna
Aby otrzymać plik w formatach CAD’owskich konieczne jest przerobienie pliku STL do CAD za pomocą odpowiedniego oprogramowania (tj. Solid Edge z modułem do inżynierii odwrotnej).
Proces przerobienia STL do CAD w branży skanerów 3D zwany jest inżynierią odwrotną i może zajmować od kilku minut nawet do kilkunastu godzin. Czas trwania inżynierii odwrotnej zależy od czynników takich jak:
- Umiejętności projektanta
- Dokładność modelu, który powstał w procesie skanowania 3D
- Wielkość i poziom skomplikowania modelu
- Możliwości oprogramowania, które może automatyzować niektóre procesy
Rodzaje skanerów 3D i zasada ich działania
Zasada działania skanera jest zależna między innymi od typu urządzenia i wykorzystanej technologii. Na poniższej grafice przedstawiamy podział skanerów 3D ze względu na technologie.
Poniżej przedstawimy proces skanowania 3D krok po kroku
Skanery 3D ręczne i stacjonarne
Stacjonarne skanery 3D to urządzenia przeznaczone głównie do digitalizacji obiektów niewielkich rozmiarów (np. do 30 cm). Najczęściej wyposażone są w obrotowy stolik, który automatycznie obraca skanowany detal. Urządzenia stacjonarne wykorzystuje się również do skanowania obiektów o średnich wymiarach, ale wówczas wymagają przestawiania. Często zabierać to może dużo czasu, dlatego dla szybkiego skanowania sporych gabarytów obiektów (np. kilka metrów) stosuje się ręczne skanery 3D.
Ręczne skanery 3D przydatne są szczególnie do skanowania większych obiektów (tj. samochód). Użytkownik wówczas trzyma w ręku skaner i kieruje strumień światła na skanowany obiekt, a odpowiednie oprogramowanie automatycznie łączy skany i tworzy model 3D.
Do poprawnego połączenia skanów najczęściej wykorzystuje się markery. Są to niewielkie biało czarne znaczniki, które są naklejanie na obiekt i mają za zadanie umożliwić oprogramowaniu połączenie skanów.
Skanery 3D laserowe i na światło strukturalne
Laserowy skaner 3D
Skanery laserowe 3D emitują wiązkę lasera (niebieską lub czerwoną), która jest kierowana na skanowany obiekt. Urządzenie mierzy załamanie promieni lub ich odległość do obiektu. Dzięki tym danym, oprogramowanie buduje model 3D skanowanego obiektu.
| zalety | wady |
| • Często wyższa precyzja | • Skanowanie obiektu zajmuje nieco więcej czasu w porównaniu do technologii światła strukturalnego |
| • Wyższa rozdzielczość skanów | • Zazwyczaj wyższa cena w porównaniu do technologii światła strukturalnego |
| • Łatwiejsze skanowanie w trudniejszych warunkach oświetleniowych | |
| • Możliwość skanowania wielkich obiektów (np. domy) skanerami dalekiego zasięgu (tj. FARO Focus) | |
| • Laser może dobierać natężenie wiązki lasera pod skanowany model, co pozwala na skanowanie elementu czarnego, błyszczącego lub białego. |
Skaner 3D na światło strukturalne
Skaner działający w tej technologii emituje w światło strukturalne kształcie linii np. białe, niebieskie, zielone. Padają one na mierzony obiekt i zmieniają swoje położenie. W kolejnym kroku zamontowane kamery rejestrują jakie są przerwy pomiędzy tymi liniami i na tej podstawie zostaje utworzony model 3D.
| Zalety | Wady |
|
|
Fotogrametria
Fotogrametria to system, który zajmuje się odtwarzaniem kształtów, rozmiarów, położenia obiektów na podstawie zdjęć. To właśnie dzięki fotogrametrii projektant z wykorzystaniem odpowiedniego oprogramowania tworzy model 3D wyłącznie na podstawie zdjęć. Poza aparatem nie jest potrzebne do tego dodatkowe urządzenie.
Modele 3D utworzone przy użyciu fotogrametrii nie są jednak tak dokładne i z tego powodu sprawdzają się przy tworzeniu dużych map terenu lub służą do nieprofesjonalnych zastosowań.
Fotogrametria – zalety i wady zastosowania
Zalety | Wady |
|
|
Fotogrametria + Skaner 3D
Wybrane modele skanerów łączą technologie skanowania 3D z fotogrametrią. Pozwala to osiągnąć zwiększoną precyzję przy skanowaniu dużych obiektów. Przykładem skanera 3D, który jest wyposażony jest we wbudowaną fotogrametrię jest FreeScan UE Pro.
Skanowanie w trudnych warunkach - jakie urządzenie wybrać?
Skanowanie 3D ciemnych i błyszczących obiektów
Właściwie każdy obiekt może być zeskanowany. Czasami występują jednak przypadki, w których wyjątkowo należy zwrócić uwagę na skaner, który ma zostać użyty, ze względu na to, że skanowanie obiektów błyszczących bądź czarnych często bywa utrudnione.
Skanery 3D na światło strukturalne gorzej radzą sobie z digitalizacją obiektów ciemnych i błyszczących. W przypadku tej technologii światło to jest pochłaniane (obiekty czarne) lub zbytnio odbijane (obiekty błyszczące). Przez to kamery nie mogą w sposób poprawny zarejestrować geometrii skanowanego obiektu. W takim przypadku konieczne jest zmatowienie tych obiektów (np. przy użyciu specjalnego sprayu)
Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie laserowego skanera 3D, który bezproblemowo tworzy modele 3D. Należy jednak zauważyć, że wybór tego urządzenia będzie wiązał się z większymi kosztami jego zakupu.
Skanowanie 3D przeźroczystych obiektów
Aby skanowanie obiektów w pełni przeźroczystych było możliwe, bez względu na użyty skaner, należy zmatowić obiekt lub okleić go folią. W innym przypadku światło skanera (zarówno laserowego, jak i strukturalnego) przedostanie się na drugą stronę, a oprogramowanie nie będzie mogło stworzyć modelu 3D.
Skanowanie 3D w trudnych warunkach oświetleniowych
Urządzenia na światło strukturalne muszą wyraźnie „widzieć” światło rzucane przez skaner 3D. To sprawia, że urządzenie ciężko radzi sobie ze skanowaniem obiektu w przypadku zbyt intensywnego oświetlenia zewnętrznego. Utrudniona także będzie digitalizacja w miejscach zbytnio zacienionych.
Skanery na światło laserowe charakteryzują się mniejszą czułością na światło, przez co dużo lepiej radzą sobie z pracą w takich warunkach.
Skanowanie 3D żywych organizmów np. człowieka
Każdy ruch skanowanego obiektu zdecydowanie zmniejsza precyzję, a nawet często uniemożliwia przeprowadzenie skanowania 3D. Sprawia to, że do digitalizacji ludzi lub innych żywych jednostek można wykorzystać wybrane skanery 3D. Najbardziej odpowiednią opcją są skanery 3D światła strukturalnego (np. EinScan H2), dla których nawet niewielkie ruchy, takie jak oddychanie nie będą stanowiły problemu, co sprawi, że zeskanowany obiekt będzie dokładny.
Skanowanie 3D wielkich powierzchni np. budynków
Do digitalizacji bardzo dużych obiektów takich jak np. budynki, służą specjalne laserowe skanery 3D dalekiego zasięgu (np. FARO Focus). Bez problemu potrafią one pozyskać wszystkie widoczne dane w odległości nawet 350 m. Ze względu na specyfikę tego typu skanowania, urządzenia te mają mniejsze dokładności od standardowych skanerów 3D.
Masz pytania dotyczące skanerów 3D? Daj znać, jak możemy Ci pomóc
Inwentaryzacja zabytkowego dworku – skanowanie 3D
