Działanie i zastosowania skanerów 3D


Kategoria: Strefa wiedzy Dodano: Wyświetlono: 5105

Wiemy czym są i jak działają skanery 3D. Chętnie podzielimy się tą wiedzą i zaprzęgniemy ich moc do rozwoju Twojej firmy. Jakiego dokładnie skanera 3D potrzebujesz? Nasi eksperci na pewno dobiorą najlepsze rozwiązanie.

Skanery 3D

Skanery 3D

Od kilku lat jesteśmy świadkami szybkich zmian w technologii, dzięki której hasło PRZEMYSŁ 4.0 nabiera rzeczywistych kształtów. To co kiedyś uważaliśmy za pieśń przyszłości staje się podstawowym narzędziem pracy.

Skanery 3D to doskonały przykład zachodzących zmian. Urządzenia te stały się jednymi z najistotniejszych w procesie prototypowania, projektowania i zbierania informacji o interesujących nas obiektach. Wykorzystywane praktycznie w każdej gałęzi przemysłu, od medycyny po przemysł stoczniowy. Od zachowania dziedzictwa kulturowego po projektowanie w branży automotive. Wszechstronność i łatwość użycia powoduje, że już teraz w wielu przypadkach ich użycie staje się wręcz konieczne.

Zadajmy sobie jednak pytanie: Czy wiemy czym są skanery 3D? Jak działają? Czy potrafimy zaprzęgnąć ich moc do naszych potrzeb? A najważniejsze: Jakiego skanera potrzebuje nasza firma? Po tym wstępie należałoby zacząć od początku, i odpowiedzieć na wyżej postawione pytanie: Czym jest skaner 3D?

Skaner 3D to urządzenie, które analizuje obiekt bądź jego otoczenie w celu zebrania/zgromadzenia informacji na temat jego kształtu lub tez wyglądu (skanowanie teksturowe) w celu stworzenia jak najwierniejszego trójwymiarowego modelu cyfrowego dzięki czemu jesteśmy w stanie przeprowadzić na nim potrzebne nam działania ( prototypowanie, kontrola jakości, inżynieria odwrotna). Ze względu na emitowane przez skaner światło, służące do akwizycji danych, urządzenia możemy podzielić zasadniczo na dwa rodzaje.

  • 1. Skanery w których źródłem światła jest dioda bądź wiele diod LED emitujących światło strukturalne.
  • 2. Skanery w których źródłem światła jest laser.

Nie można jednoznacznie stwierdzić aby którychś z tych dwóch rodzajów mechanizmów pracy skanera był lepszy bądź gorszy. Każdy z nich, odpowiednio użyty spełni swoje zadanie w jak najlepszym stopniu. Należy jednak pamiętać o ograniczeniach jednych i drugich, którymi zajmiemy w dalszej części. Na razie skupmy się na podstawowych zasadach pracy tych dwóch rodzajów urządzeń.

1. Skaner 3D ze światłem strukturalnym

Skanery światła strukturalnego wyświetlają wzór światła na skanowanym obiekcie. Wzorce selekcji są śledzone jednocześnie przez jedną kamerę lub wiele kamer. Przy zastosowaniu specjalnej kamery dostępne jest również przechwytywanie kolorów. Wzór światła tworzony jest za pomocą modulatorów świetlnych.

Skaner 3D ze światłem strukturalnym

Skaner 3D ze światłem strukturalnym może uchwycić duży rozmiar w kilka sekund, a także gwarantuje wysoki poziom dokładności i wysoką rozdzielczość. Źródło światła nie jest niebezpieczne dla ludzkiego wzroku, więc technologia skanowania światłem strukturalnym może być używana do skanowania ludzi. Skanery światła strukturalnego mogą być montowane na statywie do skanowania stacjonarnego, a także używane w trybie ręcznym. Są jednak wrażliwe na warunki oświetlenia otoczenia oraz mają problemy ze skanowanie obiektów połyskujących i ciemnych.

2. Skaner 3D ze światłem laserowym

Skanowanie laserowe działa poprzez projekcję punkt laserowy, wiązka lub wiele wiązek na obiekt, a następnie przechwytywanie odbicia lasera z czujnikami.

Skaner 3D ze światłem laserowym

Główną zaletą skanowania laserowego jest to, że może on osiągnąć wysoką rozdzielczość i dokładność. Jest również mniej wrażliwe na światło otoczenia i lepiej sprawdza się przy skanowaniu błyszczących lub ciemnych powierzchni. Większość tego typu skanerów to urządzenia ręczne. Choć lepiej radzą sobie od skanerów opartych o światło strukturalne przy skanowaniu obiektów połyskujących i ciemnych, tym niemniej mają problem ze skanowaniem obiektów prześwitujących bądź przezroczystych.

Poza doborem odpowiadającego naszym potrzebom skanera, czy to pracującego w oparciu o światło LED czy laser musimy zwrócić również uwagę na kilka innych czynników które decydują o zastosowaniu danego skanera. A są to:

Rozdzielczość

Rozdzielczość określa odległość punktu, który przechwytuje skaner. Odległość między dwoma punkty w modelu 3D to jeden z najważniejszych czynników podczas skanowania. W czasie skanowania z wysoką rozdzielczością, odległość między punktami jest bardzo mała, a szczegóły są lepiej widoczne skan. Jeśli wybierzemy niską rozdzielczość, odległość między punktami jest duża, dzięki czemu proces skanowania jest dużo szybszy. Niestety jego jakość jest dużo mniejsza.

Poniżej przedstawiamy przykładowe wartości rozdzielczości oraz ich zastosowanie

Małe obiekty
(monety, biżuteria)
Części mechaniczne
(elementy silników itp.)
Meble Ludzie Samochody i
większe obiekty
Rozdzielczość 0,16 - 0,24 mm 0.3 - 0,5 mm 0,5 - 1,5 mm 1 - 1,5mm 2 mm
Przykładowe zastosowanie Projektowanie,
Inżynieria odwrotna,
Prototypowanie
Kontrola jakości,
Inżynieria odwrotna,
Projektowanie
AR, VR,
Inżynieria odwrotna,
Kontrola jakości
Protetyka,
Projektowanie
Inżynieria odwrotna,
Projektowanie,
Kontrola jakości

Dokładność pomiarowa

Dokładność dostarcza informacji o realnym odwzorowaniu modelu 3D w stosunku do rzeczywistego obiektu. Znajomość dokładności skanera jest bardzo ważna, ponieważ decyduje o tym, do czego nadaje się konkretne urządzenie np. do kontroli jakości, projektowania, inżynierii odwrotnej, w medycynie lub innych w których ważnym aspektem jest zastosowanie wymagań dotyczących dokładności. Zwykle im wyższą dokładność jaką skaner jest w stanie wygenerować, tym do większej liczby aplikacji mógłby się on nadawać przekłada się to również na cenę urządzenia. Tak więc, biorąc pod uwagę dokładność, należy pomyśleć o tym, co chcemy zeskanować i czy wysoka dokładność jest absolutnie konieczna? Czy naprawdę potrzebujesz bardzo dużej dokładności? Dokładność zastosowana w specyfikacjach skanera zwykle odnosi się do dokładności pojedynczego skanu. Dokładność wolumetryczna odnosi się do związku między dokładnością danych 3D a rozmiarem obiektu.

Prędkość skanowania

Prędkość skanowania to cecha określająca, jak długo trwa skanowanie danego obiektu. Ma to szczególne znaczenie, gdy naszym celem jest skanowanie ludzkiej postaci ( ludzie mają problemy z ustaniem nieruchomo w jednej pozycji przez dłuższy czas. Prędkość skanowania wpływa także na wydajność pracy podczas skanowania dużych obiektów, takich jak samochody, budynki itp. Wartością wyrażającą prędkość skanowania to liczba punktów zbieranych na sekundę, klatek na sekundę lub liczbą sekund potrzebnych do wykonania pojedynczego skanowania. Im więcej punktów lub ramek jest zbieranych na sekundę, tym większa prędkość skanowania.

Przykładowe zastosowanie skanerów w różnych gałęziach przemysłu i nauki:


1. W budownictwie i ochronie dóbr kultury:
  • Dokumentacja zabytków
  • Tworzenie replik istniejących obiektów
  • Digitalizacja zbiorów muzealnych
  • Kontrola jakości
  • Modelowanie urbanistyczne
  • Projektowanie urbanistyczne
  • Modelowanie elementów konstrukcyjnych
2. W czasie procesu projektowanie skaner możemy wykorzystać do:
  • Zwiększanie dokładności pracując ze złożonymi częściami i kształtami
  • Koordynowanie projektowania produktu używając części z wielu źródeł
  • Wymiana brakujących lub przestarzałych części
  • Tworzenie oszczędności poprzez umożliwienie powykonawczej usługi projektowania, na przykład w zakładach produkcyjnych branży motoryzacyjnej
3. Branża rozrywkowa ( film, gry komputerowe, aplikacje i programy)

Skanery 3D są używane przez branże rozrywkową do tworzenia wirtualnych modeli trójwymiarowych na potrzeby filmów, gier komputerowych i celów rekreacyjnych. Są intensywnie używane w kinematografii wirtualnej. W przypadkach, w których istnieje rzeczywisty odpowiednik modelu, jest o wiele łatwiej zeskanować obiekt rzeczywisty, aniżeli ręcznie tworzyć model używając oprogramowania do modelowania 3D.

4. W inżynierii odwrotnej

Inżynieria odwrotna komponentu mechanicznego wymaga precyzyjnego modelu cyfrowego obiektu w celu jego reprodukcji. Zamiast zestawu punktów, dokładny model cyfrowy może być reprezentowany przez siatkę wielokąta lub w przypadku komponentów mechanicznych idealnym rozwiązaniem byłbym model CAD. Skaner 3D może zostać użyty do digitalizacji form swobodnych, lub stopniowo zmieniających ukształtowanie komponentów, jak również geometrii pryzmatycznych, w których maszyna współrzędnościowa jest zazwyczaj używana wyłącznie do określenia prostych wymiarów bardzo pryzmatycznego modelu.

5. W naukach medycznych:
  • tworzenie ortez
  • tworzenie protez
  • stomatologia i implantologia
  • zaawansowana protetyka twarzy
  • dermatologia porównawcza
6. Kryminalistyka:
  • digitalizacja miejsc zbrodni
  • archiwizacja materiałów dowodowych
7. Kontrola jakości i metrologii przemysłowej:
  • Digitalizacja części
  • Montaż skomplikowanych części w systemach CAD/CAM
  • Tworzenie map odchyłów przy kontroli jakości
  • Usprawnienie procesów produkcyjnych

Reasumując, skanery 3D to bardzo wszechstronne urządzenia dzięki którym w dużym stopniu można ułatwić i przyspieszyć pracę w wielu dziedzinach nauki oraz w wielu gałęziach przemysłu. Należy jednak mieć zawsze na uwadze cel jaki chcemy osiągnąć używając tego typu sprzętu. Każda z wyżej wymienionych cech może wpłynąć na końcowy wynik i to czy będziemy z niego zadowoleni czy też nie.

Gros produkowanych teraz skanerów potrafi poradzić sobie w większości przypadków jako wynik oferując zadowalające modele 3D ale użycie dobrego skanera przeznaczonego do konkretnego celu zaowocuje najwyżej jakości odwzorowaniem.