Метрологическое 3D-сканирование: от теории к практике

3D-сканирование представляет собой оптический сбор информации о физическом объекте для создания его точной цифровой модели. Процесс проходит с использованием 3D-сканера, имеющего источник излучения. Существуют несколько технологий 3D-сканирования, из которых в данной статье рассматриваются две наиболее распространенные – лазерное сканирование и с помощью структурированного подсвета. Обсуждаются принцип, назначение и особенности 3D-сканирования, приводятся примеры его практического применения.
М. С. Орлова, компания 3DVision
Опубликовано в рубрике «Качество и контроль»
680 просмотров
Метрологическое 3D-сканирование: от теории к практике

Принцип и особенности 3D-сканирования

Первая технология заключается в использовании источника лазерного излучения, который направляет лазерные линии или же ИК-лучи на объект. Лазерные линии могут быть одиночными, параллельными или же в виде сетки. При проецировании линии искажаются в соответствии с особенностями геометрии деталей. Такие искажения фиксируют установленные под определенным углом камеры, и, исходя из полученных данных, строится облако точек.

В технологии структурированного подсвета используется проекция геометрических фигур. С помощью проектора на объект направляется изображение треугольника, сетки или «белый шум». Далее, так же, как и при лазерном сканировании, для построения облака точек фиксируется искажение фигур. После обработки полученных данных в специализированном программном обеспечении (ПО) строится трехмерная полигональная модель объекта.

3D-сканирование может являться частью процесса обратного проектирования (иначе – реверс-инжиниринга) и выступать в качестве основного инструмента при контроле геометрии объектов. В зависимости от применяемой технологии объектом съемки может быть любой предмет, человек или даже окружающая среда.

На рис. 1 приведены примеры некоторых доступных на российском рынке сканеров – напольного Pro II и настольного Quant от отечественного производителя RangeVision, а на титульном фото – ручного модели FreeScan Trio от китайской компании Shining 3D.

Рис. 1. Примеры напольного (а) и настольного (б) 3D-сканеров (все рисунки: 3DVision)
Рис. 1. (а) Примеры напольного (а) и настольного (б) 3D-сканеров (все рисунки: 3DVision)
Рис. 1. Примеры напольного (а) и настольного (б) 3D-сканеров (все рисунки: 3DVision)
Рис. 1. (б) Примеры напольного (а) и настольного (б) 3D-сканеров (все рисунки: 3DVision)

Далее сосредоточим внимание на ручных 3D-сканерах, которые отличаются компактностью и удобством в обращении в отличие от напольных или настольных. Их легко перемещать и использовать в различных условиях, что делает ручные 3D-сканеры оптимальными для работы в ограниченном пространстве и для сканирования объектов, которые сложно переместить. Устройство позволяет пользователю быстро сканировать объекты в разных условиях, будь то промышленная установка или музейный экспонат. Более того, благодаря своей компактности, ручные 3D-сканеры требуют меньше места для хранения и обслуживания.

Для более глубокого понимания технологии важно знать ключевые термины, такие как точность и повторяемость результатов сканирования. Метрологическая точность относится к способности измерительной системы или прибора предоставлять результаты, максимально близкие к истинным значениям. Важно также учитывать понятие повторяемости, которое обозначает получение схожих результатов при повторных измерениях одного и того же объекта в одинаковых условиях. Смысл и различие между этими понятиями наглядно демонстрирует рис. 2 в виде некоей мишени со следами нескольких последовательных выстрелов.

Рис. 2. Условная графическая характеристика понятий «точность» и «повторяемость» (пояснения – в тексте статьи)
Рис. 2. Условная графическая характеристика понятий «точность» и «повторяемость» (пояснения – в тексте статьи)

Однако производители 3D-сканеров предупреждают, что даже самое точное оборудование не может гарантировать абсолютную точность. Исходя из этого, мы сталкиваемся с понятием накопительной погрешности, которая заключается в том, что отклонения от истинных значений суммируются в процессе сканирования. Как правило, накопительную погрешность выражают относительно единицы измерения, такой как метр (при использовании ручных сканеров), например, ±20 мкм/м. Важно подчеркнуть, что данное значение является средним и потому не обязательно точно отражает реальность. Размеры полученной цифровой модели действительно могут отличаться от физической на условные 20 мкм, но могут быть и более точными. Такие средние данные производители получают по итогам исследований и поверок конкретной модели оборудования.

На точность в некоторых случаях также может влиять расстояние между точками или же разрешение. Такой параметр необходимо настраивать, учитывая две особенности сканируемого объекта: размер и детализацию. Разрешение влияет на точность при наличии на поверхности объекта мелких деталей, узоров, засечек и пр. Таким образом, при установленном слишком низком разрешении 3D-сканер может их не захватить.

Однако если мы говорим о другом параметре – размере модели, расстояние между точками анализируется в другом ключе. Например, для крупных объектов необходимо выбирать низкое разрешение. Дело в том, что при сканировании массив данных (облако точек) заполняет оперативную память графического процессора (GPU-память). Слишком большой объем данных может полностью заполнить память до завершения сканирования или повлиять на работоспособность компьютера.

Можно выделить следующие основные преимущества использования 3D-сканеров:

  • возможность работы с геометрически сложными и хрупкими объектами;
  • высокий уровень детализации;
  • точность и повторяемость результатов;
  • снижение времени и доли ручного труда специалистов;
  • бесконтактность контроля геометрических параметров объектов.

Практическое использование 3D-сканеров

Технология 3D-сканирования предоставляет возможность проводить реверс-инжиниринг с гораздо меньшими трудозатратами, чем обычно. Получение высокоточных трехмерных моделей существующих объектов дает достаточно информации для дальнейшего применения. Так, полученное облако точек можно объединить в полигональную 3D-модель, которую можно использовать в последующей работе в САПР в целях, например, усовершенствования конструкции изделия и (или) оптимизации производственных процессов.

3D-сканирование создает цифровые модели объектов для 3D-печати, позволяя изготавливать точные копии предметов со сложной геометрией. Использование 3D-сканера в работе обеспечивает высокую точность и детальность конечного продукта, что имеет важную роль в медицине и инженерии. 3D-сканирование позволяет быстро создавать цифровые модели, сокращая время, которое требуется на ручное моделирование, помогает восстановить поврежденные предметы, а также адаптировать существующие изделия под конкретные запросы.

Кроме того, 3D-сканирование значительно сокращает время, затрачиваемое на контроль качества выпускаемой продукции или реверс-инжиниринг. Высокоточное метрологическое оборудование позволяет оперативно выявлять размерные отклонения, коробление изделий и брак. Это особенно полезно при производстве изделий сложной формы, где применение координатно-измерительных машин невозможно.

Также данная технология широко используется в области искусства для оцифровки музейных экспонатов, таких как скульптуры, статуэтки и ювелирные изделия. В кинематографе и мультипликации 3D-сканирование помогает в создании сложного грима, оцифровке актеров, персонажей и атрибутов, а также в разработке дизайнерских коллекций и визуализации интерьеров.

В медицине 3D-сканирование используется для снятия размеров с пациентов с целью последующего изготовления индивидуальных изделий, таких как стельки, протезы и другие медицинские приспособления. В стоматологии и ортодонтии 3D-сканеры позволяют создавать капы, элайнеры и зубные протезы, принимая во внимание анатомические особенности каждого пациента.

На рис. 3–6 приведены примеры использования 3D-сканирования в различных отраслях – медицинской, производственной и сферы искусства.

Рис. 3. 3D-скан ротовой полости с помощью сканера Aoralscan 3 компании Shining 3D (точность 6,9 мкм)
Рис. 3. 3D-скан ротовой полости с помощью сканера Aoralscan 3 компании Shining 3D (точность 6,9 мкм)
Рис. 4. 3D-скан музейного экспоната черепа ребенка неандертальца с помощью сканера PRO II для создания цифрового музея и дальнейшего копирования с помощью SLA-технологии 3D-печати (точность 20 мкм)
Рис. 4. 3D-скан музейного экспоната черепа ребенка неандертальца с помощью сканера PRO II для создания цифрового музея и дальнейшего копирования с помощью SLA-технологии 3D-печати (точность 20 мкм)
Рис. 5. 3D-скан повторителя поворота с помощью сканера Quant и реверс-инжиниринг для воссоздания ретро автомобиля (точность 35 мкм)
Рис. 5. 3D-скан повторителя поворота с помощью сканера Quant и реверс-инжиниринг для воссоздания ретро автомобиля (точность 35 мкм)
Рис. 6. 3D-сканирование и моделирование элемента корпусной детали с помощью сканера FreeScan Trio с целью дальнейшего производства по технологии FDM-печати (точность 21 мкм)
Рис. 6. 3D-сканирование и моделирование элемента корпусной детали с помощью сканера FreeScan Trio с целью дальнейшего производства по технологии FDM-печати (точность 21 мкм)

Заключение

3D-сканирование представляет собой инструмент, способный значительно улучшить процессы в различных областях, включая промышленность, искусство и медицину, принеся ощутимые результаты. Эта технология продолжает развиваться, открывая новые горизонты для исследований и применений. В нашей стране для 3D-сканирования открыто множество путей развития. Они включают в себя увеличение скорости сбора данных, повышение точности, гибридизацию технологий, оптимизацию потребления ресурсов и мощностей, улучшение ПО, снижение стоимости работ и стандартизацию отрасли. Мы уверены в том, что в будущем увидим еще больше примеров успешного внедрения 3D-сканирования и его позитивного влияния на инновационные процессы в различных отраслях.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 10 (305) 2024 г., с. 20-23.

Поделиться материалом:

Другие статьи раздела