Skaner 3D to specjalistyczne urządzenie opto-elektroniczne, które pozwala dokładnie przeanalizować dowolny obiekt, przedmiot, a nawet otoczenie w  celu uzyskania danych niezbędnych do stworzenia trójwymiarowego modelu cyfrowego. – Obecnie branża dynamicznie się rozwija, dlatego na rynku pojawiło się wielu producentów, którzy oferują urządzenia umożliwiające skanowanie 3D. Różnią się one klasą, parametrami działania oraz funkcjonalnościami – mówi Paweł Woźniak, właściciel firmy B3D. – Skanowanie 3D to technologia o relatywnie krótkiej historii, jednak już teraz jest niezastąpiona w inżynierii oraz w wielu innych branżach i dziedzinach przemysłu – dodaje.

Skaner 3D można porównać do ludzkiego oka: kiedy urządzenie takie „zobaczy” obiekt, to go zeskanuje. Jak to wygląda w praktyce?

Skanowanie 3D polega na zebraniu chmury punktów, które leżą na powierzchni skanowanego obiektu. Później te punkty są łączone w trójkątną siatkę. Niektóre skanery zbierają również teksturę, czyli wykonują zdjęcia, które następnie są nakładane na tę siatkę, dzięki czemu np. wydrukowana figurka człowieka oddaje kolory skóry lub ubrania skanowanej osoby – opisuje inż. Cezary Fijałkowski, projektant druku 3D w firmie 3DCity.

Marcin Lewandowski, kierownik działu pomiarów 3D w SMARTTECH, następująco wyjaśnia kolejne etapy procesu skanowania przestrzennego: – Skaner 3D najpierw oświetla obiekt światłem strukturalnym w kształcie prążków. Prążki zakrzywiają się na mierzonym obiekcie, a detektor z obiektywem pozyskuje geometrię, zamieniając ją następnie w chmurę punktów pomiarowych. Każdy z punktów posiada koordynaty X, Y, Z, dzięki czemu po zawieszeniu ich w trójwymiarowej przestrzeni precyzyjnie odwzorowują obiekt. Im więcej punktów, tym większa szczegółowość odwzorowania detali. Dokładność skanera 3D zależy m.in. od jego pola pomiarowego, ale przykładowo skanery 3D naszej firmy potrafią zapewnić dokładność poniżej 40 mikronów.

Ręczny skaner Go!SCAN 3D firmy Creaform

Rozwiązanie uniwersalne

Tomasz Sernicki, kierownik działu sprzedaży skanerów 3D w Evatronix, zaznacza, że dzięki swojej uniwersalności skanery 3D znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu, są wykorzystywane m.in. do kontroli jakości, szybkiego prototypowania oraz inżynierii odwrotnej: – Biorąc pod uwagę coraz szybsze wytwarzanie nowych produktów, skracanie czasu wypuszczenia na rynek przez firmy nowych części czy błyskawiczną weryfikację elementów produkcyjnych, skaner 3D staje się narzędziem niezbędnym w biurze projektowym, narzędziowni czy firmie produkcyjnej.

- Przykładem zastosowania skanera 3D może być kopiowanie przedmiotów, aby móc je powielić przy dalszym użyciu drukarki 3D – podkreśla Marcin Szymański, specjalista ds. automatyki w WObit. – Zazwyczaj jednak skanery wykorzystywane są do kontroli jakości podczas produkcji lub po wykonaniu danego detalu. Coraz częściej pojawiają się również inne ciekawe aplikacje, jak pomiar przekroju szyn tramwajowych czy kolejowych w celu udokumentowania ich zużycia, zarchiwizowania danych i analizy – wylicza.

Michał Cyrnek, specjalista ds. skanerów 3D w CadXpert, uważa, że skanowanie 3D to przede wszystkim oszczędność czasu poświęcanego na modyfikację projektu, co przyspiesza uruchomienie produkcji seryjnej. Dzięki temu można obniżyć koszty: – Skanowanie 3D używane do kontroli jakości świadczy o rzetelności firmy i jakości wykonywanych produktów. W ten sposób firma potwierdza standardy i normy, które są teraz coraz częściej wymagane. Branże, w których wykorzystuje się skanowanie 3D, to: motoryzacja, tworzywa sztuczne, hutnictwo, przetwórstwo szkła, energetyka, medycyna, edukacja, kryminalistyka, archeologia, muzealnictwo i wiele innych. Wciąż zgłaszają się do nas klienci znajdujący zastosowanie skanerów 3D w przeróżnych dziedzinach – dodaje. Jak wyjaśnia Paweł Woźniak z B3D, oprócz wspomnianej już kontroli jakości, inżynierii odwrotnej oraz szybkiego prototypowania skanowanie 3D jest niezbędne do realizacji zadań pomiaru geometrii, objętości i pola powierzchni obiektów rzeczywistych, wykorzystuje się je we wzornictwie, testach i symulacji, bezdotykowej inspekcji, kontroli zużycia, digitalizacji obiektów, archiwizacji zbiorów, a także przy tworzeniu wirtualnych muzeów.

Mateusz Matuszak, kierownik działu skanowania 3D w ITA, nie ma wątpliwości, że w wielu wypadkach skanery 3D są jedynymi urządzeniami, które mogą sprostać wymaganiom stawianym przez konstruktorów i designerów: – Klasyczne zastosowania to przemysł samochodowy, lotniczy, odlewniczy, przetwórstwa tworzyw sztucznych, dóbr konsumpcyjnych, nauka i badania. Czyli wszystkie obszary, w których potrzebna jest szybka i dokładna digitalizacja obiektów rzeczywistych, zwłaszcza zaś te, w których występują powierzchnie swobodne na mierzonych przedmiotach – wylicza.

- Bardzo ciekawym zastosowaniem skanerów 3D jest przygotowywanie aplikacji szkoleniowej w technologii wirtualnej rzeczywistości (VR). Dzięki takiej stworzonej na zamówienie aplikacji możemy praktycznie bez kosztów szkolić dowolną liczbę pracowników z obsługi konkretnego stanowiska lub BHP – wskazuje Jakub Irek, właściciel firmy Skanedo.

Skanowanie chromowanej felgi aluminiowej przy pomocy ręcznego skanera MetraSCAN 3D bez konieczności jej matowienia

Ograniczenia

Można wyróżnić cztery grupy dostępnych na rynku urządzeń do skanowania 3D: stacjonarne skanery światła tła strukturalnego, głowice laserowe używane we współrzędnościowych maszynach pomiarowych, skanery laserowe wykorzystywane na ramionach pomiarowych oraz ręczne skanery laserowe, które można zastosować w systemach zrobotyzowanych. Pierwsze dwie grupy urządzeń przeznaczone są do pracy w warunkach laboratoryjnych.

- O ile skanery oparte na technologii światła strukturalnego mogą być wykorzystane w dość sterylnych warunkach produkcyjnych, o tyle głowic laserowych używanych we współrzędnościowych maszynach pomiarowych nie stosuje się poza laboratorium – mówi Mateusz Matuszak z ITA.

Ramiona pomiarowe wyposażone w skanery laserowe mogą pracować w mniej sterylnych warunkach, jednak ich budowa i sposób bazowania są znacznym ograniczeniem ich zastosowania.

- Ręczne skanery laserowe są bardzo dobrą alternatywą dla pomiarów bezpośrednio na hali produkcyjnej czy w otwartym terenie. Dzięki lekkiej konstrukcji, możliwości pracy na zasilaniu bateryjnym oraz szybkiej akwizycji danych możliwe jest wykorzystanie ich w prawie każdych warunkach – tłumaczy Mateusz Matuszak.

Skanery działające na podstawie technologii światła strukturalnego najgorzej radzą sobie z akwizycją danych z powierzchni refleksyjnych lub powierzchni o skomplikowanej strukturze. – Znacznie lepiej z trudnymi powierzchniami radzą sobie urządzenia, których działanie oparte jest na technologii laserowej. Są one również dużo mniej wrażliwe na warunki oświetleniowe i termiczne otoczenia. Poza tym skanery laserowe są całkowicie niewrażliwe na drgania i inne tego typu zakłócenia przemysłowe, co wyróżnia je spośród innych metod pomiarowych – kontynuuje Matuszak.

Adam Franko, kierownik sprzedaży produktu w Smart Solutions, dodaje, że nie wszystkie materiały mogą być zeskanowane bez wcześniejszego przygotowania, a obecnie jedyną przeszkodą dla skanerów są powierzchnie o dużej transparentności. Jako przykład wskazuje szybę, którą przed skanowaniem należy pokryć specjalnym sprayem matującym. – Warto jednak zwrócić uwagę na pewne ograniczenia, które występują w zależności od tego, jaki typ skanera jest stosowany. Przy modelach stereoskopowych lub innych wykorzystujących światło strukturalne w dalszym ciągu problemem będzie skanowanie powierzchni o dużym połysku lub czarnych. Najczęściej nie obejdzie się bez pokrycia kilkumikrometrową warstwą białego proszku w sprayu – tłumaczy Adam Franko. Jak dodaje, inaczej sytuacja wygląda w przypadku skanerów laserowych: połyskliwe lub ciemne materiały nie stanowią tu przeszkody. – Nie znaczy to jednak, że rodzaj powierzchni również i w tym wypadku nie wpłynie na jakość skanu. W przypadku skanowania błyszczących materiałów na pewno wystąpi większa liczba refleksów i szumów, których trzeba będzie się pozbyć drogą filtracji. Unikniemy natomiast kłopotliwego brudzenia skanowanych obiektów – wyjaśnia Franko.

Ręczny skaner HandySCAN 3D firmy Creatform

Dokładność skanerów 3D różni się w zależności od ich zastosowań. Występuje tu pełen zakres rozwiązań – od najmniej dokładnych skanerów przestrzeni (dokładność rzędu 1–2 mm) służących do skanowania całych hal lub konstrukcji, przez skanery ręczne stosowane w przypadku obiektów muzealnych czy pomiarów ludzkiego ciała (0,5–1 mm), aż po skanery wykorzystywane w przemyśle. tu zdecydowanie królują skanery laserowe i stereoskopowe.

- Skanery stereoskopowe w zależności od konfiguracji cechują się dokładnościami w przedziale 0,01–0,05 mm. Natomiast dokładność skanerów laserowych zależy od lokalizatora, na jakim się znajdują. Od mniej dokładnych konfiguracji z ramionami pomiarowymi, z dokładnością na poziomie 0,05 m, aż po najdokładniejsze systemy, gdzie głowice laserowe umieszczane są na współrzędnościowych maszynach pomiarowych, a dokładność takich rozwiązań sięga nawet poniżej 0,005 mm – opowiada kierownik sprzedaży produktu w Smart Solutions.

Pomoc w projektowaniu

Skanowanie 3D może być wykorzystane jako wsparcie dla procesu projektowania w CAD.

- Wykonany pomiar pod postacią chmury punktów można bez problemu zamienić w siatkę trójkątów, na podstawie której można wykonać bardzo dokładny model CAD – zaznacza Marcin Lewandowski, kierownik działu pomiarów 3D w SMARTTECH.

- Moim zdaniem wykorzystanie skanowania 3D jako wsparcia dla procesu projektowania 3D jest nieocenione. Zarówno dla inżyniera, który ze skanerem i CAD 3D pracuje na co dzień, jak i dla pracodawcy. Daną pracę można wykonać szybciej, sprytniej i taniej – podkreśla Michał Cyrnek, specjalista ds. skanerów 3D w CadXpert. Dodaje jednak, że skanowanie nie może być 100-procentową alternatywą dla procesu projektowania: – Skaner 3D to narzędzie, które jest niezastąpione jako wsparcie, lecz pracy inżyniera jeszcze nie pozbawi.

Maciej Dobosz z MManufaktura podkreśla, że skanowanie 3D znacznie przyspiesza proces odtwarzania istniejących elementów: – W większości wypadków eliminuje konieczność wykonywania klasycznych pomiarów, których efektem często jest „strata” czasu i potencjalne błędy pomiarowe – wyjaśnia. Także Mateusz Matuszak z ITA zwraca uwagę na to, że skanery 3D dzięki możliwości szybkiej digitalizacji dowolnych kształtów (zwłaszcza powierzchni swobodnych) i połączeniu z oprogramowaniem do inżynierii odwrotnej stanowią bardzo dobre wsparcie procesu projektowania: – Znacząco przyspieszają prototypowanie, które w obecnych czasach jest niezbędne przy opracowywaniu wielu produktów. Wdrażanie nowości z wykorzystaniem skanowania 3D przebiega dużo sprawniej niż przy zastosowaniu konwencjonalnych metod pomiarowych lub projektowaniu tylko na podstawie systemów CAD – tłumaczy.

Skanery 3D nierzadko muszą sprawdzić się nietypowych warunkach, np. w otwartym terenie

Zdaniem Jakuba Irka ze Skanedo skanowanie 3D stwarza wiele nowych możliwości dzięki generowaniu wiernych trójwymiarowych modeli o dowolnie skomplikowanych, organicznych kształtach, których zamodelowanie nie jest możliwe: – W niektórych wypadkach skan z powodzeniem zastępuje modelowanie CAD, gdy zależy nam np. tylko na otrzymaniu modelu pod wydruk 3D, a dysponujemy już pierwowzorem – zaznacza. I dodaje: – W pozostałych sytuacjach skanowanie 3D fantastycznie wspiera proces projektowania CAD. Często skanuje się zmodyfikowany prototyp. Jeszcze większą rolę skan odgrywa wówczas, gdy trzeba zaprojektować bardzo zindywidualizowane przedmioty, jak implanty, protezy, maski ochronne dla sportowców itp. a także w sytuacji, gdy zależy nam na ergonomii użytkowania, np. niektóre siedziska projektuje się na podstawie zeskanowanego odcisku siedzącego człowieka.

- Technologia skanowania 3D jest nieodzownym elementem procesu szybkiego projektowania i prototypowania. W połączeniu z popularnym w ostatnim czasie drukiem 3D pozwala osiągnąć bardzo krótkie czasy przygotowania modelu funkcjonalnego danego produktu – zaznacza Mateusz Matuszak z ITA. Według Cezarego Fijałkowskiego z 3DCity skanowanie 3D jest nieocenione w procesie projektowania w sytuacji, gdy projekt ma być dopasowany do skomplikowanych powierzchni: – Na przykład, kiedy projektant ma przygotować opakowanie dopasowane ściśle do produktu, który posiada w postaci fizycznej, bez modelu. Często bowiem firmy w obawie przed skopiowaniem ich produktu nie dzielą się modelami CAD, czyli bryłami w rozumieniu inżynierskich programów komputerowych – tłumaczy.

Marcin Lewandowski ze SMARTTECH, zaznacza, że dzięki skanowaniu przestrzennemu istnieje możliwość wykonania bardzo precyzyjnego pomiaru powierzchni niemożliwych do zmierzenia za pośrednictwem tradycyjnych metod pomiarowych: – Przykładowo w wypadku obiektu o powierzchni swobodnej na podstawie jego pomiaru można wyliczyć pole powierzchni. Ze względu na wysoką dokładność skanerów 3D istnieje też możliwość przeprowadzenia kontroli jakości wykonanych części (porównania wymiarowego projektu CAD z gotowym elementem) lub zastosowania inżynierii odwrotnej w sytuacji, gdy dokumentacja techniczna obiektu jest niedostępna – wyjaśnia.

W idealnym świecie projektujemy element w oprogramowaniu CAD, wykonujemy i działa. W świecie rzeczywistym sprawa jest nieco bardziej skomplikowana – przyznaje Jakub Irek, właściciel Skanedo. Jak wyjaśnia, z takimi sytuacjami mamy do czynienia, gdy np. projektujemy część, która musi współpracować z istniejącymi elementami, a nie mamy ich dokumentacji, lub gdy chcemy naprawić zepsuty element bądź wykonać jego zamiennik. A także wówczas, gdy projektowany element musi poruszać się w ograniczonej przestrzeni lub pracujemy nad prototypem wykonanym bądź modyfikowanym metodami manualnymi.

Skanowanie 3D polega na zebraniu chmury punktów, które leżą na powierzchni skanowanego obiektu

Przyszłość skanerów

Jakub Irek ze Skanedo przekonuje, że zapotrzebowanie na modele 3D w najbliższych latach będzie dynamicznie wzrastać, w związku z czym zwiększy się gama urządzeń oferowanych na rynku, który wciąż jest dość niszowy: – Największych zmian upatruję w przyspieszeniu całego procesu skanowania. Będzie to po pierwsze zwiększenie zakresu pomiarowego urządzeń, a po drugie skrócenie czasu postprodukcji. Obecnie często pomiar trwa 15 minut, natomiast obróbka pliku kilka godzin. Mam nadzieję, że czas pracy nad modelem ulegnie znaczącej redukcji. Wiąże się to z coraz większą mocą obliczeniową komputerów oraz automatyzacją procesu obróbki w dedykowanym oprogramowaniu – mówi. Jednocześnie zaznacza, że profesjonalne, bardzo dokładne urządzenia nie staną się przystępne cenowo w krótkim czasie. – Na pewno jednak pojawią się nowe, stosunkowo tanie skanery o dokładności wystarczającej do popularnych zastosowań. Istnieją już skanery o wartości do kilku tysięcy złotych, np. montowane na tablet lub telefon. Nie spełniają one wprawdzie jeszcze podstawowych oczekiwań, ale wyraźnie sygnalizują trend – zapowiada.

Michał Cyrnek, specjalista ds. skanerów 3D w CadXpert nie ma wątpliwości, że skanery jako urządzenia można jeszcze bardzo rozwinąć: – Patrząc na to, jak technologia ta wyglądała 3–4 lata temu, muszę powiedzieć, że jest niewiele rzeczy, które mogą mnie zaskoczyć. W tym wypadku ten „wyścig zbrojeń” jest ogromny. Mówię nie tylko o samych skanerach 3D i ich mechanicznej budowie, wykonaniu czy użytych podzespołach, ale także o stronie oprogramowania do obsługi urządzenia – podkreśla. Jednocześnie wskazuje, że jego zdaniem coraz bardziej rozwijane będą skanery laserowe, ponieważ mają większe możliwości niż skanery światła strukturalnego: – Uzyskują one wyniki z większą dokładnością, a ich pomiar jest wykonywany szybciej: skaner laserowy przechwytuje w sekundę więcej punktów niż skaner światła strukturalnego. Przekłada się to jednak na wyższe koszty zakupu, dlatego wybierając technologię skanowania, warto przemyśleć swoje potrzeby. Moim zdaniem skanery światła strukturalnego są wystarczająco dokładne i uniwersalne, by polecić je inżynierom, którzy dopiero zapoznają się z tymi urządzeniami – podsumowuje.