3D-сканирование является одним из способов построения 3D-модели. Напомним, что 3D-модель можно построить и без использования 3D-сканера - в профессиональной программе по работе с трехмерной графикой. Но 3D-сканер значительно упрощает и ускоряет данный процесс.
3D-лазерные сканеры - это устройства, которые проводят анализ физического объекта, и, на основе полученных данных, создают 3д модель. Трехмерное изображение 3D-сканер сохраняет преимущественно в форматах STL, OBJ, PLY и WRL.
С помощью 3D-сканера можно быстро и качество воссоздать максимально точную модель объекта. Работа 3D-сканера должна проходить под контролем опытного инженера. Результат сканирования дорабатывается в профессиональном графическом редакторе для трехмерной графики. В дальнейшем, при необходимости, можно провести 3D-печать объекта, на основе построенной 3D-модели. Компания KOLORO предоставляет услуги 3D-сканирования. В нашем техническом арсенале есть 3D-сканеры для работы с физическими объектами различного типа и величины.
Методы трехмерного сканирования
- Контактный 3 D-сканер . Для сканирования устройству необходимо находится в непосредственном контакте с объектом сканирования.
- Бесконтактный 3D -сканер . Получение 3D-модели с его помощью считается наиболее перспективным методом 3D-сканирования. 3D-сканеру необязательно контактировать с объектом, что позволяет проводить 3D-сканирование труднодоступных объектов, памятников культуры и архитектуры, а также ювелирных изделий. Уже даже существует промышленный 3D-сканер, который сканирует дома, насыпи и другие крупные объекты.
- Активные бесконтактные 3D -сканеры (для изучение объекта используют структурированный световой или лазерный луч, который попадая на объект, отражается и на основе этого отражения 3D-сканер строит 3D-модель).
- Пассивные бесконтактные 3D -сканеры (данный вид устройства использует уже существующее отражение от объекта, в основном - солнечный свет).
Принцип работы 3D-сканера
В основе работы 3D-сканера лежит принцип стереозрения. Сканер, как и человеческий глаз, способен определить расстояние до объекта и его размеры. Как у человека два глаза, так и у 3D-сканера - две камеры. После получения необходимой информации 3D-сканер строит 3D-модель объекта. Для недопущения неточностей, 3D-сканер оборудован подсветками для каждой из камер
Преимущества 3D-сканера
Для начала выделим общие преимущества 3D-сканеров :
- Максимально высокая точность модели - 3D-сканер воссоздает даже самые незначительные, мельчайшие, детали физического объекта;
- Высокая скорость работы - объемное сканирование занимает всего несколько минут, а то и секунд, после чего необходима доработка построенной сканером 3D-модели в профессиональных программах для работы с 3D-графикой;
- Сканер можно разместить под разными углами , в зависимости от сложности объекта, при этом сам объект можно не трогать, что особенно важно при сканировании больших и огромных объектов (например, дома, памятники и ландшафты).
Контактные 3D-сканеры:
- просты в использовании.
- не зависят от уровня освещения.
- создают модели высокой точности.
- файл 3D-модели небольшой по объему.
Бесконтактные 3D-сканеры:
- энергоэкономичны;
- не требуют непосредственного контакта с объектом;
- применяют технологию структурированного света;
- не наносит вреда физическому объекту.
Применение 3D-сканера
- Инженерный анализ - 3D-сканер может быстро и качественно создать трехмерную модель объекта и просчитать его физические пропорции в требуемых размерах. При наличии физической модели в единственном экземпляре объемное сканирование поможет создать разноразмерные копии и быстро наладить мелкосерийное производство.
- Цифровой анализ - 3D-сканер помогает визуализировать все технические несоответствия изделий и деталей, а значит, внести в них все необходимые корректировки еще до этапа изготовления протипа изделия.
- Цифровая архивация . Теперь можно отказаться от двухмерных рисунков, чертежей и даже от 3D-моделирования устаревших деталей. 3д-сканер считает с объекта всю необходимую информацию, построит 3D-модель и заархивирует ее в нужном для изготовления формате. Это существенно экономит время и не потребует выделение места под хранение физических чертежей.
- Архитектура . С помощью 3D-сканера можно создать модель целого дома, а также отдельных элементов архитектуры: эмблем, колон и различного рода декораций.
- Медицина . Именно 3D-принтер выступает отличным помощником при 3D-сканировании костей и даже отдельных органов - с высочайшим уровнем детализации! В дальнейшем, полученные 3D-модели и созданные прототипы могут быть использованы в качестве учебных материалов в специализированных ВУЗах или при создании полноценных биологических протезов.
Сегодня мы расскажем о видах и типах 3D сканеров, а также об эффективном применении их в различных сферах.
3D сканирование находит широкое применение в промышленности, медицине и в быту. Более того, многие современные производственные процессы не могут обойтись без автоматизации и контроля. В этих случаях наряду с компьютерным зрением приходит технология 3D сканирования.
3D-сканеры можно разделить на два типа: Контактные и, соответственно, бесконтактные.
Контактные сканеры
К первому типу сканеров относятся CMM (coordinate measuring machine - координатно-измерительные машины).Эти устройства напоминают промышленные ЧПУ станки, на массивном основании, но вместо шпинделя крепится измерительная головка с рубиновым шариком на конце. Сканирование, или контроль геометрических размеров производится контактным способом. Щуп медленно подходит к измеряемому объекту, регистрируя малейшее касание.
Так же существуют системы с подвижными “суставами”, в которых установлены высокоточные энкодеры. При перемещении сканирующего органа оператором эти датчики фиксируют перемещение всей системы и на основе этих данных строит трехмерную модель изделия.
Пример таких сканеров: Faro Arm Edge 9 - компактный и точный промышленный сканер идеально подходящий для контроля пресс форм, или штампов.И ROMER Absolute Arm SE 7 - 7-ми осевая измерительная рука, крайне удобная в работе, оборудованная магнитным основанием, которые позволяют надежно закрепить сканер на любой ровной металлической поверхности.Данные сканеры широко применяются на высокоточных производствах для контроля геометрических размеров выпускаемой продукции. Так же при помощи данных устройств можно произвести “полное” сканирование и получить облако точек.
Но данная технология не идеальна, и имеет ряд ограничений, таких как:
- Низкая скорость сканирования
- Невозможно (чаще всего) сканировать поднутрения и малые отверстия
- Установки стационарны и массивны. Поэтому применение их в 3D съемке ландшафта и архитектурных объектов невозможно
Бесконтактные активные сканеры
Бесконтактные сканеры делятся на несколько типов по способу сканирования. Условно их можно разделить на лазерные и оптические.
Лазерные сканеры
Основная часть лазерных сканеров работает на принципе триангуляции. Суть триангуляционных 3D сканеров состоит в том, что высоко контрастная камера ищет лазерный луч на поверхности объекта и измеряет расстояние до него. При этом оптическая ось камеры и лазера разнесены, а расстояние между ними и угол заведомо известны. Таким образом, путем не хитрых геометрических измерений мы можем достаточно точно измерить расстояние до объекта, быстро получив облако точек. По сравнению со сканерами измеряющими время отклика луча этот класс устройств имеет ограничения по дальности сканирования, но при этом сканирует объекты с высокой точностью.
Ярким примером подобных лазеров являются:
- BQ Ciclop - 23 890 руб., Точность: 0.5-5мм от размеров детали, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
- David Laserscanner - 59 000 руб., Точность: 0.5% от размеров детали, Область сканирования: 10-600 мм.
- Digitizer (MakerBot) - 93 100 руб., Точность: 2мм, Область сканирования: 205 мм. Имеется вращающаяся платформа.
А так же данные сканеры уже используются в образовательных целях во многих Российских школах и вузах.К другому типу лазерных сканеров относятся сканеры, основанные на измерении времени отклика лазерного луча от поверхности объекта. Данные виды сканеров представляют собой, по сути, лазерный дальномер. Такие сканеры широко распространены в строительстве и ландшафтном дизайне, успешно используются для создания 3D моделей зданий и памятников культуры. Они позволяют быстро оцифровывать окружающее пространство. Подобные системы компьютерного зрения даже устанавливались на первые прототипы беспилотных автомобилей.
Главным недостатком этих систем является сложность подсчета времени отклика лазерного луча на малых расстояниях (менее метра). Поэтому данные сканеры применяются по большей части геодезистами, ландшафтными дизайнерами и архитекторами.
Так же стоит отметить точность и скорость сканирования. У сканера FARO Focus 3D , стоимостью 65 500 $, заявленная точность составляет +-2мм на расстоянии до 25 метров. Скорость сканирования - 976 000 точек/секСканеры Leica HDS8800 и Leica ScanStation P20 имеют точность от2 до 20мм на расстоянии 100 и 1000м. Скорость сканирования же составляет до 1 млн точек/сек.Эти сканирующие устройства идеально подходят для съемок местности и больших объектов и не предназначены для сканирования мелких деталей.
Области применения: Ландшафтный дизайн, Геодезические измерения, Построение карт местности, Сканирование памятников культуры.
Оптические сканеры
Переходя к оптическим сканерам, хочется отметить сканеры, основанные на методе сканировании структурированным светом. Эти устройства представляют собой одну или две видео камеры в связке с кинопроектором. При засветке сканируемого объекта “зеброй” или черно-белыми квадратами, которые расположены в шахматном порядке, камеры анализируют искривления полученной картинки и на основе этих данных строят 3D модель. Этот метод широко применяется для реверс-инжинеринга, сканирования ювелирных украшений, часто применяется в медицине (протезирование). Особо стоит отметить использование данных сканеров в протезирование, так как трехмерное сканирование и печать в данной сфере работает максимально эффективно. Данная технология позволяет максимально точно изготовить косметический, функциональный или стоматологический протезы.
К недостаткам данной технологии можно было бы отнести ограничение по возможности сканирования крупных объектов, но данная задача эффективно решается путем нанесения на объект специальных маркеров, которые позволяют сканировать большие объекты по частям с последующей “склейкой” модели.
Данный метод сканирования популярен, и дает прекрасные результат, поэтому на рынке представлено достаточно много таких сканеров, вот некоторые из них:
- RangeVision Smart - 175 000 руб. Область сканирования от 150х112х112 мм, до 500х375х375 мм, Точность: 0,2 мм - 0,1 мм.
- David SLS-3 - 299 000 руб. Область сканирования от 10 до 600 мм, Точность - 0.05%
- Volume Technologies VT Mini - 340 000 руб. Область сканирования - от 50 до 500 мм, Точность - 0.1%
- RangeVision Standard Plus - 585 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,015 - 0,16 мм
- RangeVision Advanced - 710 000 руб. Область сканирования 66*50*50 мм до 850*530*530 мм, Точность: 0,03 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 2Мп
- RangeVision Premium - 1 220 000 руб. Область сканирования от 66*50*50 мм до 850*530*530 мм. Точность: 0,015 мм - 0,16 мм. Разрешение камер: 5мп
Области применения:
Ручные сканеры
Стоит отметить что существуют и портативные ручные версии сканеров, работающие как по лазерной так и по оптической технологии, обычно это профессиональные устройства, обладающей большой точностью и скоростью сканирования. Например:
Области применения: Реверс-инжиниринг, Образование, Хобби, Компьютерные игры, Протезирование, Сканирование людей, Архитектура, Музейное дело
Контроль измерений
Одним из наиболее востребованных направлений применения 3D сканеров является контроли измерений. В этом направлении используются высокоточные сканеры, оборудованные очень точными камерами, проекторами и имеющими специализированное ПО для анализа отсканированных изделий и сравнения их с CAD моделями. Например:
- AICON stereoSCAN 3D – Точность сканирования - 0,025 мм, область сканирования – 400х400 мм.
- GOM ATOS Compact Scan 2M – Точность сканирования - 0,021 - 0,615 мм, область сканирования: 35 x 30 - 1000 x 750 мм².
- Gom ATOS Core 200 – Точность сканирования - 0,03 мм, область сканирования: 200 x 150 мм.
Бесконтактные пассивные сканеры И последний метод сканирования, о котором мы расскажем - бесконтактные пассивные способы сканирования. Они существуют трех видов: Стереоскопический, Фотометрический и метод силуэта.
В сканерах, которые основаны на стереоскопическом методе сканирования, имеются две камеры, повернутые под не большим углом относительно друг друга. Анализируя разницу между двумя изображениями, строится трехмерная модель. Точность таких сканеров не высока, но зато позволяет получить цветную трехмерную модель.
Так же при проектировании дизайна автомобилей до сих пор изготавливают вручную масштабный макет из специальной глины, а после чего успешно сканируют подобными сканерами.
Области применения: Не детализированный реверс-инжиниринг
Существуют и более продвинутые решения в данном направлении, это фотограмметрическая съемка, используя тот же принцип что и фотометрия дополнительно используется специальная система меток, позволяющая программе с большой точностью определить с какого ракурса и какая часть объекта была сфотографирована и как следствие - сделать более точную модель. Наиболее качественное такое решение сейчас имеет сканер AICON DPA от компании AICON.Области применения: Сканирование больших объектов, дополнительная примочка для повышения точности сканирования
Метод сканирования по силуэту распространен слабо и имеет ряд недостатков. Для получения изображения требуется поместить сканируемый объект на контрастный фон, и произвести серию снимков. Так же этот метод не позволяет сканировать вогнутые поверхности.
Так же существуют другие технологии сканирования, например компьютерная томограмма (КТ) и МРТ, использующий рентгеновское излучение, а так же коноскопическая голография. Все эти методы сканирования довольно узкоспециализированные, и не относятся теме нашей статьи, поэтому мы не станем заострять внимание на них в нашем обзоре.
Если у вас появились дополнения или вопросы - мы с радостью их обсудим! Пишите в комментарии или на почту [email protected]
Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?
Что такое 3D сканер?
3D сканер – это устройство, которое анализирует физический объект и, отталкиваясь от полученной информации, создает его 3D образ. Отсканированные модели далее могут обрабатываться средствами САПР, после чего используются для технологических и инженерных разработок. Для создания 3D-модели используются 3D-принтер и 3D-монитор.
В создании 3D-сканера участвовали сразу несколько технологий, различных между собой. Объекты, подвергающиеся оцифровке, также имеют некоторые ограничения. Трудности могут возникнуть с зеркальными, блестящими или прозрачными поверхностями. Стоит напомнить, что трехмерные данные важны и в других сферах деятельности. Например, его используют в развлекательной индустрии: при создании видеоигр, фильмов, рисунков. 3D-технологии находят свое применение в ортопедической области и протезировании, при разработке промышленного дизайна, реверс-инжиниринге, создании прототипов, а также в осмотре и документальной отчетности исторических объектов или иных культурных артефактов.
Область функциональных возможностей 3D-сканера
Во время работы 3D-сканер создает множество точек согласно геометрическим пропорциям сканируемого объекта. В дальнейшем эти точки воссоздают форму предмета, то есть реконструируют его на монитор. Если имеются сведения о расцветках, то они определяют и цвет будущей цифровой поверхности.
3D-сканер можно сравнить с обычной камерой: поле зрения у них конусообразного типа, а информация может быть получена только с тех поверхностей, которые были не затемнены. Различия между этими приборами все же существенные. Камера передает только изображение и цвет предмета, а сканер, более тщательно исследуя объект, выдает «картинку» с точным расстоянием каждой точки до поверхности. Это позволяет видеть изображение сразу в трех плоскостях.
Для полноценного моделирования предмета одного сканирования, как правило, недостаточно. Требуется сразу несколько таких операций. Сканирование объекта с разных направлений необходимо для получения более полной информации о его сторонах. Все отсканированные данные накладываются на общую систему координат, где происходит «привязка» и выравнивание изображения. Вся процедура моделирования называется 3D конвейером.
Для четкого сканирования объекта и сканирования его форм существует несколько технологий. По классификации 3D-сканеры делятся на два типа: контактные сканеры и бесконтактные. Последние, в свою очередь, делятся еще на два вида – пассивные и активные.
Контактные 3D-сканеры
Сканеры этого вида изучают объект напрямую – через физическое взаимодействие. В момент исследования предмет находится на специальной поверочной плите, отполированной и отшлифованной до нужной шероховатости поверхности. Если вещь несимметричная или не может лежать ровно на одном месте, ее удерживают специальные зажимы (тиски).
Различают три формы механизма 3D-сканера:
- Каретка, оснащенная измерительной рукой, которая четко зафиксирована в перпендикулярном направлении. Исследование по всем осям происходит в тот момент, когда рука двигается вдоль каретки. Этот вариант идеально подходит для изучения плоских или обычных выпуклых поверхностей.
- Прибор, оснащенный высокоточным угловым датчиком и зафиксированными составляющими. Конец измерительной руки расположен так, что способен воспроизводить сложнейшие математические вычисления. Данный механизм оптимален для сканирования внутреннего пространства объекта или иных его углублений, имеющих небольшое входное отверстие.
- Единовременное использование двух вышеуказанных механизма. К примеру, манипулятор совмещают с кареткой, что позволяет собирать информацию с крупных объектов, имеющих несколько внутренних отсеков или, перекрывающих друг друга, плоскости.
Координатно-измерительная машина – яркий пример 3D-сканера контактного типа. Они являются сверхточными и широко применяются на различных производствах. К существенному минусу машины можно отнести необходимость обязательного соприкосновения с изучаемым объектом. Велика вероятность повреждения предмета или его деформации. Этот пункт очень важен, тем более, если происходит сканирование хрупкого или исторического объекта.
Еще один недостаток КИМ – это ее медлительность. Перемещение руки по установленной цели может происходить очень долго. В то время, как современные оптические модели, могут работать гораздо быстрее.
К этой группе можно также отнести ручные измерительные приборы, которые часто используются для 3D-моделирования анимационных фильмов.
Бесконтактные активные 3D-сканеры
Для работы активного сканера используются либо обычный свет, либо определенный вид излучения. Именно через проходящее излучение или отражение света, объект подвергается цифровому исследованию. Случается применение рентгеновских лучей или ультразвука.
Триангуляционные сканеры
Эти приборы используют для зондирования объекта лазерный луч. Сканер посылает луч на предмет, а отдельно зафиксированная камера заносит данные о расположении указанной точки. По мере движения лазера по поверхности, поле зрения камеры фиксирует точку в разных местах. Триангуляционными их назвали потому, что лазерный излучатель, конечная точка и сама камера, совместно образуют треугольник.
Времяпролетные 3D-сканеры
Это активный вид сканера, который для исследования объекта использует лазерный луч. В его основе лежит времяпролетный дальномер. Именно он определяет расстояние до поверхности, рассчитывая время, за которое лазер пролетел туда и обратно. В этом случае лазерный луч используется, как световой импульс, время отражения которого и измеряется при помощи детектора. Скорость света, как известно, величина постоянная, поэтому, зная, за какое время луч совершает пролет туда-обратно, можно без труда вычислить расстояние от сканера до поверхности изучаемого предмета.
Времяпролетные 3D-приборы сканирования за одну секунду способны измерить до 100 000 точек.
Применение 3D-сканеров
Технологию 3D-сканирования простой не назовешь. Но, несмотря на это, этот с каждым годом она все активней развивается. Причин для этого масса, но можно выделить самые весомые.
В первую очередь, такое оборудование необходимо всем промышленным предприятиям для более дешевых и быстрых разработок продукции.
Реалистичными копиями реально существующих предметов пользуются сейчас во многих сферах деятельности: медицине, кино, фэйшн-индустрии.
Производство 3D-сканеров давно перестало быть чем-то из ряда фантастики. Сейчас их производят тысячи компаний: как акулы индустрии, так и дебютанты данного рынка. Поколение 3D-сканеров способно положительным образом повлиять на индустрии в целом. тем боле, что свою нишу здесь найдут, как крупные производства, так и инженеры одиночки.
Интервью с Георгием Казакевичем, экспертом направления технической поддержки 3D-оборудования компании iQB Technologies
– В первой части интервью мы говорили об обратном проектировании (reverse engineering ). Теперь давайте разберемся, что такое контроль геометрии?
Контроль геометрии – это, по сути дела, контроль качества . Вот смотрите: предприятие получает заготовки, которые оно должно доработать. Если производить входной контроль этих заготовок, можно очень сильно уменьшить себе головную боль на этапе изготовления.
Взгляните на схему (рис. 1): для первой детали первые три пункта выполняются вручную (сканирование, подготовка к анализу и непосредственно анализ), а отчет составляет за вас программное обеспечение. Для следующих 999 деталей вручную делается только сканирование, остальные три этапа выполняет ПО. Таким образом, вы тратите время только на оцифровку. А при контроле геометрии сканирование – это обычно от 5 до 15% затраченного времени, не больше. Следовательно, при потоковом контроле или контроле серийного производства мы начинаем экономить массу времени.
Раньше предприятие могло себе позволить контролировать одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня. В первый день мы делаем всё вручную, и лишь еще один день потратим на 99 деталей – их надо только отсканировать. После чего помещаем CAD-модель в определенную папку и говорим программному обеспечению: «Работай».
Рис. 2. Карта отклонений геометрии футеровки
– Расскажите, пожалуйста, как это работает, на примерах из практики iQB Technologies .
– Была задача измерить толщину футеровки, успешно выполненная главным техническим экспертом нашей компании . Существует узел смешения жидкостей, он металлический, потому что жидкости подаются под давлением. Проблема в том, что должным образом обработать металл внутри – это, во-первых, тяжело, во-вторых, дорого. Ко всему прочему, металл – это материал, который вступает во взаимодействие со многими жидкостями, он может ржаветь, подвергаться коррозии и т.д. Этот узел изнутри покрывается специальным пластиковым составом. Для того чтобы достигалось правильное смешение жидкостей, покрытие должно быть равномерным. Если в нем есть рытвины, если оно неравномерно по толщине, внутри будут появляться завихрения. Они создают дополнительное давление на узел, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации.
Раньше предприятие контролировало одну деталь из тысячи, потому что на это уходил день. Внедряя 3D-сканирование, можно контролировать сто деталей из тысячи всего за два дня.
Итак, сначала было выполнено 3D-сканирование узла без покрытия, затем с покрытием, и результаты подвергнуты сравнению. Красная зона на скане (рис. 2) – это покрытие. На правой картинке видно, что оно неровное. Исходя из полученных результатов, заказчик может предъявить претензии субподрядчику, который занимается нанесением этого покрытия.
Рис. 3. Контроль сварной конструкции
Следующий пример – выполненный мной контроль сварной конструкции. Я ездил в Нижний Новгород на завод компании Liebherr, который производит для сборки промышленной техники. Сами металлические листы приходят из Германии, в России свариваются и потом отправляются обратно. Из-за того, что конструкция довольно большая (2 м длиной), предусмотрены посадочные отверстия для крепления к другим конструкциям. Если во время сварки произойдет какой-нибудь перекос, деталь в одном месте присоединится, а в другом нет. Чтобы избежать этого, на заводе решили перед отправкой в Германию все детали предварительно сканировать и оценивать на отклонения, которые получились при сварке. В таблице справа (рис. 3) мы видим фактические размеры, которые показало 3D-сканирование. Отклонения отображаются в виде цветовой карты. Зеленый цвет – хороший результат, желтый – в пределах допуска, красный – неприемлемое отклонение. Конкретно та деталь, которую мы сканировали, естественно, не проходит и считается браком.
– В каких еще отраслях Вы применяли 3D-сканер и ПО для контроля геометрии?
Рис. 4. Контроль геометрии крыла автомобиля
– К примеру, у нас были проекты, связанные с . Запчасти для автомобилей, как вы знаете, достаточно дорогие. Их всегда можно заказать из Китая, но гораздо удобнее наладить производство в России. Наш заказчик, который изготавливает запчасти для машин высокого сегмента, стал получать жалобы: детали «играют», когда их пытаются посадить на место. Мы отсканировали крыло для BMW, сделанное в России, и крыло оригинального BMW. Сравнили их друг с другом и увидели, что российская деталь по размеру чуть больше, чем требуется. На основании этого в производственный цикл были внесены изменения.
Рис. 5. Корпус автобуса
На рисунке 6 вы видите корпус автобуса и результаты 3D-сканирования – это проект, которым занимался Алексей Чехович. В Москве есть предприятие, которое производит автобусы из смолы. Современные смолы по прочности могут соперничать с металлами, при этом они намного легче, а значит, экономичнее с точки зрения расходов топлива. Такой автобус собирается из нескольких частей. На предприятии заметили, что при сборке возникают некоторые перекосы, напряжения. Вначале нас пригласили отснять сделанные заготовки. Мы их отсняли и увидели, что заготовка сама по себе кривая. А в дальнейшем мы выяснили, что проблема даже не в заготовке, а в самой форме, в которой ее делали. То есть заготовка с формой идеально сошлась, а вот сама форма была бракованной, и ее пришлось заменить. После этого было решено, что мы примерно раз в полгода будем проверять форму.
– Контроль качества включает в себя и эксплуатационный контроль. Приходилось ли Вам решать подобные задачи с помощью 3D-сканирования?
Да, и это, как правило, связано со сложными, дорогими устройствами, типа самолета. В процессе эксплуатации на него действуют колоссальные нагрузки, и существуют ограничения на структурные изменения конструкции, которые самолет приобретает в процессе эксплуатации. Компания S7 заказала у нас полное 3D-сканирование Airbus. Анализ мы не выполняли, так как эти данные составляют коммерческую тайну.
Рис. 6. Эксплуатационный контроль Airbus авиакомпании S7
Обратите внимание на скан, где видно наклейку на хвостовой части (рис. 6). Дело в том, что даже такая вещь, как наклейка влияет на расход топлива. Измерительные системы, которые есть в нашем распоряжении, настолько чувствительны, что могут рассчитать оптимальное размещение наклейки. И по просьбе S7 было произведено 3D-сканирование хвоста самолета с наклейкой и без нее, чтобы понять, насколько правильно она расположена.
Рис. 7. Контроль оснастки на авиационном заводе
Упомяну еще один проект из области . Заказчиком iQB Technologies был самолетостроительный завод, изначально поручивший нам анализ листовых изделий довольно большого размера (2 метра и больше). На основании измерений мы выяснили, что деталь гнутая и не укладывается в требуемые допуски. И это при том, что на самом заводе она прошла контроль.
После того как деталь изготовили, ее кладут на деревянный шаблон (рис. 9). Если она лежит ровно, делают вывод, что она годная. Поскольку показывал отклонения, мы предложили проверить шаблон. И вот на скане можно увидеть множество зон с отклонениями. Такие шаблоны больших размеров, по которым изготавливаются узлы или детали, имеют сложный профиль, и поэтому их тяжело контролировать. Негодность самой шаблонной конструкции – это, на самом деле, большая проблема для многих предприятий.
– И здесь на помощь приходит 3D-сканер…
3D-сканер – это устройство, с помощью которого можно создавать точные трехмерные модели реальных объектов.
Преимущества этой технологии:
- высокая степень детализации;
- информация о поверхности, форме и цвете объекта в цифровом виде.
Он преобразует объект в его цифровое изображение подобно тому, как простой 2D сканер преобразует изображение на листе бумаги в изображение на компьютере.
Применение 3D-сканеров
3D-сканеры используются во многих областях промышленности, науки, медицины и искусства. В частности, они успешно решают задачи реверс-инженеринга, контроля формы объектов, сохранения культурного наследия, используются в музейном деле, в медицине и дизайне. Таким образом, они необходимы во всех случаях, когда требуется зарегистрировать форму объекта с высокой точностью и за короткое время. Трехмерные сканеры позволяют упростить и улучшить ручной труд, а порой даже выполнить задачи, которые казались невозможными.
Эти устройства полезны в промышленности для бесконтактного контроля поверхностей сложной геометрической формы, а также для проектирования систем. Они используются:
- для оценки износов оснастки и создания упаковки, точно повторяющей форму изделия;
- в медицине с помощью 3D-сканеров ставят диагнозы, планируют операции и даже делают анатомическую обувь;
- в ортодонтии, где необходимо точное, качественное сканирование объектов небольшого размера.;
- дизайнеры используют 3D-сканеры для получения формы объекта, и её доработки;
- в музейном деле и археологии они применяются для детального сканирования, точного восстановления и реконструкции скульптур и памятников архитектуры;
- сканирование людей (получение цветной 3D-модели человека) уже сегодня используется для киноиндустрии и анимации.
Возможности 3D-сканеров
Как правило, 3D-сканер представляет собой небольшое электронное устройство, ручное (весом до 2 кг) или стационарное, которое использует в качестве подсветки лазер или лампу вспышку.
Точность получаемых моделей объектов варьируется от десятков до сотен микрометров. Возможно сканирование с передачей цвета или только формы поверхности. Эти устройства не только упрощают процесс создания трехмерных моделей – они печатают с максимальной точностью по отношению к исходному оригиналу.
Цена 3D сканеров зависит от технологии, применяемой для сканирования. Сегодня это доступный инструмент, которым пользуются даже небольшие компании.
Классификация 3D-сканеров
3D-сканеры делятся на два типа по методу сканирования:
- Контактные. При таком сканировании происходит непосредственный контакт сканера с исследуемым объектом;
- Бесконтактные.
Бесконтактные устройства в свою очередь подразделяются на две отдельные категории:
- Пассивные сканеры;
- Активные сканеры.
Пассивные сканеры сами ничего не излучают на объект, а видят отраженное фоновое излучение. Большинство сканеров такого типа реагируют на видимый свет - окружающее излучение.
Активные сканеры излучают на объект направленные волны и используют их отражение для анализа. Излучения бывают разными:
- Естественного света;
- Лазерных лучей;
- Инфракрасного излучения;
- Рентгеновских лучей;
- Ультразвука.
Технологии сканирования
Для создания 3D-сканеров используются различные технологии. У каждой из них есть свои ограничения, преимущества и недостатки. Сегодня основными направлениями являются оптическая и лазерная технологии.
Сканирование по оптической технологии осуществляется путем проецирования на объект линий, образующих уникальный узор. Информация о форме поверхности объекта содержится в искажениях формы проецируемого изображения.
В сканировании по лазерной технологии используется лазер, безопасный для зрения. Чтобы привязать 3D-сканер с лазерной подсветкой к объекту сканирования, нередко применяются специальные светоотражающие маркеры, закрепленные рядом с объектом сканирования или прямо на нем, в определённых точках.
Ограничения в сканируемых объектах присутствуют в обоих этих технологиях.
Лазерные сканеры по большей части не применимы для сканирования подвижных объектов, так как этот процесс отнимает слишком много времени. К тому же необходимо нанести специальные светоотражающие метки. Преимущество данной технологии – в высокой точности 3D-модели, но она предназначена для статичных объектов.
Оптические 3D-сканеры не очень хороши при сканировании блестящих, зеркальных или прозрачных поверхностях. Зато у них большая скорость сканирования, что устраняет проблему искажения получаемой модели при движении объекта, и не нужно наносить отражающие метки. Поэтому оптические сканеры можно использовать даже для сканирования человеческих лиц.
