Základy 3D skenování

23.10.2024 - Natálie

Vše, co potřebujete vědět o základech 3D skenování.

Co je to 3D skenování?

Jedná se o základní stavební kámen pro digitalizaci převážně tvarově složitých dílů. Je to způsob získávání mračna bodů a polygonální sítě, která tvoří podklad pro modelování CAD dat, kontrolu kvality a 3D tisk. S využitím vhodného softwaru je možné se sítí dále pracovat, vytvářet základní geometrické prvky, ale i pokročilejší geometrie nebo řezy napříč skenem, a tím i CAD data nebo měrový protokol. Sken jako takový lze obratem použít pro 3D tiskárnu, protože výstupním formátem je zpravidla formát STL.

Díky stále rostoucí výkonosti procesorů a jiných hardwarových součástí, roste i rychlost zobrazovací a výpočetní, čímž se optické skenování stalo přímým nástupcem či konkurentem 3D dotykových center pro kontrolu kvality. Ačkoliv ano, v některých případech je zcela nahradit nelze, a to zejména ve velmi přesných aplikacích, kde je potřeba kontrolovat tisícinové tolerance. To ale neznamená, že optické skenery jsou nepřesné. Jako příklad lze uvést HandyScan Black+ |Elite kanadské firmy Creaform / Ametek, který má certifikovanou přesnost 0,025 mm, což je méně než tloušťka Vašeho vlasu. Byl zmíněn pojem "certifikovaná přesnost". Jedná se o přesnost, která je doložitelná certifikátem, který vydala akreditovaná laboratoř na základě testů předepsaných normou. Každé jedno měřící zařízení by mělo certifikačním testem projít a nemělo by přesahovat požadovanou přesnost. To platí převážně pro skenovací zařízení, u nichž je předpokládáno užití v metrologii.

Pro reverzní inženýrství nebo 3D tisk mohou být požadavky nižší a je možné použít i necertifikovaná zařízení. Během procesu reverzního inženýrství modelovaná data procházejí optimalizací tvaru a 3D tiskárny ve většině případech nedosahují kvalitou tisku tak přesných výstupů.
Osobně však preferuji zlidovělé: "mít podloženo černé na bílém", protože spousta zařízení se tváří jako téměř stejná a udávají vysokou přesnost, výsledky však mohou být diametrálně rozdílné. Obecně je také dobré se držet následující poučky: volte takové zařízení, které je o řád přesnější než díly, které jím chcete kontrolovat a vytvářet.

Poté, co je definována požadovaná přesnost, je možné narazit na problematiku volby technologického provedení skeneru.

Konstrukčně lze skenery rozdělit na:

Měřící ramena

Skenery se strukturovaným světlem

Trackované skenery

Ruční skenery

Měřící ramena

Měřící ramena jsou svou stavbou podobná ramenům robotickým, avšak jsou subtilnější konstrukce. Disponují pevnou základnou a k pohybu dochází ruční manipulací. Na konci ramene je připevněn laserový skener, který je vyměnitelný za dotykovou sondu, což sebou nese snad nejvýraznější výhodu tohoto řešení - je možné snímat i oblasti, ve kterých by optické řešení neuspělo (např. úzká hluboká drážka, čiré povrchy).

Pozice skeneru je určena na základě známé polohy ramene a není tudíž nutné používat referenční body, které u jinak konstrukčně řešených skenerů určují polohu skeneru. Obsluha ramene však vyžaduje určitý grif, aby se rameno hýbalo požadovaným způsobem. Omezujícím prvkem může být rovněž to, že rameno disponuje určitou délkou, tudíž je i měřící oblast limitována a je možné měřit vcelku spíše díly v řádech desítek centimetrů.

Skenery se strukturovaným světlem

Konstrukčně se opakují dvě kamery a zdroj světla, jímž je v tomto případě LED projektor. Projektor kromě světla promítá na díl i vzor proužků, kterým mapuje povrch. Pohyb proužků snímají kamery a kódují si ho pro převod na digitální data. Snímání se v tomto případě neděje kontinuálně, jak je zvykem u laserových zařízení, ale pomocí separátních snímků. Z toho důvodu je možné snímat jak s, tak bez referenčních bodů. Během snímání bez referenčních bodů dochází k napasování jednotlivých skenů na sebe pomocí tvarové podobnosti.
Nevýhodou skenerů se strukturovaným světlem je problematické skenování tmavých a lesklých objektů (mnohdy i červených). Problém je řešitelný nástřikem dílu, což ale vždy ovlivní přesnost měření.

Skenovací hlavy bývají robustnější stavby, a proto jsou umisťovány na trojnožky nebo pojízdné standy se závažím. Rozsah snímání je tak daleko vyššího než u měřících ramen, ale změna pracoviště je s těmito zařízeními ne příliš příjemnou záležitostí.

Trackované skenery

Ve většině případů jsou referenční body umisťovány na díl nebo podložku pod dílem. Tady se na to šlo opačně. Laserové ruční skenery jsou situovány do "kopulí", na jejichž konstrukci jsou připevněny již zmíněné referenční body. Kromě skeneru samotného je součástí zařízení i tzv. tracker. Ten je umístěn do vhodné vzdálenosti od dílu tak, aby v průběhu skenování bylo možné zabezpečit vizuální spojení tracker-skener. Tracker pak zajišťuje to, že je známa poloha, ze které byl sken vytvořen a dochází tak ke správnému skládání snímků.

Výhodou skenerů této konstrukce je jejich měřící rozsah - je udáváno až 6 metrů a to, že na této délce nemusí být aplikovány další referenční body, kterých by bylo velké množství. Jedná se o jedno z řešení nabízených firmou Creaform / Ametek, se kterou Top Tech navázal spolupráci.

Ruční skenery

Vynikají svou mobilitou a kdyby na to přišlo, je možné je zabalit do příručního zavazadla, váha zařízení se totiž pohybuje kolem jednoho kilogramu. Společně s měřícími rameny a trackovanými skenery mají společné to, že dochází ke kontinuálnímu snímání měřeného objektu, který by v případě ručního skeneru měl být opatřen referenčními body. Skenery značky Creaform / Ametek disponují až třiceti laserovými liniemi, které jsou promítány na díl, což zaručuje to nejjemnější rozlišení a vysokou rychlost snímání.

Narozdíl od skenerů s LED zdroji nemají problém skenovat i černé objekty a také by měly být méně náchylné k odrazu od lesklých ploch, ideálním objektem snímání však stále zůstává díl matný.

Pro TOP TECH jsme zvolili právě toto řešení z důvodu snadné manipulace a přepravy, a protože je možné měřit až čtyřmetrové předměty s vysokou přesností, což nám umožňuje realizovat měření i přímo u zákazníků.

Pokud Vás problematika 3D skenování zajímá, neváhejte se na nás obrátit.

Autor článku: Natálie