PORADNIKI/101

Opublikowano 19 marca 2025 r.

Podstawy skanowania 3D: Jak wybrać najlepszy skaner 3D do konkretnego zastosowania i branży

W niniejszym przewodniku omówiono kluczowe aspekty technologii skanowania 3D, jej zastosowania oraz najważniejsze czynniki, które należy wziąć pod uwagę, co pomoże Ci podjąć świadomą decyzję dostosowaną do Twoich potrzeb.

W dzisiejszym cyfrowym świecie technologia skanowania 3D stała się niezbędnym narzędziem w wielu branżach – od produkcji i opieki zdrowotnej po ochronę dziedzictwa kulturowego i rzeczywistość wirtualną. Dzięki możliwości rejestrowania szczegółowych danych geometrycznych skanowanie 3D przyspiesza procesy robocze, zwiększa precyzję i pozwala na bardziej inteligentne działanie. Wybór odpowiedniego skanera 3D może jednak stanowić wyzwanie, biorąc pod uwagę szeroki wachlarz dostępnych opcji. Niniejszy przewodnik omawia kluczowe aspekty technologii skanowania 3D, jej zastosowania oraz najważniejsze czynniki, które należy wziąć pod uwagę, pomagając w podjęciu świadomej decyzji dostosowanej do Twoich potrzeb.

1. Wprowadzenie do skanowania 3D: technologia, narzędzia i zastosowania

1.1 Czym jest skanowanie 3D?

Skanowanie 3D to technologia bezkontaktowa, która pozwala na rejestrowanie danych geometrycznych obiektu w celu stworzeniaprecyzyjnego modelu cyfrowego. Wykorzystujeona światłostrukturalne lub wiązki laserowe do skanowania powierzchni obiektu. Jednocześnie czujniki odbierają odbite sygnały i obliczają dokładną pozycję każdego punktu na powierzchni. Dane te są następnie przekształcane w model 3D, który może być wykorzystywany w różnych zastosowaniach, takich jak kontrola jakości, projektowanie i produkcja.

Skanowanie 3D za pomocą skanera laserowego 3D FreeScan Combo

1.2 Popularne technologie skanowania 3D

Różne technologie skanowania 3D są przeznaczone do różnych zastosowań. W zależności od zasad działania technologie skanowania 3D można podzielić na następujące kategorie:

1.2.1 Linie laserowe

Skanowanie liniowe laserowe działa w oparciu o triangulację. Wiązki laserowe są wyświetlane w postacilinii na powierzchni obiektu, a czujniki rejestrują odbite promieniowanie laserowe w celu pomiaru odkształceń. Wykorzystując znane kąty i odległości, urządzenie tworzy szczegółowy model 3D. Skanery liniowe idealnie nadają się do kontroli przemysłowej, z łatwością radząc sobie z ciemnymi lub odblaskowymi powierzchniami. Zazwyczaj zapewniają one dokładność na poziomie metrologicznym,co czyni jeodpowiednimi do zastosowań związanych z kontrolą jakości.

Skanowanie laserowe 3D

1.2.2 Wzór prążków

Projektor wyświetla na powierzchni obiektu wcześniej zaprojektowane wzory pasków. Kamery rejestrują odkształcenia tych wzorów, a analiza tych zniekształceń pozwala określić trójwymiarowy kształt obiektu. Ten typ skanera nadaje się przede wszystkim do obiektów o małych i średnich rozmiarach. Doskonale sprawdza się w skanowaniu obiektów o złożonych, szczegółowych cechach. Jednak w środowiskach o silnym oświetleniu otoczenia wyświetlane wzory świetlne mogą ulegać zakłóceniom, co wpływa na wyniki skanowania. Skanery te nadają się szczególnie do precyzyjnego projektowania i kontroli elementów.

Wzór prążków

1.2.3 Wzórplamkowy

Speckle to technika pomiaru 3D oparta na losowych wzorach plamkowych. Projektor wyświetla losowy wzór kropek na powierzchnię obiektu. Następnie wiele kamer rejestruje odkształcenie wzoru plamkowego. Współrzędne 3D są obliczane na podstawie zasad widzenia stereoskopowego. Skanowanie speckle obejmuje technologię speckle w podczerwieni, charakteryzuje się dużą zdolnością dostosowywania się do oświetlenia otoczenia, nie wymaga markerów docelowych i może działać bez światła widzialnego, zapewniając bardzo komfortowe skanowanie. Skanery wykorzystujące takie technologie doskonale nadają się do zastosowań w dziedzinie dziedzictwa artystycznego i kulturowego, edukacji i badań naukowych oraz VR/AR.

Wzór plamkowy

1.2.4 Fotogrametria

Fotogrametria wykorzystuje wiele obrazów 2D wykonanych pod różnymi kątami. Algorytmy komputerowe analizują różnice między tymi obrazami w celu odtworzenia trójwymiarowego modelu obiektu. Technologia fotogrametrii opiera się na obrazach o wysokiej rozdzielczości oraz zaawansowanych algorytmach programowych. Technologia ta najlepiej sprawdza się wmodelowaniu obiektów o dużych rozmiarach.

Fotogrametria

Innowacyjne skanery 3D dostępne na rynku łączą w sobie wiele technologii, takich jak linie laserowe w połączeniu z fotogrametrią. Użytkownicy mogą wybrać technologię najlepiej dostosowaną do swoich potrzeb, aby pozyskać dane 3D obiektów.

2. Wybór odpowiedniego skanera 3D do danego zastosowania i branży

Przy wyborze skanera 3Dkluczowe znaczenie madostosowanie go dopotrzebdanejbranży. W poniższych sekcjach przedstawiono najważniejsze czynniki, które należy wziąć pod uwagę w przypadku różnych zastosowań.

2.1 Przemysłowa kontrolajakości

Skanowanie 3D jest szeroko stosowane w branżach związanych z przemysłową kontrolą jakości, takich jak przemysł ciężki, lotnictwo cywilne, motoryzacja, przemysł naftowy i gazowy itp. Branże te wymagają pomiarów o wysokiej precyzji oraz skanerów 3D, które są wytrzymałe i przystosowane do trudnych warunków środowiskowych.

Przemysł ciężki i lotnictwo cywilne: W tych sektorach powszechnie stosuje się skanowanie 3D dużych konstrukcji w celu kontroli rozkładu naprężeń, jakości spoin oraz zużycia powierzchni. Skanery muszą rejestrować złożone geometrie i duże powierzchnie, zachowując jednocześnie wysoką dokładność.

Skanowanie 3D frezu czołowego

Dane skanowania (po lewej) oraz pomiary naddatku obróbczego (po prawej)

Przemysł motoryzacyjny: Skanowanie 3D w sektorze motoryzacyjnym zapewnia dokładność wymiarową części samochodowych oraz precyzję montażu. Skanery przeznaczone do tych zastosowań muszą spełniać normy produkcyjne.

Skanowanie 3D ramy samochodu za pomocą FreeScan Trio

Przemysłnaftowy i gazowy: W przemyśle naftowym i gazowym skanowanie 3D służy do bezkontaktowej kontroli rurociągów, zbiorników ciśnieniowych i innych kluczowych urządzeń. Aby zapewnić dokładność pomiarów, skanery muszą być wytrzymałe i przystosowane do pracy w ekstremalnych warunkach środowiskowych.

Wykorzystanie skanera FreeScan UE do zeskanowania odcinka skorodowanego rurociągu

Dane 3D dotyczące korozji rurociągu

Najważniejsze cechy skanowania 3D w przemysłowej kontroli jakości:

Dokładność na poziomie metrologicznym (5 ~ 50 µm): Dokładność na poziomie metrologicznym jest niezbędna do kontroli większości części przemysłowych, takich jak elementy obrabiane, spoiny spawalnicze oraz analiza zużycia. Skanery 3D muszą spełniać najwyższe standardy dokładności, często posiadając certyfikat zgodności z normą VDI/VDE 2634, aby zapewnić identyfikowalność pomiarów.

*Aby uzyskać bardziej szczegółowe informacje na temat norm dokładności i technik kalibracji zapewniających dokładność, zapoznaj się z „Zapewnienie dokładności w skanowaniu 3D: techniki kalibracji i normy dokładności w SHINING 3D”.

Duży zasięg skanowania: W przypadku dużych konstrukcji przemysłowych, takich jak łopatki turbin lub maszynyprzemysłowe , skanery muszą obsługiwać duże powierzchnie, zapewniając szerokie pole widzenia przy zachowaniu wysokiej dokładności.
Duża odporność na warunki środowiskowe: Środowiska przemysłowe często charakteryzują się trudnymi warunkami, takimi jak ekstremalne temperatury, wibracje lub zapylenie. Skanery 3D muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby działać dokładnie w takich warunkach, dlatego w takich sytuacjach powszechnie stosuje się przenośne, bezprzewodowe skanery 3D.
Wysoka rozdzielczość: Wysoka rozdzielczość ma kluczowe znaczenie dla przemysłowej kontroli jakości, ponieważ umożliwia precyzyjną kontrolę skomplikowanych elementów i wykrywanie najmniejszych wad. Wiele zastosowań przemysłowych, takich jak przemysł lotniczy czy motoryzacyjny, obejmuje części o złożonej geometrii lub rygorystycznych tolerancjach, gdzie nawet niewielkie niedoskonałości mogą wpływać na wydajność lub bezpieczeństwo. Skanowanie 3D w wysokiej rozdzielczości gwarantuje, że drobne szczegóły powierzchni, takie jak małe pęknięcia i ostre krawędzie, zostaną dokładnie uchwycone w modelu 3D. Dzięki bardzo szczegółowym i dokładnym odwzorowaniom skanery o wysokiej rozdzielczości umożliwiają inżynierom przeprowadzanie kompleksowych analiz i wczesne wykrywanie problemów.

Zintegrowana fotogrametriawideo (VPG)*: Skanery wyposażone w technologię fotogrametrii wideo zapewniają wyższą dokładność pomiarów objętościowych podczas pomiarów dużych elementów przemysłowych i konstrukcji, co ma szczególne znaczenie w branżach takich jak motoryzacja, lotnictwo cywilne, przemysł stoczniowy oraz przemysł maszyn ciężkich.

*Opatentowana przez firmę SHINING 3D technologia fotogrametrii wideo (VPG)eliminuje potrzebę stosowania kodowanych markerów. Dzięki połączeniu technologii fotogrametrii z prętem kalibracyjnym umożliwia ona weryfikację markerów w czasie rzeczywistym poprzez rejestrację obrazu wideo. Zapewnia to stałą dokładność pomiarów objętościowych oraz usprawnia proces konfiguracji, umożliwiając wydajne skanowanie dużych obiektów.

2.2 Inżynieria odwrotna i projektowanie produktów

Inżynieria odwrotna i projektowanie produktów często wymagają wysokiego poziomu szczegółowości oraz elastyczności w doborze materiałów powierzchniowych, zwłaszcza w branżach takich jak opieka zdrowotna, sztuka, projektowanie i dziedzictwo kulturowe.

Opieka zdrowotna: Skanowanie 3D pozwala na rejestrowanie kształtów ludzkiego ciała na potrzeby protetyki, ortotyki oraz planowania zabiegów chirurgicznych. Dokładność ma tu kluczowe znaczenie, ponieważ nawet niewielkie odchylenia mogą wpływać na wyniki leczenia.

Skanowanie pacjenta’ramienia za pomocą skanera 3D EinScan H

Sztuka i projektowanie: Artyści wykorzystują skanowanie 3D do digitalizacji rzeźb i instalacji, co ułatwia realizację złożonych procesów projektowych i umożliwia cyfrową konserwację dzieł sztuki. Skanery muszą byćwszechstronne i dostosowane do różnych materiałów powierzchniowych, ponieważ muszą radzić sobie z różnymi rodzajami materiałów i rejestrować skomplikowane detale.

Dane rzeźby autorstwa szwedzkiej artystki Lisy Jonasson

Dziedzictwo kulturowe: Skanowanie 3Dw wysokiej rozdzielczości pomaga w cyfrowej konserwacji artefaktów. Skanowanie na zewnątrz, elastyczność i wydajność mają kluczowe znaczenie dla uchwycenia skomplikowanych szczegółów obiektów historycznych.

Archeologia cyfrowa w Muzeum Sztuk Pięknych: skanowanie 3D etruskich sarkofagów

Najlepsze cechy skanera do inżynierii odwrotnej i projektowania produktów:

Wysoka dokładność (<100 um):Jest toniezbędne do uchwycenia drobnych szczegółów w zastosowaniach medycznych i inżynieryjnych, gdzie wymagana dokładność wynosi zazwyczaj mniej niż 0,1 mm.
Wielofunkcyjność: Obiekty skanowane w branżach związanych ze sztuką, projektowaniem i dziedzictwem kulturowym często mają różne rozmiary i są wykonane z różnych materiałów. Dlatego odpowiednie są skanery z wieloma źródłami światła i różnymi trybami skanowania.
Przenośność: Ochrona dziedzictwa kulturowego często wymaga skanowania na miejscu, co jest niezbędne do konserwacji zabytków i prowadzenia badań terenowych.
Wysoka rozdzielczość i rejestracja tekstur w kolorze: W przypadku ochrony dziedzictwa artystycznego i kulturowego kluczowe znaczenie ma uchwycenie drobnych szczegółów i dokładnych tekstur.Skanery o wysokiej rozdzielczości zapewniają wierne odwzorowanie skomplikowanych cech powierzchni, takich jak grawerunki lub subtelne tekstury. Ponadto wysoka jakość tekstur pozwala na precyzyjne odtworzenie kolorów i wzorów, zachowując wizualną autentyczność skanowanych obiektów.

2.3 Cyfrowe bliźniaki (wirtualne odwzorowanie)

Cyfrowe bliźniaki polegają na tworzeniu wirtualnych,kolorowych replik obiektów fizycznych na potrzebyedukacji, rzeczywistości rozszerzonej (AR), rzeczywistości wirtualnej (VR) oraz druku 3D.

Edukacja: Skanowanie 3D pozwala na digitalizację rzeczywistych obiektów na potrzeby pokazów dydaktycznych, badań i interaktywnego uczenia się, zapewniając bogatsze doświadczenie edukacyjne. Wybrane skanery powinny być przyjazne dla użytkownika, przystępne cenowo i zdolne do uchwycenia wystarczającej ilości szczegółów, aby wyświetlać obiekty bez konieczności ekstremalnej dokładności.

Nauczyciel gimnazjum wykorzystuje skaner 3D, aby pomóc uczniom zrozumieć historię

AR i VR: Modele 3D o wysokiej wierności pomagają tworzyć wciągające środowiska wirtualne, zwiększając realizm wirtualnych scen. Skanery o doskonałych możliwościach rejestrowania tekstur są idealne do generowania realistycznych modeli.

Skanowanie 3D ludzkiego ciała w celu stworzenia metahumana

Zeskanowane dane ludzkiego ciała

Druk 3D: Precyzyjne modele cyfrowe są niezbędne w druku 3D, ale szczegółowe tekstury powierzchni są również ważne, aby wydrukowane obiekty przypominały oryginały.

Zeskanowane dane ludzkiego ciała do druku 3D

Model wydrukowany w 3D

Najlepsze funkcje skanera 3D do tworzenia cyfrowych bliźniaków:

Rejestracja kolorowych tekstur: Możliwość uchwycenia drobnych szczegółów powierzchni, zwiększająca realizm w aplikacjach AR/VR.
Łatwość obsługi: skanery powinny być przyjazne dla użytkownika, zwłaszcza dla nauczycieli, studentów iprojektantów, którzy mogą nie posiadać wiedzy technicznej.

3. Inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze skanera 3D

3.1 Kompatybilność oprogramowania

Dane generowane przez skanery 3D muszą być przetwarzane, analizowane i wizualizowane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania. Różne skanery mogą być kompatybilne z różnymi narzędziami do przetwarzania końcowego, oprogramowaniem projektowym i platformami kontrolnymi.

Przemysłowa kontrola jakości: PolyWorks, GOM Inspect, Geomagic Control X.
Inżynieria odwrotna i projektowanie: Geomagic Design X, SolidWorks, Autodesk Fusion 360.
Wirtualne odwzorowanie: Unreal Engine, ZBrush.

3.2 Budżet i opłacalność

Ceny skanerów 3D są bardzo zróżnicowane i wahają się od kilkuset dolarów do dziesiątek tysięcy, a nawet więcej. Dlatego przed dokonaniem zakupu konieczne jest jasne określenie przedziału budżetowego oraz wymagań dotyczących wydajności.

W przypadku zastosowań związanych z wirtualnym powielaniem skanery 3D klasy konsumenckiej z funkcjami skanowania kolorowego zazwyczaj zaspokajają podstawowe potrzeby przy budżecie wynoszącym około tysięcy dolarów lub nawet niższym.
Inżynieria odwrotna i projektowanie produktów zazwyczaj wymagają skanerów o złożonej zdolności dostosowywania się do materiałów powierzchniowych oraz płynnej kompatybilności z oprogramowaniem CAD. Do tych zastosowań nadają się wielofunkcyjne skanery 3D wykorzystujące światło strukturalne lub laser, a budżet zazwyczaj mieści się w przedziale dziesięciu tysięcy dolarów.
Kontrola przemysłowa charakteryzuje się najwyższymi wymaganiami dotyczącymi dokładności oraz trudnymi warunkami produkcyjnymi, a budżet zazwyczaj zaczyna się od dwudziestu tysięcy dolarów.

Wybór odpowiedniego skanera 3D zależy od branży, wymagań dotyczących dokładności oraz budżetu. Niezależnie od tego, czy potrzebujeszwysokoprecyzyjnej kontroli jakości, szczegółowej inżynierii odwrotnej, czy tworzenia cyfrowych bliźniaków, znajdziesz idealny skaner dla siebie.

Potrzebujesz porady eksperta? Skontaktuj się z nami, aby uzyskać bezpłatną konsultację, która pomoże Ci znaleźć najlepsze rozwiązanie w zakresie skanowania 3D dla Twojego zastosowania.