Metody skanowania 3D
Skanery dzielą się na stykowe i bezstykowe. Stykowe, czyli współrzędnościowe maszyny pomiarowe i ramiona pomiarowe, dotykają przedmiotu sondą i osiągają dokładność rzędu mikrometrów, ale są drogie i powolne. W kontekście druku 3D częściej spotyka się metody optyczne, które mierzą powierzchnię światłem.
| Metoda | Zasada działania | Dokładność orientacyjnie | Typowe użycie |
|---|---|---|---|
| Laser, triangulacja | kamera widzi punkt lub linię lasera na powierzchni; odległość wynika z trójkąta laser, kamera, punkt | rzędu dziesiątek mikrometrów, zasięg kilka metrów | części, detale, małe przedmioty |
| Światło strukturalne | projektor rzuca wzór prążków, kamera mierzy jego zniekształcenie | w najlepszych systemach nawet pojedyncze mikrometry; zależy od sprzętu, oświetlenia i odbijalności powierzchni | kontrola jakości, inżynieria odwrotna, ciało człowieka |
| Fotogrametria | wiele zdjęć z różnych stron, punkty wspólne przeliczane na współrzędne 3D | zależy od aparatu, liczby zdjęć i oprogramowania | rzeźby, obiekty duże, zastosowania budżetowe |
| LiDAR w telefonie | pomiar czasu przelotu impulsu światła | w badaniu iPhone 12 Pro około ±1 cm dla obiektów powyżej 10 cm | pomieszczenia, duże bryły, szkice |
| Laser, czas przelotu | pomiar czasu powrotu impulsu | rzędu milimetrów, zasięg nawet kilometrów | budynki, teren, obiekty wielkogabarytowe |
Liczby w tabeli opisują możliwości metod według źródeł i nie są parametrami konkretnego urządzenia. Dla LiDAR w telefonie autorzy badania zauważyli, że dokładność spada przy powierzchniach mniejszych niż 10 cm, a granica wykrywalności obiektów wynosi około 5 cm. Do części zamiennej wielkości kilku centymetrów taki skan się więc nie nadaje.
Co daje skan: siatka, nie bryła CAD
Surowym wynikiem skanowania jest chmura punktów, czyli zbiór współrzędnych bez informacji o tym, jak się łączą. Oprogramowanie skanera zamienia ją w siatkę trójkątów, podobną do pliku STL. Taka siatka nie wie, że dana ściana jest płaszczyzną, a otwór walcem o średnicy 8 mm. Zawiera też szum pomiarowy, drobne nierówności i dziury w miejscach, których skaner nie widział.
Dla figurki czy rzeźby to wystarczy: po oczyszczeniu i zamknięciu siatki model można wydrukować. Dla części mechanicznej celem inżynierii odwrotnej jest odzyskanie zamysłu konstruktora: do siatki dopasowuje się proste powierzchnie, takie jak płaszczyzny i walce, a powierzchnie swobodne opisuje krzywymi NURBS. Wynikiem jest bryła CAD, którą można zmieniać, wymiarować i eksportować tak samo jak model zaprojektowany od zera.
Od skanu do części gotowej do druku
- Łączenie skanów. Skaner widzi przedmiot z jednej strony, więc pełny kształt wymaga kilku ujęć, wyrównywanych ze sobą znacznikami, obrotnicą albo algorytmem dopasowania.
- Czyszczenie siatki. Usuwa się tło, podstawkę, luźne fragmenty i szum, a dziury zamyka. W programie MeshLab służą do tego filtry wygładzające, usuwające duplikaty i rekonstruujące powierzchnię z chmury punktów.
- Decymacja. Siatki ze skanów mają często miliony trójkątów; redukcja ich liczby zmniejsza plik bez widocznej straty, jeśli nie jest zbyt agresywna.
- Odtworzenie w CAD. Przy części mechanicznej siatkę traktuje się jako szablon: na jej podstawie rysuje się szkice i bryły w programie CAD, a wymiary krytyczne wpisuje się z pomiarów.
- Kontrola. Gotowy model porównuje się ze skanem i z oryginałem, a dopiero potem eksportuje do druku.
Przy fotogrametrii jakość wyniku zależy głównie od zdjęć. Każdy fragment powierzchni musi być widoczny na kilku ujęciach z różnych stron, bo program odtwarza położenie punktu, przecinając promienie z kilku pozycji aparatu. Pomaga równe, rozproszone oświetlenie bez ostrych cieni, przedmiot z wyraźną fakturą i tło, które nie zlewa się z obiektem. Gładkie, jednolite powierzchnie dają mało punktów wspólnych i w modelu pojawiają się luki. Skan trzeba też przeskalować, bo same zdjęcia nie niosą informacji o rozmiarze: najprościej umieścić obok przedmiotu element o znanym wymiarze i dopasować do niego model.
Jak wykryć i poprawić błędy siatki po skanie, opisujemy osobno w artykule o naprawie siatki STL.
Kiedy wystarczy suwmiarka
Większość prostych części zamiennych, takich jak zaślepki, uchwyty, pokrętła, podkładki czy elementy obudów, składa się z płaszczyzn, walców i otworów. Taką część szybciej i dokładniej zmierzyć suwmiarką i narysować w CAD, niż skanować i odtwarzać ze skanu. Pomiar od razu daje wymiary nominalne, a w modelu łatwo dodać luzy potrzebne w druku FDM.
Więcej przykładów części, które warto odtworzyć w druku, znajdziesz na stronie o częściach zamiennych.
Ograniczenia skanowania
Metody optyczne mają kłopot z powierzchniami ciemnymi, błyszczącymi, lustrzanymi i przezroczystymi. Światło odbija się wtedy w niekontrolowany sposób albo przechodzi przez materiał i skaner widzi szum lub nic. Kłopotliwe bywają też materiały półprzezroczyste, w które światło częściowo wnika. Typowym obejściem jest pokrycie przedmiotu cienką matową warstwą, na przykład sprayem, co oczywiście nie zawsze jest dopuszczalne.
Trudne są też wnęki, głębokie otwory i wewnętrzne kanały, do których światło i kamera nie docierają jednocześnie. Gwinty, drobne zatrzaski i otwory pasowane w skanie zwykle są zaokrąglone lub niekompletne, dlatego w modelu CAD odtwarza się je z wymiarów, a nie ze skanu. Gwint najlepiej zaprojektować od nowa albo przewidzieć wkładkę, co opisuje artykuł o gwintach w druku 3D.
Kiedy skan ma sens i ile kosztuje
- Części o złożonych, swobodnych kształtach, których nie da się rozsądnie zmierzyć suwmiarką, np. fragmenty karoserii, uchwyty dopasowane do istniejącej bryły, elementy odlewane.
- Dopasowanie do ciała i ergonomia: wkładki, ochraniacze, uchwyty dopasowane do dłoni. Skanery ze światłem strukturalnym są stosowane do pomiarów kształtu ciała.
- Obiekty artystyczne i zabytki: rzeźby, modele architektoniczne, kopie eksponatów, gdzie liczy się kształt, a nie wymiary konstrukcyjne.
Koszt zależy od metody. Fotogrametria wymaga tylko aparatu i oprogramowania, więc jest najtańsza, ale pracochłonna. Według przytoczonego badania naziemne skanery laserowe kosztują zwykle co najmniej kilka tysięcy euro, a dokładne skanery do części to również poważny wydatek. Dlatego przy jednorazowej potrzebie częściej opłaca się zlecenie skanu w wyspecjalizowanej firmie. Cena takiej usługi zależy od wielkości przedmiotu, wymaganej dokładności i tego, czy obejmuje też odtworzenie modelu CAD.
Zlecając skan, ustal z góry, czego potrzebujesz na końcu: samej oczyszczonej siatki do wydruku figurki czy modelu CAD części, który da się edytować. To dwie różne usługi o różnym nakładzie pracy. Podaj też, które wymiary są krytyczne, bo od tego zależy wybór metody i sprawdzenie wyniku.
Co zrobić ze skanem przed wyceną w Fabrix3D
Skan przesłany do wyceny powinien być zamkniętą siatką bez dziur i luźnych fragmentów, w skali 1:1 i w milimetrach. Usuń podstawkę i tło, zredukuj liczbę trójkątów tak, by plik zmieścił się w limicie 50 MB, i zapisz go jako STL lub 3MF. Jeśli skan posłużył do odtworzenia części w CAD, prześlij model CAD, najlepiej jako STEP.
Ogólne zasady przygotowania pliku, od grubości ścianek po luzy, zebraliśmy w artykule jak przygotować model do druku 3D. Gotowy plik prześlij do wyceny online: zobaczysz podgląd, wymiary, cenę i termin przed zamówieniem, a w uwagach technicznych możesz opisać, które wymiary są krytyczne.