Введение в 3D-сканирование
Трехмерное сканирование — один из методов производства 3D-модели для последующей печати. Раньше для создания реплики физического объекта требовалось изготовить формы, использовать промышленные станки для литья под давлением. Этот процесс занимал много времени и не подходил для мелкосерийного производства. Сегодня для этих целей применяют оптические сенсоры и 3D-печать — простую и доступную альтернативу, которая легко масштабируется под любые объемы заказов, от единичных экземпляров до крупных партий.
Трехмерный сканер анализирует объект со всех сторон, переносит его геометрические данные в цифровое пространство. Затем модель дорабатывают, подготавливают к печати. Этот метод применяют для производства арт-объектов и фигурок, запчастей для техники, используют в трехмерной визуализации и игровой разработке.
Как работает технология
3D-сканирование используют для быстрого измерения контурных поверхностей и сложных геометрических форм, которые требуют большого количества данных для точного моделирования. Выполнять такую работу традиционными методами непрактично, поскольку это занимает много времени. 3D-сканирование снимает данные об объекте в форме массива вершин, или «облака точек» (point cloud), которые образуют сетку геометрии. Этот принцип подходит для разных предметов, включая:
- объекты;
- окружение (например, комната);
- живое существо (тело или лицо человека).
Изначально этот метод применяли для обратного проектирования. Компонент конструкции оцифровывали, чтобы использовать на стадии информационного моделирования в CAD-системах. Это мог быть, например, изготовленный в металле и собранный модуль, для которого не было электронных чертежей. Со временем технология нашла применение и в других отраслях гражданской промышленности.
В основе технологии лежат четыре компонента: оптическая система, излучатель, объект оцифровки и вычислительный блок. Задача устройства: измерить расстояние до каждой точки, выстроить из них вершины и построить объемную сетку.
Например, в лазерном приборе в качестве излучателя выступает диод, генерирующий пучок фотонов. Кванты попадают на объект и отражаются в оптическую систему. Вычислительный блок измеряет время или угол, под которым лазерный луч вернулся к устройству, и рассчитывает на основе этих данных расстояние. Зная дистанцию до каждой точки объекта, система строит трехмерную сетку.
Типы сканеров
Разные методы измерения используют разные физические принципы, чтобы воссоздать карту вершин:
- Лазерная триангуляция. Сканер проецирует пучок фотонов на поверхность и измеряет точку, под которой фотоны попадают на сенсор. Чем больше отклонение, тем выше дальность до точки.
- Использование структурированного света. Излучатель проецирует на объект световой шаблон, который обычно состоит из линий. Попадая на объемную поверхность, линии искажаются, а вычислительный блок восстанавливает из картинки объемную форму.
- Фотограмметрия. 3D-сканирование по фотографии. Использует компьютерные алгоритмы, чтобы восстановить из массива фотографий трехмерный объект. Самый доступный метод.
- Лазерная импульсная система. Работает на основе квантового дальномера. Измеряет время, за которое фотоны, излучаемые прибором, доходят до объекта и отражаются на сенсор. Используя уравнение на основе скорости света, вычислительный блок определяет расстояние до точки.
- Контактная система. Датчик перемещается по поверхности объекта, касаясь ее, а уровень механического отклонения указывает на расстояние до точки.
Особенности работы
Чтобы получить качественную трехмерную сетку, предметы разного размера требуют разной точности дискретизации:
- Мелкие объекты (небольшие запчасти, украшения). Для оцифровки таких предметов используют высокоточное оборудование с высокой разрешающей способностью (на микронном уровне), например, сканеры на основе структурированного света или лазерные микроскопы.
- Средние объекты (техника, детали автомобилей). Подходят ручные и стационарные приборы на основе традиционной лазерной или оптической системы. Чтобы избежать «мертвых зон», предмет должен быть доступен со всех сторон.
- Крупные объекты (здания, статуи, ландшафты). Используют LiDAR или фотограмметрию для работы на расстоянии. При оцифровке больших объектов процесс разделяют на этапы, после чего собирают (сшивают) данные в единый файл.
Кроме того, в процессе оцифровки учитывают внешние факторы.
Освещение
Качественная подсветка объекта важна при работе со структурированным светом и фотограмметрией. Сильные тени или блики искажают результаты. Лазерные сканеры менее чувствительны к уровню света, но бликующие поверхности препятствуют нормальному отражению фотонов.
Материалы и поверхность
Стекло или пластик плохо считываются большинством приборов для 3D-сканирования. Чтобы точно передать форму объекта, поверхность обрабатывают матирующим спреем. Темные или глянцевые покрытия могут поглощать свет или создавать блики, что мешает захвату данных. Для оцифровки сложных узоров нужна повышенная частота дискретизации или дополнительное тестирование, которое сгладит неровности и упростит интерпретацию сетки вершин.
Доступность объекта
Если на предмете есть закрытые или труднодоступные участки, для их оцифровки применяют специализированные приборы, например, эндоскопические устройства. Если нужно отсканировать объект, который испытывает колебания, применяют сканеры с высокой скоростью съемки — это обеспечит низкую погрешность.
Преимущества и ограничения метода
3D-сканирование выбирают за высокую технологичность:
- Точность. Современные сканеры захватывают небольшие детали объектов с погрешностью до микрон.
- Скорость. По сравнению с ручным моделированием, этот метод позволяет в несколько раз быстрее оцифровать объект.
- Масштабируемость. Подходит для объектов любого размера — от микроскопических деталей до зданий и ландшафтов.
- Функциональность. Создает точные модели реальных объектов для анализа, модернизации, реставрации или последующего производства.
- Сохранность данных. Цифровые модели не подвержены деградации — сведения о геометрии сохраняются навсегда.
- Автоматизация. Снижает трудозатраты на моделирование или обратное проектирование.
У этого метода есть и ограничения. Высокоточные сканеры с высоким уровнем дискретизации стоят дорого, требуют навыков обращения с аппаратной и программной частью. «Сырой» файл модели не подходит для печати: его нужно обработать, выровнять, удалить лишние компоненты и заполнить пустоты.
Это ограничивает самостоятельную работу с технологией, особенно если у пользователя нет профильного опыта. Если сканирование выполняет подрядчик, он берет на себя все этапы подготовки и постобработки — заказчику остается только передать объект для оцифровки.
Области применения 3D-сканирования
Сегодня технологию используют почти во всех отраслях гражданской промышленности:
- Производство. Создание цифровых двойников физических объектов для анализа, модификации и воспроизведения. Например, для ремонта оборудования, когда оригинальные чертежи утеряны.
- Архитектура и строительство. Оцифровка старинных зданий для их восстановления, реконструкции или интеграции в современные проекты. Сканирование строительных площадок или ландшафта оказывает помощь в детальной оценке местности и проектировании новых зданий.
- Медицина. Создание индивидуальных протезов, ортопедических стелек и имплантатов с учетом анатомических особенностей пациента.
- Культура и искусство. Оцифровка музейных экспонатов, памятников, скульптур и артефактов с целью их сохранения или восстановления.
- Транспорт. Оцифровка поврежденных деталей для их восстановления или замены.
- Виртуальная и дополненная реальность. Высокоточные трехмерные модели реальных объектов используются для игр, симуляторов, образовательных программ и VR-приложений.
- Геодезия и картография. Создание детализированных карт, оценка рельефа и мониторинг изменений ландшафта.
- Бытовые задачи. Создание цифровых копий памятных вещей, фигурок и сувениров.
Почему выбирают услуги «3ДПринтум»
Компания выполняет полный цикл работ по оцифровке, обработке и производству объемных моделей. Частные заказчики, малый бизнес и крупные предприятия по всей России выбирают «3ДПринтум» за прозрачные условия и ответственный подход к рабочему процессу:
- Оборудование. Парк включает 70+ промышленных станков, профессиональную технику по постобработке моделей. Высокоскоростные принтеры снижают себестоимость производства при массовом изготовлении деталей.
- Опыт. Компания с 2013 года развивает технологию объемного сканирования и печати. Мы знаем все тонкости материалов и техник, с которыми работаем, и предлагаем оптимизированные решения для каждого заказчика.
- Портфолио. «3ДПринтум» входит в пятерку ведущих отраслевых производителей. Среди наших партнеров «Росатом», «Сбербанк», «Яндекс», выполняется 100+ заказов ежемесячно.
«3ДПринтум» выполняет 3D-сканирование малых и крупных объектов для производственных и художественных задач, изготавливает реплики и копии оригинальных изделий. Свяжитесь со специалистами компании через форму обратной связи, чтобы узнать интересующие детали и рассчитать цену проекта.
