Was ist ein 3D-Scanner?

Ein 3D-Scanner, auch bekannt als optische Messmaschine, ist ein Schlüsselwerkzeug in modernen Messtechnologien und ermöglicht die berührungslose Erfassung präziser geometrischer Daten von Objekten. Seine Anwendung ist extrem vielfältig und umfasst verschiedene Sektoren – von Ingenieurwesen und Produktion bis hin zu Unterhaltung und der Erhaltung kulturellen Erbes. Dank der Fähigkeit, genaue digitale Repliken realer Objekte zu erstellen, spielen 3D-Scanner eine Schlüsselrolle in vielen Produktions- und Designprozessen, was die Umkehrtechnik, das Prototyping, die Qualitätskontrolle sowie viele andere Anwendungen erleichtert.

3D-Scannen, auch als 3D-Digitalisierung bekannt, ist der Prozess, bei dem reale Objekte in präzise digitale Modelle umgewandelt werden. Diese Modelle, die meist im STL-Format für Dreiecksnetze gespeichert werden, können dann in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, wie in der Qualitätskontrolle, im computergestützten Design (CAD) oder sogar in der Unterhaltung zur Erstellung von Spezialeffekten in Filmen und Spielen. Was 3D-Scanner von anderen Messgeräten unterscheidet, ist ihre außergewöhnliche Vielseitigkeit, schnelle Arbeitsgeschwindigkeit und die Fähigkeit, eine große Menge an Informationen in kurzer Zeit zu sammeln, während sie eine hohe Messgenauigkeit beibehalten, die oft bis zu 0,02 mm reicht.

Ein Schlüsselvorteil von 3D-Scannern ist ihre Mobilität. Ein komplettes 3D-Scanner-Set, bestehend aus einem kleinen Transportkoffer und einem Laptop, kann leicht zu verschiedenen Standorten transportiert werden, was die Durchführung präziser 3D-Messungen auch an schwer zugänglichen Orten ermöglicht. Diese Eigenschaft macht 3D-Scanner zu einem unschätzbaren Werkzeug in Situationen, in denen traditionelle Messmethoden unzureichend oder unmöglich anzuwenden sind.

Unser Technologe während des Scannens eines Details

3D-Scannen nutzt verschiedene Technologien, einschließlich optischer, laserbasierter und anderer, von denen jede ihre spezifischen Anwendungen, Einschränkungen und Stärken hat. Beispielsweise können optische Technologien Schwierigkeiten beim Scannen von transparenten oder glänzenden Objekten haben, was jedoch oft durch die Verwendung spezieller Mattierungsmittel auf den zu scannenden Objekten umgangen werden kann.

Die mittels 3D-Scannern gewonnenen Daten finden breite Anwendung in vielen Bereichen. Die Unterhaltungsbranche verwendet sie zur Erstellung realistischer 3D-Modelle in der Film- und Spieleproduktion. In der Industrie werden 3D-Scanner für das industrielle Design, die Herstellung von Orthesen, Prototyping, Qualitätskontrolle und Reverse Engineering verwendet. In der Medizin ermöglicht diese Technologie die Erstellung personalisierter Implantate und Prothesen. Darüber hinaus ist das 3D-Scannen entscheidend für die Inspektion und Dokumentation kultureller Objekte, was bei deren Konservierung und Schutz für zukünftige Generationen hilft.

Typen und Technologien von 3D-Scannern

3D-Scanner sind fortschrittliche Geräte zur Digitalisierung der räumlichen Formen von Objekten, indem sie diese in genaue digitale Modelle umwandeln. Ihre Funktionsweise basiert auf komplexen Technologien, die ein präzises Erfassen von Daten über die Geometrie der gescannten Objekte ermöglichen. Im Folgenden werden die Haupttypen von 3D-Scannern und die Technologien, auf denen sie basieren, vorgestellt.

Prozess der Kalibrierung eines 3D-Scanners

1. Strukturiertes Licht-Scanner Diese Scanner verwenden LED-Projektoren, um Lichtmuster auf das zu scannende Objekt zu projizieren und verfolgen dann mit zwei Kameras die Veränderungen dieser Muster, die durch die Topografie des Objekts verursacht werden. Sie sind extrem präzise, erfordern jedoch statische Arbeitsbedingungen, was bedeutet, dass weder das zu scannende Objekt noch der Messkopf sich während des Scannens bewegen dürfen. Trotz einiger Einschränkungen in der Mobilität bieten Strukturiertes Licht-Scanner eine hohe Messgenauigkeit, die in vielen industriellen und Forschungsanwendungen entscheidend ist.
2. Laserscanner Laserscanner funktionieren nach dem Prinzip der Projektion eines Laserstrahls auf das zu scannende Objekt und der Analyse der Verformung der Laserlinien durch zwei Kameras. Dies ermöglicht die dynamische Generierung von Messdaten, was das Scannen von beweglichen Objekten erleichtert und die Mobilität des Systems erhöht. Laserscanner, insbesondere Handheld-Modelle, sind flexibler in der Anwendung und können unter schwierigen Bedingungen arbeiten, einschließlich begrenzter Räume und in einer industriellen Umgebung mit Vibrationen.

Prozess des Scannens mit einem Handlaser-Scanner

3D-Scanner-Technologien

• Kontaktbehaftete Kontakt-Scanner erfordern physischen Kontakt mit dem Objekt, was bei empfindlichen oder komplexen Formen eine Einschränkung darstellen kann. Sie sind jedoch unersetzlich bei der präzisen Messung von Abmessungen und können in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen höchste Genauigkeit erforderlich ist.

• Kontaktlose Aktive Diese Scanner emittieren verschiedene Arten von Strahlung (Licht, Ultraschall, Röntgenstrahlen) und analysieren ihre Reflexionen oder das Durchdringen des Objekts. Sie können unterteilt werden in:

• Strukturiertes Licht: Verwendet Licht, um Muster auf das Objekt zu projizieren und analysiert die Verformungen dieser Muster. Sie sind schnell und präzise, ideal für das Scannen großer Bereiche.
• Laserlicht: Senden Laserlicht auf das Objekt und registrieren die Verformungen. Sie sind besonders genau, besonders bei Objekten mit komplexen Geometrien.

• Kontaktlose Passive Diese Scanner basieren auf der Detektion von natürlichem oder beleuchtetem Licht, das vom zu scannenden Objekt reflektiert wird. Sie benötigen keine eigene Strahlungsemission, was sie weniger invasiv macht. Sie sind relativ günstig in der Herstellung und können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine geringere Messgenauigkeit ausreicht.

Die Wahl des richtigen Typs und der Technologie des 3D-Scanners hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab, wie Genauigkeit, Geschwindigkeit, Mobilität und Umgebungsbedingungen. Strukturiertes Licht-Scanner bieten hohe Präzision in kontrollierten Bedingungen, während Laserscanner mehr Flexibilität und Mobilität im Feld bieten. Kontakttechnologien bleiben unersetzlich in einigen Ingenieuranwendungen, wo maximale Präzision erforderlich ist. Andererseits bieten kontaktlose Technologien, sowohl aktiv als auch passiv, eine breite Palette von Werkzeugen, die für verschiedene Messbedürfnisse angepasst sind, von der Dokumentation kulturellen Erbes bis zu umfassenden ingenieurtechnischen und gestalterischen Analysen.

Prinzip der Funktionsweise eines 3D-Scanners

Eine der Schlüsselmethoden, die beim 3D-Scannen verwendet wird, ist die Technik basierend auf dem Effekt der Moiré-Streifenverzerrungen. Unten wird detailliert beschrieben, wie dieser Prozess funktioniert und welche Technologien und Methoden verwendet werden, um genaue digitale Repliken von Objekten zu erhalten.

Verwendung des Effekts der Moiré-Streifenverzerrungen

• Grundlagen des Effekts: Der Effekt der Moiré-Streifenverzerrungen basiert auf der Projektion eines Musters aus Linien (Raster) bekannter Dichte auf die Oberfläche des zu scannenden Objekts. Dieses Muster wird in einer Weise verzerrt, die von der Geometrie des Objekts abhängt, was eine genaue Abbildung seiner Form in drei Dimensionen ermöglicht.
• Registrierung der Verzerrungen: Um das verzerrte Muster zu erfassen, werden präzise digitale Kameras verwendet. Diese Kameras registrieren die Änderungen der Graustufen zwischen den Linien des Streifenmusters und der Oberfläche des Objekts, was eine präzise Bestimmung der Position der Punkte auf der Oberfläche des gescannten Gegenstandes ermöglicht.
• Erstellung der Punktwolke: Die von den Kameras gewonnenen Informationen werden in digitale Koordinaten umgewandelt und erstellen so eine sogenannte Punktwolke. Jeder Punkt in der Wolke repräsentiert einen bestimmten Ort auf der Oberfläche des Objekts, was nach der Verarbeitung die Rekonstruktion seines dreidimensionalen Modells ermöglicht.

Verwendung von Referenzpunkten

• Rolle der Referenzpunkte: Um die Stabilität und Präzision der Punktwolke zu gewährleisten, werden Referenzpunkte verwendet. Sie können direkt auf dem Objekt oder in seiner Umgebung platziert werden. Dank dieser Marker kann das Scansystem sich präzise im Raum orientieren, was eine genaue Platzierung der Messdaten im globalen Koordinatensystem ermöglicht.
• Systeme ohne Referenzpunkte: Einige Systeme verwenden externe Tracking-Geräte, die die Notwendigkeit von Referenzpunkten eliminieren. Dies ermöglicht die Beibehaltung hoher Messgenauigkeit ohne die Notwendigkeit, das gescannte Objekt physisch zu markieren.

Verzerrungen der Laserstreifen auf dem Stoßfänger eines Autos sowie direkte Sicht auf das gescannte Detail

Integration von Daten und Modellerstellung

• Zusammenführen von Scans: Beim Scannen größerer oder komplexerer Objekte müssen einzelne Scans integriert werden. Dieser Prozess kann geometrische Merkmale oder Farbdetails verwenden, um verschiedene Teile des Scans genau in ein kohärentes 3D-Modell zu passen.
• Bearbeitung und Optimierung: Nach dem Zusammenstellen aller Daten verarbeitet und optimiert die Software das Modell, indem sie Unstimmigkeiten entfernt und die Qualität des endgültigen digitalen Objekts verbessert. Auf diese Weise erhält man eine genaue und detaillierte Replik des gescannten Gegenstandes, bereit für die weitere Verwendung in verschiedenen Anwendungen.

Generierte Daten und Nachbearbeitung in 3D-Scannern

Das 3D-Scannen beginnt mit der Digitalisierung, also der präzisen Erfassung der Geometrie eines Objekts, und endet mit der Nachbearbeitung, die rohe Daten in nützliche Modelle umwandelt. Im Folgenden werden diese beiden Phasen im Detail beschrieben.

Phase 1: Datengenerierung durch 3D-Scanning

• Digitalisierung der Geometrie: Der Prozess beginnt mit dem Verschieben des Messkopfes entlang der gesamten Geometrie des gescannten Objekts. Ziel ist es, alle Oberflächen des Objekts zu erfassen, um sie genau analysieren zu können. Ein Schlüsselelement hierbei ist die Präzision, die es dem System ermöglicht, selbst die kleinsten Details zu erkennen.
• Einfluss externer Faktoren: Die Genauigkeit des 3D-Scannens kann durch verschiedene schwer kontrollierbare externe Faktoren wie Temperaturschwankungen, Erschütterungen, externe Lichtquellen, Materialart des Objekts oder Reflexionen beeinträchtigt werden. Diese Faktoren können dazu führen, dass Informationen über dieselbe Oberfläche vom System als viele verschiedene Punkte registriert werden.
• Rohe Punktwolken: Das Ergebnis des Scannens ist eine sogenannte rohe Punktwolke, also eine Sammlung aller vom Messsystem erfassten Punktkoordinaten. Dies ist eine vorläufige Form von Daten, die weitere Verarbeitung benötigt, um ein nützliches Modell zu werden.

Phase 2: Nachbearbeitung und Polygonisierung

• Polygonisierungsprozess: Es erfolgt eine automatische Optimierung und Mittelung der rohen Daten, um sie in ein einheitliches und präzises STL-Dreiecksnetz umzuwandeln. Die Polygonisierung ist ein Schlüsselschritt der Nachbearbeitung, bei dem Punkte zu Ebenen verbunden werden, um eine vereinfachte Darstellung der Objektgeometrie in Form eines Netzes zu erstellen.
• Nützlichkeit des STL-Netzes: Das resultierende STL-Dreiecksnetz ist ein Format, das in vielen Anwendungen verwendet werden kann, wie Qualitätskontrolle von Produkten, Reverse Engineering, Computersimulationen, 3D-Druck und Visualisierungen. Es ist ein weit akzeptiertes Format von CAD-, CAM-Software und anderen Ingenieur- und Designwerkzeugen.
• Weitere Analysen und Anwendungen: Das STL-Modell kann anschließend für detaillierte Analysen verwendet werden, einschließlich der Überprüfung der Übereinstimmung mit den ursprünglichen Designspezifikationen, der Simulation der Leistung von Elementen unter verschiedenen Bedingungen oder für die Erstellung von Prototypen und Endprodukten.

Die Datengenerierung und Nachbearbeitung in 3D-Scannern sind Prozesse, die zusammen die Grundlagen für die präzise Wiedergabe physischer Objekte in einer digitalen Umgebung bilden. Von der rohen Punktwolke bis hin zu detaillierten 3D-Modellen ermöglicht das 3D-Scannen die Umwandlung der physischen Realität in digitale Daten, die dann analysiert, modifiziert und in einer breiten Palette von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet werden können.

Beispielhafte Verwendung von 3D-Scannern

Dank ihrer Vielseitigkeit und Fähigkeit zur genauen Reproduktion von Formen im dreidimensionalen Raum haben 3D-Scanner eine breite Anwendung in verschiedenen Industriezweigen und Lebensbereichen gefunden. Im Folgenden erörtern wir detailliert, wie 3D-Scanner in verschiedenen Branchen verwendet werden und welche Vorteile sie bringen.

• Gussteile, Schmiedestücke und Formen: 3D-Scannen ermöglicht eine genaue Qualitätskontrolle und Maßüberprüfung von Gussteilen und Schmiedestücken, was in vielen Produktionsprozessen unerlässlich ist.

• Kunststoff- und Verbundteile: Durch 3D-Scannen ist eine präzise Analyse und Gestaltung von Komponenten aus Kunststoff und Kohlefaser möglich, was für Branchen wie die Luftfahrt oder den Automobilbau von entscheidender Bedeutung ist.

Mesh-Netz des abgebildeten Details (links) und Rainbow-Analyse – Gradient der Abweichungen vom Nennmaß (rechts)

• Autoersatzteile und Karosserien: Scannen ermöglicht genaues Anpassen und Entwerfen von Ersatzteilen sowie die Optimierung des Karosseriedesigns.

Unser Technologe während des Scannens des Motorrahmens eines alten Land Rover

• Bootsrümpfe und Yachtkabinen: In Werften beschleunigt 3D-Scannen den Design- und Produktionsprozess und ermöglicht die Erstellung genauer Modelle von Rümpfen und Kabinen.

• Implantate und Prothesen: In der Medizin erlauben 3D-Scanner die Erstellung maßgeschneiderter Lösungen, die perfekt auf die Bedürfnisse der Patienten abgestimmt sind.

• Stahlkonstruktionen und Schweißkonstruktionen: 3D-Scannen wird verwendet, um die Qualität und Genauigkeit von Stahlkonstruktionen zu überwachen, was für die Sicherheit und Langlebigkeit entscheidend ist.

• Denkmäler und Kunstwerke: Im Kulturerbe ermöglicht 3D-Scannen die Dokumentation und den Schutz wertvoller Artefakte und ermöglicht die Erstellung genauer Repliken für Bildungs- und Ausstellungszwecke.

Zusammenfassung

Die hohe Messgenauigkeit, Mobilität und Universalität haben dazu geführt, dass 3D-Scanner heute weltweit in nahezu allen Arten von Industrien eingesetzt werden. Dank der Menge an Daten, die im Prozess des 3D-Scannens generiert werden, können wir deutlich mehr Informationen über die Qualität des hergestellten Produkts erhalten und potenzielle Mängel erkennen, wo wir sie nicht einmal vermuten. Darüber hinaus erhalten wir die Möglichkeit, Elemente zu rekonstruieren und zu optimieren, für die wir keine Dokumentation oder CAD-Modell haben, was die Entwurfszeit neuer Teile erheblich beeinflussen kann.

Wenn Sie Teile haben, die digitalisiert werden müssen, oder an professionellen Dienstleistungen im Bereich des 3D-Scannens interessiert sind, laden wir Sie ein, sich mit unserem Berater bartlomiej.szybecki@sgpgroup in Verbindung zu setzen. Wir bieten auch kostenlose Testmessungen und Live-Demonstrationen an. Wir laden Sie auch ein, unseren YouTube-Kanal zu besuchen 3D-Scannen, wo wir das Scannen von Fahrrad- und Automobilteilen durchführen.