This website uses cookies to ensure you get the best experience on our website. By using this site, you agree that we may store and access cookies on your device. More info

What is 3D scanning?

This page is unfortunately only available in Swedish at the moment. The content will be translated into English as soon as possible.

 

3D-skannrar har använts sedan tidigt 1990-tal för att digitalisera föremål till tredimensionella punkter som representerar verkligheten. De första modellerna var väldigt primitiva men gav likväl tredimensionella punkter med XYZ-koordinater. Dessa punkter används sedan för att mäta avstånd och volymer. Tekniken utvecklades snabbt och inom några år blev utrustningen mer noggrann och det gick att få in fler mätpunkter allt snabbare. Mycket tack vare att datorerna i allmänhet blev kraftfullare och kunde lagra mer data.

De första maskinerna var i princip en CNC-fräs som rörde sig i 3 axlar. Istället för att använda ett fräshuvud tog man ett tryckkänsligt instrument som registrerade motorernas position varje gång den mötte motstånd. Genom att dela upp bordet/volymen i en bana längs XY-axeln svepte maskinen över och vid varje "nod" i ett rutnät fördes Z-axeln ner tills dess att instrumentet registrerade en kontakt. Man fick då en XY-position och instrumentet som registrerade motståndet gav ett Z-positionsvärde. 3D-skanning forsatte på det här sättet och blev allt snabbare men krävde fortfarande att objektet låg ner inom volymen som maskinen kunde mäta. Tekniken utvecklades sedan där maskinen började använda optiska instrument för att registrera Z-axeln och kunde på så sätt läsa in en hel linje av punkter. Detta sker när en laser eller ljus-linje lyser på objektet och registreras från en vinkel av en kamera. När linjen böjer sig över föremålet (sett från kameran) registreras Z-måtten på flera punkter samtidigt.

Den optiska (non-contact) skanningstekniken utvecklades snabbt och ledde till maskiner som bara använder en laser eller projektor för att skicka ut mönster på föremål som en eller flera kameror läser in. Antalet punkter som kunde läsas in blev genast tusentals per sekund och istället för att mäta inom ett strukturerat rutnät av punkter fick man punktmoln som smarta program kunde beräkna volymer och mått från. Ett av de stora problemen med 3D-skanning har varit att skannern måste veta sin egen position i relation till objektet som skannas. Traditionellt användes mätbord och mätstationer som var fast monterade och tog mycket plats. Dessa garanterade en stabil miljö där föremål kan monteras och inte förflyttas i förhållande till 3D-skannern. Nyare tekniker eliminerar dock behovet av att ha ett stort mätbord eller ett helt rum dedikerat för mätning. 

Dagens 3D-skanning är i stora drag indelad i två kategorier; "contact" och "non-contact".

Contact 3D scanning

Precis som namnet antyder är tekniken samma som den ursprungliga tekniken för 3D-skanning där ett verktyg registrerar när ett mäthuvud (ofta kallat probe) får kontakt med föremålet. Med dagens teknik ger det väldigt exakta mätningar då mekaniken i dessa skannrar är väldigt exakt, men kräver kalibrering när de används. Ofta är mäthuvudet monterat på en arm eller 3/4-axlig maskin som kan liknas vid en CNC-fräs.

Problemet med att inte veta var skannern (proben) i förhållande till objektet löses oftast med probar genom att maskinen är monterad på en arm som i sin tur har en fast position i förhållande till objektet. Mätarmar används ofta vid fasta mätstationer och ger en bra noggrannhet och läser snabbt och noggrant in några viktiga punkter. Vissa maskiner kan även "strykas" längs med en yta för att få in en hel linje av punkter.

Non-contact 3D scanning

Istället för att mäta i kontakt med objektets yta använder non-contact 3D-skannrar olika typer av andra lösningar. Det finns tekniker som använder en mätarm med ett skanningsverktyg monterat. På dessa maskiner registrerar armen var skannern är i rymden samtidigt som skannern på armen läser av ytan av föremålet. Inläsningen sker genom att minst en kamera är placerad "off-axis" (parallellförskjuten) gentemot en ljuspunkt som skickar ut antingen en laserlinje eller ett rutnät. Kameran urskiljer sedan den belysta ytan på föremålet. Om ett föremål är runt blir ljuset (linjen eller rutnätet) förvrängt sett från kamerans håll och med avancerad trigonometri och realtidsberäkningar kan mjukvaran i skannern räkna ut ett djup på på linjen. Därefter registreras linjen per pixel på sensorn. En lågupplöst kamera ger ett visst antal punkter per bild, medan en mer högupplöst kamera ger fler antal punkter per bild. Skanningsobjektets referensposition säkerställs genom olika tekniker när det gäller non-contact 3D-skannrar. Den traditionella lösningen är att montera skannern på en mätarm vilket låser 3D-skanneroperatören till en position.

Några modeller har utvecklats så de antingen använder markörer på objekt för att i realtid (samtidigt som punkter på ytan läses in) räknar ut sin egen position gentemot objektet. På så sätt kan man röra både 3D-skanner och objekt på samma gång, fritt i luften och 3D-skanningen fortsätter med samma precision. Andra tekniker använder föremålet självt för att spåra varje bild som kameran i 3D-skannern tar och kan på så sätt utesluta både markörer och mätarm vid 3D-skanning. Denna tekniken förlitar sig helt på mjukvarans spårning och hårdvarans precision.

Ljustekniker för 3D-skanning

Non-contact 3D-skannrar använder antingen White light (strukturerat ljus) eller laser för att rita upp ett mönster på modellen. Detta mönster är det som kameran (alt. kamerorna) läser av för att läsa in punkter. White Light (strukturerat ljus) är en teknik som består av en projektor som skickar ut ett mönster (ofta rutnät av olika storlekar) som förvrängs på ytan av föremålet och kan på så vis läsas in av kamerorna.

Laserskanning består oftast av en eller flera linjer som i sin tur ger en skarp linje sett från kameran i 3D-skannern. Dessa linjer sveper över föremålet och ger en bra inläsning av punkter. Laserskanning kan även ske med en teknik som lämpar sig för stora miljöer. Då skickas en laserpunkt från ett roterande mäthuvud och skannern mäter hur lång tid det tar för lasern att träffa ett föremål. Detta kräver en extremt snabb och känslig skanner, men kan producera en noggrannhet på någon millimeter över en kilometer. Skanningen lämpar sig utmärkt för att ta in punktmoln av stora områden eller lokaler.

Datainläsning

Den data som läses in av en 3D-skanner är i grund och botten samma, punkter med XYZ-koordinater. Traditionell punktskanning mäter ett fåtal punkter medan vissa optiska system läser in hundratusentals punkter per sekund. Punkterna registreras i ett koordinatsystem som i många fall använder skannerns första position som origo. Därefter byggs punktmolnet ut från den punkten.

Beroende av skanner och teknik trianguleras oftast punktmolnen med hjälp av avancerade beräkningsalgoritmer för att skapa en mesh-geometri. Ofta är det enklare att använda en geometri för att visualisera mätningar eller använda 3D-skanningen som referens för modellering. Trianguleringen görs ofta på ett oerhört sofistikerat sätt för att behålla detaljrikedom vid komplexa former samtidigt som planare ytor decimeras för att spara på antalet trianglar. Det är just antalet trianglar som bidrar till de stora filerna som 3D-skanning ofta genererar. När det gäller noggrannhet och precision för 3D-skannrar finns det ofta två värden man pratar om: noggrannhet och upplösning.

Noggrannheten är den felmarginal som en 3D-skanner har för punkterna som läses in. Som exempel tar vi värdet 0,05 mm/m3. Detta värde berättar att punkter inom en kubikmeter är maximalt 0,05 mm fel jämfört med verkligheten. Värdet är en gräns och det kan betyda att inom 0,5 m3 kanske felmarginalen endast är 0,025 mm.
Upplösning är måttet på den upplösning punktmolnet eller geometrin som 3D-skanningen producerar. Som exempel använder vi värdet 0,2 mm. Det betyder att avståndet mellan två punkter i punktmolnet (eller en hörna på en triangel) har ett avstånd på minst 0,2 mm. Ofta justerar man upplösningen för att undvika dubbletter av ytor om skanningen inte blivit helt bra samt för att hålla nere antalet trianglar i en modell. Det är inte alltid optimalt att använda 4-10.000.000 trianglar i en 3D-skanning och man kan då enkelt reducera antalet genom att sänka upplösningen (större avstånd mellan punkterna).

Användningsområden

Användningsområdena för 3D-skanning växer hela tiden och så gör även antalet 3D-skannrar på marknaden. 3D-skanning används i synnerhet av två huvudsakliga näringar: mätningar och reverse engineering samt referensskanningar. Om man överväger att investera i 3D-skannrar är det viktigt att ta reda på vad som behövs för att utföra 3D-skanning idag och vilka användningsområden man gärna vill växa in i. Ofta vill man 3D-skanna enskilda objekt och budgeterar därefter, något som kan straffa sig när kunder börjar ställa högre krav på noggrannhet och pris. Med fel 3D-skanner kan både teknisk noggrannhet och följande efterarbete (bearbetning av skannad data) leda till olönsamma projekt.

Mätning och reverse engineering

Användningsområden inom mätning och reverse engineering kan vara mätning av konstruktioner, landskap, hus och produkter som t. ex. borrmaskiner, bilar, flygplan, möbler, människor, växter och bakelser. Det finns nästan oändligt många saker som går att mäta upp med en 3D-skanner.

Vid reverse engineering (omvänd ingenjörskonst fritt översatt) tar man en prototyp eller färdig produkt och kontrollerar dess mått mot ursprunglig CAD-data. Ett exempel är i bilindustrin där pressverktyg dagligen tar fram tusentals plåtdetaljer som alla måste möta snäva kvalitetstoleranser. Med en 3D-skanner går det snabbt och smidigt att läsa av ett stickprov och registrera eventuella avvikelser. Detsamma gäller på större konstruktioner såsom flygplan eller specialkonstruktioner.

Referensskanning

Att snabbt och enkelt läsa in föremål eller delar av föremål för att konstruera och formge tillbehör är ett vanligt område som med billigare 3D-skrivare och 3D-skannrar växer lavinartat. Att snabbt och smidigt läsa in en yta för att sedan använda den i en design eller att konstruera en anpassad detalj är värdefullt för många industriformgivare. Arkitekter och designers kan ta befintliga föremål och läsa in dem för att använda som referenser eller inspiration i ett digitalt konstnärligt arbetsflöde. Vid den här typen av 3D-skanning är inte alltid noggrannheten det viktigaste utan budget och enkelhet värderas högre.

Referensskanning används ofta för att läsa in människor och dockor för film- och reklamindustrin. I de fallen är 3D-skanning i färg en utmärkt lösning, som inte bara ger en geometri utan även en färgkarta av föremålet. Just den tekniken uppskattas mycket av t. ex. arkeloger som snabbt och enkelt kan läsa in fynd och miljöer steg för steg när de grävs fram. Även färdiga museiföremål kan digitaliseras. 3D-skannade och 3D-utskrivna föremål - jämfört med originalföremålen - är inte så riskfyllda att visa upp publikt,  vilket gör att museibesökare i framtiden kan komma att få se många fler - tidigare arkiverade - museiföremål, fast som tredimensionell kopior, i praktiken omöjliga att skilja från originalen.

Några 3D-skannrar, deras tekniker och användningsområden

De olika teknikerna inom 3D-skanning öppnar upp för olika produkter och användningsområden. Här är några exempel:

Handhållna 3D-skannrar:

Artec 3D (markörlösa skannrar som bygger på strukturerat ljus)
Fuel3D SCANIFY (använder sig av markör som referens för skala och riktning)

Stationära 3D-skannrar:

MakerBot Digitizer Desktop 3D Scanner (automatiserad 3D-skanning med lasrar som ger vattentäta 3D-modeller redo för 3D-print)
DAVID Vision Systems (bygger på strukturerat ljus med referensplan)
Artec Studio + Kinect (skannar med hjälp av omgivningsljus och trigonometri)

Creative Tools har 3D-skannrar för alla möjliga scenarion och vi hjälper dig välja rätt 3D-skanner för dina ambitioner och projekt. Vi demonstrerar gärna tekniken för dig i vårt 3D-labb i Halmstad. Hör gärna av dig till oss om du har fler frågor, funderingar eller önskar att boka in en demonstration.