Så fungerar 3d-scanning

3d_scanning

En 3d-scanner är en utrustning som analyserar ett fysiskt objekt eller en miljö för att samla in data om form och och möjligt andra egenskaper som färg och textur. Datat kan sedan användas för att skapa digitala tredimensionella modeller.

SÅ FUNGERAR DET
När man scannar med en 3d-scanner skapas ett punktmoln utifrån geometriska mätpunkter på det scannade objektets yta. Dessa punkter kan sedan användas för att extrapolera, alltså en uppskattning av mätvärden, formen på objektet. Denna process brukar definieras som rekonstruktion. Det kan även ingår färginformation i scanningsdatat. Denna är då definierad vid varje mätpunkt.

I de flesta situationer så räcker det inte med en inscanning för att få fram en komplett modell. Det kan krävas upp emot hundra scanningar från flera olika vinklar för att få fram en detaljerad inscanning. Dessa måste samlas i en gemensam fil.

FLERA TEKNIKER
3d-scanning kan utföras med flera tekniker, alla har sina styrkor och svagheter. Vi ska se närmare på de två av de vanligaste teknikerna.

• Time of flight
3d-scannrar baserade på time of flight använder laser för att mäta objekt. Med principen skickar lasern ut en kort puls av ljus och mäter tiden det tar för ljuset att komma tillbaka. Avståndet kan bestämmas genom att vi känner till ljusets hastighet.

Fördelen med time of flight-tekniken är att de kan användas över stora avstånd. Den lämpar sig därför väl för 3d-scanning av stora strukturer, till exempel hus och topografi. Nackdelen är upplösningen. Eftersom ljuset färdas i extremt hög hastighet är det svårt att noggrant mäta tiden det tar för ljuspulsen att färdas från 3d-scannern och tillbaka. Upplösningen ligger därför på millimeternivå.

• Strukturerat ljus
En 3d-scanner baserad på strukturerat ljus skickar ut ljus i ett rutmönster mot ett objekt. 3d-scannern beräknar sedan formen på objektet utifrån hur rutmönstret förändras.

Fördelen med strukturerat ljus är hastighet och precision. Istället för att scanna en punkt åt gången kan man scanna flera punkter parallellt över hela synfältet. Tekniken ger avsevärt bättre upplösning än time of flight, ner på mikrometernivå. Nackdelen är att det är svårt att scanna reflekterande eller transparenta ytor, där ljuset inte får något ”fäste”.

Exempel på polygonmodell.

Exempel på polygonmodell.

DIGITALA MODELLER
Scanningsdata konverteras i de flesta fall till en redigerar modell, alltså en digital fil. Det finns flera typer av modeller, beroende på användningsområde.

• Polygonmodeller
Dessa är baserade på polygonyta (polygon mesh), där modellen konstrueras utifrån ett stort antal ytor i olika vinklar, tänk discokula. Dessa modeller är användbara för visualiseringar och i viss mån för CAM-arbete. Men filerna är tunga och svåra att redigera.

• Ytmodeller (surface models)
Ytmodeller är istället baserade på ett slags lapptäcke av krökta ytor, som formar själva objektet. Dessa kan vara baserade på olika metoder. En av dessa heter NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline). Denna använder kurvor och ytor för att skapa mjuka övergångar och banor mellan ett antal fasta punkter. Fördelen med NURBS är att den färdiga formen är upplösningsoberoende och kan därför storleksförändras hur mycket som helst utan att kvaliteten försämras. T-Spline är en annan metod, patenterad av Autodesk. Ytmodeller är redigerbara, men bara på ytan, lite som en skulptur.

solidmodell

Exempel på solidmodell.

• Solida modeller
Dessa är bäst för redigering eller konstruktion av komponenter som ska tillverkas. Solidmodellering är något man kan göra i program som Solidworks, AutoCad och IronCad.

APPLIKATIONER
Scanningsdata kan användas för en rad olika applikationsområden, allt från film och underhållning till industridesign och dokumentation av kulturhistoriska föremål.

• Reverse engineering
På svenska används också det något klumpiga uttrycket omvänd ingenjörskonst. Detta är en metod där man tar fysiska objekt, 3d-scannar dessa och arbetar vidare med dem. Datat kan vara en ytmodell eller en solidmodell. Metoden är vanligt förekommande inom tillverkningsindustrin.

• Kulturarv
Kulturhistoriska föremål och arkeologiska fynd är många gånger så sköra eller påverkas av oxidering och UV-ljus att de inte kan exponeras för luft eller dagsljus. I vissa fall handlar det kanske om benbitar som bara kan sammanfogas digitalt. Här är 3d-scanning ett utmärkt verktyg då det även understödjer färgdata. Behöver man få fram en replik av ett föremål går det att 3d-printa den digitala modellen.

Ett svenskt exempel inom detta applikationsområde är en 3d-scanning som gjordes av mumien Neswaiu och en guldamulett som låg dold i hans svepning. Neswaiu finns på Medelhavsmuséet i Stockholm. Projektet genomfördes av Interactive Institute Swedish ICT vid Visualiseringscenter C i Norrköping, Autodesk och CMIV. Läs mer om detta kundfall här.

• Medicinsk teknik
3d-scanning inom vården används främst för dentala applikationer och ortopedi. Genom att scanna höftleder och skadade tänder går det att konstruera ersättningar som är helt skräddarsydda för patienten. Läs mer om 3Shape, ett danskt företag som utvecklar scannerlösningar för dentalbranschen.

• Kvalitetskontroll & inspektion
3d-scanning kan också användas för geometrisäkring och kvalitetskontroll av producerade komponenter, vare sig de är 3d-printade eller framtagna med traditionell tillverkningsteknik. Det förekommer alltid variationer i olika utsträckningar i all tillverkning och produkter måste kontrolleras, i synnerhet om det handlar om metallkomponenter. Genom att 3d-scanna en komponent och jämföra med det digitala originalet går det att utvärdera avvikelseproblem. Denna process brukar kallas för CAD Compare.

LEVERANTÖRER & UTRUSTNING
Här är en kortare och långt ifrån fullständig lista över leverantörer, deras utrustning samt svenska återförsäljare. Mindre 3d-scannrar för konsumentbruk ligger på runt 10 000 kronor, men för en proffsscanner som ger hög upplösning måste du upp i ett par hundratusen kronor.

3D Systems
• Geomagic Capture
• Geomagic Sense
Säljs i Sverige av 3D Center och Solidmakarna.

Artec
• Artec EVA
• Artec Spider
Säljs i Sverige av Teddy Larsson och Creative Tools.

Creaform
• Go!Scan
• HandyScan
• MetraScan
Säljs i Sverige av MLT och Creative Tools.

David
Structured Light Scanner SLS-1
• Structured Light Scanner SLS-2
Säljs i Sverige av Creative Tools.

Fuel 3D Technologies
• Fuel 3D
Säljs i Sverige av Creative Tools.

GOM
• Atos Compact Scan
• Atos Core
• Atos Core
• Atos Triple Scan
Säljs i Sverige av Cascade.

LMI Technologies
• HDI Advance
• HDI 100

Makerbot
• Makerbot Digitizer
Säljs i Sverige av Creative Tools och Protech.

 

 

En kommentar till “Så fungerar 3d-scanning”

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *