Как работает 3D‑сканирование: от физического образца до CAD‑модели и чертежей

Для небольших объектов со сложной геометрией, таких как детали устройств, ювелирные украшения, пресс-формы, потребуется 3D-сканер с высоким разрешением.

Объекты среднего размера (0,3–3 м) удобнее сканировать ручными устройствами. Если требуется передать цвет и текстуру поверхности — мы используем оптические 3D-сканеры.

Для больших объектов (2+ м) часто используются ручные 3D-сканеры со встроенной фотограмметрией. Эта технология позволяет минимизировать отклонения в объемной точности и поддерживать корректность оцифровки даже на больших площадях. Фотограмметрия требует хорошего освещения и нанесения на объект специальных меток, которые помогают программному обеспечению точнее собирать модель объекта.

Для действительно крупных объектов — фасадов зданий, коммуникаций, корпусов самолетов, памятников — требуется, чтобы сканер считывал форму на расстоянии до 100–350 метров. В таких случая мы используем 3D-сканеры, работающие по принципу лазерного дальномера.

Прозрачные, полупрозрачные, блестящие, зеркальные, темные, гладкие и однотонные, а также покрытые контрастными узорами поверхности требуют тщательной подготовки, в т. ч. нанесения матирующего спрея для устранения бликов, и/или наклеивания маркеров.

Также на этом этапе объект очищают от загрязнений. Если необходимо, его разбирают, чтобы сканировать по частям. Если возможно, объект перемещают в максимально подходящие условия, т.к. на качество сканирования влияют освещение, влажность и температура воздуха.

Задача этапа. Инженер собирает цифровые данные с поверхности объекта. Они должны быть максимально полными и точными. Продолжительность этапа зависят от поставленной задачи, размеров, геометрии и фактуры объекта, условий окружающей среды. Сканирование может занимать как 5 минут, так и несколько часов.

Инженер направляет 3D-сканер на объект. Когда устройство захватывает данные, специальное программное обеспечение создает облако точек из отдельных координат на его поверхности объекта. Чем правильнее выбран тип 3D-сканера, тем меньше потребуется исправлений и постобработки на следующих этапах.

Когда работа со сканером завершена, инженер визуально проверяет облако точек на полноту данных и устраняет недочеты. При необходимости специалисты Addex проводят дополнительное сканирование отдельных участков с использованием более точного устройства.

Результат работы инженера — цифровая копия объекта в формате облака точек. «Сырое» облако точек — промежуточный этап 3D-сканирования. Его можно использовать только для грубой визуализации.

Задача этапа: очистка и преобразование сырых данных в низкоуровневую цифровую модель, пригодную для самой простой печати.

Один из наиболее популярных видов 3D-моделирования — полигональное. Полигональная 3D-модель (ПМ) состоит из множества мелких компонентов (полигонов), чаще всего треугольников, образующих сетку, которую можно преобразовывать для получения желаемого трехмерного объекта.

1. Генерация полигональной сетки бывает ручной, когда вершины многоугольников редактируются одна за другой, и автоматической, когда программное обеспечение строит сетки на основе указанных значений.
2. Триангуляция — процесс разбивки облака точек на треугольники, из которых затем формируется полигональная сеть.
3. Создание поверхности из триангулированных точек.
4. Оптимизация и упрощение:
- уменьшение числа треугольников при сохранении формы и деталей поверхности;
- сглаживание;
- добавление текстур.
5. ПМ могут требовать дополнительной обработки, например, более тщательной детализации в зонах с высокой кривизной или сложной геометрией.

Цифровой образ нужного объекта в STL-формате, который вы можете:
— самостоятельно доработать в любом популярном 3D-редакторе;
— распечатать на 3D-принтере при условии, что объект был простой формы и его модель не нуждалась в последующей доработке (см. следующий пункт статьи).

Задача этапа. Часто полигональные модели, полученные в результате 3D-сканирования, требуют ручной доработки. Поэтому на данном этапе модель доводится до состояния, когда из нее можно получить качественное, высокоточное изделие. На этом можно остановиться, если вашей целью не является реверс-инжиниринг (если является, то см. также этап 4).

2. Геометрию модели проверяют на ошибки и чистят.
3. Оптимизируют и упрощают сетку путем уменьшения количества полигонов и перестраивания сетки для улучшения топологии, а также настраивают толщину стенок для корректной и прочной печати.
4. Добавляют материалы поддержки. Большинство программ могут генерировать поддержки автоматически, но для сложных участков модели может понадобиться ручная настройка.
5. Настраивают масштаб и ориентацию: модель должна соответствовать размеру печатного объема принтера и находиться в оптимальном положении для печати.
6. Создают структуры заполнения, что важно для прочности модели и экономии материала.

Ниже — пример 3D-печати изделия сразу после 3D-сканирования и из оптимизированного инженерами Addex файла.

Задача этапа. Это необязательный этап, но он необходим, если задачей сканирования был реверс-инжиниринг, т.к. в данном случае модель требует особой доработки.

1. Полигональная модель имеет ограниченную точность и гладкость из-за дискретной природы полигонов. Поэтому при преобразовании важно сглаживать и подгонять полигоны с помощью кривых и поверхностей.

2. CAD-модели разработаны для простого редактирования и управления параметрами, что позволяет легко изменять размеры и формы деталей.

3. Полигональные модели описываются сетками, состоящими из вершин, ребер и граней. CAD-модели представляют объекты с помощью математически определенных поверхностей и объемов. Поэтому преобразование полигональной структуры в поверхность требует переопределения топологии и адаптации к структуре CAD.

4. Полигональные модели не всегда могут быть напрямую использованы в производственных процессах, требующих высокой точности и контроля параметров.
Преобразование в CAD-модель позволяет интегрировать модели в производственные цепочки.

Высокоточную цифровую модель с точными размерами, готовую к производству или созданию документации. Форматы: STEP, IGES и др.

Для сравнения:
слева — результат 3D-сканирования поврежденной детали в формате .stl;
справа — твердотельная математическая модель в формате .step с восстановленной геометрией.

Задача этапа. Получение точного чертежа объекта на основе данных 3D-сканирования.

Часто цель 3D-сканирования — это подготовка точных чертежей для визуализации, анализа и/или документации объекта. Специалисты Addex подготавливают чертежи любого сечения в нужном вам формате — PDF, DWG и пр. Это могут быть чертежи зданий, деталей узлов или конструкций, инженерных систем и многие другие.

Высокоточный чертеж нужного вам формата, готовый для передачи в производство.