Vom realen Objekt zum digitalen Projekt

Vorbereitung für den 3D-Scan

Von winzigen Schrauben bis hin zu ganzen Flugzeugen: Das 3D-Scan-Verfahren eignet sich grundsätzlich für Objekte jeder Größe. Angesichts der Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten von 3D-Scannern müssen Sie sich zunächst die Parameter vor Augen führen, die für ein optimales Ergebnis relevant sind. Dazu gehören beispielsweise:

• Größe und Abstand zum zu scannenden Objekt: Welcher 3D-Scanner ist geeignet? Wird im Nah- oder aus dem mittleren oder sogar dem Fernbereich gescannt?
• Scan-Strategie: Wie muss das Bauteil gescannt werden, um auch verdeckte Stellen zu erreichen? Benötigen Sie dafür ein mobiles oder ein stationäres Gerät? Und ist eine Vorbereitung der Oberfläche (z.B. mit Kreidespray) notwendig?
• Anwendung: Welche Anforderungen muss der 3D-Scanner in Hinblick auf Auflösung, Präzision und Scandauer erfüllen, um optimale Ergebnisse für die gewünschte Anwendung zu erzielen?
• Nachbearbeitung: Welche Scan-Software wird benötigt? Welche zusätzlichen Arbeitsschritte sind notwendig, um aus den erhaltenen Daten eine druckfähige Datei zu machen?

Ein 3D-Scanner erfasst nur die äußeren Eigenschaften, Hohlräume oder Kanäle innerhalb des Objekts können nicht gescannt werden. Zur Ermittlung der inneren Strukturen kommen weitere Scanverfahren wie die vor allem aus der Medizin bekannte Computertomographie (CT) und die Magnetresonanztomographie (MRT) zum Einsatz.

Beste Ergebnisse erreichen Sie übrigens mit hellen, matten Oberflächen. Dunkle und glänzende Flächen müssen – je nach Leistungsfähigkeit des Scanners – vorab mit einem speziellen Spray oder Pulver zur Mattierung und Aufhellung behandelt werden, um die Lichtdiffusion zu verringern. Die Substanz lässt sich anschließend einfach wieder entfernen.

3D-Scan-Methoden

3D-Scan-Methoden beruhen auf unterschiedlichen Prinzipien der Bildgebung..

3D-Scanner für den Nahbereich arbeiten mit Laser-Triangulation bzw. strukturiertem Licht. Bei der Laser-Triangulation ist die Dreiecksanordnung von Laserquelle, Laserpunkt auf dem Objekt und Kamera entscheidend für die Berechnung der Distanz zwischen Scanner und Objekt. Dafür projiziert der Scanner eine Laserlinie oder einen einzelnen Laserpunkt auf das Objekt, der Sensor erfasst die Reflektion und berechnet den Abstand anhand der empfangenen Daten. 3D-Scanner mit Laser-Triangulation sind häufig als mobile Einheit in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Sie sind weniger empfindlich gegenüber Umgebungslicht, dafür aber auch weniger exakt.

Auch 3D-Scanner mit strukturiertem Licht arbeiten auf Basis der trigonometrischen Triangulation. Anstelle einer Laserlinie wird jedoch ein linienförmiges Muster auf das Objekt projiziert. Der Scanner erfasst die für die Berechnung relevanten Daten durch die Untersuchung der Kanten des projizierten Musters. 3D-Scanner mit strukturiertem Licht liefern in der Regel präzisere Ergebnisse in höherer Auflösung, sind dafür allerdings auf das Umgebungslicht und Oberflächenvorbereitung angewiesen.

3D-Scanner für den mittleren und Fernbereich basieren auf Impulslaufzeit- oder Phasenverschiebungs-Verfahren und erreichen dadurch Brennweiten von mehreren Metern. Laserpuls-basierte 3D-Scanner arbeiten nach dem Prinzip des “Time of flight”, also der Lichtgeschwindigkeit. Das System berechnet die Daten ausgehend von der Zeit, die Millionen von Laserimpulsen brauchen, um das Objekt zu erreichen und zum Sensor zurückzukehren.

Noch eine Spur präziser ist die Phasenverschiebungs-Methode. Sie funktioniert ähnlich wie Laserpuls-basierte Systeme. Hier fließt jedoch zusätzlich die Leistung des Laserstrahls in die Berechnung mit ein, die sogenannte Phasenverschiebung, also ein Vergleich der Phase des Aussendens des Lasers mit der Rückführung des Lasers zum Sensor. Laserpuls-basierte 3D-Scanner sind im Vergleich zu 3D-Scannern mit Laser-Phasenverschiebung weniger schnell und genau, eignen sich dafür jedoch sowohl für den Fern- als auch den mittleren Bereich, während die Phasenverschiebung ausschließlich bei mittleren Entfernungen zum Einsatz kommt.

Die ermittelten Daten werden in Form einer Punktewolke ausgegeben. Aus den Punkten werden Linien und/oder Kurven erzeugt. Daraus entstehen Flächen (Polygone), die schließlich ein Polygonnetz bilden. Das erzeugte Flächenmodell kann als druckbare Datei exportiert werden.

Datenoptimierung

Die ermittelten Daten können im nächsten Schritt exportiert und als CAD-Modell ausgegeben werden. Dieses können Sie mit Hilfe entsprechender Software weiter bearbeiten und Ihren Anforderungen entsprechend modellieren. Vor dem Druck bieten sich gegebenenfalls einige Arbeitsschritte zur Datenoptimierung an:

• Bildpositionierung
  In Abhängigkeit vom Scan-Verfahren werden die einzelnen Bilder von unterschiedlichen Positionen erfasst. Gegebenenfalls ist eine manuelle oder automatische Positionierung von Elementen notwendig, um die Rekonstruktion zu optimieren.
• Entfernung parasitärer Elemente
  Durch Lichtverhältnisse, ungewollte Spiegelungen auf der Objektoberfläche oder Bewegungen des Scanobjekts können Flächen erzeugt werden, die real nicht vorhanden sind. Diese können in der Scansoftware entfernt werden.
• Reduzierung von Details
  Der 3D-Scanner erfasst eine Vielzahl an Punkten. Die Datenmenge ermöglicht eine hohe Scanqualität und Detailgenauigkeit. Je nach Einsatzzweck und Druckerleistung kann es jedoch ratsam sein, die Details zu reduzieren und damit die Druckauflösung zu verbessern.
• Reparaturen/Auffüllen von Löchern
  Jedes 3D-Modell muss über ein geschlossenes Polygonnetz verfügen, um gedruckt werden zu können. Sind im Rahmen des Scannens Strukturen verloren gegangen und dadurch Löcher entstanden, können diese in der Software manuell oder automatisch repariert werden.
• Glätten
  3D-Software verfügt über Funktionen wie “Glätten” oder “Smooth”. Diese sorgt für die Ebnung der Oberflächen des Bauteils.

Der daraus entstehende Konstruktionsplan kann angepasst und zur Fertigung einer beliebigen Anzahl von Repliken verwendet werden – ein starker Vorteil, den schon die Industrie für Herstellungsprozesse und Qualitätsmanagement gewinnbringend nutzt. Die Rekonstruktion auf Basis eines realen Bauteils spart damit Zeit und Kosten gegenüber der herkömmlichen Methode, da kein komplettes CAD-Modell modelliert werden muss.

Auch Sie wollen die Vorteile des 3D-Scans zur Optimierung Ihrer Arbeitsprozesse nutzen? Dann sprechen Sie uns an! Wir sind Experten auf dem Gebiet der 3D-Technologie und beraten Sie ausführlich hinsichtlich Ihrer Optionen und der für Ihren Zweck geeigneten Verfahren.