Právě třeba archeologie je příkladem obrovského přínosu 3D skenování k záchraně a rekonstrukci unikátních předmětů mnohdy nevyčíslitelné hodnoty. Ale pojďme zpátky k průmyslové výrobě, kde 3D skenery jsou stále více součástí užitečných aplikací. Můžeme vyjmenovat například tyto:

• Kontrola kvality – S pomocí 3D skenerů lze rychle identifikovat odchylky reálného produktu od CADových dat.
• Reverzní inženýrství – S využitím 3D skenování lze vytvořit koncept kompletního modelu v CADu či upravovat jeho jednotlivé části.
• Analýza konečných prvků – Poskytuje spolehlivá 3D data pro analýzu konečných prvků (FEA) a proudění (CFD) k vyřešení složitých výrobních problémů.
• 3D vizualizace – Umožňuje realizovat 3D modelování pro využití v systémech virtuální a rozšířené reality.
• Produktový vývoj – Zde 3D skenery generují přesná 3D data ke zvýšení efektivity procesů návrhu, výroby, montáže a kontroly kvality.
• 3D tisk – Zjednodušují procesy pro přípravu 3D tisku.
• Automatizovaná 3D inspekce – Umožňují automatizovanou inspekci dílů v reálném čase, která poskytuje zpětnou vazbu k efektivnější výrobě.

Kritéria výběru správného skeneru

Stejně jako u 3D tiskáren, tak i u 3D skenerů platí, že každé zařízení má své přednosti či limity a s jedním skenerem nelze provádět všechny projekty. Některé skenery používají strukturované světlo, jiné zase modré lasery či infračervené paprsky. Některé skenery vyžadují použití zarovnávacích značek, jiné zase nikoliv, liší se výpočetními algoritmy atd.

Proto kromě základního výchozího bodu, tedy rozpočtu, který na pořízení skeneru máme, je dobré si uvědomit účel, pro který budeme data snímat. Od toho se odvíjí požadavky na přesnost skeneru, technologie snímání dat a přenositelnost skeneru, případně možnost jeho propojení s robotem nebo jiným automatizačním systémem. V každém případě je po vlastním provedení výběru skeneru dobré poradit se s odborníkem a předejít omylům.

1. Rozpočet

3D skenery je možno pořídit v cenovém rozsahu od několika tisíc do několika milionů korun. Při výběru je nutné mít na paměti, že kromě hardwaru se pořizuje i příslušný skenovací software. Většinou platí, že dražší skener má software, který je uživatelsky pohodlnější, má větší množství funkcí a jeho algoritmy fungují lépe a rychleji než u modelů levnějších. Nicméně ani zde to neplatí vždy, a naopak je vždy lepší se informovat a zjistit, co by konkrétním požadavkům mohlo lépe vyhovovat.

Protože se jedná o sběr velkého množství dat a jejich následné zpracování, je vhodné si rovněž ověřit hardwarové nároky softwaru a kompatibilitu s PC nebo notebookem, který bude pro skenování využíván. Především se může jednat o kompatibilitu softwaru s typem grafické karty, vývojáři mohou například vyladit software pro práci s grafickými kartami Nvidia a s jinými kartami nepůjde vůbec spustit.

2. Velikost a složitost povrchu skenovaných objektů

Je možné si vybrat ze široké škály druhů skenerů a správná volba záleží na typu a velikosti objektů, které se mají skenovat. Jedno z prvních rozhodnutí by tedy mělo být, zda bude lepší skener statický, nebo ruční.

Statické skenery lze pořídit v různých velikostech ve dvou základních provedeních. V prvním případě je skener namířen na objekt / otočný stolek, pomocí kterého je díl naskenován ze všech stran, poté je nutné zásahem operátora změnit uložení dílu a opakovat skenování z jiných úhlů, dokud se nedosáhne požadovaného výsledku. Ve druhém případě je skener umístěn k objektu (případně dovnitř) a skenování probíhá pomocí jeho rotační hlavy, v závislosti na členitosti objektu je nutné opakovat skenování i z jiných pohledů. U průmyslových typů je většinou možné propojení s robotickým nebo jiným automatizačním systémem, který umožní skenování a měření bez nutnosti vnějšího zásahu operátora. Průmyslové statické skenery dosahují přesnosti až 0,007 mm.

Zachycení detailů objektů pomocí ručních skenerů je jednodušší a rychlejší, celý výsledek však závisí na zkušenostech a zručnosti operátora. Ruční skenery většinou používají pro zarovnání naskenovaných dat reflexní zarovnávací značky, pomocí kterých jsou data zarovnána s požadovanou přesností. Další přesnou možností je použití skenerů s optickým trasovacím systémem, kdy kamery snímají objekt a skener zároveň, vyhodnocují v reálném čase jeho pozici a zarovnávají nasnímaná data. Zarovnáním snímků pomocí těchto technologií je možné dosahovat přesnosti až 0,02 mm. Ruční skenery jsou dále schopny zarovnávat nasnímaná data pomocí nasnímaných geometrických tvarů, případně textury, nicméně zde se přesnost pohybuje okolo 0,1 mm.

Rychlost pořízení dat rovněž závisí na zorném poli skeneru a rychlosti algoritmů příslušného softwaru. Levnější skenery mají většinou menší zorné pole a častěji se během skenování „ztratí“, je tedy nutné se vrátit na část objektu, který je již naskenován, počkat, až se obraz znovu zarovná, a pokračovat dále. To může být u rozměrnějších objektů časově náročnější.

3. Použití naskenovaných dat

Jeden z nejčastějších důvodů pořizování 3D skenu objektu je jeho plánovaný 3D tisk. U málo členitých objektů není s naskenováním problém. Častým příkladem zákaznických dotazů na zakázkový sken je vytvoření duplikátu poškozené plastové části vybavení domácnosti (páčky, madla, držáky). Tyto objekty jsou většinou velmi členité a skenery nejsou schopny naskenovat hluboké drážky nebo složité tvary, a ve skenu zůstanou díry (místa, kam skener neviděl). Téměř všechny skenovací softwary umožňují vodotěsné uzavření těchto děr, čímž připraví data pro 3D tisk.

Je ale nutné si uvědomit, že software dopočítává chybějící data podle sousedící geometrie, to znamená, že čím větší je oblast chybějících dat, tím pravděpodobněji dojde k nepřesnosti dopočítaných tvarů. Pokud by k tomuto mělo dojít ve funkční oblasti dílu, je nezbytné vytvořit 3D model pomocí reverzního inženýrství. Tím se většinou cena pořízení takového duplikátu vyšplhá na několik tisíc, což je pro několikacentimetrový díl nemyslitelné. Řešením může být použití dražšího laserového skeneru, který má schopnost naskenovat i hluboké otvory, nebo použití dotekové sondy na přesné změření hlubokých otvorů a zjednodušení reverzu.

Další časté použití naskenovaných dat je kontrola kvality. V tomto případě je na místě použití dražších průmyslových skenerů s vysokou přesností. Velmi často je využita možnost automatizace pomocí robotů nebo jiných automatizačních systémů a příslušného softwaru.

U prototypu dílu, který je plánován pro sériovou výrobu, se využívá 3D skenování pro převedení rozměrů a tvarů do elektronické podoby a tvorba CAD dat a technické dokumentace. Zde je opět na místě použití průmyslového skeneru a příslušného softwaru pro reverzní inženýrství.

Čím dál tím častěji se 3D sken využívá ke skenování osob, a to z nejrůznějších důvodů. Je možné pořídit skenery určené přímo pro tento účel, většinou se jedná o ruční skenery s rychlým sběrem dat, pro člověka je velmi obtížné vydržet dlouhou dobu bez hnutí. Tyto skenery mají nižší přesnost než skenery průmyslové, nicméně pro účely skenování osob je přesnost okolo 0,1 mm více než dostačující.

Ideálně otestovat ještě před koupí

Z výše uvedeného vyplývá nezbytnost ujasnit si základní informace a požadavky a otestovat schopnosti jednotlivých skenerů ještě před koupí. Není dvakrát moudré pořizovat levnější skener k projektům, na které pak v praxi nestačí. Ale výjimkou nejsou ani případy koupě zbytečně drahého skeneru k jednoduchým či jednorázovým úkolům, kdy návratnost investice se v reálu blíží nule. V případě jednorázových úkolů je pak lepší se obrátit na poskytovatele 3D skenovacích služeb.

Filip Schneider Autor článku je specialista na 3D skenování ve společnosti Elvira|Abc3D.