10 Gründe, warum 3D-Scannen für 3D-Druck nützlich ist
3D-Scannen ist ein Prozess, bei dem Form und Abmessungen von realen Objekten oder Umgebungen erfasst werden, ohne dass diese berührt oder gar zerstört werden. Aus den von Lasern und Kameras gesammelten Daten können im Anschluss dann hochpräzise 3D-Modelle für diverse Einsatzgebiete erstellt werden. Bevor wir zu den konkreten Anwendungen kommen, bei denen sich 3D-Scanning als äußerst nützlich erweist, werfen wir einen kurzen Blick darauf, wie der Scan-Vorgang eigentlich funktioniert.
Der Scan selbst kann durch verschiedene Technologien und Geräte erfolgen, auf welche wir noch genauer eingehen werden. Unabhängig von der Technologie muss der Scan von unterschiedlichen Positionen und Blickwinkeln aus durchgeführt werden, um ein umfassendes Datenmodell des Gesamtobjekts zu erhalten. Diese Daten dienen CAD-Technikern dann, anhand der Daten 2D-Zeichnungen oder 3D-Modelle zu erstellen. Die Modelle können dann zur Analyse, zur Entwurfsplanung, zur Kontrolle, zur Archivierung oder zur Erstellung neuer Objekte verwendet werden– die Einsatzgebiete für 3D-Scans sind in der Tat vielfältig! Werfen wir daher einen genaueren Blick darauf, warum Sie 3D-Scannen in Erwägung ziehen sollten und welche Vorteile 3D-Scannen für den 3D-Druck birgt.
Bild: Formlabs
#1: Ausführungen für jeden Anwender
3D-Scanner sind bildgebende Geräte, welche durch die Messungen eines realen Objekts ein virtuelles 3D-Modell davon erstellen. Die Geräte nutzen dabei verschiedene Technologien. Der Scan-Vorgang kann zum Beispiel durch Laserscanner, dem Scannen mit strukturiertem Licht oder auch durch Photogrammetrie erfolgen. Laserscanner nutzen meist die LiDAR Technologie (Light Detection and Ranging), dabei werden gepulste Lichtwellen ausgesendet, welche von den zu scannenden Objekten reflektiert werden. Eine Software ordnet die gewonnen Daten ein und anhand der erhaltenen Datenpunktwolken entstehen die 3D-Modelle.
Beim Scannen mit strukturiertem Licht strahlt der Scanner das zu scannende Objekt in einem kalibrierten Lichtmuster ab. Trifft dieses Muster auf Objekte, verzerrt es sich, wodurch die Konturen des Objekts erfasst werden können. Bei der Photogrammetrie wird das Objekt durch fotografische Bilder erfasst, gemessen und interpretiert. Je nach Anforderungen und Einsatz gibt es 3D-Scanner nicht nur mit verschiedenen Technologien, sondern auch in verschiedenen Ausführungen. Es kann sich dabei um tragbare Handscanner handeln, um Desktop-Scanner, Scanner für großformatige Objekte oder auch Scanner-Apps am Smartphone. Der Markt ist so umfangreich, dass sowohl Hobby-Maker als auch professionelle Nutzer auf ihre Kosten bringen, denn 3D-Scanning lässt sich einerseits für kleinere Projekte nutzen, andererseits in größere Produktions-Abläufe wie den AM-Workflow integrieren.
Bild: Sculpteo
#2: Genauigkeit
Das 3D-Scannen ermöglicht das präzise und umfassende Erfassen von Daten. Diese Daten weisen eine umfangreichere Tiefe als Wörter oder Skizzen auf, um ein Objekt darzustellen. In der Regel sind diese Daten korrekt, können aber je nach Kalibrierung des Scanners und der verwendeten Technologie variieren. Durch den Scan aus verschiedenen Positionen können auch umfassende Daten zur Form, versteckte Merkmale und feine Details gesammelt werden. Das trägt dazu bei, genaue Punktwolkendaten zu erhalten, die zu einem präzisen Modell für Analyse, (Re-)Konstruktion und Visualisierung genutzt werden können. Obwohl die Datenerfassung sehr genau ist, müssen die Nutzer und CAD-Ingenieure das Datenmodell prüfen. Dies ist besonders wichtig, wenn anhand der gewonnenen Daten ein neues Objekt gefertigt werden soll und das 3D-Modell beispielsweise für den anschließenden 3D-Druck verwendet wird, da so bereits Fehlern im Druck vorgebeugt werden kann.
#3: Effizienz
Die vorherigen Punkte münden auch in einen effizienten Scan-Vorgang und eine schnelle Datenerfassung. Anders als bei herkömmlichen Messtechnologien, welche Koordinatenmessgeräte, Handwerkzeuge etc. erfordern, ist Scannen weniger mühsam und zeitaufwändig. Ganz im Gegenteil! Schon in sehr kurzer Zeit können durch 3D-Scannen viele Informationen gesammelt werden. Ein einziger, leistungsfähiger Laserscan kann in wenigen Sekunden beispielsweise Millionen von 3D-Datenpunkten erfassen. Indem die gesamten Daten beim ersten Scan eingeholt werden können, sind auch keine weiteren Besuche eines Standorts nötig. All dies trägt zur schnellen Erstellung eines 3D-Modells bei, welche wiederum dazu dienen, Projekte und Entscheidungsprozesse zu beschleunigen.
Bild: 3DSpace
#4: Kosteneffizienz
Zeit ist Geld, was uns direkt zum nächsten Punkt führt: die Kosteneffizienz. Die Messung selbst kommt mit weniger Iterationen und daher Zeit und Arbeit aus. Das macht 3D-Scannen auch zu einer kostengünstigen Alternative zu anderen Messtechnologien. Dies ist vor allem dann ein großer Vorteil, wenn der Scan in einen kostspieligen Produktions-Workflow eingebettet ist, wie die industrielle additive Fertigung.
Durch die oben angeführte Genauigkeit des Scanners können von Anfang an Fehler, Konflikte und Nacharbeiten in einer Entwurf- oder Bauphase reduziert werden, die alle Arbeitszeit und schlussendlich Kosten sparen. Natürlich haben hochwertige, professionelle Scan-Geräte einen nicht zu vernachlässigenden Anschaffungspreis, bei vermehrter Nutzung lohnt sich die Investition aber auf jeden Fall. Wie erwähnt, gibt es Scanner in verschiedenen Ausführungen für unterschiedliche Anwendungen und auch in diversen Preisklassen, so auch preiswerte 3D-Scanner. Scanner-Apps sind manchmal sogar kostenlos und werden häufig von Architekten und Innendesignern oder Makern genutzt. Generell ist die Bedienung von 3D-Scannern sehr intuitiv und es sind keine teuren Schulungen zur Einführung in die Technologie nötig.
#5: Sicherheit
Beim 3D-Scannen erfolgt die Datenerfassung durch den Scanvorgang ohne direkten Kontakt zum Objekt. Das hat mehrere Vorteile. Zum einen können so wertvolle Artefakte geschützt werden, die beispielsweise für Archivierungszwecke oder wegen anfallender Reparatur oder Replikation gescannt werden. Zum anderen trägt es auch zur Sicherheit der Arbeiter bei, denn mithilfe von Stativen können auch weiter entfernte, schwer zugängliche, oder gar gefährliche Umgebungen mit dem Scanner erfasst werden. Dies betrifft beispielsweise Vermessungszwecke von Chemie- oder Nuklearanlagen oder Gegenden mit instabilem Untergrund.
Bild: Multiviste/Hexagon
#6: Qualitätskontrolle
3D-Scannen kann in zahlreichen Situationen zur Prüfung der Qualität von Bauteilen eingesetzt werden. Schon während der Produktionsphase und dem Prototyping helfen tragbare 3D-Scanner dabei, Ursachen für Probleme beim Design festzustellen. Besonders hilfreich ist 3D-Scanning auch in der Erfassung des aktuellen Status eines Bauteils, das bereits genutzt wurde. So kann der Ist-Zustand eines Teils festgestellt werden, der dann mit dem Soll-Zustand – dem Modell – verglichen wird. In weiterer Folge können die Teile entsprechend gewartet werden, sodass die Qualität sichergestellt ist. Wurde ein Teil in der Werkstatt verändert und angepasst, können diese Änderungen einfach per Scan festgehalten werden.
#7: Digitale Modelle
3D-Scannen ist nicht nur einem einzigen Anwendungsfeld vorbehalten. Tatsächlich kann die Technologie in vielen Bereichen sinnvoll eingesetzt werden. Vor allem können Scans zur Dokumentation genutzt werden und die digitalen Modelle archiviert und gespeichert werden. Die Status-Quo-Daten können dann Ausgangspunkt für weiterführende Arbeiten sein oder zur Archivierung dienen. Letztere ist vor allem für Museen und Kunsteinrichtungen vom Vorteil, welche historische Artefakte oder teure Kunstwerke erfassen und sichern wollen. Des Weiteren können die Daten zur Reproduktion von Gegenständen genutzt werden. Mehr und mehr industrielle Unternehmen setzten auf Digitale Zwillinge, auf welche sie zurückgreifen können, wenn diese benötigt werden. Vor allem in Kombination mit dem 3D-Druck wird so die On-Demand-Produktion ermöglicht, welche neben der Produktion vor Ort auch dazu dient, Nachhaltigkeitsziele umzusetzen. In ähnlicher Weise können die Scan-Daten auch für das Reverse Engineering genutzt werden. Die Daten ermöglichen ein umfassendes Verständnis zur Funktion eines Bauteils, das genau so oder in ähnlicher Weise reproduziert werden kann.
Bild: Creaform3D
#8: Personalisierbarkeit
Im Bereich der Medizin und der Konsumgüter bieten 3D-Scan-Daten die Möglichkeit der Personalisierung. Mittels Körperscan können die individuellen Maße einer Person erfasst werden und medizinische Produkte nach persönlichen Bedürfnissen gefertigt werden, man denke dabei zum Beispiel an Orthesen, Prothesen, Schuhe und Einlagen. Ein weiterer Bereich, der explizit aufgezeigt werden sollte, ist die Zahnmedizin, welche danach strebt, passgenaue Implantate und Lösungen anzubieten. So arbeiten viele Zahnarztpraxen bereits mit 3D-Druckern, um dies zu erreichen. Dazu werden allerdings präzise Daten benötigt, welche durch Scanner erfasst werden können. Daraus hat sich ein eigenes Segment an Dental-Scannern ergeben, wo wir intraorale Scanner und Laborscanner finden. Die Kombination aus 3D-Scan und 3D-Druck ermöglicht es Zahnärzten so, schnell, passgenaue medizinische Lösungen zu generieren.
Auch im Bereich der Konsumgüter wird das Prinzip der Customization immer wichtiger, um neue Kunden zu gewinnen oder um sich vom Markt abzuheben. Der Trend hin zu personalisierten Konsumgütern wird durch Technologien wie den 3D-Druck befeuert. Zusammen mit dem 3D-Scan können auf dieses Weise effizient maßgefertigte Produkte geschaffen werden. Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie und wo die 3D-Scan-Technologie eingesetzt werden kann – die Liste der Anwendungen ist lang!
Bild: Digital Dental Lab
#9: Verbesserte Konzeptionsphase und Produktentwicklung
3D-Scans werden häufig dazu verwendet, Objekte als digitale Modelle zu archivieren, oder sie zu reproduzieren. Sie können aber auch als Ausgangspunkt für neue Projekte dienen. In der Designphase können Scan-Daten dazu beitragen, ein neues Konzept zu erstellen und die Designzyklen eines Prototyps zu reduzieren. Teile, die anhand von Scan-Daten entworfen wurden, kommen oft nur mit einem oder gar keinem Prototyp aus. Indem redundante Prototypen vermieden werden, kann die Produktion und Konzeptionsphase auch nachhaltiger gestaltet werden, da weniger Müll anfällt. Die digitalisierten Objekte fördern die Innovation in der Produktentwicklung, tragen dazu bei, kostspielige Fehler zu vermeiden und können die Markteinführungszeit verkürzen. In Kombination mit dem 3D-Druck können diese Phasen zusätzlich optimiert werden, da der 3D-Druck für die nachhaltige und schnelle Produktion von Prototypen bekannt ist.
#10: Kompatibilität mit anderen Technologien
Abschließend zeichnet sich 3D-Scannen auch durch sein gutes Zusammenspiel mit anderen Technologien aus. 3D-Scanning kann einzig und allein mit dem Ziel verwendet werden, Daten zu generieren. Diese Daten können aber nahtlos in Plattformen wie CAD oder BIM integriert werden und bilden den Ausgangspunkt für neue Projekte. Den aufkommenden AR/VR-Technologien liegen häufig Scan-Daten zugrunde, was sich die Unterhaltungsindustrie zunutze macht. Diese Virtuellen Realitäten oder Augmented Reality-Anwendungen stoßen auch in der Spielebranche und im Tourismus auf großen Anklang. Die Scan-Daten können aber auch in einen Produktions-Workflow einbezogen werden. In der additiven Fertigung bietet 3D-Scanning zahlreiche Vorteile, welche die Zeit, die Kosten, Genauigkeit und die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten betreffen. 3D-Scans stehen oft am Anfang eines Workflows und 3D-Scann kann, muss aber nicht als isolierte Technologie betrachtet werden.
Bild: 3Dprintjunction
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*Titelbildnachweis: Skywell
