3D-Scanning

Was ist 3D-Scanning?

Bevor Sie mit dem 3D-Drucken beginnen, benötigen Sie immer ein 3D-Modell. Und obwohl diese auf unterschiedliche Weise erworben werden können, z. B. durch Herunterladen eines Modells von speziellen Plattformen oder durch Entwerfen eines Modells mit einer der vielen verschiedenen 3D-Modellierungssoftware auf dem Markt, ist es auch möglich, ein Modell aus einem realen Objekt zu erstellen. Wie das geht? Durch 3D-Scanning.

Definiert als „Prozess der Analyse eines realen Objekts oder einer Umgebung, um dreidimensionale Daten einer Form oder eines möglichen Aussehens zu sammeln“, hat das 3D-Scannen in den letzten Jahren immer mehr an Beliebtheit gewonnen, sei es mit einem echten Scanner oder sogar mit speziell entwickelten Apps auf einem Smartphone. Der Vorteil gegenüber der herkömmlichen Modellierung ist, dass ein Objekt perfekt digital erfasst werden kann, so dass es anschließend in 3D gedruckt werden kann.

Wie läuft das Verfahren ab?

Wie zu erwarten, ist der erste Schritt eines jeden 3D-Scanvorgangs die Anschaffung eines Werkzeugs, mit dem er durchgeführt werden kann. In den meisten Fällen ist dies ein 3D-Scanner. Diese gibt es in einer Vielzahl von Formen, mit Modellen für Profis und Amateure, um unterschiedlichen Bedürfnissen gerecht zu werden. Zu den gängigen Geräten gehören tragbare Scanner, Desktop-Scanner und sogar Ganzkörperscanner. Darüber hinaus können die Benutzer zwischen Scannern mit großer Reichweite (zur Erfassung der Geometrie großer Objekte wie Gebäude) und 3D-Scannern mit geringer Reichweite (am besten geeignet für kleinere Objekte, die ein höheres Maß an Genauigkeit erfordern) wählen.

Alle 3D-Scanner verwenden eine Art von Sensor, sei es ein physischer Taster, ein Laser oder Licht, um den Abstand zwischen einer Kamera und einem Objekt zu messen. Dies wird zur Identifizierung von 3D-Punkten mithilfe der Triangulation verwendet, d. h. der Bestimmung der Position eines Punktes durch die Bildung von Dreiecken zu diesem Punkt aus bekannten Punkten. Diese wiederum bilden eine Punktwolke, die dann vernetzt wird, indem die Punkte der Punktwolke aus einer Sammlung von Scheitelpunkten und Flächen mit unterschiedlicher Komplexität je nach den Bedürfnissen des Benutzers verbunden werden. Die vernetzte Wolke wird zum 3D-Modell, das aus Flächen besteht. Die wichtigsten Schritte beim Scannen sind im Allgemeinen die Datenerfassung, die Datenverarbeitung und -veredelung sowie der Export. Damit die Datei für den 3D-Druck geeignet ist, muss die Punktwolke außerdem von einer speziellen Software zum Lesen von Netzen gelesen werden, z. B. MeshLab.

Obwohl man leicht glauben kann, dass Scannen so einfach ist wie das Einschalten des Scanners und das Erfassen des Objekts, ist das nicht wirklich der Fall. Es gibt verschiedene Überlegungen, die für einen erfolgreichen Scan beachtet werden sollten. Diese müssen nicht bei jedem Scanvorgang beachtet werden, aber viele Schritte sind unerlässlich.

Zunächst sollten 3D-Scanner kalibriert werden, um ihre Genauigkeit zu gewährleisten. Dann sollten Sie sicherstellen, dass das betreffende Objekt in geeignetem Licht steht. Wenn der Scanner eine sichtbare Laserlichtlinie verwendet, ist das Scannen im Freien möglich, aber jeder Scanner, der unsichtbares Infrarotlicht verwendet, muss in Innenräumen verwendet werden. Eine weitere Überlegung ist die Verwendung von Markern, die zur Erstellung eines nahtlosen Modells beitragen können. Schließlich müssen glänzende oder transparente Objekte mit einem Mattierungsspray beschichtet werden, damit der Scanner verwendet werden kann.

Unterschiedliche Arten von 3D-Scanning

3D-Laserscannen

Das 3D-Laserscannen ist eine der am weitesten verbreiteten 3D-Scantechnologien und als solche diejenige, der Sie am häufigsten in verschiedenen Anwendungen wie Landvermessung, Forensik und Denkmalschutz begegnen. Wie der Name schon sagt, wird ein Laserlicht verwendet, um eine digitale Darstellung des Objekts zu erhalten, wobei ein Laserpunkt oder eine Linie auf ein Objekt projiziert wird, um die Entfernung zur Oberfläche des Objekts zu messen. Diese Daten können dann in ein trianguliertes Netz umgewandelt werden. Scanner, die diese Technologie verwenden, sind für ihre Fähigkeit bekannt, extrem feine Details zu messen und Freiformformen in hochpräzisen Punktwolken zu erfassen.

3D-Scan mit Streifenprojektion

Ähnlich wie das Laser-3D-Scannen nutzt auch der 3D-Scan mit Streifenprojektion das Prinzip der Triangulation, um das 3D-Modell des Objekts zu erstellen. Allerdings arbeitet diese Technologie mit einer Reihe von parallelen Mustern, die über eine Lichtquelle auf das Objekt projiziert werden, zum Beispiel Gitter oder Streifen. Kameras sind dann in der Lage, die Verformung dieses Musters zu erfassen, um die Form des Objekts zu bestimmen.

Photogrammetrie

Im Gegensatz zum 3D-Laserscanning, bei dem Laser und Entfernungen genutzt werden, um ein 3D-Modell zu erstellen, basiert die Photogrammetrie auf einer Vielzahl von Fotos, die zusammengenommen das Design des Objekts aus verschiedenen Blickwinkeln extrapolieren können. Diese Technologie ist zwar wesentlich ungenauer als das Laserscanning, aber viel zugänglicher, da sie oft sogar mit einem Telefon durchgeführt werden kann. Wenn auch eine gute Photogrammetrie-Software verwendet wird, können Sie mit einem guten Ergebnis rechnen. Sie ist geeignet, wenn die Genauigkeit für Ihren Entwurf weniger wichtig ist, sowie für große Objekte oder Szenen. Und es gibt heute eine Reihe verschiedener Photogrammetrie-Software für alle Niveaus.

Andere 3D-Scanner

Es ist anzumerken, dass die drei oben genannten Verfahren zwar am häufigsten beim 3D-Druck verwendet werden, aber nicht die einzigen verfügbaren Scantechnologien sind. Im Gesundheitswesen ist beispielsweise eines der am häufigsten verwendeten Scanverfahren die computergestützte Topografie oder CT-Scans, die bei der Verwendung von AM-Technologien zur Erstellung chirurgischer Modelle nützlich sind. Darüber hinaus kann die berührungsbasierte 3D-Scantechnologie, bei der Taster zur Bestimmung des Objekts verwendet werden, für Objekte, die sich während des Scannens bewegen, nützlich sein. Das auf Laserimpulsen basierende 3D-Scannen oder Time-of-Flight-Scannen schließlich erstellt Scans unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit und von Sensoren, indem es die Zeit misst, die ein geworfener Laser braucht, um ein Objekt zu erreichen und über die Reflexion zurückzukommen.

Vorteile und Anwendungen von 3D-Scans

Nachdem Sie nun ein grundlegendes Verständnis davon haben, was 3D-Scannen ist und wie es funktioniert, ist die nächste Frage, die es zu beantworten gilt, warum und wann es eingesetzt werden sollte. Wie bereits erwähnt, kann 3D-Scannen in einer Vielzahl von Anwendungen und Sektoren eingesetzt werden. Einige der am häufigsten genannten sind die Fertigung (vor allem für unsere Zwecke mit 3D-Druck), Architektur, Kulturerbe, Gesundheitswesen und sogar Unterhaltung.

3D-Scannen ist eine gute Wahl für alle, die schnell und genau ein 3D-Modell erstellen müssen, das ein reales Modell darstellt. 3D-Scans werden beispielsweise häufig für die Erstellung digitaler Zwillinge oder beim Reverse Engineering eingesetzt. Mit digitalen Zwillingen ermöglichen 3D-Scans ein vollständig präzises Modell, das in Echtzeit verfolgt und interaktiv genutzt werden kann. Gleichzeitig wird das Reverse Engineering häufig zur Herstellung von Ersatzteilen eingesetzt, wofür die additive Fertigung besonders gut geeignet ist.

Aber unabhängig davon, wie Sie das 3D-Scanning nutzen möchten, ist es unbestreitbar, dass es in Kombination mit dem 3D-Druck äußerst interessant ist. Indem man reale Modelle mit der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des 3D-Drucks verbindet, können Teile hergestellt werden, von denen man mit klassischeren Technologien nicht einmal träumen kann. Darüber hinaus kann das 3D-Scannen, auch wenn viele dabei nur an die Erstellung von CAD-Modellen denken, auch für die Qualitätskontrolle nach der Herstellung eines Teils verwendet werden – ein Schritt, der angesichts der Industrialisierung der Technologien für 3D-Druckteile immer wichtiger wird.