Qu’est-ce que le LiDAR et comment l’utiliser pour l’impression 3D ? 

Si vous lisez cet article, c’est que vous avez probablement déjà entendu parler du LiDAR et souhaitez en savoir plus sur cette technologie et son fonctionnement. Le LiDAR, acronyme de Light Detection and Ranging ou Laser Imaging Detection and Ranging, est une technique de télédétection de pointe permettant de générer des modèles 3D précis d’environnements ou d’objets. Grâce à sa capacité à collecter des données tridimensionnelles avec une grande précision, il permet de cartographier fidèlement le monde qui nous entoure. Utilisé dans des domaines variés tels que l’archéologie, le bâtiment ou encore l’ingénierie, le LiDAR s’avère également précieux lorsqu’il est combiné à des solutions d’impression 3D. Sa rapidité et sa fiabilité en font aussi un outil clé dans le développement des véhicules autonomes.

Développée dans les années 1960 pour cartographier de grandes étendues de terrain, cette technologie a connu une grande évolution, notamment grâce à l’intégration des systèmes GPS et INS (Inertial Navigation System). Aujourd’hui, elle peut être embarquée aussi bien dans des scanners 3D que dans des imprimantes 3D pour en améliorer les performances. Cet article vous propose d’explorer ce qu’est le LiDAR, son fonctionnement, ses principaux domaines d’application, ainsi que les façons de l’intégrer efficacement dans le processus d’impression 3D.

Qu’est-ce que le LiDAR et comment il fonctionne ?

Comme évoqué précédemment, le LiDAR est une technologie de télédétection qui repose sur l’émission d’impulsions laser pour mesurer la distance entre différents objets et surfaces, dans le but de reconstituer des modèles 3D. Ce système se compose principalement d’un scanner laser, d’un capteur LiDAR et d’un processeur chargé d’interpréter les données. Fonctionnant à l’aide d’un faisceau laser émis à une longueur d’onde spécifique, le LiDAR envoie des millions d’impulsions lumineuses chaque seconde vers les surfaces à analyser. Ces impulsions, une fois réfléchies, sont captées et converties en points par le capteur. L’ensemble de ces points forme ce que l’on appelle un nuage de points, représentant la totalité des informations recueillies au cours du balayage. Le processeur traite ensuite ces données en mesurant le temps de vol (Time of Flight – ToF), c’est-à-dire le temps nécessaire à chaque impulsion pour atteindre un objet puis revenir au capteur. À partir de ces données temporelles et des angles d’émission horizontaux et verticaux du laser, le système calcule les coordonnées tridimensionnelles (XYZ) de chaque point. Grâce à la densité et à la précision de ces points, il est possible d’obtenir une représentation 3D très détaillée de l’environnement ou de l’objet scanné.

Les différences entre LiDAR et photogrammétrie

Le LiDAR et la photogrammétrie partagent le même objectif, à savoir la détection et la cartographie tridimensionnelle d’objets ou de lieux, mais ils fonctionnent selon des principes différents. La photogrammétrie est une technique qui permet de créer des modèles 3D en utilisant des photographies bidimensionnelles prises sous différents angles. Elle extrait des données 2D à partir d’images et les convertit en un modèle numérique 3D. En revanche, le LiDAR repose sur l’utilisation d’un faisceau laser pour cartographier un environnement ou un objet, générant un nuage de points qui sert ensuite à construire un modèle 3D. En ce sens, le LiDAR est plus similaire à un scanner 3D à lumière structurée qu’à la photogrammétrie.

La photogrammétrie utilise des caméras et la lumière naturelle pour effectuer ses relevés. Bien qu’elle puisse offrir des résultats très détaillés, la précision des données obtenues dépend fortement des conditions lumineuses au moment de la prise de vue. Par exemple, les surfaces réfléchissantes ou transparentes peuvent poser problème. De plus, la qualité du modèle 3D créé par photogrammétrie peut varier en fonction de la résolution des images et du nombre de points de vue utilisés lors des prises de photographies.

D’un côté, le système LiDAR se distingue par sa grande précision, notamment pour mesurer des surfaces complexes, même dans des conditions de faible éclairage et de visibilité. À l’inverse, la photogrammétrie est mieux adaptée à la détection d’objets ou d’environnements bien éclairés, tandis que le LiDAR excelle lorsqu’il s’agit de créer des cartographies détaillées de territoires.

En termes de coût, la photogrammétrie est moins chère que le LiDAR, car elle utilise des appareils photo standard. Cependant, cette rentabilité s’accompagne de modèles 3D qui nécessitent souvent un traitement supplémentaire en post-traitement, car ils ne sont pas toujours d’une grande précision. Le modèle 3D généré par le LiDAR, plus précis, ne nécessite que peu, voire aucun, ajustement en post-traitement.

En résumé, la photogrammétrie est une méthode plus simple et économique, mais elle manque de précision, tandis que le LiDAR offre une grande précision, mais au prix d’un coût plus élevé et sans apport visuel. Une alternative au LiDAR pourrait être le scanner 3D traditionnel, qui est plus abordable et permet des détails fins, bien que ces systèmes soient généralement plus lents et moins adaptés à la couverture de grandes surfaces comparé aux technologies LiDAR.

Les types de scanners LiDAR et les applications possibles

Les scanners LiDAR se déclinent en deux catégories principales : les scanners laser terrestres (TLS), qui sont utilisés au sol, et les scanners laser aéroportés (ALS), qui sont installés sur des avions. Les TLS peuvent être soit statiques, soit mobiles. Les scanners statiques sont fixés sur des supports immobiles, comme des trépieds ou des structures fixes, et permettent de réaliser des relevés de haute précision de bâtiments, monuments ou sites. Les scanners mobiles, appelés MLS, sont montés sur des véhicules, comme des machines, et sont particulièrement adaptés pour réaliser des scans à grande échelle et dynamiques, comme ceux des rues d’une ville. Dans certains dispositifs autonomes, tels que les robots aspirateurs, le système LiDAR est monté sur un disque rotatif, ce qui permet au laser de scanner à 360°. Quant aux scanners LiDAR aéroportés (ALS), ils sont installés sur des véhicules aériens, comme des avions, et mesurent le temps de vol des impulsions laser envoyées depuis l’avion, calculant ainsi la distance parcourue entre le sol et le capteur. Ces scanners peuvent aussi être montés sur des drones équipés de systèmes de cartographie et de navigation.

À quoi sert le système LiDAR ? Ce système de télédétection trouve des applications dans divers types de scanners et est utilisé dans de nombreux domaines. Il est fréquemment employé dans les aspirateurs robots pour cartographier les pièces de la maison, détecter celles déjà nettoyées et celles qui doivent encore l’être. Dans les véhicules autonomes, il garantit la précision et la sécurité de la conduite. Sur les iPhones, le LiDAR améliore la mise au point des caméras et rend les applications de réalité augmentée plus réalistes. Il est également utilisé dans les véhicules Google pour cartographier de vastes portions de terrain, en fournissant des données utilisées dans Google Earth. Grâce à l’intégration de capteurs LiDAR dans les iPhones et iPads, des logiciels comme Polycam permettent aux utilisateurs de capturer rapidement et précisément des environnements, des pièces et des sols avec un niveau de détail élevé.

Les imprimantes et les scanners 3D équipés du système LiDAR

Actuellement, la plupart des imprimantes 3D ne sont pas équipées d’un capteur LiDAR intégré par défaut, mais plusieurs solutions et projets expérimentaux cherchent à l’intégrer dans le processus d’impression. Par exemple, le fabricant chinois Creality a récemment lancé la K1 MAX, une imprimante 3D équipée de scanners LiDAR pour détecter les anomalies sur la plaque d’impression. Ce système permet de surveiller non seulement la première couche d’impression, mais aussi les couches suivantes, assurant ainsi une qualité optimale pour la création des modèles. De son côté, Bambu Lab utilise le système LiDAR dans sa série Bambu Lab X1 pour ajuster l’avancement de pression et le débit dans ses imprimantes. Toutefois, si les solutions existantes ne correspondent pas aux besoins spécifiques, il est possible d’intégrer des capteurs LiDAR dans des projets personnalisés ou des solutions hybrides, notamment dans le secteur industriel. En termes de prix, ces solutions commencent à partir de 700 euros, comme pour l’imprimante Creality, et peuvent dépasser les 1000 euros, comme c’est le cas pour la Bambu Lab X1.

Concernant les scanners, plusieurs appareils utilisant la technologie LiDAR sont disponibles sur le marché. Par exemple, le LiDAR 3D FJD Trion P1, qui permet des cartographies intérieures et extérieures, ou encore l’Artec Ray II, capable de scanner de grandes surfaces et des objets jusqu’à 130 mètres. Ces scanners peuvent être achetés sur des plateformes de vente comme Amazon ou directement sur les sites des fabricants. Les prix varient considérablement en fonction de l’utilisation : les capteurs de base coûtent environ 40 euros, tandis que des solutions professionnelles comme l’Artec Ray II peuvent atteindre des prix supérieurs à 90 000 euros.

Les avantages et les inconvénients de l’intégration LiDAR dans l’impression 3D

Commençons par les avantages. Le LiDAR, comme mentionné à plusieurs reprises, est une technologie très précise qui permet d’acquérir des données avec une grande exactitude. Les modèles numériques obtenus sont très fidèles à la réalité et ne nécessitent pas de post-traitement. De plus, ces données sont dynamiques et peuvent être adaptées en fonction des besoins spécifiques. Le feedback fourni par le LiDAR pendant la collecte des données est en temps réel, ce qui permet d’ajuster la production et de fluidifier le flux de travail, contribuant ainsi à améliorer la qualité finale de l’impression.

Cependant, les principaux inconvénients de cette technologie sont liés à son coût, qui peut être élevé, notamment pour les solutions professionnelles. De plus, en raison de la densité des données contenues dans le nuage de points, leur intégration dans des logiciels de CAO pour l’impression 3D peut nécessiter un traitement important. Par ailleurs, bien que des capteurs LiDAR soient intégrés dans des appareils mobiles comme les iPhones ou iPads, leur performance reste souvent inférieure à celle des systèmes dédiés tels que les TLS ou les LiDAR mobiles.

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*Crédits photo de couverture : American Oceans