Beim 3D Scannen wird ein Objekt möglichst vollständig dreidimensional digital vermessen. Es werden sehr viele Punkte von der Oberfläche gleichzeitig erfasst. Hierfür werden spezielle Messsysteme, wie z.B. 3D Scanner, eingesetzt. Beim optischen 3D Scannen wird das Objekt vor dem 3D Scanner oder der 3D Scanner um das Objekt bewegt. Es einstehen viele Einzelscans. Die entstandenen Datensätze werden anschließend so transformiert, dass sie in einem gemeinsamen Koordinatensystem vorliegen.

Nach diesem Schritt (Registrierung, Koordinatentransformation oder Ausrichtung) werden die Punkte zu einer gemeinsamen Punktwolke vereint.

Die Dichte der gemessenen Punkte bestimmt die Auflösung vom 3D Scannen. Das Ergebnis vom 3D Scannen ist ein digitaler Datensatz, der die Geometrie eines Objektes vollständig beschreibt.

Früher war die vollständige 3D-Vermessung eines Objekts nur möglich, indem man es mit einer Messmaschine Zeile für Zeile und sehr geringen Linienabständen abtastete. Heutzutage wird 3D-Scannen hauptsächlich durch optische Verfahren oder Computertomografie durchgeführt.

Die gängigsten 3D-Scan-Verfahren sind:

Laserscannen
Beim Laserscannen wird die exakte Messung der Distanz zwischen dem ausgesendeten Signal und dessen Rückkehr genutzt, um den Abstand zwischen dem Sensor und dem Messobjekt präzise zu bestimmen. Da dabei nur ein Laserstrahl verwendet wird, muss dieser das gesamte Objekt dicht überstreichen, um es vollständig zu erfassen. Messarme oder optisch getrackte Systeme, wie Lasertracker, lenken den Laserstrahl periodisch auf einer Linie aus und bewegen den Messkopf relativ zum Objekt. So entsteht durch das Abtasten in Streifen ein vollständiger 3D-Scan. 360-Grad-Rundumscanner arbeiten, indem sie den Strahl um eine Achse lenken und den Messkopf um eine zweite Achse bewegen. Dadurch können sie alle sichtbaren Flächen des Objekts von einem zentralen Punkt aus in einem Schritt vermessen. Die Genauigkeit von Laserscannern hat mittlerweile beeindruckende Werte erreicht.

Projektionsscannen
Beim Projektionsscannen, auch als Streifen- oder Blue-Light-Scanning bekannt, projiziert ein Projektor codierte Lichtmuster auf das Objekt. Eine versetzt angeordnete Kamera erfasst die zurückgestreuten und durch die Objektgeometrie verzerrten Muster. Eine Software berechnet daraus die 3D-Informationen und erzeugt so ein präzises Abbild des Objekts.

Computertomografie
Bei der Computertomografie wird das Objekt auf einem Drehtisch positioniert und aus verschiedenen Winkeln geröntgt. Aus den unterschiedlichen Grauwerten der Röntgenbilder lässt sich anschließend ein hochauflösendes, vollflächiges 3D-Modell erstellen.

Fotogrammetrie
Hierbei wird aus einer Vielzahl von Objektfotos eine 3D-Geometrie berechnet. In der Industrie spielt Fotogrammetrie heute jedoch kaum noch eine Rolle.

Die Begriffe „Auflösung“ und „Genauigkeit“ werden beim 3D-Scannen häufig miteinander verwechselt, obwohl beide entscheidend für die Qualität eines 3D-Scans sind. Hier sind die Definitionen dieser Begriffe:

• Auflösung: Die Auflösung beim 3D-Scannen beschreibt den Abstand zwischen benachbarten Messpunkten auf einem Objekt. Eine hohe Auflösung zeigt sich durch besonders scharf abgebildete Kanten.
• Genauigkeit: Die Genauigkeit bezieht sich auf die Toleranz, mit der die einzelnen Punkte auf einem Objekt relativ zueinander gemessen werden. Eine hohe Genauigkeit erkennt man zum Beispiel daran, dass ein kalibrierter Prüfkörper gescannt wird und die resultierenden Daten mit den Kalibrierdaten übereinstimmen.

3Dpadelt setzt hochpräzise 3D-Scanner aus der industriellen Messtechnik ein. Unsere Systeme messen mit der maximal möglichen Genauigkeit, die abhängig von der Größe des jeweiligen Objekts ist. Diese Messergebnisse werden häufig in der Qualitätskontrolle verwendet und bieten vollständige, farbcodierte Abweichungsdarstellungen zwischen Ist- und Sollgeometrien.

Hersteller von Scannern und Computertomografen definieren die Genauigkeit ihrer Systeme entweder anhand frei im Raum stehender Zahlen oder gemäß vereinbarter Normen. Üblicherweise beziehen sich diese Angaben auf die Messung von Mittelpunkten oder Flächen definierter Probekörper. Da 3D-Scans extrem viele Messpunkte erfassen, werden Ungenauigkeiten in den Angaben oft übersehen.

Bei der 3D-Vermessung bezieht sich „Genauigkeit“ auf die relative Präzision der gemessenen Punkte zueinander. Die erreichbare Genauigkeit hängt im Wesentlichen von der Größe des zu vermessenden Objekts und dem verwendeten Messverfahren ab. Auch die Vorbereitung der Probe sowie die Lagerung und Temperatur der Teile spielen eine entscheidende Rolle.

Um hochpräzise 3D-Messungen zu erzielen, sind ein exakt temperierter Messraum und ausreichend präzise Aufspannmittel erforderlich.

Die erreichbaren Genauigkeiten sind:

• 3D-Scanmikroskopie: besser als 0,001 mm.
• Taktile 3D-Scans in einer Aufspannung: abhängig von der Objektgröße zwischen 1 µm und wenigen 0,01 mm für Objekte bis zu 2000 mm Kantenlänge. Für Objekte bis ca. 20 mm liegt die Messgenauigkeit bei etwa 2 µm. Bei Objekten von 20 bis 2000 mm beträgt die Genauigkeit etwa 1/10000 der größten Abmessung.
• Messarme mit Laserscannern oder optischen Trackingsystemen: ca. 0,1 mm Genauigkeit.
• 360-Grad-Rundumscanner: ca. 0,3 mm für Objekte mit einer Größe von bis zu 6 m.

Um Passmaße oder Toleranzen eines Objekts zu prüfen, kombiniert 3Dpadelt verschiedene Messsysteme. So können Daten aus dem 3D-Scan mit denen eines Lasertrackers oder einer Koordinatenmessmaschine kombiniert werden. Besondere Sorgfalt bei den Umgebungsbedingungen ist entscheidend, um höchste Genauigkeit beim 3D-Scannen zu erreichen. Das Messobjekt muss ausreichend lange auf eine eng tolerierte Messtemperatur gebracht werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Auch die exakte Aufspannung des Objekts muss definiert werden, um es im gewünschten Zustand zu messen.

Viele Faktoren beeinflussen die tatsächliche Genauigkeit und den Aufwand der Messungen. Deshalb ist es ratsam, zunächst festzulegen, welche Genauigkeit für einen 3D-Scan erforderlich ist, um das optimale Angebot erstellen zu können. Wir beraten Sie gerne darüber, welche Genauigkeit für Ihr 3D-Scanprojekt sinnvoll und wirtschaftlich ist. Zudem bieten wir die vollständige Erstellung von Erstmusterprüfungen sowie eine serienbegleitende Qualitätsüberwachung auf Grundlage unserer präzisen 3D-Vermessungen an.

Beim 3D-Scannen unterscheiden wir zwischen der maximal möglichen und der sinnvollen Auflösung. Technisch ist es möglich, beliebig große Objekte mit einer Auflösung von 0,001 mm zu scannen. In den meisten Fällen sind jedoch andere Auflösungen sinnvoller. Bei einem einzelnen 3D-Scan können bereits bis zu 16 Millionen Messpunkte von der Objektoberfläche erfasst werden. 3Dpadelt optimiert diese Daten, sodass Sie eine hohe Auflösung in Bereichen mit vielen Details und starken Krümmungen erhalten. In Bereichen mit glatten Flächen und wenigen Merkmalen wird die Auflösung entsprechend angepasst.

Wir bieten Ihnen Daten in jeder gewünschten Auflösung, die optimal auf Ihre Anforderungen abgestimmt sind.

Die Auflösung eines 3D-Scans wird immer an die spezifische Aufgabe und den Verwendungszweck der Daten angepasst. Für das Kopieren von Teilen, beispielsweise durch 3D-Druck oder CNC-Fräsen, ist eine Auflösung von 0,1 mm oft ausreichend. Bei der Nachkonstruktion von Teilen wird die Auflösung so gewählt, dass jeder Radius mit mindestens 5 Punkten auf der Verrundung dargestellt werden kann.

Es ist daher wichtig, zunächst zu klären, wofür die 3D-Scan-Ergebnisse benötigt werden. Mit diesem Wissen erstellen wir Ihnen ein Angebot, das die optimale Auflösung für Ihren Zweck bietet – und das zum bestmöglichen Preis. Gerne beraten wir Sie zu Ihrer konkreten Aufgabenstellung.

Die Auflösung beim 3D-Scannen hängt vom verwendeten Messgerät ab und kann je nach Messverfahren in bestimmten Stufen eingestellt werden. Die maximale Auflösung beträgt etwa 1 Million Messpunkte pro mm², was einer Auflösung von 0,001 mm entspricht. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn Oberflächenstrukturen auf Halbleitern oder Mikrostrukturen analysiert werden müssen.

Für die 3D-Vermessung von Schmuck, wie Brillanten oder feinste Kunststrukturen, sowie bei der Vergrößerung von Münzen oder Naturteilen, ist eine Auflösung von 0,01 mm erforderlich. Bei größeren Objekten würde eine derart hohe Auflösung jedoch zu einem enormen Datenvolumen führen. Für die Herstellung von Teilen mittels CNC-Fräsen ist eine Auflösung von 0,03 mm ausreichend, da kleinere Werkzeugradien selten verwendet werden.

3Dpadelt ist spezialisiert auf die Arbeit mit hohen Auflösungen. So haben wir bereits zahlreiche 3D-Scans von Farbstrukturen, Rinden und Holzstrukturen in einer Auflösung von 0,03 mm bis 0,05 mm für Flächen bis zu 15 m² erstellt – und das lückenlos in einem Stück.

Eine so hohe Auflösung erreichen wir durch das Scannen mit einem kleinen Messfeld. Der Gesamtscan entsteht durch das präzise Ausrichten aller einzelnen Scans in einem gemeinsamen Koordinatensystem. Je kleiner das Messfeld, desto mehr Scans sind erforderlich. Die Auflösung ist eine Eigenschaft der Fläche: Um die doppelte Auflösung (also den halben seitlichen Punktabstand) zu erreichen, müssen theoretisch viermal so viele Messungen durchgeführt werden. Tatsächlich sind sogar sechsmal so viele Messungen notwendig, da für das Zusammensetzen der Einzelscans Überlappungen benötigt werden. Dies bedeutet, dass der finanzielle Aufwand bei Verdopplung der Auflösung um den Faktor 6 steigt.

Rauschen bezeichnet die Abweichung von Messwerten gegenüber dem tatsächlichen Wert.

Jede Komponente eines Messsystems weist verfahrensbedingte Unschärfen auf, die zusammen die Streuung der Messwerte bestimmen.

Bevor ein Messsystem bei 3Dpadelt eingesetzt wird, durchläuft es umfangreiche Tests, um dessen Genauigkeit und das Rauschen zu prüfen.

3Dpadelt verwendet nur Messsysteme, die das geringste Rauschen aufweisen. Manche Systeme liefern kaum gefilterte Daten, während andere auf komplexe Glättungsfilter setzen, um die Messergebnisse zu optimieren.

Die geringsten Rauschwerte zeigen Messsysteme, die auf Projektionstechnik basieren. Bei der Auswertung von Messarmdaten oder optisch getrackten Laserscannern tritt neben dem Rauschen des Scannens auch die Genauigkeitsgrenze der Trackingsysteme zutage, die nicht ohne Informationsverlust geglättet werden kann. Diese Faktoren müssen bei der Weiterverwendung der Daten, z.B. im Reverse Engineering, durch geschickte Datenverarbeitung ausgeglichen werden.

Das Rauschen bei Ergebnissen der Computertomografie hängt vom verwendeten Material ab und erfordert eine detaillierte Erklärung.

3D-Scannen von Objekten in unterschiedlichen Größen

Die Wahl des richtigen Messgeräts hängt entscheidend von der Größe des zu scannenden Objekts ab. Bei 3dpadelt stehen verschiedene Verfahren und Messfelder zur Verfügung, um Objekte jeder Größe – von kleinen Münzen bis hin zu großen Yachten – präzise zu scannen. Im Folgenden finden Sie einen Überblick über die verschiedenen Messverfahren.

Sehr kleine Objekte

Für die 3D-Vermessung sehr kleiner Objekte, die nur wenige Millimeter groß sind, verwendet 3dpadelt spezielle 3D-Messmikroskope. Diese Mikroskope bieten eine extrem hohe Auflösung von bis zu 0,001 mm und eine noch größere Genauigkeit. Mit ihrer enormen Messpunktdichte eignen sie sich besonders für Objekte, die man normalerweise auch unter einem Mikroskop betrachten würde.

Objekte mit einer Größe von ca. 10 bis 400 mm

Je nach Materialbeschaffenheit und Aufgabenstellung nutzt 3dpadelt für Objekte dieser Größe entweder Streifenlichtprojektionsscanner (White-Light- oder Blue-Light-Scanning) oder Computertomografen (CT). Letztere ermöglichen es, die gesamte Geometrie eines Bauteils, inklusive aller innen und außen liegenden Flächen, präzise zu erfassen. Dies ist besonders bei komplexen Kunststoffteilen mit verdeckten Oberflächenbereichen sinnvoll, die durch reines 3D-Scannen nicht vollständig erfasst werden können. Bei der Computertomografie wird das Objekt geröntgt, wobei die erforderliche Röntgenleistung von der Dichte des Materials und der Wandstärke abhängt.

Mittlere Objekte

Wenn die Röntgenleistung des CTs nicht ausreicht, um ein Objekt vollständig und mit genügend Kontrast zu durchleuchten, kommen Streifenlichtscanner und messarmbasierte Laserscanner zum Einsatz. Projektionsscanner beleuchten das Objekt mit einer Sequenz von Mustern. Eine Kamera nimmt die Muster auf der Oberfläche auf, und daraus wird ein 3D-Datensatz errechnet. Für das Scannen einzelner, voneinander getrennter Bereiche eines Objekts wird ein Laserscanner am Messarm verwendet. Diese Methode ist besonders wirtschaftlich und genau, etwa bei Rohren, Rahmen, Lehren und Vorrichtungen.

Große Objekte

Zum 3D-Scannen von sehr großen Objekten, wie Häusern oder Industrieanlagen, setzt 3dpadelt 360°-Laserscanner mit großer Reichweite ein, wie beispielsweise den FARO Focus. Durch das Zusammenfügen einzelner 3D-Scans gibt es praktisch keine Größenbeschränkung für das Objekt. Bei jedem Scan werden mehrere hundert Millionen Messpunkte erfasst, wobei die Genauigkeit der Einzelpunktmessung etwa 1 mm beträgt.

Glänzende Oberflächen, wie sie beispielsweise durch Lack oder Politur entstehen, können beim 3D-Scannen problematisch sein. Reflektierende Objekte werden vom Streifenlichtscanner oft nicht korrekt erfasst, was zu Lücken in den Scandaten führt. Am besten eignen sich matte Oberflächen oder Objekte in hellen, glanzlosen Farben für eine präzise Vermessung. Da dies jedoch nicht immer gegeben ist, können Entspiegelungs- und Mattierungssprays eingesetzt werden. Diese speziellen Kontrastmittel wurden für die optische Vermessung entwickelt und ermöglichen es, selbst transparente Bauteile problemlos zu scannen. Das Spray hinterlässt eine dünne Schicht, die nach dem Scan leicht entfernt werden kann.

Bei hochwertigen Produkten besteht zudem die Möglichkeit, ein Entspiegelungsspray zu verwenden, das sich nach etwa 2-4 Stunden rückstandslos verflüchtigt. Gerne beraten wir Sie individuell zu Ihren Objekten.

Im Gegensatz zu optischen Scans ist die Computertomografie unabhängig von Glanz oder Transparenz, solange das Objekt vollständig geröntgt werden kann. Laserscanner können ebenfalls viele glänzende Objekte scannen, jedoch beeinträchtigen durchsichtige Flächen und Lackschichten die Scanqualität bei jedem optischen 3D-Scan. Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn die Oberflächen matt sind. Für durchsichtige und lackierte Objekte bieten wir daher die Präparation mit einem Entspiegelungsmittel an.

Die Entspiegelung von Oberflächen kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Am häufigsten wird hierfür eine Beschichtung mit Titanoxid verwendet. 3Dpadelt hat neben der Anwendung von Entspiegelungssprays auch mehrere Methoden entwickelt, um sowohl kleine als auch große Flächen zu entspiegeln.

Das Titanoxid wird in einer sehr dünnen Schicht auf das Objekt aufgetragen. Es lässt sich später einfach mit einem Pinsel oder einem trockenen Tuch wieder entfernen. Bei Objekten mit vielen Ritzen kann die Reinigung allerdings etwas aufwändiger sein.

Je nach Anwendungsfall und gewünschter Genauigkeit setzt 3Dpadelt verschiedene Kontrastmittel ein. Für besonders präzise Anwendungen beträgt die Schichtstärke des von uns verwendeten Kontrastmittels lediglich 0,002 mm oder 2 µm.