3D-Basics 3D Scannen - Vorteile, Hersteller, Software

Die Digitalisierung von Objekten mittels 3D Scan hat sich mittlerweile in vielen Branchen etabliert. Wir haben die wichtigsten Definitionen, Verfahren und Vorteile zusammengefasst. Dazu finden Sie eine Übersicht der größten Anbieter von 3D Scannern und der dazugehörigen Softwarelösungen.

Anbieter zum Thema

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

SMC Deutschland GmbH

Parasoft® Deutschland GmbH

Vor allem im Bereich des 3D-Drucks spielt das 3D Scannen eine immer größere Rolle. Denn Unternehmen profitieren durch diese Technologie von den deutlich verbesserten Fertigungsbedingungen. So lassen sich die unterschiedlichen Prozesse vor allem im Bereich der Kopie von Bauteilen deutlich beschleunigen. Das 3D Scannen wird bereits seit vielen Jahren in der Medizin, in der Luft- und Raumfahrt und auch in den verschiedenen Fertigungsbereichen unterschiedlicher Branchen mit Erfolg betrieben. Wir möchten Ihnen zeigen, worauf dieses Verfahren basiert, welche Vor- und Nachteile sich aus der Technologie ergeben und in welchen Bereichen und Anwendungsbeispielen sich die Technologie bereits etabliert hat.

3D-Scan: Eine Definition

Beim 3D Scannen wird ein Objekt digitalisiert und in allen 3 Dimensionen erfasst. Die Oberfläche des Objekts oder der sogenannten Messszene wird mittels Laser-Technologie erfasst und als dreidimensionale Punktwolke aufgenommen. Die Daten des Objekts werden durch das Verfahren exakt in die digitale Welt übertragen. Dabei kann das Verfahren nicht nur die Dimensionen des Objekts, sondern in Teilen auch die Beschaffenheit der Oberfläche und die Oberflächenstruktur abbilden. Die so entstehende, dreidimensionale Punktwolke bietet dem Anwender die Möglichkeit, die verschiedenen weiteren Bearbeitungsschritte durchzuführen. So lassen sich Linien und Winkel exakt bestimmen und vermessen, um ein exaktes Abbild des Objekts in einem 3D-Druckverfahren zu realisieren.

Auch für digitale Präsentationen sind die im 3D Scan erzeugten Daten zu nutzen. So lassen sich aus der Punktewolke durch visuell gestaltete Dreiecke, sogenannte Meshs, eine geschlossene Oberfläche erschaffen. Somit können die Objekte also im digitalen Raum dargestellt und mit den entsprechenden Texturen versehen werden. Wird das 3D Scannen zusätzlich durch hochauflösende Kameras unterstützt, kann die Textur des Objekts ebenfalls im gleichen Verfahren erfasst und später auf das digitale Modell übertragen werden. So stehen direkt nach dem Scan-Verfahren ohne großen Aufwand die entsprechenden Modelle für die digitale Präsentation bereit.

3D Scannen: So funktioniert das Verfahren

Beim 3D Scannen werden komplexe Objekte oder Messumgebungen mit Hilfe von Lichtstrahlen und von deren Reflexionen in ein digitales Modell übertragen. Dabei entstehen für jeden Laserpunkt ein Datenpunkt in einer sogenannten Datenwolke. Die Genauigkeit und Präzision der Modelle lassen sich über die Anzahl der Messpunkt regeln. Die so erzeugten Daten können sowohl für digitale Bearbeitungen als auch für die additive Fertigung direkt übernommen werden.

In dieser Videoreihe des Herstellers Gom erfahren Sie noch mehr über die Anwendung von 3D Scannern und deren Funktionsweise:

Unterschiedliche Verfahren beim 3D-Scannen

Moderne 3D Scanner lassen sich in zwei Untergruppen unterteilen. Weitere Modelle und Möglichkeiten sind im Laufe der Entwicklung erschienen, aufgrund ihrer Leistung aber nie über die Konzeptionsphase hinausgekommen. Grundsätzlich bestehen moderne 3D Scanner aus einer Laserstrahl-Einheit, zugehörigen Sensoren und einer Recheneinheit, welche die Daten der Messung erfasst und berechnet. Doch die Arbeit der Scanner kann sich erheblich unterscheiden. Daher werden zwei Verfahren beim aktuellen 3D Scannen angewendet:

• 3D Scanner mit Lichtlaufzeitmessung: Diese 3D Scanner arbeiten mit einem gepulsten Laserstrahl. Das Objekt reflektiert den abgegebenen Strahl in diffusen Mustern. Die Sensoren des 3D Scanners erfassen diese reflektierten Strahlen. Anhand der sogenannten Lichtlaufzeit kann die Recheneinheit nun berechnen, wie groß der Abstand zwischen den Objekten und den Sensoren ist. Das Verfahren ist zwar im direkten Vergleich sehr schnell und einfach zu realisieren, dafür sind die Ergebnisse in der Regel deutlich weniger genau und exakt. Für eine grobe Erfassung von Objekten ist das Verfahren aufgrund seiner Geschwindigkeit häufig eingesetzt.

• 3D Scanner mit Punkt- oder Streifenbasierung: Dieses Scanverfahren ist deutlich komplexer und aufwändiger. Denn bei diesem Verfahren wird ein einzelner Laserpunkt oder ein Laserstreifen auf das Objekt projiziert. Die zugehörigen Sensoren des Scanners erfassen im Anschluss die Projektionen. So kann die Recheneinheit des Scanners mittels Triangulation den Abstand der einzelnen Punkte oder Streifen zueinander berechnen. Das Verfahren benötigt deutlich mehr Zeit für den Scanvorgang, überzeugt aber durch eine hohe Auflösung der Ergebnisse und durch eine sehr hohe Dichte der Punktewolke. So lassen sich sehr exakte Abbildungen mit einer Genauigkeit von bis zu einem Millimeter erreichen.

Die Komponenten eines 3D Scanners

Ein 3D Scanner setzt sich immer aus mehreren Komponenten zusammen. Allerdings verfügen nicht alle Scanner über die gleichen Komponenten. Daher ist es wichtig das Gerät zu wählen, welches mit seinen Komponenten und seinem Verfahren zu Ihren Anwendungsbereichen passt.

• 1. Der Scankopf: Als Scankopf wird die Laserstrahleinheit des 3D Scanners bezeichnet. Der Scankopf wird - abhängig vom Modell des Scanners - durch elektronische Steuerungseinheiten bewegt und in unterschiedlichen Ablenkungswinkeln auf das Objekt ausgerichtet. Abhängig von der Art des Scanverfahrens unterscheiden sich die Scanköpfe in Bauform und Funktion deutlich.

• 2. Die Sensoren: Die Sensoren sind immer auf den Scankopf angepasst und unterscheiden sich abhängig vom Scanverfahren. Beim 3D Scannen nehmen die Sensoren die reflektierten Laserstrahlen auf und geben die Daten an die Recheneinheit weiter.

• 3. Die Recheneinheit: Die Recheneinheit ist das Herzstück des 3D Scanners. Denn diese ist nicht nur für die Steuerung des Scankopfs verantwortlich, sondern auch für die Aufbereitung der Daten. So ermittelt unter anderem die Recheneinheit die Dichte der Messpunkte in der Punktewolke. Zudem berechnet die Recheneinheit die 3D-Koordinaten der einzelnen Punkte und stellt diese der Software für die Aufbereitung bereit.

• 4. Optionale integrierte Kameras: Viele 3D Scanner arbeiten mit integrierten Digitalkameras, welche es unter anderem erlauben besonders kontraststarke Bildinformationen von den zu scannenden Objekten zu sammeln. So lassen sich unter anderem für die 3D-Modellierung passende Texturen erschaffen und Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen.

• 5. Die 3D Scan Software: Ohne die entsprechende Grafiksoftware kann ein 3D Scanner nicht arbeiten. Denn die Software ist unter anderem für die Steuerung und Kontrolle des Scanvorgangs, aber auch für die Datenverarbeitung der erzeugten Daten verantwortlich.

Die Vorteile des 3D-Scans

3D Scannen bietet einige Vorteile. Unter anderem profitieren die Unternehmen beim 3D Scannen von den sehr schnellen Ergebnissen und der sehr hohen Genauigkeit. Messfehler können beim 3D Scannen mittels geeichter Technik problemlos verhindert werden. Zudem lassen sich auch sehr komplexe Geometrien durch das 3D Scannen innerhalb überschaubarer Zeiträume sehr einfach erfassen und digitalisieren. Zudem ist das 3D Scannen vor allem in der direkten Zusammenarbeit mit der additiven Fertigung von Vorteil, da die Daten in vielen Fällen eins zu eins übernommen werden können. Das spart nicht nur viel Arbeit, sondern kann den Workflow innerhalb des Unternehmens nachhaltig verbessern. Zudem kann das 3D Scannen mit dem passenden Scanner auch bei stationären Objekten eingesetzt werden, sodass sich sehr einfach digitale Abbilder in der gewünschten Qualität erschaffen lassen.

Die Grenzen aktueller 3D-Scan-Technik

Leider gibt es im Bereich des 3D Scannens noch Schwierigkeiten und Grenzen des Möglichen. Dies liegt am Verfahren selbst, welches mit einigen Oberflächen durchaus Probleme bekommt. Zu dunkle oder auch zu stark reflektierende Objekte können von den gängigen 3D Scannern nicht exakt erfasst worden, da die Laserstrahlen des Scanners entweder nicht ausreichend reflektiert werden oder von der Oberfläche zu stark abprallen. Hier müssen die Bediener gegebenenfalls auf Tricks zurückgreifen, um das Aussehen der Oberfläche zu verändern. Da sich dadurch allerdings auch die Maße des Objekts verändern, lassen sich nur bedingt realistische Kopien durch den 3D Scan erzielen. Zwar ist die Technologie in den letzten Jahren deutlich ausgereifter geworden, dieses Problem ist allerdings bisher noch nicht in den Griff zu bekommen. Aus diesem Grund muss im Vorfeld genau bestimmt werden, ob sich ein Objekt zum 3D-Scan eignet oder ob eine gewisse Ungenauigkeit bei der Größenerfassung tolerabel ist.

Als weiterer Nachteil beim 3D Scannen gilt, dass das Innere des Objekts nicht gescannt werden kann. Wenn es also einen komplexen Innenaufbau gibt, kann dieser von einem 3D Scanner nicht erfasst werden. Dennoch kann hier das 3D Scannen Vorteile bieten, da die vom System erzeugte Punktwolke genutzt werden kann, um die Grenzen für den digitalen Nachbau des Objekts abzustecken und ein Grundlagenmodell für die Arbeiten der 3D Artists zu schaffen. Dies verkürzt unter anderem deren Arbeitszeit bei der Fertigung von 3D Modellen deutlich.

3D Scannen: Anwendungsbereiche und Praxisbeispiele

Das 3D Scannen hat mittlerweile in vielen Branchen zu einer Verbesserung der Arbeit und der Arbeitsabläufe beigetragen. Damit Sie einen Überblick über die verschiedenen Anwendungsbereiche erhalten, haben wir für Sie einmal die wesentlichen Branchen und Arbeitsbereiche für das 3D Scannen zusammengefasst. Unter anderem wir das 3D Scannen in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Die Digitalisierung von bisher rein mechanischen Modellen

• Zur Visualisierung von Modellen und Produkten

• Zur digitalen Archivierung

• Im Bereich des Werkzeugdesigns

• Zum Reverse Engineering

• Zur Produktion digitaler Modelle für den 3D Druck

• Zur Prototypenfertigung und Optimierung

• Zur Funktionalitätsprüfung

• In der Medizin und der medizinischen Forschung

• Zur einfachen Vermessung komplexer Objekte

Ein praktisches Beispiel lässt sich in der Medizin finden. So ist das 3D Scannen mittlerweile der Standard bei der Anfertigung von Prothesen und Orthesen. Denn diese müssen exakt an die individuellen körperlichen Eigenheiten der Personen angepasst werden. So können einzelne Körperteile mittels des 3D Scanners einfach digitalisiert werden, sodass die entsprechenden Prothesen oder Orthesen auf den Millimeter genau angepasst werden können.

Hier zeigt der Hersteller Faro, wie Hardware und Software genutzt werden, um einen 3D-Plan eines Stockwerkes zu erzeugen:

Die wichtigsten Hersteller von 3D Scannern

Dank der langen Entwicklungszeit der verschiedenen 3D Scanner mit den unterschiedlichen Technologien haben sich am Markt verschiedene Hersteller etabliert. Diese haben sich häufig auf bestimmte Technologien spezialisiert und somit eine feste Kundenbasis gewonnen. Die wichtigsten Anbieter für 3D Scanner sind im professionellen Arbeitsumfeld unter anderem:

• Faro aus Florida

• Peel 3d - ein kanadischer Hersteller und Tochterfirma von Creaform

• Shining 3D - ein chinesischer Großhersteller

• Mantis Vision aus Israel

• Artec 3D aus Luxemburg

• Thor3D aus Russland

• 3Shape aus Dänemark

• Creaform aus Kanada

• ScanTech aus Frankreich

• Gom aus Deutschland

• Zeis Optotechnik aus Deutschland

Wie Sie sehen können, sind die Produzenten der verschiedenen 3D Scanner auf der ganzen Welt zu finden. Wir haben uns hier nur auf die größten und bekanntesten Anbieter spezialisiert. Es gibt noch hunderte weitere Firmen, welche für den Privat- und Businessbereich die unterschiedlichen 3D Scanner entwickeln.

Diese Softwarelösungen für 3D Scans sind auf dem Markt

Auch die Auswahl der passenden 3D Scan Software spielt eine entscheidende Rolle bei der Arbeit mit dem 3D Scanner. Denn die Software ist im Endeffekt für die Qualität des Endprodukts verantwortlich. Die Software steuert nicht nur den 3D Scanner und übernimmt die unterschiedlichen Einstellungen, sondern ist auch für die Verarbeitung der Ergebnisse verantwortlich.

Dank der großen Auswahl unterschiedlicher Scanner hat sich auch eine große Auswahl unterschiedlicher Software am Markt etabliert. So können Sie als Unternehmen auf die Software zurückgreifen, welche Ihre individuellen Bedürfnisse und Anforderungen optimal abdeckt. Während einige Lösungen vor allem auf die digitale Weiterverarbeitung im Rahmen von Marketing und Vertrieb setzen, sind andere Lösungen vor allem für das Reverse Engineering und den 3D-Druck entwickelt worden. Die bekanntesten und beliebtesten Lösungen im Bereich der 3D Scan Software möchten wir Ihnen gerne vorstellen.

• Gom Inspect: Gom Inspect ist eine einfach zu nutzende und bedingt komplexe Software, welche vor allem für die Inspektion von Datenwolken programmiert wurde. Das bedeutet, dass Sie mit dieser Software nur eingeschränkt am erstellten Mesh arbeiten können. Wenn es vor allem um die Digitalisierung der Daten geht und diese vor allem für den 3D-Druck verwendet werden sollen, ist dieses Programm die richtige Wahl.

• 3DF Zephyr: 3DF Zephyr gehört zu den stärksten Programmen auf dem Markt im Bereich des 3D Scannens. Für den stolzen Preis darf der Anwender auch eine Vielzahl an nützlichen Funktionen erwarten. Dieser Funktionsumfang wird allerdings durch einen hohen Hardwarehunger erkauft. Zudem arbeitet das Programm vor allem mit CUDA-Grafikkarten besonders effizient. Die Anforderungen an die Hardware sind in jedem Fall zu beachten.

• Metashape: Metashape gehört zu den teureren Programmen auf dem Markt. Dafür bietet die 3D Scan Software eine enorm breite Anwendungspalette und viele Features für den produktiven Einsatz. Darüber hinaus müssen Sie als Anwender mit keinen Schwächen des Systems rechnen.

• Skanect: Skanect ist ein einfach zu erlernendes Programm mit einer angenehm flachen Lernkurve. Zudem überzeugt die Software mit ihrer hohen Kompatibilität mit den verschiedensten Systemen. Allerdings sind die Möglichkeiten der Arbeit limitiert. Erfahrene Nutzer werden anderen Programmen den Vorzug geben.

• Meshroom: Meshroom ist kostenfrei nutzbar und bietet eine gute Funktionalität bei einer gleichzeitig angenehmen Lernkurve. Allerdings gibt das Programm eine gewisse Limitierung vor. Mit einer hohen Datendichte ist die Arbeit selbst auf starker Hardware nicht mehr flüssig möglich.

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