Teil 1: Grundlagen industrieller 3D-Scanner

3D-Scanner sind keine neue Technik – und dennoch faszinierend, da immer wieder neue interessante Anwendungsbereiche erschlossen werden. Die Vielfalt an Herstellern und Modellen für unterschiedliche Einsatzzwecke tragen dazu bei, vom Monochrom-Scanner für eine einfach Umriss-Erfassung bis zum High-End-Farbscanner für hochauflösende 3D-Modelle. Wir führen Sie ein in die Welt industrieller 3D-Scanner und zeigen, worauf es ankommt.

Eine Unterscheidung nach Consumer- und professionellen Geräten ist bedeutend schwieriger, da die Übergänge hier fließend sind und einem raschen Wandel unterliegen. Überspitzt gesagt: Die Leistung eines Desktop-Profigeräts von gestern kann morgen bereits von einem Consumer-Produkt in Form eines Aufsatzes für ein Mobiltelefon übertroffen werden. Auch die Preise sind fließend und bewegen sich von wenigen hundert Euro für Einsteiger-Geräte bis zu sechsstelligen Beträgen für High-End-Scanner. Grundsätzlich lässt sich aber festhalten, dass sowohl Auflösung und Genauigkeit, als auch die Software die maßgeblichen Unterscheidungskriterien zwischen Consumer- und High-End-Geräten sind.

Weil die beiden Schlagworte „Auflösung“ und „Genauigkeit“ oft verwechselt und im Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit von 3D-Scannern benutzt werden, soll eine kurze Begriffserklärung Klarheit schaffen: Beide Messgrößen hängen nicht unmittelbar zusammen.

Die Auflösung beschreibt die Anzahl der Bildpunkte innerhalb eines Messbereichs, gibt also Auskunft darüber, wie fein „aufgelöst“ ein Objekt dargestellt wird; und damit ebenfalls, wie klein die minimale Objektgröße sein kann und wie scharf das Objekt dargestellt wird. Die Genauigkeit hingegen ist das Maß für die Abweichung jedes Punktes von seiner wahren Position und spielt damit eine zentrale Rolle für maßgenaue Reproduktionen und Vermessungen von Scan-Objekten.

Eine genauere Betrachtung erfordert die Scan-Technik, die einem Scanner zugrunde liegt. Diese Betrachtung gibt bereits deutliche Hinweise auf Einsatzzweck und Qualitätskriterien des jeweiligen Typen. Zunächst schauen wir uns die derzeit gebräuchlichsten Scan-Techniken an. Je nach Anforderung und Scanner-Typ werden dabei auch unterschiedliche Techniken kombiniert.

Triangulation und Stereoskopie werden oft als Scantechniken beschrieben, sind aber eher technische Grundlagen, die für die Streifenlicht- bzw. strukturiertes Licht-Scantechnik eingesetzt werden.

Bei der aktiven Triangulation wird ein Licht- bzw. Laserpunkt auf das Objekt projiziert und von einer Kamera aufgenommen. Lichtquelle, Laserpunkt und Kamera bilden ein Dreieck, das die Berechnung der Position des Laserpunkts erlaubt. Bei der passiven Triangulation hingegen wird das Objekt nicht aktiv beleuchtet, sondern von zwei Kameras aufgenommen, die mit dem Zielpunkt auf dem Objekt das Dreieck bilden. Die Lichtquelle wird also durch eine Kamera ersetzt. Somit entspricht die passive Triangulation der Stereoskopie respektive dem menschlichen Sehen.

Auf der o.g. Grundlage basiert die Streifenlicht- bzw. strukturiertes Licht-Technik. Dabei werden Licht-, Laser-Linien oder Gittermuster auf das Objekt projiziert und die Bildpunkte in drei Dimensionen über Triangulation ermittelt.

Hersteller von 3D-Scannern verwenden zahlreiche Variationen dieser Technik wie die Projektion spezieller Linien- und Gittermuster mit Laserlicht, Weißlicht, grünem oder blauem Licht für verschiedene Anwendungen. Damit gehen auch spezielle Vor- und Nachteile einher.

Laserlicht, insbesondere Infrarot-Laser, machen den Scan zum Beispiel weitgehend unabhängig vom Umgebungslicht, eignen sich also für den Außenbereich und wechselnde Lichteinflüsse. Blaulichtscanner haben ebenfalls den Vorteil, unempfindlich gegenüber anderen Lichtquellen zu sein, verwenden aber keinen Laser für die Lichtprojektion. Weißlicht wiederum hat den Vorteil, dass vorbildtreue Farbscans möglich werden. Grünes Licht liegt mit seinem Wellenlängenbereich ungefähr in der Mitte des sichtbaren Spektrums und nutzt die Kalibrierung der Kameras auf diesen Wellenlängenbereich aus, um bis zu 30% genauere Ergebnisse zu erreichen als mit anderen Lichtfarben.

Allen gemeinsam ist jedoch, dass sie für kleine und große Objekte bei eher geringem Arbeitsabstand (Distanz zwischen Scanner und Objekt) eingesetzt werden, hochgenaue Ergebnisse liefern und auch für komplexe 3D-Modelle in Frage kommen. Typische Anwendungen sind das Reverse Engineering und die technische Dokumentation.

Die meisten 3D-Scanner am Markt nutzen diese Technik in der einen oder anderen Ausprägung. Dabei hat sich der Einsatz von zwei Kameras und einer Lichtquelle als effizient erwiesen und ist mittlerweile auch weit verbreitet.

Bei großen Arbeitsabständen kommt die Time-of-Flight-Technik (ToF) zum Einsatz. Dabei wird ausgesendetes Infrarotlicht vom Objekt reflektiert und vom Sensor erfasst. Die Lichtlaufzeit gibt Auskunft über die zurückgelegte Distanz. Das Verfahren ist preiswert und erlaubt Echtzeitanwendungen, bietet aber andererseits keine besonders hohe Genauigkeit und Auflösung. ToF-Scanner werden beispielsweise in der Logistik zur Volumenmessung großer Objekte oder für robotergestützte Pick-and-Place-Anwendungen eingesetzt.

Allen genannten Methoden ist jedoch der Schwachpunkt gemeinsam, dass glänzende, transparente oder stark reflektierende Oberflächen nur unzureichend erfasst werden können. Abhilfe schaffen hier zwei Verfahren. Zum einen die Behandlung der Objekte mit einem Scan-Spray, das die Oberfläche kurzzeitig mattiert und scanfähig macht. Hier gibt es bereits Lösungen, die nach dem Scannen verdunsten und keinen Reinigungsaufwand mit sich bringen wie zum Beispiel das Scanning-Spray des Herstellers Aesub.

Zum anderen kann auch über Polarisationsfilter unerwünschte Reflexion reduziert werden. Dabei wird das reflektierte Licht in einer Weise gefiltert, dass auch hochglänzende Oberflächen erfasst werden können.

Jeder 3D-Scan erzeugt zunächst eine sogenannte Punktewolke. Also eine Vielzahl einzelner Punkte, die im Raum eindeutig über Koordinaten definiert sind, aber noch kein Objekt oder eine Oberfläche darstellen, die weiterverarbeitet werden kann. Dies erledigt die Scan-Software, die zunächst die verschiedenen Scans zueinander in Verbindung setzt und ausrichtet, eventuelle Pixel- und Scanfehler beseitigt und im Anschluss die einzelnen Punkte der Punktewolke zu einem Dreiecksnetz verbindet und somit eine geschlossene Oberfläche erzeugt.

Je nachdem, ob auch Farbinformation im Scan enthalten ist, wird diese dann der Oberfläche zugeordnet. Mit dem so entstandenen 3D-Modell lassen sich, je nach Software, Vermessungen durchführen wie zum Beispiel Volumenberechnungen, Querschnitts- oder Längenmessungen. Der Software kommt bei dieser Verarbeitung also eine Bedeutung zu, die über Wohl und Wehe des 3D-Ergebnisses entscheidet. Nicht nur in qualitativer Hinsicht, sondern auch in Bezug auf die Bedienerfreundlichkeit, das nötige Fachwissen des Nutzers und den Aufwand der Bearbeitung. Am Ende dieses Prozesses steht eine Datei, die beispielsweise von CAD- oder Analyseprogrammen eingelesen und weiterverarbeitet werden kann.

Eine interessante Möglichkeit dieser Weiterverarbeitung bietet der Vergleich von verschiedenen 3D-Modellen untereinander oder mit CAD-Daten. So stellt man beispielsweise Abweichungen des gescannten Objekts von der CAD-Zeichnung fest. Diese Abweichungen lassen sich in Form einer sogenannten Deviation Map, also einer Abweichungskarte, mittels Falschfarbendarstellung anschaulich zeigen und von vielen Scannern auch direkt auf das Scanobjekt projizieren.

Ausstattung und Leistungsfähigkeit der Software sind also ein sehr wichtiger Faktor in der Beurteilung einer Scan-Lösung.

Erfahren Sie im zweiten Teil des Artikels mehr über Anwendungsbereiche und Praxisbeispiele aus dem industriellen Einsatz von 3D-Scannern.

Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei Smarttech3D. Bild 2 Handheld Scanner: ©iStock.com/Florin Patrunjel