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指南

如何选择搭配 3D 打印机使用的最佳 3D 扫描仪

How to choose the best 3D scanner for 3D printing

3D 扫描在 3D 制造工作流程的初始和末尾阶段都十分重要。工程师、产品设计师和研究人员使用 3D 扫描仪作为一种更快、更有效的数字模型构建方式,具体做法包括通过逆向工程整合现有设计、对手工雕刻的粘土进行数字化扫描以及参考人体的精确形状等。

制造完成后,3D 扫描可为质量控制提供支持并协助验证 3D 打印部件的精度,也可在部件投入使用后评估其表现,通过扫描变形的部件,可以为下一版本的部件提供改善设计的思路。

从手持式 3D 扫描仪到台式扫描仪,丰富多样的产品选项让用户很难准确选择适合自身应用和预算的 3D 扫描系统。在本文中,我们将探讨购买 3D 扫描仪时要考虑的几个最重要的因素。


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选择 3D 扫描仪时要考虑的因素

3D 扫描仪精度 vs. 费用

不同 3D 扫描技术的精度差别很大,精度越高,成本越高。最终部件所需的公差可作为确定 3D 扫描仪精度需求的有用信息。

A comparison of the manufacturer-reported accuracy and price of 20 3D scanners available in 2018.

2018 年制造商报告的 20 台 3D 扫描仪的精度和价格对比。

激光和结构光扫描仪的精度为 0.1mm 或更高,非常适合与高分辨率 3D 打印机一起使用。Formlabs Form 3 立体光固化 (SLA) 3D 打印机能够以类似的精度生产部件,其可打印区域与许多桌面级激光 3D 扫描仪的扫描体积相似。

定义:结构光和激光 3D 扫描仪均使用投射光和胶印相机对扫描对象上的点进行三角测量。激光 3D 扫描仪向物体上投射激光线,而结构光则从数字投影仪投射出聚焦的网格。由于激光散斑图案所引起的噪声,结构光 3D 扫描仪可以获得比激光扫描更高的精度。

除了测量点相比其实际位置的精度外,不同 3D 扫描系统在分辨率方面也有所不同,即给定扫描距离下捕捉点之间的距离。这意味着扫描对象上小于扫描仪分辨率的细节将无法被捕捉。

一般来说,结构光扫描能够提供最佳的分辨率和精度,通常略胜于激光扫描技术。3D 扫描在艺术方面的某些用例可能需要大量的细节,而对于整体精度的要求则相对较低,尤其是当装配的部件之间不需要精确拟合时。对于这些用例,摄影测量技术是出色且成本很低的选择,我们将在本白皮书后续部分详细介绍该技术。

Laser and structured light scanners provide high accuracy, but reverse engineering also demands sufficient resolution to capture small surfaces. Photogrammetry can offer high resolution, but accuracy is usually inferior.

激光和结构光 3D 扫描仪能够提供很高的精度,但逆向工程还需要足够的分辨率来捕捉微小表面的细节。摄影测量可以提供高分辨率,但精度通常较低。

根据制造商和 3D 扫描技术的不同,精度的含义可能略有不同。例如,手持式 3D 扫描仪的精度取决于扫描仪与物体的距离和扫描重构的质量,而台式 3D 扫描仪在限定的扫描体积内具有一致的精度。如果您正在考虑购买一台 3D 扫描仪进行精确测量,请务必进行充分对比。

3D 扫描仪扫描体积和范围

不同的 3D 扫描仪可以捕捉的区域有很大差异。应在适当价格范围内选择适合您的尺寸和分辨率要求的扫描仪,因为成本通常会随着扫描体积的增大而增加。

3d Scanner Volume and Coverage

手持式 3D 扫描仪可以在物体周围手动移动,并且其尺寸限制比台式 3D 扫描仪更少。最便宜的手持式扫描仪能够捕捉的物体尺寸在篮球到整个房间之间。高端手持式扫描解决方案的扫描范围更大,可以满足所有需要精确测量但无法匹配台式扫描仪扫描范围的物体的扫描需求。

手持式 3D 扫描仪还能够几乎瞬间捕捉物体,因此非常适用于人体工程学和医疗应用中的人体测量(扫描对象不能完全静止)。

Scanners may rotate the object to capture occluded areas. Red regions are occluded and will be missing in the scan. Areas with deep relief are difficult for a single axis turntable to fully capture due to occlusion.

扫描仪可能会旋转物体以捕捉遮挡区域。红色区域受到遮挡,无法扫描这些区域。由于存在遮挡,单轴转盘很难完全捕捉深度起伏的区域。

如果扫描仪无法扫描到模型的某个区域,则会导致模型中出现间隙。大多数扫描软件可以自动修复缺失的微小部分,以创建 3D 可打印模型。但是,修复的部分很难精确再现原始物体的特征。

很多 3D 扫描仪使用转盘来增大扫描仪的视野。扫描仪转盘的复杂度会影响捕捉物体的容易度和完整度:一些扫描仪能够绕多个轴移动物体,从更多角度对物体进行成像。当逆向工程塑料部件具有较深的凹槽和肋条时,用户无法从单个角度捕捉部件的全貌,此时这一功能便十分重要。

低成本 3D 扫描

激光和结构光 3D 扫描系统高昂的入门成本可能会令人望而却步,但也有很多成本较低的系统可供使用。低成本扫描系统能否为实际应用提供足够的性能?是的:并非所有用例都需要很高的精度,低成本扫描仪在速度和扫描尺寸等方面具有独特的优势,因此也是一个有趣的选择。

低成本扫描系统主要分为三大类:IR(红外线)深度传感摄像头、摄影测量和入门级台式激光 3D 扫描仪。

深度传感摄像头(如 Structure Sensor、Sense 3D Scanner 和 iPhone TrueDepth)会投射出一个红外线点场以对 3D 场景进行采样。深度传感摄像头操作简单,并且是价格最低的 3D 扫描选项,但深度传感摄像头的精度和分辨率较低(通常大于 1mm),往往会丢失精细细节。深度传感摄像头可以捕捉大型物体,但精度会随物体距离的增加和摄像头角度的增大而下降。

Photogrammetry uses a large set of photographs that are automatically analyzed to create a 3D model.

摄影测量使用大量经自动分析的照片来创建 3D 模型。在理想条件下,摄影测量所捕捉的物体细节可以与激光 3D 扫描仪相媲美。总的来看,由于缺少摄像头位置的固定参考点,其几何精度通常较差。但摄影测量除数字摄像头和软件外不需要任何其他设备,因此是一个很有吸引力的选择。

深度传感摄像头和摄影测量均为扫描大型物体以创建 3D 打印缩放模型的优质解决方案。这两种技术可提供足够的精度以捕捉人体的形状,并且可以在工作流程中用来创建具有自定义人体工程学特性的设备。

一些入门级激光扫描仪可使用类似于高端系统的技术,如 Matter and Form 和 EORA。这些扫描仪非常适用于以 1:1 的比例复制小型物体。正如人们所料,入门级激光 3D 扫描仪的精度低于高端激光计量扫描仪,但对于精度要求较低的小型装饰物和图形,这些扫描仪提供的细节足以用于复制。

如果您只是偶尔需要进行 3D 扫描,数字化服务可以扫描您的物体并执行 CAD 转换和精度检查。

流程图:选择最适合您的应用的 3D 扫描仪

使用此流程图,根据精度、扫描体积和预算确定所需的扫描仪。 

3D 扫描对 3D 打印起到了哪些补充作用?

3D 扫描仪扩展了 3D 打印机的功能,允许用户复制几乎任何对象的形状。两种技术共同形成了强大的数字工作流程,可以简化并完善一系列行业的工艺。

3D 扫描仪的输出为三角网格,能够按真实的比例显示物体的表面情况。在某些情况下,3D 扫描可以直接用于复制对象,无需任何 CAD 工作。

结合实体 CAD 模型与扫描 3D 模型的混合工作流程也很强大。自定义人体工程学扫描会捕捉人体某一部分的物理印记,并将其与机械设计相结合。

3D 扫描仪也是测量物体制造精度的重要工具。很多因素都会影响 3D 打印的精度,计量级 3D 扫描仪可以清楚地显示材料在苛刻应用中的性能。


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