3D сканирование и
конструкторские услуги
ru en

3д-сканер: иллюзия точности

Часто при заказе 3д-сканирования у заказчика возникает вопрос: «Какова точность вашего сканера?». Кажется, что чем больше точность сканера, тем лучше. Однако важно понимать, для чего именно требуется высокая точность и как ее можно обеспечить.

Что такое точность 3д-сканера

Точность 3д-сканера – довольно размытое понятие. На бытовом уровне обычно под этим понимают степень соответствия полученной 3д-модели реальным геометрическим размерам сканируемого образца.

В физических величинах точность можно выразить как максимально допустимое отклонение от реального размера. То есть, если точность сканера заявляется как 7 микрон, это значит, что каждый размер полученной 3д модели будет отличаться от реального не более, чем на 7 микрон.

Однако важно понимать, что заявленная производителем точность - это величина максимального отклонения при ИДЕАЛЬНЫХ условиях сканирования, чего в реальности не бывает НИКОГДА.

Эта величина получается путем проведения ряда тестов на идеальном образце в ЛАБОРАТОРНЫХ условиях, сравнении размеров со сканируемым образцом и усреднении полученных отклонений.

На практике мы имеем массу отклонений от идеала, включая как объективные условия сканирования и состояния техники, так и субъективное мастерство сканировщика и обработчика сканов.

Рис.1. Сравнение сырой сканированной модели крышки и полученной после обработки облака точек: зеленым - точное совпадение, красным - отклонения. 

Рис.2. Повторное сравнение сканированной и обработанной модели после дополнительных преобразований. Результат - гораздо лучше, в основном вся модель в зеленой зоне.

Что влияет на точность конечной 3d модели:

1. Характеристики объекта сканирования

Из-за особенностей сканеров, использующих структурированных подсвет или лазерный луч, сканируемый объект должен обладать рядом характеристик для соблюдения максимальной точности: это должен быть чистый, твердый, белый, матовый объект без плоских острых кромок, отверстий, труднодоступных мест, износа, небольшой величины, так, чтобы объект полностью помещался в зону сканирования.

Как отклонение от идеальных характеристик влияет на сканирование, смотри здесь.

Любые отклонения от идеала будут ухудшать точность. Например, если объект черный, темный, прозрачный или блестящий, его необходимо покрывать матирующим спреем, который, во-первых имеет свою толщину примерно 50-100 микрон, а во-вторых образует на поверхности микрогранулы, высота которых при обработке будет усреднена, а значит, точность еще больше уменьшится.

2. Техническое состояние сканера

В идеале сканер должен быть откалиброван с точностью, не превышающей допустимую, прогрет до рабочей температуры, соблюдены требования по расстоянию между камерами, а также от камер до объекта.

3. Условия сканирования

Изменение температуры вызывает расширение или сжимание материала в соответствии с его коэффициентом линейного или объемного расширения. Так например, стальной железнодорожный рельс, имеющий при 0°С длину 8 м, при температуре 40°С увеличится почти на 4 мм (или 4000 микрон!).

Отличие температуры, при которой проводится сканирование, от лабораторных условий неизбежно приведет к увеличению погрешности.
Кроме того погрешность создают:

  • избыток дневного освещения от окна, неравномерное освещение;
  • колебания пола, если кто-то ходит, или поверхности на которой установлен объект;
  • а также множество других менее значительных факторов.

4. Квалификация и опыт сканировщика

Как нанести максимально тонкий слой матирующего спрея, где спрей не нужен совсем, как сканировать так, чтобы упростить обработку сканов, как обеспечить идеальную сшивку сканов, как создать условия для сканирования, приближенные к идеальным - все эти вопросы находятся в ведении сканировщика и сильно зависят от его опыта. А от этого будет зависеть качество сканированной модели. 

Кроме того в нашей практике сканировщик также выполняет эскизы ответственных частей изделия, для конечного контроля точности полученной модели. 

5. Квалификация и опыт обработчика модели

После сканирования и сшивки модель поступает на обработку - для получения качественного stl-файла в ней необходимо устранить мусор, остатки меток, правильно зашить дыры и выполнить отверстия. На этом этапе может быть допущено большое число погрешностей, которые выльются затем в отклонения результирующей модели от исходного образца.

Если проводится дальнейшая работа - получение твердотельной CAD-модели, число операций над моделью увеличивается, пропорционально увеличивая вероятность ошибки. Возможна в том числе простая человеческая ошибка. На модели отверстие есть, на скане есть, а в конечной CAD-модели обработчик не заметил и зашил его. 

На что влияет погрешность при сканировании

Важно понимать, когда точность имеет значение, а когда гнаться за ней не имеет никакого смысла.

Точность важна при сканировании посадочных размеров и ответственных поверхностей, как например зубцы шестеренки или изделия, где погрешность вызывает критическое изменение технологических характеристик. Но из-за перечисленных выше проблем 100% точности не добиться даже при использовании самого совершенного оборудования.

Поэтому мы при сканировании ответственных поверхностей обязательно делаем эскизы с размерами и устраняем все погрешности сканирования доработкой 3д-модели. Либо проверяем в 3д-модели сборку целиком вместе с ответной частью. В таком случае не так важно, с какой точностью сканировал сканер – 5 или 50 микрон, точность будет обеспечена на 100%.

В случае с шестеренками, где форма зубцов представляет собой сложную кривую, 100% точности можно добиться только путем вычислений параметров шестеренки вместе с ее ответной частью.

В остальных не таких ответственных поверхностях, в художественных изделиях, в элементах дизайна соблюдать микронную точность совершенно необязательно. При хорошем разрешении сканера, после сканирования и, например, 3д-печати изделия, оригинал и копия будут визуально неотличимы.

Резюме:

Не стоит гнаться за впечатляющими параметрами точности сканера, так как для абсолютного большинства задач точность - это абстрактное понятие, не влияющее на результат. Обращать внимание нужно на такие факторы как:

  • разрешающая способность камер, от этого зависит, насколько мелкие объекты сможет «увидеть» сканер;
  • качество обработки и доработки сканированных 3д-моделей для обеспечения точности ответственных поверхностей. А этот параметр напрямую зависит от опыта и квалификации исполнителя.

В любом случае, если при сканировании важна точность, крайне рекомендуется перед изготовлением изделия из дорого материала или запуском серии делать опытный образец и проверять его геометрические характеристики.