3D-сканери: використання у промисловості та лабораторіях

Головна перевага методу 3D-вимірювання – універсальність та можливість автоматизації процесу

Історія винайдення лазерного 3D-сканування

У 1830 р. французький художник, скульптор та фотограф Ф. Вілльєме розробив та запатентував процес створення портретної скульптури з використанням кількох фотопроєкцій навколо об’єкта, щоб вирізати фігуру, яку назвав фотоскульптурою, – це було прообразом 3D-макетування.

У 1953 р. військові США почали експериментувати з оптичним вимірювальним приладом із застосуванням світла та високошвидкісних затворів. Проєкт отримав назву «LIDAR».

Тим часом компанія Ferranti (Шотландія) випустила 2D-версію координатно-вимірювальної машини.

Два відомі проєкти – американський «LIDAR» і шотландської компанії Ferranti – сформували технологічну основу для створення лазерного 3D-сканування.

У 60-х рр. XX ст. військові США модернізували проєкт «LIDAR», інтегрували лазери для точного вимірювання відстаней у топографічні та досліджувальні системи. Пристрій отримав назву портативного лазерного вимірювального приладу ХМ-23.

У 1963 р. компанія DEA (Італія) розробила першу 3D координатно-вимірювальну машину (КВМ).

На початку 1980-х рр. було розроблено «стрічковий» метод оптичного сканування, який на той час був ефективніший, швидший та точніший за «точковий».

У 1984 р. лабораторія Cyberware у Лос-Анджелесі (Каліфорнія, США) випустила «Сканер голови». Це був лазерний сканер на основі «стрічкового» методу, призначений для створення тримірного комп’ютерного зображення голови людини.

До 90-х рр. XX ст. розробники 3D-техніки для одержання тримірних моделей:

• працювали з аналоговими камерами й телевізійними трубками;
• мали обмеження пам’яті у 5 Мб.

Середня роздільна здатність одержуваних зображень була не більшою ніж 512×512 пікселів, що в десятки разів гірше від того, що отримують зараз.

У 1992 р. французька компанія MENSI (зараз – Trimble) представила лазерні 3D-сканери серії S, що використовуються в промислових цілях, таких як атомна електростанція.

Через рік, у 1993-му, компанія Cyra Technologies (США) створила лазерний 3D-сканер.

Перші сканери були дуже повільні та недосконалі, але в порівнянні з ручними методами вимірювання – це був великий крок вперед.

У 1994 р. у Стенфордському університеті (США) Г. Терком та М. Левом створено тестову тримірну полігональну модель «Стенфордський кролик», яка містила дані про 69 451 трикутник, отриманий під час 3D-сканування керамічної фігурки кролика.

Реальний прорив у сфері комп’ютерних технологій відбувся на початку 2000-х рр., це спонукало винахідників до розвитку та удосконалення лазерного 3D-сканування.

3D-вимірювання: переваги й можливості нових технологій

У 3D-вимірюваннях використовується координатний метод вимірювання з послідовним знаходженням координат точок виробу та послідовним розрахунком розмірів.

Головна перевага методу 3D-вимірювання – це універсальність та можливість автоматизації процесу.

3D-вимірювання – це наукове дослідження із застосуванням технологій, які можуть створити повне тримірне зображення геометричної форми об’єкта.

3D-вимірювання реалізуються такими основними засобами вимірювальної техніки (ЗВТ), як:

• 3D координатно-вимірювальні машини (3D КВМ);
• 3D вимірювальні руки;
• 3D-сканери.

За допомогою даних ЗВТ отримують фактичні дані з вимірюваних деталей, що дає можливість виконати:

• контролювання якості;
• оцінювання точності;
• 3D-профіль вимірюваних деталей.

Особливості основних ЗВТ для 3D-вимірювань описано у таблиці 1.

Таблиця 1. Особливості основних ЗВТ для 3D-вимірювань

№ п/п	Характеристики	3D КВМ портальна	3D вимірювальна рука	3D-сканер
1.	Метод вимірювання	Контактний точковий	Контактний точковий	Безконтактний поверхневий
2.	Максимальний діапазон вимірювань, мм	0–3000	0–9000	0,2–40000
3.	Похибка, мм: у діапазоні 500 мм у діапазоні 2000 мм	0,0046 0,0106	0,056 0,056	0,020 0,020
4.	Швидкість вимірювання	650 мм/с	Визначає оператор	1500000 вим/с
5.	Вид установки	Стаціонарний	Переносний	Портативний
6.	Маса ЗВТ, кг	1700	16,5	0,85
7.	Габарити, X×Y×Z	1940×4000×3595	500×500×1000	100×100×200
8.	Вимірювання деталей з крихкого матеріалу	Ні	Ні	Так
9.	Вимірювання затемнених або внутрішніх розмірів	Так	Так	Обмежено
10.	Міжнародний стандарт	ISO 10360-2	ISO 10360-2 або ISO 10360-12	ISO 10360-8
11.	Додаткове оснащення	Кондиціонер, вентиляція, компресор гасіння вібрації	Кондиціонер	Кондиціонер

3D КВМ мають високу точність, але вимоги до приміщення та встановлення машини високі в порівнянні з іншими 3D ЗВТ.

3D вимірювальні руки мають сталу межу допустимої похибки на всьому діапазоні, вид установки – переносний, на відміну від 3D КВМ.

3D-сканери мають найбільший діапазон вимірювань, мобільні та мають найменші габарити.

Найкращу межу допустимої похибки мають 3D КВМ, але для вимірювання складних крихких деталей, особливо в умовах цеху, краще підійде 3D-сканер.

Перші 3D-сканери почали використовувати у 1992–1993 рр.

Схожість зазначених трьох засобів 3D-вимірювань (3D КВМ, 3D вимірювальні руки та 3D-сканери) зумовлена загальними вимогами стандарту ISO 10360, при цьому вимоги до 3D-сканерів регламентуються розділом 8.

У таблиці 2 наведено сучасні нормативні документи (НД) з зазначенням чинності в Україні та світі.

Таблиця 2. Нормативні документи щодо калібрування 3D-сканерів

Позначення НД	Назва НД	Особливості НД	Стан НД
ДСТУ EN ISO 10360-8:2022	Геометричні специфікації виробу (GPS) Приймальні та повторні випробування для координатно-вимірювальних систем (CMS) Частина 8. КВМ з оптичними датчиками відстані	Ідентичні	В Україні ще не набрав чинності Перспективний
ISO 10360-8:2013			У світі – чинний

Калібрування 3D-сканерів, як і інших 3D ЗВТ, відбувається за калібрувальною сферою.

Фахівці виділили основні групи 3D-сканерів:

• прості (навчання, демо);
• промислові (промисловість, лабораторії);
• метрологічні (промисловість, калібрувальні лабораторії).

Таблиця 3. Відмінності основних груп 3D-сканерів

№ п/п	Характеристики	Прості	Промислові	Метрологічні
1.	Похибка, мм	0,04–0,1	0,02–0,04	0,01–0,04
2.	Швидкість вимірювання, вим/с	30 вим/с	1 300 000 вим/с	1 500 000 вим/с
3.	Сертифікат калібрування згідно з ISO 17025	Відсутні	Відсутні	Обов’язкові
4.	Вартість, євро	5000– 30 000	30 000– 50 000	50 000– 100 000

Метрологічні 3D-сканери: застосування сучасних засобів

Розглянемо метрологічні 3D-сканери, які забезпечують метрологічний контроль за виробами на підприємстві та виявлення невідповідностей під час калібрування в лабораторії.

Метрологічні 3D-сканери використовуються в різних галузях промисловості (таблиця 4).

Таблиця 4. Використання 3D-сканерів у промисловості

Авіакосмічна галузь	Нафтогазова галузь	Калібрувальна лабораторія
Оцінювання поверхневих пошкоджень	Огляд та обмірювання велетенських резервуарів	Визначення розмірів діаметрів калібрів, роликів, дротиків
	Оцінювання корозії трубопроводів відповідно до ASME B31G	Вимірювання кутів між гранями та ребрами у кутниках
Для 3D-моделювання	Оцінювання механічних пошкоджень трубопроводів відповідно до ASME B31G	Визначення параметрів макропрофілю (площинність, прямолінійність тощо)
	Перевірка внутрішнього стану труб	Вимірювання сколів, тріщин, корозії, шорсткості на зразках шорсткості

3D-сканер використовується наступним чином:

• калібрують 3D-сканер за допомогою калібрувальної дошки з мітками;
• встановлюють калібрувальні мітки, які йдуть у комплекті з 3D-сканером, на вимірювальну деталь;
• сканують вимірювальну деталь;
• імпортують дані точок в 3D-програму для опрацювання та аналізу;
• створюють на основі даних тримірну модель;
• опрацьовують та аналізують отримані дані;
• визначають, наскільки отримані дані відповідають заявленим кресленням.