Skaning 3D w projektowaniu przemysłowym

Przydatność skaningu 3D w projektowaniu przemysłowym

Skanowanie 3D to nowoczesna, szybka oraz niezwykle precyzyjna technika pozyskiwania trójwymiarowych danych otoczenia. Mimo, iż wciąż stanowi swego rodzaju nowinkę techniczną, grono jej zwolenników sukcesywnie wzrasta. Jakie są zalety stosowania tego rodzaju pomiarów i czy sprawdzą się one w projektowaniu przemysłowym?

Czym jest skaning 3D?

Skanowanie to proces polegający na odczytywaniu danych (mających postać obrazu/informacji), rejestrowaniu ich i przetwarzaniu w formę elektroniczną. Skaner 3D to urządzenie, które tworzy model 3D na podstawie realnie istniejącego obiektu. Uzyskany model stanowi zbiór ogromnej liczby punktów (plik w rozszerzeniu STL), które idealnie odwzorowują skanowany obiekt. Dostępne obecnie skanery 3D (krótkiego, średniego i dalekiego zasięgu) tworzą modele z precyzją nawet 0,005mm (5μm) wspomagając pracę wielu branż takich jak: medycyna (skanowanie i odtwarzanie kości lub ich fragmentów, naprawa protez), budownictwo (inwentaryzacja budynków, ich instalacji wewnętrznych lub konstrukcji, badanie potencjalnych kolizji), geodezja (pomiary sytuacyjne i wysokościowe), przemysł stoczniowy (inwentaryzacje statków i innych obiektów morskich). Możliwe jest zatem zobrazowanie obiektów o najróżniejszych gabarytach oraz strukturze, przy czym inne skanery będą wykorzystywane do skanowania np. budynków czy innych obiektów o złożonej budowie (skanery 3D laserowe), a inne do skanowania obiektów wykazujących ruchu, jak ciało człowieka (skanery 3D na światło strukturalne).

Skanery laserowe

Ze względu na sposób pomiaru odległości wyróżnia się trzy rodzaje skanerów laserowych: impulsowe, fazowe oraz triangulacyjne (z pojedynczą lub podwójną kamerą). W przypadku pomiaru skanerem impulsowym emitowana wiązka światła ulega odbiciu od powierzchni celu, a jej powrót zostaje zarejestrowany w detektorze. Na podstawie pomiaru czasu między momentem emisji i powrotu impulsu obliczana jest odległość punktu od skanera. Dokładność takich pomiarów szacuje się na poziomie 4 – 10 mm przy szybkości skanowania do 50 000 punktów na sekundę i maksymalnym zasięgu do 300 m. W skanerach fazowych pomiar odległości następuje poprzez analizę przesunięcia fazowego fali powracającej do detektora po odbiciu od obiektu w porównaniu do fazy wysyłanej wiązki. Skanery fazowe umożliwiają pomiar odległości z większą precyzją (dokładność 4 mm) i szybkością (do ok. 970 000 punktów na sekundę), jednakże przy mniejszym zasięgu skanowania (do ok. 130 m). Dla przemysłu najbardziej zdatne będą lasery triangulacyjne, gdyż cechuje je największa precyzja pomiaru (mniejszy zasięg, większa dokładność – nawet do setnych części milimetra). Pomiar odbywa się poprzez wysyłanie wiązki lasera, która pada na matrycę kamery cyfrowej po uprzednim odbiciu od obiektu.
Różnicując skanery przez pryzmat ich pola widzenia należy wspomnieć także o podziale na skanery panoramiczne, hybrydowe oraz typu kamera – wybór urządzenia każdorazowo zależeć będzie od złożoności i gabarytów mapowanego obiektu. Konieczne będzie uwzględnienie także innych istotnych kwestii, takich jak: miejsce ustawienia skanera, odpowiednia rozdzielczość, kąt padania wiązki lasera na skanowany obiekt, tzw. szumy, warunki atmosferyczne, a także obecność szklanych i błyszczących powierzchni, które mogą odbijać wiązkę w niewłaściwym kierunku.

Skanowanie dla przemysłu

Analizując temat nowoczesnych pomiarów przez pryzmat doświadczeń firmy PROSTER, warto powiedzieć o dwóch głównych obszarach, w których skanowanie 3D będzie nieocenionym wsparciem. Pierwszy obszar, to potrzeba mapowania całego zakładu produkcyjnego, rozumianego jako obiekt budowlany, pod kątem planowanej przyszłej przebudowy/rozbudowy itp. Inwentaryzacja przeprowadzona metodą skanowania da obraz precyzyjny w najdrobniejszych detalach (zwłaszcza tych niewidocznych dla oka). Szczególnie pomocne rozwiązanie to będzie w przypadku obiektów budowanych kilkadziesiąt lat wcześniej, dla których trudno o rzetelną dokumentację projektową lub o jakąkolwiek dokumentację techniczną. Dzięki wykonanym pomiarom, projektant będzie miał możliwość wykonania analizy stanu konstrukcji, badania pionowości elementów oraz kształtu i struktury istniejących deformacji. Wysoka rozdzielczość otrzymanej chmury punktów pozwoli na precyzyjne wykrycie istniejących ubytków oraz ocenę ich wielkości. Taki zbiór informacji pozwoli oszacować konieczność remontu czy modernizacji.
Obszar drugi to wykonanie skanowania pojedynczych elementów linii produkcyjnych (detali maszyn), które trzeba wymienić ze względu na ich uszkodzenie lub zużycie. Uzyskany tą drogą model detalu pozwala na wierne jego odtworzenie. Przykładem tego rodzaju realizacji w firmie PROSTER był projekt komory żarzenia, która stanowić miała kopię rozwiązania istniejącego (wykonanego w technice odlewu), pracującego jako element składowy większej linii produkcyjnej. Precyzja wykonania była zatem sprawą kluczową dla idealnego dopasowania do siebie starych i nowych elementów. Na tym tle należy podkreślić wysoką przydatność urządzeń skanujących zwłaszcza w pracy z obiektami o złożonej budowie, przy których tradycyjne metody pomiaru były by nie tylko czasochłonne, ale i obarczone znacznym ryzykiem błędu, a bardzo często po prostu niemożliwe. Zastosowanie w projektowaniu przemysłowym skaningu laserowego jako metody pomiaru pozwala na zarejestrowanie faktycznego i dokładnego stanu obiektu oraz dostarcza precyzyjnych danych, niezbędnych do utworzenia dokumentacji technicznej. Co ważne dla projektantów, istnieje możliwość eksportu chmury punktów do środowiska CAD w celu wykonywania modeli, przekrojów, rzutów i kolejnych opracowań.

Bibliografia:

1. Magdalena Bernat, Alicja Byzdra, Mariusz Chmielecki, Przemysław Laskowski, Janusz Orzechowski, Sławomir Rzepa, Jakub Szulwic, Patryk Ziółkowski, Zastosowanie naziemnego skaningu laserowego i
   przetwarzanie danych: inwentaryzacja i inspekcja obiektów budowlanych. Przegląd technologii i przykłady zastosowań, Seria GEOMATYKA, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska, 2016 rok, str. 11