¿Cuáles son los principales tipos de escaneo 3D?

Tecnología de escaneo 3D

La tecnología de escaneo 3D se puede clasificar en métodos de contacto, sin contacto y destructivos. Se utiliza ampliamente en mediciones, ingeniería inversa, control de calidad y otras aplicaciones relacionadas.

Métodos de medición por contacto

Escaneo por contacto: máquinas de medición por coordenadas

Las máquinas de medición por coordenadas (CMMs) son instrumentos de medición eficientes y de precisión desarrollados en la década de 1960. Su aparición vino impulsada por la necesidad de contar con equipos de medición fiables que permitieran el mecanizado eficiente de piezas cada vez más complejas en máquinas-herramienta automáticas y CNC. Los avances en electrónica, informática, control numérico y mecanizado de precisión también sentaron las bases técnicas para las CMMs.

En 1960, Ferranti, en el Reino Unido, desarrolló con éxito el primer CMM del mundo. A finales de la década de 1960, más de 30 empresas de casi 10 países fabricaban CMM, aunque los productos aún se encontraban en una fase inicial. A partir de la década de 1980, empresas como ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti y Moore continuaron lanzando nuevos productos, lo que propició un rápido desarrollo de los CMM. Los CMM modernos pueden realizar mediciones complejas controladas por ordenador, intercambiar información con máquinas-herramienta CNC para controlar el mecanizado y facilitar la ingeniería inversa basada en datos de medición.

Hoy en día, los CMM se utilizan ampliamente en los sectores de la fabricación mecánica, la automoción, la electrónica, la industria aeroespacial y la defensa. Se han convertido en equipos imprescindibles para la inspección industrial y el control de calidad modernos.

Componentes y principio de funcionamiento del CMM

Un CMM es un sistema mecatrónico típico compuesto principalmente por sistemas mecánicos y electrónicos.

1. Sistema mecánico: Este sistema suele constar de tres ejes ortogonales de movimiento lineal. En una estructura típica, el sistema de guías del eje X está montado en la mesa de trabajo, la viga del puente móvil constituye el sistema de guías del eje Y y el sistema de guías del eje Z está instalado en el carro central. Cada eje está equipado con una regla para medir el desplazamiento. Los volantes manuales y los accionamientos motorizados, ya sean autónomos o controlados por CNC, suelen estar situados cerca de los ejes. La sonda utilizada para entrar en contacto con la superficie de la pieza inspeccionada está montada en el extremo del eje Z.
2. Sistema electrónico: Este sistema suele incluir un sistema de recuento de escalas, una interfaz de señal de sonda y un ordenador. Recoge los datos de las coordenadas de la pieza medida y los procesa.

El principio de funcionamiento de un CMM consiste en convertir la medición de características geométricas en la medición de las coordenadas de una serie de puntos situados en dichas características. Una vez obtenidas las coordenadas de los puntos, se realizan cálculos matemáticos para determinar las dimensiones y las tolerancias geométricas. Por ejemplo, al medir un orificio cilíndrico, se pueden sondear varios puntos en un plano perpendicular al eje del orificio. A continuación, sus coordenadas espaciales pueden utilizarse para calcular el diámetro del orificio, las coordenadas del centro, el error de redondez, el error de cilindricidad y la relación posicional del eje del orificio. Esto demuestra la gran versatilidad y flexibilidad de un CMM: en principio, puede medir cualquier característica geométrica y cualquier parámetro de cualquier pieza de trabajo.

El papel complementario de las máquinas de medición de brazo articulado

Una máquina de medición con brazo articulado es también un dispositivo de medición por contacto. A diferencia de un CMM, no utiliza una mesa de trabajo de precisión, una columna ni guías de deslizamiento. En su lugar, utiliza un brazo articulado con múltiples grados de libertad y puede funcionar como una máquina de medición por coordenadas flexible.

Se puede instalar un sensor en el extremo del brazo. Los codificadores rotativos registran el ángulo de rotación de cada articulación, y las coordenadas espaciales del sensor se calculan mediante principios cinemáticos. Durante su uso, un operario sujeta el brazo de medición y pone la sonda en contacto con la superficie a inspeccionar. Al pulsar un botón se registran las coordenadas y la dirección del mango de la sonda, que luego se transmiten a través de un cable serie al software de medición. Este tipo de máquina no tiene prácticamente ninguna restricción en cuanto a la dirección y puede realizar mediciones en cualquier orientación dentro de su área de trabajo. Se utiliza generalmente para la medición mediante ingeniería inversa de grandes troqueles de chapa, incluidos los brazos manuales de CIM-CORE y FARO.

En comparación con las máquinas CMM, las máquinas de medición de brazo articulado tienen una precisión algo menor, pero un rango de medición mayor y menos limitaciones en cuanto al tamaño y la forma de la pieza de trabajo. Son compactas, flexibles en su uso y adecuadas para la medición durante el proceso de fabricación. En el resto de aspectos, son similares a las máquinas CMM.

Métodos sin contacto

La medición sin contacto utiliza principalmente principios ópticos para recopilar datos. Entre los métodos más habituales se encuentran la telemetría láser, la triangulación láser, la luz estructurada, el análisis de imágenes y la medición interferométrica. Los equipos de medición óptica ofrecen una alta velocidad de medición y un elevado grado de automatización. Al no haber presión de contacto ni fricción, se evitan los errores de medición provocados por la deformación de la pieza sometida a fuerza, lo que los hace muy adecuados para la adquisición rápida y a gran escala de datos a partir de modelos complejos.

El principio básico de la medición óptica consiste en convertir una magnitud física analógica en datos de coordenadas de la superficie de la pieza mediante los algoritmos adecuados.

Medición de distancias por láser

La telemetría láser calcula la distancia entre un punto medido y un plano de referencia a partir del tiempo de vuelo del rayo láser, la velocidad de la luz y el índice de refracción atmosférico. Dado que la medición directa del tiempo resulta complicada, en los telémetros basados en la fase se suele utilizar la medición de fase de onda continua. Este método permite medir distancias de varios cientos de metros con una precisión típica del orden de los milímetros.

Triangulación láser

La triangulación láser utiliza la posición y el ángulo entre una fuente de luz y un sensor de imagen, como una cámara, para calcular las coordenadas espaciales de los puntos. Se puede utilizar para medir puntos, líneas o superficies.

1. Cuenta con una gran distancia de trabajo y puede medir una pieza incluso cuando se encuentra relativamente lejos de la superficie de la misma.
2. Cuenta con un amplio rango de medición. Los errores no lineales provocados por un rango amplio pueden calibrarse y corregirse mediante software.
3. La sonda no entra en contacto con el objeto medido, por lo que puede recopilar datos de superficies de materiales blandos y medir con eficacia bordes afilados, hendiduras y otros contornos complejos.
4. La adquisición de datos es rápida. En el caso de superficies grandes, los datos se pueden adquirir rápidamente en una máquina herramienta CMM o CNC sin necesidad de compensación de sonda.
5. Es relativamente caro, y los reflejos parásitos y las características de la superficie, como las paredes verticales, pueden afectar a la precisión de la adquisición.
6. Es sensible al material medido, a la rugosidad de la superficie y a la reflectividad, y su precisión suele ser ligeramente inferior a la de un CMM.

Luz estructurada y tecnología de código gris

Los métodos de luz estructurada proyectan un patrón de luz específico, como rayas o cuadrículas, sobre la superficie de un objeto. Las coordenadas tridimensionales de la superficie se calculan captando cómo la superficie curva deforma el patrón reflejado. Un enfoque habitual es el de las rejillas proyectadas, que obtienen información sobre la altura a partir de la deformación de las rayas de la rejilla provocada por los cambios en la elevación de la superficie.

A diferencia del análisis pasivo de imágenes, la luz estructurada requiere la proyección activa de una fuente de luz artificial. La visión estereoscópica pasiva utiliza una o varias cámaras para fotografiar un objeto desde diferentes ángulos y calcula la profundidad a partir de la disparidad de las imágenes. Los sistemas binoculares de luz estructurada combinan las ventajas de ambos enfoques y pueden mejorar aún más la eficiencia de la medición.

La medición binocular por luz estructurada permite obtener una gran cantidad de datos en una sola operación y resulta adecuada para medir de forma eficiente superficies complejas. Sin embargo, los resultados se ven afectados por las propiedades ópticas de la superficie del objeto, lo que dificulta la medición de superficies transparentes o negras. Por lo general, la precisión es ligeramente inferior a la de la medición por contacto.

El escáner óptico ATOS de la empresa alemana GOM es un sistema de medición típico de luz estructurada. Proyecta rayas de rejilla sobre la superficie de un objeto, utiliza dos cámaras de alta resolución para capturar las imágenes de las rayas deformadas y calcula las coordenadas tridimensionales de la superficie. Es capaz de adquirir datos completos de nubes de puntos para estructuras complejas en muy poco tiempo. El ATOS II tiene un área de medición individual de aproximadamente 280 mm por 350 mm, puede capturar hasta 1,3 millones de puntos de escaneo y alcanza una precisión por medición de ±0,03 mm. En el caso de objetos más grandes, se pueden crear modelos completos combinando mediciones desde múltiples ángulos, con una precisión de ensamblaje de aproximadamente 0,1 mm/m.

El código Gray, combinado con un desplazamiento de fase sinusoidal, es un método de codificación muy utilizado en la tecnología de luz estructurada. En primer lugar, el código Gray divide el espacio de medición en regiones para determinar la posición aproximada de cada punto. A continuación, se utiliza el desplazamiento de fase para lograr un posicionamiento preciso dentro de cada región.

La característica fundamental del código Gray es que los códigos adyacentes solo difieren en un bit. Esto evita los errores que pueden producirse cuando cambian varios bits al mismo tiempo, lo que proporciona una alta fiabilidad y una baja tasa de error de decodificación en mediciones de amplio rango. Entre sus principales características se incluyen:

1. Codificación fiable con una baja tasa de error.
2. Se trata de un código ponderado. Los distintos códigos de Gray no se pueden comparar directamente, sino que primero deben convertirse a código binario para su procesamiento.
3. El número de unos que hay en una palabra de código puede utilizarse para determinar si el valor correspondiente es par o impar.

La tecnología de rejilla de fase heterodina multifrecuencia utiliza un proyector DLP para proyectar rejillas digitales generadas por ordenador sobre la superficie de un objeto. Dos cámaras capturan de forma sincronizada las franjas deformadas y, a continuación, los cálculos de fase generan datos tridimensionales de nube de puntos de la superficie del objeto. Este enfoque permite ajustar de forma flexible la frecuencia de la rejilla, al tiempo que se mantiene una alta precisión de proyección.

Análisis de imágenes

El análisis de imágenes utiliza la posición relativa de un mismo punto en varias imágenes para calcular la distancia a través de la disparidad y, de este modo, obtener las coordenadas espaciales de dicho punto. Además, suele combinarse con otros métodos ópticos para mejorar la eficiencia y la aplicabilidad de las mediciones.

Métodos destructivos

Límites de aplicación del escaneo destructivo

Un escáner automático de secciones seriadas combina la eliminación de material capa por capa con el escaneo capa por capa para obtener los datos de los contornos internos y externos de un modelo. En primer lugar, la pieza que se va a medir se encapsula por completo en un material de resina específico mezclado con polvo de grafito o pigmento. Una vez que la resina se ha endurecido, se fija a una fresadora y se mecaniza con una profundidad de corte muy pequeña para crear una sección transversal que contenga tanto la pieza como la resina. A continuación, la sección se desplaza por debajo de una cámara digital CCD para su muestreo digital. Dado que existe un límite claro entre el material de encapsulación y la pieza, las técnicas de procesamiento de imágenes digitales —como el filtrado, la extracción de bordes, el análisis de texturas y la binarización— permiten extraer el contorno del límite y obtener los valores de las coordenadas del contorno. El corte y el análisis se repiten hasta obtener los datos de coordenadas de todas las secciones del modelo.

En comparación con la tomografía computarizada industrial, los escáneres automáticos de secciones seriadas tienen menores costes de equipamiento y funcionamiento. Al basarse en la extracción de píxeles, también pueden adquirir una gran cantidad de datos en cada capa. Su clara desventaja es que destruyen el objeto medido. Un escáner automático de secciones seriadas relativamente consolidado en el mercado es el RE1000 de CGI, de Estados Unidos.

Tomografía computarizada industrial

La tomografía computarizada industrial (ICT) ofrece un método tomográfico digital no destructivo para reproducir estructuras internas y externas complejas, así como las formas de los materiales. Una vez que una muestra física se somete a un escaneo tomográfico, la ICT genera una serie de cortes transversales y datos. Estos cortes y datos contienen información completa sobre los contornos de la sección transversal de la pieza y su estructura interna.

Las TIC amplían el éxito de la aplicación de la tomografía computarizada médica al ámbito industrial. Se pueden utilizar para el modelado inverso y el control de calidad de piezas moldeadas de tamaño pequeño, mediano y grande con estructuras complejas, así como para el análisis técnico, el diagnóstico no destructivo de fallos en los productos y su fiabilidad, y el análisis de la estructura de los ensamblajes.