Wat zijn de belangrijkste soorten 3D-scanning?

3D-scantechnologie

3D-scantechnologie kan worden onderverdeeld in contact-, contactloze en destructieve methoden. Deze technologie wordt op grote schaal toegepast bij metingen, reverse engineering, kwaliteitscontrole en aanverwante toepassingen.

Contactmeetmethoden

Contactscannen: coördinatenmeetmachines

Coördinatenmeetmachines (CMMs) zijn efficiënte, nauwkeurige meetinstrumenten die in de jaren zestig zijn ontwikkeld. Hun opkomst werd ingegeven door de behoefte aan betrouwbare meetapparatuur ter ondersteuning van de efficiënte bewerking van steeds complexere onderdelen op automatische en CNC-bewerkingsmachines. Vooruitgang op het gebied van elektronica, informatica, numerieke besturing en precisiebewerking vormde tevens de technische basis voor CMM's.

In 1960 ontwikkelde Ferranti in het Verenigd Koninkrijk met succes ’s werelds eerste CMM. Tegen het einde van de jaren zestig produceerden meer dan 30 bedrijven in bijna 10 landen CMM’s, hoewel de producten zich nog in een vroeg stadium bevonden. Vanaf de jaren tachtig bleven bedrijven als ZEISS, Leitz, DEA, LK, Mitutoyo, Ferranti en Moore nieuwe producten introduceren, wat leidde tot een snelle ontwikkeling van de CMM. Moderne CMM’s kunnen onder computerbesturing complexe metingen uitvoeren, informatie uitwisselen met CNC-bewerkingsmachines om de bewerking te sturen, en reverse engineering ondersteunen op basis van meetgegevens.

Tegenwoordig worden CMM’s op grote schaal gebruikt in de machinebouw, de automobielindustrie, de elektronica-industrie, de lucht- en ruimtevaart en de defensie-industrie. Ze zijn uitgegroeid tot onmisbare apparatuur voor moderne industriële inspectie en kwaliteitscontrole.

CMM: Onderdelen en werkingsprincipe

Een CMM is een typisch mechatronisch systeem dat voornamelijk bestaat uit mechanische en elektronische systemen.

1. Mechanisch systeem: Dit systeem bestaat doorgaans uit drie orthogonale lineaire bewegingsassen. In een typische opstelling is het geleidingssysteem van de X-as op de werktafel gemonteerd, vormt de bewegende brugbalk het geleidingssysteem van de Y-as en is het geleidingssysteem van de Z-as in de centrale slede geïnstalleerd. Elke as is voorzien van een schaalverdeling voor het meten van de verplaatsing. Handwielen en motoraandrijvingen, hetzij aangedreven, hetzij CNC-gestuurd, bevinden zich doorgaans in de buurt van de assen. De sonde die wordt gebruikt om contact te maken met het oppervlak van het te inspecteren onderdeel, is aan het uiteinde van de Z-as gemonteerd.
2. Elektronisch systeem: Dit systeem bestaat doorgaans uit een weeg- en telsysteem, een interface voor sondesignalen en een computer. Het verzamelt coördinaatgegevens van het gemeten onderdeel en verwerkt deze gegevens.

Het werkingsprincipe van een CMM bestaat erin de meting van geometrische kenmerken om te zetten in de meting van de coördinaten van een reeks punten op die kenmerken. Nadat de puntcoördinaten zijn verkregen, worden de afmetingen en geometrische toleranties bepaald aan de hand van wiskundige berekeningen. Bij het meten van een cilindrisch gat kunnen bijvoorbeeld verschillende punten worden gemeten in een vlak dat loodrecht staat op de as van het gat. Hun ruimtelijke coördinaten kunnen vervolgens worden gebruikt om de gatdiameter, de middelpuntcoördinaten, de rondheidsfout, de cilindriciteitsfout en de positionele relatie van de as van het gat te berekenen. Dit illustreert de grote veelzijdigheid en flexibiliteit van een CMM: in principe kan het elk geometrisch kenmerk en elke parameter van elk werkstuk meten.

De aanvullende rol van meetmachines met scharnierarm

Een meetmachine met scharnierarm is eveneens een contactmeetapparaat. In tegenstelling tot een CMM maakt deze geen gebruik van een precisiewerktafel, kolom of geleidingen. In plaats daarvan maakt hij gebruik van een scharnierarm met meerdere vrijheidsgraden en kan hij fungeren als een flexibele coördinatenmeetmachine.

Aan het uiteinde van de arm kan een sensor worden geïnstalleerd. Rotatie-encoders registreren de draaihoek van elk gewricht, en de ruimtelijke coördinaten van de sensor worden berekend aan de hand van kinematische principes. Tijdens het gebruik houdt een operator de meetarm vast en brengt de sonde in contact met het te inspecteren oppervlak. Door op een knop te drukken worden de coördinaten en de richting van de sondehandgreep geregistreerd, waarna deze via een seriële kabel naar de meetsoftware worden verzonden. Dit type machine kent vrijwel geen beperkingen wat betreft de richting en kan in elke oriëntatie binnen zijn werkbereik meten. Het wordt over het algemeen gebruikt voor reverse-engineering-metingen van grote plaatwerkmatrijzen, waaronder handmatige armen van CIM-CORE en FARO.

In vergelijking met CMM’s hebben meetmachines met een scharnierarm een iets lagere nauwkeurigheid, maar een groter meetbereik en minder beperkingen wat betreft de afmetingen en vorm van het werkstuk. Ze zijn compact, flexibel in het gebruik en geschikt voor metingen tijdens het productieproces. Voor het overige zijn ze vergelijkbaar met CMM’s.

Contactloze methoden

Bij contactloze metingen wordt voornamelijk gebruikgemaakt van optische principes om gegevens te verzamelen. Veelgebruikte methoden zijn onder meer laserafstandsmeting, lasertriangulatie, gestructureerd licht, beeldanalyse en interferometrische meting. Optische meetapparatuur biedt een hoge meetsnelheid en een hoge mate van automatisering. Omdat er geen contactdruk of wrijving is, kunnen meetfouten als gevolg van vervorming van het onderdeel onder belasting worden voorkomen, waardoor deze apparatuur zeer geschikt is voor snelle, grootschalige gegevensverzameling van complexe modellen.

Het basisprincipe van optische metingen is dat een fysieke analoge grootheid via geschikte algoritmen wordt omgezet in coördinaatgegevens voor het oppervlak van het werkstuk.

Laserafstandsmeting

Bij laserafstandsmeting wordt de afstand tussen een meetpunt en een referentievlak berekend op basis van de vluchttijd van de laserstraal, de lichtsnelheid en de brekingsindex van de atmosfeer. Omdat het moeilijk is om de tijd rechtstreeks te meten, wordt bij fasegebaseerde afstandsmeters doorgaans gebruikgemaakt van fasemeting bij continue golven. Met deze methode kunnen afstanden van enkele honderden meters worden gemeten met een typische nauwkeurigheid op millimeterniveau.

Lasertriangulatie

Bij lasertriangulatie worden de positie en de hoek tussen een lichtbron en een beeldsensor, zoals een camera, gebruikt om de ruimtelijke coördinaten van punten te berekenen. Deze methode kan worden toegepast voor het meten van punten, lijnen of oppervlakken.

1. Het apparaat heeft een groot werkbereik en kan een werkstuk meten, zelfs als het zich relatief ver van het oppervlak van het werkstuk bevindt.
2. Het heeft een groot meetbereik. Niet-lineaire fouten die het gevolg zijn van dit grote bereik kunnen met behulp van software worden gekalibreerd en gecorrigeerd.
3. De sonde raakt het meetobject niet aan, waardoor hij gegevens kan verzamelen van oppervlakken van zachte materialen en scherpe randen, verdiepingen en andere complexe contouren effectief kan meten.
4. De gegevensverzameling verloopt snel. Bij grote oppervlakken kunnen de gegevens snel worden verzameld op een CMM- of CNC-bewerkingsmachine, zonder dat er een sondecompensatie nodig is.
5. Het is relatief duur, en strooireflecties en oppervlaktekenmerken zoals verticale wanden kunnen de nauwkeurigheid van de metingen beïnvloeden.
6. Het is gevoelig voor het te meten materiaal, de oppervlakteruwheid en de reflectiviteit, en de nauwkeurigheid ervan ligt over het algemeen iets lager dan die van een CMM.

Gestructureerd licht en grijs-codetechnologie

Bij methoden met gestructureerd licht wordt een specifiek lichtpatroon, zoals strepen of rasters, op het oppervlak van een object geprojecteerd. De driedimensionale coördinaten van het oppervlak worden berekend door vast te leggen hoe het gereflecteerde patroon door het gebogen oppervlak wordt vervormd. Een veelgebruikte methode is het gebruik van geprojecteerde roosters, waarbij hoogte-informatie wordt verkregen uit de vervorming van de roosterstrepen als gevolg van veranderingen in de hoogte van het oppervlak.

In tegenstelling tot passieve beeldanalyse vereist gestructureerd licht de actieve projectie van een kunstmatige lichtbron. Bij passieve stereovisie worden één of meer camera’s gebruikt om een object vanuit verschillende hoeken te fotograferen, waarna de diepte wordt berekend op basis van beeldverschillen. Binoculaire systemen met gestructureerd licht combineren de voordelen van beide benaderingen en kunnen de meetefficiëntie verder verbeteren.

Met binoculaire gestructureerd-lichtmeting kan in één bewerking een grote hoeveelheid gegevens worden verzameld; deze methode is geschikt voor het efficiënt meten van complexe oppervlakken. De resultaten worden echter beïnvloed door de optische eigenschappen van het oppervlak van het object, waardoor transparante of zwarte oppervlakken moeilijker te meten zijn. De nauwkeurigheid ligt over het algemeen iets lager dan bij contactmeting.

De ATOS optische scanner van GOM in Duitsland is een typisch meetsysteem op basis van gestructureerd licht. Het projecteert rasterstrepen op het oppervlak van een object, gebruikt twee camera’s met hoge resolutie om de beelden van de vervormde strepen vast te leggen en berekent driedimensionale oppervlaktecoördinaten. Het kan in zeer korte tijd volledige puntenwolkgegevens van complexe structuren vastleggen. De ATOS II heeft een meetgebied van ongeveer 280 mm bij 350 mm per meting, kan tot 1,3 miljoen scanpunten vastleggen en bereikt een nauwkeurigheid van plus of min 0,03 mm per meting. Voor grotere objecten kunnen complete modellen worden gemaakt door metingen vanuit meerdere hoeken te combineren, met een assemblage-nauwkeurigheid van ongeveer 0,1 mm/m.

Gray-code in combinatie met sinusvormige faseverschuiving is een veelgebruikte coderingsmethode bij gestructureerd licht. Bij de Gray-code wordt de meetruimte eerst in gebieden verdeeld om de geschatte positie van elk punt te bepalen. Vervolgens wordt faseverschuiving toegepast voor een nauwkeurige positionering binnen elk gebied.

Het belangrijkste kenmerk van de Gray-code is dat aangrenzende codes slechts in één bit van elkaar verschillen. Hierdoor worden fouten voorkomen die kunnen optreden wanneer meerdere bits tegelijkertijd veranderen, wat zorgt voor een hoge betrouwbaarheid en een laag decoderingsfoutpercentage bij metingen over een groot bereik. De belangrijkste kenmerken zijn onder meer:

1. Betrouwbare codering met een laag foutenpercentage.
2. Het is een gewogen code. Verschillende Gray-codes kunnen niet rechtstreeks met elkaar worden vergeleken en moeten voor verdere verwerking eerst worden omgezet naar binaire code.
3. Aan de hand van het aantal enen in een codewoord kan worden vastgesteld of de bijbehorende waarde oneven of even is.

Bij de multifrequente heterodyne-faseroostertechnologie wordt een DLP-projector gebruikt om computergegenereerde digitale roosters op het oppervlak van een object te projecteren. Twee camera’s leggen de vervormde strepen synchroon vast, waarna faseberekeningen driedimensionale puntenwolkgegevens voor het oppervlak van het object opleveren. Deze aanpak maakt een flexibele aanpassing van de roosterfrequentie mogelijk, terwijl een hoge projectienauwkeurigheid behouden blijft.

Beeldanalyse

Bij beeldanalyse wordt de relatieve positie van hetzelfde punt in meerdere beelden gebruikt om de afstand te berekenen aan de hand van dispariteit en zo de ruimtelijke coördinaten van het punt te bepalen. Deze methode wordt ook vaak gecombineerd met andere optische methoden om de meetefficiëntie en toepasbaarheid te verbeteren.

Destructieve methoden

Toepassingsgebied van destructief scannen

Een automatische scanner voor seriële doorsneden combineert het laag voor laag verwijderen van materiaal met het laag voor laag scannen om de interne en externe contourgegevens van een model vast te leggen. Eerst wordt het te meten onderdeel volledig ingekapseld in een speciaal harsmateriaal dat is gevuld met grafietpoeder of pigment. Zodra de hars is uitgehard, wordt het op een freesmachine bevestigd en met een zeer kleine snijdiepte bewerkt om een dwarsdoorsnede te creëren die zowel het onderdeel als de hars bevat. De doorsnede wordt vervolgens onder een digitale CCD-camera geplaatst voor digitale bemonstering. Omdat er een duidelijke grens is tussen het inkapselingsmateriaal en het onderdeel, kunnen digitale beeldverwerkingstechnieken zoals filtering, randextractie, textuuranalyse en binarisatie de grenscontour extraheren en contourcoördinaatwaarden verkrijgen. Het frezen en de analyse worden herhaald totdat de coördinaatgegevens voor alle modeldoorsneden zijn verkregen.

In vergelijking met industriële computertomografie hebben automatische scanners voor seriële doorsneden lagere apparatuur- en exploitatiekosten. Omdat ze werken op basis van pixelextractie, kunnen ze bovendien per laag een grote hoeveelheid gegevens vastleggen. Een duidelijk nadeel is dat ze het gemeten object vernietigen. Een relatief volwassen automatische scanner voor seriële doorsneden die op de markt verkrijgbaar is, is de RE1000 van CGI uit de Verenigde Staten.

Industriële computertomografie

Industriële computertomografie (ICT) biedt een niet-destructieve digitale tomografische methode voor het weergeven van complexe interne en externe structuren en materiaalvormen. Nadat een fysiek monster tomografisch is gescand, levert ICT een reeks dwarsdoorsnede-beelden en gegevens op. Deze dwarsdoorsneden en gegevens bevatten volledige informatie over de contouren van de dwarsdoorsnede van het werkstuk en de interne structuur.

ICT breidt de succesvolle toepassing van medische CT uit naar de industrie. Het kan worden gebruikt voor reverse engineering en kwaliteitscontrole van kleine, middelgrote en grote vormdelen met complexe structuren, evenals voor technische analyse, niet-destructieve diagnose van productstoringen en betrouwbaarheid, en analyse van montagestructuren.