اسکنر سه بعدی :

امروزه اسکنر سه بعدی به شدت مهم و محبوب هستند، از صنعت پزشکی، مهندسی، بازسازی تاریخی و…. از کاربردهای مهم اسکنرهای سه بعدی هستند. اسکنر سه ‌بعدی به شما اجازه می‌دهد تا یک مدل سه‌بعدی از یک مدل فیزیکی تولید کنید.

تاریخچه اسکنر سه بعدی:

اولین استفاده از اسکنر سه بعدی در تاریخ 1830 توسط هنرمند فرانسوی فرانسو ویلیام مورد استفاده قرار گرفت، ویلیام نقاش، مجسمه ساز و عکاس بود، او یک فرآیند تولید یک مجسمه پرتره با استفاده از برآمدگی‌ها چند عکس ایجاد و ثبت کرد.

همانطور که در تصویر زیر می‌بینید، این فرآیند با آنچه که امروز اسکن سه بعدی می‌نامیم متفاوت نیست.

اسکن سه‌بعدی چیست؟

یک اسکن سه‌بعدی نمایش دیجیتالی قطعه، شی یا فردی است که در اسکن سه‌بعدی قرار دارد. در طول فرآیند اسکن سه‌بعدی، شما شکل یک شی (شی،قطعات صنعتی، صورت یا بدنه یک فرد) را با استفاده از یک اسکن سه‌بعدی روی دستگاه اسکن سه‌بعدی ویا  حتی تبلت یا تلفن همراه ثبت (چگونه؟ در ادامه مقاله توضیح داده شده است) می‌کنید.

حسگرهای دستگاه منفرد اطلاعات مربوط به شکل، عمق و رنگ مورد مورد نظر شما را جمع‌آوری می‌کنند و فایل سه بعدی نهایی را شکل می‌دهند. بعد از اینکه اسکن سه‌بعدی به یک فایل سه‌بعدی تبدیل شد، می‌توانید نتیجه را با یک برنامه مدل‌سازی ۳ بعدی ادیت کنید.

اسکنر سه بعدی  چگونه کار میکند؟

فن‌آوری‌های مختلفی برای به دست آوردن شکل یک جسم سه‌بعدی وجود دارد. تکنیک‌ها اکثر یا همه با استفاده از انواع سنسور از جمله نوری، آکوستیک، اسکن لیزری، رادار، حرارتی و ارتعاشی کار می‌کنند.

یک طبقه‌بندی شناخته‌شده آن‌ها را به دو نوع تقسیم می‌کند:

• تماسی
• غیرتماسی

 تماسی:

این اسکنرهای سه بعدی از طریق لمس فیزیکی قطعه را اسکن می‌کنند دستگاه‌های CMM یکی از معروفترین این اسکنرها هستند.

غیر تماسی:

طبق ابتدایی‌ترین تعریف اسکنر لیزری غیر تماسی شامل ترکیبی از تابش کنترل شده پرتوهای لیزری و اندازه گیری فاصله تابش است

به این ترتیب که به وسیله اینکودر چرخشی چندین آینه به صورت هماهنگ پرتوهای لیزر را بر روی سطوح جسم مورد نظر (موضوع مورد اسکن) هدایت کرده و آن را اسکن می‌کند.

موقعیت دهی پرتوی لیزر در دو جهت نیازمند یک آینه است که قابلیت چرخش حول دو محور را داشته باشد یا برای اسکن سریع‌تر نیاز است از انعکاس پرتو بر روی دو آینه که در مجاورت یکدیگر بر روی دو محور عمود برهم جاسازی شده‌اند استفاده شود. لیزرها همچنین می‌توانند در بُعد سوم نیز توسط یک مکانیزم لنز با کنترل سرو موقعیت دهی که به اسم سیستم تغییر دهنده فاصله کانونی یا تغییر دهنده محور  zشناخته می‌شوند.

به طور کلی یک اسکن برای تولید یک مدل کامل از موضوع مورد اسکن کفایت نمی‌کند و بنابراین چندین اسکن باید در یک سیستم مرجع مشترک گردآوری و یکپارچه شوند که طی یک فرآیند با عنوان هم‌ترازی یا ثبت انجام می شود.

نحوه عملکرد این اسکنرها در زیر مورد برررسی قرار گرفته است:

• زمان پرواز Time of Flight

یکی از مفاهیم اصلی در اسکن لیزری مبحث زمان پرواز TOF است، منظور از این مورد استفاده از یک دامنه سنج لیزر جهت محاسبه زمان رفت و برگشت یک پالس نوری از اسکنر به سمت موضوع است.

از آنجا که سرعت نور عدد ثابتی است، فاصله بین اسکن و موضوع مورد اسکن را می توان از طریق اندازه گیری زمان رفت و برگشت پالس نوری محاسبه کرد بنابراین فرمول محاسبه فاصله بر اساس زمان رفت و برگشت پرتو به صورت زیرساده می‌شود.

متعاقباً دقت یک سنسور اندازه گیری TOF وابسته به دقت کرنومتر بیات زمان سنج موجود در اسکن لیزری است.

مزیت اصلی این تکنولوژی ظرفیت آن برای استفاده در اندازه گیری فاصله دور است که به همین دلیل بعضی اسکنرهای TOF در پروژه‌های بزرگ نقشه برداری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ولی اندازه گیری دقیق یک کمیتی به کوچکی مدت زمان رفت و برگشت نور در مقیاس مورد نیاز برای یک آزمایشگاه کنترل کیفی بسیار سخت است.

این دلیلی است که چرا سنسورها به تنهایی برای کاربردهای اندازه گیری با دقت بالا کفایت نمی‌کنند.

• مثلث سازی یا (روابط مثلثاتی)

بسیاری از اسکنرهای دستی از مثلث سازی (و تشکیل روابط مثلثاتی) برای جبران دقت پایین‌تر حاصل از اندازه گیری به روش TOF استفاده می کنند.

به عنوان مثال اسکنرهای لیزری دستی اغلب از یک دوربین که نقاط لیزری تابیده شده روی موضوع را ضبط می کنند نیز استفاده می‌کنند.

این دوربین این قابلیت را به اسکنر می‌دهد که از طریق مثلث سازی و محاسبات مثلثاتی دقت خیلی بالاتری را اندازه گیری فاصله نسبت به زمانی که تنها از روش اندازه گیری TOF استفاده می‌کنیم داشته باشیم ولی با وجود دقت بالایی که مثلث سازی در اختیار می‌گذارد محدودیت‌هایی نیز در رنج بازدهی اسکنر سه بعدی ایجاد می‌کند.

 ابر نقاط و ثبت داده‌ها در اسکنر سه بعدی

بر اساس تعاریف اولیه یک ابر نقطه شامل یک مجموعه از اطلاعات نقاط در یک سیستم مختصات است.

سیستم مختصات کارتزین استاندارد نقاط بر اساس مختصات x وy و z تعریف می‌شوند در مبحث اسکنر سه بعدی ابر نقاط معرف نتیجه حاصل از یک اسکن است که به صورت داده های سه بعدی بدون ساختاربندی است

فرمت های معمول فایل ابرنقاط IGS,TXT,ASCII است

داده‌های ابرنقاط سپس جهت انطباق با یکدیگر و تشکیل مدل کامل طی فرآیند همترازی یا ثبت در سیستم مرجع مشترک گردآوری می‌شوند. این فرایند می تواند در حین اسکن (در خصوص اسکنر های سه بعدی سرعت بالا) یا به عنوان یک مرحله‌ای تکمیل انجام شود.

داده‌های خروجی در ادامه توسط نرم‌افزار پالایش می شوند که شامل حذف نقاط خارج از رنج یا پر کردن گپ‌های بین نقاط ایجاد مدل مش بندی مثلثی یا چند ضلعی و استخراج فایل STL و یا تبدیل به فرمت NURBS جهت استفاده در مدل CAD است.

فروشندگان روش‌های مختلفی برای رسیدن به مدل CAD ارائه می‌کنند. برخی سطوح NURBS را صادر کرده و آن را به طراح CAD واگذار می‌کنند تا مدل CAD را تکمیل کنند.

سایرین از داده‌های اسکن استفاده می‌کنند تا یک مدل قابل ویرایش و قابل رسیدگی را ایجاد کنند و یک مدل CAD کامل را تحویل می‌دهد، و هر دو هدف طراحی را به دست می‌آورد.

برای مثال در بازار نرم افزارهای وجود دارند که اصلاح ابر نقاط را انجام می‌دهند به طور مثال کتیا یا پلاگین سالیدورکس مانند جئومجیک و… که اجازه دستکاری فایل اسکن شده را می‌دهند.

نرم افزارهای اسکنر سه بعدی:

نرم‌افزارهای اسکن سه‌بعدی زیادی در بازار موجود است در این قسمت نرم افزارهای نسخه ویندوز را معرفی می‌کنیم:

Artec Studio

قطعا یکی از رهبران صنعت نرم‌افزار اسکن سه‌بعدی است. یک مجموعه حرفه‌ای از ابزارها و الگوریتم های نوآورانه برای محاسبه داده‌های سه‌بعدی جمع‌آوری‌شده و ارائه بهترین نتایج به شما ارائه می‌دهد. ویژگی بزرگ دیگر  آن رابط کاربری گرافیکی کاربر آن است.

برای دانلود این نرم افزار اینجا کلیک کنید.

PolyWorks

این نرم افزار مدل ۳ بعدی را برای کیفیت و دقت تحلیل می‌کند و توسط متخصصان در صنایع هوافضا، پزشکی، اتومبیل و صنایع دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار به شما اجازه می‌دهد تا مدل تولید شده را با پردازش ابر نقطه کنترل کنید.

برای دانلود این نرم افزار اینجا کلیک کنید.

برنامه‌های موبایل اسکنر سه ‌بعدی

آیا می‌دانستید که در برخی موارد تمام چیزی که نیاز دارید که کار اسکن سه بعدی را انجام دهید تنها یک موبایل است؟

این تکنولوژی اسکنر سه بعدی به قدری فراتر رفته‌ است که شما حتی می‌توانید از گوشی خود برای ایجاد یک اسکن سه ‌بعدی و سپس یک مدل ۳ بعدی استفاده کنید. برنامه‌های اختصاصی وجود دارند که به شما این امکان را می‌دهد که یک شی واقعی را تنها در چند کلیک به یک مدل سه‌بعدی تبدیل کنید. یاد بگیرید که چگونه با یک گوشی هوشمند اسکن سه‌بعدی کنید.

اگر شما یک گوشی هوشمند دارید، می‌توانید یکی از برنامه‌های اسکن سه‌بعدی که در حال حاضر در بازار وجود دارند را دانلود کنید. در تمامی کاربردهای اسکن سه‌بعدی، دستورالعمل‌های مشابهی برای یک اسکن سه‌بعدی موفق اعمال می‌شوند.

روند اسکن سه‌بعدی به شرح زیر است.

اول، شما شی یا فردی را که می‌خواهید در جایی که می‌توانید در جایی که می‌توانید در اطراف آن راه بروید، قرار دهید.

سپس، روش اسکن کردن را همانطور که توسط برنامه نشان داده شد، و حسگرهای دوربین موبایل شما تمام داده‌های مورد نیاز را جمع‌آوری می‌کنند. هنگامی که اسکن سه‌بعدی تمام شد، و داده‌ها جمع‌آوری شدند، این برنامه آن‌ها را به مدل دیجیتالی ۳ بعدی شما تبدیل می‌کند.

بعد از آن، شما می‌توانید نتیجه را ذخیره کنید و آن را به نرم افزارهای اصلاح ابر نقاط برده و اصلاحات لازم را انجام دهید و فایل CAD خروجی را برای چاپ سه بعدی یا روش های تولید دیگر آماده کنید.

بیایید ببینیم کدام گزینه برای شما بهتر است.

Qlone

این یک نرم‌افزار اسکن سه‌بعدی سیار است. Qlone به شما اجازه می‌دهد که قطعات سه بعدی را اسکن کرده و یک مدل سه‌بعدی با گوشی هوشمند خود تولید کنید. استفاده از آن آسان و سریع است. مدل ۳ بعدی را می توان به چندین فرمت سه‌بعدی و برای چاپ سه‌بعدی  و… ارسال کرد.

Trnio

Trnio را می توان به عنوان یک نرم‌افزار دیجیتالی در نظر گرفت اما می توان آن را بر روی گوشی هوشمند به کار برد. آن تصاویر را به اشیا سه‌بعدی تبدیل می‌کند، اما شما همچنین می‌توانید قطعات و اشیا سه‌بعدی را اسکن کنید. این روش دو گزینه کیفی را ارایه می‌دهد: تفکیک پذیری بالا و پایین.

Sony 3D Creator

اگر نیاز دارید مدل‌های رزولوشن بالا را با استفاده از یک نرم افزار سه بعدی بر روی گوشی هوشمند خود به دست آورید، این برنامه کاربردی سونی می‌تواند کاملا متناسب با نیازهای شما باشد. این برنامه رایگان کاملا برای مبتدیان سازگار است، به شما این امکان را می‌دهد که مدل ۳ بعدی خود را تولید کنید.

Heges

Heges یک app اسکن کننده برای iPhone است که کاربران حرفه‌ای را هدف قرار می‌دهد. این برنامه دارای ویژگی‌های جالب بسیاری است: ۳۶۰ درجه چرخش می‌کند، و شامل “scanning Infinity” برای فضاهای بزرگ می‌شود. همچنین می‌توانید بهترین حالت را که به شما اجازه می‌دهد در محیط تاریک اسکن کنید را نیز انجام دهید.

Scann3D

این نرم افزار ا رابط کاربری بسیار ساده‌ای دارد و کاربر پسند است. برای تولید یک مدل سه‌بعدی، ۲۰ تا ۴۰ عکس بگیرید. می‌تواند با اشیا کوچک و همچنین اشیا بزرگ‌تر (مانند یک درخت) کار کند. شما می‌توانید مدل خود را به عنوان فایل STL، یکی از محبوب‌ترین فرمت برای چاپ ۳ بعدی، صادر کنید.

itSeez3D

این برنامه اسکنر سه‌بعدی به کاربران اجازه می‌دهد تا در ۳ بعدی با استفاده از آیفون خود، به یک فایل سه بعدی قابل ویرایش دسترسی داشته باشید.

این برنامه اسکنر سه‌بعدی با پردازش عکس‌ها روی پلت فرم ابر خود، تصاویر سه‌بعدی با کیفیت عالی ارائه می‌دهد. فرایندی که بین ۵ تا ۱۰ دقیقه طول می‌کشد. با این حال، در مقایسه با رزولوشن بدست‌آمده در هنگام اسکن کردن اشیا کوچک‌تر، رزولوشن کمی پایین‌تر است. نرم‌افزار رایگان  است و می‌توانید تعداد نامحدودی اسکن سه بعدی انجام دهید.

نکاتی برای اسکن سه بعدی با یک گوشی هوشمند

دقت کنید که زمانی که یک قطعه را بررسی می‌کنید، از نور مناسب استفاده کنید، توصیه می‌شود که از نور روشن استفاده کنید که به طور مساوی در اطراف سوژه شما پخش می‌شود، به خصوص زمانی که در طول شب این کار را می‌خواهید انجام دهید

برای اشیا پیچیده و یا اشیا پیچیده که خالی هستند و یا لبه دارند، به نور توجه دارند که سایه‌ها را ایجاد نکنند چون توسط نرم‌افزار اسکن سه‌بعدی به درستی خوانده نمی‌شوند.

همچنین، سعی کنید زمانی که اطراف شی را بررسی می‌کنید فاصله برابر داشته باشید تا یک نتیجه یکنواخت به دست آورید.

علاوه بر این، مراقب باشید که مدل‌های شما متناسب با صفحه باشند، بنابراین موقعیت خود را تنظیم کنید و نه از حد زیادی عکس بگیرید و نه از حد نزدیک.

کاربردهای اسکنر سه بعدی

حالا که مروری خلاصه از سخت‌افزار و نرم‌افزاری اسکنر سه بعدی به شما داده ایم می‌خواهیم به کاربردهای این فن آوری قدرتمند بپردازیم.

کنترل کیفیت

یکی از رایج ترین و محبوب ترین کاربردهای اسکنر سه بعدی کنترل کیفیت است. در بازارهای بسیار رقابتی امروز که هر شرکت تلاش می‌کند تا دقیق‌ترین بخش‌های زمان را تولید کند، کنترل کیفیت بیش‌ترین اهمیت را دارد. فرآیندهای تولید با کیفیت بالا می‌تواند یک کسب‌وکار را از رقبایش متمایز کند، و این امر باعث می‌شود که فرآیندهای کنترل کیفیت دقیق، دقیق و قابل تکرار بخشی حیاتی از هر برنامه تولید باشند.

نرم‌افزار اسکن سه‌بعدی می‌تواند به شرکت‌ها کمک کند کیفیت و سرعت بازرسی‌ها را با ایجاد مدل‌های سه‌بعدی جزیی از قطعات تولید شده بهبود بخشد و جریان‌های کاری بهینه برای صنایع خاص را ارایه دهد. هر قسمت را می توان اسکن کرد و مدل دیجیتالی را می توان ارزیابی کرد تا اطمینان حاصل کند که هر حوزه از این قسمت در تلرانس مشخص است.

نرم‌افزار بازرسی CMM  اندازه‌گیری مختصات ماشین و نقشه‌های رنگی را ارائه می‌دهد که مهندسین کیفیت را قادر می‌سازد تا فورا قسمت‌هایی که خارج از تلرانس ابعادی و هندسی مشخص هستند را شناسایی کند.

تهیه نمونه اولیه از چاپ سه‌بعدی

تهیه نمونه اولیه و چاپ سه‌بعدی یک مورد استفاده مکرر دیگر برای نرم‌افزار اسکن سه‌بعدی است. اسکنر سه بعدی شما را قادر می‌سازند تا یک محصول فیزیکی بگیرید، آن را به فرمت دیجیتال اسکن کنید (به عنوان مثال فرمت فایل STL)، و با مدل دیجیتالی کار کنید تا نمونه را ایجاد کنید که سپس توسط چاپگرهای سه‌بعدی چاپ می‌شوند.

سطح بالایی از دقت طراحی‌شده توسط اسکنرهای سه بعدی به طور قابل‌توجهی این فرآیند را ساده می‌کند، زیرا افزایش دقیق داده‌های اسکن، زمان دستی مورد نیاز برای ایجاد یک مدل جامد را کاهش می‌دهد.

مهندسی معکوس ساخت CAD

یک چالش بسیار رایج در دنیای مهندسی و طراحی محصول مهندسی معکوس یک محصول فیزیکی است که در آن یک فایل CAD ندارید. استفاده از یک اسکنر سه‌بعدی که ویژگی‌های هندسی پیچیده یک قسمت داده‌شده را ثبت می‌کند، راهی خوب برای توسعه یک فایل CAD در زمانی است که یک فایل موجود نیست.

ایجاد یا منبع یابی فایل‌های با کیفیت بالا در اوایل فرآیند مهندسی معکوس می‌تواند نتایج پروژه را با به حداقل رساندن زمان تلف‌شده و حدس براساس داده‌های نادرست بهبود بخشد.

گردش کار سریع و آسان اسکنر سه بعدی، زمان ایجاد CAD را به حداقل رسانده و منجر به پروژه‌های مهندسی معکوس موفق‌تر شده ‌است.

شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی  CFDمعمولا برای آزمایش تونل باد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تحلیل اجزا محدود FEA  اغلب برای پیش‌بینی اینکه چگونه یک محصول یا یک محصول در زمانی که در معرض نیروهایی مثل گرما،ارتعاشات و غیره قرار می‌گیرد، استفاده می‌شود.

از آنجا که این شبیه‌سازی‌ها و تحلیل‌ها برای شبیه‌سازی شرایط صنایع مانند هوافضا به کار می‌روند که ایمنی در آن بیش‌ترین اهمیت را دارد، مدل‌های دیجیتالی دقیق یک ضرورت هستند، و این همان جایی است که اسکنرهای سه بعدی و نرم‌افزار اسکن مربوط به آن وارد می‌شوند.

هرچه مدل‌های سه‌بعدی دقیق‌تر باشند، شبیه‌سازی بیشتر قابل‌اعتماد خواهد بود. یک نمونه از شرکت North American Eagle است که به کمک اسکنر سه بعدی طراحی و ساخته شده است.

كاربرد  اسکنر سه بعدی در ميراث فرهنگى و باستانى :

مستندسازى متريك در ميراث فرهنگى و باستانى معمولاَ كاربردهاى مسافت نزديك را شامل مى شود، اين موارد از مصنوعات كوچك تا مجسمه ها و ساختمان‌هاى در حال ساخت مى باشد، اشكال و سطوح بى قاعده خيلى مواقع پيچيدگى كار را بيشتر مى نمايد درحاليكه اغلب اوقات زمان كوتاهى براى ابعاد بردارى و اندازه گيرى در اختيار ماست. در گذشته برد نزديك فتوگرامترى تنها روشى بود كه پاسخگوى اين نياز بود