Кейсы применения 3D-сканеров Shining 3D EinScan H2 в Швеции

Знакомим вас с кейсами применения 3D-сканеров Shining 3D EinScan H2 и Shining 3D EinScan H на примере предпринимателя Йоакима Моларе, выполняющего заказы для скульпторов и художников.

Йоаким — владелец ателье по оцифровке и воспроизведению физических 3D-объектов в шведском городе Мариестад. Ателье, которое называется Nioform, производит 3D-сканирование и воссоздание объемных объектов для своих клиентов, в основном — людей искусства, применяя в этом 3D-сканирование и фрезерование с помощью промышленного робота.

Содержание:

Введение

Йоаким Моларе (Joakim Målare) — находчивый предприниматель из Швеции, который управляет собственным бизнесом по фрезеровке и моделированию — компанией Nioform. Он воспроизводит идеи своих клиентов с помощью 3D-сканеров, промышленных роботов и других цифровых инструментов.

В начале 2023 года Йоаким приобрел 3D-сканер EinScan H, чтобы поднять уровень своих услуг по 3D-сканированию, а после полугода его использования перешел на новый EinScan H2. В этой статье мы рассказываем о том, как Йоаким использует 3D-сканеры в своих рабочих процессах.

Йоаким работает с пенопластом, на который затем наносится пластик, создает модели из полиуретана, для последующего литья из бронзы, изготавливает уникальные предметы из дерева и многое другое.

С помощью цифровых инструментов Йоаким физически воспроизводит идеи своих клиентов. Обычно он сканирует модели в 3D и готовит данные сканирования для фрезерования на станке с ЧПУ. Затем он производит модели самостоятельно, с помощью двух своих промышленных роботов, или, если необходимо литье, отправляет заказ на местные литейные заводы.

Предыдущий опыт с EinScan H

3D-сканирование парковых скульптур

Один из клиентов поручил Nioform отсканировать набор из пяти бронзовых скульптур XIX века. Клиенту необходимо было сохранить 3D-данные скульптур для дальнейшего воспроизведения и, конечно же, не повредить оригиналы. Эти скульптуры находились в парке и имели высоту от одного до полутора метров.

Процесс сканирования скульптур создал ряд проблем.

Первая из них заключалась в условиях освещения – важном факторе для любого 3D-сканера. Яркий дневной свет мог помешать. Йоаким решил эту проблему, начав сканирование в сумерках и продолжая всю ночь.Ему удалось отсканировать все пять скульптур за один десятичасовой сеанс.

Второй проблемой было обеспечение питания ПК и 3D-сканера. Четыре статуи находились достаточно близко, чтобы проложить 70-метровый кабель, но пятая была вне досягаемости. Решением стало использование портативного электрогенератора. Были опасения по поводу качества тока, но блоки питания оборудования справились.

Бахус, 3D-скан в сравнении с оригиналом

По результатам сканирования вышло, что на одну скульптуру Йоаким потратил порядка двух часов, включая в этот временной отрезок все перемещения вокруг статуи и манипуляции с электропитанием. По его словам, «обычно сканирование подобного объекта, схожих размеров, с применением фотограмметрии могло занять около 3-4 часов, в лучшем случае — при качественной поверхности самого объекта и если всё получалось с первого раза». Так, время сканирования уменьшилось не менее чем в два раза.

Венера, 3D-скан

3D-сканирование и увеличение скульптур

Шведская художница Лиза Йонассон заказала у Йоакима увеличение скульптур. Задача состояла в том, чтобы отсканировать скульптуры и увеличить цифровые модели приблизительно в два раза, для того, чтоб разместить их затем на детской площадке. Nioform применил в этом случае EinScan H для 3D-сканирования оригинальных изделий, после чего были созданы увеличенные модели, материалом для которых послужил пенополистирол. По этим моделям на заводе отлили скульптуры из алюминия для детей.

Первоначальные скульптуры Лизы Йонассон до увеличения

Художница известна тем, что ее произведения обычно имеют много мелких и замысловатых деталей, что и делает их столь самобытными и оригинальными, и именно эти детали — все штрихи, передающие фактуру, — Лиза хотела сохранить в увеличенных и отлитых в металле скульптурах.

При большом количестве мелких деталей увеличивается время работы фрезерующего заготовку для литья робота, а значит и стоимость финального изделия. Необходимо было найти компромисс между скоростью изготовления и его стоимостью.

В основном для этих моделей были применены при фрезеровании:

сферическая фреза D16, радиусом восемь миллиметров, с шагом в три миллиметра, как основная;
и фреза D3, радиусом полтора миллиметра, для более тонких деталей поверхности.

Это разумно, так как пенополистирол — не лучший материал для передачи множества мелких штрихов, и фрезерование с большей точностью отняло бы время зря, увеличив и стоимость работ.

3D-сканер Shining 3D EinScan H предоставляет точность сканирования до пяти сотых миллиметра и разрешение от четверти миллиметра. В этом проекте было использовано разрешение в полмиллиметра, что составило оптимум для данной задачи.

Сканирование обеих статуй, с учетом множества мелких деталей, заняло около трех часов.

3D-скан скульптуры в ПО EXScan

Этапы изготовления:

После обработки цифровых моделей в ПО SHINING 3D EXScan Йоаким экспортировал их в программы Blender и Rhino3D, для финальной цифровой обработки, а затем прогнал через SprutCAM, создавая 3D-файл нужного для дальнейшего изготовления формата;
Робот с фрезерующим манипулятором изготовил увеличенные заготовки приблизительно за семь часов, обе;
После фрезерования и до литья полистирольные модели подверглись ручной обработке заказчицей, чтобы сохранить уникальность и удалить все возможные следы цифровой обработки.

Увеличенные модели для литья

По завершении изготовления фрезером и после ручной доводки пенопластовые викинги уехали на литейное производство, чтобы выгореть в литьевых формах и “дать жизнь” своим металлическим потомкам.

От EinScan H к EinScan H2

Впечатленный высокой производительностью сканера EinScan H, Йоаким захотел провести тестирование нового EinScan H2. После того, как он использовал EinScan H2 в течение нескольких недель, он рассказал о результатах.

Как говорит Йоаким, значительным улучшением второй модели сканера стал инфракрасный режим 3D-сканирования. Он провел тестовые сканирования новым аппаратом и обнаружил, что работа с ним требует заметно меньше трудозатрат.

3D-сканер Shining 3D EinScan H2 снабжен тремя проекторами VCSEL, тогда как в предыдущей модели был лишь один такой проектор, и это улучшение дает оборудованию расширенную универсальность применений, повышенную, по сравнению с предшественником, скорость работы и увеличение точности.

3D-сканирование ткани для последующего 3D-фрезерования

3D-сканирование объекта из ткани с помощью EinScan H2

Йоаким продемонстрировал на практическом примере сканирование объекта из ткани. Пример вдохновлен одним из заказов — клиент заказал 3D-скан схожего объекта для последующего литья из бронзы. Объект в заказе — лоскутное одеяло, — будет немного сложнее по структуре, с учетом швов и разницы в текстурах тканей.

Клиент хочет создать скульптуру из бронзы, частью которой является лоскутное одеяло, для чего требуется шаблон для литья подходящей формы. Проблема мягких материалов как моделей для литья в том, что с них невозможно снять слепок — под давлением они сразу мнутся и теряют форму. Потому для подобного проекта и подходит наилучшим образом именно 3D-сканирование, ведь оно дает возможность снять форму в деталях, не оказывая на модельный объект физического воздействия.

Для демонстрации рабочего процесса Йоаким использовал другое, обычное одеяло, так как проект его клиента пока конфиденциален и не должен разглашаться.

Он придал одеялу нужную форму и приступил к 3D-сканированию, которое заняло порядка получаса. По завершении сканирования данные загружаются в ПО Blender для последующего их редактирования.

Йоакиму нравится Blender, он считает его хорошей программой для работы с результатами сканирования, к тому же у нее открытый исходный код, что позволяет подключать множество аддонов и передавать результаты работы в многие другие программные продукты. Это отличная программа для редактирования 3D-сканов, внесения правок в них, таких как исправления погрешностей при ускоренном сканировании и намеренное изменение формы объектов.

Сглаживание некоторых участков модели с помощью Blender

ПО завершении редактирования модель разбивается на более компактные фрагменты, пригодные для создания путем фрезерования с помощью робота. Программа для фрезерования SprutCAM автоматизирована в достаточной степени — в ней достаточно указать обрабатываемый материал, в базе программы есть настройки для фрезерования разных материалов на всех этапах обработки, от первого прохода до чистовой, в том числе и для детальной передачи всех нюансов поверхности.

Робот произведет фрезерование всех частей изделия по очереди, если оно слишком велико для изготовления одним куском, а затем составные части можно склеить, после чего отправить физическую модель заказчику — его очередь творить.

Создание физических моделей отсканированных или спроектированных “в цифре” с нуля объектов дает возможность художникам доделывать затем свои проекты вручную.

Для разных вариантов использования технология дальнейшей обработки разная

— кому-то нужна легкая модель, и тогда изготовление продолжится грунтовкой, покраской, а возможно и монтажем каких-то дополнительных элементов, или добавлением результата работы к какому-то более крупному объекту;

— а кто-то доработает свои модели вручную, наводя лоск или добавляя мелкие детали, чтобы затем использовать их для создания литьевых форм, для литья металлами.

В этом проекте использован материал на основе полиуретана, не реже применяется гипс, могут применяться и другие материалы, от дерева до пластика.

Фрезерованная 3D-модель и мягкий оригинал

Сравнение технологий 3D-сканирования

Йоаким знаком с технологией 3D-сканирования около 15 лет, с момента приобретения первого комплекта 3D-сканера на основе структурированного света DAVID, который использовался им наряду с фотограмметрией.

Обе технологии хорошо работают с объектами малого и среднего размера, но каждая из них имеет свои недостатки, которые мешают применять их в работе с бронзовой скульптурой. Например, большая часть рабочего процесса со сканером DAVID включает ручное изменение положения и выравнивание данных. «Это был весьма медленный и уже устаревший процесс», — говорит Йоаким. Будучи индивидуальным предпринимателем и страстным творцом, Йоаким предпочитает тратить время на творчество.

Для эффективной и быстрой фотограмметрии объекты должны иметь текстуру, узнаваемый рисунок, ведь гладкие одноцветные объекты значительно сложнее запечатлеть с её помощью, а в процессе снятия фотограмметрии оператор не получает извещения о том, что данных уже достаточно — это очень неудобно.

Фотограмметрическая установка Йоакима в его мастерской

Фотограмметрия занимает до нескольких часов, и достаточно ли было сделано снимков — вы узнаете лишь по завершении программной сшивки фотографий в 3D-объект, по завершении расчета. Может очень расстроить ситуация, когда загруженные снимки не дали нужного результата и надо всё переснимать с нуля, ведь каждая итерация требует продолжительных вычислений компьютера, а в случае неудачи — новых серий снимков.

Тем более, что возможности переснять объект заново может и не быть. С учетом таких ограничений, ранее применявшийся 3D-сканер DAVID и фотограмметрия не могли стать хорошими инструментами оцифровки крупных объектов, таких как статуи в парке.

Выбор решения для 3D-сканирования

В поисках более быстрого и более надежного способа получения 3D-моделей физических объектов Йоаким искал более совершенный инструмент для него. Нечто с обратной связью в процессе сканирования, чтоб не терять время зря в случае брака. EinScan H и EinScan H2 отвечают этим требованиям полностью.

Однажды случилось так, что SHINING 3D EinScan H приобрел себе один из клиентов Йоакима, оценил сканнер по достоинству и рассказал Йоакиму о нем.

Йоаким был заинтригован скоростью и качеством работы сканера, и больше всего его заинтересовали возможности данного оборудования для работы с крупномасштабными объектами.

Для того, чтоб испытать сканер в деле, Йоаким просканировал объект размером 3 на 4 метра и нашел, что сеанс 3D-сканирования завершился успехом с первой же попытки, и что интересно — даже без маркеров.

Через несколько сканирований он понял, что сканер Einscan H обеспечивает обратную связь в режиме реального времени, не требуя настройки во время сканирования, а его точности в пять сотых миллиметра хватает для выполнения подавляющего большинства знакомых ему и даже представимых в теории применений. Также Йоаким высоко оценил, что данные можно редактировать и исправлять в ПО самого 3D-сканера.

Видео о 3D-сканерах Shining 3D EinScan серии H

Видео о Shining 3D EinScan H

Видео о Shining 3D EinScan H2

Заключение

В сочетании с фрезерным станком с ЧПУ и многофункциональным программным обеспечением инструменты 3D-сканирования, такие как EinScan H2, становятся отличными союзниками в создании художественных произведений, а зачастую просто открывают совершенно новый уровень возможностей.

Тем не менее, ручной труд в искусстве и тесно связанных с ним ремеслах всегда будет важен.

Ручное шлифование образца для литья

Nioform процветает благодаря применению 3D-сканирования как такового и 3D-сканеров SHINING 3D EinScan H2 и EinScan H в частности. Йоакиму нет необходимости проявлять беспокойство о размерах, формах и сложности поверхностей сканируемых объектов. 3D-сканеры SHINING 3D EinScan серии H также экономят ему кучу времени, которое можно применить для работы по другим проектам, таким образом повысив свою эффективность.

Йоаким планирует, в числе прочего, провести ряд опытов по разному применению EinScan H2, например — использовать его для 3D-сканирования лиц, применяя совершенно безопасный для зрения режим инфракрасной подсветки, а также воплощать сканированные живые объекты в твердом материале, например — создавать портреты людей, используя фрезерующую руку-робота для мехобработки глины.

Желаем Йоакиму успехов в творчестве и работе!