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3Dスキャンとはなにか

ハンドブック

3D プリンタに注目が集まる中、もうひとつの破壊的イノベーションが、製品のコンセプ ト、設計、製造、検査、データ保存の方法に革命をもたらしています。それは 3D スキ ャンです。

3Dスキャナのしくみ、各方式(アーム型、追跡型、構造白色光、ポータブル)の利点と限界、製品ライフサイクル各段階での活用例、についてわかりやすく解説しています。

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アンリツはCreaform (クレアフォーム)社製3Dスキャナーを取り扱っております。

【HandySCAN 3D】
携帯性に優れ、対象物を高精度に(最大0.025 mm)短時間でキャプチャーできるのが特長です。
環境の変化や対象物の動きにも左右されずに測定できるため、品質保証や製品開発向けの理想的なツールです。

【Go!SCAN 3D】
セットアップ不要で、対象物に向け、撮影するだけでスキャンできるよう設計されています。
小さな部品でも、大型の対象物でも、誰でも数分でカラー情報付きでスキャンできます。スキャン経験がなくても心配いりません。

【MetraSCAN 3D】
品質や効率性に妥協したくない生産責任者やメトロロジー責任者向けに特別に設計されたスキャナー(3D光学式CMM)です。
MetraSCAN 3Dは、対象物が動いたり、振動や不安定要因があるといった、あらゆる生産環境に耐え得るだけでなく、3D測定ワークフローも加速させます。

※アプリケーション:
寸法検査,リバースエンジニアリング,プロトタイピング,設備管理,非破壊検査,文化財,デジタルアーカイビング

このカタログについて

ドキュメント名 3Dスキャンとはなにか
ドキュメント種別 ハンドブック
ファイルサイズ 5.5Mb
登録カテゴリ
取り扱い企業 アンリツ株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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破壊的イノベーション 3Dプリンタに注目が集まる中、もうひとつの破壊的イノベーションが、製品のコンセプ ト、設計、製造、検査、データ保存の方法に革命をもたらしています。それは3Dスキ ャンです。3Dスキャンは現実世界のオブジェクトからデータをキャプチャし、デジタル化 します。 ポータブル3Dスキャンは、ラボから工場、現場の最前 Market&Marketによる調査 線で活用されています。次の要因が鍵となっています によると、3Dスキャンマーケット 。 は、今後5年間で毎年 • 製品ライフサイクル管理(PLM)のあらゆる側面を含む、 幅広いアプリケーションでの利便性と柔軟性 15% • 専門家に限定されない、一般のエンジニアリングに用途を広げるシンプルさと自動操作 • 市場を拡大する低コスト ほど成長し、特にポータブルな • ミッションクリティカルなプロジェクトの精度、速度、信頼性 3Dスキャンセグメントが牽引し の向上。 ています。
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物理世界とデジタル世界の橋渡し 3Dスキャナーは、デジタルで再構築または分析できるように、実際のオブジェクトまたは環境 をキャプチャするために使用される3次元測定デバイスです。最新の3Dスキャナーは、 キャプチャされる物理的なオブジェクトとの接触を必要としません。 実際の 3Dモデル オブジェクト 3Dスキャナーを使用して、任意の物理オブジェクトの完全または部分的な3D測定 パラメータを取得できます。これらの最新のスキャナーは、点や計測項目ごとに計測 する従来の測定デバイスと比較すると、非常に高密度の測定ポイントを生成しま す。
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オブジェクトは通常、 • リバースエンジニアリングまたはラピッドプロトタイピング用のCAD参照ファイルを再構築する ための寸法の抽出。 2つの目的 • 分析とドキュメンテーションのためのオブジェクト自体の測定。これは、コンピュータ支援検査 (CAI)、デジタルアーカイブ、およびコンピュータ支援エンジニアリング(CAE)分析など で3Dスキャンされます。 のアプリケーションで行われます。 リバースエンジニアリング 幾何学的 エンティティ メッシュ CAD 3D比較 部品 スキャン 2D比較 検査
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3Dスキャンのしくみ スキャナーがデータをキャプチャする方法によって、スキャナーは2つの主要なカテゴリーに分類されます。 • 構造白色光システム • スキャンアームと 携帯型ハンドヘルドスキャナー 単一のスナップショットまたはスキャンを取得 複数の画像を継続的にキャプチャ
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3Dスキャンのしくみ スキャン結果は、通常は点群または三角形メッシュの形式で、自由形式の非構造化3次元データ を使用して表されます。特定のタイプのスキャナーは、必要な場合アプリケーションの色情報も取得 します。 画像/スキャンは、データが完全なモデルにマージされ共通のリファレンスシステムに取り込まれます。 このプロセス(アライメントまたはレジストレーションと呼ばれます)は、スキャン中に実行することも、 後処理ステップとして実行することもできます。 点群 三角形メッシュ
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3Dスキャンのしくみ コンピュータソフトウェアを使用して、スキャンデータをクリーンアップし、穴を埋め、エラーを修正し、 データ品質を向上させることができます。結果として得られる三角形メッシュは、通常、STL (ステレオリソグラフィまたは標準テッセレーション言語)ファイルとしてエクスポートされるか、CAD モデリング用の非均一有理Bスプライン(NURBS)サーフェスに変換されます。 STLフォーマットで エクスポート可能な 三角形メッシュ NURBSサーフェスに 変換
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3Dスキャンのカテゴリと配置方法 3Dスキャナーの利点と限界は、主に 位置決め方法に由来します。 そのため、さまざまな3Dスキャナーカテゴリ内で 位置決め方法を調べることが重要です。 主な3Dスキャナーのカテゴリ: • 測定アーム型、ポータブルCMMスキャナー • 追跡型3Dスキャナー • 構造白色光3Dスキャナー • ポータブル3Dスキャナー
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測定アーム型、ポータブルCMMスキャナー CMM(座標測定機)と測定アームには、固定プローブヘッド またはタッチトリガプローブヘッドのいずれかを装備できます。 CMMに3Dスキャニングヘッドを取り付けることもできます。 位置決め方法:機械式エンコーダ ポータブルアームを備えたCMMは、アームに組み込まれた機械 式エンコーダを使用して配置されます。 利点 制限事項 ポータブルCMMにはさまざまなツールを取り付けることが ポータブルCMMは、表面に固定し、物理的なリンク(アー できるため、スキャンとプローブを同じオブジェクトに簡単 ム)を位置決め方法として使用する必要があります。これ に統合できます。 により、振動やその他の環境制約が発生しやすくなり、結 果として測定パフォーマンスと品質に影響を与える可能性 があります。また、使用できる場所やスキャンできるオブジェ クトの形状の点で柔軟性に欠けています。
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追跡型3Dスキャナー 光学追跡デバイスは、3Dスキャナーの配置など、さまざまな 種類の測定ツールを追跡できます。 位置決め方法:外部光学追跡装置 これらのスキャナーは、位置決めを確立するために外部の光 学追跡装置を使用します。通常、追跡デバイスをスキャナー に光学的に結合するマーカー(パッシブターゲットやアクティブ ターゲットなど)を使用します。 利点 制限事項 追跡3Dスキャナーは、測定ボリューム全体にわたって非 この技術の強みである光リンクは弱点にもなります。トラッ 常に優れた精度と優れた精度を提供します。スキャ カーは、3Dスキャナーに対して常に明確で直接的な見通し ナーとスキャン対象物との間の物理的なリンクの必要 線を備えている必要があります。トラッカーの作業量は限ら 性を排除することで、動きの自由が提供されます。 れていることがよくあります。スキャンパラメータを拡張すると、 プロセスが複雑になり、測定に不確実性が追加される可 能性があります。最後に、追跡型3Dスキャナーは通常、 ポータブル3Dスキャナーなどのソリューションよりも高価です。
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構造白色光3Dスキャナー これらのスキャナーは、光のパターンを部品に投影し、光がオブジェクトに当 たったときにパターンがどのように歪むかを処理します。LCDプロジェクターま たはスキャンまたは回折されたレーザービームのいずれかが光パターンを投影 します。1つまたは2つ(場合によってはそれ以上)のセンサーが投影パター ンを記録します。 位置決め方法:オフラインターゲットの位置決めとジオメトリの位置決め スキャナーは、部品の形状のみに依存してデータを配置するか、位置決めタ ーゲット(システムに付属の小さなステッカー)に依存して3Dデータを位置 合わせできます。 カメラを1台だけ使用する場合は、カメラに対するプロジェクターの位置を事 前に決定する必要があります。 2台のカメラを使用する場合は、立体視ペ アを事前に調整する必要があります。 利点 制限事項 利点 ハイエンドの構造白色光スキャナーは、非常に高品質 白色光スキャナーは1回のスキャンで大量のデータを取得で のデータを生成します。これらは通常、優れた解像度を きますが、この方法によってプロジェクト全体の速度が必ず 提供します。これにより、オブジェクトの最小の特徴を しも向上するわけではありません。ほとんどの場合、より複 結果に取り込むことができます。 雑な部品のすべての角度をカバーするには複数回のスキャ ンが必要ですが、これには非常に時間がかかります。
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ポータブル3Dスキャナー 多くのタイプのポータブル3Dスキャナーは、主にレー ザーラインまたは白色光技術を使用して、今日の 市場で入手できます。 利点 レーザースキャナーは1つまたは複数のレーザーライン をオブジェクトに投影し、白色光デバイスは明暗パ ポータブル3Dスキャナーは最小限の労力で運搬でき、他のス ターンを投影します。どちらも、結果の変形投影を キャナータイプよりも使いやすいことがよくあります。それらは複 分析して3Dデータを抽出します。 数の位置決め方法を組み合わせることができ、位置決めター ゲットの正確さとオブジェクト機能とテクスチャー位置決めの柔 軟性を提供します。最も先進的なテクノロジーでは、毎秒50万 ポジショニング方法:ポジショニングターゲット、オブジ ェクトの自然/テクスチャまたはハイブリッドを介したリア 以上のポイントを取得し、スキャンプロセス中に3D三角形メッ ルタイムのセルフポジショニング シュをライブで再構築できます。 ハンドヘルドスキャナーは、2つのカメラを使用して、いわ 制限事項 ゆる立体視を作成します。これにより、デバイスは、位 置決めターゲット、オブジェクトの自然な特徴、または ポータブルスキャナーは、よりローカルな領域でセルフポジショニン グを使用します。つまり、スキャンボリュームが大きくなるとエラー テクスチャである可能性がある特定のポイントに関連し が発生します。写真測量やターゲットの配置などのテクノロジー てスキャナーの位置を決定できます。一部の新しいポー を使用してこれを回避し、エラーを最小限に抑えることができま タブルスキャナーは、ハイブリッドポジショニングと呼ばれ すが、これらの追加手順により、セットアップ時間が長くなり、 るポジショニングタイプの組み合わせを使用しています 効率的にスキャンできるオブジェクトまたは領域のサイズが制限 。 される場合があります。
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PLMプロセスの高速化と強化 3Dスキャンは、製品ライフサイクル管理( PLM)プロセスのすべてのステップで重要なツ ールとして浮上しています。これは、真にポータ ブルな自動位置決めスキャナーの新世代に特 に当てはまります。 実世界の物理オブジェクトとデジタル設計環 境の間のギャップを埋める3Dスキャンの機能は 、PLMを使用する幅広い産業(航空宇宙、 自動車、コンシューマ製品、製造、重工業など )で非常に価値があります。 これらの業界は、製品化までの時間の短縮、 品質の向上、倉庫保管コストの削減、製品パ フォーマンスの恩恵を受けています。 次からのページでは、PLMの4つの異 • 製品構想 なる段階での3Dスキャンの利点につ • 設計 いて説明します。 • 製造 • サービス
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PLMでの3Dスキャン:製品構想 3Dスキャンは、要件と仕様の決定、コンセプトデザイン(リバースエンジニアリングを含む)、 コンセプトプロトタイピングなど、さまざまなプロセスのPLMの製品構想ステージで使用されます。 要件と仕様 コンセプトデザイン コンセプトのプロトタイピング 製 品 構 想 – 競合製品分析 – 粘土モデル測定/リバースエンジニアリング – プロトタイプ修正のCADファイルへの統合 – 製品環境や部品の接続・周囲の測定 – モデルとモックアップ測定/ – 形状研究、概念実証のプロトタイプ – アフターマーケットまたはカスタム機器 リバースエンジニアリング – エルゴノミクスプロトタイプ 用の既存の部品の測定 – スタイリングと美学
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「」 注目アプリケーション 製品構想プロセスのスタートダッシュ 「詳細な3Dスキャンと3Dモデルにより 、サイドブームアタッチメントを正確に 設計し、既存のプラットフォーム(トラ クター)に統合することができます」 Midwestern社のエンジニアリング担当副社長は Mid言weっsてteいrnま社す。 のために。 「(スキャン)ファイルが非常に正確で あるという事実は、プラットフォームに 加えなければならない修正の量をかなり 最小限に抑えます。また、最終的な承認 と製造の前に設計を完全に視覚化するこ Midwestern Manufacturingは、Caterpillar、John ともできます。 」 Deere、Case、Komatsuなどの新旧トラクター用のサイ ドブームパイプレイヤーアタッチメントを製造しています。 3Dモデルが利用できない場合は、リバースエンジニアリン グを行って、完全に統合されたサイドブームをキャプチャし ます。 トラクターの詳細で正確なモデルをすばやく作成する機 能は、設計プロセスを迅速に開始し、Midwesternが製 品開発時間を短縮できるようにします。
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PLMでの3Dスキャン:設計 3Dスキャンは、PLMの設計段階において、コンピューター支援設計(CAD)、ラピッドプロトタイ ピング、テスト、シミュレーション、分析(CFD、FEA)などで使用されます。 設計 プロトタイピング テスト 設 計 – 3DスキャンからCAD – ラピッドプロトタイピング/製造 – 有限要素解析(FEA) – リバースエンジニアリング – プロトタイプ修正のCADファイルへの統合 – 干渉分析 (設計意図の抽出) – プロトタイプ検査 – 変形、形状解析 – パッケージデザイン
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「」 注目アプリケーション クライアントの要件に基づく カスタム製品の設計 「3Dスキャナーの使用頻度を考慮し、 Zeel Designは、エンジニアリングコンサルティング会社 節約した作業時間を合計すると、すぐ であり、スタイリング、エンジニアリング、CAD、FEA、製 に優れたROIが得られると期待してい 造、CNC機械加工、バインディング、および溶接を専門 ます。」 とするカスタマイズされた部品と車両のメーカーです。 -Zeel Design社長 オートバイのシャーシは非常に複雑で、形が不規則です 。その結果、変更された部品の設計に使用される従来 の方法は長くて面倒です。メーカーの3D図面にアクセス できないため、CAD図面の製造時間を短縮するための 強力なリバースエンジニアリングソリューションが必要でし た。 3Dスキャンにより、3Dで描画することなく、アセンブリと すべての既存のコンポーネントの高精度3D画像を同時 に簡単かつ迅速に取得できます。エンジニアリングコンサ ルティング会社は、CAD図面とリバースエンジニアリング プロセスに費やす時間を70〜80%削減することに成功 しました。現場で自動位置決めハンドヘルドレーザースキ ャナーを使用することは、設計プロジェクトのターンアラウ ンドタイムを大幅に削減できるZeel Designで重要な役 割を果たしました。
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PLMでの3Dスキャン:製造 3Dスキャンは、PLMの製造段階で、ツールの設計、組み立て、製造、品質管理などのアプリケー ションに使用されます。 工具設計 組立/生産 品質管理 製 造 – 金型、鋳型、取付具、治具、パターンのリ バースエンジニアリング – 仮想アセンブリ – 初回品検査(FAI) – 現況の工具測定を反映するためのCADフ – ツール/ロボットパスプログラミング – 部品からCADへの検査 ァイルの更新 – 機械加工前の部品評価 – サプライヤー品質検査 – ツールの検証/検査
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「」 注目アプリケーション 工具と部品の変形測定 ヨーロッパ航空防衛および宇宙(EADS)(最近 Airbus Groupに改称)は、工具装置の3D光学 スキャンを実行して、炭素繊維複合材(カーボン/ エポキシ)部品の形状歪みの可能性と、部品/ CADによる製造後の変形を比較評価します。 最初に、EADSはツールをスキャンし、CADプランへ の準拠を検証します。次に、このツールで製造され 「迅速なセットアップと取得、使いや た部品がスキャンされ、スキャンファイルが比較され すさ、さまざまな種類の表面状態の測 ます。 定性能、および携帯性のおかげで、こ 2番目のステップは、非常に強力なシミュレーション のシステムにより、金属工具と炭素繊 ツールを使用して、製造部品のスキャンファイルを比 維複合材部品をすばやくスキャンする 較するために、製造前に部品の歪みを推定するこ ことができました。機器の携帯性によ とです。 り、製造現場で測定値を記録すること が可能になりました。」 ポータブル3Dスキャナーの汎用性は、このタスクに最 EADS構造ヘルスエンジニアリング(NDT& 適なツールになりました。通常ではない形状をスキャ SHM)部門のメンバー ンする能力、複合部品などのスキャンが難しい材料 を処理する能力、およびプロジェクトのサイトで直接 スキャンを実行する能力がその理由です。
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「」 注目アプリケーション 製造中の金型とCADのマッチング 金型を使用して製造する場合、CADファイルで 作成したものが常に得られるとは限りません。 スタンピング、鋳造、プラスチック射出はすべて、 収縮やスプリングバックなどの現象の影響を受 けます。これは、実際の金型の輪郭と、金型で 生成されるスタンピングの形状の違いです。その 結果、実際の金型をCADジオメトリに一致させ るのは複雑です。 そこでポータブル3Dスキャンが登場します。3Dス キャンは、金型製造で発生する可能性のある偏 差を洞察します。金型の形状とそれに対応する 部品を正確に監視する機能は、設計の反復を 減らし、時間を節約し、CAD参照により正確に 一致する部品をもたらします。