Definition Was ist eigentlich 3D-Scannen?

Autor / Redakteur: Loretta Marie Perera / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die 3D-Scantechnologie vereinfacht die Digitalisierung von Objekten – nicht nur in Pandemie-Zeiten. Wie 3D-Scannen funktioniert und wo sich der Einsatz der Technologie lohnt.

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Mithilfe des 3D-Scannens werden dreidimensionale Körper jeder Art digitalisiert. Wir zeigen, wie das funktioniert.
Mithilfe des 3D-Scannens werden dreidimensionale Körper jeder Art digitalisiert. Wir zeigen, wie das funktioniert.
(Bild: Artec 3D)

Seit jeher hat uns die Evolution die Anpassung an externe äußere Umstände ermöglicht und zu immer neuem Wachstum angeregt: begonnen bei der industriellen Revolution bis hin zur heutigen Industrie 4.0. Mittlerweile befindet sich unsere Gesellschaft in einem immer schneller werdenden Rhythmus aus Zielsetzung, Leistungserbringung und damit einhergehendem Fortschritt. Und dieser ist unaufhaltsam – kaum eine andere Ära war stärker geprägt durch computergestützte Programme, Anwendungen und Automatisierungsprozesse. Wer allerdings ein solch hohes Niveau erreicht hat, riskiert auch eine entsprechende Fallhöhe: 2020 kam es zu einem abrupten Stillstand – die Covid-19-Pandemie führte zu weltweiten Lockdowns und weitreichenden Beschränkungen mit tiefgreifenden Einschnitten für Industrie und Wirtschaft.

3D-Scannen ermöglicht barrierefreien Zugang zu Modellen

Im Rahmen der Pandemie hat ein Umdenken stattgefunden, das die Grundlage für neue Möglichkeiten geschaffen hat. Organisationen, die bis dato keine Möglichkeit zur Fernarbeit anbieten konnten oder gar wollten, sahen sich dazu gezwungen auf schnellstem Wege entsprechende Strukturen einzurichten. Auch Universitäten, medizinische Einrichtungen und wissenschaftliche Institute sind neue Wege gegangen, die im Zuge der Pandemie noch umfassender genutzt worden sind. Mittels aktueller Technik wie dem 3D-Scannen und der passenden Software sind Forscher, Mediziner und Wissenschaftler gleichermaßen in der Lage, in einer Welt voller Kontaktbeschränkungen weitgehend uneingeschränkt zu agieren. Mittels digitalisierter Erfassung, einer übergreifenden Software und global verfügbaren Modellen wird Experten aller Branchen weltweit der Zugang zu jeder Zeit gewährt.

Wie funktioniert 3D-Scannen?

  • 3D-Scannen ist eine sich schnell entwickelnde Technologie, die die Erstellung von digitalen 3D-Modellen ermöglicht. Es handelt sich um einen kontaktlosen Prozess, bei dem die dreidimensionalen, räumlichen Daten eines Objekts oder einer Umgebung digital erfasst werden. Dies bietet die Möglichkeit, reale Objekte in einem digitalen Raum in hoher Auflösung und so nah wie möglich am Originalobjekt nachzubilden.
  • Beim 3D-Scannen wird ein physisches Objekt oder seine Umgebung aus mehreren Blickwinkeln gescannt, um die Daten von dessen Oberfläche und Geometrie und, falls möglich, dessen Farbe bzw. Textur zu erfassen. Diese werden anschließend kombiniert und verarbeitet, um darauf basierend digitale 3D-Modelle zu erstellen.
  • Das gescannte Objekt kann sowohl ein Gegenstand, eine Umgebung (z. B. ein Raum) oder sogar eine Person sein. Dank des 3D-Scanprozesses kann praktisch jedes Objekt in ein digitales 3D-Modell verwandelt werden, das anschließend als Basis für weitere Arbeiten fungiert.
Sogar der ehemalige US-Präsident Barack Obama wurde gescannt, um eine 3D-gedruckte Präsidentenbüste für das Weiße Haus zu erstellen.
  • Erfasste 3D-Daten werden in einem dreidimensionalen System visualisiert, sodass das resultierende 3D-Modell auf dem Monitor aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet, gedreht oder vergrößert werden kann. Während ein 2D-Foto ausschließlich ein statisches Bild liefert, handelt es sich bei einem 3D-Scan um eine Visualisierung in einem dreidimensionalen Raum mit Breite, Höhe und Tiefe.
  • Eine 3D-Datei kann anschließend gespeichert und zu einem beliebigen Zeitpunkt weiterverarbeitet werden. Diese Dateien kommen in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz, z. B. beim 3D-Druck für Replikationen, zur Qualitätsprüfung, beim Reverse Engineering, bei einer Produktanpassung oder in der Fertigung. Dieser Prozess, bei dem ein Objekt aus der realen Welt genommen, alle Daten gesammelt und seine Form und sein Aussehen digital nachgebildet werden, ist eine wertvolle Technologie für den Erhalt unserer bestehenden Welt.

3D-Scans sind kompatibel mit CAD-Software

Unter genauerer Betrachtung wird ersichtlich, dass 3D-Scans aus Polygonen bestehen, sprich einer Vielzahl kleiner Dreiecke. Das polygonale Netz stellt die Geometrie des Objekts dar. Die beim 3D-Scannen erfassten Daten sind mit verschiedenen Softwaretypen kompatibel, einschließlich CAD- und CAM-Programmen. Beim Reverse Engineering dient ein 3D-Scan beispielsweise als Ausgangspunkt umfassender Informationen über das Design eines Objekts. Diese Informationen werden anschließend zur Produktverbesserung und -rekonstruktion, zu dessen Design-Erweiterung und vielem mehr verwendet.

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Verschiedene 3D-Scanner verfügbar

Als bildgebendes Gerät sammelt ein 3D-Scanner Abstandsmessungen von einem vorhandenen Objekt und übersetzt sie in ein virtuelles 3D-Modell, das die Geometrie und Textur der Objektoberfläche nachbildet. 3D-Scanner gibt es in einer großen Vielfalt, von tragbaren Handscannern bis hin zu messtechnisch einwandfreien Desktop-Scannern. Diese Geräte verwenden verschiedene Technologien, etwa

  • Lasertriangulation und strukturiertes Licht-Scannen,
  • berührungslose 3D-Erfassung und
  • Fotogrammmetrie.

Je nach Größe des zu scannenden Objekts unterscheiden sich 3D-Scanner ebenfalls in Technologie und Anwendung – von Desktop-Scannern zur Erfassung kleinster Objekte über vielseitige Handscanner für kleine bis mittelgroße Objekte oder Bereiche bis hin zu Scannern, die für die Erfassung von großen Objekten wie Gebäuden ausgelegt sind.

Wo 3D-Scanner eingesetzt werden

Unabhängig von Profession und Branche, ob Wirtschaftsingenieur, Orthopäde, Spezialist für Qualitätskontrolle oder Schmuckdesigner – sie alle können sich die Technologie des 3D-Scannens zu Nutze machen und ihre Arbeitsabläufe dadurch erheblich optimieren. Die Präzision und Qualität ihrer Arbeit steigen aufgrund eines konstant gleichbleibenden hohen Standards der 3D-Scantechnologie, der gleichzeitig die Produktivität erhöht und damit den Aufwand verringert:

  • Auf Baustellen in aller Welt ist die 3D-Scantechnologie beispielsweise zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden; die Nachfrage nach 3D-Scans steigt in diesem Bereich seit dem Jahr 2016 stetig an. Hier kann 3D-Scantechnologie auf vielfältige Weise eingesetzt werden: zur genauen Kartierung eines Bereichs, zur Ermittlung präziser Informationen über Fassaden, zur Steigerung der Sicherheit von Gebäudestandorten und zur Bestandsdokumentation. Als integraler Bestandteil vieler Architektur- und Ingenieursprojekte ermöglicht das 3D-Scannen die sich entwickelnden Bedingungen und Projektphasen genau zu erfassen. Dies steigert die Effizienz und reduziert den Bedarf an Nacharbeiten, die oft bis zu 15 Prozent der Baukosten ausmachen.
  • Auch in der Medizin finden 3D-Scanlösungen Anwendung. Zum Beispiel in einem Verfahren, das hochdetaillierte Ohrmuscheln für Kinder herstellt, die mit missgebildeten oder fehlenden eigenen geboren werden.
  • Ein weiteres wichtiges Beispiel für den Einsatz ist die Erstellung ultrapräziser Modelle für das Hybrid-Reality-Astronautentraining der NASA.
  • Die Liste lässt sich fortsetzen – von der Konservierung antiker griechischer Artefakte über das Reverse-Engineering innerhalb der niederländischen königlichen Marine bis hin zur Digitalisierung und Rekonstruktion archäologischer Artefakte.

Schlüsselbereiche des 3D-Scannens

Der Einsatz von 3D-Scantechnologie kann in praktisch jedem Bereich erfolgen. Einige führende Schlüsselbereiche sind Reverse Engineering, Rapid Prototyping, Qualitätskontrolle, architektonisches und industrielles Design, Robotik-Mapping, medizinische Bildgebung und Modellierung in der Orthopädie und Prothetik sowie Forensik.

Weitere gängige Anwendungen sind die Digitalisierung von kulturellen Artefakten, Augmented Reality, Motion Capture und Gestenerkennung. 3D-Scangeräte sind auch in der Unterhaltungsindustrie beliebt – insbesondere bei der Produktion von Filmen und Videospielen, einschließlich der Verwendung von virtueller und erweiterter Realität.

Wie 3D-Scannen abläuft

Der Prozess des 3D-Scannens besteht aus drei Phasen:

  • das Festlegen auf den am besten geeigneten Ort für das zu scannende Objekt,
  • die Erfassung der digitalen 3D-Koordinaten mithilfe des Scanners und schließlich
  • die dreidimensionale Darstellung des Objekts.

Mit Scannern von Spezialisten wie Artec 3D ist dieser Prozess vergleichbar mit der einfachen Aufnahme eines Videos. Die Erfassung präziser Messungen gestaltet sich dabei für alle Anwender gleichermaßen unkompliziert.

Es gibt zahlreiche 3D-Scantechnologien: Üblicherweise besteht der 3D-Scanprozess daraus, ein Lichtgittermuster über das gescannte Objekt zu legen, das sich aufgrund der Topografie verzerrt. Das verzerrte Muster wird daraufhin auf den Scanner reflektiert, der exakte Messungen vornimmt.

Anhand der verschiedenen Winkel, aus der das Objekt gescannt wurde, werden die Daten anschließend ausgerichtet und zusammengefügt, um ein digitales Modell zu erstellen. In Form einer Punktwolke oder eines Netzes liegen diese Daten schlussendlich vor, die für Messungen, Darstellungen, Animationen oder zur digitalen Archivierung bis hin zum 3D-Druck verwendet werden können.

Herausforderung Belichtung und Oberflächenstruktur

Bei Objekten mit einer schwarzen, glänzenden, transparenten Oberfläche, komplizierten Details sowie schwer zugänglichen Bereichen kann das Scannen schwierig sein: Da sich das Licht je nach den Umständen unterschiedlich verhält, wird die visuelle 3D-Wahrnehmung nicht immer perfekt dargestellt.

Weiterentwickelte Technologien wie der HD-Modus von Artec 3D vereinfachen branchenspezifische Herausforderungen zunehmend. Wichtig ist bei jedem Projekt die richtige Wahl des Scanners, sodass von zusätzlichen Arbeitsschritten, wie die Anpassung des Scanwinkels und -abstands, Erhöhung der Empfindlichkeit oder Verwendung eines 3D-Scannersprays abgesehen werden kann. Das Gerät muss zu den Anforderungen des Projekts passen, damit die höchste Sicherheit für die erforderlichen Ergebnisse in dem gesetzten Zeitrahmen gewährt werden kann.

Was die 3D-Scanbranche umtreibt: KI wird integraler Bestandteil

Aktuelle Überlegungen in der 3D-Scanbranche betreffen die Frage nach künstlicher Intelligenz (KI) und wie diese am besten eingebunden werden kann, um neue Funktionen hinzuzufügen und den Vorgang des 3D-Scannens noch weiter zu vereinfachen. 3D-Scanner werden zukünftig das zu erfassende Objekt vollständig erfassen und nicht benötigte Daten automatisch entfernen können. Dieser Ansatz spart dem Anwender Zeit und der Bedarf an Fachkenntnissen wird auf ein Minimum reduziert. In Zukunft werden die Scanner die erfassten Daten mit einem Standarddatensatz vergleichen, sodass gleichzeitig eine autonome Qualitätsprüfung erfolgt. Darüber hinaus besteht zweifellos ein Interesse an der Entwicklung von Apps für die Arbeit mit 3D-Scandaten und 3D-Modellen, insbesondere an cloudbasierten Apps für Online-Workflows zur vereinfachten virtuellen Zusammenarbeit.

3D-Scanner schlagen eine Brücke zwischen realer und virtueller Welt

Schon mit der heute verfügbaren Technologie steigt der Bedarf an 3D-Scannern, die eine Brücke zwischen der tatsächlichen und der virtuellen Realität schlagen. Nicht zuletzt die weltweite Pandemie hat uns vor Augen geführt, wie eine zunehmende Verlagerung vieler Aspekte unseres täglichen Lebens in eine Online-Welt stattfindet und Augmented und Virtual Reality immer mehr zum Standard werden.

* Loretta Marie Perera, Senior Editor, Artec 3D

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