UNIVERSIDAD DON BOSCO
VICERRECTORÍA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
MAESTRÍA EN MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA
PROCESOS AVANZADOS DE MANUFACTURA
Catedrático: Mg Gilberto Carrillo
PRINCIPIO y APLICACIONES DE LOS ESCÁNERES 3D
Presentan
Andreas Obed Llanes Cornejo
Eri Samuel Murcia Peraza
Sergio Miguel García Pérez
Antiguo Cuscatlán, Abril de 2015
2
ÍNDICE
Portada................................................................................................................... 1
Índice…………………………………………………………………………………….. 2
Objetivos................................................................................................................ 3
Introducción........................................................................................................... 4
Resumen................................................................................................................ 5
Investigación Documental...................................................................................... 6
Experimentación.................................................................................................... 14
Guía de Practica.................................................................................................... 25
Conclusiones......................................................................................................... 27
Referencias............................................................................................................ 29
3
O B J E T I V O S
Describir el principio de funcionamiento de los escáner 3D comerciales.
Presentar algunos modelos comerciales de escáner 3D.
Hacer una demostración de una representación digital de objetos sólidos en tres
dimensiones con la ayuda de un sensor y un software necesario para realizarlo.
Crear un modelo tridimensional en una superficie formada por puntos, configurado en
archivo STL, para que pueda ser utilizado por otros software libres para fabricarlo
mediante impresión 3D.
4
I N T R O D U C C I Ó N
Con el paso del tiempo, se ve como los procesos de producción y fabricación (de piezas o
prototipos) han evolucionado grandemente. Desde los primeros tiempos, en donde los utensilios
o armas de la vida cotidiana eran las herramientas de trabajo, pasando por el uso del fuego y
herramientas de metales. Luego la división del trabajo, por el interés de producir más en corto
tiempo, acelerando los procesos de producción masiva y nacimiento del Taylorismo (procesos
de producción minuciosamente precisos). Aparece la tecnología y la programación, causando el
efecto de requerir menos personal para los procesos de manufactura. Hasta llegar a nuestros
tiempos donde las máquinas son mucho más precisas y actúan en tiempos cortos, todo se
automatiza y, la intervención del ser humano sólo radica en procesos de supervisión y control
de la calidad.
Dentro de esta evolución y uso de tecnología, aparece software de apoyo que además de
realizar el diseño (CAD), son programados para realizar simulaciones y análisis de fabricación
(CAM). También aparecen otras técnicas que van poco a poco abriéndose espacio y siendo
opción para procesos de fabricación a nivel de prototipado rápido.
Una de esas tecnologías es la que se describe en este documento, el Escáner 3D en los
diferentes procesos industriales y comerciales. Se realiza una investigación documental y al
final del mismo unas pruebas de experimentación que se realizaron con un escáner 3D.
5
R E S U M E N ( A B S T R A C T )
Esta investigación toma información de los conceptos, la forma de funcionar, tecnologías en el
mundo de los Escáner 3D, se mencionan solo algunos modelos comerciales pues existen
muchos, problemas que resuelven, relación con los procesos de manufactura. La
experimentación que se logró gracias al equipo tecnológico de la UDB de un sistema KINECT
que funciona como Escáner 3D.
6
I N V E S T I G A C I Ó N D O C U M E N TA L
PRINCIPIOS.
Un escáner 3D es un dispositivo que analiza un objeto o una escena para reunir datos de su
forma y ocasionalmente su color. La información obtenida se puede usar para construir modelos
digitales tridimensionales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Desarrollados
inicialmente en aplicaciones industriales (metrología, automóvil), han encontrado un vasto
campo de aplicación en actividades como la arqueología, arquitectura, ingeniería y
entretenimiento (en la producción de películas y videojuegos).
Funcionabilidad.
El propósito de un escáner 3D es, generalmente, el de crear una nube de puntos a partir de
muestras geométricas en la superficie del objeto. Estos puntos se pueden usar entonces para
extrapolar la forma del objeto (un proceso llamado reconstrucción). Si la información de color se
incluye en cada uno de los puntos, entonces los colores en la superficie del objeto se pueden
determinar también. Los escáneres 3D son distintos a las cámaras. Al igual que éstas, tienen un
campo de visión en forma de cono, pero mientras una cámara reúne información de color
acerca de las superficies dentro de su campo de visión, los escáneres 3D reúnen información
acerca de su geometría. El modelo obtenido por un escáner 3D describe la posición en el
espacio tridimensional de cada punto analizado.
Tecnología.
Hay dos tipos de escáneres 3D en función de si hay contacto con el objeto o no:
Con contacto.
Sin contacto.
Los escáneres 3D sin contacto se pueden dividir además en dos categorías principales:
Escáneres activos.
Escáneres pasivos.
7
De Contacto.
Los escáneres 3D examinan el objeto apoyando el elemento de medida (palpador) sobre la
superficie del mismo, típicamente una punta de acero duro o zafiro. Una serie de sensores
internos permiten determinar la posición espacial del palpador. Un CMM (Máquina de Medición
por Coordenadas) o un brazo de medición son ejemplos de un escáner de contacto. Se usan en
su mayoría en control dimensional en procesos de fabricación y pueden conseguir precisiones
típicas de 0.01mm.
Desventajas:
Requiere contacto físico con el objeto (cuidado de no modificar o dañar).
Lentitud (movimiento físico del brazo donde se monta el escáner puede ser muy lento,
sólo operar en unos pocos cientos de Hz.
Sin Contacto.
Activos: activos emiten alguna clase de señal y analizan su retorno para capturar la
geometría de un objeto o una escena. Se utilizan radiaciones electromagnéticas (desde
ondas de radio hasta rayos X) o ultrasonidos (tiempo de vuelo; triangulación; diferencia
de fase; holografía conoscópica; luz estructurada; luz modulada).
Pasivos: no emiten ninguna clase de radiación por sí mismos, pero en lugar se fía de
detectar la radiación reflejada del ambiente (estereoscópicos; silueta; con ayuda del
usuario: modelado basado en imagen).
8
Modelos comerciales de escáner 3D.
GO SCAN 3D
Escaneo de manera
sencilla, que ofrece
mediciones rápidas y
fiables.
Digitalización del
color mediante un
sistema de apuntar y
disparar.
Escaneado de
objetos típicos en 5
minutos o menos.
Mediciones de
calidad profesional.
HANDY SCAN 3D
Escáneres 3D
completamente
portátiles para
aplicaciones de
metrología, que
ofrecen mediciones de
gran precisión.
Realmente portátiles y
más rápidos que
nunca.
Precisión y resolución
para aplicaciones de
metrología.
Sencillos y fáciles de
usar.
METRA SCAN 3D
Las soluciones de
escaneado y sondeo
más precisas, tanto
en el laboratorio como
en la planta de
fabricación.
Mediciones de gran
precisión.
Referencias
dinámicas.
Solución de
metrología completa.
Tabla 1. Modelos Comerciales de Escáner 3D
Los escáneres anteriores pertenecen al mismo fabricante y tienen la particularidad que su
manejo es manual. Marcas y modelos de Escáner 3D, hay tantos como marcas y modelos de
celulares o cámaras convencionales, los que se muestran solo fueron tomados por lo
9
interesantes que parecen, sin más existen muchas variantes en otros modelos.
A continuación se presentan dos modelos más industriales de otros fabricantes y que no se
usan de manera manual, sino que con soportes y ensamblados a brazos mecánicos o
robóticos.
ATOS Triple Scan
El escáner 3D de mayor uso, ideal para
donde se requiere mayor exactitud, datos
completos en componentes complejos,
definición de bordes finos como en álabes de
turbina y la industria automotriz por lo cual
puede ser utilizado por cualquier otra
industria.
Ventajas.
Alta Resolución.
Tecnología Blue Light.
Tecnología Triple Scan.
Software de Inspección Paramétrica.
Faro Laser Scanner
El sistema de escaneo sin contacto que
captura datos 3D de manera precisa, el
sistema rota 360° y mide todo lo que esté en
su rango hasta 76m por lo que tiene una
amplia gama de aplicación.
Tabla 2. Escáner 3D Industriales
10
Aplicaciones móviles para hacer Escáner la cámara del teléfono o Tablet
Tabla 3. Escáner 3D Industriales
PROBLEMAS QUE RESUELVEN.
Al utilizar escáner 3D, se da un salto significativo en la cadena del diseño del producto, ya que
el tiempo invertido en el diseño del modelado ahora es utilizado para el desarrollo de nuevos
productos, en base a uno ya existente, cambios de forma, añadir una pieza, cambiar tamaño,
son ejemplos de variables que se pueden modificar, cuando ya se tiene el modelado por medio
de un escaneo, solamente se trabaja con el software CAD para dichos cambios.
Además, en la construcción del prototipo, se ve el beneficio del ahorro de material, ya que no se
parte de un material en bruto como en otros técnicas, las cuales generalmente, generan
desperdicio de material por el desbaste que hacen del mismo para la elaboración de la pieza.
Con el uso del escáner 3D y con el uso de la impresora 3D, el ahorro y uso eficiente del
material, es una gran ventaja.
RELACIÓN CON PROCESOS DE MANUFACTURA.
Como se menciona en el apartado anterior, algunas de los escenarios dejan de ser una
“problemática”, si la tecnología a utilizar son los escáner 3D. Y uno de las formas en las cuales
este diseño se puede convertir en prototipo es con el uso de las impresoras 3D, otro tipo de
tecnología que poco a poco se abre paso en la industria.
11
Dentro de los procesos de manufactura conocidos, tales como: Adición de material (deposición);
Sustracción de material (grabado); Moldeado; Fotolitografía; Pegado de material. Se puede
incluir el STL, que si bien no es un proceso de manufactura en sí, es un formato de archivo
nativo de la estereolitografía CAD software creado por 3D Systems.
Este formato de archivo es compatible con muchos otros programas paquetes; que es
ampliamente utilizado para la creación rápida de prototipos, la impresión en 3D y fabricación
asistida por ordenador. Los archivos STL sólo describen la geometría de la superficie de un
objeto tridimensional sin ninguna representación del color, la textura o el otro modelo CAD
común atributos.
Dentro de los diferentes procesos de producción, están:
Producción por Proceso.
Producción por Producto.
Producción por Proyecto.
Producción por Celdas de Manufactura.
Para el caso en estudio (escáner 3D), se observa una fuerte relación con la Producción por
Producto.
Figura 1. Impresoras 3D
12
Finalmente, hay que considerar las restricciones que se pueden presentar, ya que son
prototipos que se utilizan como fines de muestra o para aplicaciones donde el material que se
utilice para su fabricación, cumpla con todos los requerimientos de las funciones a realizar.
Además, el tamaño de los mismos pueden ser limitado, si por ejemplo se utiliza una impresora
3D para su elaboración o incluso un CNC.
Simulación de maquinado un archivo STL tridimensional
Algunos programas CAD-CAM-CAE permiten
importar archivos STL, como cuerpo
facetado, la edición del modelo es limitada,
no se descarta que hallan programas que
hagan una descomposición del sólido y
permitan la edición.
Como pequeña prueba, se trabajo en un
archivo STL, para una simulación de
fabricación, en NX version 8.5 y estas son
algunas observaciones:
Modelado se tiene que delimitar el
área de maquinado.
Al elegir la pieza de trabajo, se filtra a
cuerpo facetado.
Las operaciones de contorno son las
que se pueden utilizar.
Las trayectorias que se generan, en
una sola operación abarcan toda el
área de corte.
Tabla 4. Simulación de Maquinado
13
Control de calidad, inspección, ingeniería inversa
La capacidad de digitalizar en 3D elementos
de vehículos antiguos, componentes
deformados por motivos térmicos o
mecánicos, chapa conformada de la que se
debe validar que es conforme a exigencias
del fabricante. Como se han visto algunos
modelos comerciales se usan en aplicaciones
metrológicas, el control de calidad es parte de
las aplicaciones.
Los siguientes, son algunos ejemplos de
aplicaciones del escaneado 3D en la
automoción:
Control de calidad e inspección.
Desarrollo de prototipos.
Diseño e ingeniería inversa.
Diseño de piezas de repuesto.
Fabricación y Simulación.
Tabla 5. Control de Calidad
14
E X P E R I M E N TA C I Ó N
En la parte experimental se hará uso de un sensor KINECT para XBOX 360 y un software demo
para hacer el escaneado 3D llamado SKANECT.
Figura 2. Escaneo de Rostros y de Objetos (Kinect y Skanect)
Escáner 3D: Sistema Kinect para las pruebas.
Figura 3. Sistema Kinect para las pruebas realizadas
Prueba de escáner de objetos: esta prueba se realiza configurando el programa para captar
objetos, el escáner debe capturar todos los ángulos del objeto y distinguirlo de su entorno, por
lo que en el nivel de cercanía este se debe visualizar verde y demás con otro color.
15
Figura 4. Escaneo de Objetos
Sistema de rotación de objetos: para realizar el escaneo de manera automatizada y sin
interferencia de un método manual, un sistema que rota la base sobre la que reposa el objeto.
Figura 5. Sistema de Rotación para Objetos
16
Escanneo de personas.
Figura 6. Escaneo de Personas
Figura 7. Prueba de Escaneo de Persona
Procedimiento en imágenes de skanect y resultados obtenidos.
1. Preparar lo que se va a escanear. Para este caso un objeto, una caja de herramientas. Y
dar clic en Start después de que el sensor ha sido correctamente detectado.
17
Figura 8. Preparación del programa Skanect
2. Seleccionar la opción Record, en esta pestaña se ve la realimentación del sensor y se
configura el retardo para empezar el escaneo, la figura debe presentarse en verde para indicar
que es la distancia correcta del sensor al objeto. Luego se presiona el círculo negro para
empezar el proceso.
Figura 9. Ventana de Record
3. Al haber realizado despacio un recorrido alrededor del objeto, se han capturado una gran
cantidad de imágenes, si hay error en la trayectoria, el programa lo indica y es necesario volver
a la posición anterior. Al terminar el resultado puede verse en la Figura 10.
18
Figura 10. Objeto correctamente escaneado
4. Al ya tener sincronizadas las imágenes se puede observar que se tiene una buena
aproximación a la forma del objeto, se procede entonces a la ventana de Process. En esta
ventana se hacen los movimientos de ángulo y altura para poder quitar algunas cosas de más
del objeto, como por ejemplo, la base.
Figura 11. Operación Move & Crop
5. Luego se le da una operación para cerrar la malla de puntos llamada Fill Holes.
19
Figura 12. El Objeto ya procesado y con la malla cerrada
6. Se puede también agregar un proceso de agregar color, con la opción Colorize.
Figura 13. Objeto con colores
7. Por último, puede exportarse el sólido en formato STL para su posterior procesamiento, en la
ventana Share Object. Hay que poner en # Faces el número máximo, debido a que por ser una
versión demo solamente guarda 5000 caras (Polígonos formados por la nube de puntos), esto
quiere decir que la resolución final será bastante baja.
20
Figura 14. Exportar objeto a sólido STL
8. En otro programa puede observarse el resultado final del archivo guardado, para el caso
puede ser 3D builder para Windows 8.1 aunque puede ser también visto con Meshlab, NX,
Autodesk Inventor y otros. Ahí puede observarse la pérdida de detalles con respecto a Skanect.
Figura 15. Archivo STL de Caja de herramientas abierto en 3D Builder
9. Si se desean escanear personas es necesario cambiar las opciones del paso 1
seleccionando Body en lugar de Object, poner las dimensiones aproximadas de lo que se desea
escanear y proceder a dar una vuelta frente al sensor, auxiliado por una silla giratoria.
21
Figura 16. Escaneo de personas
En la Figura 17, se muestra el resultado del escaneo de los tres integrantes del grupo.
Figura 17. Resultados de los escaneos de personas usando Kinect y Skanect. Vistos en Meshlab
22
Figura 18. Imagen en Meshlab participante 1 Figura 19. Imagen en Meshlab participante 2
Figura 20. Imagen en Meshlab Participante 3
Los objetos pequeños no pueden ser escaneados por este método, debido a que se tiene muy
baja calidad de detalle por el sensor Kinect, será necesario entonces tener un escáner de
buenas prestaciones para poder realizar el escaneo de piezas pequeñas.
Algunos resultados con objetos pequeños pueden verse en las Figuras 21 y 22, donde se
observa que no hay definición en los objetos resultantes. Se utilizó la base giratoria descrita con
anterioridad en el documento, sin resultados satisfactorios.
23
Figura 21. Lo que debería ser el escaneo de un control de gamecube
Figura 22. Una taza que se intentó por medio del método por sensor Kinect
Con la caja de herramientas se usó el método de girar alrededor del objeto y se obtuvo un
resultado bastante bueno, pero por las dimensiones que eran mayores.
25
G U Í A D E P R Á C T I C A
Durante el presente trabajo se ha realizado una exposición de la aplicación de los principios
teóricos del tema de escáner 3D y además se ha establecido una relación con los temas en el
campo de la manufactura avanzada.
Para documentar la experimentación que se ha realizado, se iniciará nombrando todo el equipo
y accesorios necesarios para realizar las pruebas:
Computadora con ambiente Windows o con ambiente Linux.
Software Skanect.
Controlador de video juego1 (Kinect, XBOX 360).
Silla ergonómica de oficina2 (sólo asiento, sin respaldo para espalda y brazos).
Base rotatoria3, controlada por motor paso a paso.
Para el escaneo, los pasos a seguir, se muestran en la siguiente figura.
Figura 24. Proceso resumido de la captura 3D con Skanect
Una vez capturada la imagen, se deben utilizar todas las opciones necesarias y que el software
proporciona para que el procesamiento tenga una fidelidad alta con la realidad. Incluso es
posible que se utilice software complementario, tal como 3d Builder o MeshLab.
1 Requiere instalación de drivers
2 Para escaneo de personas
3 Para escaneo de objetos
26
Algunas sugerencias a tomar en cuenta son:
Uso de la herramienta de corte de Netfabb para eliminar la base rotatoria y otras
superficies que no son parte del objeto y que fueron escaneadas durante el proceso
(Execute Cut / Cut).
Reparo de los defectos que se han creado durante el escaneo (Repair Tool, se utiliza el
Automatic Repair /Default Repair / Execute).
Procesado del objeto con MeshLab, por medio del suavizado de la superficie, con el uso
del filtro Poisson al que se accede mediante la secuencia: Filters / Point Set / Surface
Reconstruction Poisson (preparación necesaria por su posteriormente se realizará una
impresión 3D).
Una vez en Meshmixer se “aplanarán” protuberancias que deseas eliminar mediante la
utilidad Sculpt / Smooth Brush.
Para finalizar el proceso, se pueden arreglar las irregularidades que han surgido en
alguna parte del objeto. Se procederá de nuevo con Netfabb cortando mediante un plano
en el eje Z de forma que se elimine el defecto mencionando.
Dado que el objeto puede ser demasiado grande para la impresión 3D, se puede
proceder a escalarlo.
Finalmente se exporta en formato STL.
El anterior procedimiento es aplicado a Bodys y a Objects (Cuerpos de Personas y Objetos),
obteniendo un excelente grado de funcionamiento de un 100% para Bodys y de un 80% a 90%
para Objects (luego de hacer el procesamiento de la imagen).
Desde el escaneo hasta el archivo en formato STL listo para la impresión, se debe tener
conocimiento intermedio-avanzado de modelado, prototipado, fabricación asistida,
procesamiento digital de imágenes. Disciplinas y conocimientos de estas areas que que
convergen en el proceso de escaneo 3D (aplicación de conocimiento de otras asignaturas).
27
C O N C L U S I O N E S
El escaneo 3D, como tal, es una técnica y una tecnología muy cómoda en su uso, es decir, no
requiere una inversión económica demasiado alta para el hardware a utilizar y es una técnica
relativamente fácil de utilizar.
Generalmente, en un software de modelado, debe diseñarse pieza por pieza y luego unir las
mismas para obtener una estructura completa, con el escaneo 3D se puede elaborar la
estructura completa en un sólo paso. Lo anterior hace referencia al modelado.
En cuanto a la construcción del modelo, la técnica del escaneo se acompaña de la impresión
3D para prototipado rápido en materiales tales como PLA, ABS, Filaflex, Madera, Bambú, con la
condición de que este material pueda ser puesto en forma de hilo o filamento.
El escaneo 3D se convierte en una herramienta de nuevas proporciones para las nuevas
tecnologías de manufactura, ya que se puede combinar con robots, ensamblado con un dron,
estar inmersos en el proceso de producción, en el proceso de diseño, modelado, simulaciones
de ingeniería a objetos escaneados.
Y sus aplicaciones van más allá de captar algo y replicarlo, puesto que algunos modelos de
escáner tienen aplicaciones meteorológicas, por otros lados se ha usado en industrias de
entretenimiento como cine, videojuegos, exploración y otros.
La tecnología es accesible, ya que escáneres hay de muchas características y por modelos no
tan sofisticados se pueden encontrar precios más accesibles; se pueden encontrar desde lo
más básico hasta lo más complejo, como ya se vio en algunos modelos comerciales.
La problemática del escaneo de los modelos que son objetos, ya que luego de seguir los pasos
expuestos en la Figura 24.
Los resultados no fueron contundentes como cuando se realizó el escaneo de los modelos que
fueron cuerpos de seres humanos.
Se preparó la escena de forma diferente, se utilizaron diferentes Kinect.
La solución añadir geometrías y puntos de referencia a la escena y luego por medio de software
hacer un buen procesamiento del modelo obtenido.
28
El método de escaneo por medio de Kinect y Skanect puede aplicarse a objetos de buen
tamaño y se obtienen buenos resultados, por ser una versión demo se tienen limitantes de 5000
polígonos posibles para generar un objeto, lo que lleva a una pérdida de resolución notable.
Este procedimiento puede ser una forma didáctica de mostrar como mediante un sensor y
software adecuado es posible realizar la digitalización de objetos en tres dimensiones, será
necesario desarrollar tecnología que pueda mejorar la toma de detalles tal vez por barrido de un
haz de luz láser o por ultrasonido.
Y desarrollar software propio que no tenga limitaciones en cuanto a la cantidad de polígonos
necesarios para definir la superficie del objeto.
29
R E F E R E N C I A S
[1] Brian Curless, "From Range Scans to 3D Models".
[2] Katsushi Lkeuchi, "Modeling from Reality”.
[3] Joan Soler Abelló. “Desarrollo práctico del proceso de captura y tratamiento digital en 3D de
imágenes para ser utilizadas en impresión 3D y aplicaciones de Animación y Realidad
Aumentada”. 24 de Junio de 2014.
Sitios de Internet:
http://www.cartografia.cl/beta/index.php/home/visualizacion-3d/771-tipos-de-laser-
escaners-3d-terrestres
http://www.3dimpresoras3d.com/que-es-un-escaner-3d/
http://www.faro.com/es-es/productos/metrologia/brazo-de-medicion-faro-
scanarm/aplicaciones
https://www.youtube.com/watch?v=-7SH3zxDfdU
http://www.directindustry.es/prod/hexagon-metrology/sistema-escaner-3d-automatizado-
inspeccionar-cierre-panel-laser-5623-568648.html
https://www.youtube.com/watch?v=wb_zZjoWuFw
https://www.youtube.com/watch?v=kJNDD45reBM
https://www.youtube.com/watch?v=JFaPEwdC730