Drehen, lasern, knipsen

3D-Scanner-Neuheiten

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Im Windschatten des 3D-Druck-Hypes nimmt auch die Entwicklung von Hard- und Software mächtig Fahrt auf, die physische Objekte in 3D-Datenmodelle verwandelt – irgendwo muss das Futter für die schicken Produktionsmaschinen schließlich herkommen.

Viele technische Wege führen vom realen Objekt zum 3D-Schnappschuss im Computer: Eine Serie von Digitalbildern genügt einer Fotogrammetrie-Anwendung als Input, um ein räumliches Modell der aufgenommenen Szene zu berechnen. Große Objekte umkreist man mit einer Tiefenkamera à la Kinect in der Hand, kleinere setzt man auf den Drehteller von Tisch-Scannern, die deren Form per Laser abtasten. Das sorgt für steten Nachschub an Vorlagen für die günstigen 3D-Drucker.

Plattenspieler

Das kanadische Start-up Matterform hat sich im vergangenen Jahr über eine Crowdfunding-Kampagne bei Indiegogo mit dem Startkapital für die Produktion eines transportablen und zusammenklappbaren 3D-Scanners versorgt. Ab Februar soll das Tischgerät zu kaufen sein. Es wird 580 US-Dollar kosten, wobei bei Lieferung nach Deutschland zusätzlich Versandkosten und Steuern anfallen.

Der Scanner arbeitet mit einem Drehteller und kommt mit bis zu 3 Kilogramm schweren Objekten klar, deren Durchmesser maximal 18 Zentimeter groß sein darf. Die Höhe kann bis zu 25 Zentimeter betragen – gegebenenfalls fährt eine Spindel den Sensor ein Stück in die Höhe. Er erfasst Formen mittels Lichtschnittverfahren. Dafür projiziert der Scanner schräg von zwei Seiten zwei Laserlinien auf das Zielobjekt, die durch dessen Oberfläche verformt werden. Eine zentral angebrachte Kamera nimmt die verzerrte Linie auf, woraus spezielle Software auf dem angeschlossenen Rechner das 3D-Modell berechnet. Darüber hinaus erfasst die Kamera auch Farbe und sichtbare Muster der Oberfläche, sodass farbige 3D-Dateien entstehen.

Im schnellen Modus soll ein Scan nach 5 Minuten im Kasten sein, bei maximaler Qualität kann er aber über 10 Minuten dauern. Als maximale Auflösung für Details gibt der Hersteller rund 0,4 Millimeter an. Die Nachbearbeitung übernimmt eine mitgelieferte Software, die ab Windows 7 oder Mac OS X 10.6 läuft und Dateien in den Standardformaten STL, OBJ und PLY liefert. Musterdateien zur Ansicht bekommt man auf der Webseite des Herstellers (siehe c’t-Link).

Auflösung und maximale Modellgröße des Matterform-Scanners passen gut zu den Fähigkeiten aktueller günstiger 3D-Drucker – möchte man einen kleinen Gegenstand im Maßstab eins zu eins aus Kunststoff kopieren, soll er die passende Vorlage liefern. Damit zielt der Scanner in dieselbe Marktnische wie der Digitizer des Druckerherstellers MakerBot Industries, der bereits seit vergangenem September im Handel ist. Maximale Vorlagengröße, Detailgenauigkeit und sogar die Scangeschwindigkeit ähneln sich. Allerdings liefert der MakerBot Digitizer keine farbigen Vorlagen und kostet mit 1666 Euro (inklusive Steuer) deutlich mehr als das Matterform-Gerät.

Weitere Konkurrenz zeichnet sich bereits ab: Die britische Firma CADScan hat vor wenigen Tagen das erste Serienexemplar ihres 3D-Scanners „Cubik“ ausgeliefert. Bei diesem Gerät dreht sich der Teller unter einer komplett geschlossenen Haube, die für kontrollierte Lichtverhältnisse sorgt. Es liefert farbige Modelle und kostet 900 britische Pfund, zuzüglich Steuern und Versand. Auf Kickstarter sammelt unterdessen ein US-amerikanisches Start-up für seinen Scanner namens Robocular, dessen Mini-Ausgabe ab August für 500 US-Dollar zu kaufen sein soll.

Kinetisch

MakerBot hat offenbar schon weitere Techniken zur dreidimensionalen Erfassung im Blick: Auf der Consumer Electronics Show in Las Vegas gab die Firma zu Jahresanfang ihre Kooperation mit dem 3D-Sensor-Hersteller SoftKinetic bekannt [1]. Dieser benutzt zur Vermessung des Raums die TOF-Technik (Time-Of-Flight), die auch in der neuen Kinect von Microsoft zum Einsatz kommt. Dazu wird die Szene mittels Lichtpulsen ausgeleuchtet. Für jeden Bildpunkt misst man die Zeit, bis das Licht wieder am Ausgangspunkt eintrifft, nachdem es von der Oberfläche des Zielobjekts reflektiert wurde.

Die erste – immer noch erhältliche – Generation der Kinect projiziert ein infrarotes Lichtmuster in den Raum und ermittelt aus der Verzerrung der Reflexion die plastische Form von Gegenständen – ähnlich wie das Lichtschnittverfahren. Eine ganze Reihe von Anwendungen nutzt den Sensor der ersten Kinect schon länger als 3D-Scanner  [2]. Nach raschen Fortschritten im vergangenen Jahr ist es aber spürbar ruhiger geworden in der Szene – offenbar findet derzeit die weitere Entwicklung weitgehend hinter den Kulissen statt, denn zurzeit haben nur die Teilnehmer von Microsofts Developer Preview Program Zugriff auf die neue Kinect für Windows. Die soll ab Sommer zu kaufen sein; die bereits erhältliche Kinect der Ende 2013 erschienenen Xbox One lässt sich aufgrund ihres proprietären Anschlusses nicht für den PC zweckentfremden.

Handwerkzeug

Video: 3D-Scanner auf der EuroMold 2013

An die alte Kinect erinnert der handliche 3D-Scanner „Cubify Sense“ – sowohl durch seine Sensor-Anordnung als auch die Spezifikationen, etwa die Auflösung des Tiefenbilds in lediglich 320 × 240 Pixel. Hersteller 3D Systems lässt allerdings nicht heraus, ob im Sense-Kästchen tatsächlich Technik des Kinect-Zulieferers PrimeSense steckt, der mittlerweile zu Apple gehört. Der Sense-Scanner kostet bei deutschen Resellern wie Konstruktionswerk.de 392 Euro und wird mit einer speziellen Software geliefert, die aus den Sensordaten ein farbiges Modell zusammenbaut, vom Hintergrund freistellt und das Ergebnis wahlweise in den Standard-Dateiformaten PLY, OBJ oder im proprietären Druckvorlagen-Format der Cube-3D-Drucker speichert. Ein Video, das diesen Scanner im Einsatz zeigt, finden Sie über den c’t-Link.

Die zweite Scanner-Neuheit von 3D-Systems heißt nahezu identisch, ist technisch aber ein ganz anderes Produkt: Der iSense lässt sich ans iPad stecken, sodass man mit der Kombination aus Tablet und Scanner in der Hand auch große Objekte umschreiten und als 3D-Modell digitalisieren kann. Die Hardware lässt sich 3D Systems von der Firma Occipital zuliefern; diese finanzierte ihr Scanner-Modul im vergangenen Oktober unter dem Namen „Structure Sensor“ erfolgreich über eine Kickstarter-Kampagne. Mit dem iPad eingefangene 3D-Modelle soll man über WLAN direkt auf die Cube-Drucker von 3D Systems schicken oder an die hauseigenen Webdienste auf Cubify.com weiterleiten können. Der iSense soll ab dem zweiten Quartal 2014 für 500 US-Dollar zu kaufen sein und bietet mit 640 × 480 Pixeln eine viermal feinere Auflösung des Tiefenbilds wie der günstigere Sense.

Porträtisten

Mit den Handgeräten lassen sich auch Personen dreidimensional einfangen. Farbig mit fotografischen Texturen gedruckt sind solche 3D-Porträts ein Hingucker, der sich zunehmend im Angebot von Dienstleistern findet  [3]. Bei den Web-Angeboten Shapify.me und Volumental.com soll man die eigene Kinect oder Asus Xtion als Sensor benutzen und den Scan selbst durchführen. In Ladengeschäften wie 3D Printstyle in Hannover oder 3D Fab in Radolfzell kommt hingegen Profi-Hardware zum Einsatz, die eigentlich fürs Scannen technischer Objekte als Grundlage fürs Reverse Engineering entwickelt wurde. Handscanner dieser Klasse samt Software kosten durchaus fünfstellige Summen. Dafür kann man aber auch mit einer deutlich höheren Auflösung und detaillierteren Scans rechnen. Auch 3D Systems spielt neuerdings in dieser Liga mit: Unter dem Namen Geomagic Capture verkauft die Firma eine Kombination aus Hard- und Software, die sich unter anderem als Plug-in in die Konstruktionssoftware SolidWorks und SpaceClaim integriert. Als Detailauflösung gibt der Hersteller rund 0,1 Millimeter an, die Preise beginnen bei rund 15 000 US-Dollar.

Egal, welcher Handscanner und welche Software zum Einsatz kommt: Nimmt man Personen oder Tiere auf, muss das Modell wie in den Fotoateliers des 19. Jahrhunderts etliche Sekunden bis einige Minuten bewegungslos verharren, bis seine Formen detailliert und von allen Seiten erfasst sind. Anders sieht das bei der 3DMe Photobooth von 3D Systems aus: Die stationäre Scanner-Kabine erinnert in Form und Funktion an einen Passfotoautomaten und knipst aus mehreren versetzt angebrachten Objektiven synchron 3D-Schnappschüsse von Gesichtern. Diese werden anschließend auf fertige Figurenminiaturen montiert, was 3D Systems schon länger als Webdienst anbietet.

Den ganzen Oberkörper hingegen erfasst eine Konstruktion, deren Bauanleitung auf Instructables.com nachzulesen ist: Der Pi 3D Scanner besteht aus zwölf Ständern, die rings um das Fotomodell aufgestellt werden. An jedem Ständer sind jeweils oben, unten und auf halber Höhe drei Kleinstcomputer vom Typ Raspberry Pi samt angeschlossener Kamera montiert, wodurch die Person aus insgesamt 36 unterschiedlichen Richtungen in den Blick genommen wird. Ein Netzwerk verbindet die 36 Rechner, leitet das Kommando zum Auslösen der Kameras weiter und sammelt die einzelnen, im selben Augenblick geschossenen Aufnahmen zentral auf einem NAS. Dann berechnet eine Cloud-Anwendung wie 123D Catch oder Autodesk ReCap aus den Einzelfotos das farbige 3D-Porträt. Zur Aufbereitung der Bilder muss man derzeit zwar nichts bezahlen – die Kosten für die Hardware des Scanners summieren sich allerdings auf weit über 2000 Euro. Braucht man nur gelegentlich einen Scan samt Druck, ist der Besuch im Berliner Geschäft von Twinkind.com günstiger: Auch dort wird man in einem Sekundenbruchteil rundum gescannt und für 225 Euro als 15-Zentimeter-Figürchen gedruckt. (pek)

Literatur
  1. [1] Jan-Keno Janssen, Peter König, Ulrike Kuhlmann, Philip Steffan, Krumme Dinger, Displays, Daten- und Videobrillen, Kameras, Wearables, 3D-Drucker, c’t 3/14, S. 24
  2. [2] Peter König, Berührungslos erfasst, 3D-Scansoftware für Kinect & Co., c’t 13/13, S. 118
  3. [3] Tim Gerber, Copyshops der dritten Dimension, 3D-Druck bringt neue Dienstleistungen, c’t 1/14, S. 20

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weiterführende Links

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