3D-Scanner im Überblick

Wer in seinen Kindertagen regelmäßiger Zuschauer von Science Fiction Serien war, der denkt auch heute mit Sicherheit noch mit leuchtenden Augen an Holodecks oder den aus Star-Trek bekannten Replikator, der Dinge wie aus dem Nichts erschaffen konnte. Die heutige Technologie ist leider noch nicht ganz so weit, und dennoch entlocken 3D-Drucker und 3D-Scanner uns bereits staunende Blicke und zeigen damit, was bereits heute möglich ist. Insbesondere 3D-Scanner, die selbst komplexeste Gegenstände binnen kürzester Zeit erfassen und in ein digitales Computermodell verwandeln, stehen hoch im Kurs. Während die Geräte bis dato aber insbesondere aus Kostengründen vorwiegend für professionelle Anwendungszwecke wie architektonische Messungen oder im Rahmen archäologischer Rekonstruktionen verwendet wurden, führen die sinkenden Preise zu einer zunehmenden Verbreitung bei Kleinunternehmen und Privatpersonen, denen damit gänzlich neue Wege offenstehen.

Was ist ein 3D-Scanner?

Was das Wesen eines 3D-Scanners angeht, sollte dies eigentlich selbsterklärend sein, denn während ein konventioneller Scanner, wie er heute in jedem Büro und auch in den meisten Privathaushalten zu finden ist, Dokumente scannt und zweidimensional digitalisiert, übernimmt ein 3D-Scanner diese Funktion im Hinblick auf die Digitalisierung dreidimensionaler Objekte. Durch das Abtasten der Körpertiefe durch unterschiedliche Verfahren entsteht damit ein realistisches Abbild eines Gegenstandes in Form eines am Computer bearbeitbaren 3D-Modells. Mit diesem grundlegenden Prinzip wären aber auch schon die meisten Gemeinsamkeiten der verschiedenen 3D-Scanner-Modelle abgehandelt, denn diese setzen mitunter auf gänzlich unterschiedliche Technologien und Verfahren für die Abbildung dreidimensionaler Objekte. Dabei wird prinzipiell zwischen vier Haupttechnologien unterschieden, die allesamt ihre Vor- und Nachteile haben. Neben dem weit verbreiteten Laserscannen, das die qualitativ besten Ergebnisse liefert, greift man in der Praxis auch auf die Nutzung von Lichtmusterprojektionen und die Bildgebung mit Hilfe von Infrarotsensoren zurück. Besonders attraktiv, weil auch mit jedem handelsüblichen Smartphone umsetzbar ist aber das bildbasierte Verfahren unter Zuhilfenahme einer speziellen App, die dazu in der Lage ist, dreidimensionale Modelle aus Fotos zu errechnen.

Wie funktioniert der 3D-Scanner?

Bei den meisten laserbasierten Scan-Verfahren ruht der zu digitalisierende Gegenstand auf einem rotierenden Drehteller. Während sich das Objekt langsam dreht, tastet ein aufgefächerter Laserstrahl dieses zeilenweise ab, wobei die Qualität mit abnehmendem Durchmesser des Laserstrahls deutlich zunimmt. Um die Beschaffenheit des Gegenstandes sowie die Oberflächenstruktur detailgetreu zu erfassen, werden Ein- und Ausfallswinkel des Laserstrahls erfasst, wodurch die Raumkoordinaten der einzelnen Abtastpunkte präzise errechnet werden können. Aus den verketteten Raumkoordinaten entsteht schließlich mit Hilfe einer speziellen Software am Computer ein digitales Objektbild, dessen Auslösung von der Anzahl der abgetasteten Raumpunkte abhängig ist. Dieses Verfahren kommt auch bei Handscannern zum Einsatz, lediglich mit dem Unterschied, dass der Gegenstand nicht auf einer rotierenden Plattform ruht, sondern durch einen Anwender mit dem Handscanner umrundet wird. Insbesondere viele Hersteller von 3D-Handscannern greifen indes auf die Infrarot-Lichtmuster-Erkennung zurück, die im Grunde genommen ähnlich funktioniert, indem sie auf den zu scannenden Gegenstand ein Infrarot-Lichtmuster projiziert und aus der Verzerrung des Lichtmusters schließlich das digitale Abbild errechnet. Möglich ist der 3D-Scan im Übrigen selbst mit ausschließlich kamerabasierten Verfahren, wie es auch mit dem Xbox-System Kinect realisiert werden kann.

Einsatzgebiete eines 3D-Scanners

Was für den 3D-Druck gilt, behält seine Gültigkeit auch für den 3D-Scan, denn die Anzahl der möglichen Anwendungsfelder ist schon jetzt riesig und wird in naher Zukunft noch weiter ansteigen. Zu nennen ist in dieser Hinsicht natürlich zunächst die professionelle Anwendung dieser Technologie im Bereich der Architektur und des Bauwesens, denn insbesondere dort kommen 3D-Scanner für die Vermessung von Geländestrukturen zum Einsatz. Höchst spannend ist indes ein denkmalpflegerisches Projekt aus Frankreich, im Rahmen dessen der gesamte Innenraum einer mittelalterlichen Kathedrale mit Hilfe eines 3D-Laser-Scanners ausgemessen wurde. Das dreidimensionale Modell, in das die Positionskoordinaten umgewandelt wurden, kam schließlich zur Anwendung, um statische Mängel aufzudecken und damit mögliche Gefahren im Vorfeld abzuwenden. Es muss allerdings nicht immer der größtmögliche Anwendungsfall sein, denn auch im Maschinen- und Anlagenbau sowie im Flugzeugbau kommen 3D-Scanner zur Anwendung. Dass diese Technologie bereits in den Alltag vieler Menschen eingedrungen ist, belegt die Anwendung in der Medizin, denn prinzipiell sind bildgebende Verfahren wie die Computertomographie (CT) oder die Magnetresonanztomographie (MRT) nicht weiter als Werkzeuge, die mitunter sehr detaillierte 3D-Modelle des menschlichen Körpers erzeugen. Besonders interessant für Unternehmen, Freiberufler und Hobbyisten, die in den Bereichen Design, Produktentwicklung oder Medientechnologie unterwegs sind, ist aber die Tatsache, dass der 3D-Scan eine erhebliche Arbeitserleichterung darstellt. Ursächlich ist die Tatsache, dass Objekte schlicht eingescannt werden können und nicht mehr in mühevoller Handarbeit out of the box mit 3D-Modellierungs-Tools Polygon für Polygon erstellt werden müssen. Speziell für Filmschaffende und Spieleentwickler ergeben sich damit diverse neue Möglichkeiten, die Qualität ihrer Produkte auf ein neues Level zu heben.

Kein 3D-Scan ohne eine geeignete Software

Der Kauf eines 3D-Scanners ist allerdings nur die halbe Miete, denn ein großer Teil der Arbeit hin zum fertigen Modell wird nicht vom Gerät selbst geleistet, sondern von der entsprechenden Computersoftware. Die Hauptaufgabe der Software besteht darin, aus den ausgehenden und ankommenden Informationen, die über den Laser, die Kamera oder die Infrarot-Module in den Computer gelangen, ein möglichst detailgetreues dreidimensionales Objekt zu errechnen. Da es je nach Scan-Verfahren sowie der zugrundeliegenden Qualität des 3D-Scanners bisweilen zu Scan-Fehlern und Unsauberkeiten kommt, verfügen die Softwaresysteme in der Regel über reichhaltige Werkzeugpaletten, mit denen die 3D-Modelle der eingescannten Objekte nachbearbeitet werden können. Die erzeugten Modelle können im Anschluss unmittelbar in einem druckfähigen Format abgespeichert, oder in ein Universalformat umgewandelt werden, sodass sie entweder direkt repliziert oder in einem beliebigen 3D-Modellierungs-Programm für diverse Zwecke weiterverarbeitet werden können. Welche Software zum Einsatz kommt, ist dabei höchst individuell, da einige Hersteller konsequent auf hauseigene Produkte setzen, während wiederum andere auf Open Source Software zurückgreifen und dem Anwender damit ein Höchstmaß an Wahlfreiheit lassen.

3D-Scanner im Vergleich

Da 3D-Scanner auf dem Markt längst keine geflügelten Einhörner mehr sind, steigt die Anzahl der verfügbaren Modelle der unterschiedlichsten Hersteller beinahe monatlich an. Es liegt auf der Hand, dass die Entscheidungsfindung nicht zuletzt durch die diversen Vor- und Nachteile der zum Einsatz kommenden Technologien sowie den breiten Kostenrahmen nicht leicht fällt. In der Folge möchten wir Ihnen einen Einblick in die faszinierende Welt der 3D-Scanner verschaffen und Ihnen einige der markantesten 3D-Scanner und 3D-Scan-Applikationen vorstellen.

AiO Robotics PR1001 ZEUS – Der Alleskönner für semiprofessionelle Anwender

Der Zeus AiO Robotics ist weit mehr als nur ein 3D-Scanner, denn es handelt sich um ein Multifunktions-Produkt, das sowohl den 3D-Druck als auch das dreidimensionale Scannen beherrscht. Das Gerät setzt dabei auf einen in drei Qualitätsstufen einstellbaren 4-Seiten-Scan, der durch einen Laser sowie eine HD-Kamera umgesetzt wird, indem die vier erstellten Bilder zu einem 3D-Modell zusammengesetzt werden. Der große Vorteil des 3D-Scanners ist neben seiner Multifunktionalität, die die Anschaffung eines separaten 3D-Druckers überflüssig macht, insbesondere die feine Scanauflösung von 0,127 mm. Das semiprofessionelle Gerät schlägt allerdings mit rund 3.000 Euro zu Buche und ist lediglich dazu in der Lage kleine Objekte mit einem Durchmesser von 22,9 cm bzw. einer Höhe von 12,7 cm zu scannen.

Cubify Sense – Handlicher 3D-Scanner auch für Privatanwender

Beim Cubify Sense handelt es sich um einen mit Infrarotsensoren ausgestatteten 3D-Handscanner, der derzeit für rund 300 Euro zu bekommen ist. Dank einem integrierten Griffstück lässt sich das Gerät mit ein wenig Übung leicht handhaben, sodass auch größere Objekte fehlerfrei gescannt werden können. Mit einer Tiefenbildauflösung von nur 320 x 240 Pixel fällt die Scan-Qualität im Gegensatz zu den meisten stationären Geräten allerdings ein wenig ab. Sowohl die mitgelieferte 3D-Software als auch der annehmbare Preis machen diese Schwäche allerdings wett, zumal Besitzer von entsprechenden 3D-Druckern der Firma 3D Systems die Scan-Modelle unmittelbar an die Drucker senden können.

MakerBot Digitalizer – Semiprofessioneller Scanner für den Desktop-Betrieb

Das Modell Digitalizer der Firma MakerBot ist das Pendant zum MakerBot Replicator, einem der derzeit besten 3D-Drucker auf dem Markt, und arbeitet, wie so viele andere 3D-Scanner auch, mit einem rotierenden Drehteller, auf dem das durch den Laser zu scannende Objekt platziert wird. Der Digitalizer ermöglicht das Scannen von kleinen und mittelgroßen Gegenständen mit einem maximalen Durchmesser von 20,3 cm und einer Höhe von ebenfalls 20,3 cm. Abgesehen von der hohen Detailauflösung von 0,5 mm punktet der 3D-Scanner vor allem durch seine benutzerfreundliche Software, die auch ohne einschlägige Vorkenntnisse eingängig zu bedienen ist. Ein Wermutstropfen ist hingegen die Ausgabe der Objekte in nur zwei Datenformaten, was die Weiterverarbeitung mit Fremdsoftware erschwert.

Artec – Eva 3D – High-end-Scanner für Profis

Wer 3D-Scanner nicht bloß im privaten Bereich oder im Rahmen semiprofessioneller Experimente, sondern tatsächlich für den professionellen Einsatz nutzen möchte, kommt um Profi-Gerät wie den Artec – Eva 3D nicht herum. Das Gerät liefert bei vollfarbiger Darstellung und einer Genauigkeit von 0,1 mm eine Auflösung von bis zu 0,5 mm und kann dabei Bauteile mit einer Größe von 20 Zentimetern bis maximal drei Metern scannen. Aufgrund der Möglichkeit auch größere Objekte zu scannen, diese in neun Formate zu konvertieren und sowohl in der mitgelieferten Software als auch mit Hilfe externer Software bearbeiten zu können, bietet der Artec – Eva 3D ein Maximum an Flexibilität. Dass sich der 3D-Scanner aber ausschließlich an Professionals richtet, belegt der Preis von rund 13.700 Euro.

Occipital – Structure – Macht aus iPhone und iPad einen 3D-Scanner

Der nur zwölf mal drei Zentimeter kleine Sensor verwandelt iPhones und iPads im Handumdrehen in vollwertige 3D-Scanner, die sich über eine mitgelieferte App intuitiv bedienen lassen. Technisch greift Occipal – Structure auf die Lightning-Schnittstelle der Apple-Geräte zurück und scannt die Zielobjekte mit Hilfe von zwei Infrarot-Leuchtdioden, wobei die Reichweite zwischen 40 Zentimetern und dreieinhalb Metern liegt. Mit einem Preis von 270 Euro ist das Gerät aber kein Schnäppchen.

Autodesk 123D Catch – ein 3D-Scanner aus dem App-Store

Die 3D-Spezialisten von Autodesk, die sich unter anderem für die Software 3D-Studio-Max verantwortlich zeichnen, ermöglichen mit ihrer App 123D Catch die Umwandlung jedes geeigneten Smartphones in einen 3D-Scanner. Zum Einsatz kommt dabei die Bildgebung per Smartphone-Kamera, mit der möglichst viele Bilder von dem abzubildenden Objekt aus möglichst unterschiedlichen Winkeln angefertigt werden sollten. Die Bilder werden anschließend auf den Server des Unternehmens geladen und dort zu einem Modell verarbeitet. Im Angesicht der Tatsache, dass ein Smartphone samt kostenloser App zum Einsatz kommt, fallen die Ergebnisse erstaunlich gut aus. Allerdings überfordert der Verarbeitungsprozess sogar High-end-Smartphones.

Was sollte ich beim Kauf beachten?

Wenn Sie sich einen 3D-Scanner zulegen möchten, sollten Sie im Vorfeld des Kaufs zunächst einmal berücksichtigen, wofür Sie das Gerät einsetzen möchten, denn davon ist in erheblichem Maße abhängig, welche Geräte in welchen Preisklassen infrage kommen. Sofern Sie die Faszination des 3D-Scans erst einmal ausprobieren möchten, reicht zu Beginn mitunter sogar eine Smartphone-App wie 123D Catch oder das eventuell in Ihrem Haushalt bereits vorhandene Kinect-System von Microsofts Xbox, das, wie im nächsten Absatz geschildert, ebenfalls zum 3D-Scanner umfunktioniert werden kann. Wollen Sie den 3D-Scanner hingegen sowohl im privaten als auch im beruflichen Sinne intensiver Nutzen, sollten Sie auf eine möglichst hohe Scan-Auflösung sowie eine minimale Größenabweichung achten, um somit beispielsweise auch filigrane Modelle zur Replikation einscannen zu können. Diese Voraussetzung erfüllen sowohl Geräte wie der MakerBot Digitalizer als auch der 3D-Multifunktions-Drucker AiO Robotics PR1001 ZEUS. Ist im Rahmen einer professionellen Anwendung wie der Architektur, der Medizin oder der Vermessungstechnik die Präzision sowie die maximale Größe der zu scannenden Objekte von entscheidender Bedeutung, führt kein Weg an Profi-Geräten wie dem Artec – Eva 3D vorbei.

Wie wird aus Microsofts Kinect ein 3D-Scanner?

Wenn Sie ohnehin bereits ein solches Gerät im Hause haben oder nicht viel Geld für den 3D-Scan ausgeben möchten, können Sie auch das Kinect-System zu einem vernünftigen 3D-Scanner umbauen. Alles, was dazu benötigt wird, ist ein Kinect-System der zweiten Generation sowie die kostenlose App Kinect Fusion, die Ihre Xbox in einen 3D-Scanner umwandelt. Die Software ermöglicht dabei durch vier Regler unter anderem die Festlegung von Höhe und Tiefe des zu scannenden Raumbereichs. Die hauseigene Software 3D-Builder ermöglicht darüber hinaus die Nachbearbeitung des Scans, sodass dieser unmittelbar ausgedruckt werden kann. Allerdings ist die Verwendung von Windows 10 für die Nutzung des Kinect-3D-Scanners eine zwingende Voraussetzung.

3D Scanner selber bauen

Sollten Sie eine Bastlernatur sein, können Sie im Übrigen auch Ihren eigenen 3D-Scanner aus bereits vorhandenen Komponenten konstruieren und beispielsweise mit der von zwei Promotionsstudenten der Technischen Universität Kaiserslautern geschriebenen Software 3Digify vollumfänglich betreiben. Alles, was Sie dazu benötigen, ist sowohl die Software als auch ein Beamer nebst zwei Kameras. Das Funktionsprinzip ist dabei denkbar einfach, denn während der Beamer den zu scannenden Gegenstand mit Streifenmustern abtastet, verarbeiten die Kameras die Bilder, sodass im Hintergrund ein 3D-Modell errechnet werden kann. Wie hoch die Scan-Qualität ausfällt, ist dabei direkt von der Auswahl der Kameramodelle respektive deren Auflösung abhängig. Welche Kameras und Beamer dabei zum Einsatz kommt, bleibt indes Ihnen überlassen, denn die Software unterstützt neben digitalen Spiegelreflexkameras und modernen Beamern sogar einige Webcams und Mini-Projektoren. Wenn Sie also bereits entsprechende Gerätschaften besitzen, können Sie schon mit wenig Aufwand in die Welt des 3D-Scans eintauchen.

Fazit

Am Ende des Tages stellt sich wie bei vielen technologischen Entwicklungen die Frage danach, ob es den Aufwand wert ist und ob die Technologie eine Zukunft hat. Im Fall des 3D-Scans ist diese Frage klar mit Ja zu beantworten, zumal auch additive Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck sowohl im wirtschaftlichen als auch im privaten Bereich eine immer größere Rolle spielen werden. Während Unternehmen mit dem 3D-Scan langfristig deutlich zeiteffizienter arbeiten und zudem neue Wirtschaftszweige erschließen, können Sie als Privatperson beispielsweise davon profitieren, Ersatzteile auf eigene Faust zu replizieren. Interessant ist in Zukunft auch mit Sicherheit die Funktion des 3D-Fax, im Zuge dessen ein Objekt an einem Ort gescannt und einem anderen Ort unmittelbar danach gedruckt wird. Geräte wie der AiO Robotics PR1001 ZEUS beherrschen dieses Feature bereits jetzt, auch wenn die Variation der möglichen Anwendungszwecke bis dato noch nicht abschließend evaluiert werden kann. Unter dem Strich ist es insbesondere hinsichtlich der Anschaffungskosten noch so, dass Privatanwender vorwiegend mit günstigeren Geräten, Eigenbauvarianten sowie einschlägigen Apps sehr gut bedient sind, während Unternehmen unbedingt auf professionelle 3D-Scanner zurückgreifen sollten.