3Dスキャナーとは?原理や仕組み、活用事例をわかりやすく解説

3Dプリンターの普及に伴って、3Dスキャナーの需要も少しずつ高まっています。

最近は製造業の分野でもDX(デジタルトランスフォーメーション)化が少しずつ普及し、デジタル技術を活用して業務を変革していく動きが進んでいます。

3Dスキャナーは今後、需要は拡大していくと予想されていますが、3Dプリンターと比べて、ネットや書籍などの情報が少ないのが現状です。

そこで、今回は3Dスキャナーとは一体、何なのか定義し、特徴や使い方などをお伝えした上で、3Dスキャナーを用いると、どういった効果を発揮するのか解説します。

3Dスキャナーとは?|基本原理をおさらい

まず初めに、3Dスキャナーの基本原理について3Dプリンターと照らし合わせながら解説していきます。

3Dスキャナーとは、「モノからデータへの変換装置」
それに対して、 3Dプリンターは「データからモノへの変換装置」のことを指します。

3Dスキャナーと3Dプリンターの関係
3Dスキャナーと3Dプリンターの関係

3Dスキャナーは対象物にレーザーを照射して、立体的な形状を取得してデジタルデータ(3Dデータ)に変換するデジタル工作機器です。

3Dスキャナーには対象物に直接、センサーを接触させて測定するものや、対象物に接触させないで測定するハンディタイプものなど様々な種類があります。

測定方法は各方式で違いがありますが、対象物をスキャンして3Dデータを取得するという仕組みはどの3Dスキャナーも同じです。

<<【参考記事】3Dプリンターとは?活用事例を交えて仕組みや使用方法について簡単に解説

3Dスキャナーでの3Dスキャンから3Dデータへ変換されるまでの流れ

 3Dスキャンから3Dデータへ変換されるまでの流れを解説します

ここでは、3Dスキャナーを使って3Dスキャンして、モノ(対象物)から情報(3Dデータ)へと変換される流れについて説明します。

1.対象物にレーザーを照射して、対象物の凹凸を物理的な形状として感知し、三次元上の座標を取得する。

2.様々な角度からレーザーを照射することで、点群データになります。

3.取得した点群データをメッシュデータ(ポリゴンデータ)に変換する。

4.メッシュデータからCADソフトなどのソフトウェアで読み込むためにサーフェス面を生成する。

5.対象物が大きくなるほどデータが重くなるため、面数を削減して軽量化する。

6.3Dデータ(CADデータ)が完成

3Dスキャナーを使って、モノから情報へと変換されるまでの流れはどの方式も変わりはありませんが、種類と計測方法には違いがあります。

3Dスキャナーの種類について

3Dスキャナーの種類について

3Dスキャナーは大きく分けると、「接触式」と「非接触式」の2種類があります。

ここでは、接触式と非接触式の違いについて解説します。

接触式3Dスキャナー

接触式は対象物に直接、センサーやプローブ(深針)を接触させて三次元座標を取得します。

非接触式の3Dスキャナーと比べて精度が高い一方で、プローブが入り込めない形状での測定が困難なため、例えば、大きな対象物などは計測することができません。

非接触式3Dスキャナー

非接触式は、対象物に接触させずに三次元座標を取得します。

研究と開発が進んでいることもあり、現在は非接触式の3Dスキャナーの方が使用されることが多いです。

非接触式は狭いエリアや構造物の裏側など測定が難しいエリアでも測定可能なため、構造物の隅々まで3Dデータを取得できます。

非接触式3Dスキャナーの中でも、「据え置きタイプ」と「ハンディータイプ(ハンドヘルド)」の2種類に分かれます。

据え置きタイプ

据え置きタイプは人物や人の流れを定点で計測する時に用いられています。

例えば、アパレル業界では全身を3Dスキャンしてその人に合った洋服を提供するサービスに利用されています。

特徴としては、ハンディタイプと比較して精度が高いメリットがある反面、固定の位置で計測するため位置や角度が変えられないデメリットもあります。

ハンディタイプ(ハンドヘルド)

ハンディタイプは据え置きタイプと違って、 狭い場所や構造物の裏側など測定することが困難な場合でも、小回りが利くため構造物の隅々まで計測できるのがメリットです。

デメリットは 手持ちで測定するため、手振れが起こり据え置きタイプと比べると精度が劣るということです。

非接触式3Dスキャナーの測定方法は以下のスキャン方式があります。

非接触式3Dスキャナーの方式について

非接触式3Dスキャナーの測定方式は「パターン光投影法」と「レーザー切断方式」、この二つに分けることができます。

どちらの方式もレーザーを対象物に照射して、三角形の原理を使って測定(三角測量)していきますが、測定方法には違いがあります。

ここでは、この二つの測定方式について深堀りします。

パターン光投影法

対象物に様々な角度から、複数枚のパターン光(縞模様)をプロジェクターから投影することでパターンの凹凸をもとに、形状を認識してデータを取得します。

この方式は高速でスキャンすることが可能で、精度が高い一方で、明るいエリアでの測定を苦手としています。

そのため、屋内使用に限定されているものが多いです。

レーザー切断方式

対象物にレーザー光を照射して、その反射光をセンサーなどで受け、認識することで、データを取得します。

このレーザー切断方式は以下の2つの方式があります。

TOF(タイムオブフライト)方式

レーザーを様々な方向から対象物に照射して、そこから反射して戻ってくるまでの飛行時間から三次元座標を取得します。
この方式は小回りが利き、精度が高い計測が持ち味です。

位相差方式

複数のレーザー光を対象物に照射して、戻ってきた乱反射(表面が滑らかではない物体に照射すると、色んな方向に反射すること)による位相差により、対象物との距離情報を得て三次元座標を取得します。

主に、建築物などの大きい対象物を測定する時に用いられています。

以上のように3Dスキャナーは様々な測定方式があります。

ノートパソコンやタブレットとしても利用できる2-in-1パソコンのように、3Dスキャナーもパターン光投影法やレーザー切断方式の両方が使える2-in-1タイプも販売されています。

3Dスキャナーの各方式の計測方法について取り上げました。

次に、3Dスキャナーはどういったところで活用されているのか解説します。

3Dスキャナーの活用方法について

3Dスキャナーの活用方法について

3Dスキャナーは特に製造業を中心として、業務の効率化を推し進めるために用いられるようになりました。

3Dスキャナーは下記の通り、様々な仕様用途があります。

・検査
・シュミレーション
・切削加工
・リバースエンジニアリング
・設計

ここでは、3Dスキャナーを使ってよく利用されている検査、リバースエンジニアリングの2つに絞って、どのように活用しているのかご紹介します。

検査

対象物をスキャンした3Dデータと設計図(CADデータ)を照らし合わせて断面検査や外観検査を行ったり、形状比較するために用いられています。

製造業では、これまで断面検査や外観検査は目視検査が主流で、計測もノギスなどの治具を使って手作業で行っていました。

ですが、どうしても見逃しが発生したり、湾曲した構造物の場合だと目視や計測が困難でした。

そこで、最近では3Dスキャナーを用いて外観検査を行い、不具合がないか確認されるようになっています。

3Dスキャナーを用いて検査をすると、2次元図面を作成する必要がないため、作業工数が削減され、検査にかける時間が大幅に減りました。

リバースエンジニアリング

リバースエンジニアリングとは、実際の製品を解析・分析・分解し、その構造や仕組みなどの情報を取得することです。

現物はあるが、設計図(CADデータ)がない場合やライバル会社の製品を分析する場合によく用いられています。

設計図のない製品を3Dスキャナーを用いてスキャンすることで、デジタルデータを取得することができます。

また、それをもとに、製品をリデザインしたり、解析・加工・設計にも役立てたりと様々なことに活用することができます。

<<【参考記事】水力発電タービンのリバースエンジニアリング事例

まとめ:3DスキャナーはDXを促進するデジタル工作機器である

3Dスキャナーを使えば従来の業務と比べて、作業時間や作業工数が大幅に削減することがわかってもらえたかと思います。

今後、人手不足で悩ませる製造業を中心として3Dスキャナーを活用してDXを促進する動きは広がっていくでしょう。

しかし、3Dスキャナーは今回の記事で解説したようにどの製品も同じような機能を備えているわけではありません。

そのため、誤って用途に合わない3Dスキャナーを選択してしまう場合があります。

SCANTECHでは、お客様の要望を聞いたうえで、その要望・用途に適した機材をを当社の3Dスキャナー専門の技術スタッフが提案いたします。

また、3Dスキャナーの使い方やアフターサポートはもちろんのこと、必要な3Dスキャニング技術の提供も行っています。

もし、 3Dスキャナーを導入を検討している、もしくは3Dスキャナーを用いた計測やリバースエンジニアリングに関心がある方は下記のボタンからお気軽にお問い合わせください。