¿Qué es el escaneo láser 3D?
El escaneo láser 3D es una tecnología de vanguardia que crea modelos 3D muy detallados de objetos y entornos. En este artículo, te explicamos cómo funciona, qué tipos de escáneres láser hay en el mercado en la actualidad, para qué se pueden utilizar y qué beneficios ofrecen.
En un mundo repleto de modos de llevar objetos físicos al ámbito digital, ya sea mediante el uso de escáneres 3D, cámaras y software de fotogrametría, o incluso teléfonos inteligentes con sensores LiDAR incorporados, navegar por el océano de opciones disponibles puede ser abrumador. Este artículo analiza el escaneo láser 3D, una de las tecnologías de escaneo más utilizadas.
¿Qué es el escaneo láser 3D?
En pocas palabras, el escaneo láser 3D es un proceso de captura de datos 3D precisa de cualquier objeto o entorno, utilizando un láser como fuente de luz. Esto significa que la tecnología se basa en rayos láser para medir la distancia a una superficie y crear modelos 3D ultrarrealistas de objetos, lugares o paisajes. El escaneo láser 3D también es una herramienta popular de ingeniería, construcción y arquitectura, comúnmente utilizada para documentar el estado actual de cualquier estructura.
Los escáneres láser 3D utilizan tecnología LiDAR (detección de luz y rango) mediante la proyección de luz láser sobre un objeto para registrar y medir ubicaciones y distancias precisas. Como resultado, los escáneres proporcionan datos digitales invaluables en innumerables aplicaciones, desde ingeniería inversa e inspección de calidad hasta preservación del patrimonio y análisis forense. Lo que hace que esta tecnología sea aún más popular es que los escáneres láser modernos son portátiles, seguros y fáciles de usar, y que tienen una precisión de hasta milímetros.
¿Cómo funciona el escaneo láser 3D?
La forma en que funciona un escáner láser se reduce a emitir pulsos de luz a altas velocidades, que se reflejan en los objetos y regresan al sensor del escáner (LiDAR). Para cada pulso, la distancia entre el escáner y el objeto se mide calculando el tiempo transcurrido entre los pulsos enviados y recibidos. Cada punto de datos se convierte en un píxel con una coordenada X, Y y Z conocida.
El flujo de trabajo de un escáner LiDAR se puede dividir en los siguientes pasos:
Emisión láser: el escáner proyecta rayos láser sobre un objeto, normalmente en forma de pulsos rápidos y cortos en el espectro infrarrojo, que es invisible para el ojo humano.
Reflexión de pulso: cuando los pulsos láser golpean el objeto, rebotan hacia el escáner. Las características de la superficie del objeto, como su color, textura y reflectividad, afectan a la forma en que el rayo láser regresa al escáner.
Medición del tiempo de vuelo: el escáner mide el tiempo que tarda cada pulso en viajar desde el dispositivo hasta el objeto y viceversa. Este tiempo se convierte en distancia utilizando la velocidad de la luz.
Creación de nubes de puntos: al calcular las distancias de varios puntos en la superficie del objeto, el escáner crea un conjunto denso de puntos de datos conocido como nube de puntos. Cada punto representa una ubicación 3D en el espacio.
Procesamiento de datos: la nube de puntos se procesa en un modelo o mapa 3D detallado, donde cada punto es un reflejo preciso del entorno escaneado. Estos datos se pueden visualizar, analizar y utilizar para crear modelos 3D cerrados.
PUNTO CLAVE
El escaneo láser 3D funciona proyectando luz láser sobre un objeto y midiendo la luz reflejada para determinar la forma y las dimensiones del objeto. Los datos recopilados forman una nube de puntos detallada, que luego se procesa en modelos 3D para su análisis y uso en diversas aplicaciones.
Tipos de escáneres láser 3D
Los escáneres láser 3D vienen en una variedad impresionante, adaptados a diversas aplicaciones. Van desde dispositivos autónomos, portátiles o fijos y montados en trípode, hasta soluciones complejas de nivel industrial, como sistemas de escaneo láser móviles o aéreos, o brazos robóticos. Los escáneres láser utilizan tres tipos de tecnologías: tiempo de vuelo, cambio de fase y triangulación. Echemos un vistazo más de cerca a cada una de ellas.
Los sistemas de tiempo de vuelo, o sistemas de medición de pulsos, funcionan emitiendo un solo pulso de luz láser y determinando la distancia hasta el punto final midiendo el tiempo que tarda la luz en reflejarse de vuelta al sensor del escáner.
Los sistemas de cambio de fase también utilizan luz láser emitida, pero la intensidad de la luz se modula con formas de onda específicas. La reflexión de los patrones de intensidad se desplaza por un impacto en la superficie de un objeto. La medición del desplazamiento entre una señal láser enviada y una recibida garantiza un cálculo preciso de la distancia.
Los escáneres láser basados en triangulación funcionan emitiendo luz láser sobre un objeto y capturando la luz reflejada con un sensor de cámara integrado. El sistema calcula la distancia al objeto mediante triangulación trigonométrica, formando un triángulo entre la fuente láser, el sensor y el objetivo reflejado en la superficie del objeto. Por lo general, se utilizan para aplicaciones de corto alcance (menos de 5 metros), pues los escáneres de triangulación sobresalen en la captura de objetos de tamaño pequeño a mediano, que van desde 1 cm hasta aproximadamente 2-3 metros.
Dos grandes ejemplos de escáneres láser diseñados para capturar diferentes tipos de objetos y operar a diferentes distancias son Artec Point y Artec Ray II. Mientras que el primero es un escáner 3D láser portátil de grado metrológico que ofrece una precisión de hasta 0,02 mm en la palma de la mano, el segundo es un escáner LiDAR de largo alcance que ofrece una precisión excepcional del punto 3D de 1,9 mm a una distancia de 10 metros.
PUNTO CLAVE
Un escáner láser 3D utiliza una de las tres tecnologías de medición: tiempo de vuelo, cambio de fase o triangulación. Los escáneres de tiempo de vuelo calculan el tiempo que tarda un pulso láser en reflejarse en el escáner, mientras que los dispositivos de cambio de fase miden las distancias comparando patrones de ondas de luz moduladas. Los escáneres de triangulación, ideales para mediciones de corto alcance, utilizan trigonometría para determinar distancias formando un triángulo entre la fuente láser, el objeto y el sensor, lo que los hace adecuados para capturar objetos de tamaño pequeño a mediano.
El Artec Point es un escáner láser 3D portátil, perfecto para el escaneo rápido y preciso de objetos y entornos. El primer escáner basado en targets (objetivos de referencia) de Artec captura datos 3D ultra precisos con alta repetibilidad, lo que lo hace indispensable para aplicaciones industriales, ingenieriles y de diseño. El escáner cuenta con una precisión milimétrica de hasta 0,02 mm y una resolución de hasta 0,02 mm. Su vertiginosa velocidad de escaneo permite a los usuarios capturar hasta 2,8 millones de mediciones por segundo, lo que garantiza una recopilación de datos rápida y eficiente. El Artec Point renderiza superficies aún más complejas, incluyendo aquellas negras y brillantes. Los usuarios pueden elegir entre los modos de cuadrícula, paralelo y láser único para maximizar los resultados, y utilizar cámaras HD fijadas en un ángulo de visión pronunciado para escanear en áreas estrechas.
El Artec Ray II, a su vez, está diseñado para el escaneo a gran escala y de alta precisión en aplicaciones industriales y arquitectónicas. Aprovechando su tecnología láser avanzada, proporciona una precisión excepcional, lo que lo hace ideal para la captura precisa de objetos masivos a distancia, ya sean turbinas eólicas, hélices de barcos, embarcaciones enormes, puentes, pisos de fábricas, escenas forenses o sitios arqueológicos. Ya sea para ingeniería inversa, inspección de calidad, documentación de escenas del crimen o realización de evaluaciones de cambios a lo largo del tiempo de la infraestructura civil, el Artec Ray II cuenta con una alta precisión de puntos 3D y la mejor precisión angular de su clase.
Aplicaciones del escaneo láser 3D
La tecnología de escaneo láser ha transformado múltiples industrias al proporcionar una precisión, velocidad y versatilidad insuperables al capturar datos espaciales detallados. Ha desempeñado un papel crucial en sectores que van desde la construcción y arquitectura hasta la preservación del patrimonio cultural y la fabricación. Al capturar datos 3D increíblemente precisos, el escaneo láser 3D ayuda a los profesionales de diferentes sectores a mejorar los flujos de trabajo, minimizando los conflictos de diseño y garantizando una digitalización precisa para la fabricación, renovaciones, mantenimiento e investigación. Con su capacidad para generar modelos digitales ultra detallados, el escaneo láser permite una planificación inteligente, una colaboración mejorada y la reducción de riesgos, lo que lo convierte en una herramienta esencial en muchos proyectos.
Las principales aplicaciones de escaneo láser son las siguientes:
Ingeniería inversa
El escaneo láser 3D desempeña un papel fundamental en la ingeniería inversa al capturar la geometría de los objetos, que luego se puede replicar o modificar. Por ejemplo, cuando una empresa necesita reproducir una pieza única o descatalogada para una máquina o vehículo, el escaneo láser le permite generar modelos 3D de alta precisión del componente original. Estos modelos se pueden utilizar para fabricar piezas de repuesto con tolerancias estrechas, minimizando los errores, eliminando la necesidad de mediciones manuales y asegurando que el producto final encaje en su lugar a la perfección.
A modo de ejemplo, un constructor holandés de barcos de alta velocidad recreó el diseño de barcos hechos a mano para uso profesional pesado. El equipo escaneó tres embarcaciones masivas creando luego modelos 3D precisos para la ingeniería inversa, lo que facilitó la construcción profesional de embarcaciones y garantizó una precisión excepcional.
Inspección de calidad
El escaneo láser tiene un valor incalculable en los flujos de trabajo de control de calidad e inspección. Por ejemplo, se usa comúnmente para inspeccionar puentes y muros de contención mediante la creación de nubes de puntos de alta resolución, a fin de evaluar la integridad estructural, alineación y condiciones de la superficie. Estos datos permiten a los ingenieros identificar y monitorear la deformación a lo largo del tiempo, así como garantizar el cumplimiento de las especificaciones de diseño para mejorar la seguridad y planificación del mantenimiento.
En uno de sus proyectos, GoMeasure3D encontró una forma cuantificable de inspeccionar un muro de contención de 3.28 millas debajo de un paso elevado activo en busca de daños. Al capturar con precisión una parte de la estructura masiva con el Artec Ray II, los ingenieros lograron un alto nivel de detalle, perfecto para detectar deformaciones, medir la corrosión y evaluar las necesidades de mantenimiento.
Construcción
La tecnología es fundamental para registrar el estado de construcción de una instalación y documentar su cambio a lo largo del tiempo. Captura algunos de los detalles más intrincados, como elementos arquitectónicos, estructurales y MEP (mecánicos, eléctricos y de plomería). Por ejemplo, al renovar una instalación, el escaneo láser 3D puede proporcionar datos precisos sobre la estructura, el equipo y las tuberías actuales. Estos datos permiten a los ingenieros y arquitectos integrar nuevos diseños sin problemas, evitando discrepancias entre las estructuras existentes y las actualizaciones sugeridas. La precisión de la tecnología, con nubes de puntos de 2-4 mm, hace posible que las renovaciones cumplan con especificaciones exactas, identificando problemas potenciales en una etapa temprana y facilitando la ejecución rápida del proyecto.
Diseño arquitectónico
El escaneo láser 3D agiliza el diseño arquitectónico al proporcionar información espacial 3D precisa sobre cada elemento de un edificio. Al rediseñar las instalaciones, el escaneo láser se utiliza para crear representaciones 3D exactas de los espacios con todas sus características visibles, desde paredes y ventanas hasta sistemas HVAC. Con estos datos, los arquitectos tienen a mano todas las mediciones necesarias. Además, los escaneos 3D ofrecen un nivel de detalle suficiente para verificar que todas las partes de una instalación coinciden con el plan de diseño.
Preservación de patrimonio
Los profesionales de la preservación del patrimonio confían en el escaneo láser 3D como un método no invasivo y de alta precisión para documentar y proteger los monumentos culturales. Ya sea que conserves edificios antiguos, monumentos o sitios arqueológicos en 3D, el escaneo láser captura los detalles finos de cada objeto, creando gemelos digitales para la restauración, la conservación y los recorridos de realidad virtual. Esto nos permite salvaguardar la historia y la cultura, al mismo tiempo que permite a las generaciones futuras explorar y estudiar estos tesoros en detalle.
Un ejemplo asombroso de cómo se hace es una historia de la Iglesia de Hagha en los Países Bajos. Durante las renovaciones, los trabajadores descubrieron lápidas debajo del deteriorado piso de madera de la iglesia. Aunque el objetivo principal era reemplazar el piso para reforzar el edificio, el equipo se aseguró de que el patrimonio recién descubierto siguiera siendo accesible para la comunidad. Esto se logró mediante el uso de un escáner láser 3D de largo alcance para capturar toda la iglesia, incluidos sus tesoros escondidos.
Mantenimiento y reacondicionamiento de centrales eléctricas
Para el reacondicionamiento de centrales eléctricas, donde es fundamental contar con una documentación precisa de la infraestructura existente, como calderas, turbinas y tuberías, el escaneo láser 3D es esencial. Por ejemplo, al actualizar una planta de energía obsoleta para cumplir con los nuevos estándares ambientales, la tecnología crea un modelo 3D completo de la infraestructura de la planta. Este modelo ayuda a los ingenieros a planificar e implementar actualizaciones, asegurando que los nuevos equipos se adapten perfectamente al diseño existente. Además, es posible realizar recorridos virtuales por las zonas peligrosas, lo que reduce los riesgos de seguridad. También es posible identificar los componentes propensos al desgaste, lo que ayuda a desarrollar programas de mantenimiento proactivos y prolonga la vida útil de los activos críticos.
Modificaciones en las instalaciones de fabricación
En la fabricación, se necesitan datos detallados y precisos de la obra para modificar o ampliar las plantas, y el escaneo láser 3D proporciona información precisa sobre los equipos, las estructuras y los procesos. Por ejemplo, cuando una planta de fabricación de automóviles necesita actualizar sus líneas de montaje, el escaneo láser ayuda a garantizar que la nueva maquinaria encaje perfectamente en el espacio disponible. Los datos 3D se pueden utilizar para planificar la instalación y garantizar que todos los componentes se integren sin problemas, lo que reduce las posibilidades de costosos errores o retrasos en la instalación.
Investigación forense
En las investigaciones forenses, el escaneo láser 3D se emplea cuando los especialistas necesitan capturar de forma segura escenas de crímenes detalladas o lugares de accidentes para un análisis exhaustivo. Por ejemplo, en el caso de un accidente de tráfico, el escaneo láser puede crear un modelo 3D preciso de la escena del accidente, incluidas las posiciones de los vehículos, las marcas viales y los factores ambientales como la iluminación y la visibilidad. Estas pruebas digitales pueden utilizarse para reconstruir los acontecimientos, ayudar en los procedimientos judiciales y proporcionar detalles valiosos para que los expertos en reconstrucción de accidentes comprendan lo que ocurrió.
Otro ejemplo de esta aplicación es la antropología forense. En la Universidad de Mercyhurst, un profesor certificado recurrió al escaneo 3D para digitalizar cientos de huesos y transformarlos en modelos 3D anatómicamente precisos para un innovador curso de realidad virtual.
PUNTO CLAVE
El escaneo láser 3D está revolucionando una gran cantidad de industrias al ofrecer datos precisos y en tiempo real para tareas profesionales específicas. Desde la mejora del diseño arquitectónico hasta la facilitación de la modernización de plantas y la ayuda en investigaciones forenses, el rango de aplicación de esta tecnología es amplio y creciente.
Beneficios del escaneo láser 3D
El escaneo láser 3D ha demostrado ser una herramienta indispensable en muchas industrias gracias a su capacidad para capturar datos 3D altamente detallados y precisos. A continuación, puedes encontrar algunos de los beneficios clave del escaneo láser 3D.
Alta precisión repetible
El escaneo láser proporciona mediciones increíblemente precisas, lo que lo hace eficaz para aplicaciones en las que los datos de grado metrológico son críticos; como la ingeniería inversa, inspección de calidad, construcción y fabricación.
Captura rápida de datos
Los escáneres láser recopilan rápidamente grandes cantidades de datos mientras mantienen un seguimiento constante. En comparación con la medición manual, el escaneo 3D de grandes superficies a distancia es más rápido y seguro para el personal in situ.
Solución rentable
Al capturar rápidamente los datos en un solo escaneo, el escaneo láser 3D elimina las costosas renovaciones y los retrasos causados por los errores de medición. La tecnología se integra a la perfección en el software CAD y BIM, lo que ahorra recursos y ayuda a que los presupuestos de los proyectos se mantengan al día.
Flexibilidad y versatilidad
La tecnología de escaneo láser es altamente adaptable y capaz de capturar datos de objetos y áreas grandes, complejos o difíciles de alcanzar. Desplegable tanto en interiores como en exteriores, incluso en condiciones adversas, permite a los profesionales abordar desafíos de diversas escalas.
Diseño y documentación mejorados
Las nubes de puntos generadas por el escaneo láser 3D forman la base de los modelos 3D ultrarrealistas, lo que garantiza que los diseños se desarrollen según las especificaciones y se minimicen los riesgos de error. La documentación mejorada también facilita una mejor colaboración entre los equipos, lo que permite a los profesionales visualizar, planificar y supervisar los proyectos de forma más eficaz.
Desafíos potenciales del escaneo láser 3D
La tecnología de escaneo láser 3D ofrece inmensas ventajas en diversas industrias, pero existen varios desafíos potenciales a considerar. Un obstáculo importante es el costo, ya que los equipos de escaneo láser de alta calidad a menudo requieren una inversión significativa. Afortunadamente, este desafío se puede mitigar eligiendo soluciones rentables que aún brinden la calidad excepcional asociada con los escáneres de gama alta.
El software para procesar y analizar datos de escaneo 3D, especialmente para modelos complejos, también debe elegirse sabiamente. Por ejemplo, Artec Studio 19 es un software de escaneo y procesamiento 3D inteligente e intuitivo, repleto de funciones avanzadas para maximizar el potencial de un escáner 3D. Si bien las empresas más pequeñas o los proyectos con presupuestos más ajustados pueden encontrar que las tarifas de mantenimiento, capacitación y licencias son un compromiso financiero, los beneficios duraderos, como la calidad superior de los datos 3D y los resultados consistentemente precisos, hacen que la inversión valga la pena.
Otro reto del escaneo láser radica en la gestión de grandes conjuntos de datos. Las nubes generadas por los escáneres 3D pueden constar de millones o incluso miles de millones de puntos de datos. Los archivos masivos pueden ser difíciles de almacenar, procesar y administrar, y a menudo requieren softwares robustos y sistemas informáticos de alta potencia. Trabajar con escaneos tan detallados, especialmente los de grandes estructuras o entornos, puede ralentizar los flujos de trabajo y ampliar los plazos de los proyectos. La conversión de nubes de puntos sin procesar en resultados utilizables, como los planos CAD o modelos BIM, también puede llevar mucho tiempo. Sin embargo, herramientas como Artec Studio 19 también simplifican este proceso: diseñado para manejar grandes conjuntos de datos, el software hace que aplicaciones como el modelado 3D, la ingeniería inversa y la inspección de calidad sean mucho más eficientes y accesibles.
También hay que tener en cuenta las condiciones ambientales. La precisión de los escaneos a menudo puede verse influenciada por la iluminación, la reflectividad de la superficie y las propiedades del material. Por ejemplo, las superficies altamente reflectantes, como el vidrio o los espejos, o las superficies muy oscuras, pueden complicar la captura de datos, lo que da lugar a escaneos inexactos con huecos. Aquí es donde confiar en el escáner adecuado se vuelve esencial, especialmente uno capaz de capturar datos incluso en condiciones de poca luz o fuera de superficies desafiantes. Los escáneres láser de Artec 3D sobresalen en estas situaciones, asegurando resultados de alta calidad. Además, aprender a escanear el láser de Artec no requiere mucha formación. Tanto el hardware como el software son fáciles de usar, con una curva de aprendizaje relativamente suave. Incluso los principiantes pueden llegar a ser competentes en la recopilación de datos precisos y la interpretación de los resultados en menos de dos horas. La tecnología intuitiva de Artec minimiza los riesgos de errores de datos y malas interpretaciones, asegurando que los usuarios con diferentes niveles de experiencia en ingeniería puedan beneficiarse plenamente de la tecnología.
El futuro del escaneo láser 3D
De cara al futuro, el escaneo láser 3D está llamado a transformar industrias como ingeniería, construcción, fabricación y conservación. Una tendencia clave que da forma al futuro de la tecnología es la integración de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (machine learning, ML), que automatizan tareas complejas como el procesamiento de nubes de puntos, reduciendo así la entrada manual y aumentando la eficiencia. Los algoritmos de IA permiten el control de calidad en tiempo real, identificando discrepancias entre los modelos de diseño y las estructuras escaneadas, mientras que el ML puede predecir el desgaste en los edificios existentes. Además, la facilidad de uso y la portabilidad de los modernos dispositivos de escaneo 3D hacen que la captura de datos sea más accesible en industrias como la minería y la construcción, incluso para empresas más pequeñas.
Otros avances en el escaneo láser 3D incluyen una integración más profunda con las AR y VR (realidad aumentada y realidad virtual, respectivamente), lo que significa que los profesionales pueden interactuar con modelos 3D de manera inmersiva, mejorando la visualización del diseño y la toma de decisiones en general. La velocidad de adquisición y procesamiento de datos se está acelerando, lo que hace que el escaneo 3D sea cada vez más eficiente para proyectos de rápido ritmo. La mejora de la precisión del escaneo, impulsada por mejores sensores y software, permite a industrias como la aeroespacial y construcción lograr tolerancias más estrictas y reducir los residuos. En general, los próximos años prometen que el escaneo láser 3D sea aún más inteligente, rápido y versátil, llevando la calidad de la captura de datos y su rango de aplicación a un nivel completamente nuevo.
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A veces, las CMM (máquinas de medición por coordenadas) tradicionales pueden tener dificultades para medir objetos de forma rápida y no invasiva, especialmente cuando estos presentan agujeros o superficies delicadas. Afortunadamente, los avances en el escaneo 3D implican que ahora puedes contrarrestar tales dificultades con diseños mejorados de algunos dispositivos y funcionalidades de software, entre otras soluciones. Como tal, esta tecnología está empezando a competir con los sistemas CMM como un medio para abordar diversas aplicaciones de inspección de piezas.
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