計測用の3Dスキャン

計測用3Dスキャナを導入する前に、最初に考慮すべき3つの事項は（当然かもしれませんが）次のとおりです。スキャンしようとしているオブジェクトのサイズはどれほどか。また、そのフィーチャーがどれほど複雑なのか。さらに、それらをどの程度正確にキャプチャする必要があるか。

デスクトップ型3Dスキャナ

小さく、複雑なオブジェクトを効率的にデジタル化させることをお望みですか？それならば、デスクトップ型の計測システムが理想的かもしれません。高精度でマイクロスケールのモデルを作成できるように設計された、これらの強力かつコンパクトなマシンは、表面の最も細かい詳細を検出することができます。

ただし、これより大きなサイズのコンポーネントはデスクトップ型システムの容量を超える可能性が高いため、これらのコンポーネントはこぶしよりも小さいのが理想的です。これを念頭に置くと、コンパクトな計測用3Dスキャナは、当然のことながら、小型で複雑なコンポーネントをキャプチャする場合に最適であり、光を反射する表面のあるコンポーネントを測定することさえもできます。このような機械は、プラスチック射出成形品であろうと、3Dプリント品であろうと、ベアリングやインペラ、そしてバルブなどの複雑な工業用部品のリバースエンジニアリングや品質検査によく使用されます。

デスクトップ型3Dスキャナは、宝石や歯科部品の細かい部分のデジタル化など、他の分野でも用途を見出し続けており、この種のスキャナの採用は決して産業用途に限定されません。

ハンドヘルド型3Dスキャナ

完全に自由な動作で、制約なく展開できるポータブルの計測用3Dスキャンソリューションをお探しですか? その場合には、ハンドヘルド型の3D計測デバイスが最適かもしれません。それらを利用すると、ユーザーは中～大型のオブジェクトを柔軟に一定のペースでスキャンできるようになります。その3Dスキャナがコードレスタイプであれば、操作性が向上し、困難な表面や複雑なフィーチャーを持つオブジェクトのスキャンが容易になるため、ハンドヘルド型を使用する利益はさらに増加します。

大型で高価なCMMの代わりにハンドヘルド型3Dスキャンを使用する選択肢がポピュラーとなっている他の理由として、そのアクセシビリティ（導入のしやすさ）があげられます。多くの場合、3Dスキャナは導入コストが低く、使いやすいと言われています。Artec Leoを使用すると、内蔵されているカラーカメラと3Dカメラを併用することで、そのディスプレイを介してスキャンの進行状況をリアルタイムでトラッキングすることもできます。そのため、ハンドヘルド型での白色光3Dスキャンを採用することで、煩わしいケーブルの制限から解放され、かつてないほど自由にオブジェクトをキャプチャできるようになります。

製造業界の方々は、ハンドヘルド型での3Dスキャンを使用することで、部品検査のプロセスを自動化することもできます。通常、これらのデバイスはAIによって制御が可能なロボットアームに取り付けることができ、そうすることで理想的なスキャンパスを介して一定量の部品（バッチ）の測定が可能になるので、キャプチャの速度と精度の利点が得られます。さらに、人間による入力を最小限に抑えることで、エラー発生の可能性も最小限に抑えられます。その結果、3Dスキャンを自動化することで、より一貫した製品の品質を保証することができます。

ロボット搭載型の3Dスキャナ

ここからは、ロボットアームを利用したスキャンソリューションに移ります。ここでの3Dレーザースキャナ自体はロボットアーム専用の特別なタイプというわけではありませんが、このような構成は、テクノロジーの自動化を少し変わった方法で表します。ロボットアームを利用するスキャンの主な利点の1つとして挙げられるのは、3D計測に人間の介入が削減されるため、製品が誤って測定される可能性が減少する点です。このようなソリューションが生産ラインに導入された場合、部品の品質を分析しながらデータを取得するという同時作業を一定速度で実行することに特に優れています。

したがって、3Dスキャナを取り付けたロボットアームは、従来のCMM による生産性の高い品質保証を行う際に発生し得るボトルネックに対する潜在的な解決策を提供します。ただし、3D計測ソリューションを固定ベースに取り付けると、当然ながら動作は決まった領域に制限されます。そのため、固定ベースを利用する構成には事前に入念な計画が求められ、動作の柔軟性が前提条件となるユースケースには推奨されません。

固定型3Dスキャナ

特定の3Dレーザースキャナを使用することで、沖合の風力タービンをはじめ、建物全体や広大な屋外環境に至るまで、実に壮大なスケールでのオブジェクトのスキャンが可能になりました。

そういった場合、多くの人々がLIDARの3D計測デバイスに注目しますが、それにはきちんとした理由があります。これらの3Dスキャナは、固定の位置で使用されるように設計されており、人間の介入を最小限に抑え、定位置に設置後、自律的にスキャンができます。

このテクノロジーが当てはまるのは小規模の用途のみで、その分野ではハンドヘルド型オプションの方が適していることがよくあります。さらに、特にデータを実際に使用するならば、参入障壁は非常に高いと言えます。したがって、この種のスキャナを採用する前にそれに関する専門知識をしっかり得ておくことをお勧めします。

伸縮式の三脚に固定できるように設計された、構造化光および赤外線のスキャンソリューションもあります。ただし、離れた場所のさまざまな高さからデータを取得できるようにこれらを設定することもできますが、やはり定位置に固定されているため、ハンドヘルド型デバイスを優れたキャプチャツールにするポイントである操作性は、固定型デバイスにはありません。

上記されたすべての3Dスキャンソリューションの代わりになにか特殊な手段をお探しの場合は、フォトグラメトリを検討する価値があるかもしれません。Artec計測キットのようなシステムは、最大2ミクロンという驚異的な精度での測定を実現し、誤差を最小限に抑えながら品質検査や変形解析作業をこなします。ということは、実際にこれは車両部品や貯蔵タンクなどのコンポーネントのジオメトリの変化を高精度で測定し、荷重下での材料の変形を分析するために使用できることを意味します。

このキットは単独で導入することも可能ですが、より広範な産業ワークフローに統合させたり、長距離にわたってさらに高い3Dスキャン精度を実現させるための参照ツールとして使用することもできます。Artec Studioには、ユーザーがフォトグラメトリと3Dスキャンのプロセス全てを1か所で実行できる、計測キットのプラグインも備えています。

ご覧のとおり、現在の市場にはさまざまな計測用3Dスキャナが沢山出回っています。では、一体どれを選択すべきかという問題が生じます。フォトグラメトリや構造化光、またはレーザースキャンの全ての側面において万能なソリューションなどは存在しませんので、このテクノロジーを導入する前に考慮すべき点がいくつかあります。

精度

上記の2023年における計測用3Dスキャナのベスト製品につきましては、主に私達は極めて高精度を備えたソリューションに焦点を当てましたが、それには正当な理由があります。オブジェクトのあらゆる主要なフィーチャーにわたってデータポイントを収集することは、オブジェクトを効果的に測定するために不可欠です。

それでは、これをスキャナの選択するプロセスにどのように組み込むことができるでしょうか? ほとんどのデバイスは、数ミリメートル以内の精度として販売されています。実際には、この数字はスキャナがオブジェクトの実際の寸法にどれだけ近い測定値を取得できるかを示しています。もちろん、精度のレベルはモデルによって異なりますが、オブジェクトのデジタルツインを効果的に測定もしくは作成するには、(体積精度とは対照的に) 0.1mm以下のシングルスキャン精度が必要であることが一般に求められます。

3D計測に関しては、誤差の範囲が大きいほど、計測に使用したデバイスの効率が悪い傾向があります。たとえば部品検査などの用途では、初期の製品設計に沿って製造されたことを保証するためにデータの整合性が不可欠です。

解像度

3D計測用スキャナの購入をご検討中でしたら、キャプチャしたい詳細レベルがどの程度であるかも考慮する必要があります。暗い表面もしくは光を反射する表面や、貫通穴や深い窪みのある表面で覆われている複雑なコンポーネントのスキャンは、特殊で密度の高いオブジェクトのスキャンよりも常に困難になります。ただし、購入しようとしているスキャナが特定の仕様を満たしていることを確認することで、安心することができます。

その中で最も重要なことの1つは、3D解像度です。この用語は、スキャン画像自体の解像度ではなく、結果として得られる3Dメッシュ上の2点間の最小ギャップを表します。フルカラーのテクスチャをキャプチャしたい方は、デバイスの「ピクセルあたりのビット数」も確認する必要があります。このBPP（ビット/ピクセル）が高いほど、カラーキャプチャ能力が向上します。

スケール

当然なことに聞こえるかもしれませんが、3Dスキャンの導入を検討している方は、まず、デジタル化または測定する対象オブジェクトの大きさを考慮する必要があります。たとえば、ハンドヘルド型デバイスを使用すると、さまざまな中～大型オブジェクトをキャプチャできます。Artec 3Dでは、この柔軟性こそが、コードレスで完全に操作可能なArtec Leoが人気を保ち続ける理由の1つです。ただし、マイクロスケールでのスキャンや、航空機や建物などの構造物等の特大型オブジェクトのキャプチャの場合は、他のデバイスの方が適しているかもしれません。

では、3Dスキャナの能力はどのようにして判断できるのでしょうか? デバイスの作動距離は、特定のオブジェクトをキャプチャするためにどのくらいそれに近づく必要があるかを示します。その作動距離の数値が高い方がいいのか、それとも低い方がいいのかは、(少なくともある程度は)使用する用途によって異なります。離れた距離から風景やインフラをキャプチャする場合は、長距離用のLIDARスキャンが最良の選択肢となる可能性が高いでしょう。その一方で、狭く窮屈なスペースで作業を行う場合は、作動距離が短いハンドヘルド型スキャナの方が理想的です。

速度

使用する用途に応じて、小型部品を大量に3Dスキャンすることも、大型の構築物を少量3Dスキャンすることも可能です。次に、生産ラインなどの生産性の高い領域で、品質保証を目的とした3Dスキャンを行う場合に考慮すべき要素を見てみましょう。

比較検討が求められるいくつかの指標の1つは、デバイスのデータ取得速度です。多くの場合、ポイント/秒で表されるこの数値が大きいほど、オブジェクトのサーフェスに沿ったデータポイントをより迅速に取得できるようになります。

お使いの3Dスキャナの視野角、もしくは指定された範囲内の距離からキャプチャできる最大領域も、スキャン速度に影響を与える可能性があります。例えば、精度が最適化されているSpace Spiderは、180×140mmの範囲内でのスキャンに優れています。 一方Artec Leoは、それよりも広い838×488mmの範囲をカバーできます。よって、どちらも同じサイズのオブジェクトをキャプチャできますが、Space Spiderの方がLeoよりもキャプチャに時間がかかることを意味します。

ユーザーが3Dスキャナを使いこなせるまで時間がかかるほど、ユーザーの生産性が低下する傾向があるため、使いやすさなどの要素も生産性に影響を与える可能性があると言えます。柔軟性のあるハンドヘルド型デバイスを使用することで、計測しているオブジェクトとユーザーの間にある障害物を回避しやすくなります。

持ち運びやすさ

最後に、これは大事な質問です。固定型とハンドヘルド型のどちらの3Dスキャナが必要ですか? 固定型は、なにか大量の3Dスキャンを行う際や、大型航空機の部品や工場などの大型オブジェクトのキャプチャにより理想的である傾向がありますし、ハンドヘルド型も同様にこのタイプに最適なケースがあります。

理論的には、ハンドヘルド型デバイスであれば、低価格の製品であったとしても、ユーザーがあらゆる角度から対象オブジェクトをキャプチャできるよう、自由に動き回れるようにしてくれます。ただし、それらにはケーブルが付属していることが多く、実際にはユーザーの動きを制限してしまいます。したがって、こういった3Dスキャナのユーザーは、キャプチャするオブジェクトの位置だけでなく、電源ソケットからの距離も考慮する必要があります。

たとえば自動車業界において、組立工場で車両の内部をスキャンする場合、ケーブルは車のシートなどの車内の障害物の周囲を柔軟にくぐり抜けることができるでしょうか？

Leoなどの3D計測ソリューションは、ケーブルが完全に不要なのでこういった問題をすでに解決しています。その上、Leoの内蔵スクリーンのおかげで、ユーザーはスキャン状況を確認するためにモニターをを繰り返し切り替える必要がなく、適切なデータポイントすべてを取得することに集中できます。

結論として言えることは、計測用3Dスキャンの用途が非常に多様である中で、このテクノロジーは製品品質の向上に特に効果的なのは明確であるという点です。このテクノロジーは、主に正確な3D測定値の収集を容易にすることで製品品質の向上を実現しており、メーカーは最終部品がどのように機能するか、そしてまたその理由をより深く理解できるようになります。

実際、この情報によって3Dスキャンユーザーは製品をより迅速に市場に投入できるだけでなく、現在も使用されている製造中止部品をリバースエンジニアリングすることも可能になります。

その速度とスケール、そして柔軟性により、3Dスキャンは、特に検査やリバースエンジニアリングの用途において、座標測定機などを使用する従来の計測方法に代わる魅力的な手段となります。