Laser scan DIY

Porteur du projet : Flora WIERZBICKI

Date : 25/01/2016

Contexte : Stage DSAA au Fab Lab de Lyon : "La Fabrique d'Objets Libres"

Usages globaux
Industrie du bâtiment et ingénierie civile

Documentation “tels que construit” et mise en plan architecturaux (extérieur – intérieur)

Maçonnerie et analyses de déformations de structures

Plans de ponts, d’installations industrielles et de monuments

Modélisation 3D d’un site et de sa disposition

Contrôle de la qualité

Enquête quantitative

Reprise d’un plan à partir d’un existant

Création d’un modèle d’un état/forme préexistante afin de détecter un changement structurel consécutif à de très fortes contraintes (ex : tremblement de terre, impact sur un véhicule, un feu, une pièce mécanique, etc.)

Suivi des déformations d’une structure, d’un site dans le temps (4D)

Création de carte SIG (Système d’information géographique) et géomatiques

Modélisation “BIM”, d’un édifice

Divertissement
Des scanners 3D sont utilisés par l’industrie du divertissement afin de créer des modèles 3D pour les films et les jeux vidéo. Si une représentation physique d’un modèle existe, il est beaucoup plus rapide de le scanner que de le créer manuellement en utilisant un logiciel de modélisation 3D. Souvent, des artistes sculptent un modèle physique et le scannent plutôt que d’en faire directement une représentation numérique sur un ordinateur.

Rétro-ingénierie
La rétro-ingénierie d’un composant mécanique nécessite un modèle numérique précis de l’objet à reproduire. Un modèle peut être représenté plus précisément par un mesh, une surface NURBS plate ou incurvée, ou idéalement, une conception assistée par ordinateur (CAO) d’un modèle solide plutôt que par un groupe de points. Un scanner 3D peut-être utilisé pour numériser des composants à formes libres ou ayant des changements progressifs de formes telles que des prismes tandis qu’une machine à mesurer tridimensionnelle est habituellement mise en œuvre uniquement pour prendre des mesures de prismes aux caractéristiques très marquées. Ces coordonnées sont alors retraitées par un logiciel de retro ingénierie spécialisé pour générer un modèle.

Patrimoine culturel
De nombreux projets de recherche ont entrepris de scanner des sites historiques et des objets à des fins documentaires et d’analyses. L’utilisation combinée des technologies de scanners 3D et de l’impression 3D permet la réplication d’objets réels sans l’utilisation des techniques traditionnelles du moulage en plâtre, qui souvent peuvent être dommageable pour être mise en œuvre sur des objets archéologiques fragiles ou précieux.

Santé
CFAO dentaire
De nombreux systèmes latéraux CFAO de fauteuil de dentiste et de système CFAO de laboratoire dentaire utilisent des technologies de scanner 3D pour enregistrer la surface des préparations (soit in vivo ou in vitro), afin de créer un modèle numérique en utilisant un logiciel de CAO et de reconstruire la dent en utilisant une technologie de fabrication assistée par ordinateur (comme celle d’une fraiseuse à commande numérique, ou d’une imprimante 3D). Les systèmes latéraux de fauteuil de dentiste sont conçus pour faciliter l’enregistrement en 3D de la préparation in vivo et de permettre une reconstruction (à l’aide d’une couronne, de soins d’odontologie conservatrice ou d’un placage). Conception et fabrication assistées par ordinateur d’orthèses Beaucoup d’orthésistes utilisent également des scanners pour enregistrer la forme d’un patient. Cette technique supplante peu à peu celle du fastidieux moulage en plâtre. Des logiciels de CFAO sont utilisés pour créer et fabriquer les orthèses ou prothèses.

Industrie
La numérisation d'objets existants est d'une importance capitale dans différents domaines d'application. Cette méthode est essentiellement utilisée dans l’assurance qualité de l'industrie afin de mesurer la précision des dimensions géométriques. Les processus industriels comme l’assemblage sont complexes, très automatisés et fondés sur la CAO. L'ennui est que le même niveau d'automatisation est requis pour l'assurance qualité. Par exemple, l'assemblage d'une voiture moderne est une tâche très complexe, en effet cela consiste à monter de nombreux éléments ensemble tout à la fin de la chaîne de production. La performance optimale de ce processus est garantie par les systèmes d'assurance qualité. Plus particulièrement, la géométrie des pièces métalliques doit être contrôlée dans le but de s'assurer qu'elles ont les bonnes dimensions, s'assemblent ensemble et finalement fonctionnent bien.
De nombreuses technologies existent pour effectuer un scan 3D. Cependant, dans ce document, nous allons nous concentrer sur celles pouvant être réalisées DIY ; exit la photométrie et les technologies se basant sur la kinect.

I. Principe de la triangulation ou balayage laser (avec table tournante)

Dans le cas de la triangulation laser, les scanners utilisés comportent trois éléments principaux (qui formeront les trois sommets d’un triangle) : un émetteur laser, une caméra, ainsi que l’objet à numériser. Un plateau rotatif est également utilisé afin de poser l’objet et obtenir ses différentes faces.
Avec ce procédé, la numérisation débute par l’émission d’un faisceau laser rectiligne qui vient se déformer au contact de l’objet. Par le biais de la caméra, le scanner 3D analyse la déformation de la ligne émise par le laser sur les reliefs de l’objet afin de déterminer, à l’aide de calculs trigonométriques, sa position dans l’espace.
L’angle formé entre la caméra et le faisceau du laser, la distance de la caméra à l’objet ainsi que celle de la source du laser à l’objet (connu en calculant la durée mise par le laser à faire un aller-retour), sont autant de paramètres qui permettent de déterminer les coordonnées spatiales de l’objet.

Par ordre chronologique :

SPINSCAN

Très peu documenté
Premier laser scan DIY avec table tournante.

FABSCAN

Github

Résolution : à priori, la même que la caméra
Couleur : oui
Volume du scan : introuvable

Machine

Maillage

Matériel

Module laser abordable

Webcam Logitech C270 * Liste à puce

Moteur pas à pas (NEMA17)

Arduino Uno dans sa version la plus récente (tuto écrit en juin 2015) + câble USB

DC Power Supply

6x : 60 cm x 30 cm MDF planches de 5mm d’épaisseur

60x : M3 x 16 vis, écrou, rondelle

Softs

FabScan100 sur Mac et Linux (open source) (CF doc assemblage boîtier + table tournante)

Simple3DSCan sur Windows (introuvable)

Prix
Environ 100 euros (sans compter les éventuels frais de ports)

C2 SCAN

Site web

Retour au laser scan sans boîtier pour manipuler avec plus de précision les lasers et l’objet à scanner.
La grande nouveauté réside dans l’apport d’un nouveau laser : les deux modules convergent vers le centre du plateau tournant.
Malheureusement, le projet est très peu documenté.

Matériel Par déduction, le même matériel utilisé auparavant sur fabscan, sauf pour l’habillage de la machine qui est entièrement imprimé :

Module laser abordable

Webcam Logitech C270

Moteur pas à pas (NEMA17)

Arduino Uno dans sa version la plus récente (tuto écrit en juin 2015) + câble USB

DC Power Supply

60x : M3 x 16 vis, écrou, rondelle

Pièces disponibles sur le github

Soft
Cebscan (open source)

Prix
Inconnu

SKANDAL

Site web

Résolution : 0,2 mm
Couleur : non
Volume du scan : introuvable

Le grand point négatif de ce scanner vient du fait qu’il faille l’utiliser dans une chambre noire pour isoler les lignes laser.

Machine

Maillage

Matériel

Pièces à fabriquer sur imprimante 3D

Moteur pas à pas

Alimentation en 12V

Laser ligne rouge 5 mW

Laser violet 5mW

Potentiomètre de 200 ohms

Carte arduino (n’importe laquelle : le fichier à uploader est petit et peut convenir à tout types de moteur)

Webcam (les scripts ont été conçus avec une Microsoft HD5000 1280×800)

Accouplement rigide 4mm

Tube aluminium 4mm

Vis M4 x 70

Vis M3 x 30

Rondelles D4 x 20

Ecrou M4

Téflon de montage

Soft
Scripts Python, sous Licence GPL V2 (libre)
Ce modèle exige le recours à un logiciel tiers pour l’édition des nuages de points produits, notamment pour le maillage.

Prix
Inconnu

CICLOP 3D SCANNER

Site web
Voir Fablab Chantier Libre si besoin

Résolution : 0,5 mm
Couleur : oui
Volume du scan : 20 x 20,5 cm

Machine

Maillage

Matériel
Tout est fournit dans le kit à vendre

Pièces imprimées à l’imprimante 3D

Tiges filetées M8

Vis M8

Vis M3

Ecrous

Rondelles

Webcam (Logitech C270 HD)

2 modules de laser de classe 17

Carte ZUM BT – 3288 (Arduino)

Soft
Horus (open source)

Prix
Environ 250 euros (vente sur la Fnac, Amazon…)
(sans compter les éventuels frais de ports)

ATLAS 3D

Résolution : 0,25 mm
Couleur : oui
Volume du scan : 12,7 x 15,24 cm

La grande singularité de ce projet repose dans le fait qu’il fonctionne de manière autonome et produit directement des modèles 3d maillés imprimables.

Machine

Maillage

Matériel

Diverses pièces diverses 3D (C’est la source des fichiers de toutes les pièces 3D qui est payante.)

Raspberry Pi B+

Module caméra 5 mégapixels Raspberry Pi (CMOS sensor)

2 modules laser

Circuit électronique (PCB)

Adaptateur wifi

Module d’alimentation

Revêtement et pieds en caoutchouc ?

Câbles

Vis

Soft
FreeLSS (libre et open source)

Prix
Environ 230 euros
Achat(sans compter les éventuels frais de ports)
Code promo sur ce site

RAPTOR 3D

Résolution : 0.25 mm
Couleur : oui
Volume du scan : 15×20 cm

Machine

Maillage

Matériel

Raspberry Pi B+

Module caméra 5 mégapixels Raspberry Pi

Carte SD 8 GB

Professional Micro ATX Power Supply

Carte d’interfaçage Raptor 3D

Deux modules laser (longueur d’onde 650 nm)

Moteur pas à pas

Soft
Navigateur web quelquonque

Prix
Environ 300 euros (sans compter les éventuels frais de ports)

SARDAUSCAN

Thingiverse Instructables

Résolution : introuvable
Couleur : oui
Volume du scan : introuvable

Machine

Maillage

Matériel

Arduino Nano

1 à 4 module laser 5v

Un moteur pas à pas (28BYJ-48) avec son contrôleur (ULN2003)

Webcam Hercule HD Twist

Quelques M3 (16 et 20 mm)

Quelques M4 (12 et 20 mm)

Optionnellement, un cylindre de 3×4 mm

STL files
Thingiverse

Soft
Sardauscan : logiciel écrit en C# et WinForms compilé sur une version de Visual 2010 (uniquement Windows) (open source)

Prix
Maximum 30 euros (sans compter les éventuels frais de ports)

Le principal atout de la triangulation laser est son faible prix, avec des premiers modèles DIY disponibles pour quelques centaines d’euros. Sa vitesse d’acquisition (moins de 10 minutes en moyenne pour un objet) ainsi que son niveau de précision (de l’ordre de 0,01 mm), en font également une technologie populaire.

Du côté des inconvénients, il est à noter que la numérisation de surfaces transparentes ou réfléchissantes peut s’avérer difficile, un problème qui peut être contourné en recourant à une poudre blanche. Sa portée limitée (seulement quelques mètres) réduit également le nombre d’applications possibles.

II. Structuration lumineuse

Les scanners 3D à lumière structurée (ou structuration lumineuse) projettent un motif lumineux sur le sujet et en observent la déformation. Le motif peut être à une ou deux dimensions.

Le point fort des scanners 3D à lumière structurée est sa rapidité. Au lieu de scanner un point à la fois, ils scannent tout le champ de vision. Ceci limite ou élimine les problèmes de distorsion liés au mouvement. Cependant, des systèmes existant sont capables de scanner des objets en mouvement en temps réel. (Song Zhang et Peisen Huang de l’Université de Stony Brook ont mis au point un scanner capable de saisir, de reconstruire et de restituer les détails d'objets se déformant dans le temps (comme une expression faciale) à une fréquence de 40 images par seconde.)

REAL3D

Site web

OS : WinXP, Vista, Windows 7, 8, 8.1, 10
Résolution : introuvable
Couleur : oui
Numérisation en temps réel : oui
Formats fichier : beaucoup ! http://www.real3d.pk/3dracs_supported3dformats.html
Librairies : introuvables

Prix
Version limitée gratuite, version pro $ 69,95 soit une soixantaine d’euros Lien de téléchargement

Matériel

Webcam/appareil photo

Vidéo projecteur

UNDERWORLD

Site web
Logiciel open-source. Pour une utilisation optimale, le scan doit être opéré dans une chambre noire.

OS : Windows et Mac OSX
Résolution : introuvable
Couleur : non
Numérisation en temps réel : oui
Formats fichiers : JPG, PNG, TIF, OBJ
Librairies : Canon SDK et OpenCV2.4.

Matériel

Au moins deux Canon EOS cameras

Vidéo projecteur

Planche de calibration

Prix
Gratuit Lien de téléchargement

PROJECTOR-CAMERA CALIBRATION

Site web

OS : Microsoft Windows 7, Apple OS X Mountain Lion et à priori tout autre système d’exploitation
Résolution : Dépend de la précision du calibrage de la caméra et du vidéoprojecteur.
Couleur : oui
Numérisation en temps réel : That’s the question
Formats fichiers : introuvables
Librairies : Qt et OpenCV

Matériel

Webcam (Logitech QuickCam Pro 9000)

Vidéo projecteur (Optoma PK301 Pico Pocket Projector)

Pour plus de précision, utiliser un vidéo-projecteur et une caméra avec une meilleure résolution.

Prix
Gratuit

III. Tomodensitométrie/IRM (Imagerie par Résonnance Magnétique)

L’IRM ou Imagerie par résonnance magnétique est l’une des techniques d’imagerie médicale les plus récentes. Elle permet de visualiser avec une grande précision les organes et tissus mous, dans différents plans de l’espace. Il est ainsi possible de déterminer la position exacte de lésions autrement invisibles. Réalisé sous la direction d’un médecin radiologue, cet examen ne provoque aucune irradiation. Il ne fait appel en effet, qu’aux propriétés des champs magnétiques.

L’appareil comporte un aimant de grande puissance, d’où le terme « magnétique ». La technique consiste à faire vibrer les noyaux d’hydrogène qui composent les tissus de l’organisme. Ces noyaux renferment en effet des protons qui vont agir comme autant de petits aimants. En vibrant, ils émettent des signaux qui vont être captés par une antenne puis être transformés en images. Dans la salle d’examen, le patient est allongé sur un lit. L’antenne est alors disposée sur la zone à examiner, puis le lit glisse doucement dans le tunnel de l’appareil. L’examen dure généralement de 15 à 20 minutes.

Scanner IRM médical

SANS TITRE (CT scanner DIY)

Site web

Ce projet est plus l’explication du cheminement de l’idée à la construction de la machine qu’un véritable tutoriel. Rien n’est explicité : que ce soit le code, l’électronique, comme la fabrication des pièces. Cependant, pour un public averti, la construction de ce type de machine est envisageable.

Matériel

Moteur NEMA17 d’Adafruit

X3 Moteur NEMA17 bas coût

Quelques moteurs pas à pas Polulu

Poulie guide

Portique rotatif d’environ 32 cm de diamètre, avec un trou central d’environ 15 cm

Petit détecteur de particules à énergie élevée (Type-5 de Radiation Watch)

Microcontrolleur

Tube photomultiplicateur

Crystal syntillant ?

Boulons

Tiges d’aluminium

Table mobile d’environ 40cm de long et 30 cm de large

Vis nylon

Soft
Aucun. Cette partie du projet n’est absolument pas documentée.

Prix
200 à $ 300 soit d’environ 180 à 265 €

Sources

http://fablabo.net/wiki/Scanner_DIY
https://fr.wikipedia.org/wiki/Scanner_tridimensionnel
https://github.com/francisengelmann/FabScan100
https://c2scan.com/
https://github.com/cebbaker/cebscan/blob/Current/README.md
http://wiki.labomedia.org/index.php/Laser_Scanner_3D_SkanDal
http://diwo.bq.com/en/presentacion-ciclop-horus/
https://www.thingiverse.com/thing:702470
http://www.instructables.com/id/Build-a-30-laser/
http://www.3dnatives.com/3d-triangulation-laser-29042016/
http://www.real3d.pk/3dracs.html
http://home.lagoa.com/2014/04/whats-the-right-3d-scanner-for-you/
http://www.3dunderworld.org/
http://mesh.brown.edu/calibration/software.html
http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-irm-8096/
http://www.tricorderproject.org/blog/towards-an-inexpensive-open-source-desktop-ct-scanner/