Digitalización 3D

Miguel Ángel León (AIJU)01/09/2003
El término "Digitalización 3D", apareció a finales de la década de los 90, designa las técnicas de adquisición de medidas tridimensionales. Los digitalizadores en 3D nos permiten construir modelos CAD a partir de objetos físicos.
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Las necesidades a las que intenta dar respuesta la digitalización 3D o tridimensional son antiguas: control de calidad industrial, verificación de piezas industriales, diseño de moldes, etc. Las nuevas técnicas de digitalización 3D nos permiten capturar los puntos de medida con mayor precisión y velocidad, pudiéndose emplear sobre distintos tipos de objetos, de distintas dimensiones, geometrías y texturas.

Existen distintos sistemas de digitalización 3D, que principalmente se pueden dividir en dos grandes grupos: sistemas con contacto o sin contacto con el objeto a digitalizar.

Digitalización por contacto

Estos sistemas de digitalización 3D son los más antiguos. Principalmente se emplean para la verificación dimensional de piezas industriales (control de calidad). Con estos sistemas se obtienen las coordenadas de los puntos gracias al desplazamiento de una punta sobre la superficie a digitalizar.

En la actualidad existen cabezales de digitalización en continuo (SP 600 de Renishaw, ver foto). La velocidad de adquisición de datos se incrementa notablemente respecto a los cabezales convencionales, ya que éstos no se separan de la superficie a digitalizar.

Otro tipo de sistema de digitalización 3D con contacto son los brazos articulados de operación manual. Estos poseen una elevada precisión; pero por el contrario tienen una velocidad de adquisición de datos muy baja, ya que se necesita llevar manualmente la punta a cada punto que se quiera digitalizar, con lo cual la digitalización de un objeto de tamaño medio resulta muy costosa.

Para emplear estos sistemas por contacto, se necesita que las piezas tengan la rigidez suficiente para que no se deformen con contacto de la punta y debido a la geometría de las puntas, es imposible digitalizar algunas ranuras y ángulos interiores; pero poseen una elevada resolución.

Digitalización sin contacto

La principal ventaja de los digitalizadores 3D sin contacto es que tienen una velocidad de adquisición de datos muy superior a las de los digitalizadores con contacto. Podemos dividir las técnicas de digitalización sin contacto en dos grandes grupos:

Técnicas de visión pasiva

El sistema visual humano permite obtener información de profundidad mediante la fusión de dos escenas monoculares, que son las escenas que captan cada uno de nuestros ojos. Este sistema nos permite "ver en 3D" y es conocido como principio de visión estereoscópica. Así pues, dicho principio se basa en utilizar dos puntos de vista de un mismo objeto para encontrar las coordenadas tridimensionales. Para determinar la posición de un punto a partir de dos imágenes es necesario tener un modelo del sistema óptico utilizado.

Este principio general puede mejorarse con modelos de cámaras más elaborados o utilizando más de dos cámaras, lo que se conoce con el nombre de fotogrametría. La visión estereoscópica presenta el interés de poder dar la posición en 3D de puntos sobre las superficies independientemente de la iluminación específica (visión pasiva).

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Técnicas de visión activa

Estás técnicas son las que hacen intervenir una fuente de luz específica para determinar las coordenadas tridimensionales de los puntos de medida. Los sistemas ópticos se fundamentan en el cálculo de la profundidad.

Estos sistemas ópticos constan siempre como mínimo de un emisor de luz y un receptor. Conociendo la dirección del rayo emitido y la del recibido se obtienen las dimensiones del triángulo formado y por lo tanto obtener la profundidad del punto inspeccionado.

Existen tres tipos de sistemas ópticos:

2.1. Digitalización por láser

La fuente de luz en estos sistemas es un láser de diodos. Dicho láser proyecta una línea de luz sobre la superficie que vamos a digitalizar. La luz reflejada será detectada por uno o dos células fotosensibles que se encuentran situadas a ambos lados del láser. Estos detectores leen el haz de luz reflejado y transmiten la información obtenida sobre el perfil de la pieza a un software. El resultado de la digitalización nos da la posibilidad de realizar una ingeniería inversa, es decir, obtener la geometría completa de la pieza prescindiendo de los planos.

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2.2. Proyección de luz estructurada

En este sistema el emisor es un proyector de luz blanca y el receptor una cámara CCD.

Cuando se inicia una digitalización el proyector lanza sobre el objeto una serie de franjas de luz verticales de claros y sombras alternadas, que son registradas por la cámara. Para obtener las coordenadas de los puntos digitalizados por triangulación, matemáticamente se podía decir que el sistema proyector es un emisor de planos de luz y la cámara CCD un receptor de líneas rectas. El cálculo de la profundidad consiste en resolver las intersecciones plano-recta.

2.3. Telemetría

La telemetría consiste en medir el tiempo de recorrido de un rayo luminoso (láser) hasta la superficie de medida. Se puede medir de dos formas (con la medida del tiempo de vuelo o por el cálculo por diferencia de fase). En el primer caso los datos se obtienen midiendo el tiempo entre la emisión del impulso luminoso y la observación del retorno. En el segundo se regula el impulso luminoso siguiendo una frecuencia de terminada y se mide el desfase entre el rayo emitido y la luz retornada.

El proceso de ingeniería inversa

AIJU ha adquirido un digitalizador láser 3D Minolta VI- 910 y el software RapidForm para el tratamiento de la nube de puntos. Con este digitalizador el proceso de ingeniería inversa estaría compuesto por las siguientes etapas:

a) Digitalización de la Pieza

  • Definición de los parámetros de trabajo.
  • Selección de la lente adecuada, dependiendo del tamaño y geometría de la pieza y de la precisión requerida.
  • Ajuste de la potencia del láser para que el haz refleje correctamente sobre la superficie de la pieza.
  • Colocación de la pieza.

Con el escáner 3D se realizan barridos del objeto desde diversos puntos de vista. Cada barrido da lugar a un mapa de profundidad (range map) de la zona visible para el aparato, y asocia cada punto captado con información sobre los colores.

Estos mapas de profundidad son tratados para eliminar las zonas con defectos o elementos ajenos a la pieza.

Los diferentes mapas son transformados en mallas de triángulos (mesh).

Se alinean las distintas mallas y se acoplan para obtener un solo modelo de triángulos 3D.

Se necesitan operaciones de edición para corregir pequeños errores, simplificar datos redundantes y suavizar la malla.

Una vez optimizada la malla se puede exportar a un fichero STL (para la realización de un prototipo o continuar con el proceso de ingeniería inversa).

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b) Creación de Superficies

El RapidForm permite obtener superficies NURBS a partir de la malla de triángulos 3D.

La manera de hacerlo es mediante la creación de cuatro curvas sobre la malla que encierren un área cerrada, y la posterior construcción de la superficie NURBS definida dentro de la misma y aproximándose a dicha malla.

Las superficies obtenidas deben ser lo más parecidas posibles a la malla de triángulos 3D, para ello se realiza una verificación del error cometido al aproximar la superficie al modelo en triángulos.

Con la adquisición del Digitalizador Láser y el software de tratamiento de nubes de puntos, junto con el cabezal de palpación en continuo Renishaw SP 600, AIJU presta una serie de nuevos servicios que pretenden resolver los problemas de las empresas moldistas, maquetistas y transformadoras de plásticos, proporcionando un servicio completo e idóneo que se adapta a las necesidades tecnológicas del mercado. Por ello, los servicios de digitalización incluyen:

  • Obtención del modelo en la malla de polígonos para la realización de prototipos, catálogos 3D, etc.
  • Extracción de curvas.
  • Obtención del modelo en superficies.
  • Ingeniería inversa del modelo.
  • Control dimensional de la pieza mediante comparación con fichero CAD.

Empresas o entidades relacionadas

Instituto Tecnológico del Juguete
Renishaw Ibérica, S.A.U.

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