Les scanners 3D

Le 10/07/2018 à 13:30  

L faciles d'utilisation et compatibles a es scanners 3D permettent de recréer facilement le modèle numérique d'un objet physique. Ces systèmes ont de nombreux cas d'usage, comme la conception, la métrologie ou le contrôle qualité. Certains modèles sont conçus pour fonctionner en environnement contrôlé, d'autres peuvent aisément se transporter. Ces systèmes permettent de numériser des petits objets, mais aussi des bâtiments. Face à cette diversité d'applications, il existe naturellement des gammes variées. Et la technologie à l'œuvre évolue vers un usage plus facile et une meilleure précision. Ils sont également de plus en plus utilisés dans des applications robotisées.

Positionnement dans l'espace

« Un scanner doit remplir deux fonctions, explique François Arnoul, directeur de l'entreprise 3D Scanner, qui distribue les produits d'Artec 3D et de Solutionix. D'abord, il projette de la lumière sur un objet, afin d'en observer le relief. Ensuite, il positionne la forme qu'il observe dans un espace virtuel. » Le scanner 3D collecte des points de la surface de l'objet, qu'il connecte en une série de polygones, retranscrivant le volume. Les différentes portions de l'objet scanné doivent ensuite être liées ensemble, afin d'en reconstituer la forme complète.

L'acquisition de l'image est obtenue en projetant une ligne laser ou une séquence de franges de lumière sur l'élément à mesurer. La largeur de la ligne est variable selon les modèles : une ligne plus large permet un scan plus rapide. Tous les scanners ne fonctionnent pas avec des lasers : certains emploient une source de lumière structurée. Dans les deux cas, selon la courbure de la pièce, la forme projetée est déformée. Elle est observée par une ou plusieurs caméras. Les capteurs Cmos ont tendance à remplacer les CCD, pour des scans plus fluides et plus rapides.

En connaissant l'angle entre la caméra et le projecteur, on peut calculer par triangulation la position de chacun des points. Les scanners classiques utilisent des lasers rouges, mais, depuis quelques années, on trouve des modèles dotés d'un laser bleu : « La longueur d'onde étant plus courte, cela réduit la diffraction sur les surfaces brillantes », explique David Wahl, ingénieur commercial chez Faro Technologies.

Certains scanners utilisent des raies laser, d'autres des motifs de lumière structurée. Leur déformation est utilisée pour reconstituer le volume.

Artec 3D

« L'avantage du laser est que cette technique fonctionne même avec des objets très réfléchis-sants , précise Mathieu Le Saux, responsable des produits de métrologie industrielle chez Carl Zeiss Optotechnik. Elle est donc beaucoup utilisée dans les fonderies, par exemple pour le contrôle de pièces embouties. Certains plastiques noirs sont également très réfléchissants.Tout cela est très utilisé dans l'industrie automobile. L'usage des scanners laser s'y développe donc beaucoup, pour remplacer le palpage tactile et obtenir plus de données plus rapidement ».

Pour les objets les plus imposants, en particulier les bâtiments, un autre type de technologie peut être employé pour le scanner : le Lidar. Il s'agit ici de détecter la réflexion d'un laser, et de calculer le temps de vol du signal pour mesurer la distance du point visé. Cette technologie est notamment employée par les scanners de Leica Geosystems. Il est aussi possible d'uti-liser le déphasage du signal laser pour la mesure de grandes distances. C'est le choix qu'a fait Faro Technologies sur ce type de produit.

Les scanners 3D permettent de capturer rapidement le volume d'un objet. De la conception au contrôle qualité, les applications sont donc très variées.

Carl Zeiss Optotechnik

Pour positionner les différents nuages de points entre eux, plusieurs solutions sont proposées. Pour un scanner fixe destiné aux petits objets, on peut se référer à la rotation du plateau. Mais dans la plupart des cas, comme pour les grandes pièces ou les scanners portables, cela n'est pas possible. La position du scanner dans l'espace peut alors être détectée par un système extérieur. Cette solution consiste à équiper le scanner de cibles de positionnement, comme des diodes infrarouges. Des caméras fixes permettent de détecter leur position et de les associer à chaque mesure du scanner. Creaform (groupe Ametek) qualifie cette technologie de MMT optique, en référence aux machines à mesurer tridimensionnelles classiques, fonctionnant par contact. Si on les équipe d'un scanner 3D, ces dernières peuvent d'ailleurs, elles aussi, servir à mesurer sa position. Le fabricant Hexagon Manufacturing Intelligence qualifie les scanners de « palpeurs de scanning laser », ce qui témoigne de la parenté entre les deux technologies.

Différentes précisions

Une autre option pour reconstituer le modèle 3D est de positionner, à la surface de l'objet, des pastilles autocollantes. Elles serviront de repères pour les caméras intégrées au scanner, qui doivent avoir toujours au moins trois pastilles dans leur champ de vision. L'inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite une préparation, et que la qualité du résultat est très dépendante du bon placement des pastilles. Mais il est possible aussi de se passer de ces références et de s'appuyer sur l'objet lui-même. Sa géométrie, voire ses éventuels motifs colorés, peut suffire à recol-ler ensemble les différentes parties du scan. À condition, bien sûr, que l'objet possède des caractéristiques compatibles avec cette méthode. « Plus la géométrie de la pièce est complexe, plus on peut être précis , explique François Arnoul (3D Scanner). Il y aura moins d'ambiguïté avec la forme d'une orthèse, par exemple, qu'avec une pièce cylindrique ».

Chacune de ces technologies se décline selon différentes gammes de précision. C'est le premier paramètre à prendre en compte pour le choix d'un scanner : « C'est le nerf de la guerre , estime Mathieu Le Saux (Carl Zeiss Optotechnik). Définir la précision nécessaire élimine déjà une grande partie des options. » De ce point de vue, les systèmes fixes donnent un meilleur résultat : leur précision, pour les systèmes les plus haut de gamme, est de l'ordre de quelques micromètres. Ils sont utilisés pour des applications de type métrologie, jusque dans le do- (Suite de la page 41) maine de la recherche scientifique. « Nous avons fourni du matériel à un laboratoire de recherche du CNRS, pour scanner des dents de souris », illustre Mathieu Le Saux. Les scanners affichent également différentes résolutions. « Tandis que la précision est une notion matérielle, la résolution est une notion logicielle », explique François Arnoul (3D Scanner). Sur une image 2D, la résolution désigne le nombre de pixels correspondant à une longueur donnée. Pour un fichier tridimensionnel, cette notion est relative à la densité du maillage représentant l'objet. « La résolution nécessaire est relative au niveau de détail que l'on veut obtenir sur l'objet, indique Daniel Brown, directeur en charge de la gestion de produits chez Creaform . En haute résolution, les petits détails seront plus nets, les coins plus affinés. » C'est donc un paramètre important pour une pièce comprenant des éléments très fins à mesurer, comme les bords d'une aube de turbine. C'est généralement vrai pour les plus petits objets, mais « il est également possible de scanner des pièces de grande taille avec une grande résolution , note François Arnoul (3D Scanner). Toutefois, cela produira une énorme quantité de données ».

L'importance du logiciel

« Il est de plus en plus simple de capturer des données, avec des systèmes mobiles de plus en plus rapides , observe Romain Sommero, responsable du développement des marchés 3D chez Leica Geosystems. En conséquence, les utilisateurs de scanners 3D génèrent des quantités de données brutes toujours plus grandes. Derrière, il faut traiter la donnée et la partager. Le logiciel utilisé est donc très important. » Les données produites par les scanners 3D sont des nuages de points. Ces points, assemblés entre eux, forment des polygones. Différents formats de fichiers gèrent ce type de données, « mais ce sont des façons différentes de dire la même chose , résume François Arnoul, directeur du distributeur 3D Scanner. Il est donc difficile de juger de la qualité du logiciel selon une simple fiche technique. » Il faut donc se poser quelques questions pour mieux cerner la solution la plus adaptée : le fichier polygonal sera-t-il directement exploitable ?

Que veut-on faire du nuage de points obtenu ? Prendre des cotes, ou l'intégrer à d'autres logiciels ? Selon la destination du fichier, il faut réfléchir à l'interaction avec les autres logiciels à utiliser et être vigilant aux problèmes de compatibilité. « Pour éviter ce type de problème, notre scanner Cobalt est ouvert et fourni avec un code, permettant d'effectuer des développements et de ne pas être dépendant de notre logiciel », indique David Wahl, ingénieur commercial chez Faro Technologies. « Les éditeurs ont travaillé pour simplifier l'intégration des nuages de points , note Romain Sommero (Leica Geosystems). Mais tous les corps de métier ne sont pas égaux face à cette problématique, certains logiciels ont encore un peu de retard. » L'une des tendances actuelles des logiciels est d'assembler ces nuages de points sans références extérieures, comme des cibles ou des relevés de position. Ils utilisent les zones communes entre deux nuages, donc la géométrie de l'objet, pour le reconstituer entièrement. « On voit également de plus en plus de solutions basées sur le cloud, rapporte Romain Sommero. C'est une tendance nouvelle. Il n'est plus nécessaire de télécharger complètement un fichier : il peut être traité directement en ligne, grâce à un streaming des données depuis un serveur. » Cela permet de fluidifier le traitement et de faciliter la collaboration, tout en évitant d'encombrer les postes des utilisateurs. « Il est possible de naviguer en ligne sur un scan 3D, illustre Giuseppe Mazzara, responsable de l'équipe construction et BIM chez Faro Technologies. Chaque collaborateur peut y apporter des modifications, ou y prendre des mesures ».

Scanner de grands volumes

Pour numériser un objet de grandes dimensions, ou lorsqu'il est nécessaire de déplacer le scanner, il faut se tourner vers des modèles portables ou manuels. Leur précision peut dépendre de la technologie de positionnement du scanner, mais également, au sein d'une même gamme, de la focale de la caméra. La portée des caméras dédiée au positionnement détermine également le volume de mesure de l'appareil. Les scanners moins précis, qui offrent un résultat au dixième de millimètre, sont plutôt dédiés à des applications telles que la rétro-ingénierie.

L'industrie automobile utilise beaucoup de scanners laser, pour des applications telles que la mesure de portières ou de châssis.

Faro Technologies

Certaines gammes de scanners sont plutôt dédiées à la numérisation de bâtiments (BIM pour Building Information Modeling ), d'ouvrages d'art, comme les ponts, ou à des applications de topographie. On trouve alors des portées allant jusqu'à 1 kilomètre. Ces produits sont utiles dans l'industrie pour scanner l'intérieur d'un bâtiment et prévoir par exemple l'aménagement d'une usine. Mais ils sont également utilisés pour du contrôle dimensionnel. « La précision est de l'ordre du millimètre , indique Giuseppe Mazzara, responsable de l´équipe construction et BIM chez Faro Technologies. Selon la tolérance nécessaire, ces scanners peuvent répondre aux besoins industriels, notamment pour la mesure de pièces d'avion de fonderie. » « Les milieux de l'architecture ou du patrimoine ont parfois besoin de numériser des moulures, par exemple, pour en obtenir un clone numérique le plus fidèle possible », ajoute Romain Sommero, responsable du développement des mar-chés 3D chez Leica Geosystems. De telles solutions sont donc adaptées à la détection de présence ou d'absence de formes, comme celles de boulons.

L'utilisation des scanners 3D se développe beaucoup dans l'industrie. Cela amène de nouvelles façons de les utiliser, et pousse les fabricants à développer de nouvelles caractéristiques. « L'une des grandes tendances est que la mesure se déplace beaucoup du laboratoire vers les ateliers de production, observe Daniel Brown (Creaform). Cela implique notamment de pouvoir s'affranchir des vibrations de l'environnement. Les technologies se positionnant par rapport à la pièce elle-même permettent de faire cela. Aujourd'hui, les industriels peuvent donc accéder à de nouvelles mesures, qui n'étaient pas faisables auparavant, sur des pièces ne pouvant pas être déplacées, ou à des étapes intermédiaires de la production. » Ces scanners permettent par exemple de mesurer un brut de fonderie avant l'étape d'usinage, afin de vérifier qu'il dispose d'assez de matière. Obtenir de nouvelles informations comme celle-ci peut aider à résoudre certaines problématiques de contrôle qualité.

À cela s'ajoute une tendance à la simplification de l'utilisation des scanners. « Cela permet leur prise en main par du personnel moins qualifié », argumente Daniel Brown (Creaform). Certains scanners portables s'utilisent à la main et sont comparables à des lec-teurs de codes-barres. Cette tendance s'observe également pour les scanners autonomes, tels que ceux utilisés dans le bâtiment. « Les scanners laser 3D ont longtemps été réservés à des professionnels de la mesure », confirme Romain Sommero (Leica Geosystems). L'entreprise vient de sortir le modèle BLK360, qui vise à démocratiser les mesures 3D. « Son utilisation est simple : il est pourvu d'un seul bouton et se commande par une tablette numérique. Il est pourvu d'un appareil photographique et d'une caméra thermique, il est donc basé sur l'imagerie plus que sur le laser pur, comme auparavant. » Cela permet d'envi-sager de nouveaux cas d'applications, comme la détection de fuites.

Cette recherche de simplicité d'utilisation se traduit également dans le traitement de la mesure. « La transformation des captures terrain en un nuage de points exploitable est plus rapide , continue Romain Sommero (Leica Geosystems). Elle se fait traditionnellement au bureau, mais elle va de plus en plus être possible directement sur le terrain . » Faro Technologies a ainsi embarqué à cet effet un processeur de calcul à l'intérieur de son capteur Cobalt. « L'avantage est que l'on peut utiliser plusieurs scanners en parallèle, explique David Wahl. Un PC ne pourrait pas gérer une telle application. Cela est utile pour réduire le temps de cycle : il n'est alors pas nécessaire d'effectuer plusieurs scans pour obtenir les différentes faces de l'objet. » Le processeur embarqué permet aussi d'assembler les différents scans entre eux. Des retouches ultérieures restent nécessaires pour obtenir un maillage précis, mais un premier rendu est calculé en direct. Le scanner Leo, sorti cette année par Artec 3D, s'inscrit également dans cette évolution vers une plus grande autonomie. Il est destiné autant au secteur de l'industrie qu'à celui du patrimoine, pour des applications telles que la rétroconception. Il embarque lui aussi un processeur et a la particularité d'être doté d'un écran : « Le résultat de la capture est ainsi vu en temps réel », explique François Arnoul (3D Scanner).

De nombreux scanners peuvent être utilisés seuls, ou associés à une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT), pour obtenir une meilleure précision.

Hexagon Manufacturing Intelligence

Les données des différents scans doivent être assemblées avec précision. Pour cela, l'une des stratégies pour les scanners manuels consiste à mesurer leur position à chaque relevé.

La robotisation des scanners 3D est une autre orientation prise massivement ces dernières années. « C'est une grosse tendance depuis environ cinq ans, nous observons une forte demande de la part des clients pour la mise en place d'une production plus intelligente, avec un contrôle qualité plus efficace, commente Daniel Brown (Creaform). Aujourd'hui, la plupart des manufacturiers utilisent des solutions robotisées. » L'objectif est avant tout de gagner du temps, d'améliorer la trajectoire du scanner et, donc, d'améliorer la productivité, mais aussi la répétabilité des contrôles. « Le système va automatiquement aller chercher des polygones là où ils manquent », ajoute François Arnoul (3D Scanner). Ce type de solutions ne nécessite pas qu'une personne soit présente pour positionner les pièces. Il est même possible d'automatiser leur chargement. « La plupart du temps, les clients ne veulent pas avoir un opérateur derrière chaque contrôle », confirme Mathieu Le Saux (Carl Zeiss Optotechnik).

Scanners 3D ou machines à mesurer tridimensionnelles ?

Les scanners 3D peuvent-ils concurrencer les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) tactiles ? « La plupart du temps, les deux systèmes ne sont pas en concurrence , estime Mathieu Le Saux, responsable des produits de métrologie industrielle chez Carl Zeiss Optotechnik. Pour une mesure rapide, avec une précision faible, on utilisera un scanner.

Si une mesure nécessite une grande précision, la MMT reste la meilleure option . » Ainsi, la tôlerie automobile s'accommode parfaitement d'un scanner 3D, tandis que le contrôle d'une pièce mécanique justifie le recours à une MMT. « La machine 3D est utile pour le contrôle de quelques points, comme des trous, ou d'autres éléments qui permettent l'assemblage d'une pièce », ajoute Daniel Brown, directeur en charge de la gestion de produits chez Creaform. « Les scanners les plus précis, en lumière structurée, pourraient concurrencer les MMT , estime Mathieu Le Saux (Carl Zeiss Optotechnik). Mais ces dernières ont un coût important et répondent à des problématiques bien spécifiques. Il est donc rare que les clients hésitent entre les deux . » « Les entreprises qui achètent des scanners 3D disposent souvent déjà des technologies de palpage », indique Daniel Brown (Creaform). Les deux systèmes sont plutôt complémentaires : la mesure tactile met en évidence des éléments invisibles sur le scan. Il est d'ailleurs possible d'allier les deux solutions, en installant un scanner 3D sur une MMT, voire un bras de mesure 3D. C'est par exemple une solution proposée par Faro Technologies : « On peut ainsi faire à la fois du palpage et du scan , décrit David Wahl, ingénieur commercial chez le fabricant. La position du bras est mesurée pour scanner avec une grande précision. » Cependant, « en métrologie, il est difficile de trouver et former du personnel pour opérer les MMT , relève Daniel Brown (Creaform). Des systèmes plus simples, comme les scanners, permettent donc aux opérateurs de production de faire des mesures . » De plus, les scanners permettent d'obtenir la géométrie plus complète d'une pièce. Pour lui, ces outils prendront, à terme, le pas sur les MMT.

Cette automatisation est notamment employée avec les grandes pièces. Pour les contrôler, c'est un robot qui déplace le capteur afin d'obtenir les différents points de vue nécessaires. Il peut par exemple être monté sur un rail, pour se déplacer sur de grandes longueurs, et ainsi augmenter le volume de mesure. « Nous pouvons intégrer des systèmes de ce type sur mesure chez nos clients, note Daniel Brown (Creaform). Les possibilités dépendent de l'espace disponible et du type de pièces. » Le fabricant propose également depuis cette année le Cube-R : il s'agit d'une enceinte d'inspection robotisée clé en main, pour l'inspection de pièces jusqu'à une surface de 3 m 2 . Faro Technologies, aussi, propose une solution robotisée prête à l'emploi : le Robo-Imager, une station montée sur roulettes, utilise un robot collaboratif Kuka et intègre un PC avec tous les logiciels nécessaires.

Pour automatiser sans avoir recours à des robots industriels, des accessoires existent pour mettre en place des solutions intermédiaires, moins coûteuses. Carl Zeiss Optotechnik propose par exemple le système Comet rotary stand, un plateau pouvant bouger sur deux axes, avec le capteur monté sur un rail. Chez Artec 3D, on trouve un bras robot automatique, le RoboticScan.

La simplicité d'utilisation est un des axes d'amélioration pour les fabricants de scanners 3D. Certains produits peuvent être pris en main sans formation particulière.

Leica Geosystems

Attention, l'objectif de la robotisation n'est pas d'améliorer la précision. « Le positionnement du robot ne garantit pas la précision de la mesure, prévient Daniel Brown (Creaform). C'est uniquement le système de traqueur optique qui assure cette fonction. Le robot permet seulement d'éviter certaines erreurs humaines. » Pour les applications les plus exigeantes en termes de précision, mieux vaut se tourner vers les MMT, sur lesquelles il est possible d'installer un scanner et qui permettent d'assurer un positionnement très précis ( voir encadré ci-dessus ). « On s'affranchit alors des erreurs de positionnement, et il ne reste plus que l'incertitude liée au scanner lui-même », indique Mathieu Le Saux (Carl Zeiss Optotechnik).

Le monde des scanners 3D évolue beaucoup. Ils devraient à l'avenir prendre une place toujours plus importante dans l'industrie, grâce à une prise en main simplifiée, mais aussi à la robotisation de plus en plus courante. Mais face à la diversité des solutions existantes, connaître tous les paramètres en jeu ne suffit pas à sélectionner le scanner laser le mieux adapté à une application. Pour François Arnoul (3D Scanner), « i l faut tester une solution pour la qualifier, et non se baser uniquement sur des fiches techniques ».