La numérisation 3D, une technologie de pointe pour l’inspection et la métrologie

Les scanners tridimensionnels font partie des outils incontournables du domaine de la 3D. La numérisation 3D est de plus en plus présente dans la chaine de production. On l'a retrouve à toutes les étapes du design et de la fabrication des produits. Les scanners 3D sont utilisés dans de nombreux secteurs comme la recherche, l’éducation, l’art, le patrimoine, la santé ou encore la rétro-ingénierie et la reproduction de pièces. La précision des scanners 3D fait d'eux des outils de choix pour la métrologie, l’inspection et le contrôle qualité.

Qu'est-ce qu'un scanner 3D ?

Un scanner 3D est un appareil qui permet d’obtenir une “image numérique” d’un objet physique. Très appréciés par les designers pour faire de la modélisation à partir d’objets réels, les scanners 3D sont également des outils très puissants au service de la métrologie, de l’inspection et du contrôle qualité.

Les scanners 3D permettent d'analyser des objets et des environnements afin d’en recueillir des informations précises sur leur forme et leur apparence (couleur, texture …). Ces données sont ensuite utilisées dans des logiciels de conception 3D afin de reconstituer la pièce en image de synthèse en trois dimensions. Le résultat obtenu est appelé "objet numérique" ou "modèle 3D".

En plus d'être précis, les scanners 3D sont appréciés dans la métrologie parce qu'ils permettent des prises de mesures sans contact. Ils ont donc l'avantage d'être non intrusif et de ne pas endommager l’objet scanné. Les scanners 3D de métrologie sont utilisés dans des domaines variés tels que la conception industrielle, la conception de prothèse et d'orthèse, la rétro-ingénierie, ou encore le contrôle qualité et la sauvegarde patrimoniale. 

Qu’est-ce que la métrologie ?

Traditionnellement, la métrologie reposait sur des mesures manuelles ou sur l’utilisation de palpeurs associés à des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT). Les progrès rapides de l’informatique et l’augmentation des vitesses de calculs ont favorisé la démocratisation des scanners 3D auprès des professionnels de la mesure. Les technologies de numérisation 3D sans contact répondent aux nouveaux enjeux de la métrologie et du contrôle qualité qui doivent faire face à des formes toujours plus complexes, des matériaux variés et des délais de fabrication raccourcis. Les outils de mesure et d’inspection doivent s’adapter pour permettre des prises de côtes précises et rapides qui s’intègrent dans un environnement de travail numérique (CAO scanner 3D). Les scanners 3D permettent de répondre aux attentes des clients les plus exigeants en matière de métrologie, de contrôle qualité et de visualisation d’écart. 

La numérisation 3D permet d’obtenir un modèle 3D précis qu’il est possible de superposer dans un logiciel pour vérifier la conformité des pièces aux limites acceptables et à la tolérance définies lors de la phase de conception.

Grâce à la numérisation 3D, il est possible de comparer la pièce fabriquée avec le fichier CAO d'origine et ainsi de mesurer que les dimensions sont conforment aux standards décidés en phase de conception. Les technologies de numérisation 3D associées à l’inspection offrent également un plus grand confort d’utilisation, une meilleure répétabilité, une facilité et une rapidité d'exécution.

Les avantages des scanners 3D

Les scanners 3D de métrologie présentent de nombreux avantages par rapport aux systèmes de métrologie traditionnels de type MMT (Machine de mesure tridimensionnelle) :

Rapidité : les scanners 3D de métrologie peuvent s’intégrer dans des processus d’automatisation, Précision et volume de scan : ils capturent plus d’informations sur des surfaces et des portées plus grandes. 

Polyvalent : les scanners 3D de métrologie sont efficace pour mesurer des objets aux formes complexes,

Confort d'utilisation : ils sont plus confortables à l’utilisation et peuvent être déplacés facilement pour s’adapter à la configuration de la pièce ou de l’environnement,

Non intrusifs : ils sont sans contacts et permettent de mesurer les côtes d’un objet sans le toucher, Budget : leurs prix sont plus accessibles que les MMT. 

Les scanners 3D sont donc une solution de métrologie très avantageuse en alternative ou en complément aux MMT.

Quels sont les types de scanners 3D de métrologie ?

Plusieurs types de scanners 3D sont utilisés en métrologie. Les scanners 3D les plus populaires sont les scanners 3D portables et les scanners 3D fixes.

Scanners 3D portables

Pratiques et polyvalents, les scanners 3D portables s’adaptent à différentes morphologies d’objets et tailles de pièces. Comme avec une caméra, l’utilisateur doit balayer la zone à scanner sous tous ses angles afin de capturer l’ensemble des détails à numériser en 3D. Certains scanners 3D portables sans fils peuvent scanner des pièces sans limites de taille.

Exemple de scanners 3D portables : Freescan X5 / Freescan X7 / Einscan Pro HD / Einscan Pro 2X / Einscan Pro 2X Plus

Scanners 3D fixes 

Les scanners 3D fixes sont parfaitement stables et offrent donc une précision inégalée. Ce type de scanners 3D de métrologie est à privilégier pour les pièces de petites et moyennes tailles. Les scanners 3D de bureau fixes s’utilisent souvent en association avec un plateau tournant afin d’automatiser la numérisation de la pièce. Certains scanners comme le Autoscan Inspec disposent d’une table tournante automatique à trois axes permettant de numériser les objets sous tous leurs angles.

Quelles sont les meilleures technologies de scanner 3D en métrologie ?

Les technologies de scanners 3D les plus utilisées sont la triangulation laser et la lumière structurée.

Triangulation laser : 

La triangulation laser repose sur un calcul trigonométrique pour mesurer des distances entre elles. Le fonctionnement des scanners 3D laser repose sur trois composants : des émetteurs laser, une caméra et, bien entendu, l’objet à numériser. Ces trois éléments forment les trois sommets d’un triangle, d’où le terme de triangulation laser. Les lasers utilisés sont souvent des semi-conducteurs, identifiables par la couleur rouge de leur faisceau.

Le fonctionnement du scanner 3D laser est simple. L’appareil émet d’abord un faisceau rectiligne qui vient se déformer au contact de la pièce. Grâce à sa caméra, le scanner 3D est capable d’analyser cette déformation et d'établir, à l’aide de calculs trigonométriques, les différences de distances. Ce calcul est interprété en temps réel par le logiciel qui crée virtuellement la forme géométrique numérisée dans l’espace.

Les avantages des scanners 3D laser sont : la précision (de l’ordre du dixième de micron), la résolution et leur prix accessible.

Lumière structurée :

Tout comme les scanners 3D laser, les scanners 3D à lumière structurée positionnent et modélisent l’objet dans l’espace grâce à un calcul de triangulation trigonométrique. Ce procédé repose sur la projection de séries de motifs comme des points ou des lignes sur l’objet à scanner. La forme est projetée en utilisant un projecteur LCD ou toute autre source de lumière stable, le plus souvent bleue ou blanche. Plusieurs capteurs ou caméras intégrées au scanner identifient les variations de formes lorsque la lumière rentre en contact avec le relief de la pièce. Certains scanners 3D à lumière structurée utilisent également la photogrammétrie et intègrent l’acquisition de marqueurs (mires) pour faciliter la création des nuages de points sur des pièces volumineuses ou réfléchissantes.

Certains scanners 3D à lumière structurée peuvent être associés à un trépied pour des prises de scan fixe, ainsi qu’à un plateau tournant pour automatiser la numérisation de pièce à 360°. Utilisés de cette manière, les scanners 3D à lumière structurée associent les avantages d'un scanner portable à celui de scanners fixes : c'est le meilleur des deux mondes !

Les avantages des scanners 3D à lumières structurées : large zone de numérisation, précision, vitesse de scan (une numérisation peut être achevée en quelques secondes). Tout comme les scanners 3D laser, ils offrent une très haute résolution de scan.

Inconvénients : Les scanners 3D à lumière structurée peuvent avoir des difficultés à scanner des pièces transparentes ou qui réfléchissent trop la lumière. Il est possible de pallier à ce problème en utilisant des sprays matifiants qui facilitent la numérisation. Certains sprays matifiants comme le Spray Matifiant AESUB Blue s'évaporent par eux-mêmes sans laisser de traces quelques heures après leur application.

Quels scanners 3D acheter pour faire de l’inspection et de la métrologie ?

Dans cette section nous vous présenterons les meilleurs scanners 3D de métrologie et d’inspection.

Le scanner 3D Shining 3D FreeScan X7 

Le FreeScan X7 du spécialiste de la numérisation Shining 3D est un scanner 3D portable équipé de 14 lasers. Il bénéficie de la technologie HOI (hybride d’optique et d’inertie) qui le rend redoutablement précis. Il peut être utilisé aussi bien à l’intérieur qu'à l’extérieur sur des objets complexes et de toutes tailles. Dans sa version sans-fil (FreeScan X7+), il est capable de scanner des pièces de large volume. Il est compatible avec la majorité des logiciels de métrologie du marché. 

Le Scanner 3D Shining 3D FreeScan X5

Petit frère du FreeScan X7, le FreeScan X5 est un scanner 3D de métrologie léger et facile à manipuler. Il permet de scanner de grands volumes en 3D presque sans limitation de taille, de texture ou de couleur. Il est capable de scanner des pièces avec beaucoup de précision (0.03 mm selon le standard allemand VDI/VDE 2634) et très rapidement (35 000 points/s). Enfin, il est compatible avec les systèmes de photogrammétrie et les logiciels de CAD les plus utilisés. 

Le scanner 3D Shining 3D Autoscan Inspec

L’Autoscan Inspec est un scanner 3D de bureau (fixe) spécialement conçu pour répondre aux attentes élevées des professionnels de la métrologie. Il est capable d’automatiser la numérisation 3D de petits objets avec beaucoup de précision et de détails sur 3 axes de mouvement. Son fonctionnement repose sur l'utilisation de deux caméras et un ensemble de projecteurs de lumière structurée qui lui confèrent une précision de l’ordre de 0.01 mm. Une telle précision en fait un scanner très apprécié pour la prise de mesure sans contact, l’inspection et le contrôle qualité ainsi que la rétro-ingénierie et le design de produit.

Quelles industries utilisent la métrologie et pour quels usages ?

La métrologie est une composante essentielle de la chaine de conception et de fabrication de produits. C’est elle qui garantit que les exigences de qualité et de conformité sont en adéquation avec les standards et les recommandations fixés par les responsables produits. Les professionnels de la métrologie s’assurent également de la régularité des outils de production.

La métrologie est utilisée par une grande variété de secteurs : aéronautique, automobile, électronique, énergie, fabrication, médicale, outillage, éducation, bijouterie numérique, production d’appareils auditifs, rétro-ingénierie, inspection 3D, impression 3D et prototypage rapide.

La métrologie 3D et l’inspection assistée par scanners tridimensionnels sans contact permettent de vérifier la conformité des pièces produites par rapport aux normes et aux standards de fabrications établis.

Dans certaines industries comme l’aviation ou l’automobile, la régularité et la conformité des pièces est un enjeu de sécurité essentiel. D’une manière générale, dans toutes les industries, la métrologie permet d’éviter les erreurs de production et donc d’assurer un haut niveau de qualité des objets produits.

Quels sont les meilleurs logiciels de métrologie pour l’inspection ?

Les scanners 3D de métrologie développés par Shining 3D sont fournis avec le logiciel d’acquisition et de postproduction 3DScan. Ce programme permet de faire de l’acquisition et des opérations de postproduction essentielles (déplacer la pièce, reboucher les trous …). Il offre également quelques fonctionnalités de métrologie de base. Pour aller plus loin, l’utilisateur devra utiliser des logiciels conçus pour la métrologie, des opérations d’inspection et de contrôle qualité avancé. 

Grâce à des logiciels de métrologie professionnels, les ingénieurs et les designers produits sont capables de comparer le scan 3D réalisé grâce au scanner tridimensionnel à un fichier CAO de référence. Le logiciel établit ensuite un rapport différentiel qui analyse les points de divergence entre la pièce scannée et le fichier de référence. Cela permet à l’utilisateur de voir si les divergences sont dans les limites de marges d’erreur acceptables définies lors de la phase de conception.

Les logiciels de métrologie les plus utilisés sont : 3D Systems (Geomaic Solutions), InnovMetric Software (Polywork), Dassault Systems (CATIA V5, Solidworks, PTC (Pro/Engineer), Siemens (NX Solid Edge) et Autodesk (Inventor Alias, 3DS Max, May & Softimage)

Machines-3D vous propose les meilleurs scanners 3D pour la métrologie, l'inspection et le contrôle qualité

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