Mobile 3D-Handscanner erfassen kleine und mittlere Objekte oder unzugängliche Details und ergänzen damit stationäre Stativ-Scanner. Die Messdaten können anschließend für die CAD-Planung oder für den 3D-Druck verwendet werden. Was muss man beachten?

Auf Dreibeinstativen montierte sogenannte „terrestrische 3D-Laserscanner“ sind in räumlich beengten Bereichen nicht oder nur eingeschränkt einsetzbar. Handgeführte Geräte erfassen Details zum Beispiel auch hinter abgehängten Decken, in Installationsschächten oder an anderen unzugänglichen Stellen. Mobile 3D-Handscanner sind darüber hinaus auch für die digitale Erfassung von Bau- oder Ersatzteilen geeignet. So können beispielsweise im denkmalpflegerischen Bereich Kopien handgefertigter Unikate schnell erfasst und per CNC- oder 3D-Drucktechnik ausgegeben werden. Auch nicht mehr erhältliche und teuere Ersatzteile oder komplexe Einzelstücke sind schnell gescannt und 3D-gedruckt. Für das mobile 3D-Scanning werden verschiedene Verfahren und Geräte mit unterschiedlichen Ergebnisqualitäten, Scanbereichen und Preisen offeriert. Was ist für wen geeignet?

Das 3D-Scanning wird mobil

Auf einem Stativ montierte, stationäre 3D-Scanner erfassen von einem Standort aus ein in horizontaler Richtung 360 Grad und in vertikaler Richtung circa 320 Grad umfassendes Panorama. Der bauart- und stativbedingte vertikale „Mess-Schatten“ von etwa 40 Grad kann in beengten Mess-Situationen ebenso hinderlich und unhandlich sein wie das Dreibeinstativ samt darauf montiertem Scanner. Mobile 3D-Handscanner haben auch gegenüber ihren kleineren Verwandten, den Desktop-3D-Scannern, den Vorteil, dass man sie im Messobjekt oder um das Objekt herum frei führen, näher herangehen und so alle Details praktisch lückenlos erfassen kann. Aufgrund ihres relativ geringen Gewichtes (0,5 bis 2,0 Kilogramm) und ihrer kompakten Abmessungen eignen sich vor allem akkubetriebene Modelle als Ergänzung zu Stativscannern. Die einzelnen Scandaten lassen sich anschließend passgenau zu einem Gesamtscan zusammenführen.

Mobilen 3D-Handscannern liegen unterschiedliche Messtechniken mit ihren spezifischen Stärken und Schwächen zugrunde: Bei den sogenannten Streiflichtscannern werden parallele Lichtstreifen aus mehreren Richtungen auf die Objektoberfläche projiziert, die auf dem Objekt individuelle Muster erzeugen und von einer Kamera erfasst werden. Über eine Software-Auswertung der Muster wird die Objektoberfläche räumlich erfasst. Aufgrund der begrenzten Lichtstärke sind Streiflichtscanner nur in Innenräumen einsetzbar, und auch der Abstand zum Objekt ist begrenzt. 3D-Laserscanner funktionieren ähnlich, tasten das Objekt aber mit einem dichten Raster an Laserpunkten ab und berechnen per Lasertriangulation für jeden einzelnen Punkt die Raumkoordinaten. Diese den terrestrischen 3D-Laserscannern ähnelnde Messtechnologie erzielt sehr gute Messergebnisse.

Einige Geräte kombinieren zur Verbesserung des Scanergebnisses auch mehrere Messverfahren und Sensoren. Auch auf der sogenannten LiDAR-Technologie (Light Detection And Ranging) basierende Smartphone- und Tablettkameras werden für die Erfassung von Räumen verwendet. In Verbindung mit entsprechenden Apps (zum Beispiel Polycam oder XR-Scan) lassen sich damit LiDAR-fähige Smartphones oder Tablets in einen 3D-Scanner verwandeln, sodass man ohne zusätzlichen Hardwareaufwand Objekte dreidimensional erfassen kann. Die erzielbaren Genauigkeiten liegen, je nach Objektabstand, im Zentimeter-, teilweise sogar im Millimeterbereich, was eine schnelle Erfassung der Umgebung beispielsweise für Angebote oder Präsentationen ermöglicht. Präzise Aufmaße für die Planung und Fertigung sind nur bedingt möglich und sollten bei Projekten, bei denen es auf den Millimeter ankommt, durch 3D-Handscanner oder terrestrische 3D-Scanner überprüft werden.

Für jeden Zweck der passende Scanner

Das Marktangebot mobiler 3D-Scanner ist inzwischen groß, auch wegen der großen Vielfalt semiprofessioneller Geräte. Allerdings lässt sich die Auswahl der infrage kommenden Modelle durch mehrere Kriterien einschränken: durch den Einsatzzweck, das Scanobjekt, die Objektgröße, die Genauigkeitsanforderungen, das gewünschte Scanergebnis und nicht zuletzt den Preis. Das Preisspektrum ist mit 500 bis 40.000 Euro ebenso groß wie das Spektrum der Ergebnisqualitäten, und nur wenige Modelle sind für die Erfassung von Innenräumen oder der Gebäudetechnik geeignet. Prinzipiell gilt: Je weiter entfernt, respektive je größer das Messobjekt ist und je präziser das Ergebnis sein soll (zwischen 0,1 und 30 Millimetern), desto hochwertiger sollte der 3D-Scanner sein. Bei den Messverfahren (siehe oben) haben sich Streiflicht- und Laserscanner bewährt, Letztere auch für Scans im Außenbereich.

Zu den wichtigsten Unterscheidungsmerkmalen von 3D-Handscannern gehört die Genauigkeit, konkret die 3D-Punktgenauigkeit, und die 3D-Auflösung. Der erste Wert gibt die maximale Genauigkeit zwischen den gemessenen Punkten und deren tatsächlicher Position an. Die 3D-Auflösung ist der kleinste erfassbare Abstand zwischen zwei Objektpunkten bei einer bestimmten Scanentfernung. Sind Details auf dem Messobjekt kleiner als die Auflösung des Scanners, werden diese nicht erfasst. Der minimale und maximale Scanabstand gibt den Messbereich in Metern an, innerhalb dem Objekte vom Scanner erfasst werden können. Er liegt in der Regel zwischen 0,2 und 1 bis 2 Metern und mehr. Das Scanfeld gibt den Erfassungsbereich, quasi das „Sichtfeld“ des Sensors bei einem minimalen oder maximalen Scanabstand an. Wie schnell ein 3D-Scanner Messobjekte erfassen, respektive manuell am Objekt entlanggeführt werden kann, gibt die maximale Scangeschwindigkeit oder Rekonstruktionsrate in Frames per Second (fps) an. Weitere Merkmale sind beispielsweise die Fähigkeit, Oberflächentexturen über Kameras zu erfassen, die insbesondere bei Visualisierungen eine Rolle spielen.

Werden Objekte vorwiegend für die CAD-Planung oder den 3D-Druck gescannt, ist in der Regel nur die Objektgeometrie wichtig. Dann genügen auch preiswertere Scanner, die zwar Oberflächen nicht oder nur unzureichend wiedergeben, dafür aber präzise Objektgeometrien liefern. Bei den äußeren Gerätemerkmalen sollte man auf die Abmessungen, das Gewicht sowie die Stromversorgung achten. Sperrige Maße, ein hohes Gewicht, störende Netz- oder auch Datenkabel können einen flexiblen Einsatz behindern. Der Schutzgrad gibt an, wie gut das Gerät gegen Staub oder Nässe geschützt ist. Gängige Schnittstellen sind ein Ethernet- und USB-Anschluss, eine Bluetooth- oder WLAN-Schnittstelle zum Notebook oder Tablet für die Anzeige sowie ein SD-Kartenslot für die Speicherung der kontinuierlich generierten Messdaten.

Scannen, exportieren und weiterbearbeiten

Wichtig in der Praxis ist auch eine möglichst intuitive und unkomplizierte Bedienung, die flüssige und abbruchfreie Scanvorgänge ermöglicht. Handgeführte 3D-Scanner setzen nämlich etwas Übung voraus. So sind beispielsweise langsame, gleichförmige und ruckfreie Bewegungen erforderlich, damit der Scanvorgang nicht versehentlich unterbrochen wird. Andernfalls müssen mehrere Teilscans mithilfe von Programmen für die Scandatenbearbeitung zusammengeführt werden. Als Scanergebnis erhält man eine aus vielen Tausenden miteinander verbundenen Polygonflächen bestehende Polygonnetzdatei (Mesh), die als STL, OBJ, E57, XYZ und in weiteren Dateiformaten exportiert werden kann.

Mit Programmen für die Verarbeitung von 3D-Scandaten (zum Beispiel PolyWorks, ReCap, Scalypso etc.) lassen sich diese Scandaten bearbeiten, korrigieren und in CAD-Dateiformate umwandeln (DXF, DWG, IFC etc.). Auch Programme für die 3D-Modellierung oder den 3D-Druck können 3D-Handscannerdaten meist direkt importieren. Die Scangeschwindigkeit ist mit ausreichender Übung relativ hoch, sodass man inklusive der Datennachbearbeitung in 30 bis 60 Minuten beispielsweise eine Treppe digital erfassen kann. Der tatsächliche Aufwand und die Dauer der Auswertung und Weiterbearbeitung hängen allerdings davon ab, welche Ergebnisse man braucht: zweidimensionale Grundrisse, Ansichten oder Schnitte, CAD-Volumenmodelle oder BIM-Datenmodelle. Letzteres erfordert manuelle Konstruktionsarbeit, die mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann.

Mobiles 3D-Scanning im Umbruch

Für Metallbauer, die Aufmaßobjekte mittlerer Größe erfassen müssen, sind handgeführte Scanner eine echte Alternative zu terrestrischen 3D-Laserscannern – auch wegen der geringeren Investitionskosten. Wer Stativscanner bereits einsetzt, kann damit sein Einsatzspektrum erweitern. Die bei der Auswahl einer passenden Lösung wichtigste Frage ist, wie schnell man zum gewünschten Ergebnis kommt. Dabei spielt nicht nur die Messhardware, sondern das Zusammenspiel von Hard- und Software eine wichtige Rolle. Zudem entwickelt sich der Markt für mobiles 3D-Scanning derzeit sehr dynamisch, nicht zuletzt im Zusammenhang mit LiDAR-Erfassungssystemen, die immer besser werden. Auch eine KI-gestützte Messdatenauswertung wird das 3D-Aufmaß in den nächsten Jahren erheblich vereinfachen und beschleunigen.