Les scan­ners 3D

Ils per­mettent de nu­mé­ri­ser fa­ci­le­ment la forme d’une pièce: les scan­ners 3D prennent une place gran­dis­sante dans l’in­dus­trie. Les évo­lu­tions de cette tech­nique de­vraient confor­ter cette ten­dance, avec des ap­pa­reils plus fa­ciles d’uti­li­sa­tion et com­pa­ti­bl

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Les 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’oeuvre 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 Da­vid­wahl, in­gé­nieur com­mer­cial chez Fa­ro Tech­no­lo­gies. « 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 Fa­ro­tech­no­lo­gies sur ce type de pro­duit. 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 Fran­çoi­sar­noul (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-

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 ».

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. 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 lec­teurs 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-

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