三维扫描技术（以下简称“3D扫描技术”）出现于20世纪60年代。然而，由于硬件成本高、扫描质量低、处理大文件困难等原因，其最初的应用受到了限制。如今，3D扫描技术已经取得了长足的进步，其应用领域从科学和工业到为电子游戏和电影创建数字角色（即利用数字技术创建的虚拟角色），甚至通过数字化来保护考古和文化遗产。
在工业领域，3D扫描是产品设计与开发、制造工艺和质量控制的工具。其应用范围甚至更广，可提供有关变形、位移和运动分析的重要信息。
在家具行业，不断创造形状复杂的产品对工程师来说是一项挑战，尤其是在处理设计师概念的原型时。由于很难将设计师的构想转化为实物形态，从概念到最终产品的原型设计往往需要多次反复。
而3D扫描技术的到来实现了重大改进。在设计师创作出全尺寸手工制作的概念设计后，工程师可以使用3D扫描技术捕捉数字副本。该数字模型可用于创建CAD模型，以便将来进行制造。关于3D扫描在家具生产各个阶段的实用性，目前还存在研究空白。
注：CAD是指计算机辅助设计，利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。它包含的基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。
本研究采用两方面的方法来评估3D扫描在家具生产中的有效性，包括文献调查和对四个实际案例的分析。所有案例研究均源自位于波斯尼亚和黑塞哥维那的萨拉热窝大学机械工程学院产品开发和设计实验室与该国家具制造公司之间的合作。
注：波斯尼亚和黑塞哥维那，简称“波黑”，是位于欧洲巴尔干半岛中西部的国家，该国的首都是萨拉热窝。
3D扫描在家具行业的应用情况
Muminović等研究者回顾了3D扫描在工业4.0中的应用情况。这些研究强调，3D扫描对于需要精确尺寸检测、虚拟图像分析和快速物理原型制造的制造商来说至关重要。
同时，这些研究报告讨论了3D扫描在工业领域的潜力，以及3D扫描仪工作流程的发展，以满足工业需求。Javaid及其合著者从工业角度确定并讨论了3D扫描的十六种主要应用，但没有具体描述在家具行业的应用。
研究者Tsipotas和Spathopoulou、Elgewely和Wang介绍了用于修复和保护古代家具的3D扫描技术。这些研究得出结论，当数字化与现代制造方法相结合时，可大幅度提高修复质量。
3D扫描在家具行业也有技术应用。研究者Sydor等人利用3D扫描能够测量出松木的不稳定性。
在这项研究中，3D扫描主要被用作一种计量工具，用于评估木制家具部件在机器人加工过程中的可持续性。
Bodi等研究者利用3D扫描探讨了数控加工中切削参数、材料特性和零件几何形状之间的关系及其对家具零件质量的影响。
在这些研究中还总结出两种评估表面平整度和粗糙度的方法，包括手动和自动测量技术。研究者证实，3D扫描有助于实现制造过程自动化，从而提高家具部件的质量。
然而，由于人们越来越需要在最短的时间内以尽可能低的价格将现实世界中的物体数字化以用于制造，如装饰品或家具的各种部件，而对所生成的3D模型的精度要求不高，因此3D扫描只能用于这些用途，而且只能用于大型物体。采用摄影测量方法不能用于扫描小而精确的物体。
为此，Valero等研究者首次研究了使用手持式和固定式扫描仪对各种复杂家具表面进行3D扫描以应对所面临的挑战。这也是最早研究使用手持式和固定式3D扫描仪对各种复杂家具表面进行3D扫描的论文之一。
通过手持激光3D扫描仪测绘实验，选取不同材料作为实验对象，利用3D扫描仪测量技术将扫描图像快速转化为一个又一个数据点。
接着通过扫描复杂家具的表面获得3D数据，然后将扫描数据转换成标准数据格式，模拟出扫描对象的模型。
上述研究是目前发现的唯一关于家具行业应用3D扫描及其方法的研究。而大部分研究都是关于其他行业的一般3D扫描技术、应用及其方法。基于这样的情况进行了本次研究，将通过实验和案例分析，来研究3D扫描在家具行业的应用情况及其优势。
实验准备
本次研究实验中使用的是便携式手持3D扫描仪（型号Eva，Artec 3D，产地卢森堡）。便携式3D扫描仪适用于中等尺寸物体（指最短30厘米，最长2米的物体）的3D扫描。这种类型的3D扫描仪相对而言非常适合家具行业。
这种基于结构光的3D扫描仪适用于快速制作大中型物体（如人体半身像、合金轮毂、摩托车排气系统或家具产品）的纹理和精确的3D模型。
注：关于结构光，是指一组由投影仪和摄像头组成的系统结构。用投影仪投射特定的光信息到物体表面后及背景后，由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息，进而复原整个三维空间。
它能以高分辨率快速捕捉精确的测量结果。Eva扫描仪重量轻、速度快、功能多，是最受欢迎的扫描仪之一，也是手持式3D扫描仪市场的领导者。
它以安全使用的结构光扫描技术为基础，是一种出色的全方位解决方案，几乎可以捕捉任何类型的物体，包括黑色和闪亮表面的物体。所有3D扫描均使用Artec Studio软件（版本为v. 15, Artec 3D, 产地卢森堡）进行处理。
3D扫描需要较高的计算能力，尤其是在处理包含多个点的大量扫描时。本研究使用了一台配备英特尔酷睿i7处理器、32GB内存和Nvidia GeForce RTX 2060显卡的计算机（型号Legion 5 Pro Gen 8，由联想集团有限公司生产，产地中国香港）作为工作站。
第一步是使用样条线绘制草图。然后利用这些草图生成曲面模型（在各边之间具有一个由计算机确定的无厚度表面）。曲面模型完成后，通过在曲面上添加体积数据创建实体CAD模型。
此外，在此次研究中还使用标准零件设计建模程序添加了一个小的矩形棱。它的棱线是看不到的，因为它不需要使用样条进行曲面建模；其简单的几何形状可以直接使用零件设计工具创建。实体模型本身是通过常规的零件设计建模程序生成的，但扫描数据可作为重要参考。
CAD模型可用于制造。但是，必须将其尺寸和公差与3D扫描模型进行比较，以确保精度。因此，在本研究中使用了检测软件（名为Zeiss Inspect Optical 3D ，版本是v.2023.2.0.1520，由卡尔·蔡司公司，一家制造光学系统、工业测量仪器和医疗设备的德国企业制作）。
检测软件通常用于测量制件的尺寸精度。首先对制造的零件进行3D扫描，然后导入检测软件，并与同一零件的CAD模型进行关联。在这种情况下，检测软件主要用于检查CAD模型的质量。
创建的CAD模型通常并不完全符合扫描数据，因此可能会出现一些偏差。在家具行业，1毫米以下的偏差都是可以接受的。在实验过程中，扫描模型与CAD模型的比较结果已经被记录下来。
现实案例研究
案例研究1
案例研究1由萨拉热窝大学机械工程学院与位于波斯尼亚和黑塞哥维那的Aptha公司合作进行。意大利家具设计师Stefano Bigi设计的家具被用于该案例研究分析。
在设计过程中，首先是用手工制作真实尺寸的初始概念模型。然后利用3D扫描技术将这些实物模型转化为数字模型。
这些扫描数据最初以点云（以标准模板库STL为名保存的 3D模型文件）的形式存在，是创建适用于制造的CAD 3D模型的基础。
注：关于三维点云（3D Point Cloud），是一种用于表示三维空间中对象或场景的数据结构。点云数据主要指通过3D扫描仪获取的海量点数据。
产品设计师的休闲椅原型通过3D扫描进行了展示。
第一步，产品设计师创建一个数字化设计。第二步，机械工程师利用该数字化设计制作出第一个原型。
在对第一个原型进行了视觉和实际检验后，设计师对椅子的形状、外观、人体工程学和实用性都不满意，于是他使用手工工具进行打磨和抛光，制作出了一个新的改良原型。
问题是最新的原型与3D CAD模型不符，因此无法用修改后的设计来制造出更多的椅子。因此，有必要对新设计进行3D扫描，并使用3D扫描模型创建新的CAD模型，为生产做好准备。
椅腿主要采用混合指令，将截面草图与另一侧镜像相结合；椅腿的下蹲部分也采用了同样的方法。
3D建模首先对原始扫描数据（点云）采用标准的曲面建模技术。这包括在扫描表面创建多个样条。
接着，使用扫描命令生成初始曲面模型。然后，沿着扫描数据的边缘进行切割，对曲面进行细化。
最后，以10毫米的厚度创建实体3D CAD模型。
被研究分析的这把休闲椅由椅腿、座椅和用于搁置椅腿的独立部件组成。
在这种情况下，扫描所有三个部件大约需要两个小时；处理所有三个部件的扫描结果大约需要五个小时；3D建模（逆向工程），即首先对物理对象进行测量，然后使用 3D 扫描技术将其重建为 3D 模型，生成的数据为点云形式，接着转换为网格文件，可以保存为各种文件格式，包括 STL，再使用 3D CAD 软件对网格文件进行逆向工程处理，最终让现有物理对象转换为三维 (3D) 模型，还需要六个小时。
对休闲椅座椅的尺寸分析表明，偏差远小于1毫米，完全在家具制造的可接受公差范围内。
值得注意的是，对于像这种座椅之类经过压制和变形的层压木质部件，可能没有必要在整个结构中实现极高的尺寸精度。
生产过程中可能会出现细微的裂缝和分层，在这种情况下，这些瑕疵也是可以接受的，因为最终产品将使用软质材料进行装饰，从而有效地掩盖这些瑕疵。在这些部件中，可以接受的尺寸偏差可达几毫米。
案例研究2
对于家具行业应用3D扫描的第二个研究案例是，需要一个已经制造好的椅子部件的3D CAD模型。
在这种情况下，需要复制相同的部件，但该部件没有任何技术文件，所以必须使用焊接管制造椅子的框架。
框架具有复杂的几何形状，无法使用传统技术（接触法）进行测量。该项目得到了标准家具厂（Ilija，位于波斯尼亚和黑塞哥维那）的支持。因此，扫描时间、扫描处理和3D建模（逆向工程）各耗时一小时左右。
在这项案例研究中的部件的逆向工程使用Geomagic DesignX软件进行。整个部件由相同直径的管道制造而成，因此逆向工程过程非常简单。
在研究时使用了挤压指令。该命令允许用户从扫描的STL模型中选择数据的某些部分，并自动识别所选数据的形状和近似尺寸。
注: 关于挤压指令，挤压是一种常用的建模技术，可以通过拉伸和压缩几何体来创建具有特定形状和尺寸的模型。
在这种情况下，命令识别出圆柱体是这些数据的最佳近似值。在第二步中，这个圆柱体被挤压指令操作至管道的末端。
所有部件都重复这一过程。第三步，对所有管材操作挤压的指令后将剩余部分切割并连接成一个部件。在创建了理想的CAD 3D模型后，标准家具厂（Ilija，位于波斯尼亚和黑塞哥维那）使用传统的管道切割和焊接工艺复制了该产品。
对研究数据分析后可以看出，创建的CAD模型与3D扫描点云相比，除左后腿外，所有偏差都在1毫米左右。
这种偏差是3D扫描过程中的误差造成的，由于存在这样的误差，扫描仪无法检测到真实零件的表面。
案例研究3
在这个案例中，需要复制客户发送的已生产部件，但没有任何技术文档。第一步是进行3D扫描，创建3D CAD模型。CAD模型随后用于使用机械手（或称机器人手爪，是一种可以实现类似人手功能的机器人部件）制造模具。
之后，使用制造的工具模具大规模复制相同的部件。同样地，也进行了整个3D建模逆向工程。该项目是与Wood Team d.o.o（Ilija公司，位于波斯尼亚和黑塞哥维那）合作进行的。与案例研究2一样，扫描时间、扫描处理和3D建模（逆向工程）各耗时约一小时。
案例研究4
第四个案例研究主要分析为新桌子设计开发支撑部件的必要性，它的设计风格是奥匈帝国古典风。
首先对有缺陷的旧部件进行3D扫描，然后利用扫描数据制作新部件。
这个案例研究中的桌子的形状和表面都比较复杂，因此扫描和扫描处理的时间大约需要两个小时。在这种情况下，没有进行3D建模，因为该产品将通过砂型铸造进行复制。
注：砂型铸造是指在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。
如果使用的是砂型铸造的制造方法，3D模型的表面质量不需要是理想的CAD模型形式。此外，对于这类家具而言，也不需要有出色的表面质量。
该3D模型可以以STL文件的形式保存。在Artec Studio软件中，以扫描的桌子腿部为参考，可以为设计的桌子轻松添加缺失的腿部。
此外，只能通过3D打印一条桌腿，并用于砂型铸造工具的制造。基于3D打印所需的材料条件，最好只打印一条桌腿。
通过这项案例研究并分析得到的数据后发现，增材制造（3D打印）和逆向工程（基于3D扫描）能够对旧的制造工艺（如砂型铸造）产生重大影响并使之现代化。
3D扫描、逆向工程和3D打印的作用与优势
第一个分析的案例研究讨论了利用3D扫描技术将设计师或建筑师的初步概念设计数字化的问题。手工创作的设计被扫描成STL 3D模型，再用于生产。
首先对休闲椅原型进行3D扫描，设计师随后使用手工工具修改了设计，但与现有的CAD模型不匹配，需要重新扫描并创建CAD模型。
通过这种迭代方法，开发出了高品质的家具设计。因此，案例1证明了3D扫描可将产品设计师最初的概念设计数字化。实物模型可以转换成3D数字CAD模型，然后进行分析、修改和存储。
对于需要在早期设计阶段进行精确尺寸检测、虚拟成像、分析甚至物理原型制造的生产商来说，这项技术正变得至关重要。
3D扫描已经被应用于各行各业，如汽车、医疗保健、建筑和家具行业。它可以对复杂的曲面进行逆向工程，并为生产系统做准备。
总之，研究案例1证明了在缺乏技术文档的情况下，3D扫描可用于家具部件的数字化。
第二个案例研究进一步介绍了3D扫描的具体应用。
使用3D扫描仪还可以分析模型表面偏差、尺寸偏差和几何公差（第二个和第三个案例研究都涉及）。这些信息有助于在生产过程中控制几何误差，从而保持生产质量。
实际上，智能工厂可以利用3D计量数据提高生产质量以获得竞争优势。
通过第四个案例研究分析能够获得历史和艺术物品的几何文献，从而对文化遗产进行保存和保护。
实验证明，在文化遗产保护中应用3D数字技术有助于改进与诊断并修复相关的信息和数据的收集、存储和查询。
而且研究案例4还证明在没有技术文件的情况下，也可以利用3D扫描对家具部件进行数字化记录，并帮助其保存和修复。
从文献综述和介绍的四个案例研究中可以得出结论，3D扫描和逆向工程已成为当今工业中需要进行新产品开发和设计的不可或缺的部分。它几乎可应用于所有开发、设计、制造和质量控制环节。
在波斯尼亚和黑塞哥维那，3D扫描被广泛应用于家具行业，特别是逆向工程以及新产品的设计和开发。
此外，通过分析旧式桌子支撑部件的案例（案例研究4），发现逆向工程与3D扫描和3D打印技术能够对旧式制造工艺进行重大改进。
对于希望提高新产品开发和设计效率的家具制造商来说，整合3D扫描技术具有显著优势。目前，3D扫描仪，尤其是具有标准精度等级的3D扫描仪，价格相对低廉，适用于家具制造，具有大幅加快新产品开发和设计流程的潜力。3D扫描技术大幅度缩短了从最初的设计草图到最终产品制造所需的时间。
通过探讨3D扫描在家具行业的当前应用，本文研究了为何以及如何让3D扫描有利于家具设计和生产。四个实际案例研究展示了3D扫描和3D CAD建模在家具制造中的结合应用。
总之，文献综述和针对家具行业进行的实际实验案例证明了3D扫描在以下关键应用中的价值：
1.通过3D扫描，可以根据实物原型创建精确的3D CAD模型，从而简化新家具的开发流程。
2.制造商可以通过比较扫描组件和CAD模型来验证尺寸精度，从而获得更高质量的最终产品。
3.3D扫描有助于古董家具的保存、分析和重建。
4.这项技术可以复制现有的家具产品，即使是在技术文档不完整或缺失的情况下。
此外，通过上述四个案例研究可以发现，3D扫描、逆向工程和增材制造（3D打印）的相关知识与技术已经成为当今工程师和设计师需要掌握的重要技能之一。
