Спрей для 3D-сканирования неисчезающий и способ его использования
NON-FADING 3D SCANNING SPRAY AND METHOD OF USING IT

Область техники
Изобретение относится к области 3D-печати и может использоваться практически в любых отраслях промышленности для изготовления трехмерных изделий и объектов различного назначения. Более конкретно изобретение относится процессу подготовки объекта к 3D-печати, а именно, к не исчезающему спрею для 3D-сканирования и способу его использования.
Уровень техники
Концепция 3D-печати была изложена Дэвидом Джонсом (David Е.Н. Jones) в 1974 году. Однако методы и материалы для изготовления моделей были разработаны только в начале 1980-х годов. Термин "3D-печать" охватывает многочисленные процессы и методы, которые предлагают широкий спектр возможностей для производства деталей и изделий из различных материалов. В последние годы эти процессы значительно развились и в настоящее время могут играть решающую роль во многих областях применения.
3D-печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой процесс создания физического объекта из трехмерной цифровой модели или модели САПР. Он включает в себя различные компьютерные технологии, в которых материал соединяется или затвердевает для создания реального объекта.
Вместе с тем для осуществления 3D-печати требуются специальные подготовительные операции, такие, в частности, как 3D-сканирование объекта, которое в свою очередь требует использования средств, которые улучшают и ускоряют качество сканирования и без которых зачастую выполнить сканирование, а соответственно, и печать, невозможно. К таким средствам относятся различные спреи для 3D-сканирования.
Наиболее популярны и распространены два типа сканирования, это оптическое с использованием структурного света и лазерное. В первом случае на объект проецируется координатная сетка, которая считывается камерами и в зависимости от искривления строится облако точек, которое потом конвертируется в трехмерный объект. Лазерный сканер вместо проецирования световой сетки проецирует лазерную сетку методом триангуляции и приемником считывает скорость, с которой приходит отклик луча обратно и тем самым вычисляя удаленность до той или иной части объекта в итоге на базе вычислений так же формируется облако точек, из которого в дальнейшем вычисляется сам объект. И та и другая технология имеют минусы при работах с некоторыми типами объектов, для оптических сканеров довольно сложно увидеться черный цвет и глянцевые или прозрачные поверхности, на глянце проецируемая сетка имеет сильные помехи, что затрудняет точность вычислений, а на прозрачную поверхность структурированный свет просто не проецируется, а проходит сквозь нее. У лазерных сканеров похожая проблема и точность вычислений резко падает при сканировании прозрачных, зеркальных и глянцевых поверхностей, по сути по той же причине сильных искажений лазерного луча, хотя для лазерного луча черный поверхности не проблема, и глянец он считывает намного лучше, чем оптические. В итоге конечно чаще всего матирования требуют объекты при оптическом сканировании, но и лазерные сканеры тоже имеют такую необходимость хоть и в меньшей мере.
Для этих целей используют специальные спреи, которые распыляют на сканируемый объект. Задача спрея при 3D-сканировании максимально матировать поверхность для того, чтобы свет или лазер, проецируемый на поверхность, имели как можно меньше искажений, и чем тоньше слой и чем мельче и однороднее матирующие частицы, тем выше точность сканирования.
Отдельная проблема - это удаление матирующих частиц, которыми покрывают объекты, поэтому наиболее лучший вариант, когда матирующие частицы исчезают с объекта самостоятельно, либо очень легко могут быть удалены с объекта простыми средствами. При этом не должно ухудшаться качество сканирования.
Таким образом, ввиду востребованности указанной технологии 3D-печати во многих сферах промышленности и искусства создание новых средств для 3D-сканирования является актуальной проблемой.
Известны патентные разработки в этой области, например, известны патентные документы Кореи: заявка KR 20210091901 А, опубликовано 23.07.2021, заявка KR 20170049833 А, опубликовано 11.05.2017, заявка KR 20170032594 А, опубликовано 23.03.2017, заявка KR 20150079059 А, опубликовано 08.07.2015. В указанных документах раскрыты составы спреев для 3D-сканирования. Известные составы, как правило, содержат действующее вещество и растворитель. Известные составы являются не исчезающими и остаются на объекте после сканирования, что усложняет процесс и требует удаления средства с объекта. Кроме того, качество получаемых покрытий не всегда позволяет осуществить качественное сканирование объекта.
Наиболее близким аналогом предложенной разработке является заявка KR 20210091901 А. В качестве действующего вещества спрея может быть использован карбонат кальция, а также состав может содержать растворители. Известный спрей имеет очень пышное (толстое) покрытие, которое либо трудно удалить, либо это сильно влияет на качество сканирования.
Как уже было указано выше, отдельная проблема при использовании подобных спреев - это удаление матирующих частиц, которыми покрывают объекты, поэтому наиболее лучший вариант, когда матирующие частицы легко могут быть удалены с объекта простыми средствами. Вместе с тем, качество получаемого матирующего слоя не всегда позволяет провести качественное сканирование объектов, особенно сложной формы.
Таким образом, задачей предложенного изобретения является преодоление недостатков известного уровня техники и создание средства для 3D-сканирования, которое легко удаляется с объекта, и при этом обеспечивается высокое качество получаемого матирующего слоя, что в свою очередь улучшает качество сканирования.
Раскрытие изобретение
Для решения этой проблемы и достижения поставленных задач мы предлагаем спрей для 3D сканирования, не исчезающий, который содержит химически осажденный карбонат кальция с покрытием в качестве пигмента (3-5 мас. %), изопропанол, метанол и/или этанол в качестве капленосителя (8-12 мас. %) и, по меньшей мере, один растворитель, выбранный из группы: диметиловый эфир, диэтиловый эфир, пентан, метоксипропанол, н-бутоксипропанол, петролейный эфир (83-87 мас. %).
Спрей после нанесения не исчезает, а имеет перманентую основу. Спрей закачивается в аэрозольный баллон под давлением. Также предложен способ использования предлагаемого спрея, при котором на объект, подлежащий 3D сканированию, наносят спрей из аэрозольного баллона, после испарения растворителя остается тонкий слой пигмента, а для удаления пигмента подходит любое подручное средство или можно смыть водой.
Техническим результатом изобретения является обеспечение средства для 3D-сканирования, которое легко удаляется с объекта, когда это требуется. Также обеспечивается длительное 3D-сканирование без негативного влияния на качество и без необходимости постоянной обработки дополнительным количеством спрея, в связи с чем уменьшается расход спрея, а сам процесс сканирования становится стабильным с точки зрения качества. Также результатом является относительная экологичность средства и расширение ассортимента средств для 3D-сканирования.
В качестве пигмента в спрее мы используем химически осажденный карбонат кальция с покрытием, что позволяет делать слой для 3D сканирования очень тонким и это хорошо для точности сканирования. Известные нам спреи подобных составов имеют очень пышное покрытие которое либо трудно удалить, либо это сильно влияет на качество сканирования.
3
Мел химически осажденный (СаСО) представляет собой высокодисперсный порошок белого цвета. Химическая чистота, отсутствие примесей, заданная морфология и управляемое распределение частиц позволяют химически осажденный мел использовать для матирования поверхностей при 3D сканировании. Указанные свойства химически осажденного карбоната кальция обеспечивают длительное 3D-сканирование без негативного влияния на качество и без необходимости постоянной обработки дополнительным количеством спрея, в связи с чем уменьшается расход спрея, а сам процесс сканирования становится стабильным с точки зрения качества.
Технологически процесс производства химически осажденного карбоната кальция в общем виде состоит из следующих стадий:
- гашение извести и очистка известкового молока;
- карбонизация известкового молока;
- очистка и фильтрация мелового молока;
- сушка меловой пасты;
- размол.
Поскольку химически осажденный карбонат кальция получают искусственно, то это позволяет избавиться от примесей, задать нужную морфологию и степень (равномерность) помола получаемых частиц. Все это позволяет улучшить свойства карбоната кальция с улучшением свойств получаемого матирующего слоя.
Покрытие частиц карбоната кальция осуществляют веществом из группы поверхностно-активных полимеров, состоящей из поликарбоксилатов, полиакрилатов, полиэфиров, производных жирных кислот и их смеси. Нанесение покрытия еще больше позволяет улучшить свойства получаемого порошка, повысить качество получаемого при распылении слоя, снизить вероятность агломерации частиц, повысить оптические свойства частиц, полезные для сканирования.
Сам прием покрытия частиц полимером является известным для специалиста. Технология покрытия также известна и не требует специального раскрытия.
Изопропанол (изопропиловый спирт, ИПС) в составе спрея выполняет функции капленосителя. Основное его предназначение доставить действующее вещество до поверхности сканируемой модели. Основная причина выбора изопропанола, кроме физических свойств, - доступность на рынке. Также предпочтительным может быть использование абсолютированного изопропанола. Абсолютированный изопропанол используется по причине того, что 3D-сканирование - это очень тонкий и чувствительный процесс и более высокая чистота изопропанола позволяет повысить качество и равномерность наносимого аэрозоля.
Также в качестве капленосителя может быть использован метанол и/или этанол, в том числе абсолютированные. Также могут быть использованы смеси изопропанола, метанола и этанола в любом соотношении.
В качестве растворителя может быть использован, по меньшей мере, один растворитель, выбранный из группы: диметиловый эфир, диэтиловый эфир, пентан, метоксипропанол, н-бутоксипропанол, петролейный эфир, гексана. Растворитель используется в составе спрея для исключения агломераций внутри аэрозольного баллона.
2
6
3
3
Диметиловый эфир (метиловый эфир, метоксиметан, древесный эфир, химические формулы CHO, НС-О-СН) - простой эфир, наиболее подходящий по всем параметрам. За счет использования диметилового эфира удалось улучшить запах при работе со средством, улучшили адгезию пигмента к поверхности за счет оптимального соотношения спирта и диметилового эфира, который в отличии от пентана имеет отрицательную температуру кипения, и так-же улучшили за счет диметилового эфира распределение на поверхности, он позволяет более равномерно распределять пигмент.
Пентан по своим физическим и химическим свойствам также отвечает нашим требованиям. Пентан - насыщенный ациклический углеводород класса алканов. Он быстро испаряется, не токсичный, доступен в продаже. Эти качества повлияли на выбор пентана в качестве растворителя.
Диэтиловый эфир, как вариант использования, также подходит. Ему свойственна хорошая летучесть и самая низкая температура кипения 34°С близкая к пентану (36°С). Метоксипропанол подходит, исходя из сочетания свойств эфира и спирта, отраслей применения, а также по параметру низкой токсичности. Н-Бутоксипропанол тоже подходит, исходя из-за сочетания свойств эфира и спирта, отраслей применения, а также по параметрам низкой токсичности и хорошей скорости испарения. Нефрас П4 (36/100 или 30/80), он же петролейный эфир, содержит в составе более 50% пентана и гексана, температура кипения и свойства почти как у н-пентана, по токсичности будет как диэтиловый эфир. Также является удовлетворительным использование гексана.
При этом можно использовать смеси указанных растворителей в любых соотношениях и сочетаниях.
3
3
Экспериментальным путем была выведена рецептура для матирующего спрея отвечающая заданным требованиям: равномерность слоя, отсутствие подтеков, оптимальный расход. Оптимальным является соотношение: растворитель - 85 мас. %, капленоситель - 10 мас. %, СаСО (хо) - 5 мас. %. При таком содержании капленосителя при распылении слой ложится равномерно, подтеков нет. Вместе с тем рабочими диапазонами значений, в которых достигается технический результат, может быть представлен в следующем виде: растворитель - 83-87 мас. %, капленоситель - 8-12 мас. %, СаСО (хо) - 3-7 мас. %. В указанных диапазонах качество матирующего слоя вполне удовлетворительно.
Снижение количества карбоната кальция менее 3 мас. % не позволяет получить матирующий слой надлежащего качества, поскольку количество пигмента является недостаточным для обеспечения сканирования. Увеличение количества более 7 мас. % не улучшает качество слоя, а лишь приводит к дополнительному расходу реагента.
Существенное снижение количества растворителя приводит к агломерации частиц пигмента внутри аэрозольного баллона.
Снижение количества капленосителя не позволяет получать ровный и тонкий матирующий слой без подтеков.
Спрей закачивается в аэрозольный баллон под давлением. Соответственно, из аэрозольного баллона состав наносится на объект и после испарения растворителя на объекте остается только пигмент, тем самым мы убираем блеск или снижаем по контрасту черный, что позволяет провести оптическое сканирование любым сканером. Использование предложенного состава позволяет нам делать слой для 3D сканирования очень тонким и это хорошо для точности сканирования. Также отсутствует необходимость постоянной обработки дополнительным количеством спрея, в связи с чем уменьшается расход спрея. В последствие для очистки объекта используются подручные механические средства (ветошь, безворсовые салфетки и т.д.) или просто смывается все водой, если объект для сканирования это позволяет.
Сам процесс 3D-сканирования является широко известным для специалистов и описан в общедоступной литературе и в сети Интернет. Все технические средства, используемые для этого процесса, также являются известными и не требуют специального раскрытия.
Пример, который следует далее, служит для иллюстрации настоящего изобретения и не ограничивает его объем.
Осуществление изобретения
Нами были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных диапазонов концентраций компонентов и качеству получаемых покрытий. Приводим пример, показавший оптимальный результат.
Для изготовления спрея использовались следующие вещества при следующем соотношении компонентов, мас. %:
диметиловый эфир - 85
ИПС (химически чистый) - 10
3
химически осажденный СаСО с покрытием - 5.
В качестве покрытия частиц карбоната кальция использовали полиакрилат натрия. Покрытие наносилось по указанной выше методике.
Указанный состав по стандартной технологии был закачан в баллон под давлением.
Был осуществлен процесс 3D-сканирования по технологии, описанной выше, а именно, на объект, подлежащий 3D-сканированию, наносили указанный состав в виде аэрозоля из баллона под давлением для высаживания частиц карбоната кальция на объекте. После испарения растворителя на объекте остался видимый тонкий и плотный слой пигмента. Качество покрытия позволило провести вполне качественное 3D-сканирование без нанесения дополнительных средств.
После завершения процесса 3D-сканирования для удаления матирующего слоя с объекта сканирования была использована обычная влажная салфетка. Без дополнительных вмешательств и средств слой легко был удален, какие-либо следы спрея на объекте отсутствуют.
Представленный пример подтверждает возможность реализации назначения группы изобретений и достижения заявленного технического результата.
Также были проведены исследования с различными сочетаниями капленосителей и растворителей. Исследования показали, что приведенные в формуле вещества являются оптимальными и позволяют получать вполне качественное покрытие, что в свою очередь, позволило провести вполне качественное 3D-сканирование без нанесения дополнительных средств.