Средство для 3D-сканирования и способ 3D-сканирования с его использованием
A 3D SCANNING TOOL AND A 3D SCANNING METHOD USING IT

Область техники
Изобретение относится к области технологий 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 исчезающему средству 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 триангуляци 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 увидеть 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 цвет поверхности не проблема, и глянцевую поверхность 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.
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 не являются исчезающими и остаются на объекте после сканирования, что усложняет процесс и требует удаления средства с объекта.
Наиболее близким аналогом предложенной разработке является производимый нами безпигментный антибликовый (матирующий) исчезающий спрей Ghost, который разработан нами специально для 3D-сканирования сложных объектов, с которых невозможно его механическое удаление губкой/ветошью или смыванием. Основой указанного спрея Ghost является адамантан. Матовый слой, возникающий в результате применении спрея, исключает появление бликов и обеспечивает высокую точность сканирования на зеркальных и отражающих поверхностях (стекло, металл, полировка и др.). 3D-спрей подходит для использования со всеми типами 3D-сканеров, включая лазерные в красном и голубом диапазоне и оптические системы белого света. Информация об указанном спрее находится в свободном доступе в сети Интернет, его краткое описание содержится например на сайте https://market.vandex.ru. Основой указанного спрея Ghost является адамантан.
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 исчезают с объекта самостоятельно, что и обеспечивают кристаллы адамантана, в этом случае достаточно просто подождать несколько часов и объект будет чистым.
Но это не решает вторую проблему, так как большие объекты, такие, как автомобили, мотоциклы, вертолеты, грузовые автомобили и т.д., требуют довольно много времени для нанесения спрея и чаще всего при сканировании используется один специалист, и после того, как объект заматирован еще требуется поставить метки (маркеры) для того, чтобы сканер имел более четкую привязку к тем или иным частям объекта, а так как адамантан полностью сублимирует в зависимости от окружающей среды по разному, от 1 до 3 или 4 часов, то пока объект будет полностью матирован и расставлены метки адамантан уже почти полностью испаряется и матового слоя уже почти нет.
Так как адамантан полностью сублимируется примерно за 1-4 часа то уже в процессе незавершенной сублимации некоторые участки обработанного объекта полностью освобождены от адамантана, что при длительном 3D-сканировании негативно влияет на качество и приходится постоянно обрабатывать дополнительно спреем в связи с чем увеличивается расход спрея да и сам процесс сканирования становится нестабильным с точки зрения качества.
Эти обстоятельства и являются главными недостатками известного спрея Ghost.
Таким образом, задачей предложенного изобретения является преодоление недостатков известного уровня техники и создание средства для 3D-сканирования, которое легко удаляется с объекта, когда это требуется, и при этом обеспечивается возможность более продолжительного сканирования без исчезновения средства, что позволяет сканировать большие объекты.
Раскрытие изобретения
Для решения этой проблемы и достижения поставленных задач мы предлагаем покрывать высаженные кристаллы адамантана полимерной пленкой, которая не дает адамантану сублимировать и полностью останавливает этот процесс и при необходимости можно растворить пленку и запустить процесс сублимации для удаления кристаллов адамантана.
Техническим результатом изобретения является обеспечение средства для 3D-сканирования, которое легко удаляется с объекта, когда это требуется, и при этом обеспечивается возможность более продолжительного сканирования без исчезновения средства, что позволяет сканировать большие объекты. 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.
Более конкретно предлагается многокомпонентное средство для 3D-сканирования, включающее три состава:
- первый состав содержит адамантан, растворенный в циклопентане и затем разбавленный абсолютированным изопропанолом, который играет роль капленосителя,
- второй состав состоит из поливинилпирролидона (ПВП), растворенного в абсолютированном изопропаноле, и
- третий состав состоит из абсолютированного изопропанола, необязательно смешанного с дистиллированной водой.
Также предложен способ 3D-сканирования с использованием средства, который включает, по меньшей мере, следующие стадии:
- на объект, подлежащий 3D-сканированию, наносят первый состав в виде аэрозоля для высаживания адамантана на объекте;
- на образовавшиеся кристаллы адамантана наносят второй состав в виде аэрозоля для образования полимерной пленки и остановки процесса сублимации адамантана;
- осуществляют 3D-сканирование объекта;
- после завершения процесса 3D-сканирования для удаления адамантана с объекта сканирования наносят третий состав в виде аэрозоля, растворяющий полимерную пленку, что позволяет снова запустить процесс сублимации адамантана.
10
16
Адамантан (Per. номер CAS - 281-23-2) - химическое соединение, насыщенный трициклический мостиковый углеводород с формулой СН. Молекула адамантана состоит из трех циклогексановых фрагментов, находящихся в конформации «кресло». Адамантан медленно сублимирует (переходя из твердого вещества в газообразное минуя плавление и кипение) уже при комнатной температуре. Поэтому, если нанести его тонким слоем на поверхность, то через какое-то время он с этой поверхности испарится.
Изопрапанол в составе спрея выполняет функции капленосителя. Основное его предназначение доставить раствор адамантана до поверхности сканируемой модели. Основная причина выбора изопропанола, кроме физических свойств, - доступность на рынке. 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 абсолютированный изопропанол обладает лучшими растворяющими свойствами в отношении ПВП, что ускоряет растворение и удаление пленки.
Циклопентан относится к неполярным органическим растворителям, в нем очень хорошо растворяется адамантан. По сравнению с другими растворителями этой группы он мало токсичен, озононеразрушающий, не имеет резкого запаха. Эти качества повлияли на выбор циклопентана в качестве растворителя для адамантана.
6
9
n
Поливинилпирролидон (Рег. номер CAS-9003-39-8) водорастворимый полимер, составленный из мономерных единиц N-винилпирролидона. Брутто-формула (CHNO)). Также хорошо растворяется в органических растворителях.
Дистиллированная вода использовалась для повышения качества смыва полимерной пленки и так же для удешевления, соответственно, смывать можно как смесью с водой, так и только изопропанолом без воды, просто водой довольно неэффективно и долго. Преимущественно соотношение ИПС с дистиллированной водой составляет от 60:40 до 100:0, соответственно.
Экспериментальным путем было выяснено что, адамантан плохо растворяется при концентрации выше 15 мас. %, для получения рабочего равномерного слоя достаточно 9% раствора, менее 5% адамантана ухудшает процесс сканирования. Таким образом, рабочим интервалом концентрации адамантана является от 5 до менее 15% (например, 6, 7,8, 9, 10, 11, 12, 13 или 14% или не целые значения, такие как 8,5, 9,5, 10,5%). Количество изопропанола экспериментально вывели в количестве 8-13 мас. % от массы первого состава, т.е. например, 9, 10, 11 или 12%, преимущественно около 12%. При таком содержании изопропанола при распылении слой ложится равномерно, подтеков нет.
Количество ПВП во втором составе не является принципиальным и подбирается с учетом того, что должен быть раствор ПВП, т.е. должно обеспечиваться растворение. Большее количество растворенного ПВП влияет лишь на толщину образующейся пленки, но не на качество сканирования. Оптимальным является содержание ПВП от 1 до 2%.
Сам процесс 3D-сканирования является широко известным для специалистов и описан в общедоступной литературе и в сети Интернет. Под 3D-сканированием понимают оптическое или лазерное 3D-сканирование. Все технические средства, используемые для этого процесса, также являются известными и не требуют специального раскрытия.
Более подробно способ использования средства описан ниже.
Состав №1 - это вышеупомянутый адамантан с циклопентаном и изопропанолом, который под давлением разливаем в аэрозольные баллоны. Задача первого аэрозоля высадить на нужный нам объект кристаллы адамантана, соответственно, при орошении любой поверхности после того, как происходит испарение циклопентана, мы можем наблюдать высаженные белые кристаллы адамантана, которые после этого начинают процесс сублимации в процессе которого постепенно происходит полное исчезновение кристаллов адамантана.
Так как адамантан полностью сублимируется примерно за 1-4 часа, то уже в процессе незавершенной сублимации некоторые участки обработанного объекта полностью освобождены от адамантана, что при длительном 3D-сканировании негативно влияет на качество и приходится постоянно обрабатывать дополнительно спреем в связи с чем увеличивается расход спрея да и сам процесс сканирования становится нестабильным с точки зрения качества.
В связи с этим для полной остановки процесса сублимации адамантана мы используем состав №2 в виде аэрозоля в баллоне, который состоит из поливинилпиролидона (ПВП), растворенного в абсолютированном изопропаноле, что дало возможность полностью остановить процесс сублимации адамантана.
По процессу это выглядит так:
1 - берем аэрозоль №1 и высаживаем адамантан на поверхности сканируемого объекта;
2 - после того, как кристаллы высадились, мы берем аэрозоль №2 и покрываем сверху участок, обработанный аэрозолем №1, вследствие чего мы покрываем тонкой полимерной пленкой этот участок, т.е. окутываем все кристаллы адамантана пленкой ПВП, не давая дальше происходить процессу сублимации;
3 - осуществляем 3D-сканирование;
4 - для того чтобы вновь запустить процесс сублимации адамантана после сканирования, нужно убрать образованную полимерную пленку из ПВП. Для этого мы используем еще один баллон, в составе которого просто абсолютированный изопрапанол, под давлением смешанный с дистиллированной водой (необязательно), и для полного растворения пленки мы обрабатываем участок, на котором находятся высаженные кристаллы адамантана, покрытые полимерной пленкой, тем самым растворяем пленку ПВП изопропанолом и активируем процесс сублимации опять, после чего примерно через 1-4 часа адамантан полностью сублимируется и исчезает.
Предложенная разработка полностью позволяет остановить процесс сублимации, а потом запустить его тогда, когда это надо. Эта исключает трудности, появляющиеся при сканировании больших объектов, таких как авто, грузовики и т.д. (адамантан начинает исчезать еще до начала процесса сканирования, так как нужно очень много времени для того, чтобы покрыть объект).
Примеры, которые следуют далее, служат для иллюстрации настоящего изобретения и не ограничивают его объем.
Осуществление изобретения
Нами были проведены экспериментальные исследования по определению оптимальных диапазонов концентраций компонентов и качеству получаемых покрытий.
Был осуществлен процесс 3D-сканирования по технологии, описанной выше, а именно, на объект, подлежащий 3D-сканированию, наносили первый состав в виде аэрозоля в различных концентрациях для высаживания адамантана на объекте, через некоторое время на образовавшиеся кристаллы адамантана наносят второй состав в виде аэрозоля, после испарения растворителя образовалась полимерная пленка, что остановило процесс сублимации адамантана. Экспериментальные исследования показали, что пленка сохраняется до 10 часов, что позволило осуществить качественную обработку адамантаном крупного объекта и его 3D-сканирование. После завершения процесса 3D-сканирования для удаления адамантана с объекта сканирования из баллона наносят третий состав в виде аэрозоля, растворяющий полимерную пленку. Пленка быстро растворяется и запускается процесс сублимации адамантана. Без дополнительного вмешательства в среднем через 2-3 часа какие-либо следы средства на объекте отсутствуют.
Часть результатов исследований представлена в таблицах ниже.
Таблицы №1-5 показывают варианты составов первого состава аэрозоля.
Таблицы №6-8 показывают варианты второго состава аэрозоля для фиксации. В данных таблицах под фиксажем понимается пленкообразующий полимер поливинилпирроллидон.
Таблицы №9-11 показывают варианты третьего состава аэрозоля для удаления пленки.