Διπλωματική Εργασία. Αυτοματοποίηση 3d σκαναρίσματος μέσω κάμερας

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διπλωματική Εργασία Αυτοματοποίηση 3d σκαναρίσματος μέσω κάμερας Δημητρακάκης Ιωάννης Α. Μ. 09012 Επιβλέπων Καθηγητής: Αζαριάδης - Τοπάλογλου Φίλιππος Συνεπιβλέποντες Καθηγητές: Παπανίκος Παρασκευάς Σταυράκης Μόδεστος Σύρος, Σεπτέμβριος 2016 1

Δηλώνω υπεύθυνα ότι η διπλωματική εργασία είναι εξ ολοκλήρου δικό μου έργο και κανένα μέρος της δεν είναι αντιγραμμένο από έντυπες ή ηλεκτρονικές πηγές, μετάφραση από ξενόγλωσσες πηγές και αναπαραγωγή από εργασίες άλλων ερευνητών ή φοιτητών. Όπου έχω βασιστεί σε ιδέες ή κείμενα άλλων, έχω προσπαθήσει με όλες μου τις δυνάμεις να το προσδιορίσω σαφώς μέσα από την καλή χρήση αναφορών ακολουθώντας την ακαδημαϊκή δεοντολογία. 2

Copyright Δημητρακάκης Π. Ιωάννης, 2015-2016, Πανεπιστήμιο Αιγαίου Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση ότι θα αναφέρεται η πηγή προέλευσης και θα διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτή την εργασία εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Πανεπιστημίου Αιγαίου. 3

Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Πανεπιστήμιο Αιγαίου, στο τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων και Συστημάτων, κατά το ακαδημαϊκό έτος 2015-2016. Η ολοκλήρωση της εργασίας θα ήταν αδύνατη χωρίς τη πολύτιμη υποστήριξη του επιβλέποντα καθηγητή μου, κ. Αζαριάδη - Τοπάλογλου Φίλιππου. Θα ήθελα να του εκφράσω ένα μεγάλο ευχαριστώ για όλη τη βοήθεια που μου προσέφερε. Χρωστάω, επίσης, ένα μεγάλο ευχαριστώ στους κ.κ. Παρασκευά Παπανίκο και Σταυράκη Μόδεστο, για τις πολύτιμες συμβουλές που μου έδωσαν πάνω στο θέμα, αλλά και για την προθυμία τους για βοήθεια όποια στιγμή τους χρειαζόμουν. Επίσης ευχαριστώ τον κ. Μπάιλα Κων/νο για την εργαστηριακή βοήθεια που μου προσέφερε. Τέλος, ευχαριστώ τους γονείς μου, οι οποίοι με στήριζαν πάντα και στους οποίους οφείλω όλη τη διαδρομή των σπουδών μου μέχρι και σήμερα. Δημητρακάκης Ιωάννης Σύρος, Σεπτέμβριος 2016 4

Περίληψη Η τρισδιάστατη σάρωση είναι κάτι σχετικά καινούργιο στη ζωή μας. Για το λόγο αυτό είναι μια διαδικασία που βρίσκεται σε εξέλιξη τόσο από άποψη κατασκευής σαρωτών όσο και από άποψη λογισμικού. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση μιας βάσης για την στήριξη και περιστροφή του αντικειμένου σάρωσης σε συνδυασμό με τεχνολογία ψηφιοποίησης που βασίζεται σε δομημένο φως. Προτείνεται μία βάση στήριξης με εσωτερικό μηχανισμό κίνησης (stepper motor) που προσφέρει περιστροφικό βαθμό ελευθερίας με αποτέλεσμα να επιταχύνεται σημαντικά η διαδικασία της συνολικής σάρωσης ενός αντικειμένου. Η δομή της εργασίας ακολουθεί τα εξής βασικά βήματα: Μελέτη της εξέλιξης που οδήγησε στην τρισδιάστατη σάρωση. Έρευνα των υφιστάμενων μηχανημάτων και εξοπλισμού σάρωσης του εργαστηρίου. Σχεδίαση της βάσης στήριξης, με τον μηχανισμό κίνησης εσωτερικά. Επιλογή των υλικών κατασκευής σε σχέση με τις ιδιότητές τους και το μέγιστο βάρος και μέγεθος που θα μπορεί να αντέξει η βάση. Προτάσεις κατασκευής και βελτιστοποίησης. Συμπεράσματα. 5

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Τρισδιάστατος σαρωτής (3D scanner).12 1.1 Σκοπός της παρούσας εργασίας.... 12 1.2 Ιστορική Αναδρομή...13 1.3 Θεωρητική περιγραφή.....15 1.4 Βασικές αρχές λειτουργίας.....16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Τεχνικές σάρωσης.... 18 2.1 Γενική περιγραφή...18 2.2 Σάρωση με επαφή..........18 2.3 Τύποι σαρωτών επαφής...19 2.3.1 Σαρωτές με άκαμπτο βραχίονα....19 2.3.2 Σαρωτές με αρθρωτό βραχίονα 19 2.3.3 Συνδυαστικός τύπος σαρωτή επαφής...20 2.4 Σάρωση χωρίς επαφή. 20 2.4.1 Γενικά. 21 2.4.1 Βασική αρχή λειτουργίας ενεργών σαρωτών χωρίς επαφή.... 21 2.5 Τύποι σάρωσης χωρίς επαφή. 21 2.5.1 Σάρωση με καθυστέρηση διάδοσης (Time of Flight)...21 2.5.2 Σάρωση μετατόπισης φάσης........22 2.5.3 Σάρωση με αισθητήρα τριγωνισμού....22 2.5.4 Τα υπέρ και τα κατά των τριών παραπάνω μεθόδων... 23 2.5.5 Κωνοσκοπική ολογραφία. 24 2.6 Τύποι σαρωτών μη επαφής... 25 2.6.1 Εφαρμογές ενεργητικών τεχνικών μη επαφής.25 2.6.2 Σαρωτές χειρός λέιζερ..25 2.6.3 Τρισδιάστατος σαρωτής δομημένου φωτός.26 2.6.4 Τρισδιάστατος σαρωτής διαμορφωμένου φωτός. 26 2.6.5 Ογκομετρικοί σαρωτές.27 2.6.6 Παθητικές τεχνικές μη επαφής.....28 2.7 Εφαρμογές των τρισδιάστατων σαρωτών....28 6

2.7.1 Ψυχαγωγία...28 2.7.2 Αντίστροφη μηχανική.. 29 2.7.3 Πολιτισμός 29 2.7.4 Ιατρική....29 2.7.5 Διασφάλιση ποιότητας και βιομηχανική μετρολογία. 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 - Τρισδιάστατος σαρωτής διαμορφωμένου φωτός.... 31 3.1 Τρισδιάστατος σαρωτής δομημένου φωτός (περιγραφή).31 3.2 Ο σαρωτής δομημένου φωτός SLS-2...32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4-Πρόταση για τη σχεδίαση βάσης για τη στήριξη και την περιστροφή του αντικειμένου...35 4.1 Σκοπός του project..... 35 4.2 Πρωτοτυποποίηση. 35 4.2.1 Βασικές Αρχές της Πρωτοτυποποίησης..36 4.2.2 Σχεδιασμός του πρωτοτύπου 36 4.3 Τεχνικές Ταχείας Πρωτοτυποποίησης.. 36 4.3.1 Στερεολιθογραφία 37 4.3.2 Solid Ground Curing...37 4.3.3 Sintering...38 4.3.4 Laminated Object Manufacturing LOM...39 4.3.5 FDM.40 4.3.6 3D Printers 41 4.4 Η Διαδικασία της Στερεολιθογραφίας 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 - Υλοποίηση του project..48 5.1 Κατασκευή του project...48 5.2 Αρχική σχεδίαση / πρωτότυπο.... 48 5.3 Προβλήματα κατά την αρχική σχεδίαση... 50 5.4 Τα βασικά υλικά και η λειτουργία τους. 50 5.4.1 Arduino...50 5.4.2 Βηματικός κινητήρας (stepper motor).......51 5.4.3 Σύνδεση stepper motor στο Arduino - Συσκευή οδήγησης (Driver)...52 5.4.4 Τροφοδοσία του συστήματος...54 7

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 - Σχεδιασμός/Μοντελοποίηση/προβλήματα...55 6.1 Τελική κατασκευή του project..55 6.2 Προβλήματα κατά τις δοκιμές 56 6.2.1 Επανασχεδιασμός ορισμένων τμημάτων... 56 6.2.2 Συνδεσμολογία 58 6.3 Προγραμματισμός....58 6.4 Τελικό προϊόν / στήσιμο 61 6.5 Μετρήσεις..63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Συμπεράσματα.....65 7.1 Αποτίμηση του προϊόντος.65 7.2 Προτάσεις για βελτιστοποίηση του προϊόντος.65 Παράρτημα.....66 Α. Ερμηνεία των όρων..66 Β. Λεξιλόγιο 69 Γ. Βιβλιογραφία.70 8

Κατάλογος Εικόνων Εικ. 1.1: Χειροκίνητα περιστρεφόμενη βάση για το σαρωτή δομημένου φωτός DAVID SLS-2 με επίπεδο και τριδιάστατο αντικείμενο προς σάρωση 12 Εικ. 1.2: Μηχανικά περιστρεφόμενη βάση για το σαρωτή δομημένου φωτός DAVID SLS-2 με τριδιάστατο αντικείμενο προς σάρωση. 13 Εικ. 1.3: Το αρχαιότερο δείγμα απεικόνισης από τον άνθρωπο...14 Εικ. 1.4: Σάρωση κεφαλιού και σώματος 15 Εικ. 2.1: Μηχάνημα μέτρησης συντεταγμένων με φυσική επαφή με αρθρωτό βραχίονα...20 Εικ. 2.2: Σάρωση με τεχνολογία Lidar..22 Εικ. 2.3: Σάρωση με ανιχνευτή τριγωνοποίησης......23 Εικ. 2.4: Σάρωση με κωνοσκοπική ολογραφία.....24 Εικ. 2.5: Σαρωτής χειρός λέιζερ... 25 Εικ. 2.6: Σαρωτής δομημένου φωτός (αρχή λειτουργίας).26 Εικ. 2.7: Σαρωτής διαμορφωμένου φωτός (αρχή λειτουργίας). 27 Εικ. 3.1: Ο σαρωτής δομημένου φωτός DAVID SLS-2.....32 Εικ. 3.2: Ο σαρωτής DAVID SLS-2 στη συσκευασία του...32 Εικ. 4.1: Στερεολιθογραφία... 37 Εικ. 4.2: Solid Ground Curing..37 Εικ. 4.3: Sintering.39 Εικ. 4.4: LOM...39 Εικ. 4.5: FDM...40 Εικ. 4.6: 3D printers. 41 Εικ. 4.7: Στερεολιθογραφία (εικ. α, β, γ). 42 Εικ. 4.8: Χρήση στηριγμάτων...42 Εικ. 4.9: Τομή και ένωση..43 Εικ. 4.10: Μέθοδος QuickCast.....43 9

Εικ. 4.11: Αντιστάθμιση Πάχους Γραμμής.44 Εικ. 4.12: Παράγοντας συστολής..44 Εικ. 4.13: Λειτουργίες λογισμικού Ταχείας Προτυποποίησης.....45 Εικ. 4.14: Προβλήματα στη Δημιουργία Αρχείου STL 45 Εικ. 5.1: Πρότυπο της βάσης για τη στήριξη και την περιστροφή του αντικειμένου........ 49 Εικ. 5.2: Το arduino στ η θήκη προστασίας του και το καλώδιο τροφοδοσίας... 51 Εικ. 5.3: Ο βηματικός κινητήρας που χρησιμοποιούμε για την περιστροφή της βάσης.....52 Εικ. 5.4: Αρχή λειτουργίας του βηματικού κινητήρα 52 Εικ. 5.6: Ο βηματικός κινητήρας (stepper motor) με τον οδηγό του...53 Εικ. 5.7: Ο οδηγός (driver) που χρησιμοποιούμε..54 Εικ. 5.8: Σύνδεση βηματικού κινητήρα και driver στο Arduino...54 Εικ. 5.10: Τροφοδοτικό.54 Εικ. 6.1: Main_base_180.. 55 Εικ. 6.2: Upper_main-base_200_from_180..55 Εικ. 6.3: Main_bracket_200_for_180_base...56 Εικ. 6.4: X_axle_bracket... 56 Εικ. 6.5: Control....56 Εικ. 6.6: Upper_main-base και επανασχεδιασμός της..57 Εικ. 6.7: X_axle bracket και επανασχεδιασμός της...57 Εικ. 6.8: Η συνδεσμολογία της κατασκευής μας...58 Εικ. 6.9: Κύκλωμα στην βασική βάση......61 Εικ. 6.10: Τοποθέτηση της επάνω βάσης πάνω στο nema 17...61 Εικ.6.11: Βάση και φωτισμός.....61 Εικ.6.12: Stepper motor 5v.....62 Εικ.6.13: Όλη η συσκευή πάνω στην βάση.......62 Εικ.6.14: Βοηθητικό σκηνικό φωτισμού.....62 10

Εικ.6.15: Τοποθέτηση επάνω βάσης σε βοηθητικό σκηνικό. 62 Εικ.6.16: Τελικό προϊόν...62 Εικ.6.17: Λειτουργία όλης της συσκευής.....62 Εικ.6.18: Στήριξη αντικείμενου και σκανάρισμα μέσω της συσκευής DAVID SLS-2...62 Εικ.6.19: Αντικείμενο προς σάρωση επάνω στη βάση...63 Εικ.6.20: Σάρωση με τη συσκευή μας...64 Εικ.6.21: Σάρωση με το συμβατικό τρόπο....64 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας 1: Σάρωση με τη βοηθητική συσκευή...63 Πίνακας 2: Σάρωση σε απλό τραπέζι με περιστροφή με το χέρι..63 Πίνακας 3: Σάρωση με βοηθητική συσκευή... 64 Πίνακας 4: Σάρωση σε απλό τραπέζι με περιστροφή με το χέρι.. 64 Γραφικές Παραστάσεις Γρ. παρ. 1: Συγκριτική γραφική παράσταση των πινάκων 1 και 2...63 Γρ. παρ. 2: Συγκριτική γραφική παράσταση των πινάκων 3 και 4...64 11

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Τρισδιάστατος σαρωτής (3D scanner) 1.1 Σκοπός της παρούσας εργασίας Η τριδιάστατη σάρωση είναι μια έννοια σχετικά καινούργια στη ζωή μας. Επομένως πρόκειται για μια διαδικασία που βρίσκεται σε εξέλιξη. Η εξέλιξη άφορα την κατασκευή των σαρωτών, τη βελτίωση του λογισμικού αλλά και την ιδία τη διαδικασία της σάρωσης. Για το λόγο αυτό αποτελεί ένα ευρύ πεδίο έρευνας. Ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε κατά τη σάρωση είναι ο τρόπος που θα στερεώσουμε το αντικείμενο που πρόκειται να σαρωθεί. Σε κάποιες περιπτώσεις το αντικείμενο συγκρατείται με διάφορους τρόπους, όπως με το χέρι ή άλλα αντικείμενα με αποτέλεσμα κατά την σάρωση να μην έχουμε ένα καθαρό αντικείμενο. Αν το αντικείμενο μπορεί να ισορροπήσει τότε το τοποθετούμε σε μια βάση και στη συνέχεια του αλλάζουμε θέσεις πάλι με το χέρι για να πάρουμε όλες τις γεωμετρίες του αντικειμένου. Σε ορισμένους σαρωτές το αντικείμενο τοποθετείται σε μια χειροκίνητα ή μηχανικά περιστρεφόμενη βάση στήριξης. Αυτός ο τρόπος τοποθέτησης και σάρωσης φαίνεται στις παρακάτω εικόνες. Εικ. 1.1: Χειροκίνητα περιστρεφόμενη βάση για το σαρωτή δομημένου φωτός DAVID SLS-2 με επίπεδο και τριδιάστατο αντικείμενο προς σάρωση (Πηγή: Εικόνα από το βίντεο: https://www.youtube.com/watch?v=gemtwtlz-iw) Προϋπόθεση για να χρησιμοποιήσουμε μια βάση στήριξης όπως αυτή της εικόνας είναι να μπορεί το αντικείμενο να ισορροπήσει επάνω στη βάση. Η 12

παραπάνω διαδικασία δεν ενδείκνυται συνεπώς για αντικείμενα που δεν μπορούν να ισορροπήσουν επάνω στη βάση (όρθια) όπως π.χ. ένας χάρακας ή ένα κέρμα. Ένα άλλο σοβαρό μειονέκτημα της παραπάνω μεθόδου είναι η ταχύτητα και η ποιότητα της σάρωσης. Εικ. 1.2: Μηχανικά περιστρεφόμενη βάση για το σαρωτή δομημένου φωτός DAVID SLS-2 με τριδιάστατο αντικείμενο προς σάρωση (Πηγή: Εικόνα από το βίντεο: https://www.youtube.com/watch?v=gemtwtlz-iw) Σκοπός της εργασίας μας είναι να σχεδιάσουμε μια βάση που θα συγκρατεί σταθερά με αποσπώμενους βραχίονες το αντικείμενο ανεξαρτήτως σχήματος και επιφανειών, αρκεί να μην υπερβαίνει το μέγιστο μέγεθος που έχουμε ορίσει. Η βάση θα περιστρέφεται με ένα εσωτερικό μηχανισμό κίνησης (stepper motor) που θα της επιτρέπει να έχει κάποιους βαθμούς ελευθερίας όταν να κινείται. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται να γίνεται η σάρωση γρήγορα, αποτελεσματικά και με ακρίβεια για συγκεκριμένα μεγέθη προϊόντων. 1.2 Ιστορική Αναδρομή Η προσπάθεια αποτύπωσης αντικειμένων και σχημάτων ήταν ίσως μια έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία καθώς εξελικτικά αποκτούσε συνείδηση. Οι πρώτες απεικονίσεις σε σπήλαια χρονολογούνται 40.800 χρόνια πριν. Το σπήλαιο της Αλταμίρα στην Ισπανία περιέχει σπηλαιογραφίες που κατασκευάστηκαν περίπου πριν από 16.000 χρόνια. 13

Από τη διδιάστατη ζωγραφική πολύ αργότερα ο άνθρωπος πέρασε στην τριδιάστατη απεικόνιση, αρχικά των θεών. Οι άνθρωποι πίστευαν ότι κατασκευάζοντας αγάλματα ζωντάνευαν τους θεούς και εξασφάλιζαν την προστασία τους. Οι Έλληνες έφτιαχναν αγάλματα από το 3.000 π.χ. Η αποτύπωση αντικειμένων και σχημάτων με οπτικά μέσα ξεκίνησε το 19ο αιώνα. Αυτή η τεχνολογία αποτύπωσης προχώρησε με ταχύτατους ρυθμούς. Και από τη φωτογραφική τέχνη περάσαμε στη σάρωση. Ταυτόχρονα η τεχνολογική εξέλιξη επέτρεψε την ψηφιοποίηση φωτογραφιών και εγγράφων. Εικ. 1.3: Το αρχαιότερο δείγμα απεικόνισης από τον άνθρωπο. Οι ηλικίας 40.800 ετών απεικονίσεις μικρών κύκλων και παλαμών στα τοιχώματα του σπηλαίου Ελ Καστίγιο θεωρούνται τα αρχαιότερα δείγματα σπηλαιογραφιών που έχουν βρεθεί. (Πηγή: https://apolasos.wordpress.com/2012/06/σπηλαιογραφίες-41-000-ετών/) O πρώτος (διδιάστατος) σαρωτής εικόνας κατασκευάστηκε το 1957 στο Εθνικό Γραφείο Προτύπων των ΗΠΑ από μια ομάδα με επικεφαλής τον Russel Kirsch. Οι σαρωτές κατασκευάστηκαν για να γίνει δυνατή η εισαγωγή και αποθήκευση στον υπολογιστή εγγράφων, χειρογράφων, εικόνων και σχεδίων. Η σημαντική εξέλιξη της τεχνολογίας τα τελευταία χρόνια γέννησε την ιδέα ψηφιοποίησης και για αντικείμενα τριών διαστάσεων. Η απεικόνιση κανονικών γεωμετρικών σχημάτων όπως κύβοι και σφαίρες ή ακόμα κώνοι και πυραμίδες ήταν εύκολη. Πρόβλημα ήταν η διαδικασία απόκτησης τρισδιάστατων δεδομένων από πραγματικά αντικείμενα. 14

Η βελτίωση όμως της τεχνολογίας των υπολογιστών στον τομέα των τρισδιάστατων γραφικών και η ανάπτυξη των υπολογιστικών συστημάτων επέτρεψαν την γρήγορη εξέλιξη των τρισδιάστατων σαρωτών. Με τους τριδιάστατους σαρωτές επιτυγχάνεται η καταγραφή των γεωμετρικών και χρωματικών πληροφοριών των αντικείμενων γρήγορα και με ακρίβεια. Ένας από τους πρώτους τριδιάστατους σαρωτές που κατασκευάστηκαν αφορούσε τη βιομηχανία των κινουμένων σχεδίων και χρησιμοποιήθηκε για τη σάρωση ανθρώπων. Η τεχνολογία αυτή αναπτύχτηκε στα εργαστήρια της Cyberware στο Los Angeles. Αρχικά δημιούργησαν ένα σαρωτή κεφαλιού (head scanner). Στη συνέχεια τον εξέλιξαν και κατασκεύασαν ένα ολοκληρωμένο σαρωτή σώματος. Από το 1994 η Cyberware ανέπτυξε σαρωτές που μπορούσαν να συλλάβουν και το χρώμα του αντικειμένου. Εικ. 1.4: Σάρωση κεφαλιού και σώματος (Πηγή: http://vr.isdale.com/3dscanners/3d_scan_history/history.htm A Brief history of 3D scanning) 1.3 Θεωρητική περιγραφή Ο τριδιάστατος σαρωτής είναι μια συσκευή που παίρνει μετρήσεις στην επιφάνεια ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας ανάλογες τεχνολογίες. Με τον τρόπο αυτό συλλέγει δεδομένα σχετικά με το σχήμα του. Μπορεί ακόμα να συλλέξει και άλλα στοιχεία της εμφάνισης του αντικειμένου. Ένα τέτοιο στοιχείο είναι για παράδειγμα το χρώμα του. Επί πλέον όταν είναι απαραίτητο μπορεί να συλλέγει και δεδομένα από το περιβάλλον του αντικειμένου. Τα δεδομένα που συλλέγει ο σαρωτής χρησιμοποιούνται μετά για να κατασκευαστούν τριδιάστατα ψηφιακά μοντέλα του αντικειμένου. Σήμερα στην αγορά υπάρχουν πάρα πολλοί τριδιάστατοι σαρωτές, ενώ 15

εμφανίζονται πολύ συχνά νέα μοντέλα. Τα δεδομένα που συλλέγονται από ένα τριδιάστατο σαρωτή χρησιμοποιούνται σε μία ευρεία ποικιλία εφαρμογών. Χρησιμοποιούνται πάρα πολύ από τη βιομηχανία θεάματος για την παραγωγή ταινιών και βιντεοπαιχνιδιών (video games). Η τεχνολογία της τριδιάστατης σάρωσης βρίσκει ακόμα εφαρμογή στο βιομηχανικό σχεδιασμό, την ορθοτική, την προσθετική, την αντίστροφη μηχανική, την προτυποποίηση και τον ποιοτικό έλεγχο. 1.4 Βασικές αρχές λειτουργίας Ο τριδιάστατος σαρωτής με τη διαδικασία της σάρωσης δημιουργεί ένα νέφος σημείων (point cloud) των γεωμετρικών σημείων της επιφάνειας του αντικειμένου. Τα σημεία αυτά στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για να προσδιοριστεί (extrapolate) το σχήμα του αντικειμένου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ανακατασκευή (reconstruction). Αν όπως αναφέραμε παραπάνω από κάθε σημείο συλλέγονται και πληροφορίες για το χρώμα, τότε μπορεί να προσδιοριστεί και το χρώμα της επιφάνειας του αντικειμένου. Οι τριδιάστατοι σαρωτές έχουν πολλά κοινά χαρακτηριστικά με τις φωτογραφικές μηχανές. Για παράδειγμα οι φωτογραφικές μηχανές, μπορούν να συλλέγουν πληροφορίες μόνο για τις επιφάνειες που βρίσκονται στο οπτικό τους πεδίο. Το ίδιο κάνει και ο τριδιάστατος σαρωτής. Η φωτογραφική μηχανή συλλέγει πληροφορίες σχετικές με το χρώμα των επιφανειών στο οπτικό της πεδίο. Ο τριδιάστατος σαρωτής συλλέγει επιπλέον και πληροφορίες σχετικές με την απόσταση από τις επιφάνειες που εμπίπτουν στο οπτικό του πεδίο. Η "εικόνα" που παράγεται από ένα τριδιάστατο σαρωτή περιγράφει την απόσταση από μια επιφάνεια κάθε σημείου της εικόνας του αντικειμένου. Αυτό επιτρέπει να προσδιοριστεί στο χώρο (δηλ. τριδιάστατα) η θέση κάθε σημείου. Το πλήρες μοντέλο του αντικειμένου δεν είναι δυνατόν να παραχθεί με μια σάρωση, εκτός αν πρόκειται για ένα πολύ απλό αντικείμενο. Γι αυτό απαιτούνται σχεδόν πάντοτε πολλαπλές σαρώσεις, ακόμη και εκατοντάδες, από διαφορετικές κατευθύνσεις για να συλλέξουμε πληροφορίες σχετικές με όλες τις πλευρές του αντικειμένου. 16

Αυτές οι σαρώσεις μετά τοποθετούνται σε ένα κοινό σύστημα αναφοράς. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ευθυγράμμιση (alignment) ή εγγραφή (image registration). Στη συνέχεια συγχωνεύονται και με τον τρόπο αυτό δημιουργείται ένα ολοκληρωμένο μοντέλο. Όλη αυτή η διαδικασία που από την απλή απεικόνιση οδηγεί στη δημιουργία του ολοκληρωμένου μοντέλου, ονομάζεται συνήθως τριδιάστατος αγωγός σάρωσης (3D scanning pipeline). 17

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Τεχνικές σάρωσης 2.1 Γενική περιγραφή Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για να σαρώσουμε και να αποκτήσουμε ψηφιακά το σχήμα ενός τριδιάστατου αντικειμένου είναι πολλές. Εκτός όμως από την κατασκευή τριδιάστατων ψηφιακών μοντέλων τέτοιες τεχνικές εφαρμόζονται και στις μη καταστρεπτικές δόκιμες. Κάθε τεχνική έχει τους δικούς της περιορισμούς, πλεονεκτήματα και κόστος. Αυτές οι τεχνικές σάρωσης και απόκτησης ταξινομούνται σε δυο τύπους. Σάρωση με επαφή (contact scanning) και σάρωση χωρίς επαφή (noncontact scanning). 2.2 Σάρωση με επαφή Οι τριδιάστατοι σαρωτές επαφής σκανάρουν το αντικείμενο έχοντας φυσική επαφή μαζί του. Χρησιμοποιείται ένας ρομποτικός βραχίονας στον οποίο έχει ενσωματωθεί ένας αισθητήρας αφής. Ο αισθητήρας αφής του σαρωτή ψηλαφίζει το αντικείμενο και στη συνέχεια προσδιορίζει το μέγεθος και τις συντεταγμένες του. Αρχικά η διαδικασία γινόταν χειροκίνητα και πολλές φορές έδινε αναξιόπιστα αποτελέσματα. Το αποτέλεσμα της σάρωσης ήταν εξαρτημένο από την πίεση που ασκούσε ο χειριστής. Οι ηλεκτρονικοί αισθητήρες αφής αργότερα εξελίχτηκαν και δίνουν πιο ακριβείς μετρήσεις. Ένα μεγάλο μειονέκτημα των σαρωτών αυτών είναι η ίδια η επαφή με το αντικείμενο στην περίπτωση που πρόκειται να σαρωθούν ευαίσθητες επιφάνειες. Για το λόγο αυτό δεν ενδείκνυνται για σάρωση αρχαιολογικών ευρημάτων. Ακόμα δεν μπορούν να σαρωθούν γυάλινες επιφάνειες καθώς και υγρά σώματα. 18

Αντίθετα το σημαντικό τους πλεονέκτημα είναι η ακρίβεια. Τέτοιοι σαρωτές χρησιμοποιούνται συνήθως για σάρωση αντικειμένων από πηλό. 2.3 Τύποι σαρωτών επαφής 2.3.1 Σαρωτές με άκαμπτο βραχίονα Συμπαγείς δαγκάνες του βραχίονα κρατούν σφιχτά το αντικείμενο κάθετα στη διεύθυνση της κίνησης. Με τέτοιους σαρωτές μπορούν να σαρωθούν επίπεδες και κυρτές επιφάνειες που δεν έχουν πολλές λεπτομέρειες. 2.3.2 Σαρωτές με αρθρωτό βραχίονα Ο σαρωτής με αρθρωτό βραχίονα έχει αισθητήρες υψηλής ακρίβειας που ανιχνεύουν τη γωνία περιστροφής. Ο βραχίονας αποτελείται από ξεχωριστά μέρη (3 ή και περισσότερα) και έχει την ελευθερία κίνησης προς όλες τις κατευθύνσεις. Είναι ιδανικός για σάρωση σε εσωτερικούς χώρους. 19

Εικ. 2.1: Μηχάνημα σάρωσης με φυσική επαφή με αρθρωτό βραχίονα (Πηγή: http://www.nvision3d.com/news/nvision-scanners-provide-crucial-evidence.html) 2.3.3 Συνδυαστικός τύπος σαρωτή επαφής Ένας τέτοιος σαρωτής είναι σύστημα που αποτελεί συνδυασμό των δύο παραπάνω τύπων. Αποτελείται από ένα αρθρωτό βραχίονα επάνω σε ένα κινητό φορείο. Είναι κατάλληλος για τη σάρωση μεγάλων αντικειμένων που μπορεί να έχουν εσωτερικές κοιλότητες ή και επιφάνειες που επικαλύπτονται. 2.4 Σάρωση χωρίς επαφή 2.4.1 Γενικά Ο τύπος σάρωσης χωρίς επαφή μπορεί να διαιρεθεί περαιτέρω σε δύο κατηγορίες, την ενεργό σάρωση και την παθητική σάρωση. Στην ενεργό σάρωσης εκπέμπεται ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα από το σαρωτή το οποίο 20

στη συνέχεια συλλαμβάνεται από τον ανιχνευτή. Στην παθητική σάρωση οι σαρωτές δεν ακτινοβολούν ενέργεια στο αντικείμενο, αλλά βασίζονται στην ανακλώμενη ακτινοβολία του περιβάλλοντος. Οι περισσότεροι σαρωτές αυτής της κατηγορίας ανιχνεύουν το ορατό φως, γιατί το ορατό φως είναι στις περισσότερες περιπτώσεις άμεσα διαθέσιμο. Σήμερα υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία από τεχνολογίες που αντιστοιχούν σε καθεμιά από τις κατηγορίες αυτές. 2.4.2 Βασική αρχή λειτουργίας ενεργών σαρωτών χωρίς επαφή Οι ενεργοί σαρωτές χωρίς επαφή εκπέμπουν κάποιο είδος ακτινοβολίας (στην ακτινοβολία συμπεριλαμβάνεται και το ορατό φως) και ανιχνεύουν την αντανάκλαση της ή την ακτινοβολία που περνά μέσα από το αντικείμενο. Με τον τρόπο αυτό γίνεται η ανίχνευση του αντικειμένου ή και του περιβάλλοντος του. Οι ακτινοβολίες εκπομπής που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν το ορατό φως, τους υπερήχους και τις ακτίνες Χ. 2.5 Τύποι σάρωσης χωρίς επαφή 2.5.1 Σάρωση με καθυστέρηση διάδοσης (Time of Flight) Η λειτουργία των σαρωτών αυτών στηρίζεται στην τεχνολογία Lidar, η οποία είναι μια τεχνολογία αποτύπωσης που μετρά την απόσταση ενός αντικειμένου (ή στόχου) με φως λέιζερ. Ο όρος Lidar είναι σύνθετη λέξη και προέρχεται από τις λέξεις light και radar. Η τεχνολογία Lidar χρησιμοποιείται πάρα πολύ για την κατασκευή χαρτών υψηλής ανάλυσης. Βρίσκει εφαρμογή στη γεωδαισία, στη γεωχωρική τεχνολογία (geomatics), την αρχαιολογία, τη γεωγραφία, τη γεωλογία, τη γεωμορφολογία, τη σεισμολογία, τη δασοκομία, τη φυσική της ατμόσφαιρας, την εναέρια χαρτογράφηση και την υψομετρία λέιζερ. 21

Η τεχνολογία Lidar πολλές φορές αναφέρεται απλά σαν σάρωση με λέιζερ ή τρισδιάστατη σάρωση με επίγειες, εναέριες και κινητές εφαρμογές. Στην αγγλική ορολογία η σάρωση με που βασίζεται στον χρόνο διάδοσης του φωτός ονομάζεται time of flight. Εικ. 2.2: Σάρωση με τεχνολογία Lidar (Πηγή: http://www.helica.it/lidar-en.php) 2.5.2 Σάρωση μετατόπισης φάσης (phase shift) Οι σαρωτές μετατόπισης φάσης συγκρίνουν κατά πόσο έχει μετατοπιστεί η γωνία του ανακλώμενου φωτός λέιζερ σε σχέση με μία πρότυπη γωνία. Ο τρόπος λειτουργίας τους έχει πολλά κοινά στοιχεία με την προηγούμενη μέθοδο σάρωσης με καθυστέρηση διάδοσης. Έχουν όμως το πλεονέκτημα ότι η μετατόπιση φάσης του ανακλώμενου φωτός λέιζερ βελτιώνει πολύ περισσότερο την ανίχνευση της απόστασης. 2.5.3 Σάρωση με αισθητήρα τριγωνισμού (Triangulation) Οι τριδιάστατοι σαρωτές λέιζερ με βάση τον τριγωνισμό είναι ενεργοί σαρωτές που χρησιμοποιούν φως λέιζερ για να εξετάσουν το περιβάλλον. Σε 22

σχέση με το λέιζερ καθυστέρησης διάδοσης, το λέιζερ τριγωνισμού στέλνει μια δέσμη στο αντικείμενο και χρησιμοποιεί μια φωτογραφική μηχανή για να ανιχνεύσει τη θέση της κουκκίδας λέιζερ στην επιφάνεια του αντικειμένου. Ανάλογα με το από πόσο μακριά το λέιζερ χτυπά μια επιφάνεια, η κουκίδα λέιζερ εμφανίζεται σε διαφορετικές θέσεις στο οπτικό πεδίο της κάμερας. Η τεχνική αυτή ονομάζεται τριγωνισμός επειδή η κουκίδα λέιζερ, η κάμερα και ο πομπός λέιζερ σχηματίζουν τρίγωνο. Στη μέθοδο είναι γνωστό το μήκος της μιας πλευράς του τριγώνου και συγκεκριμένα η απόσταση κάμερας και πομπού λέιζερ. Επίσης είναι γνωστή η γωνία της εκπεμπόμενης ακτίνας και η γωνία της κάμερας. Από αυτές τις τρεις πληροφορίες προσδιορίζεται πλήρως το σχήμα και το μέγεθος του τριγώνου και με τον τρόπο αυτό να προσδιοριστεί η θέση της κουκκίδας λέιζερ. Εικ. 2.3: Σάρωση με ανιχνευτή τριγωνοποίησης (Πηγή: http://3dscanningservices.net/wp-content/uploads/2016/07/3d-scanning-101_9.jpg) 2.5.4 Τα υπέρ και τα κατά των τριών παραπάνω μεθόδων Οι ανιχνευτές καθυστέρησης διάδοσης (time-of-flight) έχουν το πλεονέκτημα να μπορούν να λειτουργούν σε πολύ μεγάλες αποστάσεις της τάξης των χιλιομέτρων. Αυτοί οι σαρωτές είναι κατάλληλοι για τη σάρωση μεγάλων κατασκευών όπως είναι κτίρια ή και να σκανάρουν γεωγραφικά χαρακτηριστικά όπως λόφους κλπ. Το μειονέκτημα τους είναι η ακρίβεια. 23

Επειδή η ταχύτητας του φωτός είναι μεγάλη, είναι δύσκολη η μέτρησης της απόστασης με ακρίβεια ειδικά όταν είναι της τάξης του χιλιοστού. Οι ανιχνευτές τριγωνοποίησης (triangulation) κάνουν ακριβώς το αντίθετο. Έχουν περιορισμένο εύρος μερικών μέτρων αλλά η ακρίβειά τους είναι υψηλή. Πιο συγκεκριμένα, η ακρίβεια των μετρητών απόστασης τριγωνισμού είναι της τάξης των δεκάδων μικρομέτρων. 2.5.5 Κωνοσκοπική ολογραφία (conoscopic holography) Η λειτουργία ενός κωνοσκοπικού συστήματος γίνεται με τον ακόλουθο τρόπο. Μία δέσμη λέιζερ προβάλλεται στην επιφάνεια που θέλουμε να απεικονίσουμε, γίνεται αντανάκλασή της κατά μήκος της ίδιας διαδρομής, φτάνει σε ένα κωνοσκοπικό κρύσταλλο όπου και προβάλλεται σε ένα ανιχνευτή CCD. (ανιχνευτής charge-coupled device (CCD) - συσκευή ή διάταξη συζευγμένου φορτίου). Εκεί αναλύεται η συχνότητα και έτσι προσδιορίζεται η απόσταση από την μετρούμενη επιφάνεια. Το κύριο πλεονέκτημα της κωνοσκοπικής ολογραφίας είναι ότι απαιτείται μόνο μια διαδρομής της ακτίνας για να γίνει η μέτρηση. Με τη μέθοδο αυτή για παράδειγμα δίνεται η δυνατότητα να μετρηθεί το βάθος μιας μικρής τρύπας. Εικ. 2.4: Σάρωση με κωνοσκοπική ολογραφία Χρησιμοποιώντας ένα περισκόπιο εισερχόμαστε σε οπές μικρής διαμέτρου και μετράμε τον πυθμένα και τα πλευρικά τους τοιχώματα. (Πηγή: http://www.kimmy.fi/om-sida-2-cd4s) 24

2.6 Τύποι σαρωτών μη επαφής 2.6.1 Εφαρμογές ενεργητικών τεχνικών μη επαφής Οι συνηθισμένοι σαρωτές τεχνικών μη επαφής περιλαμβάνουν σαρωτές λέιζερ, δομημένου ορατού φωτός, διαμορφωμένου φωτός, τομογραφικούς σαρωτές και άλλους. 2.6.2 Σαρωτές λέιζερ χειρός (Hand-held laser scanners) Οι σαρωτές χειρός λέιζερ δημιουργούν μια τριδιάστατη εικόνα μέσω του μηχανισμού τριγωνοποίησης. Μια κουκίδα λέιζερ προβάλλεται σε ένα αντικείμενο από μια συσκευή χειρός και ένας αισθητήρας μετρά την απόσταση από την επιφάνεια. Τα δεδομένα συλλέγονται σε σχέση με ένα εσωτερικό σύστημα συντεταγμένων. Για το λόγο αυτό κατά τη συλλογή δεδομένων, όταν ο σαρωτής είναι σε κίνηση πρέπει να προσδιορίζεται η θέση του. Η θέση μπορεί να καθοριστεί από το σαρωτή χρησιμοποιώντας δυνατότητες αναφοράς για τη σάρωση της επιφάνειας ή με τη χρήση μιας εξωτερικής μεθόδου παρακολούθησης. Ο εξωτερικός εντοπισμός συχνά γίνεται από έναν ιχνηλάτη λέιζερ με ενσωματωμένη κάμερα. Εικ. 2.5: Σαρωτής χειρός λέιζερ (Πηγή: http://www.creaform3d.com/ en/metrology-solutions/portable-3dscanners) 25

2.6.3 Τριδιάστατος σαρωτής δομημένου φωτός (Structured light 3D scanner) Ο σαρωτής δομημένου φωτός προβάλει ένα μοτίβο φωτός στο αντικείμενο και παρακολουθεί την παραμόρφωση του προτύπου σχετικά με το αντικείμενο. Η σάρωση δομημένου φωτός εξακολουθεί να είναι μια πολύ ενεργή περιοχή έρευνας και κάθε χρόνο δημοσιεύονται πολλές ερευνητικές εργασίες. Το πλεονέκτημα των τριδιάστατων σαρωτών δομημένου φωτός είναι η ταχύτητα και ακρίβεια. Αντί για τη σάρωση ενός σημείου σε ένα χρόνο, ο σαρωτής δομημένου φωτός σαρώσει πολλαπλά σημεία ή ολόκληρο το οπτικό πεδίο με τη μία. Η σάρωση ενός ολόκληρου οπτικού πεδίου σε κλάσμα του δευτερολέπτου μειώνει ή εξαλείφει το πρόβλημα της στρέβλωσης από την κίνηση. Ορισμένα υπάρχοντα συστήματα είναι ικανά να σαρώσουν κινούμενα αντικείμενα σε πραγματικό χρόνο. Εικ. 2.6: Σαρωτής δομημένου φωτός (αρχή λειτουργίας) (Πηγή: http://www.3ders.org/articles/20150409-teacher-builds-diy-structured-light-3dscanner-using-a-video-projector-and-webcams.html) 2.6.4 Τριδιάστατος σαρωτής διαμορφωμένου φωτός (Modulated light 3D scanners) Ο τριδιάστατος σαρωτής διαμορφωμένου φωτός εκπέμπει ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο φως στο αντικείμενο. Συνήθως η πηγή φωτός μεταβάλλει το πλάτος της εκπομπής ημιτονοειδώς. Το ανακλώμενο φως ανιχνεύεται από μια 26

κάμερα η οποία και υπολογίζει την απόσταση που διένυσε. Το διαμορφωμένο φως επιτρέπει επίσης στο σαρωτή να αγνοεί το φως από άλλες πηγές (εκτός από τα λέιζερ) και έτσι δεν υπάρχει καμία παρεμβολή. Εικ. 2.7: Σαρωτής διαμορφωμένου φωτός (αρχή λειτουργίας) (Πηγή: http://www.depthbiomechanics.co.uk/?p=102) 2.6.5 Ογκομετρικοί σαρωτές (volumetric scanners) Οι ογκομετρικοί σαρωτές λειτουργούν με ακτίνες Χ. Η μέθοδος είναι γνωστή σαν αξονική τομογραφία. Ο σαρωτής αποτελείται από μια πηγή ακτίνων Χ, έναν ανιχνευτή ακτίνων Χ, μια σειρά από κινητά στάδια (gantry) και υπολογιστές για να συγκεντρωθούν τα δεδομένα ακτίνων Χ σε μια εικόνα. Βρίσκουν εφαρμογές στην ιατρική καθώς επίσης και στη βιομηχανία: Α) Στην ιατρική εφαρμόζεται η αξονική τομογραφία (CT) και μαγνητική τομογραφία. (Computed tomography (CT) και Magnetic resonance imaging). Ο αξονικός τομογράφος μπορεί να συμπεριληφθεί στους τριδιάστατους σαρωτές καθώς παράγει μια τριδιάστατη εικόνα του εσωτερικού του αντικειμένου προβάλλοντας σε αυτό ακτίνες Χ. Ο μαγνητικός τομογράφος, είναι ακόμη μία συσκευή που ανιχνεύει ακόμη καλυτέρα την αντίθεση ανάμεσα στους διαφορετικούς ιστούς του σώματος απ ότι η αξονική τομογραφία. Αυτές οι τεχνικές παράγουν μια διακριτή τριδιάστατη αναπαράσταση. Β) Η βιομηχανική αξονική τομογραφία, η μικροτομογραφία και η μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν την ψηφιακή αναπαράσταση ενός αντικειμένου και του εσωτερικού του. Βρίσκουν εφαρμογή στο μη καταστροφικό έλεγχο υλικών, την αντίστροφη μηχανική ή τη μελέτη βιολογικών και παλαιοντολογικών δειγμάτων. 27

2.6.6 Παθητικές τεχνικές μη επαφής Οι τεχνικές αυτές δεν ακτινοβολούν ενέργεια στο αντικείμενο αλλά βασίζονται στην ανακλώμενη ακτινοβολία του περιβάλλοντος. Οι περισσότεροι σαρωτές αυτής της κατηγορίας ανιχνεύουν το ορατό φως, γιατί το ορατό φως είναι στις περισσότερες περιπτώσεις άμεσα διαθέσιμο. Είναι πιο φθηνοί από αυτούς που χρησιμοποιούν ενεργητικές τεχνικές και στις περισσότερες περιπτώσεις δεν χρειάζονται συγκεκριμένα υλικά παρά μόνο απλές ψηφιακές κάμερες. Ένας άλλος τύπος ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται είναι η υπέρυθρη. Οι πιο κοινοί σαρωτές περιλαμβάνουν στερεοσκοπικούς σαρωτές βίντεο, φωτομετρικούς σαρωτές και σαρωτές silhouette. 2.7 Εφαρμογές των τρισδιάστατων σαρωτών Οι τριδιάστατοι σαρωτές βρίσκουν εφαρμογή σε μια μεγάλη ποικιλία πεδίων και χρησιμοποιούνται ακόμη και στην ακαδημαϊκή έρευνα. Χρησιμοποιούνται σε αμέτρητους τομείς μερικοί από τους οποίους είναι η ψυχαγωγία, ο πολιτισμός και η ιατρική. Η τεχνολογία τους επιτρέπει την ταχύτερη τριδιάστατη ψηφιοποίηση σε σχέση με άλλες συμβατικές μεθόδους. Παρακάτω παρουσιάζονται ορισμένες από τις εφαρμογές τους. 2.7.1 Ψυχαγωγία (Entertainment) Οι τριδιάστατοι σαρωτές χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία του θεάματος. Με αυτούς δημιουργούνται τα τριδιάστατα ψηφιακά μοντέλα στις κινηματογραφικές ταινίες και στα ηλεκτρονικά παιχνίδια (video games). Επίσης χρησιμοποιούνται σε μεγάλο βαθμό στην εικονική κινηματογραφία. Στις περιπτώσεις όπου υπάρχει ισοδύναμο ενός μοντέλου στον πραγματικό κόσμο είναι πολύ πιο εύκολο να σαρωθεί αυτό το αντικείμενο από το να δημιουργηθεί ένα μοντέλο με τη χρήση τριδιάστατου λογισμικού μοντελοποίησης. Συχνά οι καλλιτέχνες κάνουν γλυπτά φυσικά μοντέλα γι αυτό που θέλουν και στη συνέχεια το σαρώνουν αντί να προσπαθούν να δημιουργήσουν απ ευθείας ψηφιακά μοντέλα σε έναν υπολογιστή. 28

Σε ότι αφορά τα ηλεκτρονικά παιχνίδια, σε πολλά από αυτά οι χαρακτήρες είναι ηθοποιοί οι οποίοι έχουν σαρωθεί με τα κοστούμια του εκάστοτε χαρακτήρα κι έχουν ενσωματωθεί μέσα στο παιχνίδι. 2.7.2 Αντίστροφη μηχανική (Reverse engineering) Στην αντίστροφη μηχανική απαιτείται ένα ακριβές ψηφιακό μοντέλο των αντικειμένων που πρόκειται να αναπαραχθούν. Αντί για ένα σύνολο σημείων το ακριβές ψηφιακό μοντέλο μπορεί να αντιπροσωπεύεται από ένα πολυγωνικό πλέγμα, μια σειρά από επίπεδες ή καμπύλες επιφάνειες NURBS ή το ιδανικότερο για μηχανικά μέρη ένα στερεό μοντέλο CAD. Ένας τριδιάστατος σαρωτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ψηφιοποιήσει εξαρτήματα ελεύθερης μορφής ή να κάνει βαθμιαία αλλαγής σχήματος. Επίσης στην πρισματική γεωμετρία χρησιμοποιείται μια μηχανή μέτρησης συντεταγμένων για τον προσδιορισμό των διαστάσεων ενός πρισματικού μοντέλου. Όλα αυτά τα σημεία δεδομένων στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία για να δημιουργηθεί ένα εύχρηστο ψηφιακό μοντέλο συνήθως με τη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού αντίστροφης μηχανικής. 2.7.3 Πολιτισμός Στον τομέα του πολιτισμού χρησιμοποιείται κυρίως ένας συνδυασμός τριδιάστατου σαρωτή και εκτυπωτή. Ο συνδυασμός των τεχνολογιών τους επιτρέπει την αντιγραφή των αντικειμένων χωρίς τη χρήση των παραδοσιακών τεχνικών με το γύψο, η οποία είναι πολύ επεμβατική και σε πολλές περιπτώσεις κινδύνευαν μεγάλης αξίας εύθραυστα ευρήματα. 2.7.4 Ιατρική (Medical CAD/CAM) Η τεχνολογία τρισδιάστατης σάρωσης χρησιμοποιείται όπως είπαμε και στην ιατρική. Οι σαρωτές έχουν την ικανότητα να αντιγράψουν τις διαστάσεις και τις λεπτομέρειες του ανθρώπινου σώματος γρήγορα κι εύκολα. Χρησιμοποιούνται κυρίως στην ορθοτική και την οδοντική προσθετική. Για το σχεδιασμό και την κατασκευή χρησιμοποιείται CAD/CAM λογισμικό και 29

δημιουργούνται οδοντικά εμφυτεύματα, μάσκες προσώπου και προσθετικά τεχνητά μέλη όπως χέρια, πόδια κλπ. 2.7.5 Διασφάλιση ποιότητας και βιομηχανική μετρολογία (Quality assurance and industrial metrology) Η ψηφιοποίηση των πραγματικών αντικειμένων είναι ζωτικής σημασίας σε διάφορα πεδία εφαρμογών. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται ιδιαίτερα στη διασφάλιση βιομηχανικής ποιότητας για τη μέτρηση της γεωμετρικής ακρίβειας. Βιομηχανικές διεργασίες, όπως η συναρμολόγηση μιας μηχανής κλπ. είναι πολύπλοκες, αυτοματοποιημένες και συνήθως βασίζονται σε δεδομένα CAD (σχεδιασμός με βοήθεια υπολογιστή). Το πρόβλημα είναι ότι ο ίδιος βαθμός αυτοματοποίησης είναι επίσης αναγκαίος για τη διασφάλιση της ποιότητας. Για παράδειγμα είναι πολύ δύσκολο να συναρμολογηθεί ένα σύγχρονο αυτοκίνητο δεδομένου ότι αποτελείται από πολλά μέρη που πρέπει να ταιριάζουν μεταξύ τους στο τέλος της γραμμής παραγωγής. Η βέλτιστη απόδοση αυτής της διαδικασίας είναι εγγυημένη από συστήματα διασφάλισης της ποιότητας. Ειδικά η γεωμετρία των μεταλλικών μερών πρέπει να ελέγχεται για να εξασφαλιστεί ότι έχουν τις σωστές διαστάσεις, ταιριάζουν μεταξύ τους και τελικά συναρμολογούνται και λειτουργούν αξιόπιστα. 30

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Τριδιάστατος σαρωτής δομημένου φωτός 3.1 Τριδιάστατος σαρωτής δομημένου φωτός (περιγραφή) Ο τριδιάστατος σαρωτής δομημένου φωτός είναι μια συσκευή σάρωσης που χρησιμοποιεί για το σκοπό αυτό το φως που ανακλάται από το αντικείμενο. Μια κάμερα κάνει τη μέτρηση καθώς και την απεικόνιση του τρισδιάστατου σχήματος του αντικειμένου. Η κάμερα εξετάζει το σχήμα του προτύπου και υπολογίζει την απόσταση του κάθε σημείου του οπτικού πεδίου. Ως πηγή φωτός χρησιμοποιείται είτε ένας προβολέας LCD είτε κάποια άλλη σταθερή πηγή φωτός. Η σάρωση δομημένου φωτός παραμένει μια πολύ ενεργή περιοχή έρευνας και κάθε χρόνο δημοσιεύονται πολλές ερευνητικές εργασίες. Με μια τέλεια απεικόνιση το δομημένο φως επιτρέπει την ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων. Το πλεονέκτημα των σαρωτών δομημένου φωτός είναι η ταχύτητα και ακρίβεια. Αντί να σαρώνουν ένα σημείο σε κάποιο χρονικό διάστημα, οι σαρωτές δομημένου φωτός σαρώνουν πολλαπλά σημεία ή ολόκληρο το οπτικό πεδίο με τη μία. Σαρώνοντας όμως ολόκληρο το οπτικό πεδίο σε κλάσμα του δευτερολέπτου μειώνεται ή εξαλείφεται το πρόβλημα της στρέβλωσης από την κίνηση. Ορισμένα από τα συστήματα που υπάρχουν είναι ικανά να σαρώσουν κινούμενα αντικείμενα σε πραγματικό χρόνο. Το Vision Master κάνει τριδιάστατη σάρωση με μια φωτογραφική μηχανή 5 megapixel. Κατασκευάστηκε ένας σαρωτής πραγματικού χρόνου που χρησιμοποιώντας ψηφιακή προβολή και την τεχνική σταδιακής μετατόπισης (χαρακτηριστικά της μεθόδου δομημένου φωτός) μπορεί να συλλάβει, να ανακατασκευάσει και να αποδώσει λεπτομέρειες παραμορφωμένων αντικειμένων (όπως οι εκφράσεις του προσώπου) σε 40 καρέ το δευτερόλεπτο. Πρόσφατα κατασκευάστηκε και ένας άλλος σαρωτής που επιτυγχάνει 120 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Μπορεί επίσης να ανιχνεύσει απομονωμένες επιφάνειες, για παράδειγμα δύο κινούμενα χέρια. 31

Με τη χρησιμοποίηση των νέων μεθόδων που αναπτύσσονται, η ταχύτητα αυτή θα μπορούσε να φθάσει από εκατοντάδες έως και χιλιάδες καρέ ανά δευτερόλεπτο. 3.2 Ο σαρωτής δομημένου φωτός SLS-2 Τα στοιχεία προέρχονται στοιχεία από το διαφημιστικό φυλλάδιο της εταιρείας Εικ. 3.1: Ο σαρωτής δομημένου φωτός DAVID SLS-2 (Πηγή: http://www.david-3d.com/en/products/sls-2) Εικ. 3.2: Ο σαρωτής δομημένου φωτός DAVID SLS-2 στη συσκευασία του (Πηγή: http://www.david-3d.com/en/products/sls-2) 32

Προδιαγραφές Μέγεθος σάρωσης: 60-500 mm Ανάλυση / Ακρίβεια: Μέχρι 0,1% του μεγέθους σάρωσης (κάτω από 0,06 mm) Χρόνος σάρωσης: Μια ενιαία σάρωση μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα Πυκνότητα πλέγματος: Μέχρι 1,200,000 κορυφές ανά σάρωση Μορφές (formats) εξαγωγής: OBJ, STL, PLY Απαιτήσεις Απαιτούνται Standard PC (Windows XP, Vista, 7 or 8-32 or 64 bit) Δύο ελεύθερες θύρες USB Συνιστώνται Dual core 2 GHz CPU 64 bit Windows 8 GB system memory 3d graphics card (e.g. NVIDIA GeForce or ATI Radeon) with 1 GB RAM or more Περιεχόμενα Industrial camera with high quality lens Video projector with special lens for large focal range, including remote control USB drive with DAVID-4-PRO software Sliding rail (aluminium) Camera slider High quality tripod Calibration panels printed on both sides for multiple scan volumes Printed instructions All required connecting cables 33

Adapters for power supply in over 150 countries Cable straps Το DAVID SLS-2 είναι εξοπλισμένο με ένα βιντεοπροβολέα HD με μεγάλο εύρος εστίασης και σταθερό πάνελ από βαθμονομημένο γυαλί. Οι 3D σαρώσεις μπορούν να εξαχθούν σε κοινές μορφές αρχείων 3D (OBJ, STL, PLY) και να υποβληθούν σε επεξεργασία σε άλλες εφαρμογές, όπως η ταχεία προτυποποίηση/3d εκτύπωση, επιθεώρηση, αντίστροφη μηχανική, αρχαιολογία/πολιτιστική κληρονομιά, έργα τέχνης, κινούμενα σχέδια υπολογιστή/cgi ή τα βιντεοπαιχνίδια. Το 3D scanner παραδίδεται με λογισμικό DAVID-4. Σαν επιλογή το DAVID SLS-2 μπορεί να λειτουργήσει με το λογισμικό DAVID TT-1 για την ταχύτερες 3D σαρώσεις 360. Πολλοί 3D σαρωτές χρησιμοποιούν ένα διπλό σύστημα σάρωσης με λέιζερ για να «συλλάβουν» τα μοντέλα των αντικειμένων. Ο DAVID SLS-2 χρησιμοποιεί ένα διαφορετικό είδος τεχνολογίας που βασίζεται στο φωτισμό και ένα σύστημα κάμερας για να κάνει γρήγορες σαρώσεις σε απίστευτα επίπεδα λεπτομέρειας. Αν και αυτή η τεχνολογία σάρωσης δεν είναι ακόμα διαδεδομένη στις επιχειρήσεις, οι συσκευές είναι προσιτές οικονομικά αλλά και για επαγγελματική χρήση. Οι πληροφορίες προέρχονται απ τον ιστότοπο: http://www.toptenreviews.com/computers/scanners/best-3d-scanners/davidreview/#sthash.oitghh58.dpuf 34

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Σχεδίαση βάσης για τη στήριξη και την περιστροφή του αντικειμένου 4.1 Σκοπός του project Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και η κατασκευή μιας βάσης, η οποία θα στηρίζει και θα περιστρέφει το αντικείμενο που πρόκειται να σαρωθεί. Αρχικά θα σχεδιάσουμε τη βάση, η οποία θα συγκρατεί σταθερά το αντικείμενο. Η συγκράτηση θα γίνεται με άξονες που θα πιάνουν το αντικείμενο και θα κινούνται με τη χρήση δυο βηματικών κινητήρων (stepper motor). Η βάση θα είναι περιστρεφόμενη. Η περιστροφή θα γίνεται με ένα εσωτερικό μηχανισμό κίνησης (ένα τρίτο stepper motor) που θα της επιτρέπει να έχει κάποιους βαθμούς ελευθερίας όταν κινείται για να σαρώνουμε πολλές όψεις του αντικειμένου. Ο έλεγχος των stepper motor θα γίνεται ηλεκτρονικά μέσω ενός χειριστηρίου. Με τον τρόπο αυτό θα πετύχουμε να γίνεται γρήγορα η σάρωση. Το μέγεθος των αντικειμένων που πρόκειται να σαρωθούν εξαρτάται από το σχήμα και τον όγκο τους. αυτοί και θα είναι και οι κύριοι παράγοντες για την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια των μετρήσεων. Με τη βάση αυτή θα διευκολύνεται η τρισδιάστατη σάρωση αντικειμένων. Ο σαρωτής στον οποίο απευθύνεται είναι η συσκευή DAVID SLS-2, η λειτουργία της οποίας βασίζεται στην τεχνολογία δομημένου φωτός. Η διαδικασία της κατασκευής θα γίνει με τη χρήση δύο τεχνολογιών ταχείας πρωτοτυποποίησης. 4.2 Πρωτοτυποποίηση Το πρωτότυπο είναι ένα πρώιμο δείγμα ή μοντέλο που κατασκευάζεται για να δοκιμαστεί ένα προϊόν. Τα πρωτότυπα χρησιμοποιούνται στην ανάπτυξη νέων προϊόντων με σκοπό την: Λήψη πληροφοριών σε σχέση με το προϊόν. Επικοινωνία μεταξύ των μελών της ομάδας ανάπτυξης του προϊόντος. 35

Ολοκλήρωση των επιμέρους τμημάτων ενός προϊόντος. Έλεγχο και αξιολόγηση στο προϊόν των προδιαγραφών που έχουν οριστεί κατά το σχεδιασμό. 4.2.1 Βασικές Αρχές της Πρωτοτυποποίησης Τα αναλυτικά πρωτότυπα είναι συνήθως πιο ευέλικτα από τα φυσικά πρωτότυπα. Τα φυσικά πρωτότυπα είναι απαραίτητα για τον προσδιορισμό παραμέτρων, οι οποίες δεν μπορούν να εντοπισθούν ή να μελετηθούν κατά το σχεδιασμό. Το πρωτότυπο μειώνει το πλήθος των αλλαγών στο σχεδιασμό. Η χρήση πρωτοτύπου διευκολύνει φάσεις της ανάπτυξης του προϊόντος, εκτός από την ανάπτυξη του συγκεκριμένου τμήματος του προϊόντος που μελετάται. Το πρωτότυπο αλλάζει την αλληλεξάρτηση των επιμέρους εργασιών για την ανάπτυξη ενός νέου προϊόντος. 4.2.2 Σχεδιασμός του Πρωτοτύπου Ορισμός της σκοπιμότητας του πρωτοτύπου. Ορισμός του βαθμού προσομοίωσης του προϊόντος από το πρωτότυπο. Προσδιορισμός σεναρίου για την αξιοποίηση του πρωτοτύπου. Δημιουργία χρονοδιαγράμματος για την προετοιμασία, την κατασκευή και την ολοκλήρωση των ελέγχων στο πρωτότυπο. Σχεδιασμός πρωτοτύπου που θα ανταποκρίνεται στη σκοπιμότητα, για την οποία κατασκευάζεται. 4.3 Τεχνικές Ταχείας Πρωτοτυποποίησης Η ταχεία προτυποποίηση είναι ένα σύνολο τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται για να κατασκευάσουμε γρήγορα ένα μοντέλο ή υπό κλίμακα ή σε φυσικό μέγεθος με τη χρήση τρισδιάστατου σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή. 36

Οι τεχνικές ταχείας πρωτοτυποποίησης είναι οι παρακάτω. 4.3.1 Στερεολιθογραφία Χρησιμοποιούνται κομμάτια από ρητίνες, τα οποία όμως είναι τοξικά και δεν πρέπει να έρχονται σε επαφή με το δέρμα. Γι αυτό απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή. Χρειάζεται ειδικός εξοπλισμός όπως γάντια, μάσκα κλπ. Με τις ρητίνες κατασκευάζουμε επιφάνειες πολύ καλής ποιότητας. Πρόβλημα είναι η μικρή αντοχή των κομματιών που δεν αντέχουν σε λειτουργικές δοκιμές. Ενδείκνυνται για κατασκευές πολύπλοκης γεωμετρίας. Έχουν όμως υψηλό κόστος υλικών. Λόγω ευαισθησίας έχουν μικρή δυνατότητα επεξεργασίας. Εικ. 4.1: Στερεολιθογραφία (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) 4.3.2 Solid Ground Curing Η Solid ground curing (SGC) είναι τεχνολογία κατασκευής προσθέτου με βάση τον φωτο-πολυμερισμό (ή 3D εκτύπωση) που χρησιμοποιείται για την παραγωγή μοντέλων, πρωτοτύπων και τμημάτων των οποίων η παραγωγή πραγματοποιείται με τη βοήθεια μιας λάμπα UV μέσω μιας μάσκας. Πρόκειται για τεχνική παρόμοια με τη στερεολιθογραφία. Εικ. 4.2: Solid Ground Curing (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) 37

Οι διαφορές του έγκεινται στο ότι: Το διάλυμα μετακινείται και οριζόντια. Η στερεοποίηση της στρώσης γίνεται με λάμπα υπεριώδους φωτός. Τα μοντέλα χτίζονται περικυκλωμένα από κερί. Το σύστημα της Cubital μπορεί να πετύχει πάχος layer ίσο με 0.1-0.2 mm, μπορεί να κατασκευάσει έναν layer σε 70 sec. 4.3.3 Sintering Sintering (πυροσυσσωμάτωση) είναι η διαδικασία σχηματισμού ενός στερεού με συμπίεση και προσφορά θερμότητας χωρίς να γίνει τήξη ή να φθάσουμε στο σημείο υγροποίησης. Στη μέθοδο αυτή μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μεγάλη γκάμα υλικών και ειδικά το νάιλον. Επίσης μας δίνει τη δυνατότητα κατασκευής μεταλλικών κομματιών. Η διαδικασία δεν χρειάζεται στηρίγματα ούτε ιδιαίτερη επεξεργασία, μετά την κατασκευή. Επί πλέον μας παρέχει τη δυνατότητα να προσδιορίσουμε κάποια ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του προϊόντος όπως η κατανομή θερμοκρασίας σε μεταλλικά κομμάτια. Μπορούμε να κατασκευάσουμε σχετικά μεγάλα αντικείμενα (μέχρι 0,5 m), ενώ μας και δίνει τη δυνατότητα συναρμολόγησης εξαρτημάτων. Τα κομμάτια που παράγονται έχουν τραχεία επιφάνεια, στην οποία πρέπει να γίνει κατεργασία για τη βελτίωση της ποιότητας της. Τα κομμάτια έχουν μεγάλη αντοχή, μεγάλη ακρίβεια κατασκευής αλλά υψηλό κόστος. Ο χρόνος κατασκευής των κομματιών είναι μεγάλος. Κρίσιμη παράμετρος είναι ο έλεγχος της ενέργειας που μεταφέρεται στη σκόνη από το laser κατά τη σάρωση. 38

Εικ. 4.3: Sintering (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) 4.3.4 Laminated Object Manufacturing LOM Η Laminated object manufacturing (LOM) είναι ένα σύστημα ταχείας πρωτοτυποποίησης που αναπτύχθηκε από Helisys Inc. Σε αυτήν στρώματα από χαρτί, πλαστικό, μέταλλο ή ελάσματα επικαλυμμένα με κολλητικό υλικό είναι επάλληλα κολλημένα μεταξύ τους και κόβονται στο σχήμα που θέλουμε με μαχαίρι ή με κόφτη λέιζερ. Το κάτω μέρος της επιφάνειας του χαρτονιού έχει μια συγκολλητική ουσία, η οποία όταν πιεσθεί και θερμανθεί από έναν κύλινδρο, την αναγκάζει να κολλήσει πάνω στο προηγούμενο χαρτόνι. Το χαρτόνι Εικ. 4.4: LOM (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/co urses/prodev/rp.pdf) 39

κόβεται από ένα laser ακολουθώντας το περίγραμμα της τομής. Το πάχος του χαρτονιού δεν είναι σταθερό. Συνεπώς, ένας αισθητήρας μετράει το πάχος του παρόντος χαρτονιού και το μοντέλο κόβεται ανάλογα. 4.3.5 FDM Η Fused deposition modeling (FDM) είναι μια τεχνολογία κατασκευής πρόσθετης ύλης που χρησιμοποιείται συνήθως για κατασκευή μοντέλων, πρωτοτύπων και την παραγωγή υλικών. Είναι μία από τις τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την 3D εκτύπωση. Χρησιμοποιεί κομμάτια από πλαστικό. Μεγάλη αντοχή κομματιών. υνατότητα συναρμολόγησης κομματιών και ελέγχου δυναμικών χαρακτηριστικών. Κομμάτια με σχετικά καλή ακρίβεια, αλλά ελαφρώς τραχεία επιφάνεια. Μέσο κόστος κομματιών. Μικρή δυνατότητα επεξεργασίας επιφανειών. Κρίσιμη παράμετρος ο έλεγχος της θερμοκρασίας. Η ταχύτητα κατασκευής επηρεάζεται σημαντικά από το σχήμα του αντικειμένου. υνατότητα χρήσης σε περιβάλλον γραφείου. Εικ. 4.5: FDM (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/c ourses/prodev/rp.pdf) 40

4.3.6 3D Printers Κομμάτια από πλαστικό. υνατότητα χρήσης των επιτραπέζιων συστημάτων σε περιβάλλον γραφείου (όχι όμως των 3D printers που χρησιμοποιούν υλικά σε σκόνη). Μεγάλη ταχύτητα κατασκευής κομματιών και μέτρια ακρίβεια. Κομμάτια με τραχεία επιφάνεια. υνατότητα χρήσης χρωμάτων. Μεγάλη αντοχή κομματιών. υνατότητα κατασκευής καλουπιών. υνατότητα συναρμολόγησης κομματιών και ελέγχου δυναμικών χαρακτηριστικών. Εικ. 4.6: 3D printers (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/ courses/prodev/rp.pdf) 4.4 Η ιαδικασία της Στερεολιθογραφίας Εισαγωγή Γεωμετρίας Απαιτείται μοντέλο στερεών ή μοντέλο επιφανειών. Τα δεδομένα που δέχονται οι μηχανές είναι τύπου STL, στο οποίο το αντικείμενο αναπαρίσταται ως πλέγμα συνδεδεμένων τριγώνων, (tessellated object ή faceted object). Το STL αρχείο είναι σε ASCII, ή σε Binary format. Τα προτερήματα του αρχείου STL είναι: Απλή μετατροπή. Οι αλγόριθμοι είναι γνωστοί. Η ακρίβεια ελέγχεται με ευκολία. Μεγάλο εύρος εφαρμογών. 41

Οι αλγόριθμοι τομής του μοντέλου, για τη λειτουργία της μηχανής είναι απλοί. Ευκολία στη διαίρεση του μοντέλου σε τμήματα. Τα μειονεκτήματα του αρχείου STL είναι: Πληθώρα και περίσσεια δεδομένων (Κάθετο διάνυσμα, πολλές φορές η ίδια κορυφή). Σφάλμα προσέγγισης καμπυλών Σφάλματα στρογγυλοποίησης Έλλειψη πληροφόρησης, ως προς το είδος του κάθε γεωμετρικού στοιχείου, δηλ. κύκλος, ευθεία, κλπ. Η διαίρεση του μοντέλου σε τρίγωνα μπορεί να έχει προβλήματα. Εικ. 4.7: Στερεολιθογραφία (εικ. α, β, γ) (Πηγή: http://www.cadlab.tuc.gr/courses/pr odev/rp.pdf) Στηρίγματα Στηρίγματα απαιτούνται για περιπτώσεις που η άνω επιφάνεια που δημιουργείται είναι μεγαλύτερη από τη βάση και για την αρχική στήριξη του αντικειμένου. Η μορφή τους επηρεάζει σημαντικά το τελικό πρωτότυπο και καλό θα είναι ο χρήστης να μοντελοποιεί αυτά τα στηρίγματα. Εικ. 4.8: Χρήση στηρηγμάτων (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) 42

Τομή και Ένωση Το μοντέλο τέμνεται με μια σειρά από επίπεδα, που ενώνονται στη συνέχεια μεταξύ τους. Το πάχος κάθε στρώματος εξαρτάται από τη μηχανή. Μπορούμε να έχουμε και περισσότερα του ενός τεμάχια σε μια πλατφόρμα. Εικ. 4.9: Τομή και ένωση (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/cours es/prodev/rp.pdf) Ο τρόπος με τον οποίο γεμίζει η μηχανή με υλικό το τεμάχιο ονομάζεται μέθοδος γεμίσματος (hatch style), και σημαντικοί παράγοντες είναι η απόσταση μεταξύ γραμμών γεμίσματος (hatch spacing), αντιστάθμιση πλάτους γραμμής και συντελεστής συστολής (shrinkage factor). Στο γέμισμα πρώτα γίνεται η περιβάλλουσα και μετά γεμίζει το εσωτερικό (Internal hatch). Το εσωτερικό γεμίζει με διαφορετικές μεθόδους, όπως: Tri-Hatch. Το γέμισμα γίνεται παράλληλα στον x, και υπό γωνία 600 και 1200 ως προς τον x. Απόσταση μεταξύ γραμμών 1.27 mm. WEAVE. Γραμμές παράλληλα ως προς x και y. Απόσταση 0.11 in. Επιτυγχάνει καλή ακρίβεια. STAR(Staggered Alternate Retract)- WEAVE. Εισάγει την έννοια του Staggered hatch, σχ.8.13α, Alternate Hatch και Retract Hatch, σχ.8.13β. QuickCast, σχ.8.14. Χρησιμοποιείται όταν το πρωτότυπο χρησιμοποιείται για καρδιά σε investment casting. Η απόσταση Εικ. 4.10: Μέθοδος QuickCast (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/course s/prodev/rp.pdf) 43

γεμίσματος είναι μεγάλη και το πρωτότυπο είναι μισογεμάτο. ACES (Accurate, Clear, Epoxy Solid). Οι διάφοροι μέθοδοι αποσκοπούν στο να εξαλείψουν τις εσωτερικές τάσεις. Αντιστάθμιση Πάχους Γραμμής (Line width compensation). Έχει την ίδια σημασία με την αντιστάθμιση του κοπτικού εργαλείου. Η τιμή της αντιστάθμισης είναι θέμα και εμπειρίας. Εικ. 4.11: Αντιστάθμιση Πάχους Γραμμής (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) Παράγοντας Συστολής Ο πολυμερισμός αυξάνει την πυκνότητα του υλικού με συνέπεια να μειώνεται ο όγκος του. Μετά τη στερεοποίηση συστέλλεται. Πρέπει να το έχουμε προβλέψει. Εικ. 4.12: Παράγοντας συστολής (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) Βάθος Επίδρασης (Cure depth) Είναι το βάθος μέχρι το οποίο η ακτίνα laser έχει επίδραση στο υλικό. Αυτό πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το πάχος της στρώσης Τελική Επεξεργασία Πρωτοτύπου. 44

Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας ακολουθεί η απομάκρυνση του πρωτοτύπου, ο καθαρισμός του από τα στηρίγματα, η δεύτερη επεξεργασία και η αποπεράτωση του πρωτοτύπου. Μεταφορά Δεδομένων σε Συστήματα Ταχείας Προτυποποίησης Λειτουργίες λογισμικού Ταχείας Προτυποποίησης Το κόστος της κατασκευής συνδέεται με τις εργατοώρες που απαιτούνται ώστε να προετοιμάσουμε τα δεδομένα και να δημιουργήσουμε το μοντέλο. Το βασικό κριτήριο αξιολόγησης είναι η ελαχιστοποίηση του αριθμού των επαφών ανάμεσα στο σχεδιαστή και τον κατασκευαστή και η βελτίωση της επικοινωνίας ανάμεσα τους οποιοδήποτε εργαλείου λογισμικού και να χρησιμοποιούν. Εικ. 4.13: Λειτουργίες λογισμικού Ταχείας Προτυποποίησης (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) Προβλήματα στη Δημιουργία Αρχείου STL Εικ. 4.14: Προβλήματα στη Δημιουργία Αρχείου STL (Πηγή:http://www.cadlab.tuc.gr/courses/prodev/RP.pdf) 45

Η Τεχνολογία Ταχείας Προτυποποίησης σε σχέση με την κατεργασία Η τεχνολογία της ταχείας προτυποποίησης μας δίνει τη δυνατότητα να κατασκευάζουμε γρήγορα ένα φυσικό μοντέλο. Ειδικά ένα μοντέλο σε τρισδιάστατη μορφή στο σύστημα CAD. Τα μοντέλα που παράγονται με τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται για τεστ λειτουργικότητας. Επίσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για δοκιμές πριν την παραγωγή. Με τη χρήση των μοντέλων εντοπίζονται σε σχετικά πρώιμο στάδιο ατέλειες και λάθη. Έτσι γίνονται οι απαραίτητες αλλαγές χωρίς μεγάλο κόστος. Με την εφαρμογή των τεχνολογιών ταχείας προτυποποίησης ο χρόνος κατασκευής εχει μειωθεί περίπου στο μισό. Για την αποτελεσματική εφαρμογή της μεθόδου στην παράγωγη προϊόντων απαιτείται η χρήση τρισδιάστατου σχεδιασμού τη βοήθεια υπολογιστή (CAD). Με το σύστημα αυτό κατασκευάζεται το αρχικό μοντέλο του προϊόντος. Στα αρνητικά της μεθόδου είναι το κόστος παραγωγής καθώς και το κόστος εισαγωγής αλλαγών στο σχεδιασμό ενός προϊόντος. Η Τεχνολογία Ταχείας Προτυποποίησης σε σύγκριση με συμβατικές μεθόδους Η τεχνολογίας ταχείας πρωτοτυποποίησης εχει σημαντικά πλεονεκτήματα κατά τη χρήσης της. Παλιά οι εταιρίες κατασκεύαζαν φυσικά πρωτότυπα με παραδοσιακές μεθόδους. Χρησιμοποιούσαν τις μηχανές κατεργασιών που διέθεταν όπως π.χ. τον τόρνο. Επίσης το κόστος για το λειτουργικό έλεγχο των προϊόντων τους ήταν πολύ υψηλό. Η ταχεία πρωτοτυποποίηση μείωσε το χρόνο κατασκευής των μοντέλων. Ακόμα και όταν πρόκειται για μοντέλα μεγάλης πολυπλοκότητας. Η πολυπλοκότητα ενός κομματιού δεν μπορεί να καθοριστεί απόλυτα, όμως οπωσδήποτε πρέπει να περιέχει τα παρακάτω στοιχεία: Το μέγεθος του μοντέλου. Το ύψος και πάχος των τοιχωμάτων. Την αναλογία μεταξύ αυτών των δύο. 46

Το συνολικό αριθμό επιφανειών στο μοντέλο που έχει εξαχθεί με το σύστημα CAD. Τις απαιτήσεις των ανοχών. Τον τύπο του συστήματος CAD, που δημιουργεί τα μονοπάτια των εργαλείων. Η Τεχνολογία ταχείας προτυποποίησης δεν μπορεί να αντικαταστήσει όλες τις συμβατικές τεχνολογίες όπως πχ. η κατεργασία με NC. Στις μεθόδους ταχείας προτυποποίησης ο χρόνος και το κόστος παραμένουν σχεδόν σταθερά ανεξάρτητα από την πολυπλοκότητα του μοντέλου, αντίθετα με ότι συμβαίνει στις συμβατικές τεχνολογίες. Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας ταχείας προτυποποίησης γίνονται εμφανή όσο η πολυπλοκότητα ενός κομματιού μεγαλώνει. 47

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Υλοποίηση του project 5.1 Κατασκευή του project Για τον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση του παρόντος έργου χρησιμοποιήθηκε το Creo Parametric. Η ανάπτυξη δημιουργία αυτού του μοντέλου έγινε με τη χρήση δύο τεχνολογιών ταχείας πρωτοτυποποίησης. Η μία είναι η SHS (Selective Heat Sintering) με την χρήση πούδρας και η άλλη είναι η FDM (Fused Deposition Modeling) με τη χρήση ABS. Η επιλογή αυτών των δυο τεχνολογιών έγινε για λόγους κόστους. Τα μοντέλα που θα παράγει η κάθε μια τεχνολογία θα εξαρτηθεί από την ακρίβεια και το βάρος που θέλουμε να πετύχουμε. Προδιαγραφές του Project Το προϊόν που θέλουμε να κατασκευάσουμε σε σχέση με το χρήστη θα πρέπει να είναι: Μικρό σε μέγεθος Εύκολο στη συναρμολόγηση Απλό στην χρήση Σταθερό Ποιοτικό Και σε σχέση με προς τη λειτουργία του: Γρήγορο Αποτελεσματικό Ευέλικτο Ακριβές 5.2 Αρχική σχεδίαση / πρωτότυπο Αρχικά σχεδιάσαμε μια μηχανικά περιστρεφόμενη βάση στήριξης. Η 48

περιστροφή της βάσης γίνεται μέσω ενός βηματικού κινητήρα (stepper motor). Ο βηματικός κινητήρας είναι ένας κινητήρας που χωρίζει μια πλήρη περιστροφή σε ένα αριθμό από ίσα βήματα. Ο κινητήρας έχει τη δυνατότητα να λάβει εντολή για να κινηθεί και σταματήσει σε ένα από αυτά τα βήματα. Με το stepper motor μπορούμε να επιτύχουμε μέσω του κατάλληλου προγράμματος συγκεκριμένες τιμές γωνιών περιστροφής. Μόνο η χρησιμοποίηση του stepper motor στη στρεφόμενη βάση θα μπορούσε ίσως να θεωρηθεί ότι είναι μια βελτίωση της βάσης της Εικ. 1.2, σελ. 14. Εικ. 5.1: Πρότυπο της βάσης για τη στήριξη και την περιστροφή του αντικειμένου Όμως ο σχεδιασμός της συγκεκριμένης βάσης εκτός από τον εσωτερικό μηχανισμό περιστροφής περιλαμβάνει και κατάλληλο σύστημα σταθεροποίησης του αντικειμένου. Το σύστημα αυτό αποτελείται από δυο βάσεις επάνω στις οποίες «βιδώνουν» δυο άλλα stepper motor ώστε οι ακραίες απολήξεις τους να συγκρατούν και να σταθεροποιούν το αντικείμενο που πρόκειται να σαρώσουμε. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η περιστροφή του αντικειμένου σε δύο άξονες. Η περιστροφή του αντικειμένου γύρω από δύο άξονες παρέχει αρκετούς βαθμούς ελευθερίας έτσι ώστε να είναι δυνατή μια πανοραμική άποψη του κατά 360 ο. Οι εντολές στους βηματικούς κινητήρες των δυο πλαϊνών βάσεων δίνονται από ένα ολοκληρωμένο σύστημα (arduino) το οποίο μέσω κάποιων driver περνάνε σε αυτούς. 49

5.3 Προβλήματα κατά την αρχική σχεδίαση Στην αρχική σχεδίαση χρησιμοποιήθηκε ξύλο. Η επιλογή αυτή έγινε γιατί θα μας βοηθούσε να κατασκευαστεί πολύ γρήγορα και να γίνει η πρώτη ανάλυση ώστε να δούμε τα πρώτα σφάλματα και τι πρέπει να βελτιώσουμε. Αρχικά τα προβλήματα που αντιμετωπίσαμε ήταν στην επιλογή του τύπου ξύλου που θα χρησιμοποιούσαμε γιατί θέλαμε κάτι ανθεκτικό και ελαφρύ. Αφού επιλέξαμε παρατηρήσαμε ότι ένα μεγάλο πρόβλημα επίσης ήταν η φόρμα που θα δίναμε στα κομμάτια γιατί δεν θέλαμε να μειώσουμε την αντοχή μιας και δεν γνωρίζαμε στην αρχή ποιο θα ήταν το τελικό βάρος, άλλα και την ταχύτητα, ροπή που θα ορίζαμε στα stepper motor. Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν: Arduino uno 3.0 Stepper motor 5v x2 Stepper motor nema 17 Οδηγοί σπειρώματα Βάσεις οδηγών σπειρωμάτων Οδηγοί απλοί Μούφες stepper motor 5v x2 Μούφα stepper motor nema 17 Power supply 12v Τροφοδοτικό 12v Τροφοδοτικό 9v Usb για τροφοδοσία Arduino Διακόπτες x4 Καλώδια 50

5.4 Τα βασικά υλικά και η λειτουργία τους 5.4.1 Arduino Το arduino είναι μια υπολογιστική πλατφόρμα. Βασίζεται σε μια απλή μητρική πλακέτα με ένα ενσωματωμένο μικροελεγκτή και εισόδους/εξόδους. Ο μικροελεγκτής που βρίσκεται σε κάθε πλακέτα arduino μπορεί να προγραμματιστεί σε γλώσσα arduino programming language (βασισμένη στην Wiring). Το προγραμματιστικό περιβάλλον του arduino είναι βασισμένο στη γλώσσα Processing. Υπάρχουν διάφορες πλακέτες arduino βασισμένες σε διαφορετικούς μικροελεγκτές. Το πρόγραμμα compiler του arduino είναι δωρεάν και διαθέσιμο από το επίσημο site (arduino.cc). Επιπλέον, η γλώσσα προγραμματισμού, οι διάφορες βιβλιοθήκες και το ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης που υπάρχουν για τον προγραμματισμό της πλατφόρμας arduino αποτελούν ανοιχτό λογισμικό. Εικ. 5.2: Το arduino στη θήκη προστασίας του 5.4.2 Βηματικός κινητήρας (stepper motor) Ο κοινός κινητήρας περιστρέφει τον άξονα του με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Ο βηματικός κινητήρας, χωρίζει μια πλήρη περιστροφή σε έναν αριθμό ίσων βημάτων. Αυτή η ιδιαίτερη δυνατότητα περιστροφής του μας δίνει τη δυνατότητα να ελέγχουμε κάποιους μηχανισμούς με μεγάλη ακρίβεια. 51

Εικ. 5.3: Ο βηματικός κινητήρας που χρησιμοποιούμε για την περιστροφή της βάσης Ο βηματικός κινητήρας, δεν μπορεί να περιστραφεί με την ίδια ταχύτητα που περιστρέφονται οι κοινοί κινητήρες, αλλά έχει μεγάλη ακρίβεια περιστροφής. Εσωτερικά, έχει ένα μηχανισμό που αποτελείται από γρανάζια και εξασφαλίζει μικρότερες γωνίες από 90 μοίρες και ισχυρότερη περιστροφή. Οι βηματικοί κινητήρες χαρακτηρίζονται από τον αριθμό των βημάτων ανά περιστροφή. Αυτός μπορεί να ποικίλει από 12, 24, 72, 144 μέχρι και 200. Έτσι οι αντίστοιχες γωνίες βήματος είναι 360/12=30, 360/24=15, 360/72=5, 360/144=2,5 και 360/200=1,8 μοίρες. Μια πλήρης περιστροφή του άξονα ενός βηματικού κινητήρα ονομάζεται revolution. Εικ. 5.4: Αρχή λειτουργίας του βηματικού κινητήρα (Πηγή: http://lyk-falan.lar.sch.gr/digifest4/part3.pdf) 5.4.3 Σύνδεση stepper motor στο Arduino - Συσκευή οδήγησης (Driver) Ο ηλεκτρομαγνήτης του βηματικού κινητήρα χρειάζεται αρκετή ενέργεια για να λειτουργήσει. Η ένταση όμως του ρεύματος που παρέχει το Arduino είναι 52

πολύ μικρή. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται συσκευές οδήγησης (drivers) που παίρνουν την τάση από το arduino και αφού την ενισχύσουν την παρέχουν στο βηματικό κινητήρα. Εικ. 5.5: Ο βηματικός κινητήρας (stepper motor) με τον οδηγό (driver) του Εικ. 5.6: Ο οδηγός (driver) που χρησιμοποιούμε Με τη χρήση των drivers εξασφαλίζεται ότι δε θα καταστραφεί ο μικροελεγκτής του arduino. Και φυσικά ο βηματικός κινητήρας έχει αρκετή ισχύ για να περιστρέφεται σταθερά. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ο τρόπος σύνδεσης του νηματικού κινητήρα στο arduino μέσω του driver. 53

Εικ. 5.7: Σύνδεση βηματικού κινητήρα και driver στο Arduino (Πηγή: http://lyk-falan.lar.sch.gr/digifest4/part3.pdf) 5.4.4 Τροφοδοσία του συστήματος Εικ. 5.9: Τροφοδοτικό Το τροφοδοτικό της παραπάνω εικόνας είναι ιδανικό για arduino και έχει τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Τάση εξόδου: 12V Ρεύμα εξόδου: 1A Τύπος ακροδέκτη: 5,5/2,1 Τάση εισόδου 90...264 V 54

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Σχεδιασμός / Μοντελοποίηση / προβλήματα 6.1 Τελική κατασκευή του project Αρχικά όλα τα κομμάτια κατασκευάστηκαν με την χρήση πούδρας. Αυτά είναι: Main_base_180 (Εικ. 6.1) Η Main_base_180 είναι η κεντρική βάση μέγιστης διαμέτρου 18cm στην οποία τοποθετείται το arduino, το κεντρικό stepper motor που είναι υπεύθυνο για την περιστροφή όλης της συσκευής, τα καλώδια και οι τροφοδοσίες. Χρήση SHS (Selective Heat Sintering). Upper_main-base_200_from_180 (Εικ. 6.2) Η upper_main-base_200_from_180 είναι το επάνω μέρος της συσκευής, το οποίο πατάει πάνω στην Main_base_180 και έχει μεγίστη διάμετρο 20cm. Πάνω του τοποθετούνται οι βάσεις των stepper motor 5v που είναι υπεύθυνα για την συγκράτηση των αντικειμένων. Χρήση SHS (Selective Heat Sintering). 55

Main_bracket_200_for_180_base (Εικ. 6.3) Το main_bracket_200_for_180_base είναι το στήριγμα του stepper motor 5v και τοποθετείται συρόμενο στην upper_main-base_200_from_180. Χρήση SHS (Selective Heat Sintering). X_axle bracket (Εικ. 6.4) Το x_axle bracket είναι βασικό κομμάτι για την λειτουργία της συσκευής. Ενσωματώνεται μέσα του το stepper motor 5v και οι οδηγοί που περάνε μέσα στο main_bracket_200_for_180_base ώστε κατά την περιστροφή των stepper motor 5v τα μοτέρ να μην χάνουν την πορεία τους. Χρήση SHS (Selective Heat Sintering). Control (Εικ. 6.5) Το κοντρόλ είναι υπεύθυνο για την λειτουργία όλων των stepper motor. Τα δυο επάνω κουμπιά διαχειρίζονται τα stepper motor 5V, τα όποια είναι υπεύθυνα για τη συγκράτηση ή την απελευθέρωση των αντικειμένων που θέλουμε να στηρίξουμε, ενώ τα δυο τελευταία διαχειρίζονται το stepper motor nema 17 το οποίο είναι υπεύθυνο για την περιστροφή του συνόλου κατά κάποιες μοίρες. Χρήση SHS (Selective Heat Sintering). 6.2 Προβλήματα κατά τις δοκιμές 6.2.1 Επανασχεδιασμός ορισμένων τμημάτων Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε μέχρις ότου να επιτύχουμε την σωστή λειτουργία της συσκευής μας ήταν το βάρος. Γι αυτό χρειάστηκε 56

να επανασχεδιάσουμε δυο βασικά εξαρτήματα. Το upper_mainbase_200_from_180 και το x_axle bracket. Σε αυτά έγιναν τα παρακάτω: Upper_main-base_200_from_180 Η αρχική σκέψη ήταν να γίνει σε FDM (Fused Deposition Modeling) με τη χρήση abs. Λόγω όμως του μεγάλου κόστους αλλά και του χρόνου παραγωγής προτιμήθηκε ο επανασχεδιασμός. Επανασχεδιάστηκε από την αρχή και τελικά προέκυψε ένα προϊόν το οποίο έχει μια στρογγυλή ξύλινη βάση πάνω στην όποια τυπώσαμε με abs μόνο τους συρόμενους οδηγούς για τα main_bracket_200_for_180_base. Η διαφορά βάρους που προέκυψε ήταν σημαντική. Το νέο κομμάτι ζυγίστηκε και ήταν 380g έναντι των 1460g που ήταν το αρχικό. Χρήση FDM (Fused Deposition Modeling) και ξύλου. Εικ. 6.6: Upper_main-base και επανασχεδιασμός της X_axle bracket Στο x_axle bracket το πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε ήταν ότι κόλλαγαν οι οδηγοί λόγω του βάρους της πούδρας, οπότε και επανασχεδιάσαμε το αντικείμενο. Χρήση FDM (Fused Deposition Modeling). Εικ. 6.7: X_axle bracket και επανασχεδιασμός της 57

6.2.2 Συνδεσμολογία Προβλήματα κατά την σύνδεση Εικ. 6.8: Η συνδεσμολογία της κατασκευής μας Προβλήματα αντιμετωπίσαμε όταν προχωρήσαμε στη συνδεσμολογία του κυκλώματος. Χωρίς τη χρήση αντίστασης οι drivers υπερθερμαίνονταν. Επειδή το κύκλωμά τους είναι ολοκληρωμένο δεν ήταν δυνατόν να υπολογίσουμε μαθηματικά την απαιτουμένη τιμή αντίστασης. Ο υπολογισμός έγινε πειραματικά με τη βοήθεια πολύμετρου. Η τιμή αντίστασης που δεν θέρμαινε το κύκλωμα αλλά και σταθεροποίησε την τάση των drivers στα 5V ήταν 220Ω. Επίσης το κύκλωμα λειτούργησε καλύτερα όταν χρησιμοποιήσαμε διαφορετική γείωση για το arduino και το driver του nema 17. 58

6.3 Προγραμματισμός / Κώδικας Arduino #include <Stepper.h> int button_1 = 4; int button_2 = 5; int motorpin1 = 10; int motorpin2 = 11; int motorpin3 = 12; int motorpin4 = 13; int motor_speed = 4; int motor_step; int val1 = 0; int val2 = 0; const int buttonpin2 = 2; const int buttonpin3 = 3; int buttonstate2 = 0; int buttonstate3 = 0; int buttonstate1 = 0; int buttonstate1b = 0; int onerev = 0; int microsecdelay = 0; int dirpin = 8; int steppin = 9; int oneway; // the number of the pushbutton pin // the number of the pushbutton pin // variable for reading the pushbutton status // variable for reading the pushbutton status void setup() { pinmode(button_1, INPUT); pinmode(button_2, INPUT); pinmode(motorpin1, OUTPUT); pinmode(motorpin2, OUTPUT); pinmode(motorpin3, OUTPUT); pinmode(motorpin4, OUTPUT); pinmode(dirpin, OUTPUT); pinmode(steppin, OUTPUT); pinmode(buttonpin2, INPUT); pinmode(buttonpin3, INPUT); digitalwrite(dirpin, LOW); digitalwrite(steppin, LOW); oneway = 1; } void loop() { // read the state of the pushbutton value: buttonstate2 = digitalread(buttonpin2); buttonstate3 = digitalread(buttonpin3); buttonstate1 = digitalread(buttonpin2); buttonstate1b = digitalread(buttonpin3); if(buttonstate1==high){ 59

} onerev = 800; oneway+= 1; microsecdelay = 400; digitalwrite(dirpin, LOW); digitalwrite(steppin, HIGH); delaymicroseconds(microsecdelay); digitalwrite(steppin, LOW); delaymicroseconds(microsecdelay); if(buttonstate1b==high){ onerev =800; microsecdelay = 400; digitalwrite(dirpin, HIGH); digitalwrite(steppin, HIGH); delaymicroseconds(microsecdelay); digitalwrite(steppin, LOW); delaymicroseconds(microsecdelay); } if (oneway > onerev){ oneway = 1; } val1 = digitalread(button_1); if (val1 == HIGH) { digitalwrite(motorpin1, HIGH); digitalwrite(motorpin2, LOW); digitalwrite(motorpin3, LOW); digitalwrite(motorpin4, LOW); delay(motor_speed); digitalwrite(motorpin1, LOW); digitalwrite(motorpin2, HIGH); digitalwrite(motorpin3, LOW); digitalwrite(motorpin4, LOW); delay(motor_speed); digitalwrite(motorpin1, LOW); digitalwrite(motorpin2, LOW); digitalwrite(motorpin3, HIGH); digitalwrite(motorpin4, LOW); delay(motor_speed); digitalwrite(motorpin1, LOW); digitalwrite(motorpin2, LOW); digitalwrite(motorpin3, LOW); digitalwrite(motorpin4, HIGH); delay(motor_speed); } val2 = digitalread(button_2); if (val2 == HIGH) 60

{ digitalwrite(motorpin4, HIGH); digitalwrite(motorpin3, LOW); digitalwrite(motorpin2, LOW); digitalwrite(motorpin1, LOW); delay(motor_speed); digitalwrite(motorpin4, LOW); digitalwrite(motorpin3, HIGH); digitalwrite(motorpin2, LOW); digitalwrite(motorpin1, LOW); delay(motor_speed); digitalwrite(motorpin4, LOW); digitalwrite(motorpin3, LOW); digitalwrite(motorpin2, HIGH); digitalwrite(motorpin1, LOW); delay(motor_speed); digitalwrite(motorpin4, LOW); digitalwrite(motorpin3, LOW); digitalwrite(motorpin2, LOW); digitalwrite(motorpin1, HIGH); delay(motor_speed); } } 6.4 Τελικό προϊόν / στήσιμο Αποφασίσαμε το τελικό προϊόν να τοποθετηθεί σε κουτί ώστε να διευκολύνεται η λειτουργία της συσκευής DAVID SLS-2. Τοποθετήθηκε περιμετρικά φωτισμός για να δημιουργείται μια αίσθηση φυσικού φωτός γύρω από τα αντικείμενα για καλύτερα αποτελέσματα. Το κοντρόλ τοποθετήθηκε και αυτό σταθερά πάνω στο κουτί, ώστε να μην υπάρξει κάποια στιγμή πρόβλημα με τα καλώδια που μετέφεραν τις εντολές. Οι εικόνες 1-10 δείχνουν το στήσιμο του τελικού προϊόντος. Εικ. 6.9: Κύκλωμα στην Εικ. 6.10: Τοποθέτηση της επάνω βάσης Εικ.6.11: Βάση και βασική βάση πάνω στο nema 17 φωτισμός 61

Εικ.6.12: Stepper Εικ.6.13: Όλη η συσκευή πάνω Εικ.6.14: Βοηθητικό σκηνικό motor 5v στην βάση φωτισμού Εικ.6.15: Τοποθέτηση επάνω Εικ.6.16: Τελικό προϊόν Εικ.6.17: Λειτουργία βάσης σε βοηθητικό σκηνικό όλης της συσκευής Εικ.6.18: Στήριξη αντικείμενου και σκανάρισμα μέσω της συσκευής DAVID SLS-2. 6.5 Μετρήσεις Για να δοκιμάσουμε την απόδοση και την ταχύτητα της συσκευής μας κάναμε μετρήσεις και με τη συσκευή και με το συμβατικό τρόπο. Οι μετρήσεις αφορούσαν δυο αντικείμενα. Ένα αντικείμενο με σταθερή βάση στήριξης και ένα αντικείμενο που δεν μπορεί να σταθεί όρθιο. Το πρώτο αντικείμενο που επιλέξαμε ήταν ένα ποτήρι. Το άλλο ήταν ένα εργαλείο τροχού. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρατίθενται παρακάτω: 62

Προϊόν με σταθερή βάση (ποτήρι) Πίνακας 1: Σάρωση με τη βοηθητική συσκευή αριθμός σαρώσεων 1 2 3 4 5 χρόνος (sec) 15 34 54 76 95 Πίνακας 2: Σάρωση σε απλό τραπέζι με περιστροφή με το χέρι αριθμός σαρώσεων 1 2 3 4 5 χρόνος (sec) 15 44 78 103 141 160 140 120 100 80 60 Βοηθητική συσκευή Περιστροφή με το χέρι 40 20 0 1 2 3 4 5 Συγκριτική γραφική παράσταση των πινάκων 1 και 2 Εικ.6.19: Αντικείμενο προς σάρωση επάνω στη βάση Κατά τις μετρήσεις και με τους δυο τρόπους δεν αντιμετωπίσαμε κάποιο πρόβλημα. Σε αυτό βοήθησε το σχήμα του αντικειμένου και φυσικά η μεγάλη βάση στήριξής του. Για το λόγο αυτό τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι σχετικά κοντά. Το θετικό στοιχείο της σάρωσης με τη βοηθητική συσκευή ήταν ότι είχαμε σταθερούς άξονες για το alignment. Αυτό συνδυάζεται πολύ καλά με λειτουργίες αυτόματου alignment που αφαιρούν από τον χρήστη ένα πολύ μεγάλο όγκο επεξεργασίας του νέφους. 63

Προϊόν χωρίς βάση που δεν μπορεί να σταθεί όρθιο (εργαλείο τροχού) Πίνακας 3: Σάρωση με βοηθητική συσκευή (εικ.α) αριθμός σαρώσεων 1 2 3 4 5 6 χρόνος (sec) 15 32 55 72 88 104 Πίνακας 4: Σάρωση σε απλό τραπέζι με περιστροφή με το χέρι (εικ.β) αριθμός σαρώσεων 1 2 3 4 5 6 χρόνος (sec) 15 63 112 187 243 309 350 300 250 200 150 Βοηθητική συσκευή Περιστροφή με το χέρι 100 50 0 88 72 55 32 15 1 2 3 4 5 6 104 Συγκριτική γραφική παράσταση των πινάκων 3 και 4 Όπως μπορούμε να διακρίνουμε στις εικόνες κατά τη σάρωση με τη συσκευή μας (Εικ.6.20) το αντικείμενο συγκρατείται και περιστρέφεται χωρίς ιδιαίτερη δυσκολία μένοντας σταθερό στον άξονα. Κατά τη σάρωση με το συμβατικό τρόπο (Εικ.6.21) χρειαζόταν να Εικ.6.20: Σάρωση με τη συσκευή μας Εικ.6.21: Σάρωση με το συμβατικό τρόπο στηρίζουμε το αντικείμενο κάθε φορά που του αλλάζαμε γωνία για να μένει σταθερό και να μην πέφτει. Το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίσαμε ήταν κατά την ένωση των σκαναρισμάτων. Η ένωσή τους δεν ήταν εύκολη γιατί το αντικείμενο δεν μπορούσε να στερεωθεί όρθιο και άλλαζε ο άξονάς του σε κάθε περιστροφή. 64