Các Công Nghệ Quét 3D Hiện Nay Và Ứng Dụng Trong Đời Sống

Công nghệ quét 3D một phương pháp mạnh mẽ để chuyển đổi thế giới vật thể thực tế thành mô hình số hóa chi tiết và chính xác, không chỉ giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng trong các quy trình công nghiệp mà còn mở ra những khả năng sáng tạo mới trong việc tạo hình và tương tác với thế giới xung quanh chúng ta. Hãy cùng khám phá sức mạnh và ứng dụng đa dạng của công nghệ quét 3D trong thời đại hiện đại.

Công nghệ Quét 3D là gì?

Quét 3D được hiểu là phương pháp giúp chụp lại các đối tượng vật lý dưới dạng hình học 3 chiều (CAD), đây được xem là một trong những bước đột phá lớn trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Nhờ công nghệ này, giờ đây việc tạo ra sản phẩm có độ chính xác cao so với vật mẫu đã trở nên vô cùng dễ dàng.

Các loại công nghệ quét 3D phổ biến

Có nhiều công nghệ khác nhau để thu được hình dạng của vật thể 3D bằng kỹ thuật số. Các kỹ thuật này hoạt động với hầu hết các loại cảm biến. Có hai loại công nghệ quét 3D chính phổ biến: Công nghệ quét 3D tiếp xúc và công nghệ quét 3D không tiếp xúc. Công nghệ quét 3D không tiếp xúc được chia thành các loại chính đó là: công nghệ quét 3d bằng ánh sáng, công nghệ quét 3d bằng siêu âm và công nghệ quét 3d bằng tia x.

Công nghệ quét 3D tiếp xúc

Công nghệ này hoạt động bằng cách thăm dò vật lý (chạm) vào bộ phận và ghi lại vị trí của cảm biến khi đầu dò di chuyển xung quanh bộ phận. Có hai loại công nghệ quét 3D tiếp xúc chính: Máy đo tọa độ (CMM) hiện đại và Cánh tay có khớp nối, cả hai đều có thể được trang bị máy quét laser không tiếp xúc thay vì đầu dò cảm ứng.

Máy đo tọa độ (CMM)

CMM truyền thống thường có 3 trục chuyển động vuông góc với đầu dò cảm ứng gắn trên trục Z. Khi đầu dò di chuyển xung quanh bộ phận, các cảm biến trên mỗi trục sẽ ghi lại vị trí để tạo ra tọa độ XYZ. CMM hiện đại thường là hệ thống 5 trục, bao gồm hai trục phụ được điều khiển bởi các đầu cảm biến xoay. CMM là phương pháp đo 3D chính xác nhất, đạt được độ chính xác ở mức micron. Ưu điểm lớn nhất của CMM, ngoài độ chính xác cao, là khả năng chạy ở chế độ tự động (CNC) hoặc dưới dạng hệ thống thăm dò thủ công. Tuy nhiên, điều này đi kèm với nhược điểm là chi phí đầu tư ban đầu lớn và yêu cầu kiến thức kỹ thuật để vận hành một CMM hiệu quả.

Cánh tay có khớp nối

Cấu tạo gồm nhiều đoạn, mỗi đoạn được trang bị cảm biến ở đầu. Trong quá trình di chuyển, các cảm biến trên cánh tay sẽ ghi lại vị trí của chúng, và vị trí cuối cùng của cánh tay được tính toán bằng phương pháp phức tạp, kết hợp với góc xoay của cổ tay và góc bản lề của mỗi khớp theo dõi. Mặc dù không đạt được độ chính xác như CMM, nhưng cánh tay có khớp nối vẫn đảm bảo độ chính xác cao, giá thành thấp hơn và dễ sử dụng hơn một chút. Thường không có tùy chọn CNC cho cánh tay này.

Công nghệ quét 3D không tiếp xúc

Công nghệ quét 3D không tiếp xúc là một phương pháp để tạo ra mô hình 3D của một đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nó. Một trong những phương pháp phổ biến để thực hiện điều này là sử dụng máy quét 3D không tiếp xúc như máy quét laser hoặc máy quét cấu trúc ánh sáng.

Công nghệ quét 3D bằng ánh sáng

Time-of-flight

Kỹ thuật Time-of-flight (thời gian bay) hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng laser để thăm dò đối tượng. Trung tâm của công nghệ này là công cụ tìm phạm vi laser thời gian bay, được hiểu như việc giúp bạn tìm phạm vi laser khoảng cách của một bề mặt bằng cách tính thời gian khứ hồi của một xung ánh sáng. Hoạt động bằng cách một tia laser được sử dụng để phát ra một xung ánh sáng và đo khoảng thời gian trước khi ánh sáng phản xạ được máy dò nhìn thấy.

Triangulation

Kỹ thuật Triangulation (tam giác) hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng laser để thăm dò môi trường, Cụ thể, khi tia laser chiếu vào một điểm trên bề mặt của đối tượng, máy quét sẽ đo lường góc và khoảng cách từ nguồn laser đến điểm đó thông qua quy trình tam giác. Do đó, bằng cách tính toán sự thay đổi trong góc và khoảng cách, máy quét có thể xác định được vị trí chính xác của điểm laser đó. Quá trình này được lặp lại liên tục khi máy quét di chuyển, tạo ra một mô hình 3D chi tiết của đối tượng hoặc môi trường được quét.

Structured light

Structured light (ánh sáng cấu trúc) là một phương pháp trong công nghệ quét 3D sử dụng ánh sáng có cấu trúc đặc biệt để thu thập thông tin về hình dạng và cấu trúc của một đối tượng hoặc môi trường. Phương pháp này thường bao gồm việc chiếu một mô hình ánh sáng cấu trúc đã biết trước (ví dụ: dãy các vạch hoặc điểm) lên bề mặt của đối tượng và sử dụng máy quét để ghi lại biến đổi của ánh sáng trên bề mặt đó.

Máy quét laser cầm tay

Máy quét laser cầm tay tạo ra hình ảnh 3D thông qua cơ chế tam giác được mô tả ở trên: một chấm hoặc vạch laser được chiếu lên một vật thể từ thiết bị cầm tay. Dữ liệu được thu thập bao gồm thông tin về hệ tọa độ bên trong để mô tả vị trí và hình dạng của vật thể. Điều này cho phép máy quét tự định vị khi đang chuyển động, giúp đảm bảo rằng dữ liệu 3D được thu thập một cách chính xác và liên tục. Khi máy quét di chuyển, thông tin về vị trí của nó cũng được đánh giá để đảm bảo rằng không có sự mất mát dữ liệu và đồng thời tạo ra một hình ảnh 3D toàn diện và chính xác của vật thể được quét.

Modulated light

Máy quét 3D ánh sáng điều chế chiếu ánh sáng thay đổi liên tục vào đối tượng. Thông thường nguồn sáng chỉ quay vòng biên độ của nó theo dạng hình sin. Một camera phát hiện ánh sáng phản xạ và mức độ dịch chuyển của mẫu sẽ xác định khoảng cách ánh sáng truyền đi. Ánh sáng được điều chế cũng cho phép máy quét bỏ qua ánh sáng từ các nguồn không phải là tia laser, do đó không có nhiễu.

Photogrammetry

Photogrammetry là một kỹ thuật cung cấp thông tin hình dạng 3D của các vật thể vật lý, dựa trên phân tích hình ảnh được chụp từ nhiều góc độ khác nhau. Quá trình này thường sử dụng một tập hợp ảnh chất lượng cao để xây dựng mô hình 3D của đối tượng, chủ yếu dựa trên các điểm đặc trưng và đối sánh hình ảnh.

Dữ liệu 3D thu được thông qua photogrammetry thường được biểu diễn dưới dạng đám mây điểm 3D, lưới 3D, hoặc điểm 3D. Đám mây điểm 3D bao gồm một tập hợp các điểm trong không gian 3D, mỗi điểm đại diện cho một điểm đặc trưng trên bề mặt của đối tượng. Lưới 3D là một mô hình được tạo ra từ các đoạn thẳng và mặt 3D nối các điểm trong đám mây điểm 3D. Điểm 3D là các điểm cụ thể trong không gian 3D mô tả vị trí của các điểm đặc trưng trên bề mặt đối tượng.

Công nghệ quét 3D bằng Siêu âm

Conoscopic holography

Conoscopic holography là một phương pháp chụp ảnh ba chiều trong hệ thống hình nón, sử dụng một chùm tia laser để chiếu lên bề mặt của đối tượng. Ngay sau khi bề mặt phản xạ ánh sáng, dòng sáng này được đưa qua một tinh thể hình nón và sau đó chiếu lên một cảm biến ảnh CCD (Charge-Coupled Device). Quá trình này tạo ra một mẫu nhiễu xạ trên cảm biến, chứa thông tin về độ sáng và pha của ánh sáng được phản xạ từ bề mặt.

Mẫu nhiễu xạ thu được có thể được phân tích tần số để xác định khoảng cách từ hệ thống đến bề mặt đo được. Một trong những ưu điểm chính của phương pháp này là chỉ cần một đường truyền tia duy nhất để thực hiện quy trình đo Điều này giúp tạo ra một mô hình chính xác của đối tượng, kể cả những chi tiết nhỏ và độ sâu của các đối tượng phức tạp.

Công nghệ scan 3D bằng Tia X

Volumetric techniques

Y tế: Chụp cắt lớp vi tính (CT) và chụp cộng hưởng từ tương tự (MRI) đều là phương pháp chụp ảnh y tế cung cấp thông tin chi tiết về bên trong cơ thể. CT sử dụng loạt ảnh X-quang hai chiều để tạo ra hình ảnh 3D, trong khi MRI sử dụng từ trường và sóng radio để tạo ra hình ảnh chi tiết của các cấu trúc mềm trong cơ thể. So với CT, MRI có độ tương phản lớn hơn giữa các mô mềm khác nhau, đặc biệt là trong các khu vực như não, cơ xương, tim mạch và ung thư. Điều này làm cho MRI trở thành kỹ thuật hình ảnh ưa thích trong những ứng dụng y tế nơi đòi hỏi độ tương phản cao và chi tiết càng cao càng tốt.

Công nghiệp: Mặc dù phổ biến nhất trong y học, thế nhưng công nghệ này cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác để thu được hình ảnh kỹ thuật số và phần bên trong của một vật thể, chẳng hạn như thử nghiệm vật liệu không phá hủy, kỹ thuật đảo ngược hoặc nghiên cứu các mẫu vật sinh học và cổ sinh vật.

Ứng dụng quét 3D vào đời sống

Trong ngành kiến trúc

Với sự tiến bộ của công nghệ quét 3D, bạn không chỉ thu thập thông tin từ các công trình lớn như tòa nhà hay cây cổ thụ mà thậm chí là cả các thành phố chỉ với một máy quét 3D. Tại Việt Nam, việc số hóa các công trình kiến trúc cổ, di tích lịch sử ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong việc bảo tồn và phục hồi chúng.

Trong ngành y tế

Công nghệ quét 3D đã gây nhiều bất ngờ lớn khi ứng dụng trong lĩnh vực in 3D y tế. Theo đó, thiết bị này có khả năng sao chụp, mô phỏng từng bộ phận cơ thể người. Nó thể hiện chi tiết, trực quan so với tranh ảnh.

Chính vì thế, việc sản xuất các vật phẩm y tế như chân tay giả, răng giả trở nên đơn giản. Bên cạnh đó, kỹ thuật kể trên còn giúp các bác sĩ chẩn đoán bệnh chính xác hơn.

Trong ngành kim hoàn

Công nghệ quét 3D tạo ra mô hình của các sản phẩm kim hoàn và sửa đổi chúng một cách chính xác, tạo bản sao đẹp mắt của các tác phẩm nghệ thuật và kiểm tra chất lượng sản phẩm một cách chi tiết. Công nghệ quét 3D cũng đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản và trưng bày các tác phẩm kim hoàn ở các bảo tàng. Ngoài ra, nó giúp làm cho quảng cáo và mua sắm trực tuyến trở nên phong phú hơn.

Trong ngành sản xuất

Công nghệ scan 3D có ứng dụng đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế và tạo ra các mô hình phục vụ việc sản xuất, nhất là trong sản xuất linh kiện có kích thước nhỏ, hoặc có độ khó, độ phức tạp cao từ máy in 3D. Việc số hoá mô hình giúp cho quá trình sản xuất, cải tiến, tạo mới sản phẩm được diễn ra nhanh chóng cùng mức chi phí được tối ưu. Những thao tác scan cho ra kích thước như mẫu gốc bởi dữ liệu được đảm bảo bằng công nghệ quét 3D hiện đại.

Trong ngành xây dựng

Công nghệ quét 3D hỗ trợ việc đo đạc các vật thể một cách chính xác. Với những vật thể ở vị trí xa hoặc những vị trí khó tiếp cận thì quét 3D đều có thể đảm bảo thực hiện được. Thực trạng các công trình, dự án xây dựng sẽ được công nghệ quét 3D chụp lại với hình ảnh chi tiết, chuẩn xác và rõ nét nhất. Nguồn dữ liệu này sau đó được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau của ngành xây dựng như: dựng cảnh, phối cảnh, làm bản vẽ định dạng 2D CAD phục vụ cho việc thiết kế…