Цифровая модель бумаги и картона

По инфор­ма­ции ряда интер­нет ресур­сов со ссыл­кой на пресс-служ­бу Санкт-Петер­бург­ско­го уни­вер­си­те­та про­мыш­лен­ных тех­но­ло­гий и дизай­на (СПб­ГУПТД), учё­ные (СПб­ГУПТД) вме­сте с кол­ле­га­ми из Бело­рус­ско­го госу­дар­ствен­но­го тех­но­ло­ги­че­ско­го уни­вер­си­те­та­со­зда­ли циф­ро­вой спо­соб ана­ли­за свойств цел­лю­лоз­но-бумаж­ной про­дук­ции. Стро­ит­ся 3D-модель мик­ро­струк­ту­ры воло­кон, что поз­во­ля­ет более точ­но ана­ли­зи­ро­вать мате­ри­ал, про­гно­зи­ро­вать его свойства.

Циф­ро­вая модель бумаги/картона в раз­ных видах доволь­но дав­но, по край­ней мере, более 20‑и лет, исполь­зу­ет­ся для изу­че­ния свойств этих мате­ри­а­лов, име­ю­щих слож­ную струк­ту­ру, а так же для управ­ле­ния эти­ми свой­ства­ми. Учи­ты­вая слож­ность зада­чи, мно­го­об­ра­зие обла­стей при­ло­же­ния циф­ро­во­го обра­за струк­ту­ры цел­лю­лоз­ных мате­ри­а­лов, будем наде­ять­ся на то, что эта рабо­та будет иметь про­дол­же­ние и будет дове­де­на до исполь­зо­ва­ния при про­из­вод­стве цел­лю­ло­зу­со­дер­жа­щих материалов.

Принципы разработки

Раз­ра­бо­тан­ный циф­ро­вой спо­соб опи­са­ния струк­ту­ры бумаги/картона поз­во­ля­ет оце­нить более деся­ти пара­мет­ров, кото­рые вли­я­ют на каче­ство цел­лю­ло­зо­со­дер­жа­ще­го мате­ри­а­ла. Это пер­вый циф­ро­вой метод (так счи­та­ют рах­ра­бот­чи­ки!) оцен­ки каче­ства бума­ги, харак­те­ри­сти­ки кото­рой сей­час тести­ру­ют­ся с помо­щью спе­ци­аль­но­го обо­ру­до­ва­ния . Одна­ко про­ве­де­ние подоб­ных иссле­до­ва­ний доро­го­сто­я­щее, оно доступ­но не каж­до­му пред­при­я­тию и не поз­во­ля­ет опе­ра­тив­но обра­ба­ты­вать резуль­та­ты. В отли­чие от него метод, пред­ло­жен­ный рос­сий­ски­ми и бело­рус­ски­ми уче­ны­ми, будет исполь­зо­ван на любом про­из­вод­стве и даст воз­мож­ность про­ве­сти сра­зу ком­плекс­ную оцен­ку каче­ства бума­ги. Иссле­до­ва­ние выпол­не­но в рам­ках про­грам­мы Мино­бр­на­у­ки Рос­сии «При­о­ри­тет 2030».

«Сов­мест­но с Рес­пуб­ли­кой Бела­русь мы полу­чи­ли грант на раз­ра­бот­ку мето­да созда­ния 3D-мик­ро­струк­ту­ры бума­ги. В его осно­ву лег­ли наши иссле­до­ва­ния по полу­че­нию 2D-мик­ро­струк­ту­ры волок­на. Бело­рус­ские кол­ле­ги ранее успеш­но исполь­зо­ва­ли раст­ро­вые ком­пью­тер­ные про­грам­мы для ана­ли­за мик­ро­струк­ту­ры на поверх­но­сти. Этот метод ока­зал­ся быст­рым, одна­ко неточ­ным. Мы же рабо­та­ли с век­тор­ны­ми про­грам­ма­ми. Наш метод был точ­ным, но зани­мал мно­го вре­ме­ни на обра­бот­ку дан­ных. В резуль­та­те мы объ­еди­ни­ли наши уси­лия, что­бы быст­ро и точ­но полу­чить сна­ча­ла 2D‑, а теперь и 3D-мик­ро­струк­ту­ру бума­ги, кото­рая предо­став­ля­ет еще боль­ше дан­ных о харак­те­ри­сти­ках и соста­ве бума­ги», — ком­мен­ти­ру­ет один из авто­ров раз­ра­бот­ки, заве­ду­ю­щий кафед­рой инже­нер­ной гра­фи­ки и авто­ма­ти­зи­ро­ван­но­го про­ек­ти­ро­ва­ния СПб­ГУПТД Нико­лай Мидуков.

Привлекательность метода

Полу­чен­ная кол­лек­ти­вом уче­ных 3D-мик­ро­струк­ту­ра бума­ги поз­во­ля­ет харак­те­ри­зо­вать такие важ­ные пока­за­те­ли, как пори­стость, шеро­хо­ва­тость, объ­ем воло­кон, рав­но­мер­ность рас­пре­де­ле­ния воло­кон и фор­мо­ва­ние волок­ни­сто­го цел­лю­лоз­но­го мате­ри­а­ла и дру­гие. Обна­ру­жен­ные дефек­ты в мик­ро­струк­ту­ре, поз­во­лят пред­при­я­тию вне­сти изме­не­ния на кон­крет­ном эта­пе производства.

Кро­ме того, 3D-мик­ро­струк­ту­ра поз­во­ля­ет ана­ли­зи­ро­вать цел­лю­ло­зо­со­дер­жа­щий мате­ри­ал по эле­мент­но­му соста­ву, кото­рый так­же ска­зы­ва­ет­ся на харак­те­ри­сти­ках бумаги. 

«Для полу­че­ния 3D-мик­ро­струк­ту­ры бума­ги сна­ча­ла с помо­щью ион­ной рез­ки созда­ём каче­ствен­ный попе­реч­ный срез, что поз­во­ля­ет нам изу­чать не толь­ко поверх­ность, но и мик­ро­струк­ту­ру попе­реч­но­го сре­за бума­ги. А что­бы в ито­ге полу­чить волок­но в объ­е­ме, мы дела­ем серию таких сре­зов с извест­ным шагом. Далее с помо­щью про­грам­мы для трех­мер­но­го про­ек­ти­ро­ва­ния из фото­гра­фий попе­реч­ных сре­зов бума­ги созда­ем 3D-модель мик­ро­струк­ту­ры волок­на. Мы пла­ни­ру­ем постро­ить такие 3D-моде­ли для раз­ных видов бума­ги — от офис­ной до упа­ко­воч­но­го кар­то­на», — о тех­но­ло­гии рас­ска­зы­ва­ет Нико­лай Мидуков.

Как счи­та­ют авто­ры, циф­ро­вой метод оцен­ки пара­мет­ров бума­ги смо­гут исполь­зо­вать пред­при­я­тия отрас­ли для быст­ро­го и эффек­тив­но­го ана­ли­за свойств и соста­ва цел­лю­лоз­но-бумаж­ной про­дук­ции. Еще одним резуль­та­том рабо­ты уче­ных может стать пере­нос 3D-моде­лей мик­ро­струк­ту­ры раз­ных видов бума­ги и кар­то­на в вир­ту­аль­ную реаль­ность. Спе­ци­а­ли­сты полу­чат воз­мож­ность побы­вать «внут­ри» этих мате­ри­а­лов, изу­чая их характеристики.

Справ­ка: Сов­мест­ный науч­ный и науч­но-тех­ни­че­ский про­ект под­дер­жан Коми­те­том по нау­ке и выс­шей шко­ле Пра­ви­тель­ства Санкт-Петербурга.

Обзор мето­дов оцен­ки струк­ту­ры бума­ги: https://paper.narfu.ru/upload/medialibrary/1c4/Midukov.pdf

Наши посты на сай­те:Изме­ре­ние каче­ства бума­ги и кар­то­на.

О бума­ге вну­кам. Часть 1. Из чего дела­ют бумагу

Направ­ле­ния раз­ви­тия цел­лю­лоз­но-бумаж­но­го производства

Бума­га и кли­мат. Вли­я­ние про­из­вод­ства на природу