Rozwiązanie ostatniego wielkiego wyzwania związanego z drukowaniem 3D: drukowanie w kolorze

Druk 3D napędza ogromną rewolucję w świecie projektowania i technologii. Jednocześnie zmienia sposób, w jaki myślimy o projektowaniu, prototypowaniu i produkcji prawie wszystkiego.

Ale każdy, kto bawił się drukarką 3D, będzie świadomy jednego istotnego problemu. Ten ważący 800 funtów goryl to kwestia koloru. Wydruki 3D mogą być wspaniałymi kopiami o mniej lub bardziej dowolnym kształcie. Ale pod względem koloru są tylko cieniami oryginałów.

Dziś wygląda na to, że zmieni się to dzięki pracy Alana Bruntona i kolegów z Instytutu Fraunhofera Badań Grafiki Komputerowej w Niemczech, którzy po raz pierwszy opracowali, jak uzyskać dokładne kolory w druku 3D. Ich praca obiecuje przenieść druk 3D na zupełnie nowy poziom.

Nowe podejście wykorzystuje stosunkowo nowy sposób wykonywania wydruków 3D. Ogólnie rzecz biorąc, przedmioty te są wykonywane po jednej warstwie na raz przez stapianie proszku lub nakładanie wytłaczanego plastiku. Żadne z tych podejść nie daje niczego poza podstawową kontrolą nad kolorem obiektu.

Zamiast tego potrzebny jest sposób tworzenia obiektów w taki sam sposób, w jaki drukarki 2D tworzą obrazy, piksel po pikselu. Innymi słowy, wymaga to układania wydruków 3D nie warstwami, ale woksel po wokselu.

W ciągu ostatniego roku właśnie ta technologia pojawiła się na rynku. Działa przy użyciu wielu drukarek atramentowych, które kładą obiekt kropla po kropli. Te kropelki są natychmiast utwardzane światłem UV, tworząc ciało stałe.

Daje to natychmiast możliwość znacznie dokładniejszej kontroli koloru, ponieważ każda kropla może być traktowana jako woksel. Takie podejście przyjęli Brunton i jego kumple, ale z wielu powodów łatwiej to powiedzieć niż zrobić.

Pierwszym z nich jest sama objętość danych i przetwarzanie liczb, związane z tworzeniem wirtualnego, kolorowego obiektu trójwymiarowego, jeszcze przed rozpoczęciem drukowania. Kropelki z drukarek atramentowych są maleńkie — w litym centymetrze sześciennym jest ich około 18 milionów. Zatem każdy obiekt o przyzwoitej wielkości musi składać się z dziesiątek miliardów wokseli i należy obliczyć wpływ każdego z nich na ostateczny kolor.

Po drugie, kropelki są przezroczyste, ponieważ światło UV musi być w stanie przeniknąć, aby je utwardzić. Ma to znaczący wpływ na ich wygląd, ponieważ światło przechodzi przez kilka warstw wokseli, rozpraszając się po drodze.

Oznacza to, że kolor kropli musi być dokładnie kontrolowany do głębokości kilku wokseli w całym obiekcie. A to radykalnie zwiększa złożoność algorytmów potrzebnych do obliczenia wymaganych kolorów.

Ostatnie wyzwanie wynika z natury druku 3D. W druku 2D możliwe jest łączenie do trzech różnych atramentów w dowolnym miejscu obrazu. W druku 3D każda kropla musi być pojedynczym materiałem, co nakłada ważne ograniczenia na to, co jest możliwe pod względem kolorystycznym.

Niemniej jednak Brunto i spółka poczynili znaczne postępy, wykorzystując wiele dziesięcioleci badań, które przeprowadzono w zakresie zarządzania kolorami w druku 2-D i ogólnie w obrazowaniu kolorowym.

Ich podejście polega na połączeniu dwóch technik. Pierwszym z nich jest trójwymiarowy odpowiednik techniki druku 2D zwanej półtonowaniem. Tutaj ciągły odcień i kolor zostaje zastąpiony układem kropek o różnych rozmiarach i odstępach. Drugi to sposób obliczania koloru powierzchni, biorąc pod uwagę sposób, w jaki światło zostało rozproszone dla kilku warstw wokseli poniżej.

A wyniki wyglądają imponująco. Na powyższych zdjęciach trzy jabłka i kciuk są prawdziwe. Reszta to wydruki 3D, ale odróżnienie ich nie jest łatwym zadaniem.

Brunton i spółka twierdzą, że wyniki powinny być lepsze w najbliższej przyszłości, ponieważ naukowcy zajmujący się materiałami opracowują mniej półprzezroczyste materiały drukarskie, a drukarki będą miały jeszcze wyższą rozdzielczość. W obu tych aspektach algorytmy zespołu sprawdzają się w przyszłości. Mniej półprzezroczyste atramenty powinny być łatwiejsze w obsłudze, a wyższa rozdzielczość powinna być również możliwa do opanowania.

Możliwość łączenia farb półprzezroczystych i nieprzezroczystych powinna nawet umożliwić odtworzenie wyglądu powierzchni wielu materiałów biologicznych, które również są półprzezroczyste, takich jak skóra.

To fascynująca praca. Wprowadzi nową generację aplikacji do drukowania. I sprawi, że obecna generacja drukarek będzie wyglądać na całkowicie staromodną w ciągu zaledwie kilku lat.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1506.02400 : Przekraczanie granic drukowania w kolorze 3D: Rozpraszanie błędów za pomocą materiałów półprzezroczystych

ukryć