211service.com
De laatste grote uitdaging voor 3D-printen oplossen: printen in kleur
3D-printen zorgt voor een enorme revolutie in de wereld van design en technologie. In het proces verandert het de manier waarop we denken over het ontwerp, de prototyping en de productie van zo ongeveer alles.
Maar iedereen die met een 3D-printer heeft gespeeld, kent één belangrijk probleem. Deze gorilla van 800 pond is de kwestie van kleur. 3D-afdrukken kunnen prachtige kopieën zijn van min of meer elke vorm. Maar qua kleur zijn het slechts schaduwen van de originelen.
Vandaag lijkt daar verandering in te komen dankzij het werk van Alan Brunton en zijn vrienden van het Fraunhofer Institute for Computer Graphics Research in Duitsland, die voor het eerst hebben uitgezocht hoe ze nauwkeurige kleuren in een 3D-print kunnen produceren. Hun werk belooft 3D-printen naar een geheel nieuw niveau te tillen.
De nieuwe aanpak maakt gebruik van een relatief nieuwe manier om 3D-afdrukken te maken. Over het algemeen worden deze objecten laag voor laag gemaakt door poeder te smelten of geëxtrudeerd plastic neer te leggen. Geen van beide benaderingen geeft allesbehalve rudimentaire controle over de kleur van een object.
Wat in plaats daarvan nodig is, is een manier om objecten te maken op dezelfde manier als 2D-printers afbeeldingen maken, pixel voor pixel. Met andere woorden, dit vereist dat 3D-prints worden vastgelegd, niet in lagen, maar voxel voor voxel.
In het afgelopen jaar is precies deze technologie op de markt gekomen. Het werkt met een aantal inkjets die een object druppel voor druppel neerleggen. Deze druppels worden onmiddellijk uitgehard door UV-licht om een vaste stof te vormen.
Dat maakt onmiddellijk de mogelijkheid van een veel nauwkeurigere controle van de kleur mogelijk, aangezien elke druppel als een voxel kan worden beschouwd. Dit is de benadering die Brunton en zijn vrienden hebben gekozen, maar het is gemakkelijker gezegd dan gedaan om een aantal redenen.
De eerste is de enorme hoeveelheid gegevens en het rekenwerk dat nodig is bij het maken van een virtueel 3D-kleurenobject, zelfs voordat het afdrukken begint. De druppeltjes van inkjetprinters zijn minuscuul - er zijn er zo'n 18 miljoen in een stevige kubieke centimeter. Dus elk object van behoorlijke omvang moet bestaan uit tientallen miljarden voxels en de impact die elk heeft op de uiteindelijke kleur moet worden berekend.
De tweede is dat de druppeltjes doorschijnend zijn omdat UV-licht er doorheen moet om ze uit te harden. Dit heeft een aanzienlijke invloed op hun visuele verschijning, aangezien het licht uiteindelijk door verschillende lagen voxels gaat en langs de weg wordt verstrooid.
Dat betekent dat de kleur van de druppels zorgvuldig moet worden gecontroleerd tot een diepte van meerdere voxels door het hele object. En dit verhoogt dramatisch de complexiteit van de algoritmen die nodig zijn om hun vereiste kleuren te berekenen.
De laatste uitdaging komt voort uit de aard van 3D-printen. Bij 2D-printen is het mogelijk om op elk punt op een afbeelding tot drie verschillende inkten te combineren. In een 3D-print moet elke druppel een enkel materiaal zijn en dat legt belangrijke beperkingen op aan wat in kleur mogelijk is.
Desalniettemin hebben Brunto en co aanzienlijke vooruitgang geboekt door gebruik te maken van de vele decennia van onderzoek dat is gedaan naar kleurbeheer voor 2D-printen en voor kleurenbeeldvorming in het algemeen.
Hun aanpak is om twee technieken te combineren. De eerste is het 3D-equivalent van een 2D-afdruktechniek die halftoning wordt genoemd. Dit is waar continue schaduw en kleur worden vervangen door een rangschikking van stippen van verschillende grootte en tussenruimte. De tweede is een manier om de kleur van een oppervlak te berekenen, gegeven de manier waarop licht is verstrooid voor verschillende lagen voxels eronder.
En de resultaten zien er indrukwekkend uit. Op de bovenstaande afbeeldingen zijn drie appels en de duim echt. De rest zijn 3D-prints, maar het is geen gemakkelijke taak om ze uit elkaar te houden.
En Brunton en co zeggen dat de resultaten in de nabije toekomst beter zouden moeten worden naarmate materiaalwetenschappers minder doorschijnende printmaterialen ontwikkelen en omdat printers een nog hogere resolutie krijgen. In beide opzichten zijn de algoritmen van het team toekomstbestendig. Minder doorschijnende inkten moeten gemakkelijker te hanteren zijn en de hogere resolutie moet ook beheersbaar zijn.
De mogelijkheid om doorschijnende en dekkende inkten te combineren, zou het zelfs mogelijk moeten maken om het uiterlijk van het oppervlak van veel biologische materialen die ook halfdoorschijnend zijn, zoals de huid, te reproduceren.
Dat is fascinerend werk. Het zal een nieuwe generatie printapplicaties inluiden. En over een paar jaar zal de huidige generatie printers er door en door ouderwets uitzien.
Referentie: arxiv.org/abs/1506.02400 : Grenzen verleggen van 3D-kleurenafdrukken: foutverspreiding met doorschijnende materialen