Pēdējā lielā 3-D drukāšanas izaicinājuma atrisināšana: krāsu drukāšana

3-D druka virza milzīgu revolūciju dizaina un tehnoloģiju pasaulē. Šajā procesā tas maina veidu, kā mēs domājam par gandrīz visa veida dizainu, prototipēšanu un ražošanu.

Taču ikviens, kurš ir spēlējis ar 3-D printeri, apzinās vienu būtisku problēmu. Šī 800 mārciņas smaga gorilla ir krāsu problēma. 3-D izdrukas var būt lieliskas vairāk vai mazāk jebkuras formas kopijas. Bet krāsu ziņā tās ir tikai oriģinālu ēnas.

Šķiet, ka šodien tas mainīsies, pateicoties Alana Bruntona un draugu darbam Fraunhofera Datorgrafikas pētniecības institūtā Vācijā, kuri pirmo reizi ir izstrādājuši precīzas krāsas 3D izdrukā. Viņu darbs sola pacelt 3-D drukāšanu pilnīgi jaunā līmenī.

Jaunā pieeja izmanto salīdzinoši jaunu 3-D izdruku izgatavošanas veidu. Parasti šie priekšmeti tiek izgatavoti pa vienam slānim, sakausējot pulveri vai uzklājot ekstrudētu plastmasu. Neviena pieeja nedod neko citu kā tikai elementāru kontroli pār objekta krāsu.

Tā vietā ir nepieciešams veids, kā izveidot objektus tādā pašā veidā, kā 2-D printeri veido attēlus pa pikseļiem. Citiem vārdiem sakot, tas prasa 3-D izdrukas, nevis slāņos, bet vokseli pa vokselim.

Apmēram pēdējā gada laikā tirgū ir nonākusi tieši šī tehnoloģija. Tas darbojas, izmantojot vairākas tintes strūklas, kas noliek objektu pa pilienam. Šos pilienus acumirklī sacietē UV gaismā, veidojot cietu vielu.

Tas nekavējoties ļauj daudz precīzāk kontrolēt krāsu, jo katru pilienu var uzskatīt par vokseļu. Šī ir Bruntona un viņa draugu pieeja, taču to ir vieglāk pateikt nekā izdarīt vairāku iemeslu dēļ.

Pirmais ir milzīgais datu apjoms un skaitļu sagraušana, kas ir saistīta ar virtuāla krāsu 3-D objekta izveidi, pat pirms drukāšanas. Tintes strūklu pilieni ir niecīgi — cietā kubikcentimetrā to ir aptuveni 18 miljoni. Tātad jebkuram pienācīga izmēra objektam ir jābūt veidotam no desmitiem miljardu vokseļu, un ir jāaprēķina katra ietekme uz galīgo krāsu.

Otrais ir tas, ka pilieni ir caurspīdīgi, jo UV gaismai ir jāspēj iziet cauri, lai tās izārstētu. Tas būtiski ietekmē to vizuālo izskatu, jo gaisma galu galā iziet cauri vairākiem vokseļu slāņiem, pa ceļam izkliedējoties.

Tas nozīmē, ka pilienu krāsa ir rūpīgi jākontrolē līdz vairāku vokseļu dziļumam visā objektā. Un tas ievērojami palielina nepieciešamo krāsu aprēķināšanai nepieciešamo algoritmu sarežģītību.

Pēdējais izaicinājums izriet no 3-D drukāšanas būtības. 2-D drukāšanā jebkurā attēla punktā ir iespējams apvienot līdz pat trim dažādām tintēm. 3-D izdrukā katram pilienam ir jābūt vienam materiālam, un tas rada svarīgus ierobežojumus tam, kas ir iespējams krāsu ziņā.

Tomēr Brunto un citi ir guvuši ievērojamus panākumus, izmantojot daudzu gadu desmitu pētījumus, kas veikti par krāsu pārvaldību 2-D drukāšanai un krāsu attēlveidošanai kopumā.

Viņu pieeja ir apvienot divas metodes. Pirmais ir 3-D ekvivalents 2-D drukas tehnikai, ko sauc par pustonēšanu. Šeit nepārtrauktu nokrāsu un krāsu aizstāj ar dažāda izmēra un atstatuma punktu izvietojumu. Otrais ir veids, kā aprēķināt virsmas krāsu, ņemot vērā veidu, kā gaisma ir izkliedēta vairākiem vokseļu slāņiem zemāk.

Un rezultāti izskatās iespaidīgi. Iepriekš redzamajos attēlos trīs āboli un īkšķis ir īsti. Pārējās ir 3-D izdrukas, taču nav viegls uzdevums tās atšķirt.

Un Bruntons un kolēģi apgalvo, ka rezultātiem tuvākajā nākotnē vajadzētu uzlaboties, jo materiālu zinātnieki izstrādā mazāk caurspīdīgus drukas materiālus un printeriem kļūst vēl augstāka izšķirtspēja. Abos šajos aspektos komandas algoritmi ir nākotnes pierādījumi. Ar mazāk caurspīdīgām tintēm jābūt vieglāk lietojamām, un arī augstākai izšķirtspējai jābūt pārvaldāmai.

Iespējai apvienot caurspīdīgas un necaurspīdīgas tintes vajadzētu pat ļaut reproducēt daudzu bioloģisko materiālu virsmas izskatu, kas ir arī daļēji caurspīdīgs, piemēram, āda.

Tas ir aizraujošs darbs. Tas ieviesīs jaunas paaudzes drukāšanas lietojumprogrammu. Un tas liks pašreizējās paaudzes printeriem izskatīties pamatīgi vecmodīgi tikai dažu gadu laikā.

Atsauce: arxiv.org/abs/1506.02400 : 3D krāsu drukāšanas robežu pārkāpšana: kļūdu izkliedēšana ar caurspīdīgiem materiāliem

paslēpties