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Lösung der letzten großen 3D-Druck-Herausforderung: Drucken in Farbe
Der 3-D-Druck treibt eine große Revolution in der Welt des Designs und der Technologie voran. Dabei verändert es die Art und Weise, wie wir über Design, Prototyping und Herstellung von so gut wie allem denken.
Aber jeder, der mit einem 3-D-Drucker gespielt hat, wird sich eines erheblichen Problems bewusst sein. Dieser 800-Pfund-Gorilla ist das Problem der Farbe. 3-D-Drucke können großartige Kopien von mehr oder weniger jeder Form sein. Aber farblich sind sie nur Schatten der Originale.
Heute scheint sich das dank der Arbeit von Alan Brunton und seinen Freunden am Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung in Deutschland zu ändern, die herausgefunden haben, wie man zum ersten Mal genaue Farben in einem 3-D-Druck erzeugen kann. Ihre Arbeit verspricht, den 3D-Druck auf ein völlig neues Niveau zu heben.
Der neue Ansatz nutzt eine relativ neue Methode zur Herstellung von 3D-Drucken. Im Allgemeinen werden diese Objekte Schicht für Schicht hergestellt, indem Pulver geschmolzen oder extrudierter Kunststoff aufgetragen wird. Kein Ansatz gibt etwas anderes als eine rudimentäre Kontrolle über die Farbe eines Objekts.
Was stattdessen benötigt wird, ist eine Möglichkeit, Objekte auf die gleiche Weise zu erstellen, wie 2-D-Drucker Bilder Pixel für Pixel erstellen. Das heißt, dass 3-D-Drucke nicht schichtweise, sondern Voxel für Voxel abgelegt werden müssen.
Im letzten Jahr ist genau diese Technologie auf den Markt gekommen. Es funktioniert mit einer Reihe von Tintenstrahlen, die ein Objekt Tropfen für Tropfen auftragen. Diese Tröpfchen werden sofort durch UV-Licht gehärtet, um einen Feststoff zu bilden.
Das ermöglicht sofort eine viel genauere Farbkontrolle, da jedes Tröpfchen als Voxel betrachtet werden kann. Dies ist der Ansatz, den Brunton und seine Freunde gewählt haben, aber es ist aus mehreren Gründen leichter gesagt als getan.
Der erste ist die schiere Menge an Daten und Zahlen, die beim Erstellen eines virtuellen 3D-Farbobjekts erforderlich sind, noch bevor der Druck beginnt. Die Tröpfchen von Tintenstrahldruckern sind winzig – in einem festen Kubikzentimeter befinden sich etwa 18 Millionen davon. Jedes Objekt von anständiger Größe muss also aus mehreren zehn Milliarden Voxeln bestehen, und die Auswirkungen, die jedes einzelne auf die endgültige Farbe hat, müssen berechnet werden.
Zweitens sind die Tröpfchen durchscheinend, weil UV-Licht durchdringen können muss, um sie auszuhärten. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf ihr visuelles Erscheinungsbild, da Licht schließlich durch mehrere Schichten von Voxeln hindurchgeht und auf dem Weg gestreut wird.
Das bedeutet, dass die Tröpfchenfarbe sorgfältig bis zu einer Tiefe von mehreren Voxeln im gesamten Objekt kontrolliert werden muss. Und dies erhöht die Komplexität der Algorithmen, die zur Berechnung der erforderlichen Farben erforderlich sind, dramatisch.
Die letzte Herausforderung ergibt sich aus der Natur des 3D-Drucks. Beim 2-D-Druck ist es möglich, bis zu drei verschiedene Tinten an beliebigen Stellen eines Bildes zu kombinieren. Bei einem 3D-Druck muss jedes Tröpfchen aus einem einzigen Material bestehen, und das setzt wichtige Einschränkungen hinsichtlich dessen, was farblich möglich ist.
Nichtsdestotrotz haben Brunto und Co. bedeutende Fortschritte erzielt, indem sie die jahrzehntelange Forschung zum Farbmanagement für den 2-D-Druck und für die Farbbildgebung im Allgemeinen genutzt haben.
Ihr Ansatz besteht darin, zwei Techniken zu kombinieren. Die erste ist das 3-D-Äquivalent einer 2-D-Drucktechnik, die Halbtonung genannt wird. Hier werden kontinuierliche Schattierungen und Farben durch eine Anordnung von Punkten unterschiedlicher Größe und Abstände ersetzt. Die zweite ist eine Möglichkeit, die Farbe einer Oberfläche zu berechnen, wenn man die Art und Weise berücksichtigt, wie Licht für mehrere darunter liegende Voxelschichten gestreut wurde.
Und die Ergebnisse sehen beeindruckend aus. Auf den obigen Bildern sind drei Äpfel und der Daumen echt. Der Rest sind 3-D-Drucke, aber es ist keine leichte Aufgabe, sie voneinander zu unterscheiden.
Und Brunton und Co sagen, dass die Ergebnisse in naher Zukunft besser werden sollten, da Materialwissenschaftler weniger durchscheinende Druckmaterialien entwickeln und Drucker noch höhere Auflösungen erreichen. In dieser Hinsicht sind die Algorithmen des Teams zukunftssicher. Weniger durchscheinende Tinten sollten einfacher zu handhaben sein und die höhere Auflösung sollte auch handhabbar sein.
Die Fähigkeit, durchscheinende und undurchsichtige Tinten zu kombinieren, sollte es sogar ermöglichen, das Oberflächenaussehen vieler biologischer Materialien zu reproduzieren, die auch halbdurchsichtig sind, wie beispielsweise Haut.
Das ist eine faszinierende Arbeit. Es wird eine neue Generation von Druckanwendungen einleiten. Und es wird die aktuelle Druckergeneration schon in wenigen Jahren durch und durch altmodisch aussehen lassen.
Ref: arxiv.org/abs/1506.02400 : Die Grenzen des 3D-Farbdrucks erweitern: Fehlerdiffusion bei lichtdurchlässigen Materialien