Risolvere l'ultima grande sfida della stampa 3D: la stampa a colori

La stampa 3D sta guidando un'enorme rivoluzione nel mondo del design e della tecnologia. Nel processo, sta cambiando il modo in cui pensiamo alla progettazione, alla prototipazione e alla produzione di qualsiasi cosa.

Ma chiunque abbia giocato con una stampante 3D sarà a conoscenza di un problema significativo. Questo gorilla da 800 libbre è la questione del colore. Le stampe 3D possono essere magnifiche copie di più o meno qualsiasi forma. Ma in termini di colore, sono semplici ombre degli originali.

Oggi, le cose sembrano destinate a cambiare grazie al lavoro di Alan Brunton e dei suoi amici del Fraunhofer Institute for Computer Graphics Research in Germania, che hanno scoperto per la prima volta come produrre colori accurati in una stampa 3-D. Il loro lavoro promette di portare la stampa 3D a un livello completamente nuovo.

Il nuovo approccio sfrutta un modo relativamente nuovo di realizzare stampe 3D. In generale, questi oggetti sono realizzati uno strato alla volta fondendo polvere o stendendo plastica estrusa. Nessuno dei due approcci offre altro che un controllo rudimentale sul colore di un oggetto.

Quello che serve invece è un modo di creare oggetti nello stesso modo in cui le stampanti 2D creano le immagini, pixel per pixel. In altre parole, ciò richiede che le stampe 3D siano disposte, non a strati, ma voxel per voxel.

Nell'ultimo anno o giù di lì, proprio questa tecnologia è arrivata sul mercato. Funziona utilizzando una serie di getti d'inchiostro che depongono un oggetto, goccia dopo goccia. Queste goccioline vengono immediatamente polimerizzate dalla luce UV per formare un solido.

Ciò consente immediatamente la possibilità di un controllo del colore molto più accurato, poiché ogni goccia può essere considerata come un voxel. Questo è l'approccio adottato da Brunton e dai suoi amici, ma è più facile a dirsi che a farsi per una serie di motivi.

Il primo è l'enorme volume di dati e il numero di crunch coinvolti nella creazione di un oggetto virtuale a colori 3-D, anche prima dell'inizio della stampa. Le goccioline dei getti d'inchiostro sono minuscole: ce ne sono circa 18 milioni in un solido centimetro cubo. Quindi qualsiasi oggetto di dimensioni decenti deve essere composto da decine di miliardi di voxel e bisogna calcolare l'impatto che ognuno ha sul colore finale.

Il secondo è che le goccioline sono traslucide perché la luce UV deve poter passare attraverso per curarle. Ciò ha un impatto significativo sul loro aspetto visivo poiché la luce finisce per passare attraverso diversi strati di voxel, venendo dispersa lungo il percorso.

Ciò significa che il colore delle goccioline deve essere attentamente controllato a una profondità di diversi voxel in tutto l'oggetto. E questo aumenta notevolmente la complessità degli algoritmi necessari per calcolare i colori richiesti.

La sfida finale viene dalla natura della stampa 3D. Nella stampa 2D, è possibile combinare fino a tre diversi inchiostri in qualsiasi punto dell'immagine. In una stampa 3D, ogni goccia deve essere un singolo materiale e ciò pone importanti vincoli su ciò che è possibile in termini di colore.

Tuttavia, Brunto e co hanno fatto progressi significativi portando avanti i molti decenni di ricerca che sono stati fatti sulla gestione del colore per la stampa 2-D e per l'imaging a colori in generale.

Il loro approccio consiste nel combinare due tecniche. Il primo è l'equivalente 3D di una tecnica di stampa 2D chiamata mezzitoni. È qui che l'ombra e il colore continui vengono sostituiti da una disposizione di punti di dimensioni e spaziature diverse. Il secondo è un modo per calcolare il colore di una superficie dato il modo in cui la luce è stata diffusa per diversi strati di voxel sottostanti.

E i risultati sembrano impressionanti. Nelle immagini sopra, tre mele e il pollice sono reali. Il resto sono stampe 3D ma non è facile distinguerle.

E Brunton e colleghi affermano che i risultati dovrebbero migliorare nel prossimo futuro, poiché gli scienziati dei materiali svilupperanno materiali di stampa meno traslucidi e le stampanti acquisiranno una risoluzione ancora più elevata. In entrambi questi aspetti, gli algoritmi del team sono a prova di futuro. Gli inchiostri meno traslucidi dovrebbero essere più facili da maneggiare e anche la risoluzione più alta dovrebbe essere gestibile.

La capacità di combinare inchiostri traslucidi e opachi dovrebbe persino consentire di riprodurre l'aspetto superficiale di molti materiali biologici che sono anche semitrasparenti, come la pelle.

È un lavoro affascinante. Inaugurerà una nuova generazione di applicazioni di stampa. E in pochi anni farà sembrare l'attuale generazione di stampanti completamente antiquata.

Rif: arxiv.org/abs/1506.02400 : Superare i limiti della stampa a colori 3D: diffusione dell'errore con materiali traslucidi

nascondere