Sciencemag.cz
Doporučujeme
S pomocí virtuální simulace tištěného vzhledu je možné najít takové uspořádání materiálů, které nejvěrněji reprodukuje vstupní objekt.
Vědci ze Skupiny počítačové grafiky (Computer Graphics Group; CGG) MFF UK ve spolupráci se zahraničními kolegy vyvinuli novou metodu, která zdokonaluje technologii plnobarevného 3D tisku. Jejich systém využívá algoritmy strojového učení a umožňuje vytvářet přesnější trojrozměrné modely za kratší čas.
Na výzkumu, jehož výsledky byly představeny v květnovém čísle časopisu Computer Graphics Forum a také na virtuální konferenci Eurographics 2021, se podíleli odborníci z šesti institucí, konkrétně z UK, MPI Saarbrücken, USI Lugano, Keldysh Institute Moscow, IST Austria a University College London. Studie navazuje na předchozí společný projekt řešený v rámci konsorcia DISTRO ITN.
Při plnobarevném 3D tisku tisková hlava nerozpouští plast, ale vypouští drobné kapičky tekuté pryskyřice a okamžitě je vytvrzuje pomocí UV záření. Stejně jako u každé techniky aditivní výroby se tento proces opakuje vrstvu po vrstvě, a tak vzniká trojrozměrný objekt (obrázek [4]).
Technologie 3D tisku dnes nachází uplatnění zejména v oblasti průmyslu (výroba prototypů), lékařství (protetika), ale také třeba v archeologii nebo v zábavním průmyslu. Americká firma Mixed Dimensions například nedávno začala zakázkově vyrábět trojrozměrné modely herních postav. 3D tisk využívá i animační studio LAIKA, které s pomocí této technologie vytváří mimiku postaviček ve stop-motion filmech.
Podobně jako u 2D tisku, i v případě 3D vzniká široká škála barevných odstínů umístěním více základních materiálů (CMYK+W) vedle sebe. Materiály se skládají z poloprůhledné pryskyřice [2], která dovoluje, aby světlo procházelo mírně pod povrch. Tato průsvitnost pak umožňuje prostřednictvím různých poměrů absorbujících základních materiálů subtraktivně namíchat různé barvy.
Přestože je tato metoda značně flexibilní, má určitá omezení v oblasti jemných detailů: Při míchání barev jsou detaily textury rozmazané a tvrdé hrany ztrácejí kontrast z bočního světla rozptýleného pod povrchem. Rozostření je navíc trojrozměrné, což znamená, že ovlivňuje i barvy na protilehlých stranách tenkých částí objektu.
V předchozí práci [5, 3] vědci ukázali, že ostrost i kontrast je možné obnovit prostřednictvím pečlivého výběru rozmístění materiálu. S pomocí virtuální simulace tištěného vzhledu je možné najít takové uspořádání materiálů, které nejvěrněji reprodukuje vstupní objekt.
V aktuální studii [1] vědci představili novou techniku této virtuální simulace. Ta je až 300krát rychlejší než předchozí metody a zároveň vyžaduje pouze jeden grafický procesor namísto celého výpočetního clusteru. Na základě poučení z milionů cvičných příkladů je neuronová síť schopna efektivně předvídat, jak se světlo bude pod povrchem rozptylovat a jak bude daný bod na povrchu ovlivňován okolním materiálem.
Podle vědců se díky nové simulaci zkrátí doba přípravy barevného 3D modelu z desítek hodin na několik minut, což umožňuje, aby se tato technika skutečně využívala v praxi. Autoři jsou přesvědčeni, že nová metoda, v kombinaci se současným hardwarem 3D tiskáren, umožní vytvářet modely s věrnými povrchy, než jaké může nabídnout tradiční software pro přípravu tisku.
Odkazy
[1] T. Rittig et al., “Neural Acceleration of Scattering-Aware Color 3D Printing,” Computer Graphics Forum, 2021, doi: 10.1111/cgf.142626.
[2] O. Elek et al., “Robust and practical measurement of volume transport parameters in solid photo-polymer materials for 3D printing,” Opt. Express, OE, vol. 29, no. 5, pp. 7568–7588, Mar. 2021, doi: 10.1364/OE.406095.
[3] D. Sumin et al., “Geometry-Aware Scattering Compensation for 3D Printing,” ACM Trans. Graph., vol. 38, no. 4, p. 111:1-111:14, Jul. 2019, doi: 10.1145/3306346.3322992.
[4] S. Ritter, formnext AM FIELD GUIDE : discover the world of additive manufacturing : a practical guide to the exciting world of generative manufacturing. 2019.
[5] O. Elek et al., “Scattering-aware Texture Reproduction for 3D Printing,” ACM Trans. Graph., vol. 36, no. 6, p. 241:1-241:15, Nov. 2017, doi: 10.1145/3130800.3130890.
