PRIMJENA NOVIH TEHNOLOGIJA ZA ISPIS TRODIMENZIONALNIH OBJEKATA

Zvonimir Sabati, Zoran Busija

Sažetak

U posljednjih desetak godina intenzivan razvoj novih tehnologija omogućava ispis trodimenzionalnih objekata direktno iz računala na printer. Proces modeliranja 3D objekata provodi se već poznatim CAD programskim alatima. Moguće je koristiti i druge programske alate za 3D modeliranje, uključujući i proces trodimenzionalnog skeniranja manjih objekata ili osoba, pa na taj način dobivamo određenu vrstu trodimenzionalnog fotokopiranja. Zbog malih dimenzija uređaja, trodimenzionalni direktni ispis se može provoditi u uredskim prostorima, tako da se govori o još jednoj novoj desk-top djelatnosti. Postoje više različitih vrsta uređaja za 3D ispis, ovisno o namjeni i materijalu koji se koristi kod ispisa. Cilj ovog rada je opisati principe rada takvih tehnologija na primjeru korištenja trodimenzionalnog skenera NextEngine i 3D printera Spectrum Z510. Cijeli proces 3D modeliranja, iako ponekad vrlo složen, samo je priprema za finalizaciju 3D objekta, koji u krajnjem slučaju može poslužiti i kao model-maketa proizvedena od različitih materijala i u konačnici kao svojevrsni turistički suvenir. Uz praktični primjer replikacije statue raspraviti će se i o mogućnostima primjene ovih tehnologija na raznim poljima ljudske djelatnosti kao što su industrijski dizajn, dizajn obuće, arhitektura, automobilska i avio-industrija, te zubotehnička i medicinska tehnika.
Ključne riječi: 3D modeliranje, CAD, 3D tisak, 3D skaniranje

Application of new technologies in three-dimensional object printing

Abstract

The intense development of new technologies over the last decade has made it possible to print three-dimensional objects directly from the computer to the printer. The 3D object modelling process is performed by means of well-known CAD tools. It is also possible to use other 3D modelling software, including the process of three-dimensional scanning of persons or smaller objects, which represents a kind of three-dimensional photocopying. Owing to small dimensions of the devices used in the process, direct three-dimensional printing can be performed in offices. This explains why it can be considered as another desktop publishing activity. There are several different types of 3D printing devices, depending on their purpose and material used in printing. The goal of this paper is to describe the working principles of such devices on examples of using the three-dimensional NextEngine scanner and the three-dimensional Spectrum Z510 printer. Although it is sometimes fairly complex, the entire modelling process is only a preparation for the finalization of 3D objects, which can eventually also serve as a scale model produced by using various materials, or even as a souvenir. In addition to the practical example of statue replication, other possibilities of application of these technologies in various fields will be considered, including industrial design, footwear design, architecture, automobile and aircraft industry as well as dental and medical technology.

Uvod
Tijekom 2006. godine uvriježio se u mnogim proizvodnim tvrtkama i razvojnim uredima pojam "rapid prototyping". Taj pojam obuhvaća brz razvoj proizvoda, od ideje do gotovog probnog uzorka, te se sada tehnologije te vrste koriste i pri konstrukciji, analizi, kontroli te održavanju proizvoda. Osim toga, ove tehnologije se koriste i na raznim poljima ljudske djelatnosti kao što su restauratorski postupci, umjetnost, arhitektura, pa čak i u zubotehnici i medicini.

DSSP (Digital Shape Sampling and Processing)

U telekomunikacija su odavno poznati postupci za pretvaranje analognog signala koji ima stalni gradijent promjene u digitalni signal koji se sastoji od diskretnih dijelova.  Takvi postupci su poprimili naziv DSP (digital sampling and processing).
U trodimenzionalnom (3D) grafičkom modeliranju, potrebno je  opisati mogućnosti korištenja 3D skenera i odgovarajuće programske podrške za akviziciju oblika fizičkih objekata kako bi se dobili točni računalni 3D modeli. Analogno gornjem nazivu taj se postupak naziva DSSP (Digital Shape Sampling and Processing). 
Cilj akvizicije je potpuno preuzimanje fizičkih svojstava objekta koja služe za promjenu dizajna, modifikaciju konstrukcijskih svojstava, proizvodnju, prilagođavanje postojećih proizvoda specifičnim zahtjevima pojedinih kupaca, ali i za arhiviranje već gotovih kalupa i naprava. DSSP je nastao kao rezultat integracije nekoliko tehnoloških područja kao što su optičko 3D skeniranje, reverzibilno inženjerstvo, računalno podržana kontrola proizvoda, te razvoj programa za obradu trodimenzionalne geometrije objekata. Sva ova područja su se značajno razvila u posljednjem desetljeću, a njihov razvoj se nastavlja i dalje.
Dvije osnovne komponente DSSP sustava su skener koji skuplja podatke o točkama na površini objekta i softver koji te podatke pretvara u potreban skup informacija za 3D računalni model objekta.

Skener
Mehaničko prikupljanje podataka točku po točku kao pri koordinatnim mjernim uređajima još se uvijek ne može u potpunosti zaobići u području kontrole dimenzija proizvoda, ali se beskontaktne, optičke metode sve više koriste. Skeneri nove generacije omogućavaju vrlo brzo prikupljanje podataka o milijunima točaka. Danas u primjeni imamo razne vrste trodimenzionalnih skenera od kojih su laserski skeneri jedna od značajnijih grupa. Laserski skeneri odašilju lasersku zraku prema površini objekta. Zraka se odbija i vraća do skenera koji ovisno o vremenu putovanja zrake računa položaj točke na površini objekta. Za potrebe ovog rada će se koristiti laserski skener NextEngine koji obrađuje 50.000 točaka u sekundi, što znači da sve točke jedne plohe koja mu se nalazi u vidnom polju digitalizira za oko dvije minute. Na taj način u nekoliko minuta možemo prikupiti podatke o cjelokupnoj površini nekog objekta uključujući boju i teksture (Slika 1).

b

Slika 1: Skenirani objekt


Softver
Prikupljanje i obrada velike količine tih skeniranih podataka prikazuje slijedeći dijagram tijeka:


c Današnji DSSP programi nizom alata i čarobnjaka olakšavaju nekad mukotrpno, zahtjevno i dugotrajno dobivanje 3D modela iz „oblaka točaka“.

Obrada točaka
Dijagram tijeka obrade podataka pokazuje da se polazi od oblaka točaka koje prikuplja skener (Slika 2). Pošto se model skenira s nekoliko strana, više neovisnih skenova mora se spojiti u cjelinu, odnosno u jednu veću površinu. Pri obradi točaka omogućeno je automatsko uklanjanje skeniranih dijelova koji se preklapaju, a mogu se odstraniti sve točke koje značajno odstupaju od ostalih točaka. Do odstupanja pojedinih točaka dolazi zbog vrste i kvalitete površine (odbljesci, vrsta osvjetljenja, ...) koja se skenira.

d

Slika 2: Prikaz dijela površine

Prikaz modela moguć je trianguliranom površinom (Slika 3). Triangulacija je postupak pretvaranja oblaka točaka u površinu. Broj trokuta je proporcionalan broju skeniranih točaka odnosno rezoluciji skenera. Tako dobiven model potrebno je dodatno obraditi kako bi se popravila površina modela.

f

Slika 3: Oblak točaka koji prikazuju skenirani objekt

Obrada poligona
Da bi se došlo do kvalitetnog modela potrebna je obrada poligona od kojih se sastoji površina. Na razini poligona softver dozvoljava krpanje rupa, popravljanje bridova, te zaglađivanje dijelova površine. Pravilni raspored dijelova površine "patches" smanjuje količinu podataka, omogućuje pravilno spajanje dijelova, a time i izradu "vodonepropusne" površine. Na zaslonu se može vidjeti izgled skeniranog objekta bez prikaza tekstura (Slika 4). Ovaj dio završene obrade ima zapis u STL formatu. Ime STL formata potječe od riječi STereoLitography što je bio naziv za jedan od prvih RPT sustava. Danas se ovaj način zapisivanja plohe podrazumijeva kao Standard Triangle Language, a u šaljivom kontekstu se govori kao Stupid Triangles and a Lot of them, što govori da je ovo kompliciran zapis s puno podataka. Ovaj se zapis često koristi pri radu s rapid prototyping sustavima ili za potrebe vizualizacije objekta. Modeli zapisani u STL obliku ne sadrže podatke o boji već samo o geometriji objekta. Podatke o boji i teksturama u sebi nosi VRML (Virtual Reality Model Language) zapis modela, koji je jedan od prvih jezika pomoću kojih su trodimenzionalni objekti mogli biti prikazani unutar Internetskih preglednika.

h

Slika 4: Izgled skeniranog objekta bez teksture

Obrada ploha
Na postojeće poligone program postavlja površine koje oblikuju model, a na kraju se dolazi do potpuno definiranih NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) površina. NURBS je matematički model za generiranje i prikaz krivulja i površina koji koriste današnji 3D računalni programi za prikaz i manipulaciju objektima. Krajnja faza dozvoljava zapis modela u IGES, STEP ili nekom drugom formatu koji se mogu koristiti u CAD/CAM/CAE programima.
Zbog nepravilnog spajanja dviju ploha na našem je objektu u predjelu nosa bila potrebna intervencija (Slika 3). STL zapis prikazuje poboljšanu površinu lica (Slika 5).

k

Slika 5: STL zapis popravljenog dijela lica

RPT (Rapid ProtoTyping)

Generalno govoreći proizvodne se postupke može podijeliti u nekoliko grupa. Prva grupa su obrade odvajanjem čestica (tokarenje, glodanje, blanjanje, …), dok drugu grupu čine postupci dodavanja odnosno stvaranja materijala kao što je metalurgija praha (powder metalurgy).
RPT postupci spadaju u proizvodne postupke kod kojih se materijal dodaje. Prvi takvi postupci su se pojavili početkom devedesetih godina prošlog stoljeća, a postupci i materijali koji se u njima koriste usavršavaju se i danas. RPT postupci koji se trenutno primjenjuju su stereolitografija (SLA – stereolithography), lasersko sinteriranje (SLS – selective laser sintering), polaganje rastopljenog materijala (FDM - fused deposition modeling) i trodimenzionalni ispis (3DP – 3D printing).

3D printing

Na tržištu postoji nekoliko proizvođača 3D printera, a jedna od najznačajnijih je tvrtka Z Corporation, koja već godinama proizvodi i usavršava trodimenzionalne printere (Spectrum Z510) i materijale koje oni mogu ispisivati.
Sam pojam "ispis" dolazi zbog principa rada uređaja koji ispisuje sloj po sloj boje slično ink-jet pisaču. Početni sloj boje ispisuje se na ravni sloj praha. Printer rasprostire novi sloj praha preko postojećeg i ispisuje novi sloj boje. Boja reagira s prahom i sljepljuje ga s već ispisanim slojevima. Gotov model je potpuno ukopan u prah i potrebno ga je pažljivo izvaditi iz uređaja. Potpuno uređen računalni model uvozi se u program Zprint koji upravlja pisačem. Uvoziti se mogu modeli zapisani u formatima STL, VRL, PLY i 3DS. Na zaslonu je vidljiv radni prostor 3D pisača u koji je uvezen model i sve je spremno za ispis (Slika 6). Zprint automatski reže računalni model u slojeve i sloj po sloj šalje pisaču na ispis. Za pravilno rezanje u slojeve je izuzetno značajno da računalni model ima potpuno zatvoreni volumen (engl. Watertight). Dodatni zahtjev ja da normale svih ploha modela imaju istu orijentaciju, jer u suprotnome će na zaslonu biti dobar prikaz, ali ispis neće biti moguć jer Zprint pri rezanju slojeva neće moći odrediti koji dio volumena je van a koji unutar modela. Računalne modele je zbog gore navedenih razloga ponekad potrebno popravljati pomoću specijaliziranih programa. Sa printerom se isporučuje alat za obradu 3D računalnih modela koji se zove ZEdit i koji je dovoljan za osnovne zahvate kao što su promjena orijentacija normala, dodavanje slika, promjena boja modela i slično.

l

Slika 6: Model u radnom prostoru pisača

Nakon ispisa dobiva se model koji je vjerna kopija skeniranog objekta (Slika 7). Za razliku od klasičnih postupaka izrade modela i maketa veličina modela može se lako mijenjati pa 3D ispis koristimo za prezentaciju nekoliko idejnih rješenja i prije nego što se došlo do konačnog rješenja.

m

Slika 7: Isprintana kopija skeniranog objekta

Dodatne dobre strane 3D ispisa su mogućnost ispisa u boji, te jednostavna i brza izrada nekoliko komada istog modela u jednoj postavci pisača (Slika 8).

nj

Slika 8: Raspored nekoliko komada spremnih za ispis

Zaključak

Rapid prototyping se koristi u mnogim tvrtkama raznih djelatnosti i razvojnim uredima za brzo dobivanje probnog uzorka, ali isto tako i za konstrukcije, analize, kontrolu i održavanje proizvoda.
Proces dobivanja probnog uzorka započinje 3D skeniranjem za preuzimanje fizičkih svojstva objekta. Za 3D skeniranje koriste se beskontaktne optičke metode, a najbolje rezultate daju laserski skeneri, te se na taj način prikupe podaci u obliku oblaka točaka o cjelokupnoj površini nekog objekta, uključujući boju i teksture. Objekt se skenira s nekoliko strana, te se nekoliko neovisnih skenova spaja u cjelinu. Nizom programskih alata obrađuju se točkice, poligoni i plohe, da bi se dobila površina 3D modela, koja u potpunosti odgovara originalnom objektu.
Da bi se dobio probni uzorak, vjeran originalu, koristi se 3D ispis, pomoću uređaja koji rade slično kao ink-jet pisači. Naime, naizmjence se ispisuje sloj boje na ravni sloj praha i sljepljuje ga se s već ispisanim slojevima. Na taj način se dobije gotov proizvod-model, koji je potpuno ukopan u prah.
Zbog manjih dimenzija 3D printera, malih dimenzija 3D skenera, sve se to može obavljati u uredu, pa se može govoriti o još jednoj desk-top djelatnosti. Posebno je pogodna za razvoj proizvoda, jer se u kratkom vremenu dobije proizvod u obliku modela makete željenog proizvoda, a prema potrebi i veći broj komada. Želi li se dobiti nekoliko inačica tog uzorka, postupak se priprema u računalu. Tako da se realizacija više idejnih rješenja može dobiti praktički istovremeno.

Literatura

  1. Brown D. C., Intelligent computer-aided design, dostupno na: http://web.cs.wpi.edu/~dcb/Papers/EofCSandT.html, 1993.
  2. Fakultet strojarstva i brodogradnje, Oblikovanje pomoću računala, dostupno na: www.cadlab.fsb.hr/download/skripte/43.pps
  3. Nelson T., Architectural Modeling- Unique Identification Of Architects, dostupno na: http://www.articlesnatch.com/Article/Architectural-Modeling--Unique-Identification-Of-Architects/939408
  4. Pletenac L., Računalno geometrijsko modeliranje, dostupno na: http://www.gradri.hr/~pletenac/modeliranje-sazetak.htm
  5. Tulika M., Tzi-cker C., Three-dimensional computer graphics architecture, dostupno na: http ://www.ias.ac.in/currsci/apr102000/surveys2.pdf, 2000.
  6. https://www.nextengine.com/indexSecure.htm
  7. http://www.solidworks.com/pages/products/solutions/ScanTo3D.html
  8. http://www.geomagic.com/en/ 
  9. http://www.zcorp.com/en/home.aspx

 

 

Patrik Ervells latest collection is ironically titled “Software”ADIDAS ORIGINALS TUBULAR SHADOW. In the notes from the presentation, Ervell says he was interested in developing tension between nostalgia and sci-fi,NIKE ZOOM WINFLO 3 and even included 90s cyberpunk amongst his influences. Ervell developed this point of view by creating an imaginary software company called Idegen software systems. He then re-appropriated the company’AIR JORDAN XXXI MENs logo in several of the collection’s garments. Elsewhere,MBT TARIKI MEN mohair coats with oversized lapels made an appearance alongside mock neck tees,NIKE AIR JORDAN RETRO 5 police-inspired ribbed sweaters,MBT FORA GTX WOMEN flight bombers, and polyurethane leather coats. The setting was also suitably dystopian, and the resulting ambiance was something akin to if the creators of Deutschland 83 and Hackers met up and decided to create a collection… We mean that as a compliment.Yesterday afternoon,JORDAN CP3 IX MEN artist JR spent the day working on his latest collaborative piece with Daniel Arsham in Greenpoint,NIKE AIR MAX 90 Brooklyn,MBT KIMONDO GTX MEN NYC. Connecting the lines between art, architecture, dance and theater, Daniel Arsham has been known to subvert existing architectural structures in unconventional,NIKE CLASSIC CORTEZ NYLON playful ways; confusing and confounding the expectations of space and form. Source: Street Art News .