Суть метода основана на точном моделировании процесса термоформования, которое докторант ETH Кристиан Шуллер разработал в лаборатории интерактивной геометрии под руководством профессора ETH Ольги Соркин-Хорнунг. Моделирование вычисляет изображение с цветной поверхности цифровой 3D-модели, которое затем печатается на пластиковом листе. Затем посредством термоформования этот лист нагревается и принимает трехмерную форму.
Ключ заключается в вычислении деформированного изображения, чтобы цвета и узоры идеально соответствовали геометрическим деталям формы.
Техника термоформования широко распространена в промышленности и используется для производства многих формованных деталей, которые мы используем ежедневно, таких как контейнеры для йогурта, вкладыши для коробок из-под шоколада и другие упаковочные материалы. «Но промышленный метод не подходит для недорогого производства небольших партий или даже отдельных деталей сложной формы или моделей с цветной печатью», — говорит Шуллер. Для точной печати этих деталей требуется специальное оборудование и тщательная калибровка.
Таким образом, исследователи разработали метод, основанный на легкодоступном и недорогом оборудовании и материалах, не требующий узкоспециализированных знаний.
Плесень и печать
На первом этапе простой 3D-принтер используется для изготовления отрицательной формы модели из полимолочной кислоты (PLA), одноцветного пластика.
Это составляет основу термостойкой гипсовой формы, необходимой для термоформования.
Программа рассчитывает правильную текстуру для 3D-модели, которая печатается на стандартном лазерном принтере на специальной копировальной бумаге. Затем с помощью давления и тепла изображение переносится на пластиковый лист.
Пластиковый лист с печатным рисунком зажимается в термоформовочной машине над гипсовой формой и нагревается до тех пор, пока он не станет податливым.
Вакуум быстро всасывает воздух между листом и гипсовой отливкой, плотно прижимая пластик к гипсовой форме, как кожа, создавая пластиковую копию.
После термоформования можно увидеть, правильно ли программа рассчитала напечатанное изображение: «Деформация пластика также изменяет напечатанное изображение.
Но наше программное обеспечение точно рассчитывает и компенсирует эту деформацию », — говорит Шуллер.
Качественные реплики
Исследователи проверили свою технику на некоторых очень сложных объектах, включая китайскую маску и различные компоненты для изготовления моделей, такие как корпус автомобиля и копии еды.
Китайская маска, в частности, имеет много деталей, которые идеально воспроизведены в реплике; например, зубы в оригинале расписаны золотой краской. «Эта деталь в точности воспроизведена на копии. Поверхность имеет высококачественный вид, а цвет и структура почти идентичны оригиналу », — говорит Шуллер.
Из-за используемого пластика этот метод менее подходит для воспроизведения свойств предметов, сделанных из таких материалов, как дерево или камень, поскольку поверхность имеет высокий блеск. Но это может быть даже предпочтительнее в зависимости от приложения.
Недорогая техника для моделистов
Исследователи убеждены, что новый метод можно использовать в цифровом производстве и в промышленных приложениях для формования прототипов перед крупносерийным производством.
Архитектурные фирмы и разработчики моделей также могут извлечь выгоду из этого метода, чтобы дешево и быстро изготовить 3D-модель на основе своих планов и визуализаций.
Этот метод может быть интересен даже для хобби или школ, поскольку необходимое оборудование легко доступно, а гипсовую отливку можно использовать несколько раз для изготовления множества копий.
Этому методу не нужно опасаться сравнения с процессами цветной 3D-печати: «Реплика имеет высококачественный внешний вид, и для многих приложений она дешевле и быстрее, чем сегодняшний процесс 3D-цветной печати», — говорит Шуллер.