Rapid Prototyping im 3D-Druck: Effizienter durch neue Scan-Pipeline

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Rapid Prototyping im 3D-Druck: Effizienter durch neue Scan-Pipeline

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Das Fraunhofer IGD stellt auf der Siggraph 2021 ein neues Verfahren vor, das den 3D-Druck bei nativer Geräteauflösung effizienter macht. Der entsprechende 3D-Druckertreiber "Cuttlefish" ermöglicht besonders feine Texturen, und das bei reduzierter Dateigröße -- ein Vorteil bei großen Druckaufträgen..
3D-Druck: Effizienter und genauer mit neuem Verfahren vom Fraunhofer IGD. Präsentation auf der Siggraph 2021

Quelle: Fraunhofer IGD

  • Eine neue, vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD entwickelte Herangehensweise erhöht die Effizienz im 3D-Druck bei nativer Geräteauflösung, besonders bei Nutzung des Multi Material Jetting-Verfahrens und somit bei Polyjet-Druckern.
  • Selbst feinste Texturen sollen mit dem 3D-Druckertreiber „Cuttlefish“ effizient und robust gelingen, und das bei verringerter Dateigröße – ein entscheidender Faktor für große Druckaufträge.
  • Die Ergebnisse werden auf der Siggraph 2021 präsentiert.

Die Hardware der aktuellen 3D-Drucker erlaubt immer realistischere Reproduktionen der Oberflächen dank zunehmender Auflösung und Genauigkeit. Gleichzeitig steigen jedoch im 3D-Druck Faktoren wie Dateigröße, Übertragungs- und Verarbeitungszeit, was die Aufgabe erschwert. Grund hierfür ist die höhere Dichte an Polygonen, die zur Approximation der gewünschten Oberfläche notwendig sind, besonders bei größeren Drucken.

Wissenschaftler der Einheit 3D-Druck-Technologie des Fraunhofer IGD stellen in ihrem Paper „Displaced Signed Distance Fields for Additive Manufacturing“ ihre Lösung für dieses Dilemma vor. Der Clou: Eine geschickte Kombination aus der Erfassung makroskopischer und mesoskopischer Informationen bei der Oberflächendarstellung, wobei man letztere nutzt, um sowohl feine Oberflächendetails als auch sanft gekrümmte Oberflächen zu reproduzieren. Hierdurch ergibt sich gerade bei großen Druckaufträgen gegenüber einer einheitlichen Tessellierung durch Flächenprimitive ein mit der Skalierung steigender Effizienzvorteil. Das Paper wurde zur Präsentation auf der Siggraph 2021, der wichtigsten Veranstaltung für Computergraphik, akzeptiert. Die Konferenz findet virtuell vom 9. bis 13. August statt. Das Paper wird am 13. August von 12.00 bis 13.00 Uhr Pazifischer Sommerzeit (PDT) präsentiert. Die im Paper vorgestellten Lösungen kommen im 3D-Druckertreiber „Cuttlefish“ bereits zum Einsatz.


Eine Kugel mit einem Durchmesser von 3 cm und 5 cm, gedruckt mit demselben 80-primitive-Input unter Verwendung von punktnormalen gekrümmten Polygonen, die mit unserem Framework implementiert wurden. Bildquelle © Fraunhofer IGD)

Die neue Methode für den 3D-Druck im Detail

Im Mittelpunkt der beschriebenen Algorithmen stehen sogenannte Displaced Signed Distance Fields, die die nahezu allgegenwärtige Signed Distance Field-Darstellung um den Faktor eines Versatzfelds vergrößern, das den Versatz zwischen der Eingabeapproximation und der tatsächlichen Oberfläche angibt. Dieses kodiert implizit sanft gekrümmte oder feindetaillierte Oberflächen in Bezug auf eine Grobtessellierung. Für den 3D-Druck müssen die von menschlichen Bedienern oder einer Scan-Pipeline erzeugten Modelle in Polygonnetze umgewandelt werden. Bei einer festgelegten Druckgröße reicht eine festgelegte Anzahl von Polygonen aus, um das Objekt mit der Präzision des Druckers zu drucken, doch bei größeren Druckgrößen müssen diese feiner tesselliert werden, ggf. mit einer viel höheren Anzahl von Polygonen.

Am Beispiel einer schlichten Kugel wird das Problem deutlich: Das Objekt mag bei einer gewissen Anzahl an Polygenen rund erscheinen, wird das Objekt jedoch bei demselben Polygonnetz größer gedruckt, erscheint die Kugel nicht mehr rund. Die Displaced Signed Distance Fields kodieren die Differenz zwischen dem stückweise flachen Eingabenetz und der tatsächlichen Oberfläche der Kugel mit der Präzision des 3D-Druckers.


Ein Rendering einer offenen Oberfläche, die durch 3D-Scanning erfasst wurde, und der daraus resultierende Druck, der ohne weitere Vorverarbeitung mit dem neuen System erstellt wurde. Bildquelle: © Fraunhofer IGD)

Berechnung hochdetaillierter Oberflächen aus niedrigpolygonalen Netzen

Displaced Signed Distance Fields stellen die Oberfläche der Form implizit dar, was eine volumetrische Regularisierung der impliziten Funktion und eine robuste Berechnung aus unvollständigen oder sich selbst überlappenden Oberflächendaten ermöglicht. Das ist im Speziellen im 3D-Druck relevant, da in-situ verarbeitete Informationen nicht korrigiert werden können. Das profunde Konzept mit den neuen Algorithmen des 3D-Druckertreibers Cuttlefish erlaubt damit eine Berechnung hochdetaillierter und glatter Oberflächen aus Streaming-kompatiblen niedrigpolygonalen Netzen.

Bild oben:

Eine mit Texturen versehene Teekanne mit und ohne Verwendung einer Displacement Map für feinere Geometrie. Der gesteigerte visuelle Realismus geht mit einer geringen Erhöhung des Gesamtspeichers einher. Bildquelle: © Fraunhofer IGD)

Weitere Informationen:

Erfahren Sie hier mehr darüber, wie mit 3D-Drucktechnologie Displays mit enormer Auflösung möglich werden.

Lesen Sie auch: „Siggraph 2021: Experten sprechen über das offene Metaversum“

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