デンマークの研究者がDLP 3Dプリンティングにおける微細構造制御を向上

出典: Additive Light

最近発表された論文「デジタル光処理 3D 印刷における微細構造制御」では、デンマーク工科大学の研究者が、表面の外観の問題を改善するように設計されたアンチエイリアシングオプションやサブボクセルの成長制御の作成など、3D 印刷における制御の問題を調査しています。つまり、ジオメトリを高品質で印刷できるだけでなく、表面の外観も一致させることができるようになり、一般的な「粗い」外観が軽減されます。

滑らかな表面と粗い表面を持つ半球とウサギ、および空間的に変化する異方性反射率を持つ平らなサンプル (スマイリーフェイスと QR コード)。異方性を示すために、シーンを 2 つの異なる方向から表示します。太陽は指向性光源として使用されます。各プロジェクトは、提示されたテクニックを使用して段階的に印刷されます。

科学者や研究者にとって機能性が第一の関心事である一方、多くの芸術家やデザイナーにとっては外観も最優先事項であり、追加の仕上げが必要になることもよくあります。

必要な円形印刷レイヤージオメトリ (左)、プロジェクターの解像度に応じてラスタライズされたもの (中央)、同じグレースケール値を持つレイヤーに対してアンチエイリアスされたもの (右)。

研究者らは、グレースケールのパターン化を使用して DLP 3D 印刷を大幅に改善することができ、この研究では、ワンステップのプロセスを使用してサンプルの微細な特徴とパターンを作成しました。

「この技術を使うことで、材料を変えたりサンプルを後処理したりすることなく、プリントの粗さや表面の外観を変えることができる」と研究者らは語った。

DLP 印刷の解像度は通常 15 ～ 100 ミクロンですが、これはプロジェクターのマイクロミラーデバイスの品質と構築ボードの精度によって異なります。樹脂の硬化は利用可能な紫外線のレベルに依存し、紫外線の照射時間を長くするか、光の強度を上げることで硬化を高めることができます。研究チームは強度を増減することでボクセルの成長を制御し、3Dプリントされたサンプルに「非常に小さな特徴とパターン」を作成することができました。これにより、エイリアシングの可能性も低減され、滑らかな単層マイクロフィーチャーの製造が可能になります。

「スライスはジオメトリをラスタライズすることで得られ、何もしなければ、ピクセルレイヤーのエッジに沿ってピクセル化された境界の形で空間エイリアシングが発生します」と著者らは説明しています。「グレースケールベースのスーパーサンプリング (3 次元すべて) を使用すると、この効果を打ち消し、より滑らかな表面を作成できます。ただし、これでは表面のアーティファクトを完全に除去するには不十分です。これらのアーティファクトは、目に見える反射率の異方性やモアレ縞につながる可能性があります。」

研究者らは、ボトムアップで取り付けられた自己完結型 DLP プリンターで実験を完了し、「さまざまな振幅と周波数のパラメーターを持つスパース畳み込みノイズ」を使用すると、さまざまなテクスチャと滑らかな表面を持つ複数のサンプルを 3D プリントできることを確認しました。

彼らは、DLP プロセスのどの部分も変更せずに、表面下散乱のない BRDF モデルの使用による反射コントラストで、異なる反射率特性を持つサンプルを印刷しました。

図13（上段）は、下段に示す方向から光が入射する異方性の笑顔サンプルの写真を示しています。中央の行は、解析 BRDF モデルに基づく反射コントラストの予測を示しています。印刷されたサンプルで見られるコントラストは予測ほど鮮明ではありませんが、強度の変化は定性的に似ています。

次のサンプルでは、チームはグレースケールパターンを適用せずに 1 つの半球を 3D プリントし、それを他の半球と比較しました。

「滑らかで不規則なノイズ関数によって生成される低振幅のグレースケールパターンの存在により、表面がより滑らかになり、レイヤー印刷プロセス中に発生する階段状のアーティファクトのほとんどが除去されます。振幅が増加すると、鏡面反射ハイライトが見えにくくなり、表面がより拡散して見えるようになります」と著者らは説明しています。

図13（上段）は、下段に示す方向から光が入射する異方性の笑顔サンプルの写真を示しています。中央の行は、解析 BRDF モデルに基づく反射コントラストの予測を示しています。印刷されたサンプルで見られるコントラストは予測ほど鮮明ではありませんが、強度の変化は定性的に似ています。

より複雑な構造を持つスタンフォードバニーを作成するために、グレースケールのパターンが使用されています。このサンプルでは、表面にパターンは適用されておらず、右列と右端の列にスパース畳み込みノイズを使用することで、より良い結果が得られています。

スタンフォードバニーは、2 つの異なる光の視野角構成で印刷され、撮影されました。ウサギは、グレースケールパターンを適用せずに印刷されたもの (標準)、等方性 2D 正弦関数を適用したもの、低振幅 (A) と高振幅 (ノイズ) と周波数で印刷されたもの (ノイズ) です。標準的な手法では、剥離アーティファクトによって生じる異方性反射によるピックアップが明確に観察されます。正弦波モードでは問題は軽減されますが、正規化アーティファクトが発生します。ノイズ機能により、問題をより効果的に軽減できます。スムースバニーは、ラフバニーに比べて光沢があります。予想通り、ハイライトされた部分は暗く、ハイライトされた部分の外側は暗く表示されます。メッシュのスライスはラスタライズによって行われます。

「メッシュジオメトリのスライス中にグレースケールパターンを表面ボクセルに適用するパイプラインについて説明しました。最後に、DLP プリンターのパラメーターを較正し、印刷中に表面に追加されるグラウンドノイズを推定する手順を示します」と研究者は結論付けています。「私たちの結果は、グレースケール画像を使用して DLP プロジェクターの UV 強度を調整することで、異方性効果や表面粗さなど、空間的に変化する反射特性を持つサンプルを印刷できることを示しています。」

より高速で高解像度の技術、強化されたナノ複合材料、マルチマテリアルプロセス、あるいはまったく別の方法などを使用して、世界中の研究者が DLP 3D 印刷を含む多くの 3D 印刷プロセスを継続的に改善しています。

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