Forscher 3D-drucken “Digital Wood” mit komplexen internen Texturen

In einem Artikel mit dem Titel “Digital Wood: 3D Internal Color Texture Mapping” diskutiert eine Gruppe von Forschern der Columbia University, wie sie eine Voxeldruckmethode verwendeten, um sowohl die Oberflächen- als auch die Fremdfarbentextur organischer Materialien wie Holz zu replizieren.

„Bis vor kurzem wurden 3D-Drucktechnologien im Inkjet-Stil erfolgreich bei der Herstellung von Teilen mit komplexen Topologien und vollfarbigen Oberflächentexturen eingesetzt. Diese Drucker haben jedoch mit Teilen zu kämpfen, die anisotrope innere Strukturen aufweisen, wie dies bei vielen organischen Materialien der Fall ist“, erklären die Forscher. „Dieser Nachteil rührt von der inhärenten Unverträglichkeit der Bereitstellung unähnlicher Materialien zu jedem auflösbaren Punkt eines Objekts her, das mit etablierten 3D-Druckverfahren gedruckt wird, beispielsweise durch selektives Lasersintern und Modellierung der Schmelzablagerung. Ab Anfang 2018 ist der Voxeldruck auf den zuvor genannten Druckern von HP und Stratasys möglich; Die Vorbereitung der Dateien für den Voxeldruck ist jedoch eine Herausforderung, die von den Druckerherstellern weitgehend unbeachtet bleibt.“

Mit dem Voxel-Druck können Hersteller Multimaterialteile mit komplexen inneren Strukturen herstellen, die beispielsweise Knochen oder Holz nachbilden. In ihrer Studie verwendeten die Forscher eine Voxeldruckmethode, um die äußeren und inneren Farbtexturen einer Olivenholzprobe zu reproduzieren. Das Verfahren beinhaltete das Entfernen aufeinanderfolgender dünner Scheiben aus der Holzprobe und das Aufnehmen digitaler Bilder von jedem Schnitt. Der resultierende Stapel von 230 Bildern wurde anschließend mit einer Fotobearbeitungssoftware nachbearbeitet, bevor er in einen Stratasys J750 3D-Drucker eingegeben wurde, der 3D-Druck auf Voxel-Ebene ausführen kann. Der 3D-Drucker druckte dann nacheinander Schichten, die dem Bildstapel entsprechen.

Die 3D-gedruckten Blöcke wurden dann in flüssigen Stickstoff getaucht und mit einem Meißel zerbrochen. Die gebrochenen Blöcke zeigten eine komplizierte Holzmaserung im Inneren, was zeigt, dass der Druckprozess die gesamte innere Textur und Farbe des ursprünglichen Holzstücks reproduzieren kann.

“Es ist kein Zufall, dass algorithmische, bioinspirierte Designs, die sich auf natürliche Phänomene auswirken, gut für den Voxeldruck-Workflow geeignet sind”, stellen die Forscher fest. “Dies liegt daran, dass sie inhärent zellbasierte Prozesse sind, die Voxel-artige Muster so anordnen, dass sie einen optimalen Zustand erreichen.”

Die Forscher verwendeten eine zerstörerische Bildgebungstechnik, um das Holz zu zerlegen, um die dünnen Scheiben zu erhalten, die dem 3D-Drucker zugeführt wurden. Die Forscher geben jedoch andere, weniger zerstörerische Methoden für die Abbildung einer Probe an, wie z. B. Magnetresonanztomographie, MR-Enterographie, Röntgen- oder Infrarotbildgebung. Weitere Informationen können auch durch Querverweisen von Daten erhalten werden, die mit verschiedenen Techniken wie thermischer, mechanischer, akustischer und elektrischer Bildgebung erhalten werden. Wie bei fraktal inspirierten Materialien können auch Punktwolken vollständig durch Software generiert werden.

“Es ist erwähnenswert, dass mit Voxel bedruckte Objekte, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, erhebliche Anisotropien aufweisen können, die sich nur schwer simulieren lassen”, schließen die Forscher ab. „Daher ist ein vernünftiger Einsatz von Tests und Simulationen erforderlich, um deren Verhalten vorherzusagen und die Produktion algorithmisch entworfener Materialien zu informieren. Während sich diese Arbeit auf die digitale Reproduzierbarkeit von Holz konzentrierte, kann derselbe Ansatz auf viele andere anisotrope Materialien angewendet werden. Darüber hinaus hat diese Studie die Fähigkeit gezeigt, 3D-Strukturen in Photoshop zu “ändern”, um die Farbe zu ändern und das Potenzial, interne Strukturen auf beliebig komplexe Formen anzuwenden.”

Autoren des Papers sind Fabian Stute, Joni Mici, Lewis Chamberlain und Hod Lipson.