La impresión 3D visualmente perfecta

Forma, color y brillo: Estas son las tres características visuales más destacadas de un objeto. Actualmente, las impresoras 3D pueden reproducir formas y colores razonablemente bien. El brillo, sin embargo, sigue siendo un desafío. Esto se debe a que el hardware de impresión 3D no está diseñado para lidiar con las diferentes viscosidades de los barnices que dan a las superficies un aspecto brillante o mate.

El investigador del Massachusetts Institute of Technology, Michael Foshey, y sus colegas pueden tener la solución ya que han desarrollado un sistema de impresión combinado de hardware y software que utiliza barnices estándar para terminar objetos con patrones de brillo realistas que varían espacialmente. Foshey llama al avance "un capítulo en el libro de cómo hacer una reproducción de apariencia de alta fidelidad usando una impresora 3D".

Él prevé una gama de aplicaciones para la tecnología. Podría utilizarse para reproducir fielmente obras de arte, lo que permitiría distribuir réplicas casi impecables a museos sin acceso a originales. También podría ayudar a crear prótesis de apariencia más realista. Foshey espera que el avance represente un paso hacia la impresión 3D visualmente perfecta, "donde casi no se puede notar la diferencia entre el objeto y la reproducción".

El brillo es simplemente una medida de cuánta luz se refleja en una superficie. Una superficie de alto brillo es reflectante, como un espejo. Una superficie de poco brillo o mate no refleja reflejos, como el hormigón. Los barnices que dan un acabado brillante tienden a ser menos viscosos y a secarse en una superficie lisa. Los barnices que dan un acabado mate son más viscosos, más cercanos a la miel que al agua. Contienen polímeros grandes que, cuando se secan, sobresalen aleatoriamente de la superficie y absorben la luz. "Tienes un montón de estas partículas saliendo de la superficie, lo que te da esa aspereza", afirma Foshey en la web del MIT.

Pero esos polímeros plantean un dilema para las impresoras 3D, cuyos delgados canales de fluidos y boquillas no están diseñados para la miel. “Son muy pequeños y pueden obstruirse fácilmente”, comenta Foshey.

La forma más moderna de reproducir una superficie con brillo que varía espacialmente requiere mucha mano de obra: el objeto se imprime inicialmente con alto brillo y con estructuras de soporte que cubren los puntos donde finalmente se desea un acabado mate. Luego se retira el material de soporte para darle rugosidad a la superficie final. "No hay forma de instruir a la impresora para que produzca un acabado mate en un área o un acabado brillante en otra", anunci Foshey. Entonces, su equipo ideó uno.

Diseñaron una impresora con boquillas grandes y la capacidad de depositar gotas de barniz de diferentes tamaños. El barniz se almacena en el depósito presurizado de la impresora y una válvula de aguja se abre y se cierra para liberar gotas de barniz sobre la superficie de impresión. Se logra una variedad de tamaños de gotas controlando factores como la presión del depósito y la velocidad de los movimientos de la válvula de aguja. Cuanto más barniz se libere, más grande será la gota depositada. Lo mismo ocurre con la velocidad de liberación de la gota. "Cuanto más rápido va, más se esparce una vez que impacta en la superficie", dice Foshey. "Así que, básicamente, variamos todos estos parámetros para obtener el tamaño de gota que queremos".

La impresora logra un brillo que varía espacialmente a través de medios tonos. En esta técnica, las gotas de barniz discretas están dispuestas en patrones que, cuando se ven desde la distancia, aparecen como una superficie continua. “Nuestros ojos realmente hacen la mezcla por sí mismos”, dice Foshey. La impresora utiliza solo tres barnices disponibles en el mercado: uno brillante, uno mate y otro intermedio. Al incorporar estos barnices en su patrón de medios tonos preprogramado, la impresora puede producir tonos de brillo continuos y que varían espacialmente en toda la superficie de impresión.

Junto con el hardware, el equipo de Foshey produjo una tubería de software para controlar la salida de la impresora. Primero, el usuario indica su patrón de brillo deseado en la superficie a imprimir. A continuación, la impresora ejecuta una calibración, probando varios patrones de medios tonos de los tres barnices suministrados. Basándose en la reflectancia de esos patrones de calibración, la impresora determina el patrón de semitonos adecuado para usar en el trabajo de impresión final para lograr la mejor reproducción posible. Los investigadores demostraron sus resultados en una variedad de objetos "2.5D", en su mayoría impresiones planas con texturas que variaban en medio centímetro de altura. “Fueron impresionantes”, dice Foshey. "Definitivamente tienen más idea de lo que realmente estás tratando de reproducir".

El equipo planea continuar desarrollando el hardware para su uso en objetos totalmente 3D. Didyk dice que "el sistema está diseñado de tal manera que la futura integración con impresoras 3D comerciales es posible".

Este trabajo fue apoyado por la National Science Foundation y el Consejo Europeo de Investigación.