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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mit punktuell veränderten optischen Oberflächeneigenschaften. Aus dem Stand der Technik sind diverse Verfahren zum Herstellen von 3D-Objekten bekannt. Für in großen Mengen hergestellte dreidimensionale Objekte haben sich insbesondere Gieß- oder Spritzgussverfahren etabliert. Für Münzen, Medaillen oder andere aus Metall gefertigte Produkte bietet sich außerdem Prägen oder Walzen an. Für Einzelstücke oder Kleinserien sind diese Verfahren jedoch aufgrund der hohen Kosten, die bei der Erstellung einer Negativvorlage entstehen, oftmals nicht rentabel. Daher bieten sich hierfür flexiblere Verfahren, wie beispielsweise das Fräsen aus einem Materialblock oder der 3D-Druck an.
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Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die so gefertigten dreidimensionalen Objekte aus einem einheitlichen Material beschaffen sind und so außer der vorgegebenen Form keine zusätzlichen Oberflächeneigenschaften aufweisen. Für viele Bereiche wäre es jedoch wünschenswert, wenn den dreidimensionalen Objekten oberflächlich weitere Informationen, wie beispielsweise Farbinformationen oder Hell-Dunkel-Schattierungen, aufgebracht werden könnten. Dies ist insbesondere bei dreidimensionalen Objekten erwünscht, die Abbilder von real existierenden oder virtuellen Gegenständen oder Personen darstellen. So ist es beispielsweise bei Münzen, Medaillen, Medaillons, Gedenktafeln, Grabsteinen, Wandbildern oder Aufstellern oft erwünscht, dass eine darauf abgebildete und im Relief dargestellte Person oder ein abgebildeter Gegenstand, wie beispielsweise ein Pokal, fotorealistisch dargestellt wird. Insbesondere bei Personen wirken Reliefdarstellungen bisher meist unnatürlich, da nach der Erzeugung des 3D-Abbildes Farbinformationen fehlen und beispielsweise die Augen unnatürlich erscheinen, da sie keine Iris oder Pupille enthalten.
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Bisher wurden derartige Objekte händisch nachgearbeitet und beispielsweise Iris und Pupillen eingezeichnet. Auch Farbinformationen über beispielsweise die Augenbrauen, den Haaransatz oder den Bartwuchs konnten bisher lediglich händisch nachträglich zugefügt werden. Außerdem sind, beispielsweise aus der
WO 2015/138 149 A2 , Verfahren bekannt, bei denen das gesamte dreidimensionale Objekt aus verschiedenfarbigen Rohstoffen in einem 3D-Druck-Verfahren hergestellt wird. Diese Technik ist jedoch auf Materialien beschränkt, die mittels 3D-Druck bearbeitbar sind. Für viele der Materialien, aus denen die oben genannten Gegenstände, wie Münzen, Medaillen, Grabsteine, Büsten, etc. gefertigt sind, ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Auch bei dem in
CN 105 128 343 A beschriebenen Verfahren erfolgt das Aufbringen von Farbinformationen nicht auf das fertige Objekt, sondern schichtweise während dessen Herstellung, beispielsweise im 3D-Druck-Verfahren. Somit ist auch dieses Verfahren auf die entsprechenden Materialien beschränkt.
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Aus
US 2014/0 257 549 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum 3D-Druck von Objekten mit einer farblich oder schwarzweiß gefärbten Oberfläche bekannt. Die Farbinformation und auch die dreidimensionale Struktur des zu druckenden Objekts wird aus einem oder mehreren Fotos gewonnen. Die Farbe, die Oberflächenerscheinung erzeugt, wird während des Druckvorgangs an den jeweiligen Stellen lokal in die Druckmasse eingebracht.
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Auch
US 2014 / 0 324204 A1 offenbart ein 3D-Druckverfahren, bei dem verschiedene Bereiche des zu druckenden Objekts aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt sein können. Die Objekte mit lokal unterschiedlichen Materialeigenschaften können direkt aus einer digitalen Vorlage hergestellt werden.
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Aus
DE 10 2007 030 307 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem dreidimensional strukturierte Bauteile mit Freiformflächen hergestellt werden können, bei denen die Farbinformation passgenau zu der dreidimensionalen Strukturoberfläche ist. Gemäß dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass zunächst eine strukturierte Oberfläche bereitgestellt wird, auf der dann mittels eines berührungslosen digitalen Druckprozesses mindestens eine farbgebende Schicht aufgesprüht wird.
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Aus
US 2015 / 0 324 490 A1 ist ein Verfahren zur individuellen Gestaltung von Produkten durch variable Kombination verschiedener Designs verschiedener Produktkomponenten bekannt. Einige der Produktkomponenten können auch individuell per 3D-Druck erzeugt werden.
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Die
US 2015 0 343 704 A1 offenbart ein Verfahren zum 3D-Druck mit anschließender Farbgebung. Die Farbinformation kann während des 3D-Drucks oder nach Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts erfolgen.
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Während bei Büsten das oben erwähnte händische Nachzeichnen bestimmter Merkmale oftmals dem gewünschten Gesamteindruck nahe kommt, ist diese Möglichkeit bei Reliefdarstellungen beispielsweise auf Münzen, Anhängern oder Medaillen oft unzureichend. Dies beruht darauf, dass auf diesen Objekten das Relief aufgrund der Geometrie der Vorlage in einer stark abgeflachten Darstellung aufgebracht ist. Die in dieser abgeflachten Version entstehenden Licht- und Schatteneffekte entsprechen oftmals nicht denjenigen, wie sie im Original, also im nicht abgeflachten Zustand, entstehen würden. Dies betrifft insbesondere Licht- und Schatteneffekte, wie sie durch den Haaransatz, die Augenbrauen, die Nase, den Mund oder Falten entstehen würden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein dreidimensionales Objekt punktuell derart oberflächenverändert werden kann, dass es im Vergleich zu oberflächenunbehandelten dreidimensionalen Objekten realistischer erscheint. Insbesondere ist erwünscht, dass das dreidimensionale Objekt als fotorealistisches Abbild des Originals erscheint.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mit bereichsweise veränderten optischen Oberflächeneigenschaften gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Dieses Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mit bereichsweise veränderten optischen Oberflächeneigenschaften, wobei das dreidimensionale Objekt eine Münze, eine Medaille, ein Relief, eine Büste, ein Grabstein, eine Gedenktafel, ein Wandbild oder ein Aufsteller ist, umfasst die Schritte:
- a) Bereitstellen von Informationen über die Form eines dreidimensionalen Objektes,
- b) Erzeugen des dreidimensionalen Objektes mit einer Oberfläche mit einheitlichen optischen Oberflächeneigenschaften auf Basis der bereitgestellten Informationen über dessen Form,
- c) Bereitstellen von Informationen über gewünschte optische Oberflächeneigenschaften verschiedener Bereiche des dreidimensionalen Objektes,
- d) Anschließendes Verändern mindestens einer optischen Oberflächeneigenschaft verschiedener Bereiche der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes durch lokale Energiebeaufschlagung mittels eines Lasers, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, γ-Strahlung, Elektronenstrahlung oder Ionenstrahlung, wobei zumindest ein Teil der verschiedenen Bereiche auf verschiedenen Ebenen des dreidimensionalen Objektes angeordnet ist.
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Im Gegensetz zu den in
WO 2015/138 149 A2 und
CN 105 128 343 A offenbarten Verfahren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das dreidimensionale Objekt zunächst als Gesamtheit mit einer Oberfläche mit einheitlichen optischen Oberflächeneigenschaften hergestellt. Als einheitliche optische Oberflächeneigenschaften soll verstanden werden, dass die Farbe, der Weißgrad, die Rauigkeit, das Reflexionsvermögen, der Glanz oder andere, die optische Wahrnehmung der Oberfläche in dem jeweiligen Bereich beeinflussende Eigenschaft über große Teile der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes, bevorzugt mindestens über 90%, weiter bevorzugt über mindestens 95%, meist bevorzugt über die gesamte Oberfläche des dreidimensionalen Objektes zumindest bei senkrechtem Lichteinfall auf diesen Oberflächenbereich identisch ist. Lokale Abschattungen durch nahegelegene Strukturen sollen nicht als optische Oberflächeneigenschaften verstanden werden. Somit ist es möglich, ein dreidimensionales Objekt zunächst aus einem geeigneten Material herzustellen. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ergibt sich somit die Möglichkeit auf eine breite Auswahl an Materialien und Verfahren zu deren dreidimensionaler Gestaltung zurückgreifen zu können.
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Als Basis für die Erzeugung des dreidimensionalen Objektes gemäß Schritt b) dienen Informationen über die Form eines dreidimensionalen Objektes. Diese können beispielsweise digital vorliegen und nach bekannten Verfahren ermittelt werden. Beispielsweise kann eine rechnergestützte Ermittlung dieser Informationen ausgehend von einer Vielzahl von 2D-Abbildungen erfolgen. Alternativ oder ergänzend dazu können auch Informationen über Entfernungen von einem Fixpunkt zu bestimmten Punkten eines Objektes herangezogen werden (z. B. Laser-Abtastung/Rasterung). Denkbar ist auch die Ermittlung der 3D-Daten durch einen 3D-Scanner, 3D-Modeling oder 2D-zu-3D-Entwicklung am Computer. Unabhängig von der Ermittlung dieser Informationen liegen diese meist und bevorzugt als vektorbasierte Informationen vor. Auf Basis dieser Informationen kann beispielsweise eine Fräse das Objekt aus einem Materialblock fräsen oder eine Form zum (Spritz-) Gießen, Walzen oder Prägen erstellt werden.
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Bevorzugt nach der Erstellung eines dreidimensionalen Objektes mit einer Oberfläche mit einheitlichen optischen Oberflächeneigenschaften auf Basis der bereitgestellten Informationen über dessen Form erfolgt das Bereitstellen von Informationen über gewünschte optische Oberflächeneigenschaften verschiedener Bereiche des dreidimensionalen Objektes. Dieser Schritt könnte jedoch auch während oder vor Schritt b) erfolgen. Bevorzugt wird bei diesem Schritt auf Basis der Vektorinformationen diese in pixelbasierte Informationen umgerechnet. Jedem der ermittelten Pixel wird dann ein Farbwert zugeordnet.
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Dieser Farbwert wird dann in Schritt d) auf das dreidimensionale Objekt aufgebracht. Als Farbwert soll im Folgenden jegliche Änderung verstanden werden, die die mit dem menschlichen Auge wahrnehmbaren optischen Eigenschaften der Oberfläche verändern. Demnach sollen auch jegliche Änderungen der Helligkeit der Oberfläche als Änderung des Farbwerts verstanden werden. Insbesondere sollen auch Änderungen von Grau-, Schwarz- oder Weißwerten als Änderung des Farbwertes verstanden werden. Analog gilt dies auch für den Begriff „Farbinformation“ und andere die Farbe betreffende Formulierungen, die jeweils auch Grau, Schwarz und Weiß einschließen sollen.
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Möglichkeiten zum Aufbringen der Farbinformation liegen beispielsweise im Aufsprühen von Farbe, dem Abtragen einer Deckschicht, dem lokalen Auslösen einer chemischen Reaktion, die eine Farbänderung zur Folge hat, oder das lokale Fixieren von zuvor großflächig aufgebrachter Farbe. Als „Aufbringen“ im Sinn der vorliegenden Erfindung soll auch eine Veränderung von unter der Oberfläche liegenden Schichten verstanden werden, sofern diese Veränderung eine Änderung der Oberflächeneigenschaft hervorruft. Als besonders bevorzugt und vergleichsweise leicht zu realisieren hat sich insbesondere für Münzen, Medaillen und Medaillons herausgestellt, die Oberfläche lokal mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen. Die Laserbeaufschlagung resultiert bei einigen Metallen, aber auch anderen Materialien (z. B. Holz, organischen Fasern und einigen Kunststoffen) in einer lokalen Temperaturerhöhung und einer dunklen Färbung des beaufschlagten Bereiches. Dies kann auf veränderten Lichtbrechungs- oder Reflexionseigenschaften beruhen oder aber auch einer chemischen Umsetzung (z. B. lokale Zersetzung von Polymerketten in Holz, organischen Fasern oder Kunststoffen). In amorphen Körpern könnte durch Laserbeaufschlagung Energie bereitgestellt werden, die zur lokalen Kristallisation des Materials und somit veränderten optischen Eigenschaften führt. Auch die lokale Oxidation durch Luftsauerstoff nach Laserbeaufschlagung ist denkbar (u.a. bei Metallen), wodurch diese ihren metallischen Glanz verlieren und ebenfalls dunkel erscheinen. Beispielsweise könnte auch durch Laserbeaufschlagung Ruß erzeugt werden, der in der Objektoberfläche eine lokale Schwarzfärbung hervorruft. Auch wenn Laser zur Energiebeaufschlagung bevorzugt sind, sind auch andere Verfahren möglich. Beispielsweise könnte auch Strahlung anderer Wellenlänge eingesetzt werden, um lokale Oberflächenveränderungen hervorzurufen. Denkbar sind neben anderen UV-Strahlung (z. B. zum Aushärten eines Schutzlackes über einer Farbschicht, die an Stellen ohne Schutzlack in einem späteren Prozessschritt abgetragen wird), Röntgen- oder γ-Strahlung oder Elektronen- oder Ionenstrahlung (z. B. zum lokalen Entfernen einer Schutzschicht).
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Erfindungsgemäß wird das Verfahren verwendet, um als dreidimensionales Objekt eine Münze, eine Medaille, ein Relief, eine Büste, einen Grabstein, eine Gedenktafel, ein Wandbild oder einen Aufsteller optisch zu verändern.
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In einer weiteren bevorzugten Variante des Verfahrens liegen die in a) bereitgestellten Informationen als Vektoren vor.
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Bevorzugt wird das in b) erzeugte dreidimensionale Objekt durch Fräsen erzeugt. Diese Verfahren sind insbesondere für Produktionen in geringer Stückzahl und insbesondere Einzelanfertigungen vorteilhaft, da auf eine physisch vorliegende Matrize verzichtet werden kann.
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Die Reihenfolge der Schritte a) und b) ist variabel. So ist es auch möglich, zuerst Schritt b) auszuführen und anschließend Schritt a). Es ist beispielsweise möglich, das dreidimensionale Objekt zunächst zu erschaffen (z. B. durch einen Bildhauer) und erst anschließend zu digitalisieren. Bei dieser Variante werden erst in einem auf Schritt b) folgenden Schritt a) die Informationen über die Form des dreidimensionalen Objektes digital erfasst und bevorzugt auf einem Computer bereitgestellt.
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In einer weiteren bevorzugten Variante zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass in c) die Informationen über gewünschte optische Oberflächeneigenschaften aus einem Foto gewonnen werden.
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Weiter bevorzug sind in Schritt c) die Informationen über gewünschte optische Oberflächeneigenschaften Farb- oder Helligkeitsinformationen.
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Weiter bevorzugt ist eine Variante des Verfahrens, in der die Informationen über gewünschte optische Oberflächeneigenschaften verschiedener Bereiche des dreidimensionalen Objektes in Form von Informationen über einzelne Pixel vorliegen. Weiter bevorzugt liegen sie als Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems vor. Da in einer bevorzugten Variante des Verfahrens die in a) bereitgestellten Informationen als Vektoren vorliegen, ist bei einer Kombination dieser Varianten eventuell eine Umrechnung der Vektoren in Pixel notwendig. Alternativ zu einer Umrechnung können auch zwei getrennt erfasste oder berechnete Datensätze verwendet werden.
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Eine andere bevorzugte Variante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Informationen über einzelne Pixel nach ihrer eine Tiefe kodierenden Komponente sortiert werden und Schritt d) schichtweise durchgeführt wird, wobei je Schicht jeweils Oberflächeneigenschaften für Pixel mit identischer die Tiefe kodierender Komponente verändert werden. Dieses Verfahren mit dem schichtweisen Aufbringen der Farbinformation auf die Oberfläche hat den Vorteil, dass der Fokus der Beaufschlagungseinrichtung nur selten, nämlich einmal für jede Schicht verändert werden muss. Nach einem einmaligen Einstellen des Fokus für eine bestimmte Ebene / einen bestimmten Layer des dreidimensionalen Objekts erfolgt das Aufbringen aller Farbinformationen auf diese Ebene, bevorzugt durch Verschieben des Objekts oder der Beaufschlagungseinrichtung auf dieser oder parallel zu dieser Ebene. Wie unten genauer beschrieben ist, soll als Veränderung des Fokus jegliche Möglichkeit verstanden werden, andere Ebenen des Objekts in die Fokusebene zu bringen. Dies kann beispielsweise durch eine Optik, Verschieben der Strahlenquelle oder Verschieben des dreidimensionalen Objekts erfolgen. Würde man dagegen die Farbinformation spalten- oder zeilenweise auf das dreidimensionale Objekt aufbringen, würde je nach Oberflächenstruktur eventuell mehrfach pro Zeile oder Spalte der Fokus verändert werden müssen, wodurch sich das Verfahren verlangsamen würde. Da jedoch für einige dreidimensionale Objekte - insbesondere für Objekte mit großen Oberflächenbereichen auf einer Ebene - auch die spalten- oder zeilenweise Aufbringung der Farbinformationen auf das dreidimensionale Objekt vorteilhaft sein kann, ist diese Variante nicht ausgeschlossen.
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In einer bevorzugten Variante des Verfahrens werden die einzelnen Pixel nach ihrer eine Tiefe kodierenden Komponente sortiert und in 5 - 500 Gruppen mit gleicher oder zumindest ähnlicher die Tiefe kodierenden Komponente aufgeteilt. Jede dieser Gruppen stellt eine Schicht oder ein Layer dar, aus welchem die in den Pixeln enthaltenen Farbinformationen in aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten ohne zwischenzeitliche Verstellung des Fokus der Energiebeaufschlagungseinrichtung auf das 3D-Objekt aufgebracht werden können. Für ein Relief wird das 3D-Pixelbild üblicherweise in ca. 2 - 50 Layer, bevorzugt 5 - 20 Layer, besonders bevorzugt 7 - 15 Layer aufgeteilt. Bei Büsten, die eine wesentlich größere Tiefe als Reliefs aufweisen, sind meist wesentlich mehr Schichten bzw. Layer notwendig, um die zu behandelnden Oberflächenabschnitte ohne Zwischenfokussierung in den Fokus der Energiebeaufschlagungseinrichtung zu bringen bzw. dort zu halten. Bei einer Büste wird das 3D-Pixelbild üblicherweise in ca. 25 - 500 Layer, bevorzugt 50 - 400 Layer, besonders bevorzugt 100 - 300 Layer aufgeteilt. Wie aus diesen breiten Angaben zu entnehmen ist, hängt die Anzahl der Layer stark von der Dimensionierung der Büste bzw. des 3D-Objektes ab. Der Übergang zwischen kleinen Büsten und Reliefs ist fließend.
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Für die Einstellung des Fokus sind verschiedene Varianten bevorzugt. Welche dieser Varianten für das jeweilige Verfahren vorteilhaft ist, kann in Abhängigkeit der gewünschten Anwendung und des zur Verfügung stehenden Equipments und Raums ausgewählt werden. Um einen bestimmten Punkt der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes in den Fokus zu bringen, könnte der Fokus durch eine Optik oder Verschieben der Energiequelle (z. B. des/der Laser(s)) erreicht werden. Alternativ oder ergänzend dazu könnte auch das dreidimensionale Objekt gegenüber der Optik und/oder der Energiequelle verschoben. Es bestehen somit mehrere Möglichkeiten die jeweilige Oberfläche in den Fokus zu verschieben.
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Letzteres Verfahren ist oft günstiger, da das Objekt ohnehin bevorzugt verschiebbar angeordnet ist, um verschiedene Punkte der Oberfläche in den Energiestrahl hinein verschieben zu können. Eine zusätzliche Möglichkeit, um das Objekt auch entlang einer Achse, die parallel zu einem Energiestrahl ausgerichtet ist, in den Fokus dieses Strahls verschieben zu können, ist meist vergleichsweise einfach und raumsparend realisierbar.
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Wie bereits oben angedeutet, erfolgt in einer bevorzugten Variante des Verfahrens in Schritt d) das Verändern mindestens einer optischen Oberflächeneigenschaften durch lokale Farb- oder Helligkeitsveränderung der Oberfläche des dreidimensionalen Objektes.
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Erfindungsgemäß erfolgt in Schritt d) das Verändern mindestens einer optischen Oberflächeneigenschaften durch lokales Aufbringen von Pigmenten, lokales Abtragen von Pigmenten oder durch lokale Energiebeaufschlagung, bevorzugt mittels eines Lasers.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft Eigenschaften und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1a ein Foto einer Person im Profil;
- 1b ein aus dem Foto 1a errechnetes Relief mit Informationen zur 3D-Darstellung;
- 1c das in 1b dargestellte Relief mit zusätzlicher Farbinformation;
- 1d ein aus den in 1c dargestellten Informationen gefrästes Relief ohne zusätzliche Farbinformation;
- 1e das in 1d gezeigte Relief mit zusätzlicher Farbinformation;
- 2a Einzelbilddarstellungen aus einer 3D-Abbildung;
- 2b Relief einer Seitenansicht der 3D-Darstellung aus 2a;
- 2c Reliefdarstellung der in 2a gezeigten Abbildung mit zusätzlichen Farbinformationen;
- 2d fotorealistische Darstellung des in 2b gezeigten Reliefs mit zusätzlichen Farbinformationen;
- 3a vektorbasierte Bildschirmdarstellung einer Vorlage für einen 3D-Druck oder einen Fräsvorgang;
- 3b Herstellung eines 3D-Objektes in einem 3D-Drucker (nicht erfindungsgemäß);
- 3c pixelbasierte Darstellung der Farbinformationen für die nachträgliche Aufbringung dieser Farbinformationen auf ein 3D-Objekt;
- 3d beispielhafte Bildschirmdarstellung von pixelbasierten Farbinformationen;
- 3e graphische Darstellung der Farbinformationen für eine erste Ebene;
- 3f graphische Darstellung der Farbinformationen für eine zweite Ebene;
- 3g graphische Darstellung der Farbinformationen für eine dritte Ebene;
- 3h graphische Darstellung der Farbinformationen für eine vierte Ebene.
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1a zeigt ein Foto einer bekannten Persönlichkeit im Profil. Dieses Schwarz-Weiß-Foto liegt lediglich in 2D vor und enthält ausschließlich Informationen über die Helligkeit einzelner Bildpunkte (Pixel). Einige Computerprogramme sind in der Lage, aus diesen Hell-Dunkel-Informationen ein Relief zu errechnen, das dreidimensionale Eigenschaften aufweist. Dazu werden aus den Helligkeitsinformationen Rückschlüsse auf den Lichteinfall und Abschattungen bezogen, die wiederum die Basis für die dreidimensionale Struktur bilden. Es entsteht ein Relief, wie es in 1b dargestellt ist. Dieses ist jedoch ausschließlich vektorbasiert und enthält keine Informationen über die Helligkeit einzelner Bildpunkte.
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Würde auf Basis dieser Vektordaten ein dreidimensionales Objekt erschaffen werden, das exakt den Dimensionen des Originals zum Zeitpunkt der Aufnahme des Fotos entspricht, könnte es für den speziellen Fall, dass die Lichtverhältnisse exakt die zum Zeitpunkt der Aufnahme des Fotos sind, vorkommen, dass auch bei dem 3D-Objekt Licht und Schatten exakt so verlaufen, wie im Original. Dies ist jedoch sehr unwahrscheinlich, so dass bei veränderten Beleuchtungsbedingungen ein unrealistischer Farbeindruck entsteht.
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Ein Beispiel für ein Relief dieser Person (aus einer anderen Perspektive), welches durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren hergestellt wurde, ist exemplarisch in 1c dargestellt. Bei einer solchen Darstellung, bei der das 3D-Objekt in seiner Dimensionierung und insbesondere seiner Tiefe nicht dem Original entspricht, sondern wie z. B. auf einer Münze oder einer Medaille in einer veränderten Geometrie, z. B. einer stark abgeflachten Darstellung aufgebracht wird, kommt der oben beschriebene Effekt eines unrealistischen Farbeindrucks besonders zum Tragen. In einer solchen Darstellung kann es niemals vorkommen, dass die Beleuchtung und die daraus resultierenden Licht- und Schatteneffekte exakt denen entsprechen, wie sie am Original auftreten. Daher erscheinen derartige Darstellungen oft unrealistisch und werden von einem Betrachter oftmals, obwohl sie gewisse dreidimensionale Eigenschaften aufweisen, als flach und wenig Tiefeninformation enthaltend angesehen.
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Durch das zusätzliche Aufbringen von Farbinformationen, wobei Informationen über die Helligkeit einzelner Bildpunkte bzw. die dort vorhandenen Graustufen im Folgenden zur Vereinfachung ebenfalls als Farbinformation verstanden werden sollen, kann auch einem solch abgeflachten dreidimensionalen Objekt eine fotorealistische Erscheinung verliehen werden. Wird auf das 3D-Objekt die in 1d dargestellte Farbinformation aufgetragen, erscheint es wesentlich realistischer als ohne diese zusätzliche Farbinformation. Ein Vergleich zweier ansonsten identischer Objekte ist durch die 1e und 1f möglich, wobei jedoch eines, nämlich das in 1e dargestellte, keine zusätzliche Farbinformation enthält, wohingegen das andere, in 1f dargestellte, mit den zusätzlichen Farbinformationen, wie in 1d dargestellt, versehen worden ist. Wie dem Vergleich der Darstellungen in 1e und 1f zu entnehmen ist, wird dasjenige mit zusätzlichen Farbinformationen deutlich realistischer und der 3D-Effekt wird verstärkt.
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Auch bei Büsten kann eine zusätzliche Farbinformation auf einem 3D-Objekt sinnvoll sein. Dies ist meist dann vorteilhaft, wenn Büsten in einer Umgebung ausgestellt werden, in der unrealistische Beleuchtungsbedingungen herrschen. Beispielsweise in Museen, in denen dreidimensionale Objekte möglichst von allen Seiten angestrahlt und ausgeleuchtet werden, wirken diese oftmals, obwohl sie in ihrer Form und Größe dem Original entsprechen, unnahbar und unrealistisch.
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2a zeigt eine Einzelbildansicht aus einem als 3D-Bild vorliegenden Objekt. Diese Einzelansicht enthält alle Farbinformationen, wie sie zum Zeitpunkt der Aufnahme auf dem Originalobjekt enthalten waren. Die Augen sind deutlich zu erkennen, ebenso die Augenbrauen und Schatten in Mund- und Nasenhöhlen. Ebenfalls sind Schatten im Bereich von Falten erkennbar.
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2b zeigt eine aus der in 2a dargestellten 3D-Abbildung erhaltene Vektorgrafik, welche beispielsweise als Fräsvorlage genutzt werden könntet. Da aus dem 3D-Modell ausschließlich die Informationen über die Anordnung einzelner Oberflächenabschnitte zueinander entnommen worden sind, sind jegliche Informationen zu Farbe und/oder Helligkeit verlorengegangen. 2c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2b. Wird basierend auf diesen Vektorinformationen ein 3D-Objekt erschaffen (z. B. gefräst), wirkt eine solche Darstellung aufgrund fehlender Farbinformationen meist unrealistisch und „flach“. Eine Fräsvorlage, basierend auf den Vektorinformationen wie in 2b und 2c dargestellt, ist in 2d dargestellt. Eine solche Fräsvorlage könnte z. B. für eine Münze oder Medaille genutzt werden. Eine Tiefenwirkung, welche durch Farbeffekte unterstützt würde, tritt dabei nicht oder zumindest nicht in gewünschter Weise auf.
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Ähnlich ist dies auch bei 3D-Büsten, wenn diese z. B. aus weißem Marmor gefertigt von allen Seiten gleichmäßig angestrahlt werden. Auch wenn die 3D-Abbildung wie das Original Vertiefungen enthält, werden diese aufgrund mangelnden Kontrastes oft vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen. Insbesondere auf hellen, kontrastreichen Materialien, wie z. B. Marmor, gehen daher Detailinformationen verloren. Insbesondere farbige (z. B. die Augen, Lippen oder Augenbrauen) oder ständig im Schatten liegende Bereiche (z. B. Nasenlöcher, Ohrinnenräume, die Mundöffnung oder der zwischen den Lippen liegende Spalt bei geschlossenem Mund) erscheinen unnatürlich. Eine entsprechende Fräsvorlage ist in Dig. 2d dargestellt.
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2e zeigt eine (gerenderte) Darstellung basierend auf den in 2b dargestellten Vektorinformationen. Die Konturen sind jedoch durch zusätzliche Farbinformationen verstärkt worden, welche aus 2a erhalten wurden. Dadurch wirkt diese wesentlich plastischer und somit auch bei unnatürlicher Ausleuchtung realistischer.
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2f zeigt ein gefrästes Relief nach Aufbringen zusätzlicher Farbinformationen. Auch in dieser Darstellung ist im Vergleich zu der Darstellung aus 2d eine deutliche Zunahme der plastischen Erscheinung zu erkennen. Insbesondere die Mundpartie, die Nasenlöcher und die Augenpartie erscheinen wesentlich realistischer.
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In den 3a - 3h ist ein beispielhafter Ablauf einer Variante des Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes dargestellt. Dieses Verfahren kann allgemein für dreidimensionale Objekte verwendet werden, ist hier jedoch beispielhaft an einem Portrait dargestellt. Dieses könnte beispielsweise als 3D-Relief oder Büste aus Kupfer oder Alu hergestellt werden. Als Grundlage für das Verfahren dient eine Vorlage für das dreidimensionale Objekt. Diese Vorlage kann ein real existierendes Objekt sein oder auch ausschließlich virtuell z. B. an einem Computer erzeugt vorliegen. Wenn als Vorlage ein real existierendes Objekt verwendet wird, wird dieses digitalisiert. Die dazu notwendigen Geräte oder Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als Beispiele seien hier 3D-Scanner, 3D-Modelling und 2D-zu-3D-Entwicklung am Computer genannt. In 3a ist eine Bildschirmdarstellung eines bereits digitalisierten dreidimensionalen Objektes, auch als 3D-Objekt oder Volumenkörper bezeichnet, dargestellt. Eine solche Darstellung liegt üblicherweise als Vektorgraphik vor. Die Vektoren, die die Basis für eine solche Darstellung bilden, werden an eine geeignete Einrichtung zur Umwandlung in ein reales dreidimensionales Objekt übertragen. Bei einer solchen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine CNC-Fräse handeln. In 3b ist in einer nicht erfindungsgemäßen Variante gezeigt, wie ein Gesicht auf Basis der in 3a gezeigten Vektorgraphik an einem 3D-Drucker gedruckt wird.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, sind nur ausgewählte Materialien für den 3D-Druck geeignet. Insbesondere zur Bearbeitung von Holz und Metallen bietet sich daher als Alternative zu dem 3D-Druck das Fräsen mittels CNC-Fräsen an. So können nahezu alle Metalle, wie z. B. Aluminium, Kupfer, Stahl, Gold und viele andere durch CNC-Fräsen bearbeitet werden. Daneben bieten CNC-Fräsen jedoch auch die Möglichkeit, andere Materialien wie Holz, Stein und auch Porzellan zu bearbeiten.
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Der auf Basis der virtuell vorliegenden Vektoren erzeugte Volumenkörper bietet die Basis für die folgenden Schritte der Oberflächenveränderung.
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Auch wenn oben jeweils die Schritte a) und b) in dieser Reihenfolge dargestellt wurden, ist es auch möglich, diese Schritte in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen. So könnte es möglich sein, das dreidimensionale Objekt zunächst zu erschaffen (z. B. durch einen Bildhauer) und erst anschließend zu digitalisieren, so dass erst in einem auf Schritt b) folgenden Schritt a) die Informationen über die Form des dreidimensionalen Objektes digital erfasst werden.
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Die gewünschte Farbinformation kann beispielsweise als Bilddatei vorliegen. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Foto eines Gesichtes. Dieses wird auf den dreidimensionalen Volumenkörper projiziert oder am Computer auf diesen gemappt. Bei diesem Verfahren wird jedem Bildpunkt (Pixel) eine exakte Position auf dem Volumenkörper zugewiesen (3c). Somit enthält jedes Pixel Informationen über dessen Position im kartesischen Koordinatensystem (3d).
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Anschließend werden die Pixel in CNC/HGL-Daten umgewandelt. Das 3D-Pixelbild wird somit in Brenndaten für den Laser umgerechnet.
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Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, wenn die einzelnen Pixel des 3D-Pixelbildes anhand ihrer Tiefenposition verschiedenen Layern zugeordnet werden. Diese Layer bilden dann im Schritt des Veränderns der Oberflächeneigenschaft die Basis für ein schichtweises Beaufschlagen mit beispielsweise einem Laser. Je nach Tiefe des Volumenkörpers bietet es sich an, das Pixelbild in eine verschiedene Anzahl von Layern aufzuteilen. Bei einem Relief (z. B. auf einer Münze) reichen meist ca. 10 Layer aus. Bei einer Büste wird das 3D-Pixelbild üblicherweise in ca. 100 bis 300 Layer aufgeteilt. Der Aufbau aus einzelnen Layern ist in den 3e - 3h dargestellt. Zu besseren Darstellung sind jeweils alle Layer dargestellt, die unterhalb einer vorgegebenen (in den 3e - 3h jeweils unterschiedlichen) Tiefe liegen. Eine Darstellung einzelner Layer ist oft nicht sonderlich aussagekräftig, da insbesondere bei großer Anzahl von Layern, einzelne Layer nur eine geringe Anzahl von Farbinformationen enthalten, die bei ausschließlicher Darstellung eines solchen Layers das Gesamtbild nicht erkennen lässt. As der in den 3e - 3h gewählten Darstellung ist demgegenüber zu erkennen, wie mit abnehmender Tiefe jeweils andere Bereiche des dreidimensionalen Objektes mit Farbinformationen beaufschlagt werden. Beispielsweise ist zu erkennen, dass die Dichte der Bildpunkte auf der linken (im Schatten liegenden) Seite des Gesichts größer ist als auf der rechten Seite. Außerdem ist zu erkennen, dass Informationen über bezüglich der Mittelachse des Gesichts gegenüberliegende Bereiche teilweise in verschiedenen Layern liegen. Dies resultiert auf einer Neigung oder Rotation des Gesichts. Beispielsweise werden einige Farbinformationen über das linke Auge der abgebildeten Person (in 3f rechts dargestellt) vor denjenigen des rechten Auges (in 3g links dargestellt) aufgebracht, da sie auf einer tieferen Ebene liegen.
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In dem besagten Beispiel erfolgt das Einbrennen der Farbinformation mittels eines Lasers. In dem gezeigten Beispiel wurden CO2/JAG-Laser verwendet. Grundsätzlich sind aber auch andere Laser möglich oder andere Arten der Energiebeaufschlagung.
