Fotografia, modelowanie i druk 3D

kierownik: Katarzyna Janiszewska
e-mail: k.janiszewska@twarda.pan.pl

Pracownia obrazowania - Formularz (link)
Regulamin laboratorium (link)

Pracownia wyposażona jest w klaster komputerowy, sprzęt fotograficzny, drukarki 3D oraz oprogramowanie służące do cyfrowej obróbki fotografii, tworzenia modeli 3D oraz obsługi aparatury.

Wykonywanie trójwymiarowych modeli skamieniałości metodą fotogrametrii: oprogramowanie Agisoft Metashape

Na podstawie setek wysokorozdzielczych fotografii obiektu umieszczonego na stoliku obrotowym program w kolejnych krokach tworzy chmurę punktów, siatkę wielokątów a następnie pokrywa cyfrowy model teksturą. Tak wykonane modele mogą posłużyć do analiz morfometrycznych. W pracowni wykonywane są modele okazów zgromadzonych w kolekcji Instytutu. Dodatkowo, program umożliwia stworzenie modelu na podstawie fotografii okazów wykonanych w innych jednostkach naukowych lub zamieszczonych w ogólnodostępnych elektronicznych bazach danych. Dzięki temu, pracownicy Instytutu mogą  pracować na wirtualnych kopiach okazów. Gdy planowane badania maja charakter niszczący (z okazu mają być wykonane płytki cienkie bądź analizy izotopowe), tworzona jest wirtualna kopia niezniszczonego jeszcze okazu. Co więcej, na podstawie wirtualnego modelu można wydrukować jego kopie na drukarce 3D – modelu powiększonego, obróconego lustrzanie czy uzupełnionego o elementy znane z innych okazów tego samego osobnika..
Oprogramowanie Agisoft umożliwia także tworzenie map terenu na podstawie danych z bezzałogowych statków powietrznych (dronów) – które mogą być wykorzystane do opracowywania m.in. map odsłonięć, monitorowania osuwisk itd.
Modele obiektów w oprogramowaniu Agisoft można tworzyć na podstawie fotografii wykonanej aparatem fotograficznym, skanerem laserowym, smartfonem lub kamery umieszczonej na statku powietrznym. Pracownia wyposażona jest w podstawowy zestaw do fotografii (lustrzanka z wymiennymi obiektywami, statyw, stolik obrotowy, kabina bezcieniowa, zestaw lamp). W przypadku bardziej skomplikowanych obiektów wsparcie specjalistów i sprzętu zapewnia pracownia fotograficzna Instytutu.

Do dyspozycji użytkowników pracowni jest także oprogramowanie Helicon Focus oraz Helicon Remote.

Dzięki kilku algorytmom oprogramowanie Helicon Focus automatycznie składa serię fotografii o różnie rozmieszczonej głębi ostrości (tzw. stacking) i tworzy z nich obraz obiektu ostrego w każdym punkcie. Oprogramowanie może być wykorzystywane m.in. do makrofotografii oraz do poprawiania jakości fotografii wykonywanych pod mikroskopem. Możliwość dostosowywania parametrów oraz wyboru elementów obrazów które maja być uwzględnione przez program pozwala na tworzenie wyjątkowo szczegółowych fotografii.
Zintegrowane z Helicon Focus oprogramowanie Helicon Remote pozwala na sterowanie aparatem cyfrowym podłączonym do komputera – automatyczne wykonywanie odpowiedniej liczby zdjęć z różną głębią ostrości i zarządzanie procesem fotografowania (dopasowywanie parametrów) z poziomu komputera.

Pracownia wyposażona jest w dwie drukarki 3D:

Drukarka Prusa i3 MK3S wykorzystuje metodę FDM (ang. Fused Deposition Modeling) drukując z tworzywa termoplastycznego w formie grubej żyłki - filamentu. W drukarce Prusa można stosować  filamenty o różnych właściwościach fizycznych, temperaturze topnienia, kolorach, a nawet dodatkach brokatu.
Oprogramowanie drukarki dzieli trójwymiarowy wirtualny model obiektu na cieniutkie warstwy (od 0,05 mm do 0,3mm). W czasie drukowania głowica urządzenia nakłada na stół roboczy stopiony filament zgodnie z „zarysem” drukowanego obiektu. Po wydrukowaniu pierwszej warstwy, głowica lekko się unosi i do pierwszej warstwy przykleja kolejną wartę stopionego (lepiącego) filamentu, znów według wcześniej zaprogramowanego wzoru. Grubość drukowanych warstw można zmieniać – w zależności od stopnia dokładności modelu jaki chcemy uzyskać lub czasu jaki chcemy przeznaczyć na drukowanie. Obiekt o prostych kształtach, np. pudełko na stoliki mikroskopowe można wydrukować stosunkowo szybko i z grubych warstw  - ok. 2 h.
Jeśli natomiast chcemy wydrukować model skamieniałości i jak najlepiej odwzorować np. urzeźbienie okazu, stosuje się najcieńsze warstwy, co znacznie wydłuża czas drukowania (nawet do kilkunastu godzin), ale poprawia jego jakość.
Wielkość okazu, który można wydrukować jest ograniczona do 21 x 21 x 25 cm, ale  oprogramowanie pozwala dzielić największe modele, drukować je w częściach a następnie łączyć.
Ze względu na stosunkowo niski koszt wydruków, a nadal dobrą jakość odwzorowania, drukarkę Prusa wykorzystujemy do większości wydruków okazów, m.in. modeli porównawczych w projektach pracowników naukowych. Ponadto, użytkownicy tworzą wydruki przydatne w pracach laboratoriów i kolekcji Instytutu  - uchwyty próbek dedykowane do określonych okazów, dodatkowe elementy do aparatury, pojemniki na szlify, rozmaite obudowy drukowane zgodnie z indywidualnymi potrzebami użytkowników itp. Wydruki z urządzenia Prusa służą także do zajęć ze studentami oraz popularnonaukowych warsztatów dla najmłodszych entuzjastów paleontologii.

Drukarka Formlabs 3 wykorzystuje metodę SLA (stereolitografii), czyli selektywnego utrwalania światłem nanoszonej warstwowo żywicy (inaczej niż w drukarce Prusa). W oprogramowaniu drukarki wirtualny model okazu jest odpowiednio orientowany i dzielony na warstwy. W przypadku tej drukarki warstwy maja grubość 25 mikrometrów. Na dno drukarki wylewana jest cienka warstwa światłoczułej żywicy, w której laser utwardza tylko określone fragmenty, odwzorowując kształt modelu. Utwardzona pierwsza warstwa modelu unosi się, a promień lasera obiega (utwardza) kolejną warstwę modelu. Gdy z płynnej żywicy wynurzy się ostatnia utwardzona warstwa, drukowanie jest zakończone. Maksymalna wielkość obiektu drukowanego to 14x14x18 mm.
Tak wytworzony model wymaga jednak kolejnych etapów obróbki. Najpierw model wstawia się do myjki ultradźwiękowej, w której w alkoholu izopropylowym usuwa się resztki nieutwardzonej żywicy. Alkohol rozpuszcza klejące resztki żywicy, ale nie narusza fragmentów utwardzonych wcześniej przez laser. Wypłukany model wstawia się do stacji utwardzającej -  w temp. ok. 60-80 stopni model jest poddawany działaniu promieniowania UV, przez co staje się twardy, odporny na odkształcenia i gotowy do zaprezentowania. Precyzja drukarki Formlabs i metody SLA znacznie przewyższa drukowanie z filamentu. Urządzenie to jest przeznaczone do wydruku modeli o skomplikowanej strukturze, obiektów porowatych, lub okazów, w których szczególnie ważne jest dokładne odwzorowanie wszelkich możliwych detali – np. podczas tworzenia kopii holotypów okazów zgromadzonych w kolekcji Instytutu.
Drukarka Formlabs 3 może drukować z różnego rodzaju materiałów – żywice mogą mieć rozmaite właściwości fizyczne, można drukować z żywic „sztywnych” lub elastycznych, dowolnie dobierać kolory i, inaczej niż w przypadku druku z filamentów, możliwe jest drukowanie przeźroczystych elementów. Koszt wydruku jest znacznie wyższy niż w przypadku drukarki drukującej metodą FDM, ale cena sprzętu, akcesoriów i żywicy odzwierciedla się w bardzo wysokiej precyzji metody SLA.

Wszystkie drukarki obsługują głownie rozszerzenia .stl oraz .obj, ale pliki/modele w innych formatach również mogą zostać dostosowane do druku.

Drukarka Formlabs 3 wykorzystuje metodę SLA (stereolitografii), czyli selektywnego utwardzania światłem warstwowej żywicy (inaczej niż w drukarce Prusa). W oprogramowaniu wirtualny model próbki jest odpowiednio zorientowany i podzielony na warstwy. Warstwy mają grubość 25 mikrometrów. Na spód drukarki wylewana jest cienka warstwa światłoczułej żywicy, w której laser utwardza tylko określone fragmenty, odwzorowując kształt modelu. Utwardzona pierwsza warstwa modelu unosi się, a wiązka lasera utwardza kolejną warstwę. Gdy ostatnia utwardzona część wyłoni się z płynnej żywicy, drukowanie jest zakończone. Maksymalny rozmiar drukowanego obiektu to 14x14x18 mm.
Obróbka końcowa:
Najpierw model jest umieszczany w myjce ultradźwiękowej, gdzie pozostałości nieutwardzonej żywicy są usuwane w alkoholu izopropylowym. Alkohol rozpuszcza lepkie pozostałości żywicy, ale nie wpływa na fragmenty utwardzone wcześniej przez laser.
Następnie wypłukany model umieszczany jest w stacji utwardzania (hartowania) - w temperaturze ok. 60-80 stopni model naświetlany jest promieniami UV, dzięki czemu staje się twardy i odporny na odkształcenia. Na koniec, po usunięciu podpór, model jest gotowy do prezentacji.

Precyzja drukarki Formlabs i metody SLA znacznie przewyższa druk filamentowy. Urządzenie to przeznaczone jest do drukowania modeli o skomplikowanej strukturze, obiektów porowatych, czy okazów, w których precyzyjne odwzorowanie wszystkich możliwych detali jest szczególnie istotne - np. przy tworzeniu kopii holotypów okazów zgromadzonych w kolekcji Instytutu.
Drukarka Formlabs 3 może drukować z różnego rodzaju materiałów - żywice mogą mieć różne właściwości fizyczne, można drukować z żywic „sztywnych” lub elastycznych, dowolnie dobierać kolory oraz, w przeciwieństwie do druku z filamentu, możliwe jest drukowanie elementów przezroczystych. Koszt wydruku jest znacznie wyższy niż w przypadku drukarki wykorzystującej metodę FDM, ale cena sprzętu, akcesoriów i żywicy przekłada się na bardzo wysoką precyzję metody SLA.

Obie drukarki obsługują głównie rozszerzenia .stl i .obj, ale pliki/modele w innych formatach również mogą być przystosowane do druku.