החיים בצבע - אנטי-מחיקון בהדפסה בתלת-מימד

מאת ניר גלזר, מנהל תחום הדפסת תלת מימד בחברת systematics     פורסם: 6.6.2019
7 באפריל שנת 1977. מטוס אל על הוא המטוס הישראלי הראשון שנוחת אי פעם בבלגרד, בירת יוגוסלביה באותם ימים – מדינה קומוניסטית שלא קיימה קשרים דיפלומטיים עם מדינת ישראל. מבטן המטוס יוצאת חבורת ספורטאים ישראלים שבאה לעשות את הבלתי יאומן ולהיאבק על גביע אירופה לקבוצות אלופות בכדורסל. אני זוכר את עצמי, בתור ילד בן 7, צמוד למסך הטלוויזיה בסלון הדחוס, יחד עם שאר בני משפחתי ושכנים רבים מהבניין. כולם עטופים בצעיפים, חובשים כובעים צהובים - כחולים ומחצררים בזמבורה אחת שהייתה שמורה לאירועים מיוחדים, עוקבים בהתרגשות אחר כל שנייה ושנייה במשחק, עד לסיום המשחק, לשניית הניצחון - עד הרגע הגדול שבו מיקי ברקוביץ וטל ברודי בחולצות האפורות (???) מניפים את הגביע הלבן (???) והנוצץ, וברקע דגל שחור לבן (???) של ישראל מתנופף בגאווה בקהל...
רגעים אלה הם זיכרונות ילדות שנצרבו לי בזיכרון ושאותם לעולם לא אשכח. רגעים של שמחה וגאווה שעליהם רבים מאתנו גדלו ושאותם אנחנו מקפידים להעביר ולחלוק עם הדור הבא. היה שם הכול כדי להפוך את זה לחוויה מושלמת - אבל משהו היה חסר... צבע.
באותה תקופה היינו חייבים לצפות בשידורי
טלוויזיה שעברו מחיקת צבע באמצעות מכשיר ה"מחיקון" שהבטיח שוויון לכל אזרחיה המדינה המתפתחת, השאיר את החיים שלנו בשחור-לבן וגזל מאיתנו את חוויית החלום בצבע. כאן נכנס לשימוש "האנטי-מחיקון" שנועד להתגבר על המחיקון ולהחזיר אלינו את הכחול שבדגל, את הצבעוניות שבקהל, את הכחול-צהוב של חולצת "מכבי"...

צבע בסלון

אז מי צריך צבעים? הרי התרגשנו גם בשחור לבן ולא חשבנו שחסר כלום. את המשמעות האמיתית של הצבע הבנתי בפעם הראשונה כשעברתי לראשונה בשערי איצטדיון בלומפילד. יד ביד עם אחי הגדול, התיישבתי ביציע הבטון החשוף ונשימתי נעתקה כשראיתי כמה הדשא ירוק! זה היה שוֹק. אחרי שהתרגלנו לצבעי שחור–לבן בטלוויזיה וכל מה שסביבנו היה בגווני אפור, למדנו לקבל את זה.
למזלנו, יזהר כהן הביא את האירוויזיון לישראל בשנת 1979 וגרם לכך שרשות השידור הייתה חייבת לשדר לעולם כולו בצבע. אירוע זה תרם משמעותית לחיסול הצורך באנטי-מחיקון שהכניס אלינו קצת צבע לסלון.
 
צבע בעולם הדפסת התלת-מימד

גם בעולם ההדפסה בתלת-מימד למדנו לחיות בצבע אחיד (מונו-כרום) ולקבל את זה. המגבלות בטכנולוגיות ההדפסה לשימושים השונים אפשרו לנו שימוש מוגבל מאוד בצבע, גם אם לא הרגשנו שאנחנו מתפשרים. ההתפתחויות החדשות בעולם ה-Additive Manufacturing (לדוגמה, מדפסת התלת מימדHP JF580  המאפשרת להדפיס חלקים פונקציונליים בצבע מלא וברמת פרטים גבוהה), פתחו דלת ליישומים חדשים בהדפסה בתלת-מימד ובשילוב צבע מלא.
 
צבע מעולם לא היה דרוש יותר

שימוש בצבע מלא מאפשר לנו לשפר את דרך התקשורת, להעביר מסרים ולהתבטא באופן משוחרר ממגבלות. כל זה שימושי באמנות, בעיצוב מוצר, בתכנון מכני, בבדיקת תוצאות של אנליזה, וַלִידַצְיָה (מתן תוקף לאחר בחינת עדויות תוצאתיות שהדרישות לשימוש מסוים או יישום מסוים אכן מולאו), וייצור.
 
מיקי ברקוביץ וטל ברודי מניפים את גביע אירופה
צבעים משמשים למתן הוראות כמו השימוש בצבעים בתמרורים, רמזורים ועוד. יש צבעים המשמשים לאזהרה, להעברת מידע ולהבעת רגשות. השימוש בצבע מלא מאפשר גם לשפר את התקשורת בין אנשים ובעלי עניין ממחלקות שונות ובעלי מטרה משותפת. השימוש בצבעים גם מאפשר להקל משמעותית על הרכבת מוצרים על ידי סימון על גבי החלקים עצמם כחלק מהוראות ההרכבה. ניתן אף להשתמש בצבע לסימון סוג מַחְבָּר מתאים, כניסת מים חמים או קרים, ועוד.
שימוש בצבעים חוסך זמן וטעויות גם בסביבת הייצור: בשימוש בעזרי ייצור (Jigs & Fixtures),ניתן להשתמש בצבעים לסימון משטחים המשמשים לבדיקת מקבילות, פיני יישור (alignment), סימון משטחים הדורשים השלמת עיבוד לרמת דיוק גבוהה יותר (Color Coding), ועוד. צבעים גם מאפשרים בקרת איכות כחלק מתהליך ולידציה והרכבה, וכמובן מאפשרים לנו להתאים אישית את המוצרים השונים ללא צורך בשינוי תהליך הייצור.
עזרי ייצור להרכבה: השימוש בצבעים מאפשר להקל משמעותית על הרכבת מוצרים על ידי סימון על גבי החלקים עצמם כחלק מהוראות ההרכבה
בבית החולים לילדים של 'הפניקס', רופאים סורקים ומדפיסים מודלים תלת-מימדיים של לבם של המטופלים שלהם כדי להתאמן לקראת ניתוחים
מהו ניהול צבע ולמה צריך את זה?
צבעים ניתנים להצגה על ידי התקנים שונים, לכל התקן יכולת שונה לתמיכה בצבע. כולנו נתקלנו במצב בו תמונה נראית מצוין על מסך המחשב שלנו, או הטלפון, אך נראית אחרת לגמרי כאשר מוצגת באמצעות מקרן או מודפסת במדפסת נייר בצבע. למה זה קורה?

אין התקן שביכולתו להציג אובייקטים צבעוניים ושמסוגל לשכפל במדויק את מלוא טווח הצבעים הנראה לעין האדם. כל מכשיר פועל במרחב צבע מסוים, המאפשר לו להציג טווח צבעים ספציפי הנקרא  Color Gamut - כאשר מכשירים שונים תומכים במרחבי צבע שאינם חופפים. צבעים מסוימים הנתמכים במכשיר הקלט (כמו במקרה של מצלמה דיגיטלית) לא בהכרח ניתנים להצגה במכשיר המציג את התמונה. להמחשה, ניתן לראות בתמונה השוואה בין מרחבי צבע שונים - ניתן לראות את Gamut הצבעים הניתנים להצגה באמצעות פרופיל sRGB התחום במשולש, שהינו מוגבל משמעותית בהשוואה לדיאגרמת הצבעים התקנית CIE1931.
 
צבעים ניתנים להצגה על ידי התקנים שונים, לכל התקן יכולת שונה לתמיכה בצבע
 
CIE 1931 Color Space Chromaticity diagram/ sRGB Gamut comparison
מקור:ויקיפדיה
איך זה עובד?

1. מכשיר הקלט, לדוגמא מצלמה דיגיטלית, מייצר אובייקט צבעוני. מסמך הנקרא פרופיל צבע מתאר את מרחב הצבע (Color Space) של מתקן זה.
2. בהתאם לפרופיל צבע זה, מנוע ניהול הצבע מזהה את הצבעים בפועל.
3. פרופיל הצבע של מסך המחשב, לדוגמה, מתאר למנוע ניהול הצבע כיצד לתרגם את הערכים המספריים למרחב הצבע הנתמך על ידי מתקן זה.
4. באופן דומה, מנוע ניהול הצבע משתמש בפרופיל של מדפסת ה- HP JF580 כדי לתרגם את הערכים המספריים המתארים את צבעי המקור, לצבעים הניתנים להדפסה במדפסת התלת-מימד.

מה עושים כאשר אין התאמה מלאה לצבעים?

מנועי צבע מסוימים מגדירים סט חוקים לאופן שבו יש לתרגם צבע ממרחב צבע אחד לאחר כדי להציג תוצאות מיטביות. מהי, אם כן, תוצאה מיטבית? תלוי ב- “כוונת המשורר”. ולכן, קיימים מספר פרופילים הנקראים Rendering Intent המגדירים כיצד לתרגם צבע הנמצא מחוץ ל-Color Gamut  של מתקן לצבע הנמצא בטווח ה-Gamut הזמין.
 
תהליך ההדפסה בצבע: מתכנון לחלק מודפס

התהליך השלם, מתכנון המודל ועד לקבלת החלק המודפס בצבע מלא, מורכב משלושה חלקים עיקריים:
1. תכנון / עיצוב המודל התלת-מימדי וצביעתו
את המודל התלת-מימדי ניתן ליצור בפתרון תכנון בעזרת מחשב כגון SOLIDWORKS או CATIA. בסביבה זו ניתן להגדיר את הצבעים ברמת החלק או הפאה (Face), ניתן לשמור חלק בודד או הרכבה שלמה. קיימים פתרונות שונים לבניית מודלים תלת-מימדיים שאינם מתחום התכנון המכני ומשמשים לצרכים שונים כמו אמנות, יצירת דמויות מחשב, אנימציה ועוד. דוגמאות לפתרונות נפוצים: Blender, Zbrush, Maya.
בהדפסה בתלת-מימד הנפוצה, כפי שעבדנו עד כה, נהוג לשמור את המודל כקובץSTL . פורמט זה מייצג באופן פשוט את הגיאומטריה על ידי כך שהוא ממיר את הפאות החיצוניות המגדירות את החלק למשולשים “צבועים"  (Tessellation).פורמט זה מייצר קבצים כבדים מאוד, לא שומר תכונות נלוות כמו צבע ומצריך לרוב תיקונים לקובץ הנוצר כדי להתאימו להדפסה בתלת-מימד.
כדי להעביר גם את גיאומטריית החלק וגם את תכונות הצבע נשמור את החלק / הרכבה כקובץ בפורמט WRL (VRML) ,3MF או OBJ המותאמים לשמירת הגיאומטריה ותכונות הצבע. טיפים והדרכה לשמירת קבצי SOLIDWORKS ו- CATIA בפורמט VRML ו-3MF להדפסה - ניתן למצוא בבלוג באתר סיסטמטיקס www.systematics.co.il.
במקרים רבים, קובץ המקור שלנו להדפסה יהיה קובץ STL, שכאמור לא מוגדר צבע עבורו. ניתן להדפיס בצבע גם קבצים אלה במדפסת HP JF580 על בסיס חלופות עריכה להוספת הצבעים:
• תוכנת SmartStream המסופקת עם מדפסת HP JF580 ומאפשרת לבחור צבע לכל חלק המיועד להדפסה
• באמצעות תוכנת עיצוב כדוגמת Photoshop. תוכנה זו מאפשרת לפתוח קובץ תלת-מימד, לנצל את יכולות העיצוב המתקדמות להוספת צבעים, תמונות, ועוד (Texture Mapping, Vignette, Gradient).
 
2. הכנת המודל להדפסה ומיקום החלקים בנפח ההדפסה
אז יש לנו מודל ויש לנו צבעים. מה הלאה? עכשיו נרצה להוסיף כמה שיותר חלקים כדי לנצל את מלוא נפח ההדפסה ולחסוך הרבה זמן וכסף.
אחד היתרונות הגדולים של מדפסת HP בטכנולוגיית Jet Fusion טמון במהירות ההדפסה הגבוהה. במעבר יחיד של ראשי ההדפסה, המדפסת מדפיסה שכבה מלאה. זמן זהה דרוש למדפסת בכדי להדפיס חלק אחד או עשרות חלקים הנמצאים באותה השכבה ופזורים על כל שטח ההדפסה בשכבה. יתרון זה, בשילוב העובדה כי ההדפסה נעשית עם אבקה המשמשת גם כחומר הדפס (ניילוןPA12) וגם כתומכות, מאפשרים להדפיס חלקים מורכבים ביותר בכל נפח ההדפסה כחלקים ‘צפים’, הרכבות וחלק בתוך חלק. האתגר הגדול שבשבירת תומכות הדרוש בטכנולוגית FDM או שימוש בסילון מים הדרוש בטכנולוגיה אחרת כדי להיפטר מהתמיכות - לא נדרש בטכנולוגית ה-Multi Jet Fusion. שוב עומדות בפנינו שתי אפשרויות, ובחירה בין חלופות אלה תלויה בצרכים שלנו בשלב זה.
שימוש בתוכנת SmartStream
כאשר מוסיפים חלק להדפסה, תאימות החלק להדפסה נבדקת ובמידת הצורך ניתן לתקן בעיות גיאומטריות בקובץ המקור באופן אוטומטי. ניתן למקם ידנית את החלקים השונים בנפח ההדפסה, לסובב למיקום המיטבי (אוריינטציה) ולהשלים פעולות נוספות בהתאם לנדרש. אם החלק מכיל צבע תמונה וכדומה - יוצג גם מידע זה.
הזכרנו מעלה שכל התקן מציג צבעים בהתאם למרחב הצבע שלו. כלומר, הצבעים המוצגים במסך המחשב, המשתמש בפרופיל sRGB, עשויים להיראות אחרת מהצבעים שנקבל בחלק המודפס. מה עושים? הרי נרצה לדעת מראש איך ייראה החלק לאחר ההדפסה. גם לזה ניתן פתרון בתוכנת ה-SmartStream המסופקת עם מדפסת HP JF580 ומאפשרת בלחיצת כפתור לקבל תצוגה מקדימה של החלק כפי שיראה לאחר הדפסה.
לצורך תיקונים ידניים מתקדמים של המודל, ביצוע פעולות עריכת מודל מתקדמות ושימוש באלגוריתמים מתקדמים לסידור מספר רב של חלקים באופן מיטבי בכל נפח ההדפסה (3D Nesting), ניתן להשתמש בפתרונות כגון Magics של חברת Materialize או בפתרון המתקדם של החברה הישראלית (Assembrix (assembrix.com.
 
3. בשלב זה, כל שנותר הוא לשלוח את המודל להדפסה מתוכנת ה- SmartStream והמדפסת תתחיל להדפיס בשבילנו בצבע מלא.