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Rapid Prototyping

Modelle aus dem Computer

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3-D-Drucker finden im Modellbau zunehmend Verwendung. Sie lassen sich mit computergesteuerten Fräsen kombinieren. | Eric Sturm

Entstanden mit Rapid Prototyping: Modell des Projektes „Metropol Parasol“ in Sevilla des Architekten Jürgen Mayer H.

Seit etwa zwanzig Jahren arbeiten Wissenschaftler an Verfahren, die die Erzeugung von dreidimensionalen Modellen aus CAD-Daten ermöglichen, dem sogenannten Rapid Prototyping. Das Prinzip: In papierdünnen Schichten baut eine Art Druckkopf das Modell computergesteuert auf. Der aufgetragene Werkstoff – je nach System zum Beispiel flüssiger Kunststoff oder Gipskeramikpulver – wird geklebt, verschmolzen oder per Laser versintert. Der schichtweise Aufbau des Produktes ermöglicht komplexe Formen mit Hinterschneidungen und filigranen Strukturen. Während diese Technik additiv arbeitet, wirken computergesteuerte Fräsen subtraktiv – das Modell entsteht durch das Entfernen von Werkstoff. Auch hier spricht man von Rapid Prototyping.

Für Architekturmodelle lassen sich diese neuen, digitalen Fertigungsverfahren sehr gut einsetzen, um Entwürfe schneller und präziser physisch umzusetzen. Das mühevolle manuelle Kleben maßstabsgetreuer Modelle könnte – zumindest in einigen Bereichen – damit eines Tages der Vergangenheit angehören.

Rapid Prototyping

Grundlage für die digitale Fertigung sind stets dreidimensionale CAD-Daten aus den üblichen Zeichenprogrammen. Die Daten werden im STL- oder VRML-Format exportiert und an einen sogenannten 3-D-Printer übergeben. Zu beachten ist, dass die virtuellen Modelle im CAD geschlossene Flächen aufweisen: So müssen zum Beispiel. Wände und darüberliegende Decken auch tatsächlich aufeinanderstoßen. Ist dies nicht der Fall, ist eine Nachbearbeitung der Datei erforderlich.

Die Modelle werden in etwa kühlschrankgroßen Geräten, den 3-D-Printern, von einem flexiblen Druckkopf in feinsten Schichten aufgebaut. Sind Stützkonstruktionen erforderlich – zum Beispiel bei auskragenden Bauteilen –, werden die­se später manuell, chemisch oder maschinell entfernt. Die verschiedenen Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Ausgangswerkstoffe. Das Grundprinzip des Modellbauprozesses ist jedoch immer gleich.

The Realization Group, eine Multimediaagentur für Architektur in Miami, nutzte einen 3-D-Drucker, um das 70 Zentimeter hohe Modell von „The Met“ in Miami zu erzeugen.

Es waren Architekturfakultäten in den USA, die früh mit 3-D-Printern Gebäude- und Städtebaumodelle erzeugten.
Eigene Rapid-Prototyping-Geräte, die zwischen 20 000 und 50 000 Euro kosten, leisten sich heutzutage nur wenige Büros, wie etwa Coop Himmelb(l)au in Wien. In den USA sind 3-D-Printer häufiger in Architekturbüros anzutreffen, etwa in den Modellbauwerkstätten von Pei Cobb Freed oder Morphosis.

Laut Jochen Dauber, der für die Kisters AG die 3-D-Printer des Herstellers Contex vertreibt, nehmen Architekturbüros in Deutschland eher spezialisierte Dienstleister in Anspruch. Und er sieht noch Potenzial für die digitale Fertigung: „Viele Architekten hierzulande wissen noch gar nicht, dass es Rapid Prototyping gibt.“ Sie lassen ihre Modelle daher lieber von Praktikanten bauen.

Norbert Glass von fabtory, einem spezialisierten Dienstleister aus Erkrath: „Leider haftet Rapid Prototyping das Vorurteil an, es sei teuer und langwierig.“ Im 3-D-Printer erzeugte Modelle aus Gipskeramikpulver bietet Glass bereits für 300 bis 400 Euro an, die reine Fertigungszeit beträgt nur wenige Stunden, auch mehrfarbige Modelle sind in einem Arbeitsgang möglich.

Beim Rapid-Prototyping-Anbieter Protozone aus Wien hat man ähnliche Erfahrungen mit Vorbehalten der Architektenschaft gemacht. Seit 2005 bietet der gelernte Architekt Thomas Mariaschk seinen Kunden Modelle im Rapid-Prototyping-Verfahren an. „Am Anfang gestaltete sich die Zusammenarbeit etwas schwierig. Bei älteren Kollegen war die neue Technik komplett unbekannt“, erklärt Martin Fetz von Protozone. Heutige Architekturstudium-Absolventen besäßen aber fast ausnahmslos Erfahrung in 3-D-Programmen: „Im Idealfall ist keine Nachbearbeitung der übergebenen 3-D-Daten erforderlich, bevor das Modell erzeugt wird.“ Auch Protozone, die bevorzugt mit ABS-Kunststoff arbeiten, da dieser sich gut nachbearbeiten lässt, bieten einfache Modelle aus dem 3-D-Printer ab circa 200 Euro an. „Für Massemodelle, zum Beispiel im Maßstab 1:1000, oder einfache Geometrien ist Rapid Prototyping wie geschaffen“, ist Fetz überzeugt. Für komplexere Modelle sei die Technik allein dagegen nicht immer die beste Lösung. Hier kombiniere man zum Beispiel Kunststoffelemente aus dem 3-D-Printer mit Holzbauteilen aus der CNC-Fräse.

CNC-Fräsen und Kombinationstechniken

Eine Alternative zum herkömmlichen, additiven Rapid Prototyping – das Modell wird schichtweise aufgebaut – sind Computerfräsen mit CNC-gesteuerten Fräsköpfen, die den Werkstoff (zum Beispiel Holz, Modellbaukunststoff oder Acryl) subtraktiv in feinsten Schichten abtragen. Dass viele unterschiedliche Materialienbeim Fräsen eingesetzt werden können, ist ein bedeutender Vorteil des Verfahrens. Außerdem lassen sich Werkstücke von mehreren Metern Länge fertigen – im Gegensatz dazu wirken die Erzeugnisse aus dem 3-D-Printer mit maximalen Kantenlängen von 20 bis 35 Zentimetern recht bescheiden. Allerdings ist beim CNC-Fräsen erheblich mehr manueller Aufwand vonnöten. So müssen zum Bei­spiel die CAD-Daten vom Spezialisten für den Fräsvorgang aufbereitet und optimiert werden. Auch die Weiterverarbeitung der Werkstücke ist meist arbeitsintensiv, was sich auch in den Preisen niederschlägt. Die Spanne für gefräste Modelle reicht von knapp 1 000 bis weit über 10 000 Euro.

Kombinationsmodell aus Holz und Kunststoff von Eldine Heep und Gerli Orthacker, beide Absolventinnen der Meisterklasse Zaha Hadid an der Universität für angewandte Kunst, Wien.

Additive und subtraktive Techniken lassen sich optimal nutzen, indem man sie kombiniert. Die nach CAD-Vorgaben gefrästen Modellteile werden daher häufig mit Elementen aus anderen Fertigungsverfahren zusammengeführt. So kann ein monolithischer, organisch geformter Büroturm per CNC-Fräse aus Holz gefertigt und mit einer filigranen Fassadenkonstruktion aus dem 3-D-Printer ergänzt werden. Die Investitionen in einen 3-D-Printer, eine CNC-Fräse oder gar einen Maschinenpark, der die Kombination verschiedener Techniken ermöglichen würde, leisten sich Architekten hierzulande eher selten.

Das Büro Barkow Leibinger Architekten beispielsweise betreibt – wegen der ständigen Überprüfung der eigenen Entwurfsarbeit und häufiger Wettbewerbsteilnahmen – eine eigene Modellbauwerkstatt. „Für anspruchsvolle CNC-Fräsarbeiten beauftragen wir aber in der Regel einen externen Dienstleister“, so Jens Weßel, Leiter der Modellbauwerkstatt des Berliner Architekturbüros. Hier habe sich die Zusammenarbeit mit dem ebenfalls in Berlin ansässigen Modellbauspezialisten werk 5 bewährt.

„Digitale Fertigung ist unsere Kernkompetenz“ erläutert Angelika Drescher von werk 5, wo neben einem 3-D-Printer auch drei moderne Fräsmaschinen in der Werkhalle stehen. Einen Schwerpunkt lege das Unternehmen, das zwanzig Mitarbeiter beschäftigt, auf die Beratung der Kunden: Hier bringen die Berliner, die mit namhaften Architekturbüros und Immobilienfirmen, aber auch mit Produktdesignern und Künstlern zusammenarbeiten, ihre jahrelange Erfahrung im Hinblick auf Detaillierungsgrad, Materialwahl und Lichteinsatz ein. Das Ergebnis sind hochkomplexe Modelle, die zum Beispiel auf den Immobilienmessen von Cannes oder Dubai Eindruck machen.

Dipl.-Ing. Eric Sturm ist Webdesigner und Publizist in Berlin, www.ericsturm.de, www.internet-fuer-architekten.de

Glossar

3-D-Printer für den Schreibtisch: das Model „Desktop Factory 125ci 3-D-Printer“.

Rapid Prototyping: (schneller Prototypenbau) ist ein Verfahren zur schnellen ­Herstellung von Modellen oder Bauteilen auf Basis der 3-D-Daten eines CAD-Programms.

Datenaustauschformate STL und VRML: 3-D-Modelle (zum Beispiel Architektur­entwürfe) können von den branchen­üblichen CAD-Programmen in diesen ­Formaten exportiert und von den Rapid-Prototyping-Maschinen eingelesen werden. Teilweise ist eine Nachbearbeitung der Daten erforderlich.

CNC: Computerized Numerical Control (computerisierte nummerische Steuerung), ein elektronisches Gerät zur Steuerung von Werkzeugmaschinen, zum Beispiel Fräsmaschinen.

3-D-Printer: Gerät zur Herstellung von Modellen aus CAD-Daten. In feinsten Schichten wird der jeweilige Werkstoff verklebt, verschmolzen oder per Laser versintert. Der schichtweise Aufbau des Produktes ermöglicht komplexe Formen mit Hinterschneidungen und filigranen Strukturen.

Fabber: Kurzform für „Digital Fabricator“, im Allgemeinen ein Gerät, das materielle, dreidimensionale Gegenstände auf Basis von dreidimensionalen CAD-Daten erzeugt. 3-D-Printer oder CNC-Fräsen zählen zu den Fabbern.

Rapid Prototyping

Dienstleister

Hersteller von 3-D-Printern

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