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3D-Drucker

Druckfrisch modelliert

Profigeräte wie der BigRep One erstellen auch große Modelle oder Möbel-Prototypen.

Wer keine Lust auf zerschnittene Tische, klebstoffverschmierte Finger und ruinierte Lineale hat, „druckt“ sein Arbeits- oder Wett-bewerbsmodell. Eigene 3D-Drucker oder Dienstleister machen es möglich.

Von Marian Behaneck

Trotz aller Digitalisierung sind reale, „begreifbare“ Modelle aus der Architektur nicht wegzudenken.  Da immer häufiger BIM-konform dreidimensional geplant wird, sind die Daten für den digitalen Modellbau meist schon früh vorhanden. Aus diesen Daten lassen sich rechnergestützt schnell und präzise Architekturmodelle herstellen – mit Hilfe additiver (3D-Druck, Rapid Prototyping) oder subtraktiver Verfahren (numerisch gesteuerte Fräsen, Fräs-/Schneideplotter). Beim 3D-Druck werden Modelle aus einem flüssigen, pulverförmigen oder festen Ausgangsmaterial mit Hilfe chemischer und/oder physikalischer Prozesse Schicht für Schicht aufgebaut. Dabei können auch Objekte aus unterschiedlichen Materialien oder Farben und sogar bewegliche Funktionsmodelle in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Die Objekte können auch transparent, transluzent oder elastisch sein. Je nach Druckverfahren sind verschiedene Materialien druckbar: Kunststoff-, Keramik-, Gips-, Holz- oder Metallwerkstoffe. Die Präzision und die Oberflächenqualität hängen ab von der Druckauflösung des Ausgabegerätes in X-, Y- und vor allem in Z-Richtung, was der Schichtdicke entspricht. Gängige Schichtdicken liegen zwischen 0,2 und 0,5 Millimeter (Heimdrucker) sowie 0,05 und 0,001 Millimeter (Profi- und Industriedrucker). Im Architekturmodellbau zum Einsatz kommen vor allem filamentbasierende, also mit einem fadenförmigen, schmelzbaren Material arbeitende Extrusions-Systeme wie das Fused Deposition Modeling (FDM), pulverbasierende Systeme wie das Lasersintern (SLS) oder flüssigkunststoffbasierende Photopolymer-Systeme wie die Stereolithografie (SLA). Die Geräte-Bandbreite reicht von kleinen Heim-Druckern ab 500 Euro für Modelle bis etwa 25 x 20 x 15 Zentimeter Größe über Profi- oder Desktopdrucker ab 5.000 Euro für Modellgrößen bis etwa 40 x 25 x 20 Zentimeter bis zu  High-End-Anlagen ab etwa 100.000 Euro. Bei Bedarf lässt sich der 3D-Druck mit subtraktiven Verfahren kombinieren, um etwaetwa aus Karton, Holz, Kork, Polystyrol, Acrylglas oder Metallen filigrane Fassadendetails zu fräsen.

Auch für detailreiche Städtebaumodelle ist der 3D-Druck eine Alternative. Dabei können verschiedenen Verfahren und Materialien kombiniert werden.

 Wo kommen die 3D-Daten her?

Die Druckdaten werdem über CAD- oder Modellierprogramme generiert. Das wichtigste 3D-Datenformat STL (STereoLitography) unterstützen inzwischen viele Programme (etwa 3DS-Max, Allplan, ArchiCAD, Catia, Cinema4D, FormZ, Maya, MegaCAD, Rhino 3D, SketchUp, SolidWorks, Vectorworks). Weitere kompatible Datenformate sind STEP, IGES, 3DS, OBJ, VRML, DXF, DWG. Wichtig sind geometrisch korrekt konstruierte Innen- und Außenflächen sowie vollständige, eindeutige und fehlerfreie Volumina. Häufig ist eine aufwändige Aufbereitung und Korrektur, manchmal gar eine komplette Neuerstellung der Geometriedaten erforderlich.

Eine weitere Datenquelle für die additive Fertigung ist das 3D-Laserscanning. Dabei werden Objekte oder Gebäudemit handgeführten oder motorisch rotierenden Scannern in wenigen Minuten dreidimensional erfasst. Hinterschneidungen, Hohlräume oder Fehlstellen erfordern allerdings eine Nachbearbeitung der Daten und eine Überführung in ein CAD-Volumenmodell. Auch aus 3D-Bibliotheken, wie etwa dem Google 3D-Warehouse, Thingiverse, YouMagine oder Pinshape, lassen sich Modelldaten entnehmen. Dort gibt es auch Architekturbauteile, allerdings sollte man bei einer kommerziellen Nutzung die Lizenzbedingungen beachten.

Drucken lassen statt selbst drucken

Auf den Druck größerer Architekturmodelle haben sich einige Anbieter, wie 4D Concepts, R.G. Pilch, Trinckle 3D oder Ulf Teller 3D-Druck spezialisiert (Übersicht und Tipps unter DABonline.de/tag/3D-Druck. In der Regel wird das 3D-Modell in den gängigen Datenformaten hochgeladen und auf typische Fehler wie nicht geschlossene Oberflächen geprüft. Anschließend werden Druckverfahren und Material, Baugröße und Anzahl bestimmt sowie eine eventuelle Nachbearbeitung gewählt (Flächen plan fräsen, lackieren etc.).Danach wird der Preis angezeigt. Dieser reicht von 50 Cent bis 5 Euro pro Kubikzentimeter und mehr. Deshalb sollte man sich vorher Angebote einholen, Referenzmodelle anschauen und gegebenenfalls Einsparmöglichkeiten überlegen, etwa ein anderes Verfahren wählen, oder Material durch Hohlräume einsparen. Das fertige Objekt erhält man nach 4 bis 14 Tagen.

Insbesondere für komplexe Formen ist der 3D-Druck ideal und häufig konkurrenzlos. Wegen der hohen Investitions- und Betriebskosten und das des nötigen Know-hows sind professionelle Geräte für Architekturbüros aber nicht wirtschaftlich. Den konventionellen Architekturmodellbau wird der 3D-Druck  also nicht ersetzen. Arbeitsmodelle bauen nach wie vor Praktikanten billiger und schneller. Für den Bau von Städtebau-, Präsentations- oder Wettbewerbsmodellen ist der rechnergestützte Modellbau als Dienstleistung dagegen eine echte Alternative.

 

INTERVIEW: VOM CAD ZUM MODELL

Was Architekten bei der Beauftragung und Übergabe von 3D-Druckdaten beachten sollten, verraten drei Druckdienstleister im Interview

Von Marian Behaneck

Welche Modelle werden häufig nachgefragt?
4D Concepts: Städtebauliche Modelle, Präsentationen für Museen für die virtuelle Darstellung per Beamer-Projektion, Wettbewerbsmodelle oderModelle für die Ausführungsplanung.
Trinckle: Häufig werden Architekturmodelle in einem homogenen Material mit rauer Oberfläche nachgefragt oder wenn komplexe Geometrien benötigt werden, die nicht oder nur schwer von Hand herzustellen sind. Gerade bei letzterem bietet der 3D-Druck viele Vorteile, beispielsweise bei Hinterschneidungen.
R.G. Pilch: Modelle für Wettbewerbe und Präsentationen werden gleichermaßen nachgefragt. Auch personalisierte Modelle gewinnen zunehmend an Bedeutung, beispielsweise 3D-gedruckte „Visitenkarten“.

Welche Drucktechnologien und -materialien bevorzugen Architekten?
4D Concepts: Meistens kommt das selektive Lasersintern zum Einsatz. Dabei verwenden wir den PA12-Kunststoff, 3D-Druckmaterial ist Polymergips. Details werden im PolyJet- bzw. MultiJet-Verfahren (spezielles Verfahren für sehr geringe Schichtdicken) erstellt.
Trinckle: Im Wesentlichen SLS (Lasersintern), FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithografie) und für große Objekte PMMA (Polymethylmethacrylat-Druck). Als Materialien kommen verschiedenste Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz. Aktuell drucken wir auch vermehrt Metalle wie Silber oder Stahl.
R.G. Pilch: Das Selektive Lasersintern (SLS). Das Material Nylon in der Farbe weiß, ist aus meiner Sicht die zur Zeit beliebteste Technologie mit einem guten Kosten/Nutzen-Verhältnis. Vollfarbige Modelle lassen sich durch das Inkjet Powder Printing (3DP) mit einem gipsähnlichen Material realisieren. Und auch edle Modellskulpturen aus Stahl oder Bronze sind machbar.

Welche Nachbearbeitungen oder Kombinationen mit anderen Techniken sind bei Ihnen möglich?
4D Concepts: Drucken, Fräsen, Blockmaterial kleben, mit Plexiglas oder anderen Materialien kombinieren, lackieren – ähnlich dem herkömmlichen Modellbau.
Trinckle: Architekten bevorzugen häufig raue Objektoberflächen. Sie vermitteln einen gewissen Purismus, der Objekte edler erscheinen lässt. Natürlich offerieren wir auch glatte oder gefärbte Oberflächen. Für spezielle Anforderungen arbeiten wir mit Modellbauern zusammen, die aufäendigere Nachbearbeitungen vornehmen können.
R.G. Pilch: Falls gewünscht, wird das Modell koloriert und es werden Umgebungsdetails wie Autos oder Figuren hinzugefügt.

Wie lange dauert die Erstellung eines durchschnittlichen Modells?
4D Concepts: Je nach Größe, Detailgrad, Fertigungsverfahren und gewünschter Farbgebung individuell von 4 Tagen bis etwa 6 Arbeitswochen.
Trinckle: Obwohl jeder 3D-Druck eine Individualfertigung ist, erhalten unsere Kunden das Modell in der Regel schon nach 8 Tagen. In dringenden Fällen können wir die Zeit gegen Aufpreis auch deutlich verkürzen.
R.G. Pilch: Nach Freigabe der Druckdatei durch den Kunden beträgt die Lieferzeit in der Regel zwei Wochen. Ansonsten ist die Dauer abhängig davon, ob mir eine analoge Skizze oder CAD-Datei vorliegt.

Welche Datenformate benötigen Sie?
4D Concepts: Für die einfarbige Fertigung ist das STL-Format notwendig. Für die farbige Herstellung (direkt gedruckt) müssen die Datensätze eingefärbt oder mit Texturen belegt werden.
Trinckle: Am liebsten ist uns das STL-Format. Dieses kann von fast jedem CAD-Programm ausgegeben werden. Alternativ auch PLY, 3MF, 3DS, STEP, IGES oder andere Formate. Beim Export sollte man darauf achten, eine ausreichende Auflösung (Tesselierung) einzustellen. 0,1 mm Kantenlänge der Dreiecke bei gekrümmten Flächen ist meist optimal.
R.G. Pilch: Für einfarbige Modelle ist das STL-Format ideal und für Farbmodelle aufgrund der Texturen VRML 2. Wenn Kunden DWG-Dateien senden, ist das auch in Ordnung. Bisher konnten wir alle Kundendaten verarbeiten, respektive konvertieren.

Worauf muss man beim Modell achten, bzw. welche Fehler machen Planer häufig?
4D Concepts: Auf die ausreichenden Wandstärken der Bauteile (Fenster, Türen, Zwischenwände, etc.) nach dem Skalieren.
Trinckle: Ein einfaches “Runterskalieren” von einem Original-Modell, welches zur Planung eines realen Gebäudes erstellt wurde, ist fast immer problematisch, sofern keine entsprechenden Anpassungen in der Modelldatei vorgenommen werden. In der Original 3D-Zeichung sind meist zu viele Details wie dünne Wände, Stützen, Geländer etc. vorhanden. Bei kleinmaßstäblichen Modellen werden diese Details dann zu klein für den 3D-Druck. Hier benötigen wir bestimmte, vom Material abhängige Mindestwandstärken, außerdem sollte man bestimmte Modelldetails weglassen. Hohlräume können nur abgebildet werden, wenn ausreichend große Zugänge zur Entfernung des Restmaterials existieren. Wichtig für einen sauberen 3D-Druck ist, dass die Mindestvorgaben des jeweiligen Verfahrens eingehalten werden. Dazu stehen auf unserer Website stehen den Designguidelines auch Infos zu Druckverfahren, Materialien und Mindestanforderungen.
R.G. Pilch: Je nach Druckverfahren sind unterschiedliche Mindestwandstärken zu berücksichtigen. Das Modell muss ein geschlossenes Volumen haben, also „wasserdicht“ sein. Ansonsten gelten auch hier physikalische Gesetze. So mag etwa eine Stütze mit einem Millimeter Durchmesser druckbar sein, sie wäre allerdings nicht solide. Das Druckmodell sollte also nur jene Details zeigen, die im gewünschten Druckmaßstab auch solide sind.

Was sind die Besonderheiten des Architektur-Modellbaus, worauf sollte man noch achten?
4D Concepts: Ein Vorteil ist die einfache und gleichbleibende Wiederholbarkeit der Fertigung, gegebenenfalls in verschiedenen Skalierungen. Trinckle: Architektur-CAD ist häufig nicht für den 3D-Druck ausgelegt, weshalb oft Fehler in den Modellen, etwa nicht verbundene Kanten entstehen. Dies lässt sich meistens relativ leicht im CAD-Programm bereinigen, wenn man darauf achtet. Mit kostenlosen Programmen wie Netfabb Basic kann man das auch erkennen und teilweise beheben.
R.G. Pilch: Zu den Vorteilen gehören ein hoher Detailgrad, große Materialauswahl, Personalisierung, beispielsweise mit 3D-Logo, leichte Reproduzierbarkeit, beliebige Stückzahl, und die kostengünstige Herstellung von Kleinstserien.

ADRESSEN
(Auswahl, ohne Anspruch auf Vollständigkeit)

Druckeranbieter:
www.3dsystems.com, www.4dconcepts.de, www.alphacam.de, www.arcam.com, www.concept-laser.de, www.envisiontec.com, www.eos.info, www.fabtory.de, www.hp.com/de, www.kisters.de, www.makerbot.com, www.materialise.de, www.slm-solutions.com, www.realizer.com, www.stratasys.com, www.toolcraft.de, www.voxeljet.de

Dienstleister:
www.3d-activation.de, www.3d-fabrik.eu, www.3d-labs.de, www.3d-prototyp.com, www.3dsystems.com, www.4dconcepts.de, www.alphacam.de, www.bigrep.com, www.fabberhouse.de, www.fabtory.de, www.fkm-lasersintering.de, www.hawener.de, www.makeyourproduct.com, www.prototypen.de, www.rapidobject.com, www.r-g-pilch.de, www.sculpteo.de, www.shapeways.com, www.speedpart.de, www.staegi.de, www.teller-3d-druck.de, www.trinckle.com/architects.php, www.voxeljet.de

3D-Druckvorlagen:
3dwarehouse.sketchup.com, www.thingiverse.com, www.youmagine.com, www.pinshape.com.
Weitere Infos, Literatur und Quellen:
www.3d-drucken.de        3D-Druck-Blog
www.3d-grenzenlos.de    Online-Magazin, Suche: Architektur
www.3dhubs.com        3D-Druckservice-Suche
www.3druck.com        Online-Magazin
www.euromold.com        Messe für Additive Fertigung etc.
www.findafab.com/de    Druckdienstleister suchen
www.rtejournal.de        Forum für Rapid Prototyping
www.wikipedia.de         Suche: 3D-Druck, Lasersintern etc.

Literatur:
Oswald, A.: Modellbau für Architekten, Handbuch und Planungshilfe, DOM Publishers, Berlin, 2011

Marian Behaneck ist freier Fachjournalist in Jockgrim (Pfalz)

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