3D-Druck

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck ist die Herstellung eines dreidimensionalen physischen Objekts anhand eines digitalen Modells. Meistens wird das Objekt schichtweise (etwa von unten nach oben) aufgebaut wie mit dem im Bild gezeigten Druckkopf, der einen 1,75 mm dicken Plastikfaden aufschmilzt und mit dem flüssigen Plastik Schicht auf Schicht "malt", bis das Objekt fertig ist. Das Gleiche funktioniert auch mit Kunstharzen oder Metallen, die mit Laserstrahlen dort, wo sie dem Objekt hinzugefügt werden sollen, "angeheftet" werden. Objekte aus dem Plastik sind sehr leicht, insbesondere wenn sie mit geringem Füllungsgrad (etwa 5 %) gedruckt werden. Eine lebensgroße Kopie von mir könnten Sie mit einer Hand hochheben, ins Wasser werfen und sich dann draufsetzen - sie würde Sie tragen.

3D-Druck muss aber nicht unbedingt diese "additive Fertigung" sein. Es gibt auch Dienstleister, die subtraktiv aus einem massiven Steinblock mit einem Wasserstrahl wie ein Bildhauer Material wegnehmen, bis genau das Objekt gemäß dem digitalen Modell übrig bleibt.

Egal, auf welche Weise das Objekt am Ende physisch entstehen soll: Dreh- und Angelpunkt ist, dass man irgendwie an ein digitales Modell des gewünschten Objekts herankommt.

Woher das Modell nehmen?

Es gibt im Wesentlichen drei Möglichkeiten:

1. Man kann sich ein fertiges Modell aus dem Internet herunterladen,
2. man kann ein Modell mit einem CAD-Programm "auf dem Reißbrett" entwerfen, oder
3. man kann ein Objekt fotografieren und in ein 3D-Modell umrechnen.

Wenn es das fertige Modell schon irgendwo gibt, hat man natürlich am wenigsten Arbeit. Dies trifft beispielsweise auf viele Ersatzteile für Haushaltsgeräte zu, bei denen sich auch andere schon darüber geärgert haben, dass man sie nirgendwo mehr kaufen kann. Aber auch viele andere Objekte, wie etwa den im Bild gezeigten Bullen, findet man auf Plattformen wie Thingiverse.

Wenn man das Objekt mathematisch genau beschreiben kann (etwa durch Ausmessen) und/oder es auf Genauigkeit besonders ankommt, greift man zum CAD-Programm. Das erfordert Fähigkeiten und Zeit. Wenn man beides nicht hat und/oder sich das Objekt schlecht mathematisch formulieren lässt, wie etwa ein Gesicht oder eine ganze Person, rekonstruiert man es aus Fotos. Ja, ich weiß, ein Laserscanner ist natürlich besser, aber den hab ich unterwegs nicht dabei. Was ich dabei habe, ist mein iPhone, das mit der Serienaufnahmefunktion in einer Minute 600 Einzelbilder in seinen Speicher hämmert.

Photogrammetrie: von Bildern zum Modell

Es gibt verschiedene Programme, die aus einer Vielzahl von Bildern ein dreidimensionales Modell eines Objekts erzeugen. Gemeinsam haben diese Programme, dass sie sehr viel Rechenkraft beanspruchen. Wenn Sie glauben, Sie hätten einen leistungsstarken Rechner zu Hause, werden Sie durch derartige Software schnell eines Besseren belehrt.

Ich verwende Agisoft Metashape Standard, ein gängiges kommerzielles Programm. Fürs 3D-Drucken muss es nicht die "Professional Edition" für 3.499 US-Dollar sein, die "Standard Edition" für 179 US-Dollar reicht aus. Das ist günstig, wenn man bedenkt, dass der größere Kostenposten wahrscheinlich die Bereitstellung der nötigen Rechenkraft ist - in Form von Aufrüstung der Hardware zu Hause und/oder in Form von Miet-Rechnern beim Cloud-Anbieter.

Auf dem Weg von den Fotos zum Modell erfordern einige Verarbeitungsschritte viel Prozessorleistung (CPU), während andere Verarbeitungsschritte eine starke Grafikkarte (GPU) benötigen. Am einfachsten kriegt man das beim Cloud-Anbieter hin, wo man sich jeweils "Spezialisten" für beide Disziplinen mieten kann, die mit Hilfe eines gemeinsamen Arbeitslaufwerks einen "Staffellauf" veranstalten können.

Beachten Sie insbesondere bei Kunstgegenständen (Skulpturen) o.ä. das Urheberrecht: Ist der Künstler noch nicht 70 Jahre tot, kann eine einzelne 3D-Kopie für Sie zu Hause durch den gleichen Paragraphen gedeckt sein, der Ihnen auch das Aufnehmen von Musik aus dem Radio erlaubt. Das Herstellen weiterer Kopien für andere oder das Veröffentlichen des von Ihnen errechneten Modells kann Ihnen dagegen eine kostenpflichtige Abmahnung bescheren. Die sogenannte "Panoramafreiheit" können Sie in diesem Zusammenhang vergessen.

Es klappt nicht immer...

Nicht immer, wenn Sie ein schönes 3D-Modell haben, wird auch die Herstellung auf dem 3D-Drucker klappen. So wie Ihnen auch eine mechanische Werkstatt nicht jede erdenkliche Form aus massivem Metall fräsen kann, hat jede 3D-Drucktechnik ihre Grenzen.

So tut sich das Drucken mit geschmolzenem Plastik, bei dem das Objekt von unten nach oben aufgebaut wird, am schwersten mit Überhängen. Wenn Ihr Objekt in die Höhe wächst, können Sie immer nur an bereits fertiggestellten Teilen des Objekts "anbauen", nicht aber Material irgendwo frei in die Luft setzen. Sie können das Problem vielleicht lösen, indem Sie Ihr Objekt auf den Kopf stellen oder in zwei Teile aufteilen, die Sie zusammenkleben. Werden Sie kreativ!

Auch die mechanische Stabilität kann zum Problem werden. Ihre aus Handyfotos eines Objekts gedruckte Kopie wird in der Regel stark verkleinert sein, und wichtige Strukturen werden dann vielleicht zu dünn, um zu halten.

Genau das ist mit dem Besenstiel im nebenstehenden Bild passiert. Wenn die Figur von unten nach oben aufgebaut wird, ist der Besenstiel lange, lange Zeit nur untem am Besen fest, der schon stabil auf der Arbeitsfläche verankert ist. Beim weiteren Aufbau zupft der Druckkopf immer wieder an diesem Besenstiel herum, und der Hebelarm, mit dem dabei an der einzigen Befestigung des Besenstiels angegriffen wird, wird lang und länger. Bei diesem Versuch hat sich nach etwa einer Stunde Druckzeit, also etwa zur Halbzeit, der Besenstiel so stark zur Seite gebogen, dass er mit frischem Plastik aus dem Druckkopf an der falschen Stelle der restlichen Figur angeheftet wurde. Das war dann leider Schachmatt und nicht mehr an Ort und Stelle zu beheben.

In einem derartigen Fall kann man aber das Modell noch nachträglich am Rechner bearbeiten und etwa das, was nicht gehalten hat, schlicht und einfach dicker machen.

...aber es klappt meistens

Das Original dieser Skulptur steht am Klemensplatz in Düsseldorf-Kaiserswerth. Es ist ein Bronzejunge, geschaffen vom Kaiserswerther Bildhauer Bernhard Lohf im Jahre 1956. Leider, leider lebt dieser Künstler nicht mehr, sonst hätte ich bei ihm angeklingelt und ihm diese Kopie präsentiert.

Wer aufmerksam hinschaut, dem wird auffallen, dass der Hintergrund irgendwie nach Bibliothek aussieht. Das stimmt! Ich benutze den 3D-Drucker im LibraryLab der Düsseldorfer Zentralbibliothek. Man muss nur einmal eine Einweisung in die Bedienung des Druckers mitgemacht haben, dann bekommt man eine "3D-Druck-Lizenz" und kann das Gerät eigenständig benutzen. Das Gerät kann immer für ein 2-Stunden-Zeitfenster innerhalb der Öffnungszeiten telefonisch reserviert werden. Es empfiehlt sich, aus dem 3D-Modell zu Hause gleich schon die Vorlage in einer Form zu erstellen, die der Drucker unmittelbar versteht, mit der gleichen Software, die auch in der Bibliothek genutzt wird (Ultimaker Cura). Dann kann man das Modell auch genau so groß machen, dass es in das vorgegebene Zeitraster passt. Das Drucken kostet übrigens nichts extra - es ist alles mit dem Bibliotheksausweis (20 €/Jahr) abgegolten. Auch das Verbrauchsmaterial.

Da im LibraryLab-Bereich auch fleißig Computerspiele gespielt werden und auch ganz "normale" Besucher durchschlendern, die ganz normale Bücher aus Papier suchen, habe ich beim Drucken oft interessiertes Publikum. Wen es interessiert, den kann ich ebenfalls einscannen und in Plastik ausdrucken. Wobei bei Kindern und Jugendlichen natürlich die Mama oder der Papa einverstanden sein müssen, denn einfach so Fotos von fremden Menschen machen und diese auch noch zu einem Cloud-Anbieter in die USA schicken - das geht nach der DSGVO nicht.

Und hier hat es jetzt endlich auch geklappt mit der Figur, bei der ich eben noch einen Fehlschlag vermelden musste. Es ist das Kehrmännchen, das in der Nähe der RWTH Aachen seit seiner Erschaffung durch den Bildhauer Heinz Tobolla 1973 tagaus, tagein Studenten begrüßt: "Seid schön fleißig und schreibt gute Noten! Sonst droht euch im wahrsten Sinne des Wortes der Kehraus." Hier war es tatsächlich zielführend, den Besenstiel, der sich zuvor verbogen hatte, dicker zu machen. Verwendet wurde hierfür Meshlab.

Die ganze Geschichte dieses bisher komplexesten von mir erfolgreich abgeschlossenen 3D-Drucks vom Aufnehmen der Bilder bis hin zum Endergebnis gibt es auf YouTube zu sehen. Erleben Sie mit, wie ich gezittert habe, ob das obere Ende des Besenstiels denn nun tatsächlich richtig mit dem gleichzeitig in die Höhe gewachsenen Männchen verbunden wird.

Noch ein Beispiel aus Düsseldorf

Das Original dieser Figur steht in der Düsseldorfer Innenstadt in der Nähe der Schadow-Arkaden. "Schmied und Knabe" heißt diese Figur. Sie war mal Teil eines größeren Denkmals, das im Zweiten Weltkrieg zerstört wurde. Ich stelle mir unter ihr immer einen Mandanten vor, der meine Entwürfe für Patentanmeldungen sehr genau liest, mir auf mein Schulterpolster tippt und mich dabei mit schlauen Sprüchen beglückt wie:

• "Aber Fabian! Wenn diese Kinderzeichnung, die du hier als Patentzeichnung abgibst, eine Schatzkarte sein soll, dann wird der Schatz für immer verschollen bleiben. Schade."
• "Aber Fabian! Du musst deine Kreativität nicht unter Beweis stellen, indem du für ein und dieselbe Sache drei unterschiedliche Begriffe verwendest."
• "Aber Fabian! Wie kannst du dir anmaßen, eine Patentanmeldung zu Künstlicher Intelligenz zu schreiben, ohne natürliche Intelligenz zu besitzen?"
• "Aber Fabian! Habe ich es an den Augen, oder kommt das Merkmal, das du im Text mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet hast, in keiner Figur vor?"
• "Aber Fabian! Bei schweren Verläufen von Corona ist es eines der ersten Symptome, dass man keine Rechtschreibung und Zeichensetzung mehr kann. Pass auf dich auf."

Klarer Fall: Eine 3D-gedruckte Kopie dieser Skulptur musste ich irgendwie in mein Zuhause befördern.

Ich habe die Figur mehrmals ringsum fotografiert und die Bilder in Metashape geschmissen. Leider ohne Erfolg. Die rechte Hand des väterlichen Schmieds wollte und wollte nicht klappen. Irgendwann habe ich die Bilddaten auf AWS Glacier Deep Archive in die Ecke gefeuert.

Dann habe ich Reality Capture ausprobiert. Dieses Programm gehört einer höheren Preisklasse an, hat aber ein "Pay per Input"-Preismodell, bei dem man erst in dem Moment, in dem man sein 3D-Modell exportiert, für die Datenmenge bezahlt, die man zur Erstellung dieses Modells reingekippt hat. Dieses Programm schaffte es tatsächlich, die Skulptur ohne Fehl und Tadel zu modellieren, und so habe ich den Obolus für die eingegebenen Bilder entrichtet.

Nachdem das Modell erst einmal im Rechner ist, ist die nächste Herausforderung, es gedruckt zu bekommen.

Mit der üblichen Art zu drucken gibt es hier an vielen Stellen Probleme. Etwa bei dem rechten Arm des Schmieds. Der hängt im Original frei in der Luft. Aber wenn ich das mit einer Düse drucke, die von oben Material ausgibt und die Figur schichtweise von unten nach oben aufbaut, fällt das Material dann, wenn der rechte Arm dran ist, einfach runter. Klappt nicht.

Dafür hat man das Drucken mit Stützstrukturen erfunden. Wo etwas frei in der Luft hängt, wird ein "Baugerüst" gedruckt, so dass dieses Etwas (hier: der rechte Arm) beim Drucken auf etwas aufliegen kann. Wenn man diese Stützstrukturen aber aus dem gleichen Material druckt wie das Objekt selbst, muss man die Stützstrukturen nach dem Druck irgendwie manuell wegbekommen. Bei dieser komplexen Figur eine kaum lösbare Aufgabe.

Dafür hat man 3D-Drucker erfunden, die zwei verschiedene Materialien drucken können. Das Graue gehört zu der eigentlichen Skulptur, das Weiße ist Baugerüst. Man sieht hier recht deutlich, dass der rechte Arm des Schmieds auf dem "Baugerüst" aufliegt.

Der Clou ist, dass das "Baugerüst" aus einem wasserlöslichen Material gedruckt ist. Der fertige Druck wird einfach in eine Schale oder einen Eimer mit Wasser gepackt, und wenn das "Baugerüst" aufgelöst ist, bleibt die Skulptur übrig.

Der einzige Pferdefuß ist, dass das "Baugerüst" massiv Druckzeit kostet.

Und siehe da, es funktioniert tatsächlich! So filigran hätte man ein manuelles Entfernen des "Baugerüsts" sicher nicht hinbekommen.

Da der Urheber dieser Skulptur, Joseph Hammerschmidt, seit mehr als 70 Jahren tot ist, darf ich an dieser Stelle die Druckdatei zur Verfügung stellen, mit der sich jeder mit einem hinreichend ausgestatteten 3D-Drucker ebenfalls eine Kopie der Skulptur verschaffen kann. Hier klicken, um die Datei zu laden.

Je nach Typ Ihres 3D-Druckers kann der Druck richtig lange dauern. Eine ca. 10 cm große Kopie kann durchaus 12 Stunden verschlingen. Sie verwenden die hier angebotene Druckvorlage auf eigene Gefahr und sichern mit dem Download insbesondere zu, die Spezifikationen und Empfehlungen des Herstellers Ihres 3D-Druckers sowie sonstige für den Betrieb Ihres 3D-Druckers geltende sicherheitstechnische Vorschriften und Empfehlungen strikt zu beachten. Prüfen Sie insbesondere, ob Ihr 3D-Drucker für einen so langen Dauerbetrieb ausgelegt ist und ob der Hersteller auch den unbeaufsichtigten Betrieb offiziell gutheißt.

Manche 3D-Drucker ermöglichen es, den Druckvorgang über eine eingebaute Kamera zu beobachten und ggfs. im Fehlerfall abzubrechen. Nutzen Sie derartige Möglichkeiten.

Ziehen Sie die Aufmerksamkeit der Nachbarschaft mit der fertigen Skulptur auf sich, aber nach Möglichkeit nicht dadurch, dass nachts mit einem riesigen Getöse ein ganzer Schwarm großer roter Autos anrückt.