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1. Erstellen der Druckvorlage

Bild einer Spielfigur in FreeCad

Um ein 3D-Objekt (wie z. B. diesen Satz Mensch-ärgere-dich-nicht-Figuren) drucken zu können, ist eine geeignete Druckvorlage Grundvoraussetzung. Screenshot des CAD-Programmes FreeCAD.

Der erste Schritt für jeden 3D-Druck ist die Erstellung einer geeigneten Druckvorlage. Selbst wenn auf Vorlagen aus dem Internet (z. B. von www.thingiverse.com) zurückgegriffen wird, gilt es zu bedenken: diese wurden einmal von irgendjemandem erstellt. Ohne Werkzeuge zum Anfertigen eines Entwurfs gibt es keinen 3D-Druck.  Folgende vier grundsätzliche Werkzeugkategorien für die Druckvorlagenerstellung bieten sich an, auch dann, wenn nur Druckvorlagen aus dem Netz den jeweils eigenen Bedürfnissen angepasst werden sollen:

  1. 2D/2,5D-CAD-Software (CAD steht für Computer Aideed Design) für technische Zeichnungen
  2. 3D-CAD-Software für exaktes Konstruieren im dreidimensionalen Raum
  3. Spezial-CAD-Programme aus den Bereichen Game-Prototyping und Animationsfilm für freie Formgestaltung
  4. 3D-Scanner mit Programm zum Auswerten der Scans für das Kopieren real existierender Gegenstände

2D/2,5D-CAD-Programme

Veranschaulichung von Rotationskörpern und Extrusion

Gängige Techniken, um aus 2D-Zeichnungen 3D-Körper zu konstruieren sind z. B. die Rotation und die Extrusion (Parallelverschiebung).

Diese Systeme setzen Entwerferinnen und Entwerfer in die Lage, aus zweidimensionalen Zeichnungen, wie z. B. einem Grundriss, dreidimensionale Körper zu konstruieren. Die gängigsten Techniken beim 2/2,5D-CAD sind die Extrusion und die Rotation, wobei je nach CAD-Programm noch weitere Techniken zur Erzeugung von Volumina, wie z. B. das Sweeping (eine Art Extrusion entlang einer mathematisch definierten Kurve) hinzukommen können. Weil dabei keine echten 3D-Körper (auch Solids oder Volumenmodelle genannt) konstruiert, sondern nur Hüllflächen (englisch Meshs) von Körpern definiert werden (Flächenmodelle), hat sich die Bezeichnung 2,5D-CAD für solche Systeme eingebürgert.

3D-CAD-Programme

Darstellung der Anwendung von Boolschen Operationen

Typisch für3D-CAD ist die Konstruktion komplexer Formen mit Hilfe von Booleschen Operationen.

Bei vollwertigem 3D-CAD sind alle Körper als echte Volumenkörper, also als Solids, definiert. Die wichtigsten Techniken beim Konstruieren sind die Booleschen Operationen, mit denen durch die Kombination von Subtraktion und Addition einfacher Grundkörper komplexe Formen erstellt werden. Neben der reinen 3D-Konstruktion stellen 3D-CAD-Programme meist auch 2/2,5D-Techniken zur Verfügung, die mit der reinen 3D-Planung kombiniert werden können.

Direkte und/oder parametrische Modellierung

Dialog zur Parametereingabe in FreeCAD

Mit dem Ändern eines Parameters (wie hier z. B. die Größe eines Radius) gleicht  sich bei allen Zeichnungselementen, denen dieser Parameter zugewiesen wurde, dieser Betrag an. Screenshot aus FreeCAD.

Mit fast allen 2/2,5D- und 3D-CAD-Programmen kann man geometrische Elemente direkt über bestimmte Funktionen (Skalieren, Verschieben, Dehnen etc.) verändern. Es kann so direkte Modellierung betrieben werden. Es gibt jedoch auch Programme, die parametrische Modellierung beherrschen. Diese Technik wird bei technischen Konstruktionen eingesetzt. Dabei wird die Gestaltung des Modells über Parameter gesteuert. Wird dann ein Parameter (wie z. B. die Gewindegröße aller Sacklöcher von M8 auf M10) geändert, ist eine Software, die parametrische Modellierung beherrscht, in der Lage, alle nötigen Veränderungen am Volumenmodell automatisiert vorzunehmen.

Spezial-CAD-Programme aus den Bereichen Gamedesign und Animationsfilm

Modellierung mit Blender

Programme aus dem Bereich 3D-Animation und 3D-Gamedesign bieten spezielle Werkzeuge zum freien Skulpturieren von 3D-Objekten. Screenshot einer Manipulation eines 3D-Objektes mit der Open-Source-Software Blender.

Für das skulpturale Arbeiten an 3D-Formen eignen sich die klassischen 2/2,5D- und 3D-Techniken von CAD-Programmen nur sehr eingeschränkt. Es gibt jedoch Softwares, die darauf spezialisiert sind, 3D-Körper sehr frei zu modellieren. Ebenso gibt es Spezialprogramme, um Modelle von Menschen, Tieren und Phantasiegestalten zu erstellen. Die meisten dieser Programme wurden für die Entwicklung von Animationsfilmen und/oder 3D-Spiele-Inhalten entwickelt. Typische Beispiele für diese Art von Software sind Blender und MakeHuman.

3D-Scanner mit Programm zum Auswerten der Scans

Mit einem 3D-Scanner erzeugte virtuelle Person

Bild: © 2013 - Mathew Owen, http://fabacademy.org/archives/2013/students/owen.mathew/05-3d-scanning-and-printing.html
Dieses Bild unterliegt nicht der Lizenz von 3d-erleben, sondern steht unter der Doppellizenz cc-by-nc-sa 3.0.

Mit einem 3D-Scanner können virtuelle Kopien von realen Gegenständen und Personen generiert werden, aus denen sich mit einigem Nachtbearbeitungsaufwand zu brauchbaren 3D-Druckvorlagen machen lassen.

Ein vorhandenes dreidimensionales Modell bzw. das Original eines zukünftigen Werkstücks kann man einscannen. Scanner, in die ein Modell gestellt werden kann, um per Knopfdruck eine Druckdatei zu erhalten, haben die Nachteile (noch) relativ teuer zu sein und/oder nur eine sehr eingeschränkte Größe des zu scannenden Objekts zuzulassen. Mit dem Selbstbau eines Scanners (z. B. als Projekt) kann man den ersten Nachteil eliminieren, mit dem Einsatz einer Digitalkamera und einer Software, die aus einer Summe von Aufnahmen des Objekts aus möglichst vielen Perspektiven ein virtuelles Modell desselben errechnet, sogar beide. Etabliert haben sich auch Lösungen, bei denen auf Basis einer großen Anzahl von Aufnahmen des Objekts aus möglichst unterschiedlichen Blickwinkeln Browser- bzw. Cloud-basiert vom Rechenzentrum eines Anbieters eine Druckvorlage berechnet wird. Mit dieser Technik arbeiten auch Scanner, die auf ein iPad aufsteckbar sind und damit für den schulischen Einsatz durch ihre Flexibilität, die geringe Größe und die verhältnismäßig geringen Kosten gut geeignet sind.

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