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3D-Modelle bauen und drucken

12.08.2015 | 09:30 Uhr |

Sie brauchen ein Ersatzteil? Dann drucken Sie sich doch eines: Wir zeigen, wie Sie einen Adapter für das iPhone selbst konstruieren und bei einem Dienstleister ausdrucken lassen

Exemplarisch gestalten wir ein 3D-Modell und zeigen welche Anforderungen dabei zu beachten sind, um ein Objekt für den Druck vorzubereiten. Wer nicht selbst kreativ gestalten möchte, kann alternativ aus verschiedenen Quellen online angebotene, druckfertige Modelle erwerben und zum gewünschten Druckservice (siehe Tabelle) versenden. Manche Dienstleister bieten zusätzlich in einem eigenen Online-Bereich 3D-Modelle an, die man direkt bearbeiten kann.

Entscheidende Kostenfaktoren beim 3D-Druck sind Volumen, Form, Material und zum Einsatz kommendes Druckverfahren. Nicht alle Formen und Designs können mit jedem Druckverfahren oder Material umgesetzt werden. Zunächst müssen Sie selbst entscheiden, welche Materialien und Verfahren sich für den eigenen Entwurf anbieten. Öffnungen, Hohlräume und Unterschnitte müssen Sie je nach Verfahren mit Stützstrukturen versehen. Einige Dienstleister bieten eine Prüfung der Druckfähigkeit und sogar deren Korrekturen als Zusatzleistung an. Auch die minimale und maximal mögliche Materialstärke sowie die Güte der Oberfläche ist je nach Verfahren unterschiedlich.

3D-Programme

Kostenpflichtig

Autocad, www.autodesk.de
Cheetah 3D, www.cheetah3d.com
Cinema 4D, www.maxon.net
form·Z, www.formz.com
Light Wave, www.lightwave3d.com
Maya, www.autodesk.de
Photoshop CC, www.adobe.com/de
Solid Works, www.solidworks.de
Strata Design 3D, www.strata.com
ZBrush, www.pixologic.com

Kostenfrei

Autodesk 123D, www.123app.com
Blender, www.blender.org
Freecad, www.freecadweb.org
Meshlab, http://meshlab.souceforge.net
Sculptris, www.pixologic.com
Sketchup, www.sketchup.com
Tinkercad, www.tinkercad.com

Datenformate

Aktuelle Programme zum Modellieren sind generell in der Lage, ein zum Druck kompatibles Format zu generieren. Sollte das von Ihnen verwendete Programm ein angefordertes Zielformat nicht erzeugen können, hilft die kostenfreie Open-Source-Software Meshlab weiter. Sie liest eine Vielzahl klassischer 3D-Formate ein und bietet spezielle Filter und Werkzeuge, um Gitternetze zu verändern oder zu reparieren und in neue Zielformate zu speichern. Das OBJ-Format von Wavefront ist ein beliebtes Format für den Versand an Druckdienstleister. Weit verbreitet ist STL, das ein Standardformat für die Ausgabe auf stererolithographischen Ausgabegeräten ist. Es hat sich aber inzwischen als möglicher Standard in der Industrie etabliert. Daten im 3D-Studio-Format (3DS) oder im DXF-Format von AutoCAD kommen ebenfalls zum Einsatz. Auch die Verwendung des Sketchup-Formates SKP ist häufiger anzutreffen. Um farbige Objekte auszudrucken, muss das Dateiformat die Farbinformation enthalten. Farbinformationen können Sie in OBJ, SKP, 3DS und DXF einbetten.

3D-Objekte selbst erstellen

3D-Druck ist auch für die breite Masse angekommen. Eine Fülle an Druckermodellen überschwemmt den Markt und sind zu immer günstigeren Preisen zu haben

Sinnvoll ist die Anschaffung eines 3D-Druckers nur dann, wenn das Gerät regelmäßig genutzt wird. Materialkosten und Wartungsaufwand werden bei der Anschaffung gerne übersehen. Wer nur ein einzelnes oder sehr selten 3D-Objekte drucken möchte, kann auf die Leistung einer Reihe von Anbietern zurückgreifen, die online Daten entgegennehmen, das Objekt ausdrucken, verpacken und anschließend zum Auftraggeber versenden.

Für die Herstellung einfacher Modelle sind eine Vielzahl von Programmen gut geeignet. Viele Dienstleister stehen zur Verfügung um Objekte in unterschiedlichen Materialien und Qualitäten auszudrucken. Doch nach wie vor bedarf es profunder Kenntnisse, möchte man perfekte, maßstabsgetreue Objekte herstellen. Das ist sicherlich ein Grund dafür, dass 3D-Druck sich nach wie vor am stärksten in Fachkreisen verbreitet.

Materialien

Je nach eingesetztem Druckverfahren lassen sich mittlerweile praktisch alle Werkstoffe zur Herstellung dreidimensionaler Objekte einsetzen. Dazu gehören Kunststoffe, Metalle oder keramische Materialien. Metalle werden in Form spezieller Legierungen eingesetzt. Das Recycling der eingesetzten Materialien ist nicht unproblematisch, da sich die Struktur des Werkstoffes durch den Druckprozess so verändert, dass es nicht ohne weiteres wiederverwendet werden kann. Momentan wird auf dem Feld der Wiederverwertung viel experimentiert. Zum Einsatz kommen Mischungen, die eine Kombination aus neuem Werkstoff und aufbereiten Abfallmaterialen darstellen – ähnlich der Vorgehensweise beim Glas oder Kunststoff-Recycling.

So funktioniert der 3D-Druck

Unser 3D-Projekt: Die rote Halterung bauen wir in 3D nach und drucken sie aus.
Vergrößern Unser 3D-Projekt: Die rote Halterung bauen wir in 3D nach und drucken sie aus.

Beispielprojekt

Wir zeigen Ihnen an einem ganz konkreten Beispiel, wofür Sie die 3D-Drucktechnik verwenden können. Eine iPhone-Halterung soll beispielsweise in einem VW-Bus (T4) angebracht werden. Ein Blinddeckel am Armaturenbrett könnte die Halterung aufnehmen, ist aber zu klein. Daher basteln wir in der 3D-Software Cinema 4D eine größere Steckkappe und drucken sie aus. Sie ist dann groß genug, um Verbindung zu der iPhone Halterung aufzunehmen. In unserem Test klappt das übrigens prima.

iPhone-Adapter in Cinema 4D konstruieren

1. Vorlage vermessen

Vorlage vermessen
Vergrößern Vorlage vermessen

Dabei vermessen wir den Blinddeckel mithilfe einer Schublehre auf den zehntel Millimeter genau. Die ermittelten Maße nutzen wir, um das Druckteil zu entwerfen. Um Verbindung mit der Platte der iPhone-Halterung aufzunehmen, erstellen wir für das Druckteil eine gleich große Platte. Im Lieferumfang der Halterung sind vier Schrauben enthalten. Damit wir später eine feste Verbindung erhalten, gestalten wir vier Löcher im Kerndurchmesser am Druckteil, sodass die beiden Teile nach dem Ausdruck verschraubt werden können. Zum Sockel addieren wir etwa acht Millimeter Höhe hinzu, damit die Platte ein wenig aus dem Armaturenbrett hervorsteht. Damit die Platte stabil genug ist, definieren wir für sie eine Höhe von mindestens acht Millimeter.

2. Skalierung in Cinema 4D wählen

Das Modell auf die richtige Größe bringen

In Cinema 4D wählen wir unter „Bearbeiten > Programmvoreinstellungen“ in der links befindlichen Liste den Eintrag „Einheiten“. Dort wählen wir unter Einheitenanzeige „mm“. Um das Bauteil maßstabsgetreu zu gestalten, arbeiten wir in den Arbeitsfenstern in einer starken Vergrößerung. Eine Alternative besteht darin, in einem vielfachen Maßstab der Form zu Entwerfen und anschließend das Objekt für den Druck proportional zu skalieren.

Um einen Fensterwechsel zwischen Maßzeichnung und Arbeitsansicht zu vermeiden, laden wir die Maßzeichnung in die Ansichten als Hintergrundbild und skalieren die Größe anhand eines Referenzobjekts. Mithilfe eines Schiebereglers lässt sich die Transparenz der dargestellten Zeichnung verändern.

Tipp Im Arbeitsfenster lässt sich im Menü „Optionen“ die Funktion X-Ray einschalten. Damit werden aktive Objekte transparent dargestellt und die im Hintergrund befindliche Zeichnung wird sichtbar.

Tipp: Arbeiten Sie immer um die Achsen X, Y oder Z entweder horizontal oder vertikal und nutzen den Nullpunkt als Referenzpunkt. Das hilft bei der Orientierung und verhindert komplizierte Maße.

3. Objekt formen

Mit Cinema-4D-Werkzeugen das Objekt formen

Der obere Bereich mit den Schraublöchern entsteht durch extrudierte Pfade. Anschließend vereinigen wir die Formen und ziehen mittels Extrusion die Klemmwangen aus der Form heraus. Für die Außenkontur der oberen Platte wählen wir „Erzeugen > Spline > Rechteck“. Da wir in einer starken Vergrößerung arbeiten, ist das Objekt zunächst nicht zu sehen. Im Attribute-Manager tragen wir einfach die Werte ein und schon wird der Pfad sichtbar. Dann wählen wir „Erzeugen > Generator > Extrusion“. Anschließend legen wir den Pfad in den Generator und erhalten eine plastische Form. Die Extrusions-Tiefe entspricht der Höhe der Platte und wir tragen den Wert bei den Objekteigenschaften in dem Bereich „Verschiebung“ ein.

Schrittweise modellieren wir auf diesem Weg unsere Grundform mit den Abstufungen im hinteren Bereich. Da wir die Einzelobjekte miteinander verschmelzen wollen, sorgen wir dafür, dass sie etwas ineinander eintauchen. Um die Einzelobjekte zu verschmelzen, müssen sie in bearbeitbare polygonale Formen gewandelt werden. Das geschieht mit dem Befehl „Mesh > Konvertieren > Grundobjekt konvertieren“ oder mit der Taste „C“.

Konvertierte, extrudierte Objekte bestehen immer aus drei Teilen. Einer Deckfläche am Anfang und am Ende, sowie die Form als Hülle. Für jedes gewandelte Extrusions-Objekt wählen wir alle Komponenten aus und verbinden sie mit dem Befehl „Mesh > Konvertieren > Objekte verbinden und löschen“.

Tipp: Heben Sie sich von den Zwischenschritten Kopien der Objekte auf. Erzeugen sie dazu ein Nullobjekt, machen es dauerhaft unsichtbar und legen die Kopien hinein. Sollte sich später beim Modellieren ein Fehler einschleichen, können Sie so schnell zur Ausgangsform zurückkehren.

Das ist beim Erstellen des 3D-Modells zu beachten

Dreidimensionale Körper werden in der Modellier-Software als Drahtgitter dargestellt, das als Hülle das Volumen definiert. Problematische Stellen innerhalb der Geometrie führen zu Fehlern beim Druck

  • Die zu druckende Form muss als geschlossenes, fehlerfreies Drahtgitter vorliegen.

  • Löcher in der Hülle, isolierte Punkte, komplexe Pole, schlechte Polygone, verzweigende Geometrie und unebene Polygone müssen korrigiert werden.

  • Spezielle Funktionen, die als Kraft auf die Geometrie einwirken, müssen zu Polygonen gewandelt werden.

  • Ineinander verschobene Volumen müssen mit den Funktionen der Modellier-Software aufgelöst und als Drahtgitter nahtlos zusammengefügt werden.

4. Gitterform erstellen

Formen zu einer zusammenhängenden Gitterform vereinen

Schrittweise konvertieren wir nun alle Komponenten und verbinden Sie mithilfe des Boolschen Objekts. Dazu wählen wir unter „Erzeugen > Modelling > Boole“. Das Boolsche Objekt addiert, subtrahiert oder dividiert Formen untereinander. Für unser Druckteil muss ein aus einer einzelnen Hülle bestehendes Objekt erzeugt werden. Unser Boolsches Objekt stellen wir auf die Option „A plus B“ ein. Damit verschmelzen die beiden zu kombinierenden Objekte miteinander und es entsteht eine nahtlose Hülle.

Diesen Arbeitsschritt wiederholen wir für jede Komponente der Form nacheinander. Bei den Objekt-Eigenschaften des Boolschen Objekts aktivieren wir „Hohe Qualität“ und „Einzelnes Objekt erzeugen“. Die Option „Neue Kanten verstecken“ lassen wir ausgeschaltet, da es sonst zu Störungen innerhalb der Geometrie kommt. Ob die Hülle in Ordnung ist, klärt ein Blick in das Innere. Dazu kann man einfach eine Deckfläche vorübergehend löschen. Das innere Volumen muss komplett hohl sein.

Da wir die Form nicht massiv drucken wollen, höhlen wir mit einem Würfelobjekt den Kern aus. Das spart Material, Gewicht und Kosten beim Druck. Um ein Volumen zu subtrahieren, wählen wir die Option „A minus B“. Dabei ist die Reihenfolge der Objekte entscheidend, die wir in das Boolsche Objekt gelegt haben. „A“ ist immer das in der Reihenfolge oben stehende Objekt.

3D-Druck-Dienstleister Übersicht - Teil 1

Anbieter

Sculpteo

Shapeways

i.materialise

Technik

3D-Druck und Lasersintern

3D-Druck und Lasersintern

3D-Druck, Lasersintern, Stereolithografie, Fused Deposition Modeling und PolyJet

Material

Kunststoff, Silber, Kupfer, Kunstharz, aluminiumversetzter Kunststoff, Keramik, 4-farbiger Kunststoffdruck

Kunststoff, Silber, Gold, Platin, Kupfer, Bronze, Kunstharz, Aluminiumversetzter Kunststoff, Wachs, Keramik, 4-farbiger Kunststoffdruck

ABS Kunststoff, Keramik, Messing, Bronze, Gold und Silber

Datenformate

OBJ, STL, SKP, DXF und weitere

STL, OBJ, X3D, DAE, Collada, und VRML

STL

Besonderheiten

Online Reparatursystem für 3D-Daten

Sofortige Preisberechnung nach Hochladen des Objekts

Next Day Service über deutschsprachige Seite

3D-Druck-Dienstleister Übersicht - Teil 2

Anbieter

Fabberhouse

Teilefabrik

Sauer Product

Technik

Fused Deposition Modeling

3D-Druck und Lasersintern

3D-Druck und Lasersintern

Material

ABS Kunststoff

ABS, Polycarbonat, Polyphenylsulfon, Nylon in Weiß, Schwarz, Grau, Rot, Blau, Orange, Olivgrün und Gelb sowie transluzente Oberflächen

Kunststoff in Grau, Weiß, Schwarz, Tango, Vero Clear Edelstahl, Aluminium, Stahl, Kobalt- Chrom, Inconel, Aluminium

Datenformate

Hewlett-Packard- Druckerformat aus STL

STL

STL, STEP, IGES, CATIA

Besonderheiten

Druckersoftware, innerhalb derer man alle Parameter definiert und den Export zu Fabberhouse überträgt

3D Druckservice des 3D.Printerstore

Sofort-Angebot online

Anmerkung: Fused Deposition Modeling: Das bekannteste Verfahren, bei dem eine Kunststoffschnur mithilfe eines Schmelzkopfes verflüssigt und schichtweise zu einem Objekt verschmolzen wird. 3-Dimensional-Printing: Hier wird mithilfe eines klaren oder farbigen Bindemittels schichtweise aufgetragenes Pulver zu plastischen Formen verklebt. Laminated Object Manufacturing: Harzgetränktes Papier wird schichtweise verklebt und mit einem Laserstrahl in Form gebracht. Selektive Lasersintern: Dieses Verfahren backt pulverförmiges Material durch die Hitze eines Laserstrahls zu dreidimensionalen Körpern zusammen. Stereolithographie: Hier härtet ein Laserstrahl flüssiges Harz in einem Becken zu einem räumlichen Objekt.

5. Feinarbeiten

Schnappmechanismus und Bohrungen hinzufügen

Um den Schnappmechanismus herzustellen, wählen wir auf der Rückseite die passenden Flächen aus und ziehen mit dem Extrudieren-Werkzeug die Form heraus. Das gelingt millimetergenau, wenn wir in das Eingabefeld „Offset“ im Attribute-Manager den gewünschten Wert eintragen und die Operation mit einem Mausklick auf das Feld „Zuweisen“ durchführen. Mit dem Skalieren-Werkzeug skalieren wir die noch aktiven Flächen der Extrusion in der Y-Achse, um die gleiche spitz zulaufende Form zu erhalten, wie es das Originalteil aufweist.

Für die Schnapphaken schneiden wir die extrudierten Federn mit dem Messer-Werkzeug bei aktivierter Option „Ebene“. In unserem Beispiel wählen wir die X-Y-Ebene. Anschließend wechseln wir zum Kanten-Bearbeiten-Modus und selektieren die gegenüberliegenden Kanten der Schnittebene und ziehen diese etwas heraus.

Zum Abschluss bohren wir noch die 4 Schraublöcher in die Platte. Dazu wählen wir ein Zylinderobjekt und versehen es mit dem gewünschten Radius. Dann erstellen wir drei Kopien, sodass wir 4 Zylinder erhalten. Mit Hilfe des Koordinaten-Managers richten wir die Zylinder an den Positionen der späteren Bohrungen aus. Per Befehl wandeln wir die Zylinder in polygonale Objekte um. Um aus den 4 Zylindern ein Objekt herzustellen, wählen wir den Befehl „Mesh > Konvertieren > Objekte Verbinden + Löschen“. Dabei entsteht ein neues Objekt und die Reste werden automatisch entfernt. Mit Hilfe des Boolschen Objekts bohren wir die vier Löcher, indem wir die Formen mit der Option „A minus B“ wieder miteinander kombinieren. Die Zylinder liegen in der Hierarchie auf Position B. Dann wandeln wir alles wieder in ein polygonales Objekt.

Vergleichstest - Der beste 3D-Drucker

6. Abschließende Prüfung

Mit der Mesh-Prüfung auf eine korrekte zusammenhängende Oberfläche prüfen

Mit dem Befehl „Mesh > Befehle > Optimieren“ sorgen wir dafür, dass möglicherweise entstandene doppelte Punkte eliminiert werden. Dann wechseln wir im Attribute-Manager unter „Modus“ in den Bereich der Modelliereinstellungen und Aktivieren die Mesh-Prüfung unter dem gleichnamigen Reiter. Farbig hervorgehobene Flächen zeigen problematische Flächen, die wir mit „Mesh > Befehle > Triangulieren“ reparieren. Nun kann das Modell zum Druckdienstleister.

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