Scannen, Drucken, Gießen - 3D Druck-Kurs

„Der Kurs bietet einen Einstieg in die Technologien, die Designer nutzen können, um digitale Entwürfe real zu überprüfen, zu digitalisieren, virtuell weiterzuentwickeln und letztlich als physisches Modell umzusetzen. Es wird ein Überblick über die zur Zeit gängigen Verfahren gegeben und anhand von Referaten vertieft. Freiheiten und Einschränkungen der unterschiedlichen Verfahren werden aufgezeigt und diskutiert.Durch die selbständige Entwicklung einer Entwurfsübung, sollen die besonderen Möglichkeiten des Rapid-Prototyping Verfahren verstanden werden.“ Kursbeschreibung von Sebastian Reichel

Kursbuch

Dokumentation zum Kurs Werkstattpraxis 14W3D-DM Digitaler Modellbau im Wintersemester 13/14 Produktdesign der FH-Potsdam

Scannen

Das 3D Scannen wandelt ein reales Objekt in digitale Daten um. Diese können in 3D Programmen als virtuelles Objekt weiter bearbeitet werden. Um solche Daten zu erlangen greift die Fachhochschule auf zwei verschiedene 3D Scanner zurück. Eines dieser Modelle, der TopoCam, legt ein Lichtlinienraster per Projektor auf das Objekt. Zwei stereoskopische Kameras erkennen die Verwerfungen der Projektion auf dem Objekt. Durch diese Abweichungen errechnen sie Positionswerte der Oberfläche. Dies kann nur funktionieren, weil die Kameras aus zwei verschiedenen Winkeln auf das Objekt und das projizierte Raster sehen. Das System verfügt über keinen selber gesteuerten Drehteller. Der Benutzer muss das zu scannende Objekt selbstständig drehen. Deshalb weiß das Scann-System nicht wie weit das Objekt gedreht wurde. Um sich trotzdem zu orientieren nutzt es Marken.

Dies sind kleine schwarz-weiße Aufkleber, die der Nutzer selber in einem unregelmäßigen Muster aufklebt. Das System erkennt darin ein Muster und setzt anhand der Marken die Daten zusammen. Nur so kann ein zusammen hängendes 3D-Modell entstehen. Das zweite zur Verfügung stehende System, der Nextengine 3D-Scanner, besitzt den genannten Drehteller. Es steuert diesen direkt an und weiß daher, wann und wie sehr sich das Objekt dreht. Klebemarken sind daher überflüssig. Marken auf dem Objekt sind gleichzeitig Löcher, die das System selber herausrechnen muss. Diese Ungenauigkeit ist hier nicht vorhanden. Jedoch ist das zweite Kamerasystem nur für kleinere Objekte geeignet. Größere und vor allem schwere Objekte überlasten die Drehscheibe. Anstatt ein sichtbares Lichtlinienraster nutzt er einen Laser. Durch dieses kann er auch bei Licht benutzt werden, im Gegensatz zur TopoCam.

Zum Anfang des Kurses begann ich damit eine Ananas zu scannen. Schnell erlangte ich die Fähigkeit Objekte mit der TopoCam zu scannen und die Dateien auszubessern. Ich konnte jedoch keine Anwendung für diese Datei finden. Losgelöst von ihr begann ich mit der Erstellung eines Aschenbechers. Im Laufe des Prozesses entstand die Idee, einen Bergkristall zu erstellen, der aus dem Muttergestein heraus wächst.

Zeitgleich arbeitete ich durch einen an deren Kurs in der Modellierwerkstatt. Auf dessen Balkon stehen seit längerem Gipsplastiken. Diese sind in der Zeit verwittert. Ihre Oberfläche ist aufgebrochen und kristallisiert. Ihr Äußeres erinnerte mich an mein Projekt. So kam es dazu, dass ich ein solches Gipsobjekt einscannte.

3D Modeling

Der Scanner erstellte aus dem Gipsobjekt eine Oberfläche. Dazu entwarf ich einen Aschenbecher, der gedruckt werden sollte. Die Idee war es erst einen Bergkristall darzustellen, dieser sollte aus dem Muttergestein herauswachsen. Der Kristall hätte dann Ausbuchtungen für seine Funktion als Aschenbecher gehabt. Meine Entwürfe waren jedoch meist zu groß, als das sie in die Druckkammer des Makerbots gepasst hätten. Kristalle zeichnen sich durch ihre minimalen Formen aus. Das Objekt wurde daher vereinfacht. Jetzt wollte ich keinen Kristall auf einen Gesteinsblock setzten, sondern ihn als Negativform aus dem Gestein abtragen. Das brachte den Kontrast und harten Bruch zwischen dem glatten Kristall und dem rauen Felsen noch mehr hervor.

3D Drucken

Die Fachhochschule bietet mehrere Drucker mit verschiedenen Druckverfahren an. Ich habe mich für den Drucker der Firma Makerbot entschieden. Dieser funktioniert nach dem Fused Deposition Modeling System. Dabei wird eine PLA Kunststoffschnur erhitzt, durch eine Düse geschoben und verdünnt in Bahnen zu einem Modell zusammen gelegt. Der Druck erbrachte auch Probleme. Der Modellboden hielt nicht und riss ab. Spachteln des Bodens schlug wie das Lackieren des Modells fehl.

Gießen

Zum Gießen muss das Objekt in einen Behälter kommen. Dazu muss man bei mehrteiligen Formen die Trennkanten bestimmen. Dies fällt hier jedoch aus, da ich mich für eine einteilige Form entscheiden habe. Trotzdem habe ich zu erst ein Gussbehälter gebaut. Auf den Boden dieses Behälters wurde die Positivform geklebt. In diesem Fall war es der 3D-Ausdruck. Danach wird Silikon mit einem Härter zusammen gegossen und vermischt. Beim Vermengen nutzen wir eine Bohrmaschine mit improvisierten Rührstab. Dieser zerkratze leider den roten Plastikeimer, den wir fürs Anrühren nutzen. Folge dessen sammelten sich rote Kunststoffspäne im Silikon an. Wenn sich diese ungünstig beim Gießen der Form legen können sie zukünftige Güsse beeinflussen. Wir versuchten möglichst viele Späne aus dem Silikon wieder zu entfernen. Das Silikon wurde dann in den Behälter mit der positiven Form gegossen. Im Silikon können sich jedoch Blasen sammeln. Um diese heraus zu bekommen nutzen wir eine Vakuumkammer. Durch den entstehenden Unterdruck ziehen sich die Blasen aus dem Silikon heraus, bevor es erhärtet. Beim Gießen können sich Blasen ansammeln und das Gussergebnis beschädigen. Aus diesem Grund habe ich verschiedene Methoden verwendet um dem entgegen zu wirken. Eine Möglichkeit ist den Guss in einer Vakuumkammer aushärten zulassen. Was beim Silikon gut funktioniert ist hier jedoch fehlgeschlagen. Der Gips war zu lange in der Kammer und so führte der Unterdruck zu Rissen beim Trocknungsprozess. Bei einem weiteren Guss habe ich nicht unternommen und die befürchteten Blasen haben sich sichtbar als Dellen manifestiert. In einem weiteren Versuch bekam ich durch Rütteln viele Blasen heraus. Leider habe ich nicht lange genug oder stark genug gerüttelt, denn man sieht immer noch leichte Blasen. Erst im letzten Anlauf entstand eine glatte feine Oberfläche. Ein solches Ergebnis braucht auch Zeit beim Aushärten. An einem Beispiel kann man gut sehen wie eine Ecke ausgebrochen ist, da der Guss zu früh seiner Form entnommen wurde. Insgesamt war ich jedoch immer wieder erstaunt, wie fein der Gips auch die kleinen Details der Silikonform übernommen hat. Vom Dozenten bekam ich speziellen Gips zur Verfügung gestellt. Dieser erbrachte beeindruckende Ergebnis. Durch seine besondere Beschaffenheit, waren die Oberflächen besonders glatt und hoben sich stark von denen des normalen Modelliergips es ab.

Backen

In den Medien heißt es oft, dass Fused Deposition Modeling-Drucker als ehestes für den breiteten privaten Gebrauch in Frage kommen. Sie sind günstiger von der Anschaffung und den Nebenkosten. Die Modellpreis sinken sichtbar von Jahr zu Jahr. Dies ist einer der Gründe, wieso mich gerade dieses System am meisten interessiert. Ich denke, dass es eines der Verfahren ist, mit dem ich auch in Zukunft am ehesten wieder zu tun habe werden, oder mir einmal selbst zulegen werde. Ich war und bin mit den Ergebnissen des Makerbots und ähnlich funktionierender Drucker allerdings nicht zufrieden. Sie können bislang nur grob eine Form skizzieren. Erste Probleme stellen sich ein, wenn man eine Modell wie in der Uni ohne beheizte Kammer oder Bodenplatte nutzt. Das Objekt verzieht sich zum Ende hin, gerade die Ränder und Flächen die als letztes gedruckt werden heben sich dadurch ab. Eine hohe Formtreue ist nicht gegeben. Um eine Idee kostengünstig in den realen Raum zu bringen und diese nur grob zu skizzieren, reicht es jedoch trotzdem völlig. Medial wird immer wieder darauf hin gewiesen, wie praktisch doch 3D Drucker wären und das man schnell Ersatzteile, wie ein Kühlschrankgriff, produzieren kann. Dem wollte ich auf die Spur kommen und herausfinden wie belastbar und praxistauglich die Erzeugnisse sind. In meinem Versuchsaufbau druckte ich Ringe. Es waren kleine Ringe dabei die mit Größeren verbunden waren. Die Stärken der Ringe variierten dabei in sich, nicht aber ihre Durchmesser. So konnte schon an einem Modell gezeigt werden, wie verwindungssteif der Ring je nach Durchmesser war und ob auch die Verbindung beider Ringe halten konnte. Mit den Ergebnissen war ich für den Anfang zufrieden. Die Objekte waren schnell und grob gedruckt und konnten von einem untrainierten Menschen nicht mit den Händen auseinander gerissen oder gebrochen werden. Die gut sichtbare Struktur des groben Druckes war allerdings sehr auffällig. Die Idee war, Teile schnell und günstig Grob zu drucken und diese dann lieber mit dem Schleifpapier zu glätten. Eine sichtbare Struktur weisen die Druckergebnisse immer auf, daher ist ein Glättungsprozess fast immer angebracht. Der Teil des Druckerzeugnisses, der direkt auf der Platte lag, kann einfach und problemlos geschliffen werden. Der Teil, der nach oben zeigt hingegen nicht. Schnell reißt man mit dem Schleifpapier den letzten Kunststofffaden raus. Sogleich beginnt sich das Modell dadurch wie ein Wollknäul abzurollen. Auch wenn man die lose Schnur abtrennt, löst sie sich beim Schleifen wieder schnell. Vermutlich kühlt der Faden beim Drucken nach oben hin schneller ab. Dadurch bindet er sich nicht fest genug an den restlichen Körper. Ich gehe außerdem davon aus, dass sich der Kunststoff im Körper teils nicht stark genug an einander setzte. Um das Glätten und Verdichten des Kunststoffes zu vereinen, versuchte ich nun das Modell zu flambieren. Dabei nutze ich einen kleinen Bunsenbrenner und zog seine Flamme über ein Modell. Die Oberfläche fing schnell an weich zu werden. Sie wurde von selber glatt. Der Kunststoff verflüssigte sich leicht, verbindet sich besser mit dem Untergrund und lief in die rillige Struktur. Schnell bekam ich dadurch eine glatte, saubere und steifere Oberfläche. Die genaue Temperatur der Flamme ist jedoch schwer zu regulieren und oft wird der Kunststoff zu heiß und fängt an Blasen zu schlagen. Dies galt es nun zu verhindern. In meinem nächsten Anlauf griff ich zu einer Heißluftpistole. Kontrolliert bearbeitete ich ein Modell punktuell erst mit 180°C heißer Luft. Es passierte lange Zeit nichts und erst langsam erahnte man ein Ergebnis. An der nächsten Stelle setze ich mit 220°C. Es kam rasch ein Erfolg, der jedoch nicht stark genug ausfiel. Bei 240°C erhielt ich langsam ein schönes gleichmäßiges Bild. Die Oberfläche wurde wieder glatt und verband sich besser mit dem restlichen Modell. Die punktuelle Bearbeitung des Modells ist zeitaufwändig und gerade bei größeren Objekten kaum zu bewerkstelligen. In meinem Fall, wo sich einer der Kunststoffdrähte immer wieder löste, kann es jedoch Vorteile haben. Wieso sollte man das ganze Modell Hitze aussetzen und starke Verformungen in Kauf nehmen? Wenn man auch einfach den gelösten Faden nahe dem Modell trennen und diese Stelle mit Hitze wieder anklebt und sichern kann. Als der Faden sich löste, fiel auf wie leicht er dies tut und das es praktisch keine Kraft benötigt um ihn vom Modell zu lösen. Vermutlich klebten die einzelnen Schichten also nur minimal aneinander. Um ein Modell schneller und nicht nur punktuell zu bearbeiten versuchte ich es im nächsten Schritt zu backen. Die Heißluftpistole würde auch nie so tief wirken können wie ein Backofen. Zum Anfang benutzte ich noch Umluft mit Oberhitze. Dabei zerschmolz zwar die Oberfläche aber der Boden zeigte sich fast unbeeindruckt. Bei 150 Grad Ober- und Unterhitze passierte nicht viel. Erst ab 200 Grad hatte ich ein bemerkbares Ergebnis. Um sicher zu stellen, dass auch der Boden jetzt bearbeitet wird, drehte ich das Modell um. Jedoch war dieses Modell schon zu lange im Backofen. Es war komplett weich und ich zerstörte beim Versuch des Drehens nur seine Form. Zum Schluss hatte es nur noch grob seine Form behalten. Ich verringerte also die Zeit im Ofen bei 200 Grad und drehte es nach einer Minute. Beim ersten mal drehen fiel schon ins Auge, dass die Backofengitter heißer waren und dem Modell Grillstreifen verpassten. Im Laufe erhitzte jedoch auch der Rest des Modells, so das diese verschwanden. Die Form des Modells wurde wieder stark beeinflusst. Die Zeit im Backofen sollte vermutlich noch geringer ausfallen und nur auf Umluft aufbauen. Dabei sollte man nicht warten, bis das Objekt sich sichtbar verändert. Ich habe es meist raus genommen, wenn ich sah, dass die Oberfläche anfing zu glänzen. Schon vorher fängt es an sich auch intern erneut zu verschmelzen. Das erkannte man gut daran, dass es an hohlen Stellen wo nur das Honeycomb-Muster ist, es mehr zusammen fällt als anstelle einer Außenwand. Direkt nach dem Backen konnte man das Modell noch mit Daumenkraft verformen. Es war zwar nicht so weich, wie der Versuch davor aber es zeigt trotzdem, dass auch nur eine Minute insgesamt gereicht hätte. Hatte man das Modell vor dem Backen versucht zu verbiegen, hat es knackt und geknarzt. Vermutlich haben sich im Inneren Kunststofffäden von einander gelöst. Diese Geräusche tauchen jetzt nicht mehr auf. Ein Zeichen mehr dafür, dass die Fäden vorher nicht fest genug verschmolzen waren und dies jetzt sind. Zum Anfang meiner Testreihe druckte ich zwei Ringe aus, diese waren wie ein L zusammen gesetzt. Ohne großen Druck zerbrach der obere Ring und trennte sich vom Unteren. Dieser war weiter hin sehr stabil und belastbar. Man erkennt hier gut, dass es auch wichtig ist beim Druck darauf zu achten wie die Kunststoff lagen aufeinander geführt werden. In der Skizze wird gut gezeigt, dass der senkrechte Ring aus vielen kleinen Lagen besteht. Diese haben auch nur eine kleine Auflagefläche die kaum belastbar ist. Der waagerechte Ring besteht aus wenigen aber sehr großen Schichten, die wiederum eine sehr große und widerstandsfähige Auflagefläche haben. Den abgebrochenen Ring habe ich auch gebacken. Nach dem Backvorgang sind die Kunststoffschichten fast zu einer großen Schicht verschmolzen. Auch mit viel Kraft kann der vorher instabile Ring jetzt kaum beschädigt werden.