In der Theorie klingt das 3D-Printing relativ einfach: Der Anwender benötigt lediglich ein 3D-Objekt, aus dem der Printer dann ein dreidimensionales Modell druckt.
Doch in der Praxis ist das Ganze komplexer, denn die gängigen Drucker können nicht einfach die Daten eines 3D-Objekts auf Basis des STL-Formats verarbeiten. STL steht für Surface Tesselation Language und beschreibt ein Objekt mit Hilfe von Dreiecken. Scherzhaft wird STL auch als Abkürzung für "Stupid Triangles, Lots of them" bezeichnet.
Die Druck-Prozesskette
Für den Druck muss ein solches Objekt erst in dünne Scheiben zerlegt werden - eine Aufgabe, die dem sogenannten Slicer zukommt. Der vom Slicer erzeugte GCode wird dann vom Pronterface in Maschinencode übersetzt, um die Druckermotoren für Bewegungen auf der x-, y-, und z-Achse sowie die Druckdüse, den Extruder, anzusteuern. Schleichen sich in dieser Prozesskette Fehler ein, so ist Ausschuss beim Druck im wahrsten Sinne des Wortes programmiert.
Foto: German RepRap
Viele Anwender dürften aber bereits viel früher vor einem Problem stehen: Wie kommen sie zu einem 3D-Objekt als Druckvorlage im STL-Format? Die nächstliegende Option ist das Zeichnen eines entsprechenden Objekts.
3D-Modelling
War das Erstellen von 3D-Objekten früher die Domäne kostspieliger CAD-Programme wie Autocad, so sind heute auch Open-Source-Programme zu finden. Teilweise eignen sie sich auch für Einsteiger. In der 3D-Printing-Community werden etwa die kostenlosen CAD-Programme "Blender" oder "Sketchup" genutzt. Sketchup war ursprünglich eine Google-Entwicklung, wurde dann aber im April 2012 an Trimble Navigation verkauft. Heute gibt es das Programm sowohl in einer Gratis- als auch in einer kostenpflichtigen Pro-Variante. Weitere kostenlose Programme sind "Sculptris", "OpenSCAD", "Creo Elements/Direct Modeling Express 4.0" oder "FreeCAD". Mit "3DTin" und "TinkerCAD" existieren zudem zwei Programme, die direkt im Browser laufen. Hierzu ist allerdings WebGL erforderlich. Einige Programme erfordern noch Plugins für den Export der Daten als STL-Datei.
Foto: Thingiverse
Mit Fotos zum 3D-Objekt
Einen interessanten Ansatz in Sachen 3D-Modelling verfolgt die Firma Autodesk mit ihrer Familie "123D". Grundsätzlich ist die Nutzung der Programme, die teilweise auch als Apps vorliegen, kostenlos. Dafür speichern diese die Daten in der Cloud und versuchen den Anwender zu vorinstallierten Dienstleistern wie 3D-Druckern zu lotsen. Neben der eigentlichen 3D-Modelling-Software "123D Design" hat Autodesk mit "123D Catch" noch ein weiteres interessantes Programm auf Lager. 123D Catch berechnet aus Bildern ein 3D-Modell. Hierzu muss der Anwender 20 bis 40 sequenzielle Bilder des Objekts aufnehmen. Diese werden dann in die Autodesk-Cloud geladen. Dort wird aus den Bildern ein 3D-Modell errechnet.
Letztlich ist Catch 123D eine Zwischenstufe zwischen dem 3D-Modelling und dem reinen 3D-Scannen, der zweiten weit verbreiteten Methode, um druckfähige dreidimensionale Vorlagen zu generieren. Das 3D-Scannen empfiehlt sich beispielsweise, wenn defekte Bauteile nachgedruckt werden sollen und keine Vorlage existiert - also quasi ein Reengineering stattfindet.
3D-Scannen
Entsprechende 3D-Scanner sind derzeit jedoch noch nicht zum Schnäppchenpreis zu bekommen. So sind beispielsweise für den "Canon RE-455X Visualizer" um die 2000 Euro zu veranschlagen. Leistungsfähigere 3D-Scanner zum Erfassen größerer Objekte kosten dann schnell mehrere zehntausend Euro.
Einfachere Scanner, die Objekte bis zu 40 Zentimeter Höhe erfassen, vertreibt beispielsweise das Braunschweiger Unternehmen David Laserscanner. Das Starterkit ist für rund 450 Euro erhältlich. Ähnlich wie bei den 3D-Druckern existieren bei den Scannern auch Open-Source-Projekte. Eines von ihnen, das FabScan, wird an der RWTH Aachen betrieben.
Microsofts Kinect scannt
Einen preisgünstigen, wenn auch ungewöhnlichen Einstieg in die Welt des 3D-Scannes eröffnet Microsofts Controller "Kinect" für die Spielekonsole Xbox, der für rund 190 Euro erhältlich ist. So wird mit der 500 Euro teuren Software "Artec Studio 9.0" aus dem Gesten-Controller ein 3D-Scanner. Laut Artec funktioniert diese Methode auch mit anderen Modellen wie dem Asus "Xtion". Voraussetzung ist, dass diese über sogennante Primesense-Sensoren verfügen.
Eine kostenlose App zur Kinect-Nutzung als Scanner stammt von Faro. Die Scenect-App, so verspricht der Anbieter, erstellt schnell komplette 3D-Modelle. Auch Microsoft hat das Potenzial von Kinect erkannt und im November auf der Entwicklerkonferenz Build 2012 in Redmond die 3D-Scan-Software "Kinect Fusion" vorgestellt.
Doch egal, auf welche Weise die Vorlage nun gescannt wurde, sie lässt sich so nicht weiterverwenden. Dies liegt daran, wie das Fablab München auf seinen Web-Seiten erklärt, dass das Ergebnis eines 3D-Scans Punktwolken sind. Für den 3D-Druck werden aber Flächen benötigt, weshalb die Punktwolken trianguliert werden müssen. Zu den Open-Source-Werkzeug mit entsprechenden Funktionen zählt "MeshLab".
3D-Bibliotheken
Deutlich einfacher ist es dagegen, gleich auf passende 3D-Vorlagen zuzugreifen. Zwei populäre 3D-Bibliotheken im Internet sind GrabCad.com oder Thingiverse.com. Angesichts der großen Menge an Projekten -GrabCad hat eigenen Angaben zufolge über 65.000 3D-Vorlagen - ist es nicht ganz einfach, das Passende zu finden, zumal das Angebot von einfachen Gadgets über Handy-Halter für das Auto, Zahnräder und Ersatzteile bis zu kompletten Druckvorlagen für flugfähige Modellflugzeuge reicht.
Offen ist zudem, inwieweit etwa Druckvorlagen für nachgefertigte Zahnräder als Ersatzteil via Internet ausgetauscht werden dürfen. Während in den USA bereits heftige Copyright-Diskussionen im Zusammenhang mit 3D-Printing geführt werden, herrscht hierzulande noch Funkstille. Ob die landläufige Meinung, dass die Praxis für den privaten Gebrauch zulässig sei, einer rechtlichen Überprüfung standhalten wird, bleibt abzuwarten.
Unabhängig davon, aus welcher Quelle nun die STL-Datei als Druckvorlage stammt, sie sollte vor der Weiterverarbeitung noch überprüft und gegebenenfalls repariert werden. Fehler in der Datei - etwa Löcher oder Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenstruktur - führen sonst später zu fehlerhaften Ergebnissen. Kostenlose Software zum Überprüfen und Reparieren ist beispielsweise "Netfabb Studio Basic" oder "VisCAM View". Wie die Prozedur mit Netfabb funktioniert und worauf zu achten ist, beschreibt ein Skript der Hochschule München (http://w.idg.de/VmH37R) sehr anschaulich.
Zerlegen in Schichten
Liegt eine fehlerfreie STL-Datei vor, folgt der vorletzte Arbeitsschritt vor dem eigentlichen Druck: das Zerschneiden (Slicen) des 3D-Objekts in dünne Schichten. Eine Software, die diese Aufgabe übernimmt, ist "Slic3". Da jeder Drucker seine Eigenarten hat, hängt dieser Schritt stark von der jeweils genutzten Maschine ab. Deshalb sollte der Anwender prüfen, ob die ins Auge gefasste Software die entsprechenden Parameter für seinen Drucker kennt. Schließlich kreiert die Software die numerischen Steuerungsinformationen, den GCode, für den 3D-Druck.
Druckertreiber
Ähnlich einem PC-Drucker benötigt der 3D-Drucker noch einen "Druckertreiber", der den GCode weiterreicht. Gleichzeitig wird mit der Software, der Hersteller German RepRap setzt hier beispielsweise auf "PRotos Printrun Host", die Feineinstellung des Druckers vorgenommen. Statt wie beim PC-Drucker die Papierausrichtung oder Druckqualität zu wählen, werden etwa die Temperatur des Druckkopfs eingestellt oder der Drucker kalibriert. Nun heißt es, sich je nach Objektgröße in Geduld zu üben.