Aufbereitung eines 3D-Modells für den 3D-Druck mit TurboCAD: Ein Erfahrungsbericht
Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte. Was ist dann erst mit einem 3D-Modell, was man in die Hand nehmen kann?
So oft habe ich es in meinem Berufsleben gesehen; in einem Besprechungsraum oder auf der Messe, ein gedrucktes 3D-Modell wird herumgereicht, es wird bestaunt, das Funkeln in den Augen, wie kleine Kinder mit einer neuen Modelleisenbahn zur Weihnachtszeit. Das Betrachten von technischen Zeichnungen oder Fotos ist das eine, aber ein Bauteil oder gar eine ganze Anlage vor sich als Modell im Miniaturformat stehen zu haben, ist etwas ganz anderes.
In diesem Artikel möchte ich die Vorgehensweise zur Erstellung so eines 3D-Drucks anhand eines unserer vergangenen Projekte beschreiben.
Letzten Sommer erhielten wir die Anfrage von einem Ingenieurbüro aus Hamburg, ein Pumpenmodul zu drucken. Dieses sollte für Ausstellungszwecke genutzt werden, um genau dieses oben beschriebene Funkeln in die Augen zu treiben und am Ende des Tages natürlich das Geschäft anzukurbeln. Stück der Begierde war ein Pumpenmodul mit zwei Pumpen, einem Plattenwärmetauscher, Rohrleitungen samt Ventilen, Sensorik etc. und alles vormontiert auf einem Fundamentrahmen aus Stahlprofilen. In Neudeutsch auch Skid genannt. Die Vorteile liegen natürlich auf der Hand. Alles wird vormontiert, selbst die interne Verkabelung wird schon vorab fertiggestellt. Dann kann das Modul einfach transportiert und vor Ort angeschlossen werden. Quasi Turn-Key.
Nun ist dieses Pumpenmodul in Realität ca. 2,6 m breit, 2,4 m tief, 2,0 m hoch und ~ 3 t schwer. Etwas groß, um es mit auf die Messe zu nehmen oder ins Büro zu stellen. Um es zu schrumpfen, muss zunächst der passende Maßstab für das Modell gefunden werden. Was sollte dabei beachtet werden? Drei Hauptfaktoren sind gewünschte Detailgenauigkeit, Größe und Preis des Modelles. Würde man z.B. einen Maßstab von 1:10 ansetzen wäre das Modell 26 x 24 x 20 cm groß, man könnte natürlich viel mehr kleine Details zeigen, jedoch würde es mit dem Handgepäckkoffer schon schwierig werden und mehr als 1000,00 € kosten. Es kommt darauf an, welches Teil wie und wo ausgestellt werden soll, aber in diesem Fall sollte es sich um ein kleineres Modell handeln, welches man unkompliziert transportieren, bestaunen und von Hand zu Hand reichen kann.
Nach kurzer Überlegung haben wir uns daher auf den Maßstab 1:25 geeinigt. Damit liegen die Außendimensionen des Modells bei 110 x 100 x 85 mm (Gewicht ~90 g). In diesem Maßstab können auch kleinere Objekte wie Sensoren oder Flanschlöcher gerade noch ausreichend detailliert dargestellt werden und mit einem Preis von ca. 80,00 €, ist das Modell auch noch erschwinglich.
Kleiner Tipp am Rande: Sollte man vorhaben das Modell noch weitergehend in Szene zu setzen, wie zum Beispiel mit kleinen Arbeiterfiguren zu versehen, dann ist es Hilfreich einen gängigen Maßstab aus dem Modellbau wie z.B. 1:220 (Z Normalspur) zu wählen. Dann ist das Dazukaufen von Figuren, oder anderen dekorativen Gegenständen wie Bäume, Schilder oder was auch immer, überhaupt kein Problem.
Ist der Maßstab festgelegt steht die Materialauswahl und die Wahl eines geeigneten Druckverfahrens an. Als Material wurde Polyamid Weiß gewählt und der SLS-Druck (Selektive Lasersinter-Verfahren / Pulverbettverfahren). Heutzutage können 3D-Modelle auch in Farbe gedruckt werden, dies hätte den Preis aber enorm nach oben getrieben. Daher blieb es bei einem rein weißen Modell. Das man ein Modell aber auch im Nachhinein noch selbst anmalen kann, und damit dessen Ausstrahlungskraft um ein Vielfaches erhöhen kann, werden wir im Verlauf dieses Artikels erfahren.
Maßstab, Material und Druckverfahren sind nun bekannt, dann geht es jetzt an das 3D-Modell. Das Original 3D-Modell haben wir vorab vom Kunden im STEP-Format erhalten. Üblicherweise erhält man diese CAD-Modell aus der Konstruktion im Maßstab 1:1. Diese enthalten dann alle nötigen Teile und weisen eine hohe Detaildichte auf. Danach soll nun mal auch gebaut und Bauzeichnungen von diesem Modell abgeleitet werden. Jetzt steht man bei einem 3D-Druck natürlich vor der Herausforderung diese hohe Detaildichte so weit zu reduzieren, dass sie druckbar ist (Stichwort Drucktoleranz und Mindestwandstärken), aber gedruckt soll das Modell auch wiederum nicht zu klobig aussehen. Details wie Ventilhebel, Flansche, Knöpfe auf dem Schaltschrank, also genau das, was ein gedrucktes Modell so ansprechend macht, sollen natürlich nach wie vor sichtbar sein und einen realistischen Eindruck des Bauteils vermitteln.
Für die Umwandlung des 3D-Modells wurde in diesem Fall TurboCAD Platinum genutzt, da es alle nötigen Werkzeuge mitbringt. Zusammengefasst ist das: Skalieren, Teile mit zu hoher Detaildichte austauschen oder modifizieren, am Ende alles wieder zu einem Volumenkörper zusammenschmelzen und als druckbare STL-Datei exportieren.
Wie man in diesen zwei Screenshots gut erkennen kann, wurden kleine Bauteile, welche durch die Skalierung sonst nicht druckbar gewesen wären, vereinfacht. Hierbei ist Kreativität aber auch Erfahrung gefragt. Je nach Druckverfahrenen, Material und Drucker können sich Drucktoleranzen und -genauigkeiten ändern. Auch soll das Modell nach dem Druck nicht so schnell zerbrechen können. In dem vorliegenden Fall wurden alle Teile kleiner als 0,8 mm entsprechend vergrößert. Gut erkennen kann man dies zum einen im vorderen Bildbereich bei den Handrändern der Ventile und zum anderen oben mittig an den Manometern und Thermometern. Im CAD-Programm selbst sieht das zunächst etwas gewöhnungsbedürftig aus, da man hier eher eine hohe Detaillierung gewöhnt ist und das vereinfachte Modell schnell nach Bauklötzchen aussieht, aber im Hinterkopf muss man stets den Skalierungsfaktor haben und die nötige Vorstellungskraft besitzen, wie das ausgedruckte Modell dann am Ende wirkt.
Ist dieser Vorgang der Vereinfachung abgeschlossen, muss das Modell (je nach Drucker- oder Druckservicevorgabe) nun in ein passendes Austauschformat exportiert werden. In diesem Fall war dies STL. Ein sehr gängiges und von den meisten Druckern unterstütztes Dateiformat, welches TurboCAD ohne Probleme ausgeben kann. Die Modellfeinheit der STL-Datei, sprich die Größe der Oberflächendreiecke, welche als Annäherung der Geometrie des Modelles verwendet wird, sollte dem gewählten Druckverfahren entsprechen, da sonst evtl. wichtige Details von einer zu groben Oberflächengenauigkeit verschluckt werden können.
Hat man nun die druckfähige Datei, kann man diese entweder mit dem eigenen Drucker drucken oder wenn man diesen nicht hat, das Modell zu einem der vielen Onlinedruckservices schicken. Wir haben uns für dieses Projekt für den Anbieter iMaterialise (https://i.materialise.com/en) entschieden. Hier wurden in der Vergangenheit gute Erfahrungen gemacht, angefangen vom einfachen Dateiupload, der Materialauswahl, Kundenservice und letztendlich der guten Qualität des Drucks.
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Das Modell wird zunächst auf der Website hochgeladen und automatisch geprüft. Alle Oberflächen geschlossen? Kein Körper in Körper? Alles ein zusammenhängender Volumenkörper? Mindestwandstärken und vieles mehr. Alles voll automatisch und innerhalb von wenigen Minuten abhängig von der Komplexität des Teiles. Im Idealfall gibt es hier keine Beanstandung und der Druck kann in Auftrag gegeben werden. Der nachfolgende Screenshot zeigt die Prüfung der Wandstärke und gibt ebenfalls Auskunft über einige Modellparameter.
Nun einmal auf den Bestellknopf gedrückt und in ein bis zwei Wochen steht das Modell auf dem eigenen Schreibtisch. In diesem Fall wurden zwei Modelle bestellt. Eins ging im reinen weiß direkt an den Kunden, das andere zu uns ins Büro für eine kleine Nachbearbeitung in Eigenregie. Und zwar das Anmalen, um das Modell noch attraktiver zu machen und die Blicke der Vorbeilaufenden einzufangen. Zum Thema Farbwahl und Anmalen von 3D-Druckmodellen gibt es im Internet ausreichend viele Ratgeber. Dies wird hier im Blog-Artikel nicht weiter behandelt.
Die nachfolgende Bildergalerie zeigt einen Überblick über den Prozess, wie dem Modell mit jedem Pinselstrich ein bisschen mehr Leben eingehaucht wird. In meinen Augen ein Hingucker, welches unser Büro definitiv verschönert.
Ich hoffe dieser Artikel hat Ihnen einen Einblick in die Erstellung eines druckbaren Modelles via TurboCAD verschaffen können. Sollten Sie Fragen dazu haben oder selbst an einem 3D-Druck interessiert sein, können Sie uns jederzeit kontaktieren!
Besuchen Sie auch gerne unsere Internetseite für mehr Informationen über unsere Dienstleistungen wie z.B. Schulungen, Onlinekurse oder unserem CAD-Support: www.cryocademy.com
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