3d-FARBdrucker. & by CAD Bite 2006

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1 3d-FARBdrucker Autor: Philipp Hauzinger und Gérard Lerner Spectrum Z510 3D-Farbdrucker Spectrum Z510 ist der neueste hochauflösende 3D- Farbdrucker, der für das schnelle Erstellen von Prototypen Verwendung findet. Konzipiert wurde er für Designer, Ingenieure, Architekten und Produktentwickler. Das System ist in der Lage, physische Modelle mit komplexen Geometrien dreidimensional aus Pulverwerkstoff zu erstellen. Die Modelle können monochrom oder farbig gedruckt werden. Der Aufbau der Modelle erfolgt schichtenweise, womit die Möglichkeit besteht, Modelle mit Hohlräumen zu produzieren. Das Spectrum Z510 Farbdrucksystem arbeitet mit einer sehr hohen Genauigkeit. Der Druckkopf druckt mit einer Auflösung von bis zu 600 x 540 dpi und weist die höchste Druckgeschwindigkeit in seiner Klasse auf. Das System lässt grosse Bauformate ( 254 x 356 x 203 mm) zu. Dies bedeutet für den Anwender eine deutliche Steigerung in der Präzision und der Effizienz der Modellerstellung. Ursprüngliche Entwurfsdaten müssen somit nicht mehr 2D gedruckt und anschliessend manuell gebaut werden. In diesem Kapitel wird sowohl der Drucker in seiner Anwendung und Funktionsweise als auch die benötigte Software zum 3D-Drucken vorgestellt. Mit freundlicher Unterstützung von Bibus AG (Schweiz) und vasp datatecture GmbH Systemvoraussetzungen Spectrum Z510 wird an einen Windows-PC angeschlossen (min. 3GHz Pentium4 mit 2GB RAM). Die dazu benötigte Betriebssoftware ist Windows 2000 Professional oder Windows XP Professional. Zusätzlich ist die ZPrint-Software zu installieren, mit deren Hilfe STL-, VRML- und PLY-Formate gedruckt werden können.

2 3D-Farbdrucker CAD bite 199 & by CAD Bite Vorgehensweise In einem ersten Schritt wird ein 3D-Modell mithilfe einer 3D-Software erstellt. In unserem Beispiel wurde das Modell mit formz erzeugt. Das Modell wird 1: 1 aufgebaut und anschliessend im Modellmassstab skaliert. Beim Aufbau des Protoyps muss darauf geachtet werden, dass die dünnsten Bauteile nicht kleiner als 2 mm sind, ansonsten kann es zu Stabilitätsproblemen kommen (kleinere Flächen können bis zu 0,3 mm dünn sein). Beispiel: Unser Projekt CAD House (> S. 140 / Kapitel formz) weist Wandstärken von mindestens 25 cm auf. Nun soll ein Modell im Massstab 1: 100 gedruckt werden. Dies bedeutet, dass die Wände im Modell 2,5 mm tief werden. Da der 2 mm-grenzwert nicht unterschritten wird, ist die Stabilität gewährleistet. Ist das 3D-Modell aufgebaut, so wird es als STL-Format (Standard Triangle Language) exportiert. Anschliessend wird die Datei in das Programm ZPrint importiert. Mithilfe dieser Software wird der Aufbau des Modells geprüft und anschliessend an den Drucker gesendet. Aus Pulverwerkstoff und Binder baut der Drucker das Modell Schicht für Schicht, monochrom oder farbig. Unterschiedliche Infiltrationen (Nachbearbeitungsmöglichkeiten) geben dem Modell mehr Festigkeit. Materialkostenberechner Zusätzlich zur ZPrint-Software kann auch eine von ZCorporation mitgelieferte Excel-Tabelle zur Druckzeit- und Kostenberechnung verwendet werden. In dieser Tabelle wird aufgrund der bauteilspezifischen Informationen, welche ZPrint ausrechnet, eine detaillierte Kostenaufstellung erstellt. Geschwindigkeit Die einzigartige Druckgeschwindigkeit des Spectrum Z510 liefert die Bauteile bereits innerhalb kurzer Zeit, was zu einem unmittelbaren Feedback führt und den Entscheidungsprozess beschleunigt (siehe Beispiel in diesem Kapitel). Dateiformate für den 3D-Farbdrucker STL, PLY, VRML, ZBD, ZPR via ZPrint Interface integriert ab formz 6.0 Funktionsprinzip 3D-Modellieren mit CAD-Software Exportieren als STL via ZPrint Interface 3D-Farb- oder Monochromdruck Modell 3D-Daten aus CAD-Programm, hier aus formz > S. 140 ZPrint Interface Spectrum Z510 (3D-Farbdrucker) gedrucktes Mineralmodell, des CAD House

3 ZPrint (Input) Ist das STL-File erstellt, kann es in das Programm ZPrint importiert werden. Unten finden sich Abbildungen der Benutzeroberfläche der ZPrint-Software und eine Vergrösserung der Werkzeugleiste. Zweck dieser Seite ist es nicht so sehr, eine detaillierte Benutzeranleitung zu geben, als vielmehr einen Überblick über die Software und ihre Fähigkeiten zu vermitteln. Denn sowohl Programm als auch Drucker werden von Fachpersonen bedient. Dies bedeutet für den Normalverbraucher, dass er sein STL-File bei der zuständigen Stelle abgibt, und diese dann den Druck vollzieht. Worauf zu achten ist Mithilfe von ZPrint können unterschiedliche Modellinformationen abgerufen werden. Neben den Angaben zu Oberfläche, Volumen und Druckzeit kann das Modell auch auf Fehler hin überprüft werden. Zum Teil können Ungenauigkeiten mithilfe der ZPrint- Werkzeuge ausgebessert werden. Einer der häufigsten Fehler ist hier abgebildet: falsch falsch richtig Dieser Aufbaufehler, der meistens bei frei stehenden Treppen oder ähnlichen Bauteilen auftritt, kann nicht mehr korrigiert werden und führt zu einem Auseinanderbrechen des Bauteiles. Um dies zu vermeiden, sollte während des Modellaufbaus im formz darauf geachtet werden, dass die Bauteile nicht nur durch Kanten, sondern vielmehr Flächen und Solids durchgängig ohne Flächengrenze miteinander verbunden sind. Beim Exportieren ist darauf zu achten, dass das Modell die maximale Druckgrösse nicht überschreitet. Ansonsten ist das Modell in mehrere Stücke zu unterteilen, die jeweils separat als STL-Datei exportiert werden. In unserem Beispiel wurde das gesamte Objekt in zwei Bauteile zerlegt und zum Schluss wieder zusammengeklebt. Beim Importieren in das ZPrint-Programm müssen die Einheiten (Millimeter) definiert werden. Das Modell muss 1 : 1 importiert und deshalb schon vorher (in der 3D- Software) richtig skaliert werden. Nach dem Drucken ist das Modell von den Pulverwerkstoffresten zu reinigen. Dies geschieht in der zum System gehörenden Pulver- Recyclingstation (De-Powderer) mit Druckluft und Sauger. Das gedruckte Modell lässt sich dann anhand unterschiedlicher Infiltrationsmöglichkeiten nachbearbeiten. 3 Auswahl von Einheiten und Pulvertyp Benutzeroberfläche 4 5 Werkzeugleiste Ablauf des Imports Beim Öffnen der STL-Datei erscheint ein Eingabefenster, in dem die Einheit und der Pulvertyp gewählt werden müssen: (1) Auswahl der Einheiten (2) Auswahl des Pulvertyps Standardpulver > hart Mineralpulver > Casting Modelle Ist die STL-Datei importiert, so wird sie in einem dreiteiligen Fenster dargestellt: (3) Aufsicht (4) Ansicht (5) 3D-Sicht oder Layeransicht Mithilfe von unterschiedlichen Werkzeugen kann das Bauteil überprüft und bearbeitet werden: (6) Mit diesen Befehlen werden neue oder bestehende Dokumente erstellt, geöffnet, gesichert oder importiert. (7) Diese drei Werkzeuge dienen dem Schneiden, Kopieren oder Einfügen von Objekten. (8) Um Objekte zu rotieren, skalieren, spiegeln oder anzupassen, können diese Werkzeuge benützt werden. (9) Bevor das Bauteil gedruckt wird, sollte es in seinen Schichten auf Fehler überprüft werden. Um sich in den Schichten fortzubewegen, werden diese Werkzeuge verwendet. (10) Mit diesem Werkzeug können die 2D-Layer in einer 3D-Ansicht dargestellt werden. (11) Dieses Werkzeug dient dem Wechsel zwischen der 2D- und 3D-Ansicht.

4 3D-Farbdrucker CAD bite 201 & by CAD Bite Spectrum Z510 (Output) Wurde das STL-File überprüft und alle Mängel beseitigt, kann gedruckt werden. Auf dieser Seite sind einige Modelle abgebildet, welche mit dem Spectrum Z510 gedruckt wurden. Augenfällig sind die unterschiedlichen Erscheinungsbilder, welche durch verschiedene Materialien und die Fähigkeit, Teile zu infiltrieren, erzielt werden können. Die Spectrum Z510 ist selbst in der Lage, Modelle zu beschriften oder mit Texturen zu versehen. Wie in unserem Projektmodell ersichtlich, sind durch den schichtweisen Aufbau Hohlräume möglich. Die Fassade des hier in CAD Bite beschriebenen Projekts CAD House wurde im Massstab 1 : 100 dreidimensional gedruckt. Spectrum Z510 Technische Daten Material-Optionen: Pulver-Werkstoffe hart, Mineral-Pulver- Werkstoffe für direkten Form-Ausdruck für Metall-Guss Auflösung: 600 x 540 dpi System-Software: ZCorporations-Software akzeptiert Modell- Dateien in STL-, VRML- und PLY-Format; ZPrint-Software liefert 3D-Ansichten, Text-Labelling und Skalierungs-Funktionalität Strombedarf: 230 V, 3.4 A Anzahl Druckköpfe: 4 Anzahl Düsen: 1216 PC-Netzwerk-Verbindung: TCP/IP 100/10 base T Spectrum Z510 Eigenschaften Aufbaugeschwindigkeit: 2 4 Schichten pro Minute Aufbaugrösse: 254 x 356 x 203 mm Schichtdicke: mm (einstellbar) Dimension der Apparatur: 107 x 79 x 127 cm Gewicht der Apparatur: 204 kg Tipp: Farben Spectrum Z510 kann Bauteile aus einer vollständigen 24 Bit-Farbpalette erstellen, was zu mehrfarbigen Prototypen führt. 3D-gedruckte Farbkarte > Druckablauf 1.) Die Walze verteilt eine Schicht Pulverwerkstoff. 2) Tintenstrahldruckköpfe verteilen den Farbbinder (cyan, magenta, gelb, klar). 3.) Der Querschnitt des Bauteils erstarrt. 4.) Der Hebezylinder senkt sich und macht Platz für eine neue Schicht Pulver. 5.) Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Bauteil fertig ist. Farbbindung mit Lackfarben Autoindustrie Wachsbindung für Oberflächenverfeinerung Maschinenbauindustrie Konzeptmodelle jeglicher Art Produktedesign und Architektur Gussform für Maschinenbauteile Ingenieurbereich Pressform für Oberflächenstrukturen Produktedesign

5 Vom digitalen 3D-Modell über ZPrint Im Kapitel formz wurde auf S. 140 das CAD House Spriallynn erstellt. Die komplexe Lamellenform,würde jeden Modellbauer sicherlich überfordern, jedoch nicht einen 3D-Drucker. Egal ob orthogonale oder gekrümmte Flächen gedruckt wird jede erdenkliche Form, und sei sie noch so knifflig. Dieses Beispiel hier wurde zudem gleich mit Farben versehen, sodass Tragstruktur, innere Boxen und die äussere Schale klar lesbar sind. Solche konzeptionellen Farbeinsätze verstärken die Lesbarkeit des Entwurfs und helfen bei späteren Entscheidungen weiter. Wer möchte kann auch Materialtexturen applizieren, sodass selbst die Fuge in der Backsteinwand wiedergegeben wird. Diese Technologie lässt so ziemlich alles zu, was ein Architekt oder Designer gerne in kurzer Zeit als Prototyp erstellt haben möchte. Verwendung findet diese Technik heutzutage in diversen Anwendungsgebieten wie Forschung, Architektur, Medizin, Industriedesign Der CAD House 3-D-Druck war innerhalb von sechs Stunden erstellt und sofort bereit für eine Präsentation. Nachträglich wurde der 3D-Druck mit Wachs infiltriert, dies erhöht die Festigkeit des Materials und die Sättigung der Farben. Gekrümmte Flächen werden präzise ausgegeben. 3D-Modell des CAD House Spirallynn aus formz (> S. 140) ZPrint Interface Positionierung und Skalierung für den folgenden 3D-Farbdruck Schicht um Schicht wird mit dem 3D-Farbdrucker gedruckt Der Druckprozess im Zeitraffer (kann als QuickTime Film unter > 3D-Farbdrucker betrachtet werden )

6 3D-Farbdrucker CAD bite 203 & by CAD Bite zum 3D-gedruckten Farbmodell

7 Der modulare Aufbau eines Gebäudes (z. B. Stockwerke) ermöglicht, bei Änderungen im Entwurf nur einzelne Teile ersetzen zu müssen. Dies spart Zeit und Geld. Links: Stadtvilla am Zürichberg, Moussonstrasse Erweiterung Wohnhaus, Gloriastrasse Peter Felix Partner AG, Explosionsaxonometrie von Roger Studerus Rechts: Stadtvilla am Zürichberg, Moussonstrasse Erweiterung Wohnhaus, Gloriastrasse Peter Felix Partner AG, Fotografie von Thomas Aus der Au Unten: Siedlung Witenzelg, Romanshorn Peter Felix Partner AG, Fotografie von Thomas Aus der Au Der modulare Aufbau einer Situation ermöglicht grössere Modelle.

8 Wenn Sie auf Ihre Tätigkeit als Architekt zurückblicken, was hat sich in den letzten fünf Jahren verändert? Inwiefern ist die Vernetzung der einzelnen digitalen Arbeitsschritte dabei von Bedeutung. In den letzten paar Jahren hat diese Vernetzung sehr stark an Bedeutung zugenommen. Der Austausch der Daten wurde und wird immer wichtiger. Für uns als Architekturbüro und Unternehmer ist es von grosser Bedeutung, bei diesen Prozessen federführend zu sein. Der Datenaustausch ist nicht nur für den internen Workflow wichtiger denn je, sondern auch der Austausch mit Externen wie beispielsweise Behörden nimmt immer mehr zu sei es für Bauauflagen, Baueingaben usw. Alles wird immer mehr untereinander vernetzt. Deshalb möchten wir bei dieser Entwicklung vorne mit dabei sein, damit wir auch in Zukunft weiterhin kompetitiv bleiben können. Unser Büro hat dafür eigens eine Planungsdrehscheibe konzipiert und aufgebaut, die rund um die Uhr für unserer Mitarbeiter und Spezialisten (Bauingenieur, Elektroplaner ) online ist. Dort sind nicht nur Pläne enthalten, sondern auch projektspezifische Dokumentationen, die jederzeit herunter- und raufgeladen werden können. Was hat Sie zur Beschaffung des 3D-Druckers bewogen? Der Einsatz des 3D-Druckers ermöglicht uns in erster Linie mehr Zeit für den kreativen Architekturprozess. Zudem bleiben wir so konkurrenzfähig und bieten unseren Kunden einen kompetenten und effizienten Architekturservice an. Die Daten der Gebäude werden bei uns ohnehin dreidimensional mit VectorWorks erstellt und so ist der Schritt hin zum 3D-Druck mit einem sehr kleinen Arbeitsaufwand verbunden. Der heutige Trend hin zum Outsourcen einzelner Architekturaufgaben ich denke da an Visualisierungen und Modelle ist für mich kein gangbarer Weg. Im Gegenteil: Ich bin überzeugt, dass für die Zukunft Arbeitsschritte, die innerhalb des Büros wahrgenommen werden können, der Qualität unserer Architektur zugutekommen werden. Dabei spielen klare, kontrollierbare Abläufe eine sehr wichtige Rolle. Ein weiterer Aspekt ist der der kurzen Wege, und dies überzeugt uns wie auch unsere Kunden. Alles aus einer Hand ist für den Kunden egal ob privat oder institutionell eine Erleichterung und dadurch ein Vorteil. Auch ist es für mich als Chef dieses Büros wichtig, meinen Mitarbeitern interessante Arbeitsplätze bieten zu können. Ein eintöniges Unternehmen à la Schema F ist für mich undenkbar. So kann ich auch in Zukunft spannende und vielschichtige Aufgaben bieten. Dies motiviert und hält unseren Betrieb lebendig und innovativ. Wie setzen Sie den 3D-Drucker in Ihrem Büro ein was gilt es zu berücksichtigen? Der 3D-Drucker kann eine gewisse Maximalgrösse drucken. Deshalb bauen wir unsere Architekturmodelle je nach Massstab modular auf (> Seite links). So drucken wir immer die Situation getrennt vom architektonischen Projekt. Je nachdem setzten wir auch dies aus einzelnen Stockwerken zusammen. Dies hat den grossen Vorteil, dass bei Änderungen im Entwurf nur Teile erneut gedruckt werden müssen. Dies spart Kosten und vor allem Zeit. So können wir sehr schnell auf die Bedürfnisse unserer Kunden reagieren, ohne dabei immer wieder den Modellbauer zu kontaktieren. Auch können wir so sehr schnell Varianten erstellen und sichtbar machen oder komplexe räumliche Anordnungen unseren Kunden anhand der zusammensetzbaren Modelle klar und verständlich veranschaulichen. Dies ist für uns als Architekten, aber auch für den Auftraggeber eine gute Sache. Welches Potenzial weist diese neue Entwicklung aus Ihrer Sicht auf? Heutzutage wird immer mehr im städtischen Kontext entworfen und gebaut. Da spielen präzise Modelle der Situation für den Entwurfsprozess von Anfang an 3D-Farbdrucker CAD bite 205 3D-Drucker in der Architekturpraxis Im folgenden Gespräch gewährt das Architekturbüro Peter Felix Partner AG aus Zürich Einblick in ihren digitalen Entwurfsprozess. Peter Felix Partner AG erstellt seine Entwürfe mit VectorWorks und lässt diese durch den eigenen monochromen 3D-Drucker erstellen. Dies ermöglicht einen flexibleren architektonischen Planungsprozess. eine wichtige Rolle. Diese Technologie ermöglicht uns dies und gibt uns zugleich die planerischen Freiheiten, die es in einer solchen Phase braucht. Was bedeutet diese Entwicklung für Ihre Auftraggeber? Unsere Bauherren sind fasziniert von dieser Technik. Es ist natürlich eine Technologie, die noch nicht jeder kennt. Viele fragen uns nach der Arbeitsweise des 3D- Druckers und schauen auch gerne mal unserem Gerät bei der Arbeit zu. Wenn man die Besprechungszeit mit einem Modellbauer und dessen Honorar den Kosten für einen 3D-Druck gegenüberstellt, so sind diese vergleichbar. Der Einsatz dieser Technik und die daraus resultierende Zeitersparnis erlaubt uns, vermehrt Zeit der Architektur zu widmen und nicht dem Modellbau. Dies ist sicherlich für alle Beteiligten von Vorteil. Wie sehen Sie die zukünftigen technischen Entwicklungen was wäre ein wünschenswerter nächster Schritt für Sie als Architekt und Planer? Das ist schwer zu sagen. Wir im Büro sind immer auf der Suche nach neuen Entwicklungen, die wir für uns nutzen können. Bezogen auf den 3D-Drucker denke ich, dass wir sicherlich am Anfang einer Entwicklung stehen. Die neue Generation dieser Drucker ist mittlerweile noch präziser in der Auflösung. Für unsere Zwecke ist diese Technik alltagstauglich. Die Materialität der Modell hat einen ganz eigenen Charme, den ich sehr schätze, und der sicherlich auch dem Zeitgeist entspricht. Auch der Datenaustausch mit unserem CAD-Programm klappt reibungslos und Bedarf keiner grösseren Fachkenntnis. Peter Felix () vom Architekturbüro Peter Felix Partner AG (www.peterfelix.ch) sprach mit Philipp Hauzinger ()

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