Leitfaden zum 3D-Druck von Architekturmodellen

In Hinsicht auf den 3D-Druck von Architekturmodellen sind nicht alle Methoden gleichwertig. Es ist wichtig, die richtige Drucktechnologie für die jeweiligen Anwendungsfälle zu wählen. 

Zu den beliebtesten 3D-Drucktechnologien für Architekturmodelle zählen Stereolithografie (SLA), Schmelzschichtung („Fused Deposition Modeling“, FDM), selektives Lasersintern (SLS) und Binder Jetting. 

Stereolithografie war die erste 3D-Drucktechnologie der Welt und wurde in den 1980er Jahren erfunden. Sie ist bei professionellen Anwendern nach wie vor eine der beliebtesten Technologien. SLA-3D-Drucker verwenden einen Laser, um flüssige Kunstharze zu gefestigten Kunststoffen auszuhärten. Dieser Prozess nennt sich Photopolymerisation.

SLA-Teile bieten die höchste Auflösung und Präzision aller 3D-Drucktechnologien für Kunststoffe. Außerdem ist ihre Oberflächenbeschaffenheit am glattesten und leicht zu lackieren.

SLA ist eine wunderbare Lösung für sehr detailreiche Präsentationsmodelle, um Kunden oder der Öffentlichkeit Konzepte vorzustellen. 

Dank schnell druckender Materialien wie Draft Resin stellt SLA für die meisten Teile außerdem das schnellste 3D-Druckverfahren dar. Während Desktop-SLA-Drucker eine kompaktere Kapazität bieten, lassen sich mit großformatigen SLA-3D-Druckern wie dem Form 3L wirklich großangelegte Modelle herstellen.

Fused Deposition Modeling (FDM) bzw. Schmelzschichtung, auch bekannt als „Fused Filament Fabrication“ (FFF), ist die gängigste Form des 3D-Drucks bei Privatpersonen, was an der immer breiteren Verfügbarkeit entsprechender Geräte für Hobbyanwender liegt. FDM-3D-Drucker fertigen Teile durch Schmelzen und Extrudieren eines thermoplastischen Kunststofffadens (genannt Filament), der von einer Druckdüse schichtweise auf dem Konstruktionsbereich aufgetragen wird.

Schmelzschichtung hat die niedrigste Auflösung und Präzision der vier 3D-Druckverfahren und eignet sich deshalb nur bedingt für den Druck komplexer Designs oder filigraner Details. Es ist ideal für die Fertigung von einfachen Konzeptmodellen in den Anfangsphasen eines Entwurfs, da sich damit relativ große Modelle schnell und kostengünstig herstellen lassen. 

Selektives Lasersintern ist das häufigste additive Fertigungsverfahren für Industrieanwendungen. SLS-3D-Drucker verwenden einen Hochleistungslaser, um kleine Polymerpulverpartikel zu sintern. Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich. 

SLS-Druck eignet sich somit ideal für komplexe Geometrien wie Merkmale im Inneren von Teilen, Hinterschneidungen, dünne Wände und negative Details. Mit SLS-Druckern hergestellte Teile haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, weshalb sie auch für Strukturteile geeignet sind.

Binder Jetting ist ein dem SLS-Druck ähnliches 3D-Druckverfahren, jedoch mit dem Unterschied, dass hier anstelle von Hitze mithilfe eines farbigen Bindemittels pulverförmiges Sandsteinmaterial verbunden wird. Mit Binder-Jetting-Druckern können lebensnahe 3D-Architekturmodelle in Vollfarbe hergestellt werden.

Teile, die mit Binder Jetting gefertigt wurden, haben eine poröse Oberfläche und sind sehr spröde, weshalb dieses Verfahren nur für statische Anwendungen empfohlen wird.

Ein Team vom Institut für Architektur an der Hochschule Mainz - University of Applied Sciences hat die mittelalterlichen deutschen Städte Worms, Speyer und Mainz in großformatigen 3D-gedruckten Modellen rekonstruiert.

Die meisten Architekten arbeiten heute bereits im digitalen Raum, indem sie architekturspezifische CAD-Software wie BIM (Revit und ArchiCAD), Rhino 3D oder SketchUp verwenden, um digitale CAD-Designs zu erstellen. Diese digitalen Dateien sind jedoch nicht immer dazu geeignet, maßstabsgetreue physische Modelle direkt über 3D-Druck herzustellen. 

Um ein CAD-Modell erfolgreich in eine 3D-druckbare Datei zu übertragen, ist ein grundlegendes Verständnis des Designs für den 3D-Druck erforderlich. Auch muss verstanden werden, welche Rolle die Beschränkungen herkömmlichen Modellbaus bei der Vorbereitung einer Datei für den 3D-Druck spielen und wie die Modellierung zu gestalten ist – von der Wahl der passenden Größe über die Planung der Montage bis hin zur Nachbearbeitung.

Architekturmodelle werden normalerweise aus einer Vielzahl von Materialien und Komponenten zusammengebaut. Mithilfe von 3D-Druckern können diese Komponenten zu möglichst wenig Einzelteilen verbunden werden, ein gewisses Maß an Montage ist jedoch trotzdem notwendig, und zwar aus zwei Gründen:

1. Einschränkungen des Fertigungsvolumens: Sofern kein großformatiger 3D-Drucker wie der Form 3L verwendet wird, kann es notwendig sein, das Modell in mehrere Teile aufzuteilen, damit es ins Fertigungsvolumen des 3D-Druckers hineinpasst.

2. Darstellung von Details im Inneren und Materialien: Bestimmte Modelle erfordern Komponenten, die sich auseinandernehmen lassen, um das Design besser sichtbar zu machen.

Größe und Geometrie der verschiedenen Komponenten eines Architekturmodells sind ein zentraler Aspekt bei der Vorbereitung des Modells für den 3D-Druck. Im Allgemeinen werden große Modelle, Modelle mit mehreren Komponenten und Modelle mit filigranen Details in mehrere 3D-druckbare Komponenten aufgeteilt, die dann zusammengesetzt werden. Mittels chemischer Haftung oder mechanischer Montage können die Teile leicht zusammengefügt werden, und durch die hohe Genauigkeit des Drucks mit Technologien wie SLA und SLS ist gewährleistet, dass die Teile nahtlos aneinander anschließen.

Um die besten Ergebnisse zu erzielen, müssen für die Montage unter anderem folgende Modellierungsstrategien angewandt werden: 

• Aufteilung des Modells an der Naht: Indem Modelle oder Komponenten an der Naht aufgeteilt werden, entstehen Komponenten, die einfacher zu handhaben sind und nach dem Druck leichter zusammengesetzt werden können. Die einfachste Methode ein Modell aufzuteilen ist ein gerader Schnitt. Eine andere Lösung ist, dem Design Merkmale hinzuzufügen, anhand derer sich die Drucke von allein richtig ausrichten.

• Aufteilung des Modells nach Komponenten: Bei einigen Modellen bietet es sich an, sie anhand ihrer strukturellen Komponenten aufzuteilen oder sie in einen Satz von Teilen zu zerlegen. Drucken Sie diese Komponenten separat und setzen Sie sie dann anhand von zusammenpassenden Merkmalen zusammen, oder drucken Sie einfach eine Komponente des gesamten Gebäudes separat von den anderen.

Fortschritte in der CAD-Technologie haben die Entwicklung von 3D-druckbaren Dateien stark vereinfacht. Moderne CAD-Plattformen beinhalten spezielle Module für den 3D-Druck, mit denen Architekten CAD-Designs in druckbare Modelle konvertieren können. Man sollte jedoch nicht vergessen, dass die Arbeit hier immer noch in einem Maßstab von 1:1 erfolgt – um in der Druckgröße die richtigen Abmessungen zu erhalten, werden also ein paar Konvertierungen nötig sein.

Je nach verwendeter CAD-Plattform müssen bei der Entwicklung von Architekturmodellen einige wichtige Punkte berücksichtigt werden. Solche CAD-spezifischen Überlegungen sind unter anderem:

1. BIM-Arbeitsablauf: Zur Entwicklung 3D-druckbarer Modelle mit BIM-Software, die parametrische Modellierung nutzt, wie etwa Autodesk Revit oder Graphisoft ArchiCAD, ist Komponentenmanagement notwendig. Komponenten wie Luftkanalsysteme, doppelt verglaste Fenster und Klimatechniksysteme werden nicht in den 3D-Druck übertragen und müssen entfernt werden, während Teile wie Türen, Fenster, Wände und Decken dicker gemacht werden müssen.

2. Arbeitsablauf der Oberflächenmodellierung: Oft ist dieser Arbeitsablauf einfacher anzugehen, da er von 2D-Zeichnungen ausgeht, die einzig für den 3D-Druck vorgesehen sind. In diesem Ablauf wird eine vereinfachte Zeichnung exportiert, verkleinert und so weit extrudiert und nachbearbeitet, bis eine äußere Hülle geblieben ist.

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Der nächste Schritt zur Herstellung eines 3D-gedruckten Architekturmodells ist die Transkription des digitalen 3D-Modells in eine Sprache, die Ihr 3D-Drucker versteht. Hierfür ist eine Slicing- oder Druckvorbereitungssoftware notwendig, zum Beispiel PreForm. Egal, ob Sie Anfänger oder erfahrener Anwender sind, Slicing-Software lässt sich normalerweise intuitiv bedienen. Die Software hebt Details hervor, die die Struktur des 3D-Drucks beeinflussen, wie etwa Wände, die möglicherweise verstärkt werden müssen, ungestützte Stellen oder geschlossene Volumen. So können diese Probleme vor dem Druck behandelt werden. Mithilfe der Software können auch Einstellungen wie Auflösung, die Ausrichtung auf der Konstruktionsplattform und Stützstrukturen optimiert werden.

Bei der Vermittlung eines zugrundeliegenden Designkonzepts spielen Materialien eine wichtige Rolle. Es ist nicht immer zwingend notwendig, die genaue Farbe und Beschaffenheit eines Materials zu simulieren, doch es kann helfen, zwischen verschiedenen Materialien zu unterscheiden. Indem ein Modell nach seinen Komponenten aufgeteilt wird, kann die Stofflichkeit veranschaulicht werden, da Teile aus verschiedenen 3D-Druckmaterialien hergestellt oder in unterschiedlichen Farben lackiert werden können.

Die Nachbearbeitung läuft je nach der verwendeten 3D-Drucktechnologie unterschiedlich ab, beinhaltet im Allgemeinen aber das Schleifen, Verkleben und Lackieren der Modelle.

Hier sehen Sie eine Übersicht nach 3D-Druckverfahren: