DIGITALBAUEN

Wie erweitert der 3D-Druck die Möglichkeiten für Architekturmodelle?

Ein Fachartikel von Dipl.-Designer R. G. PILCH

In den letzten Jahren hat der 3D-Druck immer mehr an Bedeutung gewonnen. Auch Architekturmodelle werden mittlerweile oft mit 3D-Druckern erstellt. Der Stellenwert physischer Architekturmodelle ist bei aller Digitalisierung nach wie vor unbestritten. Und Einbeziehung von Haptik ist immer ein wichtiger Faktor.

In diesem Beitrag lade ich Sie ein, die Welt der 3D-Druck-Technologie zu erkunden und teile meine spannenden Erfahrungen aus den letzten Jahren mit Ihnen – sowohl im Umgang mit Architekturkunden als auch mit verschiedenen 3D-Druckverfahren. Zunächst ein kurzer Überblick zur Technologie.

Was ist 3D-Druck?

Der 3D-Druck ist ein additives Druckverfahren. Durch schichtweisen Materialauftrag wird Lage um Lage ein dreidimensionales Objekt aufgebaut.

Welche 3D-Druckverfahren sind für Architekturmodelle geeignet?

Aus der Vielzahl an 3D-Druckverfahren möchte ich Ihnen folgende vier kurz vorstellen.

• Schmelzschichtung:
  Das günstige Druckverfahren - Der Drucker mit Kunststoff-Filament auf der Rolle. Hierbei wird ein erhitztes Filament mittels einer Düse extrudiert. Das Modell entsteht durch das Aufeinanderbringen von Lagen geschmolzener Kunststofffäden. Bei komplexen Formen werden Stützstrukturen benötigt, die man nach dem Druck wieder entfernt. Die Layer, d. h. die Filamentschichten, sind je nach Einstellung mehr oder weniger sichtbar. Diese 3D-Drucke müssen häufig noch manuell geglättet werden.
• Stereolithografie (SLA):
  Das Prinzip basiert darauf, dass ein flüssiges Polymer fest wird, wenn es Licht ausgesetzt ist. Ein Laser härtet den Modellabschnitt auf einer Plattform an der Oberfläche des flüssigen Polymers. Und bei jedem weiteren Modellabschnitt wird die Plattform weiter abgesenkt. Die Ergebnisse überzeugen durch sehr glatte Oberflächen und den hohen Detailgrad. Je nach Komplexität des Modells sind auch hier Stützstrukturen notwendig, die wieder entfernt werden müssen.
• Selektives Lasersintern (SLS):
  Hierbei wird ein pulverförmiges Material mittels Laser geschmolzen und gebunden. Der Laser folgt den Modellumrissen und härtet das Pulver. Danach wird die Plattform abgesenkt damit die nächste Pulverschicht aufgebracht und gelasert werden kann. Das häufigste Material ist Polyamid oder Nylon. Es lassen sich aber auch andere Pulver, z. B. Metall, verarbeiten. Die Komplexität des Architekturmodells spielt beim Laserintern keine Rolle, weil sich das Modell während des Druckvorgangs im nicht verwendeten Teil des Pulvers befindet. Somit sind keine Stützstrukturen notwendig und das gedruckte Modell muss nach dem Druck lediglich vom Pulver befreit werden. Eine weitere Nachbearbeitung ist nicht nötig. Aus meiner Sicht ist dieses Druckverfahren sehr gut für die Erstellung von größeren Architekturmodellen geeignet, da die leicht rauen Nylonoberflächen thematisch sehr gut passen. Die Drucke können aber bei Bedarf auch geglättet und lackiert werden.
• Vollfarbdrucke:
  Wenn Sie Ihr Modell direkt in Farbe gedruckt sehen wollen, ist auch das möglich. 3D-Inkjet-Farbdrucker können nahezu photorealistische Farbmodelle erzeugen.

Wo liegen die Vorteile des 3D-Drucks?

Der erste Vorteil: Sie können sich Zeit sparen.

Wenn Sie bereits am Computer 3D-Architektur entwerfen und konstruieren, ist Ihre CAD-Datei für den 3D-Druck eine sehr gute Basis und nach der Bearbeitung als Druckdatei exportierbar. So können Sie kurzfristig einen Druckdienstleister beauftragen oder gleich selbst drucken, wenn Sie über einen 3D-Drucker verfügen. Der aktuelle Zustand, Details oder Alternativen lassen sich so auch als 3D-gedrucktes Modell beurteilen. Ein 3D-Druck ist immer akkurater als das handgeschnittene Pappmodell und bei organischen Formen sind die manuellen Fertigkeiten schnell am Limit. Und hier punktet der 3D-Druck. Ein großer Vorteil ist der hohe Detailgrad der Formen, die mit Selektivem-Lasersintern (SLS) und Stereolithografie (SLA) möglich sind. Beim Lasersintern sind selbst komplexe Konstruktionen kein Problem. Oder Sie entscheiden sich für einen vollfarbigen 3D-Druck. Ein weiterer Vorteil: Ein 3D-gedrucktes Modell lässt sich beliebig oft reproduzieren. Die Druckdatei kann später auch für die Eigenwerbung genutzt werden, bspw. als kleines Modell mit Widmung oder Logo als Präsent für den Schreibtisch des Auftraggebers.

Wie muss das digitale Architekturmodell aussehen, um 3D-druckbar zu sein?

Wenn Sie etwa ein Gebäude im Maßstab 1:500 drucken wollen, ist eine 200 mm dicke Wand nur noch 0,4 mm stark. Fensterrahmen, Türklinken etc. sind entsprechend kleiner. Die Faustregel: Kleine Details weglassen oder für den Druck verstärken! Tragende Teile sollten eine Wandstärke von mind. 1,8 mm betragen, um das Modell solide und auch transportabel zu machen. Und für den 3D-Druck werden geschlossene Volumen benötigt.

Welches Dateiformat ist ideal für den 3D-Druck?

Für einfarbige Modelle eignet sich das STL-Format sehr gut. Wenn Sie vollfarbige Modelle drucken möchten, sollten Sie in der Regel auf eine VRML-Datei als Schnittstellenformat zurückgreifen.

Welche Materialien sind möglich?

Es gibt eine Vielzahl an Optionen, darunter verschiedene Kunststoffe und Kunstharze sowie Metalle.

3D-Druck oder traditioneller Modellbau?

Entscheidend ist, wie das Architekturmodell inszeniert werden soll und welcher Maßstab geplant ist. Minimalistisch weiß reduziert oder aufwändig mit Personen und Landschaft dekoriert? Sollen Details und filigrane Formen sichtbar sein? Für ein riesiges Städtemodell im Maßstab 1:10.000 macht es aus meiner Sicht keinen Sinn, die komplette “Klötzchenlandschaft“ zu drucken. Das wäre nicht wirtschaftlich und der Bauraum des Druckers ist auch begrenzt. Wenn aber Details gefragt sind, bietet sich sofort der 3D-Druck an. Die Kunststoffdrucke können auch manuell bearbeitet und lackiert werden. Die beste Lösung sehe ich in der Kombination aller Optionen. Das bedeutet also, 3D-Drucker können ein weiteres Tool für Sie sein, quasi als Ergänzung oder Alternative zu CNC-Fräsen, Lasern, Pappe und Skalpell. Ebenso kann auch die Kombination 3D-gedruckter Architekturmodelle mit anderen Materialen wie Holz, Glas oder Metall reizvoll sein.

Was tun, wenn keine Pläne oder Dateien vorhanden sind?

Sie können 3D-Dienstleister beauftragen, die auf Basis von Skizzen, Plänen oder Fotos 3D-Dateien erstellen und diese druckbar machen.

Häufige Fehler bei der Umsetzung

• Keine exakte Konstruktion, d. h., Konstruktionsteile stoßen nicht exakt aufeinander, sind nicht miteinander verbunden oder schweben frei im dreidimensionalen Raum.
• Die Wandstärken sind bei dem gewünschten Druckmaßstab zu dünn angelegt.
• Es sind keine geschlossenen Volumina vorhanden.

Bitte beachten Sie unbedingt, dass je nach Druckverfahren unterschiedliche Mindestwandstärken zu berücksichtigen sind. Das Modell muss ein geschlossenes Volumen haben, also „wasserdicht“ sein (siehe Bild oben). Ansonsten gelten auch hier physikalische Gesetze. So mag eine Stütze mit einem Millimeter Durchmesser druckbar sein, sie wäre allerdings nicht solide. Das Druckmodell sollte also nur jene Details zeigen, die im gewünschten Druckmaßstab auch solide sind.

Ausblick und Fazit

Aus meiner Sicht ist es lohnenswert sich mit dieser zeitgemäßen Technologie zu beschäftigen und sie zu nutzen. Seit einigen Jahren werden bereits reale Bauprojekte, wie Fußgängerbrücken oder Häuser 3D-gedruckt!