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Um aus einem 3D Modell eine druckbare Geometrie in Form von vielen Schichten für einen 3D-Drucker zu erstellen, bedarf es oftmals eine Vorbehandlung dieses Modelles. Verschiedenste Software für 3D-Drucker bereiten die Modelle dermaßen auf, dass überhängende Modellteile mit einer Stützstruktur ausgestattet werden. Dafür gibt es unterschiedliche, kommerzielle oder Open-Source-Softwareprogramme. (1)
Mithilfe eines sogenannten Slicers werden die 3D-Modelle in kleinste Schichten aufgeschnitten, welche dann gedruckt werden können. Diese Slicer unterstützen überhängende Strukturteile mit Stützstrukturen. (2)
Open-Source Software:
Eine Slicer-Software ist Skeinforge, welche zu den Open-Source-Programmen zählt. Dieses Programm besteht aus einer Werkzeugkette aus Skripten, welche in der Programmiersprache Python geschrieben wurde. Mit dieser Software ist es möglich, die Stützstruktur mit einfachen Optionen zu variieren. Man kann dabei einstellen, ob Stützstrukturen nur in einer oder abwechselnder Koordinatenrichtung aufgetragen werden, wie schnell Stützstrukturen im Verhältnis zum Modell generiert werden, den Abstand von der Stützstruktur zum eigentlichen Modell oder wo Stützstrukturen gedruckt werden sollen. Diese Software ist vor Allem für die RepRap Community angedacht. (3), (4), (5)
Diese Werkzeugkette oder, auch Slicing-Engine genannt, wird auch oft in weiteren Programmen, wie zum Beispiel ReplicatorG für den MakerBot, verwendet. Auch diese Software ist dabei komplett kostenlos.
Eine kommerzielle Software für die Aufbereitung von *.stl-Dateiformate für den 3D-Drucker ist netfabb. Von dieser Software gibt es jedoch eine Basis-Version, welche kostenlos ist. Die gratis Version inkludiert dabei ein Basis-Slicing Modell sowie einfache Strukturanalysen, Messungen und einfache CAD-Operationen. (6)
Bei der netfabb Engine für die RepRap Community kommen so genannte Bau-Stile zum Einsatz. Diese Stile definieren die Werkzeugwege, wie das 3D-Modell schlussendlich aufgebaut wird. Diese Software hat mehrere Standard Stile vordefiniert, es ist aber ohne weiteres auch möglich, eigene Stile zu erstellen. Neben sehr vielen Einstellmöglichkeiten kann man die Stützstrukturen genau spezifizieren. Netfabb baut Stützwände auf, welche sich knapp unterhalb der zu unterstützenden Geometrie wie die Äste eines Baumes verzweigen. Zwischen der Stützstruktur und dem eigentlichen Bauteil wird eine Art fusselartiges Material mit einer niedrigeren Temperatur eingearbeitet, sodass das eigentliche Bauteil nicht mit der Stützstruktur zusammen schmilzt. Dadurch ist die Stütze nach dem Druck leichter zu entfernen. (7)
Innerhalb der Einstellungen gibt es drei Arten von Stützstrukturen. Eine für schwache, normale oder starke Unterstützung, welche individuell eingestellt werden.
In dieser Abbildung ist das Einstellungsfenster von netfabb zu sehen. Ähnlich wie bei Skeinforge können auch hier unterschiedliche Einstellungen getroffen werden. Es lässt sich z.B. der Winkel bestimmen, ab wann eine Stützstruktur gebaut werden soll, oder aber auch, wie dicht die Stützstrukturen zusammen stehen. Die Abbildung in der rechten Hälfte des Fensters gibt dabei immer eine Vorschau.
Es gibt neben den genannten Programmen noch andere gratis Software wie zum Beispiel Meshmixer 2.0 von Autodesk, mit welcher sich Stützstrukturen aufbauen und spezifizieren lassen, um so ein sicheres Modell für einen 3D-Drucker zu generieren. (8)
Kommerzielle Software:
Neben den Open-Source Programmen und gratis Versionen gibt es aber auch einige kommerzielle Tools. Ein Beispiel dafür wäre da Magics in seiner neuesten Version 18 von Materialise.
Dieses Programm zählt sicherlich zu den führenden professionellen Softwarelösungen am Markt. Unterschiede zu Open-Source Programmen ergeben sich dabei in der Vielfalt der Einstellmöglichkeiten, Modulen und Unterprogramme innerhalb der Software. Ein nennenswerter Unterschied ergibt sich auch vor Allem in der Vielfalt, welche Dateiformate importiert werden können. (9)
Das Modul, mit welchem Stützstrukturen erstellt werden nennt sich Magics SG Module bzw. Magics SG+ Module, wobei das Letztgenannte für Metallanwendungen konzipiert ist. Mit diesen Modulen ist es möglich, automatisch Teile im Modell zu identifizieren, welche Stützstrukturen benötigen. Des Weiteren können auch verschiedene Arten von Stützstrukturen (punktförmig, linienförmig, blockförmig, etc.) hinsichtlich der Kosten erstellt werden. Perforierte Stützstrukturen sparen zusätzlich Geld und Zeit. (10)
In drei einfachen Schritten werden mit dieser Software die Stützstrukturen für das Modell erstellt:
- Automatische Generierung einen Stützstrukturvorschlages anhand von Voreinstellungen
- Feineinstellungen für den Vorschlag
- Exportieren der Stützstruktur in eine separate *.stl-Datei, entweder mit dem Modell zusammengeführt oder in Schichten geschnitten mit dem Slice-Modul (10)
In folgender Abbildung sind die unterschiedlichen Formen von Stützstrukturen innerhalb von Magics zu sehen:
Forschungsausblick:
Ein kurzer Ausblick in die Forschung zeigt ein interessantes Softwareprojekt der University of Science and Technology of China. Dabei haben Forscher einen Algorithmus entwickelt, wodurch die Software einen Hohlkörper mit einer von innen stützenden Rahmenstruktur versieht, wodurch die Stützkraft erhalten bleibt aber die Masse der benötigten Stützkraft drastisch reduziert wird, da viel weniger externe Stützstrukturen benötigt werden. (11), (12)
In dieser Abbildung ist zu sehen, dass mit dem neuen Algorithmus (rechts) viel weniger externe Stützstruktur und somit Material als wie bei einer herkömmlichen Methode (links) verwendet wird.
Quellen:
(1) „Model Slicing and Support Structure Generation for 3d Printing“; Autor: Stefan Sydow; 2012; Verfügbar unter: http://cybertron.cg.tu-berlin.de/rapid_prototyping_11ws/slicer/#implementation (Aufruf: 29.06.14)
(2) „G-Code“; RepRap-Wiki; Verfügbar unter: http://reprap.org/wiki/G-code (Aufruf: 29.06.14)
(3) „Skeinforge Support..Part 1“; Autor: Dave Durant; 2010; Verfügbar unter:
http://davedurant.wordpress.com/2010/07/31/skeinforge-support-part-1/ (Aufruf: 29.06.14)
(4) „Printing without support – extreme overhang“ Autor: Luke Chilson; 2012; Verfügbar unter:
http://www.protoparadigm.com/blog/2012/01/printing-with-support-extreme-overhangs/ (Aufruf: 29.06.14)
(5) „Trying out Skeinforge Support Material“; Autor: M. Elizabeth Scott; 2014; Verfügbar unter:
http://scanlime.org/2011/02/trying-out-skeinforge-support-material/ (Aufruf: 29.06.14)
(6) „netfabb Download Center – Basic Version“; netfabb GmbH; Verfügbar unter: http://www.netfabb.com/downloadcenter.php?basic=1 (Aufgerufen: 30.06.14)
(7) „Build Styles for netfabb Engine for RepRap“; netfabb Wiki; Verfügbar unter: http://wiki.netfabb.com/Build_Styles_for_netfabb_Engine_for_RepRap (Aufgerufen: 30.06.14)
(8) „Meshmixer 2.0 ist out, with new support material system for 3D printing“; www.3ders.org; 2013; Verfügbar unter: http://www.3ders.org/articles/20130924-meshmixer-2-is-out-with-new-support-material- system-for-3d-printing.html (Aufgerufen: 30.06.14)
(9) „Materialise Magics 18“; Shane Taylor für 3dprintingindustry.com; 2013; http://3dprintingindustry.com/2013/11/13/free-3d-file-programs-materialise-magics-18/ (Aufgerufen: 30.06.14)
(10) „Magics, the most powerful STL editor“; Materialise NV; Verfügbar unter: http://software.materialise.com/magics (Aufruf: 30.06.14)
(11) „Neuer Algorithmus macht 3D-Drucken günstiger“; drupa-Messe Düsseldorf; 2013; Verfügbar unter: http://www.drupa.de/cipp/md_drupa/custom/pub/content,oid,30434/lang,1/ticket,g_u_e_s_t/~/Neuer_Alg orithmus_macht_3D-Drucken_kosteng%C3%BCnstiger.html (Aufruf: 29.06.14)
(12) „Cost-effective printing of 3D-Objects with Skin-Frame Structures“; Autoren: Weiming Wang, Tuanfeng Y. Wang, Zhouwang Yang, Ligang Liu, Xin Tong, Weihua Tong, Jiansong Deng, Falai Chen, Xiuping Liu; University of Science and Technology of China; Verfügbar unter: http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Projects/2013_SigAsia_3DPrinting/default.htm bzw. http://staff.ustc.edu.cn/~lgliu/Projects/2013_SigAsia_3DPrinting/Paper/SigAsia2013_3Dprinting.pdf (Aufruf: 29.06.14)
(c) Picture via Ligang Liu, netfabb & Materialise
von Benjamin König
In der Gastbeitrag Serie “Back to School” werden Arbeiten von Studenten des FH Technikum Wien veröffentlicht. Diese drehen sich um Additive Fertigung und die technischen Details die dahinter stehen. Die Studenten der Fachrichtung Mechatronik und Robotik publizieren hier ihre Arbeiten aus der Lehrveranstaltung Generative Fertigung mit Dr. Johannes Homa.
Zur Übersicht der Back to School Serie.
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