3D-Druck und 3D-Modellierung im Unterricht - Education.lu

Hiermit bestätige ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als die

angegebenen Hilfsmittel und Quellen verwendet habe. Die Stellen der Arbeit, die dem Wortlaut oder

dem Sinn nach anderen Werken entnommen sind, wurden unter Angabe der Quelle deutlich gemacht.

Franky Hansen

Nom : Hansen

Prénom : Franky

Fonction : candidat-professeur de sciences (branche informatique)

Titre : 3D-Druck und 3D-Modellierung im Unterricht

Lieu d‘affectation : Lycée Technique de Lallange

Année : 2017

Zusammenfassung:

Im „Travail de candidature“ beschreibe ich, wie und in welcher Form man 3D-Modelle am Rechner

erstellen und diese mit einem 3D-Drucker ausdrucken kann. Ich untersuche, inwiefern und auf welche

Weise man diese 3D-Technologie im Unterricht sinnvoll einsetzen kann.

Ein Ziel besteht darin, 3D-Drucktechnologien und passende 3D-Drucker zu finden, die ideal im

Schulunterricht eingebunden werden können. Darüber hinaus wird nach Computerprogrammen

gesucht, die sowohl Schülern als auch Lehrern einen Einstieg in das Erstellen und Bearbeiten von 3D-

Modellen ermöglichen. Des Weiteren können 3D-Modelle mit Hilfe eines 3D-Scanners generiert oder

direkt aus einer Online Datenbank bezogen werden. Ich vergleiche 3D-Drucker und 3D-Scanner

führender Hersteller miteinander, um so deren Funktionen und Unterschiede herauszuarbeiten. Ich

teste alle möglichen Anwendungen und versuche, optimale Lösungen für deren Einsatz in der Schule

zu finden.

In einem nächsten Schritt wird die Arbeit mit Computerprogrammen für digitale 3D-Modelle

erläutert. Verschiedene Programme werden auf Anwendungszweck und Einsteigerfreundlichkeit

getestet. Dank dieser Tests lassen sich Auswahlkriterien definieren, die mir ermöglichen, optimal

einsetzbare Software für den Unterricht zu finden.

Des Weiteren entwickle ich Kursunterlagen mit unterschiedlichen Aufgabenstellungen, die dem

Schüler den Einstieg in die 3D-Welt vereinfachen und ihm das Erstellen von 3D-Modellen im Unterricht

ermöglichen. In zwei Klassen der Stufe 9TE führe ich das Thema ein und lasse die Schüler 3D-Modelle

am Rechner erstellen.

Die Arbeit soll aufzeigen, wie die 3D-Technologie im Informatik-Unterricht und fächerübergreifend

eingesetzt werden kann. Ich versuche, Schülern wie Lehrern sowohl die fast grenzenlosen

Möglichkeiten als auch Einschränkungen und Schwierigkeiten der 3D-Technologie aufzuzeigen.

Travail de candidature Hansen Franky

5

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ........................................................................................................................... 13

1.1. Ausgangspunkt ...................................................................................................................... 13

1.2. Überblick ............................................................................................................................... 13

2. Hype um 3D-Druck .............................................................................................................. 15

2.1. Geschichte und Gegenwart ................................................................................................... 16

2.2. Einsatzgebiete ....................................................................................................................... 18

2.3. Workflow ............................................................................................................................... 22

3. 3D-Druck ............................................................................................................................ 25

3.1. 3D-Druckverfahren ............................................................................................................... 25

3.1.1. Schmelzschichtverfahren - Fused Deposition Modeling (FDM) .................................... 26

3.1.2. Selektives Lasersintern - Selective Laser Sintering (SLS) ............................................... 27

3.1.3. Pulverdruck - Drop on Powder (3DP) ............................................................................ 28

3.1.4. Stereolithografie - Stereolithography (SLA) .................................................................. 29

3.1.5. Polyjet ........................................................................................................................... 30

3.1.6. Folienlaminierverfahren - Laminated Object Manufacturing (LOM) ............................ 31

3.1.7. Geeignetes 3D-Druckverfahren für Schule und Privatgebrauch ................................... 32

3.2. Komponente eines 3D-Druckers ........................................................................................... 34

3.2.1. Gehäuse ........................................................................................................................ 34

3.2.2. Achsen ........................................................................................................................... 35

3.2.3. Bedienungselemente .................................................................................................... 35

3.2.4. Extruder ......................................................................................................................... 36

3.2.5. Druckbett ...................................................................................................................... 37

3.3. Material ................................................................................................................................. 38

3.3.1. Kunststoffe .................................................................................................................... 38

3.3.2. Farben ........................................................................................................................... 39

3.3.3. Beimischungen .............................................................................................................. 40

3.4. 3D-Drucker ............................................................................................................................ 41

3.4.1. BeeTheFirst von BeeVeryCreative................................................................................. 42

3.4.2. Builder Dual-Feed von Builder 3D Printers ................................................................... 42

3.4.3. Da Vinci Jr. 1.0 von XYZprinting .................................................................................... 43

3.4.4. E1 von Fabmaker ........................................................................................................... 44

3.4.5. Idea Builder 3D20 von Dremel ...................................................................................... 45


6

3.4.6. K8200 von Velleman ..................................................................................................... 46

3.4.7. Replicator (5th Generation) von MakerBot ................................................................... 47

3.4.8. Ultimaker 2+ von Ultimaker .......................................................................................... 47

3.4.9. UP Mini von Tiertime .................................................................................................... 48

3.4.10. Überblick ....................................................................................................................... 49

3.5. 3D-Drucker: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule ........................... 50

3.6. Vom Aufbau eines 3D-Druckers bis zum ersten Druck - Erfahrungsbericht ......................... 53

4. 3D-Modellierung ................................................................................................................ 59

4.1. Geometrische Modellierung ................................................................................................. 59

4.1.1. Modelltypen .................................................................................................................. 61

4.1.2. Modellierungsverfahren und Techniken ....................................................................... 63

4.2. Formate ................................................................................................................................. 67

4.3. 3D-Modellierungsprogramme .............................................................................................. 68

4.3.1. 123D .............................................................................................................................. 70

4.3.2. 3D-Coat ......................................................................................................................... 72

4.3.3. Anim8or......................................................................................................................... 72

4.3.4. Blender .......................................................................................................................... 73

4.3.5. CoffeeSCad .................................................................................................................... 74

4.3.6. FreeCAD ........................................................................................................................ 75

4.3.7. Metasequoia ................................................................................................................. 76

4.3.8. OpenSCAD ..................................................................................................................... 76

4.3.9. Rhinoceros .................................................................................................................... 77

4.3.10. Sculptris ......................................................................................................................... 78

4.3.11. Silo ................................................................................................................................. 79

4.3.12. SketchUp ....................................................................................................................... 79

4.3.13. Wings 3D ....................................................................................................................... 80

4.3.14. ZBrush ........................................................................................................................... 81

4.3.15. Überblick ....................................................................................................................... 82

4.4. 3D-Modellierungsprogramme: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule ...... 83

5. 3D-Scanning ....................................................................................................................... 87

5.1. Fotogrammetrie .................................................................................................................... 88

5.1.1. 123D Catch .................................................................................................................... 88

5.1.2. Aspect 3D ...................................................................................................................... 89

5.1.3. PhotoScan ..................................................................................................................... 90

5.1.4. Insight3d........................................................................................................................ 91

5.1.5. Neitra 3D ....................................................................................................................... 91


7

5.2. Streifenlichtprojektion .......................................................................................................... 92

5.2.1. Artec Eva von Artec ....................................................................................................... 92

5.2.2. David SLS-3 von David Group ........................................................................................ 93

5.2.3. Scanify von Fuel3d ........................................................................................................ 94

5.3. Infrarot .................................................................................................................................. 95

5.3.1. iSense von 3D Systems .................................................................................................. 95

5.3.2. Kinect von Microsoft ..................................................................................................... 96

5.3.3. Sense von 3D Systems ................................................................................................... 96

5.4. Laser ...................................................................................................................................... 97

5.4.1. David Laserscanner-Starter-Kit von David Group ......................................................... 98

5.4.2. Digitizer von Makerbot ................................................................................................. 98

5.5. Übersicht ............................................................................................................................... 99

5.6. 3D-Scanner: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule ......................... 100

5.7. Von der Einrichtung eines 3D-Scanners bis zum ersten Scan - Erfahrungsbericht ............. 102

6. Content-Plattform ............................................................................................................ 107

7. Druckvorbereitung............................................................................................................ 113

7.1. Konvertieren ....................................................................................................................... 113

7.2. Reparieren ........................................................................................................................... 115

7.2.1. Löcher .......................................................................................................................... 115

7.2.2. Überschneidungen ...................................................................................................... 116

7.2.3. Mannigfaltigkeit (manifold) ........................................................................................ 117

7.3. Vorbereiten ......................................................................................................................... 118

7.3.1. Größe .......................................................................................................................... 118

7.3.2. Schichthöhe (layer height) .......................................................................................... 119

7.3.3. Füllung (infill) und Anzahl der Wände (number of shells) .......................................... 120

7.3.4. Fundamentplatte (raft) ............................................................................................... 121

7.3.5. Stützstrukturen (support) ........................................................................................... 121

7.3.6. Andere Einstellungen .................................................................................................. 123

7.4. Druckvorbereitungsprogramme ......................................................................................... 124

7.4.1. 3D Builder .................................................................................................................... 126

7.4.2. AccuTrans 3D .............................................................................................................. 126

7.4.3. MakerBot Desktop ...................................................................................................... 127

7.4.4. MeshLab ...................................................................................................................... 128

7.4.5. Netfabb ....................................................................................................................... 128

7.4.6. Repetier ....................................................................................................................... 129

7.4.7. Slic3r ............................................................................................................................ 130


8

7.4.8. Übersicht ..................................................................................................................... 131

7.5. Druckvorbereitung: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule ............. 131

8. Weiterverarbeitung .......................................................................................................... 133

8.1. Oberfläche glätten .............................................................................................................. 133

8.1.1. Modell feilen ............................................................................................................... 134

8.1.2. Chemikalien einsetzen ................................................................................................ 134

8.2. Färben ................................................................................................................................. 135

8.3. Weiterverarbeitung: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule ............ 137

9. 3D-Druck und seine Folgen................................................................................................ 139

9.1. Wirtschaft ........................................................................................................................... 139

9.2. Ökologie .............................................................................................................................. 140

9.3. Gesellschaft ......................................................................................................................... 141

9.4. Gesundheit .......................................................................................................................... 142

9.5. Urheberrecht ...................................................................................................................... 143

10. Ideen zur Anwendung von 3D-Druck in Schulfächern ......................................................... 145

10.1. Biologie................................................................................................................................ 145

10.2. Chemie ................................................................................................................................ 146

10.3. Geographie .......................................................................................................................... 146

10.4. Kunst ................................................................................................................................... 147

10.5. Mathematik ......................................................................................................................... 148

10.6. Physik .................................................................................................................................. 149

10.7. Wirtschaft ........................................................................................................................... 150

11. 3D-Druck und Modellierung im Informatikunterricht ......................................................... 151

11.1. Modellieren mit SketchUp .................................................................................................. 152

11.1.1. Installation .................................................................................................................. 152

11.1.2. Einrichten .................................................................................................................... 154

11.1.3. Programmübersicht .................................................................................................... 158

11.1.4. Aufgaben ..................................................................................................................... 167

11.2. Modellieren mit OpenSCAD ................................................................................................ 168

11.2.1. Installation .................................................................................................................. 168

11.2.2. Programmübersicht .................................................................................................... 171

11.2.3. OpenSCAD-Sprache ..................................................................................................... 174

11.2.4. Aufgaben ..................................................................................................................... 187

11.3. Druckvorbereitung mit Netfabb und MakerBot Desktop ................................................... 188

11.3.1. Fehler beseitigen mit Netfabb .................................................................................... 188

11.3.2. Drucken mit MakerBot Desktop ................................................................................. 190


9

11.4. Durchführung in den Klassen - Erfahrungsbericht .............................................................. 194

11.4.1. Schülerumfrage ........................................................................................................... 197

11.4.2. Rückblick ..................................................................................................................... 200

12. Ausblick ........................................................................................................................... 203

13. Bibliographie .................................................................................................................... 205

14. Anhang............................................................................................................................. 207

14.1. SketchUp Aufgaben ............................................................................................................. 207

14.1.1. Aufgabe 1 - Haus ......................................................................................................... 207

14.1.2. Aufgabe 2 - Würfel ...................................................................................................... 212

14.1.3. Aufgabe 3 - Schachfigur .............................................................................................. 216

14.1.4. Aufgabe 4 - Stiftehalter ............................................................................................... 219

14.1.5. Aufgabe 5 - Smartphone-Halterung ............................................................................ 223

14.2. OpenSCAD Aufgaben .......................................................................................................... 228

14.2.1. Aufgabe 1 - Tisch ......................................................................................................... 228

14.2.2. Aufgabe 2 - Figur ......................................................................................................... 233

14.2.3. Aufgabe 3 - Baustein ................................................................................................... 238

14.2.4. Aufgabe 4 - Schlüsselanhänger ................................................................................... 243

14.2.5. Aufgabe 5 - Landschaft................................................................................................ 249

14.2.6. Aufgaben - Lösungen .................................................................................................. 254

14.3. Schülerumfrage ................................................................................................................... 260

14.3.1. Fragen ......................................................................................................................... 260

14.3.2. Ergebnisse der Schülerumfrage .................................................................................. 262


10

„Our first priority is making America a magnet for new jobs and manufacturing…

There are things we can do, right now, to accelerate this trend. A once-shuttered warehouse is now a

state-of-the art lab where new workers are mastering the 3D printing that has the potential to

revolutionize the way we make almost everything.”

(2013)

Barrack Obama (1961)

44th President of the United States


11

Danksagung

Mein erster Dank gilt Frau Claudine Philippart, meiner Begleiterin dieser Arbeit. Jederzeit gewährte

sie mir wertvolle Unterstützung bei der Durchführung der vorliegenden Arbeit. Für die konstruktive

Kritik gilt besonderer Dank.

Großer Dank gebührt allen Personen, die für meine jetzige Ausbildung verantwortlich waren.

Besonderer Dank gilt hier Herrn Luc Emering, der durch sachkundige Kritik sowie wegweisende Ideen

zu neuen Denkweisen anregte. Mein Dank geht ebenso an Herrn Claude Loesch, Direktor des LTL, der

es mir ermöglichte, erste Erfahrungen im Bildungswesen zu tätigen.

Weiterer Dank gebührt den liebgewonnenen Arbeitskolleginnen und -kollegen Laurence, Sandra,

Annick, Laure, Laurent und Jacques. Zusätzlich danke ich allen Schülern der Klasse 9TE1 und 9TE3 für

ihre Unterstützung und Disziplin bei der Durchführung der Aufgaben.

Größter Dank gilt allen meinen Freunden, meiner Familie und meiner Lebensgefährtin Conny. Ich

danke ihnen für ihre Ausdauer und Geduld.


12


13

1. Einleitung

1.1. Ausgangspunkt

Die 3D-Druck-Technologie verkürzt den Weg von einer ursprünglichen Idee zum realen 3D-Modell

enorm. Beherrscht ein Lehrer oder ein Schüler den Umgang mit dieser neuen Technologie, kann er

seine Ideen schnell, kostengünstig und unproblematisch umsetzen.

Obwohl der 3D-Druck einige Einschränkungen mit sich bringt, die es in der Regel „nur“ erlauben,

kleinere Modelle aus einem Material und einer Farbe auszudrucken, sind die Einsatzmöglichkeiten

enorm.

1.2. Überblick

• Kapitel 2 erklärt den Ursprung des 3D-Drucks und zeigt, wie sich die Technologie bis heute

weiterentwickelt hat. Einsatzgebiete des 3D-Drucks werden aufgezeigt, ebenfalls ein

Überblick des Prozesses von einer Idee bis zum fertigen Modell.

• Kapitel 3 beschäftigt sich mit den verschiedenen 3D-Druckverfahren. Die Funktionsweise

eines Druckers wird erklärt und 3D-Drucker einiger Hersteller werden miteinander

verglichen.

• Kapitel 4 zeigt, wie geometrische Modellierung am Rechner funktioniert. Verschiedene

Modellierungsprogramme werden analysiert und miteinander verglichen.

• Kapitel 5 erläutert den Einsatz eines 3D-Scanners.

• Kapitel 6 erklärt die Benutzung einer Content-Plattform für 3D-Modelle und gibt einen

Einblick in diese Plattformen.

• Kapitel 7 fokussiert sich auf die Druckvorbereitung und zeigt, wie man 3D-Modelle optimal

drucken kann.

• Kapitel 8 zeigt, wie fertig ausgedruckte 3D-Modelle weiterverarbeitet werden können.

• Kapitel 9 beschäftigt sich mit möglichen Folgen und Auswirkungen für die Umwelt und

Gesellschaft, die durch den Einsatz der 3D-Druck-Technologie entstehen können.


14

• Kapitel 10 gibt Ideen und Anregungen zum Einsatz von 3D-Druck in anderen Fächern.

• Kapitel 11 erklärt, wie man die 3D-Druck-Technologie in den Informatikunterricht einführen

kann. Die Installation, Einrichtung und Benutzung der Programme werden schrittweise

erklärt. Abschließend folgen eigene Erfahrungsberichte.

• Kapitel 12 zieht eine Schlussfolgerung und gibt einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten.

• Kapitel 13 enthält die Bibliographie mit allen Verweisen.

• Kapitel 14 bildet den Anhang. Alle ausgearbeiteten Aufgaben für die 3D-

Modellierungsprogramme sowie Resultate bezüglich meiner Arbeit mit den Klassen findet

man hier wieder.


15

2. Hype um 3D-Druck

Das Interesse an 3D-Druckern ist erst seit einigen Jahren stetig gewachsen. In diesem Kapitel wird

diese Entwicklung erklärt und die enormen Einsatzmöglichkeiten von 3D-Druck gezeigt. Abschließend

wird ein Workflow präsentiert, der die einzelnen Etappen der Arbeit mit 3D-Technologien wiedergibt.

Interesse der Google-Nutzer am 3D-Drucken (www.google.com/trends)

Veröffentlichte Artikel zum Thema 3D-Druck pro Jahr (scholar.google.com)


16

2.1. Geschichte und Gegenwart

Eigentlich sind 3D-Druckverfahren nichts Neues. Der 3D-Drucker hat bereits eine jahrzehntelange

Entwicklung hinter sich. Laut [STI14, S.45] legte der US-amerikanische Erfinder Chuck Hall im Jahr 1982

den Grundstein des 3D-Drucks. Er entwickelte das Prinzip der Stereolithografie (→ Kapitel 3.1.4.) und

schuf somit die Basis für die Entwicklung weiterer 3D-Technologien.

Chuck Hall (www.theguardian.com)

Seit fast dreißig Jahren werden in der Industrie 3D-Drucker eingesetzt um Prototypen zu erstellen.

Das schnelle Herstellen von Prototypen dank 3D-Druck-Technologie nennt man Rapid Prototyping. Zu

diesem Zeitpunkt waren 3D-Drucker weder für den Privatgebrauch noch für Schulen oder kleinere

Firmen interessant und wurden in diesen Gebieten fast nie eingesetzt. Der Fakt, dass die Drucker nur

von Firmen fürs Rapid Prototyping eingesetzt wurden, hat laut [FAS14, S.14] folgende Ursachen:

• immense Kosten für Drucker und entsprechende Materialien

• beschränkte Auswahl an Druckmaterial

• hoher Aufwand bei der Nachbearbeitung

Die Anwendungsmöglichkeiten eines 3D-Druckers waren vor 30 Jahren sehr eingeschränkt und

wegen des hohen Kostenaufwands war eine Anschaffung somit nur für große Firmen interessant.

Das änderte sich in den letzten Jahren grundlegend. Eine Ursache für den schnellen Kostenfall eines

3D-Druckers war laut [NIT15, S.16] die Tatsache, dass mehrere rechtlich geschützte Patente bezüglich

3D-Druckverfahren abgelaufen waren. Dieser Ablauf löste einen wahren Boom bei der Open-Source-

Gemeinde aus. Im Jahr 2007 entwickelte der britische Ingenieur Adrian Bowyer den 3D-Drucker


17

RepRap. Er veröffentlichte den Drucker zum Selberbauen unter einer Open-Source-Lizenz. Es handelte

sich um den ersten preiswerten 3D-Drucker.

Adrian Bowyer, Erfinder von RepRap (www.reprap.org)

Ab diesem Zeitpunkt konnte jeder den Drucker selbst zusammenbauen und die Kosten blieben unter

1.000 €. Der Do-It-Yourself-3D-Drucker wurde seitdem ständig von einer Online-Community

weiterentwickelt.

Die Vorstellung, selbst Produkte am heimischen Rechner mit spezieller Software zu erstellen und

auszudrucken, löste einen Hype aus. Mehrere Start-Up-Unternehmen befassen sich seit einigen

Jahren mit der neuen Technologie und veröffentlichen erwerbliche Geräte, die den 3D-Druck zu Hause

ermöglichen. Nach [SZU14, S.96] sind die Preise für 3D-Drucker um mehr als ein zehnfaches gefallen.

Erst durch diesen Preissturz in den letzten Jahren haben 3D-Drucker den Massenmarkt erreicht und

ermöglichen auch Privatpersonen, eigene 3D-Modelle zu drucken. Der preiswerte Erwerb eines 3D-

Druckers bringt mit sich, dass immer mehr Universitäten und Schulen sich ein oder mehrere Geräte

anschaffen.

Wer sich trotz der Preissenkung keinen eigenen 3D-Drucker anschaffen will, kann auf eine ständig

wachsende Anzahl von Online-Dienstleister zurückgreifen. Hier kann man eigene 3D-Modelle auf der

Webseite des Anbieters hochladen oder Werke anderer Kreativen auswählen. Der Nutzer kann dann

Material und Farbe auswählen und schon druckt der Dienstleister das Modell und liefert es bequem

nach Hause.


18

2.2. Einsatzgebiete

Die Einsatzgebiete für 3D-Drucker sind enorm. Folgende Liste zeigt einige Beispiele, was mit 3D-

Druckern schon alles gedruckt wurde und bietet einen Einblick in die fast grenzenlosen Möglichkeiten

des 3D-Druck:

• Spielfiguren

• Bausteine

• Handycover

• Büsten und Statuen

• Roboter

• Schmuck

• Personalisierte Medaillen und Pokale

Selbstgestaltetes Handycover

(www.pininterest.com)

Ausgedruckte gipsüberzogene Melusina-Statue in Luxemburg

Roboter zum Ausdrucken (www.poppy-project.org)

• Ersatzteile in jeglichen Gebieten

• Prototypen für

o Automobilhersteller

o Flugzeughersteller

o Fahrradhersteller


19

• 3D-Selfie-Figuren

• Kleidungsstücke (Schuhe, Kleider, Kopfbedeckungen, …)

Selfie-Figuren erstellt mit einem Ganzkörper-3D-Scanner (www.shapify.me)

Ausgedruckter Designerschuh (fashionlab.3ds.com)

• Einrichtungsobjekte und Möbel

• Modelle für Filme

• Kopien von archäologischen Funden und Ausstellungsstücken aus Museen

Stuhl aus einem 3D-Drucker

(www.dirkvanderkooij.com)

Ausgedruckter Aston Martin für den Film Skyfall (www.jamesbondlifestyle.com)


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• Wände für Häuser

• Medizin

o Zahnersatz und Brücken

o Passgenaue Prothesen und Schienen

o „Ersatzteile“ für Tiere

o Künstliche Hände und Finger

o Organe und Körperteile: ein Chirurg kann sich auf eine Operation vorbereiten, indem

er sie bis ins letzte Detail studiert

o Hautzellen

Riesen 3D-Drucker, der Wände druckt

(www.d-shape.com)

Passgenaue ausgedruckte Zahnprothesen (www.inside3dp.com)

Ausgedruckter Schnabel für Tukan

(www.thelabworldgroup.com)

Preiswerte Prothesen zum Ausdrucken (www.robohand.net)


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• Mit Lebensmittel drucken

o Schokolade

o Zucker

o Fleisch

o Nudeln

Ausgedruckte Zuckerskulpturen

(www.3dsystems.com)

Katze aus Marizpan hergestellt mit einen 3D-Drucker (www.print2taste.de)

In folgenden Bereichen wird geforscht, wie man 3D-Druck in Zukunft einsetzen kann:

• Tissue Engineering: Drucken von lebendem Gewebe, um Haut, Knochen oder ganze Organe

zu erstellen.

• ESA (European Space Agency) will Gebäude auf dem Mond mit Hilfe von Druckern bauen.

• NASA (National Aeronautics and Space Administration) plant, Raumstationen mit 3D-

Drucker auszustatten, damit die Besatzung benötigte Ersatzteile nach Maß selbst drucken

kann.


22

2.3. Workflow

Der Weg von einer Idee bis hin zum fertigen 3D-Modell wird im folgenden Workflow gezeigt:


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Die Zahl, die bei einer Etappe steht, gibt an, in welchem Kapitel auf diese Etappe im Detail

eingegangen wird. Zu jeder Etappe versuche ich, am Schluss des Kapitels persönliche Ratschläge,

Hinweise und Empfehlungen für den Einsatz in der Schule zu geben.

Achtung: die Reihenfolge der Etappen des Workflows entspricht nicht der Reihenfolge der Kapitel.

Die Etappe bezüglich des 3D-Druckers wird schon im nachfolgenden Kapitel 3 behandelt. Grund hierfür

ist, dass je nach Auswahl der Technologie des 3D-Druckers die vorherigen Etappen sich teilweise

anders gestalten. Erst nachdem man sich auf eine 3D-Druck-Technologie festgelegt hat, können

entsprechende Programme für das Erstellen der Modelle gesucht werden.


24


25

3. 3D-Druck

Auch wenn es die 3D-Druck-Technologie schon länger gibt, ist sie auch für Technikbegeisterte oft ein

Novum. In diesem Kapitel wird versucht, einen Überblick über die große Welt der 3D-Drucker zu geben

und einen möglichst einfachen Einstieg in diese Technologie zu finden.

3.1. 3D-Druckverfahren

Es gibt verschiedene Methoden, um ein dreidimensionales Modell (auch ohne Drucker und Rechner)

zu erstellen. Diese Verfahren kann man nach [SOM16, S.14] in zwei unterschiedliche Kategorien

einteilen:

• Subtraktive Fertigungsverfahren

Material wird abgetragen, um einen Gegenstand herauszuarbeiten. Das abgetragene

Material kann oft nicht wiederverwendet werden. Beispiel: Ein Steinmetz schlägt nach und

nach eine Skulptur aus einem Steinblock.

• Additive Fertigungsverfahren

Material wird schichtweise aufgetragen, um einen Gegenstand etappenweise zu erzeugen.

Beispiel: Ein Töpfer fügt Lehm schichtweise zusammen, bis eine Vase entsteht.

Über die letzten 30 Jahre wurden verschiedene 3D-Druckverfahren erprobt und weiterentwickelt.

Alle hier vorgestellte 3D-Drucker erstellen die Modelle Schicht für Schicht und basieren auf dem

additiven Fertigungsverfahren. Das Material, aus dem das Modell erstellt wird, muss mit einer

Heizdüse verschmolzen, mit einem Laser erhärtet oder mit Klebstoff verklebt werden können. Die

Unterschiede der verschiedenen Verfahren liegen unter anderem beim verwendeten Material, der

Feinheit der Oberfläche des Modells und den Kosten für den 3D-Drucker. Des Weiteren wird ein

Überblick (basierend auf [YAS15], [STI14], [NIT15], [FAS14] und [SOM16]) über die am häufigsten

anzutreffenden 3D-Druckverfahren geboten. Die angegebenen Preise (basierend auf Preisangaben

verschiedener Hersteller) für Drucker und Material sind grobe Durchschnittswerte; für jedes

Verfahren gibt es günstigere und teure Modelle je nach Anwendungsgebiet und Leistung. Außerdem

sinkt der Preis von 3D-Drucker relativ schnell über die Jahre, so dass man damit rechnen muss, dass

die hier gezeigten Preise (Stand 2016) in ein paar Jahren um ein vieles günstiger werden.


26

3.1.1. Schmelzschichtverfahren - Fused Deposition Modeling (FDM)

Das Schmelzschichtverfahren wird sehr oft mit den englischen Fachbegriffen Fused Deposition

Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) benannt. Beide Fachbegriffe bezeichnen das

gleiche Verfahren wobei nur der erste Begriff als Markenzeichen geschützt ist.

Beim Schmelzschichtverfahren wird das Material geschmolzen und mit einer beweglichen Düse

Schicht für Schicht schnurförmig auf das Druckbett aufgetragen. Das Druckbett fährt nach jeder

aufgetragenen Schicht etwas nach unten. Das Material wird genau über seinen Verflüssigungspunkt

erhitzt, kühlt kurz nach dem Auftragen ab und erhärtet. Das Prinzip ähnelt dem einer Heißklebepistole,

bei der das Material nachgeschoben, durch die Druckdüse gepresst und dann flüssig aufgetragen wird.

Je nach Modell des Druckers können mehrere Düsen gleichzeitig eingesetzt werden und ermöglichen

somit einen Mehrfarbdruck.

Schmelzschichtverfahren

Häufig verwendetes Material:

• Kunststoff

Ein Modell mit Überhang muss beim Druck mit Stützstrukturen (→ Kapitel 7.3.5.) versehen werden,

die später manuell entfernt werden. Drucker mit Schmelzschichtverfahren werden von Privatbenutzer

bevorzugt, weil die Technologie ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aufweist und mit preisgünstigen

Materialen arbeitet.


27

3.1.2. Selektives Lasersintern - Selective Laser Sintering (SLS)

Drucker, die mit dem selektiven Lasersintern-Verfahren arbeiten, verteilen eine dünne Schicht

Pulver auf einer Plattform. Ein Laser verschmilzt das Material genau dort, wo die erste Schicht entsteht

und backt es sozusagen zusammen. Das Material härtet aus und eine nächste Schicht wird

aufgetragen. Das Verschmelzen durch Hitze und Druck von Pulver zu einem Festkörper wird Sintern

genannt.

Selektives Lasersintern


• Kunststoffpulver

• Metallpulver

• Keramikpulver

• Quarzsand

Modelle, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, weisen eine raue, körnige Oberfläche auf.

Sie werden ohne Stützstrukturen hergestellt und zeichnen sich durch eine hohe Belastbarkeit aus. Der

Unterschied von Lasersintern gegenüber anderen Verfahren besteht darin, dass man eine Vielzahl von

verschiedenen Materialien benutzen kann. Die für Lasersintern benutzten Materialien sind weniger

lichtempfindlich als die häufig bei anderen Verfahren benutzten Kunststoffe. Der größte Nachteil von

Drucker, die das selektive Lasersintern-Verfahren benutzen, ist der recht hohe Anschaffungspreis.


28

3.1.3. Pulverdruck - Drop on Powder (3DP)

Beim Pulverdruck wird eine dünne Schicht Pulver auf einer Plattform verteilt. Durch ein Bindemittel

wird eine Pulverschicht genau dort verklebt, wo das Modell entsteht; dann folgt die nächste Schicht.

Pulverdrucker bilden Schicht für Schicht aus Pulver und Bindemittel ein dreidimensionales Modell.

Möchte man einen Mehrfarbdruck tätigen, muss der Pulverdrucker mit mehreren Druckköpfen

ausgestattet sein.

Pulverdruck


• Kunstharzpulver

• Gipspulver

Fertiggedruckte Modelle, die mit einem Pulverdrucker erstellt worden sind, müssen infiltriert

werden. Infiltrieren bezeichnet den Prozess, bei dem das Modell stabilisiert und dessen Oberfläche

versiegelt wird. Nur so kann sich das Material festigen und die Farben kommen besser zum Vorschein.

Um ein Modell zu infiltrieren, muss man es mit einer speziellen Flüssigkeit (Epoxidharz) tränken. Ein

großer Nachteil des 3DP-Verfahren ist die Tatsache, dass das Pulver spröde wird und gedruckte

Modelle daher nicht bruchsicher sind. Gewicht und Haptik der Modelle unterscheiden sich gegenüber

Kunststoffmodellen. Stützmaterial bei Überhängen ist beim Pulverdruck nicht notwendig.


29

3.1.4. Stereolithografie - Stereolithography (SLA)

Stereolithografie ist das älteste 3D-Druckverfahren und wurde in den 80er Jahren entwickelt. Bei

diesem Verfahren härtet ein Laser flüssiges Material schichtweise aus. So wird das Modell immer

wieder in ein flüssiges Kunststoff-Bad getaucht, wieder herausgefahren und durch einen Laser

schichtweise ausgehärtet. Das Verfahren wird solange wiederholt, bis das ganze Modell erstellt ist.

Stereolitografie


• Elastomere (Kunststoff)

• Epoxidharze

• Wachs

• Flüssige Keramik

Die Modelle müssen beim Druck mit Stützmaterial versehen werden, welches später entfernt wird.

Die ausgedruckten Modelle kennzeichnen sich durch eine sehr glatte Oberfläche und hohe Auflösung

aus. Das Material ist thermisch belastbar und verformt sich nur bei sehr hoher Wärme. Der Vorteil der

Stereolithografie gegenüber anderen Verfahren liegt in der enorm hohen Präzision, mit der ein Modell

hergestellt wird; das Modell kennzeichnet sich durch seine Details aus. Der hohe Anschaffungspreis

und die hohen Materialkosten bilden die Nachteile dieses Verfahrens.


30

3.1.5. Polyjet

Die recht neue Technologie ähnelt der eines normalen Tintenstrahldruckers. Das Material wird auf

das Druckbett gespritzt und durch eine integrierte UV-Lampe ausgehärtet. Der Drucker besitzt zwei

Druckköpfe, wobei einer das Baumaterial vergibt und der andere ein Stützmaterial hinzufügt. Um nach

dem Druck das Stützmaterial zu entfernen, legt man das Modell in Wasser; nur das Stützmaterial ist

wasserlöslich.

Polyjet


• Photopolymer

Es gibt Polyjet-Drucker, die mit mehreren Druckköpfen ausgestattet sind, wobei jeder Kopf ein

unterschiedliches Material enthält. So können verschiedene Materialien gemischt und zum Beispiel

ein Modell mit sowohl hartem als auch weichem Material gedruckt werden. Die Qualität des Drucks

ist exzellent und die Modelle zeichnen sich durch eine sehr feine und glatte Oberfläche aus. Polyjet-

Drucker arbeiten sehr schnell, die Anschaffungskosten sind jedoch immens.


31

3.1.6. Folienlaminierverfahren - Laminated Object Manufacturing (LOM)

Das Folienlaminierverfahren ist eines der ersten 3D-Druckverfahren, das entwickelt wurde. Ein

Drucker, der mit diesem Verfahren arbeitet, ist mit einem Laser ausgestattet, der die Kontur des

Modells schichtweise aus einer Folie schneidet. Jede ausgeschnittene Folie wird als neue Schicht auf

die vorherigen Schichten aufgeklebt.

Schmelzschichtverfahren


• Papier

• Kunststofffolie

• Keramikfolie

• Aluminiumfolie

Druckt man schmale Modelle (die nur einen kleinen Teil des Druckbetts ausfüllen), ist der Abfall, der

bei diesem Verfahren entsteht, sehr hoch. Möchte man trotzdem ressourcenschonend mit dem

Drucker arbeiten, empfiehlt sich nur mit Papier zu arbeiten. So kann später der Abfall und das Modell

recycelt werden.


32

3.1.7. Geeignetes 3D-Druckverfahren für Schule und Privatgebrauch

Im vorherigen Kapitel wurde ein Überblick über die am häufigsten vorkommenden 3D-

Druckverfahren gegeben. Die Preisspanne der erhältlichen 3D-Drucker ist enorm und variiert je nach

Verfahren. Günstige 3D-Drucker sind ab ein paar hundert Euro erhältlich; teure Drucker verlangen oft

6-stellige Beträge vom Benutzer ab.

Je nach Art und Qualität der Modelle, die man drucken will, kommen andere Druckverfahren und

3D-Drucker in Frage. Wie in [SOM16, S.53] beschrieben, kann man zwischen vier Anwendungsgebieten

unterscheiden. Je nach Anwendungsgebiet kommen entsprechende Druckverfahren und Preisklassen

in Frage:

Anwendungsgebiete und Preisklasse von 3D-Drucker

Betrachtet man die Preisspannen der Drucker verschiedener Verfahren, kann man sehr einfach

feststellen, dass das FDM-Verfahren das preisgünstigste ist und sich vor allem für das Herstellen von

Hobbymodellen eignet. Möchte man Kleinserien oder Endprodukte drucken, muss man auf recht

teure Verfahren umsteigen.

In dieser Arbeit suche ich nach Druckern, die kostengünstig und einfach zu bedienen sind. Das

Material des Druckers sollte billig sein und es erlauben, mehrere Modelle sorglos zu drucken. Nur

wenn diese Kriterien erfüllt sind, können die Drucker problemlos in der Schule oder zuhause eingesetzt

werden. Im Gegensatz dazu gibt es sehr teure Drucker, die sehr viel Platz benötigen, oft nicht mit


33

gewöhnlichen Rechner bedient werden können und eigentlich vorrangig in der Industrie benutzt

werden. Es geht weniger darum, ein Verfahren zu benutzten, das ein perfektes Ergebnis erzielt,

sondern vielmehr um ein Verfahren, das es ermöglicht, eigene Ideen schnell, kostengünstig und

einfach umzusetzen.

Sucht man passende Drucker für Unterricht und Privatgebrauch, sind vor allem Drucker, die auf dem

FDM-Verfahren basieren, geeignet. Drucker, die diese Technologie verwenden, sind am

kostengünstigsten und verfügen über eine sehr große und wachsende Community an Benutzern. In

den nachfolgenden Kapiteln wird deshalb nur noch auf FDM-Drucker eingegangen. Aus praktischen

Gründen werden in dieser Arbeit nur noch die Ausdrücke 3D-Druck und 3D-Drucker stellvertretend

für Schmelzschichtverfahren und FDM-Drucker verwendet.

Anmerkung:

Zu dem Zeitpunkt, als ich die detaillierte Beschreibung des Themas dieser Arbeit schrieb, kannte ich

mich mit den verschiedenen 3D-Technologien nur sehr wenig aus. Ich erwähnte, dass ich mich auf

Drucker beschränke, die auf dem Stereolithografie-Verfahren basieren. Nach einiger Recherche wurde

mir jedoch schnell klar, dass diese voreilige Einschränkung falsch war. Laut [SOM16, S.36] liegt der

Vorteil von SLA-Drucker zwar in der sehr hohen Druckqualität (glatte Oberfläche und hohe

Detailwiedergabe) jedoch wird dieser Vorteil schnell von mehreren Nachteilen überschattet.

Auffallend sind zuerst die sehr hohen Anschaffungskosten sowie Materialkosten. Der Großteil der

angebotenen SLA-Drucker kostet weit über 10.000 €; es handelt sich um riesige Drucker, die für den

Druck professioneller Prototypen entwickelt worden sind. Ich konnte nur eine Handvoll Drucker

ausfindig machen, die knapp unter 5.000 € kosten. Dabei handelt es sich um Drucker, die über einen

sehr kleinen Bauraum verfügen und keine größeren 3D-Modelle drucken können. Einige dieser

Drucker sind nur Bausätze und nicht sofort einsatzbereit. Diese Bausätze müssen erst mühselig

zusammengebaut und konfiguriert werden. Ein weiterer Nachteil eines SLA-Druckers ist das

verwendete Material. Jeder SLA-Drucker benötigt teures, flüssiges Material. Die meisten Anbieter

bieten eine sehr reduzierte Anzahl verschiedener Farben an. Laut [HOR14, S.134] sprechen noch

andere Argumente gegen den Einsatz von Stereolithografie-Druckern in Schulen oder im

Privatbereich. Das verwendete Material, sogenannte Epoxidharze, ist im flüssigen und nicht

vollständig ausgehärteten Zustand giftig. Restbestände dürfen nicht ins Abwasser gelangen und sind

umweltschädlich. Druckt man mit diesem Material, ist das Tragen von Spezialhandschuhen wichtig.


34

Zusätzlich soll der Raum, in dem sich der Drucker befindet, sehr gut belüftet sein, um das Einatmen

der Gerüche (die Übelkeit hervorrufen können) zu vermeiden. Deshalb sind diese Drucker alles andere

als wohnzimmertauglich; die Gefahren, die mangels einer professionellen Abzugsvorrichtung und

Schutzkleidung entstehen können, sind laut [HOR14, S.136] von keinem der Hersteller ausreichend

dokumentiert und bis zum heutigen Zeitpunkt unbekannt. Auch wenn es sich bei der Stereolithografie

um das älteste 3D-Druckverfahren handelt, konnte es sich bis heute nicht bei Privatanwendungen

durchsetzen. Dementsprechend ist die Auswahl vorhandener Anbieter, Literatur, Online-

Communities, Erfahrungsberichten und Drucker-Software spärlich. Ich bin deshalb der Meinung, dass

der Einsatz von SLA-Druckern in Schulen weniger geeignet ist. Aus diesem Grund gehe ich in dieser

Arbeit nicht weiter auf das Stereolithografie-Verfahren ein. Möchte man trotzdem ab und zu von der

guten Qualität des SLA-Verfahren profitieren, rate ich zu Dienstleistern; nur so kann man die hohen

Kosten und Gesundheitsrisiken vermeiden

3.2. Komponente eines 3D-Druckers

Die wichtigsten Komponenten eines 3D-Druckers werden in diesem Kapitel kurz erklärt.

3.2.1. Gehäuse

Das Gehäuse eines 3D-Druckers besteht häufig nur aus einem Rahmen, der aus Metall, Holz oder

Kunststoff hergestellt wurde. Das Gehäuse muss laut [NIT15, S.104] vor allem stabil sein, um einen

Druck ohne Störungen zu garantieren.

Offenes und geschlossenes Gehäuse (www.ultimaker.com)


35

Die Gehäuse der meisten 3D-Drucker sind offen, aber einige Hersteller produzieren Drucker mit

einem ganz oder zum Teil geschlossenen Gehäuse. Nach [NIT15, S.106] haben Drucker mit

geschlossenen Gehäusen den Vorteil, dass sie mit einem beheizbaren Bauraum ausgestattet werden

können, der es erlaubt, während des ganzen Druckvorgangs eine gewisse Temperatur

aufrechtzuerhalten. Mit dieser Technik kann garantiert werden, dass das Material nicht frühzeitig

abkühlt und somit Risse im Modell entstehen.

3.2.2. Achsen

Jeder 3D-Drucker ist mit einer X-, Y- und Z-Achse versehen. Der Extruder bewegt sich beim Druck

über die X- und Y-Achse. Ist eine Schicht gedruckt, wird die Z-Achse benutzt um das Druckbett nach

unten zu fahren. Je stabiler die Mechanik ausgelegt ist, desto genauer wird später gedruckt.

Drei Achsen eines 3D-Druckers (www.lulzbot.com)

3.2.3. Bedienungselemente

Die Bedienung eines 3D-Drucker wird oft über eine Anzeige mit Knöpfen oder Touchscreen

durchgeführt. Verfügt ein 3D-Drucker über keine Bedienungselemente, kann er mit Hilfe eines

Computers gesteuert werden. Bei dieser Methode können Probleme auftreten; bei einem


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Rechnerabsturz oder einem automatisch einspringenden Stand-by-Modus bekommt der 3D-Drucker

keine Druckdaten mehr und der Druck wird gestoppt. Startet man den Druck aber über die

Bedienungselemente mit Hilfe eines USB-Sticks oder einer SD-Karte, kann man problemlos auch ohne

Computer drucken. Verfügt der Drucker über ein Display, werden auf diesem oft nützliche

Informationen wie Dauer des Drucks oder aufgetretene Probleme während des Druckvorgangs

angezeigt.

Drucker mit Display und Bedienungsknöpfen (www.xyzprinting.com)

3.2.4. Extruder

Der Extruder existiert je nach Hersteller in verschiedenen Varianten und technischen Eigenschaften.

Seine Aufgabe ist bei jedem 3D-Drucker aber die gleiche. Ein Fördermechanismus sorgt dafür, dass

das Material zum Extruder befördert wird. Im Extruder wird das Material auf sehr hohe Temperaturen

(>200°C) erhitzt, durch eine feine Düse gepresst und auf das Druckbett aufgetragen. Der Extruder wird

mit Hilfe eines kleinen Motors über die Achsen gesteuert.

Extruder (www.makerbot.com)


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Einige 3D-Drucker sind mit zwei Extruder ausgestattet oder man hat die Möglichkeit, einen weiteren

Extruder nachzurüsten. Dies ermöglicht einen Zweifarbdruck oder einen Druck mit unterschiedlichen

Materialien.

3.2.5. Druckbett

Das 3D-Modell wird auf das sogenannte Druckbett erstellt. Es handelt sich in den meisten Fällen um

eine einfache Glasplatte. Während des Druckens muss sichergestellt werden, dass sich das Modell

nicht vom Druckbett löst. Nach dem Drucken ist es wichtig, dass man das 3D-Modell einfach vom

Druckbett lösen kann, ohne es zu beschädigen.

Druckbett mit Blue Tape und ausgedrucktem 3D-Modell (www.mold3d.com)

Um die Haftung während des Drucks zu verstärken, wird oft auf Blue Tape zurückgegriffen. Es

handelt sich um eine spezielle Folie, die über das komplette Druckbett geklebt wird. Sie steigert die

Haftung des Modells während des Druckes und erleichtert das Entfernen des Modells nach

abgeschlossenem Drucken. Nach mehreren Druckvorgängen soll die Folie ausgetauscht werden, um

einen optimalen Druck zu garantieren. Alternativ zur Folie verfügen einige 3D-Drucker über ein

beheiztes Druckbett (heated bed). Die Beheizung sorgt dafür, dass das 3D-Modell während des Drucks

nicht zu schnell abkühlt und vermeidet somit eventuelle Verformungen oder das vorzeitige Lösen vom

Druckbett.


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3.3. Material

In der Regel wird das Material in Form von Fäden auf einer Rolle aufgewickelt geliefert und wird als

Filament bezeichnet. Eine Standard-Rolle enthält 1 kg Filament und ist unter 30 € erhältlich.

3.3.1. Kunststoffe

Kunststoffe oder kunststoffähnliche Materialien werden überwiegend zum 3D-Drucken verwendet.

Inwiefern die Materialien umweltverträglich oder gesundheitsgefährdend sind, wird in Kapitel 9.4.

genauer erläutert. Eine Gefahr geht jedoch von allen Filamentarten aus: fertig gedruckte Modelle

sollten langfristig keinen größeren Wärmequellen ausgesetzt werden, da sie sonst in Flammen

aufgehen können. Auf die meistverwendeten Kunststoffe wird genauer eingegangen.

1 kg Filament (www.felixprinters.com)

Polylactide - PLA

Bei PLA handelt es sich um den oft verwendeten Biokunststoff, der aus Milchsäuremolekülen

besteht. Der thermoplastische Kunststoff wird aus der Stärke von Pflanzen hergestellt und ist

biologisch abbaubar. Es handelt sich um ein sehr leichtes Material. Als positive Materialeigenschaften

können bei PLA laut [YAS15, S.15] seine hohe Witterungsbeständigkeit und seine kernige Dichte

angesehen werden. PLA wird ab 60°C weich und sollte keinen Hitzequellen längerfristig ausgesetzt

werden. Die Industrie setzt PLA unter anderem für die Herstellung von Kugelschreiber, Möbel, Sport-

und Funktionskleidung ein.

Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer - ABS

Der thermoplastische Kunststoff ABS zeichnet sich durch seine hohe Stabilität aus, ist aber flexibel

und lässt sich leicht verformen. ABS eignet sich gut zum Einfärben und weist eine hohe Temperatur-


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Stabilität auf. Als negative Materialeigenschaften kann seine nichtvorhandene

Witterungsbeständigkeit angesehen werden. Er wird in der Industrie unter anderem für die

Herstellung von Spielzeug, Elektroartikeln oder Schutzhelmen eingesetzt

Polyvinylalkohol - PVA

PVA ist ein wasserlösliches Material, das bei 3D-Drucker, die mit zwei Extruder ausgestattet sind,

eingesetzt wird. Stützvorrichtungen werden aus PVA gedruckt, da man später das Modell nur noch ins

Wasser tauchen muss, um die Stützen problemlos zu lösen. Eine lästige Handarbeit fällt somit

komplett weg und es ist zudem möglich, Stützstrukturen in Hohlräumen zu entfernen, wo man

manuell nicht rankommen kann. Jedoch ist Vorsicht mit dem Umgang von PVA geboten. Nach [NIT15,

S.124] soll der Kontakt von PVA-gesättigtem Wasser mit Augen oder Mund wegen Gesundheitsrisiken

vermieden werden.

Polyethylenterephthalat - PET

PET ist stoßfest und sehr leicht. In der Industrie wird es benutzt, um Getränkeflaschen herzustellen.

Es ist recycelbar und eignet sich für einen sehr detaillierten Druck. Das durchsichtige Material ist in

verschiedenen semitransparenten Farben erhältlich.

3.3.2. Farben

Filament ist in allen möglichen Farben erhältlich. Besitzt der Drucker nur einen Extruder, kann man

ein ganzes Modell in einer einzigen Farbe drucken. Ist der Drucker mit zwei Extruder ausgestattet,

kann man in zwei verschiedenen Farben drucken.

Auswahl einiger Farben des Filaments (www.amazon.com)


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Interessant sind Rollen, auf denen ein Filament mit unterschiedlichen Farben aufgerollt wurde.

Druckt man ein Modell mit diesem Filament, enthält das Modell später mehrere Farben. Der Benutzer

hat beim Druck keinen Einfluss darauf, welche Farben an welche Stellen kommen.

3D-Modell gedruckt mit vielfarbigem Filament (www.stickfilment.com)

Selbstleuchtendes Filament ist auch auf dem Markt verfügbar; das ausgedruckte Modell leuchtet

dann für mehrere Stunden im Dunkeln. Fluoreszierendes Filament leuchtet unter UV-Licht und kann

genau wie normales Filament zum Drucken benutzt werden.

3.3.3. Beimischungen

Filament ist mit speziellen Beimischungen, die die Haptik und Optik der später ausgedruckten

Modelle verändern, erhältlich. Neben dem Kunststoff im Filament können zum Beispiel Holzpartikel

hinzugemischt werden; das fertige Modell sieht später aus wie echtes Holz. Andere Filamente

enthalten Eisenteilchen und weisen magnetische Eigenschaften auf. Das Beimischen von Steinpulver

oder Metalpulver verleihen Modellen eine ganz spezielle Optik, obwohl sie zum größten Teil noch

immer aus Kunststoff bestehen.


41

Modell aus Kunststoff mit Holzbeimischung (www.3dwithus.com)

3.4. 3D-Drucker

In diesem Kapitel wird auf eine Auswahl von 3D-Drucker verschiedener Hersteller eingegangen. Ich

versuche, möglichst unterschiedliche 3D-Drucker vorzustellen, die sich durch Preis, Funktion und

andere Besonderheiten voneinander unterscheiden. Natürlich zeigt diese Auswahl nur einen sehr

kleinen Teil der verfügbaren 3D-Drucker. Der Markt im 3D-Drucker-Sektor ist laut [NIT15, S.337] mehr

als gesättigt, denn seit dem Boom in den letzten Jahren veröffentlichte eine Vielzahl von Unternehmen

unterschiedliche 3D-Drucker, die sich im Preis und technischen Eigenschaften stark unterscheiden.

Bei den folgenden 3D-Druckern handelt es sich nur um Geräte, die (im Fachhandel oder direkt beim

Hersteller) erhältlich sind. Einige 3D-Drucker werden durch Crowdfunding-Plattformen (wie z.B.

Kickstarter oder Indiegogo) finanziert und entwickelt. Da neue Technologien und interessante Ideen

oft sehr viel Erfolg bei Crowdfunding-Plattformen verbuchen können, ist es wenig verwunderlich, dass

im Moment mehr als ein Dutzend 3D-Drucker über solche Plattformen finanziert werden. Laut [STI14,

S.92] können 3D-Drucker, die durch Crowdfunding entwickelt wurden, Probleme mit sich bringen:

Entwicklungszeit, Produktionszeit (wegen sehr hoher Nachfragen) und Lieferzeit betragen oft mehrere

Jahre, zudem können die Hersteller ihre Versprechen in vielen Fällen nicht erfüllen und liefern ein

weniger gutes Produkt. Neu angewandte Technologien sind oft wenig erprobt und Erfahrungsberichte

über langjährige Benutzung sind nicht vorhanden. Diese Arbeit bezieht sich deshalb nicht auf 3D-

Drucker, die sich noch in der Entwicklung befinden, sondern nur auf Drucker, über die genügend

Informationen vorliegen.


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3.4.1. BeeTheFirst von BeeVeryCreative

Das Design des BeeVeryCreative Druckers ist außergewöhnlich und sehr kompakt. Der 3D-Drucker

verfügt über ein relativ kleines unbeheizbares Druckbett. Der Drucker besitzt keine Steuerungseinheit

und kann nur mit einem Rechner bedient werden. Laut [NIT15] und [3DHUB] sind alle Komponente

des Druckers perfekt aufeinander abgestimmt und der Druck ist somit sehr zuverlässig und genau.

BeeTheFirst (www.beverycreative.com)

3.4.2. Builder Dual-Feed von Builder 3D Printers

Der Hersteller Builder 3D Printers stellt eine Reihe verschiedener Drucker her. Die teuren Modelle

verfügen über ein Display mit Steuerelementen, die günstigeren werden ohne Anzeige gebaut. Das

hier vorgestellte Modell ist der Builder Dual-Feed. Der Drucker verfügt über ein Druckbett, das

beheizbar ist und eine Glasscheibe; die (wegen möglicher Kratzer) ausgetauscht werden kann. Der

Drucker verfügt über zwei Extruder, was den Druck mit zwei verschiedenen Filamenten ermöglicht.


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Builder Dual-Feed (www.builder3dprinters.com)

3.4.3. Da Vinci Jr. 1.0 von XYZprinting

Der Da Vinci Jr. 1.0 ist der kostengünstigste Drucker, der in dieser Arbeit vorgestellt wird. Der

Bauraum ist sehr klein und verschlossen. Der Drucker verfügt über ein kleines Display und punktet

wegen seiner einfachen Bedienung. Die Kalibrierung des Druckbetts erfolgt vollautomatisch. Laut

[3DHUB] lässt die Präzision beim Druck zu wünschen übrig; seine Druckqualität kann sich nicht mit

größeren und teuren Druckern messen.


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Da Vinci Jr. 1.0 (us.xyzprinting.com)

3.4.4. E1 von Fabmaker

Laut dem Hersteller von E1 wurde der 3D-Drucker speziell für den Bildungsbereich entwickelt. Der

Bauraum des 3D-Druckers ist komplett verschlossen und durch eine Tür abschließbar. Somit kann

sichergestellt werden, dass kein Unbefugter Zugang zum 3D-Drucker bekommt. Die Sicherheit ist

gewährleistet und der Druckvorgang kann durch bruchsicheres Glas beobachtet werden. Diese

Vorrichtung garantiert, dass Schüler sich nicht an den beweglichen und beheizten Teilen des 3D-

Druckers verletzen können. Der Bauraum ist mit einem Aktivkohle-Filter versehen. Schadstoffe, die

beim Heizen des Materials entstehen können, werden mit diesem Filter gereinigt und stellen kein

Gesundheitsrisiko mehr dar.


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E1 (www.fabmaker.com)

3.4.5. Idea Builder 3D20 von Dremel

Der relativ günstige Drucker von Dremel, einem Hersteller von Elektrowerkzeugen, verfügt über eine

abschließbare Tür, die die Temperatur beim Druck aufrechterhält. Ein kleines Bedienungsfeld

ermöglicht den Druck, ohne zuvor einen Rechner anschließen zu müssen. Der Drucker ist laut [3DHUB]

einfach zu bedienen; der Druckvorgang selbst verursacht aber extrem viel Lärm.

Idea Builder 3D20 (3dprinter.dremel.com)


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3.4.6. K8200 von Velleman

Bei den bis jetzt beschriebenen 3D-Druckern handelt es sich um fertig montierte Drucker, die nach

einigen Einstellungen und Kalibrierungen relativ schnell einsatzbereit sind. Eine preiswerte Alternative

bieten Komplett-Bausätze. Stellvertretend für 3D-Drucker zum Eigenbauen wird hier der Drucker

K8200 beschrieben. Das Kit besteht laut Hersteller aus circa 700 Einzelteilen, die alle zusammengebaut

werden müssen.

Zusammengebauter K8200 (www.k8200.eu)

Laut diversen Rezensionen im Internet gestaltet sich der Zusammenbau als äußert schwierig und

zeitaufwendig. Das Zusammensetzen des Printers verlangt viel Fingerfertigkeit ab und setzt ein

Sortiment an Werkzeugen (Zangen, Feilen, Bandmaß, Schraubenschlüssel, Lötkolben, spezielle

Schraubendreher, …) voraus. Ohne das vorhandene Know-how und einen geschickten Umgang mit

Werkzeugen ist das Zusammenbauen unmöglich: Schrauben müssen millimetergenau angezogen

werden um die Stabilität des Druckers zu gewährleisten, Widerstände müssen präzise angelötet

werden, Lüfter und Platinen verkabelt werden, …. Abschließend muss der Drucker eigenhändig

kalibriert und eingerichtet werden.


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Somit ist der Zusammenbau nur für versierte und mit Werkzeugen ausgerüstete Bastler mit viel Zeit

eine Alternative. Hinzu kommt, dass laut [STI14, S.72] es oft vorkommt, dass oft Teile im Bausatz

fehlen und nachbestellt werden müssen.

3.4.7. Replicator (5th Generation) von MakerBot

Der Hersteller MakerBot ist ein Pionier in der 3D-Druckbranche und entwickelt 3D-Drucker mit

vielseitigen Eigenschaften. Der Replicator ist mit einer kleinen Kamera ausgestattet, die den

Druckvorgang filmt und es dem Benutzer ermöglicht, das Entstehen des 3D-Modells am

Computerbildschirm mitzuerleben. Die Justierung des Druckbetts läuft bei der Kalibrierung

halbautomatisch ab.

Replicator (5th Generation) (www.makerbot.com)

Der Drucker ist mit einem großen Display ausgestattet, der eine einfache Bedienung ermöglicht. Das

Druckbett kann relativ einfach mit Blue Tape überklebt werden, weil der Hersteller passgenaue Folie

herstellt und beim Kauf eines Druckers mitliefert.

3.4.8. Ultimaker 2+ von Ultimaker

Der Ultimaker 2+ verfügt über ein Display mit einfacher Menü Führung. Das Wechseln des Filaments

geht einfach von Hand und die Justierung des Druckbetts erfolgt halbautomatisch. Die Düse des

Extruders ist austauschbar; möchte man schneller und gröber drucken, kann diese durch eine weniger

feine ausgetauscht werden. Der Drucker ist laut [NIT15, S44] sehr einfach zu bedienen und

einsteigerfreundlich. Zusätzlich verfügt Ultimaker 2+ über ein beheiztes Druckbett.


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Ultimaker 2+ (www.utltimaker.com)

Wem der relativ große Bauraum nicht genügt, der kann für weitere 500 € den Ultimaker 2 Extended+

erwerben. Hier wurde der Bauraum in der Höhe um 10 cm verlängert.

3.4.9. UP Mini von Tiertime

Der kostengünstige 3D-Drucker verfügt über einen sehr kleinen aber komplett verschlossenen

Bauraum. Wegen der, im Verhältnis zu anderen Druckern, relativ großen (minimalen) Schichtdicke von

0,2 mm weisen die Modelle nach dem Druck weniger Details auf, als dies der Fall bei Modellen aus

anderen Druckern ist. Der Drucker ist einfach zu bedienen und durch seinen niedrigen Preis ein ideales

Einsteigermodell.


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UP Mini (www.up3d.com)

3.4.10. Überblick

In der folgenden Tabelle werden verschiedene Eigenschaften miteinander verglichen:

• Druckvolumen

Das Druckvolumen definiert das maximale Volumen eines gedruckten Modells. Große

Druckvolumen ermöglichen außerdem das gleichzeitige Drucken mehrerer kleinerer

Modelle.

• Minimale Schichtdicke

Je dünner die Schichtdicke, desto genauer der Druck. Druckt man mit minimaler

Schichtdicke, dauert der Druck länger. Will man Zeit sparen und schneller drucken, wählt

man eine größere Schichtdicke, was auf Kosten der Details geht.

• Anzahl der Extruder

Mehrere Extruder ermöglichen Mehrfarbdruck oder Drucken mit verschiedenen

Materialien.

• Bedienungselemente


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Verfügt der Drucker über einen Bildschirm und Steuerung, kann auch ohne Computer

bequem per SD-Karte oder USB-Stick gedruckt werden.

• Preis

Es ist anzunehmen, dass die aufgelisteten Drucker durch Nachfolgemodelle ersetzt werden

und die Preise (Stand 2016) in naher Zukunft kontinuierlich abnehmen werden.

3D-Drucker /Hersteller Webseite

Druckvolumen L x B x H (mm) Minimale Schichtdicke (mm)

Anzahl Extruder Bedienungselemente?

Preis

BeeTheFirst / BeeVeryCreative www.beeverycreative.com

190 x 135 x 125 0,05

1 Nein

1.300 €

Builder Dual-Feed / Builder 3D Printers www.builder3dprinters.com

220 x 210 x 164 0,02

2 Ja

1.600 €

Da Vinci Jr. 1.0 / XYZprinting us.xyzprinting.com

150 x 150 x150 0,1

1 Ja

400 €

E1 / Fabmaker www.fabmaker.com

250 x 250 x 250 0,02

2 Ja

2.500 €

Idea Builder 3D20 / Dremel 3dprinter.dremel.com

230 x 120 x 140 0,1

1 Ja

800 €

K8200 / Velleman www.k8200.eu

200 x 200 x 200 0,2

1 Nein

480€ (für Bausatz)

Replicator (5th Generation) / MakerBot www.makerbot.com

252 x 199 x 150 0,1

1 Ja

2.000 €

Ultimaker 2+ / Ultimaker www.ultimaker.com

223 x 223 x 205 0,02

1 Ja

1.900 €

UP Mini / Tiertime www.up3d.com

120 x 120 x 120 0,2

1 Nein

500 €

Die Druckgeschwindigkeit ist in der Tabelle nicht angegeben. Viele Hersteller geben keine

Informationen zur Druckgeschwindigkeit ihrer Drucker an. Bei den 3D-Druckern, deren

Druckgeschwindigkeit angeben war, betrug diese zwischen 100-300 mm/s. Diese Angabe bezieht sich

auf die Geschwindigkeit, mit der sich der Extruder bewegen kann. Druckt man mit großer Schichtdicke,

muss der Extruder weniger Strecken zurücklegen (weil weniger Schichten benötigt werden) und

braucht weniger Zeit. Somit ist die Angabe der maximalen Extruder-geschwindigkeit für die Auswahl

eines geeigneten Druckers irrelevant, weil viele andere Faktoren einen sehr großen Einfluss auf die

genaue Druckdauer eines Modells haben.

3.5. 3D-Drucker: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule

In diesem Kapitel überlege ich, welcher 3D-Drucker ideal in eine Schule passt. Es handelt sich hier

um meine persönliche Meinung. Vor dem Kauf eines 3D-Druckers (wie bei jedem neuen technischen


51

Gerät) sollte man sich zuerst über mögliche Einsatzgebiete im Klaren sein und auf folgende Fragen

eine Antwort suchen:

• Wie oft wird der 3D-Drucker benutzt?

• Wer hat Zugriff zum 3D-Drucker? (Schüler? Lehrer?)

• Wieviel Geld will man in den 3D-Drucker investieren?

• Wie wichtig ist die Qualität des Drucks?

Die Anschaffung eines Bausatzes klingt zuerst wegen der niedrigen Anschaffungskosten sehr

verlockend. Ich bin der Meinung, dass diese Alternative nur interessant ist, wenn die Schule über einen

technisch versierten Handwerker verfügt, der gerne mehrere Tage in den Aufbau eines 3D-Druckers

investiert. Nur dann stellt Velleman’s K8200 eine Möglichkeit dar. Da ich selbst kein geborener

Handwerker bin und in Online-Foren genug Frustrationsberichte (von angeblich handwerklich

begabten Usern, die nach tagelangem Basteln einen nicht funktionsfähigen 3D-Drucker

zusammengebaut haben) gelesen haben, rate ich zum Kauf eines fertig montierten 3D-Druckers.

Als nächstes sollte geklärt werden, ob man einen leistungsstarken oder einen leistungsschwächeren

3D-Drucker kaufen sollte. Schwächere 3D-Drucker bieten trotz weniger Leistung einige Vorteile: sie

kosten in der Regel knapp die Hälfte und haben einen geringeren Umfang. Kompakte 3D-Drucker

können also relativ einfach transportiert werden und in verschiedenen Klassensälen eingesetzt

werden. Will eine Schule den 3D-Drucker nur sporadisch einsetzen und legt sie weniger Wert auf die

Qualität der ausgedruckten Modelle, empfiehlt sich der Kauf eines dieser kostengünstigeren Modellen

wie UP Mini, Da Vinci Jr 1.0. oder Idea Builder 3D20.

Ich bin jedoch der Meinung, dass der Einsatz im Klassenzimmer eine weniger gute Idee darstellt. Zum

einen sind 3D-Drucker sehr laut und langsam. Druckt man ein sehr kleines Modell von wenigen cm in

der Klasse, würde der Drucker während circa einer halben Stunde einen konstanten und unangenehm

lauten Lärm verursachen. Außerdem bieten 3D-Drucker einige Gefahren. Ist der Bauraum offen, kann

man sich leicht an der Düse des Extruders verbrennen (200°C) oder die Finger am Druckbett

quetschen. Außerdem sollte das Drucken nur in gut belüfteten Räumen stattfinden, da gefährliche


52

Dämpfe entstehen können. Möchte man trotzdem einen 3D-Drucker im Klassenraum zur Verfügung

haben, empfiehlt sich ein Drucker mit abschließbarer Tür wie der E1 von Fabmaker.

Sinnvoller ist es meiner Meinung nach, den 3D-Drucker dauerhaft in einem separaten Raum zu

installieren, wo Schüler nur beaufsichtigt Zugriff haben. Alternativ dazu könnte man interessierten

Schülern einen Makerspace (öffentlich zugängliche Hightech-Werkstatt) mit 3D-Drucker einrichten.

Sind mehrere Lehrer interessiert, eigene Modelle für den Einsatz im Unterricht zu drucken oder mit

Schülern einer Klasse selbstgestaltete Modelle zu drucken, ist es ratsam, einen leistungsstarken 3D-

Drucker zu kaufen. Bei der Wahl eines passenden 3D-Druckers sind laut [NIT15, S.38) nicht nur Preis

und Features ausschlaggebend. 3D-Drucker sind relativ fehleranfällig; aus diesem Grund ist es wichtig,

bei Problemfällen oder bei Fragen auf einen funktionierenden Kundendienst zurückgreifen zu können

damit ein Drucker über mehrere Jahre einsatzbereit bleibt. Im Idealfall bietet der Hersteller schnelle

Hilfe über Telefon oder E-Mail an und verfügt über Ersatzteile und Reparaturmöglichkeiten. Außerdem

ist es von großer Bedeutung, dass der Hersteller regelmäßig neue Druckvorbereitungsprogramme für

den Rechner sowie Firmware-Updates für den 3D-Drucker selbst veröffentlicht. Nur so kann

sichergestellt werden, dass der 3D-Drucker optimal läuft und z.B. auch auf einem neuen

Betriebssystem genutzt werden kann. Aus diesen genannten Gründen rate ich zum Kauf eines 3D-

Druckers eines der bekanntesten und führenden Herstellers. Wählt man aber einen 3D-Drucker eines

kleinen und unbekannten Unternehmens, läuft man eher Gefahr, dass diese Unternehmen keinen

Support anbieten oder diesen nach einiger Zeit wiedereinstellen. Nur bei dem größeren Hersteller ist

es wahrscheinlicher, dass dieser Support über Jahre gewährleistet ist. Drucker von Hersteller wie

MakerBot oder Ultimaker, die auf jahrelange Erfahrung im 3D-Druckbereich zurückgreifen können,

sind meiner Meinung nach die bessere und vor allem sichere Wahl.

Legt man sich einen vielverkauften 3D-Drucker zu, kann man zusätzlich von einer ständig

wachsenden Online-Community profitieren. Benutzer teilen ihre Erfahrungen in der Community,

beschreiben Lösungswege zu möglichen Problemen (oft mit Fotos oder Videos) und können bei neuen

Problemen von großer Hilfe sein. Kauft man aber einen Exoten von einem unbekannten Hersteller,

sucht man bei Problemen oft vergebens nach Leidensgenossen und ist beim Problemlösen oft auf sich

alleine gestellt.


53

Ich rate zusätzlich davon ab, den ersten 3D-Drucker eines Herstellers zu kaufen. Fast alle Hersteller

veröffentlichen nach ein bis zwei Jahren ein Nachfolgemodell, bei dem (zumindest ein Teil der)

vorhandenen Probleme des Erstlings beseitigt worden sind. Es kann Vorteile haben, einen Drucker

erst zu kaufen, nachdem er mindestens schon einige Monate auf dem Markt ist. Erst dann gibt es

genug Rezensionen über den Drucker und böse Überraschungen bleiben im Normalfall aus. Zusätzlich

fallen die Preise eines neuen 3D-Druckers relativ schnell nach der Veröffentlichung.

Als Alternative zum Kauf eines 3D-Druckers bietet sich ein 3D-Druckservice an. Die Bedienung eines

3D-Druckservice gestaltet sich als sehr einfach. Es genügt, sich online bei der Webseite des

Dienstleisters (wie z.B. www.trinckle.com, www.shapeways.com oder www.trin.do) anzumelden und

ein selbst-erstelltes 3D-Modell hochzuladen. Dann kann die Farbe und das Material ausgesucht

werden. Je nach Material und Größe können die Druckpreise und Lieferkosten stark variieren. Diese

Alternative ist nur sinnvoll, wenn man nur sehr wenige 3D-Modelle in der Schule pro Jahr drucken will

und kein Geld in einen eigenen 3D-Drucker investieren will. Zudem fällt die Wartung (Austauschen

von Filament, Beheben von möglichen Problemen, Abkleben des Druckbetts, …) des Gerätes weg. Ein

weiterer Vorteil eines 3D-Druckserivce ist die große Auswahl an Material und Farben, die zur

Verfügung stehen. Wird jedoch ein 3D-Drucker von mehreren Klassen in verschiedenen Fächern über

einige Jahre benutzt, ist die Anschaffung eines eigenen Druckers die bessere und kostengünstigere

Wahl.

3.6. Vom Aufbau eines 3D-Druckers bis zum ersten Druck - Erfahrungsbericht

In diesem Kapitel erkläre ich, auf welche Details man beim Aufbau eines 3D-Drucker achten sollte.

Es handelt sich um meine persönlichen Erfahrungen, die ich beim Aufbau meines ersten 3D-Druckers,

einem Replicator (5th Generation) von Makerbot, gemacht habe. Der Aufbau anderer 3D-Drucker kann

in einigen Punkten variieren. Alle gezeigten 3D-Modelle in den nachfolgenden Kapiteln wurden mit

diesem Drucker erstellt.

Die Auswahl an 3D-Druckern in Fachläden in Luxemburg ist relativ beschränkt. Bei den dort

angebotenen Druckern handelt es sich meistens um kleine, leistungsschwache, kostengünstigere

Drucker. Viele Hersteller vertreiben ihre Produkte nur online und liefern ihre 3D-Drucker in riesigen

Paketen zu ihren Kunden. Um Erschütterungen der Geräte bei der Lieferung zu vermeiden, ist der 3D-

Drucker mit dicken Schaumstoffhüllen umgeben.


54

Erwirbt man einen 3D-Drucker, erhält man nebst Drucker ein Netzteil zur Stromversorgung,

Handbücher mit zusätzlichen Informationen und in der Regel eine Rolle Filament sowie einen USB-

Kabel, der die direkte Verbindung zum Computer gewährleistet. Bevor der Drucker einsatzbereit ist,

musste ich folgende Schritte tätigen:

• Lösen mehrerer Transportsicherungen

• Einsetzen des Extruders

• Einsetzen der mitgelieferten Rolle Filament in Laufrichtung

• Aufkleben der Blue Tape auf das Druckbett

Es sollen keine Falten oder Bläschen entstehen. Bei Drucker mit beheizbarem Druckbett fällt

dieser Schritt natürlich weg.

• Einsetzen des Druckbetts

• Herstellung der Stromversorgung mittels Netzkabel

• Einschalten des Gerätes

• Kalibrierung des Druckbetts

Mit Hilfe von Rädern wird das Druckbett in die entsprechende Position geführt, so dass die

Distanz zwischen Extruder und Druckbett millimetergenau abgestimmt wird. Das Display

zeigt die einzelnen Schritte der Justierung. Nach einigen Minuten ist die Kalibrierung

abgeschlossen. Dieser Punkt soll so genau wie möglich durchgeführt werden. Ist die

Entfernung des Extruders zum Druckbett zu groß, kann die Haftung des Filaments am

Druckbett verloren gehen, da das Filament schon abgekühlt ist, bevor es den Boden berührt.

Ist der Abstand zwischen Extruder und dem Druckbett zu klein, kann es vorkommen, dass

der Extruder das gedruckte Modell während des Drucks wegschiebt oder das Druckbett

zerkratzt. Aus diesen Gründen sollte man sich Zeit für die Kalibrierung lassen und versuchen,

diese möglichst präzise durchzuführen. Treten später trotzdem Probleme auf, kann man

jederzeit eine erneute Kalibrierung durchführen, um ein optimales Druckergebnis zu

erzielen. Außerdem sind Nachjustierungen nach mehreren Druckvorgängen zu empfehlen.

Bei einigen 3D-Druckern wird die Kalibrierung halb- oder vollautomatisch durchgeführt.

• Einfädeln des Filaments in den Extruder


55

Der Drucker erhitzt die Düse im Extruder auf 210°C und versucht das eingefädelte Filament

zu schmelzen. Verlässt kein flüssiges Material den Extruder, wurde das Filament falsch

eingefädelt. Beim Einsetzen muss genug Kraft eingesetzt werden, damit der

Fördermechanismus des Extruders das Filament packen kann. Wurde das Filament einmal

richtig eingefädelt, muss dieser Vorgang nicht wiederholt werden, da sich der Extruder ab

jetzt das Filament selbst automatisch von der Rolle zieht. Nur wenn die Rolle leer ist oder

man in einer anderen Farbe drucken will, muss die Rolle ausgetauscht und das Filament

erneut eingefädelt werden. Zu beachten bleibt noch, dass nach dem Wechsel zu einer Rolle

mit anders farbigem Filament beim nächsten Druck noch die Reste der vorherigen Farbe

gedruckt werden und sich so Farben auf dem Druckbett vermischen. Um dies zu vermeiden,

sollte man nach dem Wechsel dem Drucker etwas Zeit geben, das Filament auf das Druckbett

aufzutragen und abwarten, bis das Material vollständig die neue Farbe ausgibt.

• Druckersoftware

Verfügt der Drucker über integrierte 3D-Modelle, kann man sofort mit Hilfe des Displays ein

Modell heraussuchen und den Druck starten. Ist dies nicht der Fall, kann man per USB-Stick

oder SD-Speicherkarte ein Modell drucken. Verfügt der Drucker über keine derartigen

Schnittstellen, muss zuerst eine Verbindung zu einem Rechner hergestellt und mit spezieller

Druckersoftware das gewünschte Modell ausgesucht werden. Im Gegenzug zu üblichen 2D-

Drucker lassen sich 3D-Drucker oft nicht so einfach in ein Betriebssystem einbinden. Die

Installation der Treiber des neuen 3D-Druckers erfolgt selten automatisch und muss häufig

manuell installiert und konfiguriert werden.

• Testdruck

Nachdem man einen Testdruck gestartet hat, muss der Drucker den Extruder erst auf 210°C

heizen, bevor der eigentliche Druck losgeht. Dann beginnt der Extruder Schicht für Schicht

das Filament aufzutragen und das Druckbett fährt stufenweise nach unten. Auffallend sind

die extremen Geräusche, das Entstehen von Plastikgeruch und die Dauer des Drucks.

Drucker mit Display zeigen oft den Fortschritt des Drucks an sowie die noch benötigte Zeit,

bis der Druck abgeschlossen ist.

• Abschließen des Testdrucks

Ist der Druck abgeschlossen, kühlt zuerst die Düse des Extruders ab und das Druckbett fährt

ganz nach unten. Erst wenn das Display des Druckers anzeigt, dass der Druck zu 100%

abgeschlossen ist, darf man das Modell vom Druckbett vorsichtig lösen um


56

Verletzungsgefahren auszuschließen. Der Probedruck zeigt, ob der Drucker richtig kalibriert

wurde. Ist dies nicht der Fall und das Modell zeigt Fehler auf, können alle beschriebenen

Kalibrierungen wiederholt werden. Ist der Druck weiter fehlerhaft, sollte man Handbuch

oder Internetseite des Herstellers nach Problemlösungen absuchen.

Der Aufbau, die Kalibrierung und der Testdruck gestalten sich für einen Laien als nicht allzu einfach,

ist aber dank des Handbuchs durchführbar. Ich selbst benötigte gut zwei Stunden vom Auspacken des

3D-Druckers bis hin zum Testdruck. Das Einrichten eines 2D-Druckers ist deutlich schneller und

einfacher. Dies liegt wahrscheinlich auch daran, dass es sich bei 2D-Drucker um eine weitläufig

bekannte Technologie handelt und somit kein Novum darstellt. Außerdem ist 3D-Druck noch keine

massentaugliche Technologie, die, meiner Meinung nach, in wenigen Jahren umgänglicher gestaltet

wird.

Vom Hersteller geliefertes Paket 3D-Drucker mit noch nicht entfernten Transportsicherungen

Warnhinweise die gut sichtbar am Drucker angebracht sind Extruder, Filament, Blue Tape und Kabel


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Einsetzen der Rolle Filament Einfädeln des Filaments

Anbringen (sehr ungenau) der Blue Tape am Druckbett Display mit Kalibrierungshinweisen

Erster Testdruck Mit zu viel Kraft vom Druckbett entferntes Modell


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Nachdem ein Drucker einsatzbereit ist, kann es trotzdem noch vorkommen, dass Probleme

auftauchen und Wartungsarbeiten vonnöten sind. Das Auswechseln einer Rolle Filament oder der Blue

Tape gestaltet sich schnell und einfach. Schwieriger wird es, wenn der Drucker Fehler anzeigt und sich

weigert, zu drucken. Nach drei Monaten und circa 25 gedruckten Modellen hatte ich das erste größere

Problem mit dem erworbenen 3D-Drucker. Dieser weigerte sich zu drucken, und zeigte nur einen

Fehlercode an. Nach ausgiebiger Recherche im Internet stellte sich heraus, dass der Extruder durch

ein frühzeitig abgekühltes Filament-Stückchen verstopft war. Der Hersteller gab an, in solchen Fällen

den defekten Extruder einzusenden und das Problem kostenfrei zu beheben. In einem Video eines

Mitgliedes der Online-Community fand ich eine einfachere Lösung. Hier wurde schrittweise erklärt,

wie man den Extruder öffnen und das Filament entfernen kann. Nach 15 Minuten war der 3D-Drucker

dann wieder einsatzbereit. Nach circa einem halben Jahr unterbrach der Drucker nach einigen

Minuten den Druck und weigerte sich, weitere Modelle zu drucken. Das Problem ließ sich auch nach

intensiver Recherche nicht lösen. Der Hersteller ersetzte schlussendlich den Extruder kostenlos durch

ein neueres Modell, das bis zum Abschluss dieser Arbeit einwandfrei funktionierte. Das ursprünglich

gelieferte Modell des Extruders verschwand einige Zeit später ganz von der Webseite des Herstellers.

Ich nehme an, dass es zu viele Probleme bei mehreren Benutzern verursacht hatte. Diese Umstände

zeigen, dass die 3D-Drucktechnologie noch alles andere als ausgereift ist. Es dauert wahrscheinlich

noch mehrere Jahre, bis diese für den Massenmarkt perfektioniert wird.


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4. 3D-Modellierung

Kapitel 4, 5 und 6 untersuchen verschiedene Verfahren, wie man 3D-Modelle auf den eigenen

Rechner bekommt und mit welchen Programmen man sie bearbeiten oder selbst erstellen kann.

3D-Modell erstellt mit einem 3D-Modellierungsprogramm

Derzeit gibt es drei Möglichkeiten, um an digitale 3D-Modelle zu kommen:

• Das Modell wird mit Hilfe eines 3D-Modellierungsprogrammes selbst erstellt. (→ Kapitel 4)

• Das Modell wird mit einem 3D-Scanner erstellt. Man benötigt ein reales Objekt, das vom 3D-

Scanner erfasst wird. (→ Kapitel 5)

• Das Modell wird aus einer Content-Plattform heruntergeladen. (→ Kapitel 6)

Die aufgezählten Möglichkeiten können natürlich miteinander kombiniert werden. Ein Modell, das

aus einer Content-Plattform oder aus einem 3D-Scanner stammt, kann mit einem

Modellierungsprogramm verändert oder angepasst werden.

4.1. Geometrische Modellierung

„Das geometrische Modellieren ist ein Teilaspekt des Computer Aided Design (CAD), der sich mit der

Theorie, den Techniken und den Systemen für die rechnergestützte Beschreibung und Darstellung

dreidimensionaler Körper befasst“ [BUN02, S.55]. Somit schafft die Modellierung die Grundlage für die

graphische Darstellung von Körpern.


60

Arbeitet man in einer Dimension, können nur Linien dargestellt werden. Mit zwei Dimensionen

können Flächen erzeugt werden. Drei Dimensionen ermöglichen das Darstellen von Körpern.

Linie, Fläche und Körper

Ein 3D-Modell, das am Computer dargestellt wird, besteht in der Regel aus einer Vielzahl

unterschiedlicher Punkte, Kanten und Polygonen.

• Punkt

Stellt das kleinste Element der 3D-Modellierung dar. Ein Punkt im Raum ist über drei

Koordinaten definiert, nämlich durch eine X-Koordinate, Y-Koordinate und Z-Koordinate.

• Kante (edge)

Stellt eine Verbindung durch eine gerade Linie von zwei Punkten dar.

• Polygon


61

Stellt eine Verbindung von mehreren Kanten dar. Die kleinstmögliche Form eines Polygons

ist ein Dreieck mit drei Kanten, die an den Endpunkten zusammengeschlossen sind. Wie in

[ITWIS] beschrieben, ist ein Polygon ein Vieleck und bildet immer eine in sich geschlossen

Fläche.

Punkt, Kante und Polygon

Um Modelle zu erstellen, werden mehrere Polygone miteinander verbunden. Mindestens eine

Kantenlinie wird von zwei verbundenen Polygonen geteilt.

4.1.1. Modelltypen

Digitale 3D-Modelle werden nach verschiedenen Modelltypen unterschieden. In diesem Kapitel

gehe ich kurz auf die häufigsten Typen ein.

Flächenmodell

Das Flächenmodell (surface model) beschreibt die inneren und äußeren Flächen, die das Modell

begrenzen. Im Gegensatz zum Kantenmodell ist dieses Modell nicht transparent und verdeckte Kanten

sind nicht sichtbar. Dank verschiedener Farbabstufungen ist die Darstellung am Computer realistisch.

Die Darstellung von Flächenmodellen benötigt eine höhere Rechnerleistung als die des

Kantenmodells.


62

Würfel (ganz und aufgeschnitten) als Flächenmodell

Polygone haben in der Computerwelt eine Vorderseite jedoch keine Rückseite. Um beide Seiten

voneinander unterscheiden zu können, wird die Vorderseite des Polygons (die die Außenseite des

Modells darstellt) durch einen Normalvektor definiert wie in [HEC14, S.4] gezeigt wird. Dieser Vektor

bildet einen rechten Winkel zur Fläche des Polygons. Die Rückseite des Polygons (die die Innenseite

eines Modells darstellt) besitzt keine Normale und ist für die Modellierung nicht von Bedeutung.

Normalvektoren (in blau) zeigen die Vorderseite der Polygone an

Volumenmodell

Beim Volumenmodell (solid model) ist der Volumen mit den dazugehörigen Flächen exakt definiert.

Nach [HEC14, S,4] eignet sich das Modell, um besonders komplexe Körper mit kontinuierlichen


63

Übergängen zu definieren. Der Rechenaufwand, um Volumenmodelle darzustellen, ist um ein vieles

höher als beim Flächenmodell.

Würfel (ganz und aufgeschnitten) als Volumenmodell

Einige der später vorgestellten 3D-Modellierungsprogamme arbeiten mit Flächenmodellen oder mit

Volumenmodellen. Die Vielzahl der Programme arbeiten mit Hybridformen beider Modelle. Da beide

Modelltypen für den 3D-Druck geeignet sind, wird nicht weiter auf diese Unterschiede eingegangen.

4.1.2. Modellierungsverfahren und Techniken

In diesem Kapitel werden einige Techniken, die von vielen Modellierungsprogrammen unterstützt

werden, kurz aufgelistet und genauer erklärt.

• Erzeugen von Punkten, Kanten und Polygonen

Das Erstellen von 3D-Modellen beginnt immer mit dem Hinzufügen von Kontrollpunkten.

Nachdem man mindestens zwei Punkte im dreidimensionalen Raum erstellt hat, kann man

diese verbinden und Kanten erstellen. Fügt man mehrere Kanten an ihren Kontrollpunkten

zu einer geschlossenen Fläche zusammen, erstellt man Polygone. Oft bieten Programme die

Möglichkeit, direkt Grundkörper wie Quader, Kugel, Zylinder oder Kegel zu erstellen anstatt

diese erst Punkt für Punkt selbst aufzubauen.

Auswahl an Grundkörper


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• Verschieben, drehen und skalieren

o Bei der Verschiebung (Translation) eines 3D-Modells wird die Position im

Koordinatensystem verändert. So kann man Polygone an den gewünschten Ort

platzieren.

o Bei der Drehung (Rotation) wird ein 3D-Modell gemäß einem bestimmten Winkel

um eine der Achsen gedreht.

o Beim Skalieren wird ein Objekt gleichmäßig oder ungleichmäßig vergrößert oder

verkleinert.

Translation

Rotation

Skalierung


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Möchte man ein Prisma auf einen Würfel setzen (so wie ein Dach auf ein Haus), rotiert man

das Prisma zuerst, verschiebt es auf den Würfel und skaliert es dann auf die passende Größe,

• Flächen ausstülpen und aushöhlen (extrusion modeling)

Beim Aushöhlen wird ein Teil einer Fläche nach innen gedrückt, um so eine Vertiefung im

Modell zu erzeugen. Beim Ausstülpen wird ein Teil einer Fläche nach außen gezogen, um

eine Erhebung im Modell zu erstellen. Der Teil, der gezogen oder gedrückt wird, muss im

Vorfeld zweidimensional auf das 3D-Modell gezeichnet werden. Mit dieser Technik kann

man zum Bespiel Noppen oberhalb eines Legosteins herausziehen oder Augen in einen

Spielwürfel hineindrücken.

Herausziehen des Schornsteins und Hineindrücken des Fensters

• Vereinigung, Differenz und Schnittmenge

Mit diesen Techniken können Volumen vereinigt, voneinander abgezogen oder die

Schnittmenge erzeugt werden. Sie werden an zwei sich überschneidenden Körpern

angewandt.


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Vereinigung, Differenz und Schnittmenge von zwei Körpern

So kann die Form eines Körpers durch einen anderen Körper verändert und ein neuer Körper

erstellt werden. Demnach erlauben diese Techniken es, komplexe Modelle mit Hilfe

mehrerer einfacher Modelle zu erstellen.

• Sculpting

Beim Sculpting handelt es sich um eine ganz andere Vorgehensweise als die bisher

vorgestellten Techniken. Das Modell wird so bearbeitet, als würde es aus Ton oder Knete

bestehen; Stellen werden eingedrückt, herausgezogen, herausgerissen und verformt.

Typische Sculpting-Werzeuge

Man startet beim Sculpting mit einer recht einfachen Form wie einer Kugel, die nach und

nach verformt wird und an Details gewinnt. Dafür muss das 3D-Modell öfters subdividiert

werden. Beim Subdividieren (subdivision) wird ein Modell mit wenigen Polygonen in ein


67

Modell mit mehr Polygonen unterteilt. Anhand dieser neuen Polygone können neue Details

nach und nach herausgearbeitet werden und die Übergänge wirken glatt und weniger eckig.

Prozess beim Skulpting

4.2. Formate

Ein 3D-Modell, das mit Hilfe eines Programmes am Computer angezeigt, bearbeitet oder selbständig

erstellt wird, ist in einem bestimmten Dateiformat abgespeichert. Je nachdem wie viele und welche

Informationen des 3D-Modells abgespeichert werden, wird ein anderes Format benötigt. So wird bei

den meisten Formaten die Position der Polygone (das heißt die Koordinaten aller Punkte und zwischen

welchen Punkten sich Kanten befinden) sowie die Flächen mit den Normalvektoren verzeichnet. Bei

anderen Formaten werden die Farben und Texturen der Flächen oder zusätzliche Eigenschaften wie

zum Beispiel Lichtquellen, Animationen, Visualisierungseffekte abgespeichert. Oft ist das Format

abhängig von dem benutzten 3D-Modellierungsprogramm; je nach Hersteller werden andere Formate

benutzt, die oft nicht in anderen Programmen geöffnet werden können. In einigen Programmen wird

das Modell nur in einem vom Hersteller hauseigenen Format abgespeichert, was mit keinem anderen

Programm kompatibel ist.

.3ds .dxf .ply .skp .v3d

.amf .fbx .pts .stl .vrml

.blend .igs .ptx .stp .wrl

.dae .lwo .sat .tri .x3d

.dwf .obj .scl .u3d .xsi

Einige der vielen 3D-Formate (www.wikipedia.org)


68

Wer sich entscheidet, immer nur mit dem gleichen Programm zu arbeiten, für den stellt das Format

keine Probleme dar, da es sich mit dem benutzten Modellierungsprogramm problemlos abspeichern

und später öffnen lässt. Möchte man das Modell drucken, stellt man oft fest, dass viele der

verwendeten Formate der Modellierungsprogramme nicht gedruckt werden können. Zum Drucken

muss das Format umgeändert werden (→ Kapitel 7). Die Konvertierung des Formates ist jedoch kein

Problem, solange das Format auf Polygonen basiert.

Problematischer wird es bei Formaten, die auf dem NURBS-Modell basieren. In diesem Fall handelt

es sich laut [STI14, S.106] um professionelle Modelle, die unter anderem für die industrielle

Herstellung von Gussformen verwendet werden. Im Gegenzug zu anderen Formaten für 3D-Modelle

werden bei einem NURBS-Modell keine Polygone benutzt, sondern nur Kurven abgespeichert. Möchte

man ein NURBS-Modell später drucken, muss es zuerst in ein Modell aus Polygonen umgerechnet und

dann in ein entsprechendes Format abgespeichert werden.

4.3. 3D-Modellierungsprogramme

3D-Modellierungsprogramme sind für 3D-Drucker das, was für 2D-Drucker ein Textverarbeitungs-

Programm ist. Unabhängig vom 3D-Drucker wird zuerst mit dem Modellierungsprogramm ein 3D-

Modell erstellt und als Datei in einem speziellen Format abgespeichert. Mit allen Programmen können

auch 3D-Modelle aus einer Content-Plattform oder aus einem 3D-Scanner nachbearbeitet werden.

Modellierungsprogramme beschränken sich natürlich nicht ausschließlich auf das Erstellen von

Modellen, die gedruckt werden können. Der Großteil der in diesem Kapitel vorgestellten Programme

wurden vor dem Hype des 3D-Drucks entwickelt; das heißt, dass die Modelle oft mit Eigenschaften

(Texturen, Lichtquellen, Animationen, …) versehen werden können, die im 3D-Druck verloren gehen.

Die Programme unterscheiden sich sehr stark in ihrer Einsteigerfreundlichkeit und Komplexität.

Einige Programme sind einfacher zu bedienen, stellen aber weniger komplexe Werkzeuge zur

Verfügung. Die meisten Programme werden über Menüs und Icons gesteuert, wo die gewünschten

Funktionen per Maus ausgewählt werden. Im Gegenzug dazu stehen Programme, die mit Hilfe einer

textbasierten Beschreibungssprache 3D-Modelle generieren. Alle Programme benötigen

Einarbeitungszeit und es gehört ein großes Maß an Geduld und Erfahrung dazu, komplexere Modelle

selbständig zu erstellen.


69

Für das Benutzen einiger dieser Programme wird eine kostenpflichtige Lizenz verlangt.

Unternehmen, die ein Programm professionell für ihre eigene Produktion benutzen wollen, müssen

oft mehrere tausend Euro für eine solche Lizenz ausgeben. Alternativ dazu gibt es eine Vielzahl von

kostenlosen Programmen. Einige kommerzielle Programme gibt es auch als kostenfreie Test-Version,

die mit Einschränkungen (wie Dauer der Nutzung oder Anzahl der Funktionen) benutzt werden kann.

Wegen des sehr großen Angebots an 3D-Modellierungsprogrammen wird oft versucht, zwischen

verschiedenen Programmtypen zu unterscheiden. In der Literatur ist man sich über diese

Klassifizierung nicht einig und je nach Autor werden andere Programmkategorien vorgeschlagen. Um

sich nicht im Detail zu verlieren, beschränke ich mich auf folgende drei Typen:

• 3D-CAD-Programme

CAD (computer-aided design) wird speziell für Planung sowie Konstruktion eingesetzt und

ermöglicht passgenaue technische Anfertigungen. 3D-CAD-Programme werden oft von

Designer und Architekten genutzt. Das Erstellen organischer Formen gestaltet sich als

schwierig.

• Sculpting-Programme

Mit diesen Programmen werden 3D-Modelle mit Hilfe von speziellen Sculpting Techniken

(→ Kapitel 4.1.2.) erstellt. Sculpting-Programme werden oft im kreativen und künstlerischem

Schaffen eingesetzt. Das Erstellen funktioneller Teile erweist sich jedoch als schwierig.

• 3D-Visualisierungsprogramme

Bei diesen Programmen geht es weniger um Konstruktion, sondern um die Erzeugung

fotorealistischer Bilder und Videos. 3D-Modelle werden in solchen Programmen mit

visuellen Effekten, Beleuchtung und Animationen eindrucksvoll in Szene gesetzt.

In vielen Fällen ist das Zuordnen eines Programmes zu einer Kategorie schwierig. Wegen ihrer Fülle

an Funktionen lassen sich einige Programme gleichzeitig in mehrere Kategorien zuweisen.

Einige Programme ermöglichen es, Modelle über die Zeit zu bewegen und Animationssequenzen zu

erstellen. Filmstudios wie Pixar nutzen diese Programme, um ganze Filme zu produzieren.

Professionelle Animationsprogramme (CINEMA 4D, Lightwave, 3dsMax, …) kosten sehr viel Geld und

sind mit hunderten von Funktionen ausgestattet, die das einfache 3D-Modellieren erschweren.


70

Möchte man ein 3D-Modell zum Drucken erstellen, ist es abzuraten, solche komplexen Programme zu

nutzen, da nur ein Bruchteil des Programmes sich mit dem wesentlichen Modellieren befasst.

In diesem Kapitel werden einige Programme vorgestellt und deren Benutzeroberfläche,

Einsteigerfreundlichkeit und Funktionen untersucht.

4.3.1. 123D

Der Name 123D bezeichnet eine Reihe von Programmen, die von Autodesk entwickelt worden sind

und untereinander kompatibel sind. Die Programme unterscheiden sich in ihrer Komplexität, ihrem

Anwendungsgebiet und im Preis.

Programmsammlung 123D

Beim Programm 132D Design erinnert die Grundansicht an Millimeterpapier, worauf das Modell

aufgebaut wird. Das Programm läuft sowohl auf einem Rechner wie auch auf Tablets und

Smartphones. Die Möglichkeiten des Programmes sind jedoch relativ eingeschränkt.

123D Design - Einfach und benutzerfreundlich


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Das Programm Tinkercad ist ein leistungsstarkes und gut ausgestattetes 3D-

Modellierungsprogramm, das dank gut gestalteter Menüs den Einstieg vereinfacht.

Neben diesen beiden relativ herkömmlichen Programmen bietet Autodesk auch originelle und

exotischere Ideen an. Das Programm 123D Catch ermöglicht es, aus mehreren zweidimensionalen

Fotos 3D-Modelle zu generieren. 123D Circuits arbeitet mit Platinschaltungen, die programmiert

werden, in ein 3D-Modell integriert und anschließend beim Hersteller bestellt werden können. Das

Programm 123D Make stellt 3D-Modelle als Schichten dar, die mit dem Programm bearbeitet und

angepasst werden.

123D Make - Erstellen eines 3D-Modells anhand von Schichten

Dank verschiedener Programme werden dem Einsteiger viele verschiedene Einstiegsmöglichkeiten

in die 3D-Welt geboten. Als negativ kann angesehen werden, dass viele der Funktionen der

Programme kostenpflichtig sind und die Programme dafür konzipiert sind, nur untereinander zu

arbeiten. Somit werden wenig Anschlussmöglichkeiten zu anderer Software außerhalb der 123D

Softwareansammlung geboten.


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4.3.2. 3D-Coat

Bei 3D-Coat handelt es sich um ein vielseitiges Sculpting-Programm.

3D-Coat - Arbeiten wie mit echter Knete

Man beginnt mit einem einfachen Volumen (z.B. einer Kugel), die man schrittweise verändert. Das

Modell wird aufgewölbt, verformt, eingedrückt oder herausgezogen. Der Einstieg in das Programm

gestaltet sich als relativ einfach und nach wenigen Minuten arbeitet man intuitiv mit dem 3D-Modell,

als wäre es echte Knete. Das Programm ist perfekt für Künstler, die ihre eigenen Figuren und

Skulpturen am Rechner modellieren wollen.

4.3.3. Anim8or

1998 erschien die erste Version dieses kostenlosen Programmes. Die Bedienung gestaltet sich als

recht einfach, da es nur über wesentliche Funktionen der Modellierung verfügt. Das Arbeiten mit dem

Programm gestaltet sich jedoch als umständlich und altmodisch. Erst nach einiger Einarbeitungszeit

kann man Resultate erzielen. Funktionen zum Vorbereiten eines Modells für den 3D-Druck oder

Abspeichern in einem passenden Format sind nicht vorhanden.


73

Anim8or - Übersichtliche Menüs mit holpriger Bedienung

4.3.4. Blender

Blender ist ein kostenloses Programm, das eine Fülle an Funktionen und Möglichkeiten bietet. Die

diversen Funktionen werden über mehrere Benutzeroberflächen ausgeführt, die individuell nach

Belieben eingerichtet werden können. Blender unterstützt das Arbeiten mit Polygon- und NURBS-

Modellen.

Blender - Animiertes 3D-Modell inklusive Effekte

Das Programm lässt sich schwer in eine Kategorie einordnen, da es die Eigenschaften aller bisher

beschriebenen Kategorien vereint. Blender bietet alle wichtigen Funktionen, um passgenaue Modelle

zu konstruieren und kann mit anderen 3D-CAD-Programmen mithalten. Es enthält mehrere


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Werkzeuge, wie man sie in einem Sculpting-Programm wiederfindet; Modelle lassen sich nach

Belieben verformen und kneten. Blender kann aber auch als 3D-Visualisierungsprogramm eingestuft

werden: Verschiedene Kameraeinstellungen, Lichtquellen und Materialien ermöglichen es, 3D-

Modelle in Szene zu setzen. Zusätzlich verfügt das Programm über spezielle Werkzeuge, die auf den

3D-Druck ausgerichtet sind. So können Modelle zum Beispiel direkt im Programm auf mögliche Fehler

überprüft und repariert werden.

Der Einstieg in Blender gestaltet sich als sehr schwierig, nicht zuletzt wegen seiner Fülle an

Möglichkeiten. Erst nach längerem und teils mühsamem Einarbeiten sind dem Benutzer keine Grenzen

mehr gesetzt. Für Einsteiger, die mal schnell ein einfaches 3D-Modell erstellen wollen, bietet Blender

definitiv zu viele Möglichkeiten. Nur für kreative und sehr anspruchsvolle Benutzer, die genügend Zeit

aufbringen, das Programm zu erlernen, ist Blender ideal.

4.3.5. CoffeeSCad

CoffeeSCad ist ein 3D-CAD-Programm, mit dem man 3D-Modelle im Browser erstellt. Es genügt, die

Webseite aufzurufen, um mit dem Modellieren zu beginnen; eine Anmeldung ist nicht vonnöten. Um

ein 3D-Modell zu erstellen, muss nur der Code geschrieben werden. Verschiedene Variablen

definieren die Größe und Farbe des 3D-Modells.

CoffeeSCad - Jede Veränderung wird in Echtzeit am Modell gezeigt

Ändert man den Code, kann man im Browserfenster die Änderungen am 3D-Modell in Echtzeit sofort

erkennen. Gängige Grundfunktionen (Vereinigungen, Differenzen und Schnittmengen) können mit


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CoffeeSCad ausgeführt werden. Nach [GOLEM] entwickelte der Hersteller das Programm für

Anwender, die bereits erste Programmiererfahrung aufweisen können.

In Zukunft soll das Programm erweitert werden: anhand einer grafischen Oberfläche wird man

Modelle zusammenklicken können und somit wird auch unerfahrenen Nutzern ein schneller Einstieg

in das Programm ermöglicht.

4.3.6. FreeCAD

Wie der Name des Programmes es vermuten lässt, handelt es sich um ein kostenloses 3D-CAD-

Programm. FreeCAD ist ein sehr technisch orientiertes Programm, das es ermöglicht, maßgenaue 3D-

Modelle anzufertigen. Das Programm eignet sich vor allem für das Konstruieren von Bauteilen und

Formen, weniger aber fürs künstlerische Schaffen. Die Benutzeroberfläche ist einfach aufgebaut,

benötigt aber viel Einarbeitungszeit, um sich im Programm zurecht zu finden.

FreeCAD - Maßgenaues Konstruieren

Zusätzlich bietet das Programm die Möglichkeit, Macros (Befehlsreihenfolgen) aufzunehmen und

später abzuspielen, um bestimmte Vorgänge automatisch auszuführen. Durch Plug-Ins kann das

Programm erweitert werden, um zum Beispiel mechanische Bewegungen zu berechnen und zu

simulieren.


76

4.3.7. Metasequoia

Metasequoia ist ein kompaktes Programm, das durch seine sehr intuitive Benutzerführung auch

Anfängern einen relativ einfachen Einstieg bietet.

Metasequoia - Einsteigerfreundliches Modellieren

Das Arbeiten mit dem Programm macht Spaß und bietet genug Funktionen, um auch komplexere

Modelle relativ einfach zu erstellen. Das Programm ist sowohl als kostenpflichtige als auch kostenlose

Version erhältlich. In der freien Version sind zwar einige Funktionen nicht verfügbar; die vorhandenen

Möglichkeiten genügen aber, um gute Resultate zu erzielen.

4.3.8. OpenSCAD

Anhand einer textbasierten Beschreibungssprache werden im Programm OpenSCAD 3D-Modelle

erstellt. Man erstellt zuerst Grundkörper, die anhand von Veränderungen zu einem komplexeren 3D-

Modell vereinigt werden. Die erstellten Modelle verfügen über eine Reihe Parameter, die nach

Belieben angepasst werden. Verändert man das Skript, wird das 3D-Modell nicht automatisch in

Echtzeit angepasst und muss erst durch Knopfdruck neu berechnet werden. Das entstehende 3D-

Modell kann jederzeit dank Maussteuerung von allen Seiten betrachtet werden, ohne ein Skript

benutzen zu müssen.


77

OpenSCAD - Ein paar Reihen Code genügen, um komplexe 3D-Modelle zu erstellen

Mit OpenSCAD können außerdem prozedural erzeugte 3D-Modelle generiert werden. Diese

prozedurale Generierung wird nach [WIKIP] wie folgt beschrieben: „Methoden zur Erzeugung von

Programminhalten wie … 3D-Objekten … in Echtzeit und während der Ausführung des

Computerprogramms, ohne dass diese Inhalte vor der Benutzung vom Entwickler fest angelegt

werden.“ So können mit OpenSCAD komplexe 3D-Modelle mit Hilfe von Algorithmen zeit- und

platzsparend entwickelt werden

4.3.9. Rhinoceros

Das sehr komplexe und komplizierte 3D-Modellierungsprogramm Rhinoceros arbeitet sowohl mit

NURBS als auch mit Polygonen. Die überladenen Menüs mit hunderten von Möglichkeiten gestalten

den Einstieg in das Programm sehr schwierig. Anhand von Plug-Ins können weitere Funktionen

nachinstalliert werden. Hat man sich aber nach harter Arbeit in dieses professionelle Programm

eingebarbeitet, kann man detaillierte 3D-Modelle erzeugen und perfekt in Szene setzen.


78

Rhinoceros - Komplex und kompliziert

4.3.10. Sculptris

Das Programm befasst sich mit Herstellen von dreidimensionalen Skulpturen. Nach dem Starten des

Programmes wird dem Anwender eine Kugel präsentiert, die er nach Belieben kneten und verformen

kann. Der Einstieg in das Programm ist sehr einfach, intuitiv und macht Spaß. Sculptris ist eines der

einsteigerfreundlichsten Sculpting-Programme, die erhältlich sind. Funktionen, die es ermöglichen,

präzise 3D-Modelle nach Maß zu konstruieren, sind leider nicht im Programm integriert. Somit ist

Sculptris nur für Hobbykünstler oder für den Kunstunterricht geeignet.

Sculptris - Ermöglicht das Erstellen eigener Skulpturen in wenigen Minuten


79

4.3.11. Silo

Das kostenpflichtige Programm Silo (das man gratis für 30 Tage testen kann) bietet eine Fülle von

Werkzeugen, die aufgerufen werden können. Der Einstieg wird dank vorkonfigurierter

Benutzeroberflächen vereinfacht, erweist sich aber trotzdem als relativ schwierig.

Silo - Große Auswahl an Werkzeugen

Die Anzahl der Formate, die das Programm Silo importieren oder exportieren kann, ist nennenswert;

so kann das Programm auch als Dateikonvertierungsprogramm angenehm benutzt werden.

4.3.12. SketchUp

Arbeitet man mit SketchUp, zeichnet man zuerst zweidimensionale Objekte, die dann in die dritte

Dimension „geschoben“ werden. Dies erleichtert den Einstieg in das Programm, denn viele Benutzer

kennen 2D-Grafikprogramme. Die Benutzeroberfläche ist logisch aufgebaut und ermöglicht einen

schnellen Einstieg in das Programm, welches sehr einfach zu bedienen ist. SketchUp ist vor allem für

das geometrische Konstruieren und Bauen von 3D-Modellen geeignet. Zusätzlich bietet das Programm

die Möglichkeit, den Bauraum (inklusive den genauen Maßen) des 3D-Druckers im Programm

darzustellen; ein passgenaues Modellieren des 3D-Modells in gewünschter Größe fällt leicht.


80

SketchUp - Modelle direkt in den Maßen des Druckraums konstruieren

Bei vielen der anderen Programme habe ich die Erfahrung gemacht, dass oft keine genauen

metrischen Größenangaben vorhanden sind. Oft musste ich vor dem Druck die Größe des Modells

anpassen, da es nicht dem Bauraum des Druckers entsprach.

4.3.13. Wings 3D

Das Programm bietet eine sehr übersichtliche Benutzeroberfläche; das Navigieren der Menüs ist

jedoch etwas gewöhnungsbedürftig, da man sich durch mehrere Untermenüs durchklicken muss, um

eine Funktion aufzurufen, anstatt sie sofort per Icon starten zu können.

Wings 3D - Verzweigte Menüführung


81

Mit Wings 3D beginnt man zuerst mit einem einfachen Grundmodell (z.B. Würfel), das man dann

nach und nach unterteilt und verändert, bis man ein komplexeres 3D-Modell erstellt hat.

4.3.14. ZBrush

ZBrush basiert auf dem Prinzip des Subdivsion Modeling. Ein 3D-Modell wird nach und nach

dynamisch verändert, so dass das Modell an Details gewinnt. Das professionelle Programm benötigt

bei komplexeren Modellen einen leistungsstarken Rechner, um tausende von Polygonen darzustellen.

Zusätzlich bietet das Programm weitere Raffinessen und Funktionen. So kann für ein 3D-Modell

automatisch eine Haut aus Polygonen erstellt werden, die über das Modell gelegt wird. Mit anderen

Programmen müsste man das ganze 3D-Modell Stück für Stück überarbeiten.

ZBrush - Erzeugen von beindruckenden Modellen

Der Einstieg in das Programm erweist sich als schwierig, da man wegen der Vielzahl an komplexen

Möglichkeiten schnell den Überblick verliert. Lässt man sich aber Zeit und arbeitet man sich erst durch

die Basisfunktionen, macht die Arbeit mit ZBrush Spaß und ermöglicht das Erstellen beindruckender

Modelle. Durch hinzugefügte Texturen und Schatten wirken die 3D-Modelle sehr realistisch.


82

4.3.15. Überblick

In der folgenden Tabelle werden verschiedene Eigenschaften der Programme miteinander

verglichen:

• Version

Die Version gibt das Entwicklungsstadium eines Programmes an, mit dem ich in dieser Arbeit

gearbeitet habe. Es handelte sich jeweils um die aktuelle Version des Programmes, die zu

diesem Zeitpunkt verfügbar war; da aber ein Programm ständig weiterentwickelt wird, ist es

wahrscheinlich, dass neue Versionen in der Zwischenzeit veröffentlicht worden sind. Es ist

jedoch falsch davon auszugehen, dass Programme mit einer größeren Versionsnummer

„besser“ oder fortgeschrittener als Programme mit kleinen Versionsnummern sind, da der

Hersteller die Versionsnummer selbst bestimmt.

• Sprache

Die Sprache der Benutzeroberfläche kann bei vielen Programmen angepasst werden.

• Kosten

Alle vorgestellten Programme können von der Webseite des Herstellers heruntergeladen

werden. Die Benutzung der Programme ist in vielen Fällen kostenlos, bei anderen

Programmen ist die kostenlose Benutzung eingeschränkt. Unterschieden wird zwischen

einer Trial-Version und einer Light-Version:

o Trial: kostenlos, aber die Nutzung ist nur für einen gewissen Zeitraum möglich (z.B.

1 Monat). Wer das Programm länger benutzen will, muss zahlen.

o Light: kostenlos, aber nur ein Teil der Funktionen können benutzt werden. Wer alle

Funktionen benutzen will, muss zahlen.

• Betriebssystem

Um ein Programm auf dem eigenen Rechner benutzen zu können, muss es mit dem

Betriebssystem kompatibel sein.


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Programm /Entwickler Webseite

Version Sprache

Kosten Betriebssystem

D F E Windows Mac OS Linux

123D / Autodesk www.123dapp.com

verschieden X X X verschieden X X

3D-Coat / Pilgway www.3dcoat.com

4.5.4 X X X Trial / 360 € X X X

Anim8or / Glanville S. www.anim8or.com

0.98 X / X

Blender / Blender Foundation www.blender.org

2.77 X X X / X X X

CoffeeSCad / Moissette M. www.coffeescad.net

0.324 X / X X X

FreeCAD / Riegel J. Mayer W, Havre Y. www.freecadweb.org

0.16 X X X / X X X

Metasequoia / Tetraface www.metaseq.net

4.5.6 X Light / 135 € X X

OpenSCAD / The OpenSCAD Developers www.openscad.org

2015.03-2 X X X / X X X

Rhinoceros / Mc Neel R. & Associates www.rhino3d.com

5.13 X X X Trial / 995 € X X

Sculptris / Pixologic www.pixologic.com/sculptris

6 X / X X

Silo / Nevercenter www.nevercenter.com/silon

2.3.1 X Trial / 143 € X X X

SketchUp / Trimble Navigation www.sketchup.com

16.1.1449 X X X Light / 623 € X X

Wings 3D / Izware www.wings3d.com

1.5.4 X X X / X X X

ZBrush / Pixologic www.pixologic.com/zbrush

4.7 X Trial / 717 € X X

4.4. 3D-Modellierungsprogramme: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und

in der Schule

In diesem Kapitel überlege ich, welche 3D-Modellierungsprogramme im Unterricht eingesetzt

werden können. Zu erwähnen bleibt, dass nicht nach dem leistungsstärksten Programm mit den

meisten Funktionen und Möglichkeiten gesucht wird. Vielmehr wird versucht, ein für den Unterricht

taugliches Programm zu suchen, das es erlaubt, 3D-Modelle für den Druck herzustellen. Besonders

wichtig ist es, ein Programm zu finden, das sich durch eine große Einsteigerfreundlichkeit (der Schüler

soll relativ schnell ein erstes Ergebnis vorzeigen können) sowie durch eine rasant ansteigende

Lernkurve (der Schüler soll mit Hilfe des Programmes immer komplexere Modelle erstellen)

auszeichnet.

Unter den im vorherigen Kapitel vorgestellten Programmen befinden sich einige Sculpting-

Programme. Möchte man künstlerische Skulpturen erschaffen, eignen sich die Programme 3D-Coat

und Sculptris meiner Meinung nach wegen ihrer recht einfachen Bedienung am besten. Diese


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Programme könnten im Kunst-Unterricht eingesetzt werden, eignen sich aber keineswegs zum

Konstruieren geometrischer Modelle.

Plant man im Unterricht geometrische Figuren und Modelle zu erstellen, eignen sich die

sogenannten 3D-CAD-Programme. Zu empfehlen sind Programme, die mit realen Einheiten arbeiten,

nur so kann schon im Vorfeld das Modell so modelliert werden, dass es später beim Druck die

gewünschte Größe aufzeigt. In der Regel bieten die kostenpflichtigen Programme einen größeren

Werkzeugkasten und mehr Funktionen an als die kostenlose Software. Solche komplexeren Tools

werden jedoch nicht von Neulingen benötigt, sondern erschweren nur den Einstieg in ein neues

Programm. Die Anschaffung eines professionellen Programmes wie ZBrush und Rhinoceros macht erst

Sinn, wenn man die Basis des Modellierens beherrscht und Zeit und Mühe in komplexere Programme

und Modelle investieren will. Da in dieser Arbeit ein Programm für den Einstieg in die 3D-Welt gesucht

wird, empfehle ich ein einsteigerfreundliches und kostenloses Programm. Nur so kann der Schüler und

Lehrer das Programm auch zuhause gratis herunterladen und damit arbeiten.

Einige der Programme arbeiten nicht mit Polygonen sondern mit NURBS-Modellen. Wie bereits

erwähnt müssen diese vor dem Druck zuerst in ein Modell aus Polygonen umgerechnet werden und

dann in ein entsprechendes Format abgespeichert werden. Dabei treten öfters Fehler (wie offene

Kanten) auf, die später ausgebessert werden müssen. Möchte man ein 3D-Modell erstellen, um es

später zu drucken, rate ich ab, mit NURBS-Modellen zu arbeiten.

Oft bieten 3D-Modellierungsprogramme die Möglichkeit, 3D-Modelle mit Texturen, Lichtquellen,

Effekten und Animationen zu versehen. Zwar sehen die erstellten Modelle nach diesen

Veränderungen am Bildschirm realistischer aus, machen aber in Hinsicht auf den späteren Druck

wenig Sinn, da diese beim Druck nicht abgebildet werden So sind die Effekte, die Programme wie

Blender anbieten, überflüssig, wenn man 3D-Modelle zum Drucken herstellt.

Ein Faktor, der bei Auswahl eines geeigneten Programmes für den Einsatz im Unterricht nicht zu

vernachlässigen ist, stellt die Anzahl ihrer aktiven Nutzer dar. Ist ein Programm schon mehrere Jahre

auf dem Markt und erfreut sich großer Beliebtheit, kann man in den meisten Fällen auf ein

Riesenangebot an verschiedenen Quellen zurückgreifen. So gibt es Bücher, Online-Tutorials, Videos


85

und Foren, auf die man beim Erlernen des Programmes zurückgreifen kann und bei offenen

Problemen schnell Lösungen findet. Außerdem werden diese Programme in der Regel auch öfters

überarbeitet, um auf neuen Rechnern und Systemen optimal zu laufen. Arbeitet man aber mit einem

relativ unbekannten und wenig benutzten Programm, gestaltet sich der Einstieg in die neue Software

oft als sehr schwierig; treten dann noch Probleme auf, ist man auf sich allein gestellt.

Aus den vorhin genannten Gründen bin ich der Ansicht, dass Programme wie SketchUp oder 123D

Design ideal in den Unterricht passen. Sie sind einsteigerfreundlich, kostenlos und verfügen über eine

große und aktive Community. Sie eignen sich dazu, relativ einfache, passgenaue Modelle für den

späteren 3D-Druck zu erstellen. Der Einstieg in diese Programme gestaltet sich für Lehrer und Schüler

als relativ einfach, da man nach kurzer Zeit schon relativ komplexe Modelle erstellen kann, ohne sich

mit Details beschäftigen zu müssen.

Alternativ dazu empfehle ich den Einsatz eines Modellierungsprogrammes wie zum Beispiel

OpenSCAD oder CoffeeSCad, das mit einer textbasierten Sprache, einem sogenannten Code, arbeitet.

Nach [KNI13, S.2] liegt der Vorteil darin, dass der benutzte Code sehr kurz ist und sehr einfach kopiert

werden kann, um wiederbenutzt zu werden. Die Vorgehensweise in solchen Programmen ist ganz

anders, da man zuerst die neue Sprache erlernen muss, anstatt sich durch Menüs zu klicken.

Beherrscht man die Sprache, schreibt man den Code, der das Modell mathematisch beschreibt. Soll

jeder Schüler einer Klasse genau das gleiche Modell am Computer erstellen, eignen sich dazu diese

Programme. Arbeitet man aber mit herkömmlichen Modellierungsprogrammen, kann es oft

vorkommen, dass jeder Schüler ein anderes Modell erstellt, ohne später die Möglichkeit zu haben, das

Modell auf seine Genauigkeit zu prüfen. Zudem lassen sich Fehler bei diesen herkömmlichen

Modellierungsprogrammen oft schlecht erkennen und später nur umständlich verbessern, da man die

zuvor getätigten Schritte nicht einsehen kann. 3D-Modelle, die mit einem Code erstellt wurden, lassen

sich schneller anpassen und auf Fehler kontrollieren. Nach [MAK15, S78] ist ein weiterer Vorteil der

codegestützten Modellierung der Fakt, dass Elemente eines Modells durch Modifizieren der

Parameter sehr schnell und einfach angepasst und verändert werden können.


86


87

5. 3D-Scanning

Möchte man ein reales Objekt als dreidimensionales Modell auf dem Rechner abspeichern, um es

später zu vervielfältigen oder zu verändern, könnte man es mit einem 3D-Modellierungsprogramm

nachbilden und später ausdrucken. Dieses Verfahren ist in den meisten Fällen zeitaufwendig und bei

komplexen Formen sehr schwierig. Ein 3D-Scanner kann hier Abhilfe schaffen.

Anders als ein 2D-Scanner, der nur flache Gegenstände wie Papier erfassen kann, ist ein 3D-Scanner

in der Lage, ein räumliches Objekt zu digitalisieren. Mit einem 3D-Scanner wird ein Objekt von

mehreren Seiten gescannt. Der Scanner sammelt Informationen über die Distanz verschiedener

Punkte des Objektes zum Scanner. Die Ansammlung dieser Punkte, die durch eine X-, Y- und Z-

Koordinate definiert werden, nennt man Punktwolke (point cloud). Nach [HAU14, S.103] definiert die

Punktwolke den Umriss des Objektes und seine grundlegende Geometrie. Je feiner die Punkte erfasst

werden, desto detailgetreuer kann das Objekt dargestellt werden. Anhand dieser Informationen wird

ein Netz aus Polygonen berechnet. Dieses Netz stellt das 3D-Modell dar.

Punktwolke einer eingescannten Vase

Ähnlich wie bei den 3D-Druckern werden bei 3D-Scannern verschiedene Technologien eingesetzt.

Jedes der vorgestellten Verfahren hat seine Vor- und Nachteile und eignet sich für andere

Einsatzgebiete.


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5.1. Fotogrammetrie

Bei dieser Methode wird aus vielen verschiedenen Fotos die notwendige Tiefeninformation

berechnet und daraus ein 3D-Modell erstellt. Es genügt, seine Digitalkamera oder ein mit Kamera

ausgestattetes Smartphone zu benutzen. Um aus den Fotos das 3D-Modell zu erstellen, wird eine

spezielle Software benötigt.

Die Vorteile dieser Methode liegen auf der Hand. Zum einen muss kein teures Material gekauft

werden, wenn man schon über eine Digitalkamera verfügt. Ein leistungsstarker Rechner (mit

ausreichend Arbeitsspeicher), der die Berechnung des 3D-Modells durchführt, wird jedoch benötigt.

Außerdem spielt die Größe des Objektes, das man fotografiert, kaum eine Rolle. Objekte wie Autos

oder Menschen können problemlos fotografiert werden.

Der Nachteile dieser Methode besteht darin, dass man oft zu keinem Resultat kommt. Ich habe

mehrere Versuche gebraucht, um die Fotos ideal aufzunehmen und die Programme so einzustellen,

dass ein halbwegs passables Modell entsteht. Beim Fotografieren sollte man einen möglichst

neutralen Untergrund und Hintergrund wählen, von dem sich das Objekt abhebt; das Objekt sollte

möglichst nicht spiegeln oder transparent sein. Im Idealfall soll das Modell keine Schatten werfen. Erst

nachdem man viel Erfahrung mit der Fotogrammetrie gesammelt hat, kann man mit dieser

Technologie 3D-Modelle quasi kostenfrei erstellen.

Nachfolgend werden einige Programme gezeigt, die 3D-Modelle aus Fotos erstellen können:

5.1.1. 123D Catch

Das Programm kann kostenlos auf einem Smartphone oder Tablet installiert werden und wird von

allen bekannten Betriebssystemen unterstützt. Das Programm ist sehr einfach zu bedienen: man muss

nur um das Objekt herumgehen und mehrere Fotos von allen Seiten schießen. Das Programm zeigt

an, aus welcher Richtung noch Fotos zu nehmen sind. Die Fotos werden anschließend auf die Server

vom Hersteller hochgeladen und das 3D-Modell wird dort berechnet. Rechenintensive

Tiefenberechnung auf dem eigenen Smartphone fällt somit weg. Es dauert je nach Anzahl der Fotos

und Auflösung aber oft sehr lange (bis zu mehreren Tagen!), bis man fertige Modell bewundern kann.


89

Der Fakt, dass die Berechnung des 3D-Modells ausgelagert wird, ist nicht nur vorteilhaft, da eigene

Fotos auf fremden Servern abgespeichert werden.

123D Catch - Das reale Ojekt (links) und das erstellte Modell (rechts) von vorne und hinten

Wegen mangelhafter Einstellungsmöglichkeiten ist das Resultat oft willkürlich und alles andere als

gelungen.

5.1.2. Aspect 3D

Aspect 3D bietet eine umfassende Werkzeugkiste zum Erstellen von 3D-Modellen aus digitalen

Bildern. Verschiedene Funktionen ermöglichen es, das generierte Modell weiterzuverarbeiten und

optimal in Szene zu setzen. Der Benutzer kann verschiedene Algorithmen anwenden, um aus 3D-

Punktwolken das 3D-Modell und die Texturen zu erstellen.

Aspect 3D - Das Modell des Apfels ist nicht komplett


90

Nachdem man ein Modell erstellt hat, kann man Kamerapfade definieren, auf denen ein Video des

Modells erstellt wird. Die Einstellungsmöglichkeiten der teuren Software sind enorm und erschließen

sich nur Profis.

5.1.3. PhotoScan

Das Programm PhotoScan wird auf dem Rechner installiert. Man kann also auch eine hochauflösende

Spiegelreflexkamera einsetzen, um das Objekt zu fotografieren. Das Programm bietet viele

Einstellungsmöglichkeiten und laut [NIT15, S.146] einen entscheidenden Vorteil zu anderen

Programmen. Man muss nicht um das Objekt herumgehen, um es von allen Seiten zu fotografieren,

sondern kann mit einem Drehteller arbeiten, der sich um die eigene Achse bewegt. In diesem Fall kann

die Kamera fixiert werden und man muss nur das Objekt Stück für Stück drehen, um ein besseres

Ergebnis zu erzielen. Benutzt man diese Technik mit anderen Programmen, werden die Fotos oft falsch

zugeordnet, da der Hintergrund des Objektes sich nicht mit bewegt.

PhotoScan - Modell wird aus mehreren Fotos einer Figur auf einem Drehteller erstellt

Um ein noch besseres Ergebnis zu erzielen, kann man im Programm mit Masken arbeiten; es genügt,

den Hintergrund einmal ohne Objekt zu fotografieren und diesen dann als Maske zu definieren. Der

Umgang mit dem Programm gestaltet sich jedoch als relativ schwierig. Erst nachdem man alle

Parameter richtig eingestellt hat, kann man erste Ergebnisse mit dem Programm erzielen. Ober- und

Unterseite des Modells werden jedoch nie vollständig erfasst.


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5.1.4. Insight3d

Das kostenlose Programm erstellt anhand von Fotos 3D-Modelle am Rechner. Der Einstieg in das

Programm gestaltet sich als sehr schwierig wegen des Mangels an Erklärungen im Programm.

Außerdem stürzte das Programm auf meinem Rechner häufig ab, wenn ich mit mehreren

hochauflösenden Fotos arbeitete.

Insight3d - Kostenlos aber schwer zu bedienen

5.1.5. Neitra 3D

Neitra 3D ist ein professionelles Programm, das 3D-Modelle mit der Fotogrammetrie Technik

erstellt. Im Vergleich zu anderen Programmen gestaltet sich die Arbeit mit Neitra 3D als übersichtlich

und intuitiv.

Neitra 3D - Die Punktwolke wird auf der rechten Seite erstellt


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Die Rechenleistung und die Zeit, die das Programm benötigt, um aus Fotos ein Modell zu erstellen

sind jedoch enorm. Die kostenlose Version des Programmes kann dauerhaft benutzt werden, ist aber

um einige Funktionen eingeschränkt.

5.2. Streifenlichtprojektion

3D-Scanner, die mit dem Streifenlichtprojektion-Verfahren arbeiten, bestehen aus zwei

Komponenten (die oft in einem Gerät kombiniert sind): einem Projektor und einer hochauflösenden

Kamera. Der Projektor wirft ein Muster aus hellen und dunklen Streifen unterschiedlicher Dicke. Die

Form des Musters ändert sich fortlaufend. Die Kamera erfasst das Muster während des Scans. Ein

Programm sammelt die Daten, wertet sie aus und berechnet daraus das 3D-Modell.

Streifenlichtprojektion in Aktion (www.3dnatives.com)

Bevor ein 3D-Scanner mit Streifenlichtprojektion benutzt werden kann, bedarf es einer oft sehr

präzisen Kalibrierung. Der Scanner und das Objekt müssen aufeinander ausgerichtet werden. Nach

[NIT15, S.149] muss das Kalibrierungsmuster nach der Größe des Objektes ausgewählt werden: ein

feines Kalibrierungsmuster für kleine Objekte, ein grobes für größere Objekte. Der Vorteil dieses

Verfahrens liegt in der Schnelligkeit und Präzision, mit der der Scanner ein Modell nach der

Kalibrierung erstellt.

5.2.1. Artec Eva von Artec

Der Handscanner wird am Rechner angeschlossen und erlaubt es, schnell und präzise ohne vorherige

Kalibrierung 3D-Modelle zu erstellen. Das professionelle Gerät wird laut [SOM16, S344] in der Medizin

eingesetzt und eignet sich zum Scannen von Objekten mittlerer Größe.


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Artect Eva (www.artec3d.com)

Das professionelle und sehr praktische Gerät kostet über 10.000 €. Sucht man einen 3D-Scanner, um

Modelle zu erstellen, die später mit einem nicht-professionellen 3D-Drucker gedruckt werden, macht

eine derart teure Anschaffung wenig Sinn: die Details, die der Scanner erfasst, gehen beim Druck

verloren.

5.2.2. David SLS-3 von David Group

Bei diesem 3D-Scanner sind eine Kamera mit hochwertigem Objektiv sowie ein Projektor auf ein und

derselben Halterung montiert.

David SLS-3 (www.david-3d.com)


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Die technischen Daten sind vielversprechend; der Scanner ist in der Lage, Objekte bis ins kleinste

Detail zu erfassen. Der Hersteller bietet außerdem noch Zubehörteile an: um noch präziser scannen

zu können, rät der Hersteller zur Anschaffung eines Drehtellers und eines Stativs. Betrachtet man die

Preise und Qualität des Scanners, stellt man schnell fest, dass es sich beim David SLS-3 um ein Produkt

für den semiprofessionellen Bereich handelt das man für knapp 3.000 € erwerben kann.

5.2.3. Scanify von Fuel3d

Der Handscanner muss vor jedem Scan kurz kalibriert werden. Es genügt, eine kleine, mitgelieferte

Kalibrierungsscheibe neben dem Objekt zu platzieren. Anhand der Scheibe kalibriert sich der Scanner

dann automatisch. Die Maximal Größe der Objekte, die mit Scanify erfasst werden können ist kleiner

als die der beiden eben vorgestellten Scanner. Möchte man trotzdem größere Modelle erfassen, kann

man einfach mehrere Scans kombinieren, um daraus ein größeres Modell zu erstellen.

Scanify (www.fuel-3d.com)

Der Handscanner kostet knapp 1.000 € und ist dank seiner einfacheren Bedienung und guter

Scanqualität (wenn auch nicht vergleichbar mit semi-professionellen Scannern) ideal für den

Gebrauch zuhause oder in der Schule.


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5.3. Infrarot

Scanner, die mit diesem Verfahren arbeiten, verfügen über einen Infrarotsensor, der zusammen mit

einer Kamera eine Tiefenmessung vollzieht. Die Kamera sammelt zusätzliche Information über die

Oberfläche des Objektes, um Texturen zu erstellen.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist der Fakt, dass die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes keine

Rolle spielt. Transparente oder spiegelnde Objekte können problemlos vom Infrarotscanner erfasst

werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die 3D-Scanner nicht überall eingesetzt

werden können. UV-Licht stört den Infrarotsensor und verhindert die Abtastung eines Objektes. Es

wird schwierig, draußen in der Sonne Objekte zu scannen.

5.3.1. iSense von 3D Systems

Der 3D-Scanner ist sehr kompakt und wird einfach an einem iPad Tablet angebracht. Während eines

Scans muss man das Objekt umschreiten; iSense projiziert ein Infrarot-Lichtmuster auf die Oberfläche

um das Objekt zu erfassen. Aus der Verzerrung des Musters wird das 3D-Modell berechnet.

iSense (www.3dsystems.com)

Der Scanner ist mit allen modernen Tablets und Smartphones von Apple kompatibel (iPad Air, iPad

Air 2, iPad 4th generation, iPad mini Retina, iPhone6, iPhone 6+, …), was von großem Vorteil ist: das

Gerät kann überall unabhängig benutzt werden, da es nicht an einem Rechner angeschlossen sein

muss.


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5.3.2. Kinect von Microsoft

[PET12, S.133] zeigt eine interessante Möglichkeit, wie man ein Zubehör einer Videospielkonsole als

3D-Scanner benutzen kann. Die Konsole Xbox 360 unterstützt die Sensorleiste Kinect: mit ihr allein

kann durch Körperbewegungen die Software (in der Regel Spiele) gesteuert werden. Kinect enthält

Infrarotsensoren sowie eine Kamera.

Kinect (www.microsoft.com)

Um Kinect als Infrarotscanner benutzen zu können, muss man das Gerät an den Rechner anschließen

und ein Programm (z.B. Skanext von www.skanext.occipital.com) installieren. Nach einigen

Einstellungen und Einarbeitungszeit lässt sich Kinect als vollfunktionsfähiger 3D-Scanner einsetzen.

Die Konsole wird für den Scan nicht benötigt; sucht man also eine relativ günstige, aber nicht ganz

unkomplizierte Lösung, um 3D-Modelle zu scannen, kann man sich Kinect auch ohne Konsole zulegen.

Probleme können aber dann auftreten, wenn die Grafikkarte des Rechners die benötigte Hardware

und Software nicht unterstützt.

5.3.3. Sense von 3D Systems

Der mobile Handscanner bietet die gleiche Leistung wie das vorher beschriebene iSense. Der einzige

Unterschied besteht darin, dass das Gerät ohne Tablet oder Smartphone benutzt wird. Der Scanner

muss nur an einen Rechner angeschlossen werden und ist leicht zu bedienen.


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Sense (www.3dsystems.com)

5.4. Laser

Wie in [LASEU] erklärt, sendet der Scanner einen Laserstrahl aus, welcher von der Umgebung

reflektiert und dann von einer Kamera aufgenommen wird. Der Vorgang wird tausendmal in der

Sekunde wiederholt. Aus den gewonnenen Daten wird anschließend ein 3D-Modell errechnet.

Laserscanner müssen vor der ersten Verwendung und nach mehreren Scanvorgängen neu kalibriert

werden, um gute Ergebnisse zu erzielen. Laser können spiegelnde und glänzende Objekte nicht richtig

abtasten. Das Verfahren reagiert zudem empfindlich auf zu viel Umgebungslicht wie in [SOM16, S.335]

beschrieben.

Sicherheitshinweis aus dem Handbuch eines 3D-Scanners mit Laser

Laut [NIT15, S.158] wird dieses Verfahren immer weniger eingesetzt. Dies ist auf die Tatsache

zurückzuführen, dass der Einsatz von Lasern oft mit Gefahren verbunden ist. Scannt man ein Gesicht

mit einem portablen Laserscanner besteht Gefahr für das Augenlicht.


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5.4.1. David Laserscanner-Starter-Kit von David Group

Im Lieferumfang dieses Kits befinden sich eine Webcam, ein Linienlaser, ein Pappaufsteller mit

Punktemuster und eine spezielle Software. Nachdem das Programm am Rechner installiert, die

Kamera angeschlossen, ein Objekt vor den Pappaufsteller gestellt und das System kalibriert wurde,

kann der eigentlich Scan beginnen.

David Laserscanner-Starter-Kit (www.makezine.com)

Der Benutzer muss manuell mit dem Laser das ganze Objekt überstreichen und abtasten. Er muss

versuchen, das Objekt von allen Seiten abzuleuchten, so dass es von der Kamera komplett erfasst

werden kann. Die Software erstellt anschließend das 3D-Modell.

5.4.2. Digitizer von Makerbot

Der Laserscanner Digitizer ist mit zwei Lasern und einem automatischen Drehtisch ausgestattet. Um

ein Objekt zu scannen, stellt man es einfach auf den Drehtisch. Der Scanvorgang läuft dann

automatisch ab: das Objekt wird zweimal auf der Platte gedreht, dabei projizieren die zwei Laser ein

Muster auf das Objekt, welches dann von der integrierten Kamera aufgezeichnet wird. Ein

Scanvorgang dauert knapp 10 Minuten.


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Digitizer (www.makerbot.com)

Eine spezielle Software wertet die Daten aus und generiert ein 3D-Modell. Dieses Modell ist

druckbereit und kann sofort über die gleiche Software zum 3D-Drucker gesendet werden. Der Umgang

mit diesem nicht ganz billigen 3D-Scanner gestaltet sich als sehr einfach. Der Scanner eignet sich vor

allem zum Erfassen relativ kleiner Objekte.

5.5. Übersicht

Zusammenfassung der Programme, die Fotogrammetrie ermöglichen:

Programm /Entwickler Webseite

Version Sprache



123D Catch / Autodesk www.123dapp.com/catch

1.2.1 X Light / 72 €

pro Jahr Android, Apple iOS, MS

Windows Phone

PhotoCcan / Agisoft www.agisoft.com

1.2.5 X X X Trial / 130 € X X X

Aspect 3D / ArcTron 3D aspect.arctron.de

16.3 X Trial / 3.000 € X

Insight3d / Mach L. www.insight3d.sourceforge.net

0.3.2 X / X X

Neitra 3D / Trayaam Studio www.triayaam.com

0.0.2 X Light / ??? X

Zusammenfassung der vorgestellten 3D-Scanner:

3D-Scanner /Hersteller Webseite

Scannbare Größe H x B (mm) Genauigkeit (mm)

Verfahren Preis

Artec Eva / Artec www.artec3d.com

214 x 148 bis 536 x 371 0,1

Streifenlichtprojektion 13.700 €

David SLS-3 / David Group www.david-3d.com

60 x 60 bis 500 x 500 0,05% der Größe


Scanify / Fuel3D www.fuel-3d.com

bis 245 x 255 0,5


Kinect / Microsoft www.xbox.com

Software abhängig 1,3

Infrarot 100 €


100

iSense / 3D Systems www.3dsystems.com

200 x 200 bis 3000 x 3000 1

Infrarot 349 €

Sense / 3D Systems www.3dsystems.com

200 x 200 bis 3000 x 3000 1

Infrarot 349 €

David Laserscanner-Start-Kit-2 / David Group www.david-3d.com

10 x 10 bis 400 x 400 0,5% der Größe

Laser 480 €

Digitizer / MakerBot www.makerbot.com

bis 203 x 203 2

Laser 950 €

5.6. 3D-Scanner: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der Schule

Der Preis und die Leistung eines 3D-Scanners variieren je nach Verfahren sehr stark. In diesem Kapitel

versuche ich herauszufinden, welche 3D-Scanner meiner Meinung nach am besten für den Einsatz in

der Schule geeignet sind.

Will man kein Geld in die Anschaffung eines neuen Gerätes investieren, kann man auf die

Fotogrammetrie zurückgreifen. In diesem Fall empfehle ich das Programm Neitra 3D, das kostenlos

genutzt werden kann. Das Programm wird auf dem Rechner installiert und benötigt Fotos, die mit

einer digitalen Kamera oder einem Smartphone erstellt worden sind. Zu beachten ist, dass das

Einarbeiten in dieses Programm einige Zeit benötigt. Ich empfehle Schnelleinstieg-Videos, die man zur

Genüge auf der Plattform YouTube findet. Will man ohne lange Einarbeitungszeit 3D-Modelle scannen,

eignet sich das Programm 123D Catch, das kostenlos ist und sehr einfach mit Hilfe eines Smartphones

bedient werden kann. Leider benötigt die Berechnung des 3D-Modells sehr viel Zeit und kann somit

nicht spontan genutzt werden. Dank seiner einfacheren Bedienung, kann es aber sofort ohne längere

Erklärungen von Schülern ausprobiert werden; das Programm liefert in den meisten Fällen Ergebnisse,

die aber alles andere als perfekt sind (und sich nicht zum 3D-Druck eignen). Möchte man ein Objekt

scannen und es später drucken, rate ich dazu, Geld in ein Gerät zu investieren, anstatt auf das gratis

Fotogrammetrie-Verfahren zurückzugreifen. Ich konnte keine zufriedenstellenden Ergebnisse mit

dem Fotogrammetrie-Verfahren erzielen.

Scanner, die mit dem Streifenlichtverfahren arbeiten, liefern eine extrem gute Qualität, sind aber

alles andere als preiswert. Es macht außerdem wenig Sinn, ein Objekt millimetergenau zu ertasten

und ein hochauflösendes texturiertes Modell zu erstellen, um es später „nur“ auszudrucken. Die

Details gehen beim Druck verloren, weil 3D-Drucker nicht in der Lage sind, das Modell in der Qualität

und dem Detailgrad des digitalen Modells zu drucken. Ist man bereit, knapp 1.000 € zu investieren, ist


101

der 3D-Scanner Scanify eine gute Anschaffung, da er wegen seiner einfachen Bedienung und guten

Resultaten überzeugt.

3D-Scanner, die mit einem Laser arbeiten, sind wegen der damit verbundenen Gefahren für den

Einsatz in der Schule meiner Meinung nach wenig geeignet. Aus diesen genannten Gründen bin ich

der Meinung, dass 3D-Scanner, die mit dem Infrarotverfahren arbeiten, die ideale Wahl bilden. Diese

Scanner sind preiswert und liefern ein relativ schnelles Ergebnis. Die mittelmäßige Qualität des

digitalen 3D-Modells genügt als Grundlage für den späteren Druck. Ich empfehle die Scanner Sense

oder iSense, die durch ihre unkomplizierte Handhabung überzeugen. Wer Geld sparen will und gewillt

ist, eine lange Einarbeitungszeit auf sich zu nehmen, kann sich Kinect anschaffen.

Vor der Anschaffung eines 3D-Scanners sollte man sich bewusst sein, dass die meisten Scanner an

einen Rechner angeschlossen sein müssen. Will man Scans draußen im Freien vornehmen, kann man

auf einen Laptop zurückgreifen. Es bleibt zu beachten, dass die Software, die benötigt wird, um das

3D-Modell aus den gescannten Daten zu generieren, einen leistungsstarken Rechner benötigt.

Leistungsschwache Rechner sind entweder nicht in der Lage, die Berechnung durchzuführen oder

benötigen sehr viel Zeit (bis zu mehreren Stunden), bis das 3D-Modell erstellt ist. Man sollte sich auch

bewusst sein, ähnlich wie bei der Anschaffung eines 3D-Druckers, dass 3D-Scanner keine

Wundergeräte sind, die perfekte Ergebnisse liefern. Jeder Scan muss gewissenhaft durchgeführt

werden, indem man das Modell von allen Seiten abtastet. Auch ein perfekt durchgeführter

Scanvorgang mit idealen Bedingungen (kein Schatten, keine Spiegelungen) kann zu einem

fehlerhaften 3D-Modell führen. Das Modell muss also in vielen Fällen mit Hilfe eines

Modellierungsprogrammes (→ Kapitel 4) nachgebessert und mit einem Druckvorbereitungsprogramm

(→ Kapitel 7) repariert werden. Zusätzlich sollte man bedenken, dass nicht jedes Objekt sich dazu

eignet, von einem Scanner erfasst zu werden; dies trifft vor allem auf kleine oder sehr große (je nach

Scanner) Objekte zu. Außerdem kann kein Scan-Verfahren Objekte mit einem Hohlraum richtig

erfassen, hier wird nur die Außenhülle abgetastet.

Genau wie bei den 3D-Druckern gibt es viele Hersteller, die in den letzten Jahren neue 3D-Scanner

entwickelten. Somit ist es wahrscheinlich, dass in den nächsten Jahren leistungsstärkere und

günstigere 3D-Scanner auf dem Markt erscheinen.


102

5.7. Von der Einrichtung eines 3D-Scanners bis zum ersten Scan -

Erfahrungsbericht

In diesem Kapitel schildere ich meine eigenen Erfahrungen, die ich mit meinem ersten 3D-Scanner

gemacht habe. Ich beschreibe die Einrichtung und die Arbeit mit dem Scanner Sense von 3DSystems.

Die Angebote an 3D-Scanner in luxemburgischen Fachläden sind relativ bescheiden. Günstige 3D-

Scanner können bei Online-Versandhändler (z.B. Amazon) bestellt werden, teure Modelle können nur

über die Webseite des Herstellers bezogen werden.

Der Lieferumfang des von mir bestellten 3D-Scanners ist mehr als übersichtlich. Neben dem 3D-

Scanner selbst befand sich nur eine Schnellbeschreibung. Um mit dem 3D-Scanner zu arbeiten, muss

man folgende Schritte tätigen:

• Abstreifen einer Plastikfolie, die die Sensoren und die Kamera überdeckt

• Verbindung zum Rechner über USB-Kabel herstellen

Der Scanner funktioniert nur, wenn er an eine USB 3.0 Schnittstelle angeschlossen ist. Besitzt

man einen etwas älteren Rechner, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass dieser nur mit USB

2.0 Schnittstellen ausgestattet ist; in diesem Fall kann man den Scanner nicht benutzen.

• Herunterladen und Installation der benötigten Software von der Webseite des Herstellers

Der Link, unter welchem man das Scan-Programm herunterladen kann, befindet sich in der

Schnellbeschreibung.

• Starten der Software

Das Programm überprüft zuerst, ob der passende 3D-Scanner am Rechner angeschlossen ist.

Nachdem ich das Programm das erste Mal startete, erhielt ich aber nur die Fehlermeldung,

dass kein passendes Gerät am Rechner angeschlossen war. Später stellte sich heraus, dass

der Link auf der Schnellbeschreibung falsch angegeben war; hierbei handelte es sich um ein

Programm, das nur mit einem älteren Modell arbeitet, aber nicht mit dem gelieferten 3D-

Scanner kompatibel ist. Ich musste also zuerst das passende Programm auf der Webseite

des Herstellers suchen.


103

• Registrieren des Scanners

Bevor das kostenlose Programm benutzt werden kann, muss dieses mit einem Code aktiviert

werden. Den Code erhält man, wenn man den 3D-Scanner auf der Webseite des Herstellers

mittels Nummer registriert.

• Starten des Scans

Beim Starten des Programmes wird die Handhabung des Scanners mit leicht verständlichen

Bildern und Text erklärt. Zusätzlich hat man die Möglichkeit, sich ein zweiminutiges Tutorial-

Video anzuschauen, das die Benutzung des Scanners schnell und einfach erklärt. Der Scan

wird auf Knopfdruck im Programm gestartet. Der Scanner überträgt die Bilder in Echtzeit auf

den Rechner und man kann am Bildschirm nachverfolgen, was der Scanner gerade erfasst.

Es genügt nun, auf einen Gegenstand zu zielen und langsam um ihn herumzuschreiten,

solange bis man den Gegenstand von allen Seiten erfasst hat. Man sollte immer auf dem

Bildschirm des Rechners nachschauen, ob man mit dem Scanner den Gegenstand richtig

erfasst. Bewegt man sich zu schnell oder wackelt zu viel, so dass der Gegenstand nicht mehr

vollständig im Blickfeld des Scanners ist, wird dies sofort angezeigt. Man wird aufgefordert,

wieder mit dem Scanner an die vorherige Position zu gehen und still zu halten, bis der

Scanner den Scan wiederaufnehmen kann. Hat man den Rundgang um den Gegenstand

abgeschlossen, sollte man nicht vergessen, den Gegenstand auch von oben zu erfassen. Per

Knopfdruck wird der Scan abgeschlossen und man kann sofort das Modell am Rechner

begutachten. Bei meinem ersten Scan geriet der Scanner öfters aus dem Fokus, da ich an

einem Tisch arbeitete, den ich nicht komplett umschreiten konnte und deshalb Probleme

hatte, den Gegenstand von allen Seiten zu scannen. Nach 3-4 Minuten war mein erster Scan

dann abgeschlossen.

• Betrachtung und Nachbearbeitung des Modells

Nach dem Scan generiert das Programm das 3D-Modell. Dieser Vorgang dauert nur einige

Sekunden. Das Modell kann nun von allen Seiten betrachtet werden und entweder mit

farbigen Texturen, einfarbig (wie es nach dem Druck aussehen wird) oder als Polygonen-

Modell angezeigt werden. Die Nachbearbeitung des gescannten Modells findet sofort im

Programm statt. Ungewollte Teile können einfach entfernt werden. Da der Gegenstand auf

einer Oberfläche stand, klaffte auf der Unterseite des Modells ein riesiges Loch. Auf

Knopfdruck kann das Programm Löcher schließen, um das Modell wasserfest zu machen.


104

Zusätzlich können die Farben der Texturen verändert und an das Original angepasst werden.

Das fertige Modell kann in verschiedenen druckfertigen Formaten abgespeichert werden.

Das Installieren und Arbeiten mit dem 3D-Scanner gestaltet sich als sehr einfach. Vom Öffnen der

Packung bis hin zum Erstellen meines ersten druckfertigen Modells verging knapp eine halbe Stunde.

Die Scans gehen schnell von Hand und die Ergebnisse sind in den meisten Fällen zufriedenstellend.

Wichtig ist vor allem mit genügend Licht und einem neutralen Untergrund zu arbeiten, da sonst der

Scanner Probleme hat, den Gegenstand zu erkennen. Erfahrung und Vorkenntnisse sind beim 3D-

Scanning nicht vonnöten. Nach einigen Scans hat man aber den Dreh raus und benötigt weniger Zeit,

um einen Scan durchzuführen. In der Regel genügen 2-3 Minuten, um einen Scan komplett

abzuschließen. Das sehr intuitive Programm trägt zusätzlich dazu bei, dass das Scannen sehr leicht von

der Hand geht. Die Ergebnisse sind um ein Vielfaches besser und einfacher zu erreichen als mit

Fotogrammetrie. Erwartet man ein perfektes, detailgenaues Abbild eines kleinen Gegenstandes, wird

man jedoch schnell enttäuscht sein. Filigrane Details werden nicht vom Scanner erfasst und in vielen

Fällen werden Teile eines Gegenstandes falsch oder überhaupt nicht erkannt. So sind es vor allem

dünne, abstehende Teile (wie zum Beispiel die Nase einer Figur), die später im Modell nicht vorhanden

oder nicht richtig am Modell befestigt sind. Der Scanner eignet sich besser zum Scannen von größeren

Gegenständen oder Personen.

Um optimale Ergebnisse zu erzielen, empfiehlt der Hersteller, das Objekt auf eine gerade Oberfläche

(z.B. Tisch) zu stellen und einen Winkel von 45° zwischen Scanner und Oberfläche zu bilden. Die

Oberfläche sollte frei von anderen Gegenständen sein und das Objekt sollte einem indirektem Licht

ausgesetzt sein. Will man eine Person scannen, rät der Hersteller dazu, dass beide Personen (die mit

dem Scanner und die Person, die man scannt) aufrecht stehen und einen Abstand von mindestens

einem halben Meter einhalten und dass man den Scan immer zuerst mit dem Gesicht beginnen soll.

Da das Kabel des Scanners genau 2 m beträgt, ist man beim Scannen in seinen Bewegungen sehr

eingeschränkt. Arbeitet man mit einem stationären Rechner, verrenkt man sich die Arme, um den

Gegenstand von allen Seiten zu erfassen. Um optimale Scans zu tätigen, empfehle ich ein Tablet oder

einen Laptop zu benutzen, den man während des Scan mit sich trägt. Nur so kann man problemlos

eine 360° Bewegung um einen Gegenstand oder Person durchführen. Am besten stellt man


105

Gegenstände auf einen kleinen Tisch oder Hocker, die man umgehen kann und auf die indirektes

Sonnenlicht scheint.

Bei kleineren Gegenständen geriet das Gerät durch zu schnelle oder wackelige Bewegungen öfters

aus dem Fokus. [YOU01] schlägt folgende Lösung vor: Anstatt sich mit dem Scanner um den

Gegenstand zu bewegen, befestigt man ihn. Da der Scanner mit einem Gewinde versehen ist, kann er

ohne Probleme auf ein kleines Stativ montiert und auf den Gegenstand ausgerichtet werden. Den

Gegenstand setzt man auf eine Drehscheibe (anstatt sich eine Drehscheibe zu kaufen, kann man

alternativ den Drehteller aus einer Mikrowelle benutzen). Man startet den Scan und dreht den Teller

langsam um 360°. Während des ganzen Scans bewegt sich der Scanner nicht. Die Ergebnisse, die ich

mit dieser Methode bei kleineren Gegenständen erzielte, waren besser als die, die ich mit der

herkömmlichen Methode erreichte.

3D-Scanner mit 2 m Kabel Bereits gescannte Flächen werden grün markiert

Das Programm zeigt an, wenn der Fokus auf die Figur verloren geht Modell nach dem Scan (links) und nachbearbeitets Modell (rechts)


106

Mein erster Personenscan weist einige Löcher auf Nachdem das Modell wasserdicht ist, kann es gedruckt werden

Modell auf Drehteller wird von Scanner auf Stativ erfasst Modell erstellt mit Drehtellermethode weist weniger Fehler auf


107

6. Content-Plattform

Um einfach und schnell an eine riesige Anzahl an druckbaren 3D-Modellen zu kommen, besucht man

am besten eine sogenannte Content-Plattform. Es handelt sich um eine Webseite, die Tausende von

3D-Modellen zum Herunterladen anbietet. Es gibt mittlerweile eine große Menge Plattformen, die

unterschiedliche 3D-Modelle kostenpflichtig oder kostenfrei zur Verfügung stellen.

Die Content-Plattformen funktionieren alle sehr ähnlich. Mit Hilfe eines Suchbegriffes werden

passende Modelle recherchiert und dem Benutzer angezeigt. Bei den meisten Plattformen können die

Ergebnisse einer Suche durch das Definieren einer Kategorie oder Tags eingeschränkt werden.

Entscheidet sich der Benutzer für ein Modell, werden ihm weitere Details angezeigt. Je nach Plattform

erhält der Benutzer unterschiedlich viele Informationen zum 3D-Modell. Neben einer detaillierten

Beschreibung und verschiedenen Bildern vom 3D-Modell aus verschiedenen Perspektiven wird dem

Benutzer oft die Möglichkeit gegeben, das Modell online von allen Seiten zu betrachten und zu

vergrößern. Zusätzlich zeigen viele der Plattformen Empfehlungen für Druckereinstellungen, Feedback

anderer Benutzer, die das Modell schon heruntergeladen und gedruckt haben und Bewertungen an.

Außerdem wird für jedes Modell eine Urheberrechtslizenz angezeigt, die klarstellt, ob man das Modell

verändern darf und wie man es später (z.B. kommerziell) nutzen darf. Entscheidet man sich für ein

Modell, kann man es sofort in einem der angebotenen Formate herunterladen und drucken.

In der Regel kann eine Plattform sofort genutzt werden. Nur bei wenigen Plattformen muss zuerst

ein kostenloses Profil angelegt werden, indem man einen Benutzernamen auswählt und seine E-Mail-

Adresse hinterlegt. Angebotene Modelle können kostenpflichtig sein; der Preis kann hier stark

variieren; ein Modell kann zwischen 1 € bis zu über 1.000 € kosten. Viele Plattformen bieten dem

Benutzer die Möglichkeit, eigene 3D-Modelle heraufzuladen, auf die dann andere Benutzer zugreifen

können. Modelle anderer Benutzer können kommentiert und bewertet werden.

Die Qualität und Quantität der angebotenen Modelle einer Content-Plattform variieren sehr stark.

In der Regel ist aber die Mehrzahl der Modelle druckfertig; trotzdem kann es vorkommen, dass einige

Modelle Probleme aufzeigen (z.B. Löcher) und erst nachbearbeitet werden müssen, bevor man sie

drucken kann. Bewertungen und Meinung anderer Benutzer helfen oft bei der Suche, da sie z.B. auf


108

mögliche Probleme beim Druck aufmerksam machen und ersparen somit den Druck eines schlecht

gestalteten Modells. Kostenpflichtige teure Modelle sind oft hochwertige 3D-Modelle, die realistisch

texturiert sind und aus Millionen Polygonen bestehen. Teure Modelle sind in vielen Fällen animiert

und mit weiteren Effekten versehen. Da diese Details beim 3D-Druck verloren gehen, macht es wenig

Sinn, Geld für diese 3D-Modelle auszugeben, zumal die Anzahl kostenloser Modelle unendlich scheint.

Oft ist es schwierig, eine passende Content-Plattform zu finden, weil es mittlerweile über 100 davon

gibt. Einige Plattformen verfügen „nur“ über einige tausende Modelle, wobei andere Plattformen über

eine Million unterschiedlicher Modelle verfügen. Die Anzahl der angebotenen Modelle auf einer

Plattform sagt jedoch wenig über die Qualität der Modelle aus. In einigen Fällen ist genau das

Gegenteil der Fall. Plattformen, bei denen keine Qualitätskontrolle vom Betreiber durchgeführt wird,

werden täglich mit tausenden neuen 3D-Modellen von Benutzern überschwemmt, die mangelhafte

Qualität aufzeigen können. Minderwertige 3D-Modelle erschweren somit die Suche nach den

geeigneten, druckfertigen 3D-Modellen.

Nachdem ich mehr als 25 Content-Plattformen ausprobiert habe, finde ich es immer noch schwierig,

einen Favoriten auszumachen. Alle Plattformen sind leicht zu bedienen und bieten interessante

Modelle an. Sucht man ein ganz spezielles Modell, tendiere ich zu Plattformen, die sich auf eine

gewisse Kategorie von Modellen spezialisiert haben. Um möglichen, rechtlichen Problemen aus dem

Weg zu gehen, rate ich von Modellen ab, bei denen keine Urheberrechtslizenz angezeigt wird; in

diesen Fällen ist oft nicht geklärt, wer das Modell erstellt hat und was man mit dem Modell anstellen

kann. Da alle Plattformen Modelle mit schlechterer und besserer Qualität anbieten, ist es vorteilhaft,

die Suchergebnisse nach dem Rating zu sortieren. So zeigt die Plattform zuerst Modelle an, die von

den Benutzern am besten bewertet wurden. Ich persönlich bevorzuge Plattformen wie Thingiverse,

Pinshape oder CGTrader, da diese meiner Meinung nach nur wenige fehlerhafte Modelle aber umso

mehr kreative und praktische Ideen anbieten. Ist man auf der Suche nach einem ganz spezifischen

Modell, kann es sehr mühsam sein, jede einzelne Content-Plattform nach möglichen Treffern durch

zu grasen. Hier empfehle ich Yeggi oder STL Finder einzusetzen. Diese Plattformen bieten zwar keine

eigenen 3D-Modelle an, suchen aber mehrere Content-Plattformen nach einem Suchbegriff ab und

zeigen Resultate, die den Benutzer auf die entsprechende Plattform weiterleiten.

In der Regel wurden schon fast alle erdenklichen Ideen umgesetzt. Möchte man also Zeit sparen, ist

der Einsatz von Content-Plattformen mehr als praktisch und hilfreich.


109

Detaillierte Informationen eines 3D-Modells (www.thingiverse.com)

Kostenpflichtige, hochwertige Modelle (www.turbosquid.com)


110

Ersatzteile bereit zum Drucken (www.tracepartsonline.net)

Verschiedene Kategorien von 3D-Modellen (www.cgtrader.com)


111

Folgende Liste zeigt nur einige der Content-Plattformen:

Plattform Kosten? Modelle

Webseite Kategorien Anzahl

Ja / Nein Verschiedene 83.000 www.3dexport.com

Ja / Nein Spielzeug < 500 www.3dkitbash.com

Nein Architektur, Möbel > 1.000.000 3dwarehouse.sketchup.com

Nein Fossilien < 500 www.africanfossils.org

Nein Verschiedene 522.000 www.123dapp.com/gallery

Nein Architektur, Möbel 43.000 www.archive3d.net

Nein Bauteile > 1.000.000 b2b.partcommunity.com

Nein Verschiedene 16.000 www.blendswap.com

Ja / Nein Verschiedene 520.000 www.cgtrader.com

Nein Verschiedene 170.000 www.clara.io

Ja / Nein Verschiedene 5.000 www.cults3d.com

Nein Technik, Bauteile 1.430.000 www.grabcad.com

Nein Verschiedene 100.000 www.myminifactory.com

Nein Weltraum < 500 nasa3d.arc.nasa.gov/models

Ja / Nein Verschiedene 19.000 www.pinshape.com

Nein Modelle aus Museum < 500 www.3d.si.edu

Nein Verschiedene > 1.000.000 www.sketchfab.com

Suchmaschine www.stlfinder.com

Nein Verschiedene 600.000 www.thingiverse.com

Ja Verschiedene 43.000 www.threeding.com

Nein Verschiedene 15.000 www.tf3dm.com

Nein Bauteile > 1.000.000 www.tracepartsonline.net

Ja Verschiedene 645.000 www.turbosquid.com

Nein Verschiedene 3.000 www.viewshape.com

Nein Verschiedene 300.000 www.wamungo.de

Suchmaschine www.yeggi.com

Nein Verschiedene > 1.000.000 www.yobi3d.com

Nein Verschiedene 12.000 www.youmagine.com


112


113

7. Druckvorbereitung

Verfügt man über ein 3D-Modell, das man drucken will, müssen vor Druckbeginn folgende drei

Schritte eingeleitet werden:

• Konvertieren - nur ein Modell im passenden Format ermöglicht einen Druck. Kann das

Format des 3D-Modells nicht gedruckt werden, muss man das Modell in ein anderes Format

umwandeln.

• Reparieren - nur fehlerfreie Modelle können gedruckt werden. Weist das Modell Fehler auf,

können diese mit speziellen Programmen repariert werden.

• Vorbereiten - dem Drucker muss mitgeteilt werden, wie er das Modell drucken soll.

Druckvorbereitungsprogramme verfügen über eine Menge an Einstellungen, die man vor

dem Druck optimal an das zu druckende Modell konfigurieren soll.

Im folgenden Kapitel werden die wichtigsten Punkte der Druckvorbereitung erklärt und einige

Programme gezeigt, die es ermöglichen, 3D-Modelle optimal zu drucken.

3D-Modell wird druckfertig gemacht, indem es in Schichten zerlegt wird

7.1. Konvertieren

Vor dem Druck muss ein 3D-Modell in einem der Formate vorliegen, die gedruckt werden können.

Laut [HEC14, S.8] handelt es sich beim Standardformat STL (Standard Triangulation Language) um das

meist verbreitete Dateiformat im Zusammenhang mit 3D-Druck und ist mit allen

Druckvorbereitungsprogrammen kompatibel. Verfügt man also über ein 3D-Modell im STL-Format,

kann es ohne vorherige Konvertierung gedruckt werden.


114

3D-Modelle, die aus einer Content-Plattform stammen, sind fast immer in STL-Format verfügbar.

3D-Scanner erstellen 3D-Modelle, die im STL-Format abgespeichert werden können. 3D-

Modellierungsprogramme bieten in vielen Fällen die Möglichkeit, das erstellte 3D-Modell im STL-

Format abzuspeichern.

3D-Modelle, die in den etwas weniger geläufigen Formaten OBJ, PLY, DXF, VRML oder 3DS

abgespeichert sind, können in der Regel auch gedruckt werden. Bei diesen Formaten besteht jedoch

eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Druckvorbereitungsprogramm die Formate nicht erkennt

und somit nicht zum Drucken vorbereiten kann. Arbeitet man mit anderen Formaten, die hier nicht

aufgeführt sind, ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass das Modell in der momentanen Form nicht

gedruckt werden kann.

Möchte man das Modell trotzdem drucken, muss die Datei in ein kompatibles Format (idealerweise

das STL-Format) umgewandelt werden. Um eine Datei umzuwandeln, kann man auf verschiedene

Programme zurückgreifen. Einige 3D-Modellierungsprogramme (→ Kapitel 4.3.) bieten die

Möglichkeit, eine nicht druckbare Datei zu öffnen und sie im STL-Format abzuspeichern. Diese

Funktion wird normalerweise unter dem Menüpunkt Export des Programmes aufgerufen. Eine andere

Möglichkeit ist der Einsatz eines Druckvorbereitungsprogrammes (→ Kapitel 7.4.), das in der Regel fast

alle möglichen Formate in eine Datei im STL-Format konvertieren kann.

Export-Funktion von Modellierungsprogrammen


115

7.2. Reparieren

3D-Modelle, die man selbst erstellt oder von einer Content-Plattform bezogen hat, können

verschiedene Fehler und Mängel aufweisen. Je nach Art der Fehler, kann ein Modell entweder gar

nicht gedruckt werden (Druckvorbereitungsprogramm verweigert den Druck) oder das fertig

gedruckte Modell ist unbrauchbar (da es nicht dem Modell am Rechner entspricht). Aus diesen

Gründen soll man jedes Modell auf mögliche Fehler prüfen und diese, falls vorhanden, reparieren.

7.2.1. Löcher

Es ist nur möglich, Modelle zu drucken, die aus geschlossenen Formen entstehen. Man spricht auch

von Modellen ohne Löcher und wasserdichten Modellen. Löcher in einem Modell entstehen, weil

Polygone nur eine Vorderseite aber keine Rückseite aufweisen. Das Modell ist wasserdicht, wenn die

Außenseite des Modells nur aus den Vorderseiten der Polygone besteht und die Innenseite des

Modells nur aus den Innenseiten der Polygone gebildet wird. Ist dies nicht der Fall, enthält das Modell

Löcher und ist nicht wasserdicht. Ein löchriges Modell kann nicht gedruckt werden.

Laut [STI14, S.152] entstehen Löcher vor allem bei bestimmten Modellierungstechniken. Modelliert

man zum Beispiel nur eine Hälfte eines Modells, kopiert diese dann, spiegelt sie und versucht, sie an

das Modell anzuschließen, kann es (je nach Modellierungsprogramm) vorkommen, dass in einem Teil

des Modells die Polygone falsch ausgerichtet sind und das Modell in diesem Teil Löcher aufzeigt.

Löchriges Modell (links) und repariertes wasserdichtes Modell (rechts)


116

Viele der hier vorgestellten Vorbereitungsprogramme können die Löcher automatisch reparieren

oder zumindest die Probleme anzeigen, so dass man sie mit dem Modellierungsprogramm ausbessern

kann.

7.2.2. Überschneidungen

Erstellt man ein Modell, das aus überlappenden Objekten besteht, kann es beim Druck zu Problemen

führen. In einigen Fällen kann das Druckvorbereitungsprogramm keine überlappende Geometrie

drucken, weil es diese als separate Modelle interpretiert.

Setzt man den Hut auf den Kraken, führt es zu Überlappungen

Laut [STI14, S.157] sind Programme zunehmend in der Lage, Überlappungen mehrerer Objekte als

ein einziges, zusammenhängendes Modell zu interpretieren und somit im Stande, diese so zu drucken.

Kommt es vor dem Druck zu Problemen, müssen die überlappende Objekte zuerst fusioniert werden

und ein einziges, zusammenhängendes Modell daraus erstellt werden.

Überlappende Objekte (links) und ein fusioniertes Objekt (rechts)


117

7.2.3. Mannigfaltigkeit (manifold)

Wie bereits erwähnt, besteht ein Modell aus mehreren Polygonen, die durch ihre Kanten verbunden

sind. So ist es üblich, dass ein Polygon sich eine Kante mit einem anderen Polygon teilt. Das heißt, dass

eine einzige Kante zu zwei Polygonen gehören kann.

Mannigfaltigkeit (manifold) tritt auf, wenn eine Kante von mindestens drei Polygonen geteilt wird.

Das Problem erklärt sich wie folgt: Zwei Polygone, die mit einer Kante verbunden sind, bilden die

Außenseite eines Modells. Ein weiteres Polygon das aus dieser Kante entspringt, müsste also in die

Innenseite des Modells ragen und verursacht Probleme, da das Programm nicht mehr ermitteln kann,

wo sich die Außenseite oder Innenseite des Modells befindet.

Modell mit Mannigfaltigkeit: vier Polygone teilen sich eine Kante

Will man ein Modell mit Mannigfaltigkeit drucken, erhält man eine Fehlermeldung (manifold error)

und der Druck kann nicht gestartet werden. Um das Problem der Mannigfaltigkeit zu lösen, kann man

die Objekte entweder überlappen oder eine geringe Spalte zwischen den Objekten einfügen.

Modelle ohne Mannigfaltigkeit: keine Kante grenzt an mehr als zwei Polygone


118

7.3. Vorbereiten

Nachdem das Modell in einem passenden Format vorliegt, kann es mit Hilfe eines Programmes auf

den Druck vorbereitet werden. Das Drucken selbst kann (abhängig vom 3D-Drucker) über

verschiedene Wege gestartet werden.

• Das 3D-Modell wird mit Hilfe eines USB-Sticks oder einer SD-Karte auf den 3D-Drucker

übertragen und der Druck wird über ein Display gestartet. Ein Rechner wird hier nicht

benötigt.

• Der Druck wird mit Hilfe eines Programmes auf dem Rechner gestartet. Der Drucker kann

per Kabel oder kabellos (Wi-Fi) mit dem Rechner verbunden werden.

• Der Drucker wird über einen Druckerserver gesteuert. Dies ermöglicht mehreren Benutzern

das Drucken über diesen Server zu starten.

Ein sogenanntes Druckvorbereitungsprogramm überprüft, ob das Modell druckbar ist und schickt

die benötigten Daten dann an den Drucker. Auch wenn ein Modell druckbar ist, heißt das noch lange

nicht, dass das Resultat als 3D-Modell später zufriedenstellend ist. Es müssen zuerst die richtigen

Einstellungen ausgewählt werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. So kann unter anderem noch

die Größe, die Schichthöhe, die Füllung und Anzahl der Wände festgelegt werden und entschieden

werden, ob das Modell auf einer Fundamentplatte stehen soll oder mit einer Stützstruktur versehen

wird.

In diesem Kapitel gehe ich auf die wichtigsten Einstellungen, die direkt vor dem Druck getätigt

werden, ein. Eine Auswahl an verschiedenen Druckvorbereitungsprogrammen wird im nächsten

Kapitel vorgestellt.

7.3.1. Größe

3D-Drucker zeichnen sich durch einen beschränkten Bauraum, der zum Drucken zur Verfügung steht,

aus. Die Größe des Modells kann im Druckvorbereitungsprogramm verändert werden, darf aber die

Größe des Bauraums nicht überschreiten.


119

Modelle, die grösser als der Bauraum sind, müssen verkleinert werden

7.3.2. Schichthöhe (layer height)

Der Drucker erstellt das Modell schrittweise aus Schichten gleicher Höhe. Je geringer die

Schichthöhe, desto mehr Schichten werden benötigt und desto glatter die Oberfläche. Das Verringern

der Schichthöhe erhöht also die Druckqualität, kostet aber mehr Zeit beim Drucken. Auch bei der

geringsten Schichthöhe sind nach dem Druck immer noch Treppchen zu erkennen, was die Oberfläche

gedruckter Modelle rau macht. Erst bei der Veredlung (→ Kapitel 8.1.) können diese beseitigt werden.

Die minimale und maximale Schichthöhe sind für jeden 3D-Drucker verschieden.

Schichthöhe von 0,4 mm (links) und Schichthöhe von 0,05 mm (rechts) wo der Druck 5 mal länger dauert


120

7.3.3. Füllung (infill) und Anzahl der Wände (number of shells)

3D-Modelle, die man mit Hilfe eines 3D-Druckers erstellt, sind in der Regel nur zu einem kleinen Teil

im Innenraum mit Material aufgefüllt. Bevor man das Modell druckt, stellt man ein, zu wieviel Prozent

die Innenräume des Modells aufgefüllt werden sollen. Der Drucker erstellt anschließend eine Art

Wabenstruktur, die für Stabilität sorgt. Hohlräume (0%), die das Modell unstabil machen, sollen

vermieden werden. Die Wände können bei leichtem Druck einbrechen. Komplettfüllung (100%) soll

ebenso vermieden werden, da sie eine unnötige Materialverschwendung darstellt und der

Druckvorgang um ein vielfaches länger dauert.

Aufgeschnittenes unsolides Modell (links) und robustes Modell (rechts)

Zusätzlich kann die Dicke der Wand eingestellt werden. Der Benutzer legt die Anzahl der Schichten

fest, die die Wand des Modells bilden. Ist die Wandstärke eines Modells zu schwach, kann sich das

gedruckte Objekt relativ schnell verbiegen. Das Modell wird robuster, je mehr Wandschichten

gedruckt werden.


121

7.3.4. Fundamentplatte (raft)

Das sogenannte Warping ist eines der häufigsten Probleme, die während des Drucks auftreten

können. Laut [STI14, S.156] beschreibt Warping den Vorgang, wenn eine Form in eine andere Form

übergeht. Dieses Problem tritt auf, wenn sich ein Modell während des Drucks vom Druckbett löst. Der

Extruder arbeitet trotzdem weiter und trägt die nächsten Schichten auf der falschen Stelle auf.

Verformtes Modell wegen Warping (links) und Modell mit Fundamentplatte (rechts)

Um zu vermeiden, dass sich das Modell während des Drucks vom Druckbett löst, kann man zusätzlich

eine Fundamentplatte drucken. Die Fundamentplatte ist eine dünne Kunststoffschicht, worauf das

Modell gedruckt wird. Das Modell gewinnt an Stabilität und kann nach dem Druck einfacher vom

Druckbett gelöst werden. Das Fundament wird dann später von dem Modell vorsichtig abgebrochen.

Ein Druckvorbereitungsprogramm ermöglicht das automatische Erstellen der Fundamentplatte, falls

es vom Benutzer gewünscht wird.

7.3.5. Stützstrukturen (support)

Muss bei einem Modell ein Teil quasi in der Luft hängend gedruckt werden, spricht man von

Überhängen (hangover). Beim Drucken von Überhängen können Probleme entstehen, da das Filament

anfangs flüssig ist und auf eine darunterliegende Schicht gedruckt werden muss.

Erst bei Überhängen über 45° entstehen Verformungen


122

Da bei Überhängen keine direkte Schicht, worauf gedruckt wird, vorhanden ist, verformt sich das

Filament und sackt nach unten, bevor es sich befestigt. Laut [FAS14, S.11] entstehen diese

Verformungen immer dann, wenn das Modell Überhänge, die steiler als 45° sind, enthält. Modelle mit

Hangover lassen sich zwar problemlos drucken, das fertig ausgedruckte Modell kann aber stellenweise

anders als auf dem Computer aussehen.

Verformungen am Bauch wegen Überhängen

Möchte man trotzdem Modelle mit Überhängen oder sozusagen in die Luft drucken (wie z.B. Brücken

oder Tische), kann man mit Stützstrukturen (support) arbeiten. Diese Strukturen werden nur an den

Bereichen des Modells hinzugefügt, die einen zu spitzen Winkel zum Modell bilden. Nachdem das

Modell gedruckt wurde, muss man diese Stützen manuell entfernen, indem man sie vorsichtig

abbricht. Alternativ kann man einen Drucker mit mindestens zwei Extruder benutzen und ein

wasserlösliches Material für die Stützen wählen.

Modell mit Stützstrukturen (links) und nachdem die Stützstrukturen entfernt wurden


123

Druckvorbereitungsprogramme können automatisch erkennen, wo und ob Stützstrukturen benötigt

werden und können diese, falls gewünscht, hinzufügen. In einigen Fällen gibt es eine noch einfachere

Lösung, um Modelle mit Überhang zu drucken. Oft ergibt sich die Möglichkeit, ein Modell so auf das

Druckbett zu stationieren, dass Überhänge ganz vermieden werden. So sollte vor dem Druck immer

zuerst die bestmögliche Ausrichtung ermittelt werden, um den Einsatz von Stützstrukturen zu

minimieren oder gänzlich zu vermeiden.

Ein Modell kann durch richtige Ausrichtung ohne Überhänge gedruckt werden

7.3.6. Andere Einstellungen

Neben den vorher beschriebenen Einstellungsmöglichkeiten können, je nach Drucker, weitere

Parameter eingestellt werden und den Druck beeinflussen. So kann die Geschwindigkeit der

Filamentzufuhr, die Temperatur der Heizdüse und die Geschwindigkeit des Extruders reguliert

werden. Hier bieten die meisten Drucker eine Standardeinstellung (preset) an, die vom Hersteller

schon perfekt abgestimmt worden ist. Abhängig von der Form oder Größe des Modells kann ein

Verändern dieser Parameter zu besseren Resultaten führen. Entsprechende Empfehlungen findet man

oft in Online-Foren oder auf der Webseite des Herstellers.

Da man nach jedem Druckvorgang das Modell erst manuell von der Bauplatte entfernen muss, ist es

nicht möglich, dem Drucker im Vorfeld mehrere Aufträge nacheinander zu erteilen. Die Möglichkeit,

mehrere Modelle gleichzeitig zu drucken, ist jedoch gegeben. Hierzu werden die gewünschten

Modelle auf dem Druckbett nebeneinander platziert. Der große Vorteil dieser Methode ist die

Zeitersparnis; man startet den Drucker, der dann ohne Unterbrechung oder manuellen Eingriff


124

mehrere Modelle druckt. Der Nachteil dieser Methode wird erst nach dem Druck sichtbar: Da der

Extruder bei jeder Schicht zu jedem Modell fahren muss, kann es vorkommen, dass ungewollt dünne

Fäden zwischen den Modellen gezogen werden. Diese können zwar im Nachhinein entfernt werden;

Überreste und kleine Unebenheiten bleiben jedoch immer zurück.

7.4. Druckvorbereitungsprogramme

Ein Druckvorbereitungsprogramm wird benötigt, um ein Modell mit Hilfe eines Rechners zu drucken.

Startet man den Druck, zerlegt das Programm zuerst das Modell in mehrere Ebenen. Hier spricht man

vom sogenannten Slicing. Beim Slicing wird berechnet, wie jede Ebene aussieht und der genaue Weg,

den der Extruder auf jeder einzelnen Ebene später zurücklegt, wird kalkuliert.

Slicing zerlegt das Modell in hunderte von Schichten

Die Daten, die beim Slicing ermittelt wurden, werden in Form eines Codes abgespeichert. Es handelt

sich um G-Code, eine Liste von Befehlen mit dem ein 3D-Drucker gesteuert wird. Anhand des G-Codes

wird dem Drucker übermittelt, mit welcher Geschwindigkeit welches Teil des Druckers in welche

Richtung bewegt werden. G-Code ermöglicht es, den Extruder in alle möglichen Positionen zu

bewegen und das Druckbett in eine Richtung zu fahren, sowie das Einstellen von Parameter die z.B.

die Höhe einer Druckschicht festlegen oder den Umfang des Druckraums definieren. Der Drucker führt

Schritt für Schritt den ganzen G-Code aus und am Ende entsteht das gedruckte Modell.


125

G-Code beschreibt vor allem die Bewegung des Extruders

Es ist möglich, mit Hilfe eines Texteditors den G-Code manuell umzuändern. Da diese Manipulation

aber das Kennen aller G-Code Befehle voraussetzt und eher den Experten vorbehalten ist, gehe ich in

dieser Arbeit nicht weiter auf den G-Code ein. Alle in diesem Kapitel vorgestellten Programme

erstellen diesen G-Code automatisch (oft ohne dass der Benutzer diesen Vorgang mitkriegt oder

eingreifen kann).

Die Programme, die vor dem Druck benutzt werden, sind sehr unterschiedlich und unterscheiden

sich stark in ihren Möglichkeiten. Sie können in zwei grobe Kategorien unterteilt werden:

• Slicerprogramm

Es handelt sich um ein einfacheres Programm, das es ermöglicht, ein Modell zu begutachten

und einige Einstellungen und Veränderungen zu tätigen. Anschließend kann das Programm

das Modell in Schichten zerlegen und den entsprechenden G-Code generieren.

• Reparaturprogramm

Es handelt sich um ein komplexeres Programm, das außer den Funktionen, die ein

Slicerprogramm anbietet, zusätzlich das Modell auf Fehler oder Probleme analysiert und

diese beheben kann.


126

7.4.1. 3D Builder

Das Programm ist eigentlich ein sehr eingeschränktes Modellierungsprogramm, das außerdem

Modelle drucken kann. Leider unterstützt das Programm nur eine sehr eingeschränkte Anzahl an 3D-

Drucker. Das Programm kann auch auf einem Tablet bedient werden. Zusätzlich bietet das Programm

die Möglichkeit, ein fehlerhaftes Modell zu reparieren. Weder die Art des Fehlers noch Einstellungen

zur Reparatur stehen zur Verfügung. Somit eignet sich das Programm eigentlich vor allem, 3D-Modelle

zu betrachten, und falls der eigene 3D-Drucker unterstützt wird, zu drucken. Eine Auswahl an

Druckeinstellungen sucht man vergeblich.

3D Builder - Fehler werden erkannt und können in vielen Fällen sofort behoben werden

7.4.2. AccuTrans 3D

AccuTrans 3D präsentiert sich sehr altmodisch und die Bedienung erweist sich als relativ

umständlich. Findet man sich mit dem Programm zurecht, können Modelle auf Probleme überprüft

werden. Gefundene Fehler im Modell werden angezeigt und können mit Hilfe des Programmes

ausgebessert werden. Zusätzlich unterstützt das Programm über 30 Formate, die es öffnen und in

andere Formate konvertieren kann.


127

AccuTrans - Menüführung und Funktionen sind komplex

7.4.3. MakerBot Desktop

Das Programm stammt vom Hersteller MakerBot und sollte nur für Drucker vom selbigen Hersteller

benutzt werden. Das Programm ist einfach zu bedienen und man kann mit einigen Klicks dem Modell

Stützstrukturen und Fundamentplatten hinzufügen. Zusätzlich bietet das Programm drei

Voreinstellungen (schlechte, mittlere und gute Qualität) an, die sofort ausgewählt werden; lästiges

Einstellen einzelner Parameter fällt somit (falls erwünscht) weg. Das Programm errechnet zusätzlich

die Zeit, die der anstehende Druck benötigt und wieviel Gramm Material gebraucht wird.

MakerBot Desktop - Bauraum inklusive zwei Modelle, die gedruckt werden


128

7.4.4. MeshLab

MeshLab zeichnet sich durch die Vielzahl an Möglichkeiten, ein Modell vor dem Druck zu verändern,

aus. Das Programm kann ein Modell vereinfachen, indem die Anzahl an Polygonen reduziert wird.

Somit kann ein sehr komplexes Modell (z.B. eines, das mit Hilfe eines 3D-Scanners erstellt worden ist)

vereinfacht werden und die Datenmenge verdaulicher für Rechner und Drucker (spart Druckzeit)

gestaltet werden. Das Programm erkennt zudem übliche Fehler wie Löcher oder Mannigfaltigkeit und

kann diese verbessern.

MeshLab - Komplexe Modelle können das Programm zum Absturz bringen

Obwohl das Programm sich durch viele praktische Funktionen auszeichnet, entdeckte ich nach

einiger Zeit einige negative Punkte. Die Unübersichtlichkeit der Benutzeroberfläche (Menüs mit

teilweise über 25 Unterpunkten) und das Fehlen einer Undo-Funktion erschweren die Arbeit sehr.

Beim Slicen von Modellen, bestehend aus Millionen von Polygonen, ist das Programm oft überfordert

und stürzt ab.

7.4.5. Netfabb

Netfabb ist eine professionelle Reparatursoftware, mit der sich Modelle einfach auf ihre

Druckbarkeit prüfen lassen. Das Programm ist anwenderfreundlich (sehr strukturierte Menüs) und die

Beseitigung von Fehlern bei einem 3D-Modell ist in diesem Programm automatisiert. Nach der

Reparatur hat man die Wahl zwischen dem alten Modell und dem Veränderten; ist man mit der

Reparatur unzufrieden, kann man bequem auf das vorherige Modell zurückgreifen. Das Programm


129

bietet einige zusätzliche Modellierungsmöglichkeiten an, die es erlauben, Modelle mit diesem

Programm zu erstellen oder vorhandene Modelle vor dem Druck noch umzugestalten.

Netfabb - Grün markierte Polygone wurden soeben repariert

Das Programm ist in einer kostenlosen sowie einer kostenpflichtigen Version verfügbar. Die

kostenlose Version des Programmes bietet nur einen sehr kleinen Teil aller Funktionen an; trotzdem

sind seine Reparaturmöglichkeiten sehr vielseitig und wirkungsvoll.

7.4.6. Repetier

Das Programm unterstützt 3D-Drucker aller bekannten Marken und bereitet Modelle auf den Druck

vor. Der Umgang mit Repetier erweist sich als intuitiv und einfach. Das Programm bietet zusätzlich

einen G-Code Editor, mit dem man vor dem Druck noch einige Anpassungen erledigen kann, sofern

man sich mit G-Code auskennt. Während des Drucks zeichnet das Programm die Temperatur des

Extruders und des Druckbetts (falls beheizbar) auf; so hat man schon während des Drucks die

Gelegenheit, mögliche Temperaturschwankungen zu erkennen.


130

Repetier - Nach dem Slicing wird die anstehende Druckzeit ausgerechnet und angezeigt

7.4.7. Slic3r

Wie der Name es vermuten lässt, wird dieses Programm zum Slicing von STL-Dateien benutzt. Die

Liste an 3D-Drucker, die Slic3r unterstützt, ist sehr groß und enthält alle bekannten Hersteller. Besitzt

der Drucker mehrere Extruder, können diese mit dem Programm einzeln angesteuert werden. Die

Geschwindigkeit, in der das Slicing von Modellen durchgeführt wird, ist sehr hoch.

Slic3r - Modell mit Fundamentplatte wird zum Druck vorbereitet

Slic3r bietet somit ein Komplettpaket an Funktionen, auf die man dank intuitiv gestalteter Menüs

schnell zugreifen kann.


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7.4.8. Übersicht

Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die vorgestellten Programme. Bei jedem Programm wird

versucht, es in eine der zwei vorgestellten Kategorien einzustufen.

Programm (Typ) / Entwickler Webseite

Version Sprache



3D Builder (Slicer/Reparatur) / Microsoft www.microsoft.com/3d

11.1.9.0 X X X / X

AccuTrans 3D (Reparatur) / Micromouse www.micromouse.ca

2015.0.0 X Trial / 1.300 € X

MakerBot Desktop (Slicer) / MakerBot www.makerbot.com/desktop

3.9.1 X / X X X

Meshlab (Reparatur) / ISTI, CNR www.meshlab.sourceforge.net

1.3.3 X / X X X

Netfabb (Reparatur) / Autodesk www.netfabb.com

7.4.0 X X Light / 1.500 € X X X

Repetier (Slicer) / Hot-World GmbH www.repetier.com

1.6.1 X X X / X X X

Slic3r (Slicer) / A. Rannellucci www.slic3r.org

1.2.9 X / X X X

7.5. Druckvorbereitung: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der

Schule

Viele Hersteller liefern ein eigenes Druckvorbereitungsprogramm beim Erwerb eines 3D-Druckers

mit. In diesem Fall ist das Programm im Vorfeld optimal auf den Drucker ausgerichtet und sollte auf

alle Fälle anderen Programmen bevorzugt werden. Arbeitet man mit einem Drucker, der mit keiner

eigenen Software geliefert wird, hat man die Wahl zwischen mehreren Slicerprogrammen. Ich bin der

Meinung, dass hier die kostenlosen Programme Slic3r oder Repetier benutzt werden sollen. Beide

Programme sind sehr leicht zu bedienen und werden von fast allen Druckern unterstützt.

Erstellt man eigene Modelle oder lässt Schüler Modelle erstellen, kann es immer wieder vorkommen,

dass das Modell nicht gedruckt wird, da es Fehler aufzeigt. Hat man viel Zeit in ein eigenes Modell

investiert, das schließlich nicht gedruckt werden kann, sinkt die Motivation rapide. Die Möglichkeit,

das Modell in dem Modellierungsprogramm, mit dem man das Modell erstellt hat, zu bearbeiten, kann

sich oft als sehr kompliziert herausstellen, da man die Fehler an erster Stelle nicht absichtlich

eingebaut hat und sich derer oft nicht bewusst ist. Ich empfehle deshalb, immer Zugriff auf ein

Reparaturprogramm zu haben, um möglichen Frusterlebnissen vorzubeugen. Es macht wenig Sinn, in

ein teures, komplexes Programm zu investieren, wo man 95% der Funktionen nie benutzt. Ich bin der

Meinung, dass sich die kostenlose Version von Netfabb ideal einsetzen lässt, da Fehlererkennung und


132

Reparatur quasi automatisch ablaufen und sehr zuverlässig sind. Ist das Modell repariert, kann man

es in seinem üblichen Slicerprogramm drucken.

Druckt man in der Schule, kann die benötigte Zeit für einen Druckvorgang eine große Rolle spielen.

Deshalb ist es wichtig, bevor gedruckt wird, zuerst vom Programm die benötigte Zeit errechnen zu

lassen. Ohne Programm ist es anfänglich sehr schwer einzuschätzen, ob der Druck weniger als 10

Minuten dauert oder sich über mehrere Stunden erstreckt. Benötigt man ein Modell noch während

einer Unterrichtsstunde, empfehle ich, die Schichthöhe auf das Maximum zu stellen. Natürlich verliert

das Modell an Details (die man aber nur bemerkt, wenn man das Modell aus der Nähe inspiziert), die

Druckzeit kann aber um ein Vielfaches verringert werden. Der Druck von Fundamentplatten hat sich

aus eigener Erfahrung immer als vorteilhaft erwiesen und sollte vor jedem Druck aktiviert werden.

Trotz aller Möglichkeiten und Einstellungen, die Druckvorbereitungsprogramme bieten, sollte man

sich immer bewusst sein, dass ein Druck fehlschlagen kann und das ausgedruckte Modell nicht dem

Modell am Rechner entspricht. Somit sollte vor jedem Druck genug zusätzliche Zeit eingeplant

werden. Bemerkt man schon während des Druckens, dass etwas schiefläuft, kann man den Druck

stoppen, das Druckbett räumen und einen zweiten Versuch starten.


133

8. Weiterverarbeitung

Nachdem ein Modell gedruckt wurde, kann es mit verschiedenen Methoden weiterverarbeitet und

veredelt werden. Bevor man mit der Weiterverarbeitung beginnt, sollte man das Modell vorsichtig

vom Druckbett lösen. Gelingt es nicht, das Modell zu lösen, empfiehlt sich der Einsatz einer Spachtel,

mit der man zwischen Modell und Druckbett fährt und durch Hebelbewegungen versucht, das Modell

zu lösen.

Eine Spachtel hilft beim Lösen des Modells vom Druckbett

8.1. Oberfläche glätten

Die Oberfläche eines Modells ist nach jedem Druck rau.

Ausgedruckte Modelle mit rauer Oberfläche und Fäden


134

Ein gedrucktes Modell kann auch dünne Fäden aufzeigen; es handelt sich um Filament-Rückstände,

die während des Drucks entstehen. Arbeitet man mit Stützstrukturen oder einer Fundamentplatte,

müssen diese nach dem Druck entfernt werden, wodurch oft weitere Unebenheiten und Ruckstände

am Modell entstehen.

8.1.1. Modell feilen

Laut [NIT15, S.234] empfiehlt sich für die Nachbearbeitung der Einsatz eines Skalpells (für die

größeren Rückstände) und einer Feile (für die kleineren Unebenheiten). Beim Feilen am Modell ist

immer Vorsicht geboten; hat man ein Modell mit wenig Füllung und dünnen Wänden gedruckt, kann

es vorkommen, dass man eine Wand durchbricht und ein Loch entsteht.

Auswahl an Feilen (links) und das Modell nachdem es durch Feilen geglättet wurde (rechts)

Möchte man das Modell weiter glätten, kann man als nächstes mit einer Handschleifmaschine

arbeiten, um eventuelle Rückstände abzuschleifen.

8.1.2. Chemikalien einsetzen

Die Oberfläche des Modells wird durch das Feilen zwar etwas weniger rau, man kann sie aber nicht

richtig glattschleifen und zum Glänzen bringen. Eine Alternative zum Feilen bietet der Einsatz von

Chemikalien. In [NIT15, S.239] wird der Einsatz der Chemikalie Aceton beschrieben. Kommt Aceton in

Kontakt mit Kunststoff, entsteht eine chemische Reaktion, die die Oberfläche des Kunststoffs zum

Schmelzen bringt. Um Aceton auf das Modell aufzutragen, benutzt man am besten einen Pinsel mit

dem man die Chemikalie auf das Modell streicht. Je länger man das Modell mit Aceton bearbeitet,

desto glatter und glänzender wird es; der Vorgang geht jedoch auf Kosten der Details, da diese nach

und nach verschwinden. Zusätzlich kann sich die Farbe des Kunststoffes verändern. Ist das Modell zu


135

lange in Kontakt mit Aceton, verliert es seine Form und ein Brei an Kunststoff entsteht. Bei der Arbeit

mit Aceton ist Vorsicht geboten; es entstehen giftige Dämpfe. Es empfiehlt sich nur im Freien oder in

gut durchlüfteten Räumen zu arbeiten. Der Hautkontakt mit Aceton sollte vermieden werden, da die

Chemikalie die Haut austrocknen lässt.

Aceton (links) und das geglättete Modell nach dessen Anwendung (rechts)

Alternativ zu Aceton kann mit Tetrahydrofuran gearbeitet werden, um das Modell zu glätten. Die

Chemikalie ist gesundheitsschädlicher als Aceton und sollte nur beim Tragen einer Atemmaske und

Schutzhandschuhen benutzt werden. [NIT15, S.247] empfiehlt, ein Tuch mit der Chemikalie zu tränken

und damit über das Modell zu streichen. Die Reaktion auf den Kunststoff ist schwächer als bei Aceton

und es bedarf mehrerer Behandlungen, bis die Oberfläche glatt ist.

8.2. Färben

Möchte man ein Modell in einer bestimmten Farbe drucken, hat man ganz einfach die Möglichkeit,

ein Filament in der entsprechenden Farbe zu wählen, vorausgesetzt man besitzt bereits mehrere

Spulen Filament in allen möglichen Farben. Wie bereits in vorherigen Kapiteln erwähnt, ermöglichen

die meisten 3D-Drucker immer nur den Druck in einer Farbe oder in maximal zwei Farben.

Anstatt vor jedem Druck die Spule Filament zu wechseln, kann man das Modell nach dem Druck

färben. Bevor man Farbe auf das Modell aufträgt, sollte man es zuerst glätten. Farben tragen sich am

besten mit Sprühdosen auf. Nach dem Sprühen sind die feinen Schichten der Ebenen mit Farbe


136

abgedeckt und das Modell sieht wie aus einem Guss aus. Je mehr Sprühschichten man aufträgt, desto

glatter wird die Oberfläche, aber umso mehr Details gehen verloren.

Einfache Sprühfarben (links) sind geeignet, um ein Modell zu färben und Unebenheiten zu überdecken (rechts)

Möchte man sein Modell mehrfarbig gestalten, empfiehlt [NIT15, S.259] den Einsatz von

Airbrushpistolen, die es ermöglichen, Farben gezielter aufzutragen. Mit einfachem Tape können

bereits besprühte Flächen abgeklebt werden, so können neue Farben sicher aufgetragen werden. Bei

kleinen Modellen ist Fingerspitzengefühl und Erfahrung vonnöten, um die Modelle realistisch zu

gestalten. Beim Einsatz von Sprühdosen soll wegen giftiger Dämpfe nie ohne Atemschutz gearbeitet

werden.

Ein mit Sprühfarbe und Ölfarbe gefärbtes Modell


137

Alternativ zum Sprühen eignen sich laut [MAKBO] außerdem Acrylfarben und Ölfarben, die mit

einem feinen Pinsel auf das Modell aufgetragen werden können.

8.3. Weiterverarbeitung: Überlegungen zum Einsatz im Unterricht und in der

Schule

Der Weg von einer eigenen Idee bis zum fertigen Modell kann oft sehr müheselig sein: man muss

das Modell modellieren, auf den Druck vorbereiten und dann noch längere Zeit (je nach Modell über

mehrere Stunden) warten, bis der 3D-Drucker das Modell fertiggestellt hat. Gerade nach dem Druck

wird noch ein wenig Geduld und Fingerspitzengefühl abverlangt. Passt man beim Lösen des Modells

vom Druckbett nicht auf, bricht ein Teil des Modells ab. Beschädigte Modelle kann man nur

umständlich (z.B. mit Sekundenkleber) und unzufriedenstellend (die Reparatur bleibt oft sichtbar)

reparieren. Um diese Frusterlebnisse zu vermeiden bin ich der Meinung, dass man dem Schüler beim

Entfernen seines ersten Modells vom Druckbett helfen sollte. Als ich mein erstes Modell löste, sind

Teile abgebrochen. Beim Loslösen bedarf es einiger Übung, da man die Eigenschaft des Materials (fest,

aber bei zu viel Druck sehr zerbrechlich) am Anfang schlecht einschätzen kann. Das Entfernen von

Fundamentplatte und Stützstrukturen gestaltet sich ähnlich schwierig. Bei meinen ersten Versuchen

brach das Modell an einer Stelle und ein Teil blieb an der Fundamentplatte haften. Aus den genannten

Gründen sollte somit der erste Schritt der Weiterverarbeitung nur einer Person anvertraut werden,

die schon Erfahrungen mit 3D-Druckern aufweisen kann. Nur so kann Frustration und Enttäuschung

vermieden werden.

Der Einsatz von Skalpellen, Chemikalien und Sprühdosen birgt Gefahren für die Schüler und sollte

vom Unterricht ferngehalten werden. Man stellt schnell fest, dass ein Modell mit Texturen und

Effekten am Bildschirm besser aussieht als das fertig ausgedruckte reale 3D-Modell. Um den Schülern

die Möglichkeit zu geben, das Modell weiterzubearbeiten, könnten gedruckte Modelle in dafür eigens

eingerichteten Räumen mit Feilen bearbeitet und während des Kunstunterrichts bemalt werden.

Druckt man Modelle, die man später als Anschauungsmaterial verwenden will, sind raue

Oberflächen von wenig Nachteil und der Prozess der Weiterverarbeitung oft unnötig. Ich bin der

Meinung, dass vor allem die Möglichkeit, die Farbe eines Modells mit Hilfe einer Sprühdose

anzupassen, äußert praktisch ist, denn oft verfügt man nicht über Filament in mehreren


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unterschiedlichen Farben. Zudem gestaltet sich das Wechseln der Rolle Filament sowie das neue

Einfädeln in den Extruder als zu umständlich, um es vor jedem Druck zu tätigen.


139

9. 3D-Druck und seine Folgen

In diesem Kapitel zeige ich mögliche Folgen und neue Herausforderungen, die der Boom um 3D-

Drucker mit sich bringen kann.

9.1. Wirtschaft

Ein Unternehmen kann dank 3D-Druck-Technologie Prototypen, Einzelteile und Ersatzteile einfach

ohne aufwendige, teure und zeitaufwendige Verfahren herstellen. Somit wird in Zukunft die

Produktion in vielen Unternehmen in der Regel schneller, günstiger und einfacher ablaufen. Laut

[FAS14, S.36] ist es wahrscheinlich, dass 3D-Druck im eigenen Land wieder neue Arbeitsplätze schafft,

weil die ins Ausland verlagerte Produktion zum Teil wieder ins eigene Land zurückgeholt wird. Die

Herstellung eigener Prototypen hat laut [SOM16, S.59] noch andere Vorteile. So sind frühere Phasen

der Produktentwicklung zu 100% hausintern, was die Vertraulichkeit der Entwicklung garantiert.

Können mehrere Prototypen preiswert gedruckt werden, führt dies automatisch zu mehr

Innovationen, da sich Ideen besser und leichter realisieren lassen. Lohn- und Transportkosten fallen

weg und ermöglichen eine preiswertere Herstellung und verkürzte Lieferzeiten der Produkte.

Durch 3D-Druck sind einige Unternehmen zusätzlich in der Lage, sich schneller auf sich verändernde

Marktbedürfnisse einzustellen und dementsprechend zu reagieren. Produkte können zudem

individualisiert gestaltet werden. Für die Herstellung von Standardprodukten (z.B. Schrauben und

Nägel) in großen Mengen eignet sich der 3D-Druck nicht. Hier ist es weiterhin sinnvoll, konventionelle

Fertigungsverfahren einzusetzen. Stellt man Produkte in kleineren Stückzahlen her, kann der 3D-Druck

eine kostengünstige Alternative darstellen.

Setzen sich 3D-Drucker beim Privatkunden durch, ist es anzunehmen, dass die Umsätze bei

Produktionsfirmen sinken, da sich die Kunden Ersatzteile oder ganze Produkte kostengünstiger selbst

ausdrucken. 3D-Drucker können zudem Arbeitsplätze gefährden; vor allem in den Bereichen wo der

3D-Druck aufwendige Fertigungsverfahren wie z.B. Ersatzschlüssel Hersteller, ersetzt. Die Idee, dass

Unternehmen keine Produkte mehr selbst herstellen, sondern nur noch druckfertige Dateien für

Modelle verkaufen, klingt anfänglich sehr verlockend. Laut [YAS15, S.59] spart das Unternehmen


140

Lager- und Transportkosten sowie teure Maschinen zur Herstellung von Produkten, da es die Modelle

nur in digitaler Form an die Kunden versendet. Zusätzlich läuft das Unternehmen nie mehr Gefahr

eines Produktionsüberschusses oder einer Produktionslücke. So verlockend diese Idee klingen mag,

sieht die Realität anders aus. Neben dem Fakt, dass viele Facharbeiter ihren Beruf verlieren würden,

ist das größte Problem die Kontrolle der verkauften Dateien. Es wäre schier unmöglich, zu

kontrollieren, wer wie oft ein verkauftes Modell ausgedruckt hat oder Dritten die Datei gratis zur

Verfügung stellt. Somit bleibt diese Idee eine Utopie.

9.2. Ökologie

3D-Druck ermöglicht ein sofortiges Herstellen von Modellen, die man gerade benötigt, sogenannte

Produkte on Demand. Eigene Ideen können sofort zu einem bezahlbaren Preis selbst umgesetzt

werden. Benötigt man ein bestimmtes Produkt, kann ein 3D-Drucker ökologische Vorteile, wie in

[FAS14, S.38] beschrieben, aufzeigen:

• Das Produkt muss nicht über die halbe Welt transportiert werden.

• Es werden nur Produkte gedruckt, die wirklich gebraucht werden. Produkte müssen also

nicht vorher millionenfach produziert und gelagert werden, unwissend ob sie jemals gekauft

werden.

• Verpackungen werden nicht benötigt und Abfälle können reduziert werden.

• Der Einsatz von abbaubaren und nachhaltigeren Materialien ist möglich.

Das Anfertigen von Ersatzteilen kann einen Impact auf die Ökologie haben. Kaputte

Gebrauchsgegenstände werden heutzutage oft weggeworfen, weil der Fachhandel sie nicht repariert

und keine Ersatzteile anbietet. Kann man aber zuhause das benötigte Ersatzteil ausdrucken, können

Gebrauchsgegenstände selbst repariert werden. In vielen Fällen könnten 3D-Drucker die Lebensdauer

von Gegenständen erhöhen und die Umwelt schonen.

Wer jedoch verschwenderisch 3D-Modelle ausdruckt, die er weder braucht noch später benutzt,

schadet der Umwelt. Hinzu kommt, dass ausgedrucktes Material nicht vom Drucker wiederverwertet

werden kann. So entstehen durch einen fehlerhaften Druck, einen Testdruck, Stützstrukturen und

Fundamentplatten sehr viele Kunststoffreste, die später weggeworfen werden.


141

Druckreste, die sich nach meinen ersten 10 Druckvorgängen angehäuft haben.

Einige 3D-Druckverfahren können als sehr fortschrittlich und umweltschonend eingestuft werden.

So gibt es Verfahren, die Modelle aus Papier drucken. Papier gilt laut [FAS14, S.38] als

umweltfreundlich und kann sehr einfach recycelt werden. Es wird zunehmend an Druckmaterialien

geforscht, die aus recycelten Rohstoffen hergestellt werden und vielleicht in Zukunft benutzt werden

können. Bei recycelten Materialien ist es wichtig sicherzustellen, dass diese Rohstoffe keine

Schadstoffe enthalten.

9.3. Gesellschaft

Die neue Technologie bietet viele Potenziale und ermöglicht auch ärmeren Ländern, ohne erhebliche

Kosten eigene Prototypen oder Produkte zu erstellen. So kann zum Beispiel die Herstellung von

Prothesen, die bis jetzt nur reichen Ländern vorbehalten war, in ärmeren Ländern zugänglich gemacht

werden.

Nutzt man seinen eigenen 3D-Drucker, um Ersatzteile oder Einzelteile auszudrucken, kann man in

vielen Fällen Geld und Zeit sparen. Das Ausdrucken von solchen Modellen kann aber auch Risiken

bergen. Die eigenen Modelle werden in der Regel nicht auf Sicherheit oder Haltbarkeit geprüft. Ob ein

selbstgedruckter Fahrradhelm sicher ist, ein selbstkonstruiertes Ersatzteil den erforderlichen

Belastungen ausgesetzt werden kann und ob eine selbstgestaltete Handyschale das Smartphone vor

einem Aufprall schützt, bleibt ungewiss.


142

Schattenseiten der 3D-Drucker (www.bild.de)

Der Zugang zu Millionen frei zugänglichen Modellen im Internet stellt ungeahnte Risiken dar. Wie

von den Medien bereits öfters berichtet, soll es möglich sein, sich selbst eine funktionsfähige

Schusswaffe auszudrucken. Waffen aus Kunststoff oder Keramik stellen ein zusätzliches Risiko dar:

Wird eine Waffe zuhause ausgedruckt, wird sie nicht von Metalldetektoren aufgespürt. Auch wenn es

laut [STI14, S.25] noch keinem gelang, eine Schusswaffe komplett auszudrucken (der Schlagbolzen

muss aus härterem Material wie Metall bestehen) so können aber einzelne Teile der Waffen gedruckt

und so gestaltet werden, damit sie später zu einer funktionsfähigen Waffe zusammengefügt werden

können. Außerdem kann sich jeder schnell und einfach Schlüssel oder spezielle Werkzeuge

ausdrucken, die es ermöglichen, Schlösser zu knacken. Laut [STI14, S.25] kursieren im Internet Modelle

zu Schlüsseln, die Handschellen der Polizei öffnen können. Alles, was in unserer Gesellschaft nicht

legal oder nur mit spezieller Genehmigung erworben werden kann, könnte nun anonym zuhause mal

einfach so ausgedruckt werden.

9.4. Gesundheit

Laut [FAS14, S.12] weist der häufig verwendete Biokunststoff PLA folgende Eigenschaften auf: Zum

einen ist er biokompatibel (das Material hat keinen negativen Einfluss auf Lebewesen), zum anderen

kann er in industriellen Kompostieranlagen zersetzt werden und ist somit biologisch abbaubar. Für die

Herstellung wird der Rohstoff Mais benutzt. Inwiefern es Sinn macht, Lebensmittel in Plastik

umzuwandeln, bleibt dahingestellt.


143

Laut [STI14, S.61] ist der oft verwendete Kunststoff ABS auch nicht gesundheitsbeeinträchtigend. Es

wird jedoch darauf hingewiesen, nur mit diesem Material zu drucken, wenn der Raum gut gelüftet ist

und wenn möglich keine kleineren Haustiere sich im Raum befinden.

9.5. Urheberrecht

Beim Drucken von 3D-Modellen, die man selbst modelliert oder aus einer Content-Plattform

bezogen hat, ist es wichtig, das Urheberrecht zu beachten. Das Gleiche gilt für das Teilen eigener

Modelle in einer Content-Plattform.

„In the private sphere, not only is it permissible to use a protected product or to apply a protected

method or process, one is also allowed to produce any number of a protected product for private use,

which therefore includes production using 3D printers” [GRO13]. Das heißt, dass alles, was für den

Eigenbedarf bestimmt ist, gedruckt werden darf. Kompliziert wird es erst, wenn man Verkaufs- oder

Gewinnabsichten anstrebt. Laut [FAS14, S.40] ist die Rechtslage bei 3D-Druck zurzeit in vielen Fällen

eine Grauzone, da es sich um eine noch recht junge Technologie (was die Einführung für die

Privatnutzer angeht) handelt. Somit sollte man nur 3D-Modelle verkaufen, die man 100% selbst

entworfen und erstellt hat.

Generell ist es abzuraten, Firmenlogos und Warenbezeichnungen auf eigene Modelle zu setzen, weil

diese in den meisten Fällen durch das Markenrecht geschützt werden. Bausteine dürfen zuhause

ausgedruckt werden, solange man sie ohne den LEGO® Schriftzug versieht, da das Patent für die

bekannten Bausteine abgelaufen ist. Laut [YAS15, S.62] dürfen Skulpturen und Figuren erst gedruckt

werden, nachdem man die Lizenz vom Künstler erworben hat. Diese kann je nach Fall gratis oder

kostenpflichtig sein. Druckt man das Modell ohne Lizenz, verstößt man gegen das Urheberrecht.

Die Herkunft von 3D-Modellen, die man aus dem Internet bezieht, sollte bekannt und

vertrauenswürdig sein. 3D-Modelle aus einer rechtswidrigen Quelle sollten somit nie gedruckt

werden. Die meisten Content-Plattformen binden eine Urheberrechtslizenz an jedes 3D-Modell. Die

Lizenz zeigt an, ob man das Modell ausdrucken darf, es kommerziell oder nur privat nutzen darf, es

umgestalten kann und ob man den Namen des Urhebers weiterhin nennen muss.


144

Lizenz eines Modells (www.thingiverse.com)

Typ Beschreibung

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Verschiedene Typen von Lizenzen (www.creativecommons.org/licenses)

Nutzt man online einen 3D-Druck-Dienstleister anstatt seinen eigenen 3D-Drucker, gelten weiterhin

die gleichen Regeln. Druckt man ein urheberrechtlich geschütztes 3D-Modell beim Dienstleister,

macht sich dieser nicht strafbar, sondern der, welcher es in Auftrag gegeben hat.


145

10. Ideen zur Anwendung von 3D-Druck in Schulfächern

Im folgenden Kapitel zeige ich Möglichkeiten, wie man 3D-Druck und 3D-Modellierung in

verschiedenen Schulfächern nutzen kann. Für jedes Fach können Lehrer diverse Lehrmodelle dank 3D-

Druckern kostengünstig und nach eigenen Wünschen herstellen. Content-Plattformen bieten dabei

einen guten Startpunkt, da man alle möglichen Modelle finden kann. Dank Modellierungsprogrammen

können die Modelle dann vom Lehrer oder vom Schüler nach Belieben umgeändert oder selbst neue

konstruiert werden. Schüler können eigene Modelle drucken und zuhause nutzen.

Einige Content-Plattformen verfügen über spezielle Bereiche, wo Lehrer und Bastler ihre eigenen

Modelle, die speziell für den Unterricht entwickelt worden sind, anbieten und Ideen für den Unterricht

austauschen. Besonders empfehlenswert ist meiner Meinung nach die Plattform

www.thingiverse.com/thingiversity wo hunderte von Ideen und Modellen den Lehrern kostenlos zur

Verfügung gestellt werden. Unter jedem der nachfolgenden Beispiele ist der genaue Verweis

angegeben, wo man das 3D-Modell herunterladen kann.

10.1. Biologie

Lehrmodelle, wie zum Beispiel die Organe des menschlichen Körpers, werden in der Biologie sehr

oft eingesetzt; dank 3D-Drucker kann jetzt jeder alle benötigten Modelle kostengünstig beziehen.

DNA Steck-Puzzle

(www.thingiverse.com/thing:714312)

Zusammengesetztes Modell einer pflanzlichen Zelle (www.thingiverse.com/thing:202079)


146

Nach [FAS14, S.45] können biologische Prozesse oder Zyklen mit Hilfe von Modellen einfacher

begriffen und eingeprägt werden. So kann man zum Beispiel DNA-Elemente als eine Art Puzzle

drucken, die es den Schülern später ermöglichen, eine eigene DNA-Sequenz selbst

zusammenzustecken.

10.2. Chemie

3D-Modelle helfen, den Aufbau von Atomen und Molekülen zu verdeutlichen. Schüler haben die

Möglichkeit, den Aufbau eines chemischen Elementes selbst am Computer nachzubauen und dann

später für einen Vortrag auszudrucken und vor der Klasse zu präsentieren. Die Elemente der

Periodentafel können in verschiedenen Farben ausgedruckt und später von den Schülern in richtiger

Reihenfolge wieder zusammengesetzt werden.

Elemente der Periodentafel


3D-Bohr-Modell eines Atoms (www.thingiverse.com/thing:114247)

10.3. Geographie

Mit Hilfe von 3D-Druckern können Gegebenheiten (Gebirge, Flusslängen, Plattenverschiebungen, …)

unseres Planeten ausgedruckt und laut [FAS14, S.47] verständlicher und greifbarer werden. Die Länder

eines Kontinents kann man herausdrucken und als Puzzle im Unterricht verwenden. Modelle lassen

sich mit Magneten bekleben und können so an die Tafel geheftet werden.


147

Landschaften zum Ausdrucken

(www.terrainiator.com)

Magnetisches Länder-Puzzle (www.thingiverse.com/thing:11216)

The Terrainator ist eine Webseite, die es ermöglicht, ein Gebiet auf einer digitalen Karte

auszusuchen. Nachdem man seine Auswahl getroffen hat, erstellt Terrainator ein 3D-Modell, welches

dann sofort in der Schule ausgedruckt werden kann.

10.4. Kunst

Ausgedruckte 3D-Modelle von Symbolen, Statuen und Plastiken können im Kunstunterricht gezeigt

oder selbst vom Schüler nachgebildet werden. Nach [FAS14, S.48] können die erlernten Grundlagen

zum Thema Architektur dank 3D-Modellen vertieft werden. Schüler können eigene Häuser, Räume

und Möbel als realitätsnahe 3D-Modelle konstruieren und ausdrucken. Ganze Dörfer können dann

später mit Hilfe der Modelle aller Schüler zusammengesetzt werden.

Selbstgestaltete Mini-Möbel


Bekannte Skulpturen zum Anfassen



148

Zum Modellieren von Architekturen eignen sich vor allem 3D-CAD-Programme. Anstatt mit Ton oder

Gips zu arbeiten, können Schüler Skulpturen am Computer mit Hilfe eines Sculpting-Programmes

erstellen. Diese können dann entweder ausgedruckt oder mit realen Materialien nachgebildet

werden, wobei die Schüler die Vorlage am Rechner als Hilfe benutzen können.

Die Weiterverarbeitung ausgedruckter 3D-Modelle kann außerdem im Kunstunterricht erfolgen.

Schüler können versuchen, einfarbige 3D-Modelle mit Hilfe von Sprühdosen und Spezialfarben

realitätsgetreu oder künstlerisch zu gestalten.

10.5. Mathematik

[FAS14, S.49] beschreibt einige Möglichkeiten, wie 3D-Modelle im Mathematik-Unterricht sinnvoll

eingesetzt werden können. Der Verlauf einer Funktion kann mit Hilfe eines 3D-Druckers als 3D-Modell

ausgedruckt werden und ist somit für die Schüler prägender und eindrucksvoller. Die Ergebnisse aus

Statistiken können als 3D-Gebilde besser wahrgenommen und einfacher miteinander verglichen

werden. Bruchrechnungen können mit Hilfe von Würfeln, die aus kleineren Würfeln bestehen,

bildlicher erklärt oder selbst vom Schüler in die Hand genommen werden. Auch bei linearer Algebra

können 3D-Modelle hilfreich sein: Matrizen, die vom Schüler bewegt werden können, helfen das

Transponieren zu erläutern.

Knoten als 3D-Modelle


Simulationsmodell für den Satz des Pythagoras (www.thingiverse.com/thing:341654)

Der Schüler kann ausgedruckte dreidimensionale Körper von allen Seiten betrachten. Nach [FAS14,

S49] hilft ein haptisches 3D-Modell, das Verständnis zu wecken und beeinflusst die positive


149

Vermittlung des Lernstoffes. Ein ausgedrucktes 3D-Modell ist in vielen Fällen aussagekräftiger als eine

Zeichnung an der Tafel oder ein digitales Modell am Rechner. Nach [DFE13, S.12] helfen ausgedruckte

3D-Modelle den Schülern, ihre räumlichen Visualisierungsfähigkeiten zu stärken.

10.6. Physik

Ein 3D-Drucker kann Teile (z.B. Wagen, Schienen, Getriebe) für Simulationen und Experimente zum

Thema Mechanik herausdrucken. Ein gedrucktes Teil kann mit Löchern für Schnüre, Halterungen für

Magnete und Anschlüssen zum Kombinieren anderer gedruckter Teile versehen werden.

Funktionsfähiges Getriebe aus dem Drucker


Simulationsmodell aus mehreren Teilen (www.thingiverse.com/thing:1634935)

Schüler können eigene Komponenten für Mechanismen am Rechner gestalten, ausdrucken und

testen, ob die Experimente zum gewünschten Resultat führen.

Ballonangetriebenes Auto


Aus mehreren Verbindungsstücken erstellte Brücke (www.makerbot.com)


150

Wie in [MAK15, S.11] vorgestellt, können Schüler eigene Modelle von kleinen Wagen entwerfen, die

mit Hilfe der ausströmenden Luft eines Ballons angetrieben werden, und testen, welches Design

längere Distanzen zurücklegt. Nach [MAK15, S.118] können verschiedene Brücken und Halterungen

am Rechner gestaltet und anschließend ausgedruckt werden. Die Stärken und Schwächen der

verschiedenen Modelle kann nun getestet werden und die Belastbarkeit und mögliche Bruchstellen

ermittelt werden.

10.7. Wirtschaft

Laut [FAS14, S.46] sind Zahlen als solche oft wenig greifbar und Größenverhältnisse statistischer

Daten für Schüler schwer vorstellbar. Werden Daten wie Inflationsraten, Preisunterschiede oder

Steuern als 3D-Modelle ausgedruckt, haben sie eine ganz andere Wirkung und werden begreifbarer.

Somit kann eine hohe Dichte an Zahlen im Unterricht mit dreidimensionalen Datenmodellen

verständlich gemacht werden.

Haptische 3D-Statistik (www.sculpteo.com)


151

11. 3D-Druck und Modellierung im Informatikunterricht

Das Erstellen und Drucken eines eigenen 3D-Modells kann schnell erlernt werden und als hilfreiche

und nützliche Erfahrung angesehen werden. Laut [DFE13, S.18] haben einige Schulen schon die

Erkenntnis gemacht, dass Schüler, die Probleme haben, sich über längere Zeit zu konzentrieren und

sich für den Unterricht zu interessieren, sich für das 3D-Modellieren und Drucken begeistern können,

da sie schnell greifbare Resultate haben. Laut [MAK15, S.7] fördert das Arbeiten mit 3D-

Modellierungsprogrammen das Planungsvermögen und die kreativen Fähigkeiten der Schüler.

Zusätzlich wird die Visualisierung und Entscheidungsfindung geübt. Aus diesen Gründen und wegen

der Tatsache, dass es sich beim 3D-Druck um eine vielversprechende und moderne Technologie

handelt, bin ich der Meinung, dass dieses Thema in den Informatikunterricht passt.

Der Lehrplan der Stufe 9TE sieht die Arbeit mit Bildbearbeitungsprogrammen vor. Während des

Kurses lernen die Schüler unter anderem, eigene 2D-Modelle mit Hilfe von Vektoren zu erstellen. Das

Modellieren von 3D-Modellen ähnelt der Arbeit mit Vektorgrafik; der Hauptunterschied besteht darin,

dass eine 3. Dimension hinzukommt. Das Thema 3D-Grafik mit anschließendem 3D-Druck kann also

perfekt als weiterführendes Thema dieses Kurses eingeführt werden. Bevorzugt man ein 3D-

Modellierungsprogramm, das mit einer textbasierten Beschreibungssprache arbeitet, bin ich der

Meinung, dass man den Schülern das Programm erst dann erklärt, nachdem sie erste Erfahrung mit

dem Programmieren aufweisen können. Der Lehrplan sieht vor, dass die Schüler das Programmieren

mit dem Programm Scratch erlernen. Ich glaube, dass nachdem die Schüler erste Programme mit

Scratch erstellt haben, ihnen der Schritt zu einer textbasierten Beschreibungssprache leichter fällt.

Umgekehrt könnte auch das Erlernen von textbasierten 3D-Modellen den Einstieg in Scratch

erleichtern.

Das folgende Kapitel zeigt, wie man Programme, die zum 3D-Modellieren (SketchUp oder OpenSCAD)

und Drucken (Netfabb und MakerBot Desktop) benötigt werden, als Lehrer (im und außerhalb des

Unterrichts) oder Schüler benutzen kann. Anhand konkreter Aufgaben und Beispiele wird das

Modellieren mit zwei sehr unterschiedlichen Programmen gezeigt. Die anschließenden Aufgaben

eignen sich dazu, dem Schüler den Umgang mit den Programmen beizubringen. Es wird nur ein Teil

der Möglichkeiten und Funktionen der Programme erklärt und gezeigt. Somit soll dieses Kapitel


152

weniger als komplettes Handbuch angesehen werden, sondern eher als ein praxisbezogenes Tutorial,

das einen schnellen und einfachen Einstieg in die Programme ermöglicht.

Das Kapitel ist in folgende Unterkapitel gegliedert:

• Modellieren mit SketchUp

o Installation

o Einrichten

o Programmübersicht

o Aufgaben

• Modellieren mit OpenSCAD

o Installation

o Einrichten

o Programmübersicht

o Aufgaben

• Druckvorbereitung mit Netfabb und MakerBot

Abschließend beschreibe ich die Erfahrungen, die ich während der Einführung der Programme in

Klassen gemacht habe.

11.1. Modellieren mit SketchUp

11.1.1. Installation

Das Programm kann unter folgenden Links heruntergeladen werden:

• Englische Version: www.sketchup.com/download

• Deutsche Version: www.sketchup.com/de/download


153

Zuerst wählt man Verwendung zu Bildungszwecken aus:

Als nächstes gibt man seine persönlichen Daten ein und wählt das passende Betriebssystem aus.

Danach muss das Produkt SketchUp Make ausgewählt werden (SketchUp Pro 2016 ist kostenpflichtig)

und der Lizenzvereinbarung zugestimmt werden.


154

Anschließend kann das Programm heruntergeladen, installiert und benutzt werden.

Plug-In

Modelle, die mit SketchUp erstellt werden, können nur im eigenen SKP Format abgespeichert

werden. Somit können sie ausschließlich mit SketchUp geöffnet und weiterverarbeitet werden.

Druckvorbereitungsprogramme können Dateien in diesem Format in der Regel nicht öffnen und nicht

drucken. Um mit SketchUp ein Modell in STL-Format (das sich zum Drucken eignet) abspeichern zu

können, muss zuerst ein Plug-In nachinstalliert werden.

Das Plug-In findet man unter folgendem Link:

• extensions.sketchup.com/de/content/sketchup-stl

Nachdem das Plug-In heruntergeladen ist, muss SketchUp gestartet und das Plug-In beigefügt

werden:

• Fenster > Voreinstellungen > Erweiterung installieren > sketchup-stl-2.1.6.rbz

Ab jetzt steht eine Export-Funktion zur Verfügung, die ein Modell im Format STL abspeichern lässt.

Exportfunktion fürs STL-Format

11.1.2. Einrichten

Bevor man mit dem Modellieren von 3D-Modellen beginnt, sollte der Arbeitsbereich optimal

angepasst werden.


155

Arbeitsbereich einrichten

Startet man das Programm, wird nur eine einfache Symbolleiste mit wenigen Werkzeugen angezeigt:

Es empfiehlt sich, andere Symbolleisten anzuzeigen, um nicht vereinzelte Werkzeuge immer wieder

umständlich mit Hilfe der Menüleiste suchen zu müssen. Um alle wichtigen Werkzeuge (die zum

Modellieren für 3D-Modelle zum Druck benötigt werden) anzuzeigen, empfiehlt sich, folgende

Symbolleisten auszuwählen:

• Ansicht > Symbolleisten

Passenden Bauraum erstellen

Beim Öffnen des Programmes muss man sich zuerst für eine Vorlage entscheiden. Hier empfiehlt es

sich, die Vorlage 3D-Druck - Millimeter auszuwählen. Andere Vorlagen arbeiten mit Zoll oder Meter

und sind für den 3D-Druck wenig geeignet.


156

Bei dieser Vorlage wird das maximale Druckvolumen eines 3D-Druckers angezeigt. Das 3D-Modell

soll also in diesem Bereich erstellt werden, um später passgenau gedruckt zu werden. Bevor man mit

dem Modellieren beginnt, kann man den Bauraum an den eigenen 3D-Drucker anpassen. Man klickt

zuerst auf das eingezeichnete Druckvolumen und wählt:

• Fenster > Komponentenoptionen

Anschließend wählt man seinen 3D-Drucker in einer vordefinierten Liste aus. Ist dieser nicht in der

Liste vorhanden, kann man die Länge, Breite und Höhe des Druckvolumens manuell festlegen.


157

Vorlage abspeichern

Nachdem man das Druckvolumen auf seinen 3D-Drucker abgestimmt und die Symbolleisten nach

seinen eigenen Bedürfnissen eingestellt hat, können alle Einstellungen als Vorlage abgespeichert

werden:

• Datei > Als Vorlage speichern…

Öffnet man das Programm erneut, kann man sofort seine eigene Vorlage benutzen. Man muss alle

Einstellungen, die in diesem Kapitel beschrieben wurden, nicht mehr tätigen und kann sofort mit dem

Modellieren beginnen.


158

11.1.3. Programmübersicht

Im folgenden Kapitel werden die verschiedenen Teile der Benutzeroberfläche und vor allem der

Arbeitsbereich näher erläutert.

c

b

d f

e

a


159

a) Die Menüleiste bietet Zugriff auf alle Funktionen und Einstellungen von SketchUp.

b) In den Symbolleisten befinden sich alle wichtigen Werkzeuge zur Modellierung von 3D-

Modellen.

c) Im Arbeitsbereich wird das 3D-Modell erstellt.

d) In der Leiste wird kurz erklärt, wie das ausgewählte Werkzeug angewandt wird.

e) In diesem Bereich bekommt man für das ausgewählte Werkzeug ausführliche Erklärungen und

alternative Anwendungszwecke, die per Tastendruck hervorgerufen werden können.

f) Das Feld enthält verschiedene Maßangaben wie z.B. die Länge einer Linie oder den Grad eines

Winkels.

Übersicht der Werkzeuge

Symbolleiste Standard

Werkzeug Beschreibung

Neu Erstellt ein neues Modell.

Öffnen Öffnet ein vorhandenes Modell.

Speichern Speichert das aktive Modell.

Ausschneiden

Schneidet die ausgewählten Elemente aus und fügt sie in die Systemzwischenablage ein.

Kopieren Kopiert die ausgewählten Elemente in die Systemzwischenablage.

Einfügen Fügt den Inhalt der Systemzwischenablage in das Modell ein.

Löschen Löscht die ausgewählten Elemente im Modell

Rückgängig Macht die vorherige Aktion wieder rückgängig.

Wiederholen Wiederholt die zuletzt rückgängig gemachte Aktion.

Drucken Druckt das aktive Modell auf Papier aus.

Modellinformationen Aktiviert das Modellinformationsfenster


160

Symbolleiste Ansichten


Iso

Verschiebt die Kamera zur nächstmöglichen isometrischen Ansicht auf das Modell.

Oben Verschiebt die Kamera zur Ansicht von Oben auf das Modell.

Vorne Verschiebt die Kamera zur Vorderansicht des Modells.

Rechts Verschiebt die Kamera zur Ansicht von rechts auf das Modell.

Hinten Verschiebt die Kamera zur Rückenansicht auf das Modell.

Links Verschiebt die Kamera zur Ansicht von links auf das Modell.

Symbolleiste Großer Funktionssatz


Auswählen Wählt ein Element zum Bearbeiten mit anderen Funktionen oder Befehlen aus.

Komponente erstellen Erstellt eine Komponente aus den ausgewählten Elementen.

Farbeimer Wendet Farbe und Material auf Elemente im Modell an.

Radiergummi Löscht oder glättet Elemente im Modell oder mildert sie ab.

Linie Zeichnet Kanten von Punkt zu Punkt.

Freihand Zeichnet Freihandlinien durch Klicken und Ziehen.

Rechteck Zeichnet rechteckige Flächen von Ecke zu Ecke.

Gedrehtes Rechteck Rechteckige Flächen aus 3 Ecken zeichnen.

Kreis Zeichnet Kreise vom Mittelpunkt zum Radius.

Vieleck Zeichnet n-seitige Vielecke vom Mittelpunkt zum Radius.

Bogen Zeichnet Bogen vom Zentrum und zwei Punkte.

Zweipunktbogen Zeichnet Bogen von Punkt zu Punkt mit Rundung.

Punktbogen Bögen durch 3 Punkte entlang der Bogenperipherie zeichnen.

Kreissektor Zeichnet geschlossenen Bogen vom Zentrum und 2 Punkte.

Verschieben Verschiebt, dehnt und kopiert ausgewählte Elemente und reiht sie auf.

Drücken/Ziehen Drückt und zieht Flächenelemente, um 3D-Modelle zu erstellen.


161

Drehen

Dreht, dehnt und kopiert die ausgewählten Elemente und reiht sie entlang einer Achse auf.

Folge mir Folgt einem Pfad mit einer ausgewählten Fläche.

Skalieren Skaliert und dehnt ausgewählte Elemente.

Versatz Versetzt ausgewählte Kanten in eine Ebene.

Maßbandfunktion

Misst Abstände, erstellt Führungslinien oder -punkte oder skaliert das gesamte Modell.

Abmessung Zeichnet Abmessungslinien zwischen zwei Punkten.

Winkelmesser Misst Winkel und erstellt Führungslinien.

Text Zeichnet Textmarkierungen.

Achsen Verschiebt die Zeichnungsachsen oder richtet sie neu aus.

3D-Text Zeichnet 3D-Text.

Rotierfunktion Dreht die Kameraansicht um das Modell.

Handfunktion Schwenkt die Kameraansicht vertikal oder horizontal.

Zoomen Vergrößert oder verkleinert die Kameraansicht.

Zoom-Bereich Zoomt die Kamera, um alles innerhalb des ausgewählten Fensters anzuzeigen.

Alles zeigen

Vergrößert oder verkleinert die Kameraansicht, um das gesamte Modell zu zeigen.

Zurück Macht die vorherige Kameraansicht rückgängig.

Kamera positionieren

Positioniert die Kameraansicht an einem bestimmten Ort sowie in einer bestimmten Augenhöhe und Richtung.

Umschaufunktion Dreht die Kameraansicht um einen festen Punkt.

Gehen Geht mir der Kamera.

Schnittebene Zeichnet Schnittebenen, um Innendetails im Modell freizulegen.

Um schneller und weniger umständlich zu modellieren, kann man mit Hilfe der Tastatur die

wichtigsten Werkzeuge direkt per Tastendruck aufrufen.


162

Mit dem Scrollrad der Maus kann die Kameraansicht vergrößert oder verkleinert werden.

Arbeitsbereich

Die Koordinatenachsen im Arbeitsbereich tragen keine Buchstaben und unterscheiden sich nur in

der Farbe. Den Schnittpunkt der drei Achsen nennt man Nullpunkt.

Drei farbige Achsen schneiden sich im Nullpunkt

Da das Modellieren in 3D oft verwirrend sein kann, bietet SketchUp Hilfestellungen an, die

automatisch angezeigt werden. Das Programm versucht, dem Benutzer zu helfen, indem es Textfelder

mit Informationen einblendet und Linien oder Punkte in entsprechenden Farben anzeigt. Kennt man

die Bedeutung der Farben, fällt das Modellieren um einiges einfacher aus.

Bedeutung der verschiedenen Linienfarben:


163

Die Linie ist parallel zu keiner der Achsen und schwarz eingefärbt.

Die Linie ist parallel zu der roten Achse und färbt sich deshalb rot.

Die Linie ist parallel zu der blauen Achse und färbt sich deshalb blau.

Die Linie ist parallel zu der grünen Achse und färbt sich deshalb grün.

Mit den Pfeiltasten können die Achsen anvisiert werden:

• Möchte man nur auf der roten Achse zeichnen, drückt man die Pfeiltaste rechts.

• Möchte man nur auf der blauen Achse zeichnen, drückt man die Pfeiltaste hoch.

• Möchte man nur auf der grünen Achse zeichnen, drückt man die Pfeiltaste links.


164

Zeichnet man eine Linie, die einen 90° Winkel zu einer anderen Linie bildet oder parallel zu ihr verläuft, verfärben sich beide Linien rosa.

Nähert man sich einem speziellen Punkt (wie z.B. der Mitte einer Linie) wird der Cursor automatisch

von diesem angezogen und rastet dort ein. Man spricht von Snapppunkten (snap points), die in

verschiedenen Farben angezeigt werden.

Bedeutung der verschiedenen Punktfarben:

Bewegt man sich zum Nullpunkt, erscheint ein gelber Punkt.

Bewegt man sich auf einer Linie, erscheint ein rotes Quadrat.


165

Bewegt man sich zum Endpunkt einer Linie, erscheint ein grüner Punkt.

Bewegt man sich in die Mitte einer Linie, erscheint ein hellblauer Punkt.

Bewegt man sich auf einer Fläche, erscheint ein blaues Karo.

Auswahl

Um Linien oder Flächen auszuwählen, klickt man auf das entsprechende Icon oder drückt auf die

Leertaste. Ausgewählte Flächen oder Linien werden blau markiert. Das Auswahl-Werkzeug bietet

folgende Möglichkeiten:

Ein nicht ausgewähltes Modell.


166

Eine Linie oder eine Fläche wird mit einem Klick der linken Maustaste ausgewählt.

Eine Linie mit allen angrenzenden Flächen oder eine Fläche mit allen angrenzenden Linien werden mit einem Doppelklick der linken Maustaste ausgewählt.

Das ganze Modell wird mit einem 3-fach-Klick ausgewählt.


167

Um mehrere Elemente auszuwählen, hält man die Umschalttaste gedrückt.

11.1.4. Aufgaben

In [BUE15, S.3] werden einige wichtige Punkte angesprochen, die man beim Unterrichten von 3D-

Modellierung in einer Klasse beachten soll. Demnach ist es wichtig zu wissen, dass Erfolg bei den

Schülern während des Modellierens an erster Stelle steht, was auf die Tatsache zurückzuführen ist,

dass nur ein fertiges, fehlerfreies Modell gedruckt werden kann; wird dieses Ziel nicht erreicht, kann

sich schnell Frustration entwickeln. Um gerade diese Frustrationserlebnisse zu vermeiden, sollte man

mit einfachen Aufgaben die 3D-Modellierung im Unterricht einführen. Damit der Schüler am Ende des

Unterrichts ein druckfertiges Modell aufweisen kann, sollen die Aufgaben ihn Schritt für Schritt durch

die einzelnen Etappen führen. Nach [BUE15, S.3] sollte man als Lehrer nicht erwarten, dass alle Schüler

beim Modellieren zur selben Zeit gleiche Ergebnisse aufweisen. Aus diesem Grund soll man zum Teil

offene Aufgaben stellen; bewanderte Schüler können die restlichen Minuten dazu nutzen, ihr Modell

zu verfeinern und weitere Details hinzuzufügen.

Im Anhang (→ Kapitel 14.1.) befinden sich eine Reihe von Modellierungsaufgaben für SketchUp, die

mit einer Klasse durchgeführt werden können. Die Aufgaben sollten in der angegebenen Reihenfolge

durchgeführt werden, da in jeder Aufgabe neue Werkzeuge und Funktionen eingeführt werden. Die

Aufgaben sind überwiegend selbsterklärend und benötigen wenig zusätzliche Erklärungen vom

Lehrer. Alle Aufgaben sind nach demselben Muster aufgebaut. Sie enthalten genaue Anweisungen,

die den Schüler schrittweise zum fertigen Modell führen. Sinnvoll ist es, den Schülern vor der Arbeit

ein Basiswissen des Programmes (→ Kapitel 11.1.3.) zu vermitteln. Am Ende jeder Aufgabe werden

dem Schüler Vorschläge unterbreitet, wie er das Modell ausbauen kann. Dieser Teil der Aufgabe ist

offen gestaltet, so dass jeder Schüler je nach Kreativität und Fertigkeit das Modell unterschiedlich nach

eigenen Belieben erweitern kann.


168

Folgende Tabelle listet die Aufgaben des Anhangs auf und zeigt, welche Werkzeuge neu eingeführt

werden:

Aufgabe Modell Neu eingeführte Werkzeuge

1 (S. 207)

Haus

2 (S.212)

Würfel

3 (S.216)

Schachfigur

4 (S.219)

Stiftehalter

5 (S. 223)

Smartphone-Halterung

Alle vorgestellten Aufgaben kann man relativ einfach umgestalten. Die folgende Liste zeigt einige

Ideen, wie Aufgaben verändert und somit einfacher oder herausfordernder werden können:

• Ausbauen: Anstatt jedes Mal das ganze Modell von Grund aus zu erstellen, kann man den

Schülern schon ein halbfertiges Modell liefern, das es auszubauen gilt.

• Nachbilden: Anstatt den Schülern konkrete Anweisungen zum Erstellen von Modellen zu

geben, kann man ihnen ein fertig ausgedrucktes Modell zeigen. Nun liegt es am Schüler,

dieses nach Augenmaß nachzubilden.

• Erschaffen: Die Schüler erstellen ein Modell ohne jegliche Vorlage zu einem angegebenen

Thema.

11.2. Modellieren mit OpenSCAD

11.2.1. Installation

Das Programm kann man kostenlos unter folgendem Link finden:

• www.openscad.org/downloads

Nachdem man das passende Betriebssystem ausgesucht hat, kann das Programm heruntergeladen,

installiert und benutzt werden. Möchte man das Programm nicht auf seinem Rechner installieren,

bieten sich die zwei folgenden Möglichkeiten an.


169

Android-Version

Verfügt man über ein Smartphone oder ein Tablet, das Android benutzt, kann man auf ScorchCAD

zurückgreifen. Um die App zu finden, genügt es, mit Google Play nach ScorchCAD zu suchen. Die App

ist kostenlos, verfügt jedoch nicht über alle Funktionen der Rechnerversion. Der Umgang mit der App

gestaltet sich auch etwas umständlich. So muss man ständig zwischen Editor und Modell wechseln,

was die Arbeit mit dem Programm erschwert.

Android-Version

Online-Version

Eine Browser-basierte Variante von OpenSCAD kann unter folgendem Link aufgerufen werden:

• www.openscad.net

Neben einer leicht abgewandelten Benutzeroberfläche ist die Online-Variante identisch mit der

Rechnerversion. Erstellte Modelle können bequem in die eigene Dropbox abgespeichert werden.


170

Online-Version


171

11.2.2. Programmübersicht

Im folgenden Kapitel werden die verschiedenen Bereiche der Benutzeroberfläche und deren

Funktionen genauer erklärt.

a) Die Menüleiste bietet Zugriff auf alle Einstellungen und Funktionen von OpenSCAD.

b) Im Texteditor wird der Code eingegeben.

c) Im Visualisierungsbereich wird das 3D-Modell angezeigt.

d) In der Leiste werden Informationen über die Ansicht des Modells angezeigt.

e) In der Konsole werden Statusmeldungen und eingetretene Fehler aufgelistet.

c b

e

a

d


172

Texteditor

Über dem Texteditor befinden sich verschiedene Knöpfe, mit denen folgende wichtige Programm-

Funktionen aufgerufen werden:

Funktion Beschreibung

New Erstellt ein neues Modell.

Open Öffnet ein Modell.

Save Speichert das Modell.

Undo Macht die vorherige Aktion wieder rückgängig.

Redo Wiederholt die zuletzt rückgängig gemachte Aktion.

Unindent Hebt die Einrückung des Codes auf.

Indent Rückt den Code ein.

Preview Erstellt aus dem Code eine Vorschau des Modells. (Schneller Vorgang)

Render Erstellt aus dem Code das Modell. (Langsamer Vorgang)

Export as STL Speichert ein gerendertes Modell im STL-Format ab.

Im Texteditor wird das Modell mit Hilfe der OpenSCAD-Sprache (→ Kapitel 11.2.3) beschrieben.

Zuerst schreibt man einige Reihen Code im Texteditor. Um das entsprechende Modell anzuzeigen,

muss man die Preview-Funktion (über die Leiste oder direkt über F5) aufrufen. Erweitert oder

verändert man den Code, wird das Modell nicht automatisch angepasst. Die Preview-Funktion muss

also nach jeder Veränderung neu aufgerufen werden. Die Funktion überprüft außerdem den Code auf

mögliche Fehler. Sind solche vorhanden, werden sie rot markiert und zusätzlich in der Konsole

angegeben.

Nur ein fehlerfreier Code kann ein Modell generieren

Möchte man das Modell drucken, muss zuerst die Render-Funktion (über die Leiste oder direkt über

F6) aufgerufen werden. Je nach Komplexität des Modells kann dieser Vorgang mehrere Sekunden bis

einige Minuten dauern. Nachdem das Modell gerendert wurde, kann die Datei im STL-Format


173

abgespeichert und später gedruckt werden. Gerenderte Modelle zeigen zudem keine verschiedenen

Farben oder Effekte auf, da diese beim Druck nicht von Bedeutung sind.

Visualisierungsbereich

In diesem Bereich kann das Modell nicht verändert, sondern nur aus allen möglichen Blickwinkeln

betrachtet werden. Folgende Funktionen können mit Hilfe der Funktionen unterhalb des

Visualisierungsbereiches aufgerufen werden:


Preview Erstellt aus dem Code eine Vorschau des Modells. (Schneller Vorgang)

Render Erstellt aus dem Code das Modell. (Langsamer Vorgang)

View All Vergrößert oder verkleinert die Ansicht, um das ganze Modell zu zeigen.

Zoom In Vergrößert die Ansicht.

Zoom Out Verkleinert die Ansicht.

Reset View Stellt die Standard-Ansicht wieder her.

Right Betrachtet das Modell von rechts.

Top Betrachtet das Modell von oben.

Bottom Betrachtet das Modell von unten.

Left Betrachtet das Modell von links.

Front Betrachtet das Modell von vorne.

Back Betrachtet das Modell von hinten.

Perspective Wählt die Zentralprojektion.

Orthogonal Wählt die Orthogonalprojektion.

Show Axes Zeigt die 3 Achsen an.

Show Scale Markers Zeigt Achsenmarkierungen an.

Show Edges Zeigt Kanten an.

Es empfiehlt sich, in der Zentralprojektion zu arbeiten, da die Darstellung des Modells den

räumlichen Eindruck besser wiedergibt. Arbeitet man aus einer Seitensicht (wie z.B. von oben), kann

die Orthogonalprojektion in einigen Fällen Vorteile bringen, da das 3D-Modell wie ein 2D-Modell

dargestellt wird.


174

Zentralprojektion(links) stellt Modelle räumlich dar

Orthogonalprojektion (rechts) eignet sich dafür, Modelle sauber aus einer Seitenansicht anzuzeigen

Mit der linken Maustaste kann die Ansicht in alle Richtungen gedreht, mit der rechten Maustaste

kann die Ansicht in alle Richtungen verschoben werden. Das Scrollrad der Maus kann die Ansicht

vergrößern oder verkleinern.

OpenSCAD arbeitet mit eigenen Einheiten, die keiner Einheit aus dem metrischen Einheitensystem

entsprechen. Somit braucht man sich während des Erstellens keine Gedanken um die finale Größe des

Modells zu machen, da diese als relativ anzusehen ist. Erst wenn man das fertige Modell im

Druckvorbereitungsprogramm öffnet, um es zu drucken, muss die Größe festgelegt und angepasst

werden.

11.2.3. OpenSCAD-Sprache

In dieser Arbeit gehe ich nur auf einen Bruchteil der Anweisungen und Möglichkeiten, die die

OpenSCAD-Sprache bietet, ein. Der Fokus liegt auf vor allem auf Befehlen, die es ermöglichen, relativ

schnell und einfach eigene druckbereite 3D-Modelle zu erstellen.


175

Eine komplette und ausführliche Beschreibung der OpenSCAD-Sprache ist unter folgendem Link

verfügbar:

• en.wikibooks.org/wiki/OpenSCAD_User_Manual

Eine Übersicht aller Anweisungen und Regeln bietet die folgende Kurzbeschreibung

(www.openscad.org/cheatsheet):


176

Nachfolgend wird auf einige Anweisungen und Regeln der OpenSCAD-Sprache eingegangen und

diese mit Hilfe von Beispielen illustriert.


177

Allgemeines

Alle Anweisungen werden mit einem Semikolon (;) beendet.

cube(size=10).

cube(size=10);

Die OpenSCAD-Sprache unterscheidet zwischen Groß- und Kleinschreibung. In der Regel werden alle

Anweisungen kleingeschrieben.

Cube(size=10);

CUBE(size=10):

cube(size=10);

Leerzeichen und Zeilensprünge spielen bei der OpenSCAD-Sprache keine Rolle. Um die Leserlichkeit

des Codes zu bewahren, sollte dieser immer entsprechend formatiert werden. Das folgende Beispiel

ist richtig, jedoch schwer zu lesen:

cube( size =

1 0

) ;

Möchte man den Code mit zusätzlichen Informationen und Erklärungen versehen, kann man diese

als Kommentar hinzufügen. Man benutzt entweder einen Kommentar, der sich über eine Zeile zieht

(//) oder einen Kommentar, der sich über mehrere Zeilen ziehen kann (/*...*/). Kommentare

kann man auch dazu nutzen, um einen Teil des Codes zu desaktivieren. Der graumarkierte Code ist

kommentiert und wird somit nicht berücksichtigt:

// Model created by F. Hansen

cube(size=10);

/* sphere(r=40);

cube(size=60); */

Bei vielen Anweisungen ist es nicht nötig, die Namen der Eigenschaften anzugeben. Lässt man die

Namen weg, erhält man das gleiche Resultat. Auch wenn es anfänglich vorteilhaft klingt, weniger Code

schreiben zu müssen, das gleiche Resultat zu bekommen, geht das Weglassen der Parameternamen

auf Kosten der Leserlichkeit und Verständlichkeit. Aus diesen genannten Gründen werden in den


178

nachfolgenden Beispielen und Aufgaben die Parameternamen immer angegeben. Die zwei

Anweisungen des folgenden Beispiels ergeben das gleiche Resultat, wobei die erste aussagekräftiger

ist:

cube(size=10,center=true);

cube(10,true);

OpenSCAD kann auch mit Variablen arbeiten; hier wird einem auserwählten Variablenamen ein Wert

zugewiesen. In vielen Fällen ist es oft einfacher, den Wert einer Variable zu ändern, anstatt einen

gewissen Wert mehrfach im Code ausfindig zu machen, um ihn dann zu verändern. Folgendes Beispiel

zeigt den Einsatz von Variablen:

wuerfellaenge=50;

kugelradius=10;

cube(size=wuerfellaenge);

sphere(r=kugelradius);

3D-Objekte

In OpenSCAD-Sprache gibt es verschiedene Anweisungen, die es ermöglichen, geometrische Objekte

zu erstellen. Innerhalb der Klammern werden je nach Objekt andere Eigenschaften angegeben.

Ein Würfel mit einer Seitenlänge von 15 wird wie folgt definiert:

cube(size=15);


179

Ein Quader mit unterschiedlichen Seitenlängen (x=10, y=15, z=5) wird wie folgt erstellt:

cube(size=[10,15,5]);

Wie aus den vorherigen Beispielen hervorgeht, befindet sich eine Ecke des Quaders immer im

Nullpunkt der drei Achsen. Folgendes Beispiel zeigt, wie man einen Quader (x=5, y=5, z=10) erstellt,

dessen Mittelpunkt sich genau im Nullpunkt der Achsen befindet:

cube(size=[5,5,10],center=true);

Ein Zylinder mit einer Höhe von 20, einem unteren Radius von 10 und einem oberen Radius von 0

wird wie folgt definiert:

cylinder(h=20,r1=10,r2=0);


180

Eine Kugel mit einem Durchmesser von 10 wird folgendermaßen generiert:

sphere(r=10);

Die Oberfläche von Zylindern und Kugeln sind relativ kantig, da sie aus einer geringen Menge von

Polygonen bestehen. Um die Oberflächen glatter zu gestalten, genügt es, die Anzahl der Polygone zu

erhöhen, indem man den Wert der vordefinierten Variable $fn grösser als 30 setzt.

Je größer die Variable, desto mehr Polygone werden verwendet

Transformationen

Mit Hilfe von Transformationen können 3D-Objekte, die im vorherigen Kapitel gezeigt worden sind,

auf verschiedene Art verändert werden.

3D-Objekte kann man in OpenSCAD die Achsen entlang verschieben. Im folgenden Beispiel wird eine

Kugel um 20 Einheiten die X-Achse entlang, 10 Einheiten in entgegengesetzte Richtung (also -10)

der Y-Achse und 0 Einheiten die Z-Achse entlang verschoben:


181

translate([20,-10,0])

sphere(r=15);

Mit OpenSCAD können 3D-Objekte zwar nicht um den eigenen Mittelpunkt gedreht werden, sondern

mit einem Befehl die Achsen entlang rotieren. Das nächste Beispiel zeigt einen Würfel, der um 45°

um die Y-Achse rotiert wird:

rotate([0,45,0])

cube(size=15);

Um ein 3D-Objekt zu verformen, kann man es skalieren. Das folgende Beispiel zeigt eine Kugel, die

die X-Achse entlang unverändert bleibt (1), die Y-Achse entlang um das Dreifache (3)

auseinandergezogen wird und die Z-Achse entlang auf die Hälfte (0.5) zusammengepresst wird:

scale([1,3,0.5])

sphere(r=15);


182

Kombinationen

Um komplexere Modelle zu erstellen, können mehrere einfache 3D-Objekte auf verschiedene

Weisen kombiniert werden.

Die Vereinigung schweißt zwei oder mehrere 3D-Objekte zusammen. Das folgende Beispiel zeigt ein

Modell, das aus einem Würfel und einer Kugel besteht:

union(){


sphere(r=15);

}

Die Differenz zeigt ein 3D-Objekt, dessen Überschneidungen mit einem anderen 3D-Objekt

abgezogen werden. Das folgende Modell zeigt einen Würfel, der von einer Kugel durchlöchert wird:

difference(){


sphere(r=15);

}

Es ist möglich, mehrere Objekte von einem Modell abzuziehen. Zuerst wird das 3D-Objekt, das man

darstellen will, angegeben, gefolgt von allen Objekten, die man vom ersten Objekt abzieht. Das

nächste Beispiel zeigt eine Kugel, die von mehreren Würfeln durchlöchert wird:


183

difference(){

sphere(r=10);


cube(size=8);

translate([-5,-15,0])

cube(size=8);


cube(size=7);

}

Die Schnittmenge erstellt ein Modell, das aus den Überlappungen mehrerer 3D-Objekte erstellt

wird. Das Beispiel zeigt die Überlappung eines Würfels mit einer Kugel:

intersection(){


sphere(r=15);

}

2D-Objekte und Extrusion

Das Erstellen von 2D-Objekten scheint für den 3D-Druck zuerst uninteressant. Mit OpenSCAD bietet

sich die Möglichkeit, 2D-Objekte zu extrudieren, um auf diese Weise 3D-Objekte zu erstellen.

Ein Rechteck wird ähnlich wie der Quader erstellt mit dem Unterschied, dass keine Länge für die Z-

Achse angeben wird. Das Beispiel erstellt ein Rechteck mit unterschiedlichen Seitenlängen (x=10,

y=20):


184

square(size=[10,20]);

Ein Kreis wird wie eine Kugel erstellt, indem man den Radius angibt. Das Beispiel erstellt einen Kreis

mit einem Durchmesser von 10 Einheiten:

circle(r=10);

Zweidimensionaler Text kann in verschiedenen Schriftarten erstellt werden. Natürlich kann man nur

Schriftarten benutzen, die auf dem Rechner installiert sind. Um die genaue Bezeichnung einer

Schriftart zu kennen, kann man alle verfügbaren Schriftarten wie folgt im Programm einsehen:

• Help > Font List

Das nächste Beispiel zeigt, wie man einen Text mit einer Schrifthöhe von 15 Einheiten in der

Schriftart Stencil erstellt:


185

text("Hello!",size=15,

font="Stencil");

Erstellte 2D-Objekte haben automatisch eine Höhe (Z-Achse) von 1 Einheit und sind

strenggenommen nicht zweidimensional. Um interessante 3D-Modelle aus den 2D-Objekten zu

erstellen, werden verschiedene Formen von Extrusion genutzt.

Lineare Extrusion zieht ein 2D-Objekt die Z-Achse entlang gerade. Zusätzlich kann die Größe des 2D-

Objektes die Höhe entlang verändert werden. Das nächste Beispiel zeigt ein Quadrat, das auf eine

Höhe von 10 Einheiten extrudiert wird und sich nach oben auf das Doppelte (2) vergrößert:

linear_extrude(height=10,scale=2)

square(size=[5,5],center=true);

Lineare Extrusion kann außerdem ein Objekt verdrehen. Das nächste Beispiel zeigt ein Quadrat, das

um 10 Einheiten extrudiert wird, nach oben auf 0 verkleinert und zusätzlich um 720° gedreht wird:


186

linear_extrude(height=10,scale=0,

twist=720)


Schleifen und Operatoren

Möchte man Anweisungen mehrfach ausführen, greift man auf Schleifen zurück. In einer Schleife

kann man auf die Zählvariable zurückgreifen und mit Hilfe von Operatoren neue Werte errechnen. Die

OpenSCAD-Sprache verfügt unter anderem über folgende Operatoren:

+ Addition - Subtraktion * Multiplikation / Division

Das nächste Beispiel zeigt, wie man mehrere Würfel anhand einer Schleife einfach generieren kann.

Die Position jedes Würfels wird mit Hilfe einer Zählvariable berechnet:

for(i=[0:4]){

translate([0,i*10,i*10])

cube(size=10);

}

Mehrere Schleifen können ineinander verschachtelt werden. Das nächste Beispiel zeigt zwei

Schleifen, die mehrere Kugeln in unterschiedlichen Größen und Positionen erstellen:


187

for(i=[0:4]){

for(j=[0:4]){

translate([i*10,j*10,0])

scale(1+(0.1*i*j))

sphere(r=10);

}

}

11.2.4. Aufgaben

Wie bereits im Kapitel 11.1.4 erwähnt, sollen die Aufgaben so gestaltet sein, dass

Frustrationserlebnisse vermieden werden und die Schüler am Ende des Unterrichts druckfertige

Modelle aufweisen können. Außerdem sollen die Aufgaben offen gestaltet sein, damit Schüler, die

sich schnell mit der OpenSCAD-Sprache zurechtfinden, nicht unterfordert oder ausgebremst werden.

Eine Reihe von Modellierungsaufgaben für OpenSCAD befinden sich im Anhang (→ Kapitel 14.2.).

Der Schwierigkeitsgrad der Aufgaben ist aufsteigend; in jeder Aufgabe werden einige neue Befehle

eingeführt. Möchte man die Aufgaben in der Klasse durchführen, wäre es meiner Meinung nach

sinnvoll, den Schülern die Benutzeroberfläche zu erklären und einiges an Basiswissen bezüglich

OpenSCAD-Sprache zu zeigen, ohne jedoch auf alle Befehle und Einzelheiten einzugehen.

Alle Aufgaben im Anhang sind ähnlich aufgebaut. Im ersten Teil einer Aufgabe muss der Schüler ein

Modell erstellen. Dem Schüler werden schrittweise Befehle gezeigt, die er in OpenSCAD eingeben

kann, um das Modell nach und nach zu erstellen. Der Schüler erfährt, welche Befehle zu welchen

Resultaten führen. Im zweiten Teil einer Aufgabe muss der Schüler selbst einige Modelle erstellen.

Diese Modelle benötigen dieselben Befehle, die im ersten Teil eingeführt worden sind. Der Schüler

versucht nun, die Lösung zu finden und kann jederzeit sein Modell mit dem Modell in der Aufgabe

vergleichen. Hat er die Lösung gefunden, kann er den entsprechenden Code neben das Modell

schreiben. Der dritte Teil einer Aufgabe ist offen gestaltet. Der Schüler kann mit den soeben erlernten

Anweisungen eigene Modelle erfinden oder die vorherigen Modelle ausbauen.


188

Folgende Tabelle listet die Aufgaben des Anhangs auf und zeigt, welche Anweisungen neu eingeführt

werden:

Aufgabe Modell Neu eingeführte Anweisungen

1 (S. 228)

Tisch cube, translate, union

2 (S. 233)

Figur sphere, cylinder, rotate

3 (S. 238)

Baustein difference

4 (S. 243)

Schlüsselanhänger square, circle, text, linear_extrude

5 (S. 249)

Landschaft for

Um den Schwierigkeitsgrad der Aufgaben aus dem Anhang zu verändern, könnten die Aufgaben wie

folgt umgestaltet werden:

• Anpassen: Dem Schüler wird der vollständige Code präsentiert, der jedoch mit falschen

Werten versehen ist. Nun muss der Schüler diese Werte und Parameter anpassen, bis der

Code das gewünschte Modell generiert.

• Weiterschreiben: Der Schüler erhält einen Teil des Codes, den es auszubauen gilt. Diese

Methode ermöglicht den Schülern einen einfacheren Einstieg in die Aufgabe.

• Interpretieren: Der Schüler muss den Code interpretieren und versuchen herauszufinden,

wie das fertige Modelle aussehen wird, ohne diesen vorher im Programm einzutippen. Um

die Aufgabe zu vereinfachen, kann man dem Schüler verschiedene Modelle unterbreiten,

aus denen er das Passende aussuchen soll.

11.3. Druckvorbereitung mit Netfabb und MakerBot Desktop

11.3.1. Fehler beseitigen mit Netfabb

Die kostenlose Standard-Version des Programmes kann unter folgendem Link kostenlos

heruntergeladen werden:

• en.freedownloadmanager.org/Windows-PC/netfabb-Studio-Basic.html


189

Beim ersten Benutzen des Programmes nach der Installation wird die Menüführung in Englisch

angezeigt. Bevorzugt man Deutsch, kann man die Sprache hier umstellen:

• Settings > Settings > General > Language > Deutsch

Um ein Modell auf Fehler zu prüfen und anschließend zu reparieren, muss man das Modell (als STL-

Format) zuerst mit Netfabb öffnen:

• Projekt > Öffnen

Das Modell wird nun im Programm angezeigt und muss mit der linken Maustaste ausgewählt

werden. Die Analyse des Modells wird wie folgt gestartet:

• Extras > Neue Analyse > Standardanalyse

Das Programm analysiert das Modell auf mögliche Fehler und erstellt einen Bericht:

Die Analyse zeigt, ob das Modell fehlerfrei (links) oder fehlerbehaftet (rechts) ist


190

Zeigt das Modell keine Fehler auf, kann es gedruckt werden. Werden bei der Analyse Fehler wie z.B.

Löcher entdeckt, kann Netfabb die Fehler reparieren. Hierfür klickt man auf das Reparatur Icon:

Das Programm bietet nun verschiedene Möglichkeiten, die Fehler im Modell zu beheben. Entweder

folgt man der Reparaturanleitung (hier entscheidet der Benutzer selbst, wie die Probleme behoben

werden) oder man startet die automatische Reparatur:

Nach der Reparatur ist das Modell fehlerfrei und muss erneut abgespeichert werden:

• Bauteil > Bauteil exportieren > als STL

11.3.2. Drucken mit MakerBot Desktop

Um optimale Ergebnisse beim Drucken zu erzielen, sollte man immer die Software des Herstellers

vom 3D-Drucker beziehen. Besitzt man also keinen Drucker von MakerBot, empfiehlt sich das in

diesem Kapitel beschriebene Programm nicht.

Das Programm MakerBot Desktop wird unter folgender Adresse heruntergeladen:

• www.makerbot.com/desktop

Nachdem das Programm installiert und geöffnet wurde, muss zuerst der Drucker ausgewählt

werden:

• Devices > Select Type of Device


191

Anschließend kann das gewünschte 3D-Modell ins Programm geladen werden:

• File > Open

Will man weitere Modelle hinzufügen, um diese gemeinsam zu drucken, wählt man:

• File > Add

Die Modelle werden nun im Programm angezeigt und können über folgende Icons für den Druck

ausgerichtet werden:


Ansicht wechseln Ermöglicht das Modell aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten

Verschieben Platziert das Modell an die gewünschte Stelle der Bauplatte

Drehen Dreht das Modell auf dem Bauraum in die gewünschte Richtung. Um das Modell zu kippen, muss man das Icon doppelklicken um die Option Lay Flat aufzurufen.

Skalieren

Vergrößert oder verkleinert das Modell auf die gewünschte Größe. Ist das Modell grösser als der Bauraum, kann man es im Vorfeld in mehrere kleinere Teile zerlegen, die nach dem Druck zusammengesteckt werden können

Ist das Modell perfekt ausgerichtet, können vor dem Druck noch einige Parameter eingestellt

werden. Diese Parameter können im Untermenü Settings eingestellt werden.

Damit der Halt des Modells auf dem Druckbett während des Drucks gewährleistet ist, empfiehlt es

sich, immer eine Fundamentplatte zu drucken, auf der das Modell Haftung findet:


192

Hat das Modell Überhänge, soll man mit einer Stützkonstruktion arbeiten, die sich nach dem Druck

einfach abbrechen lässt:

Möchte man die Qualität des Modells erhöhen, kann man die Schichthöhe (Layer Height) sowie die

Wandstärke (Number of Shells) anpassen. Für eine glatte Oberfläche kann man eine Schichthöhe

kleiner als 0,2 mm (je kleiner desto glatter) auswählen. Für eine gewisse Stabilität ist es ratsam, das

Modell mit mindestens zwei Wänden (je grösser desto stabiler die Wand) zu versehen.


193

Außerdem kann man die Füllung von Hohlräumen einstellen. Hier empfiehlt es sich, die

Standardeinstellung von 10% Füllung und die Wabenform (diamond) beizubehalten, da diese

Einstellung wenig Material verbraucht und schnell gedruckt werden kann. Stellt man jedoch ein 3D-

Modell her, das später einer starken Belastung ausgesetzt wird, kann die Füllung erhöht werden.

Alle Einstellungen kann man in einem Benutzerprofil abspeichern; sie werden später automatisch

wieder aufgerufen. Um den Druck zu starten, muss nur noch auf Print gedrückt werden.


194

11.4. Durchführung in den Klassen - Erfahrungsbericht

In diesem Kapitel beschreibe ich die Erfahrungen, die ich mit der Einführung von 3D-

Modellierungsprogrammen und 3D-Druck in zwei verschiedenen Klassen der Stufe 9TE gemacht habe.

Bevor ich in den Klassen die 3D-Modellierungsprogramme einführte, zeigte ich den Schülern einige

ausgedruckte Modelle. Ungefähr ein Drittel der Schüler erkannte, dass die Modelle von einem 3D-

Drucker stammten. Diesen Schülern war die 3D-Druck-Technologie bereits ein Begriff; damit

gearbeitet hatte jedoch noch kein Schüler. Nach einer kurzen Diskussion über 3D-Druck gab ich den

Schülern eine schnelle Einführung in das Programm OpenSCAD. Ich erstellte etappenweise ein Modell

und versuchte die einzelnen Befehle zu erklären. Anschließend gab ich den Schülern die Möglichkeit,

das gleiche Modell am Rechner nachzubauen. Nach Erledigen dieser Aufgabe, sollten die Schüler

weitere Modelle erstellen und diese anschließend nach eigenem Belieben ausbauen.

Einige Schüler äußerten im Vorfeld ihre Bedenken und erwähnten, dass sie nicht in der Lage seien,

mit diesem Programm zu arbeiten. Ein Schüler tätigte die Aussage „Ech verstinn näischt, dat doten ass

onméiglech!“ und ein anderer Schüler stellte die Frage „Dat ass dach alles vill ze komplizéiert, firwat

muss een sou komesch Wierder selwer tippen?“. Da ich davon ausging, dass das Erstellen von Code

den Schülern schwierig erscheinen würde, sollten sie zuerst nur die von mir gezeigte Aufgabe selbst

am Rechner nachbauen, d.h. den Code abtippen. Somit stellte ich sicher, dass jeder diese zunächst

unüberwindbar erscheinende Hürde selbst meistern würde. Obwohl die Schüler bei dieser ersten

Aufgabe nur richtig abtippen mussten, benötigten viele gerade am Anfang meine Hilfe. Das Programm

zeigte Fehler an, die der Schüler nicht lösen konnte. Oft vergaß der Schüler, einen Befehl mit einem

Semikolon abzuschließen, eine Klammer zu setzen oder vertippte sich (z.B. tranlate anstatt

translate). Einige Schüler waren relativ schnell frustriert, da jeder Fehler das Erstellen des Modells

verhindert. Nachdem ich den Schülern die Fehler aufwies, arbeiteten sie weiter und überprüften den

Code genauer. Sie benötigten immer wenige Hilfe. Nach einiger Einarbeitungszeit kam es nur noch

selten vor, dass ein Schüler denselben Fehler ein zweites Mal beging. Die Bedienung der Oberfläche

war für niemand ein Problem. Ich beobachtete, wie die Schüler ihr Modell aus allen möglichen

Perspektiven begutachteten und anfingen, im Programm herumzuexperimentieren.

Ich legte den Zeitrahmen für das Erstellen der drei nächsten Modelle auf eine Unterrichtsstunde fest

und ließ die Schüler, sofern sie nicht auf größere Probleme stießen, selbstständig arbeiten, da laut

[HAT08] der Einsatz von Computern im Unterricht effektiver ist, wenn die Lernenden und nicht die


195

Lehrperson die Kontrolle über das Lernen ausübt. Damit soll das Tempo nicht von mir oder vom

Programm vorgegeben sein, sondern es wird eigenständig von den Schülern bestimmt. Die

Vorgehensweisen der Schüler beim Lösen der Aufgaben waren unterschiedlich. Einige Schüler

überlegten, bevor sie neue Befehle eintippten. Sie passten die Parameter an, überlasen die Befehle

ein zweites Mal und renderten (Erstellung des Modells aus dem Code) anschließend das Modell.

Andere Schüler erstellten ihren Code, indem sie den Code von vorherigen Aufgaben kopierten und

entsprechend anpassten. Sie suchten die Parameter, indem sie zuerst eine zufällige Zahl einfügten und

das Modell renderten. Danach veränderten sie die Zahl, um zu sehen, in welche Richtung sich z.B. der

Würfel bewegt. War es die falsche Richtung, änderten sie die Zahl und renderten erneut, um das neue

Resultat zu sehen. Dieses Vorgehen scheint zwar weniger anspruchsvoll, erlaubt es aber auch

schwächeren Schülern weiterzuarbeiten und sich trotz Schwierigkeiten mit der Aufgabe

auseinanderzusetzen.

Ich war erstaunt darüber, dass jeder Schüler alle Aufgaben lösen konnte. Die Zeit, die die Schüler

zum Lösen der Aufgaben benötigten, war sehr unterschiedlich. Eine Handvoll Schüler blühten beim

Modellieren richtig auf und benötigten pro Aufgabe nur wenige Minuten. Diese Schüler erstellten

anschließend eigene Modelle, die die Komplexität und Kreativität der Modelle in den Aufgaben

übertraf. Sie kombinierten das aus vorherigen Aufgaben Erlernte, um noch komplexere und größere

Modelle zu schaffen.

In den nachfolgenden Unterrichtsstunden führte ich neue Befehle ein. Der Ablauf des Unterrichts

verlief ähnlich. Anfänglich benötigten einige Schüler meine Hilfe beim Umsetzen der neuen Befehle,

gegen Unterrichtsende konnte jeder Schüler zufriedenstellende Ergebnisse aufzeigen. Einige wenige

Schüler fragten mich nach zusätzlichen Befehlen (die im Unterricht noch nicht eingeführt worden

waren), um ihre eigenen Ideen im Modell umzusetzen.

Die Einführung in das Modellierungsprogramm SketchUp verlief ähnlich. Die voreilige Ablehnung,

wie bei der Einführung von OpenSCAD, fand hier nicht statt. Die meisten Schüler zeigten sich

zuversichtlich was die Arbeit mit dem neuen Programm betrifft („Et ass bestëmmt flott an einfach

domat ze schaffen.“) oder zeigten ihre Erleichterung („Endlech kann een just mat der Maus schaffen

an et muss een net ëmmer souvill tippen“; „Do kann een jo keng Fehler méi maachen oder sech

vertippen“). Ein Großteil der Schüler meisterte den Umgang mit dem Programm ohne weitere


196

Probleme. Vereinzelte Schüler brachten jedoch nicht die nötige Geduld auf und zeichneten sehr

unpräzise 3D-Formen im Programm. Diese Schüler arbeiteten bis zum Schluss allein weiter, ohne mich

um Hilfe zu bitten; das Resultat war ein fehlerbehaftetes Modell. In diesen Fällen war es schwierig,

das Modell zu reparieren und oft blieb dem Schüler nichts anderes übrig als Teile des Modells neu zu

erstellen. Andere Schüler erkundeten noch nicht vorgestellte Werkzeuge in Eigeninitiative und

probierten diese an ihrem Modell aus, was ein Vorteil von SketchUp ist; alle Werkzeuge werden vom

Programm automatisch erklärt und können ohne Vorkenntnisse angewandt werden. Die Schüler sind

somit weniger auf mich angewiesen und können eigene Ideen eigentlich sofort umsetzen.

Einige ausgedruckte Modelle der Schüler

Nach der Arbeit mit beiden Modellierungsprogrammen verfügte jeder Schüler über eine Handvoll

Modelle auf seinem Rechner. Es handelte sich um die Modelle der Aufgaben (→ Kapitel 14.1. und

Kapitel 14.2.), die die Schüler nach Belieben verändert und ausgebaut haben sowie um selbst

erschaffene Modelle. Anstatt alle Modelle (mehrere hundert) auszudrucken, konnte jeder Schüler

eines seiner Modelle aussuchen, um es zu drucken. Jedoch druckte ich alle ausgesuchten Modelle

zuhause aus; denn dieser Vorgang beanspruchte mehrere Stunden pro Tag während einer ganzen

Woche und war somit sehr aufwendig. Die Begeisterung, die die Schüler ausstrahlten, als sie ihre

eigenen Kreationen in den Händen hielten, war nicht zu übersehen. Viele Schüler fragten, ob ich ihnen

nicht ein weiteres Modell ausdrucken könne.


197

11.4.1. Schülerumfrage

Um die Meinung der Schüler zu kennen, ließ ich sie nach dem Durchführen der Aufgaben einen

Fragebogen ausfüllen. Zuerst sollte der Schüler jeweils vier Fragen bezüglich der Arbeit mit dem

Modellierungsprogramm SketchUp beantworten:

Trifft völlig zu

Trifft eher zu

Trifft wenig zu

Trifft nicht zu

A. Das Arbeiten mit SketchUp ist mir leichtgefallen.

B. Ich habe die Aufgaben ohne größere Probleme erledigt.

C. Das Modellieren von 3D-Modellen macht mir Spaß und hat mich motiviert.

D. Ich kann mir vorstellen, in Zukunft weitere Modelle mit SketchUp zu erstellen.

Betrachtet man die Ergebnisse, stellt man fest, dass mehr als vier Fünftel der Schüler Spaß am

Modellieren hatten und ihnen die Aufgaben und das Bedienen des Programms keine größeren

Probleme bereiteten. Diese Resultate habe ich erwartet, da ich genau die gleichen Beobachtungen

während der Arbeit in der Klasse machte. Mehr als ein Drittel der Schüler kann sich außerdem

vorstellen, in Zukunft weitere Modelle mit SketchUp zu erstellen.


198

Ich stellte den Klassen die gleichen Fragen zum Programm OpenSCAD:

Trifft völlig zu

Trifft eher zu

Trifft wenig zu

Trifft nicht zu

E. Das Arbeiten mit OpenSCAD ist mir leichtgefallen.

F. Ich habe die Aufgaben ohne größere Probleme erledigt.

G. Das Modellieren von 3D-Modellen macht mir Spaß und hat mich motiviert.

H. Ich kann mir vorstellen, in Zukunft weitere Modelle mit OpenSCAD zu erstellen.

Was das Erledigen der Aufgaben betrifft, war das Ergebnis bei OpenSCAD ähnlich wie beim

Programm SketchUp. Fast vier Fünftel der Schüler erledigten ihrer Meinung nach die Aufgaben ohne

größere Probleme. Ich nehme an, dass dieses Resultat darauf zurückzuführen ist, dass ich den Schülern

bei anfänglichen Problemen sehr viel Hilfe anbot bis schlussendlich jeder Schüler die Aufgaben lösen

konnte. Die Motivation der Schüler bei der Arbeit mit OpenSCAD ist laut Umfrage deutlich niedriger

als die bei der Arbeit mit SketchUp. Die Hälfte der Schüler kann sich außerdem nicht vorstellen, in

Zukunft weiter mit dem Programm zu arbeiten.


199

Die Ergebnisse zeigen, dass die Mehrheit der Schüler die Arbeit mit SketchUp gegenüber OpenSCAD

bevorzugt. Dass die Hälfte der Schüler nicht weiter mit OpenSCAD arbeiten möchte, ist meiner

Meinung nach darauf zurückzuführen, dass die Schüler automatisch einen Vergleich beider

Programme ziehen und nur wenige bis keine Vorteile an OpenSCAD gegenüber SketchUp finden

können. Obwohl im großen Ganzen beide Programme recht positiv bei den Schülern abschneiden,

nehme ich an, dass fast alle Schüler, würde man sie vor die Wahl stellen, in Zukunft mit SketchUp

arbeiten möchten.

Den Klassen stellte ich weiterhin vier Fragen bezüglich des 3D-Drucks:

Trifft völlig zu

Trifft eher zu

Trifft wenig zu

Trifft nicht zu

I. Es ist mir wichtig, dass ein von mir erstelltes 3D-Modell ausgedruckt wird.

J. Ich möchte den 3D-Drucker selbst bedienen.

K. Das Thema 3D-Druck interessiert mich.

L.

Ich bin daran interessiert, auch außerhalb des Informatikunterrichts (in anderen Fächern oder nach dem Unterricht) Zugriff zu einem 3D-Drucker zu haben.

Die Auswertung der Ergebnisse zeigt, dass das Interesse am Thema 3D-Druck in den Klassen groß ist.


200

Für fast drei Fünftel der Klasse ist es wichtig, dass die von ihnen modellierten Objekte später auch

gedruckt werden. Obwohl noch keiner der Schüler mit einem 3D-Drucker gearbeitet hat, geben zwei

Drittel an, dass sie einen 3D-Drucker selbst bedienen möchten und das auch, falls möglich, außerhalb

des Informatikunterrichts.

Da diese Umfrage bloß die Meinungen der Schüler wiedergibt, besteht meine Auswertung nur aus

Hypothesen. Ob nun schlussendlich die Mehrheit der Schüler am Modellieren und Drucken langfristig

Interesse hat, kann ich nicht vorhersehen. Die kompletten Fragebögen sowie deren Ergebnisse

befinden sich im Anhang (→ Kapitel 14.3.).

11.4.2. Rückblick

Ich war anfangs sehr skeptisch, ob die Schüler OpenSCAD einfach erlernen könnten und war der

Meinung, dass SketchUp definitiv die bessere Wahl zum Modellieren in Klassen darstellen würde. Bei

der Durchführung in beiden Klassen machte ich jedoch relativ schnell andere Erfahrungen. OpenSCAD

bietet den Schülern weniger Freiräume. Jeder begangene Fehler verhindert das Erstellen des Modells.

Der Schüler ist gezwungen, den Fehler zu finden um weiter arbeiten zu können. Falls der Schüler an

der Aufgabe dranbleibt, kommt er schrittweise dem Ziel näher und kann ein fertiges und fehlerfreies

Modell erstellen. Es ist als Lehrer sehr einfach, dem Schüler konkrete Hilfestellung anzubieten und

vom Schüler begangene Fehler schnell ausfindig zu machen. Rückblickend hätte ich bei der Einführung

der OpenSCAD-Sprache genauer auf die verschiedenen Satzzeichen eingehen sollen, damit die Schüler

nicht durch ein falschgesetztes Zeichen in der Arbeit stecken bleiben. Ich stellte fest, dass mehrere

Schüler Schwierigkeiten hatten, die verschiedenen Arten von Klammern auseinander zu halten. In der

OpenSCAD-Sprache werden je nach Befehl runde Klammern (), eckige Klammern [] oder

geschweifte Klammern {} verwendet. Hier wäre es nützlich gewesen, die Schüler auf diese

Unterschiede aufmerksam zu machen, indem man zum Beispiel jede Art von Klammer mit einer

anderen Farbe hinterlegt. Zusätzlich hätte ich den Schülern zeigen können, wie man bestimmte

Satzzeichen mit einer Tastatur erstellen kann, viele der Schüler verfügten im Vorfeld nicht über die

nötige Kenntnis, mit welchen Tastenkombinationen man spezielle Satzzeichen schreiben kann.

SketchUp bietet dem Schüler sehr viele Freiräume und Möglichkeiten. Fehler werden oft nicht

bemerkt oder vom Schüler als nicht störend empfunden, da man problemlos weiter modellieren kann.

Dies führt dazu, dass Schüler fehlerhafte oder unfertige Modelle erstellen, die zwar auf den ersten


201

Blick richtig erscheinen, beim genaueren Betrachten aber Mängel aufweisen. Als Lehrer ist es sehr

schwer, die (oft vor schon vor 10 Minuten) begangenen Fehler zu erkennen und zu verbessern. Oft

bleibt nichts Anderes übrig, als Teile des Modells zu löschen oder die Aufgabe neu anzufangen. Dies

frustriert in vielen Fällen die Schüler, vor allem, weil das Programm Probleme, die erst kurz vor dem

Drucken auffallen, nicht erkennt. Das Programm (so wie die meisten anderen 3D-

Modellierungsprogramme) ermöglicht das Erstellen von 3D-Modellen, die am Rechner betrachtet

werden können, aber nicht unbedingt später druckbar sind. Somit sieht das Programm Löcher im

Modell nicht als Fehler an (da diese nur im Druck Probleme darstellen) und zeigt dem Benutzer nicht

an, ob das Modell noch druckbar ist. Viele Schüler entfernten Polygone um dem Modell Öffnungen

und Hohlräume zuzufügen, ohne sich bewusst zu sein, dass dadurch die Druckbarkeit des Modells

verloren geht. Das Programm ist nicht für den 3D-Druck ausgerichtet und es wäre nützlich gewesen,

den Schülern die genannte Problematik im Vorfeld genauer aufzuzeigen.

Den Umfragen zufolge schnitt SketchUp bei den Schülern besser ab als OpenSCAD. Ich nehme an,

dass sich viele Schüler an dem recht schwierigen Einstieg in OpenSCAD störten. Ich gehe davon aus,

dass es vorteilhaft gewesen wäre, wenn ich mit der Klasse mehr Zeit in ein einziges Programm

investiert hätte, anstatt nur einen Einstieg in zwei unterschiedliche Programme. Beschäftigt man sich

mehrere Wochen mit demselben Programm, geht das Modellieren einfach von der Hand und man

kann weitere Werkzeuge oder Befehle kennenlernen, um komplexere Modell zu erstellen.

Rückblickend bin ich sehr erstaunt über das räumliche Vorstellungsvermögen der Schüler, sowie

deren Handhabung von dreidimensionalen Modellen am Rechner. Die Schüler drehten und

verschoben ihre 3D-Modelle in alle möglichen Richtungen, ohne sich dabei im dreidimensionalen

Raum zu verlieren. Ich rechnete im Vorfeld fest damit, dass gerade hier Schüler Probleme hätten, sich

zurechtzufinden. Viele Schüler verglichen das Zurechtfinden im dreidimensionalen Bauraum der

Modellierungsprogramme mit Videospielen ihrer Spielekonsole und Apps ihrer Smartphones. Es ist

sehr wahrscheinlich, dass diese junge Generation, in der ein Großteil der Spiele und Programme in 3D

gestaltet sind sich im dreidimensionalen Raum am Rechner besser zurechtfindet als Menschen, für die

dreidimensionale Grafik ein Novum darstellt.

Im Nachhinein bin ich der Meinung, dass die Aufgaben mit ansteigendem Schwierigkeitsgrad bei

OpenSCAD für Klassen der Stufe 9TE passend sind. Die Aufgaben für SketchUp sind teilweise zu lang


202

und kompliziert. Einige Schüler verloren schnell den Überblick über die zu tätigenden Schritte. Beide

Programme eignen sich aber definitiv für den Unterricht. Die Idee, den Schülern nach dem Erledigen

der vorgegebenen Aufgaben offene Aufgaben anzubieten, war nur zum Teil erfolgreich. Ich stellte fest,

dass einige Schüler mit viel Kreativität eigene Details an Modelle hinzufügten und eigene Ideen

eigenständig umsetzten. Andere Schüler hingegen saßen bei diesen offenen Aufgaben regungslos vor

dem Rechner. Auf Nachfrage warum sie nicht weiter modellierten, teilten sie mir mit, dass sie keine

Idee hätten, was sie am Modell ändern könnten. Erst nachdem ich diesen Schülern meine eigenen

Ideen unterbreitete, setzten sie diese um. Es wäre sinnvoller gewesen, den Schülern bei freien

Aufgaben mehrere Designs vorzuschlagen und ihnen somit die Entscheidung zu überlassen, entweder

eigene Ideen umzusetzen wollen oder sich an den Vorlagen zu orientieren.

Auch wenn, wie bereits erwähnt, die Schüler sich über die ausgedruckten Modelle erfreuten, wäre

es sinnvoller gewesen, die Schüler am Druckvorgang teilhaben zu lassen. Das Interesse einiger Schüler

am 3D-Drucken war so groß, dass sie sich bei mir nach Möglichkeiten erkundigten, wo sie weitere

Modelle ausdrucken könnten. Andere Schüler äußerten, dass es sie interessieren würde, mit zu

verfolgen, wie ihr eigenes Modell im 3D-Drucker entstehen würde. Wie in [BUE15, S.4] beschrieben,

sollte man den Schaffungsprozess eines Schülers nicht unterbrechen, indem man ihn beim

Druckvorgang ausschließt. Dieser Ausschluss mindert den Stolz des Schülers, etwas Eigenes erschaffen

zu haben und verhindert, dass der Schüler den Umgang mit einer neuen Hardware kennenlernt. Plant

man also mit 3D-Modellierungsprogrammen zu arbeiten, wäre es vorteilhaft, wenn die Schule über

mehrere 3D-Drucker verfüge, so dass gegen Ende des Unterrichts die Schüler den Druck ihres Modells

starten könnten. Im Idealfall wäre in der Schule eine Hilfskraft, die nach dem Druck die Modelle vom

Druckbett lösen und die nächsten Druckvorgänge starten würde. Nur so kann sichergestellt werden,

dass alle erstellten Modelle während des Unterrichts in kurzer Zeit ausgedruckt werden können.


203

12. Ausblick

Die Erwartungen, die ich an die 3D-Technologie stellte, als ich zum ersten Mal von dieser Technologie

erfuhr, waren sehr hoch. Ich war fasziniert von den schier unendlichen Möglichkeiten, die 3D-Druck

bieten konnte. Mein großes Interesse an diesem Thema führte dazu, dass ich es als Thema für diese

Arbeit aussuchte. Während des Einarbeitens in das Thema musste ich jedoch nach und nach

feststellen, dass die Lücke zwischen meinen anfänglichen Erwartungen und der Realität immer grösser

wurde. Dies liegt vor allem darin, dass die Arbeit mit Drucker und Software noch keine alltäglich triviale

Tätigkeit darstellt. Außerdem unterliegen handelsübliche 3D-Drucker technischen Einschränkungen.

3D-Drucker sind keine Hochleistungs-Wundermaschinen, die im Minuten Takt fertige Hochglanz-

Modelle ausspucken. Das Einrichten von 3D-Druckern benötigt viel Geduld; ein Druckvorgang dauert

und produziert viel Lärm; die Qualität eines ausgedruckten Modells kann nicht ansatzweise mit einem

industriell hergestellten Modell mithalten. Ähnlich erging es mir beim Erstellen von eigenen Modellen

am Rechner. Die Vorstellung, eigene Ideen am Computer zu verwirklichen, klingt verlockend. Mit

einem 3D-Modellierungsprogramm kann man nicht innerhalb kurzer Zeit komplexe und detailgetreue

Modelle erstellen. Jedes Programm benötigt Einarbeitungszeit; das Erstellen komplexer Modelle

beansprucht viele Stunden und setzt sehr viel Erfahrung voraus. Schraubt man seine ersten

Erwartungen zurück, bringt die nötige Geduld mit und verfügt über genügend Zeit, ist 3D-Druck eine

sehr interessante Technologie, die sowohl von Lehrern wie von Schülern genutzt werden kann.

Es ist anzunehmen, dass die 3D-Drucktechnologie, die noch in den Kinderschuhen steckt und einige

technische Mängel und Einschränkungen aufweist, sich rasch weiterentwickelt. Die Möglichkeiten, die

3D-Druck in Zukunft bieten kann, sind vielversprechend. Es ist wahrscheinlich, dass der Druckvorgang

vereinfacht und beschleunigt wird. Laut [NIT15] werden andere Druckverfahren, die mit Materialien

wie Gips oder Keramik arbeiten, billiger. Zusätzlich wird nach neuen Druckverfahren geforscht, die

einen Vollfarbdruck ermöglichen, was mit Filament nicht möglich ist. Der 3D-Druck der Zukunft

zeichnet sich außerdem durch eine bessere Auflösung aus. Steigt die Nachfrage an 3D-Druckern

weiter, wird der Preis zusätzlich sinken. Im Moment gibt es keine Drucker, die es ermöglichen ohne

Eingriff mehrere Modelle nacheinander zu drucken. Es bleibt abzuwarten, ob irgendwann ein Drucker

entwickelt wird, der automatisch ein fertig gedrucktes Modell vom Druckbett lösen kann, um dann ein

weiteres Modell zu drucken. Nur so könnte man z.B. über Nacht Modelle für eine ganze Klasse

drucken, ohne eingreifen zu müssen.


204

Es wäre denkbar, 3D-Druck und 3D-Modellierung in den Lehrplan des Informatikunterrichts

einzufügen. Die Erfahrungen, die ich auf den Klassen machte, waren durchweg positiv. Ich bin der

Meinung, dass es wichtig ist, Schüler an neue Technologien heranzuführen. Es ist wahrscheinlich, dass

die 3D-Drucktechnologie in Zukunft immer mehr eingesetzt wird. Deshalb ist es vorteilhaft, dass

Schüler Grundkenntnisse in dieser Technologie besitzen. Inwiefern 3D-Modellierung Fähigkeiten, wie

das räumliche Vorstellungsvermögen oder Kreativität beim Schüler weiterentwickelt, ist schwer

einzuschätzen; meiner Meinung nach aber mehr als wahrscheinlich.

Ich gehe nicht davon aus, dass 3D-Drucker in den nächsten Jahren den Unterricht grundlegend und

fächerübergreifend verändern werden. Lehrer brauchen Zeit und Übung, um diese Technologie zu

erlernen genauso wie Schulen, die Geld und Zeit in diese Technologie investieren müssen. Erst wenn

die erste Skepsis gegenüber der neuen Technologie verflogen ist und 3D-Drucker in vielen Haushalten

vorzufinden sind, ist es vorstellbar, dass 3D-Drucker ein fester Bestandteil in verschiedenen Fächern

werden. In vielen amerikanischen Schulen erstellen und drucken Schüler eigene 3D-Modelle in der

Primärschule. Es wäre denkbar, dass Schüler auch bei uns 3D-Modellierung während der

Abschlussklassen in der Primärschule oder auf den unteren Sekundarstufen erlernen und in den

nachfolgenden Jahren fächerübergreifend benutzen. Ob 3D-Modellierungsprogramme und 3D-

Drucker in Zukunft im Unterricht so oft eingesetzt werden wie Textbearbeitungsprogramme und 2D-

Drucker ist zweifelhaft.

Abschließend sehe ich 3D-Druck und 3D-Modellierung als nicht perfekt ausgereiftes Verfahren,

sondern als eine innovative Technologie, die einen festen Platz im Informatikunterricht aber auch

fächerübergreifend ihre Berechtigung hat. Jedoch steckt in ihr noch sehr viel Potenzial, das noch nicht

ansatzweise ausgeschöpft wurde.


205

13. Bibliographie

[3DHUB] 3D HUBS - www.3dhubs.com

[BUE15] Buehler, E., Grimes Sh., Grimes St., Hurst A. (2015). Investigating 3D Printing Education with

Youth Designers and Adult Educators

[BUN02] Bungartz H-J. (2002). Einführung in die Computergraphik

[DFE13] Department for Education (2013). 3D printers in Schools: uses in the curriculum

[FAS14] Fastermann, P; Ćirić D. (2014). 3D-Druck in der Schule

[GOLEM] golem - www.golem.de

[GRO13] Grosskopf, L. (2013). Homo Fabber and the law

[HAT08] Hattie, J. (2008). Lernen sichtbar machen

[HAU14] Hausman K., Horne R. (2014). 3D-Druck für Dummies

[HEC14] Heckner H., Wirth M. (2014). Vergleich von Dateiformaten für 3D-Modelle

[HOR14] Horsch F. (2014). 3D-Druck für alle - DER DO-IT-YOURSELF-GUIDE

[ITWIS] ITWissen - www.itwissen.info

[KNI13] Knill O., Slavkovsky E. (2013). Illustrating Mathematics using 3D Printers

[KNO16] OpenSCAD Einführung, Tutorial und Übungen

[LASEU] Laserscanning Europe - www.laserscanning-europe.com

[MAK15] Makerbot Education (2015). Makerbot in the classroom

[MAKBO] MakerBot - www.makerbot.com/blog/2014/01/27/makerbot-studio-painting-3d-printed-

models

[NIT15] Nitz, S. (2015). 3D-Druck - Der praktische Einstieg

[OPESC] OpenSCAD - www.openscad.org

[PET12] Pettis B, Kaziunas A., Shergill J. (2012). Getting Started with MakerBot

[PINTE] Pinterest - www.pinterest.com

[RIT14] Ritland M. (2014). 3D Printing with SketchUp


206

[SOM16] Sommer W., Schlenker A., Lange-Schönbeck C-D. (2016). Fazination 3D-Druck - Alles zum

Drucken, Scannen, Modellieren

[STI14] Stiller, H. (2014). 3D-Drucken für Einsteiger

[SZU14] Szulzyk-Cieplak J., Duda A., Sidor B. (2014). 3D Printers - new possibilities in education

[THIVE] Thingiverse - www.thingiverse.com

[WEI10] Weigend M. (2010). 3D-Modellierung mit Google Sketchup 7 für Kids

[WIKIP] Wikipedia - www.wikipedia.de

[WIL14] Williams S. (2014). OpenSCAD for 3D Printing

[YAS15] Yasez Verlag. (2015). 3D-Druck im Klassenzimmer

[YOU01] A Man with a Scan - youtu.be/TLFonu92Wn4

[YOU02] iPhone holder tutorial - youtu.be/9t8fCl_0vvI

Die Quellen der Bilder sind jeweils direkt unter dem Bild vermerkt. Ist keine Quelle angegeben,

wurde das Foto oder Bild von mir erstellt.


207

14. Anhang

14.1. SketchUp Aufgaben

Einige Ideen, aus denen die nachfolgenden Aufgaben entstanden sind, basieren auf [WEI10],

[YAS15], [NIT15] [FAS14], [YOU02] und [RIT14].

14.1.1. Aufgabe 1 - Haus

1)

• Wähle das Werkzeug Rechteck.

• Beginne im Nullpunkt (gelb) und erstelle ein

Rechteck.

2)

• Wähle das Werkzeug Drücken/Ziehen.

• Ziehe das Rechteck die blaue Achse entlang.


208

3)

• Wähle das Werkzeug Linie.

• Beginne im Mittelpunkt (hellblau) der rechten

Kante und ziehe die Linie zum Mittelpunkt der

oberen Kante.

• Ziehe eine zweite Linie vom Mittelpunkt der

oberen Kante zum Mittelpunkt der linken

Kante.

4)

• Wähle das Werkzeug Drücken/Ziehen.

• Drücke beide obere Flächen so weit nach

hinten, bis sie verschwinden.

5)

• Wähle das Werkzeug Rotierfunktion.

• Ändere den Blickwinkel und schaue auf das

Haus.

• Vergrößere die Ansicht auf das Haus, indem

du das Werkzeug Zoomen benutzt oder am

Scrollrad der Maus drehst.

Das Modellieren des Dachs ist etwas schwieriger. Tauchen Probleme auf, fahre mit Schritt 14) weiter.


209

6)

• Zeichne eine erste Linie von der Mitte des

Dachs die grüne Achse entlang.

• Ziehe eine zweite Linie von der rechten Seite

des Dachs die grüne Achse entlang. Die Linie

muss parallel (gekennzeichnet durch 2

schwarze Punkte) zur vorherigen Linie sein.

• Verbinde die Linien zu einer Fläche.

7)

• Erweitere das Dach oben und unten nach dem

gleichen Prinzip um 3 weitere Flächen zu

erstellen.

8)

• Erweitere das Dach links und rechts um

jeweils eine Fläche.

9)

• Wähle die Ansicht Oben.

• Das Dach sollte nun so aussehen wie links

abgebildet.


210

10)

• Wähle das Werkzeug Auswählen.

• Wähle eine Linie des Dachs aus.

• Drücke die rechte Maustaste und wähle

Abmildern aus.

• Wiederhole diesen Vorgang für alle Linien auf

dem Dach.

11)

• Wähle die Ansicht Vorne.

• Zeichne eine erste Linie von der Mitte des

Dachs die blaue Achse entlang.

• Ziehe eine zweite Linie von der rechten Seite

des Dachs die blaue Achse entlang. Die Linie

muss parallel zur vorherigen Linie sein.

• Verbinde die Linien zu einer Fläche.

12)

• Wähle das Werkzeug Radiergummi.

• Lösche die überstehende Linie.

13)

• Erweitere das Dach auf allen Seiten nach oben

und lösche die überstehenden Linien.


211

14)

• Betrachte das Haus von vorne

• Zeichne eine Tür und 2 Fenster ein.

• Drücke die Tür und die Fenster ein wenig nach

innen.

Baue das Modell aus und füge nach Belieben weitere Details hinzu:


212

14.1.2. Aufgabe 2 - Würfel

1)

• Beginne im Nullpunkt und zeichne ein

Rechteck.

• Lege die Länge und Breite der Seiten fest

indem du 25,25 tippst. Die Seite haben nun

eine Länge von 25mm.

2)

• Ziehe das Quadrat die blaue Achse entlang

(25mm).


213

3)

• Betrachte den Würfel von oben.

• Wähle das Werkzeug Maßbandfunktion.

• Zeichne mehrere Führungslinien (wie links

abgebildet) ein. Diese Linien helfen, die

Punkte auf dem Würfel später genau zu

platzieren.

4)

• Wähle das Werkzeug Kreis.

• Zeichne in die Mitte einen Kreis und lege den

Radius fest, indem du 2 tippst. Der Radius

beträgt nun genau 2mm.

5)

• Ändere den Blickwinkel und schaue etwas

seitlich auf den Würfel.

• Drücke den Kreis die blaue Achse entlang nach

unten (-1mm).

6)

• Zeichne zwei weitere Kreise.

• Drücke beide Kreise ein wenig (-1mm) nach

innen.


214

7)

• Entferne alle Führungslinien.

Wiederhole die Schritte 3) bis 7) für die anderen fünf Seiten des Würfels.


215

Verändere den Würfel, indem du nach Beliben die Punkte durch andere Formen ersetzt:


216

14.1.3. Aufgabe 3 - Schachfigur

1)

• Betrachte den Bauraum von vorne.


Rechteck (10mm, 30mm).

2)

• Beginne unten rechts und zeichne mehrere

fortlaufende Linien (siehe links).

• Wähle das Werkzeug Bogen.

• Beginne auf der blauen Achse und zeichne

einen Halbkreis.


217

3)

• Wähle das Werkzeug Zweipunktbogen.

• Runde wie links abgebildet einige Stellen ab.

4)

• Lösche alle überflüssigen Linien.

5)

• Wähle die Ansicht Iso.

• Beginne im Nullpunkt und zeichne einen Kreis

unter die Figur.

6)

• Wähle das Werkzeug Folge mir.

• Klicke auf die Figur und folge dem Kreis.


218

Erstelle weitere Figuren mit unterschiedlichen Formen:


219

14.1.4. Aufgabe 4 - Stiftehalter

1)

• Betrachte den Bauraum von oben.

• Wähle das Werkzeug Kreis und tippe 50. Die

Zahl gibt an, aus wieviel Geraden der Kreis

gezeichnet wird (je höher die Zahl, desto

runder der Kreis).

• Beginne im Nullpunkt und zeichne einen Kreis

(6mm).

2)

• Wähle das Werkzeug Versatz.

• Beginne auf dem Rand des Kreises und lege

den Abstand des neuen Kreises fest, indem du

1 tippst. Der Abstand zwischen beiden Kreisen

beträgt nun genau 1mm.


220

3)



4)

• Wähle mit dem Pfeil beide Kreise aus.

• Wähle das Werkzeug Verschieben.

• Drücke auf Ctrl und dann auf die Mitte der

Kreise (Nullpunkt), um die Kreise zu kopieren.

• Klicke auf die linke obere Ecke des Rechtecks,

um eine Kopie an diese Stelle zu platzieren.

5)

• Tippe /2.

• Neben der ersten Kopie der Kreise wird eine

weitere Kopie erstellt. Diese wird automatisch

zwischen den oberen und unteren Kreisen

eingefügt.

6)

• Wähle alle Kreise mit dem Pfeil aus.

• Kopiere und verschiebe die Kreise auf die

rechte Seite des Rechtecks.


221

7)

• Tippe /3, um zwei weitere Kopien

automatisch zwischen die linken und rechten

Kreise zu platzieren.

8)


9)

• Lösche alle überflüssigen Flächen, indem du

sie auswählst und auf Delete drückst.

10)

• Betrachte das Modell aus der isometrischen

Sicht.

• Ziehe die Kreise in verschiedene Höhen nach

oben, indem du Längen zwischen 50mm und

100mm wählst.


222

Verändere und baue das Modell nach Belieben aus:


223

14.1.5. Aufgabe 5 - Smartphone-Halterung

Das Modell in dieser Aufgabe hat folgende Maße:

Je nach Größe des Smartphones können diese Maße angepasst werden.

1)

• Betrachte den Bauraum von vorne.


Quadrat (120mm, 120mm).


224

2)



3)

• Wähle das Werkzeug Winkelmesser.

• Klicke auf die linke, obere Ecke des soeben

gezeichneten Rechtecks. Lege den Winkel fest

indem du 60 tippst. Die erstellte

Führungslinie bildet einen 60° Winkel zur

roten Achse.

4)

• Zeichne eine Linie die Führungslinie entlang

(30mm).

5)

• Erstelle eine Führungslinie, die 30° zur

soeben erstellten Linie beträgt.


225

6)

• Zeichne eine Linie die Führungslinie entlang

(20mm).

• Zeichne eine weitere Linie, die einen Abstand

von 3mm zu der vorherigen Linie bildet.

• Verbinde beide Linien an ihren Enden.

7)

• Zeichne zwei weitere Linien, die jeweils

110mm lang sind.

• Verbinde beide Linien an ihren oberen Enden.

8)

• Lösche alle überflüssigen Linien und

Führungslinien.

9)

• Betrachte das Modell aus der isometrischen

Sicht.

• Drücke das Modell die grüne Achse entlang

(70mm).


226

10)

• Betrachte das Modell von oben.

• Zeichne zwei Linien mit einem Abstand von

25mm zum Rand.

11)

• Ziehe eine Linie die grüne Achse entlang, die

einen Abstand von 3mm zum linken Rand

bildet.

12)

• Ändere den Blickwinkel und schaue etwas

seitlich auf das Modell.

• Drücke die Fläche in der Mitte so weit nach

hinten, bis sie verschwindet und ein Loch

entsteht.

13)

• Betrachte das Modell von oben.



227

14)

• Wähle die Ansicht Links.

• Wähle das Werkzeug 3D-Text.

• Klicke auf die untere Fläche des Modells und

tippe deinen Namen.

15)

• Wähle das Werkzeug Skalieren.

• Vergrößere die Schrift, indem du die grünen

Würfel in verschiedene Richtungen ziehst.

Verfeinere das Modell und füge nach Belieben weitere Details hinzu:


228

14.2. OpenSCAD Aufgaben

Einige Ideen der nachfolgenden Aufgaben basieren auf [WIL14], [KNO16], [OPESC], [THIVE] und

[PINTE]. Die Lösungen befinden sich im Anschluss der nächsten 5 Aufgaben (→ Kapitel 14.2.6.).

14.2.1. Aufgabe 1 - Tisch

1) cube(size=[5,5,10]);

2) cube(size=[5,5,10]);

translate([15,0,0])

cube(size=[5,5,10]);


229

3) cube(size=[5,5,10]);

translate([15,0,0])


translate([0,35,0])


4) cube(size=[5,5,10]);

translate([15,0,0])


translate([0,35,0])


translate([15,35,0])


5) cube(size=[5,5,10]);

translate([15,0,0])


translate([0,35,0])




translate([0,0,10])

cube(size=[20,40,5]);


230

6) union(){


translate([15,0,0])


translate([0,35,0])




translate([0,0,10])

cube(size=[20,40,5]);

}

Erstelle folgende Modelle und schreibe den Code daneben:

A


231

B

C


232

Verfeinere das Modell, indem du weitere Details hinzufügst:


233

14.2.2. Aufgabe 2 - Figur

1) cylinder(h=20,r1=8,r2=0);

2) cylinder(h=20,r1=8,r2=0);

translate([0,0,20])

sphere(r=6);


234

3) cylinder(h=20,r1=8,r2=0);

translate([0,0,20])

sphere(r=6);

translate([0,0,24])


4) cylinder(h=20,r1=8,r2=0);

translate([0,0,20])

sphere(r=6);

translate([0,0,24]){



}

5) cylinder(h=20,r1=8,r2=0);

translate([0,0,20])

sphere(r=6);

translate([0,0,24])

rotate([-35,0,0]){



}


235

6) $fn=100;

union(){


translate([0,0,20])

sphere(r=6);

translate([0,0,24])

rotate([-35,0,0]){



}

}


A


236

B

C


237

Erstelle weitere Modelle aus verschiedenen Formen:


238

14.2.3. Aufgabe 3 - Baustein

1) translate([8,7.5,0])


2) translate([8,7.5,0])


translate([22,7.5,0])



239

3) cube(size=[30,15,12]);





4) difference(){

cube(size=[30,15,12]);





}

5) difference(){

cube(size=[30,15,12]);





}


cylinder(h=1.5,r1=2.7,r2=2.7);


240

6) difference(){

cube(size=[30,15,12]);





}


cylinder(h=1.5,r1=2.7,r2=2.7);


cylinder(h=1.5,r1=2.7,r2=2.7);

7) $fn=100;

union(){

difference(){

cube(size=[30,15,12]);





}


cylinder(h=1.5,r1=2.7,r2=2.7);


cylinder(h=1.5,r1=2.7,r2=2.7);

}


241


A

B


242

C

Baue das Modell aus:


243

14.2.4. Aufgabe 4 - Schlüsselanhänger

1) square(size=[60,20]);


translate([0,10,0])

circle(r=10);


244


translate([0,10,0])

circle(r=10);

translate([-3,10,0])

circle(r=3);


difference() {

translate([0,10,0])

circle(r=10);


circle(r=3);

}


difference() {

translate([0,10,0])

circle(r=10);


circle(r=3);

}

translate([2,7,0])

text("Adrian Bowyer",size=6,

font="Arial");


245


difference() {

translate([0,10,0])

circle(r=10);


circle(r=3);

}

linear_extrude(height=5)

translate([2,7,0])


font="Arial");

7) linear_extrude(height=3){


difference() {

translate([0,10,0])

circle(r=10);


circle(r=3);

}

}


translate([2,7,0])


font="Arial");


246

8) union(){

linear_extrude(height=3){


difference() {

translate([0,10,0])

circle(r=10);


circle(r=3);

}

}


translate([2,7,0])


font="Arial");

}


A


247

Mit OpenSCAD hat man die Möglichkeit, 2D-Dateien im DXF-Format zu importieren. Diese Dateien

kann man selbst zeichnen (z.B. mit Inkscape) oder aus dem Internet beziehen. Um eine Datei im DXF-

Format zu importieren, schreibt man folgenden Befehl:

Import(file="dateiname.dxf");

B


248

C

Erstelle weitere Modelle aus verschiedenen Formen:


249

14.2.5. Aufgabe 5 - Landschaft

1) cylinder(h=3,r1=10,r2=0);

2) for(i=[1:5]){

translate([i*10,0,0])


}


250

3) for(i=[1:5]){

translate([i*10,0,0])

cylinder(h=3*i,r1=10,r2=0);

}

4) for(i=[1:5]){

for(j=[1:5]){


cylinder(h=3*i,r1=10,r2=0);

}

}

5) for(i=[1:5]){

for(j=[1:5]){


cylinder(h=3*(i+j),

r1=10,r2=0);

}

}

6) reihen=5;

union(){

for(i=[1:reihen]){

for(j=[1:reihen]){


cylinder(h=3*(i+j),

r1=10,r2=0);

}

}


251

}

7) reihen=10;

union(){

for(i=[1:reihen]){

for(j=[1:reihen]){


cylinder(h=3*(i+j),

r1=10,r2=0);

}

}

}


Die Anzahl der Stufen wird durch eine Variable am Anfang des Programmes festgelegt

A


252

Die Anzahl der Linien und Reihen wird durch zwei Variablen am Anfang des Programmes festgelegt

B

Die Anzahl der Würfel die Achsen entlang wird durch drei Variablen am Anfang des Programmes

festgelegt.

C


253

Erstelle weitere Modelle aus verschiedenen Formen, die sich mittels Variablen verändern lassen:


254

14.2.6. Aufgaben - Lösungen

1-A union(){

cube(size=[20,20,20]);


cube(size=[10,10,10]);

}

1-B union(){

cube(size=[20,20,5]);

translate([2,2,5])

cube(size=[16,16,4]);

translate([4,4,9])

cube(size=[12,12,3]);

translate([6,6,12])

cube(size=[8,8,2]);

translate([8,8,14])

cube(size=[4,4,1]);

}

1-C union(){

cube(size=[2,2,8]);

translate([8,0,0])

cube(size=[2,2,8]);

translate([0,8,0])

cube(size=[2,2,8]);

translate([8,8,0])

cube(size=[2,2,8]);

translate([0,0,8])

cube(size=[10,10,2]);

translate([0,8,10])

cube(size=[10,2,10]);

}


255

2-A $fn=100;

union(){


translate([0,0,10])


}

2-B $fn=100;

union(){

sphere(r=20);


sphere(r=3);


sphere(r=3);

translate([15,0,0])

rotate([0,90,0])


}

2-C $fn=100;

union(){

sphere(r=8);

translate([0,30,0])

sphere(r=8);

translate([30,0,0])

sphere(r=8);


sphere(r=8);

rotate([0,90,0])


rotate([-90,0,0])


translate([30,0,0])

rotate([-90,0,0])


translate([0,30,0])


256

rotate([0,90,0])


}

3-A difference(){

cube(size=[20,20,20]);


cube(size=[10,10,10]);

}

3-B difference(){

cube(size=[60,60,40]);

translate ([1,1,1])

cube(size=[58,28,39]);

translate([1,31,1])

cube(size=[28,28,39]);


cube(size=[28,28,39]);

}

3-C $fn=100;

union(){


translate([0,0,10])


difference(){

translate([0,0,40])


translate([0,0,50])


translate([0,0,55])


translate([0,0,55])

rotate([0,0,90])



257

}

}

4-A $fn=100;

union(){


circle(r=10);



text(": )",size=10,font="Calibri");

}

4-B union(){

rotate([90,0,0])

linear extrude(height=20)

import(file="cat.dxf");

translate([20,0,-50])


}

4-C union(){

linear_extrude(height=20,scale=0,twist=360)


linear extrude (height=10,scale=0,twist=2000)

translate([10,0,0])

square(size=[1,1]);

}

5-A stufen=15;

union(){

for(i=[1:stufen]){

translate([5,i*5,0])

cube(size=[30,5,i*2]);

}

}


258

5-B linien=8;

reihen=8;

union(){

difference(){

cube(size=[(linien*11)+22,(reihen*11)+22,5]);

for(i=[1:linien]){

for(j=[1:reihen]){


cube(size=[10,10,2]);

}

}

}

}

5-C x=3;

y=4;

z=2;

union(){

for(i=[1:x]){

for(j=[1:y]){

for(k=[1:z]){

translate([i*10,j*10,k*10])

cube(size=[5,5,5]);

}

}

}

for(i=[1:x]){

for(j=[1:y]){

translate([i*10+2.5,j*10+2.5,10])

cylinder(h=10*z-5, r1=1,r2=1);

}

}

for(j=[1:y]){

for(k=[1:z]){

translate([10,j*10+2.5,k*10+2.5])

rotate([90,0,90])


259

cylinder(h=10*x-5, r1=1,r2=1);

}

}

for(k=[1:z]){

for(i=[1:x]){

translate([i*10+2.5,10,k*10+2.5])

rotate([0,90,90])

cylinder(h=10*y-5, r1=1,r2=1);

}

}

}


260

14.3. Schülerumfrage

14.3.1. Fragen


261


262

14.3.2. Ergebnisse der Schülerumfrage


263

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