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3D Print, CAD, 3D Scan, Product Design, Photogrammetry, Rapid Prototyping, Scan Cleanup

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Aktuelle News aus der 3D Drucker Szene gibt es hier auf Golem.de

3D Druck Informationen gibt es hier auf Wikipedia.

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3D Scan und Smartphone – wann endlich gemeinsam?

Hochwertige Fotos mit dem Smartphone sind heutzutage Alltag. 3D-Fotos hingegen sind bis heute noch nicht wirklich ausgereift. Wenn, dann sind sie lediglich auf dem Gerät zu betrachten, mit welchem die Fotos gemacht wurden. Sony geht erstmals den Schritt zur Symbiose eines Smartphones mit einer vollwertigen 3D-Kamera. Die Fotos können direkt vom Gerät an einen entsprechenden 3D-Druck-Anbieter gesendet werden. Möglich ist dies im neuen Sony XZ1 und XZ1 Compact.

Möglich macht die Funktion der 19 Megapixel Sensor, der mit einem eigenen Speicher versorgt ist. Zudem kommt ein Qualcomm-Prozessor Snapdragon 835 zum Arbeitseinsatz, welcher für die erforderliche Rechenleistung sorgt. 4 GB RAM sorgen für flüssiges Arbeiten.

Und die Konkurrenz aus dem Silicon Valley?

So manche Technikexperten gehen davon aus, dass Apple seine neuesten Geräte mit einem hochwertigem 3D-Scanner ausstatten will. Anlass für diese Vermutungen geben unter anderem Großbestellungen von Apple bei Lumentum.

Lumentum produziert sogenannte VCSEL-Laser, welche das Herzstück von 3D-Scannern sind. Und der aktuelle Quartalsbericht von Lumentum weist eine Bestellung von Apple über 200 Millionen Dollar aus. Zum Vergleich: Im Vorjahreszeitraum lag der Wert von Bestellungen für diese Laser bei ca. 5 Millionen Dollar.

Technisch solle es so funktionieren, dass auf Vorder- und Rückseite der IPhone Laser Dioden eingesetzt werden, die Gegenstände mittels Infrarot erkennen und analysieren. Diese Laser messen mittels Infrarotwellen Entfernung und Position von Gegenständen und/ oder Gesichtern (für die Gesichtserkennung anstelle Touch-ID).

Dieser Schritt ist nur logisch, wenn man bedenkt, dass Apple auf der letzten Entwicklerkonferenz, WWDC, die Entwicklerumgebung ARKit vorgestellt hat. Dies lässt vermuten, dass Apple verstärkt auf Augmented Reality (AR) setzt. Die AR ist ein Thema der Zukunft und sicher will Apple diesen Zug nicht verpassen.

3D Scan und AR ergänzen sich nahezu ideal

Die Verschmelzung zwischen Hightech Smartphone, Augmented Reality sowie 3D-Scan und -Druck ist also nur noch eine Frage der Zeit. Sicher wird sich in den nächsten Jahren ein ganz neuer Markt eröffnen. Wie einfach könnte es sein, wenn wir mit unserem AR fähigem Smartphone durch eine fremde Stadt laufen und etwas Tolles entdecken, zum Beispiel eine altgotische Kirche. Die AR lässt uns einen virtuellen Rundgang machen und besonders schöne Objekte scannen wir vor Ort mit dem 3D-Scanner. Wenn wir aus dem Urlaub heim kommen, ist dann der fertige und detailechte 3D-Druck bereits geliefert.

Diese Technik wird unsere Gesellschaft in vielen Dingen verändern, insbesondere wie wir mit kleinen Dingen in Zukunft umgehen. Der nächste Schritt könnte ein kompakter, mobiler 3D-Drucker sein. Dir geht unterwegs was kaputt? – Kein Problem! Du scannst den Gegenstand ein und druckst ihn erneut aus. Fertig. Das ist eine tolle Vision der Zukunft und sicher eine der innovativsten Errungenschaften des 21. Jahrhunderts.

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Anwendungsbeispiele für Reverse Engineering

Das Reverse Engineering, das allgemein als Umkehrung des traditionellen Ansatzes der Produktentwicklung bezeichnet wird, ist ein vermeintliches Konzept des Ingenieurwesens, welches in zahlreichen Bereichen zahlreiche Anwendungen gefunden hat.

Reverse Engineering kann verwendet werden, um ein dreidimensionales Produkt oder Modell in digitaler Form zu erfassen, umzugestalten und für Rapid Prototyping/ Tooling oder Rapid Manufacturing zu exportieren. Ein herausragendes Merkmal des Reverse-Engineering-Ansatzes ist die Möglichkeit, den Herstellungsprozess zu beschleunigen, da die Produktion typischerweise auf Prototypen basiert, die bereits hergestellt wurden und gewünschten Modifikationen unterzogen werden können.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Anwendung von Reverse Engineering in den verschiedenen Bereichen der Mechanik und Software.

Rechtliche und wirtschaftliche Aspekte

Aus rechtlicher und wirtschaftlicher Sicht hat Reverse Engineering eine lange Tradition als akzeptable Praxis, da es sich oft als geeignete Methode zur Beschaffung von Informationen über ein anderes Produkt erweist. Die Nutzung dieser Informationen kann zur Entwicklung eines anderen Produkts dienen, das direkt mit der Konkurrenz konkurriert. Mit der Zunahme der Anzahl der Produkte, die reverse engineered sind, haben sich jedoch mehrere Konflikte legaler Herkunft ergeben. Sie heben die Notwendigkeit für die Entwicklung einer spezifischen Gesetzgebung hervor, die die Praktiken des Reverse Engineering regelt und einem regulatorischen Zweck dienen.

Definition: Reverse Engineering (RE) ist der Prozess der Entdeckung der technologischen Prinzipien eines Gerätes, Objekts oder Systems durch Analyse seiner Struktur, Funktion und Operation. Es beinhaltet oft, etwas (z. B. ein mechanisches Gerät, eine elektronische Komponente oder ein Softwareprogramm) auseinanderzunehmen und seine Funktionsweise im Detail zu analysieren, normalerweise um ein neues Gerät oder Programm herzustellen, das dasselbe macht, ohne etwas vom Original zu kopieren.

Motivation – Gründe für das Reverse Engineering

  • Interoperabilität
  • Verlorene Dokumentation: Reverse Engineering wird oft durchgeführt, weil die Dokumentation eines bestimmten Geräts verloren gegangen ist (oder nie geschrieben wurde) und die Person, die es gebaut hat, nicht mehr verfügbar ist. Integrierte Schaltkreise scheinen oft auf veralteten, proprietären Systemen entwickelt worden zu sein. Das bedeutet, dass die einzige Möglichkeit, die Funktionalität in neue Technologien zu integrieren, darin besteht, den vorhandenen Chip zurückzuentwickeln und dann neu zu entwerfen.
  • Der Produktanalyse wegen: Um zu untersuchen, wie ein Produkt funktioniert, aus welchen Komponenten es besteht, Kosten zu schätzen und mögliche Patentverletzungen zu identifizieren.
  • Sicherheitsüberwachung
  • Aufhebung des Kopierschutzes
  • Umgehung von Zugangsbeschränkungen
  • Erstellung von nicht lizenzierten / nicht genehmigten Duplikaten
  • Betrug

Reverse Engineering von mechanischen Geräten

Da computergestütztes Design populärer geworden ist, wurde das Reverse Engineering zu einer praktikablen Methode, um ein virtuelles  3D-Modell eines vorhandenen physischen Teils für den Einsatz in 3D-CAD, CAM, CAE und anderer Software zu erstellen.

Beim Reverse-Engineering-Prozess wird ein Objekt gemessen und anschließend als 3D-Modell rekonstruiert. Das physikalische Objekt kann unter Verwendung von 3D-Scan-Technologien wie CMMs, Laserscannern, strukturierten Lichtdigitalisierern oder Computertomografie gemessen werden.

Die gemessenen Daten, die in der Regel als Punktwolke dargestellt werden, enthalten keine topologischen Informationen und werden daher häufig in einem besser nutzbaren Format wie einem Dreiecksnetz, einem Satz NURBS-Flächen oder einem CAD-Modell verarbeitet und modelliert. Mit Anwendungen wie Imageware, PolyWorks, Rapidform oder Geomagic werden die Punktwolken selbst in Formate umgewandelt, die in anderen Anwendungen wie 3D-CAD, CAM, CAE oder Visualisierung verwendet werden können.

Reverse Engineering wird auch von Unternehmen genutzt, um vorhandene physische Geometrie in digitale Produktentwicklungsumgebungen zu bringen, um eine digitale 3D-Aufzeichnung ihrer eigenen Produkte zu erstellen oder die Produkte von Wettbewerbern zu bewerten.
Es wird beispielsweise verwendet, um zu analysieren, wie ein Produkt funktioniert, was es macht, aus welchen Komponenten es besteht, usw.

Value Engineering ist eine verwandte Aktivität, die auch von Unternehmen genutzt wird. Es geht darum, Produkte zu dekonstruieren und zu analysieren, und es gilt, Möglichkeiten für Kostensenkungen zu finden.

Reverse Engineering von Software

Der Begriff „Reverse Engineering“, wie er auf Software angewendet wird, bedeutet für verschiedene Leute unterschiedliche Dinge.

Chikofsky und Cross veröffentlichten hierzu eine Arbeit, die die verschiedenen Verwendungen erforscht und eine Taxonomie definiert. Nach ihnen ist das Reverse Engineering der Prozess der Analyse eines Subjektsystems, um Repräsentationen des Systems auf einer höheren Abstraktionsebene zu erzeugen. Es kann auch als „Rückwärtsgehen durch den Entwicklungszyklus“ gesehen werden.
In diesem Modell wird die Ausgabe der Implementierungsphase (in Quellcodeform) in einer Umkehrung des traditionellen Wasserfallmodells in die Analysephase zurückentwickelt.

Reverse Engineering ist nur ein Untersuchungsprozess: Das betrachtete Softwaresystem wird nicht modifiziert (was zu einem Reengineering führen würde). Die Software-Anti-Tamper-Technologie wird verwendet, um sowohl das Reverse Engineering als auch das Reengineering von proprietärer Software und softwarebasierten Systemen zu verhindern.

Praktische Umsetzung des Reverse Engineering

In der Praxis ergeben sich zwei Hauptarten des Reverse Engineering.

Im ersten Fall ist der Quellcode bereits für die Software verfügbar, jedoch werden Aspekte des Programms auf höherer Ebene, die möglicherweise schlecht dokumentiert oder beschrieben sind, aber nicht mehr gültig sind, entdeckt.

Im zweiten Fall ist kein Quellcode für die Software verfügbar und alle Bemühungen, einen möglichen Quellcode für die Software zu finden, werden als Reverse Engineering betrachtet. Diese zweite Verwendung des Begriffs ist die, mit der die meisten Leute vertraut sind.

Reverse Engineering von Software kann die Reinraumdesign-Technik nutzen, um Urheberrechtsverletzungen zu vermeiden.
In diesem Zusammenhang haben Blackbox-Tests im Software-Engineering viele Ähnlichkeiten mit Reverse-Engineering. Der Tester hat normalerweise die API, aber seine Ziele sind Fehler und undokumentierte Funktionen zu finden, indem das Produkt von außen betrachtet wird.

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Dinosaurier und 3D-Druck

Wenn man sich über Dinosaurier unterhält, gehen die Gedanken wohl eher Richtung große Tiere und Archäologie. An einen 3D-Drucker bzw. Scanner wird man in der Regel nicht denken. Tatsächlich ist es jedoch so, dass gerade die 3D Scanner in diesem wissenschaftlichen Zweig eine Revolution darstellen. Die Evolutionsbiologin und PhD Forscherin Kimi Chapelle ist die Leiterin einer Studie an der Witwatersrand Universität in Südafrika. Südafrika ist bekannt für einen der am häufigsten vorkommenden Massospondylus-Saurier. Die Forscherin Kimi Chapelle hat sich als Ziel gesetzt, den Schädel dieses Sauriers mittels 3D-Scan komplett zu erfassen, um dadurch ein tieferes Verständnis für diesen Saurier zu bekommen.

Dafür wird der Schädel des Sauriers mittels 3D-Scan-Verfahren und 3D-Druck komplett rekonstruiert. Der Scan arbeitet dabei hochdetailliert und wurde komplett digitalisiert. Er kann im Anschluss auf der ganzen Welt zu Forschungszwecken eingesetzt werden. Möglich gemacht wurde dies mithilfe der MicroFocus-CT-Einrichtung der Universität Witwatersrand.

3D Scan und Evolutionsbiologie

Aufgrund der Digitalisierung der Ergebnisse ist es möglich, dass Forscher und Hobbyarchäologen auf der ganzen Welt eine hochdetaillierte Replik des Schädels herstellen. Durch den sehr genauen Scan im 3D-Verfahren wurden vollkommen neue Erkenntnisse des Schädels und seiner Funktionen gewonnen. So lieferten die Ergebnisse neue Erkenntnisse über die Zähne, die Gehör- und Innenorgane und vieles mehr. Diese wiederrum helfen der Evolutionsbiologie, ihre Erkenntnisse zu erweitern.

Der Massospondylus wurde im Jahr 1854 erstmals entdeckt. Der Paläontologe Sir Richard Owen fand ihn in Südafrika. Inzwischen ist er einer der bekanntesten Saurierarten der Region, da er danach immer öfter gefunden wurde. Da er jedoch nie einer gründlichen Untersuchung unterzogen wurde, hatte Chapelle noch genügend Argumente, um den 3D-Scan und -Druck finanziert zu bekommen. Die gewonnen Erkenntnisse sind beeindruckend und helfen auch dabei, den 3D-Druck in diesem wissenschaftlichen Zweig zu verbreiten.

Paläontologie und 3D-Druck für alle

Als eines der ersten kommerziellen in der Paläontologie entstandenen Projekte gilt das der Digitalisierung der Trayanov-Sammlung. In Kooperation von Threeding.com sowie Artec 3D wurde erstmals eine Verbindung geschaffen zwischen modernem 3D-Druck und der Paläontologie. Die Modelle, welche in diesem Projekt entstanden, erweitern die mehr als 1000 historische Stücke umfassende Sammlung.

Hierbei wurde die professionelle und hochauflösende Technik von Artec 3D eingesetzt. Es wurden die Scanner Spider und Eva eingesetzt, welche Farbe und Form der einzelnen Modelle höchst präzise digitalisierten. Im Anschluss daran wurden die Modelle mit der 3D-Modellierungssoftware Artec Studio 11 vollendet. Die Ergebnisse sind beeindruckend und ausgesprochen realistisch.

Zu Beginn wurden 50 paläontologische Modelle auf der Threeding-Plattform der Öffentlichkeit präsentiert. Für die Pilotmodelle verwendete das Team Gesteinsplatten mit Ammoniten aus dem Mitteljura, welche vollkommen digitalisiert wurden. Diese ersten, öffentlich zugänglichen Funde können nunmehr als 3D-Druck-Modelle in Farbe bestellt werden. Die Preise dafür variieren zwischen 10 und 20 Dollar, je nach Modell und Größe.

Die umfangreiche Sammlung Trayanov ist das beste Beispiel dafür: Überall auf der Welt haben Menschen nun Zugang zu wundervollen Fundstücken, welche von Herrn Trayanov mühsam zusammengetragen wurden. Und mithilfe der präzisen 3D-Scan- und 3D-Druck-Verfahren können heute winzigste Details erkennbar gemacht werden. Damit lassen sich Zusammenhänge viel besser verstehen.

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Die Spinnen, die Drucker!

Siemens tüftelt mit kleinen, autarken und selbst aufladenden Spinnenrobotern an der Industriefertigung der Zukunft. Hightechland Deutschland! Spinnen verbindet man in aller Regel mit Insekten oder Wäsche. Siemens erfindet den Namen jedoch neu. Die seitens Siemens genannten SiSpis sind mobile und vollkommen autarke 3D Drucker, welche mit einem schnell härtenden Polymer (ein chemischer Stoff aus Makromolekülen) arbeiten. Die ab der ersten Schraube komplett am PC entworfenen robotischen Spinnen wurden sogar selbst im 3D-Druck Verfahren hergestellt. Verantwortlich dafür zeigte sich der Head of Research Group bei Siemens im Siemens Forschungszentrum in Princeton. Die Rede ist von dem charmanten Brillenträger Herr Livio Dalloro, der mit diesem Projekt erneut seine Brillanz unter Beweis stellen konnte.

Die futuristisch und dennoch sympathisch wirkenden SiSpis besitzen eine Düse am Ende Ihres Druckarms, über welchen schichtweise Schiffsrümpfe oder Flugzeugrümpfe im Mikrometerbereich mit Kunststoffpolymer bearbeitet werden. Die SiSpis arbeiten dabei in der Regel im Team zusammen. Das erfordert natürlich eine entsprechende, relativ aufwändige Programmierung. Diese erfolgt mittels eines neuartigen Computeralgorithmus, der die Kommunikation der SiSpis untereinander erlaubt. Mittels dieses Algorithmus wird die Arbeit unter den einzelnen SiSpis aufgeteilt. Dadurch übernimmt jede einzelne der Spinnen Teilbereiche eines Gesamtprojekts. Selbst komplexere Strukturen sind mit den SiSpis herstellbar. Bei sich ergebenden Hindernissen weichen diese selbstständig aus. Das macht den Einsatz der autarken 3D Drucker fast in und an allen Objekten möglich und eröffnet ganz neue Gebiete für den 3D-Druck.

Ohne Strom geht nichts

Da die SiSpis nicht mit endlosen Kabeln mit Energie versorgt werden können, denn das gäbe ein endloses Gewirr, kam man bei der Entwicklung um das Thema „Akku“ nicht herum. Das stellte das Entwicklerteam um Livio Dalloro vor weitere Herausforderungen. Auch in diesem Punkt wurde eine komplexe Software geschrieben. Ist nun der Akku eines SiSpi nach ca. 2 Stunden leer, fährt dieser autonom in eine Ladestation. In dieser Station wartet bereits ein anderer SiSpi um den zu Ladenden abzulösen. Der SiSpi, welcher in die Station fährt, übermittelt dem frischen SiSpi den aktuellen Status des Auftrags und an welcher Stelle er die Arbeit eingestellt hat.

Der Arbeitsprozess wird auf diese Weise nur kurz unterbrochen und ein Eingreifen von außen ist nicht erforderlich. Um ganze Schiffsrümpfe herzustellen, sind mehrere hundert dieser kleinen Spinnen erforderlich. Die Kommunikation der SiSpis, wie auch die Technik an sich, sind bereits in einem sehr weit fortgeschrittenen Stadium. Bis zum Einsatz in der Großindustrie werden aber noch einige Jahre vergehen. In der Zwischenzeit wird das bereits erlangte Wissen für andere Industrieroboter eingesetzt. Die Zukunft in der industriellen Fertigung gehört jedoch bereits heute den adaptiven Verfahrenstechniken und die SiSpis werden einen enormen Anteil an dieser Zukunft haben.

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FDM-3D-Druck: ABS oder PLA?

In der FDM Technik (Fused Deposition Modelling) des 3D-Drucks könnt ihr zahlreiche verschiedene Materialien verwenden. In der Regel nutzt man jedoch Kunststoffe, wobei sich allerdings die Frage stellt, welches Material für das zu druckende Objekt ideal wäre. Meist wird eines der beiden marktbeherrschenden Materialien – PLA oder ABS – verwendet. Worin aber liegt ihr Unterschied? Eine Frage, der wir etwas näher auf den Grund gehen wollen.

Definition PLA und ABS

Für den Vergleich der beiden Materialien wird jeweils von Standard PLA bzw. Standard ABS ausgegangen. Es gibt einige Abwandlungen, die hier allerdings nicht berücksichtigt werden sollen. Falls ihr gerade erst mit dem 3D Druck beginnt, ist PLA oft die bessere Wahl. Es lässt sich im Vergleich meist einfach verarbeiten, sodass bei ersten Druckversuchen keine großen Probleme zu erwarten sind.

ABS ist da bereits etwas anspruchsvoller und neigt u. a. beispielsweise zum sogenannten „Warp-Effekt“, bei dem die einzelnen Druckschichten unterschiedlich schnell abkühlen und es zu Spannungen innerhalb des Objektes kommen kann. Diese erkennt man später oft an einer leichten Wölbung des Drucks.

Was ist PLA?

PLA ist die Abkürzung für den biologisch abbaubaren Kunststoff Polyactid. Er wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und gehört zur Gruppe der Polyester. Typische PLA-Erzeugnisse sind überall anzutreffen. Dazu gehören neben diversen Bechern auch Schalen, Dosen sowie Folien oder andere Verpackungen.

Was ist ABS?

Die Bezeichnung ABS steht beim 3D-Druck für Acrylnitil-Butadien-Styrol. Dieser amorphe Thermoplast zeichnet sich insbesondere durch seine Robustheit aus. Er verfügt sowohl über eine gute Kratzfestigkeit wie auch eine gute Medienbeständigkeit. Dadurch ist er vor allem für die Erzeugung festerer Gegenstände geeignet. In der Regel gibt es ABS in den Farben Gelb, Grün, Blau, Rot, Weiß und Schwarz sowie in durchsichtiger Form. Ein typisches Beispiel für seine Anwendung sind unter anderem die zahlreichen Lego-Steine in den Kinderzimmern weltweit.

PLA oder ABS?

Die grundlegenden Eigenschaften zeigen bereits, welches Material wann geeigneter ist. Dennoch ist es sinnvoll, die Auswahl in Ruhe zu treffen. Für die Benutzung von PLA-Filamenten muss die Düsentemperatur beispielsweise nur bei etwa 180 – 210°C liegen, ein Heizbett ist nicht zwingend erforderlich. ABS verlangt dagegen eine Temperatur von 215 – 250°C und zusätzlich eine Heizbetttemperatur von 100 – 125°C, um eine optimale Verarbeitung sicherzustellen. Die Wahl des richtigen Filaments hängt zu einem gewissen Grad also auch von den umsetzbaren Düsentemperaturen ab. Steht zudem im Vorfeld des Drucks bereits fest, dass das Ergebnis ggf. noch einmal bearbeitet werden muss (durch Fräsen, Bohren o. ä.), ist ABS oft besser geeignet. Es ist im Vergleich einfach fester und kann so einfacher nachbearbeitet werden.

Wann sollte ein ABS-Filament verwendet werden?

  • ABS ist hitzebeständiger als PLA und beginnt erst bei etwa 100°C sich zu verformen.
  • ABS hat einen geringeren Reibungskoeffizienten als PLA und ist damit leichter zu extrudieren.
  • ABS ist die Urform des Filaments und wurde bereits in den Anfängen des 3D-Drucks verwendet.
  • Die mit ABS gedruckten Teile sind weniger spröde und weisen eine leichte Biegung auf.
  • ABS erzeugt beim Druck eine glänzendere Oberfläche als PLA.
  • Wann sollte PLA verwendet werden?

Mit PLA gedruckte Objekte sind starrer als Drucke aus ABS.

  • PLA erzeugt beim Drucken kaum Geruch. Sollte es dennoch riechen, dann angenehm süßlich aufgrund des biologisch abbaubaren Materials.
  • Drucke aus PLA haben eine leicht glänzende Oberfläche.
  • PLA ist während des Drucks weniger anfällig für Verformungen.
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Metall drucken

In den Anfängen der Technik war die Begeisterung und Faszination für den 3D-Druck noch enorm. Immer neue Anwendungsmöglichkeiten wurden gefunden und in der Medizin beispielsweise auch deutliche Fortschritte gemacht. Doch während es an der einen Stelle auf Flexibilität ankommt, sind in anderen Bereich Festigkeit und Robustheit gefragt. Mit den Standard-Filamenten lässt sich dies nur bis zu einem gewissen Grad erreichen, da noch immer Kunststoff als Druckmaterial verwendet wird.

Ein 3D-Druck mit Metall oder auch Aluminium wäre hier eine gute Alternative, besonders wenn im Ergebnis ein funktionsfähiges Bauteil entsteht. Tatsächlich gibt es bereits 3D-Drucker, die genau das leisten und auf ein feines Metallpulver als Druckmaterial setzen.

Das Pulver wird in einem mit Stickstoff gefüllten Raum vorgewärmt und anschließend mit Hilfe von genau ausgerichteten Laserschüssen bearbeitet. So gesehen wird hier nicht Schicht um Schicht aufgetragen, sondern es werden verschiedene Schichten, die ohnehin bereits aufeinanderliegen, mit Laserschüssen gezielt miteinander verbunden.

Welche Metalle eignen sich für den 3D-Druck

Es wurden bereits verschiedene Metalle im Druck ausprobiert. Im Ergebnis können alle gängigen NE-Metalle sowie Stahl für den Druck verwendet werden. Außerdem sind folgende Materialien geeignet:

  • Gold
  • Silber
  • Titan
  • Nickel
  • Kupfer
  • Messing

und zahlreiche Weitere.

Die Metalle lassen sich sogar so gut verarbeiten, dass selbst sehr komplexe und filigrane Drucke kein Problem mehr sind. Die sogenannten SLS- oder auch DMLS-Verfahren sind daher schon jetzt eine echte Alternative, da sich insbesondere die filigranen und komplexen Modelle auf herkömmlichen Weg oft nur sehr umständlich erzeugen lassen. Gleichzeitig ermöglicht das deutlich filigranere Arbeiten auch das Einsparen von Gewicht. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt beobachtet man die Entwicklungen daher mit großem Interesse.

Vorstellung einiger 3D-Druckverfahren mit Metall

Es gibt bereits eine ganze Reihe verschiedener Druckverfahren, in denen Metall als Druckmaterial verwendet wird. In der Vorarbeit wird hier wie bei jedem anderen Material eine umfassende Vorlage entwickelt, anhand derer anschließend der eigentliche Druck erfolgt. Im Folgenden haben wir einmal einige der möglichen Verfahren herausgesucht.

Selektives Lasersinter/ Direct Metal Laser Sintering

SLS und DMLS sind die beiden gängigsten Verfahren im 3D-Druck mit Metall. Beide Begriffe bezeichnen eigentlich den gleichen Prozess, wobei SLS mehr das grundlegende Prinzip meint.

Für den Druck wird das gewünschte metallische Pulver in die Anlage gegeben. Danach werden die in der Vorlage vorgegebenen Stellen strenggenau erhitzt und das Pulver so miteinander verbunden. Es wird jedoch immer nur so viel Energie aufgewendet, dass eine Schicht bearbeitet wird.

SLM (Selektives Laserschmelzen)

Das SLM Verfahren ist dem des SLS ähnlich. Allerdings wird hier nicht in einzelnen Schichten gearbeitet. Stattdessen werden direkt alle gewünschten Schichten miteinander verschmolzen.

Laser-Auftragsschweißen

Hier wird ebenfalls nur die oberste Schicht mit einem Laser erhitzt. Allerdings verbindet sich diese nicht mit einer darunterliegenden Schicht, sondern mit einer anschließend Aufgebrachten.

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3D-Modelle in der Biotechnologie: Die plastische Darstellung von Zellen, Enzymen und Organismen

Die Biotechnologie ist eine auf mehrere Bereiche ausgelegte Wissenschaft und beschäftigt sich mit der Nutzung von Organismen, Enzymen und Zellen in der technischen Anwendung. Ziele dabei sind, unter anderem, effizientere und neue Entwicklungsverfahren zur Herstellung chemischer Diagnosemethoden und Verbindungen. Erkenntnisse, vor allem in der Genetik, Biochemie, Molekularbiologie werden in der Bioverfahrenstechnik dazu gezielt genutzt. Vielfältig können biotechnische Verfahren, in den verschiedensten Bereichen angewandt werden. Stellenweise wird versucht biotechnische Verfahren in Anwendungsbereiche zu gliedern, z. B. Pflanzen in grüne Biotechnologie, Industrie in weiße Biotechnologie und die Medizin in rote Biotechnologien.

Auch wird teilweise danach unterschieden, welchen Lebewesen die Methodik zuteilwerden könnte, so etwa bei Meereslebewesen – Blaue Biotechnologie. Die bekannte Laserlithografie stellt fotosensitiv Nano- und Mikrostrukturen, also selbst die kleinsten Strukturen, wirkungsvoll dar. Jedoch ist hierauf zu achten, dass die zu bearbeitenden Materialien, welche dreidimensional dargestellt werden müssen, genau zu positionieren sind. Mittels 3D-Laserlithografie können beliebig viele flexible und strukturierte Gerüste dreidimensional reproduzierend hergestellt werden, sodass sich die Zellen nach einer bereits gebildeten, räumlichen Matrix (Gerüst) ansiedeln können.

Weitere effektive 3D-Geräte zur konstruktiven Darstellung in der Biotechnologie

In Projektarbeit haben AIT-Spezialisten/innen aus der „Embedded 3D-Vision“ Forschungsgruppe zusammen mit dem Dentalspezialisten Prof. Horst Koinig aus Kärnten und seinem Unternehmen a.tron3d GmbH aus Klagenfurt den kleinsten, optischen dreidimensionalen Scanner, der weltweit einzigartig ist, entwickelt. Der entwickelte a.tron 3D Intraoral-Scanner ermöglicht Zahnabbildungen künftig voll digital herzustellen, sodass die für Patienten/innen unangenehme Zahnabformungen mit einer Kunststoffabdruckmasse überflüssig sind. Diese qualitätsverbessernde Neuadaptierung von bestehenden Systemkomponenten führte in Verbindung mit einer speziellen, dafür entwickelten Software zur Verarbeitung von Stereo-Bildern in Echtzeit und wurde somit zu einer echten Weltneuheit, die durch das Wirtschaftsministerium Austria bei einem Life-Science-Wettbewerb mit „Best-of-Biotech 2010“, als auch durch den „LISA-VR-Medtech-Award“, die Auszeichnung erhielt.

Ein reges Interesse der Fachwelt herrschte nach der Erstpräsentation des a.tron 3D Intraoral-Scanners auf der IDS 2011 in Köln. Alleine das Einsatzgebiet im medizinischen Bereich der Zahn- und Kieferorthopädie lässt den Marktwert, der für die bis zu diesem Zeitpunkt zielgenauen Form einer digitalisierten Zahnvermessung und optische 3D-Modellierungen von Zahnreihen, aufkommen. Dieser Entwicklungsschritt stellte höchste Herausforderungen an die Elektronik, Software und an die Optik.

Die von der „Embedded 3D-Vision“ Forschungsgruppe entwickelte spezielle Software und verarbeitet stetig das beim Scan anfallende Datenvolumen der Kieferhälften und fügt präzise und mit hoher Qualität die besten Bilder online, als auch in Echtzeit, zu einem 3D-Modell automatisch zusammen. Die AIT-Software zielt dabei genau auf tausende, anfallende Messpunkte der Zahnabbildung mit Oberflächenbeschaffenheit, Belichtungszeit und Distanz ab. Somit wird garantiert, dass alle Bilder einer Gebisshälfte exakt in korrekter Position und Orientierung zusammengefügt werden.

Lesen Sie in diesem Beitrag vom Mai 2017 mehr zum Thema Bioprinting.

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Ganze Häuser aus dem 3D-Drucker

Habt ihr bereits einmal darüber nachgedacht, ein Haus zu bauen? Egal ob jetzt oder später, mit einem 3D-Drucker könnte das zukünftig noch einfacher werden. In Dubai wurde Ende September dieses Jahres der weltweit erste Auftrag für ein Labor aus dem 3D-Drucker vergeben. Es handelt sich um ein Labor, welches vollständig gedruckt werden soll. Vergeben wurde der Auftrag von der Dubai Electricity an Water Authority (DEWA). Damit wagt das Unternehmen einen neuen entscheidenden Schritt in der 3D-Technik. Bedenkt man jedoch, dass die Regierung des Ölstaates noch zahlreiche weitere Projekte dieser Art in Planung hat, ist es vermutlich nur eine Frage der Zeit bis ein weiteres startet.

Das Laboratorium wird im Mohammed Bin Rashid Maktoum Solar Park errichtet werden und als erstes Gebäude vollständig über ein 3D-Druckverfahren gebaut. Gedacht ist das Labor später für Studien an Solartechnologien sowie Drohnen. Entsprechend soll es sowohl über ein Mechanik-, Elektronik-, Software- und Prototyplabor verfügen.

Für Testzwecke ist in der Anlage auch ein Outdoor Testflug-Bereich vorgesehen. Die Ambitionen Dubais sind enorm. Bis 2030 plant man etwa 25 % der Stadt, aus dem 3D-Drucker gebaut zu haben. Es gibt sogar erste Pläne für ein Bürogebäude aus einem 3D-Drucker.

Niederländer bauen erstes 3D gedrucktes Haus

Die Niederländer sind hier bereits etwas weiter. Bereits 2014 begannen sie mit dem Bau des ersten Hauses aus einem 3D-Drucker. Die geringen Transportkosten sind dabei nur einer der zahlreichen Vorteile. So können zum Beispiel auch wiederverwendbare Materialien zum Bau genutzt und Müllberge vermieden werden. Keine Frage, dass die Baustelle damit eine echte Touristenattraktion wurde und zahlreiche Besucher anzog. Selbst Barack Obama war dort.

Der Bau selbst erfolgte in Schichten, die anschließend fast wie Lego-Steine zusammengesetzt wurden. Insgesamt verfügt das Gebäude über 13 Zimmer und wurde im klassischen Stil der niederländischen Giebelgrachtenhäuser gebaut. Mitten in Amsterdam steht es und besteht vollständig aus Kunststoff. Lediglich die handgelegten Ziegel der Grachtenhäuser wurden hier durch eine Fassade aus Kunststoff ersetzt. Bislang ist der Bau jedoch noch nicht abgeschlossen. Sobald es soweit ist, muss sich das Haus verschiedenen Prüfungen unterziehen und in der Realität bestehen. Erst dann kann es eine Alternative zu herkömmlichen Wohngebäuden werden.

China: erdbebensichere Villa mit 3D-Drucker

In China werden ebenfalls die Grenzen des Möglichen ausgetestet. Im Juni 2016 baute man hier in nur 45 Tagen eine erdbebensichere Villa mit gleich zwei Stockwerken. Das Gebäude stammt vollständig aus dem 3D-Drucker und soll nach Angaben der Architekten Erdbeben bis zu einer Stärke von 8.0 auf der Richterskala überstehen. Das ist ein beachtliches Versprechen für insgesamt 400 m2 Wohnfläche. Mit ihren 2,5 m dicken Wänden bietet die Villa jedoch auch einen kolossalen Anblick. Als Druckmaterial verwendete man verstärkten Beton, direkt vor Ort an einem vom Computer kontrollierten 3D-Drucker. Auch hier erfolgten Druck und Bau wieder schichtweise. Der Vorteil durch die Produktion vor Ort: Es fielen keine Transportkosten an, die aufgrund der vielen und teils schweren Teile den Preis für die Villa deutlich höher getrieben hätten.

Das Gebäude ist allerdings nicht nur aufgrund seiner Fertigung ein Unikat. Es ist das erste Gebäude, das vor Ort gedruckt und direkt zusammengesetzt wurde. Alle anderen Häuser wurden an speziellen Produktionsstätten gedruckt und die einzelnen Bestandteile erst zu einem späteren Zeitpunkt zusammengesetzt. Zusätzlich toppte man mit dem Bau innerhalb von nur 45 Tagen die sonst übliche Bauzeit für ein vergleichbares Objekt deutlich. Normalerweise kann ein solcher Bau nämlich bis zu einem Jahr dauern.

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Neue 3D-Scanner im Überblick: Die 4 Modell-Neuheiten

Für eine optische 3D-Scannung gibt es eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, z. B. die Modelle zur vollständigen 3D-Vermessung von echten Freiformflächen oder die Modelle zur Gewinnung genauester CAD-Datensätze aus manuell hergestellten Werkzeugen oder Ur-Modellen durch 3D-Scannung und die Modelle zur schnelleren Erkennung von Verzügen nach Umformung und Schwindung bei Gussteilen. Im Folgenden einige Modell-Neuheiten:

AICON-Scanner

Der AICON-Scanner basiert auf einer Projektionstechnik in patentiert miniaturisierter Form, der mit seiner optischen Scantechnologie berührungslos und hochpräzise, komplexe Oberflächenstrukturen äußerst rasch erfassen kann. Mit diesem 3D-Scanner-Modell wird kostengünstiges Messen effektiv, zum Beispiel in der Medizintechnik zur Scannung des menschlichen Körpers als auch für Flächenrückführungen und Qualitätskontrollen sowie für Kunst und Kultur, eingesetzt.

Der Scanner bietet folgende Vorteile:

  • höchste Zuverlässigkeit
  • optimale-Flexibilität
  • kürzere Mess- und Auswertungszeiten
  • einfache Bedienbarkeit
  • hohe Präzision

FARO®/ Scanner-Freestyle-3D

Das neue Modell von FARO®, Scanner-Freestyle-3D, ist als handgeführtes 3D-Scanner-Modell professionell im Einsatz in der Industrieproduktion, dem Bauwesen und in der Forensik. Hoch genaues, einfaches und vor allem schnelles Scannen von 3D-Farbscan-Verbindungsdaten sind mit diesem Gerät garantiert. Durch seine konkurrenzlose Genauigkeit ist das Modell von FARO® für alle Einsatzzwecke, im Bereich von Gebäuden oder Anlagen in kürzester Zeit aus unterschiedlichen Sichtweisen zur Vermessung ein optimaler Garant. Darüber hinaus wird eine schnelle Echtzeit-Visualisierung und Datenerfassung durch handgeführtes 3D-Scanning produktiv maximiert. Die Datenerfassung und Bedienung wird mit Hilfe des Tablets intuitiv einfach gemacht, selbst für Laien.

Der Scanner hat folgende Eigenschaften:

  • Betriebstemperaturbereich von 0 – 40 °Celsius
  • erzielte 3D-Punktgenauigkeit ≤ 1,5 mm
  • Scan-Volumen bis zu 8 m³

ZEISS/ COMET-L3D 2, ultra-kompakter 3D-Sensor

Mit dem Modell von ZEISS, COMET-L3D 2, werden 3D-Daten von Objekten und Bauteilen schnell und äußerst präzise mit projektorientierter Software als auch modernster Sensortechnologie zur sicheren und einfachen 3D-Datenaufnahme erfasst. Für optimale Messergebnisse, selbst bei schwierigen Umgebungskriterien, liefert das Modell von Zeiss, COMET-L3D 2, präzise 3D-Daten und erkennt automatisch, durch seine High-End Technologie, Belichtungsänderungen sowie Schwingungsänderungen, für höchste Datenqualität bei fast unbegrenztem Bedienerkomfort.

Der Scanner eignet sich für folgende Einsatzgebiete:

  • zur Erfassung von kunsthistorischen Gegenständen sowie in der Archäologie, usw.
  • Formenbau/ Werkzeugbau
  • Reverse-Engineering
  • Rapid-Manufacturing

COMET-L3D, kompakter 3D-Sensor

Als günstige Einsteigerlösung der 3D-Scanner-Modelle bietet sich der äußerst leistungsfähige und kompakte Comet 3D-Sensor an: eine neue Dimension für effizientere 3D-Datenerfassungen, mit bedienerfreundlicher Software. Mit einer extrem kurzen Messdauer können Messungen punktgenau durchgeführt werden. Der kompakte Comet-L3D besticht durch wartungsfreie, innovative und besonders günstige LED-Beleuchtungstechnologie. Selbst bei schwierigsten Umgebungsbedingungen sorgt der Comet-L3D durch integrierten LED-Puls-Modus, mit höchster Lichtleistung, für perfekte Messergebnisse.

Der Scanner eignet sich für diese Gebiete:

  • Inspektion/ Qualitätskontrolle
  • Formenbau/ Werkzeugbau
  • Archäologie/ kunsthistorisch, usw.
  • Reverse-Engineering
  • Rapid-Manufacturing
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3D-Modelle in der Stadt- und Raumplanung

3D-Modelle in der Stadtplanung sind ein wichtiger Bestandteil zur zentralen Aufgabenstellung in der Vermessung, im Facility-Managements, in der Architektur und in der mobilen Telekommunikation. Voraussagen z. B. über etwaige Veränderungen des Stadtklimas, Abgas- und Lärmausbreitung liefern im Umweltbereich dreidimensionale Stadtmodelle.

Bei Hochwasser beispielsweise können Maßnahmen ergriffen werden, die dazu beitragen, betroffene Gebäude und Gebiete mit einem dreidimensionalen Landschaftsmodell schnell zu ermitteln, dank des Einsatzes von durchweg digitaler Planungsmethodik, wobei in einem 3D-Modell alle wichtigen Daten, von ganzen Stadtteilen und Bauwerken, zusammengefasst und in Bezug zueinander gesetzt sind.

3D-Modelle in der Stadt- und Raumplanung haben sich als Datengrundlage längst bewährt.

Energiebedarfsermittlung und -planung, Katastrophenmanagement, Umweltsimulationen zeigen Vermessungsingenieuren, Raumplanern und Architekten, so auch dem Bürger, genau auf, wie zum Beispiel ein Bauwerk in einer Stadt aussehen könnte, und welchen charakterlichen Blickpunkt dieses Bild auf die Stadt wirft.

Auch die simulierte Zunahme des Verkehrslärms kann mit einem digitalen, dreidimensionalen Stadtmodell optisch dargestellt werden. Ob Neuplanungen von Parkplätzen und Gebäuden, Sanierungen oder virtuelle Stadtplanungen – mit einem 3D-Modell werden virtuell hergestellte Planungen zur ersten Realisierung.

Zur Raumplanung

3D-Visualisierungen zur Raumplanung bieten gleich mehrere Vorteile. So können dreidimensionale Modelle von Zimmern und Häusern, Grundrissen von Räumen, selbst mit Rundungen, effizient ausgemessen und optisch dargestellt werden. Virtuell können in dreidimensionalen Modellen, Einrichtungsgegenstände, wie z. B. Stühle und Tische, immer wieder flexibel verändert werden. Selbst Farbgestaltungen der Decken und Wände oder Lichtquellen- und Warenpräsentationen, wie LED, Brillen und allgemeine Dekorationen, lassen sich so optisch besser darstellen.

Ein virtueller 3D-Spaziergang wird während der Planungsphase durch Interface realisiert. Fotorealistische Grundrissplanungen in 3D können beliebig verändert und variiert werden. Mit dem sogenannten Aufriss wird die Ausstattung und Gestaltung eines Hauses mitgestaltet, selbst die gestalterische Darstellung mit einem 3D-Modell der Gartenfläche. Dabei können technische Installationen ganz einfach komplett in die Grundrisse eingefügt werden. So unterstützt beispielsweise die Layer-Konstruktion bei der Raumeinrichtungsgestaltung, z. B. in Laboren und Arztpraxen, wobei ausgewählte Gruppen definiert und somit ausgeblendet als auch eingeblendet werden können. Zudem darf ergänzend dazu auch auf eine individuelle Bemaßung zurückgegriffen werden.