3D-Druck für Architekten und Stadtplaner

4D Concepts GmbH aus Groß-Gerau war zum wiederholten Mal Mitaussteller während der BAU 2019 auf dem SOFTTECH Messestand. Schon seit Jahren nutzen wir die Synergien, die sich mit dem Unternehmen aus Groß-Gerau ergeben. 4D Concepts ist seit 1995 einer der Pioniere im 3D-Druck in Deutschland und vertreibt neben 3D-Druckdienstleistungen auch 3D-Drucker zweier renommierter Hersteller. Auf der BAU hatten wir die Gelegenheit, mit Alex Di Maglie (Dipl.-Ing. und Geschäftsführer) über 3D-Druck in Architektur, Stadtplanung und Modellbau im Allgemeinen zu sprechen.


Alex Di Maglie (Dipl.-Ing. und Geschäftsführer)

3D Druck ist nur ein Oberbegriff, jede Technologie hat ihre Vorteile

Herr Di Maglie, 3D-Druck hat seit einigen Jahren Einzug in industrielle Produktionsabläufe gehalten. Wie aber wird 3D-Druck in Architektur und Stadtplanung eingesetzt?

Alex Di Maglie: Zuallererst: Danke, dass wir mit Ihnen auf der BAU 2019 ausstellen und zwei der 3D-Drucktechnologien aus unserem Hause präsentieren konnten. Denn das ist 3D-Druck – der Oberbegriff für viele unterschiedliche Technologien für unterschiedliche Anwendungen mit unterschiedlichen Eigenschaften. DEN 3D-Druck, der für Alles und Jeden geeignet ist, gibt es nicht. Unsere Kunden aus Architektur und Stadtplanung ersetzen den konventionellen Modellbau durch 3D-gedruckte Modelle. Das kann ein Einfamilienhaus, ein Gebäudekomplex oder in der Stadtplanung, ein Landschaftsmodell sein. Entweder farbig oder monochrom – überwiegend aber in weiß, wie im konventionellen Modellbau. Basis für alle 3D-Drucke sind 3D-CAD-Daten. Sollten diese nicht vorhanden sein, unterstützen wir gerne bei der Konstruktion.

Im ColorJet-Printing (CJP)-Verfahren lassen sich am besten Architektur-Modelle fertigen

Das heißt, Ihr Kunde liefert Ihnen im Idealfall die Daten und Sie drucken dann ganz einfach und über Nacht das Modell?

Alex Di Maglie: Nun ja, drucken vielleicht schon, aber damit ist es beim 3D-Druck nicht getan. Anders als beim 2D-Druck, bei dem das Produkt direkt nach Druck einem Ausgabefach entnommen werden kann, „fällt“ das fertige 3D-Modell nicht einfach aus dem Drucker.
In Architektur und Stadtplanung drucken wir überwiegend im CJP-Verfahren (ColorJet-Printing). In der Funktionsweise ähnlich einem „Tintenstrahldrucker mit einer Z-Achse“ entstehen auf den CJP 3D-Druckern Modelle durch schichtweisen Aufdruck von farbigem Binder auf einen Gips-basierten Pulverwerkstoff. Dabei lässt sich die volle Farbpalette bis hin zu fotorealistischen Texturen realisieren. Ein nachträgliches Einfärben ist nicht mehr nötig. CJP-Systeme zeichnen sich im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien zudem durch Eigenschaften wie enorme Druckgeschwindigkeit und effiziente Betriebskosten aus.
Nach dem Druck entfernen wir das Pulver und infiltrieren das Modell, um die finalen Materialeigenschaften und Farbigkeit zu erzielen. Dank einer Schichtdicke von 0,1 mm ist die Oberfläche zugleich relativ homogen.
Selbstverständlich kann der 3D-Druck auch in weiß erfolgen. Das findet z. B. Anwendung in der Stadtplanung und in musealen Projekten. So können beispielsweise historische Stadtkerne detailreich als Draufsicht 3D-gedruckt werden. In Anlehnung an den klassischen Architektur-Modellbau liefern wir unseren Kunden ebenfalls weiße Modelle.

Hier gilt: (Fast) keine Limitierungen im Detail bedingt durch Materialstärken. Je diffiziler das Modell, desto besser ist es für den 3D-Druck geeignet.

Hausmodell im Gipsdruck/CJP-Verfahren gedruck

Hausmodell im Gipsdruck/CJP-Verfahren gedruckt


Freigestelltes Modell von Dresden im Gipsdruck/CJP-Verfahren hergestellt plus gefräster Grundplatte.

Freigestelltes Modell von Dresden im Gipsdruck/CJP-Verfahren hergestellt plus gefräster Grundplatte.

Gibt es eine maximale Größe für Modelle in 3D-Druck?

Sie sprechen von historischen Stadtkernen und Gebäudekomplexen – dass lässt auf große Modelle schließen. Was ist denn die maximale Größe, die Sie drucken können?

Alex Di Maglie: Die gibt es nicht wirklich. Natürlich ist die Größe abhängig von dem sogenannten Bauraum (ähnlich eines 2D-Druckers, der maximal DIN A3 drucken kann), der beim größten Drucker rund 380 x 510 x 230 mm beträgt. Überschreitet das Modell die Maße des Bauraums, drucken wir es in einzelnen Segmenten und fügen diese dann zusammen. Dies gilt für Breite, Höhe und Tiefe gleichermaßen.

Multijet-Technologie (MJP) und Stereolithographie für feine Strukturen

Die Größe ist also kein Problem, wie sieht es aber mit feinen Strukturen aus?

Alex Di Maglie: In dem Fall arbeiten wir mit der MultiJet-Technologie oder setzen die älteste aller 3D-Druck-Technologien, die Stereolithographie (SLA – Patentanmeldung 1984 durch den amerikanischen Physiker Chuck Hull), ein.
Das MultiJet Printing (MJP) ermöglicht den 3D-Druck von hochaufgelösten Prototypen mit feinsten Details und sehr guten Oberflächen und Toleranzen. Bei diesem Verfahren wird flüssiger Kunststoff, sogenanntes Photopolymer, schichtweise in feinsten Tröpfchen über einen Druckkopf ausgedruckt und durch UV-Belichtung ausgehärtet. Als Stützmaterial arbeiten die MJP-Systeme mit einem Wachs, das nach dem Druck berührungslos abgeschmolzen wird – so lassen sich Prototypen mit feinsten Details drucken und vor allem auch ohne Beschädigung nachbearbeiten. MJP-Modelle erreichen nahezu die Qualität von 3D-Drucken im Stereolithographie-Verfahren – in punkto Detailauflösung und Oberflächenqualität sind sie sogar überlegen.

Bei der Stereolithographie werden Bauteile aus UV-reaktiven Kunststoffen, so genannten Photopolymeren, durch Energieeintrag per Laserstrahl schichtweise aufgebaut. Die Vorteile der Stereolithographie gegenüber anderen Belichtungsverfahren liegen im Laser als Energiequelle. Durch den exakt fokussierten Strahldurchmesser mit hoher Energiedichte und ausgereiften Scanstrategien setzt die Stereolithographie noch immer den Maßstab aller generativen Verfahren in punkto Genauigkeit und Kantenschärfe. Dadurch eignen sich SLA Modelle hervorragend als Urmodelle für Duplizierungsverfahren wie z. B. den Vakuumguss, aber natürlich auch für Anforderungen mit einem Höchstmaß an Präzision und Oberflächenqualität, wie z.B. transluzente Prototypen für Strömungsuntersuchungen. Diese beiden Verfahren werden eher selten für den Modellbau in Architektur und Stadtplanung eingesetzt.

Selektives Lasersintern (SLS) eignet sich auch für Architektur und Stadtplanung

Kommt neben dem CJP ein weiteres Verfahren bei Architekten und Stadtplanern zum Einsatz?

Alex Di Maglie: Als geeigneteres Verfahren ist noch die Technologie des Selektiven Lasersinterns (SLS) zu nennen: Vorgeheiztes Polyamidpulver (PA 12) wird dabei von einem Laser in 0,1 mm starken Schichten zu Modellteilen verschmolzen. Die minimale Detailgröße sollte 1 x 1 mm nicht unterschreiten, um die Stabilität zu gewährleisten. Neben Architektur und Stadtplanung findet diese Technologie insbesondere dann Verwendung, wenn Prototypenteile z. B. zur Einbauuntersuchung oder Funktionsprüfung herangezogen werden sollen. Zudem ist diese Technologie als nachhaltig zu bezeichnen, da das überschüssige Polyamidpulver zum Teil wiederverwendet wird, sozusagen ein Kreislauf entsteht.
SLS-Modelle können vielfach nachbearbeitet werden: Neben Lackieren und Färben steht noch das Infiltrieren zur Verfügung. SLS Bauteile sind ab einer Wanddicke von 2,5 mm auch ohne Weiterbehandlung dicht gegenüber Luft und Flüssigkeiten. Bei Wanddicken < 2,5 mm muss die Dichtigkeit durch Infiltration der Bauteile hergestellt werden. Die Infiltration erfolgt je nach Bauteilgeometrie über ein Sprüh- oder Tauchverfahren mit einem abdichtenden Kunstharz, so dass die Bauteile dann auch für Gas/Luft oder Flüssigkeit/Wasser geführte Anwendungen eingesetzt werden können.

Im SLS-Verfahren gedruckter Funktionsprototyp einer Airbox für die Rennserie der Hochschule Darmstadt (FastDA-RacingTeam).

Im SLS-Verfahren gedruckter Funktionsprototyp einer Airbox für die Rennserie der Hochschule Darmstadt (FastDA-RacingTeam).

Wann lohnt es sich einen eigenen 3D-Drucker anzuschaffen?

Das ist doch wesentlich umfangreicher, als gedacht. Sollte jetzt einer unserer Kunden Interesse an einem eigenen 3D-Drucker haben, wann lohnt sich denn die Anschaffung?

Alex Di Maglie: Im Idealfall sollte der Drucker ständig in Betrieb sein. Schon allein wegen des „Returns on Investments“ und natürlich auch wegen der Materialien, die nicht unbegrenzt haltbar sind. Da ist es sinnvoller, das Modell bei einem 3D-Druck-Dienstleister fertigen zu lassen. Zumal dieser auf Erfahrungswerte zurückgreifen kann, die Sie erst erwerben müssten. Hinzu kommt auch, dass bei der Konstruktion eines 3D-Modells anwendungsspezifische Erfordernisse zu beachten sind. So sind z. B. Stützstrukturen für Überhänge zu berechnen; Wanddicken zu beachten, um die Stabilität zu gewährleisten oder die Modelle im Bauraum so zu platzieren, dass möglichst kostengünstig produziert wird.

Für die Anschaffung eines Druckers gilt festzulegen, welche Zwecke das 3D-gedruckte Modell erfüllen soll. Dient es nur als Anschauungsobjekt, will ich damit Funktionen eines späteren Serienteils überprüfen können, sollen mit dem 3D-Drucker unterschiedliche Materialeigenschaften druckbar sein, z.B. flexibel und starr oder will ich z. B. Urmodelle für Gussformen fertigen. Ein weiteres Beispiel in der Anwendung ist der Druck von Bauteilen, die ich als Betriebsmittel oder Ersatzteile in Produktionslinien einsetzen kann. Und die, je nach Anforderung, mit den unterschiedlichsten Materialeigenschaften drucken kann. Vergleichbar mit Aluminium zu einem wesentlich günstigeren Preis. Bei der Auswahl des geeigneten Druckers sind wir gerne beratend tätig. Abschließend bleibt zu sagen, dass es die vielgepriesene „eierlegende Wollmilchsau“ im 3D-Druck auch nicht gibt, aber für fast alle Erfordernisse die geeignete Lösung.

Sie haben Interesse am Thema 3D-Druck?

Informieren Sie sich gerne auf der Webseite von 4D Concepts.

www.4dconcepts.de

Bildnachweise: © 4D Concepts GmbH

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