3D-Drucktechnik hängt 3D-Modellierung ab

Anbieter zum Thema

Im CAD-System nicht definierbar

Doch wie definiert man solche Bauteile im CAD-System? Die Antwort lautet aktuell: Gar nicht. Denn die zugrundeliegenden CAD-Kernel, in denen die Mathematik steckt, mit deren Hilfe die 3D-Geometrie gespeichert und zur Darstellung auf dem Bildschirm gespeichert wird, definiert nur die Außenflächen des Modells. Jedes CAD-Modell ist in seiner mathematischen Grundform eine Ansammlung von Flächen, die ein Volumen umschließen. Dieses Volumen an sich ist nicht im CAD-Modell definiert.

Die CAD-Systeme nutzen verschiedene Tricks, um diese Tatsache zu verschleiern, so wird, wenn man einen Schnitt durch ein Bauteil legt, für die Visualisierung die offene Schnittfläche optisch verschlossen. Das Material, aus dem das Teil bestehen soll, wird in den Metadaten gespeichert, ist also nicht auf die Geometrie bezogen. Aktuelle CAD-Systeme haben also gar keine Chance, Materialeigenschaften auf einzelne Bereiche der Geometrie bezogen zu definieren.

Umweg über Multibody-Funktion

Aktuell wird als Workaround oft die Multibody-Funktionalität moderner CAD-Systeme genutzt, indem die Bereiche unterschiedlicher Materialeigenschaften jeweils als eine Geometrie definiert aber in einer Bauteildatei gemeinsam abgespeichert werden. Diese Vorgehensweise hat mehrere Nachteile. Der wichtigste ist sicher, dass so graduelle Veränderungen der Eigenschaften nicht abbildbar sind. Zudem ist und bleibt dieses Vorgehen eine Krücke, die in Zeiten, in denen CAD-Daten in die unterschiedlichsten Folgeprozesse weiterfließen, zu unerwünschten Folgen an ganz anderer Stelle führen kann. Die Definition eines Teils muss vollständig und umfassend sein, sonst macht der digitale Zwilling keinen Sinn!

Jeder Punkt eines Objekts benötigt eigene Metadaten

Abhilfe schaffen Geometrierepräsentationstechniken, die es ermöglichen, jedem Punkt des Objekts eigene Metadaten mitzugeben. Im Prinzip ist dies nichts anderes als die Einführung der dritten Dimension bei Bitmap-Bildern. In den meisten Bildformaten wie JPG oder BMP wird jeder Punkt beziehungsweise Pixel des Bildes mit XY-Koordinaten und Farbinformationen gespeichert. Zur Erweiterung dieses Prinzips in die dritte Dimension fehlt eigentlich nur ein Z-Wert sowie mehr Felder für die Metadaten, beispielsweise für Werkstoffkennwerte. Man spricht dann von Voxeln.

Lösung in Sicht

Nachteile dieser Voxel-Technologie sind – analog zu Pixelbildern – die festgelegte Auflösung und Treppeneffekte: Zoomt man in das Teil hinein, wird irgendwann die Voxelstruktur sichtbar, an schrägen Kanten entstehen dann Treppen statt einer glatten Fläche. Und nicht zuletzt ist dieses Verfahren bei hoher Auflösung sehr Speicherplatz- und rechenintensiv.

Am Fraunhofer Institut IGD wird an einem Subdivision-Ansatz ⁽¹⁾ geforscht, der eine flexiblere Aufteilung und weniger Einfluss auf die Geometriequalität verspricht. Hierbei wird die Technologie des Subdivisional Modelling genutzt und die Metainformation nicht an Geometriepunkte, sondern an die Steuerpunkte der Flächen gehängt. Diese Steuerpunkte sind zwar mit einem Punkt des Modells verbunden, die Menge der Steuerpunkte verändert aber nicht die Geometrie, denn sie steuern Flächen und definieren nicht Eckpunkte.

Aufgabe für CAD-Anbieter und 3D-Drucker-Hersteller

Der kurze Ausflug in die Welt der Forschung zeigt: Das Problem der Adressierbarkeit jedes Punkts im Modell ist noch weit von seiner Lösung entfernt, vor allem erfordert es tiefgreifende Änderungen am CAD-Kern. Ist dies gelöst, müssen die Daten auch entsprechend detailliert zum Drucker gelangen, das bedeutet, dass eine Schnittstelle und ein entsprechendes Datenformat geschaffen werden muss, das diese Daten auch direkt an verschiedene Drucker liefern kann.

Und nicht zuletzt muss eine Methode entwickelt werden, mit deren Hilfe der Anwender Materialeigenschaften einfach und intuitiv am CAD-Modell editieren kann. Das wird sicher auf eine Art der Farbkodierung hinauslaufen – was aber auch wieder eine Verfälschung der Realität bedeutet. In jedem Fall bleibt viel zu tun für die CAD-System- und die 3D-Drucker-Hersteller.

Quelle:

(1) Altenhofen, C., Luu, T. H., Grasser, T., Dennstädt, M., Mueller-Roemer, J. S., Weber, D., & Stork, A.: “Continuous Property Gradation for Multi-Material 3D-Printed Objects”, Proceedings of the Solid Freeform Fabrication Symposium (Vol. 29, pp. 1675-1685), 2018. http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-512629.html

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de

* Ralf Steck ist freier Fachjournalist in Friedrichshafen

(ID:46152009)

Additive Fertigung