Wie man Figuren für das 3-D-Drucken optimiert

Computergrafik. Hasen, Fische und Schildkröten aus Kunststoff können jetzt an der Wasseroberfläche schweben, rotieren oder sich drehen. Dank eines Verfahrens, das Informatiker für die Testformen aus dem 3D-Drucker entwickeln.

„Der 3-D-Druck ist eine schöne Spielwiese, weil es da noch viele ungelöste geometrische Fragestellungen gibt“, sagt Przemyslaw Musialski vom Institut für Computergrafik und Algorithmen der TU Wien. Daher tummeln sich hier bunte Plastiktierchen, an denen man die Druckverfahren verfeinert. Durch die Entwicklung eines neuen Softwareverfahrens kann man nun nicht nur die äußere Form, sondern auch geometrische – und damit physikalische – Eigenschaften des 3-D-Werkstücks, beispielsweise Rotationsachse oder Schwebeausrichtung, berücksichtigen. Diese geometrischen Sonderwünsche lassen sich durch Algorithmen, also Berechnungsverfahren, vergleichsweise einfach realisieren.

Das Verfahren haben Forscher von TU Wien und RWTH Aachen gemeinsam entwickelt und nun im „ACM TOG“-Journal (Transactions on Graphics) publiziert. „Bisher wurde selbst im professionellen Produktdesign entweder nach Trial and Error versucht, oder die Software war ziemlich aufwendig“, erklärt Przemyslaw Musialski.

Die Forscher testen an Häschen, Schildkröten, Fischen und anderen Tierformen aus Kunststoff. „Wir sind ein bisschen verspielt“, gibt der Forscher lachend zu. Er nennt aber noch weitere Gründe: Der Bereich der Computergrafik ist stark mit der Animation und der digitalen Zeichentrickfilmindustrie verbunden, weswegen man diese Tierchen aus der Fachliteratur kennt. Um vergleichen zu können,

Dreidimensionale Werkstücke werden schichtweise aufgebaut. Das geschieht mit einem computergesteuerten Algorithmus.

Berechnungsverfahren, das hier Formen aus dem 3-D-Druck optimieren soll, sodass sie bestimmte physikalische Eigenschaften haben. Zusätzlich zur äußeren Objektform kann man beispielsweise die Rotationsachse oder Schwebeausrichtung eingeben. arbeitet man immer wieder mit ähnlichen Formen.

So ist das meistverwendete Testmodell der 3-D-Computergrafik der sogenannte Stanford Bunny, und schon 1975 nahm sich Martin Newell, Forscher an der Universität von Utah, die Teekanne seiner Frau als mathematisches Modell für seine Arbeit.

Die Schildkröte rotiert

Welche Eigenschaften sollen aber nun die gedruckten Objekte erfüllen? Die Drehachse einer Plastikschildkröte passt man so an, dass sie als Kreisel verwendet werden kann. Zusätzlich zur äußeren Form können mit der neuen Software Angaben zur Rotationsachse oder Schwebeausrichtung gemacht werden. Bei einem Kunststoff-Fisch wurde das Innere optimiert, sodass die Dichte genau zu verschiedenen Flüssigkeiten passt. Wirft man ihn ins Wasser, so schwebt er knapp unter der Oberfläche.

Eine besonders verblüffende Wirkung hat diese Konstruktion bei der sogenannten Wunderflasche: Sie sieht aus wie eine verbogene Getränkeflasche. Füllt man sie mit Wasser, kippt sie um. Wenn man sie allerdings mit Alkohol füllt, bleibt sie stehen. Denn die Dichte von Alkohol ist geringfügig kleiner als jene von Wasser. Dieser minimale Dichteunterschied wurde berechnet und programmiert. Er entscheidet zwischen Stehenbleiben und Umfallen.

Eingesetzt werden die neuen Erkenntnisse im alltäglichen oder im professionellen Produktdesign. „Heutzutage kann jeder Alltagsgegenstände, beispielsweise eine Vase, designen. Ob sie aber bestimmten physikalischen Eigenschaften genügt, kann ein Laie vielleicht nicht einschätzen“, meint Musialski. Damit die Vase stabil am Tisch stehen und mit Wasser befüllt werden kann, korrigiert die Software nach physikalischem Gesetz.

Die logische nächste Entwicklungsstufe ist deshalb: Das Optimierungsverfahren in gängige Software für nicht-wissenschaftliche Nutzer umsetzen. Auch daran arbeitet man schon.