Beinahe Unmögliches aus dem 3D-Drucker

Schwebende Fische und balancierende Monster: Forscher haben eine Software entwickelt, die automatisch das passende Innenleben für Objekte aus dem 3D-Drucker berechnet. Man gibt nur ein, was das Objekt können soll: kreiseln, schwimmen oder auch in Schräglage stehen bleiben – und das System entwirft passend zur gewünschten äußeren Form den Hohlraum, der dieses Verhalten möglich macht.

3D-Drucker sind voll im Trend – und lassen sich bereits in vielen Gebieten sinnvoll einsetzen. So experimentieren Forscher bereits mit orthopädischen Implantaten aus dem 3D-Drucker, Im Berliner Naturkundemuseum wird ein fossiles Tyrannosaurus-Skelett von einem Schädel aus gedruckten Knochen gekrönt und eine Smartphone-App soll es künftig noch leichter machen, die 3D-Modelle für solche Drucker zu generieren.

Trudelnde Schildkröte und Wunderflasche

Forscher der Technischen Universität Wien und der RWTH Aachen haben nun den 3D-Druck noch einen Schritt weiter gebracht. Auf den ersten Blick sieht das Ergebnis ihrer Arbeit allerdings aus wie Kinderspielzeug: Ein Plastikfisch wird ins Wasser geworfen und schwimmt, eine Plastikschildkröte wurde so angepasst, dass man sie als Kreisel verwenden kann. Besonders verblüffend ist die Wunderflasche: Wenn man sie mit Wasser füllt, dann kippt sie um und läuft aus. Wenn man sie allerdings mit Alkohol füllt, dann bleibt sie stehen.

Der Grund dafür ist die geringfügig geringere Dichte des Alkohols gegenüber Wasser. Die innere Form der Flasche ist so optimiert, dass dieser kleine Dichteunterschied zwischen Stehenbleiben und Umfallen entscheidet. Um das zu erreichen, muss jedoch die Wand und innerer Form der Flasche speziell angepasst werden. Sie ist auf einer Seite viel dicker als auf der anderen, um den Schwerpunkt der Flasche genau richtig zu justieren.

Software berechnet den Hohlraum

Und genau diese Anpassungen lassen sich jetzt sehr einfach für den 3D-Druck umsetzen. Denn Przemyslaw Musialski und seine Kollegen haben eine Methode entwickelt, mit der der innere Hohlraum von Objekten aus dem 3D-Drucker automatisch je nach Zweck geformt wird. Eine Software berechnet dabei automatisch, welche Form und Größe ein Hohlraum haben muss, damit das Objekt beispielsweise schwimmt oder um seine Achse rotiert ohne zu eiern.

„Eingegeben wird die äußere Form der Figur und zusätzlich bestimmte Vorgaben – etwa die Rotationsachse oder die Schwebeausrichtung“, erklärt Musialski. „Die Software liefert dann zusätzlich zur äußeren Form auch die Form des Hohlraums im Inneren des Objektes.“ Die Bedingung dabei: Das Objekt muss am Ende von einem 3D-Drucker produziert werden können. Allzu komplizierte, zackige Formen sind daher ungünstig, der Computercode favorisiert einfache, weiche Formen.

Diese Figur ist standfest, weil ein Hohlraum ihren Schwerpunkt nach unten verlegt. © TU Wien

Schnell und vielseitig einsetzbar

„Unsere Methode hat eine ganze Reihe von Vorteilen“, sagt Musialski. „Sie ist schnell, denn die Berechnung dauert nur einige Sekunden, sie ist wenig fehleranfällig und wie wir zeigen konnten, lässt sie sich im Vergleich zu ähnlichen Methoden für viele ganz unterschiedliche Optimierungsaufgaben verwenden.“

In Zukunft wird man viele Objekte – vom Ziergegenstand bis zum technischen Ersatzteil – wohl nicht mehr im Geschäft kaufen, sondern am Computer individuell gestalten und dann ausdrucken. Optimierungsverfahren wie das von den Wiener Forschern entwickelte sollen dann dafür sorgen, dass die User-generierten Objekte auch zuverlässig die nötigen physikalischen Eigenschaften haben.

(Technische Universität Wien, 10.02.2016 – NPO)