3D-Druck beschleunigt Modellbau

Maßstabsgetreue Architekturmodelle sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Visualisierung und Planung von Projekten geworden. Einerseits können Architekten, Ingenieure und Planer so ihre Ideen für neue Gebäude besser erproben. Andererseits erhalten Archäologen und (Kunst-)Historiker durch die Veranschaulichung antiker Städte ein besseres Verständnis für historische Gegebenheiten. Die Herstellung solcher Architekturmodelle erfordert jedoch eine hohe Detailgenauigkeit. Außerdem müssen die Modelle ständig verändert und nachbearbeitet werden. Das kann nicht nur sehr aufwendig sein, sondern auch viel Zeit in Anspruch nehmen. Das Architektenbüro Renzo Piano Building Workshop (RPBW) und das Architekturinstitut Mainz kennen diese Herausforderungen. Sie setzen daher auf den 3D-Druck, um vor Ort kostengünstig und detailgenaue Modelle zu erstellen.

Die Architekten von RPBW begleiten ihre Projekte von Anfang bis zum Ende. Ihre Designfähigkeiten gehen dabei über bloße Architekturdienstleistungen hinaus: Zu ihrer Arbeit gehören auch Innendesign-Dienstleistungen, Städteplanung, Landschaftsplanung und Messebau. Maßstabsgetreue Modelle aus dem 3D-Drucker sind für sie zu einem grundlegenden Teil des Arbeitsprozesses geworden. So werden für jedes Projekt hunderte von groß- und kleinformatigen Modellen in den Werkstätten von RPBW hergestellt, um die unterschiedlichen Vorschläge und Ideen zu erproben. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf „Design to Build“. Das Konzept muss sicherstellen, dass jeder Bestandteil passt und das fertige Gebäude bis in das kleinste Detail dargestellt werden.

Doch an den Ideen und Entwürfen wird weiterhin gearbeitet, die Modelle ändern sich ständig. Mittels 3D-Druck können die Modellbauer dem leicht nachkommen, ihre Produktion ist detailgenauer und selbst komplexe Modelle werden in ihrer Erstellung beschleunigt. Wo bisher Geometrien, wie Kugeln und geschwungene Oberflächen oder kleine filigrane Teile wie Treppen und Bäume, sehr zeitaufwendig und nicht gerade einfach von Hand zu fertigen waren, lassen sich diese heute mit dem 3D-Drucker problemlos anfertigen. Man erhält exakt das Ergebnis, das man vorab bereits in der 3D-Datei gesehen hat.

Selbst komplexe Modelle der Gelenke von Brückenträgern im 3D-Druck

Für gewöhnlich beginnen die Modellbauer damit, das maßstabsgetreue Modell auf Papier zu drucken, um die tatsächliche Größe des Modells einschätzen zu können. Im nächsten Schritt wird überlegt, wie sich das Modell aufteilen lässt. Dann werden die einzelnen Teile gedruckt. Der 3D-Drucker wird schon zur Nacht gestartet, damit morgens ein fertiges Modell bereitsteht. Die Mitarbeitenden greifen online auf den 3D-Drucker zu und planen Druckaufträge exakt in der Zeit. Den Druckfortschritt verfolgen sie vor Ort oder online. Die Modellbauer verlieren so tagsüber keine Zeit und müssen auch nicht auf die Zulieferer warten. Die gesamte Produktion beschleunigt sich. Anpassungen der Modelle sind leicht möglich, da lediglich die CAD-Vorlage angepasst und ein neuer Druckauftrag gestartet werden muss.

Bild: Formlabs

Der 3D-Druck hat den Arbeitsalltag im Architekturbüro enorm erleichtert, denn sogar zeitaufwendige und filigrane Modelle können direkt vor Ort produziert werden. Das wird auch an dem Bespiel der neuen San-Giorgio-Autobahnbrücke in Genua deutlich. Sie ersetzt die im August 2018 eingestürzte Morandi-Brücke. Für die Planung der neuen Brücke wurden selbst die komplexen Gelenke der Brückenträger zunächst dreidimensional im Modell gedruckt.

Rekonstruktion mittelalterlicher Städte

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz des 3D-Drucks zeigt sich an der Rekonstruktion der mittelalterlichen Städte Mainz, Worms und Speyer durch das Architekturinstitut Mainz. Hier konnte die Entwicklung der Städte von ca. 800 bis in das Jahr 1250 visualisiert werden. Anhand archäologischer Funde und erhaltener Strukturen bildeten die Archäologen und Kunsthistoriker die Städte zunächst digital nach. Die Konstruktion der Modelle wurde erst in einem CAD-Programm vorgenommen und anschließend die für 3D-Drucker erforderlichen STL- oder OBJ-Dateien in die Software zur Druckvorbereitung importiert.

Im nächsten Schritt folgte die physische Repräsentation. Dabei fiel die Wahl auf den SLA-3D-Druck. Das Druckmaterial bildet verschiedene Kunstharze. Diese befinden sich in Kartuschen und können flexibel ausgetauscht werden. Beim Druck fließt das flüssige Kunstharz in einen Tank und wird dort anschließend mit UV-Strahlen gehärtet. Zu Beginn des Drucks fährt eine Druckplattform herunter, bis sie mit dem Kunstharz abschließt. Anschließend härtet der Laser Schicht für Schicht das Produkt. In diesem Prozess taucht die unterste Schicht immer wieder in das flüssige Kunstharz ein, sodass ein nahtloser Druck möglich ist. Mit einem Kunstharz neutraler Farbe, der hohen Detailtreue und einer matten Oberfläche bot der SLA-3D-Druck die idealen Voraussetzungen für die Rekonstruktion der mittelalterlichen Städte. Aufwendige Nachbearbeitungen waren dabei nicht notwendig.

In zwei Jahren Speyer, Worms und Mainz gedruckt

Je nach Umfang der Details und Höhe der Gebäude pro Segment dauerte ein Druck zwischen 12 und 24 Stunden. Die jeweilige Grundplatte von 12 mal 12 Zentimetern mit einer Höhe von 0,8 beziehungsweise 0,9 Zentimetern wurde dabei zuerst gedruckt, gefolgt von den architektonischen Einzelheiten. So entstanden schließlich aus über 650 Segmenten sechs detailgenaue Modelle von Mainz, Worms und Speyer im Maßstab 1:1000.

Nachdem die 3D-gedruckten Teile aus dem Drucker entnommen wurden, durchlief jedes Segment einen routinierten Prozess: Die einzelnen Druckstücke wurden zunächst von der Bauplattform entfernt und die Stützstrukturen abgelöst. Zuerst mussten dafür die feineren Strukturen an und in den Gebäuden vorsichtig mit dem Seitenschneider und der Pinzette aus dem Finishing-Kit gelöst werden. Dabei achtete das Team besonders auf Segmente mit kleinen Details und Öffnungen, um diese nicht zu beschädigen. Danach wurden die groben Strukturen unterhalb des Segments entfernt und eingeebnet. Im Anschluss galt es, die 3D-gedruckten Teile zu waschen und zu härten. So wurde überschüssiges Harz entfernt und für die weitere Verarbeitung vorbereitet. Um eventuelle Spuren der Stützstrukturen zu beseitigen und Details besser sichtbar zu machen, wurde jedes Teil anschließend abgeschliffen. Abschließend lackierte man jedes Segment mit zwei Schichten weißer Farbe unter Verwendung einer Spritzpistole. Die Oberflächen der Segmente konnten so optisch aufgewertet und kleine Details hervorgehoben werden.

Bild: Formlabs

Nach zwei Jahren, 650 Segmenten und über 22.000 Arbeitsstunden wurden in einem letzten Schritt die Modelle von Speyer, Worms und Mainz in ihren jeweiligen Epochen zusammengesetzt. Die 3D-gedruckten Modelle können nun im Digital Urban History Lab des Landesmuseums Mainz betrachtet werden.

Fazit

Der 3D-Druck spielt eine transformative Rolle bei der Herstellung von maßstabsgetreuen Architekturmodellen. Er erleichtert und beschleunigt den Arbeitsalltag. Mit einem 3D-Drucker können auch komplexe Modelle in einem einfachen Workflow hergestellt werden. Ein gebräuchlicher Desktop-SLA-Drucker, wie etwa ein Form 3 des Herstellers Formlabs, hat lediglich eine Standfläche in der Größe eines DIN A3-Blatts. Dank der Inhouse-Produktion sind Planer nicht mehr an lange Wartezeiten von Zulieferern gebunden. Die Architekten des Architekturbüros Renzo Piano Building Workshopsind überzeugt, dass 3D-Drucker in Zukunft einalltägliches und essenzielles Werkzeug in Architekturwerkstätten und -büros sein werden.