Wenn Teile fehlen… Anwendungen für 3D Druck I

English version below

Vorbemerkungen

Der folgende Artikel beschäftigt sich mit einer speziellen Anwendungsmöglichkeit des 3D Druckes. Das hier beschriebene Projekt wurde von der Firma Formwerk3D umgesetzt für die ich mittlerweile arbeite. Wen Ihr/Sie vor ähnlichen Problemen mit fehlenden Gebäudeteilen steht, schaut doch mal bei uns vorbei. Vielleicht können wir helfen.

Doch genug der Werbung…

Wen Teile fehlen

Vor einiger Zeit wurden wir vom Besitzer eines wunderschönen Altbaues mit einer interessanten Anfrage kontaktiert. Besagter Altbau wurde komplett saniert. Dabei wurde auch die Entlüftungen des Kellers mit neuen Rohren, und sauberem Abschluss, an die Außenseite des Hauses gelegt. Ursprünglich endeten diese etwa einem Meter über dem Boden, an drei Stellen der Frontseite des Hauses, in relativ großen unregelmäßigen Mauerlöchern.
Da einfache Löcher nicht sonderlich ansehnlich sind und daher nicht zur Fassade des Gebäudes passen wurden Luftungsausgänge wie diese ursprünglich mit verzierten gusseisernen Platten abgeschlossen. Von diesen Zierplatten war glücklicherweise noch eine einzelne, am Gebäude fest verbaut, erhalten. Die Platte besteht aus einzelnen Speichen die von einem profiliertem Rand zu einem floralen zentralen Motiv führen. Auf den einzelnen Speichen sind abstrahierte Frauenfiguren abgebildet die sich als Relief von der Oberfläche abheben.

Nun stand die Frage im Raum wie replizieren wir diese erhaltene Platte um die beiden frisch sanierten Abzüge passend zu verkleiden?

Datenaufnahme

Da die Platte nicht zum digitalisieren zu uns kommen konnte entschieden wir uns das Objekt vor Ort fotogrammetrisch aufzunehmen. Hauptgrund dafür war das sie Fest am Gebäude verbaut ist und deshalb nicht bei uns zur Digitalisierung eingeliefert werden konnte, ohne Beschädigungen am Objekt zu riskieren.
Glücklicherweise bot sich das bedeckte Wetter, für einen schnellen vor Ort Termin an und wir konnten gute Quellbilder für die Objektrekonstruktion aufnehmen.

Alignement

Aufbereitung

Nach der Berechnung eines Meshes in der Fotogrammetriesoftware, musste das Modell noch stark modifiziert werden. Die freien Bereiche zwischen den Speichen wurden vor der Kameraausrichtung bereits durch maskieren der unerwünschten Flächen aus der Berechnung ausgenommen. Die umgebende Wand beließen wir zur Orientierung und für spätere Anpassungen und Skalierungen im Modell. Nun besteht dieses Modell leider nur aus einer Oberfläche und ist damit eine offene Hülle ohne Volumen. Für einen 3D Ausdruck wird allerdings ein Volumenmodell benötigt, das unbedingt Wasserdicht sein muss. Auch müssen die normalen der einzelnen Flächen sauber ausgerichtet sein um spätere Löcher zu vermeiden. Dieses erstellten wir durch das Verwenden eines Voxelsculpting Programms. Im ersten Arbeitsschritt wird dabei die Hülle mit einer Stärke versehen und von Polygonen ohne Maße, in Voxel umgewandelt.

Lueftungsklappe_03

Im Gegensatz zu Polygonmodellen besitzen Voxelobjekte nicht nur eine Hülle sondern auch eine Masse die beliebig in verformt werden kann. Auch kleinere Fehlcluster im inneren des Modelles können so leicht entfernt werden, um spätere Hohlräume zu vermeiden oder gezielt anzulegen. Beim Umwandeln von Voxel- zu Polygonmodell ensteht immer ein Wasserdichtes Modell.

Danach wurde die Rückseite geschlossen, die Mauer entfernt sowie die Oberfläche geglättet. Gerade sculpting Programme eignen sich sehr gut für die subtile Anpassung fotogrammetrischer Modelle. Das Objekt verhält sich dabei als ob es aus Ton wäre und lässt sich mit einer breiten Auswahl an Werkzeugen zielgerichtet bearbeiten.

Manipulation gescannter Objekte

Die Original Zierplatte bedeckt ein sehr großes unregelmässig geformtes Loch in der Hauswand. Im Gegensatz dazu bestehen die sanierten Lüftungsauslässe aus kleineren runden Rohren mit genormtem Durchmesser. Damit sich die Platten später gleichmässig aufsetzen lassen und zentriert über dem Loch stehen ergänzten wir sie um Halterungen. Diese liegen nur unter den Speichen und entsprechen an ihrem Aussenradius dem Innenradius der Rohre. Von Außen sind diese später nicht zu sehen da sie nur unter den Speichen des Objektes liegen. Ebenfalls angepasst wurde die leicht ungleiche Höhe des Objektes die Wahrscheinlich beim ankleben an die Oberfläche entstanden.

Lueftungsklappe_02

Materialwahl

Nachdem wir nun das fertige Modell druckbar gemacht hatten. Stellte sich die Frage nach dem Material für den Ausdruck.
Plastik (Pla/Filament) schied relativ früh aus da z.T. erhebliche Nachbearbeitung nötig ist bevor die Oberfläche von eventueller Treppchenbildung befreit ist. Ausdruck in Metallen, wie sie einige Anbieter mittlerweile anbieten schied aus Kostengründen aus.
Kurz erwogen wurde auch eine Kopie mittels CNC Fräse zu erstellen. Gefrästes Metall ist zwar besonders widerstandsfähig und haltbar, allerdings stellte sich auch dies als zu teuer heraus.

Wir entschieden uns dann final für einen Ausdruck in unserem Gipsdrucker. Es handelt sich dabei um einen ProJet 660 der sich auch für vollfarbige Ausdrucke eignet. Während des Druckes werden immer wieder feine Gipsschichten übereinandergelegt und im Bereich des zukünftigen Modelles mittels Binder verklebt. Jede dieser Schichten ist 0,1 mm Hoch wodurch sich extrem feine Strukturen drucken lassen.
Direkt nach dem Ausdruck ist das Modell noch sehr weich, da nur der Binder die einzelnen Modellschichten zusammenhält. jedoch lässt sich die Öberfläche leicht mit Schleifpapier nachbearbeiten um etwaige feine Treppchen zu entfernen. Das noch sehr empfindliche Objekt wurde im Anschluss mit einer größeren Menge Epoxydharz behandelt. Dadurch gewinnt das Druckprodukt extrem an Festigkeit und kann mit einer Vielzahl verschiedener Farben und Lacke zusätzlich haltbar gemacht werden. In diesem Fall werden die Rohplatten noch mit einem farblich passenden Lack versehen um sie endgültig für den Aussenbereich tauglich zu machen und sie farblich an das Original anzupassen.

Ausblick

Mithilfe moderner Scan und Druckverfahren lassen sich leicht und kostengünstig komplexe Objekte an Gebäuden ersetzen. Vorstellbar sind vom einfachen Formstein bis hin zum ersezten fehlender Statuen extrem viele Szenarien. Durch die vielfältigen Möglichkeiten der Lackierung und Oberflächenbehandlung bis hin zur Galvanisierung, können diese Reperaturen fast unsichtbar gemacht werden, oder wenn benötigt deutlich sichtbar hervorgehoben werden. Im Umkehrschluss können natürlich auch Gussformen bestehender Objekte gedruckt werden mit denen sich größere Mengen von Objekten replizieren lassen.

Sollten sie interesse an diesen oder ähnlichen Dienstleistungen haben schauen sie doch mal auf Formwerk3D vorbei.

Sollten sie Fragen, Anmerkungen oder Kritik äußern wollen, würde ich mich über Kommentare freuen.

english version

opening remarks

The following article deals with a specific application possibility of 3D printing. The project described here has been realised by the company Formwerk3D were I work for now. If you are facing similar problems with missing parts of a building, please have a look over at us. Maybe we can help.

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when parts are missing

Some time ago, the owner of an beautiful old building contacted us with an interesting request. He just finishid renovating said old building. In the process 2 new ventilation holes were implemented for the basement and applied to the outside of the house. Originally those holes were covered by iron plates about one meter above the ground at three points of the front of the house, in relatively large irregular wall holes.

As simple holes are not particularly handsome and therefore not fit with the facade of the building were vent exits like these were originally closed by ornate cast iron plates. Fortunately one of these decorative plates was still installed, and in mediocre condition. The plate consists of individual spokes leading from one profiled edge to a floral central motif. On the individual spokes abstracted female figures are shown which stand out in relief from the surface.

Now the question arose how we replicate the remaining plateto close the two newly renovated holes appropriately?

Data Recording

Since the plate was not movable to digitize, we decided to record this object with photogrammetry in situ. The main reason was, that it is hard installed on the building and therefore could not have been returned to us for digitizing without risking damage to the object.
Fortunately the weather was cloudy but bright enough. So we were able to take good source images for the object reconstruction within the following days.

 Alignment

Treatment

After the calculation of a mesh in the photogrammetry software, the model had to be modified considerably. The free spaces between the spokes were masked bevore aligning the camera orientations so we could exclude this unwanted areas from the calculation. The surrounding wall we left for orientation and for subsequent adjustments and scaling the model. Now this model is, unfortunately, only a surface, making it an open case without volume. However, a solid model is needed for a 3D print, which must be absolutely waterproof. The normals of each polygon must be properly aligned in order to avoid subsequent holes. This we started by using a Voxelsculpting program. In the first production step, the casing is provided with a strength and polygons get to be converted in voxels.

Lueftungsklappe_03

Unlike polygon models have voxel objects not just a shell but also a mass which can be deformed in any way. Even minor missing clusters inside the model can be easily removed in order to avoid subsequent cavities or selectively applied as wished. When converting from voxel to polygon models the result is always a waterproof model.

Thereafter, the back was closed, the wall removed and the surface is flattened. Just sculpting programs are well suited for the subtle adjustment photogrammetric models. The object behaves as if it were made of clay and can be manipulated with a wide range of tools to edit purposefully.

manipulation of scanned objects

The original decorative plate covers a very large irregularly shaped hole in the wall. In contrast, the rehabilitated ventilation outlets are composed of smaller round tubes with standard diameter. Thus the panels can be set up later evenly and centered over the hole are we added it to holders. These are just under the spokes and corresponding to its outer radius to the inner radius of the tubes. From the outside they are later not to see because they are only among the spokes of the object. the slightly unequal height of the object has also been adapted to the probably the glue came to the surface.

Lueftungsklappe_02

Material choice

After we had now made the model printable. The main question remained. What material is the most useful for printing?
Plastic (Pla/filament) eliminated relatively early because of the substantial reworking that is necessary before the surface is exempt from any jagged edges. Expression in metals as some providers offer had to be dismissed for cost reasons.
Short was considered a copy by CNC milling machine. Machined metal is indeed very resistant and durable, but it turned out to be even more expensive.

We then decided finaly for an print in our gypsum printer. This is a Projet 660 also suitable for full-color printouts. During printing, fine gypsum layers are superimposed and glued in the area of ​​the future model by binder. Each of these layers is 0.1 mm high which can print extremely fine structures.
Immediately after printing, the model is still very soft, as only the binder holds together the individual layers. However, the surface can be edited with sandpaper to remove any fine edges. After this the still very sensitive subject was treated with a large amount of epoxy resin. Thus, the printed product is gaining extreme strength and can be finished with a variety of paints and coatings for extra durability. In this case, the raw plates will be coated with a matching paint to make them permanently for outdoor use suitable and to match the color of the original.

Outlook

Using advanced scanning and printing processes can be easy and cost-effective for the replacement of complex objects on buildings. The scenarios range from simple shape stone up to missing statues. By the various possibilities of painting and surface treatment including even galvanizing, these repairs can be made almost invisible, or if needed be highlighted clearly visible. For the replication in larger quantities it’s of course possible to print only the molds of the scanned objects.

If you are interest in these or similar services have a look at Formwerk3D.

If you want to express any questions, critizism or suggestions, I would appreciate a short comment in the section below.

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