News: Schwebende Fische und balancierende Monster
Dem Institut für Computergraphik und Algorithmen der TU Wien ist es in Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen jetzt gelungen, bislang eigentlich Unmögliches mit 3D-Druckern zu produzieren, Objekte mit beeindruckenden geometrische Eigenschaften.
Ein ausgedruckter Kunststoff-Fisch wird ins Wasser geworfen und schwebt knapp unter der Wasseroberfläche, weil er im Inneren einen Hohlraum mit exakt richtig gewählter Form und Größe hat. Um ein so genau balanciertes Objekt herzustellen, hätte man bisher wohl eine ganze Reihe von Versuchen gebraucht.
In Zukunft werden sich solche geometrischen Sonderwünsche allerdings recht einfach realisieren lassen. Mit der neu entwickelten Methode lässt sich der Hohlraum von Objekten aus dem 3D-Drucker so anpassen, dass ihre Balance oder andere physikalische Eigenschaften genau dem Einsatzzweck dienen.
Hier ein Video zur Verdeutlichung:
Was auf ersten Blick wie Kinderspielzeug aussieht, hat einen interessanten wissenschaftlichen Hintergrund. Die Drehachse einer Plastikschildkröte wurde beispielsweise so angepasst, dass sie als Kreisel nutzbar ist. Fische mit eingebautem Hohlraum wurden so optimiert, dass ihre Dichte genau zu verschiedenen Flüssigkeiten passt.
Besonders verblüffend ist die Wunderflasche: Sie sieht aus wie eine merkwürdig verbogene Getränkeflasche. Wenn man sie mit Wasser füllt, dann kippt sie um und läuft aus. Wenn man sie allerdings mit Alkohol füllt, dann bleibt sie stehen. Grund dafür ist, dass die Dichte von Alkohol geringfügig kleiner ist als die Dichte von Wasser. Die Flasche wurde so optimiert, dass dieser kleine Dichteunterschied genau zwischen Stehenbleiben und Umfallen entscheidet.
Um das zu erreichen, muss die Wand der Flasche angepasst werden. Sie ist auf einer Seite viel dicker als auf der anderen, um den Schwerpunkt der Flasche genau richtig zu justieren. Angepasst wird das ganz automatisch am Computer, mit einem mathematischen Optimierungsverfahren, das Przemyslaw Musialski und sein Team an der TU Wien entwickelt haben.
"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, so dass es die Wunschvorgaben erfüllt."
Dabei muss man dem Computer noch zusätzliche Beschränkungen auferlegen. Das Objekt muss am Ende von einem 3D-Drucker produziert werden können. Allzu komplizierte, zackige Formen sind also ungünstig, der Computercode favorisiert einfache, weiche Formen. Ob auch die äußere Form angepasst werden darf oder ob sie streng vorgegeben ist, kann von Fall zu Fall entschieden werden.
"Unsere Methode hat eine ganze Reihe von Vorteilen", sagt Przemyslaw 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 sollen dann dafür sorgen, dass die User-generierten Objekte auch zuverlässig die nötigen physikalischen Eigenschaften haben.
Für die Entwicklung der Methode wurde Przemyslaw Musialski mit dem Austrian Computer Graphics Award (ACCA) in der Kategorie "Best Technical Solution" ausgezeichnet. Der Preis wurde bei der "PixelVienna", einer internationalen Konferenz für Computergraphik und Animation überreicht.
