KAPITEL 15

DER WORKSHOP FÜR DAS 21. JAHRHUNDERT

Wie man ein Digital Maker wird.

Ich hoffe, dass Sie nach der Lektüre dieses Buches Lust bekommen haben, es selbst auszuprobieren. Wo Sie anfangen sollen? Die Antwort hängt natürlich davon ab, was Sie machen wollen, und es gibt so viele Antworten auf diese Frage, wie es Menschen gibt, die diese Frage stellen. Als Maker kann man einfach am Küchentisch etwas basteln oder eine ganze Werkhalle benutzen. Es gibt viele Quellen, an die Sie sich als Maker halten können, wie die wunderbare Zeitschrift Make, Websites wie Instructibles und zahllose Zeitschriften und Websites für Handwerker.

Aber das Thema dieses Buches ist die Macht digitaler Werkzeuge, die Revolution der Desktop-Fabrikation. Daher möchte ich Ihnen mit diesem Anhang einen Leitfaden für Ihre ersten Schritte in diesem Bereich geben und die bei Drucklegung des Buches empfehlenswertesten Werkzeuge auflisten.

Dabei stütze ich mich überwiegend auf persönliche Erfahrungen. Ich habe in unserem Keller eine kleine Werkstatt, die mit den Werkzeugen ausgestattet ist, die ich für Projekte mit den Kindern brauche, ein paar Roboter, etwas Elektronik, und für allgemeine Experimente mit digitaler Fabrikation.⁵⁴ Einiges steht dort, das ich hier aufliste, aber mit allem auf der Liste habe ich persönliche Erfahrungen gesammelt, und ich kann alles empfehlen.

Erste Schritte mit CAD

Warum? Alle digitalen Entwürfe haben mit Software zu tun. Egal, ob Sie Designs herunterladen oder sie selbst erzeugen, Sie werden irgendein Bearbeitungsprogramm verwenden müssen, um die Designs am Bildschirm zu bearbeiten.

CAD ist das Textverarbeitungsprogramm der Fabrikation. Sie können damit Ihre Ideen auf den Bildschirm bringen und bearbeiten. Es gibt verschiedene CAD-Programme: vom kostenlosen und relativ einfachen Google SketchUp bis zu komplexen, mehrere Tausend Dollar teuren Programmpaketen wie SolidWorks und AutoCAD, das von Ingenieuren und Architekten benutzt wird.

Es gibt außerdem noch viele spezialisierte CAD-Programme, mit denen man gedruckte Leiterplatten für Elektronikbauteile entwerfen kann (wie das EAGLE-Programm von CadSoft), oder andere für den Entwurf von biologischen Molekülen. In diesem Anhang werde ich mich allerdings auf die Programme beschränken, mit denen man Objekte entwerfen kann, die Sie mit einem 3-D-Drucker, einer CNC-Maschine oder einem Lasercutter herstellen können.

Zunächst muss man zwischen 2-D- und 3-D-Designs unterscheiden. Manche Fabber, einfache Lasercutter etwa, schneiden flaches Material wie eine Schere. Es sind 2-D-Geräte, und daher brauchen Sie auch nur ein 2-D-Bild, um sie zu steuern. Solche Bilder lassen sich mit jedem »Vektor«-Zeichenprogramm, etwa Adobe Illustrator oder CorelDRAW, einfach erzeugen.

Diese Zeichenprogramme ähneln dem einfachen »Paint«-Programm, das bei den Betriebssystemen von Windows und Mac kostenlos mitgeliefert wird, aber mit dem Unterschied, dass jede Linie und jede Form ein »Objekt« ist, das jeweils getrennt bearbeitet, bewegt, gedehnt oder gelöscht werden kann. Wenn Sie fertig sind, werden diese Linien als »Werkzeugwege« für den Schneidekopf des Lasercutters oder eines einfachen CNC-Routers interpretiert: Sie sagen dem Schneidekopf, wo er sich hinbewegen und schneiden soll. Diese Programme sind einfach in der Benutzung, und meist muss man nur ein paar Standardformen auswählen, Kreise und Rechtecke, und sie einfach dehnen und miteinander kombinieren, um die Form zu bekommen, die man aus Holz-, Kunststoff- oder dünnen Metallplatten ausgeschnitten haben will.

Empfehlungen für 2-D-Zeichenprogramme

• Kostenlos: Inkscape (Windows, Mac)
• Kostenpflichtig: Adobe Illustrator (Windows, Mac)

Für komplexere Objekte, die mit einem 3-D-Drucker ausgedruckt oder von einer dreiachsigen CNC-Maschine ausgefräst werden sollen, benötigen Sie ein 3-D-Zeichenprogramm. Sie formen praktisch ein 3-D-Objekt auf einem 2-D-Computerbildschirm, und dazu braucht es etwas mehr geistige und visuelle Beweglichkeit. Es sind dieselben Werkzeuge, die in Hollywood und in der Videospielbranche benutzt werden, um grafische Computeranimationen zu entwerfen, aber Sie wollen damit Objekte erstellen, die aus echter Materie hergestellt werden können. Der Prozess ist grundsätzlich derselbe, aber Sie müssen sorgfältiger darauf achten, dass die Teile, die sich berühren sollen, es auch tatsächlich tun, und dass es keine Lücken gibt, die den 3-D-Drucker oder die CNC-Maschine verwirren könnten (das gefürchtete »leaky mesh«-Problem).

Üblicherweise beginnen Sie bei einem 3-D-CAD-Programm damit, »geometrische Primitive«, also Rechtecke und Kreise, auf dem Bildschirm zu platzieren und sie dann zu »extrudieren«, indem Sie sie zu 3-D-Objekten auseinanderziehen, die Sie dann weiterbearbeiten können. Wenn man ausreichend viele solche Elemente miteinander kombiniert, kann man alles damit entwerfen, von den kompliziertesten Mechanismen bis zu menschlichen Körpern.

Empfehlungen für 3-D-Zeichenprogramme

• Kostenlos: Google SketchUp (Windows, Mac), Autodesk 123D (Windows), Tinkercad (Web)
• Kostenpflichtig: SolidWorks (Windows, Mac)

Erste Schritte mit 3-D-Druck

Warum? Wenn Sie sich etwas vorstellen können, können Sie es auch herstellen. Ein 3-D-Drucker ist das ultimative Werkzeug für die Herstellung von Prototypen, der schnellste Weg, um aus Bits auf dem Bildschirm Atome in Ihrer Hand zu machen. Die Geräte für den Hausgebrauch sind aber immer noch ziemlich unausgereift. Was Sie damit herstellen, funktioniert wahrscheinlich, aber es sieht nicht sehr schön aus.

Noch vor wenigen Jahren kosteten 3-D-Drucker mehrere Zehntausend Dollar und wurden nur von Profis benutzt. Dank einer Welle von Open-Source-Projekten, die mit dem RepRap-Drucker und dem beliebten MakerBot begannen, sind die Preise für 3-D-Drucker unter 1000 Dollar gefallen und inzwischen gibt es Drucker in Schulen, Privathaushalten und zahllosen Makerspaces.

Alle 3-D-Drucker, die um 1000 Dollar kosten, bauen Objekte aus Lagen geschmolzenen ABS-Kunststoffs auf, der in Form von Schnüren in verschiedenen Farben ausgegeben wird. Daraus entsteht ein widerstandsfähiges, biegsames Material, aber die Auflösung ist auf höchstens einen halben Millimeter begrenzt. Die Ausdrucke sehen ganz gut aus, aber sind immer noch weit entfernt von der glatten und nahtlosen Qualität, die professionelle 3-D-Laserdrucker liefern.

Ich empfehle hier den MakerBot Replicator, den ich selbst aktuell benutze, aber diese Branche ist äußerst schnelllebig, und es wird, wenn Sie dies lesen, zweifellos bereits billigere und bessere Optionen geben (von denen manche zweifellos von MakerBot Industries kommen werden).

Am besten lassen sich diese 3-D-Drucker für den Verbrauchermarkt mit den Matrixdruckern vergleichen: Sie eignen sich hervorragend für Entwürfe und Prototypen, aber für die endgültige Version greift man doch immer noch lieber auf einen professionellen Druckdienstleister zurück wie Shapeways oder Ponoko.

Empfehlungen für 3-D-Drucklösungen

• Drucker: MakerBot Replicator (beste Community), Ultimaker (größer, schneller, teurer)
• Dienste: Shapeways, Ponoko

Erste Schritte mit 3-D-Scans

Warum? Richtig eingerichtet digitalisieren 3-D-Scanner die Welt schneller als CAD-Software.

Eine der größten Schwierigkeiten bei der Arbeit mit 3-D-Objekten ist, sie erst einmal zu erzeugen. Man kann diesen Prozess deutlich abkürzen, indem man ein existierendes Objekt einscannt und die 3-D-Repräsentation dann mit einem CAD-Programm bearbeitet. Diese Art des 3-D-Scans nennt man »Reality Capture« (wörtlich: Erfassung der Realität). Sie werden in der Regel mit speziellen Scannern durchgeführt oder indem man viele Einzelbilder mit einem normalen Fotoapparat macht, die dann mithilfe intelligenter Software zusammengeführt werden.

Professionelle 3-D-Scanner kosten mehrere Tausend Dollar, aber man bekommt auch mit billigen oder sogar kostenlosen Produkten, die eine Digitalkamera benutzen, überraschend gute Resultate, wenn man auf die Beleuchtung achtet.

Die einfachste Möglichkeit ist, mit einer guten Digitalkamera viele Bilder eines Objekts zu machen von allen Seiten, und dann mithilfe der kostenlosen 123D-Catch-Software von Autodesk die Bilder in die Cloud hochzuladen, wo sie zusammengeführt und als »Punktwolke« zurückgeschickt werden, die gedreht und bearbeitet werden kann. Am besten funktioniert dies bei Objekten, die man von allen Seiten in natürlichem Licht vor vielfältigen Hintergründen fotografieren kann, etwa einem Stuhl oder auch einem Raum.

Bei kleineren Objekten ist man mit einem Einzel-3-D-Scanner besser beraten, der eine Kamera mit einem Streifenprojektor kombiniert, der ein Objekt mit einem bestimmten Lichtmuster anstrahlt, damit alle Einzelheiten erfasst werden können. Wenn man einen günstigeren, auf einer Webcam basierenden Scanner benutzt, etwa den unten aufgelisteten MakerBot, muss per Software kräftig nachgearbeitet werden. Wenn Sie das vermeiden wollen, brauchen Sie einen professionellen Scanner, der mehrere Tausend Dollar kostet. Wenn Sie relativ selten und nur kleine Objekte einscannen wollen, dann ist ein Scanservice, bei dem Sie die Objekte einschicken können, die bessere Lösung.

Eines Tages werden 3-D-Scanner so allgegenwärtig sein wie der 2-D-Flachbettscanner, der wahrscheinlich in den Multifunktionsdrucker auf Ihrem Schreibtisch bereits integriert ist. Aber derzeit ist die 3-D-Scantechnologie noch recht umständlich. Ein Objekt abzulichten ist ziemlich einfach, aber in die Aufbereitung der Bilder per Software, um sie am Bildschirm weiterbearbeiten zu können, muss man sich erst einarbeiten.

Empfehlungen für 3-D-Scanlösungen

• Software: Freeware Autodesk 123D Catch (iPad, Windows)
• Hardware: MakerBot 3D Scanner (setzt eine Webcam und einen Pico-Projektor voraus). Für die Aufbereitung der Bilder empfehle ich die MeshLab-Software.

Erste Schritte mit Laserschnitt

Warum? Mit einem Lasercutter kann jeder etwas Cooles herstellen, egal ob Schmuck, Vogelhäuschen oder sogar Möbel. Wenn Sie es auf Papier zeichnen können, dann können Sie es auch herstellen.

Die einfachste Form digitaler Herstellung stellt der Lasercutter dar. Sie brauchen nur eine 2-D-Zeichnung (siehe den Abschnitt oben über 2-D-CAD) oder ein 3-D-Bild, das per Software, etwa die Freeware-App 123D Make, automatisch in 2-D-Querschnitte »zerlegt« wird. Die Maschine erledigt dann den Rest und zeichnet die Linien mit einem Hochleistungslaser nach, der durch Holz, Kunststoff und sogar dünnes Metall schneidet.

Lasercutter sind einfach anzuwenden, aber für die private Werkstatt braucht man sie meist nicht, weil man sehr einfach seine Daten bei einem Dienstleister hochladen kann, der die Objekte in wenigen Tagen günstig herstellt. Im Gegensatz zu aufwendigeren 3-D-Herstellungsmethoden weiß man beim Lasercutter im Voraus recht genau, was dabei herauskommt, und die Websites der Dienstleister unterstützen den Anwender bei der Auswahl des richtigen Materials. Lasercutter sind meist verhältnismäßig teuer für eine private Werkstatt. Die billigsten, die Material mit akzeptabler Dicke durchschneiden können, kosten um 2000 Dollar. Wenn man Kunststoff schneidet, können außerdem unangenehme Dämpfe entstehen, sodass man ein gutes Belüftungssystem braucht.

Daher empfehle ich Ihnen, entweder die Lasercutter im örtlichen Makerspace, etwa TechShop, zu benutzen, oder Ihre Daten an einen Dienstleister zu schicken, der außerdem noch das Rohmaterial günstig für Sie beschafft.

Empfehlungen für Laserschnittlösungen

• Dienstleister: Ponoko.com
• Software: Autodesk 123D Make (Windows, Mac)

Erste Schritte mit CNC-Maschinen

Warum? Sie sind recht einfach zu benutzen, verarbeiten fast jedes Material, und es gibt Desktop-Versionen, die billiger und kleiner sind als Lasercutter.

Alle 3-D-Drucker verwenden »additive« Fertigungsverfahren, das heißt, dass mehrere Schichten eines Materials zu einem Objekt aufgeschichtet werden. Daher können nur Materialien verwendet werden, die man schmelzen kann, und für Billigdrucker heißt das: Kunststoff. Wenn man günstig Dinge aus anderen Materialien herstellen will, etwa aus Holz oder Metall, ist man mit »subtraktiven« Verfahren besser beraten. Dabei kommen rotierende Schleifwerkzeuge oder Schneideköpfe zum Einsatz, die Material entfernen. Statt also Material anzulagern, wo das Objekt »ist«, wird dort Material entfernt, wo es »nicht ist«.

Die einfachsten CNC-Maschinen bestehen nur in einer Haltevorrichtung für ein Elektrowerkzeug wie Dremel, die sich auf Schienen computergesteuert in drei Richtungen bewegen kann (x, y und z). Ein Computerprogramm legt die Werkzeugpfade für ein 3-D-Objekt fest und bewegt das Druckwerkzeug entsprechend. Ein Fräskopf schleift Material ab, bis das gewünschte Objekt übrig bleibt. Teurere Geräte benutzen spezielle Werkzeugaufsätze, die fräsen, schneiden und sogar polieren können.

Im Gegensatz zu einem Lasercutter kann ein CNC-Router oder eine CNC-Fräse präzise in drei Dimensionen arbeiten, sodass sie komplexere Objekte mit verschiedenen Schichten herstellen kann. Die teureren Geräte verfügen über vier oder sogar fünf Bewegungsachsen, sodass der Werkzeugkopf alle Ecken und Winkel eines Objekts erreicht.

Anfänger können eine CNC-Maschine wie eine normale Stichsäge verwenden und damit präzise Muster aus einem flachen Material ausschneiden, Sperrholz etwa. Erfahrenere Benutzer können komplexere 3-D-Objekte herausfräsen, von Gießformen aus Aluminium für Kunststoffspritzguss bis zu Roboterteilen aus Metall.

Empfehlungen für CNC-Lösungen

• Hobbyversion (Dremel-Werkzeug): MyDIYCNC
• Halbprofessionelle Version: ShopBot Desktop

Erste Schritte mit Elektronik

Warum? Ein Großteil der Maker-Bewegung beschäftigt sich damit, physische Objekte intelligenter zu machen: Sensoren werden eingebaut, die Objekte programmierbar gemacht und mit dem Internet verbunden. So entsteht das »Internet der Dinge«, und es beginnt mit einfachen Elektronikbauteilen wie dem Arduino Physical Computing Board.

Für Ihre ersten Schritte in der Digitalelektronik brauchen Sie eigentlich nur eine Grundausstattung von Arduino, ein Multimeter und einen anständigen Lötkolben. Je nachdem, was Sie machen wollen, sollten Sie unterschiedliche Sensoren oder Antriebselemente ausprobieren, wie Servos und Motoren. Es war noch nie so einfach wie heute, zu finden, was Sie brauchen, und Firmen wie SparkFun und Adafruit bieten nicht nur alle Teile an, die Sie brauchen werden, sondern auch Tutorials, großartige Produktanleitungen und eine riesige Community als Unterstützung. Wir leben tatsächlich im zweiten Goldenen Zeitalter für Elektrobastler! (Das erste begann nach dem Zweiten Weltkrieg mit dem Amateurfunk und hatte seinen Höhepunkt in der Heathkit-Ära in den 1970er-Jahren. Danach verdarben undurchschaubare Mikrochips einer Generation von Bastlern den Spaß, bis Open-Source-Hardware in den letzten Jahren neue Möglichkeiten eröffnete.)

Wenn Sie danach weitermachen wollen, besorgen Sie sich einen digitalen Logikanalysator, ein USB-Oszilloskop und eine schicke Lötstation. Aber für den Anfang werden Sie mit den unten aufgelisteten Gegenständen mehr erreichen, als Sie jemals für möglich gehalten hätten.

Empfehlungen für eine Elektronikausstattung

• Grundausstattung: Adafruit Arduino-Starterset
• Lötkolben: Weller WES51-Lötstation
• Multimeter: SparkFun-Digitalmultimeter