Schwebender Fisch, kippende Flasche

Ein Kunststoff-Fisch wird ins Wasser geworfen und schwebt knapp unter der Wasseroberfläche. Das funktioniert, 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 Sonderwünsche einfach realisieren lassen: An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, mit der man den inneren Hohlraum von Objekten aus dem 3D-Drucker so anpassen kann, dass ihre Balance oder andere physikalische Eigenschaften genau zum Einsatzzweck passen.

Was man am Institut für Computergraphik und Algorithmen der TU Wien nach diesem Verfahren produziert hat, sieht auf den ersten Blick aus wie Kinderspielzeug, hat aber einen wissenschaftlichen Hintergrund. So wurde die Drehachse einer Plastikschildkröte so angepasst, dass man sie als Kreisel verwenden kann. 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. Füllt man sie allerdings mit Alkohol, bleibt sie stehen – weil die Dichte von Alkohol geringfügig kleiner ist als die von Wasser. Die Flasche wurde so optimiert, dass dieser kleine Unterschied zwischen Stehenbleiben und Umfallen entscheidet.

Um das zu erreichen, muss die Wand der Flasche auf einer Seite viel dicker als auf der anderen sein. Angepasst wird das 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. Die Berechnung dauert nur einige Sekunden, ist wenig fehleranfällig und soll sich im Vergleich zu ähnlichen Methoden für viele, ganz unterschiedliche Optimierungsaufgaben verwenden lassen.

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 „Pixel Vienna“, einer internationalen Konferenz für Computergraphik und Animation, überreicht. (op)■