GIS: Geländemodelle aus dem 3D-Drucker

Geologen an der Iowa State University haben eine Web-Applikation entwickelt, mit der sich schnell und einfach Geländemodelle mit einem 3D-Drucker drucken lassen. Die Software namens TouchTerrain könnte als Lernwerkzeug im geologischen Studium Anwendung finden.

Studenten können alles Mögliche über geologische Falten, axiale Ebenen, Flexuren, antiformale Synklinalen oder synformale Antiklinalen lesen. Aber es kann sich immer noch schwierig gestalten, genau das zu visualisieren, worüber die Geologen sprechen. Eine bessere Möglichkeit ist, sich vor Ort umzuschauen und zur Carl F. Vondra Geology Field Station der Iowa State University nahe Shell, Wyoming zu reisen. Die Feldstation befindet sich in der nördlichen Mitte des Gliedstaats am Westabhang der Bighorn Mountains. Nebenan liegt der Sheep Mountain, eine bekannte und typische Antiklinale. Der Bighorn-Fluss hat einen Canyon in den Berg geschnitten und die Studenten können am Fluss entlang wandern, um einen guten Einblick in den Querschnitt der offenliegenden geologischen Falte zu gewinnen. Aber die meisten haben keine Möglichkeit, zum Sheep Mountain zu kommen. TouchTerrain soll nun mit einer anderen Option Abhilfe schaffen.

Die Web-Anwendung ist open source und für den privaten Einsatz kostenlos über das GeoFabLab der Universität erhältlich. Mit ihr kann man mit einem 3D-Drucker Geländemodelle von überall, auch vom Meeresgrund, einfach und schnell ausdrucken. Um das zu veranschaulichen, platziert der Geologe Prof. Franek Hasiuk vier Kacheln aus 3D-gedrucktem Kunststoff, jede ungefähr 26 cm² groß, auf dem Tisch vor ihm. Er legt sie zusammen und es ergibt sich ein maßstäbliches Modell des Sheep Mountain  und seines zentralen Rückens, der über das Bighorn-Becken emporragt.

Diese Lerntool kann Studenten helfen, eine Antiklinale zu sehen und zu berühren, — eine eindrücklichere Erfahrung, als eine Karte oder einen Computerbildschirm zu konsultieren. Chris Harding, Associate Professor of Geology, ist überzeugt, dass dies ein Schlüsselbaustein sein könne, gelte es, zu verbessern, wie sich Studenten mit der Oberflächenstruktur der Erde vertraut machten. Aber damit es sich wirklich sinnvoll einsetzen lasse, so Hasiuk, müsse es einen schnellen, einfachen und zuverlässigen Weg geben, die Geländemodelle zu erstellen.

Eine komplexe Aufgabe

Ein 3D-Geländemodell zu erstellen, dass sich in konsistenter Qualität auf jedem kommerziellen 3D-Drucker ausgeben lässt, ist keine einfache Aufgabe. Sie erfordert, geografische Informationssysteme, Computer-Geometrie, Konstruktions- und Fertigungssoftware und die 3D-Drucktechnik gleichermaßen zu verstehen.

Im Entwicklungsteam von TouchTerrain brachte Harding die GIS-Expertise ein, Hasiuk die Erfahrung im 3D-Druck geologischer Samples, Alex Renner, Doktorand im Mechanical Engineering kannte sich mit den Simulationen für den 3D-Druck aus und Levi Baber, ein IT-Manager, kümmerte sich um die Server-Technologie.

Sogar wenn ein Dozent mit Erfahrungen mit GIS, CAD und 3D-Druck aufwarten könne, erweise sich das Erstellen eines guten Geländemodells, das sich in 3D drucken lasse, mitunter als ein langwieriger und aufwendiger Prozess.

Eine noch höhere Hürde besteht darin, Modelle wie etwa den Grand Canyon aus mehreren Kacheln zu schaffen, die für den Unterricht groß genug sind und diese nahtlos aneinander zu fügen.  Harding erklärt: „Unsere Anwendung macht es sehr einfach, große physische Modelle zu erstellen, indem sie das gewünschte Gebiet in eine Vielzahl von Kacheln aufteilt, die dann separat gedruckt und zusammengefügt werden, um eine viel größere 3D-Karte zu erzeugen.“

Modelle für jeden

Auf der TouchTerrain-Website erkennt man im roten Rahmen eine Landkarte mit dem Sheep Mountain in Wyoming (http://touchterrain.geol.istate.edu). Man kann in die Karte hineinzoomen und den roten Rahmen verschieben. Ist der zu druckende Bereich schließlich ausgewählt, kann man die Einstellungen für den 3D-Drucker anpassen, die Datei exportieren und in ein druckbare Datei konvertieren. Dabei können einzelne Bereiche des Gelände auch besonders herausgehoben werden, um feine Details hervortreten zu lassen.  

Die Kosten

Der Betrieb des 3D-Druckers kostete rund 1 US-Dollar pro Stunde, ein Modell mit 26 cm² Fläche etwa 2 Dollar, rechnet Harding vor. Die Forscher hoffen, dass TouchTerrain-Modelle mit ihrer einfachen Erstellung und den moderaten Kosten mehr Dozenten der Geowissenschaften in die Lage versetzt, 3D-gedrucktes Lehrmaterial in ihren Kursen zu verwenden. Im nächsten Schritt sollen die Funktionen der Anwendung erweitert werden. Es soll den Dozenten dann möglich sein, besondere Orte mit besonderen geologischen Konzepten zu verbinden. Hasiuk nimmt ein rotes Plastik-Geländemodells der nördlichen Mitte von Iowa in die Hand, eine hügelige Moränenlandschaft bekannt unter dem Namen Des Moines Lobe. Das Modell zeige die Effekte der eiszeitlichen Aktivität und repräsentiere die Qualitäten von TouchTerrain. „Das können Sie nirgends kaufen“, sagt Hasiuk. „Niemand macht Ihnen jemals ein Geländemodell von Central Iowa, aber das ist sehr sinnvoll, wenn Sie über Ihre Umgebung sprechen wollen.“

Bild: Alex Renner, links, und Chris Harding, zwei der Entwickler von TouchTerrain, mit der Web-Applikation, die den 3D-Druck von Geländemodellen schneller und einfacher macht. Photo: Christopher Gannon.