Fotos aus dem 3D-Drucker: So gelingen Lithophanes perfekt

3D Wissen

Bei der Lithophanie handelt es sich um eine uralte Kunst-Technik, die früher von sehr geschickten Künstlern aus Porzellan oder Glas von Hand gefertigt wurde. Lithophanien sind ein -meist monochromes- Bild, das erst durch die Beleuchtung von hinten sichtbar wird. Dies wird dadurch erreicht, indem Bildteile, die dunkel sind dick und helle Stellen dünn gefertigt werden. Lithophanien werden zumeist vor eine Kerze, LED, Glühbirne oder andere Lichtquelle gestellt oder als Lampenschirm oder Teelicht gefertigt. Auch das Anbringen an Fenster ist beliebt, so dass durch das durchscheinende Tageslicht das Bild sichtbar wird.

Findige Tüftler kamen vor ein paar Jahren auf die Idee, mit 3D-Druckern Lithophanien herzustellen. Man lädt einfach ein Foto, das in Graustufen umgerechnet wird und dann als 3D-Modell in den Slicer geladen wird. Dieser 3D-Druck-Einsatzzweck ist äußerst populär, insbesondere da man für ein extrem individuelles Objekt (oder Geschenk) aus dem 3D-Drucker kein 3D-Modell (z.B. einen 3D-Scan) benötigt, was die meisten Menschen überfordert oder schlichtweg zu teuer/aufwendig ist. Alles was man braucht ist ein Foto.

Einige Slicer, wie z.B. Cura (ab Version 13.11) unterstützen Lithophanes direkt, d.h. man lädt einfach ein Bild (z.B. als JPEG), und der Slicer rechnet es in ein Lithophane um. Einstellmöglichkeiten beim Erzeugen der Lithophanes gibt es hier jedoch keine (die Dicke kann jedoch variiert werden durch Skalierung in der Litho-Achse, das Objekt lässt sich auch in die Vertikale drehen), deshalb verwendet man zum Erzeugen des Modells lieber Webservices wie diesen.(oder diesen, welcher jedoch deutlich weniger Einstellungsmöglichkeiten hat). Es gibt auch eigene Software dafür (siehe auch hier oder -kostenpflichtig- hier).

Damit das Lithophane perfekt wird, sind jedoch einige Dinge zu beachten und Vorbereitungen in einem Bildbearbeitungsprogramm sowie gewisse Einstellungen im Lithophane-Webservice und im Slicer zu treffen. Wir verraten Ihnen, worauf Sie achten müssen.

Bildauswahl und -Vorbereitung

Es gibt Bilder, die sich ideal als Lithophanie eignen und andere, die sehr suboptimal aussehen. Da Lithophanien monochrom sind, ist grundsätzlich jedes Bild, das von Farbwirkung lebt natürlich ungeeignet. Auch Unschärfe funktioniert bei Lithophanie schlecht, da der Wow-Effekt der Technik von scharfen Kanten lebt. Bilder mit guter Kontrastverteilung, d.h. hell/dunkel ungefähr zu gleichen Teilen, mit möglichst wenig Rauschen und sichbaren Kanten, eignen sich hervorragend. Achten Sie auch darauf, dass die Auflösung des Bildes gut genug ist, damit Bild-Details auch herauskommen und sie das Bild auch groß genug 3D-drucken können.

Ob Sie ein Foto, ein Logo oder ein abstraktes Muster als Lithophanie drucken wollen, bleibt Ihnen überlassen. Für den Lampenschirm eignen sich z.B. abstrakte Muster vielleicht eher als ein Foto. Doch die oben genannten Regeln gelten auch für Logos und Muster.

Vorbereitung

Die verfügbare Lithophanie-Software rechnet alle Farb-Bilder beim Import automatisch in Graustufen um. Hierbei muss man wissen, dass es verschiedene Ansätze gibt, ein Graustufenbild zu erzeugen (Beispiele s.u.). Die einfachste und qualitativ schlechteste ist es, einfach die Farbe aus dem Bild zu nehmen indem man R, G und B zusammenrechnet und durch drei teilt: (R+G+B) / 3. Dies passiert z.B., wenn man im Bildbearbeitungsprogramm den Sättigungsregler auf 0 dreht. Ein besserer Ansatz ist die gewichtete Graustufen-Umrechnung, welche berücksichtigt, dass das menschliche Auge für einzelne Farbanteile (z.B. grün) empfindlicher ist als für andere (z.B. blau). Die Formel lautet: 0,21*R + 0,72*G + 0,07*B. Diese Methode wird in Bildbearbeitungsprogrammen üblicherweise verwendet, wenn man ein Bild in Graustufen konvertiert. Welchen Ansatz die jeweilige Lithophanie-.Software verwendet, ist nicht klar, deshalb bevorzugen wir es, die Graustufenkonvertierung selbst zu machen.

Das beste Ergebnis erreicht man dabei, wenn man eine manuelle Schwarzweiss-Konvertierung macht, in welcher man die einzelnen Farbanteile (nicht nur rot, grün und blau, auch die Mischfarbenanteile gelb, lila und cyan) von Hand gewichtet. Nur damit werden für jedes individuelle Bild alle Details und wichtigen Bildteile (z.B. Gesichter) in Schwarzweiss optimal abgebildet. In Photoshop finden Sie diese Funktion z.B. unter Bild/Korrekturen/Schwarzweiss.

Eine Tonwertkorrektur für den optimalen Kontrast sollten Sie sowohl vor wie auch nach der Graustufenkonvertierung machen. Achten Sie dabei darauf, dass Sie bei der Tonwertspreizung die Weiss- und Schwarz-Regler so weit in die Mitte bewegen, dass alle wichtigen Details des Bildes noch sichtbar sind. Spielen Sie auch mit dem mittleren Grau-Regler, um eine möglichst optimale Helligkeits-Verteilung zu erreichen.

Eventuelles Rauschen sollten Sie auf ein Minimum reduzieren (bei sehr hoher Bildauflösung auch gerne durch Herunterskalieren), da dies in der Lithophanie einfach nur unsauber aussieht. Auch geditherte Bilder (z.B. ein GIF mit reduzierter Palette) kommen als Lithophanie sehr hässlich raus.

Beim Abspeichern des Bildes sollten Sie ein möglicht artefaktfreies Bildformat verwenden, damit keine Rand-Artefakte oder JPEG-Blöcke sichbar werden. PNG ist hier ideal, aber auch JPEG mit hoher Qualität funktioniert (da das Bild in Graustufen ist, ist eine hohe Qualität zwingend notwendig!). Wählen Sie die Auflösung dabei so hoch wie möglich, wir skalieren das Bild während der Lithophanie-Erzeugung dann in die Zielgröße.

Schwarzweiss-Konvertierung durch Sättigungsreduktion

Schwarzweiss-Konvertierung durch gewichtete Graukonvertierung

Manuelle Schwarzweiss-Konvertierung mit individueller Gewichtung der einzelnen Farben

Die Lithophanie erzeugen

Wir verwenden dafür diesen Webservice, da dieser sich am flexibelsten einstellen lässt und auch (im Gegensatz z.B. zu Cura) verschiedene Lithophanie-Formen unterstützt. Grundsätzlich gilt, dass vertikal gedruckte Lithophanien deutlich besser herauskommen als flach gedruckte horizontale. Nicht nur, dass man sich bei vertikalen nicht mit der Optik verschiedener Slicer-Infill-Muster herrumärgern muss, auch die Druckzeit ist zumeist schneller und v.a. besser kalkulierbar als horizontal, wo Details im Bild die Druckzeit massiv verlängern. Der wichtigste Grund ist jedoch, dass 3D-Drucker in Z-Richtung immer am schlechtesten auflösen - d.h. die Graustufen in Z-Richtung abzubilden, ist eine sehr schlechte Idee. Selbst bei ultradünnen Schichten von 0.05mm (die die Druckzeit massiv verlängern und die beileibe nicht alle Drucker schaffen), werden Verläufe, z.B. in unscharfen Bildteilen, deutlich schlechter aussehen als vertikal gedruckt ("banding"-Effekt. d.h. Streifenbildung).

Selbst, wenn sie die Lithophanie "flach" drucken wollen, sollten Sie dies vertikal tun - allerdings mit Hutkrempe (Brim), damit das Objekt genügend Haftungsfläche hat.

Einstellungen

Oben bei "Settings" können Sie diverse Parameter verstellen. Bei "Image Settings" können Sie die Graustufen des Bildes invertieren, es spiegeln oder mehrfach in x oder y vervielfachen (auch gespiegelt), was insbesondere für Muster sehr nützlich ist. Unter "Model Settings" finden Sie diverse wichtige Einstellungen: "Maximum Size" legt die Höhe des Druckobjekts in Y-Richtung fest (die Breite definiert sich durch das Seitenverhältnis des Bildes). Wichtig: die Skalierung sollten Sie nur hier vornehmen, das 3D-Objekt selbst sollten sie im Slicer später nicht mehr -wie bei 3D-Drucken gerne gemacht- skalieren (und wenn dann kleiner - auf keinen Fall größer!)! Der Grund: Das Lithophane-Objekt ist effektiv ein 3D-Pixelbild, und die nachträgliche Skalierung führt -wie bei 2D-Pixelbildern- zu unterwünschten Interpolationen, d.h. feine schräge Linien z.B können bei nachträglicher Skalierung beim Druck Treppchen aufweisen. Spätere Rotation und Verschieben ist allerdings ohne Qualitätseinbußen möglich, d.h. Sie können das Modell flach liegend erstellen und dann im Slicer in die Vertikale rotieren.

"Thickness" legt fest, wie dick die dicksten Teile (=schwarz) des Bildes sein sollen (wir nehmen hier gerne 2.6mm), "Thinnest Layer" definiert die dünnsten Teile. Letzteres nicht zu dünn wählen, es sollten mindestens 2 Filament-Linien sein (d.h. idR 0.8mm, wir nehmen immer 0.6mm). Machen Sie es so dünn, dass das Druckobjekt nach dem Slicen keine Löcher hat. "Border" macht einen entsprechend breiten Rahmen in der dünnsten Stärke (=weiss) ums Bild, "Vectors per Pixel" legt die Genauigkeit der Umrechnung des Pixelbildes ins 3D-Modell fest. Der Ursprungswert 4 genügt hier eigentlich, sie sollten nicht mehr als maximal 6 einstellen, da die Berechnung des Objekts dann ewig braucht und das Modell riesig groß wird, "Base/Stand depth" macht einen rechtwinkligen Fuß unten ans Objekt in der gewünschten Breite, z.B. damit flache Lithophanien auf dem Tisch stehen können. Und "Curve" legt letztendlich die Krümmung fest - aber nur bei den entsprechenden Formen (d.h. Inner Curve, Outer Curve und Rectangular Pillow). Achtung: Die Formen "Rectangular Pillow", "Solid Cylinder", "Heart" und "Dome" sind aus einem unerfindlichen Grund innen solide,. d.h. Sie müssten diese mit einem 3D-Programm erst hohl machen, um echte Lithophanien zu bekommen (wichtig: Nicht einfach in eine Außenhülle mit bestimmter Dicke verwandeln wie z.B. beim SLA-Druck üblich! Sonst ist im Gegenlicht kein Bild mehr erkennbar, da die Wandstärke überall gleich dick ist!). Ein Trick, um dennoch eine hohle röhrenförmige Lithophanie (z.B. Teelicht, Lampenschirm) ohne Nachbearbeitung zu erzeugen ist, "Outer Curve" als Form zu wählen und den "Curve"-Wert unter "Model Settings" auf 360 Grad hochzustellen.

Nachdem alles richtig eingestellt wurde, sollten Sie in der 3D-Ansicht nochmal überprüfen (linke Maustaste: drehen, rechte Maustaste: schieben, Mausrad: Zoomen), ob alles passt (z.B. die Krümmung oder ob die dunklen Bildstellen auch wirklich die dicken Stellen des Druckobjekts sind), dann klicken Sie zur Sicherheit nochmal auf "Refresh" und laden das generierte STL mit dem "Download"-Button herunter. Bitte auch die Nahtstelle prüfen bei zylindischen Lithophanien!

Lithophanien perfekt slicen und drucken

Der dritte Schritt nach Vorbereitung des Bildes und Erzeugung des 3D-Modells ist der Druck selbst. Lithophanien benötigen ganz spezielle Einstellungen, damit sie optimal aussehen, d.h. am besten legen Sie dazu in ihrem Slicer ein eigenes entsprechend benanntes Druckprofil an.

Wichtig ist, dass Lithophanien immer vollständig solide gedruckt werden, da Hohlräume im Inneren im Gegenlicht sichtbar werden. Viele Tutorials empfehlen dafür, den Infill auf 100% (empfohlenes Füllmüster, auch für top/bottom layers: concentric) hochzudrehen, aber da bei der Überschneidung zwischen Außenschicht ("Perimeter") und Füllung ("Infill") Ungenauigkeiten und winzige Hohlräume entstehen können und der Drucker bei so kurzen Zickzack-Bewegungen nie richtig Geschwindigkeit aufnehmen kann, finden wir es viel zielführender (und schneller im Druck), zusätzlich zu den 100% infill die Anzahl der Außenschichten ("Perimeters", "Wall thickness" bzw. "Shells") hochzudrehen, bis das Objekt (fast) nur noch aus diesen besteht. Einfach einen extrem hohen Wert, z.B. 30 einstellen. egal wie dick die Lithophanie ist. Ein weiterer Vorteil: Da der Drucker so weniger Zickzack-Bewegungen macht, reduziert dies auch die Vibrationen (führt zu unsauberem Druck) und die Gefahr, dass sich das Objekt während des Drucks ablöst.

A propos Haftung auf dem Druckbett: Wenn Sie keinen Fuß an ihrer Lithophanie haben, sollten Sie auf jeden Fall eine Hutkrempe (Brim) in 3 bis 5mm Breite darum drucken, damit die Haftung garantiert ist (essentiell wichtig bei flachen senkrecht stehenden Lithophanien!).

Die Anzahl der Top/Bottom-Layers ist völlig egal, da diese genau so gedruckt werden wie alle anderen Schichten. So lange Ihr Objekt weniger als 3 mm Dicke hat, brauchen Sie in den meisten Fällen auch keine Stützstukturen (Supports). Es schadet jedoch auch nicht, diese zur Sicherheit zu aktivieren, eventuelle Supports lassen sich später leicht entfernen. Die Schichtdicke können Sie frei bestimmen, je nach gewünschter Qualität, zwischen 0.1 und 0.2mm sieht es gut aus (siehe dazu "Ideale Schichtdicke und Lithophanien" weiter unten).

Was die Druckgeschwindigkeit angeht, gilt dasselbe wie bei jedem anderen 3D-Druck: Langsamer Drucken bedeutet sauberere Qualität, dauert aber länger. Manche Drucker, insbesondere die mit weniger stabilem Rahmen, vibrieren jedoch bei schnellerem Druck mehr als andere, was u.a. zum sogenannten "Ringing" führt, eine Art "Geisterbilder" nach harten Kanten. Nehmen Sie als Ausgangsbasis für die obigen Anpassungen ihres Litho-Druckprofils also am besten eines in der gewünschten Qualität.

Zu guter Letzt sollte man noch das richtige Filament wählen. Beim Material gibt es keine Einschränküngen. PLA ist natürlich immer gut, da es eine extrem gute Auflösung und extrem dünne Schichten abbilden kann. Doch wenn man z.B. ein Litho-Teelicht drucken will, wird dieses auf Dauer weich werden mit einer echten Kerze in der Mitte, da PLA schon bei ca. 60 Grad seinen Weichpunkt hat. Ähnlich sieht es bei einem Litho-Lampenschirm mit Glühbirne innendrin aus. Für solche Zwecke kann man dann auch mal auf PETG oder sogar ABS zurückgreifen, auch wenn diese nicht so präzise auflösen. Was die Filament-Farbe angeht, so sollte diese möglichst hell oder gar gleich etwas transluzent (durchsichtig) sein, damit der Litho-Effekt optimal funktioniert. Weiß ist die mit Abstand populärste Farbe.

Lithophanie im Gegenlicht - gedruckt in weißem PLA mit 0.08mm Schichtdicke

Ideale Schichtdicke und Lithophanien

3D-Druck-Qualitäts-Fetischisten rechnen für Ihren (kartesischen) FDM-3D-Drucker die ideale Schrittweite in Z für die optimalen Schicht-Dicken aus, die den vollen Schritten der Z-Motoren entspricht (idR 1.8° bei 200 Schritten pro Umdrehung eines Standard NEMA17-Motors). Denn viele Drucker können in Z auf Dauer keine Zwischenschritte (Microsteps) halten und schalten den Motor nach einer bestimmten Zeit ab, wodurch dieser auf den nächstgelegenen vollen Schritt springt. Durch Rundungsfehler kann dieser Effekt zu einem Moirée bzw. "Banding" in Z-Richtung führen, da der X-Schlitten manchmal nach unten und manchmal nach oben springt. Wer den X-Schlitten gleich ausschließlich in vollen Schritten in Z bewegt, hat folglich dieses Problem gar nicht.

Um die Höhe eines ganzen Motor-Schrittes in Z zu ermitteln, muss man die Anzahl der Steps pro Umdrehung des Motors und die Z-Höhe, die eine volle Umdrehung der Z-Achse bewirkt, wissen. Dann kann man sich mit dem Prusa-Rechner die "optimal Z layer height" berechnen lassen. Ein Beispiel: Ein Anet A8 hat einen 200-Schritt NEMA17-Motor, dessen T8-Trapezgewindespindeln pro Umdrehung die Z-Achse 8 mm bewegen. Das bedeutet, dass ein voller 1,8°-Schritt 0.04 mm in der Z-Achse entspricht. D.h. die idealen Schichtdicken sind für diesen Drucker damit 0.04, 0.08, 0.12, 0.16, 0.2, 0.24, 0.28 und 0.32 (Die Extremwerte 0.04 und 0.32 sind grenzwertig und hängen zusätzlich vom verwendeten Material, der Nozzle-Größe und der Druckgeschwindigkeit ab!). Die Dicke der ersten Schicht spielt dabei übrigens keine Rolle, obwohl man das vermuten könnte. Denn es kommt nicht darauf an, dass der Kopf ausschließlich auf ganzen Motorschritten positioniert ist, sondern nur, dass er nicht manchmal hoch und manchmal runter springt. Indem wir ihn nur in ganzen Schritten bewegen, springt er -wenn er springt- immer hoch oder immer runter auf die nächstbeste ganze Schrittposition. Das genügt, um das Moirée/Banding zu verhindern.

Was hat all dies jetzt mit Lithophanien zu tun? Nun, bei Lithophanien sind Unsauberkeiten in Z-Richtung ("Z-Banding", "Z-Wobble") und Moirée-Effekte in Z-Richtung besonders gut sichtbar wegen der Durchsichtigkeit. Selbst im Vasen.Modus gedruckte Objekte eignen sich nicht zum Prüfen auf Banding/Moirée, da diese die Z-Höhe kontinuierlich erhöhen, was dazu führt, dass der Z-Motor nie eine bestimmte Position längere Zeit halten muss. Lithophanien entsprechen hingegen dem normalen schichtweisen Druckverhalten bei gefüllten Objekten. Deshalb eignen sie sich ideal dazu, die optimalen Schichtdicken für Ihren Drucker zu verifizieren.