Herstellung von Rechenbrettern Die Herstellung des Entwurfs

Alles startete mit einer simplen Idee: Dem Herstellen von Rechenbrettern, wie es sie zu Adam Rieses Zeiten gab. Doch es stellte sich schnell die Frage, wie man dieses Projekt am besten umsetzt. Natürlich könnte man einfach eine Vorlage auf ein Blatt Papier ausdrucken, was aber kein beständiges Ergebnis wäre. Auch das Schnitzen oder Fräsen von Holzbrettern schied aus, da viele Bretter in guter Qualität hergestellt werden sollten. Doch es gibt eine moderne Alternative: Das Herstellen der Bretter mit Hilfe eines Lasercutters. Doch wie geht man für dieses Projekt am besten vor?

Der erste Schritt für die Herstellung ist das Erstellen des Layouts. Doch obwohl das grundlegende Aussehen bekannt ist, bleiben viele Fragen offen: Wie groß soll das Rechenbrett überhaupt werden? Wie viele Spalten soll es zum Rechnen geben? Und viele mehr. In dieser Phase werden erste grobe Entwürfe gestaltet. Diese fertigen wir in Inkscape, einer quelloffenen Software zum Erstellen von Vektorgrafiken, an. Der Vorteil hierbei ist, dass die entstehenden Vorlagen später zum eigentlichen Lasern optimiert und benutzt werden können.

Ein grundlegendes Verständnis für dieses Programm ist bei uns, den Planern dieses Projektes, Kai Bechmann und Jonas Stenglein, bereits von Anfang an gegeben gewesen. Für den Entwurf benutzten wir zuerst überwiegend einfache Linien, die verhältnismäßig einfach zum Bearbeiten sind. Doch das richtige Layout war schwerer zu finden als ursprünglich gedacht: So mussten wir beispielsweise herausfinden, wie es in Inkscape möglich ist, gleichmäßig Abstände zu erreichen. Auch zuvor nicht bedachte Details, wie das Wählen des Abstandes der Linien zum Rand, auf dem noch eine römische und arabische Beschriftung Platz finden sollten, bedurften mehrmaliger Überlegung. Doch nichts geht über Probieren: So entstehen im Laufe des Projektes über 15 verschiedene, immer wieder neu überarbeitete Versionen des Brettes, die auch mehrmals mit unserer Lehrkraft, Herrn Zeder, abgestimmt worden sind.

Ein etwas früherer Entwurf des Rechenbrettes

An dieser Stellte sollte eigentlich eine Anleitung für das Designen auf Inkscape stehen. Doch Schritt für Schritt Anweisungen sind kaum möglich, da es zu komplex ist, alle Einzelheiten in Textform verständlich darzustellen. Grundsätzlich erfolgt das Erstellen meist nach dem „Trial-and-Error“ Prinzip, das heißt, so lange verschiedene Optionen und Funktionen ausprobieren, bis man mit dem erreichten Ergebnis zufrieden ist. Trotzdem sollen im Folgenden zumindest eine ungefähre Vorgehensweise sowie kleine Hilfestellungen zur Erstellung einer solchen oder ähnlichen Vorlage angeboten werden.

Ein Herunterladen der Open Source Software Inkscape ist jederzeit kostenlos über die Website inkscape.org möglich. Die folgenden Tipps beziehen sich auf die Windows-Version des Programmes. Alternativ stehen Versionen für Linux und Mac OS X zum Download zur Verfügung, die der Windows Version sehr ähnlich sind.

Ansicht nach dem ersten Start von Inkscape

Ein neues Projekt wird gestartet, indem man das Menü „Datei“ (zu finden in der oberen linken Ecke) und daraufhin „Neu“ auswählt. Standardmäßig öffnet sich nun ein Arbeitsbereich im A4-Format, dies kann aber im gleichen Menü unter „Dokumenteneinstellungen“ leicht angepasst werden. Für unser Projekt verwenden wir eine Breite von 600mm und eine Höhe von 300mm.

Der zentrale Ort aller Werkzeuge in Inkscape ist die Toolbar auf der linken Seite. Hier stehen eine normale Maus zum Auswählen und Verändern von Objekten, ein Messwerkzeug, verschiedene Zeichentools und vieles mehr zur Auswahl. Für dieses Projekt werden nur relativ leicht zu bedienende Funktionen benötigt, da beispielsweise kaum mit Farben gearbeitet werden muss. Um einfache Linien zu erstellen, findet sich auf der linken Seite das Tool „Bézier-Kurven und gerade Linien zeichnen“. Einmal ausgewählt, setzt man mit einem Linksklick den Startknoten der Linie. Ebenso werden weitere Punkte gesetzt. In unserem Fall benötigen wir nur einen Start- und einen Endpunkt, daraufhin beenden wir die Eingabe mit

einem Rechtsklick. (Tipp: Hält man beim Zeichnen des Striches die Strg-Taste gedrückt, erleichtert dies, waagerechte und senkrechte Linien zu ziehen.) Benutzt man das Auswählen-Tool (oberster Menüpunkt auf der linken Seite), kann man die Linie leicht verschieben und durch Ziehen an den Kanten vergrößern oder verkleinern.

Für genauere Einstellungen, die für die Vorlage und das spätere Lasern benötigt werden, befindet sich eine weitere Werkzeugleiste am oberen Rand des Programmes. In dieser können unter anderem Höhe und Breite (H und B), sowie die Position auf der Arbeitsfläche (X und Y) angepasst werden. Noch komplexer wird es in der Toolbar auf der rechten Seite. Die meisten Werkzeuge sind zu kompliziert und umfangreich, um hier erklärt zu werden, wichtig ist jedoch die Schaltfläche für das Verteilen und Ausrichten von Objekten. Diese kann auch leicht über das Menü am oberen Bildrand „Objekt“ und dann „Ausrichten und Verteilen…“ erreicht werden. Über das sich öffnende Fenster können die einzelnen Linien beispielsweise vertikal oder horizontal zentriert werden. Auch eine Verteilung über eine größere Fläche, wie eben unser Rechenbrett ist möglich. Auch hier gilt: Zum besten Ergebnis gelangt man, in dem man selbst mehrere Optionen ausprobiert. Sollte eine Änderung nicht das gewünschte Ergebnis erzielen, kann man im Menü „Bearbeiten“ und dann „Rückgängig …“ am oberen Programmrand wieder zum vorherigen Bearbeitungsstand zurückkehren. Alternativ ist dies auch über das gleichzeitige Drücken der Strg- und Z-Taste möglich.

Sobald man mit dem Layout des Gitters fertig ist, fehlt noch ein weiterer wichtiger Bestandteil des Rechenbrettes: Die Beschriftungen. Diese lassen sich leicht über die Schaltfläche „Textobjekte erstellen oder bearbeiten“ am linken Bildschirmrand einfügen. Die richtige Position erreicht man entweder durch Ziehen mit der Maus oder durch Nutzen der anderen bereits beschriebenen Tools. Für das beste Ergebnis ist auch etwas Rechenarbeit nötig, um zum Beispiel die X- und Y-Koordinaten exakt zu bestimmen.

Ist man zufrieden mit dem Entwurf, beginnen die Vorbereitungen für den Lasercutter. Hier kommt es ganz auf das Programm an, das die Daten für das Lasern verarbeitet. In unserem Fall benutzen wir Visicut, was sich ebenfalls kostenlos downloaden lässt. Ein Laser kann grundsätzlich schneiden, gravieren oder markieren. Während die beiden ersten Begriffe selbsterklärend sind, bedeutet „markieren“, dass nur die Kanten der Objekte gelasert werden. Dies ist zwar nicht ganz so hochwertig wie gravieren, jedoch weitaus schneller, da der Laser jede Kante einzeln lasert und nicht wie beim Gravieren über die ganze Arbeitsfläche fährt und „zeilenweise“ jede Pixelreihe punktuell graviert. Das schnellere Verfahren senkt zudem drastisch die Kosten, da nur ca. 15% der Zeit des Graviervorgangs benötigt werden.

Um das „Markieren“ jedoch zu ermöglichen, müssen die Objekte so umgewandelt werden, dass nur noch ihre Konturen übrigbleiben. Auch dies ist wieder auf verschiedene Wege möglich. Eine Möglichkeit stellt beispielsweise das Menü „Füllung und Kontur“, unter anderem aufrufbar durch das gleichzeitige Drücken der Umschalt-, Strg, -und F-Taste, dar. Hier kann die Füllung gelöscht werden, wodurch nur die Konturen übrigbleiben. Theoretisch kann dieser Schritt übersprungen werden, die Schrift wird dann nur einfach nachgefahren. Durch Lasern der Umrandung ist die Schrift allerdings leichter lesbar.

Weiterhin wichtig ist die Farbe der Konturen: Diese muss, beim Beispiel Visicut, auf grün gestellt werden, da dies der Standard für den Befehl Markieren ist. Dies ist über die

Farbleiste am unteren Bildschirmrand möglich, wichtig hierbei ist es, das richtige Grün mit dem Farbcode #00FF00 zu wählen. Für unser Projekt muss auf den Rechenbretten nur markiert werden, da die Bretter bereits im Baumarkt auf die passende Größe zurechtgeschnitten worden sind. Zum Schneiden des Materials würde man theoretisch die Objekte mit schwarzer Farbe einfärben, zum Gravieren mit roter.

Fertige Vorlage für den Lasercutter

Ist die Vorlage fertiggestellt, folgt Teil zwei des Projektes: Das eigentliche Herstellen der Modelle an einem Lasercutter.

Die eigentliche Herstellung

Es fehlte nur noch der richtige Ort, um die Rechenbretter herstellen zu lassen. Wir entschieden uns dazu, das FabLab in Erlangen aufzusuchen, weil wir dort bereits einige Projekte am Lasercutter umgesetzt hatten. Das FabLab ist eine öffentliche Einrichtung an verschiedenen Standpunkten, wie Bayreuth oder Erlangen, in der man Geräte wie Lasercutter, 3D – Drucker und CNF – Fräsen zur Verfügung gestellt bekommt. Es ist also eine Art öffentliche Werkstatt. Wenn man zum ersten Mal ein FabLab aufsucht, braucht man eine Einweisung in die Geräte, die man verwendet. Nachdem wir per Zug und Bus an der Universität in Erlangen angelangt waren, wo sich das FabLab in Erlangen befindet, fingen wir nach kurzer Wartezeit mit der Verwirklichung unseres Projektes an. Wir waren zwar des Öfteren schon in Erlangen und haben den Lasercutter bedient, waren also schon vertraut damit, doch hat das FabLab seit kurzem einen neuen Lasercutter, sodass wir zuerst auch eine frische Einweisung durch einen Mitarbeiter benötigt haben. Als wir eingewiesen waren, begannen die ersten Schwierigkeiten, da wir erst einmal am PC unsere InkScape – Datei in VisiCut, dem Programm, mit dem der Lasercutter bedient wird, öffnen mussten und die Einstellung an die Brettdicke, das Material, etc. anpassen. Wir entschieden uns schon im Vorhinein HDF Bretter, die im FabLab selbst vorhanden sind, zu verwenden. Deswegen waren bereits Voreinstellungen vorhanden, die wir übernehmen konnten. Unser erster Versuch, ein Rechenbrett lasern zu lassen, konnte nun beginnen. Nachdem wir den Auftrag an den Cutter geschickt hatten, ihn richtig eingestellt hatten und auf Start drückten, stellten wir schnell fest, dass mit unserer ersten Entwurfsversion die Herstellung zu lange dauert, da wir begrenzte finanzielle Mittel hatten. Denn eine Minute schneiden mit dem Lasercutter hat den Preis von einem Euro. Unser erstes Brett hat siebeneinhalb Minuten gedauert, was zu lange war, da wir noch 20 weitere Bretter herstellen wollten und so der Kostenrahmen gesprengt worden wäre. Deshalb war die erste Aufgabe dort, den Entwurf so anzupassen, dass er schneller fertig wurde. Wir hatten in der ersten Version die Linien so eingestellt, dass sie graviert wurden und nicht einfach markiert. Der Unterschied liegt darin, dass der Cutter beim Gravieren von links nach rechts vorging und somit immer wieder hin- und hersprang zwischen den Linien, was zu einer viel längeren Schneidezeit geführt hat. Beim Markieren hingegen, fährt er die Linien nacheinander ab, sodass er nicht ständig hin- und herspringt. Wir probierten nun, wie die Markierung auf den Brettern aussah, und ob das schneller ginge.

Der Lasercutter beim Schneiden

Tatsächlich konnten wir feststellen, dass es nicht nur sechs Minuten schneller ging, ein Rechenbrett herzustellen, sondern diese auch noch besser aussahen.

Leider mussten wir nach dem Speichern der überarbeiteten Version feststellen, dass kaum noch Zeit vorhanden war, um andere Rechenbretter anzufertigen, da das FabLab schloss. Also mussten wir mit lediglich zwei hergestellten Bretter nach Hause fahren, aber dennoch hatten wir große Fortschritte verbuchen können. Es war aber auch klar, dass wir noch einmal nach Erlangen fahren mussten. Am nächsten Tag haben wir unserem Seminarlehrer zunächst die Ergebnisse gezeigt, und ihm erläutert, wie wir weiter vorgehen. Aus Kostengründen entschieden wir uns dazu, selbst Bretter aus dem Baumarkt zu besorgen. Nachdem unser Lehrer MDF Bretter im Markt gekauft und uns mitgebracht hat, suchten wir uns einen Termin aus, um erneut ins FabLab nach Erlangen zu fahren.

Warten auf die Fertigstellung des Brettes

Als wir das zweite Mal dort auftauchten, mussten wir allerdings nur noch die Einstellungen an MDF Bretter anpassen, was kein Problem war, da diese HDF Brettern sehr ähnlich sind, und konnten sofort loslegen, die Bretter zu fertigen. Wir stellten 20 Bretter so her und waren bereits nach einer Stunde wieder fertig, und alles hatte reibungslos funktioniert.

Display des Lasercutters mit der Dauer des Schneideauftrags

Da wir beim ersten Besuch einige Probleme hatten, sollte man einige Dinge beim Besuch vom FabLab beachten: Zum einen, dass man möglichst früh nach der Öffnung ankommt, damit man einer der ersten ist, die den Lasercutter bedienen, denn ansonsten muss man warten, bis die Leute vor einem fertig sind. Zum anderen sollte man darauf achten und einplanen, dass man noch etwaige Veränderungen an der Datei vornehmen muss und das in den Zeitplan mit einberechnet. Wenn man diese Punkte beachtet, steht einem erfolgreichen Besuch im FabLab nichts mehr im Wege und man kann seine Ideen verwirklichen.

Entnahme eines Brettes aus dem Lasercutter