DIY Lasercut Worldmap

Ich habe eine 3D-Relief Weltkarte gebastelt. Das Relief der Erde wird bis auf den Meeresgrund mit 10 Schichten Sperrholz dargestellt. Für die Tiefe habe ich blaue Beize genommen und unterschiedlich stark verdünnt.

Die fertige Karte.

Vorgehen

Das ganze Projekt sieht auf den ersten Blick nicht so aufwändig aus, aber die Datenaufbereitung ist ein ganzes Stück arbeit. Auch das spätere zusammensetzen gleicht eher einem Puzzle. Um hier die Arbeit zu erleichtern habe ich immer die Konturen der nächst höheren Schicht eingraviert. Weitestgehend habe ich mich an einem schönen Tutorial von „majorlad“ orientiert.

QGIS & GeoTiff

Um die Vektordaten zu generieren habe ich QGIS verwendet. Es ist eine gratis Version eines Geographical Information System (GIS). Kartendaten werden mit solchen Programmen verarbeitet.

Im Netz findet man viele Ressourcen für Höhenkarten der Welt. Ich war jedoch wählerisch was die Projektion angeht. Je nach gewählter Projektion wird die Karte verzerrt. Da der Planet ja keine Scheibe ist, muss man diesen Weg gehen, wenn man alles planer darstellen möchte. Die Höhendaten bekommt man meistens in GEOtiffs. Die Höhe wird einfach über den Gradienten von Schwarz zu Weiß dargestellt. Eine Quelle ist beispielsweise > hier < zu finden.

So sieht eine GEOtiff aus.

Dieses Rasterbild wird in QGIS importiert. Dazu geht man zunächst auf Projekt – Neues Projekt und wählt dann unter Layer – Layer hinzufügen – Rasterlayer einfügen den Pfad zu seiner Geotiff. Wenn man auf Hinzufügen klickt, öffnet sich ein Fenster, welches eine Auswahl für ein Koordinatensystem möchte. Man kann den Standard WGS 84 mit der AutoritätsID EPSG:4326 ruhig lassen. Dies ist wichtig, damit die Daten der Ländergrenzen und Flüsse später genau an der richtigen Position liegen. Nun können wir zunächst mal unser Projekt zwischenspeichern. Das sollte man sowieso beim Arbeiten mit großen Datenmengen immer mal wieder machen.

Details

Um die Details wie Grenzen und Gewässer hinzuzufügen, habe ich mir von NaturalEarthData das Quickstart Kit herunter geladen. Dieses ist ein Package mit QGIS Projekten. Ihr könnt einfach die Datei „Natural_Earth_quick_start_for_QGIS“ öffnen und findet eine Weltkarte in der gleichen Projektion wie die GeoTiff. Links Unten gibt es die Layeransicht. Hier suchen wir uns die Ebenen raus, die wir für unsere Detailansicht verwenden möchten und exportieren diese mit einem Rechtsklick unter Exportieren – Safe feature as… als Geopackage [.gpkg].

Ich habe die Coastline, Lakes, Rivers und Boundaries rausgesucht. Wenn wir alle Layer exportiert haben, wechseln wir wieder in unser vorheriges Projekt und importieren diese Layer hier. Also gehen wir über Layer – Layer hinzufügen – Vektorlayer einfügen. Navigiert wieder zum Pfad, wo ihr eben die Daten abgelegt habt.

Konturen ableiten

Hier gibt es einen Befehl um Konturen aus den Bilddaten abzuleiten den Ihr unter Raster – Extraktion – Kontur findet. Ich habe die Höhe von 0 (100% Schwarz) aus in 1km, also 1000m Schritten aufgeteilt. So enstehen 21 Schichten vom tiefsten Punkt der Erde (Mariannengraben) bis zum Höchsten (Mount Everest, bzw. Chimborazo). Dieser Prozess dauert eine Weile, also macht euch gern jetzt erstmal einen Kaffee.

Jetzt ist ein neuer Layer mit Namen Konturen aufgetaucht, auf den wir wieder mit einem Rechtsklick gehen. Im Pop-Up Menü wählt ihr nun Attributtabelle öffnen aus. Hier seht ihr eine Tabelle die alle erzeugten Pfade beinhaltet. Bei mir waren es ganze 216651 Elemente. Wenn ihr oben auf „ELEV“ klickt, wird die Tabelle nach unseren Höhenschichten sortiert. Um diese in Layer aufzuteilen gehen wir auf Vektor – Datenmanagement Werkzeuge – Vektorlayer teilen und wählen im DropDown „Eingabelayer“ unseren Layer Konturen aus. Unter „Eindeutiges Schlüsselfeld“ wählen wir ELEV aus. Außerdem müssen wir einen Speicherpfad angeben, denn die Ebene wird nicht einfach innerhalb von QGIS aufspalten, sondern das Programm exportiert die Daten. Diese müssen wir also nachträglich wieder importieren (Layer – Layer hinzufügen – Vektorlayer hinzufügen). Hier wählen wir jeweils die Shape-Datei mit der Endung [.shp].

Danach kann man die Pfade noch vereinfachen in dem man über das ~~Menü Vektor – Geometrie Werkzeuge – Vereinfachen geht. Im neuen Fenster kann man wieder die entsprechende Ebene/Layer, sowie eine Methode und Toleranz auswählen.~~ Plugin „Generalizer geht. Klickt hierzu auf Erweiterungen – Erweiterungen verwalten und Installieren und geht zunächst in die Einstellungen um experimentelle Erweiterungen anzuzeigen. Nun tippt ins Suchfeld generalizer ein. Der Name des PlugIns lautet ~~Cartographic Line Generalization. Dieses müsst ihr installieren und könnt es danach über Erweiterungen – Cartographic Line Generalization – Cartographic Line Generalization starten.~~ Generalizer3. Diesen Starten wir aus dem Erweiterungsmenü. Blendet am besten alle anderen Layer aus, so könnt ihr das Ergebnis besser beurteilen. Die vereinfachte Kontur wird in einem neuen Layer gespeichert. Ggf. müsst ihr hier etwas ausprobieren, bis ihr zufrieden seit. Der Generalizer hat außerdem mehrere Modi. Ihr könnt auch kleine Objekte entfernen oder den Pfad vereinfachen.

Vereinfachter Pfad (Treshold 0,05 und Douglas-Peucker Algorithmus)

Ich wähle bewusst diese Reihenfolge, da das Vereinfachen, solange alle Vektoren noch auf einer Ebene sind, nicht besonders gut funktioniert, da rechenintensiver.

Optional: Wer möchte kann die Ebenen in Polygone umwandeln. So werden die Ränder automatisch geschlossen.

Die fertigen Ebenen kann man dann als wieder über Rechtsklick – Exportieren – Save Feature as… diesmal als DXF exportieren.

Achtung: Für die Schritte bis Hier wird starke PC-Hardware benötigt, da es sehr rechenintensive Prozesse sind. Also empfiehlt es sich gegebenenfalls einzeln zu arbeiten, um nicht unnötig Systemabstürze zu provozieren.

Das ganze Sieht zunächst noch sehr chaotisch aus.

Inkscape & RDWorks

Weiter geht es in Inkscape. Inkscape ist ein open Source Vektor Programm, ähnlich wie Illustrator. Über Datei – Importieren könnt ihr hier einen Layer importieren.

Optional: Hier werden dann die Konturen zunächst noch einmal vereinfacht, da sie noch viele Punkte haben. Dies wird über das Menü Pfad – Vereinfachen (oder Strg + L) gemacht. Ihr könnt gerne zunächst den Pfad duplizieren (Strg + D) um vorher und nachher zu vergleichen.

Außerdem werden die Ebenen mit den entsprechenden Rahmen verschnitten um schneidtaugliche Laserfiles zu erhalten. Ich erstelle also zunächst ein Rechteck in den finalen Maßen der Karte und ein zweites kleineres mit der Rahmenstärke. Meine Karte hat die Maße 1000mm x 600mm außen. Diese werden beide selektiert und mit Strg + – so zusammgefügt, dass der Rahmen entsteht. Nun müsst ihr noch die Kartengeometrie entsprechend skalieren. Mit den verschiedenen Pfad-Optionen lassen sich dann die Pfade miteinander verschneiden. Hier sollte Strg + + gut funktionieren.

Ich habe noch einen Titel und eine Windrose auf einen extra Layer gelegt. Aus Inkscape habe ich dann die Schichten wieder im DXF Format exportiert, damit RDWorks sie lesen kann. Hier werden dann die Laserparameter eingestellt.

Um den Aufbau später zu erleichtern ist die Schnittkontur der nächsten Schicht auf die aktuell als Gravur vorgesehen. Das sollte man bei der vorbereitung in RDWorks beachten.

So sehen dann die Schichten aus. Die Karte ist etwa 1000 x 600 mm groß. Die Arbeitsfläche ist DIN A4.

Die untersten sowie obersten Ebenen habe ich heraus gefiltert, da hier nicht so viel passiert. Auch habe ich schichten, die fast gleich aussehen gelöscht. Also könnte man die Auflösung auch auf 2km setzen.

Diese Schritte haben mich etwa eine Woche Zeit gekostet. Das lag auch daran, dass meine Software immer wieder abgestürzt ist. Man könnte natürlich die Konturen noch weiter vereinfachen um das Handling zu verbessern, aber ich wollte schon viele Details erhalten.

Alternativen

Alternativ kann man die DXF aus QGIS auch in ein Konstruktionsprogramm wie Solidworks, Fusion360 oder eine der kostenlosen Open-Source Varianten laden um die Kartendaten in die Rahmen einzupassen. Jedoch kommen diese meistens nicht mit so vielen Punkten klar.

Anscheinend kann man auch in QGIS selbst zeichnen. Hier habe ich aber nicht getestet, wie gut man den Rahmen gestalten kann.

RDWorks

Für das Laserschneiden habe ich einen 100 Watt CO² Epilog-Laser mit einem Bauraum von 1300 x 700 mm benutzt. Geschnitten habe ich bei 100% Leistung und 30 mm/s Vorschub, sowie 2 bar Air-Assist. Die Gravur für dünne Linien ist mit verschiedenen Stufen von 10 bis 35% Leistung auf 300 mm/s Vorschub gemacht. Die Schriften und Gewässer sind im Scan-Modus mit 25% und 300 mm/s graviert.. So habe ich versucht die Internationalen und Nationalen, sowie die umstrittenen Grenzen erkennbar zu machen und Gewässer voneinander zu trennen.

Zusammenbau

Die fertigen Schichten werden „einfach“ aufeinander geleimt. Damit es gut zusammenklebt, habe ich die Platten mit allem beschwert, was ich so zur Verfügung hatte. In die Rückseite kann man noch Löcher bohren um die Karte an der Wand aufzuhängen.

Filamentrollen als Leimungshilfe

Bevor man die Meerestiefen aufeinander leimt habe ich die Oberfläche gebeizt. Für die verschiedenen Blau-töne habe ich Pulverbeize genommen und unterschiedlich stark verdünnt.

Man sollte die Teile nicht einfach in eine Kiste schmeißen, da man anschließend wirklich viel Puzzeln muss. Wenn ihr also die Möglichkeit habt, direkt beim Laser zu leimen, nutzt es aus! Mir sind ein paar kleine Teile auch verloren gegangen. Irland zum Beispiel…