Interessante Anwendungen des 3D-Drucks. Wofür kann ein 3D-Drucker verwendet werden?

3D-Drucker – Anwendungen

Die Massenproduktion von Bauteilen mit wiederholbaren Formen und Parametern ist seit Jahren kein Problem mehr. Die Herstellung individueller räumlicher Formen für Tests, Prototypen oder spezifische Anwendungen waren jedoch schon immer problematisch – selbst für Industrie- oder Designbüros. Je komplexer ein Projekt war und je kleiner es war, desto mehr Engagement und Zeit musste für seine Ausführung aufgewendet werden, und desto geschickter musste der Künstler sein. Der räumliche Druck erwies sich daher als eine Revolution, die einfach geschehen musste. Im folgenden Artikel erörtern wir, was 3D-Druck ist, welche Arten von 3D-Druck es gibt und welche Anwendungen er in der Medizin, der Industrie, der Luftfahrt, der Automobilindustrie oder in anderen Bereichen menschlicher Tätigkeit findet.

3D-Druck – Beispiele für Branchen, in denen er Anwendung finden wird

• Medizin
• Bildung
• Architektur
• Industrie
• Unterhaltung
• Kultur und Kunst

Spiele

Woher kommen die 3D-Drucker?

Die meisten Menschen haben erst im 21. Jahrhundert von 3D-Druckverfahren gehört. Die Idee, eine Struktur zu bauen, die die physische Reproduktion eines Entwurfs streng nach einer technischen Zeichnung ermöglicht, stammt jedoch bereits aus dem 20. Jahrhundert, dazu kommt – dass er realisiert und patentiert wurde. Dabei handelte es sich jedoch noch nicht um 3D-Druck im heutigen Sinne, denn das Modell wurde mit Hilfe eines Laserstrahls Schicht für Schicht in flüssigem Polymer kristallisiert. Moderne 3D-Drucker hingegen arbeiten in der Regel auf der Basis von Filamenten (Kunststofffasern), deren aufeinanderfolgende Schichten nach und nach – durch Schmelzen im Druckkopf – auf das zuvor gedruckte Teil aufgebracht werden. Nur die Reihenfolge, in der die Form erstellt wurde, war gleich – sowohl bei der Stereolithografie (dem Prototyp des 3D-Drucks) als auch bei 3D-Druckern begann der Prozess mit den unteren Schichten. Interessanterweise wurde die “richtige”, d. h. die heute am weitesten verbreitete FDM-Technologie, nur zwei Jahre später entwickelt. Der größte Aufschwung bei den Hochgeschwindigkeitsfertigungsverfahren ist dagegen mit der Entwicklung der Hochgeschwindigkeitstechnologie in der Mitte des ersten Jahrzehnts im 21 Jahrhundert verbunden. Drucker für die Verwendung zu Hause.

Anwendung des 3D-Drucks in verschiedenen Branchen

3D-Druck in der Medizin

Einige der spektakulärsten Projekte von 3D-Druckern werden in der Medizin eingesetzt. Denn sie können erfolgreich bestimmte Strukturen (z. B. Knochen) ersetzen, die während der Entwicklung des betreffenden Organismus zerstört, beschädigt oder gar nicht erst entstanden sind. Im Jahr 2015 implantierten Ärzte in Poznan einen großen Teil des Beckenknochens einer Patientin, deren eigenes Gewebe durch Krebs beschädigt wurde. Damals war dies eine der größten Operationen dieser Art auf der Welt.

Heute werden nicht nur künstliche Knochen, sondern auch Weichteile gedruckt. Im Jahr 2018 ging die Nachricht durch die Medien, dass es Wissenschaftlern aus North Carolina gelungen war, eine vollständig “fertige” (d. h. mit Nerven und Blutgefäßen ausgestattete) Ohrmuschel zu drucken. Auch Muskeln und Knochen wurden auf ähnlicher Basis hergestellt. Die gedruckten Organe werden noch nicht beim Menschen eingesetzt, wurden aber bisher erfolgreich an Tieren getestet. Die Reproduktion von Geweben und Organen erfolgt natürlich nicht mit herkömmlichen Kunststoffen, sondern mit einer ganzen Reihe von spezialisierten Hydrogelen, in die lebende Zellen eingebettet sind. Auf diese Weise können Wissenschaftler (und in Zukunft vermutlich auch Ärzte) ein Organ erhalten, das sich perfekt in den Körper des Empfängers einfügt, ohne dass die Gefahr einer Gewebeunverträglichkeit besteht. Anstatt lange auf einen Spender warten zu müssen, könnten die Organempfänger also – natürlich auf lange Sicht – speziell für sie gezüchtete Organe erhalten. Ein solches Verfahren fällt wegen seiner engen Verbindung zum Tissue Engineering weniger in den Bereich des 3D-Drucks als vielmehr in einen neuen Zweig des Bioengineering, der an der Schnittstelle vieler verschiedener Disziplinen entstanden ist – das so genannte Bioprinting (und oft näher an der Stereolithografie als am FDM).

Dies ist spektakulär, aber nicht die einzige Anwendung des 3D-Drucks in der Medizin. Denn in der Zahnmedizin, die übrigens alle technischen Neuerungen erfolgreich “einfängt” (früher auch die 3D-Modellierung), ist das Drucken bereits gang und gäbe. Prothetische Labors greifen gerne auf Modelle zurück, die, sobald sie aus dem 3D-Drucker genommen werden, nicht mehr gefräst oder gegossen werden müssen. Es ist übrigens erwähnenswert, dass die ersten Anwendungen der 3D-Drucktechnologie in der Medizin ähnlich waren, da sie die Erstellung von präoperativen Modellen betrafen. So übten Ärzte bereits 2014 in Danzig medizinische Eingriffe an einem 3D-gedruckten Modell des Schädels, was die Operation selbst erheblich erleichterte. Solche Methoden werden in vielen anspruchsvollen Fachgebieten eingesetzt – vor allem in der Herzchirurgie.

Anwendungen von 3D-Druckern in der Architektur

Beginnen wir mit einem Thema, das beim 3D-Druck in der Architektur offensichtlich ist, was es natürlich nicht weniger beeindruckend macht: Gebäudemodelle. Konstrukteure haben schon immer räumliche Modelle angefertigt, aber ihre Reproduktion von Hand erforderte Zeit und großes handwerkliches Geschick. Die Verbreitung von 3D-Druckern vereinfachte das gesamte Verfahren erheblich – von nun an war es möglich, jede Art von Modell relativ schnell und kostengünstig zu erstellen: Es genügte, ein entsprechend konvertiertes 3D-Modell (dessen Herstellung für einen geschickten Architekten kein Hindernis darstellt) an den Speicher der Druckmaschine zu senden. Man könnte meinen, dass die Größenbeschränkungen der Prototypen die weitere Entwicklung des Tandems Architektur plus 3D-Druck irgendwann bremsen werden. Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein. Im Jahr 2014 rühmte sich ein Unternehmen aus Shanghai damit, vorgefertigte Bauteile für den Bau von Einfamilienhäusern “gedruckt” zu haben. Und auch wenn der Slogan “3D-gedruckte Häuser” bisher nur ein Marketing-Trick ist, da die Montage der vorgefertigten Elemente bereits vor Ort erfolgt, ist der Weg geebnet.

Eine Idee, die in den Niederlanden entstanden ist, könnte ebenfalls viele Möglichkeiten für die Verbindung von Bauwesen und 3D-Druck eröffnen. Ein Start-up-Unternehmen beschloss dort, eine Fußgängerbrücke über eine Amsterdamer Gracht zu bauen. Für die Konstruktion wurden die ersten 3D-Drucker mit beweglichen Armen eingesetzt. Interessanterweise ist das verwendete Material Stahl. Und die Fußgängerbrücke selbst wird, sobald sie an ihrem endgültigen Standort befestigt ist, mit einer Reihe von Sensoren ausgestattet sein, die das Verhalten der Konstruktion während der Nutzung aufzeichnen. Eine weitere Information – diesmal über ein fast 100 m2 großes, mit einem 3D-Drucker gedrucktes Haus – ist aus Frankreich eingetroffen. Die Struktur ist das Werk mehrerer kooperierender Organisationen in Nantes (einschließlich der dortigen Universität) und wurde in nur wenigen Dutzend Stunden aus Schaum und Beton gedruckt. Der Zusammenbau dieser experimentellen Struktur hat etwas länger gedauert.

Bei der Analyse des Einsatzes von 3D-Druckern im Bauwesen und in der Architektur darf auch die Innendekoration nicht außer Acht gelassen werden. Im Vergleich zu Gebäudestrukturen mag die Herstellung von Möbeln wie ein Kinderspiel erscheinen, aber man sollte nicht vergessen, dass es sich dabei immer noch um große Strukturen handelt. Außerdem müssen sie die entsprechenden Festigkeitsprüfungen bestehen und ihren Benutzern das erwartete Maß an Sicherheit bieten. Einer der Pioniere bei der Herstellung von Möbeln aus 3D-Druckern ist der schwedische Mischkonzern IKEA, der bereits 2017 die Einführung einer Kollektion gedruckter Möbel angekündigt hat.

3D-Druck – industrielle Anwendungen

Man hört immer öfter, dass ein 3D-Drucker in einem Unternehmen bald zur Grundausstattung wie einem normalen Drucker, Plotter oder Scanner gehören könnte. Und obwohl sicherlich nicht alle Branchen Bedarf an der 3D-Drucktechnologie haben werden, können Designbüros, Ingenieurbüros und Industrieunternehmen schon jetzt nicht mehr darauf verzichten. Der 3D-Druck ermöglicht eine unglaubliche Verkürzung und Vereinfachung der Prototyping-Prozesse – eine technische Zeichnung, die in ein für 3D-Designs typisches Format übertragen und gedruckt wird, ist ein perfekt dimensionierter Prototyp ohne Materialverlust. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie eine vollständige Wiederholbarkeit, wenn mehrere Exemplare gedruckt werden, z. B. um ein bestimmtes Design zu testen. Der 3D-Druck hält zunehmend Einzug in die Produktion von Kleinserien spezieller Gehäuse für Prototypen und Versuchsreihen von Produkten.

Eine weitere Anwendung von 3D-Druckern in Unternehmen betrifft das so genannte Reverse-Engineering-Verfahren. Diese basieren auf Formen, die mit einem 3D-Drucker gescannt und dann – nach entsprechender Bearbeitung – im FDM-Verfahren gedruckt werden. Diese Option ist ideal für Situationen, in denen bereits eine Vorlage für das Bauteil existiert und diese vervielfältigt werden muss. Die gescannte Form kann vom Konstrukteur manuell erstellt werden, es kann sich aber auch beispielsweise um ein bestehendes Element eines Entwurfs handeln, für das ein Ersatz angefertigt werden muss.

Anwendung des 3D-Drucks in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Luft- und Raumfahrt ist eine der anspruchsvollsten Industrien. Die dort verwendeten Materialien müssen sehr schwierigen Umweltbedingungen standhalten (Temperaturschwankungen, Druck, Sonnenlicht, Feuchtigkeit, Überlastung und Vibrationen). Es hat sich jedoch herausgestellt, dass einige der in speziellen 3D-Druckern verwendeten Filamente diese Anforderungen erfüllen. Marktriesen wie Boeing und andere wollen die gedruckten Teile bereits verwenden. Es stellt sich heraus, dass eine der wichtigsten Aufgaben des 3D-Drucks nun die schnelle Herstellung von Ersatzteilen sein könnte. FDM-Filamente, die Metalle enthalten, können auf eine ganz andere Weise verarbeitet werden als das “traditionelle” Metall, das beim Gießen verwendet wird. Die innere Struktur der damit hergestellten Teile kann komplex sein – sie sind nicht vollständig oder gar nicht hohl, sondern mit einem komplexen System von Stützen und durchbrochenen Teilen gefüllt. Diese Lösung hat viele Vorteile: geringeres Gewicht des Bauteils, weniger Materialverbrauch bei der Herstellung, kein Materialverlust und folglich niedrigere Produktionskosten. Flugzeugteile allein sind jedoch nicht das Ende der 3D-Druckanwendungen in der Luftfahrt.

Bei der Herstellung von Werkzeugen für die Fertigung von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie werden bereits phänomenale Ergebnisse erzielt. Perfekt zugeschnittene Werkzeuge machen Fertigungsprozesse definitiv einfacher und schneller. Der räumliche Druck ist auch eine wertvolle Prototyping-Methode für Luftfahrttechnikzentren und Forschungseinrichtungen – bereits 2015 kündigte das Militärflugzeugwerk aus Bydgoszcz die Einführung dieser Technologie an. 3D-gedruckte Prototypen können getestet werden, so dass das Design schnell geändert und die Form bei Bedarf erneut hergestellt werden kann. Das Polnische Luftfahrtmuseum in Krakau beschloss unterdessen, rekonstruierte Rumpfteile für das Kampfflugzeug Caudron Renault zu drucken.

Von der Luftfahrt ist es ‘nur’ noch ein Schritt zur Raumfahrttechnik. 3D-Drucker haben es schon vor langer Zeit geschafft – und das im wahrsten Sinne des Wortes. Im Jahr 2014 zeigte die Besatzung der Internationalen Raumstation den ersten Druck, der in der Umlaufbahn um die Erde hergestellt wurde (es handelte sich um eine Frontplatte mit räumlicher Beschriftung). In der Tat wurden weitere Teststücke erstellt. Diese wurden dann zur Erde zurückgebracht, um unter Laborbedingungen zu testen, ob und inwieweit sich ihre Leistung von der auf der Erde erzielten unterscheiden würde. Für Weltraummissionen ist der 3D-Druck von großer Bedeutung, weil er den Missionsteilnehmern ein hohes Maß an Unabhängigkeit vom Nachschub verschafft – sie können bei Bedarf kleine Gegenstände selbst herstellen, anstatt auf deren Lieferung zu warten. Für 2019 kündigte die NASA noch kühnere Pläne an, ein ganzes Raumschiff zu bauen, das als orbitale 3D-Druckanlage fungieren soll. Wie bei ähnlichen Vorhaben üblich, zielt das Projekt nicht nur auf die Schaffung einer konkreten Lösung ab, sondern auch auf die Demonstration und Erprobung potenzieller technologischer Fähigkeiten.

3D-Drucker im Haushalt und…

Es ist schwer zu beurteilen, ob der 3D-Druck in den Medien die gleiche atemberaubende Karriere gemacht hätte wie heute, wenn er nicht irgendwann einmal “unter dem Radar” erschienen wäre. Für die privaten Nutzer nahm die 3D-Drucktechnologie jedoch einen etwas umständlichen Weg. Zunächst machte ein entfernter (und offensichtlich ärmerer) Verwandter der 3D-Drucker, die beliebten 3D-Stifte, eine ziemliche Karriere unter den nicht-professionellen Verbrauchern. Ihre Form ähnelt der eines Filzstiftes, dessen Patrone jedoch keine Tinte enthält, sondern eine plastische Masse aus erhitztem Filament, die unmittelbar nach Verlassen der Kopfspitze in der Luft erstarrt. Sie ermöglicht es, mehr oder weniger komplexe räumliche Strukturen zu “zeichnen”. Die Beobachtung von Projekten, die von Liebhabern dieser Geräte durchgeführt wurden, hat jedoch gezeigt, dass auch hier sehr zufriedenstellende, ja sogar künstlerische Ergebnisse erzielt werden können. Die ersten 3D-Drucker für den Heimgebrauch erschienen dagegen um 2006 und eroberten die privaten Werkstätten der Enthusiasten.

Das Spektrum der Anwendungen ist riesig – von einfachen Figuren, vom Gaming inspirierten Gadgets oder Sammlerstücken bis hin zu Bauteilen für Modellbaukonstruktionen und Konstruktionen, die unter einer Open-Source-Lizenz erstellt werden, um sie mit anderen Enthusiasten auf Social-Media-Plattformen zu teilen. Natürlich gibt es auch kostenpflichtige CAD-Dateien, und das Angebot ist unvorstellbar groß – im Internet finden sich ganze Plattformen, die sich auf die Bereitstellung dieser Art von fertigem Design spezialisiert haben.

Man hätte erwarten können, dass der 3D-Druck schnell von einer der kreativsten Gruppen der Gesellschaft, nämlich den Künstlern, angenommen wird. So wurde beispielsweise eine Kopie der Skulptur des Teddybären Uszatek in der Piotrkowska-Straße im Technopark in Łódź präsentiert, während in Ptaszkowa in der Woiwodschaft Kleinpolen eine Kopie eines wertvollen Werks von Wit Stwosz, das vor einigen Jahren entdeckt wurde, mittels 3D-Druck hergestellt wurde. Das Original kann somit in ein Museum gebracht werden, wo es entsprechend konserviert wird, und die Kopie wird an den ursprünglichen Standort des Flachreliefs, d. h. in die örtliche Kirche, gebracht. Ein ähnliches Verfahren zur Erhaltung von Denkmälern wurde bereits in Konin Żagański angewandt, wo die Statuen der Kirche aus dem 16. und 17. Jahrhundert kopiert wurden. In Hamburg hingegen gibt es ein Start-up-Unternehmen namens Twinkind, das Reverse-Engineering-Methoden einsetzt, um den “Zwillingsbruder” eines Kunden in Miniaturform zu drucken, indem es die Figur einscannt und mit der FDM-Technologie nachbildet.

Der Einsatz von 3D-Druck in der Bildung

Im Zeitalter der Multimediatechnik geht es der Phantasie junger Menschen schon ganz gut, aber sie kann noch weiter gefördert werden. 3D-Drucker haben in dieser Hinsicht viel zu bieten. Sie werden bereits eingesetzt, um 3D-Modelle von geometrischen Figuren, chemischen Verbindungen oder DNA-Helixen zu erstellen. Kinder und Jugendliche merken und verstehen Wissen ganz anders, wenn sie ihren Tastsinn einbeziehen können. Mit 3D-Druckern gedruckte Modelle regen zum Experimentieren an. Die Teilnahme am Prozess des Entwerfens und Druckens eines Körpers wird zu einem großen Abenteuer. Andererseits werden 3D-Drucker an Universitäten professionell eingesetzt – in Forschungsexperimenten, beim Prototyping und bei Reverse-Engineering-Prozessen.

Die Zukunft des 3D-Drucks

Der 3D-Druck ist ein Bereich, der sich in alle möglichen Richtungen entwickelt. Die 3D-Drucker werden immer weiter miniaturisiert und im Gegenteil maximiert, um die Reproduktion von Formen jeder Größe zu gewährleisten. Forscher arbeiten ständig an neuen Materialien, die für den 3D-Druck verwendet werden können – haltbarer, widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse, flexibler, durchlässiger oder isolierender, neutral gegenüber dem Körper oder sogar mit ihm kooperierend (z. B. nach Transplantationen). Zahlreiche Branchen sehen in dieser Suche nach einem Material, das genau auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten ist, eine Chance, was zu einer enormen Vielfalt des Angebots selbst führt. Vielleicht wird sich in einiger Zeit herausstellen, dass dank der 3D-Drucktechnologie die Suche nach Organspendern ganz verschwinden wird, das Risiko der Transplantatabstoßung nicht mehr besteht und alle Mängel im Körper durch gedruckte Organe ersetzt werden. Es ist wahrscheinlich, dass wir Lebensmittel, einschließlich Fleisch, mit 3D-Druckern drucken werden. Schon jetzt ist klar, dass der 3D-Druck in sehr viele Lebensbereiche vorgedrungen ist, und es ist schwierig, sich ein Leben ohne seine Vorteile vorzustellen.

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