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Technik|Digitales

3D-Druck: Möglichkeiten, Grenzen, Zukunftsvisionen

3D-Drucker in Aktion
3D-Druck verbreitet sich zwar langsam, könnte jedoch die Zukunftstechnologie schlechthin werden. (Bild: scharfsinn86 / Adobe Stock)
Der 3D-Drucker ist eine Revolution, die die Welt verändert – in der Gegenwart und mit Sicherheit auch in der Zukunft. Dennoch macht die Technologie erstaunlich wenig Schlagzeilen, weshalb viele Menschen davon ausgehen, sie sei noch nicht ausgereift oder zu Beginn überschätzt worden. Ein Irrtum, denn abseits der Massenmedien schlägt der 3D-Druck schon seit mehreren Jahren große Wellen. Es lohnt sich daher ein Blick auf dessen aktuelle Möglichkeiten, aber auch Grenzen, sowie eventuelle Zukunftsvisionen.

3D-Drucker und ihre Möglichkeiten

Gegenstände, Organe oder sogar ganze Häuser sollen eines Tages aus dem Drucker stammen, so wurde diese Innovation vor wenigen Jahren gefeiert. Was viele Menschen jedoch nicht wissen: Die Geschichte des 3D-Drucks hat bereits in den 1980er Jahren begonnen. Schon damals gab es die Idee, dreidimensionale Dinge drucken zu können und ein erstes Patent für eine solche Technologie wurde vom japanischen Wissenschaftler Hideo Kodama angemeldet.

Es handelte sich dabei um ein Rapid-Prototyping-Verfahren, welches bereits die Schicht-für-Schicht-Herstellung heutiger Modelle verwendete. Schnell forschten auch andere Wissenschaftler in diesem Bereich, darunter Charles Hull sowie Carl Deckard. Hull war es schließlich auch, der im Jahr 1986 den ersten offiziellen 3D-Drucker auf den Markt brachte. Bis zum Jahr 1989 waren schließlich drei verschiedene Verfahren patentiert, die bis heute als die wichtigsten Technologien im 3D-Druck gelten. Bereits seit dem Jahr 1992 sind 3D-Drucker auch für Privatpersonen erhältlich. Dennoch führten sie lange Zeit eine Art Schattendasein.

Symbolbild 3D-Druck
(Bild: unsplash.com, Andrea G )

Die Erfolgsgeschichte der 3D-Drucker im Rückblick

Obwohl 3D-Drucker unter Privatpersonen damals eher unüblich waren, galt das nicht für andere Einsatzbereiche. In den 1990er Jahren begann nämlich ihre Erfolgsgeschichte in der medizinischen Forschung. Schnell kam hier die Idee auf, dass mithilfe der Technologie medizinische Hilfsmittel, Prothesen oder irgendwann sogar Organe hergestellt werden könnten. Das würde die Lösung für ein großes Problem bedeuten, denn an Spenderorganen mangelt es erheblich.

Erste Fortschritte im Bereich der Organe aus dem 3D-Drucker sorgten schließlich auch für eine wachsende mediale Aufmerksamkeit zu Beginn der 2000er Jahre. Gleichzeitig kamen neue Geräte auf den Markt, die immer größere Gegenstände herstellen konnten. Damit rückte die Vision von Autos, Häusern & Co aus dem Drucker in greifbare Nähe.

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Wie weit ist der 3D-Druck heute?

Doch die durchschlagenden Erfolge blieben scheinbar aus, denn nach wie vor sind weder Organtransplantationen mit entsprechend gedruckten Organen flächendeckend üblich noch Häuser & Co. Tatsächlich wurde aber im Jahr 2010 mittels 3D-Druck das erste komplette Gehäuse für einen Automobilprototyp hergestellt und im Jahr 2011 begann sogar die Forschung an einem „Lebensmitteldrucker“.

Und damit noch nicht genug:

  • In der Medizin werden mittlerweile nicht nur Prothesen zu kleinen Preisen gedruckt, sondern auch Organe, Gewebe sowie präzise Gewebekulturen wie Organteile aus Kollagen.
  • Im Jahr 2016 wurde der erste Knochen in 3D gedruckt.
  • In Frankreich hat ein Startup mittlerweile einen speziellen 3D-Druckbeton erfunden, der die Bauindustrie revolutionieren könnte.

Und auch damit ist die Liste der Beispiele noch lange nicht beendet. Es gibt zahlreiche Fortschritte, doch der große Durchbruch des 3D-Drucks lässt immer noch auf sich warten.

Probleme und Grenzen in der Forschung

Zwar gibt es bereits viele kleinere Erfolge, doch die Entwicklung einer komplett neuen Technologie ist ein langwieriger Prozess, der viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Das war mit wegweisenden Erfindungen wie dem Auto oder dem Internet in der Vergangenheit nicht anders.

Andererseits sind es auch Patente, welche die Weiterentwicklung nicht selten behindern. Viele Wissenschaftler mussten erst zehn oder 20 Jahre warten, bis sie ausgelaufen waren und sie mit ihrer Forschung beginnen konnten. Gleiches gilt für zahlreiche Startups, die ihre Ideen lange Zeit nicht umsetzen durften – oder sogar nach wie vor nicht dürfen – weil sie damit geltende Patentrechte verletzen würden.

Außerdem spielt Geld eine Rolle. Während auf der einen Seite viele Akteure versuchen, mit dem 3D-Druck viel Profit zu machen, fehlen an anderen Stellen die finanziellen Mittel, um die Forschung voranzutreiben.

Zu guter Letzt gibt es noch bürokratische Hürden.

Dennoch stagniert die Entwicklung im Bereich des 3D-Drucks keinesfalls. Derzeit wird beispielsweise versucht,

  • 3D-Drucker und deren Erzeugnisse effizienter zu gestalten,
  • den 3D-Druck zu beschleunigen,
  • neue 3D-Druckmaterialienzu entwickeln,
  • neue Bildungsangebote zu implementieren,
  • den Wissensaustausch zu fördern sowie
  • neue Innovationen

Momentan geht es vor allem um die Forschung sowie die Sammlung und den Austausch von Wissen, um die vielversprechende Technologie schnellstmöglich weiterzuentwickeln.

Ein Blick auf die Zukunftsaussichten und Visionen

Wie also könnte es mit dem 3D-Drucker in naher sowie ferner Zukunft weitergehen? Aktuelle Projekte liefern einige interessante Antworten auf diese Frage:

  • Raumfahrt
    Bereits jetzt spielt der 3D-Druck in der Raumfahrt eine wichtige Rolle. Auf der ISS werden die Drucker mittlerweile experimentell eingesetzt, um zum Beispiel Knochenimplantate für Astronauten Weiterhin gibt es Proteinkristalle, deren Herstellung ausschließlich im Weltall möglich sein soll. Mittels „Bioprinting“ könnten diese in Zukunft bei der Entwicklung neuer Medikamente helfen, welche die Viren sowie Bakterien auf einer molekularen Ebene bekämpfen. Das Unternehmen Relativity Space produziert derzeit eigener Aussage zufolge eine Rakete aus einem riesigen „Stargate-3D-Drucker“ und britische Forscher entwickeln zeitgleich gedruckte Mondbasen, um mittels Mondstaub wichtige Objekte auf dem Erdtrabanten errichten zu können, noch bevor die Astronauten eintreffen.
  • Lebensmittel
    Nicht nur die Raumfahrt, sondern auch die Lebensmittelindustrie könnte in absehbarer Zukunft eine Revolution durch den 3D-Druck erleben. Das gilt für schlachtfreies Fleisch wie auch das Drucken anderer Lebensmittel. Es gibt heute bereits jetzt Drucker für Pizza, Pfannkuchen und Schokolade. Viele Hoffnungen stecken in dieser Technologie. Eine Lösung im Kampf gegen den Welthunger wird sie aber nicht darstellen. Dennoch könnten Lebensmittel aus dem 3D-Drucker die Verschwendung eindämmen und dadurch das Hungerproblem zumindest etwas reduzieren. Denn rund ein Drittel aller Lebensmittel landet schlussendlich im Müll. Dafür gibt es mehrere Ursachen, allen voran die Haltbarkeit der Lebensmittel. Durch die Entsorgung entstehen zusätzliche Emissionen und Ressourcen werden verschwendet. Lebensmittel aus dem 3D-Drucker könnten dabei insofern helfen, als noch genießbare Essensreste oder eigentlich unverkäufliches Obst und Gemüse kurzerhand zu neuen oder „schöneren“ Lebensmitteln umgewandelt werden. 
  • Symbolbld 3D-Druck
    (Bild: unsplash.com, Maxim Tolchinskiy)

    Bauindustrie
    Eine Revolution könnte der 3D-Druck zukünftig auch für die Bauindustrie darstellen. Das betrifft auf der einen Seite die Auswahl an Materialien, denn Wissenschaftler experimentieren derzeit mit ganz neuen Baustoffen, die gegenüber herkömmlichem Material wie Beton zahlreiche Vorteile bieten. Ein Beispiel dafür ist eine Fassade aus Carbon – extrem stabil, dabei sehr leicht, beliebig formbar und korrosionsfrei. Auch Mauerziegel, Wände oder ganze Häuser können mittlerweile per 3D-Druck hergestellt werden. An Zukunftsvisionen mangelt es jedenfalls nicht:

    • Saudi-Arabien möchte bis zum Jahr 2030 mit einem Konstruktionsdrucker aus Dänemark insgesamt 1,5 Millionen Häuser bauen. Das Verfahren gilt als besonders kostengünstig sowie schnell.
    • Denselben Vorteil möchte das US-amerikanische Unternehmen ICON nutzen, um in Südamerika eine komplette Siedlung aus 3D-gedruckten Häusern zu erstellen – für nur rund 4.000 Euro pro Gebäude. Diese Häuser sollen in Armut lebenden Menschen helfen, indem sie einen besseren Wohnraum bieten.
    • Und noch ein US-amerikanisches Unternehmen forscht derzeit am 3D-Druck von Häusern. S-Squared kann eigener Aussage zufolge bereits jetzt ein Haus mit 46 Quadratmetern Grundfläche in unter zwölf Stunden herstellen. Die Kosten liegen bei rund 1.800 Euro, weshalb dieses Modell ebenfalls vor allem für Entwicklungsländer interessant ist. Zukünftig soll es zudem möglich sein, die Quadratmeterzahl beliebig zu erhöhen.
    • Doch auch den deutschen Wohnungsmarkt könnten solche Konzepte in naher Zukunft revolutionieren. Die Nachfrage nach sogenannten „Tiny Houses“ wächst schließlich stetig. Vor allem der Preisvorteil kommt dabei zum Tragen. Schließlich sind die Immobilienpreise in den meisten Regionen Deutschlands momentan so hoch, dass viele Familien sich ihren Traum vom Eigenheim trotz niedriger Zinsen nicht leisten können. Günstige Häuser aus dem 3D-Drucker könnten die Kosten jedoch so weit senken, dass eine Baufinanzierung für sie überhaupt erst erschwinglich wird. Über das klassische Annuitätendarlehen müsste dann also nur noch hauptsächlich das Grundstück finanziert werden, was die monatliche Belastung durch Zins und Tilgung auf ein Minimum reduzieren würde – vor allem in Zeiten der Niedrigzinspolitik, die Bauherren bereits gute Bedingungen bieten. Auch weitere wichtige Fragen wie jene nach der Zinsbindung oder einer Anschlussfinanzierung ließen sich dann einfacher beantworten.
    • Der große Vorteil am 3D-Druck ist, dass Häuser auch in Massivbauweise errichtet werden können. Das bedeutet, dass es keine bauliche Trennung zwischen der Fassade und den tragenden Bauteilen gibt, wie es bei Fertighäusern der Fall ist. Sie bieten somit einen guten Schallschutz, sind stabil und haben einen hohen Wiederverkaufswert. Das liegt unter anderem an den Wänden, die überall tragfähig sind.
    • Transport
      Im Bereich Transport ist der 3D-Druck noch weit von praktischen Anwendungen entfernt. Allerdings wird mit Nachdruck geforscht. Die bereits erwähnte Rakete oder ein Flugzeug aus dem Drucker sind nur ein paar Beispiele. Ein weiteres ist der Flugzeughersteller Boom, der ein Überschallflugzeug drucken möchte. Transportmittel aus dem 3D-Drucker werden wohl eines Tages zum ganz normalen Alltag gehören. Bereits Mitte des Jahres 2018 hat das italienische Startup XEV in Kooperation mit dem chinesischen Unternehmen Polymaker ein Auto aus dem 3D-Drucker entwickelt. Es soll das leichteste sowie mit einem Preis von nur 8.000 Euro günstigste Elektroauto der Welt sein.
    • Medizin
      Wie bereits erwähnt, wird auch im medizinischen Bereich in viele verschiedene Richtungen geforscht. Neben den eingangs geschilderten Verwendungsmöglichkeiten wurde zum Beispiel ein mobiler 3D-Drucker entwickelt, der direkt am Krankenbett eingesetzt werden soll. Er kann Haut drucken und dadurch Wunden heilen. Noch befindet sich das Modell in der Testphase, doch die ersten Ergebnisse sind laut aktueller Resultate wie der US-amerikanischen Studie des Rensselaer Polytechnic Institute vielversprechend. Viele Experten bezeichnen diesen 3D-Drucker sogar als Durchbruch.
    • Lifestyle
      Und zuletzt wird der 3D-Druck natürlich auch allerhand neuartige Lifestyle-Produkte möglich machen, welche den Alltag für die Menschen einfacher machen oder schlichtweg eine unterhaltende Funktion haben. So hat die Robotik-Design-Firma „Boston Dynamics“ beispielsweise einen Roboterhund gedruckt, der Sprache verstehen sowie lernen kann und in Zukunft viele Leben retten soll. In naher Zukunft ist also durchaus zu erwarten, dass der 3D-Druck in vielen Lebensbereichen Veränderungen, Innovationen sowie Revolutionen mit sich bringen wird. In ferner Zukunft könnte der 3D-Drucker aber von einer anderen Technologie überholt und somit abgelöst werden, noch bevor er sein volles Potential entfaltet hat.

Die nächste Generation steht in den Startlöchern

Es handelt sich dabei um den sogenannten 4D-Drucker, welcher schon bald den 3D-Druck ablösen oder ergänzen könnte. Eigentlich stellt er lediglich die Weiterführung der Technologie dar. Denn auch er erstellt im Schichtsystem dreidimensionale Gegenstände. Allerdings kommt eben noch eine vierte Dimension hinzu. Die produzierten Gegenstände können sich nämlich nach dem Druck noch verformen oder auf andere Art und Weise verändern. Sie bewegen sich beispielsweise, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, oder verformen sich bei zunehmender Wärme. Es kann dafür unterschiedliche sensorische Auslöser geben.

Für den 4D-Druck kommen somit intelligente Werkstoffe zum Einsatz, was im Gegensatz zum 3D-Drucker noch einmal ganz neue Möglichkeiten eröffnet. Dadurch lassen sich selbst schwierige Materialien wie Keramik formen. Zudem könnte der 4D-Drucker zukünftig in der Chemie, Informatik, Materialwissenschaft, dem Bioenegineering oder der Werkstofftechnik Anwendung finden. Mögliche Einsatzbereiche sind:

  • Die Medizin, Medizintechnik sowie Biologie: Prothesen, Implantate und weitere Erzeugnisse könnten im Gegensatz zu den Modellen aus dem 3D-Drucker noch verbessert werden. Möglich sind Implantate, die bei Kindern mitwachsen.
  • Transport sowie die Luft- und Raumfahrt: Hier müssen sich die Materialien je nach Umweltgegebenheiten verändern, beziehungsweise anpassen können.
  • Hausbau: Möbel könnten kurzerhand selbst aufbauen. Der Garten bietet ebenfalls viele mögliche Einsatzbereiche.
  • Textilindustrie: Die Kleidung könnte sich in Zukunft an das Wetter anpassen.

Zum jetzigen Zeitpunkt lässt sich nur schwer absehen, in welchen Bereichen und inwiefern der 4D-Drucker den Alltag revolutionieren könnte. Unbestritten scheint aber, dass es dazu kommen wird.

Fazit

Seit seiner Erfindung vor mehr als drei Jahrzehnten wird der 3D-Drucker als eine der wichtigsten technischen Revolutionen unserer Zeit angesehen. Obwohl es aktuell eher still um das Thema geworden ist, läuft die Forschung auf Hochtouren. Außerdem findet der 3D-Druck in vielen Bereichen Anwendung. Bis er tatsächlich die Baubranche, die Medizin, den Transport oder andere Alltagsbereiche von Grund auf verändern wird, werden aber dennoch einige Jahre vergehen.

Zudem könnte er zeitnah durch fortgeschrittenere Technologien wie den 4D-Druck abgelöst werden. Ohne Zweifel wird die Zukunft stark von Innovationen aus dem Drucker geprägt sein.

11.02.2020

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