3D-Druck: Möglichkeiten, Grenzen, Zukunftsvisionen - wissenschaft.de
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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, welche die Welt verändert – in der Gegenwart und mit Sicherheit auch in der Zukunft. Dennoch macht die Technologie erstaunlich wenige 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 via 3D-Drucker produziert werden können, 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 also die Idee, auch dreidimensionale Dinge drucken zu können und ein erstes Patent für eine solche Technologie wurde durch den 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, welche die Technologie weiter vorantrieben. 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 additive Verfahren patentiert, die bis heute als die wichtigsten Technologien im 3D-Druck gelten. Bereits seit dem Jahr 1992 sind solche 3D-Drucker auch für Privatpersonen erhältlich. Dennoch führten sie lange Zeit eine Art Schattendasein.

Die Erfolgsgeschichte der 3D-Drucker im Rückblick

Damit ist die Geschichte jedoch noch lange nicht zu Ende. Denn obwohl die 3D-Drucker unter Privatpersonen nach wie vor nur wenig üblich sind, gilt das nicht für andere Einsatzbereiche. In den 1990er Jahren begann nämlich ihre Erfolgsgeschichte in der medizinischen Forschung. Schnell kam hier die Idee auf, mit Hilfe der Technologie könnten medizinische Hilfsmittel, Prothesen oder irgendwann sogar Organe hergestellt werden. Das würde die Lösung für ein großes Problem bedeuten, denn an Spenderorganen mangelt es erheblich, was allein in Deutschland jedes Jahr tausende Menschen das Leben kostet.

Erste Fortschritte im Bereich der Organe aus dem 3D-Drucker sorgten schließlich auch für eine wachsende mediale Aufmerksamkeit rund um das Thema zu Beginn der 2000er Jahre. Gleichzeitig kamen neue 3D-Drucker auf den Markt, die immer größere Gegenstände herstellen konnten. Damit rückte die Vision von Autos, Häusern & Co aus dem 3D-Drucker in scheinbar greifbare Nähe. Seit 2008 können mit der Technologie Prothesen sowie Orthesen hergestellt werden, im Jahr 2009 kam der erste Online-3D-Druck-Service auf den Markt und vier Jahre später bezeichnete der damals amtierende US-Präsident Barack Obama den 3D-Druck schließlich als das wichtigste Thema für die Zukunft überhaupt.

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Wie weit ist der 3D-Druck heute?

Aufgrund solcher Schlagzeilen waren die Erwartungen an den 3D-Druck zu Beginn der 2000er Jahre hoch. 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, welcher die Bauindustrie revolutionieren könnte.

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

Probleme und Grenzen in der Forschung

Einerseits befindet sich der 3D-Druck noch inmitten der Forschungsphase. Zwar gibt es bereits viele kleinere Erfolge, doch die Entwicklung einer komplett neuen Technologie ist ein langwieriger Prozess, der viele Jahre, Jahrzehnte oder sogar Jahrhunderte andauern kann. Das war mit wegweisenden Erfindungen wie dem Auto oder dem Internet in der Vergangenheit nicht anders.

Die Erfindung des Rads gut 4.000 Jahre vor Christus führte schließlich auch nicht direkt zur Produktion von Autos. Dieses Beispiel macht deutlich, dass bei praktischen Anwendungen neuer Erfindungen Geduld gefragt ist und heutzutage noch niemand vorhersehen kann, was zukünftig aus dem 3D-Drucker wird.

Andererseits sind es auch Patente, welche immer wieder als Hindernis fungieren. Viele Wissenschaftler mussten nämlich erst einmal zehn oder 20 Jahre warten, bis diese ausgelaufen waren und sie mit ihrer Forschung beginnen konnten. Selbiges gilt für zahlreiche Startups, die ihre Ideen lange Zeit nicht umsetzen durften – oder sogar nach wie vor nicht dürfen – weil sie damit Patente verletzen würden.

Zudem spielt natürlich auch immer das Geld eine Rolle. Während auf der einen Seite viele Akteure versuchen, mit dem 3D-Druck möglichst viel Profit zu machen, fehlen an anderen Stellen die finanziellen Mittel, um die Forschung voranzutreiben. Und zuletzt gibt es bürokratische Hürden. Schließlich darf Menschen bei einer Organtransplantation nicht einfach irgendetwas aus dem 3D-Drucker eingesetzt werden – um erneut nur ein Beispiel von vielen zu nennen. 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-Druckmaterialien zu entwickeln,
  • neue Bildungsangebote zu implementieren,
  • den Wissensaustausch zu fördern sowie
  • natürlich neue Innovationen

Momentan geht es also vor allem um die Forschung sowie die Sammlung und den Austausch von Knowhow, um aus der vielversprechenden Technologie schnellstmöglich das Meiste herausholen zu können. Wie bereits erwähnt, handelt es sich dabei um einen Prozess, der Zeit braucht und auch noch in Zukunft brauchen wird.

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 entsprechende Drucker mittlerweile experimentell eingesetzt, um zum Beispiel Lebensmittel wie Fleisch zu drucken oder Knochenimplantate für Astronauten herzustellen. Ein erstes Knochengewebe konnte bereits erfolgreich generiert werden. 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. Das schlachtfreie Fleisch aus dem 3D-Drucker, welches eigentlich für Astronauten konzipiert wurde, könnte zukünftig zudem nicht nur im Weltall eine Revolution darstellen, sondern auch auf der Erde. Schließlich stellt die Fleischindustrie einen der größten Umwelt- sowie Klimasünder dar und der Wunsch nach mehr Tierwohl wächst stetig in der Bevölkerung, was sich zum Beispiel in einer vegetarischen oder veganen Lebensweise äußert.
  • Lebensmittel
    Nicht nur die Raumfahrt, sondern auch die Lebensmittelindustrie könnte also in absehbarer Zukunft eine Revolution durch den 3D-Druck erleben. Das gilt ebenso für schlachtfreies Fleisch wie auch das Drucken sämtlicher Lebensmittel, das prinzipiell möglich ist. Es gibt 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, jedoch entstehen durch die Entsorgung nicht nur zusätzliche Emissionen, sondern vor allem handelt es sich um eine enorme Verschwendung von Ressourcen.Würden diese sinnvoller verteilt, könnte der unnötige Müll vermieden werden. Stattdessen müssten viele Menschen auf der Welt nicht mehr hungern. Die Lebensmittel aus dem 3D-Drucker könnten dabei insofern helfen, als dass noch genießbare Essensreste oder eigentlich unverkäufliches Obst und Gemüse kurzerhand zu neuen oder „schöneren“ Lebensmitteln umgewandelt werden. Als „Upprinting“ wird dieser Trend der Zukunft bezeichnet.
  • 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 beispielsweise Beton zahlreiche Vorteile bieten. Ein Beispiel dafür ist eine Fassade aus Carbon, die mit dem 3D-Ducker hergestellt und begrünt werden kann. Sie gilt somit als besonders nachhaltig.Jedoch können auch Beton sowie Mauerziegel mittlerweile per 3D-Druck hergestellt werden. Dementsprechend ist theoretisch die Fertigung ganzer Häuser oder sogar vollständiger Städte möglich, sofern 3D-Drucker mit ausreichender Größe zur Verfügung stehen. 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. Spätestens aber, sobald auch große Wohnhäuser aus dem 3D-Drucker möglich sind, könnten sie zu einer echten Alternative zu Massiv- sowie Fertighäusern werden. 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.
  • Transport
    Im Bereich Transport ist der 3D-Druck noch weiter von praktischen Anwendungen entfernt. Allerdings wird natürlich auch in diese Richtung mit Nachdruck geforscht. Die bereits erwähnte Rakete aus dem 3D-Drucker stellt dafür nur ein Beispiel dar. Ein weiteres ist der Flugzeughersteller Boom, der ein Überschallflugzeug drucken möchte. Geplant sind erste Passagierflüge ab Mitte des Jahres 2020. Ob sich diese Pläne tatsächlich zum genannten Termin umsetzen lassen, bleibt allerdings noch abzuwarten. Sicher scheint jedoch, dass Flugzeuge, Autos und weitere Transportmittel aus dem 3D-Drucker eines Tages zum ganz normalen Alltag gehören werden.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 billigste Elektroauto der Welt sein. Optisch ist es es dem Smart zum Verwechseln ähnlich.Allerdings bringt es einen Haken mit sich: Eine Batterieladung reicht für gerade einmal 150 Kilometer und die maximale Geschwindigkeit liegt bei 70 km/h. Nur drei Tage braucht der 3D-Drucker für die Produktion, wofür ein nachhaltiger Bio-Kunststoff verwendet wird. Bereits zu Beginn des Jahres 2019 erlangte das Auto seine Serienreife und wurde Sicherheitstests unterzogen. Angeblich gibt es bereits über 7.000 Vorbestellungen. Wann es tatsächlich auf den Markt und damit auf die Straßen kommt, steht aber noch nicht fest.
  • 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. Dafür wird die Haut sozusagen direkt in die Wunde gedruckt. Noch befindet sich das Modell in der Testphase, doch die ersten Ergebnisse sind laut aktueller Resultate wie dieser 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. Denn „Astro“, wie der Roboterhund getauft wurde, kann schwieriges Gelände durchqueren und für verschiedene gefährliche Situationen trainiert werden. Er kann Notrufe hören, gewisse Gerüche „erschnüffeln“ oder Dinge wahrnehmen, die ein Mensch nicht bemerken würde. Somit kann Astro Schutz- und Rettungshund zugleich werden – oder einfach ein moderner Alltagsbegleiter.In naher Zukunft ist also durchaus zu erwarten, dass der 3D-Druck in vielen Lebensbereichen Veränderungen, Innovationen sowie kleinere oder größere 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. Denkbare Einsatzbereiche sind demnach

  • die Medizin, Medizintechnik sowie Biologie, wo die Prothesen, Implantate und weiteren Erzeugnisse im Gegensatz zu jenen aus dem 3D-Drucker noch verbessert werden könnten. Möglich sind zum Beispiel Implantate, die bei Kindern mitwachsen.
  • der Transport sowie die Luft- und Raumfahrt, wo sich die Materialien je nach Umweltgegebenheiten verändern beziehungsweise anpassen könnten.
  • das Haus, wo sich Möbel kurzerhand selbst aufbauen könnten, aber auch der Garten bietet viele mögliche Einsatzbereiche.
  • die Textilindustrie, indem sich Kleidung zukünftig vielleicht von selbst an das Wetter anpasst.
  • der Umweltschutz, der durch intelligente Erzeugnisse aus dem 4D-Drucker in vielerlei Hinsicht unterstützt werden könnte.
  • die Energietechnik, Gebäudesicherheit, Architektur, usw.

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. Und auch 5D- sowie 6D-Drucker stehen bereits in den Startlöchern.

Fazit

Seit seiner Erfindung vor mehr als zwei Jahrzehnten wird der 3D-Drucker als die wichtigste Revolution dieser Zeit angesehen. Obwohl es derzeit eher still geworden ist um die Technologie, läuft die Forschung auf Hochtouren und bereits jetzt findet der 3D-Druck in vielen Bereichen Anwendung. Bis er tatsächlich die Baubranche, den Transport oder andere Alltagsbereiche von Grund auf umwälzen wird, werden aber dennoch einige Jahre vergehen.

Zudem könnte er zeitnah durch fortgeschrittenere Technologien wie den 4D-Drucker abgelöst werden. Zweifelsohne wird die Zukunft aber stark von solchen Innovationen aus dem Drucker geprägt sein und zum jetzigen Zeitpunkt ist nur schwer vorstellbar, welche faszinierenden Dinge nicht nur in der Medizin zukünftig möglich sein werden.

11.02.2020

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