Kunststoff bzw. Filamente aus Plastik werden nach wie vor am häufigsten für den 3D-Druck eingesetzt. Sie sind haltbar, gut zu verarbeiten und können sogar aus alten Plastikabfällen recycelt werden. Es folgt ein kurzer Blick auf die am meisten verwendeten Stoffe.

ABS ist temperaturbeständig

ABS ist ein Material, das auch als Grundlage für Lego-Steine, zahlreiche Verkleidungen und Gehäuse von Geräten sowie von Gegenständen dient. Ebenso kommt es bei Autokarosserien oder Haushaltsgeräten zum Einsatz. Somit gehört es zu den Thermoplasten und beinhaltet zusätzlich Elastomere, die auf dem Stoff Polybutadien basieren, wodurch das Material stoßfest und nachgiebig wird. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein besonderer Kunststoff aus der Polymergruppe, weshalb er sich optimal für den 3D-Druck eignet. Seine Schmelztemperatur befindet sich zwischen 200 und 250 Grad, darüber hinaus kann er Temperaturen zwischen -20 und +80 Grad ohne Mühe aushalten.

Grundsätzlich sind ABS-Materialien belastbar, machen eine glatte Oberfläche möglich, können wiederverwertet werden und lassen sich durch chemische Verfahren glätten. Der Nachteil besteht darin, dass sie nicht biologisch abbaubar sind und eine beheizte Bauplattform benötigen, um das Ablösen der Teile zu verhindern. ABS wird hauptsächlich beim Verfahren der Schmelzschichtung, also in den meisten privaten Desktop-Druckern, wie zum Beispiel dem Replicator 2 oder dem Ultimaker verwendet. Um ABS für den 3D-Druck zu verflüssigen, wird es durch PolyJet und SLA umgewandelt.

PLA, Polyamid und Alumide

Polymer ist im Unterschied zu ABS biologisch abbaubar, weil es auf dem Rohstoff Maisstärke basiert. Seine mitunter wichtigste Eigenschaft ist, dass es sich weder verformt noch zusammenzieht, sobald es einmal abkühlt. Die daraus hergestellten Formen erhalten dadurch eine höhere Präzision. Eine beheizte Plattform ist mit diesem Material nicht nötig. Weil PLA ungiftig ist, wird es oft für die Herstellung von Produkten verwendet, die mit Lebensmitteln in Kontakt stehen. Wichtig ist, dass der Druckkopf immer aus rostfreiem Stahl besteht. Im Vergleich zu ABS ist PLA jedoch schwieriger zu handhaben, weil es schnell aushärtet und abkühlt. Weiterhin kann es passieren, dass bei Wasserkontakt Materialschäden oder Verfärbungen auftreten. Dennoch findet dieses oft lichtdurchlässige Material bei Druckermodellen wie dem CubeX und dem Replicator 2 Anwendung.

ABS vs. Polyamid?

Polyamid basiert auf einem feinen, weißen und puderförmigen Granulat, das mithilfe des Verfahrens des selektiven Lasersinterns hergestellt wird. Dank der biologischen Verträglichkeit sind Polyamide, ähnlich wie PLA, für die Herstellung von Produkten im Lebensmittelbereich geeignet. Im Gegensatz zu ABS und PLA können mit Polyamiden wahlweise Rillenstrukturen und glatte Oberflächen hergestellt werden. Dadurch, dass das Material aus teilkristallinen Strukturen zusammengesetzt ist, besitzt es bestimmte chemische und mechanische Eigenschaften. Dazu gehören Festigkeit, Stabilität, Schlagfestigkeit und Flexibilität. Aufgrund dieser Vorzüge ist es für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten geeignet und bietet eine hohe Detailgenauigkeit und gehobene Qualität. Polyamide kommen beispielsweise beim Herstellen von Getrieben in der Luft- und Raumfahrt, aber auch in der Automobilindustrie oder der Robotik zum Einsatz.

Alumide sind eine Kombination von Aluminium und Polyamid. Sie liegen in Pulverform vor, sodass die Verarbeitung mit dem selektiven Laserintern erfolgt. Aufgrund seiner leicht porösen Oberfläche sowie dem sandigen und körnigen Aussehen bietet das Material eine hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit, ähnlich wie 3D-Drucke aus Metallen. Zudem besitzt es gute Nachbearbeitungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel Schleifen, Fräsen, Beschichten oder Polieren.

Am besten funktionieren 3D-Drucker mit Kunststoffen, weil sie sich gut durch die Druckdüse pressen lassen und der schichtweise Aufbau zum fertigen Werkstück umso einfacher wird. Um Metalle verwenden zu können, braucht es deutlich höhere Temperaturen zum Formen. Bei metallischen Werkstoffen mussten Entwickler daher bisher Pulver verwenden, das zunächst mit dem Laser gesintert wurde – ein großer Umweg, da es sich um eine aufwendige Technik handelt. Doch nun fand Ramille Shah, eine Materialwissenschaftlerin an der Northwestern University in Chicago, kürzlich einen effektiven Weg, mit dem sich Metalle drucken lassen, ähnlich wie die Kunststoffe.

Pulvermischungen machen es möglich

Dazu mixte sie mit ihrem Team einfach den Kunststoff PLGA und die Metallpulver zu verschiedenen Tinten, mit welchen normale 3D-Drucker arbeiten können. Fertige Strukturen wurden anschließend in einem Ofen gesintert. Es war überraschend, dass die Werkstücke schrumpften, aber nach den Forschungsberichten weder rissen noch sich verformten. Tatsächlich erreichten sie sogar ein besseres Gefüge, da sie nicht punktuell, sondern gleichmäßig erhitzt wurden. Nach Shahs Angaben funktioniert das Verfahren auch mit Metallen, die mit den klassischen Pulververfahren nicht verarbeitet werden können. Erst, indem man Metalloxide verwendet und sie nach dem Druck durch Erhitzung zum Element reduziert, wäre eine Verarbeitung möglich, sagt Shah.

Leicht und einfach zu bearbeiten: Aluminium und Gallium

Aluminium stellt einen optimalen Kompromiss zwischen Stabilität und Leichtigkeit her. Es kann geschweißt werden und ist korrosionsbeständig. Allerdings ist es verglichen mit Stahl viel anfälliger für Materialermüdung und hält hohen Temperaturen weniger gut stand. Aluminium liegt zudem selten in reiner Form vor, sondern eher als Legierung mit Magnesium oder Silizium. Diese Tatsache verbessert aber seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Daher wird Aluminium im 3D-Druck vor allem dort verwendet, wo der Gewichtsreduzierung und Elastizität eine wesentliche Bedeutung zukommt.

Der 3D-Gallium-Druck wird im Vergleich zur Verwendung von Aluminium, Stahl und Titan noch erforscht. Es handelt sich dabei um ein Metall, das äußerst selten vorkommt, und meist in einer Metalllegierung mit Indium vorliegt. Diese Verbindung ist besonders selten, weil sie eine äußerst niedrige und für Metalle untypische Schmelztemperatur aufweist (29.7°C). Darüber hinaus härtet die Substanz an der Luft aus, während sie im Inneren flüssig ist. Auf diese Weise können flexible Gegenstände gedruckt werden.

Besonders haltbar: Stahl und Titan

Stahl wird in der Industrie am häufigsten verwendet, und zwar für unterschiedlichste Bauteile. Stahl war das erste Metall, das man im Zuge des 3D-Drucks verwenden konnte. Neben anderen Unternehmen entwickelte Phenix, ein französisches Unternehmen, ein Patent für den Stahldruck. Rostfreier Stahl beziehungsweise Edelstahl findet vor allem in der Medizin, der Maschinenbauindustrie und im Alltag Anwendung. Er verfügt über gute mechanische Eigenschaften und macht die Herstellung von glatten, glänzenden Oberflächen möglich. Auf Edelstahlbasis können sogar goldene oder bronzefarbene Objekte gedruckt werden, wofür bloß einzelne Edelstahl-Pulverschichten mit einem speziellen Klebstoff zu versehen sind.

Dank seiner perfekten Kombination von Leichtigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist auch Titan ein absolutes Erfolgsmaterial in diversen Bereichen. Wie beim Aluminium bieten Titanlegierungen beste chemische und mechanische Eigenschaften. Im 3D-Druck können Titan-Bauteile noch leichter in komplexeren Formen hergestellt werden. Titan wird aufgrund seiner Leichtigkeit und Haltbarkeit beispielsweise in der Flugzeugindustrie, für Implantate in der Chirurgie oder in der Fahrzeugindustrie wie für Fahrradrahmen verwendet.

Im Jahr 2012 entstand WASP aus dem neun Jahre zuvor gegründeten Centro Sviluppo Progretti (CSP), welches sich auf den Bereich Mechanik und Elektronik spezialisiert und zahlreiche innovative Projekte entwickelt hatte. Ebenso investierte man in Forschung für eine bessere Welt.

Das aktuelle World Advanced Saving Project, kurz WASP, konzentriert sich auf den Bereich des 3D-Drucks. Dort entwickelte man zuerst den PowerWASP, ein sehr vielseitig einsetzbarer und zugleich kostengünstiger 3D-Drucker. Dem Gerät ist es sogar möglich, keramische Mischungen zu drucken. Als nächstes stellte man den DeltaWASP Drucker vor, mit dem nicht nur kleine, sondern auch größere Objekte gedruckt werden können. Beide Drucker arbeiten sehr präzise und ermöglichen dadurch eine breite Produktpalette. Außerdem zeichnen sie sich durch einen geringen Energieverbrauch aus, wodurch sie sogar in Ländern ohne geregelte Stromversorgung einsetzbar werden. Es ist möglich, die verwendeten Sonnenkollektoren zu dritt innerhalb einer Stunde zu installieren und dadurch eine umweltfreundliche Stromversorgung zu garantieren. In der Nachhaltigkeit und der Verwendung von funktionalen Materialien liegt die Unternehmensphilosophie von WASP begründet.

Lebensmittel aus dem Drucker

Eines der Projekte von WASP ist die Kooperation mit Francesco Favorito, einem Koch, mit dem das Unternehmen glutenfreie Lebensmittel drucken wollte. Das WASP-Team war nämlich der Meinung, dass man nicht nur Schokolade mit dem 3D-Drucker erzeugen kann, sondern auch komplette Mahlzeiten. Erstmals hatte sich das Unternehmen auf der FoodInk 2016 mit dem Konzept des gedruckten Essens auseinandergesetzt. Während sich die Präsentation dort lediglich auf den Druck von Bechern und Tellern aus Ton beschränkte, stellte sich das Team 2017 eine neue Herausforderung. Die Entwickler wollten in der Küche einen Bereich schaffen, um glutenfreies Essen herzustellen, ohne dass es in Kontakt mit anderen Nahrungsmitteln kam. Hierfür startete man eine Zusammenarbeit mit Francesco Favorito, der sich besonders gut mit Teigmixturen und Lebensmittelunverträglichkeiten auskennt.

Ideal für Patienten: individuell angepasste Gerichte

Im Januar 2017 präsentierte WASP die ersten glutenfreien und per 3D-Drucker erzeugten Lebensmittel auf der SIGEP Messe. Favorito hatte dazu eine spezielle Teigmischung angerührt, sodass sie mit einem angepassten DeltaWASP gedruckt werden konnte. Mithilfe des Extruders, der sich auf maximal 80 Grad erhitzte, konnte man den Teig gewissermaßen vorbacken. Danach kamen die Lebensmittel in einen normalen Ofen, bis sie fertig waren. Bereits die ersten Versuche haben wichtiges Feedback gebracht, beispielsweise wirkte erwärmte Butter positiv auf das Fließverhalten des Teigs.

Der große Vorteil von gedrucktem Essen ist, dass man es auf Nachfrage und in gewählten Portionsgrößen ohne jeglichen Abfall herstellen und auch auf spezielle Diäten anpassen kann. Das WASP-Team wird sich auch weiterhin der Weiterentwicklung in diesem Bereich widmen und sicherstellen, dass dabei sämtliche Hygieneauflagen erfüllt sind. Abgesehen von den mechanischen Weiterentwicklungen soll auch eine für den Anwender intuitivere Software folgen.

Was der 3D-Druck verspricht, scheint genial: Ob fehlende Ersatzteile, defekte Schraubgelenke oder die begehrte Designerbrille, die einfach zu teuer ist – mit einem 3D-Drucker kann alles individuell und umgehend angefertigt werden. Jeder wird zum Produzenten. 3D-Drucker und die zugehörigen Materialien sind allen zugänglich, sofern man das nötige Kleingeld investieren will. Parallel dazu wächst die Anzahl der Plattformen im Internet, auf den Tüftler Vorlagen für 3D-Druckerzeugnisse erwerben und tauschen können. Und selbst, wenn sich viele sich einen solchen Drucker noch nicht leisten kann, besteht die Möglichkeit, die Werkstücke auf Anfrage von einem Dienstleister fertigen zu lassen.

Dass hieraus nicht nur Vorteile erwachsen, hat die erste Schusswaffe verdeutlicht, die voll funktionsfähig aus einem 3D-Drucker kam. Auch im „friedlichen“ Bereich kollidieren manche 3D-Drucke mit bestehendem Recht. Denn ähnlich wie beim Filesharing von Filmen und Musik kann es passieren, dass die Rechte Dritter betroffen sind, was nicht nur zu einer Abmahnung, sondern zu Unterlassungs- und Schadensersatzansprüchen führen kann. Gemeint sind nicht nur Nachbauten von außergewöhnlichen Kunstwerken, ebenso betrifft das Reproduktionen wenig scheinbarer Gegenstände.

Rechtliche Aspekte: Noch gibt es keine Präzedenzfälle

Obwohl viele Konflikte mit Rechtsinhabern zu erwarten waren, kam es bislang nur zu drei Abmahnungen aufgrund eines 3D-Drucks. Es könnte sich um die Ruhe vor dem Sturm handeln. Dafür spräche, dass sich Gerichte bisher nicht näher mit der Technik auseinandergesetzt haben, sodass keine Rechtsprechung für solche Fälle vorliegt. Es existieren außerdem keine konkreten Gesetze, die den 3D-Druck in seiner Besonderheit aufgreifen würden. Gleichzeitig gibt es reichlich potenziellen Zündstoff, weshalb es wichtig ist, sich mit den wesentlichen, rechtlichen Dingen rund um den 3D-Druck einmal zu beschäftigen.

Knifflig wird es beispielsweise beim Reproduzieren von Gegenständen, die man gar nicht erst mit irgendjemandes Rechten verbindet. So kann auch Alltägliches mit gewerblichen Schutzrechten zusammenprallen. Ob eine Rechtsverletzung besteht, hängt vorrangig davon ab, wie das gedruckte Objekt benutzt werden soll. Bei Eigenbedarf ist man auf der sicheren Seite, kritisch wird es, sobald der Privatbereich überschritten wird.

Kunstwerke werden für die Nachwelt erhalten

Mithilfe der 3D-Druck-Technologie können Kunstschätze konserviert werden. Selbst wenn sie nicht mehr im Original vorliegen, existiert immer noch die Kopie. Kritiker sagen, dadurch ginge die Einzigartigkeit kaputt. Doch das stimmt nur zum Teil. Denn ist das Original erhalten, strahlt es immer noch eine andere Aura aus, während die digitale Kopie vor allem einen Vorteil für die Wissenschaft bietet. Auch die Büste der Nofretete wurde auf diese Weise für die Ewigkeit konserviert. 3D-Druckexperten schoben sie unter zwei Scanbögen auf ein Fließband, wo sie immer wieder kurz in verschiedenen Positionen stoppte, um aus allen Winkeln gescannt zu werden. Nach diesem Verfahren wurden alle Kombinationen abgefahren, sodass die Forscher eine Bildermenge erhielten, mit der sie die optischen Materialeigenschaften des Objekts genau kannten. So ließen sich auch die Zusammensetzungen von Mineralien reproduzieren, durch die das Licht unterhalb der Oberfläche verschiedenartig gebrochen wurde. Der aktuelle Druck der Nofretete hat 500.000 Euro gekostet und wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Für die Zukunft gehen die Forscher davon aus, dass die Kosten minimiert werden können, sobald der Scanner in Serienproduktion geht.

Am 12. September 1940 wurde die Höhle von Lascaux von einigen jungen Männern entdeckt. Bereits im selben Monat folgte die erste wissenschaftliche Beschreibung von Henri Breuil, nach welcher die Kunstwerke der Höhle ins Périgordien datiert wurden. Erst 1948, acht Jahre später, wurde die Höhle der Allgemeinheit zugänglich gemacht. Hierzu schachtete man den Boden aus und senkte ihn ab, installierte eine elektrische Beleuchtung, baute eine Treppe eine und setzt eine schwere Tür an den Eingang, wodurch das Höhlenklima nicht allzu stark destabilisiert werden sollte. Pro Tag fanden sich seitdem ca. 1.200 Besucher ein und beschädigten die Bilder allein durch ihre Atemluft erheblich. Organische Substanzen und Kondenswasser führten bald zur Bildung von Schimmel, weshalb die Höhle im Jahr 1963 wieder geschlossen und mit aufwendigen Klima- und Belüftungsregulierungssystemen versehen wurde. Ebenso wurden die Bilder restauriert. Damit Menschen trotzdem die Gelegenheit haben, die Höhle von Lascaux zu begutachten, hat man sie mittels 3D-Scan originalgetreu nachgebaut.

Über 2.000 Malereien an den Höhlenwänden

Als Ersatz für die zahlreichen Fans aus aller Welt sollte die 1983 entworfene Lascaux II dienen. Diese Kunsthöhle befindet sich bloß 200 Meter neben den originalen Kalksteinen. Doch auch sie gelangte schnell an die Grenzen ihrer Belastbarkeit, weil Pilzbefall drohte. Immerhin wurden fast 10 Millionen Besucher innerhalb von 30 Jahren durch das Duplikat geschleust worden, in der sich rund 90 Prozent der ursprünglichen Tierbilder befinden. Lascaux II wurde unter Denkmalschutz gestellt und dient nur noch sporadisch für Kunstschulklassen und Privatführungen als Besichtigungsobjekt. Anders ist die Lascaux III organisiert, da es sich bei ihr um eine mobile und multimediale Ausstellung handelt, die seit 2012 um die Welt zieht. Und nun wurde die vierte Replik eröffnet, Lascaux IV. Zwar geschah das mit einer Verzögerung, weil es Streit bei der Finanzierung gab. Zudem war sie eine immense Herausforderung für Techniker, Künstler und Logistiker. In nur 36 Monaten mussten die 900 Quadratmeter der Wände und Decken mit Maßstab 1:1 nachgebaut werden.

3D-Animation dank präziser Scan-Technologie

Dabei arbeiteten die Techniker mithilfe von Taglampen. Zum Anmischen der Farben dienten den Künstlern der Vorzeit natürlich vorkommende Pigmente. Diese trug man direkt mit den Fingern, Handflächen oder Moosbüscheln auf. Heute kann man alles in digitalisierter Form betrachten. Fast 60 Minuten dauert die Führung durch die Höhle. Im Anschluss geht es zu einem Patio, wo es allgemeine Informationen zur Steinzeit und deren Bewohnern gibt. Ebenso wird dort erklärt, wie die Arbeit von Archäologen und Prähistorikern verläuft und wie sie sich in den vergangenen 200 Jahren verändert hat. Zum Schluss betritt man ein 3D-Kino, wo die Lascaux-Originalhöhe auf zwei Großbildschirmen live erlebbar wird. Hinzu kommen Filmsequenzen aus weiteren berühmten Höhlen der Erde. Den letzten Saal der Führung bezeichnet man als „Galerie des Imaginären“. Er beschäftigt sich mit der Theorie und dem Wesen der Höhlenkunst und lässt die Besucher auf 90 Bildschirmen bedeutende Kunstwerke Europas ansehen.

Die Abkürzung LiDAR steht für „Light detection and ranging“ und bezeichnet eine dem Radar verwandte Methode, Geschwindigkeits- und Abstandsmessungen optisch durchzuführen sowie Fernmessungen atmosphärischer Parameter zu veranlassen. Anders als beim Radar kommen hier keine Radiowellen, sondern Laserstrahlen zum Einsatz. Zur Atmosphärenmessung sendet das LiDAR-System Laserimpulse aus und detektiert das zurückgestreute Licht. Mithilfe der Lichtlaufzeit berechnet sich die Entfernung zum Ort einer Streuung. Durch Staub- und Wolkenteilchen in der Luft wird das Laserlicht gestreut, wodurch erst eine hochauflösende Detektion von Aerosolschichten und Wolken ermöglicht wird.

Abhängig von der Wellenlänge des Laserlichts können LiDAR-Systeme stark und weniger stark empfindlich für molekulare und Partikelrückstreuung sein. Ebenso hängt die Rückstreuung von der Größe und Konzentration der jeweiligen Partikel ab. Systeme, die mehrere Wellenlängen senden, können daher die exakte Größenverteilung von atmosphärischen Partikeln bestimmen. Das etwas modifizierte Raman- LiDAR-System ist außerdem in der Lage, neben gerade ausgesendeten Wellenlängen, auch die Signale anderer Wellenlängen zu erkennen. Diese entstehen beispielsweise durch rückstreuende Moleküle.

Virtual Reality (VR) mit Google’s Tango-Technologie

Wissenschaftler der Interface-Abteilung der technischen Universität in Massachusetts verwenden Googles Tango-Technologie, mit der sie die reale Umgebung effektiver in die virtuelle Welt integrieren können. Mithilfe der Computer Vision kann ein Gerät die Umgebung ähnlich wie die Menschen sehen und sie dreidimensional aufzeichnen. Als möglicher Nutzen dieser Technologie gilt, den begehbaren Bereich eines 3D-Scans exakt an die virtuelle Umgebung anzupassen, sodass der VR-Brillenträger keine Angst haben muss, den klar definierten Pfad zu verlassen. HTC Vive und Oculus Rift blenden beispielsweise Begrenzungen ein, sollte man den Trackingbereich verlassen.

Weil die Umgebung auf einem 3D-Scan basiert, kann die VR noch besser erarbeitet werden, indem virtuelle und reale Wände deckungsgleich erscheinen. Fasst man die virtuelle Wand an, spürt man tatsächlich einen Widerstand, was die Immersion, also das „Eintauchen“ in die virtuelle Welt, steigert. In anderen Szenarien werden reale Stühle gescannt und an selber Stelle in der VR-Welt platziert, sodass ein Hinsetzen ermöglicht wird. Solche Experimente zeigen, dass VR eine Technologie ist, die sich in naher Zukunft noch stark entwickeln wird.

Kintec erfasst Bewegungen und baut dreidimensionale Figuren

Die Microsoft-Technologie Kintec ist aus fünf Bauteilen zusammengesetzt: Zuerst bestrahlt der linke Tiefensensor den Raum großflächig infrarot. Der rechte Tiefensensor fängt die Strahlen auf, welche von Objekten und Personen reflektiert werden. Hinterher wertet Kintec die Informationen aus und ermittelt mithilfe der Bewegungssteuerung ein dreidimensionales Spielerabbild. Im nächsten Schritt definiert Kintec zwanzig Punkte am Körper des Teilnehmers, welche vom Gerät immerzu für die Bewegungsübertragung erfasst werden. In der Regel wird hierzu ein Punkt am Kopf, am Hals, je vier Punkte an den Armen, vier Punkte am Unterleib, an den Knien und den Füßen genommen. Aktuell ist Kintec in der Lage, maximal zwei Spieler zur selben Zeit zur erfassen und ihre Bewegungen zu übertragen. Vier weitere Teilnehmer können passiv erfasst werden, was praktisch ist, wenn beispielsweise vier Personen auf zwei Bahnen bowlen. Nach einer absolvierten Runde wechseln die aktiven und passiven Spieler die Position und haben weiterhin ihren Spaß. Außerdem kann Kintec neue Spieler von bisherigen unterscheiden und ihnen bereits vergebene Avatare und Namen zuordnen.

Als Gesichtserkennung wird die Analyse von sichtbaren Merkmalen im Bereich des vorderen Kopfes bezeichnet. Sie erfolgt durch den Vergleich von geometrischen Anordnungen und Textureigenschaften der Oberfläche. Zu unterscheiden ist die Gesichtserkennung von der Lokalisation des Gesichts in Bildern. Im ersten Fall geht es nämlich um die konkrete Identifikation einer Person, während im zweiten Fall nur geprüft wird, ob irgendein Gesicht zu erkennen ist.

Im technischen Zusammenhang gehört die Gesichtserkennung zu den biometrischen Verfahrensweisen. Sie findet Anwendung sowohl im forensischen, kriminalistischen und sicherheitstechnischen Kontext. Teilweise wird sie auch zur Verifikation oder Identifikation von natürlichen Personen verwendet. Normalerweise dient die computergestützte, technische Gesichtserkennung dazu, um die Zutrittskontrolle zu sicherheitsempfindlichen Zonen zu gewährleisten und effektiv nach Dubletten in Datenbanken suchen zu können. Simple Verfahren greifen auf eine zweidimensionale geometrische Vermessung gegebener Merkmale zurück. Abgesehen von dieser Methode, die beispielsweise in üblichen Kameras verwendet wird, gibt es auch die dreidimensionale Erfassung des Gesichts. Hierbei werden zusätzliche Informationen erfasst, was zur höheren Erkennungsgenauigkeit, einer besseren Posenunabhängigkeit und Überwachungssicherheit führt.

Verbesserte Überwachungstechnologie

In England wird derzeit ein Videoüberwachungssystem am Flughafen getestet, das menschliche Gesichter selbst dann identifizieren kann, wenn sie Brillen oder Bärte tragen. Das System stellt dreidimensionale Bilder her und gleicht sie sofort mit einer Datenbank ab, worin verdächtige Personen gespeichert sind. Entwickelt wurde die Software von Cambridge Neurodynamics, dem Hersteller, der auch Programme zur Identifizierung und Analyse von Fingerabdrücken geschrieben hat. Dank diesem Gesichtserkennungssystem soll es für Sicherheitsbeamte an Häfen und Flugplätzen einfacher werden, diejenigen Menschen zu verfolgen, die laut dem Programm große Ähnlichkeiten mit bekannten Kriminellen und Terroristen haben.

Dabei erfasst zunächst eine Videokamera zweidimensionale Bilder. Die Tiefe wird dem Gesicht durch einen anschließenden Laserscan verliehen, woraus schließlich ein virtuelles und dreidimensionales Gesichtsmodell entsteht. Obwohl sich 3D-Bilder auch aus zweidimensionalen Fotos erzeugen lassen, arbeitet das System zuverlässiger, wenn die gespeicherten Bilder bereits dreidimensional sind. Cambridge Neurodynamics möchte sich auch an Banken richten, bei denen mithilfe des Systems bestimmte Sicherheitsbereiche abgeriegelt werden könnten.

NEC auf der CeBIT

Im Jahr 2004 präsentierte der japanische Elektronikhersteller NEC eine Technologie zur 3D-Gesichtserkennung, wie sie schon teils bei der japanischen Polizei zum Einsatz kam. Auch hier generiert das System zweidimensionale Kamerabilder und stellt aus ihnen 3D-Modelle her. Zunächst erfassen vier separate Kameras sowohl die linke als auch die rechte Gesichtshälfte einer Person. Diese werden mit Längsstreifen versehen und anschließend maskenförmig modelliert, woraus das 3D-Modell erwächst. Mithilfe eines 3D-Viewers lassen sich Masken in drei unterschiedlichen Varianten darstellen: als Netzstrukturmodell, als polygone Daten oder als vollfarbiges Gesicht mit natürlichen Hauttönen. Obwohl das Unternehmen betont, in Deutschland gebe es nur eine 1:1-Erkennung, wirbt es in seinen Prospekten mit der 1: N-Erkennung. Mit ihr soll es möglich sein, von Überwachungskameras aufgenommene 2D-Gesichter mit einer 3D-Datenbank zu vergleichen. Auf diese Weise steigt die Wahrscheinlichkeit, ein 2D-Gesicht zu identifizieren, auf 96.5 Prozent. Das auf der CeBIT vorgestellte System wurde unter Zusammenarbeit mit der Bundesdruckerei bereits am Frankfurter Flughafen erfolgreich getestet.

Heimwerken gehört für viele Menschen einfach zum Leben mit dazu. Etwas mit den eigenen Händen zu schaffen, ist etwas Besonderes, denn schließlich hat derjenige seinen ganzen Elan und sein ganzes Können in die Projekte gesteckt. Warum sollte das bei einem 2D-Drucker nicht auch möglich sein? Inzwischen gibt es Unzählige von Bausätzen, die einfach Zuhause selbst montiert werden können. Doch welche sind die besten und auf welche Eigenschaften kommt es an, wenn man sich einen solchen Bausatz ordert?

Die Erwartungen an das Drucken

An erster Stelle muss jeder seine Erwartungen an den 3D-Drucker definieren. Objekte in industrieller Qualität, welche hochwertige Eigenschaften aufweisen, dürfen wohl kaum erwartet werden. Die Technologie für den Heimeinsatz eignet sich derzeit eher für einfache Strukturen oder aber zum Spaß. Dennoch sollte ein Mindestmaß an Qualität gewährleistet sein, sodass einem die ersehnten Druckobjekte nicht gleich wieder auseinanderfallen. Auch von Bedeutung ist die Komplexität der Montage. Wenn der Bausatz – ohne dass dafür Kenntnisse als Raumfahrtingenieur erforderlich sind – montiert werden kann, ist das bereits die halbe Miete.

Druckspaß für 60 Dollar

Ein guter Kandidat, der alle die Anforderungen erfüllt, ist der EWaste. Der 3D-Drucker kann bereits für 60 Dollar erworben werden und verspricht für kleines Geld eine Menge Spaß. Der EWaste trägt seinen Namen dabei nicht zu Unrecht, wird das Gerät doch zu über 80 Prozent auch recycelten Materialien hergestellt. Vorgestellt wurde das Gerät bereits im Jahre 2014 auf der Plattform Instructables, wo der Erfinder auch gleich eine komplette Bauanleitung mitveröffentlichte.

Ist der Drucker einmal fertig, so arbeitet das Gerät mit 1,75 mm Filamenten, welche in der Verarbeitung nur sehr wenig Energie erfordern. Das macht den Drucker noch zusätzlich umweltschonend, gerade weil auch Bio-Kunststoff zum Einsatz kommen kann. Die kleinen Ergebnisse können sich durchaus sehen lassen, wenngleich bis heute noch immer Fehler zu beseitigen sind.

Nicht das einzige Modell

Der EWaste ist natürlich nicht der einzige Bausatz auf dem Markt. Allerdings fallen andere Systeme dabei deutlich teurer aus. Der Peachy Printer etwa oder der Midro 3D liefern schon als sehr gut zu bezeichnende Ergebnisse, kosten in der Anschaffung aber gleich auch mal bis zu 300 Euro. Dabei sind diese Modelle noch im unteren Preissegment angesiedelt.

Gerade der Micro 3D hat dabei eine erstaunliche Erfolgsgeschichte hinter sich. Einst über die Plattform Kickstarter finanziert, wird das Modell heute in Serie produziert und liefert besonders für Ingenieure, Architekten und Designer erstaunlich gute Ergebnisse, wenn es um Präsentationsmaterial geht. Selbst bauen muss das Geräte heute niemand mehr. Es kann fertig wie jeder andere Drucker, einfach beim Hersteller geordert werden.

Das darf nicht fehlen

Doch egal wie teuer ein 3D-Drucker für den Selbstbau auch sein mag, ein Element darf unter keinen Umständen fehlen. Ein Extruder muss in jedem Fall dabei sein, da ansonsten niemals mit dem Gerät gedruckt werden könnte. Auch ein entsprechender Rahmen muss unbedingt beim Modell mit dabei sein, denn diesen selber zu bauen, kann unter Umständen mehr als schwierig werden. Beim Netzteil hat man zwar die Wahl, allerdings empfiehlt es sich, wenn es beim Bausatz mit dabei ist.

Hochpreisige Bausätze sollten all die Elemente in jedem Fall enthalten. Wer einen Bausatz ohne die Komponenten findet, der sollte lieber die Finger davonlassen. Gerade wenn der Bausatz mehr als 300 Euro kosten sollte, ist eine solche Anschaffung es nicht wirklich wert.

Neue Wege zu beschreiten, ist ein wesentlicher Bestandteil der Medizingeschichte. Stets haben sich die Kenntnisse erweitert und immer neue Umwälzungen sorgten für bahnbrechende Entwicklungen, die Heilmethoden hervorbrachten, die so mancher Seuche das Handwerk legten und bei unzähligen Gebrechen Erleichterung versprachen. Doch in einer Welt, in der sich die Technik mit rasanter Geschwindigkeit zu immer neuen Ufern vorwagt, stehen der medizinischen Forschung Möglichkeiten offen, die Therapieformen hervorbringen, die bisher undenkbar waren. Die Erfindung des 3D-Drucks hat nun zu Implantaten geführt, die spezifisch auf das jeweilige Problem angepasst werden können.

Es ist ausgedruckt

Schon heute – obwohl sich die Forschung und Entwicklung der Technologie immer noch in den Kinderschuhen bewegt – zeigt der 3D-Druck seine Vorteile. Maßgefertigte Implantate müssen nicht mehr bestellt oder in Serienfertigungen auf Vorrat gelagert werden. Praktisch in jeder Klinik kann nun das passende „Ersatzteil“ in absoluter Präzision hergestellt werden. In der Chirurgie macht das Verfahren schon jetzt einen Großteil der medizinischen Versorgung aus, denn Frakturen können mit Implantaten geschient werden, die keine Beeinträchtigung in der Bewegungsfreiheit des Patienten verursachen. Erst kürzlich wurde einer Patientin in China ein künstlicher Wirbel aus Titan eingesetzt. Dieser konnte perfekt auf die körperlichen Eigenschaften angepasst werden, denn auch er stammte aus einem 3D-Drucker.

Auch Zahnmediziner sehen sich einer neuen Ära gegenüber. Mussten Zahnimplantate und Brücken früher mühevoll mit dem Laser oder von Hand gefertigt werden, erledigt die Aufgabe heute ebenfalls ein 3D-Drucker. Ein Drücken oder Verrutschen gehört damit für den Patienten der Vergangenheit an. Doch noch sind längst nicht alle Zahnlabore mit der Technik ausgerüstet, bis der 3D-Druck flächendeckend zum Einsatz kommt, wird hier noch einige Zeit vergehen.

Schicht für Schicht

Was bei Knochen oder anderen harten Substanzen möglich ist, ist auch für andere Organe nicht ausgeschlossen. In der Herzchirurgie zeigte sich bereits, dass gedruckte Herzklappen den natürlichen Organen in nichts nachstehen. Egal um welche Struktur es sich handelt – das Verfahren ist dabei immer das Gleiche:

Ein vertikal montierter Druckkopf baut aus biologischen oder synthetischem Material das entsprechende Implantat aus Kunststoff auf. Der Vorgang vollzieht sich schichtweise, quasi so als würde ein Legostein auf einen anderen gesetzt werden, bis die vollständige Figur fertig ist. Noch dauert das Verfahren, je nach Größe und Art des Implantates, zumeist mehrere Stunden bis hin zu Tagen. Doch aktuelle Entwicklungen zielen darauf ab, diesen Prozess deutlich zu beschleunigen. Auch neue Kunststoffe tragen einen wesentlichen Aspekt zu dem Fortschritt bei.

Von hochelastisch bis knochenhart

Ein aktuelles Stichwort bei Implantaten ist hierbei der „hyperelastische Knochen“. Das Material wurde von Wissenschaftlern in den USA entwickelt und besteht aus Hydroxylapatit – einer Kalziumform, welche so auch in menschlichen Knochen vorhanden ist. Das Bahnbrechende an der Entwicklung: Das Material besitzt die selbe Härte wie ein gewöhnlicher Knochen, ist aber um ein vielfaches elastischer, was somit auch den Einsatz bei Kindern ermöglicht. Bisherige Implantate versagten hier dadurch, dass sie dem Wachstumsprozess nicht standhalten konnten. Mit dem „hyperplastischen Knochen“ aus dem 3D-Drucker wird sich das nun aber ändern.

Genau das Gegenteil trifft dabei auf den Kunststoff PEEK (Polyetheretherketon) zu. Dieser verfügt über die bei Knochen übliche Elastizität und weist eine enorme Härte auf. Bereits Anfang des Jahres wurde das Material als Filament für den medizinischen 3D-Druck zertifiziert. In Zukunft soll es für die Fertigung von Prothesen, Zahnersatz und medizinischen Werkzeugen herangezogen werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Entwicklung wird bei der dauerhaften Verwendung von gedruckten Implantaten im menschlichen Körper liegen. Für den Zweck wird derzeit an Kunststoffen gearbeitet, die nicht nur im Wachstum genutzt werden können. Auch die Herstellung von gedruckten Implantaten aus körpereigenem Gewebe, wird weiter ein primärer Bestandteil der Forschungsarbeit sein.

Ein kleines Spielzeug hier und ein Plastikteil da – so sah die Vorstellung vieler Menschen aus, als das 3D-Druckverfahren einstmals der Öffentlichkeit präsentiert wurde. Doch mittlerweile haben die Geräte diesen Punkt weit überschritten. Was vor einigen Jahren noch undenkbar war, wird heute schon in vielen Laboren und medizinischen Einrichtungen praktiziert – das Drucken von organischem Material. Was einst mit ein paar Zellen begann, ermöglicht inzwischen bereits den Druck ganzer Organe.

Herz und Leber aus dem Drucker

Das Prinzip des Bioprintings unterscheidet sich dabei nicht von dem üblichen 3D-Druck bei anorganischem Material. Schichtweise werden die Zellen übereinander aufgebaut, bis schließlich das vollständige Organ für die Implantation zur Verfügung steht. Das könnte in Zukunft dazu führen, dass Spenderorgane großflächig vorhanden wären. Das heutige Listensystem mit langen Wartezeiten hätte somit ausgedient. Doch nicht nur große Organe können mit der Methode hergestellt werden. Der Kosmetikkonzern L’Oréal arbeitet derzeit daran, Haarfollikeln zu drucken, um den für viele Menschen durchaus schmerzhaften Haarverlust endlich Einhalt zu gebieten. Auch echte „Ohrprothesen“ könnten bald für Personen, die etwa durch einen Unfall das Organ verloren haben, Erleichterung versprechen. An der ETH Zürich wurden zu dem Zweck aus Knorpel-Spenderzellen, zum ersten Mal Ohren gedruckt. Noch befindet sich das Projekt in der Testphase, wobei die ersten Ergebnisse aber mehr als vielsprechend sind.

Kein Risiko der Abstoßung

Das Bioprinting stellt auch eine Lösung für ein anderes großes Problem der Transplantationsmedizin dar – das Risiko einer Abstoßung des fremden Organs kann auf null reduziert werden. Durch die Anwendung körpereigener Stammzellen bestehen die Organe aus dem 3D-Drucker aus nicht körperfremden Gewebe, ganz so als würde es sich um das eigene Herz oder die eigene Niere handeln. Auf lange Sicht schädigende Immunsuppressiva, die die Abwehrkräfte unterdrücken, hätten somit ausgedient. Auch für Patienten mit Leukämie ergibt sich hierdurch ein Lichtblick, denn letztlich könnte auch Knochenmark auf diese Weise gedruckt werden. Doch so schön die neue Wunderwelt des medizinischen 3D-Drucks auch klingen mag, noch gibt es für die Forscher einige Hindernisse aus dem Weg zu räumen. Doch gerade in einem entscheidenden Punkt gelang einem Wissenschaftlerteam nun ein Durchbruch.

Stabiler Druck

Bisher waren es gerade feste Strukturen wie Knochen, die im Bioprinting ein massives Problem darstellten. Die heute verwendeten Hydrogele, welche als Zellträger zum Einsatz kommen, weisen nicht annähernd die benötigte Stabilität auf, um solche hochfesten und dennoch flexiblen Strukturen zu drucken. Einem Team an der Queensland University of Technologie gelang aber nun ein Durchbruch. In Zukunft wollen sie einen Trick der Natur verwenden, um Hydrogele für den Druck haltbarer zu machen. Hierzu sollen Fasern zum Einsatz kommen, wie sie die Evolution für die Stabilisierung verschiedenster organischer Strukturen verwendet. Das Ganze nennt sich „Melt Elektrospinning Writing”, wobei dem Hydrogel Microfaserstrukturen hinzugefügt werden. Hierdurch wird das Material um bis 54 Mal stärker, als das bisher der Fall war. Somit ließen sich nun auch feste Strukturen wie Knochen und Organe drucken, die unbedingt eine festgelegte, haltbare Zellstruktur benötigen.

Drucken gegen Krankheiten

Auch viele andere, heute noch als unheilbar geltende Krankheiten wie etwa Arthrose, könnten durch das Bioprinting bald der Vergangenheit angehören. In dem Zusammenhang ließe sich zum Beispiel entsprechende Knorpelmasse herstellen. Auch ein Pflaster für das Gehirn ist bereits in der Entwicklung, mit dem viele Verletzungen an diesem empfindlichen und komplexen Organ wesentlich effektiver behandelt werden könnten.