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.

„Computer: Ein Steak bitte“ – die Vision aus Science-Fiction-Filmen, das Essen aus dem Computer, könnte nun bald zur Realität werden. Diverse Projekte in verschiedenen Ländern arbeiten derzeit daran, Nahrungsmittel fertig aus dem 3D-Drucker bereit zu stellen. Dabei soll das Essen sofort verzehrfertig sein, ohne dass es noch zusätzlich gekocht werden muss.

Das Steak aus der Tube

Was bei Astronauten bereits normal ist, kommt jetzt auch bei uns erdgebundenen Menschen auf den Tisch. Die gedruckten Lebensmittel sollen nämlich nicht aus normalen Zellen und Pflanzenfasern hergestellt werden, sondern aus einer speziellen gefrorenen Lebensmittelpaste. Aus dem Grundstoff wird dann das jeweilige Nahrungsmittel Schicht für Schicht zusammengebaut. Anders als bei anderen 3D-Druckverfahren soll der Prozess aber keine Stunden in Anspruch nehmen, sondern vergleichsweise schnell ablaufen. Je nach Komplexität der Lebensmittel kann aber durchaus eine dreiviertel Stunde vergehen. Zumindest ist das beim aktuellen Stand der Entwicklung der Fall. Doch das ist nicht das hauptsächliche Problem, dem sich die Forscher des Creative Machines Lab von der Columbia State University gegenübersehen. Noch fehlt einfach die richtige Programmiersprache, um dem Drucker das Kochen beizubringen.

Der Script-Code ist entscheidend

Damit der 3D-Drucker nicht nur die reinen Speisen produziert, sondern diese auch gewürzt und somit servierfertig erzeugt werden können, muss noch die richtige Software entwickelt werden. Schließlich müssen die Zutaten genau im richtigen Verhältnis kombiniert und bei der korrekten Temperatur gegart werden. Doch auch das Kochen selbst stellt noch ein Problem dar, denn in den 3D-Drucker, der bisher aus einem Roboterarm besteht, muss auch noch ein Infrarot-Heizelement integriert werden. Erst wenn das gelingt, kann es an den praktischen Einsatz gehen. Dabei sehen die Wissenschaftler die Verwendungsmöglichkeiten vor allem in Krankenhäusern und in Altenheimen, denn hier wird in größerer Menge stets frisches Essen benötigt.

Einsatz schon heute möglich

In anderen Ländern ist man beim Punkt Lebensmittel aus dem 3D-Drucker schon einen Schritt weiter. So plant das Isala-Krankenhaus in den Niederlanden schon in kurzer Zeit den Einsatz der Technik. Einige Lebensmittel wie typisch niederländische Speisen und einige Gemüsesorten können bereits jetzt auf diese Weise erzeugt werden. Die Klinik verspricht sich von dem Schritt eine wesentlich bessere Ernährung der Patienten, denn laut diverser Statistiken sind rund 20 Prozent aller Personen in Krankenhäusern nährstoffmäßig unterernährt.

Die Kost aus dem 3D-Drucker soll vor allen Krebspatienten helfen, den Genesungsprozess zu beschleunigen. Mittels der zur Verfügung stehenden Technik könnten die Nährstoffe sehr viel ausgewogener zusammengestellt werden, als das bei dem bisherigen Angebot der Fall sei. So bekommt jeder Erkrankte genau die Nährstoffkombination, die er für seine spezifischen Bedürfnisse benötigt, so ein Sprecher der Klinik. Die Verköstigung mit Nahrungsmitteln aus dem Drucker soll sogar über den Krankenhausaufenthalt hinaus beibehalten werden.

Große Pläne

Doch das Essen aus dem 3D-Drucker könnte in Zukunft noch viel mehr bewirken, als nur die Ernährung von Krankenhauspatienten oder Personen in Altenheimen zu gewährleisten. Wenn es nach dem Willen mancher Militärstrategen geht, dann sollen auch bald die US-amerikanischen Truppen mit einem solchen Drucker im Gepäck in den Einsatz gehen. Ein Hintergedanke dabei dürften auch die enormen Verpflegungskosten sein, die jedes Jahr bei Militäreinsetzen den Haushalt belasten. Selbst Fluggesellschaften haben die Technik bereits im Blick. So begann KLM erst kürzlich damit, seinen Fluggästen Bier im Trolley aus dem 3D-Drucker zu servieren. Da kann man dann wirklich nur noch Prost sagen.

Mit der Erfindung des 3D-Druckers wurde quasi eine neue Ära im Bereich der Produktionstechnik eingeleitet. Mussten viele Gegenstände früher aufwendig per Hand hergestellt werden, so ist es bereits heute gang und gäbe, dass das 3D-Druckverfahren zum Einsatz kommt. Natürlich möchte niemand mehr den Schritt zurückmachen, im Gegenteil soll die Anzahl der Waren, die mit der Technik hergestellt werden, noch viel weiterwachsen. Ein weiteres Anwendungsfeld welches sich gerade eröffnet, ist die Produktion von Brillen. Ein australisches Start-up hat sich darauf spezialisiert und möchte nun mit den Brillen aus dem Drucker jedem Kunden das passende Modell zur Verfügung stellen.

Passend gedruckt

„Spexy Me“ heißt die neue Firma und bietet mit ihrer Internetplattform ein innovatives Konzept an, welches dem Kunden sehr viel Aufwand erspart. Dabei geht es natürlich nur um die Brillenfassung und das Gestell – bifokal Linsen können auf diese Weise noch nicht produziert werden. Der Interessent muss sich lediglich vor seinen heimischen PC setzen und sein Gesicht mit der Kamera aufnehmen. Eine spezielle Software beginnt dann damit, das Gesicht vollständig zu vermessen. Besonders die Partien, die für die Brille von Bedeutung sind, werden dabei auf den Millimeter genau erfasst. Die Methode soll dazu beitragen, dass der Drucker absolut passgenaue Brillengestelle erzeugt. Etwa acht Stunden dauert der Druck und schon geht das Gestell auf seine Reise zum Kunden.

Doch nicht nur in Australien gibt es derartige Fortschritte. Auch in Deutschland existieren bereits zwei Unternehmen, die sich auf die Herstellung maßgefertigter Brillengestelle aus dem 3D-Drucker spezialisiert haben. In Zukunft werden es wohl noch weit mehr, denn gerade der Brillenmarkt für Kinder ist hier noch ein unerschlossenes Feld. Durch die extrem genaue Fertigung können die Brillengestelle sehr viel besser an die Kopfform der Kinder angepasst werden, was ein unangenehmes Gefühl beim Tragen verhindert. Obendrein sind auch noch coole Designs möglich.

Das Gesicht im Scanner

Doch neben all den innovativen Konzepten, welche sich derzeit auf dem Markt entwickeln, fehlt es in einigen Punkten noch an der richtigen Hardware und Software. Damit ein 3D-Drucker ein passgenaues Brillengestell herstellen kann, müssen die Maße so genau wie möglich erfasst werden. Nur ist das Gesicht in dem Sinne nicht ebenmäßig und kann nicht einfach mit einem Lineal vermessen werden. In vielen Fällen kommt es daher noch zu Abweichungen, die das Tragen der Brille nicht ganz so komfortabel gestalten, wie das eigentlich der Fall sein sollte. Doch auch das soll sich in Zukunft ändern, denn der bekannte Scanner-Produzent Fuel3D, welcher schon für einen revolutionären Handscanner zeichnete, kommt nun mit einer Technik zum Einscannen von Gesichtern daher.

Noch befindet sich das Scannsystem zwar in der Planungsphase, aber in den kommen zwei Jahren soll es bis zur Marktreife entwickelt werden. Von dem Zeitpunkt an soll es Optikern dann möglich sein, in weniger als 0,1 Sekunden absolut realistische Abbilder des Gesichtes zu erfassen. Die geringe Zeitspanne sorgt dafür, dass Abweichungen, die durch Bewegungen hervorgerufen werden, so minimal wie nur möglich gehalten werden. Die Daten können dann direkt an einen 3D-Drucker übermittelt werden, der sofort mit der Produktion des passenden Brillengestells beginnt.

Erst der Anfang

Doch all das ist erst der Anfang, denn irgendwann soll es sogar möglich sein, die Brillengläser selbst mittels des Druckprozesses herzustellen. Sollte das gelingen, so wären Brillengläser mit einer weit größeren Präzision als heute machbar. Die Dioptrien-Zahlen könnten also bis auf wenige Mikron bei der Fertigung exakt erreicht werden, viel genauer als heute. Das würde für alle Brillenträger eine absolut klare und maximale Sehschärfe bedeuten.

Heute kommerzielle 3D-Drucker kranken oftmals an dem Problem, dass das Druckverfahren noch sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Bis ein bestimmtes Bauteil fertiggestellt ist, können mehrere Stunden oder gar Tage vergehen. Sicherlich ist die Zeitspanne immer noch als kürzer zu betrachten als die Anlieferung von einem Hersteller, doch wenn es nach dem Unternehmen Carbon 3D geht, dann wird es mit der CLIP-Technologie bald möglich sein, wesentlich schneller zum Ergebnis zu kommen.

Rapide Fortschritte

Es war etwa vor einem Jahr, als das damalige Start-up die Continuous Liquid Interface Production (CLIP) zum ersten Mal vorstellte. Nun ist man hier bereit den nächsten Schritt zu unternehmen, denn mit der Fertigstellung des M1-Druckers sollen auf Basis eines Abonnement-Systems, die ersten Geräte an Firmen ausgeliefert werden. Diese sollen bis zu 25 bis 100 Mal schneller drucken als die bisherigen Maschinen.

Carbon 3D setzt dabei auf eine vollständige Vernetzung, denn alle Drucker werden permanent mit dem Internet verbunden sein. Die so gesammelten Daten können für Diagnosen und die kontinuierliche Weiterentwicklung des Systems genutzt werden. Auch für die einsetzenden Firmen wird alles ganz einfach gestaltet. Alle Funktionen werden direkt über eine browserbasierte Benutzeroberfläche angesprochen, sodass keine zusätzliche Software installiert werden muss.

Bild: http://carbon3d.com/
Bild: http://carbon3d.com/

Das Geheimnis dahinter

Das Clipverfahren ist deshalb so revolutionär, weil es einen unglaublich schnellen Aufbau von Strukturen erlaubt. Aus einem flüssigen Kunststoffbad erhebt sich das Druck-Erzeugnis wie ein Phönix aus der Asche. Das Grundprinzip des schichtweisen Aufbaus wird beim Clip-Verfahren ausgehebelt, sodass die Oberflächenstruktur sehr viel feiner und sauberer ausfällt, als bei bisherigen 3D-Druckverfahren.

Möglich wird das durch die Photopolymerisation. Bei dem Prozess wird das Aushärten des Kunststoffes durch UV-Licht und Sauerstoff verhindert, sodass das Objekt in der sogenannten Dead-Zone weiter aufgebaut werden kann. Zu dem Zweck verfügt der Tank, in dem sich der Kunststoff befindet, über einen für Licht und Sauerstoff durchlässigen Boden. Durch eine spezielle Software wird der gesamte Prozess gesteuert, sodass nur die Bereiche aushärten, die tatsächlich zum Objekt gehören. Hierdurch entstehen keine sichtbaren Schichten mehr, was auch die Stabilität um ein enormes Maß erhöht.

Der Weg ist bereitet

Dass das neue Verfahren regen Anklang findet, zeigt bereits die Tatsache, dass Carbon 3D erst kürzlich zwei neue Partner für sein Projekt gewinnen konnte. Einer von ihnen ist Sculpteo – ein Online-Dienstleister – welcher sich einen Namen durch das Herstellen von lebensechten 3D-Abbildern von Menschen machte. Nun wird auch bei dem Unternehmen das CLIP-Verfahren zur Anwendung kommen. Hierdurch werden die Oberflächen noch feiner und die Skulpturen noch lebensechter gestaltet werden können.

Neben dieser, eher zum Spaß der Nutzer gedachten Anwendung, haben natürlich auch die Hersteller von Maschinen und speziellen Bauteilen reges Interesse an der Technologie. Fertigungsprozesse könnten vereinfacht werden, die heute noch eine Menge Zeit in Anspruch nehmen und zudem horrende Summen bei der Produktion verschlingen. Erste Automobilhersteller haben ebenfalls das CLIP-Verfahren in Verwendung, denn Komponenten, die eine sehr genaue Passform benötigen, lassen sich auf die Weise einfach günstiger konstruieren.

Die Zukunft ist CLIP

Wenn sich der derzeitige Entwicklungsprozess so fortsetzt wie bisher, so könnte es geschehen, dass in Zukunft viele Produkte ihren Ursprung in einem 3D-Drucker mit CLIP-Verfahren haben werden. Das gilt auch für normale Haushaltsgeräte und viele Kunststofferzeugnisse. Im Übrigen spart die Methode sogar Ressourcen, denn die benötigte Materialmenge beschränkt sich stets exakt auf die Größe des jeweiligen Objektes. Es wird also nie mehr Kunststoff verbraucht, als tatsächlich erforderlich ist.

Der 3D-Druck von Glas stellte bisher eine Herausforderung dar, an der viele Unternehmen und Entwickler gescheitert sind. Doch nun soll es auch in dem Bereich zu einer Revolution kommen, denn die israelische Firma Micron3DP will ein Verfahren entwickelt haben, mit dem der Druck von Glas endlich möglich sein soll.

Gläser zum Ausdrucken

Genau diese Nachricht wurde im Jahre 2015 herausgegeben und die Firma präsentierte auch einige anschauliche Fotos und Videos zu dem Thema. Dabei will es den Technikern gelungen sein, weiches und flüssiges Glas mit einer Temperatur von immerhin 1640 Grad Celsius zu drucken. Hieraus ergeben sich bei reproduzierbarem Erfolg enorme Anwendungsmöglichkeiten in der Produktion, der Kommunikationstechnologie und in der Raumfahrt.

Doch war das nicht die einzige Entwicklung, welche im letzten Jahr für Furore im Bereich des Glasdruckes sorgte. Auch am MIT beschäftigten sich Wissenschaftler seit geraumer Zeit mit dem Problem und fanden einen eigenen Ansatz, durch welchen das Drucken mit Glas möglich werden könnte. Die hier entwickelte Methode nennt sich Schmelzschichtung und findet bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur von 500 Grad statt. Das Objekt wird dabei durch das Anwärmen von Glas Stück für Stück in die richtige Form gebracht, was im Groben dem Prinzip des Glasblasens ähnelt. Somit wurden Hightech-Entwicklungen mit uralten Herstellungsmethoden, welche auf das alte Mesopotamien zurückgehen, kombiniert.

Foto: © 3dprintingindustry.com
Foto: © 3dprintingindustry.com

Ein Sprung nach vorn

Die oben genannten Methoden waren Ansätze, die für ihre Zeit vielversprechend wirkten. Doch wie es in der Technologiebranche üblich ist, ist ein Jahr eine kleine Ewigkeit. Nun haben sich russische Wissenschaftler in den Vordergrund gestellt, denn hier soll nun das erste Patent für ein kommerzielles Glasdruckverfahren eingereicht werden.

Der Ansatz der beiden russischen Wissenschaftler Anuar Kulmagambetov und Vladimir Bodyakin beschreibt ein Verfahren, bei dem Glas in Schichten aufgebaut wird. Hierdurch sei eine extrem hohe Präzision der Fertigung zu erreichen, denn Luftblasen oder ungleichmäßiges Abkühlen des Materials gehörten damit der Vergangenheit an. Die beiden Forscher messen Glas dabei eine höhere Bedeutung zu als Beton, wenn es um den Einsatz von Baumaterialen bei entsprechenden Projekten geht.

Natürlich und umweltfreundlich

Das Verfahren basiert auf einem Schmelzofen, dem ständig Siliziumsand zugeführt wird. Der Rohstoff ist auf der Erde nahezu in unerschöpfbarem Ausmaß vorhanden. Dabei ist das Material absolut natürlichen Ursprungs und belastet in keiner Weise die Umwelt, denn Abfallprodukte gibt es nicht. Der Ofen, der als Extrusionseinheit dient wird bei der Technik voll elektrisch betrieben, sodass er quasi in jedem Umfeld, in dem Strom vorhanden ist, zum Einsatz kommen kann. Als weiterer Bestandteil kommt ein Plasmabrenner hinzu, welcher die Oberfläche des Materials glättet und für eine ebenmäßige Struktur sorgt.

Durch das Verfahren könnten in Zukunft sogar Wände aus Glas geschaffen werden, welche gerade bei thermal kritischen Umgebungen sogar noch eine isolierende Wirkung gegen Hitze und Kälte liefern würden.

Weitere Ansätze

Andere Ansätze benutzen für ihre Herstellungsmethoden zwar kein Glas, aber zumindest soll die Optik erreicht werden. Objekte aus dem Druckverfahren liefern allenfalls einen dekorativen Nutzen, wobei die verwendeten Kunststoffe natürlich auch für Produktion von Bildschirmen Verwendung finden könnten. Dennoch ist es ein weiter Schritt von einem Imitat hin zu echten Glas. Sollte sich die Technik aus Russland durchsetzen, so würde sich die architektonische Landschaft wohl sehr bald ändern, denn tragende Strukturen aus dem Material Glas, würden dann wohl kein Problem mehr darstellen.

Es gibt viele Artikel über den 3D-Druck zu lesen, doch nur sehr wenige Menschen außerhalb von Unternehmen und Forschungseinrichtungen haben wirklich praktische Erfahrung mit dem neuen Verfahren der Herstellung. Das kann sich nun aber ändern, denn bis zum 30. Oktober 2016 können Besucher des Red Dot Design Museums in Essen in einer Ausstellung den Fertigungsprozess und die Erzeugnisse selbst bewundern.

Novum auf deutschem Boden

Es ist das erste Mal, dass in Deutschland eine Ausstellung mit dem Thema präsentiert wird. Das Thema der Ausstellung „Making a Difference / A Difference in Making“ greift dabei auf über 80 Exponate zurück, die alle mittels des 3D-Druckers hergestellt wurden. Die Bereiche der Themen erstrecken sich dabei über Kunst, Kultur, Design, Technik und Wissenschaft.

Dabei soll die Ausstellung mehr sein als nur eine Messe für Technik, sondern im Speziellen auch den Wandel aufzeigen, der durch die neue Technologie in die Wege geleitet wurde. Der 3D-Druck wird in Zukunft einen enormen Einfluss auf die Gesellschaft haben und die Art, wie der Mensch die Fertigung von Produkten des alltäglichen Lebens betrachtet, sehr stark beeinflussen. Auch der Aspekt der Umweltverträglichkeit wird dabei nicht aus den Augen gelassen.

Das erwartet die Besucher

Die Ausstellung ist in zwei Bereiche unterteilt, wobei sich die erste Sektion „Making a Difference“ mit den aktuellen Entwicklungen und Erfindungen auf dem Gebiet des 3D-Drucks befasst. Hier können auch viele Design-Elemente bewundert werden, die direkt mit dem Verfahren hergestellt wurden. Der zweite Teil befasst sich dann mit dem Einfluss des 3D-Drucks auf die Gesellschaft, die Umwelt und den Menschen als solches. Besonders sehenswert ist dabei der Bereich Umwelt, denn hier wird deutlich aufgezeigt, welche Einsparungen an Material und Ressourcen der 3D-Druck mit sich bringt. Auch der Einfluss auf die Bildungsmöglichkeiten der Zukunft wird klar herausgestellt, denn in einer Welt, in der jeder seine eigenen Produkte zuhause fertigen kann, wird Wissen einen völlig neuen Stellenwert erlangen.

Hinter den Kulissen

Hinter der Ausstellung verbirgt sich das Unternehmen Materialise. Anlässlich des 25. Jubiläums der Firma wurde dann die Wanderausstellung ins Leben gerufen. Bereits vor einem viertel Jahrhundert beschäftigte sich das Unternehmen mit den Möglichkeiten, dreidimensionale Objekte in einem Drucker zu erstellen. Erste bahnbrechende Arbeiten hierzu sowie einige der wesentlichen Entwicklungen in dem Bereich, wurden von Materialise initialisiert.

Für alle, die nicht bei der Ausstellung in Essen dabei sein können, ist das aber kein Grund für Traurigkeit. Im Anschluss an den Aufenthalt in Deutschland, wird die Ausstellung als Nächstes in Brüssel Station nehmen. Hier wird das gesamte Repertoire im Bozar Palast der schönen Künste zusehen sein.

Informationen

Die Ausstellung in Essen ist noch bis zum 30. Oktober 2016 für die Besucher geöffnet. Hier kann man sich das Pantheon der Druck-Erzeugnisse täglich zwischen 11:00 und 18:00 Uhr anschauen. Der letzte Einlass findet dabei um 17:00 Uhr statt. Montags bleibt die Ausstellung allerdings geschlossen, sodass sich Besucher von außerhalb lieber auf das Wochenende verlegen sollten. Für weitere Informationen bietet sich auch ein Kontakt zum Red Dot Design Museum an, denn hier können alle Fragen beantwortet werden. Als ein Spiegel der zeitgenössischen Entwicklung, ist das Museum auch ohne die Ausstellung stets einen Besuch wert.