3D Drucken und die Anwendungen

Nahrung ist ein grundlegender Bestandteil des Lebens und somit auch Grundlage der Pyramide der menschlichen Bedürfnisse. Die Lebensmittelindustrie in das digitale Zeitalter zu führen, ist eine der entscheidenden und revolutionären Anwendungen des 3D Druckens. Die Anwendung dieser Technologie ermöglicht schnelle, automatisierte und wiederholbare Prozesse, Designfreiheit, weite und einfache Variationsmöglichkeiten der Zubereitungsprozesse, die an Regionen oder Personen angepasst werden können. Die Verwendung von automatischen, auf schichtbasierenden Nahrungsdruckersystemen erlaubt die Digitalisierung von Rezepturen und stellt eine hohe Wiederholbarkeit und Qualität der Speisen sicher ohne Platz für Bedienfehler zu lassen. Auch die Form sowie die Anrichtung der Speisen kann nach Kundenwunsch oder der Saison individualisiert werden.

Ein Unternehmen namens Choc Edge vertreibt zurzeit den „Welt ersten kommerziellen 3D Schokoladen Drucker“, den Choc Creator. Hier wird über eine Düse geschmolzene Schokolade in jegliches Design und jegliche Form gebracht. Der Preis von 3.500$ scheint zu teuer für den Heimgebrauch zu sein, aber für kleinere Geschäfte kann es sich als sehr erfolgreich erweisen, denn damit können sie Ihr Angebot auf spezielle Kundenwünsche oder Events konfektionieren (3).

Abbildung 2: 3D gedruckte Schokolade (3)

Forschungen der Universität von Cornell bewiesen, dass für 3D Druck Anwendung von Lebensmitteln, neue Materialien zum backen, braten und frittieren geeignet sind. Wie in der Abbildung gezeigt wurden gedruckte Objekte tiefgefroren und behielten ihre Form bei, nur dünne Bereiche verformten sich aufgrund des Gefrierens.

Abbildung 3: 3D gedruckte Nahrung, gefroren (links), nach dem Frittieren (rechts) (4)

Das Cornucopia Programm des MIT arbeitet ebenfalls mit speziellen 3D Druckern für die Lebensmittelindustrie und hat bis jetzt vier Prototypen erstellt. Der digitale Chocolatier ermöglicht das Design von Schokolade und Süßwaren und hat bereits ein ganzes „Karussell“ von Inhaltsstoffen. Des Weiteren kombiniert der digitale Drucker ausgewählte Zutaten und bringt daraus Geschmack und Texturen hervor, die mit anderen Kochtechniken unvorstellbar sind.

Der Schutz ist ein weiteres Grundbedürfnis des Menschen und stellt eine interessante Anwendung für das 3D-Drucken dar. In der Bauindustrie, als eine der letztverbliebenen, dominieren die menschlichen Fähigkeiten und die menschliche Arbeit. Herstellungstechniken mit Robotern werden bislang nur als Science-Fiction angesehen. Die Tatsache, dass ein großer Teil der Weltbevölkerung ohne ständigen Schutz und Nahrung auskommen muss, lässt direkt darauf schließen, dass die Befriedigung dieser Grundbedürfnisse oberste Priorität bei der robotisierten Fertigungstechnik haben sollte.

Konventionelle Fertigungsverfahren sind oftmals gefährlich, zeitaufwendig und teuer. Das 3D-Drucken ermöglicht eine automatisierte, schnelle und effiziente Erstellung verschiedenster Gebäude. Für diese Bereiche wurde eine Technologie von der University of Southern California erfunden und entwickelt. Eine skalierte Version einer Gebäude-3D-Druckmaschine ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Niedrig skalierte Version einer Gebäude-Druck-Maschine (links), 3D gedruckte Schichten aus Beton (rechts) (5)

Die Technologie kann in vielen Bereichen Anwendung finden: Von Wohnprojekten mit individuellem Luxusdesign, über groß angelegte Entwicklungsprojekte, bis hin zu temporären Wohngebieten. Die Technologie könnte es auch Ingenieuren ermöglichen, robustere und sicherere Geometrien für Häuser zu erzeugen, beispielsweise sind Dom-Geometrien oftmals sehr arbeits-, zeitintensiv und schwer zu konstruieren.

Abbildung 5: Sichere und robuste Konstruktion, geeignet für erdbebengefährdete Gebiete, Dom-Form als 3D-gedrucktes Bauteil

Die Technologie könnte des Weiteren bei einer schnellen und exakten Wiederherstellung denkmalgeschützter Gebäude helfen.

Abbildung 6: Sagrada familia, Gaudi design (links), 3D-gedrucktes Bauteil im Gaudidesign (6)

Eine Fertigung von individuellen, komplizierten künstlerischen Entwürfen ist ebenfalls möglich. Dem Architekten werden völlig neue Türen geöffnet: Die Herstellung von noch nie zuvor möglichen Designs, mit einer absoluten Gestaltungsfreiheit ohne Rücksicht auf die Sicherheit der Arbeiter nehmen zu müssen.

Abbildung 7: 3D-Drucken komplizierter Geometrien

Während viel Aufwand von Individuen, Unternehmen und der Gesellschaft im Allgemeinen betrieben wird, um unser physisches Wohlbefinden zu verbessern, ist das Gefühl des “gesund-seins” sehr subjektiv, standortabhängig und ändert sich im Laufe der Zeit. Dennoch ist immer das Nichterkranken, speziell an chronischen Krankheiten Voraussetzung für ein gutes Wohlbefinden. Krankheiten, Unfälle und Alterung prägen bzw. verschlechtern den körperlichen Zustand oder auch nur ein spezielles körperliches Organ. Seit Jahrzehnten werden erfolgreich Organtransplantationen durchgeführt, wobei es immer an Spendern oder an Übereinstimmungen zwischen potenziellen Spendern und Empfängern mangelt.
Das “3D-Printing” ist eine erweiterte Technologie in diesem Bereich, die eine revolutionäre Alternative mit einer Vielzahl von Anwendungen im Gesundheitswesen sein kann. Verschiedenste Bereiche des Gesundheitswesens wurden bereits in Bezug auf das “3D-Printing” untersucht und werden im Folgenden diskutiert.

Das “3D-Printing” kann endlich Menschen mit verschiedenen Behinderungen/Beeinträchtigungen die Verwirklichung des Bedürfnisses nach Sicherheit und Integration ermöglichen. So kann die kostengünstige und schnelle Fertigung einer Prothese, einem Beinamputierteten die Möglichkeit einer zügigen sozialen und beruflichen Reintegration eröffnen. 3D-unterstützte, schöhnheitschirurgische bzw. rekonstruktive Eingriffe können Menschen nach Entstellungen unterschiedlichster Ursachen helfen, den Weg in ein selbstbewusstes und eigenbestimmtes Leben wieder zu erlangen.

Abbildung 11: CAD Model, gescannt und designed (links), Integration mittels 3D generiertes Bauteil (rechts) (1)

Das Ausbildungssystem spielt eine wichtige Rolle für den Menschen als Hilfestellung beim Erreichen seines vollen Potenzials. Das 3D Drucken kann das Lernerlebnis revolutionieren in dem es den Studenten hilft mit dem Lehrstoff zu interagieren. Bezahlbare 3D Drucker können in Schulen für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, die den Studenten helfen ihr Interessengebiet schneller und leichter zu finden. Gegenwärtig gibt es unterschiedliche Arten von Ausbildungsprojekten um die Studenten auf die mannigfaltigen Bereiche zu lenken in dem man ihnen die Möglichkeit gibt, ihre eigenen Designs zu kreieren und herzustellen mittels der 3D Druck Technologie.

Abbildung 12: Studenten Arbeiten unter Benutzung der 3D Druck Technologie an ihrem eigenen Design (links), Schmuckteile kreiert und gedruckt von Studenten (rechts) (8)

Die Fähigkeit Ideen zu entwickeln und zu präsentieren ist eine der wichtigsten Anforderungen in der Gesellschaft und menschlichen Entwicklung. Darauf Bezug nehmend ermöglicht das 3D Drucken die Herstellung von komplexen Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nur sehr schwer, teuer oder gar unmöglich herzustellen wären. Abbildung 13 zeigt zwei solcher gewöhnlichen Produkte, die ganz nach Kundenwünschen gefertigt und maßgeschneidert werden können.

Abbildung 13: Paris Sandale (1), komplexe Ring Geometrie (9)