3-D-Technologie

Nahezu unbemerkt von der Öffentlichkeit findet eine Revolution statt: Wissenschaftler entwickeln raffinierte Verfahren, die Computermodelle als handfeste Gegenstände ausdrucken – vom Teller bis zur Hauswand. Schon bald könnte jeder sein eigener Fabrikant sein!

Stellen Sie sich vor, Sie müssten nie wieder Geschirr spülen. Statt der Spülmaschine hätten Sie ein Gerät, das im Handumdrehen jede Art von Geschirr immer wieder neu produziert! Stellen Sie sich weiter vor, Sie könnten mit demselben Apparat das Spielzeug für Ihre Kinder, außerdem Kleidung, Ersatzteile fürs Auto, Möbel und sogar einen Fernseher selbst herstellen. Und Sie bräuchten dafür nicht die gerings-ten Kenntnisse über Konstruktion und Materialien – Sie würden nur einen Bauplan aus dem Internet herunterladen, damit die Hightech-Maschine »füttern« und kurz warten, bis sie die gewünschten Teller ausspuckt. Oder das Spielzeug. Oder den Fernseher.

Sciencefiction? Die Mini-Fabrik fürs Geschirr gibt es schon – am renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, USA. Die kühlschrankgroße »Dishes on Demand«-Maschine (engl. = Geschirr auf Abruf) kann alle 90 Sekunden einen Teller oder eine Tasse aus Kunststoff herstellen. Was gewünscht wird, gibt man auf der Tastatur des Geräts ein – ähnlich wie beim Mikrowellenherd. Und damit der Abfalleimer nicht von weggeworfenem Plastikgeschirr überquillt, schmilzt die Maschine das Geschirr nach dem Essen wieder ein und hebt die Rohstoffe für die nächste Fertigungsrunde auf.

»Dishes on Demand« ist aber nur der erste Schritt auf dem Weg zu einer Maschine, die so ziemlich alles herstellt, was man im Leben braucht. Den Namen für dieses Universalgenie der Zukunft hat das MIT bereits ausgegeben: »Personal Fabricator« (PF), was so viel wie »Heimfabrik« bedeutet. Was sie tut, heißt »fabben«, abgeleitet vom englischen »fabricate« (= herstellen). Eines Tages, so die Hoffnung der MIT-Forscher, soll der PF so vollkommen sein, dass er sich selbst »klonen« kann – jeder Fabricator stellt dann beliebig viele Duplikate seiner selbst her. Die Masse würde bewirken, dass der PF spottbillig würde.

»Diese Technologie hat das Potenzial, die Produktion zu revolutionieren«, sagt Andreas Gebhardt, Fertigungsexperte an der Fachhochschule Aachen. Die Trendforscher Andreas Neef, Klaus Burmeister und Stefan Krempl prophezeien in ihrem Buch »Vom Personal Computer zum Personal Fabricator«: Spätestens im Jahr 2020 wird eine »Fabbing-Welle« einsetzen – und die Wirtschaft umkrempeln. Denn dann müssen viele Industriewaren nicht mehr in Fabriken hergestellt und in Läden verkauft werden – theoretisch kann jeder sein eigener Produzent werden. In den eigenen vier Wänden.

So visionär das klingt – eigentlich treibt das Fabbing nur eine altbekannte Technologie auf die Spitze: das »Rapid Prototyping« (RP). Dabei geht es um die schnelle (engl. rapid) automatische Fertigung dreidimensionaler Prototypen von Industrieprodukten: Nach digitalen Vorlagen eines CAD-Programms (engl. »Computer Aided Design« = computerunterstützte Gestaltung) werden dreidimensionale, komplex geformte Objekte hergestellt. Sie sind verkleinerte, maßstabgetreue Modelle eines späteren Produkts oder Bauteils und ermöglichen Antworten auf Fragen wie diese: Ist das Design ansprechend? Funktioniert das am Computer entworfene Bauteil auch unter quasi realen Bedingungen? Klappt sein Zusammenspiel mit anderen Teilen? Schon heute ist Rapid Prototyping aus dem Autobau, der Luft- und Raumfahrt, der Elektrotechnik und dem Werkzeugbau nicht mehr wegzudenken. Wenn ein neues Automodell, ein neuer Sportschuh oder eine neue Sonnenbrille auf den Markt kommt – stets gab es das Produkt vorher schon als RP-Modell. Auch Rennfahrer Michael Schumacher profitiert vom Rapid Prototyping: Er lässt sich mit diesem Verfahren neue Reifenprofile entwickeln.

Das Revolutionäre am RP war, dass es die traditionellen Verfahren bei der Herstellung eines Produkts auf den Kopf gestellt hat. In herkömmlichen Werkzeugmaschinen entstehen Gegenstände dadurch, dass man entweder flüssige Materialien in Formen gießt oder feste Materialien im Block bearbeitet (z. B. fräst), bis sie die gewünschte Form haben. Rapid Prototyping arbeitet nach dem umgekehrten Prinzip: Das Bauteil wird nach den Vorgaben den CAD-Programms in einem »3-D-Drucker« Schicht für Schicht originalgetreu aufgebaut. Eine enorme Vereinfachung: Das gewünschte Modell wird nur noch am Bildschirm »gezeichnet« und danach dreidimensional ausgedruckt.

Die Ähnlichkeit des 3-D-Druckers mit einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker ist offensichtlich: Auch beim Rapid Prototyping bewegt sich ein Düsenkopf hin und her – doch statt Tinte spritzen Tausende von feinsten Düsen Kunstharze auf eine Unterlage. Nach jedem Druckdurchgang senkt sich diese Unterlage automatisch um wenige Mikrometer ab (zum Vergleich: ein menschliches Haar ist 40 Mikrometer dick) – so wächst das Modell Schicht um Schicht in die Höhe. Wo es Hohlräume haben soll, spritzen die Düsen statt des Kunstharzes ein gallertartiges Stützmaterial, das anschließend leicht ausgewaschen werden kann. Ist der schichtweise Aufbau abgeschlossen, wird das fertige Modell mit Wärmelampen ausgehärtet.

Die Anwendungsbreite dieser Technologie ist enorm. Durch Rapid Prototyping entstehen bereits heute Bauteile für die Internationale Raumstation (ISS) – und Maßanzüge. Der japanische Designer Issey Miyake scannt den gesamten Körper seiner Kunden ab, überarbeitet die Daten mit dem CAD-Programm und lässt Jacke und Hose ausdrucken.

Als Ende der achtziger Jahre das erste Rapid-Prototyping-Verfahren entwickelt wurde, taufte man es – wegen seiner Ähnlichkeit mit Druckverfahren – auf den Namen »Stereolithografie« (SLA). Die Größe heutiger SLA-Geräte hängt davon ab, wie groß die ausgedruckten Modelle sein sollen: Kleine 3-D-Drucker haben das Format eines Fotokopierers, große erreichen die Ausmaße einer Gefriertruhe im Supermarkt.

Inzwischen wurde diese Technologie weiterentwickelt zum »selektiven Laser-Sintern« (SLS). Es funktioniert im Prinzip ähnlich wie die Stereolithografie, bietet jedoch einen wesentlichen Vorteil: SLS-Maschinen können verschiedene Materialien verarbeiten: Kunststoffe, Metall oder Sand. Diese Allround-Fähigkeiten sind die Voraussetzung dafür, dass das Rapid Prototyping eines Tages tatsächlich eine Fabbing-Welle auslöst, die die Produktion von Gütern revolutioniert.

SLS-Geräte haben einen anderen Aushärtemechanismus als Stereolithografie-Maschinen. Statt eine fotochemische Reaktion auszulösen, verschmilzt bzw. »versintert« der Laser die Materialkörnchen. Durch die hohen Temperaturen verschweißen sie miteinander zu einem festen Material.

Angewandt wird dieses Verfahren schon heute beim Zahnersatz. Zwar fertigt der Zahntechniker nach dem Gebissabdruck des Patienten noch immer ein Gipsmodell der benötigten Krone oder Brücke. Doch statt den Zahnersatz anschließend in langwieriger Handarbeit selbst herzustellen, legt er das Modell in einen Laser-Scanner – kurz darauf erscheint ein Bild des Modells auf dem PC-Monitor. Mit Maus und Tastatur lässt sich der virtuelle Zahnersatz beliebig drehen, wenden und nachmodellieren. Per Knopfdruck überträgt der Zahntechniker die Maße des Modells dann nur noch in eine SLS-Maschine, die innerhalb weniger Stunden den Zahnersatz ausdruckt. Dabei verteilen mehrere Düsenköpfe das pulverisierte Material für die Krone auf einer Platte. Jeder Düsenkopf ist für eine Substanz zuständig – einer beispielsweise für das Basismaterial Gold, andere für jene Metalle, mit denen das Gold legiert werden soll. Wenn die erste Schicht des Metallpulvers liegt, wird sie von einem scharf gebündelten Laserstrahl gesintert. So entsteht eine harte, 100 Mikrometer dünne Lage des Kronenmaterials, auf die an-schließend wieder Pulver verteilt wird – usw. Rund 100-mal läuft dieser Prozess ab. Am Ende liegt eine passgenaue Brücke oder Krone auf der Platte.

Auch maßgefertigte Gehäuse für Hörgeräte lassen sich mit dieser SLS-Maschine fertigen. 3-D-Scanner vermessen den äußeren Gehörgang (dessen Form bei jedem Menschen ebenso einzigartig ist wie sein Fingerabdruck) und speisen ihn als Datenmodell in einen Rechner ein. Dort kann das virtuelle Gehäuse nach mechanischen und akustischen Tests, die sich im Computer simulieren lassen, noch optimiert werden. Das ausgedruckte Gehäuse bietet optimale Passform – und geht das Gerät einmal verloren, kann man mithilfe des Datenmodells sofort ein Ersatzteil anfertigen.

Geradezu futuristisch nimmt sich diese Anwendung des Rapid Prototyping aus: Mit Haut und anderen menschlichen Gewebeteilen aus dem Drucker ließen sich zum Beispiel Patienten mit schweren Brandwunden schnell behandeln. Ja, sogar Knorpel und kleine Knochen kann man so herstellen – bislang allerdings nur im Labor.

An der University of Manchester wird Haut mit einem SLS-Gerät gedruckt, das wie ein Farbdrucker mehrere »Tintenpatronen« hat. In der einen befindet sich Flüssigkeit aus körpereigenen Stammzellen, eine andere enthält ein Polymer als Stützmaterial, aus einer dritten Patrone strömt eine Substanz, die das Zellwachstum fördert. Diese drei »Tinten« werden Schicht für Schicht auf ein Trägermaterial aufgesprüht – innerhalb weniger Stunden bildet sich eine neue Haut, die nach der Transplantation vom Körper nicht abgestoßen wird.

Auf ähnliche Weise werden am Bonner Forschungszentrum »caesar« Knochen-Implantate ausgedruckt. Basis ist die Computertomografie-Aufnahme eines z. B. durch Krebs zerstörten Knochens, aus dem ein Teil herausoperiert werden muss. Der Computer errechnet millimetergenau Größe und Form des Implantats, das den entnommenen Knochenabschnitt ersetzen soll. Der Fabricator baut dieses Implantat schichtweise aus Hydroxylapatit-Pulver – einem Stoff, der auch im menschlichen Knochen vorkommt. Dabei wird das Implantat auch gleich mit körpereigenen Zellen besiedelt. Der Effekt: »Während das Knochenersatz-Implantat nach und nach vom Körper abgebaut wird, bildet sich an dieser Stelle gleichzeitig neuer Knochen aus«, erklärt caesar-Medizintechniker Hermann Seitz. Bisher gelingt es zwar nur, ein bis zwei Zentimeter große Knochenteile wachsen zu lassen. Doch das Verfahren erscheint so vielversprechend, dass die Rapid-Prototyping-Gruppe von caesar einen Innovationspreis erhalten hat. Welches Potenzial im Home Fabricator steckt, veranschaulicht die Tatsache, dass in Fachkreisen sogar die Vision kursiert, Organe mit einer RP-Maschine auszudrucken.

Der Nutzen des Rapid Prototyping scheint unbestritten – offen war bisher allerdings die Frage, wie man die hohen Herstellungskosten für die RP-Apparate senkt. Das könnte nur durch Massenfertigung geschehen. Dafür hat der amerikanische MIT-Forscher Neil Gershenfeld bereits eine Idee: »Wir wollen eine Maschine bauen, die sich selbst reproduzieren kann.« Wenn das gelingt, könnte eine »Mutter aller Maschinen« nach dem eigenen Bauplan eine ganze Fabricator-Armee »klonen«. Und die Idee lässt sich noch weitertreiben: Wenn man ganz normale Industrieroboter, wie sie schon seit langem im Einsatz sind, künftig zusätzlich mit einem Fabricator »im Bauch« ausstattet – dann können sich auch die Roboter »vermehren«. Dieses Verfahren wäre dort interessant, wo man eine Vielzahl dieser Arbeitstiere braucht: etwa in den Fertigungsstraßen der Automobil-Industrie.

Aber auch jene hoch entwickelten Roboter, die als »Maschinenmenschen« über Beine, Arme, Augen und ein Computergehirn verfügen, könnten sich durch Rapid Prototyping eines Tages selbst reproduzieren. In Ansätzen gibt es diese »Rapid-Robo-Kombination« schon: Eine Maschine in der amerikanischen Cornell University druckt bereits einzelne Teile für ihren Klon aus. Auch die Batterien für ihren eigenen Antrieb produziert sie selbst: Zuerst druckt der Automat den Boden aus Kunststoff, dann Plättchen aus Zink und Kunstharz für die Stromproduktion, schließlich wird das Gehäuse verschlossen. In den nächsten Entwicklungsschritten soll er seine ganze Elektronik aus einem Guss hervorbringen: Neben Schaltungen und Sensoren für das Computerhirn auch sämtliche Leiterbahnen sowie feine Kabel, die das Nervensystem von Maschinenwesen bilden.

Dass der Fantasie der Forscher beim Rapid Prototyping keine Grenzen gesetzt sind, zeigt auch jener Roboter, der Hauswände ausdruckt – und eines Tages vielleicht sogar ganze Siedlungen. Bei diesem mannshohen Gerät findet der Druckprozess nicht intern, sondern extern statt: Der von einem handelsüblichen CAD-Programm gesteuerte Roboterarm sprüht durch eine Düse Beton auf eine Bodenplatte. Schicht für Schicht wächst so die Mauer in die Höhe. Wo Versorgungsleitungen liegen sollen, lässt die Maschine Aussparungen. Die erste Hauswand, die auf diese Weise ausgedruckt wurde, ist zwar nur knapp 30 Zentimeter hoch und etwa 1,50 Meter lang – aber sie ist ja erst der Anfang.

Denn: »Wer eine Mauer bauen kann, der kann auch ein Haus bauen – und zwar an einem Tag!«, sagt der kalifornische Erfinder des Bau-Roboters, Behrokh Khoshnevis. Seine Idee: Wenn man rund um den Bauplatz ein Baugerüst aufstellt und einen ganzen Trupp von Robotern daran aufhängt, könnten all diese Maschinen parallel arbeiten. Die einen drucken beispielsweise Mauern, Türen oder Dachziegel aus, die anderen sorgen für Putz und Anstrich.

Experten nehmen den Visionär durchaus ernst. Die amerikanische »National Science Foundation«, deren Aufgabe die Förderung des wissenschaftlichen Fortschritts ist, sponserte Khoshnevis’ Forschung mit mehreren hundertausend Dollar. Risiko-Kapitalgeber bekunden bereits ebenso Interesse wie der deutsche Konzern Degussa, Weltmarktführer im Geschäft mit Bauzusatzstoffen: Sollten die Pläne des Erfinders erfolgreich sein, würde die Nachfrage nach Spezialbeton steigen, der dank der Degussa-Zusätze erst jene Eigenschaften erhält, die fürs Rapid Prototyping notwendig sind.

Wenn die Idee des Kaliforniers sich durchsetzt, wäre 500 Jahre nach dem Buchdruck der Hausdruck erfunden. Er würde faszinierende Perspektiven eröffnen: Historische Städte ließen sich nach digitalen Rekonstruktionen wieder aufbauen. Nach einem Erdbeben könnte binnen Tagen eine Bauroboter-Kolonne Notunterkünfte errichten. Und irgendwann, schwärmt Khoshnevis, könnte er sogar Siedlungen auf Mond und Mars errichten. Die Astronauten müssten zwar das Baumaterial und die Roboter mitnehmen – aber der Bau selbst ließe sich von der Erde aus steuern: indem man die Robos per Funk mit den digitalisierten Bauplänen füttert. Und wenn dem Team im All mal ein Hammer fehlt, schickt das Raumfahrtzentrum in Houston einfach eine E-Mail, die den Datensatz des Werkzeugs zum Ausdrucken vor Ort enthält.

Dass das funktioniert, wissen heute schon alle Kunden von »Toybuilders.com« – einer Firma, die Plastikspielzeug nach individuellen Wünschen herstellt. Der Besteller sendet digitalisierte Skizzen des Spielzeugs per E-Mail, die Firma speist die Daten in eine Rapid-Prototyping-Maschine ein – kurze Zeit später wird das Produkt ausgespuckt.

»Toybuilders.com« ist nur ein Beispiel dafür, dass die von Trendforschern prognostizierte Fabbing-Welle bereits ins Rollen gekommen ist. Und schon wird sie kontrovers diskutiert. Für die einen ist sie eine Horrorvision, weil sie zum weiteren Anstieg der Massenarbeitslosigkeit führen könnte, wenn Home Fabricator ganze Fabriken ersetzen. Für die anderen ist Fabbing eine Riesen-Chance – etwa für die Dritte Welt, wie MIT-Forscher Neil Ger-shenfeld in dem indischen Ort Pabal selbst erlebt hat.

Die Landbewohner dort hatten einen speziellen kleinen Dieselmotor entworfen, an dessen Bau aber kein kommerzieller Hersteller Interesse zeigte. Als Gershenfeld davon erfuhr, reiste er nach Pabal – und brachte einen preisgünstigen Fabricator nebst den erforderlichen Baumaterialien mit. Im Nu war der Motor nach den Plänen der Inder ausgedruckt. Mit derselben Rapid-Prototyping-Technologie fertigte das Hirtenvolk der Samen in Nordnorwegen preiswerte kleine Sender und Empfangsstationen an, mit denen sich die Rentierherden besser überwachen lassen. Und in Ghana konstruierten sich Landbewohner Maschinen, die zum Nulltarif arbeiten – per Sonnenenergie.

»Es gibt Einfälle ohne Ende, und die meisten lassen sich realisieren«, sagt Gershenfeld. »Die Gelegenheit, eigene Produktideen zu verwirklichen, setzt eine unglaubliche Begeisterung und Kreativität frei. Das trifft ganz offensichtlich ein Grundbedürfnis von Menschen.« Für den Forscher zeigt die Erfahrung in der Dritten Welt, wohin die Fabricator-Revolution führen wird: »Es werden immer mehr am lokalen Bedarf orientierte Mini-Fabbing-Fabriken entstehen.«

Wenn es so käme, wenn also Massenwaren zunehmend in kleinen, individuellen Serien dezentral produziert würden – dann wäre die klassische Arbeitsteilung der Industriegesellschaft weitgehend ad acta gelegt. Auch der Kapitaleinsatz für die Herstellung von Waren und Gütern würde sinken, wenn jeder sein eigener Fabrikant wäre: »Ärmere erhalten so die Möglichkeit, sich preiswert mit lebensnotwendigen Dingen selbst zu versorgen«, sagt Gershenfeld.

Für Fachleute steht fest: Dem Rapid Prototyping gehört die Zukunft. Es ist ein gewaltiger Wachstumsmarkt: In den letzten zehn Jahren hat sich der Fabricator-Absatz verzehnfacht. Doch die Preise für die 3-D-Drucker sind noch astronomisch. In Deutschland kosten die Maschinen zwischen 50000 und 75000 Euro, ein Liter Fertigungsmaterial zwischen 200 und 400 Euro. Doch wenn erst einmal die zu erwartende Selbstreproduktion der Fabricator die kostengünstige Massenfertigung ermöglicht, werden die Preise purzeln.

Ähnlich war es früher beim Computer: Erschien er am Anfang nicht auch unbezahlbar? Und plötzlich lebten wir in einer Computer-Gesellschaft. So könnte es auch beim Rapid Prototyping sein – plötzlich leben wir in einer »Fabbing-Gesellschaft«.