Produkt eines 3-D-Druckers (Foto: SWR, SWR - Christian Friedl)

Technische Revolution oder medialer Hype? Wie 3D-Druck die Produktion verändert

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SWR2 Wissen. Von Anja Schrum und Ernst-Ludwig von Aster

In einem Berliner Hinterhof spuckt der größte serienmäßige Drucker der Welt Hocker und kleine Esstische per Knopfdruck aus: "BigRep". Die Technologie hat vielerorts den Sprung in die Produktion geschafft, mehr als 100 Materialien können mittlerweile zu Lampenschaltern, Hüftimplantaten, Fahrrad- oder Flugzeugteilen verarbeitet werden. Die Technik wird wohl die Wirtschaftswelt als Ganzes erschüttern, prognostizieren Experten. Ist der mediale Hype um die 3-D-Drucker gerechtfertigt?

Dauer

An der Technischen Universität Berlin schiebt Ben Jasram einen Stapel Unterlagen zur Seite, legt den Mess-Schieber obendrauf. Am 3-D-Labor des Instituts für Mathematik experimentieren seit Jahren Ingenieure und Materialwissenschaftler mit den neuen dreidimensionalen Drucktechniken, loten die die Möglichkeiten und Grenzen der Technologie aus.

In den Nebenräumen arbeiten vier Drucker. Nach zwei vollkommen unterschiedlichen Verfahren. Einmal mit Gips, einmal mit Kunststoff. Einmal wird geklebt, einmal Kunststoffpulver erhitzt und mit dem Laser in Form gebracht, das sog. Laser-Sintern. Dass all diese Verfahren in der Öffentlichkeit als 3-D-Druck bezeichnet werden, entlockt dem Diplom-Ingenieur jedes Mal ein müdes Lächeln.

Denn 3-D-Druck lässt sich einfach aussprechen, das geht gut ins Ohr und man kann sich halbwegs vorstellen, was da passiert. Wenn der Ingenieur jedoch sagt, das ist die generative Fertigung oder additive Fertigung, dann schaut er meist in ein fragendes Gesicht. Und hinzu kommen die entsprechenden Unterbegriffe, wie Laserschmelzen, Lasersintern, Filament-Druck, Polyjetverfahren, Jetverfahren oder Polymerisationsverfahren, und weitere.

Mediale Aufregung

Seit zehn Jahren arbeiten die Wissenschaftler mit 3-D-Druckern. Etwas verwundert betrachtet Jasram die mediale Aufregung, die das Thema in letzter Zeit begleitet. Die Technologie gibt es sogar bereits seit 30 Jahren, sie hat aber in den letzten sechs, sieben Jahren deutlich an Fahrt gewonnen.

3D-Druckmaschine (Foto: SF -)
3D-Druckmaschine SF -

Durch diesen fast Hype hat jeder eine Idee davon, wie es funktioniert. Und oft genug muss dann sein Team Interessenten über die Grenzen der Möglichkeiten aufklären. Jasram steht auf, holt eine handballgroße, goldglänzende Kugel aus dem Regal: Es ist der Mond im Maßstab 1: 50 Millionen.

Ein exaktes Abbild des Himmelskörpers, jeder Krater im Detail, so wie die NASA-Mondmission ihn abgefilmt hat. Im Computer wurde mit diesen Daten ein dreidimensionales Modell erzeugt, das anschließend gesintert wurde. Der Werkstoff ist Polyamid, ein robuster Kunststoff, der oft auch in Haushaltsgeräten eingesetzt wird.

Einzelstücke und Kleinserien

Meist werden diese Teile im herkömmlichen Spritzgussverfahren hergestellt. Dabei wird das flüssige Plastikmaterial in eine Form gefüllt und härtet dann aus. Doch nicht Massenware, sondern als Einzelstücke und Kleinserien – darin sieht Ben Jasram das Produktions-Potential des 3-D-Drucks.

3D-Druck (Foto: SWR, dpa/picture-alliance - Ulrich Dahl/Technische Universität Berlin)
Nicht Massenware, sondern Einzelstücke und Kleinserien – darin liegt im Moment das Produktions-Potential des 3-D-Drucks dpa/picture-alliance - Ulrich Dahl/Technische Universität Berlin

Am Berliner Institut für ökologische Wirtschaftsforschung greift Ulrich Petschow ins Regal. Er holt eine Mini-Büste hervor. Ein Abbild seiner Selbst, hergestellt mit dem 3-D-Drucker.

Der Ökonom stellt die Büste zurück ins Regal. Seit Jahrzehnten analysiert er die sozialen und ökologischen Folgen neuer Technologien. In zwei Studien haben Petschow und seine Kollegen auch den 3-D-Druck untersucht. Denn immer wieder wird dessen ökologisches Potential beschworen.

Experimente mit 3-D-Druck

An zwei Beispielen haben die Wissenschaftler das Potential des 3-D-Drucks durchgerechnet. Beispiel 1: Die Handyschale, eines klassisches Massenprodukt. Wenn dies lange genutzt wird, könnte es im Format eines 3-D-Drucks eine bessere ökologische Bilanz haben als eine Produktion in und den Transport aus China.

Frau trägt Kleid aus 3D-Drucker (Foto: picture alliance / dpa - picture alliance / dpa)
Die Zukunft auf der CeBIT 2016: Kleider aus dem 3D-Drucker - oder auch ausgedruckte Möbel picture alliance / dpa - picture alliance / dpa

Wobei der Trend zum schnellen Modellwechsel dann die Bilanz ins Negative drückt. Wesentlich günstiger sieht die Rechnung bei Beispiel Nummer 2 aus. Dafür wählten die Wissenschaftler das Flugzeugersatzteil. Doch bis sicherheitsrelevante Teile vor Ort an jedem Flughafen produziert werden können, werden noch Jahre vergehen.

Obwohl alle Hersteller mit dem 3-D-Druck experimentieren. Neben der Vor-Ort-Fertigung interessiert sie vor allem die Gewichts-Ersparnis. Im Juni präsentierten dann auch Airbus-Ingenieure den ersten Motorrad-Rahmen aus dem 3-D-Drucker. Das E-Motorrad soll 30 Prozent leichter als vergleichbare Fahrzeuge sein. Allerdings liegt der Preis um ein vielfaches höher: Bei 50.000 Euro. Eher ein Luxus- denn ein Massen-Produkt.

Die Wohnzimmerindustrie?

Doch gerade die dezentrale Produktion wird von Befürwortern immer wieder als gesellschaftsverändernder Prozess beschworen. Frei nach Karl Marx: Die Produktionsmittel gelangen in den Besitz der Massen. Die Fertigung abseits der Fabrik – in Wohnzimmer oder Garage.

In Dresden eilt Michael Gelinsky den Gang entlang, biegt nach rechts, in eines der vielen kleinen Labors. Er leitet das Zentrum für Translationale Knochen-, Gelenk- und Weichgewebeforschung der Medizinischen Fakultät der TU Dresden. Das pastöse Material, das gerade in einem Labor verdruckt wird, ist ein sogenanntes alginat-basiertes Hydrogel.

Das Alginat ist eines der klassischen Materialen für das sog. Bioprinting. Was so viel bedeutet wie: drucken mit lebenden Zellen - menschlichen, tierischen wie auch pflanzlichen und das in dreidimensionaler Form. Dafür werden lebende Zellen in die Paste gemischt und dann mit verdruckt.

Zellen leben weiter

Die Zellen überleben den Druckvorgang und überleben auch anschließend die nötige Vernetzung, die Stabilisierung, damit diese vormals relativ weiche Paste ausreichend fest wird, wenn sie für Wochen im Brutschrank dann unter Zellkulturbedingungen weiter gelagert wird.

3D-Drucker (Foto: picture-alliance / dpa, picture-alliance / dpa -)
Endlich wurde die Prozesskette von der medizinischen 3-D-Bildgebung, CT bzw. MRT bis hin zum 3-D-Gedruckten Objekt etabliert picture-alliance / dpa -

Drei Drucker verschiedener Generationen stehen Gelinskys Arbeitsgruppe für die Gewebeproduktion zur Verfügung. Je nach Ausstattung kostet das Material 70.000 oder 90.000 Euro. Der Chemiker deutet auf einen weiteren Printer, der unter einem durchsichtigen Gehäuse mit spezieller Luftfilterung steht - der sterilen Werkbank. Denn beim Zellendruck muss alles steril sein.

Realisiert haben die Dresdener Wissenschaftler die Programmierung der Drucker ohne teure Spezial-Software, sondern mit Opensource-Lösungen. Einfach um zu sehen, ob es gelingt, mit den Daten einer Computertomographie ein 3-dimensionales Implantat zu drucken. Damit wird die Prozesskette von der medizinischen 3-D-Bildgebung, CT bzw. MRT bis hin zum 3-D-Gedruckten Objekt etabliert.

Nicht genug Zellmaterial

Im Büro des Forschungsleiters stapeln sich die Papiere auf dem Schreibtisch. Veröffentlichungen, Forschungsanträge, Literatur. Besonders in den bunten Magazinen und Tageszeitungen sorgt der medizinische 3-D-Druck immer wieder für Schlagzeilen. "Ohren und Kiefer aus dem 3-D-Drucker" ist da etwa zu lesen. Doch Michael Gelinsky mag die Euphorie nicht weiter anheizen.

Der 3D-gedruckte Tisch "Wooven" (Foto: BigRep GmbH -)
Je komplexer das Produkt – desto unwahrscheinlicher ist eine Produktion per 3-D-Druck: Der 3D-gedruckte Tisch "Wooven" BigRep GmbH -

Die größten Schwierigkeiten liegen – so die Einschätzung von Michael Gelinksy – nicht etwa im Bereich der 3-D-Drucktechnik, sondern vielmehr im Bereich der Zellmengen, die für ein solches Organ benötigt würden. Wenn man eine Niere drucken möchte, so der Chemiker, bräuchte man unglaublich viele Zellen, die im Augenblick nicht hergestellt werden können.

Problem Nummer Zwei: Es müssen Blutbahnen für die Versorgung der Organe mitgedruckt werden. Bislang funktioniert das aber nur in sehr kleinen Gewebsmodellen.

Mini-Organe zum Testen

Michael Gelinsky schätzt, dass es noch mehrere Jahrzehnte dauern wird, bis entsprechende Organe Wirklichkeit werden – wenn überhaupt. Viel eher wird es sehr kleine Gewebsmodelle geben, glaubt er. Die könnten - quasi als Mini-Organe - bei der Wirkstoff-Testung zum Einsatz kommen. Und dabei helfen, viele der umstrittenen Tierversuche zu ersetzen.

Je komplexer das Produkt – desto unwahrscheinlicher ist eine Produktion per 3-D-Druck. Die Technologie ist zwar vorhanden, allerdings werden ihre Einsatz-Möglichkeiten heute noch durch eine Vielzahl von Faktoren begrenzt.

Nur wenige Kunststoffe und Metalle können bisher verarbeitet werden. Das ist der limitierende Faktor auf der Materialseite. Doch auch das Verfahren selbst ist noch optimierungsbedürftig. Es fehlt an einheitlichen Produktions-Bedingungen.

Die Produktion von individuellen Gebrauchsgegenständen, Wohn- und Deko-Artikeln ist davon aber nicht betroffen. Hier wird sich der 3-D-Druck sicherlich weiter durchsetzen, in anderen Bereichen muss der 3-D-Druck seine Qualität jedoch erst noch beweisen.

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