Gabriele Gramelsberger

Es gibt kaum etwas, das heute nicht gedruckt werden kann. Vom Haus über Implantate bis hin zu Früchtekuchen. Das Zauberwort heißt: 3D Drucken oder Additive Fertigung und die Hoffnungen, die sich daran knüpfen, sind zahlreich: Von der realen wirtschaftliche Relevanz für die Industrie bis hin zu Utopien postkapitalistischer Strukturen des Wirtschaftens reicht das Spektrum der Erwartungen an die neue Technologie. Insbesondere im Bereich der Biologie und der Medizin eröffnet das 3D Drucken ganz neue Bereiche des personalisierten Prototyping.

1986 beantragt der Ingenieur Chuck Hull die erste Patentanmeldung für 3D Drucker unter dem Patentitel Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Hull berichtet über die Entstehung seiner Idee im Onlinemagazin Motherboard wie folgt:

“Ich arbeitete erst bei einer großen Firma und wechselte dann zu einem kleinen Unternehmen. Dort benutzen wir ultraviolettes Licht dazu, kleine Schichten von Plastik zu reparieren wie bei Tischdecken, Fußbodenbelägen und solchen Sachen. Ich dachte: ‘Ah, wenn es möglich ist, Plastik zu flicken, könnte ich vielleicht dünne Schichten zu 3D-Bauteilen stapeln.’ Daher kam die Idee. Ich stellte mir eine Lampe mit ultraviolettem Licht auf und begann daran zu arbeiten” (Interview mit Chuck Hull auf Motherboard 2016).

Das Entscheidende an Hulls Idee ist, dass er von der Logik des Materials aus und nicht der Objekte her denkt und dass diese Materiallogik der Idee des Punktes folgt: Die Addition von Punkten erzeugt die Schicht und die Addition von Schichten das dreidimensionale Objekt. Die Zeichnungen seiner Patenschrift veranschaulichen die Schicht für Schicht Aufbringung von erwärmtem, lichtaushärtendem Kunststoff, der mit einem Laser oder UV-Licht ausgehärtet wird. Mit 3D-Druckern lassen sich die unterschiedlichsten Materialien – Kunststoffe, Harze, Metalle, Keramiken, mit Nanopartikeln veränderte Materialen bis hin zu Biomaterialien – dreidimensional zu Gebilden formen.

 

Next industrial revolution

Was sich 1986 noch als spleenige Idee anhört, hält in den 1990er Jahren für die Fertigung von Einzelstücken Einzug in den Industriealltag und wird Mitte der 2000er Jahre zur frei zugänglichen Technik. 2004 entwickeln Adrian Bowyer und Vik Oliver von der Bath University in Großbritannien den RepRap Replicating Rapid-Prototyper und veröffentlichen dessen Konstruktionspläne unter der GNU General Public License. Mehr noch: Der RepRap kann die meisten seiner Teile selbst ausdrucken und lässt damit John von Neumanns Idee selbstreproduzierender Automaten Wirklichkeit werden. Mit dem RepRap und der zunehmenden Fülle kommerzieller, günstiger 3D Drucker eröffnen sich neue Möglichkeiten der Produktion und die Vision einer Prosumentengesellschaft, die in einer Entdifferenzierungsbewegung Produzenten und Konsumenten in einer Figur vereint (Ritzer & Jurgenson 2010). In einer solchen Gesellschaft spielen FabLabs eine zentrale Rolle und künden die nächste industrielle Revolution an. “Im Zuge dieser Revolution soll die herausgehobene Stellung von Organisationen und Großfabriken als traditionellen Orte der Innovation und Produktion relativiert werden und durch eine Ökonomie der ‘Maker’ ersetzt werden, die (online wie offline) kollaborativ neue Produktideen generieren und diese an jedem beliebigen Ort der Welt verstofflichen können” (Dickel und Scharpe 2015, S. 449).

Soviel zum technikutopischen Potenzial der 3D Drucker. Die eigentliche Faszination liegt jedoch in der direkten Transformation des Digitalen in materielle Entwürfe. “We are witness to a burgeoning movement towards the materialization of digital information that encompasses and crosses multiple areas,” stellen Matt Ratto und Robert Ree bereits 2012 fest. Denn 3D Drucker setzen mit Hilfe von Computer-aided Design (CAD) Programmen dreidimensionale Entwürfe Punkt für Punkt, Schicht für Schicht in Materialität um (Video). Angefangen mit knallbunten Kunststoffen entwickeln sich die Materialien heute in die vielfältigsten Richtungen: von Polyamiden, Alumiden, Harzen und Keramiken bis hin zu Biomaterialien (3dnatives Blog). Vor allem durch die Einlagerung von Nanopartikeln in konventionellen Materialien wird es möglich, neue Materialeigenschaften zu generieren.

 

Bio printing

Der wohl innovativste Einsatzbereich des 3D Druckens liegt in der Biologie und der Medizin. Hier ersetzt das 3D Drucken nicht einfach nur klassische automatisierte Herstellungsverfahren, sondern eröffnet vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten. Gedruckt werden mittlerweile Implantate – von Zähnen bis zu Kniegelenken –, biomedizinische Produkte wie Stents bis hin zu funktionsfähigen Organen. Werden Implantate und Produkte aus biokompatiblen Materialien gedruckt, so verwendet man für das Tissue and Organ Engineering lebende Zellen als Materialien. “Researchers are developing these approaches to fabricate 3D functional living human constructs with biological and mechanical properties suitable for clinical restoration of tissue and organ function. […] The main technologies used for deposition and patterning of biological materials are inkjet, microextrusion and laser-assisted printing” (Murphy und Atala 2014, S. 773 und S. 775). Beispielsweise lässt sich BioInk, die Zellen in wässriger Lösung enthält, mit herkömmlichen Inkjet-Druckern Schicht für Schicht auftragen. Die Fähigkeiten lebender Zellen sich zu verbinden und zu organisieren leistet dann das Weitere, um Gewebe wie Haut zu bilden. Allerdings ist die Auflösung durch das Inkjet-Verfahren relativ grob, weswegen für die Funktionalität von Geweben mittlerweile das 3D Drucken mit Lasern auf Mikroebene erforscht wird, beispielsweise am Laser Zentrum Hannover e.V. von Lothar Koch (Koch et al. 2014). Mit dieser Technologie lässt sich Gewebe und Organe herstellen, die durch die hohe Auflösung zum Stoffwechsel in der Lage sind, also Nährstoffe aufnehmen und Abfallprodukte abgeben können. Es liegt auf der Hand, dass dies für funktionale Organe, die in Zukunft aus eigenen Zellen kultiviert werden können, von entscheidender Bedeutung ist. Eben dies mein personalisiertes Prototyping in der Medizin.

 

Veranstaltungshinweis

Dr. Lother Koch wird am 8. Februar 2017 um 19 Uhr den Vortrag “Tissue Engineering durch Laser-generierte 3D-Strukturen: Von kontrolliertem Zellverhalten und gedruckten Organen” an der Universität Witten/Herdecke halten.

Dr. Lothar Koch leitet die Gruppe Biofabrikation in der Abteilung Nanotechnologie am Laser Zentrum Hannover e.V. und die Forschergruppe “Biological Laser Printing” im Exzellenzcluster REBIRTH. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich Laser-Technology, Laser-Materie-Wechselwirkungen und ihre Anwendung im Bereich Biofabrikation und 3D-Drucken lebender Zellen für das Tissue Engineering und die Regenerative Medizin.

 

Literatur
Sascha Dickel und Jan-Felix Schrape: Dezentralisierung, Demokratisierung, Emanzipation. Zur Architektur des digitalen Technikutopismus, in: Leviathan (43/3), 2015, S. 442-463.
Rhys Jones et al.: Reprap – the replicating rapid prototype, in: Robotica (29/1), 2011, S. 177-191.
Lothar Koch, A. Deiwick und B. Chichkov: Laser-based 3D cell printing for tissue engineering, in: BioNanoMaterials (3-4/15), 2014, S. 71-78.
Sean Murphy und Anthony Atala: 3D bioprinting of tissues and organs, in: Nature Biotechnology (32/8), 2014, S. 773-785.
Matt Ratto und Robert Ree: Materializing information: 3D printing and social change, in: First Monday 17(7), 2. Juli 2012.
George Ritzer und Nathan Jurgenson: Production, consumption, prosumption. The nature of capitalism in the age of the digital ‘Prosumer’, in: Journal of Consumer Culture (10/1), 2010, S. 13-36.

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