Von unendlichen Weiten, dem 4D Druck und anderen Zukunftsaussichten

Für viele Menschen ist das 3D-Druckverfahren noch immer eine recht neue Innovation. Sehen sie einen 3D-Drucker das erste Mal in Aktion, so sind sie fasziniert über die Möglichkeit, nicht wie bei einem üblichen 2D-Drucker auf einem Blatt Papier ein zweidimensionales Ergebnis zu erhalten, sondern ein Resultat, welches in den Raum hinein produziert wird. Das neuartige Empfinden liegt jedoch nicht etwa daran, das 3D-Drucker so jung und neu in ihrer Entwicklung sind. Im Gegenteil, erste additive Druckverfahren gab es bereits in den 1980er Jahren. Doch sind wohl die meisten Menschen einfach noch nicht in Berührung damit gekommen. Denn im Gegensatz zu Computer und Co. hat der 3D-Drucker es noch nicht in die Haushalte besonders vieler Menschen geschafft. Dies wird wohl auch noch eine Weile dauern, auch wenn bereits ein potentieller Markt dafür besteht und man immer mal wieder einen 3D-Drucker Besitzer antrifft. Wenn man aber die Augen offenhält, dann stößt man immer öfter auf diese faszinierende Technologie und das in den unterschiedlichsten Bereichen. Mittels 3D-Drucker werden inzwischen schon Häuser gebaut, Lebensmittel gedruckt oder sogar die eigene Person, nachdem sie vorher mittels 3D-Scanner erfasst wurde.

3D-Scan ist hierbei ein weiteres gutes Stichwort aus dem Bereich der dreidimensional arbeitenden Technologien. So ist es mithilfe eines solchen Scanverfahrens nicht nur möglich, einzelne reale Objekte im zu digitalisieren und eine Datei im 3D-Format zu erstellen, es können damit sogar ganze virtuelle Räume erschaffen werden. So geht auch VR – virtual reality – damit einher, da es sich hierbei um eine computergenerierte Wirklichkeit handelt, die physikalischen Begebenheiten oftmals treu bleibt und dadurch ebenfalls ‘3D’ ist. Je nach Zielsetzung kann solch eine virtuelle Umgebung nahezu komplett digital konstruiert werden oder aber mithilfe eines 3D-Scanners. Ganze Spielsegmente im VR-Bereich sind seit einigen Jahren auf dem Vormarsch und der ein oder andere hat vielleicht schon mal einen 3D-Film im Kino gesehen.

Wie man insgesamt also sehen kann, scheinen 3D-Technologien schon weiter verbreitet zu sein, als manch einer wohl auf den ersten Blick vermutet hätte. Gebündelt findet man sie z.B. in sogenannten Fab Labs oder Makerspaces, so wie das ViNN:Lab eins ist vor. Diese Orte werden oft auch als offene Kreativwerkstätten bezeichnet und zumindest der beliebte 3D-Drucker gehört hier meist zur Grundausrüstung. Doch was sind eigentlich die nächsten Schritte in der Entwicklung? Wie sieht die Zukunft des 3D-Drucks aus? Gibt es besonders beeindruckende Projekte aus dem 3D-Bereich, die es sich anzuschauen lohnt?

Wie genau die Zukunft aussehen wird, kann natürlich niemand genau vorhersagen. Doch wäre ein logischer Schritt die Weiterentwicklung von 3D zu 4D. Und tatsächlich findet man hier bereits einige interessante Ansätze, im 4D-Druck beispielsweise. Doch wenn man mit einem 3D-Drucker bereits in einen Raum hinein druckt, wie soll ein 4D-Drucker das noch toppen? Ganz einfach: indem sich der fertige 3D-Druck im Anschluss noch verändert. 4D in diesem Zusammenhang bedeutet lediglich, dass sich ein gedrucktes 3D-Objekt selbstständig in eine andere Struktur umwandelt. Das Ergebnis ist dann sozusagen ein 4D-Objekt. Ein wichtiger Faktor ist hierbei die Zeit, da sich das gedruckte 3D-Objekt erst innerhalb eines bestimmten Zeitraums entfaltet bzw. entsprechend umformt. Zeit fungiert hierbei als die vierte Dimension. Als einfache Formel ausgedrückt, kann man sagen: 3D-Druck + Zeit = 4D-Druck. Hier findet man zur besseren Veranschaulichung der Technologie ein kurzes Video: What is 4D Printing?

Damit so ein 4D-Objekt überhaupt entstehen kann, ist natürlich das richtige Material notwendig. Mit im 3D-Druck u.a. üblichem PLA (Polylactide engl. polylactic acid) wird im Anschluss an den Druck nicht viel passieren. Verwendet man stattdessen aber sogenannte „smart materials“, dann sieht das Ganze schon anders aus. Solche intelligenten Materialien können zum Beispiel bestimmte Hydrogele sein oder auch Formgedächtnispolymere. Durch einen externen Stimulus wie den Kontakt zu Wasser oder die Zufuhr von Wärme wird dann die Transformation des Materials in Gang gesetzt. Diese Technologie befindet sich noch in einem recht frühen Entwicklungsstadium. U.a. im MIT’s Self-Assembly Lab (https://selfassemblylab.mit.edu/) wird an Materialien geforscht, die programmierbar sind und sich sozusagen selbst herstellen.

Veranschaulichung 1D – 4D, Quelle: https://cdn2.sculpteo.com

Das Potential des 4D-Drucks ist bereits deutlich erkennbar. So könnte man z.B. kleine platzsparende Objekte drucken, die sich erst bei tatsächlicher Anwendung wie eine Blume entfalten. Man könnte Textilien herstellen, die sich an das Wetter anpassen, so dass man nicht mehr eine extra Regenjacke für besonders stürmische Tagen benötigt. Die normale Jacke würde sich bei einem Wetterumschwung einfach transformieren. In der Medizintechnik sind mitwachsende Implantate oder sich selbst umgestaltende Proteine denkbar. Auch im Bereich der Raumfahrt und den extremen Umweltbedingungen im Weltall scheint eine 4D-Druck Anwendung denkbar, wenn beispielsweise schnell Unterkünfte oder andere Strukturen gebaut werden müssen. (Quelle Absatz: https://www.sculpteo.com)

SDSS, Quelle: https://dr16.sdss.org

Apropos Weltraum. Kürzlich wurde die größte dreidimensionale Karte des Universums veröffentlicht. Diese ist über einen Zeitraum von 20 Jahren in Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des Sloan Digital Sky Survey (SDSS) auf der ganzen Welt entstanden. Die letzte Phase der in insgesamt vier Phasen unterteilten Arbeit umfasste die Messung von zwei Millionen Galaxien und Quasaren, helleren Galaxien. Die Teile der Karte decken dabei unterschiedliche kosmische Zeiten ab. So reichen einige Kartenabschnitte 11 Milliarden Jahre und mehr zurück, wohingegen andere Abschnitte in ihrer Entstehung wesentlich jünger sind. Die Objekte wurden mit Teleskopen in Mexiko und Chile erfasst und ihre Entfernungen zueinander exakt bestimmt.

Die folgende Abbildung zeigt einen Gesamtüberblick der vom SDSS getanen Arbeit. Es handelt sich hierbei um eine Karte des beobachtbaren Universums. Wir befinden uns im Zentrum. Umso weiter man an den äußeren Rand blickt, umso weiter geht man in der Zeit zurück. Jeder Farbabschnitt stellt bestimmte Galaxien und Quasare sowie ihren vorgenommenen Messzeitraum dar. Das eBoss Team (eBoss = extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), ein spezieller Teil des SDSS, hat dabei den größten Teil dieser Messungen vorgenommen.

Die detaillierte 3D-Karte, welche das Team aus Astrophysikern erstellt hat, ist natürlich rein digitaler Natur, da ein Reisen zu fernen Galaxien und das 3D-Scannen von Monden und Co. noch nicht möglich ist. Schaut man sich einige Animationsvideos (z.B. A Flight Through the Universe, by the Sloan Digital Sky Survey) der SDSS an, die beispielsweise Reisen durch solche kartografierte Weltraumabschnitte beinhalten, so ist, wenn überhaupt eine Ansiedlung im VR-Bereich denkbar. Aber wenn man schon nicht real durchs Weltall düsen kann, dann vielleicht irgendwann einmal wenigstens virtuell. Auf der Website des SDSS sind alle Daten und Ergebnisse frei für jeden einsehbar. Wem das Thema zu abstrakt und fremd ist, der kann beispielsweise im Bilder-Teil (https://dr12.sdss.org/fields) der dritten Phase des Langzeitprojekts beliebige Weltall-Koordinaten eingeben und das entsprechende Kartenstück samt seinen Galaxien und Schönheit bestaunen. Die Arbeit der SDSS ist übrigens noch nicht abgeschlossen. Die letzte Datenveröffentlichung ‘DR 17’ ist für Juli 2021 geplant. Das wir heutzutage die Möglichkeit haben, Milliarden von Lichtjahren entfernte Objekte so exakt zu kartografieren und in 3D darzustellen, ist auf jeden Fall sehr beeindruckend und lässt auf weitere Megaprojekte im 3D Bereich hoffen. (Quelle Abschnitt: www.mpe.mpg.de, https://www.sdss.org/)

Yokai Studios Roboterarm, Quelle: www.yokai-studios.com

An einer spannenden Zukunftsvision, die u.a. den 3D-Scan Bereich tangiert, arbeitet derzeit das 2019 gegründete Start Up „Yokai Studios“. Das Gründerteam besteht aus zwei Absolventen des Studienganges ‘Fashion & Technology’ der Kunstuniversität in Linz und hat sich zur Aufgabe gemacht, Mode mithilfe einer Roboterhand zu erzeugen. Ein essentieller Schritt dabei beinhaltet den 3D-Scan des Körpers. Nach dem Scan wird eine Simulationssoftware durchlaufen, gefolgt vom Zurechtschneiden der Kleidungsstücke durch einen üblichen Lasercutter. Abschließend verbindet die Roboterhand die einzelnen Schnittteile mit einer Fügemethode die vom Gründerteam auch ‘Loma Bond ‘ genannt wird. Zukünftig soll der Roboter aber auch die Fertigung im 3D-Raum sowie das Schneiden übernehmen und anschließend wie jetzt auch in einem fließenden Übergang die Stoffe ‘bonden’. Ist die technische Komponente ausgereift und marktfähig, so soll man über eine App einen Termin buchen können. Zur vereinbarten Zeit wird dann entweder in einem Shop oder einer mobilen Station der Körper-Scan durchgeführt. Dann wählt man ein Design aus. Bereits eine Stunde später soll das individuelle Kleidungsstück fertig sein und durch den exakten 3D-Scan wie angegossen passen.

Das Start-Up, welches durch das EU-Projekt Re-FREAM gefördert wird, plant, möglichst nachhaltige Materialien zu verwenden, die biologisch abbaubar sein sollen. (Quelle: https://notforrealweb.wordpress.com)

Die Idee, den 3D-Scan im Textilbereich zu verwenden, ist nicht unbedingt neu oder revolutionär, aber noch findet man sie eher selten vor. Dabei bietet sie sich geradezu an. Denn wer möchte nicht gerne ein modisches Oberteil haben, dass perfekt auf die eigenen Körpermaße abgestimmt ist? Die Kombination mit dem Fertigungsprozess durch eine Roboterhand lässt das Ganze noch etwas futuristisch erscheinen. Die Gestaltung des Designs lässt viele Möglichkeiten offen und bietet Potential für weitere Entwicklungen. Es ist auf jeden Fall vorstellbar, dass Anwendungen wie diese zukünftig einmal häufiger und auch im großen Stil vorzufinden sind. Vielleicht gibt dann keine Klamottenberge aus großen Modeketten mehr, die billig und zu viel produzieren und nach Ende einer kurzen Saison ihre Ware oft umweltschädigend entsorgen. Und vielleicht wird dann nur noch genau das an Kleidung produziert, was auch benötigt wird und zwar nachhaltig auf individuelle Körpermerkmale abgestimmt. Man kann nie wissen, denn die Zukunft ist noch nicht entschieden.

Natürlich gibt es noch zahlreiche weitere spannende Ideen für die Zukunft der 3D-Welt und andere interessante zukunftsweisende Projekte in der Gegenwart. Die Entwicklung ist ja noch längst nicht am Ende angekommen und wir dürfen gespannt sein, was uns noch alles erwartet. Wisst ihr von einem ganz besonders tollen Projekt, das euch begeistert? Wie stellt ihr euch die Zukunft in diesem Bereich vor? Erzählt mir doch gerne davon.