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Mach's dir selbst

3-D-Drucker können heute bereits eine Menge Dinge produzieren. Henkeltassen, Autoersatzteile und künstliche Knochen zum Beispiel. Wir sind auf dem Weg zur Heimfabrik.




Das Haus der Zukunft könnte etwas leer wirken, aber das täuscht. Auf Anhieb sichtbar sind nur ein Computer und ein 3-D-Drucker. Alles andere ist die meiste Zeit in Bits gebannt: In beliebig veränderbarem Design dämmern virtuelle Tische, Stühle, Aschenbecher und Blumenvasen im Computer ihrer Materialisierung entgegen. Das spart Platz und schafft Abwechslung. Wer zum Beispiel eine Tasse braucht, druckt sie sich einfach aus.

Forscher wie Neil Gershenfeld vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) basteln schon an solchen Wunschmaschinen für den Hausgebrauch: Im Media Laboratory des MIT steht ein Dishmaker, der auf Knopfdruck Tassen, Teller oder Schüsseln aus Kunststoff frisch produziert und nach Benutzung wieder einschmilzt. "Ein programmierbarer Personal Fabricator wird in der Lage sein, alles herzustellen, sich selbst eingeschlossen", schreibt Gershenfeld in seinem 2005 erschienenen Buch "Fab - The Coming Revolution on Your Desktop". Jeder Mensch könne damit Dinge erschaffen, die er schon immer haben wollte. Im Fabbing, so der Fachjargon für die Technologie, steckt eine innovative Kraft, die nur mit dem Siegeszug des PC vergleichbar ist. Die Universalmaschine zweiter Teil also, die alles kann - nicht nur den seltsamen Wunsch nach einem Geschirrschrank erfüllen, der seinen Inhalt immer wieder neu aus Kunststoff formt.

Unter dem Begriff Rapid Prototyping wurde die Technik bereits in den achtziger Jahren gefeiert. Ursprünglich diente sie nur der schnellen Fertigung von Modellen und Prototypen, daher der Name. Im Prinzip ist eine Rapid-Maschine eine Art 3-D-Drucker, der praktisch jede dreidimensionale Form erzeugen kann. Schicht für Schicht baut das Gerät am Computer entworfene Gegenstände auf. Mittlerweile bringen die Geräte nicht nur Prototypen (Rapid Prototyping) und Werkzeuge (Rapid Tooling) zu Stande, sondern wandeln auch Datenwolken zu Produkten wie Sonnenbrillen, Lampen, Autoteile aus Metall oder künstliche Zähne um (Rapid Manufacturing). Und sie können einen Körper zu Bits und Bits wieder zu Körpern werden lassen. Den des Fußballstars Michael Ballack zum Beispiel: Der Hamburger Unternehmer Christian Aeby hat es geschafft, ihn und sämtliche andere Spieler der deutschen Nationalelf vor einen Bodyscanner zu lotsen. Mithilfe einer Design-Software hat er die Daten umgewandelt und kann sie nun jederzeit und allerorten an einen 3-D-Drucker verfüttern. So produziert er täuschend echte, neun Zentimeter große Fußballer aus Kunstharz, die Aeby über seine Scanation GmbH vertreibt.

Der gebräuchliche Oberbegriff Rapid Prototyping greift also zu kurz, stattdessen ist zunehmend von Rapid-Verfahren oder generativen Verfahren die Rede. "Mit ihnen ist es erstmals möglich, ein beliebiges geometrisches Gebilde ohne Werkzeuge herzustellen", sagt Professor Andreas Gebhardt, Spezialist für Fertigungstechnik an der Fachhochschule Aachen. "Wir können ohne Werkzeug hundert Scheren mit hundert unterschiedlichen Löchern für die Finger von hundert unterschiedlichen Leuten in einem Arbeitsgang fertigen. Das heißt, wir erzeugen mit einem Serienverfahren Produkte, die es jeweils nur einmal gibt." So seien auch kleine Serien und Einzelanfertigungen wirtschaftlich, für die es sich nicht lohnen würde, ein teures Spezialwerkzeug zu entwickeln. Schon heute setzt die Industrie auf Maßfertigung und individuell angepasste Produkte. Fabbing könnte Einzelteile am Fließband erzeugen.

Auf diesen Trend setzt zum Beispiel die EOS GmbH Electro Optical Systems in Krailling bei München. Ihr Spezialgebiet sind große Anlagen, die mehrere hundert unterschiedlich gestaltete Kleinteile in einem Schwung bauen können und die zur Fertigung von Endprodukten geeignet sind. Hörgeräteschalen etwa, die genau an den Gehörgang des künftigen Trägers angepasst sind. Oder Ersatzteile für Oldtimer und betagte Lastwagen. Selbst bewegliche Teile wie Scharniere kann die Anlage gleich mit aufschichten. Mit klassischen Verfahren wie dem Spritzguss ginge das nicht. "Unsere Kunden stellen mit den Anlagen auch Werkzeuge her", führt Marketingleiter Christof M. Stotko die Liste fort. Die Firma Materialise im belgischen Leuven setzt die Rapid-Maschinen von EOS zur Produktion von Designerlampen ein. Sie können die Gestalt von Lotusblüten, Tentakel schwenkenden Tintenfischen oder Schneckenhäusern annehmen - gerade wie es ihren Schöpfern beliebt.

Die EOS GmbH ist nach eigenen Angaben weltweiter Marktführer für so genannte Laser-Sinter-Systeme, die Preise bewegen sich zwischen 300000 Euro für das Einstiegsmodell und 800 000 Euro für die ganz großen High-End-Systeme. Das Laser-Sintern ist eines von etwa drei Dutzend unterschiedlichen Rapid-Verfahren, die derzeit im Einsatz sind: Ein Laser wandert über ein Pulverbett und verschmilzt es an den zu formenden Stellen zu einer festen Schicht. Zu den gängigsten Verfahren zählen neben dem Laser-Sintern auch das dreidimensionale Printing und die Stereolithografie. Der dreidimensionale Printer verklebt die einzelnen Schichten, indem er aus mehreren Düsen flüssiges Bindemittel auf ein Pulverbett sprüht. Bei der Stereolithographie ist das Rohmaterial hingegen ein flüssiger, lichtaushärtender Kunststoff, der schnell trocknet, nachdem er vom Laserlicht erreicht wurde.

Die kleine Fabrik - für individuelle Produkte fast ideal Noch haben die Rapid-Entwickler jedoch mit einer Reihe technischer Unvollkommenheiten zu kämpfen: "Die Oberflächenqualitäten und Materialeigenschaften sind einfach noch nicht die, die wir gern hätten", sagt der Fachhochschulprofessor Andreas Gebhardt. Ein weiterer Makel sei die begrenzte Zahl verwendbarer Spezialwerkstoffe: "Wenn ich eine Maschine kaufe, lege ich mich damit automatisch auf bestimmte Materialien fest, und das sind immer nur ganz wenige." So schlucken die Laser-Sinter-Maschinen der EOS GmbH zum Beispiel nur Gießereisand und Werkstoffe, die auf dem Kunststoff Polyamid basieren. Die Pulverkügelchen können wahlweise mit Glasfasern, Aluminium und demnächst auch mit Carbon angereichert werden.

Es gibt andere Systeme, die Keramik, Gips, Stärke oder Papier verarbeiten, die meisten können die Materialien aber nicht miteinander mischen. Mehrfarbige Kreationen sind ebenfalls selten. Außerdem sind die Produkte häufig noch nicht fertig, wenn sie den Bauch des Rapid-Apparates verlassen. Sie müssen von anderen Maschinen nachgehärtet, glatt geschliffen, gereinigt oder poliert werden.

Deshalb hält Rudolf Meyer, Koordinator der Fraunhofer-Allianz Rapid Prototyping, einem Forschungsverbund von 13 Fraunhofer-Instituten, die Technik noch für zu teuer, noch nicht schnell und universell genug. "Trotz gesunkener Preise kostet der einfachste 3-D-Printer immer noch um die 25 000 Euro", sagt der Experte. "Interessant sind Rapid-Technologien zur Herstellung funktionsfähiger Bauteile vor allem dort, wo Produkte mit einer komplizierten Gestalt schnell, flexibel und in kleiner Stückzahl auf den Markt kommen sollen. Wichtige Einsatzfelder seien derzeit die Autoindustrie, die Luft- und Raumfahrt, der Werkzeug- und Spezialmaschinenbau und vor allem die Medizintechnik.

Neue Welt: Aus Konsumenten werden Produzenten Der " Bioplotter" der Envisiontec GmbH in Gladbeck zum Beispiel formt aus Kunststoffen passgenaue Implantate mit zellfreundlicher Struktur, auf denen Mediziner menschliche Knochen- oder Knorpelzellen ansiedeln können, damit der Körper die "Ersatzteile" nicht abwehrt. "Eines Tages wird es möglich sein, auf diese Weise nicht nur bioartifizielle Implantate, sondern sogar bioartifizielle Organe zu erzeugen", glaubt Geschäftsführer Hendrik John.

Aus dem "Wohlers Report 2005" des für seine Rapid-Expertisen bekannten amerikanischen Unternehmensberaters Terry Wohlers geht hervor, dass die Anbieter von Rapid-Technologien, Spezialwerkstoffen sowie von Service- und Wartungsleistungen im Jahr 2004 weltweit rund 705 Millionen US-Dollar einnahmen. Gegenüber dem Vorjahr wuchs der Markt um 33 Prozent. Die größten Wachstumspotenziale schreibt Wohlers dem Rapid Manufacturing von fertigen Produkten und Komponenten zu.

Andreas Neef, Geschäftsführer der Z-Punkt GmbH in Essen und Mitautor des Buches "Vom Personal Computer zum Personal Fabricator" geht davon aus, dass " gefabbte" Produkte wie die Mini-Fußballer keine Randfiguren bleiben werden: "Durch die Technologie sind ganz neuartige Dinge realisierbar. Dabei wird es sich nicht nur um Handygehäuse handeln, nicht nur um die dümmliche Peripherie, sondern auch um komplexere Produkte", sagt der Zukunftsforscher. So sei es beispielsweise heute schon möglich, mit handelsüblichen Tintenstrahldruckern elektronische Schaltkreise auszudrucken. Sie könnten 3-D-Drucker künftig dazu dienen, den Gegenständen ihr intelligentes Innenleben gleich mit einzuhauchen.

Dazu müssten die Rapid-Anlagen allerdings fähig sein, mehrere Rohmaterialien gleichzeitig zu verarbeiten, was heute noch selten funktioniert. Doch davon lässt sich Neef nicht beirren. Er hat fantastische Szenarien für die Fabrik der Zukunft. Etwa dies: Die Industrie richtet dezentrale Mini-Fabriken ein, in denen der Kunde gemeinsam mit einem Firmenberater am Bildschirm " sein Produkt" gestaltet. "Der Konsument wird zum Mitentwickler", schwärmt Andreas Neef. Oder das Copyshop-Szenario: Der Kunde scannt im " Fabbing-Service-Center" seinen kaputten Türgriff ein, bringt am gemieteten Rechner dessen zerrüttete Datenwelt in Ordnung und druckt ihn dann heil wieder aus.

Szenario Nummer drei ist schließlich die Heim-Fabrik: Der Konsument wird zum "Prosumenten", und die Produkthersteller werden zu Herstellern von Produktdateien, die sich der Prosument gegen Bezahlung aus dem Internet herunterlädt. Falls er die virtuellen 3-D-Gebilde nicht selbst konstruieren kann. An eine Universalmaschine glaubt Neef noch nicht. "Aber ein Personal Fabricator für Kinderspielzeug zum Beispiel ist gar nicht mehr so weit weg." Geht es nach den Plänen von Behrokh Khoshnevis, dann wird der Personal Fabricator in einem Haus stehen, das ebenfalls Produkt einer Rapid-Maschine ist. Der Professor am Epstein Department of Industrial & Systems Engineering der University of Southern California in Los Angeles will einen "Betondrucker" entwickeln, einen Roboter-Kran, der im Alleingang ganze Gebäude hochzieht. Khoshnevis hat sein Verfahren Contour Crafting genannt, weil der Roboter zunächst eine schnell härtende Betonmasse herauspresst und damit die Konturen der Mauer "druckt". Anschließend füllt er den Rahmen mit weiterem Beton auf und lässt dabei Hohlräume für Versorgungsleitungen frei. All das steuert ein Rechner.

Tests, bei denen der Bauroboter ein 200-Quadratmeter-Haus in die Landschaft setzt, laufen bereits. Nach Angaben von Khoshnevis dauert es etwa 24 Stunden, bis der Bau fertig gestellt ist. "In ein bis zwei Jahren werden die ersten kommerziellen Roboter auf den Markt kommen. Die Preise werden sich je nach Größe und Fähigkeiten zwischen 600000 und 1,5 Millionen Dollar bewegen." Firmen aus aller Welt, Deutschland eingeschlossen, hätten bereits ihr Interesse bekundet, eine Lizenz für die Technologie zu erwerben. Auf der Website www.contourcrafting.org beschreibt der Bauingenieur die Zukunftspotenziale der Technik: Häuser zu erschwinglichen Preisen in beliebiger Form und Größe, mit organisch gewölbten Wänden etwa, seien in Sichtweite. Darüber hinaus ließen sich mithilfe der Betondrucker ganze Städte, die von Naturkatastrophen verwüstet wurden, in kurzer Zeit wieder aufbauen. Selbst das Weltall sei früher oder später vor Contour Crafting nicht sicher.

Nimmt man Khoshnevis Prognose ernst, dass im Jahr 2025 auf den Baustellen weit und breit nur noch Roboter im Einsatz sind, dann sehen die vielen Bauhandwerker der Abschaffung ihres Berufsstandes entgegen. Sie werden vielleicht in einem dieser neuen Fabbing-Service-Center sitzen oder im Haus der Zukunft. Und sie werden viel mehr Zeit für all die Dinge haben, die sie schon immer einmal machen wollten - am Bildschirm, versteht sich. Klicken statt zupacken. Fabben statt mauern. Mal sehen, was die Handwerker davon halten.