Valentine Ananikov, Chemikerin am Zelinsky-Institut für organische Chemie in Moskau, führt chemische Reaktionen durch, die so empfindlich sind, dass schon eine Spur von Metall-Nanopartikeln, die kleiner als ein Bakterium sind, die Ergebnisse verändern kann. Wenn sein Labor ein Experiment beendet hat, muss es daher gründlich gereinigt werden. Zumindest war das früher der Fall. Im Jahr 2016 begann Ananikov, stattdessen Einweg-Reaktionsgefäße zu entwickeln. Dabei stützt er sich auf eine Technologie, die die Fantasie von Heimwerkern, Ingenieuren und Wissenschaftlern gleichermaßen beflügelt hat: 3D-Druck.
Beim 3D-Druck, der auch als additive Fertigung bezeichnet wird, wird ein 3D-Computermodell Schicht für Schicht in ein physisches Objekt umgewandelt, ähnlich wie beim Zuckerguss auf einem Kuchen. Ananikovs Team nutzt diese Technologie, um maßgeschneiderte chemische Reaktoren innerhalb weniger Tage herzustellen, anstatt Wochen oder länger auf die Herstellung und Lieferung durch einen externen Anbieter zu warten. Noch wichtiger ist, dass die Kosten für den 3D-Druck von Kunststoff so niedrig sind, dass die Gruppe es sich leisten kann, die Geräte als Verbrauchsmaterial zu behandeln, das einmal verwendet und dann weggeworfen wird, ohne dass eine Reinigung erforderlich ist. Für Forschungslabors, die sich mit interdisziplinären Projekten befassen“, sagt Ananikov, „ist der 3D-Druck heutzutage eine Art Standardwerkzeug.“
3D-Drucker wurden von Mitgliedern der „Maker-Kultur“ für die Ausbildung und die Herstellung innovativer Objekte weithin angenommen. Aber auch in wissenschaftlichen Labors werden sie zunehmend zur Standardausrüstung. Forscher können mit ihnen kaputte Geräteteile ersetzen, individuelle Probenhalter bauen und alles von biologischen Molekülen bis zu ölhaltigem Gestein modellieren. Und Kliniker können sie zur Herstellung von Implantaten und Lehrmodellen verwenden.
Objekte können mit verschiedenen Technologien in 3D gedruckt werden, aber eine der am weitesten verbreiteten ist die Fused-Filament-Fabrication (FFF), auch Fused-Deposition-Modeling genannt. Bei FFF-Druckern wird ein schmales, farbiges Filament – in der Regel ein Kunststoffdraht – erhitzt und extrudiert, wodurch Schicht für Schicht eine Form entsteht. Im Gegensatz dazu verwenden ältere Stereolithografie-Drucker einen Tank mit flüssigem, lichtaktiviertem Harz, das mit einem Laser zu präzisen Formen gehärtet wird. FFF-Drucker produzieren in der Regel weniger detaillierte Objekte als Stereolithographie-Drucker, sind aber einfacher und billiger in der Anwendung.
Kommerzielle FFF-Drucker können für Hunderte bis Tausende von Dollar erworben werden. Oder Forscher können die Hardware mit Bausätzen oder Entwürfen aus dem Open-Source-Projekt RepRap für nur ein paar hundert Dollar selbst bauen.
3D-Druck ist nicht neu: Stereolithographie-Drucker gibt es seit den 1980er Jahren. Aber sinkende Preise haben die Technologie weithin verfügbar gemacht. Im Folgenden werden vier Möglichkeiten vorgestellt, wie Forscher den 3D-Druck genutzt haben.
Ausrüstung für unterwegs
Julian Stirling, Physiker an der University of Bath, UK, gehört zu einem Team, das Lichtmikroskope entwickelt hat, die mit 3D-gedruckten Kunststoffteilen hergestellt werden können. Die Idee ist, diese Mikroskope vor Ort in Tansania zu bauen und sie zur Diagnose von Malaria einzusetzen, indem sie nach Parasiten im Blut suchen. In Tansania mangelt es an qualifizierten Mechanikern und einheimischen Bauteilen für die Reparatur wissenschaftlicher Geräte, sagt er, und der Import von Bauteilen kann teuer und zeitaufwändig sein. Durch den 3D-Druck von Teilen können lokale Ärzte und Wissenschaftler ihre Mikroskope schneller und kostengünstiger reparieren. Ein lokales Unternehmen in Tansania hat sogar FFF-Drucker aus Elektronikschrott und anderen lokalen Materialien hergestellt, fügt er hinzu.
Auf verschiedenen Websites, darunter Thingiverse und MyMiniFactory, finden Wissenschaftler Foren, in denen sie Computermodelle von druckbaren Komponenten austauschen können. Nach Stirlings Erfahrung sind die Modelle auf diesen Websites jedoch oft unvollständig, da ihnen entweder die Dokumentation für ein bestimmtes Projekt oder wichtige Dateien für die Modifizierung der Entwürfe fehlen. Deshalb erstellt sein Team seine Modelle von Grund auf neu, mit einer Open-Source-Programmiersprache namens OpenSCAD. Ihre Mikroskope können bis auf die Kamera, die Motoren und die Linsen vollständig in 3D gedruckt werden.
Beim 3D-Druck kann man leicht Fehler machen, sagt Stirling. Aber da die Technologie schnell und kostengünstig ist, ist es einfach, Entwürfe zu wiederholen. „Diese Erfahrung kann nur durch Versuch und Irrtum gesammelt werden“, sagt er.
Die Praxis hat Stirling gelehrt, dass es einen großen Unterschied zwischen der Verwendung eines 3D-Druckers im Labor und der Verwendung im Feld gibt. Der 3D-Druck von Kunststofffilamenten im feuchten Klima Tansanias ist in der Regel schwieriger als in einem klimatisierten Labor, da die Feuchtigkeit das Kunststofffilament beeinträchtigt, was zu mehr misslungenen Drucken führt. Außerdem sind Stromausfälle keine Seltenheit, und nur einige Drucker können den Druck eines halbfertigen Objekts fortsetzen, wenn die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Stirling und sein Team können nicht viel gegen das Klima tun, aber sie verwenden unterbrechungsfreie Stromversorgungen, um sicherzustellen, dass ihre Druckaufträge bis zur Fertigstellung laufen, sagt er.
Lebensechte Organe
Ahmed Ghazi, ein urologischer Chirurg am University of Rochester Medical Center in New York, verwendet den 3D-Druck, um nicht funktionierende menschliche Organe zu erstellen, die Chirurgen für robotergestützte Operationen verwenden können. Bei relativ einfachen Eingriffen, wie der Entfernung einer Milz, besteht kaum Bedarf für solche Übungen. Bei komplexeren Eingriffen, wie der Entfernung eines Tumors, können die Ergebnisse von Patient zu Patient sehr unterschiedlich ausfallen. Ghazi stellt fest: „Tumore stehen nicht in Lehrbüchern.“
Ghazi beginnt mit computergestützten 3D-Tomografiescans des Gewebes des Patienten und gibt die Daten dann in die kommerzielle medizinische Modellierungssoftware Mimics von Materialise in Leuven, Belgien, und in Meshmixer, ein kostenloses Tool von Autodesk in San Rafael, Kalifornien, ein, um 3D-Modelle zu erstellen. Anschließend druckt er diese Modelle mit einem FFF-Drucker als hohle Kunststoffformen aus, fügt Nachbildungen von Blutgefäßen ein, die an eine Kunstblutpumpe angeschlossen werden, und injiziert in die Form ein Hydrogel, das sich zu einem Objekt mit organähnlicher Steifigkeit verfestigt. Die so entstehenden Strukturen sind realistisch genug, dass die Chirurgen ihre Eingriffe mit realen Folgen, einschließlich Blutungen, üben können.
Ghazi sagt, dass er und sein Team diese Modelle für bis zu vier chirurgische Fälle pro Woche verwenden. Für jeden Fall erstellen sie zwei Kopien der Modelle und wählen die genaueste Darstellung aus. Außerdem schulen sie andere Ärzte darin, die Technologie in Bereichen wie der Herz- und Leberchirurgie anzuwenden. „Das ist definitiv etwas, das sich immer mehr durchsetzt“, sagt Ghazi.
Aber es gibt noch Unzulänglichkeiten. Die von FFF-Druckern hergestellten Formen weisen oft winzige Grate und Vertiefungen auf, sagt Ghazi. Solche Defekte sind oft zu klein, um sie mit bloßem Auge zu sehen, aber sie sind für die Roboterkamera deutlich sichtbar, was die Erfahrung des Chirurgen beeinträchtigen könnte. Ghazis Lösung besteht darin, eine Schicht Wachs bei Raumtemperatur auf die Innenseite der Form aufzutragen, die die Grate und Vertiefungen auffüllt und so das Endprodukt glättet. „
Gesteinsnachbildungen
Für Mehdi Ostadhassan, Erdölingenieur an der University of North Dakota in Grand Forks, ist der 3D-Druck ein Werkzeug, mit dem sich die Gewinnung von Öl und Gas aus Gestein optimieren lässt.
Ostadhassan druckt „Felsen“ mit Programmen wie OpenSCAD und der kommerziellen 3D-Software für computergestütztes Design AutoCAD (von Autodesk) in Kombination mit verschiedenen 3D-Druckern und Materialien. Diese Gesteinsmodelle haben realistische physikalische Eigenschaften, einschließlich winziger, detaillierter Poren, und Ostadhassan setzt sie unter physikalischen Stress, um besser zu verstehen, wie Flüssigkeit durch ihre realen Entsprechungen fließt.
Um die realistischsten Gesteine zu erzeugen, verwendet Ostadhassan verschiedene Druckverfahren, darunter die Binder-Jet-Technologie, bei der ein flüssiges Bindemittel Schicht für Schicht auf Gipspulver oder Quarzsand aufgetragen wird. Bei diesem Verfahren entstehen Objekte mit mechanischen Eigenschaften, die denen von echtem Gestein sehr ähnlich sind. Aber ungebundenes Pulver kann auch in den Poren stecken bleiben, sagt Ostadhassan, was die Qualität des Endprodukts mindert. Und bei einigen Experimenten muss er eine wasserabweisende Behandlung anwenden, um die richtige „Benetzbarkeit“ zu erreichen. Stereolithographie-Drucker sind besser in der Lage, Gesteine mit detaillierten Poren zu drucken, um die Untersuchung von Flüssigkeitsströmungseigenschaften zu ermöglichen, aber die von ihnen hergestellten Modelle sind nicht so stabil wie mit Bindemitteln gedruckte Gesteine.
Daher arbeitet Ostadhassan zusammen mit anderen Forschern an der Entwicklung eines maßgeschneiderten Druckers, der diese Poren und Risse nachahmen kann, aber dennoch Modelle mit der gleichen mechanischen Festigkeit wie echte Felsen produziert.
Schwermetall
Die heutigen 3D-Drucker können eine Reihe von Materialien ausgeben – aber nicht alle. „Das Material für den 3D-Druck ist sehr, sehr begrenzt“, sagt Yang Yang, Geschäftsführer von UniMaker in Shenzhen, China, das 3D-Drucker für wissenschaftliche Zwecke herstellt. Aber die Forschung in diesem Bereich ist intensiv, und es wird sich einiges ändern. Ein heißer Wachstumsbereich ist das Bioprinting, das zur Herstellung strukturierter biologischer Materialien eingesetzt wird. Jin-Ye Wang, biomedizinische Wissenschaftlerin an der Shanghai Jiao Tong University in China, berichtet, dass ihre Einrichtung ein solches Gerät für den Einsatz im Klassenzimmer erworben hat. Diese Bioprinter mischen Zellen und Hydrogele, um Strukturen wie Knochen und Tumormodelle herzustellen.
Ein weiterer Wachstumsbereich, so Yang, sind Metalle. Metalldrucker verwenden einen Elektronenstrahl oder einen Laser, um Metallpulver in bestimmten Mustern zu schmelzen. Jeremy Bourhill, Physiker an der University of Western Australia in Perth, der sich mit dunkler Materie befasst, untersucht den Einsatz von laserbasierten 3D-Metalldruckern, um ein Netz aus supraleitendem Niob herzustellen. Dies könnte dazu dienen, starke Magnetfelder zu blockieren, die den Nachweis dunkler Materie stören würden, so Bourhill.
Bei einer herkömmlichen maschinellen Bearbeitung zur Herstellung des Netzes wären giftige Schmiermittel erforderlich, und es würde eine beträchtliche Menge Niob verschwendet, das teuer ist. Deshalb verwendet Bourhills Team Hochleistungslaser, um Querschnitte von Metallpulver zu schmelzen und miteinander zu verschmelzen. Da der Schmelzpunkt von Niob jedoch bei etwa 2.500 °C liegt, erfordert das Verfahren beträchtliche Mengen an Energie. „Niob ist ein wirklich zähes Material“, sagt Bourhill.
Es gab eine Zeit, in der Forscher wie Bourhill in ihren Möglichkeiten eingeschränkt waren. Doch mit der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D-Druckern hat sich ein grundlegender Wandel vollzogen, sagt Yusheng Shi, Werkstoffingenieur an der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China: Der 3D-Druck ermöglicht eine personalisierte Fertigung, die die zentralisierte Fertigung verdrängt. Wie diese Beispiele zeigen, haben die Forscher gerade erst an der Oberfläche dessen gekratzt, was sie mit dieser Leistung erreichen können.