Ist die 3D-Druck-Revolution endlich da?

Nori-Ziegel, die erstmals 1887 in der Stadt Accrington in Lancashire gebrannt wurden, wurden schnell legendär, da sie der härteste Ziegel waren, der jemals hergestellt wurde. Ihre Stärke, die auf den chemischen Eigenschaften des lokalen Tons beruht, ermöglichte die Entstehung von Megastrukturen auf der ganzen Welt, darunter der Blackpool Tower im Jahr 1894 und das Empire State Building in New York im Jahr 1930. Ihr Name soll eine Verwechslung gewesen sein als sie „Eisen“ auf den Schornstein des Werks schreiben wollten.

In diesem Jahr soll ein anderes, wenn auch ebenso bahnbrechendes Baumaterial die Aufmerksamkeit auf die Stadt lenken, die 20 Meilen nördlich von Manchester liegt und deren jüngster Anspruch auf Berühmtheit 1989 in einer Werbung für Milch verunglimpft wurde. In der Charter Street, auf einem stillgelegten Grundstück im Besitz der Gemeinde, ist der Bau von 46 Netto-CO2-freien Häusern geplant, von Einzimmerwohnungen bis hin zu Vierbetthäusern, die alle von einkommensschwachen Familien oder Militärveteranen bewohnt werden . Die Häuser werden nicht aus Nori-Ziegeln, sondern aus 3D-extrudiertem Beton gebaut. Wenn die Entwicklung abgeschlossen ist, möglicherweise Ende 2023, wird es der größte gedruckte Gebäudekomplex in Europa sein.

„Mein Großvater hat tatsächlich in der Ziegelfabrik gearbeitet“, sagt Scott Moon, geboren und aufgewachsen in Accrington, dessen Firma Building for Humanity hinter dem Charter Street-Projekt steht. „Als ich jung war, hat er mich nachts immer dorthin mitgenommen, und ich bin auf der Ladefläche des Gabelstaplers mitgefahren. Gott segne ihn also, wenn er uns jetzt sehen könnte, wie wir gerade dabei sind, in Accrington Betondruckereien zu eröffnen …“

Sie erinnern sich an den 3D-Druck – auch bekannt als additive Fertigung – oder? Sie haben wahrscheinlich um das Jahr 2012 einen Artikel gelesen, in dem vorhergesagt wurde, dass bald jedes Haus einen 3D-Drucker haben würde, den wir für alle möglichen genialen Aufgaben nutzen würden. Okay, das ist nicht passiert. „Niemand wird Ersatzteile für seine Waschmaschine herstellen, wenn sie kaputt geht“, sagt Richard Hague, Professor für additive Fertigung an der University of Nottingham. „Die Leute basteln Griffe für ihre Töpfe, wenn sie sie abgeben? Das wird niemand machen, und Sie wären sauer, wenn Sie es täten. Sie können einfach schneller Sachen bei Amazon bestellen und sie am nächsten Tag geliefert bekommen.“

Doch auch wenn die Nutzung von 3D-Druckern zu Hause nicht zugenommen hat, hat sich die Technologie auf andere Weise heimlich in unser Leben eingeschlichen. Fast alle – über 99 % – kundenspezifische Hörgeräte werden mittlerweile aus Acrylharz in 3D gedruckt, und das schon seit Jahren. Die additive Fertigung ist in der Zahnheilkunde weit verbreitet: Zahnschienen, die zunehmend die herkömmlichen Drahtspangen ersetzen, wären ohne den 3D-Druck nahezu unmöglich. Adidas und Nike nutzen die Technologie in ihren Schuhen. In allen neuen Flugzeugen und in einer wachsenden Zahl von Autos gibt es 3D-gedruckte Teile.

„Was vor 10 Jahren geschah, als es diesen riesigen Hype gab, war, dass so viel Unsinn geschrieben wurde: ‚Mit diesen Maschinen druckst du alles! Das wird die Welt erobern!‘“, sagt Hague. „Aber es entwickelt sich jetzt zu einer wirklich ausgereiften Technologie, es ist eigentlich keine aufstrebende Technologie mehr. Sie wird von Unternehmen wie Rolls-Royce und General Electric weithin implementiert, und wir arbeiten mit AstraZeneca, GSK, einer ganzen Reihe verschiedener Leute zusammen. Drucken.“ So etwas hätte zu Hause nie passieren können, aber es hat sich zu einer Multimilliarden-Dollar-Industrie entwickelt.“

Das ist keine Übertreibung: Laut Hubs, einem Marktplatz für Fertigungsdienstleistungen, wird sich die Größe des 3D-Druckmarkts bis 2026 fast verdreifachen und einen Wert von 44,5 Milliarden US-Dollar erreichen. Der Bau ist einer der Wachstumsbereiche. Im Jahr 2018 lebten eine französische Familie und ihre drei Kinder als erste Familie in einem 3D-gedruckten Haus. Der Druck des Bungalows mit vier Schlafzimmern in Nantes dauerte 54 Stunden und kostete 176.000 Pfund. In den Niederlanden, den USA und Dubai folgten ehrgeizigere Strukturen. Das Accrington-Projekt wurde durch die jüngsten Entwicklungen bei tragendem, druckbarem Beton ermöglicht, der eine gute Leistung erbringt, aber auch kostengünstig ist.

„Ganz, ganz einfach ausgedrückt: Sie haben eine Anlage, die vor Ort über der Stelle steht, an der das Haus entstehen soll“, erklärt Dr. Marchant van den Heever, ein Bauingenieur, der für Harcourt Technologies (HTL) in Dublin arbeitet und den Bau durchführt Partner von Building for Humanity beim Charter Street-Projekt. „Und Sie haben ein Materialzuführungssystem. Sie mischen also Beton, den Sie in den Druckkopf einspeisen. Und im Wesentlichen ist dieser Druckkopf wie eine riesige Kuchenglasurmaschine, die Beton extrudiert, eines der robustesten Materialien der Welt.“

„Wenn Sie sich ein Buch vorstellen, ist jede Seite im Buch eine Betonschicht“, fügt van den Heever hinzu, „und diese aufeinanderfolgenden Schichten stapeln sich übereinander und bilden so Ihren Überbau.“

Die Kuchen-Analogie ist hilfreich. Frühe 3D-Konstruktionsprojekte haben typischerweise ein geripptes Michelin-Männchen-Äußeres, wie die paspelierte Oberfläche einer überstürzten Showstopper-Herausforderung bei Bake Off. Aber die Verfeinerung des Finishs verbessert sich schnell und elegante 3D-gedruckte Gebäude erscheinen mittlerweile oft in Artikeln für Design-Websites wie Dezeen und Architectural Digest. Aber was Unternehmen wie Building for Humanity und HTL wirklich begeistert, sind die potenziellen Einsparungen und Effizienzsteigerungen, die die neue Technologie bietet. Charter Street hat ein geplantes Budget von 6 Millionen Pfund, was einer geschätzten Kostenreduzierung von 25 % gegenüber vergleichbaren Bauten entspricht. Es soll aus nachhaltigen, oft recycelten Materialien hergestellt werden, und zwar hoffentlich in der Hälfte der Bauzeit – 101 Arbeitstage statt mehr als 12 Monaten.

„Von Anfang an kostenwettbewerbsfähig zu sein, ist für eine aufstrebende Technologie völlig ungewöhnlich“, sagt Justin Kinsella, ein Architekt, der Harcourt Architects vor 20 Jahren gründete und seinen ersten Ausflug in den 3D-gedruckten Gebäudebereich unternimmt. „Wir freuen uns einfach, dass die Leute tatsächlich vor Ort sind, die Tür zuschlagen, die Wand wackelt nicht. Treten Sie gegen die Wand, die bewegt sich nicht. Das Dach ist da. Schalten Sie das Licht an, das ist der Beweis, und die Leute werden es tun.“ dann, denke ich, werden Sie darüber erstaunt sein.“

Erstmals beschrieben in Während in den 1950er Jahren das Science-Fiction-Schreiben begann, wurde der 3D-Druck in den 1980er Jahren zu einer sehr grundlegenden Realität. Die Grundprinzipien sind bis heute dieselben: Ein Objekt entsteht Schicht für Schicht – also additiv – von Grund auf. (Stellen Sie sich vor, dass sich Sedimentgestein sehr, sehr schnell bildet.) Dies könnte durch physikalisches Extrudieren eines Materials geschehen, wie beim Bauprojekt in Accrington, oder es könnten computergesteuerte Laserstrahlen sein, die Schichten erzeugen, die bis zu 100 Meter lang sein können ein menschliches Haar, durch Schmelzen von Pulvern aus Metall, Kunststoff oder anderen Materialien. Einer der großen, unmittelbaren Vorteile der additiven Fertigung besteht darin, dass Sie nur das drucken, was Sie benötigen. Dies steht im Gegensatz zum Bearbeiten beispielsweise eines Metallklumpens, bei dem Sie möglicherweise den größten Teil davon herausschneiden, der dann verschwendet wird oder recycelt werden muss.

In den Anfangsjahren war der 3D-Druck jedoch teuer, langsam und anfällig für Ausrutscher. Erst vor kurzem wurde die Technologie entwickelt, um einige dieser Mängel zu beheben. Außerdem ist man sich klar darüber im Klaren, dass der 3D-Druck kein Allheilmittel sein wird. „Ich komme vielleicht wie ein enthusiastisches Kind rüber und bin wirklich enthusiastisch“, sagt Hague. „Aber ich bin sehr realistisch, wenn es darum geht, was getan werden kann und was nicht. Deshalb werden Sie nicht alles mit Additiven machen.“

Einer der spannendsten Bereiche vor einem Jahrzehnt war die Idee des 3D-Drucks von Lebensmitteln. In dieser Zukunftsvision würden wir zum Frühstück zu einem frisch bedruckten Croissant kommen oder etwas Teig in die Maschine geben, ein paar Knöpfe drücken und wieder zu „hausgemachten“ Ravioli zurückkehren. Die neuen Produkte würden auch eine der großen Herausforderungen unserer Zeit angehen – nämlich die Tatsache, dass ein Drittel der weltweit produzierten Lebensmittel, etwa 1,3 Milliarden Tonnen, verschwendet werden.

Es war diese Statistik, die die 26-jährige Elzelinde van Doleweerd, eine Absolventin des Industriedesigns an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden, auf dieses Gebiet brachte. Sie begann mit Brot, Obst und Gemüse zu experimentieren, den am häufigsten verdorbenen Nahrungsmitteln in Nordeuropa, um herauszufinden, ob man ihnen ein zweites Leben geben könnte, indem man sie dehydrierte und sie in schöne Formen verwandelte. Dies führte 2021 zu einer sechsmonatigen Platzierung in der Testküche des Kopenhagener Restaurants Alchemist, das derzeit auf Platz 18 der 50-Bestenliste der Welt steht.

Am Ende ihrer Tätigkeit bei Alchemist hatte van Doleweerd ein „Tartelette“ aus Rote-Bete-Karotten verfeinert, das auf 3D-gedruckten Blütenblättern aus Chitosan, einem Zucker, der aus der Außenhaut von Schalentieren gewonnen wird, serviert und mit essbaren Blüten garniert wurde. Es sieht umwerfend aus – „Es ist eine gute Stimmung!“ bestätigt van Doleweerd – hat es aber noch nicht auf die Speisekarte des Alchemist geschafft, weil es schwierig ist, es bei jedem Gottesdienst unter Druck herzustellen.

Für van Doleweerd, der jetzt im Lebensmittellabor des Restaurant De Nieuwe Winkel in den Niederlanden arbeitet, das zum weltweit besten Restaurant auf pflanzlicher Basis gekürt wurde, ist es schwer, sich vorzustellen, dass 3D-gedruckte Lebensmittel bald den Mainstream erreichen. „Ich denke, es ist ziemlich spezialisiert“, räumt sie ein. „Die neueste Entwicklung, die wir im Lebensmittel- und Hausmannskostbereich sehen, ist, dass es nicht so viel Zeit in Anspruch nehmen sollte und wir wollen nicht so viel Mühe hineinstecken. Wenn wir vielleicht eine großartige Entwicklung haben, bei der Sie einfach anfangen können, mit Ihrem Drucker zu sprechen, Zum Beispiel, wenn du aus dem Bett stehst: „Bitte bereite mir das Frühstück vor!“ Wir werden sehen, aber ich glaube noch nicht wirklich daran.

Wo der 3D-Druck zu florieren scheint, liegt laut Hague in der Individualisierung und im Leichtbau. „Man kann superkomplexe Geometrien erstellen, die auf andere Weise einfach nicht möglich sind“, sagt er. Ein Unternehmen, das sich die geometrische Freiheit dieser Technologie zunutze macht, ist Czinger, der in Los Angeles ansässige Automobilhersteller. Derzeit bietet Czinger nur ein Modell an, den 21C, aber er ist ein Hingucker: ein Hypercar mit einer Höchstgeschwindigkeit von 253 Meilen pro Stunde, einer 0-60-Zeit von unter 2 Sekunden und einem Preis von 2 Millionen US-Dollar. Teile von Autos – insbesondere Prototypenteile – werden schon seit einiger Zeit in 3D gedruckt, aber das 21C geht noch viel weiter. „Es ist überhaupt kein Auto“, schrieb Jack Rix, Herausgeber des BBC-Magazins Top Gear, in seiner Rezension des 21C, „es ist ein Demonstrationsmodell dafür, was mit digitalem Design und 3D-Druck möglich ist.“

Czinger ist der Name und die Vision seiner Gründer, Vater Kevin Czinger und seines Sohnes Lukas, 28. Ihr Unternehmen hat mehr als 150 Mitarbeiter und sie wurden von Ferrari- und F1-Teams, aber auch von Apple und SpaceX rekrutiert.

„Wir lieben beide das Autofahren, wir wollten beide ein Auto bauen, das uns den Atem rauben würde“, erklärt Lukas Czinger in einem Videoanruf um 7 Uhr morgens (für ihn). „Und wenn ich dieses Auto auf der Strecke habe, fühlt es sich an wie nichts, was ich jemals gefahren bin, nichts, was mein Vater jemals gefahren ist, der Abtrieb, die Sitzposition, die pure Kraft. Es ist alles, wovon wir geträumt haben. Es ist im besten Sinne wild.“ . Es ist wie im Cockpit eines Kampfjets, aber anstatt in der Luft zu sein, ist man irgendwie immer noch auf dem Boden verankert. Man versteht die Physik nicht mehr ganz.“

Sie fragen sich vielleicht, welche Bedeutung ein 2-Millionen-Dollar-Hyperauto für alles in der realen Welt hat. Aber Czinger fertigt Teile für mindestens acht weitere Mainstream-Automobilmarken – die einzige, die sie derzeit nennen dürfen, ist Aston Martin. 3D-gedruckte Teile können leichter, aerodynamischer und möglicherweise stärker sein, argumentiert Lukas Czinger, und alle diese Entwicklungen haben einen potenziellen Nutzen für die Umwelt, da Autos kraftstoffeffizienter werden. „In den nächsten fünf Jahren wird man es in Alltagsautos sehen“, prognostiziert er. „Und in den nächsten 10 Jahren werden Sie im Grunde erleben, wie es den Großteil des Gießens, Extrudierens und Stanzens ersetzt. Also ja, ich bin fest davon überzeugt, dass es die Zukunft ist.“

Ich frage Rix von Top Gear, ob er Czingers Behauptung folgt, dass der 21C ein „historisch bedeutsames Fahrzeug“ sei, das die Automobilindustrie grundlegend verändern werde. „Jeder Autohersteller ist ständig auf der Suche nach Verbesserungen bei der Verpackung, Gewichtsreduzierung und Kraftstoffeffizienz, sucht aber auch nach Möglichkeiten, seine Autos qualitativ hochwertiger und kostengünstiger zu bauen“, antwortet Rix. „Czinger behauptet, all diese Probleme auf einen Schlag gelöst zu haben.“ Wie einflussreich diese Technologie sein wird: „Es ist nur eine Frage der Zeit, bis alle neuen Autos über 3D-gedruckte Teile verfügen.“

Wir waren natürlich schon einmal hier: 3D-Druck wird die Welt retten! Warum also jetzt glauben?Es wächst Ein Beweis dafür, dass der Hype dieses Mal vielleicht nicht übertrieben ist. Nicht alle dieser Entwicklungen werden unser Leben unmittelbar berühren. Die NASA und alle Weltraumforschungsunternehmen nutzen bereits additive Verfahren, um Teile für ihre Raketen herzustellen. Sie untersuchen aber auch die Herausforderungen, die sich nach der Landung auf dem Mond oder Mars ergeben. Sie werden nicht in der Lage sein, alle Ressourcen mit sich zu führen, also müssen sie Methoden für den Bau und die Bereitstellung von Nahrungsmitteln finden: vielleicht mithilfe der gerichteten Energie der Sonne und der Materialien, die sie auf der Erde finden. Die NASA finanziert ein Projekt, das sich mit der Wiederverwertung von Urin, Fäkalien und Atem von Astronauten auf langen Reisen befasst, um Lebensmittel und Kunststoffe für den 3D-Druck herzustellen.

Aber wenn nicht schon geschehen, wird die additive Fertigung bald unser aller Leben berühren – und vielleicht sogar verlängern. Das amerikanische Unternehmen Stryker nutzt den 3D-Druck, um komplexe orthopädische Implantate herzustellen, die sonst nicht möglich wären. In den USA wurde letztes Jahr das Ohr einer Frau mit einem Implantat aus 3D-gedrucktem lebendem Gewebe rekonstruiert. Auf einer Konferenz in San Diego im vergangenen Sommer wurde ein menschliches Lungengerüst vorgestellt, möglicherweise das komplizierteste Objekt, das jemals mithilfe der additiven Fertigung hergestellt wurde.

Richard Hague von der University of Nottingham arbeitet derzeit mit GSK und AstraZeneca am 3D-Druck von „Biopillen“ – mehreren Medikamenten in einer einzigen Pille, die auf jeden Patienten zugeschnitten sind, was die Einnahme und Einnahme von Medikamenten, insbesondere für ältere Menschen, erheblich vereinfachen wird Menschen. „Compliance ist ein riesiges Problem: Es gibt all diese Medikamente, aber die Leute nehmen sie einfach nicht“, sagt Hague. „Das sind enorme potenzielle Vorteile, die die Menschen verstehen können.“

Hier wird das Versprechen des 3D-Drucks unwiderstehlich – wenn die Technologie das Leben eindeutig einfacher oder besser macht, ohne dass zusätzliche Kosten für den Verbraucher entstehen. In Accrington möchte Building for Humanity Menschen auf die Wohnraumleiter bringen, die es sich sonst nie leisten könnten. Eines der Häuser ist für Mark Harrison, 44, reserviert, einen Veteranen aus der Stadt, der 2001 nach zwei Einsätzen in Bosnien aus medizinischen Gründen aus der Armee entlassen wurde und bei dem später eine posttraumatische Belastungsstörung diagnostiziert wurde.

Harrison schätzt, dass er in den letzten 20 Jahren in 20 Häusern gelebt hat, hofft jedoch, dass die Charter Street ihm und seinen drei Kindern Stabilität bietet. Außerdem wird er von der HTL im Umgang mit den Druckmaschinen geschult – er könnte einen neuen Job haben und beim Bau seines neuen Zuhauses mithelfen.

„All die Jahre habe ich eine Therapie gemacht und gebe mein Bestes, um weiterzumachen und besser zu werden“, sagt Harrison. „Das Haus wäre das Tüpfelchen auf dem i. Es gibt mir einen Ort, an dem ich Wurzeln schlagen kann: etwas für die Zukunft meiner Kinder und für mich, länger als zwei Minuten am selben Ort zu bleiben. Es war schwierig, aber ja.“ , es ist eine unglaubliche Chance. Es scheint einfach, als hätte endlich alles seinen Platz gefunden.“

Die Bildunterschrift zum endgültigen Bild wurde am 13. März 2023 korrigiert