3D printing: making things tangible and understandable

23.07.2013 von Corinna Bertz in Research, Science
Rod and sphere models are a thing of the past – 3D printing models are where it’s at. Scientists at Martin Luther University Halle-Wittenberg are also discovering the possibilities and value of using 3D printing in their research.
Dominik Schneider has “his” protein printed at 200 million times its original size (photo: Melanie Zimmermann)
Dominik Schneider has “his” protein printed at 200 million times its original size (photo: Melanie Zimmermann) (Foto: Melanie Zimmermann)


Graduate engineer Dominik Schneider is a research assistant at the Institute of Biochemistry and Biotechnology at MLU. He enlarged protein S from Myxococcus xanthus, which he is studying as part of his postdoc, to 200 million times its original size and had it printed. “I wanted to hold it in my hand,” is the protein researcher’s simple explanation.


3D simulations are now a normal part of his daily work. “There are structural models for a multitude of proteins that are stored in public databases. The graphic representation of these models greatly advances our understanding of the complex structures and the three-dimensional arrangements of proteins,” explains the 32 year old. “Modelling (“prototyping”) adds another quality: “The almost totally abstract world of numbers, formulas and charts is made tangible through modelling.”


Prof. Dr. Peter Wycisk, head of the field hydro and environmental geology at the Institute of Geosciences and Geography at MLU, has been grappling with 3D modelling for many years and agrees: “The objectification enables us to expand our thinking. It makes complex things visible from things that aren’t easily visible, thus also making them more accessible.”


Making complex issues tangible, understandable and accessible seems to be the main reason why scientists today are turning to printing such 3D models. “A three-dimensional model with the right proportions is great, but for research it is not essential,” says Schneider. However printing does make creating detailed models easier and theoretically allows anyone to produce something that is representable. “It also plays an educational role in science. I can use the model to show and explain to my grandmother what I’m doing. In this respect, technology can make science accessible to a larger audience.”


Written by Melanie Zimmermann

Halles Untergrund im gläsernen 3D-Modell.
Halles Untergrund im gläsernen 3D-Modell.
(Foto: Institut für Geowissenschaften)

Prof. Dr. Peter Wycisk, Leiter des Fachgebiets Hydro- und Umweltgeologie am Institut für Geowissenschaften und Geographie der MLU, der sich seit vielen Jahren mit 3D-Modellierung auseinandersetzt, sieht das ähnlich und möchte eine Lanze brechen für jeden Wissenschaftler, der sich an das Thema 3D-Druck heranwagt: „Die Vergegenständlichung ermöglicht ein Weiterdenken. Es ist ein komplexes Sichtbarmachen von nicht einfach Sichtbarem, und insofern auch ein Zugänglichmachen.“

Aus diesem Grund haben Wycisk und sein Team in Zusammenarbeit mit dem 3D-Labor der Technischen Universität Berlin bereits vor fünf Jahren eine komplexe 3D-Geologie-Untergrundstruktur eines einstigen Tagebaugebietes von Bitterfeld gedruckt. Dieser bis heute einzigartige Gips-Polymer-Farbdruck besteht aus acht komplexen, 25 mal 25 Zentimeter großen Schichten und bildet eine Fläche von 16 Quadratkilometern ab. „Die Modellierung diente der optimalen Erfassung der Grundwasserleiter, also der Grundwasserströmung und -ausbreitung. Das 3D-Modell stellt zudem ein Werkzeug zur Analyse und Prognose dar“, erklärt der Hydrogeologe.

Komplexe Sachverhalte (be)greifbar und zugänglich zu machen – das scheint derzeit noch der Hauptgrund für Wissenschaftler zu sein, 3D-Modelle drucken zu lassen. „Das dreidimensionale Modell mit den richtigen Proportionen ist eine tolle Sache, für die Erforschung meines Proteins und anderer Gegenstände aber nicht notwendig“, so Schneider. Das Drucken vereinfache die Erstellung von Modellen und mache es damit theoretisch jedem möglich, etwas Vorzeigbares produzieren zu lassen. „Für die Wissenschaft lässt sich das vor allem didaktisch nutzen. Ich könnte meiner Großmutter zeigen und erklären, was ich tue. Insofern kann die Technik einem größeren Publikum den Zugang zur Wissenschaft erleichtern.“

Mal eben 3D? Nee!

Während jedermann schon eifrig Blumenvasen, Haustierbüsten und Schmuck drucken lässt, verbreitet sich die wissenschaftliche Nutzung der Technik allerdings nur langsam. Das mag der Relation von Aufwand und Nutzen geschuldet sein. Denn obwohl Schneider für den Druck seines Proteins auf ein bereits vorhandenes Strukturmodell zurückgreifen konnte, dauerte es Monate, kostete etliche Versuche und nicht wenig Geld, bis ein erster Druck überhaupt zustande kam.

Eine Herausforderung stellten die Vielzahl und Kompatibilitäten der Programme dar. Nachdem es ihm gelungen war, eine Simulations-Datei zu erstellen, die sich in die 3D-Druck-Programme verschiedener Anbieter importieren ließ und er sich auf der Zielgeraden glaubte, sollte er an Material und Größe scheitern. „Man kann mittlerweile zwar zwischen etwa 20 verschiedenen Materialien wählen, aber nicht jedes taugt für jede Art von Modell. Insgesamt habe ich etwa ein Dutzend Druckaufträge ausgelöst, bevor sich überhaupt eine Material- und Größen-Konstellation als machbar und finanzierbar erwies“, berichtet der Ingenieur. „Man muss schon einen langen Atem haben.“

Das zeigte sich insbesondere auch an dem hochkomplexen Bitterfeld-Modell. Wycisk und seine Kollegen hatten über ein Jahr Arbeit damit, das möglichst genaue Strukturmodell für den Druck überhaupt erst einmal zu entwerfen. Und hätten sie nicht bereits Jahre vorausgearbeitet auf diesem Gebiet, hätte es weitaus länger gedauert. „Obwohl der 3D-Druck mittlerweile deutlich günstiger und die Materialauswahl sehr viel größer geworden ist, sind riesige Datenmengen und die Auswahl an Programmen noch immer ein Problem“, so Wycisk. Trotz aller Widrigkeiten glauben beide Wissenschaftler an das Potenzial und die Zukunftsfähigkeit des 3D-Drucks. „Mit der Möglichkeit, Titan als Druckmaterial zu verwenden, dürfte die Technik auch im Bereich der Medizin relevant werden“, vermutet Schneider. „Und wenn es der NASA tatsächlich gelingt, Pizzen zu drucken, kann Dr. Oetker einpacken!“ Text: Melanie Zimmermann

Einige 3D-Modelle aus dem Fachgebiet Hydro- und Umweltgeologie sind zurzeit in der Ausstellung "Blaue Grotte" zu sehen.

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