Wie 3D-Modellierung und Visualisierung in verschiedenen Bereichen von Wissenschaft und Technik verwendet wird
Stellen Sie sich eine Tarnung vor, die einen Menschen fast unsichtbar macht. Oder Prothesen, die in Aussehen und im Gefühl echten Gliedmaßen identisch sind. Oder was ist mit Fenstern, die das Licht je nach Tageszeit in verschiedene Teile des Raumes lenken?
Diese Ideen mögen wie etwas aus der Science-Fiction erscheinen. Aber alle werden dank des Beitrags von 3D-Künstlern in Lebensbereichen möglich, die nicht direkt mit Kunst verbunden sind. Medizin, Ingenieurwesen, Architektur, Ökologie und Elektronik – all diese Bereiche verlassen sich zunehmend auf das Wissen und die Fähigkeiten von 3D-Spezialisten bei der Suche nach neuen Lösungen und Erfindungen.
Normalerweise sprechen wir über 3D im Kontext verschiedener Kunstformen: Videospiele, Skulptur, Design, Marketing. Heute werden wir es aus einer anderen Perspektive betrachten und erläutern, wie die Erfahrung von Künstlern im Bereich 3D der Wissenschaft hilft und unser tägliches Leben einfacher und besser macht.
Medizin
Wenn es um die Verwendung von 3D in medizinischen Anwendungen geht, ist der erste Gedanke oft 3D-Druck. Basierend auf speziell erstellten Modellen ist es heute möglich, nicht nur Prothesen für Hände oder Beine zu drucken, sondern auch beispielsweise für die Luftröhre oder sogar das Herz. Aber das ist bei weitem nicht die einzige Anwendung von dreidimensionalen Technologien im medizinischen Bereich.
Prothetik
Beginnen wir mit dem Offensichtlichen. Leider ist einer der Hauptnachteile der Prothetik ihre Kosten. Spezialisten fertigen Prothesen von Hand an, montieren sie, passen sie an den Patienten an und nehmen Änderungen nach der Anprobe vor. Millionen von Menschen weltweit benötigen Prothesen, aber die meisten erhalten sie nie, da weder Versicherungen noch persönliche Finanzen ausreichen, um die erforderlichen Kosten zu decken.In dieser Hinsicht ist der 3D-Druck buchstäblich eine Rettung für die meisten Patienten. Die Herstellung solcher Teile kostet deutlich weniger, und die Genauigkeit der Modellreproduktion übertrifft bei weitem die übliche Montagepräzision. Darüber hinaus sind diese Prothesen viel komfortabler zu tragen: Sie können für jeden einzelnen Benutzer maßgeschneidert werden, unter Berücksichtigung sowohl anatomischer Besonderheiten als auch ästhetischer Vorlieben. Dies ist besonders wertvoll im Fall von Kindern: Sie wachsen schnell aus alten Prothesen heraus, und der 3D-Druck ermöglicht es, ein Glied kostengünstig zu erneuern und den Prozess für das Kind von beängstigend zu faszinierend zu machen.
Das Projekt Exo Prosthetics von William Root befasst sich mit den Problemen der Prothetik, die mit Kosten, Tragekomfort und dem Stress der Ablehnung einer neuen Gliedmaße verbunden sind. Quelle
Übrigens, zur Ästhetik. Wenn es um den Ersatz einer Hand oder eines Beins geht, scheint es unwichtig zu sein, wie es aussehen wird. Aber gerade dieser kreative Aspekt der Prothetik ist sehr wichtig. Früher mussten die Menschen mit einer unnatürlich aussehenden robotischen Gliedmaße gehen. Heute kann eine Prothese völlig von einem echten Körperteil ununterscheidbar sein oder kann mit dekorativen Elementen nach Wahl des Trägers ergänzt werden. Diese ästhetische Möglichkeit der Anpassung ist gut, da sie Amputierten hilft, den psychologischen Stress des Tragens einer künstlichen Prothese zu überwinden und damit die Rehabilitationszeit zu beschleunigen.
Neben Prothesen ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung einer Alternative zu Gipsverbänden für Frakturen. Solch ein “3D-Gips” wird auf der Grundlage von Röntgendaten und Patientenscans erstellt. Dank der Besonderheiten der Materialien und der Herstellungsweise ist er leichter und passt perfekt zum Patienten in Form und Größe. Und generell ist es mit ihm einfacher, zum täglichen Leben zurückzukehren: Zum Beispiel kann man problemlos duschen gehen.
Im Jahr 2013 druckte der britische Designer Jake Evill den ersten 3D-Gips, Cortex Exoskeletal. Quelle
Praxis und Bildung
Selbst außerhalb der Patientenversorgung bringen dreidimensionale Modelle enorme Vorteile. Wissenschaftler reproduzieren oft echte Organe und drucken sie für Übungszwecke und Forschung. Zum Beispiel ermöglichen 3D-Modelle des Magen-Darm-Trakts, der Prostata oder des Herzens, die aus biologischem Material hergestellt sind, es dem Chirurgen, eine Operation präziser zu planen, indem eine Art Generalprobe durchgeführt wird.
Solche “Präparate” sind oft mit einer simulierten Blutversorgung oder Drucksensoren ausgestattet, um die Trainingsbedingungen so realistisch wie möglich zu gestalten. Die Arbeit des 3D-Künstlers besteht darin, einen bestimmten Körperteil unter Berücksichtigung aller möglichen Besonderheiten und Faktoren genau zu reproduzieren. Wenn ein Patient eine Anomalie aufweist, muss dies bei der Erstellung des Modells berücksichtigt werden. Dank solch genauer Prototypen verfeinern Ärzte ihre beruflichen Fähigkeiten. Auf solchen Modellen können auch Medizinstudenten ausgebildet oder sie zur detaillierten Erklärung einer bevorstehenden Operation an den Patienten verwendet werden.
Abseits der Bildungsfunktion ermöglichen 3D-Modelle medizinischen Wissenschaftlern, bestimmte Prozesse im Körper schneller und genauer zu studieren. So hat der 3D-Dienstleister Schiner 3D Repro einen speziellen Stratasys-Drucker entwickelt, der bestimmte Anomalien und Pathologien nachbilden kann. Die Wissenschaftler hatten somit die Möglichkeit, die Entwicklung verschiedener Krankheiten schneller und qualitativ hochwertiger zu verfolgen. Dies beschleunigte die Forschung im Kampf gegen Krebs und andere unheilbare Krankheiten und reduzierte die Anzahl der Tests an Menschen und Tieren.
Der 3D-Drucker Stratasys kann ultra-realistische Modelle von menschlichen Organen und biologischen Systemen erstellen, in denen die Entwicklung von Krankheiten oder Pathogenen simuliert werden kann. Quelle
Ökologie
3D-Technologien können nicht nur einzelnen Patienten, sondern auch dem Planeten helfen. Zu diesem Zweck werden sie oft von Ökologen verwendet, die Ergebnisse erzielen, die in 2D unmöglich wären. Neue Geräte und Methoden helfen dabei, bestimmte Lebensformen zu studieren oder zu schützen.
3D-Scanning
An der Spitze der dreidimensionalen Datenerfassung in der Ökologie stehen zwei Technologien: Computertomographie und terrestrisches Laserscanning. Dabei bevorzugen Wissenschaftler oft die zweite Methode: Im Gegensatz zu sperrigen stationären Tomographen ermöglicht ein 3D-Scanner die schnelle und qualitativ hochwertige Datenverarbeitung vor Ort in 10-15 Minuten.
Diese Technologien erleichtern erheblich die Messung großer pflanzlicher Strukturen wie Wälder. Traditionelle Forstökologie stützt sich auf ungefähre Daten: Höhe und Umfang der Bäume, zufällig ausgewählte Pflanzenproben. Mit 3D kommt Präzision in diesen Bereich und ein besseres Verständnis dafür, wie Wälder das Klima und das globale Ökosystem beeinflussen. Durch Laserscanning ist es möglich, ein dreidimensionales Modell der Bodentopographie zu erstellen und die möglichen Auswirkungen verschiedener natürlicher Katastrophen auf Flora und Fauna zu bewerten.
Beispiel eines 3D-Scans eines Waldstückes
Darüber hinaus werden solche präzisen Daten verwendet, um komplexe ökologische Beziehungen in einer kontrollierteren Umgebung zu studieren. Beispielsweise können Wissenschaftler das Verhalten von Bienen anhand eines dreidimensionalen Modells nachbilden und vorhersagen, was viel einfacher ist, als echte Bienen unter natürlichen Bedingungen zu beobachten.
3D–Druck
Neben dem Scannen kommt der 3D-Druck den Ökologen zu Hilfe. Dreidimensionale Drucke können zur Erstellung von Miniaturmodellen von Lebensräumen verwendet werden, die oft für weitere Forschungen genutzt werden. Viele natürliche Umgebungen und ihre Bewohner sind in Echtzeit recht schwierig zu studieren: Sie sind anfällig für äußere Eingriffe und es besteht die Gefahr, das Ökosystem zu beschädigen. Die Nachahmung natürlicher Bedingungen in Miniatur ist eine Alternative zu invasiven Feldstudien.
Gedruckte Riffe im Ozean verhalten sich genauso wie natürliche. Quelle
Dies hat mehrere Vorteile. Nehmen wir zum Beispiel Korallenriffe, die derzeit bedroht sind. Erstens beseitigt die Verwendung von 3D-Drucken von Riffen die Notwendigkeit, in eine bereits gefährdete Struktur einzugreifen. Zweitens zerfallen Korallen allmählich – in diesem Fall können 3D-Modelle verwendet werden, um tote Teile des Riffs zu ersetzen, wodurch das Ökosystem gesichert wird.
Ingenieurwesen
Im Jahr 2015 kündigte die NASA einen Wettbewerb für das beste Design eines 3D-gedruckten Lebensraums für das Leben auf dem Mars an. Ingenieure aus aller Welt begannen zu erschaffen. Eine der auffälligsten Teams waren Hassel, die in Zusammenarbeit mit EOC nicht nur die Möglichkeit des Lebens auf einem anderen Planeten, sondern auch den komfortablen Aufenthalt des Menschen außerhalb der Erde ins Zentrum rückten.
Das von ihnen vorgestellte Design bot den Astronauten ein gewisses Maß an Komfort und die Möglichkeit, sich auf einem fremden Planeten wie zu Hause zu fühlen. Hassel hatte sich zum Ziel gesetzt, die sicherste und funktionalste Station in der Geschichte der Raumforschung zu schaffen.
HASSELL + EOC präsentiert MARS HABITAT – Projekt einer menschlichen Lebensumgebung auf dem Mars von Hassel und EOC.
Das NASA-Projekt ist eines der bekanntesten in der 3D-Ingenieurwissenschaft, aber bei weitem nicht das einzige. Es wird verwendet, um Geräte für Simulation und Produktion herzustellen.
3D-Druck
Das Drucken von Teilen großer Projekte ist eine schnelle und kostengünstige Methode, um ein fertiges Design zu testen und notwendige Änderungen vorzunehmen. Beispielsweise werden vor dem Start eines Raumfahrzeugs viele Designvarianten erstellt. Jede davon wird auf Festigkeit und Funktionalität geprüft und die optimale ausgewählt. Dann wird es überarbeitet und erneut gedruckt, um eine weitere Reihe von Tests durchzuführen. Und selbst nachdem das Design vollständig entwickelt wurde, ermöglichen 3D-Technologien den Druck von Teilen für das Shuttle selbst, unter Verwendung geeigneter Materialien.
3D-Modell einer Raumfähre, veröffentlicht in den offenen Archiven der NASA. Quelle
Natürlich funktioniert dies nicht nur bei Raumfahrzeugen. 3D-Druck wird bei der Herstellung einer Vielzahl von Geräten verwendet, von Autos bis zu Mikrowellenherden. Moderne CAD-Systeme lösen Planungsprobleme und optimieren den Prozess der Arbeit an komplexen Mechanismen.
3D-Visualisierung
Die Arbeit mit dreidimensionalen Modellen erleichtert auch die Kommunikation mit dem Kunden. Spezielle Ausrüstung hilft Ingenieuren, ein Projekt ohne zusätzliche Kosten zu visualisieren und dem Kunden einfach zu erklären, wie das Gerät funktionieren wird. Dies reduziert die Endkosten des Produkts, da während seiner Erstellung keine zusätzlichen Kosten für die Herstellung physischer Modelle anfallen.
Design eine Kaffeemaschine von Siemens. Quelle
Nehmen wir an, ein Team von Ingenieuren arbeitet am Design einer Kaffeemaschine. Nach langer Entwicklung und kommen sie zu einem Ergebnis, die sie dem Kunden vorstelle. Und plötzlich stellt sich heraus, dass die Form des Trichters nicht ergonomisch genug ist: Der Benutzer wird mehr Kaffee verwenden, als nötig. Wenn eine echte Kaffeemaschine erstellt wurde, um das Design dem Kunden zu demonstrieren, muss sie auf das Regal “nicht akzeptiert” gestellt und ein neuer Trichter entwickelt werden. Im Falle eines 3D-Modells können alle erforderlichen Änderungen schnell und ohne viel Aufwand vorgenommen werden
Die Zukunft von 3D
Wie Sie sehen, geht es bei 3D nicht nur um Unterhaltung. Die Hauptvorteile von dreidimensionalen Technologien – ihre Verfügbarkeit, Genauigkeit und Variabilität – machen 3D zum idealen Werkzeug in den Händen vieler Profis. Kenntnisse auf diesem Gebiet helfen Wissenschaftlern, Ingenieuren, Architekten, Ärzten und vielen anderen Fachleuten täglich, die Welt zu einem besseren Ort zu machen.
Auf der Grundlage bestehender Methoden der dreidimensionalen Erfassung, Modellierung und des Drucks werden neue, noch perfektere Technologien entwickelt, von Voxel-Druck bis hin zu vierdimensionalen Technologien. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die nächste wichtige Entdeckung oder Erfindung genau dank 3D stattfindet.