Zurück zu den Suchergebnissen

Fallstudien aus dem Bildungsbereich

3D-Druck sorgt für praktische Lernerfahrungen und eine bessere Zukunft

Mit 3D-Druck können Entwickler von heute und Wissenschaftler, Ingenieure und Designer von morgen in Laboren und Unterrichtsräumen die Herausforderungen unserer Welt angehen.

Prof. Zollikofer und der Objet 3D-Drucker

Kürzlich untersuchte das Anthropologische Institut der Universität Zürich die Größe eines Neandertaler-Gehirns bei der Geburt (anhand von ca. 50.000 Jahre alten Fossilien) und erhielt dabei neue Einblicke in die Entwicklung des Menschen. Anhand der Überreste zweier neugeborener Babys aus der Mesmaiskaja-Höhle (Krim, Russland) und zweier Säuglinge aus der Dederiyeh-Höhle (Syrien) konnten Prof. Dr. Christoph P. E. Zollikofer und sein Team neue Einblicke in die ‘Geburt der Neandertaler’, das Gehirnwachstum ihres Gehirns und die menschliche Evolution gewinnen. Diese bemerkenswerten Erkenntnisse wurden mithilfe computergestützter Rekonstruktionstechniken an einem fragmentarisch erhaltenen (von Dorothy Garrod in den frühen 30er-Jahren entdeckten) weiblichen Becken aus der Tabun-Höhle (Israel) weiterentwickelt. Mithilfe einer Simulation des gescannten Bildmaterials und der digitalen Einbettung der Überreste der Säuglinge in die ‘Frau aus Tabun’ gewannen Prof. Zollikofer und Dr. Marcia Ponce de Le’on neue Erkenntnisse über die weiblichen Neandertaler.

Bei den Forschungen des Anthropologischen Instituts der Universität Zürich kam die PolyJet™-Technologie von Objet zum Einsatz. Als stolze Besitzer eines Eden250™-3D-Drucksystems konnten Prof. Zollikofer und sein Team mithilfe von 3D-Modellen mehr über die Entwicklung der Gehirngröße bei Neandertalern in Erfahrung bringen.

Hochpräzises Drucken macht Objet zur einzigen Lösung

Becken der Frau aus Tabun mit Mesmaiskaja

Prof. Zollikofer konnte sich bereits 2005 an der Universität Tokio mit dem Objet-System vertraut machen. Prof. Gen Suwa vom Universitätsmuseum, das über ein Eden™-System verfügt, zeigte Prof. Zollikofer Vorteile des 3D-Drucks bei der anthropologischen Forschung. “Mir wurde klar, dass wir diese Technologie selbst benötigten. Die Vorteile lagen unmittelbar auf der Hand”, erinnert sich Prof. Zollikofer.

Damals verwendete das Team der Universität Tokio das System (mit Mikro-CT-Technologie), um die Zähne hominider Fossilien zu scannen und zu vergrößern. Auf diese Weise sollten die Zähne klassifiziert und deren Veränderung und Entwicklung aufgezeigt werden. “Diese ebenso direkte wie einfache Anwendung überzeugte uns, einen eigenen Objet für unser Institut anzuschaffen”, so Prof. Zollikofer. Obwohl andere Technologien verfügbar waren, war deutlich, dass Objet die Anforderungen am besten erfüllt. “Wir benötigen hochpräzise Teile, um die eigentlichen Fossilien genau nachbilden zu können. Im Rahmen der wissenschaftlichen Forschung dürfen wir uns mit nichts weniger als einer präzisen Nachbildung eines fossilen Skeletts zufrieden geben. Objet war die einzige Lösung, die uns derartige Möglichkeiten bot.”

Darüber hinaus kamen die von Objet verwendeten Kunststoffkartuschen dem Budget entgegen. “Wir verfügen häufig nur über eingeschränkte Budgets. Dank der Kartuschen können wir das Material je nach Bedarf erwerben und müssen keine größeren Investitionen tätigen, wenn wir das Material nicht benötigen”, bestätigt Prof. Zollikofer.

Mit dem Eden250 konnte Prof. Zollikofer die Gehirngröße bei der Geburt genauer bestimmen. ‘Dederiyeh 1’, das fossile Neandertalerskelett aus der Mesmaiskaja-Höhle in Russland, ist insofern einzigartig, als davon ausgegangen wird, dass der Säugling bereits im Alter von nur einer Woche starb. “Das Neandertalergehirn eines Säuglings galt als bemerkenswerte Entdeckung. Wir hatten nun die Möglichkeit, unsere Erkenntnisse abzugleichen und die Gehirnentwicklung in jenem Zeitalter besser zu verstehen. Bis zu diesem Fund verfügten wir lediglich über Gehirne etwas älterer Kleinkinder und konnten über die Beschaffenheit des Gehirns eines Neugeborenen nur spekulieren”, erläutert Prof. Zollikofer. Die Zahnstruktur, die Schädelgröße und die gemessene Größe des Gehirns ermöglichten umfassende Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Entwicklung des Neandertalergehirns. So erstaunlich diese Ergebnisse auch sein mögen, die Herausforderungen gehen diesem Forschungsbereich nie aus.

Drucken der Nachbildung eines fossilen Schädels

“Stellen Sie sich Hunderte von Puzzleteilen vor, die alle auf einer bestimmten Fläche rekonstruiert werden müssen. Ergänzen Sie dies um Jahre archäologischer Forschungsergebnisse und Veränderungen, die im Lauf der Zeit auftreten. Sie erhalten ein einziges riesiges Puzzle”, so Prof. Zollikofer. Gut gesagt. Die archäologischen Grabungen in der Dederiyeh-Höhle dauerten immerhin 15 Jahre, und das Zusammenfügen aller Schädelteile von “Dederiyeh 1” nahm weitere jahrelange Arbeit in Anspruch. Mit der von der Universität entwickelten Software ‘Form It’ konnte Prof. Zollikofer die verschiedenen Neandertalergehirne digital rekonstruieren, nachdem die Fossilien mithilfe einer Mikro-CT-Technologie gescannt wurden. “Nach der Rekonstruktion der Fossilien bestand die nächste Herausforderung darin, das Datenpuzzle zusammenzusetzen. Wir stellten fest, dass dies deutlich einfacher zu lösen ist, wenn wir die CT-Bilder der Teile mit dem Objet-System drucken”, so Prof. Zollikofer.

Objet wird nicht nur dafür verwendet, was im Institut als ‘Qualitätskontrolle’ bezeichnet wird: das Drucken der Teile, um das Fossilien richtig zusammenzusetzen. Eine weitere anthropologische Anwendung für Objet ist die sogenannte ‘Nichtinvasive Nachbildung’. Fossilien sind Schätze. Nach dem Auffinden werden sie mit der größtmöglichen Sorgfalt aufbewahrt, da sie einerseits unersetzlich und andererseits äußerst zerbrechlich sind. Nach dem Scannen der Fossilien druckt Prof. Zollikofer die Teile mit dem Objet-System, damit diese für die Silikonformung verwendet werden können. “Es ist unmöglich, einen zerbrechlichen fossilen Schädel abzuformen. Dafür ist er einfach zu kostbar. Dank der Scantechnologie lässt sich jedoch eine Nachbildung für die Fertigung der Silikonformen verwenden. Die hohe Präzision und Detailgenauigkeit von Objet ermöglichen eine perfekte Kopie des Originals. Dies macht es wiederum möglich, Experimente durchzuführen, die andernfalls undenkbar wären”, erläutert Prof. Zollikofer.

Neue Entdeckungen

Das ist jedoch nicht alles. Mit der Objet-Technologie lassen sich neue Erkenntnisse gewinnen. Die von Prof. Zollikofer als ‘reale Virtualität’ bezeichnete Scantechnologie kann dabei helfen, Erkenntnisse aus dem Knocheninneren zu gewinnen, die für das bloße Auge nicht sichtbar sind. Die Originalfossilien dürfen keinesfalls beschädigt werden, um den inneren Aufbau offen zu legen. Forscher können die Fossilien jedoch scannen und anschließend die äußeren Schichten digital entfernen. Durch das Drucken der Ergebnisse lassen sich neue Erkenntnisse gewinnen. Bei den von der Universität vorgenommenen Forschungen konnten sowohl die Zahnwurzeln als auch die Innenohrhöhlen dank dieser Technik genauer erforscht werden. Die Möglichkeit, das Modell vor dem Drucken zu vergrößern, sorgt für weitere Erkenntnisse und neue Ergebnisse.

Doch all diese Erkenntnisse bedeuten wenig, wenn sie der interessierten Öffentlichkeit nicht vorgeführt werden können. “Es mag trivial erscheinen, ist jedoch in der Tat von entscheidender Bedeutung”, kommentiert Prof. Zollikofer. “Objet-Nachbildungen der Fossilien können bei Ausstellungen und in Museen in aller Welt ausgestellt werden. Dies wäre mit dem Originalfossil aufgrund seiner Einzigartigkeit und Zerbrechlichkeit einfach unmöglich.”

Dank der Kommunikationsmöglichkeiten, der nichtinvasiven Nachbildungen, der ‘realen Virtualität’ und der Ausstellungen ermöglicht die Objet-Technologie mithilfe hochmoderner Technologien Anthropologen ein besseres Verständnis der Vergangenheit. “Objet ermöglichte uns mit der 3D-Drucktechnologie ein besseres Verständnis der Entwicklung des Gehirn bei den Neandertalern”, betont Prof. Zollikofer.

Weitere Projekte…

Was also wird die Zukunft bringen? Das Anthropologische Institut der Universität Zürich und Objet bereiten derzeit das nächste Projekt vor: Drucken der gesamten Funde von ‘Mesmaiskaja’ im Becken der ‘Frau aus Tabun’. “Das Einbetten aller Fossilien aus ‘Mesmaiskaja’ im Becken der ‘Frau aus Tabun’, um diese anschließend in 3D zu drucken, ist ein noch nie dagewesenes Unterfangen. Wir sind begeistert über dieses gemeinsame Projekt mit Objet und planen das Ergebnis in aller Welt auszustellen”, erläutert Prof. Zollikofer.

Stratasys Ltd. © 2015. All rights reserved. See stratasys.com/legal for trademark information.