3D-Druck und Landwirtschaft: eine neue Perspektive in der Landwirtschaft

Die Landwirtschaft entwickelt sich ständig weiter. Im Laufe der Geschichte wurde die Branche durch technologische Fortschritte vorangetrieben, die vor allem die Produktivität steigerten und die Lebensmittelqualität verbesserten. Allerdings steht die Landwirtschaft vor neuen Herausforderungen wie dem Klimawandel oder der hohen Nachfrage nach Produkten. Deshalb ist die Suche nach innovativen Lösungen wichtiger denn je. Aktuelle Forschungen und Projekte legen nahe, dass die additive Fertigung eine relevante Technologie sein könnte. Um die Rolle des 3D-Drucks in der Landwirtschaft besser zu verstehen und zu verstehen, werden wir diese Synergie untersuchen. Obwohl es sich noch nicht um eine weit verbreitete Technologie in der landwirtschaftlichen Praxis handelt, eröffnen mehrere spezielle Anwendungen bereits die Tür zu neuen Möglichkeiten. Daher werden wir dieses Mal versuchen, die Vorteile zu verstehen, die die additive Fertigung für eine Praxis mit direkter Auswirkung wie die Imkerei mit sich bringt, und die Lücken, die noch geschlossen werden müssen.

Die Landwirtschaft ist eine Tätigkeit, die bereits vor dem Aufkommen von Wissenschaft und Schrift die Grundlage großer Zivilisationen bildete. Landwirtschaftliche Praktiken begleiten den Menschen seit etwa 12.000 Jahren und seit ihrer Entstehung hat die Landwirtschaft die Geschichte durch veränderte Lebensstile völlig verändert. Es ist bekannt, dass die Tätigkeit, eigene Lebensmittel anzubauen, zur Besiedlung führte, die wiederum zur Gründung einer Gesellschaft führte. Die Bedeutung der Landwirtschaft hat sich im Laufe der Jahrtausende nicht verändert, da sie eine strategische Aktivität für die autarke Entwicklung und den Wohlstand des Landes darstellt. Nach Angaben der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) arbeiten 1,23 Milliarden Menschen in der Agrar- und Ernährungswirtschaft. Die Daten sind Teil einer 2019 durchgeführten Studie, die auch zeigte, dass fast die Hälfte der Weltbevölkerung in Haushalten lebt, die an diese Agrar- und Ernährungssysteme angeschlossen sind.

Viele Jahrhunderte lang waren landwirtschaftliche Aufgaben tief in körperlicher Arbeit verwurzelt. Nach der Industriellen Revolution veränderten sich die landwirtschaftlichen Tätigkeiten durch die Einführung von Maschinen, die die Handarbeit vereinfachten, fast vollständig. Ab dem späten 19. Jahrhundert und im gesamten 20. Jahrhundert wurde der Einsatz von Maschinen wie Traktoren, Mähdreschern und Pflügen immer wichtiger. In den letzten Jahren hat die Landwirtschaft einen neuen Schritt in Richtung Integration der Informationstechnologie in ihre Aktivitäten gemacht, was den Begriff Agrartechnologie hervorgebracht hat. Letzteres entspricht dem Einsatz von Technologien wie Fahrzeugen, Drohnen, Satelliten, Robotern, Scannern, Computern, Software usw. zur Optimierung der landwirtschaftlichen Produktion. Deshalb werden wir uns diese Einführung ansehen, insbesondere den Einsatz der additiven Fertigung in der Landwirtschaft, und sehen, wie sie sich verändert.

Welche Einsatzmöglichkeiten bietet der 3D-Druck in der Landwirtschaft?

Wenn wir über die Anwendung des 3D-Drucks in der Landwirtschaft nachdenken, fallen uns Beispiele wie die Herstellung von Werkzeugen, Teilen oder der Einsatz in der Traktorenproduktion ein. Es gibt jedoch noch viele weitere Entwicklungen, Forschungsprojekte und praktische Anwendungen, die den 3D-Druck beinhalten. Zwar ist diese Technologie in der Landwirtschaft noch nicht so vollständig implementiert wie in der Medizin oder der Automobilindustrie, aber wir werden in diesem Artikel zeigen, dass sie in vollem Gange ist. Dazu beginnen wir mit den wichtigsten Anwendungen.

Maschinelle Fertigung durch additive Verfahren

Die additive Fertigung dominiert bereits die Automobil- und Transportindustrie, und ähnliche Anwendungen zeichnen sich auch im Landmaschinenbau ab. Beispielsweise nutzte der berühmte Hersteller John Deere im Jahr 2022 die additive Fertigung, um mehr als 4.000 Teile in einem Jahr zu produzieren. Dies ist der erste Schritt zur Implementierung der additiven Fertigung in seinem Kompetenzzentrum in Mannheim. Ein eher lokales Beispiel ist das spanische Unternehmen Teyme, das die Multi Jet Fusion-Technologie von HP zur Herstellung von Luftauslassadaptern, Luftblattpositionierern und anderen Komponenten nutzt. Diese Teile sind in den von ihm hergestellten Landmaschinen enthalten.

Entwicklung kundenspezifischer Tools

Mit dem 3D-Druck können schnell und kostengünstig Prototypen von Werkzeugen und Komponenten erstellt werden, die speziell auf die landwirtschaftlichen Bedürfnisse zugeschnitten sind. Beispielsweise können Maschinenteile und Bewässerungsgeräte an die spezifische Situation jedes Landwirts angepasst werden. Dabei kann es sich auch um Ersatzteile für bestimmte Maschinen handeln, etwa um Werkzeuge, die nicht mehr hergestellt werden, aber noch benötigt werden. Darüber hinaus werden durch die Produktion dieser Werkzeuge vor Ort Reise- und Wartezeiten der Landwirte vermieden, die die landwirtschaftlichen Aktivitäten unterbrechen können. Schließlich könnte die Demokratisierung der additiven Fertigung es sowohl kleinen als auch großen landwirtschaftlichen Betrieben ermöglichen, die Technologie zu nutzen und davon zu profitieren.

Herstellung von Sensoren und IoT-Geräten

Sensoren und Geräte für das Internet der Dinge (IoT) zur Überwachung von Faktoren wie Bodenbeschaffenheit, Luftfeuchtigkeit, Wind und Wetter können durch 3D-Druck realisiert werden. Sie werden in Smart-Farming-Systeme integriert, um die Entscheidungsfindung im Anbau zu verbessern.

Additive Fertigung von Drohnen und Robotern

Einige landwirtschaftliche Drohnen und Roboter wurden bereits in 3D gedruckt. Sie markieren einen wichtigen Meilenstein bei der Umsetzung der Automatisierungstechnik in diesem Bereich. In den letzten Jahren haben sich diese Geräte als geeignet erwiesen, Aufgaben wie die Pflanzenüberwachung, die Aussaat und die präzise Ausbringung von Düngemitteln und Pestiziden zu übernehmen. Soleon, ein italienisches Unternehmen, das sich auf Drohnenanwendungen und Drohnen spezialisiert hat, hat Soleon Dis-co mithilfe der additiven Fertigungsdienstleistungen von Materialise gegründet. Um das Problem des Maiszünslers zu lösen, einem Schädling, der die meisten Ernten vernichten kann, haben Soleon und Materialise ein Pestizidabgabesystem entwickelt. Sie schufen jedoch eine natürliche Lösung, indem sie die Eier von Trichogramma verwendeten, einer Wespe, die sich von Maiszünslern ernährt. In diesem Fall wurde die Drohne im SLS-Verfahren in PA12 gedruckt.

Herstellung biologisch abbaubarer Behälter für Saatgut und Setzlinge

Mithilfe des 3D-Drucks können auch biologisch abbaubare Behälter oder Töpfe für Samen oder Setzlinge hergestellt werden, was das Pflanzen erleichtert und die Umweltbelastung verringert.

Herstellung von Bewässerungskomponenten

Bewässerungssysteme können durch die Entwicklung spezifischer Komponenten für den 3D-Druck verbessert werden. Zum Beispiel Düsen und Anschlüsse, die die Wasserverteilung optimieren und Abfall reduzieren.

Additive Fertigung von Schädlingsbekämpfungsgeräten

Beginnend mit Insektenfallen kann die additive Fertigung spezifische Fallen für verschiedene Arten von Schädlingen entwerfen und herstellen. Diese Fallen können optimiert werden, um Insekten anzulocken und zu fangen. Als nächstes könnten wir Anwendungen in Geräten zur Freisetzung von Pheromonen finden, bei denen es sich um Chemikalien handelt, die dazu dienen, Insekten anzulocken oder abzuwehren. Sie können per 3D-Druck hergestellt werden und sollen die Ausbreitung steuern.

horizontale Kultur

Eine weitere Anwendung der additiven Fertigung ist die Produktion horizontaler Pflanzen auf kleinem Raum. Das italienische Unternehmen Hexagro ist Spezialist für diese Anwendung. Mithilfe eines 3D-Druckverfahrens entstehen modulare und anpassbare Strukturen, die an die spezifischen Bedürfnisse jedes Raums und jeder Kultur angepasst werden können. Dazu gehört die Herstellung von Bewässerungswannen, -gestellen und -kanälen, deren Designs für das Pflanzenwachstum und ein effizientes Wasser- und Nährstoffmanagement optimiert sind. Die Fähigkeit, kundenspezifische Komponenten schnell herzustellen, reduziert Kosten und Entwicklungszeit erheblich, sodass Hexagro seine Implantatsysteme kontinuierlich weiterentwickeln und verbessern kann.

Wissenschaftliche Forschung und die Rolle des 3D-Drucks

Die Forschung im Agrarbereich hat in den letzten Jahren eine bedeutende Entwicklung durchgemacht, angetrieben durch technologische Fortschritte, die traditionelle Praktiken neu definiert haben. Unter diesen Innovationen scheint der 3D-Druck ein revolutionäres Werkzeug zu sein, das zur Definition der modernen Landwirtschaft beitragen könnte. Die Integration von additiver Fertigung und Landwirtschaft dürfte eine neue Ära des Anbaus und der Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Ressourcen einläuten.

Fortschritte bei landwirtschaftlichen Materialien

Thermoplaste werden in der Landwirtschaft häufig eingesetzt. Allerdings haben die von ihnen produzierten Abfälle direkte Auswirkungen auf die Bodengesundheit und beeinträchtigen die Artenvielfalt. Um diese Probleme anzugehen, werden Lösungen wie das von den Vereinten Nationen vorgeschlagene „6R-Modell“ (Discard, Redesign, Reduce, Reuse, Recycle und Recycle) übernommen und Landwirte zunehmend dazu ermutigt, natürliche oder biologisch abbaubare Alternativen zu verwenden. Neuere Forschungen haben Alternativen zu Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften entdeckt. In einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2021 wurde beispielsweise der 4D-Druck als primäres Verfahren zur Herstellung von Materialien für die Landwirtschaft vorgeschlagen. Die Studie mit dem Titel „4D-Druck: Perspektiven für eine nachhaltige Kunststoffproduktion in der Landwirtschaft“ ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Patras, der Agraruniversität Griechenlands und dem Polytechnischen Institut Genua in Italien.

Der 4D-Druck ist eine Weiterentwicklung des 3D-Drucks und fügt die Dimension der Zeit hinzu. In diesem Fall bestehen gedruckte Objekte aus intelligenten Materialien, die ihre Form oder Eigenschaften als Reaktion auf äußere Reize wie Hitze, Licht, Wasser oder Bewegung ändern können. Während der 4D-Druck hauptsächlich in Bereichen wie der Medizin eingesetzt wird, gibt es in der Landwirtschaft nur wenige oder gar keine Anwendungen. Die Forschung des Teams zeigt, dass es durch den Einsatz des 4D-Drucks in der Landwirtschaft möglich sein wird, die biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen in der Landwirtschaft zu verbessern sowie Vorteile für die Umwelt, die Wirtschaft und die Produktion zu erzielen. Das Haupthindernis für eine breitere Akzeptanz ist jedoch die Neuheit des 4D-Druckverfahrens.

Was bringt der 4D-Druck? Einige Formgedächtnismaterialien verfügen über Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Magnetowiderstand und Empfindlichkeit gegenüber pH-Wert und osmotischem Druck, die sie zu idealen intelligenten Materialien machen. Zu den vom Forschungsteam genannten Anwendungen gehören Lebensmittelverpackungen, landwirtschaftliche Mulche, Sonnenschutznetze oder Gewächshausabdeckungen aus Kunststoff. Da die FDM-Technologie es ermöglicht, PLA und andere Polymere mit Selbstformungs- und Memory-Effekten zu manipulieren, hat diese relativ „einfache“ Technologie das Potenzial, in der Praxis effiziente, skalierbare und erschwingliche Werkzeuge zu schaffen. Auch andere Technologien, beispielsweise solche auf Basis der Stereolithographie, haben Potenzial für landwirtschaftliche Anwendungen gezeigt.

Anwendung des 3D-Drucks in der Bodenforschung

Der Boden ist eines der Schlüsselelemente, wenn nicht sogar das wichtigste Element der landwirtschaftlichen Praxis. Seine Forschung ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Auswirkungen menschlicher Aktivitäten und des Einflusses hydraulischer, chemischer und mikrobieller Eigenschaften. In einer 2020 von der Universität Padua in Italien veröffentlichten Studie wurde die Struktur des Bodens nachgebildet, um zu verstehen, wie er funktioniert. Dazu nutzten sie die Röntgenmikrotomographie, aus der sie Daten extrahierten und die Struktur des Harzbodens mit einem ProJet 3510 HD-Drucker von 3D Systems ausdruckten, einer Maschine, die per Materialstrahl arbeitet. Mithilfe dieser 3D-gedruckten Modelle kann die ursprüngliche Struktur der Bodenprobe, einschließlich Porosität und Porenform, rekonstruiert werden. Obwohl die elektrische Leitfähigkeit zwischen den Poren aufgrund technischer Einschränkungen im Druckprozess verringert war, konnte das Team die hydraulische Leitfähigkeit der meisten Prototypen messen und zeigte eine gute Korrelation. Diese Forschung trägt dazu bei, die Grenzen der bodenwissenschaftlichen Forschung zu erweitern.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz der additiven Fertigung in der Bodenforschung findet sich in einer Veröffentlichung aus dem Jahr 2021 eines multidisziplinären Teams an der University of Virginia in den Vereinigten Staaten. Die Studie trägt den Titel: 3D-Druck bioaktiver Bodenstrukturen und analysiert die Möglichkeit des 3D-Drucks von Bodenstrukturen zur Keimung von Samen. Dazu nutzten sie Extrusionsverfahren, um Bodenstrukturen ohne Zusatzstoffe zu drucken. Die Ergebnisse zeigen, dass die gedruckten Strukturen bei richtiger Kontrolle des Wassergehalts in der Lage sind, die Keimung und das Pflanzenwachstum zu fördern, obwohl sie große Mengen Wasser benötigen. Obwohl der Schwerpunkt der Studie darauf lag, die Machbarkeit von „Gründächern“ zu beweisen, könnten dieselben Prinzipien auf den Anbau von Kräutern wie Koriander, Minze, Petersilie, Basilikum und mehr angewendet werden.

Pflanzenphänotypisierung

Bei der landwirtschaftlichen Phänotypisierung werden Pflanzen beobachtet und analysiert, um vorherzusagen, wie es ihnen in einem bestimmten Raum ergehen wird. Genauer gesagt ist die Phänotypisierung das Ergebnis der Interaktion zwischen der genetischen Information einer Pflanze und ihrer Umgebung und ermöglicht ein besseres Verständnis des Wachstums, der Entwicklung und der Reaktion einer Pflanze auf diese Umweltbedingungen. Eine im Jahr 2024 veröffentlichte Studie setzt einen Meilenstein beim Einsatz der additiven Fertigung zur Pflanzenphänotypisierung. Das Institut für Zuckerrüben (IFZ) und die Universität Bonn haben gemeinsam 3D-gedruckte Pflanzenmodelle entwickelt, die eine präzise und zuverlässige Phänotypisierung ermöglichen.

Um bei der Datenerfassung und Parameterextraktion über ein Referenzwerkzeug zu verfügen, entwickelten die Wissenschaftler mithilfe der FDM-Technologie ein 3D-gedrucktes Zuckerrübenpflanzenmodell. Diese innovative Forschung wurde von einem Doktoranden am IFZ durchgeführt. Jonas Bömer betont die Bedeutung des Modells: „Der 3D-Druck ermöglicht es uns, kostengünstige Referenzwerkzeuge zu erstellen, um die Integrität der gesammelten Daten sicherzustellen.“

Die Studie nutzte auch in großem Umfang 3D-Scans zur Datenerfassung. Tatsächlich können durch 3D-Scanning hochauflösende digitale Modelle von Nutzpflanzen erstellt werden, was es einfacher macht, das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen zu überwachen und potenzielle Probleme rechtzeitig zu erkennen. Jonas Bömer erklärt: „Durch die Analyse des Bodens können Landwirte die Bodenbewirtschaftung verbessern und Maßnahmen zur Verhinderung von Erosion ergreifen. Die Interaktion von Robotern mit Pflanzen ist ein weiteres Problem, das durch eine umfassende Informationsinterpretation gelöst werden kann. Dies reduziert.“ und vereinfacht arbeitsintensive Ernteaufgaben »

Anwendung des 3D-Drucks in der Bienenzucht

Bienenzucht und Landwirtschaft sind eng miteinander verbundene Tätigkeiten. Die Bienenhaltung spielt in der Landwirtschaft eine wichtige Rolle, da sie einen wichtigen Beitrag zum Bestäubungsprozess leistet, einem wichtigen Mechanismus für die Fortpflanzung vieler Pflanzen und Nutzpflanzen. Nach Angaben der FAO wirken sich Bestäuberarten direkt auf 35 % der weltweiten Agrarproduktion und 75 % indirekt aus. Zusätzlich zu den 200.000 Arten, die bei der Bestäubung helfen, gibt es 20.000 Bienenarten, die die besten Bestäuber sind. Die gegenseitige Abhängigkeit zwischen Bienen und Nutzpflanzen verdeutlicht nicht nur die Notwendigkeit, Bienenhaltungspraktiken zu schützen und zu unterstützen, sondern auch die Notwendigkeit, Bienen zu schützen. Bedrohungen wie Pestizide, Krankheiten und Lebensraumverlust beeinträchtigen die Nachhaltigkeit und Produktivität der globalen Landwirtschaft.

Um einige der Probleme, die Bienenarten schaden, zu lösen, haben Imker mithilfe der additiven Fertigung Lösungen gefunden. Beispielsweise hat ein Masterstudent in Mexiko kürzlich einen mit Harz bedruckten Bienenstock entwickelt, um die Bienenproduktion anzuregen. Erwähnenswert ist auch die in Großbritannien ansässige LACRIMA Foundation, die Bienenvölker durch den 3D-Druck von Bienenstöcken aus Holz schützt. Die LacriNest-Bienenstöcke werden im Materialextrusionsverfahren gedruckt, um den Bienen ein natürliches, ungestörtes Ökosystem zu bieten.

Vince Moucha, Gründer und Präsident der Stiftung, sagte in einem Interview mit unserem Team: „Unsere 3D-gedruckten Bienenstöcke verwenden ein spezielles, vollständig biologisch abbaubares Material namens Holzverbundstoffe, das sie von herkömmlichen und anderen 3D-gedruckten Bienenstöcken unterscheidet, die sich unterscheiden.“ Dieses Material und das Design unserer hölzernen Bienenstöcke sorgen nicht nur für ökologische Nachhaltigkeit, sondern bieten auch eine hervorragende Isolierung und Haltbarkeit, wodurch eine optimale Umgebung für Bienen geschaffen und ihre Gesundheit und Produktivität verbessert wird.

Mehrere Studien auf der ganzen Welt haben gezeigt, dass Bienen durch den starken Einsatz von Pestiziden, die Zerstörung von Lebensräumen und die Auswirkungen des Klimawandels gefährdet sind. Der Rückgang der Bienen beeinträchtigt nicht nur die Produktion von Honig und anderen Bienenprodukten, sondern beeinträchtigt auch die Bestäubung verschiedener Nutzpflanzen. Dieses Problem ist nicht neu; die ersten Warnzeichen tauchten bereits im letzten Jahrhundert auf. Eine der gefundenen Lösungen war genau die Schaffung von Bienenstöcken, um ihnen einen Nistplatz zu bieten.

Der LACRIMA-Gründer fügte hinzu: „Durch die Förderung der lokalen Produktion, die Reduzierung von Transportemissionen und die Verwendung recycelbarer Materialien können 3D-gedruckte Bienenstöcke in nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken integriert werden. Sie können auch Teil eines integrierten Schädlingsbekämpfungssystems sein und den Bedarf an chemischen Behandlungen verringern.“

Wie sieht die Zukunft des 3D-Drucks in der Landwirtschaft aus?

Die oben genannten Projekte, Anwendungen, identifizierten Vorteile und bereits beobachteten Ergebnisse bestätigen das Entwicklungspotenzial des 3D-Drucks im Agrarsektor. Teilweise steckt diese Technologie in der Landwirtschaft noch in den Kinderschuhen. Die hier besprochenen Projekte bestätigen jedoch, dass das Potenzial erheblich und vielversprechend ist.

Da wir wissen, dass die Landwirtschaft eine sehr alte Tätigkeit ist, deren Praktiken nicht nur auf bestimmten Technologien, sondern auch auf Traditionen basieren, können wir uns fragen: Haben innovative Technologien wie die additive Fertigung einen Platz in der Landwirtschaft? Denn wenn traditionelle Bräuche überleben, dann hat das doch einen Grund, oder? Tatsächlich lässt der Agrarsektor keine Gelegenheit zur Innovation aus. Obwohl der 3D-Druck noch nicht weit verbreitet ist, wurden andere Technologien entwickelt.

Derzeit sind die größten Fortschritte auf der Ebene der wissenschaftlichen Forschung zu verzeichnen. Neben der Fokussierung auf ein Thema suchen Experten nach Lösungen für aktuelle Probleme. Die hier genannten Forschungsbeispiele sind nur einige von vielen, die es in Ländern geben sollte, in denen die Branche größer ist, wie beispielsweise China. Da sich die Technologie weiterentwickelt und die Forschung durch additive Fertigung neue Lösungen findet, erwarten wir eine breitere Akzeptanz und bahnbrechendere Innovationen.