3D-Druck kommt, nur nicht daheim

Dreidimensionale Produktionstechnologien sind bereits seit den 1980-Jahren bekannt, wurden aber primär im Bereich der Prototypen für den industriellen Bereich eingesetzt. Im größeren Umfang entwickelte die Automotive Industry durch Rapid Prototyping mit CNC-Technologien (Computerized Numerical Control) Modelle, die zu kürzeren Entwicklungszyklen geführt haben.

Inzwischen hat sich die sogenannte Additive Fertigung (3D-Printing) erheblich weiterentwickelt: technologisch durch die Verarbeitungsmöglichkeit unter anderem von Metall und wirtschaftlich durch das Auslaufen von Patenten und den dadurch entstandenen Preisverfall. Sie wird zunehmend im industriellen Bereich zur Herstellung von Prototypen, Modellen und Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen (Kleinserien von 500 bis 1000 Stück) benötigt werden, und im privaten Hobby-Bereich verwendet.

Bei der Additiven Fertigung baut eine Maschine (in einer Analogie "3D-Drucker" genannt) dreidimensionale Werkstücke aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen schichtweise (additiv) auf. Dies erfolgt computergesteuert mittels CAD (Computer Aided Design) oder eines anderen dreidimensionalem-Beschreibungsverfahrens.

er Aufbau findet durch physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt, für die typischerweise spezielle Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle verwendet werden. Abhängig vom verwendeten Material oder von dessen Kombination nutzt 3D-Printing unterschiedliche Fertigungstechniken. Kunststoff wird geschmolzen, Metall selektiv gelasert oder per Elektronenstrahl geschmolzen, bei dem aus einem metallischen Pulver, Schicht für Schicht, ein fester Gegenstand aufgebaut wird.

Trotz der Vielzahl dieser Technologien gelten zur Herstellung von Niedrigpreisprodukten wie von hochqualitativen Teilen zum Beispiel für die Luft- und Raumfahrtindustrie dennoch die gleichen Prinzipien: Digital gestaltete Objekte werden schichtweise gedruckt.

Die grundlegenden Vorteile gegenüber traditionellen, konkurrierenden Herstellungsverfahren wie zum Beispiel dem Spritzgussverfahren oder dem Extrusionsblasverfahren sind, dass das aufwendige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfallen. Im Vergleich zur Dreh- oder Frästechnik, die den Gegenstand aus einem Materialstück herausarbeiten, entsteht beim 3D-Printing in der Regel kein Materialverlust durch die punktgenaue Verwendung.

Wo Ingenieure früher Aussparungen und Hohlräume vorsehen mussten, um viele Einzelteile zu einem großen Bauteil montieren zu können, druckt die Maschine nun das komplette Bauteil aus einem Stück. Auch die Konstruktion des zu produzierenden Bauteils kann vereinfacht werden und gleichzeitig an Vielfalt gewinnen, da einschränkende Randbedingungen der traditionellen Produktionsverfahren nicht mehr maßgebend sind.

Durch die kontinuierliche Verbesserung der 3D-Drucker und die Innovationen auf dem Gebiet der Drucktechnologien, bei gleichzeitiger Reduktion der Preise, wird 3D-Printing eine transformatorische Wirkung auf weite Teile der Fertigungsindustrie, der Retail-Branche und nach unserer Ansicht auch der Logistikketten haben. In der industriellen Fertigung wird es möglich sein, präzise, stabile, aber leichte Bauteile zu drucken, die mit konventionellen Verfahren heute nicht herstellbar sind.

In diesem Zusammenhang werden Rapid Prototyping und "On-site-Herstellung" keine Ausnahme mehr darstellen, sondern zum Standard im globalen Wettbewerb werden. Auch heute schon wird kostenintensive Lagerhaltung nach Möglichkeit vermieden und just-in-time an die Produktionsstandorte geliefert. Die heutigen Fertigungsverfahren erlauben aber nur in begrenztem Umfang eine zeitlich flexible, kostenoptimierte und kundenspezifische Anpassung von Produkten. Tatsächlich bedarfsorientiert wird kaum produziert, Lagerhaltung lässt sich auch deswegen kaum vermeiden.

Um das Thema detaillierter zu betrachten, unterscheiden wir zwischen zwei Hauptkategorien: dem Privatanwenderbereich und der industriellen Nutzung.

Der Privatanwender als Produzent? Für wen?

Im Privatsegment wird die entsprechende, einfache CAD-Konstruktionssoftware beim Kauf eines 3D-Druckers, der heute bereits für circa 1000 Euro erhältlich ist, mitgeliefert oder steht als Download zur Verfügung. Diese Kombination aus Soft- und Hardware erlaubt die Herstellung von einfachen Objekten wie kleinen Spielzeugen, Schmuck oder Bastlerbedarf. Die auszudruckenden Objekte können mit der Software selbst entworfen oder die Konstruktionsdarstellung aus dem Internet heruntergeladen werden.

Güte und strukturelle Belastbarkeit werden hierdurch stark durch den Nutzer und die Qualität der Software beeinflusst, oder drastischer dargestellt, jemand, der MS-Word bedienen kann, ist noch nicht in der Lage, einen Bestseller Roman zu schreiben. Strukturell komplexere, sehr belastbare Objekte sind eben nur mit professionellen 3D-Druckern herstellbar.

Auch steckt die Technik für den Low-Cost-Privatanwenderbereich noch in den Kinderschuhen, wie jüngste Testergebnisse in den gängigen Computerzeitschriften zeigen. Demnach gehören aufwendige Druckermontagen, permanentes Kalibrieren der Druckköpfe oder Justierarbeiten an der Druckplatte, auf der das Objekt entsteht, zu den Bereichen, die die Handhabung erschweren. Die Druckqualität wird über die Anzahl der horizontalen Schichten festgelegt. Zudem kann definiert werden, wie dicht Hohlräume gefüllt oder ob Stützstrukturen für Überhänge angelegt werden sollen. Bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist, vergehen einige Fehldrucke, heute als Ausschuss bekannt.

Sollte der Qualitätswunsch über den Privatbedarf hinausgehen, bieten schon heute 3D-Printing-Service-Center an, das Layout auf professionellen 3D-Druckern zu drucken und den Gegenstand weltweit nach Hause zu liefern. Der Kunde profitiert dadurch gegen entsprechende Gebühren von einer besseren Druckqualität. Zusätzlich vermeidet der Privatproduzent die sonst entstehenden Geräusch- und Geruchsbelästigungen. Weiterhin kann ein 3D-Printing-Service-Center Druckmaterialien zum Einsatz und zur Produktion anbieten, die im Privatbereich ökonomisch und verfahrenstechnisch nicht anwendbar sind. Dies schließt auch mögliche gesundheitliche Beeinträchtigungen durch den Druckprozess ein, zum Beispiel giftige Dämpfe bei der Verschmelzung.

In den nächsten Jahren, und insbesondere mit dem Zeithorizont zehn Jahre, werden einige dieser Mankos in der Handhabbarkeit der 3D-Drucker verschwinden. Gleichzeitig werden höherwertigere Technologien in den Privatbereich vordringen und die Preise für Drucker senken, beziehungsweise man wird für gleiches Geld mehr Technologie und Qualität bei vereinfachter Nutzung bekommen. In zehn Jahren kann jedermann zum Fertigungstechniker werden. Allerdings wird sich die konstruktive Intelligenz nur bedingt in Software fassen lassen - ansonsten würden Heerscharen von Ingenieuren demnächst nicht mehr benötigt. Die verwendeten Druckmaterialien werden weiterhin im Druck- beziehungsweise Fertigungsprozess Stoffe (Gase) absondern, die nicht im privaten Umfeld erwünscht sein werden.

Nicht zuletzt werden heute viele Dinge unseres täglichen Lebens im Hinblick auf Sicherheit und Umweltverträglichkeit zertifiziert. Wir möchten uns nicht vorstellen, dass in zehn Jahren unsere Kinder mit Spielzeugen hantieren, die in der eigenen "Druckerfabrik" hergestellt wurden, aber kaum den Sicherheitsanforderungen heutiger Produkte entsprechen.

Das ständige Streben nach Profit wird auch jene Privatproduzenten hervorbringen, die Produkte eben nicht nur für den Heimbedarf produzieren, sondern via Online-Plattformen zum Verkauf anbieten. Produktsicherheit und -haltbarkeit werden dabei nach derzeitigem Kenntnisstand auf der Strecke bleiben, eine mögliche Entwicklung, die durch die vielen Nachahmerprodukte (Fake) auf besagten Plattformen heute schon belegt ist.

Sollten Privatpersonen zu "kleinen" kommerziell orientierten Fertigungsunternehmen unter Nutzung der 3D-Printing Technologie werden, sehen wir einen entsprechenden regulatorischen Bedarf, um insbesondere die Produktsicherheit zu gewährleisten und die Verbraucher zu schützen. Dies mag nach unnützer Bürokratie klingen, aber wir halten sie für unvermeidbar. Im Zeitalter weltweiter grenzenloser Logistik, wo Produkte über das Internet überall bestellt werden können, wird dies eine unvermeidbare und große Herausforderung werden.

Die nächste industrielle Revolution?

Im industriellen Bereich hingegen sind vielseitige Einsatzmöglichkeiten vom Produktentwurf über Design, Fertigung und Wartung bis zur Produktinnovation, also über den gesamten Produkt-Lebenszyklus, aufzuzeigen. 3D-Printing wird den Design-, Produktions- und Logistikprozess radikal verändern, da die hier verwendeten 3D-Drucker und -Druckverfahren bereits auf Materialvielfalt, Qualitätsanspruch, Produktivität, Servicefähigkeit und Ease-of-Use ausgelegt sind, angefangen vom Rapid Prototyping oder Modelling nach dem Leitsatz "Die erste Idee ist immer die beste Idee!", also einer schnellen und kostengünstigen Art und Weise, einen ersten, anfassbaren Entwurf eines Objekts zu erstellen, bis hin zur professionellen Fertigung von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Basierend auf digital bearbeitbaren 3D-Modellen (CAD) lassen sich einfach Entwürfe in Iterationen erstellen, bearbeiten, vergleichen und optimieren, wo früher Tage zwischen CAD-Entwurf und Modellerstellung vergingen. Durch die Beschleunigung der Time-to-Market lassen sich neue Business-Cases rechnen, die zuvor außerhalb der wirtschaftlich sinnvollen Machbarkeit lagen.

Hier ist von "designed by customer", also kundenindividuellen Designs, über die Herstellung von Kleinstserien bis hin zur Serienfertigung, wenn die 3D-Printing-Technologie sich weiterhin so rapide entwickelt - zum Beispiel mehrere Druckköpfe arbeiten parallel an der Herstellung eines Objekts -, in den nächsten Jahren vieles denkbar.

Auch wenn heute 3D-Printing eher als additives Verfahren zur klassischen Produktion gesehen wird, müssen Unternehmen bereits ernsthaft darüber nachdenken, wie diese Technologie in den Produktlebenszyklus zu integrieren ist. Traditionelle Herstellungsverfahren werden nicht immun dagegen sein. Der Trend zu individuellem Design und Personalisierung hält an und wird beim 3D-Printing kombiniert mit geringen Markteintrittsbarrieren und dem Fakt, dass Objekte "gedruckt" werden können, die sich mit den klassischen Produktionsverfahren nicht herstellen lassen.

Auch die deutschen Maschinenbauer haben diesen Trend erkannt und setzen bereits heute teilweise auf die Additive Fertigung bei Kleinserien. In den vergangenen zehn Jahren ist die Nachfrage nach dieser Technologie nur langsam gewachsen, doch prognostiziert die Strategieberatung Roland Berger eine Vervierfachung des Marktvolumens für metallische 3D-Druck-Verfahren in den nächsten zehn Jahren (2012: 1,7 Milliarden Euro).

Innovativen Unternehmen, etablierten wie auch Start-ups, bietet dies hervorragende Möglichkeiten, unterstützt durch neue Denk- und Arbeitsweisen wie Crowd Sourcing (Auslagerung traditionell firmeninterner Teilaufgaben an eine Gruppe freiwilliger User), das Wachstum von Open Source und Community-Intellectual-Property-Ansätze, kollaboratives Remote-Working, 3D-Scanning und 3D-Design-Bibliotheken.

Laut Gartner setzen 70 Prozent der führenden Multi-Channel-Händler bis 2017 3D-Printing-Technologie ein, um Kundenanforderungen zu bedienen. Auf die Handelsbranche und die angeschlossenen Logistikprozesse dürfte das eine transformierende Wirkung haben. 3D-Printing-Services werden sich online und on-premise etablieren, um kundenindividuelle Entwürfe professionell zu scannen und zu drucken. Die Komplexität der Technologie fordert zudem neue, additive Kundenservices wie CAD- und Konstruktionsschulungen oder Materialkunde bis hin zur optimalen Objekterstellung.

Auch vereinfacht die Bereitstellung von Modellen den Dialog mit Kunden wie im Bereich von Immobilien- oder Grundstücksgeschäften. Eine begehbare Modellwohnung oder die Einbettung künftiger Immobilie in die Landschaft erleichtert und beschleunigt die Kaufentscheidung. Am 3D-Druck des kompletten Gebäudes durch Druck von Modulen auf Basis eines Sand-Bindemittel-Gemisches wird bereits geforscht.

Im Zeitalter der Material- und Gewichtsreduktion in der Konstruktion bietet ein 3D-Printing-Verfahren entscheidende Vorteile. Während beim Drehen oder Fräsen aus dem Materialstück herausgearbeitet wird, erstellt der Drucker Schicht für Schicht des gewünschten Produkts. Unterstützende, zum Beispiel wabenförmige Strukturen im Inneren des Objekts, bei gleichzeitiger äußerer Stabilität, erreichen eine Gewichts- und Materialeinsparung, die mit heutigen Herstellungsverfahren nicht möglich ist. Aus diesem Grund sind "druckbare" Komponenten für die Luft- und Raumfahrtechnik interessant. Darüber hinaus werden teure und aufwendige Fertigungsverfahren einem Review im Hinblick auf 3D-Printing unterzogen werden müssen.

In der Medizin gibt es erste Ergebnisse, die menschliche Haut, basierend auf den körpereigenen Zellen, die der Körper nicht abstößt, direkt auf die Wunde zu drucken, was Patienten mit starken Verbrennungen eine wesentlich schnellere Heilung gewähren wird. Künstliche Hüftgelenke, Zahnimplantate oder Prothesen, individuell auf den Patienten angepasst, werden über 3D-Druck ideal herstellbar. Der beschädigte Knochen oder Zahn wird vorher gescannt, und der 3D-Drucker reproduziert ein perfektes Duplikat. Passgenauer kann ein Ersatzteil nicht sein.

3D-Printing in der Zahntechnik

Im Bereich Zahntechnik ist das 3D-Printing-Verfahren auch ökonomisch sinnvoll. Ein guter Zahntechniker schafft pro Tag manuell etwa 40 Kronen, ein 3D-Drucker kann täglich pro Anlage 450 Kronen fertigen, in einer wiederholbaren Qualität. Während das patientenindividuelle Drucken von Organen und Implantaten noch im Frühstadium der Forschung ist, werden Exoskelette, also den menschlichen Bewegungsapparat unterstützende äußerliche Geräte, bereits in der Praxis hergestellt und erprobt.

Auch auf das Ersatzteilgeschäft beziehungsweise den Ersatzteil-Servicebereich wird 3D-Printing nachhaltig Einfluss nehmen. Der Druck der Ersatzteile nach digitalen CAD-Vorlagen direkt beim Kunden oder nach Bedarf in entsprechenden 3D-Printing-Service-Centern reduziert Kapitalbindung, Lagerhaltung, Transportkosten und Stillstandzeiten. Der schnelle, globale Versand dringend benötigter Ersatzteile, zum Beispiel für Flugzeuge oder Schiffe, wird durch lokale Distribution und Service Center nahe am Kunden ersetzt.

3D-Printing wird firmenintern den Design-to-Market-Prozess beschleunigen, die Effizienz beim Erstellen von Intellectual Property erhöhen und die Möglichkeit bieten, in neue Märkte vorzudringen. Die Möglichkeiten von 3D-Printing steigen mit zunehmender Komplexität und der Befriedigung kundenindividueller Bedürfnisse. Dieser Trend unterstützt auch gesamtwirtschaftlich die Möglichkeit der Renaissance von Produktionsstätten in Städten auf der Basis von sogenannten Micro-Factories.

Die Veränderungen im Retail-Bereich werden auch einen Einfluss auf die Logistikprozesse haben. Der Bundesverband des deutschen Versandhandels (BVH) schätzt, dass im Jahr 2013 für 33,5 Mrd. Euro online eingekauft wurde, 21 Prozent mehr als im Vorjahr. Dieses Verbraucherverhalten fordert auch eine völlig neue, schnelle, flexible und für den Verbraucher bequeme Lieferlogistik. Die Lieferung am gleichen Tag zu einem vom Verbraucher festgelegten Zeitfenster und Ort wird Standard. Schnelligkeit und bequeme Abwicklung der Logistik, wie es der Kunde vom Einkauf im Internet gewohnt ist, wird die Messlatte.

Schon heute erfolgt die Auswahl des Dienstleisters nach den Kriterien Liefertreue und Flexibilität in Liefertermin und -ort. Neue Geschäftsmodelle wie 3D-Printing-Services fordern ein Höchstmaß an Flexibilität und Veränderungsbereitschaft von den Logistikunternehmen. Es wird zu einer Verschiebung der Warenströme zu bestandslosen Distributionssystemen (Herstellung bei Abruf), zur Direktbelieferung am Point-of-Sale oder bis zur Haustür des Konsumenten kommen. Skalierbarkeit, Mobilität und Veränderungsmöglichkeiten von Lagern sind gefragt, ebenso die Balance zwischen erfolgreichem Kostenmanagement und einer umfassenden Nachhaltigkeitsstrategie.

Die bereits oben erwähnte Renaissance von Produktionsstätten in Städten auf der Basis von sogenannten Micro-Factories, wird insbesondere in den Mega-Cities die Lieferlogistik nachhaltig verändern, zum Teil aber auch erst ermöglichen, wenn man an die schon heute hoffnungslos verstopften Verkehrswege in den asiatischen Mega-Cities denkt. Die Logistik für ein Endprodukt, das von einer Remote Factory in eine 30 Millionen Einwohner zählende Metropole dem Endkunden direkt zugestellt werden muss, ist kaum unter den Aspekten Liefertreue und Flexibilität ohne Lagerhaltung zu managen.

Risiken für Urheberrechte und Sicherheit?

Ein wichtiges Thema, bei dem IT-Spezialisten und Produktmanager in den nächsten Jahren zusammenarbeiten müssen, ist die Authentizitätsprüfung. 3D-Scanning und -Printing eröffnen noch mehr Möglichkeiten des einfachen Kopierens von Produkten, unabhängig von Patentrechten und Registrierungen. Gartner schätzt, dass bis zum Jahr 2018 mindestens 100 Milliarden US-Dollar an geistigem Eigentum verloren gehen.

Neben der Verletzung der Intellectual Property spielt auch das Thema Sicherheit eine wesentliche Rolle. Originalersatzteile müssen von "nachgedruckten" Ersatzteilen unterschieden werden können, um Gefahren und Risiken bei der Nutzung zu vermeiden. Hier müssen Fertigungs- und IT-Verfahren sicherstellen, dass es sich um das entsprechende, mit den zugesagten Eigenschaften versehene, qualitätsgesicherte Produkt oder Ersatzteil handelt, und dass dies einwandfrei und fälschungssicher zu identifizieren ist.

Während man hier im industriellen Bereich eher mit Regularien und Zertifikaten brauchbare Lösungen finden wird, sehen wir die größeren Herausforderungen - wie oben schon erwähnt - im privaten Bereich. Ersatzteile, die in der Home Factory gedruckt werden, unterliegen zunächst keiner Kontrolle und gefährden potenziell, je nach Einsatzgebiet, die Gesundheit des Konsumenten. Themen wie Produkthaftung werden dann recht schnell an Interesse gewinnen, und zwar nicht für das Endprodukt, sondern für die Möglichkeit, ein Produkt herzustellen.

Fazit

In zehn Jahren wird Additive Fertigung (3D-Printing) durch Designfreiheit, Komplexitätsreduktion in der Herstellung und Gewichtsreduktion der Objekte bei gleichzeitiger Materialeinsparung rund 20 Prozent der heutigen, klassischen Fertigungsverfahren ersetzt haben. In Privathaushalten wird 3D-Printing kein Commodity-Produkt für jedermann sein, da die Kenntnisse über Konstruktion, Material und Wartung zu komplex sind.

Die heutigen Logistikketten bleiben erhalten, unterliegen aber einem Wandel in Richtung Schnelligkeit und Bequemlichkeit für den Endverbraucher, gemessen an der Einkaufserfahrung. Das Ersatzteilgeschäft und die damit verbundenen Logistikprozesse werden sich in Richtung lokale Distribution verschieben.

Für Unternehmen hingegen wird 3D-Printing das Design-to-Market beschleunigen und vereinfachen, die Effizienz bei der Erstellung neuer Intellectual Property erhöhen und die Möglichkeit bieten, in neue Märkte ökonomisch vorzudringen. Wir sehen Additive Fertigung durchaus in der Position, transformierend zu wirken, also den Anstoß zur nächsten Industriellen Revolution zu geben.