Zukunft des 3D-Drucks und Industrie 4.0

Die TREND-REPORT-Redaktion im Dialog mit Prof. Dr. Welf Wawers von der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg über das Thema 3D-Druck und die Folgen für die Industrie 4.0.

Herr Prof. Dr. Wawers, welches Potenzial hat die 3D-Drucktechnologie für das Internet of Things bzw. für Industrie 4.0?
In der Industrie 4.0 stehen intelligente Maschinen, Anlagen und Geräte, kurz cyberphysische Systeme, in Kommunikation und Kooperation mit Menschen, Logistik und Produkten. Ziel dieser Vernetzung ist die endverbrauchernahe industrielle Produktion des personalisierten Produkts, am liebsten in Echtzeit. Diese gewollt dezentralisierte Organisation kann nicht an einer zentralisierten Fertigungsstätte, beispielsweise einem Fließband in Fernost, enden. Hier muss, in logischer Konsequenz, eine disruptive Technologie wie der 3D-Druck stehen, der dann quasi die Vollendung dieses Wertschöpfungsnetzwerks bildet. Mit ihrer extrem hohen Flexibilität ist die 3D-Drucktechnologie in der Lage, die von den cyberphysischen Systemen über das Internet der Dinge gesammelten Daten zur z. B. Beanspruchung, Nutzung oder Alterung eines Produktes direkt in entsprechende bauliche Optimierungen umzusetzen. Für jedes einzelne Produkt, wohlgemerkt. Das Austauschprodukt oder Nachfolgemodell steht dann für den Nutzer passend zum Ende des Produktlebens zur Abholung bereit. Und zwar in der intelligenten Fabrik 4.0, zwei Straßenecken weiter. Tatsächlich haben jetzt schon laut der Erhebung des jungen Amsterdamer Unternehmens 3D Hubs eine Milliarde Menschen Zugang zu einer 3D-Produktionsstätte in höchstens 16 km Entfernung. Und Schätzungen gehen davon aus, dass sich die Zahl der 3D-Drucker jährlich verdoppeln wird.

Was ist in diesem Kontext dann disruptiv?
Durch die sich der 3D-Drucktechnik bedienende Fabrik 4.0 wird nahezu jeder Bereich der Produktentstehungskette beeinflusst, wenn nicht revolutioniert. Das beginnt bereits bei der Produktplanung und -bewerbung. In der konservativen Massenproduktion stellen aufwändige Studien und Feldversuche sicher, dass ein und dasselbe Produkt die Bedürfnisse eines möglichst großen Personenkreises erfüllt. Die individualisierte 3D-Drucktechnik stellt diese Sichtweise auf den Kopf. Nicht mehr das in den Forschungsabteilungen ausgeklügelte Design eines Produkts entscheidet über dessen Markterfolg, sondern wie weit sich dieses Design bei voller Funktionalität individualisieren lässt. Auch ermöglicht die 3D-Drucktechnologie die Herstellung völlig neuer Produkte mit hochkomplexem, bislang nicht herstellbarem Design. Stichwort hier ist beispielsweise der Leichtbau nach dem Vorbild von Knochenstrukturen. Reverse Engineering, die Erforschung und der Nachbau vorhandener Strukturen, erhält hier einen ganz neuen Stellenwert in den Entwicklungsabteilungen. Vor nicht minder großen Neuerungen steht die Produktion, Logistik und Lagerhaltung. Mit der 3D-Drucktechnik wird die Herstellung eines Einzelstückes genauso kostengünstig wie ein Bauteil aus der Massenproduktion. Damit wird einer der Hauptauslöser der zweiten industriellen Revolution, heute würde man sagen der Industrie 2.0, praktisch zu Grabe getragen. Die hochautomatisierte Produktion 4.0 ist darüber hinaus auch in Hochlohnländern rentabel. Die Verlagerung von Produktionsstätten nach Fernost und der damit verbundene weltweite Warentransfer sind nicht mehr erforderlich. Die Hersteller von Massenprodukten müssen dann nicht nur die Konzeption und Lage ihrer Fabrikationsstätten überdenken, sie sehen sich auch einer neuen Konkurrenz gegenüber. Mit konventionellen Fertigungsverfahren stellt der Einstieg in ein neues Produkt oftmals eine große finanzielle und logistische Herausforderung dar. Produktionslinien müssen umgestellt werden, Arbeiter an neuen Maschinen angelernt werden usw. Verglichen damit sind die Anstrengungen in der hochflexiblen 3D-Drucktechnologie minimal. Ein und dieselbe Maschine kann heute Zahnbürsten produzieren und morgen Turnschuhe. Lediglich Herstelldaten und Rohmaterial müssen ausgetauscht werden. Damit fallen für viele Firmen Hindernisse weg, die bislang den Einstieg in neue Produkte erschwerten oder gar verwehrten. Wenn wir noch einen Schritt weiterdenken, wird sich die Produktion auch in die Haushalte verlagern, die zunehmend über eigene 3D-Drucker verfügen. Einige Medien sprechen hier bereits von einer „Demokratisierung des Produkts“. Auch wenn die 3D-Drucktechnologie die konventionellen Fertigungsmethoden nicht vollständig verdrängen wird, werden durch sie tiefgreifende Veränderungen ausgelöst. Nicht nur in der Produktion, auch im Handel und in der Gesellschaft.

Wie reagiert darauf die deutsche Maschinenbaubranche? Was sollten dann deutsche Maschinenbauer tun und wie schnell wird sich der 3D-Druck verbreiten?
Die traditionell eher konservativ eingestellte deutsche Industrie scheint dieser neuen Technologie gegenüber recht aufgeschlossen zu sein. Laut einer aktuellen Studie von Ernst & Young sind deutsche Firmen beim 3D-Druck sogar weltweit führend, was die Umsätze mit 3D-Produkten angeht. In Zahlen ausgedrückt kommt Ernst & Young auf einen Jahresumsatz von fast einer Milliarde Euro, bei weltweit ca. 10 Milliarden Euro. Verglichen mit dem Gesamtumsatz des deutschen Maschinenbaus, in 2015 rund 247 Milliarden Euro, ist das aber immer noch relativ gering. Umso überraschender ist, dass von den 200 deutschen von Ernst & Young befragten Unternehmen immerhin 37 % Prozent angaben, die 3D-Drucktechnologie bereits zu nutzen. Die Diskrepanz erklärt sich wahrscheinlich dadurch, dass viele der befragten Firmen die Technik für interne Prozesse nutzen, beispielsweise den Prototypenbau, und keinen direkten Umsatz mit dem Vertrieb dieser Bauteile erzielen. Es gibt aber auch kritische Stimmen, die die deutsche Maschinenbaubranche der Technologie hinterherfahren sehen. So schrieb das manager-magazin noch 2015 von der Gefahr, dass deutsche Unternehmen den Siegeszug des 3D-Drucks verschlafen könnten. Als einer der weltweiten Vorreiter wurde hier China genannt, wo heute bereits neben kompletten Autos auch Wohnhäuser im 3-Druck erstellt werden. Während das in Deutschland derzeit noch undenkbar ist, planen die Chinesen bereits mit einem weltweiten Massenmarkt. Und die Nachfrage gibt ihnen Recht, Ägypten hat zum Beispiel schon 20 000 gedruckte Häuser geordert. Tatsache ist, dass wir weltweit gerade erst dabei sind, das immense Potenzial und die revolutionierenden Veränderungen zu begreifen, die mit der rasant anwachsenden 3D-Drucktechnologie einhergehen. Schätzungen sehen das jährliche Wachstum des Marktes bei 30 % (Roland Berger) oder sogar 34 % (Morgan Stanley). Der US-Marktforscher Gartner geht davon aus, dass bereits 2018 50 % aller Hersteller von Konsumgütern, Schwergütern und Biogütern die 3D-Drucktechnik nutzen werden. Siemens sagte 2015 für die nächsten fünf Jahre ein Anwachsen der Druckgeschwindigkeit um 400 % bei gleichzeitiger Halbierung der 3D-Druckkosten voraus. Wenn man die Zahlen der weltweit verkauften 3D-Drucker betrachtet, summieren sich diese in konservativen Schätzungen für 2020 auf ca. 25 Millionen, die wiederum Milliarden von Bauteilen ausdrucken werden. Der Zug ist also noch lange nicht abgefahren, im Gegenteil. Baldiges Aufspringen wäre aber trotzdem ratsam.

In welchen Industriezweigen wird sich der 3D-Druck zunächst durchsetzen?
Bereits lange fest etabliert ist der 3D-Druck im Prototypenbau, der ersten, als „Rapid Prototyping“ bezeichneten Anwendung. Aber auch im Werkzeugbau, Formenbau und in der Ersatzteilherstellung hat das Verfahren als „Rapid Manufacturing“ oder auch „Additive Manufacturing“ Fuß gefasst. Hier haben die großen, teilweise einzigartigen Vorteile des Verfahrens, die extrem hohe Flexibilität und die nahezu uneingeschränkte Geometriefreiheit, frühzeitig Vorbehalte gegenüber dieser neuen Technologie beiseitegeschoben. Ein gutes Beispiel ist der Spritzguss in der Kunststoffproduktion. Bis zu 70 % kann die Kühlzeit innerhalb der Zykluszeit der Serienfertigung ausmachen. Um die Kühlzeit zu reduzieren, sind im Spritzgusswerkzeug konturnahe Kühlkanäle erforderlich. Deren Herstellung bringt den konventionellen Werkzeugbau aufgrund der komplexen Geometrien oftmals an seine Grenzen, im 3D-Druck ist das problemlos herstellbar. Der nächste Schritt, den einige Hersteller schon gegangen sind, ist es, die Werkzeuge gleich ganz wegzulassen und die Kunststoffbauteile direkt im 3D-Druck herzustellen. Ermöglicht wird dies durch die rasante Zunahme der Druckgeschwindigkeit und die kontinuierliche Qualitätsverbesserung der Ausdrucke. Damit öffnet sich auch der Massenmarkt für Konsumgüter der 3D-Produktion. Ein anderer Industriezweig, der vorwiegend Individualprodukte hervorbringt und daher auch schon länger den 3D-Druck erfolgreich einsetzt, ist die Medizintechnik. Neben Zahnimplantaten können passgenaue Titan-Prothesen im 3D-Drucker hergestellt werden. Originalgetreue, schnell aufgebaute 3D-Modelle beschädigter Organe helfen bei der Operationsvorbereitung. Zukunftsvision, aber bereits im Forschungsstadium befindlich ist der 3D-Druck funktionsfähiger Organe und Stammzellen. Auch im Leichtbau, und speziell in der Luftfahrtindustrie, hat die Technologie Einzug gehalten und wird weiter wachsen. Die Geometriefreiheit des 3D-Drucks eröffnet hier neue Möglichkeiten der Gewichtseinsparung bei erhöhter Steifigkeit. Und auch der Mittelstand beginnt die Vorteile der neuen Technologie für sich zu entdecken. Einer Umfrage des Münchner Marktforschungsinstituts Pierre Audoin Consultants (PAC) im Auftrag der Freudenberg IT zufolge sind 45 % der befragten mittelständischen Fertigungsunternehmen der Meinung, dass sich mit dem Einsatz von 3D-Druckern Kosten- und Effizienzvorteile realisieren lassen, Tendenz steigend.

Gibt es anschauliche Beispiele?
Es gibt viele Beispiele dafür, dass Unternehmen, auch aus Deutschland, das Potenzial der 3D-Drucktechnologie schon erkannt haben. Im Bereich der Massenproduktion baut adidas derzeit eine „Speedfactory“ im fränkischen Ansbach auf. Dank 3D-Drucktechnik und vernetzter Maschinen sollen ab 2017 auf 4 600 m² 500 000 Paar Schuhe pro Jahr gefertigt werden, zum ersten Mal seit 30 Jahren wieder „Made in Germany“. Airbus setzt in seinem Werk in Bremen verstärkt auf den 3D-Druck und plant, 10 % seiner Ersatzteile mit diesem Verfahren selber herzustellen. 3D-gedruckte Prototypen werden bei Mercedes-Benz Lkw schon seit einigen Jahren eingesetzt, und seit September dieses Jahres bietet das Unternehmen auch erstmals Ersatzteile aus dem 3D-Drucker an. Mercedes-Benz betont dabei, dass bei der Qualität, Langlebigkeit, Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Funktionalität die gleichen Maßstäbe wie in der klassischen Ersatzteilproduktion angelegt werden. Auch die BMW AG benutzt bereits die 3D-Drucktechnologie. Bislang wurden damit hauptsächlich exotische Bauteile wie die im metallischen 3D-Druck hergestellte Wasserpumpe des DTM-Rennwagens hergestellt. Nun soll der 3D-Druck langfristig in die Produktionsstrategie auch für Serienteile integriert werden. BMW arbeitet dabei mit HP zusammen, das nach langem Zögern seit Mai dieses Jahres seine ersten eigenen 3D-Drucker anbietet. Überhaupt ist es verwunderlich, dass die großen Drucker-Hersteller so spät in die 3D-Drucktechnik eingestiegen sind. Canon ist seit 2015 dabei, Epson bereitet immerhin gerade den Einstieg in die 3D-Drucktechnik vor. Bei Brother und bei Lexmark sucht man derzeit noch vergeblich nach einem 3D-Drucker. Gerade diese Zurückhaltung hat aber jungen deutschen Unternehmen die Möglichkeit gegeben, sich zu entfalten. Mit SLM Solutions aus Lübeck ist 2014 der erste deutsche Hersteller von industrietauglichen 3D-Druckanlagen an die Frankfurter Börse gegangen, kurz nachdem das ebenfalls deutsche Unternehmen Voxeljet an der New Yorker Börse notiert hat. Weitere bedeutende Hersteller sind Concept Laser aus dem bayrischen Lichtenfels und EOS aus Krailling bei München, um einige zu nennen. Tatsächlich sind deutsche Hersteller industrietauglicher 3D-Druckanlagen laut der WirtschaftsWoche vom Januar 2014 ihren Mitbewerbern aus den USA und Asien technisch um Jahre voraus.

Mit welchen Weiterentwicklungen und Innovationen ist in den nächsten zwei bis drei Jahren zu rechnen?
Der Bereich der technischen Weiterentwicklungen der 3D-Drucktechnologie konzentriert sich auf die Erhöhung der Druckgeschwindigkeit, die Reduzierung der Druckkosten und die Verbesserung der Druckqualität. Auch in der teilweise aufwändigen und bei Metallen auch nicht ganz ungefährlichen Rohmaterialherstellung wird intensiv geforscht. Feines Pulver, sei es von Metallen oder anderen Stoffen, ist besonders reaktionsfreudig, wodurch es sich leicht entzünden kann. Ein Beispiel dafür sind Mehlstaubexplosionen in Getreidemühlen. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Weiterentwicklung der Druckstrategie. Das betrifft beispielsweise den Ausdruck eines Bauteils aus verschiedenen Materialien oder die Herstellung kompletter, aus beweglichen Teilen bestehender Baugruppen in einem 3D-Druck, „Print-in-Place“ (PIP) genannt. Mitsubishi hat kürzlich auch den „5D-Druck“ vorgestellt. Tatsächlich handelt es sich dabei um einen 3D-Drucker mit 5 Achsen. Die hergestellten Musterbauteile, Druckkappen, halten einem drei- bis fünfmal stärkeren Berstdruck gegenüber „nur“ 3D-gedruckten Bauteilen stand. Die Technik ist also noch lange nicht ausgereizt, mit technischen Innovationen ist auch weiterhin zu rechnen. Was die Marktentwicklung und das Wachstum der 3D-Drucktechnologie angeht, gibt es zahlreiche positive Zukunftsprognosen, die bereits erwähnt wurden. Außerdem werden sich auch neue Märkte und Geschäftsmodelle eröffnen. 3D-Druck-Shops werden zunehmen. Manche nach Art der Copy-Shops, in denen man eben schnell den durchgebrochenen Hebel der Kaffeemaschine 3D-kopiert, aber auch kleine Fabrikationsstätten, die Bauteile von Einzelstücken bis zur Großserie in Lohnfertigung herstellen. Und da auch immer mehr Konsumenten über eigene 3D-Drucker verfügen, wird sich auch ein Markt für virtuelle Bauteile eröffnen, in dem statt physischer Produkte deren 3D-Design verkauft wird. Es ist auch vorstellbar, dass diese Konsumenten ihre privaten 3D-Drucker zur Bauteilherstellung auf Internetplattformen anbieten, sich also quasi „Baubörsen“ bilden werden. Natürlich werden solche Geschäftsmodelle, und auch die 3D-Druck-Shops, Fragen nach der Produkthoheit und dem Gebrauchsmusterschutz aufwerfen. Andere Geschäftsbereiche werden sich verändern müssen. Im Zuge der endverbrauchernahen, bedarfsgerechten 3D-Produktion wird es nicht mehr notwendig sein, Produkte über weite Strecken zu transportieren oder große Stückzahlen davon zu lagern. Die Logistik oder der After-Market stehen hier vor ganz neuen Herausforderungen, während die Industrie wieder im Heimatmarkt produzieren kann. Dieser Trend des „Reshorings“, der Rückkehr der Produktion in die Heimmärkte, ist derzeit weltweit zu beobachten, wie das Beispiel adidas zeigt. Abschließend, aber deswegen nicht weniger wichtig, sei noch der Aspekt des Umweltschutzes erwähnt. Der weltweite Warenverkehr stellt eine enorme Belastung der Umwelt dar. Endverbrauchernahe Produktion wird damit zur umweltgerechten Produktion. Wenn dieses Label von Politik und Gesellschaft erkannt wird, bekommen Unternehmen, die noch nicht in die 3D-Drucktechnologie eingestiegen sind und an ihren Produktionsstätten in Niedriglohnländern festhalten, ein Problem. All diese Entwicklungen werden sicher nicht innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre passieren, aber zumindest ihren Anfang nehmen.

Gibt es aktuelle Forschungsprojekte?
Meine Forschungsarbeiten an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg stehen als neuberufener Professor noch am Anfang. Derzeit bauen wir gerade mehrere Laserlabore auf. Geplant sind u. a. Forschungsarbeiten zum „Selective Laser Melting“ (SLM), dem marktführenden 3D-Druckverfahren für metallische Bauteile. Ein Thema, dem ich mich am Fraunhofer Institut für Lasertechnik bereits während meiner Studienzeit gewidmet habe. Konkrete Forschungsfragen sind beispielsweise, inwieweit sich bionische Strukturen mittels Reverse Engineering und dem 3D-Druck für technische Anwendungen, z. B. den Leichtbau, nutzbar machen lassen.

Der Text ist unter der Lizenz CC BY-SA 3.0 DE verfügbar.
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