Additive Fertigungsverfahren / 3D-Druck Anwendungen und ... · 3D-Druck im Heimgebrauch und FabLabs . Die 3D-Drucker der Maker-Bewegung werden von den Heimanwendern gegenwärtig zum

Horizon Scanning Additive Fertigungsverfahren / 3D-DruckAnwendungen und Potenziale

Durchgeführt von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH

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Impressum

Autorinnen und Autoren:

Dr. Simone Ehrenberg-Silies Dr. Sonja Kind Tobias Jetzke Dr. Marc Bovenschulte

Die VDI/VDE-IT ist Konsortialpartner des Büros für Technikfolgen-Abschätzung beim Deut-schen Bundestag (TAB).

Diese Studie wurde im Rahmen des TAB-Projekts “Additive Fertigungsverfahren (»3-D-Druck«)” erstellt. Die Ergebnisse fanden Eingang in den TAB-Arbeitsbericht Nr. 175. März 2015

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Inhaltsverzeichnis

1. Zusammenfassung und zentrale Trends .......................................................................................... 5

2. Einleitung .......................................................................................................................................... 9

3. Additive Fertigungsverfahren in der Industrie ................................................................................. 10

3.1 Herstellung von Musterbauteilen und Werkzeugen ............................................................... 10

3.2 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten in den Vorreiterbranchen ......................................... 10

Luft- und Raumfahrt .................................................................................................................. 12

Automotive-Industrie ................................................................................................................. 13

Elektronik ................................................................................................................................... 14

Medizintechnik, Prothetik, Dentaltechnik, medizinische Hilfsmittel ........................................... 14

3.3 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten in den Kreativbranchen............................................ 15

Architektur ................................................................................................................................. 15

Design/Möbelindustrie/Kunst .................................................................................................... 16

Spielzeug, Computerspiele und Fertigung von Sammlerstücken ............................................. 17

Film und Fernsehen .................................................................................................................. 18

3.4 Sonstige industrielle Anwendungsmöglichkeiten ................................................................... 18

Textilien und Bekleidungsindustrie............................................................................................ 18

Sportgeräteindustrie .................................................................................................................. 19

Nahrungsmittelindustrie ............................................................................................................ 19

3.5 Additiver Fertigungsverfahren in Militär und Wissenschaft und Zukunftsvisionen in der Medizin ............................................................................................................................. 20

Rüstungsindustrie / Militär ......................................................................................................... 20

Wissenschaft ............................................................................................................................. 21

Zukunftsvisionen in der Medizin ................................................................................................ 22

3.6 Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand .................................................................. 23

3.7 Ausblick: Wirtschaftliches und technisches Entwicklungspotenzial der additiven Fertigungsverfahren in der Industrie ...................................................................................... 25

3.8 Internationale Marktstellung Deutschlands und Forschungsförderung ................................. 27

4. 3D-Druck für Heimanwender .......................................................................................................... 32

5. 3D-Druck von Waffen ...................................................................................................................... 33

6. Neue und veränderte Geschäftsmodelle und Wertschöpfungsketten ............................................ 36

5. Ökologische Auswirkungen ............................................................................................................. 40

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6. Zusammenfassung TA-relevanter Fragestellungen ........................................................................ 43

7. Literaturverzeichnis ......................................................................................................................... 46

8. Anhang ............................................................................................................................................ 56

9.1 Übersicht Verfahren der additiven Fertigung .......................................................................... 56

9.1 Positionen von Akteuren im Bereich additive Fertigung/3D-Druck ........................................ 57

9.2 Interviewpartner ...................................................................................................................... 60

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1. Zusammenfassung und zentrale Trends

Additive Fertigungsverfahren gelten als Fertigungstechnologien, die unsere Art und Weise zu produzieren in vielen Bereichen mittelfristig verändern und in einigen Bereichen vielleicht sogar revolutionieren werden.

In diesem auch von den Medien mit hoher Aufmerksamkeit verfolgten Thema muss jedoch grundsätzlich unterschieden werden zwischen den in der Industrie bereits seit Jahrzehnten etablierten, hochpräzisen und technisch anspruchsvollen Fertigungsverfahren und den 3D-Druckern für weniger als 1.000 Euro für den Hausgebrauch. Die Vorstellung, dass mit den günstig zu erwerbenden 3D-Druckern, die im Wesentlichen auf einem schichtweisen Auftra-gen geschmolzenen Kunststoffs beruhen, der Heimanwender komplizierte Produkte und Ersatzeile herstellen bzw. zu Hause ausdrucken kann, ist aufgrund der noch unzureichenden Technologiereife höchst unwahrscheinlich.

Additive Fertigungsverfahren in der Industrie

Das wesentliche Anwendungsfeld für additive Fertigungsverfahren in der Industrie ist der Bau von Prototypen im schnellen Modellbau (Rapid Prototyping). Darüber hinaus werden sie zur Herstellung von Kleinst- und Kleinserien genutzt. Dabei handelt es sich jedoch zumeist um einfache Bauteile, im wesentlichen Hartbauteile aus Kunststoffen. Die Herstellung kom-plexerer Bauteile, beispielsweise von Hartbauteilen in Verbindung mit einem Weichbauteil wie einer Gummidichtung, in einem Produktionsschritt ist möglich, wird aber noch selten eingesetzt.

Der Einsatz der Verfahren ist in den Branchen Luft- und Raumfahrt, Automobil, Elektronik und Dentaltechnik am weitesten fortgeschritten. Der Grund, weshalb sich die additiven Ferti-gungsverfahren bisher vor allem in diesen Industriezweigen durchsetzen konnten, liegt an ihren zentralen Vorzügen: sie ermöglichen Leichtbau (Luft- und Raumfahrt, Automobil), die Integration neuer Funktionalitäten in Bauteile (Elektronik) und die Individualisierung von Pro-dukten (Dentaltechnik). Ein weiterer Vorteil ist die weitgehend freie Gestaltbarkeit der zu fertigenden Elemente, die in traditionellen Verfahren oftmals kaum realisierbar wären.

Die wesentlichen hemmenden Faktoren für die weitere Verbreitung der Technologie sind darin zu sehen, dass der Betrieb additiver Fertigungsanlagen sowohl ein fundiertes, speziel-les Know-how der Betreiber voraussetzt als auch hohe Anforderungen an die Konstanz der Betriebsbedingungen (konstante Luftfeuchtigkeit etc.) erfordert, also insgesamt noch sehr aufwendig ist, obschon in den letzten zwei Jahren große Qualitätssprünge bei der Anlagen-technik gemacht worden sind.

Darüber hinaus hängt die Qualität der mit additiven Fertigungsverfahren erzeugten Bauteile stark von den eingesetzten Verfahren und Materialien ab. Zum Teil sind nach dem additiven Fertigungsprozess noch komplexe Nachbearbeitungen notwendig, um die gewünschten Eigenschaften sicherzustellen. So werden die Bauteile zur Festigung u.a. mit Kunststoffhar-zen infiltriert oder beschichtet oder durchlaufen einen anschließenden Sinterprozess.

Zudem sind die Prozessketten in der Produktion zum Großteil noch nicht auf die Weiterver-arbeitung von additiv gefertigten Bauteilen eingestellt. Die Investitionen in eine Anpassung der Produktionsketten sind beachtlich und lassen viele Unternehmen noch zurückschrecken.

Vor diesem Hintergrund ist es wahrscheinlich, dass sich die additiven Fertigungsverfahren in der Industrie mittelfristig vor allem in solchen Anwendungsfeldern weiter verbreiten, in denen sich ihr Nutzen relativ leicht quantifizieren lässt. Dies ist beispielsweise in Industrien der Fall,

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die aufgrund ihres Produktportfolios einen hohen Anteil an Ersatzteilproduktion haben und entsprechend viele kostspielige Lager mit Werkzeugen für die Nachproduktion bereithalten müssen. Die Gebrauchselektronikindustrie zur Herstellung „Weißer Ware“ (Küchengeräte wie Geschirrspül- oder Waschmaschine und sonstige elektrische Kleingeräte) kann hierfür als Beispiel gelten.

3D-Druck im Heimgebrauch und FabLabs

Die 3D-Drucker der Maker-Bewegung werden von den Heimanwendern gegenwärtig zum Druck von Figuren und Hartteilen verwendet. In der Gamer-Szene hat sich ein Trend zur eigenen Herstellung von Eingabegeräten für Computer (Joysticks, Maus etc.) mithilfe von 3D-Druckern entwickelt. Für die heimische Herstellung können fertige CAD-Dateien genutzt werden, die entweder käuflich erworben wurden oder auf Open-Source-Plattformen zur freien Nutzung angeboten werden. CAD-Dateien eines Objekts lassen sich auch mithilfe eines 3D-Scanners erzeugen bzw. mit einem CAD-Programm selbst entwerfen. Insgesamt ist das heimische 3D-Drucken keine einfache Plug-and-Play-Anwendung, wie dies heute etwa der 2D-Druck ist, sondern erfordert ein spezifisches Know-how. Dieses können sich Heimanwender mittlerweile über einschlägige Internetdiskussionsforen und -plattformen aneignen. Die langsame Produktionsgeschwindigkeit, geringe Materialvielfalt sowie Präzisi-onsmängel beschränken die Heimanwendung allerdings auf sehr einfache Produkte. Die Hoffnung, auch ein so komplexes Element wie zum Beispiel einen Elektromotor ausdrucken zu können, wird sich aufgrund des komplizierten Aufbaus und der benötigten Materialvielfalt auf absehbare Zeit nicht ansatzweise erfüllen können.

Eine Ersatzteilproduktion zu Hause hingegen ist theoretisch möglich, wenn beispielsweise der Hersteller den Bauplan des Bauteils als CAD-Datei zur Verfügung stellt. In diesem Fall bräuchte der Heimanwender nur noch das geeignete Material, um das gewünschte Ersatzteil auszudrucken. Dessen Beschaffung dürfte allerdings um einiges aufwendiger und kostspie-liger sein, als ein aus der Massenproduktion stammendes Ersatzteil zu bestellen. Werden außer Kunststoff noch andere Materialien im Ersatzteil eingesetzt, dürfte die private Herstel-lung eines funktionalen Objekts außerordentlich schwierig sein – hier wäre eine Nacharbeit wie etwa die Montage verschiedener Elemente zu einem Ersatzteil notwendig.

Beim Einsatz von 3D-Scannern ergibt sich das Problem, dass diese nur die Oberfläche ei-nes Bauteils erfassen können. Das „Innenleben“ – beispielsweise eine Struktur wie eine Aussparung oder ein Gewinde – bleibt dem Scanner verborgen. Überschreiten die herzustel-lenden Teile eine bestimmte Größe, müssen Baugruppen gebildet und Verbindungskon-struktionen geschaffen werden. Unterschreiten die Teile eine Mindestgröße, sind sie nicht scann- oder druckbar.

Ein realistisches Zukunftsszenario ist, dass Produkte mit einer zugehörigen CAD-Datei gelie-fert werden, sodass Ersatzteile jederzeit mit dann verbesserten 3D-Druckern zu Hause oder bei einem Dienstleister mit wenig Zeitverzug gefertigt werden können. Auch Produktverbes-serungen und Funktionserweiterungen in Form einer vom Hersteller oder von Drittanbietern angebotenen CAD-Datei wären eine Erweiterung des Angebotes.

Überhaupt ist es sehr wahrscheinlich, dass der Heimanwender seine Produktion in so ge-nannte „FabLabs“ – eine Art Copy-Shop für den 3D-Druck – verlagert, wo er sachkundige Unterstützung bei der Herstellung seiner Objekte und in der Regel höherwertige 3D-Drucker vorfindet.

FabLabs könnten auch die Keimzelle für die Produktion einfacher Bauteile in Klein- und Kleinstserien werden und bieten auch sehr kleinen Unternehmen, wie etwa Handwerksbe-

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trieben, die Möglichkeit, die Vorzüge additiver Fertigungsverfahren zu nutzen, ohne selbst investieren und die komplexe Fertigung beherrschen zu müssen.

Insgesamt ist also die Anwendungsreife und -perspektive des 3D-Drucks für den Heimge-brauch noch recht gering bzw. eingeschränkt.

Die Herstellung von Waffen durch Heimanwender

Von dem gegenwärtigen Phänomen, dass es mit erschwinglichen 3D-Druckern einerseits prinzipiell möglich ist, eine Vielzahl von Teilen herzustellen, die andererseits aber mit Blick auf die Materialvielfalt und ihre Funktionalität noch sehr eingeschränkt sind, ist auch die Möglichkeit des privaten Waffenbaus mithilfe des 3D-Drucks betroffen. Der von dem US-Amerikaner Cody Wilson ins Internet gestellte Bauplan für eine aus 18 Teilen bestehende Waffe aus dem 3D-Drucker wurde zwar vielfach heruntergeladen, ist jedoch schwierig zu reproduzieren. Auch gibt die Waffe letztlich nur einen Schuss ab, da sie durch ihre Verwen-dung zerstört wird, weil sie aus einem für diesen Zweck nicht geeigneten Material besteht (thermoplastischer Kunststoff – nur dieser ist „druckbar“). Allerdings hat die Ende 2014 von einem jungen Ingenieur entwickelte „Atlas Bullet“ das Potenzial, Wilsons Waffe doch noch zum traurigen Durchbruch zu verhelfen: Es handelt sich um eine Patrone mit deutlich ver-stärkter Hülse, die gleichsam als Druckkammer fungiert, so dass der Kunststoffkorpus der Pistole kaum mehr Druck ausgesetzt ist.

Viel wahrscheinlicher als das Ausdrucken kompletter Waffen ist es, dass mit den derzeit verfügbaren 3D-Druckern einzelne Teile einer Waffe hergestellt werden, die mit anderen metallischen Waffenteilen zu einer funktionstüchtigen Waffe zusammengesetzt werden. Das Motiv hierfür könnte beispielsweise der Ersatz von Waffenbauteilen sein, auf denen die Waf-fenregistrierungsnummer vorhanden ist.

Zwar mag mit zunehmendem Reifegrad der Technologie der Druck von Waffen mit entspre-chender Unterstützung in FabLabs oder hohem eigenen technologischen Know-how und adäquater Technologie möglich sein, jedoch wird auf lange Zeit der Erwerb von Waffen auf dem Schwarzmarkt einfacher als der heimische Druck sein. Ebenso muss festgestellt wer-den, dass Kunststoffwaffen, die von Metalldetektoren nicht entdeckt werden, auch mit kon-ventionellen Mitteln (Fräsen, Bohren, Spanen) ohne großen Aufwand hergestellt werden können.

Ökologische Implikationen des 3D-Drucks

Mit steigender Technologiereife können additive Fertigungsverfahren positive Auswirkungen auf den Ressourcen- und Energieverbrauch haben. Generell haben additive Fertigungsver-fahren den Vorzug, dass bei der Herstellung keine Materialabfälle wie bei abtragenden Fer-tigungsverfahren anfallen. Auch muss nicht zuerst für jedes Bauteil eine Gussform oder ähn-liches hergestellt werden. Die Fertigungsweise ist also insgesamt sehr materialeffizient. Überdies kann zukünftig Kraftstoff gespart werden, wenn eine Bauteilproduktion im lokalen FabLab durchgeführt und so der logistische Aufwand für die Belieferung des Endkunden minimiert wird. Ob allerdings der Energieverbrauch pro Bauteil bei der Produktion von Ein-zelteilen in Klein(st)serien im FabLab geringer ausfällt im Vergleich zur industriellen Mas-senproduktion mit ihren Transportwegen zum Endkunden, bleibt offen. Mittelbar ermöglichen additive Fertigungsverfahren Energieeinsparungen, da sie zur weiteren Verbreitung des Leichtbaus in der Automobilindustrie und in der Luftfahrt beitragen. Negative ökologische Effekte sind im Moment sicherlich von der zunehmenden Produktion von sinnlosen Produk-ten, wie sie mit 3D-Druckern für den Heimgebrauch möglich ist, zu erwarten, da der Ver-brauch an Kunststoffen zunimmt; hier ergibt sich eine Analogie zu den 2D-Druckern, die zu

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einem massiven Anwachsen des Papierverbrauchs geführt haben, allein deshalb, weil „alles Mögliche“ ausgedruckt werden kann. Ebenfalls können beim 3D-Druck potenziell gesund-heitsschädigende Emissionen von Nanopartikeln entstehen.

Zusammenfassend gibt es also noch einige offene Fragen mit Blick auf den Einsatz von Rohstoffen, den tatsächlichen Energiebedarf sowie den Life Cycle von Produkten und das Abfallmanagement.

Wirtschaftliche und gesellschaftliche Implikationen

Die Technologiereife der additiven Fertigung für die industrielle Produktion und des 3D-Drucks für den Heimanwender ist zurzeit noch nicht soweit fortgeschritten, dass die Verwirk-lichung von Visionen wie die vom „Prosumenten“, vom Reshoring oder vom Wiederbeleben regionaler Produktionsnetzwerke in die nahe Zukunft rückt. Neue Geschäftsmodelle und Wertschöpfungsketten werden zunächst auf die Konsumprodukteindustrie beschränkt blei-ben. In den nächsten 10 bis 15 Jahren sind allerdings tiefgreifende Veränderungen vor allem im B2B-Bereich zu erwarten, wenn beispielsweise Unternehmen, die Vorprodukte bzw. Halbzeuge von Zulieferern weiter verarbeiteten, in der Lage sind, diese Vorstufen ihres fina-len Produkts selbst herzustellen.

Aus bildungspolitischer Sicht ist es von großer Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland, rechtzeitig die Vermittlung von Ausbildungsinhalten zu additiven Fertigungsverfahren in die Lehrpläne aufzunehmen oder entsprechende betriebli-che Weiterbildungskonzepte umzusetzen. Derzeit werden als ein zentrales Diffusionshemm-nis für additive Fertigungsverfahren die diesbezüglich mangelnden Kenntnisse der Ingenieu-re benannt.

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2. Einleitung

Unter additiven Fertigungsverfahren werden solche Herstellungsverfahren zusammenge-fasst, mittels derer sich dreidimensionale Produkte über ein schichtweises Auftragen von Werkstoffen herstellen lassen. Hierdurch lassen sich Objekte mit komplexen geometrischen Strukturen erzeugen, daher auch die Bezeichnung „3D-Druck“. Erfunden wurde die Methode 1983 von dem US-Amerikaner Charles Hull (Ponsford und Glass 2014).

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren wie Bohren, Fräsen oder Drehen werden Materialien nicht abgetragen, um zum fertigen Produkt zu gelangen, sondern computerge-steuert schichtweise aufgetragen. Auch müssen keine aufwendigen Formen für die Herstel-lung der Produkte zum Beispiel über das Spritzgussverfahren erstellt werden. Verarbeitet werden flüssige, pulverförmige oder feste Werkstoffe, die mittels dreidimensionaler, im Computer erzeugter Konstruktionsvorlagen (CAD-Dateien, CAD steht für Computer Aided Design) in „zweidimensionale“ Schichten überführt werden. Diese Schichten sind je nach Anwendung und verwendetem Verfahren üblicherweise zwischen 0,001 und 0,2 mm dick. Zu den typischen verarbeiteten Werkstoffen zählen Kunststoffe, Metalle, Kunstharze und Kera-miken (VDI, 2014, S.5 f.). Darüber hinaus lassen sich Papier, Gips, Beton oder Schokolade verarbeiten (Gummich 2013). Neuere Entwicklungen gehen in Richtung druckbares Holz (Holz-Kunststoff-Kombination) und Polystyrole (Schneider 2013). In der biomedizinischen Forschung werden Versuche durchgeführt, menschliches oder tierisches Gewebe zu "dru-cken", indem ein Druckkopf lebende Zellen auf ein Stützgerüst aufträgt. Diese so kreierten Zellen sind bisher jedoch nur für sehr kurze Zeit überlebensfähig.

Additive Fertigungsverfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen und Metallen für industrielle Zwecke sind schon heute Stand der Technik und können in der Regel für fünfstellige Euro-beträge erworben werden. Die Verwendung anderer Werkstoffe wie zum Beispiel Keramik ist zurzeit noch weniger verbreitet (VDI 2014, S. 5). Potenziale werden in natürlichen, organi-schen, biokompatiblen, biologisch abbaubaren Werkstoffen sowie in technischen Thermo-plasten, Nano-Werkstoffen oder Metall-Kompositen gesehen (VDI 2014, S. 11).

Seit den ersten Versuchen mit der Stereolithographie Mitte der 1980er werden Prototypen und Produkte mittels dieser Technologien hergestellt. Verwendung finden additive Ferti-gungsverfahren schon seit vielen Jahren in der Medizin, etwa in der Zahntechnik oder für die Herstellung von Prothesen und Implantaten. Zudem fanden die Verfahren Eingang in andere Industrien wie Luft- und Raumfahrt, Automotive sowie Elektronik. Zunehmend verbreiten sich die additiven Verfahren auch in weiteren Anwendungsfeldern, um etwa Sportgeräte, Schmuckstücke oder Designobjekte herzustellen (DMRC 2011, S. 9).

Die Entwicklung von Anwendungsmöglichkeiten der additiven Verfahren wird maßgeblich durch das Auslaufen von Patenten mitbestimmt. Nachdem 2009 Grundpatente für das Fused Deposition Modeling (FDM) ausliefen, trug dies wesentlich zur Entstehung des Open Source 3D-Druckers RepRap bei. Das Angebot an 3D-Druckern stieg in der Folge explosionsartig an, was zu einer massiven Preissenkung führte (3Druck.com 2011a), wodurch entsprechen-de Geräte seit dem Jahr 2011 auch für Privatpersonen erschwinglich geworden sind. Am 28.01.2014 lief ein weiteres wichtiges Patent für das selektive Laserschmelzen aus. Für diese Technologie wird infolgedessen ein ähnlicher Innovationsschub erwartet (3Ders 2014), der sich voraussichtlich primär auf Innovationen mit Bedeutung für industrielle Anwendungen auswirken wird.

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3. Additive Fertigungsverfahren in der Industrie

3.1 Herstellung von Musterbauteilen und Werkzeugen Additive Fertigungsverfahren kommen bereits in zahlreichen Branchen zum Einsatz. Der Reifegrad und die Einsatzfähigkeit der Technologie sind je nach Sektor sehr unterschiedlich ausgeprägt. Der Stand der Technik reicht von ersten experimentellen Ansätzen über Markteinführungen bis hin zu schon seit vielen Jahren etablierten Standardverfahren.

Rapid Prototyping

Überwiegend werden additive Fertigungsverfahren für den schnellen Gebrauchsmusterbau eingesetzt (Rapid Prototyping) (Astor/Lukas 2013, S. 35; Interview Anonyma 2014). Sie er-möglichen den schnellen und günstigen Bau von Prototypen. Dies ist in dieser frühen Pro-duktentwicklungsphase bereits seit drei Jahrzehnten üblich (Interview Klemp 2014). Die Ver-fahren sind grundsätzlich in allen Branchen einsetzbar, in denen Prototypen entwickelt wer-den (Interview Anonyma 2014). Wohlers Associates1, eine US-amerikanische Beratungsfir-ma, sieht das Marktvolumen der additiven Fertigungsverfahren beim Rapid Prototyping so-gar noch anwachsen: von 1,5 Mrd. US-Dollar im Jahr 2012 auf 5 Mrd. US-Dollar im Jahr 2020 (Siemens 2014).

Rapid Tooling

Additive Fertigungsverfahren werden seit vielen Jahren in der Erzeugung von Werkzeugen und Formen angewandt (Rapid Tooling). Damit werden Werkzeuge für die konventionelle Massenproduktion ebenso hergestellt wie Spezialwerkzeuge. Für die europaweite Opel2 Adam-Produktion werden beispielsweise rund 40 verschiedene, additiv hergestellte Monta-gewerkzeuge aus Kunststoff eingesetzt (Pudenz 2014a).

Der Werkzeug- und Formenbau zählt zu den teuersten und zeitintensivsten Schritten im gesamten Produktionsprozess. Neben möglicher Kosten- und Zeitersparnisse in Abhängig-keit des eingesetzten additiven Verfahrens im Vergleich zu den konventionellen Herstel-lungsverfahren (z.B. Spritzguss) besteht ein zentraler Vorteil der additiven Fertigung darin, dass zusätzliche Funktionalitäten in die Werkzeuge eingebaut werden können, wie z.B. Kühlkanäle in Gussformen (DMRC 2011, S. 39), die bessere thermische Eigenschaften und damit eine verlängerte Lebensdauer der Werkzeuge und Formen ermöglichen (DMRC 2011, S. 12).

3.2 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten in den Vorreiterbranchen Zur Fertigung von funktionstüchtigen Bauteilen und Produkten (Rapid Manufacturing) kom-men additive Fertigungsverfahren zurzeit im Wesentlichen in der Luft- und Raumfahrt, der Automotive-Industrie, der Elektronik sowie der Medizin- und Dentaltechnik zur Anwendung. In diesen Branchen kommen die Eigenschaften und Vorteile der additiven Fertigungsverfah-ren besonders zum Tragen. Dazu zählen:

1 https://www.wohlersassociates.com/ 2 http://www.opel.de/

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Objekte können rein nach funktionalen Gebrauchskriterien erstellt werden; ein „Design for Manufacturing“ ist nicht mehr nötig.

Ein Höchstmaß an Individualisierung kann realisiert werden. Es sind Formgebungen möglich, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht oder

nur sehr aufwendig realisiert werden können. Wo in herkömmlichen Produktionsprozessen Objekte in mehreren Schritten auf verschie-

denen Maschinen verarbeitet werden, ermöglichen additive Fertigungsverfahren die Her-stellung von Komponenten mit einem einzigen Gerät.

Die Materialvielfalt (Metalle, Keramiken, Polymere) für laserbasierte additive Fertigungs-verfahren ist ausreichend, um vielfältige und komplexe Produkteigenschaften realisieren zu können.

Eine hohe Materialeffizienz in der Fertigung kann erreicht werden. In laserbasierten additiven Fertigungsanlagen können direkt optische Systeme zur Echt-

zeit-Qualitätskontrolle integriert werden, die unmittelbar das im „Druckvorgang“ emittierte Laserlicht nutzen.

In Abhängigkeit des eingesetzten additiven Fertigungsverfahrens kann eine hohe Präzi-sion (Toleranzen von unter 30 Mikrometer) und eine hohe Qualität (die Materialdichte bei metallischen Elementen liegt bei 99 % des Rohmaterials; durch das Laserschmelzen ent-stehen also keine Hohlräume o.ä. im Material) erreicht werden.

Die gängigen Technologien im Bereich additiver Fertigungsverfahren sind a) Extrusionsver-fahren und b) pulverbasierte Verfahren. Bei Extrusionsverfahren werden vorwiegend Kunst-stofffilamente durch eine beheizbare Düse gepresst und in geschmolzener Form (je nach verwendetem Kunststoff bei ca. 200 Grad Celsius) an den gewünschten Stellen auf eine Objektoberfläche aufgebracht (VDI 2014, S. 4). Das bekannteste Extrusionsverfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM Schmelzschichtung) (Fastermann 2012, S. 169).

Bei den pulverbasierten Verfahren werden pulverisierte Materialien aufgetragen und durch den Einsatz eines Lasers an der gewünschten Stelle verschmolzen. Das Lasern eignet sich sowohl für die Verarbeitung von Kunststoffen (primär Lasersintern) als auch Metallen (primär Laser-Strahlschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen) (VDI 2014, S. 4). Zu den verwendeten Ausgangsstoffen, der Verschmelzungsart und typischen Anwendungen gibt Tabelle 3 im Anhang Auskunft.

Die Schwierigkeiten für einen umfänglichen Einsatz der additiven Fertigungsverfahren be-stehen zurzeit noch darin, dass jedes dieser Verfahren sowohl Vor- als auch Nachteile auf-weist. So lässt sich beispielsweise mit der Stereolitografie oder dem Single Jet Inkjet eine hohe Präzision des gefertigten Bauteils erreichen. Gleichzeitig mangelt es beiden Verfahren jedoch an einer zufriedenstellenden Fertigungsgeschwindigkeit. Ebenso fehlt der Stereolito-grafie die Möglichkeit, verschiedene Farben zu verarbeiten. Bei Single Jet Inkjet ist nicht nur die Materialauswahl eingeschränkt, sondern auch die ausdruckbare Größe der Bauteile. Lasersintering und Laserschmelzen erreichen zwar ebenfalls eine gute Präzision, auch kön-nen vielfältige Materialien eingesetzt werden, jedoch gibt es Einschränkungen bei Größe und Masse. Überdies ist hier die Oberflächenveredelung mangelhaft und der Systempreis für Anlagen sehr hoch (Hagl 2015). Bei einigen additiven Fertigungsverfahren sind noch kom-plexe Nachbearbeitungen notwendig, um die gewünschten Eigenschaften sicherzustellen. So werden die Bauteile zur Festigung u.a. mit Kunststoffharzen infiltriert oder beschichtet oder durchlaufen einen anschließenden Sinterprozess.

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Im Folgenden wird ein Überblick zu allen Anwendungsbranchen der additiven Fertigungsver-fahren mit typischen Anwendungsbeispielen auch jenseits des Rapid Prototypings gegeben. Der Vollständigkeit halber wird dabei sowohl auf die Vorreiterbranchen als auch auf Ein-satzmöglichkeiten und -versuche in anderen Branchen, in der Wissenschaft oder beim Militär eingegangen. Auch die jüngst in den Medien verstärkt diskutierten Zukunftsvisionen im Be-reich der Medizin, beispielsweise das „Drucken“ von funktionsfähigen Organen, wird kurz skizziert.

Luft- und Raumfahrt

Der Luft- und Raumfahrtsektor steht an der Speerspitze der Anwenderbranchen und gilt als der Bereich, in dem additive Fertigungsverfahren bis heute ihr größtes Potenzial entfalten konnten (DMRC 2011, S. 15).

Luftfahrt

Additive Verfahren sind in der Luftfahrtindustrie von besonderem Interesse, weil damit kom-plexe, hochwertige Leichtbauteile mit neuen Eigenschaften und Funktionen kostengünstig realisiert werden können. Anwendung finden die Verfahren vor allem bei solchen Bauteilen, die aufgrund von Gewichtsreduktionen zu Treibstoffeinsparungen oder aufgrund neuer Kon-struktionsweisen zur Reduktion von Lärmemissionen führen (Interview Klemp 2014).

Ein Beispiel hierfür ist eine von General Electric3 entwickelte, durch den Einsatz von Metall-Laser-Schmelztechnologie herstellbare Brennerdüse, die u.a. in den Strahltriebwerken des Airbus A320 zum Einsatz kommen soll. Im Vergleich zu Brennerdüsen aus traditioneller Fer-tigung bestehen diese nur noch aus einem einzigen Bauteil, das leichter, stabiler und ge-genüber hohen Temperaturen widerstandsfähiger ist (Dürand et al. 2014). Laut Klemp (2014) lässt sich dadurch der Treibstoffverbrauch um 3 % reduzieren. Der verantwortliche General Electric Manager Greg Morris hebt zudem die Vereinfachung der Fertigung hervor: „Jeder Drucker ersetzt bis zu 70 herkömmliche Werkzeugmaschinen.“ (zitiert nach Dürand et al. 2014).

Die zukünftigen Herausforderungen für eine weitere Technologiedurchdringung der additiven Fertigungsverfahren liegen dabei weniger in der Produktion und Wertschöpfung als vielmehr bei der Markteinführung aufgrund der im Luftverkehr üblichen strikten Auflagen zur Zertifizie-rung (Interview Piller 2014).

Nichtsdestotrotz verkündete der deutsche Marktführer MTU Aero Engines4 im März 2014 als eines der ersten Unternehmen, additive Verfahren zur Massenproduktion von Industrieendo-skop-Naben mit einer Nickellackierung für den neuen Airbus A320neo zu nutzen. Die Ferti-gungskapazitäten sollen ab 2015 auf Basis der additive Fertigungstechnologie Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting) weiter ausgebaut werden (MTU 2014; Wendland 2014).

Raumfahrt

Bei einem Versorgungsflug im Sommer 2014 hat die NASA5 einen 3D-Drucker zur internati-onalen Raumstation ISS gesendet. Die Idee besteht darin, Ersatzteile im Weltall direkt vor

3 http://www.ge.com/de/ 4 http://www.mtu.de/de/ 5 https://www.nasa.gov/

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Ort ausdrucken zu können (Gotzner 2013). Zunächst soll die Funktionsfähigkeit des 3D-Druckers in der Schwerelosigkeit geprüft werden (Cooper 2014). Weiterführende Überlegun-gen gehen dahin, zukünftige Marsmissionen mit 3D-Druckern auszustatten, die mit Hilfe von in Bioreaktoren erzeugten Biopolymeren Bausegmente für eine Marsbasis und Ersatzteile nach Bedarf produzieren sollen. So könnte der Transportbedarf von Baumaterialien um meh-rere Tonnen verringert werden (Dambeck 2014).

Auch die ESA6 testet seit 2013, ob sich eine Mondbasis mit Hilfe von additiven Fertigungs-verfahren aus lunaren Materialien erstellen lässt (SPON/chs 2013). Damit könnten logisti-sche Herausforderungen bei einer eventuellen Besiedlung des Mondes vereinfacht werden. Noch arbeiten die 3D-Drucker jedoch am besten bei Raumtemperaturen und sind nicht auf die Bedingungen des Mondes angepasst (Holland 2013).

Automotive-Industrie

Im Automobilsektor werden ebenfalls Leichtbauteile benötigt, weshalb hier der Einsatz addi-tiver Fertigungsverfahren gut geeignet ist. Seit 2000 werden additive Fertigungsverfahren für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. Noch vor der Serienproduktion werden damit Minia-turmodelle und Bauteile in Originalgröße für Analysen und Tests gefertigt. Darüber hinaus finden sich Anwendungen für die Herstellung von Einzelteilen für Luxuswagen oder Oldtimer (Interview Klemp 2014).

Die Hoffnung besteht darin, nicht nur Prototypen oder Einzelteile zu fertigen, sondern Modu-le und in Zukunft sogar vollständige Karosserien in Serienproduktion zu drucken. Bei der Herstellung vollständiger Karosserien mittels additiver Fertigungsverfahren handelt es sich jedoch um eine Vision, die noch weit von der industriellen Anwendung entfernt ist (Brünglin-ghaus 2014). Dennoch beeinflussen additive Fertigungsverfahren bereits heute Designüber-legungen in der Automobilbranche, beispielsweise im Hinblick auf die Optimierung von Ka-rosserien für den Insassenschutz: Mit Hilfe der additiven Fertigung hat die in Fulda ansässi-ge EDAG Engineering AG7 mit ihrem Konzept „Genesis“ erstmals eine hochkomplexe Ka-rosserieskulptur hergestellt, die dem bionischen Muster eines Schildkrötenpanzers nach-empfunden ist und die Basis für neue Sicherheitsstandards im Auto setzen könnte (EDAG 2014).

Im Herbst 2014 verkündete die Firma Local Motors8 den erstmaligen Druck eines kompletten funktionstüchtigen Autos. Das aus 49 Einzelteilen bestehende, als „Strati“ (Italienisch für „Schichten“) bezeichnete Auto wurde in 44 Stunden von der Firma Local Motors gebaut (ein konventionell hergestelltes Fahrzeug besteht aus 5000 Teilen). Allerdings wurde nur das Fahrgestell und die Karosserie „ausgedruckt“, sie bestehen aus mit Carbonfasern verstärk-tem Kunststoff. Alle anderen Einzelteile wie Batterie, Motor etc. sind konventioneller Mach-art. Das Elektroauto „Strati“ erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h (Goldbacher 2014). Die Herstellerfirma bemüht sich gegenwärtig um eine Straßenzulassung bei der Ver-kehrsaufsicht, mit dem Ziel, Ende 2015 die ersten Bestellungen und somit die Produktion aufnehmen zu können. Es wird erwartet, dass das Fahrzeug zwischen 18.000 und 30.000 US-Dollar kosten wird (Stern 2015).

6 http://m.esa.int/ESA 7 http://www.edag.de/edag.html 8 https://localmotors.com/

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Elektronik

Elektronische Bauteile müssen aufgrund ihres Einsatzes in Geräten mit kurzen Innovations- und Lebenszyklen immer wieder neu angepasst werden. Wesentliche Anwendungsfelder bestehen daher in der Produktion von Werkzeugen für die Herstellung von Elektronikbautei-len bzw. im Bau der Elektronikteile selbst. Bei zunehmender Technologiereife können additi-ve Fertigungsverfahren auch für die Herstellung von dreidimensionalen Schaltungsträgern verwendet werden, die bisher üblicherweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Schaltungsträger bestehen aus einem dreidimensionalen Kunststoffbauteil, auf dem mittels eines Lasers ein Schaltungslayout zunächst appliziert und anschließend metallisiert wird. Dreidimensionale Schaltungsträger sind vor allem wegen ihres hohen Miniaturisierungspo-tenzials vielfältig einsetzbar, beispielsweise in der Antennen-, Sensor- oder Medizintechnik (Zühlke 2014).

Zusätzlich zum Schaltungsaufbau auf Kunststoffträgern wird auch der Einsatz additiver Ver-fahren zum Schaltungsaufbau auf metallischen Grundkörpern erwartet. Aktuell ermöglicht ein neues Verfahren die Verwendung metallischer Körper als Schaltungsträger, auf dem Pulverlack aufgebracht und mit dem Laser strukturiert wird (vgl. Interview mit Johann Weber von Zollner Elektronik in Zühlke 2014).

Weitere Anwendungsbereiche für additive Fertigungsverfahren sind die Herstellung von RFID-Chips oder MEMS (micro-electromechanical systems) (DMRC 2011).

Die Vision des Einsatzes additiver Fertigungsverfahren im Bereich der Elektronik besteht darin, elektronische Funktionalitäten in Bauteile mit sehr komplexen Geometrien einzubetten und damit Bauteile mit integrierter Elektronik herzustellen. Dazu sollen neben der Trä-gerstruktur zeitgleich mikroelektronische Strukturen (Leitungen, Kondensatoren, Transforma-toren, Widerstände, Schaltkreise) schichtweise aufgebaut werden. Beispielsweise bietet die Firma WZR Ceramic Solutions GmbH9 ein Verfahren an, in dem Tinten mit Metall- oder Ke-ramikpartikeln verwendet werden (Michel 2013).

Medizintechnik, Prothetik, Dentaltechnik, medizinische Hilfsmittel

Additive Fertigungsverfahren sind in der Dental- und Hörgerätetechnik schon heute marktfä-hig und etabliert. Für die Herstellung von individuell angepassten Hörgeräten werden die Gehörgänge per Laser ausgemessen und ein auf das Ohr angepasstes Innenteil additiv gefertigt (Interview Klemp 2014).

Seit 2000 ist es auch möglich, einen digitalen 3D-Scan des Mundinnenraums aufzunehmen, um auf dieser Basis Zahnersatz mithilfe von 3D-Druckern aus Keramik zu fertigen. Im Ver-gleich zur konventionellen Herstellung (Fräsen) hat das Verfahren jedoch den qualitativen Nachteil, dass bei der additiven Fertigung raue Oberflächen entstehen, was eine Nachbear-beitung notwendig macht (Fittkau 2013). Im Bereich Dentaltechnik sind bereits erste Geräte auf dem Markt, mit denen sich ca. 450 Kronen am Tag kosteneffizient produzieren lassen (FAQ-Consulting 2014, S. 1), während sich mit herkömmlichen Methoden nur ca. 20 Kronen pro Tag und Gerät herstellen lassen (Klein 2013, S. 76 f.). Einige dieser Maschinen werden von den bayerischen Firmen EOS GmbH10 und Concept Laser GmbH11 vertrieben. Der Be-

9 http://wzr.cc/ 10 http://www.eos.info/ 11 http://www.concept-laser.de/

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reich Dentaltechnik gilt als Innovationstreiber für additive Fertigungsverfahren, weil zukünftig immer mehr Dentallabore ganze Zähne, Brücken, Kronen und Dentalmodelle damit fertigen werden. Sackmann (2014) verweist auf eine Studie des Marktforschungsinstitutes IDTech-Ex12 (3D Printing 2015-2025: Technologies, Markets, Players), laut welcher in den nächsten zehn Jahren ein Wachstum der Branche um das Fünffache zu erwartet sei.

In der Prothetik und Implantologie sind additive Fertigungsverfahren noch in einer früheren Phase der Entwicklung (Ott 2014), haben aber bereits einige Anwendungsfelder. Im Bereich Knochenersatz finden mittels additiver Fertigungsverfahren gefertigte Implantate schon Ein-satz, etwa bei der Rekonstruktion von Schädel- oder Kieferknochen nach Brüchen durch Unfälle oder nach Tumorerkrankungen (Interview Klemp 2014, Albes 2014). Zum Beispiel wurde 2014 erstmalig eine additiv gefertigte künstliche Schädeldecke aus Kunststoff ver-pflanzt (Krämer 2014a). Seit ca. drei Jahren werden in Deutschland zunehmend passgenaue Kniegelenke aus Kunststoff (Polyethylen) eingesetzt. In Deutschland ist das Klinikum Dort-mund Vorreiter, das jährlich ca. 250 additiv gefertigte Kniegelenke implantiert (Lindekamp 2015). Hierfür werden die Daten aus Computer-Tomografie-Aufnahmen des Kniegelenks nach Boston gesendet, wo die Prothese gefertigt wird. Die Kosten für dieses Verfahren sind im Vergleich zur nicht individuell angepassten Knieprothese mit ca. 1.000 Euro nur unwe-sentlich höher. Inwieweit die individualisierte Knieprothese wie erhofft zur besseren Gene-sung beiträgt, muss sich jedoch noch zeigen (WDR 2014). Weitere Beispiele für bereits ver-pflanzten Knochenersatz sind Wirbelkörper und Hüftprothesen (3Druck.com 2014a). Darüber hinaus gibt es einige Unternehmen und Projekte, die sich mit orthopädischen Schuheinlagen beschäftigen (3D Orthotics13, SOLS14 (3Druck.com 2014b), RSPrint15 und A-FOOTPRINT16). Weitere Ziele sind vor allem preisgünstige Arm-, Hand- oder Beinprothesen zum Beispiel für Opfer von kriegerischen Auseinandersetzungen oder Menschen in Entwick-lungsländern (Kuther 2013), wobei die Konstruktionspläne als Open Source zur Verfügung gestellt werden und so gefertigte Prothesen nur wenige 100 US-Dollar kosten sollen (McCracken 2014). Bislang beziehen sich solche Überlegungen allerdings auf ein einzelnes, von der Firma Not Impossible Labs17 finanziertes Wohltätigkeitsprojekt. Inwieweit diese Idee finanziert und vor Ort umgesetzt werden kann, ist noch ungeklärt.

3.3 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten in den Kreativbranchen

Architektur

Im Jahr 2013 verkündete das niederländische Architekturbüro Universe Architecture18, ein Haus mithilfe additiver Fertigungsverfahren zu bauen. Das Haus hat die Gestalt einer End-losschleife in Form einer liegenden Acht. Dazu sollen mehrere, jeweils 6 mal 9 Meter große Teilstücke gedruckt werden, aus denen das Haus zusammengesetzt wird. Der hierzu benö-tigte sehr großer 3D-Drucker namens D-Shape benutzt als Werkstoff eine Mischung aus Sand und Bindemittel, die sich während des Druckvorgangs zu einem marmorähnlichen Material verbindet. Die Kosten pro Haus belaufen sich schätzungsweise auf vier bis fünf Mio.

12 http://www.idtechex.com/ 13 http://www.3Dorthotics.com.au/ 14 http://www.sols.com/sols/tech 15 http://www.rsprint.be/ 16 http://www.afootprint.eu/ 17 http://notimpossible.com/ 18 http://www.universearchitecture.com/

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Euro. Die Fertigstellung war ursprünglich für 2014 geplant, nunmehr für 2015 (SPON/mak 2013).

Auch in anderen Ländern wird an der Konstruktion ganzer Häuser mithilfe additiver Ferti-gungsverfahren geforscht. Beispielsweise arbeitet die University of Southern California mit der Firma Contour Crafting19 an Häusern, die theoretisch innerhalb von 24 Stunden gedruckt werden können. Dabei sollen erhebliche Materialeinsparungen möglich sein, weil keine Ab-fälle entstehen. Zudem ließen sich der Bauprozess beschleunigen und die Zahl an Arbeits-unfällen im Bausektor reduzieren. Als mögliche Einsatzgebiete werden der Wohnungsbau in ärmeren Ländern oder in Krisengebieten, die Erstellung von Notunterkünften nach Naturka-tastrophen oder die Besiedlung des Weltraums beschrieben.

In China ist es bereits gelungen, an einem Tag zehn sehr kleine Häuser zu drucken. Die von der Firma Shanghai WinSun Decoration Design and Engineering20 gefertigten Häuser haben nur eine Etage, eine Grundfläche von ca. vier mal sechs Metern und kosten rund 4.800 US-Dollar. Dazu stellt der 3D-Drucker Bauteile aus zu flüssigem Beton recyceltem Baumaterial her, die Hohlraumbausteinen ähneln und Öffnungen für Fenster, Wasser- oder Stromleitun-gen vorsehen. Der Vorteil der additiven Fertigung im Vergleich zu konventionellem Verfah-ren besteht hier vor allem in der Vermeidung von Abfällen (SPON/hda 2014).

Es ist zu beobachten, dass eine wachsende Zahl von Architekten die neuen Möglichkeiten der additiven Fertigung für ihre Entwürfe nutzen. Der New Yorker Architekt Kusher plant beispielsweise, den von Enrico Dini konstruierten 3D-Drucker D-Shape, der auf dem Verfah-ren der Laser-Stereolitografie basiert, zur Realisierung eines Großprojekts zu verbessern. In mehreren Bauphasen soll so ein komplettes Anwesen mit 4-Zimmer Haus, Swimming-Pool und einem Pool-Haus realisiert werden. Zunächst soll der Swimming-Pool "gedruckt" wer-den, da dieser sich am leichtesten mit D-Shape realisieren lässt. Für den Druck der Häuser muss D-Shape technisch verbessert werden, hier bestehen die Herausforderung im Druck des Dachs und der Verwendung von Betonstahl. Geplant ist, einzelne Bauteile des Hauses in Container-Größe (Kantenlänge fünf Meter) zu drucken. Andere Größendimensionen las-sen sich aufgrund der Abmessungen von 3D-Shape nicht realisieren.

Grundsätzlich besteht das Potenzial der additiven Fertigung im Bausektor nicht nur darin, die kreativen Möglichkeiten in der Architektur zu erweitern, sondern auch in der perspektivi-schen Verringerung der Kosten für den Hausbau, wenn die Technologie weiter ausgereift ist.

Design/Möbelindustrie/Kunst

Einige Designer kreieren und verkaufen mittels additiver Fertigungsverfahren hergestellte Designerstücke wie Möbel oder Lampen. Dementsprechend wurden in den vergangenen Jahren auch immer häufiger additiv gefertigte Einrichtungsgegenstände auf Möbel- und De-signermessen präsentiert (DeAvita 2013). Mithilfe der additiven Fertigung werden die Ge-genstände entweder direkt hergestellt oder aber Sandgussformen produziert, die als Guss-form für die Herstellung der Designermöbel dienen (z. B. von der bayerischen Firma Voxel-jet21). Durch die additive Fertigung lassen sich auch völlig neue Designs erstellen, die mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden nicht produziert werden konnten.

19 http://www.contourcrafting.org/ 20 http://www.yhbm.com/ 21 http://www.voxeljet.de/

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Einer der Pioniere in dem Feld ist die in Amsterdam ansässige und bereits im Jahr 2000 in Helsinki gegründete Firma „The Freedom Of Creation“22. Das Unternehmen verkauft Gegen-stände mit filigranen Strukturen unterschiedlichster Art, wie Skulpturen, Handyschalen, Mö-bel, Lampen oder Schmuck. Im Jahr 2010 zeigte die belgische Firma Materialize23 erste Möbelstücke aus dem 3D-Drucker auf verschiedenen Messen. Später gründete die Firma das Tochterunternehmen i.materialise24, das mit Designern zusammenarbeitet. Hier lassen sich über eine Internetseite von Designern, die an unterschiedlichen Standorten weltweit ansässig sind, entworfene Objekte kaufen oder auch nach eigenen Entwürfen fertigen.

Das 2014 gegründete Berliner Start-up Unternehmen BigRep25 hat einen 3D-Drucker mit einem Volumen von 1,3 m³ entwickelt, sodass auch große Objekte wie Stühle, Couchtische oder Sideboards ausgedruckt werden können. Das Angebot richtet sich aufgrund der noch hohen Kosten primär an Architekten und Designer. Es werden unterschiedliche Materialien verwendet, wie Laywood – eine Mischung aus Polymeren und Holzfasern, die Holz sehr ähnlich sieht – oder Laybrick, das raue Oberflächen vergleichbar mit Sandstein hervorbringt (Söldner 2014). Laut Firmenwebsite werden bevorzugt recyclebare Polymere verarbeitet.

Ein weiteres Beispiel ist die US-amerikanische Firma 4AXYZ, die sich auf additiv gefertigte Holzmöbel spezialisiert hat. Dazu bringt das Unternehmen mittels eines Druckverfahrens Holzfasern in Form von Schichten auf, so dass dreidimensionale Formen entstehen. Mit diesem Verfahren können auch ergänzende Elemente in bereits bestehende Strukturen von Möbeln aufgebracht werden. Darüber hinaus kann Elektronik in die Möbel integriert werden. Durch den additiven Aufbau soll ein Großteil (bis zu 50 %) des Verschnitts, der beim konven-tionellen Möbelbau anfällt, eingespart werden (Luimstra 2014).

Auch in der Kunst werden additive Fertigungsverfahren immer beliebter. Zahlreiche Künstler bieten ihre damit gefertigten Skulpturen in limited editions zum Verkauf an. Es existieren darüber hinaus User-Foren zum künstlerischen Umgang mit den Möglichkeiten der additiven Fertigung.26

Spielzeug, Computerspiele und Fertigung von Sammlerstücken

Mittlerweile bieten zahlreiche Unternehmen die Möglichkeit, lebensechte Figuren auszudru-cken, wozu ein 3D-Scan durchzuführen ist. Eine 15 cm hohe Figur kostet zurzeit rund 200 Euro. Einige Beispiele sind die Firmen twinkind27 (Hamburg), Botspot28 (Berlin), 3D-Generation29 (Dortmund), Mr. Make30 (Karlsruhe), Figurdruck (Tarp in Schleswig-Holstein), Omote (Harajuku, Japan) oder Kloneworld31 (Singapur).

Ein weiteres Anwendungsfeld sind Sammelfiguren und Avatare. Die Firma Chimperator32 beispielsweise bietet eine 3D-Sammelfigur des Musikers Cro für 119 Euro an. Das 2014

22 http://www.freedomofcreation.com/ 23 http://materializecss.com/ 24 https://i.materialise.com/ 25 http://bigrep.com/ 26 http://www.digitalartsonline.co.uk 27 http://www.twinkind.com/ 28 http://www.botspot.de/de/ 29 http://www.3Dgeneration.com/ 30 http://www.mrmake.de/ 31 http://www.kloneworld.com/ 32 http://chimperator.de/

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erschienene Computerspiel Evolve warb im Vorfeld mit dem Ausdruck der Spielfiguren auf dem heimischem 3D-Drucker, wofür die Konstruktionsdateien zum Download angeboten wurden (3Druck.com 2014c). Auch das Onlinespiel „World of Warcraft“ bietet seit 2013 die Möglichkeit, die eigenen Avatare als 3D-Figur additiv fertigen zu lassen.33 Auf der Webseite Sculpteo34 können 3D-Figuren in großer Themenvielfalt und unterschiedlichsten Materialien erworben werden. Es handelt sich um ein Shop-in-Shop-System, also eine Plattform, auf der weitere Verkäufer ihre eigenen Modelle anbieten. Der Ausdruck erfolgt von Sculpteo, ebenso können eigene Vorlagen gedruckt werden.

In der Spieleszene wird der 3D-Drucker schließlich auch dazu genutzt, um eigene Joysticks zu fertigen bzw. zu kreieren. Auf der Webseite Yeg35 beispielsweise stehen derzeit rund 150 entsprechende Konstruktionsdateien zum freien Download zur Verfügung.36

Film und Fernsehen

Im Bereich Film und Fernsehen kommen additive Verfahren zum Einsatz, wenn es bei-spielsweise um die Produktion von Requisiten (wie Masken, Rüstungen, Waffen), Kulissen, (Modell-)Fahrzeugen oder Konzeptmodellen geht. Die Kerpener Firma Kubikwerk/Fabrica37 oder die britische Firma Propshop Modelmakers38 bieten hierzu Lösungen an.

Die so gefertigten Modelle eignen sich sehr gut für Filme mit Spezialeffekten. Für den James Bond Film „Skyfall“ beispielsweise erstellte die bayerische Firma Voxeljet39 drei Modelle eines Sportwagens (Hubschmid 2013).

3.4 Sonstige industrielle Anwendungsmöglichkeiten

Textilien und Bekleidungsindustrie

Im zivilen Textil- und Kleidungsbereich fokussieren sich die Einsatzmöglichkeiten der additi-ven Fertigung gegenwärtig eher auf experimentelle und künstlerische Anwendungen (Inter-view Klemp 2014). Im militärischen Bereich werden Kleidung und Schutzausrüstungen für Soldaten entwickelt, die den Komfort und die Sicherheit steigern sollen (Benson 2014) (aus-führlich Kap. 3.5).

Es gibt Unternehmen wie feetZ40 oder Three Over Seven41, die Schuhe mithilfe additiver Fertigungsverfahren herstellen. Ein weiteres Beispiel ist das Start-up Unternehmen Joyfit, das beabsichtigt, individualisierte BHs gegebenenfalls mit eingebauten Biosensoren als Health- oder Fitness-Tracking-Device zu drucken (3Druck.com 2014d). Weil BHs körpernah getragen werden, eignen sie sich gut für die Platzierung von Biosensoren.

33 http://www.figureprints.com/wow 34 http://www.sculpteo.com/de 35 http://www.yeggi.com/ 36 http://www.yeggi.com/q/joystick/?s=tt 37 http://www.fabrica3-D.de/ 38 http://www.propshop.co.uk/ 39 http://www.voxeljet.de/ 40 http://www.feetz.com/ 41 http://3over7.com/

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Erste Ansätze verfolgen zum Beispiel die Idee, Textilien auf Faserbasis zu drucken. Das britische Unternehmen Tamicare42 experimentiert etwa mit verschiedenen flüssigen Poly-merarten (Latex, Silicon, Polyurethane, Teflon) und mischt diese im Druckvorgang mit Textil-fasern aus Baumwolle, Viscose und Polyamid. Bereits entwickelt wurde ein atmungsaktives Gewebe mit der Bezeichnung Cosyflex, das aus einer Mischung von Baumwollfasern und Latex besteht. Das Material ist dehnbar und biologisch abbaubar und soll zum Beispiel zur Produktion von Ein-Weg-Unterhosen eingesetzt werden (Wieselsberger 2013).

Der finnische Designer Janne Kyttanen experimentiert im Projekt „Lost Luggage“ mit der Idee, Garderobe vor Ort in Hotels auszudrucken, wenn ein Reisender z.B. seinen Koffer verloren hat oder nur mit leichtem Gepäck verreisen möchte (SPON/ele 2014). Einen ähnli-chen Ansatz verfolgt der Industriedesigner Joshua Harris mit dem „Clothing Printer“, der Kleidung zu Hause auf der Basis von „Schnittmustern“ aus einem Online-Shop ausdrucken können soll. Die dazu notwendigen Textilien sollen in Druckerkartuschen nach Hause gelie-fert werden und können auch aus den Fasern alter Kleidungsstücke bestehen. So ließen sich alte Kleider umweltschonend mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren recyceln (Krämer 2014b).

Die holländische Modedesignerin Iris van Herpen probiert sich in neuen Designs in Form gedruckter Kleidung, die allerdings eher künstlerischen als praktischen Ansprüchen gerecht wird (Bender 2013). Die Künstlerin Anna Wilhemi hat Modeaccessoires gedruckt, die den Panzern amerikanischer Rugbyspieler nachempfunden sind.43

Sportgeräteindustrie

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren im Sportbereich zielt vor allem auf die Her-stellung von Sportgeräten und -accessoires, die der Vermeidung von Verletzungen dienen sowie zur Erhöhung des Tragekomforts durch Individualisierung der Produkte beitragen sol-len. Typische Einsatzgebiete sind individualisierte Sport- und Trainingsschuhe, Skibindun-gen, Helme und Protektoren (DMRC 2014, S. 33).

In der Presse findet sich eine Vielzahl von Meldungen über konkrete Anwendungsbeispiele: Golfschläger, Surfbretter, Fahrradrahmen, Skischlitten, Titanhufeisen für Rennpferde, Fuß-balltaschen, Schuhsohlen etc. (3D Grenzenlos 2014). Der in der Aufzählung genannte Ski-schlitten etwa wurde vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM44 für den Biathle-ten Martin Feig entwickelt, der damit auf der Paralympics-Olympiade in Sotchi angetreten ist (Fraunhofer 2014).

Nahrungsmittelindustrie

Zurzeit werden weltweit ca. elf verschiedene Geräte zum "Drucken" von Nahrungsmitteln wie Nudeln, Fleisch, Schokolade, Kekse, Backwaren oder ganze Gerichte wie Pizza entwickelt, von denen die meisten noch im Prototypenstadium sind (Molitch-Hou 2014). Einzig der Food-Drucker namens Foodini (Rixecker 2014) des Start-up Unternehmens Natural Machi-nes aus Barcelona sollte laut Technology Review (7/2014) bereits im Jahr 2014 für einen Preis von 1.000 Euro auf den Markt kommen, allerdings verzögert sich die Markteinführung noch (Stand August 2016). Als Rohzutaten gibt es Teig oder püriertes Gemüse aus Edel-

42 http://www.tamicare.com/ 43 http://www.blue-production.de/files_db/1375169546_9306__6.pdf 44 http://www.iwm.fraunhofer.de/

http://www.blue-production.de/files_db/1375169546_9306__6.pdf

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stahlkartuschen. Diese stehen unter Druck und sind individuell beheizbar, sodass das Essen servierfertig aus dem Drucker kommt.

Die NASA entwickelt in einem mit 125.000 US-Dollar dotierten Forschungsprojekt einen Nahrungsmitteldrucker zusammen mit der Firma Systems and Materials Research Corpora-tion in Texas. Der Drucker hat zwölf austauschbare Kartuschen, die pulverisierte Nahrungs-mittel enthalten, welche direkt am Austrittspunkt des Druckkopfs mit Wasser oder Öl ver-mischt werden. Er soll in ferner Zukunft z.B. auf Flügen zum Mars zum Einsatz gelangen (Schwan 2013). Eine weitere Zielgruppe für Nahrung aus dem 3D-Drucker sind etwa Men-schen mit Kau- und Schluckbeschwerden, die Nahrung nur in Form von Brei zu sich nehmen können. Im europäischen Forschungsvorhaben Performance45 (beendet 2015) ging es bei-spielsweise darum, diesen Menschen ein visuell ansprechendes Essen zu bieten. Im Vorha-ben war die deutsche Firma Biozoon aus Bremerhaven treibende Kraft.

Inwieweit für entsprechende Geräte die Bezeichnung "3D-Nahrungsmitteldrucker" zutrifft, ist allerdings oft fraglich: Vielfach werden die Zutaten lediglich mit einem elektronisch gesteuer-ten Spritzsack auf einer ebenen Unterlage aufgebracht, ohne dass dabei dreidimensionale Objekte entstehen (zum Beispiel beim "Drucken" einer Pizza oder von Keksen).

3.5 Additiver Fertigungsverfahren in Militär und Wissenschaft und Zu-kunftsvisionen in der Medizin

Rüstungsindustrie / Militär

Die NATO beschäftigt sich seit 2006 in verschiedenen Studien mit additiven Fertigungsver-fahren (Vergin et al. 2013, S.8). Schwerpunkte der Studien lagen auf der Eignung der Ver-fahren für die Reparatur und Fertigung von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt sowie auf neuen Werkstoffen. Die Einschätzung zum Einsatz additiver Verfahren ist grundsätzlich posi-tiv. Vor einer Produkteinführung seien jedoch noch Standardisierungs- und Zertifizierungs-fragen zu klären (Vergin et al. 2013, S.8-9).

Das Wehrwissenschaftliche Institut für Werk- und Betriebsstoffe (WIWeB) befasst sich mit der Untersuchung und Bewertung des Nutzungspotenzials additiver Fertigungsverfahren für die Bundeswehr. In Zusammenarbeit mit EADS (heute: Airbus Group)46 hat das WIWeb untersucht, ob sich Rohre für Großkaliberwaffen etwa für den Leopard 2 Kampfpanzer addi-tiv fertigen lassen, in die während des Druckvorgangs Kühlkanäle integriert werden. Die gewünschten Eigenschaften konnten allerdings nicht erzielt werden, weil die Stahlrohre eine zu geringe Härte für ihren Anwendungszweck aufwiesen. Die Entwicklungen sollen jedoch in weiteren Forschungsprojekten fortgesetzt werden. So soll untersucht werden, inwieweit das Produktionsverfahren sowie eingesetzte Materialien optimiert werden können (Vergin et al. 2013, S. 9).

Das US-amerikanische Militär und die Defense Advanced Research Project Academy (DARPA), eine Behörde des Verteidigungsministeriums der USA, arbeiten mit renommierten Universitäten und Forschungseinrichtungen aktiv an Anwendungsmöglichkeiten der additi-ven Fertigungsverfahren für militärische Zwecke (Vergin et al. 2013, S. 8). Die DARPA er-

45 http://www.performance-fp7.eu 46 http://www.airbusgroup.com/int/en.html

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forscht die Verfahren im Rahmen ihres Programms Open Manufacturing (DARPA 2014). Seit zwei Jahren wird die Forschung im Wesentlichen mittels zweier Demonstrationsanlagen realisiert, wovon eine an der Penn State University47, die andere im US Army Research La-boratory at Aberdeen Proving Ground in Maryland steht (Simpson et al. 2013; Sher 2014). Wesentliches Ziel ist die Optimierung der Verfahrensprozesse, wobei es auch darum geht, die Expertise und Prozessdaten selbst zu generieren und nicht externen Dienstleistern zu überlassen (Sher 2014).

Zusätzlich nutzt die US Army mobile, in Containern untergebrachte 3D-Drucker (Expeditio-nary Labs), um in Einsatzgebieten Reparaturen oder die Fertigung von Werkzeugen und Ersatzteilen vor Ort zu ermöglichen. Es existieren fünf mobile 3D-Drucker, von denen zwei in Afghanistan und drei im Fort Belvoir, Virginia, eingesetzt werden. Herausforderungen beste-hen darin, dass der Fertigungsprozess sehr lange dauert und dieser wie auch der Transport und die Lagerung der Werkstoffe in Einsatzgebieten unter teils ungünstigen Bedingungen stattfinden müssen. Die additive Fertigung wird jedoch als eine wesentliche technische Er-gänzung des Militärs gesehen, die innerhalb der nächsten zehn Jahre in der Breite realisiert werden soll (Asclipiadis 2014).

Auch die US Navy führt erste Tests mit mobilen 3D-Druckern an Bord ihrer Schiffe durch. Eine flächendeckende Versorgung der gesamten Flotte wäre aus Sicht des Militärs wün-schenswert, würde aber frühestens in 20 Jahren in greifbare Nähe rücken (Freedberg 2014). Generell werden Kosteneinsparungen durch die Vorortproduktion erwartet, weil sich so schnell Ersatzteile produzieren und beschädigte Geräte wieder einsatzfähig machen lassen.

Neueren Meldungen der US Army zufolge sollen auch Sprengköpfe mithilfe additiver Ferti-gungsverfahren hergestellt werden. Hiervon verspricht man sich eine Kostensenkung, mehr Flexibilität im Design der Sprengköpfe, durch die neue Funktionalitäten integriert werden können, und – aufgrund des kompakteren Baus – eine höhere Zielgenauigkeit (Krämer 2014c).

Schließlich plant die US Army in Kooperation mit dem Forschungs- und Entwicklungszent-rum NSRDEC48, mithilfe additiver Fertigungsverfahren Uniformen und individualisierte Schutzausrüstung (Helme, Mützen, Handschuhe, Schutzanzüge, Rüstungssysteme) für Sol-daten zu entwickeln. Dadurch soll der Tragkomfort und die Sicherheit verbessert werden, etwa indem reibende Nähte vermieden werden oder das Gewicht reduziert wird (Benson 2014). Weitere Einsatzgebiete additiver Verfahren sieht das Militär in der Herstellung von Landschaftsmodellen zur besseren Visualisierung von unbekanntem Gelände (PR Newswire 2013) oder in der Fertigung von Leichtbaukonstruktionen für den Schiff- und Luftfahrtsektor, um Treibstoff zu sparen oder um neue Funktionalitäten (bessere Flugeigenschaften, Tarn-wirkung etc.) zu erzielen (SPON/hda 2013).

Wissenschaft

Ein interessanter Anwendungsbereich für additive Fertigungsverfahren zeichnet sich im wei-testen Sinne im Bereich der Lehre und des Trainings ab, indem lebensnahe 3D-Modelle zu Übungszwecken beispielsweise für Medizinstudenten in der Ausbildung oder zu Trainings-zwecken vor anstehenden Operationen gefertigt werden. So lassen sich damit transparente Körpermodelle herstellen, welche die unterschiedlichen Festigkeiten von Gewebe und Orga-

47 http://www.cimp-3d.org 48 http://nsrdec.natick.army.mil/

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nen lebensecht simulieren (Interview Klemp 2014). Auch könnten Operationen an "ausge-druckten", lebensnahen Organen erprobt werden. Auf diese Weise ließen sich die bislang lediglich virtuell geplanten Operationsschritte einfacher und besser nachvollziehen. Die US Army plant etwa, Modelle typischer Wunden herzustellen, damit Ärzte an diesen trainieren können (Evans 2014).

Die Simulation chirurgischer Eingriffe an Modellen aus dem 3D-Drucker ist nicht neu. Bereits seit 2008 können damit komplizierte chirurgische Operationen am Schädel bzw. Ohr reali-tätsnah erprobt werden. Die Firma Phacon49 und Karl Storz50 vertreibt dazu ein Trainingsset mit mehreren Komponenten: das Schädelmodell, eine Simulationssoftware sowie fünf ver-schiedene Felsenbeinmodule, die individuelle Anatomien des menschlichen Felsenbeins repräsentieren. Diese Module beinhalten zudem eine Reihe opto-elektrischer Sensoren, die Verletzungen während des Trainings registrieren, signalisieren und dokumentieren (Höltke-meier 2008).

Auch beispielsweise in der Paläontologie hält die additive Fertigung Einzug. Mittels Compu-tertomografie werden Fossilien mit Knochenabdrücken von Dinosauriern abgetastet, um aus den Daten Modelle mithilfe von 3D-Druckern zu fertigen (SPON/jme 2013, Zeit Online/sre 2013). Forscher gehen davon aus, dass der 3D-Druck in wenigen Jahren zum Standard-werkzeug in der Paläontologie zählen wird (Zeit Online/sre 2013).

Im Bereich Kunsthistorik lassen sich mithilfe additiver Fertigungsverfahren Statuen z.B. für Kirchen rekonstruieren und produzieren. Auch nutzen Museen diese Möglichkeiten, um Arte-fakte wie z.B. Reliefs nachzubilden (Schadwinkel 2010).

Zukunftsvisionen in der Medizin

Zukunftsvisionen in der Medizin beziehen sich darauf, funktionsfähige Organe "drucken" zu können. So sollen es sogenannte „Bioprinter“ zukünftig ermöglichen, lebende Zellen in ei-nem Druckvorgang in Schichten aufzubringen, um funktionstüchtige Organe herzustellen. Dazu werden einzelne Zellen auf ein gelartiges Gerüst oder auf andere Stützsubstanzen aufgetragen, wodurch grobe Zellaggregationen entstehen, die sich durch die Zugabe von Wachstumsfaktoren und durch die eigenen biologischen Prozesse zu Organen weiterentwi-ckeln sollen. Es bestehen noch größte Herausforderungen in der Integration der im Körper vorhandenen Blutgefäße in den Zellverbund zur Versorgung des entstehenden Gewebes (Karberg 2013a). Zudem müssen für die Produktion komplizierterer Organe sehr unter-schiedliche Zelltypen in Zellkultur in einem sehr langwierigen Prozess vorgezüchtet werden, bis sie für den „Druck“ eingesetzt werden können. Weil dazu sehr teure Gerätschaften erfor-derlich sind (ca. 0,5 Mio. Euro), ist die Forschung zum jetzigen Zeitpunkt noch auf einige wenige Institute limitiert (Karberg 2013a).

Erste Versuche zur Produktion eines Herzens haben bereits begonnen. Vermutlich wird es allerdings noch Jahrzehnte an Forschung erfordern, bis ein solches Herz transplantiert wer-den kann (AP/oc 2014).

Auch künstlich produzierte Haut erreicht noch lange nicht die Funktionalität eines echten Organs (Karberg 2013a), wie Versuche an Mäusen am Laserzentrum Hannover gezeigt haben (Weck 2014). Allerdings ist es am Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in

49 http://www.phacon.de/index.php/de/ 50 https://www.karlstorz.com/de/de/index.htm

23

Versuchen an Schweinen bereits gelungen, mit Hilfe eines Laser-Scanners Wunden abzu-tasten, um dann Hautzellen direkt auf die Verletzung per 3D-Druck aufzutragen (Ott 2014).

Ob jedoch tatsächlich jemals komplexe Organe künstlich produziert werden können, sehen einige Forscher kritisch (Borchers 2015). Bisher ist nur die Herstellung einfacherer Organe und Strukturen wie Herzklappen, Nasen und Ohren aus organischem Material gelungen. (Karberg 2013b).

3.6 Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand Die folgende Tabelle ermöglicht einen zusammenfassenden und schnellen Überblick über den aktuellen Entwicklungsstand in den jeweiligen Sektoren. Es handelt sich um die Auflis-tung illustrativer Beispiele ohne Anspruch auf eine erschöpfende Beschreibung aller aktuell verfolgten Anwendungen additiver Fertigungsverfahren.

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Tabelle 1: Überblick Anwendungsbeispiele und Einordnung des Entwicklungsstand

Anwendungsfeld Beispiele

Expe

rimen

tell

Anw

endu

ngsn

ah

Erst

e

Mar

ktei

nfüh

rung

en

Etab

liert

Industrie

AllgemeinRapid Prototyping: Prototypenentw icklung für den Modellbau in der Produktentw icklung X

Kleinserienfertigung von Leichtbauteilen („Rapid Manufacturing“) X

Einspritzdüsen X

Druck von Ersatzteilen auf der ISS, X

Bau einer Mondbasis aus lunarem Material X

ganze Autos X

Einzelteile für historische Autos/Luxusw agen X

Orthesen als ergnomisches Hilfsmittel in der Produktion X

Montagew erkzeuge X

RFID, MEMS, Lab-on-Chip XElektronische Bauteile mit neuen Eigenschaften z.B. Kühlung X

Gebäude Ganze Häuser oder Fertigbauteile aus Beton X

Gesundheit

Hörgeräte (Hörkanäle) X

Zahnersatz: Kronen und Teilkronen X

Prothesen: Kniegelenke, Hüften, Schädeldecken X

Orthopädische Schuheinlagen X

Bezahlbare Prothesen für den Einsatz in Krisengebieten XKomplexe Organe w ie Niere, Herzmuskelgew ebe, Blutgefäße X

Künstliche Haut, in vivo Druck X

Knorpelgew ebe w ie Nase/Ohren X

Consumer

Designermöbel, Designerstücke X

Gedruckte Holzmöbel X

Film und FernsehenRequisiten, Kulissen, Fahrzeuge, Masken, Rüstungen, Waffen oder Konzeptmodelle X

Waffen und Zündköpfe X

Mobile 3D-Drucker, X

individualisiertes Zubehör w ie Schutzausrüstung X

3D-Landschaften X

Avatare, Lebensnahe Figuren, Spielf iguren X

Eingabew erkzeuge w ie Joysticks X

Sportgeräteindustrie

Sport- und Trainingsschuhe, Skibindungen, Helme und Protektoren, Golfschläger, Surfbretter, Fahrradrahmen für Single-Speedräder, Ski-Schlitten, Titanhufeisen für Rennpferde

X

Schuhe, BHs X

Clothing-Printer - Druck von recycelten Textilien X

Wissenschaft

Lebensechte Trainingsmodelle X

Dinosaurier-Modelle X

Militär

Spiele

Textilien und Bekleidungsindustrie

Wissenschaft

Flugzeugbau

Raumfahrt

Medizin

Elektronik

Design/Möbelindustrie/Kunst

Fahrzeugbau

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3.7 Ausblick: Wirtschaftliches und technisches Entwicklungspotenzial der additiven Fertigungsverfahren in der Industrie

Insgesamt ist die Marktdurchdringung der additiven Fertigungsverfahren noch recht gering: Das Marktvolumen wird aktuell nur auf 2,3 Mrd. Euro Umsatz/Jahr weltweit geschätzt (Inter-view VDMA 2014). Aus Industriesicht stecken die Verfahren noch in den „Kinderschuhen“, was vor allem damit zusammenhängt, dass die Kenntnisse hierzu innerhalb der Industrie und die Risikobereitschaft, sich auf neue Verfahren einzulassen, eher gering sind (Interview VDMA 2014).

Hemmnisse für den breiten Einsatz der Technologie

Ein wesentliches Hemmnis für den breiten Einsatz der Technologie wird gegenwärtig, in Abhängigkeit des infrage stehenden additiven Fertigungsverfahrens, in der mangelhaften Bauteilqualität und der Schwierigkeit gesehen, Prozessketten in der Produktion auf additive gefertigte Bauteile anzupassen. Diesbezüglich sind wesentliche Fragen zu klären, z. B.: Können additiv gefertigte Bauteile verschweißt werden? Sind additive gefertigte Bauteile einfärbbar usw.?

Gerade hinsichtlich der Anpassung der Prozessketten auf die Weiterverarbeitung von additiv gefertigten Bauteilen besteht noch ein beträchtlicher Forschungsbedarf. Nach Aussage ei-nes Interviewpartners scheut die Industrie vor Investitionen in die Anpassung der Prozess-ketten aufgrund der hohen Kosten zurück (Interview Anonyma 2014). Bei der Ersatzteilpro-duktion ist zusätzlich die Qualitätssicherung im Prozess – d. h. das Monitoren von Fehlern – ein Hemmnis zur Integration additiver Fertigungstechnologien in Produktionsprozesse (Inter-view Fraunhofer IPK).

In der Massenproduktion werden additive Fertigungsverfahren bis auf weiteres kaum zum Einsatz gelangen und wenn, dann nicht zur Fertigung kompletter Endprodukte, sondern le-diglich einzelner Bestandteile der Produkte (Interview Gernbauer; Gernbauer 2014). Für die Massenproduktion sind sie noch zu langsam, zu kostenintensiv und zu wenig robust (Inter-view Klemp 2014).

In der industriellen Fertigung eingesetzte Geräte sind hochsensibel und müssen unter kon-stanten Umgebungsbedingungen betrieben werden, um in gleichbleibender Qualität zu pro-duzieren. So reagiert der Fertigungsprozess sehr empfindlich beispielsweise auf Sonnenein-strahlung, die Luftfeuchtigkeit oder auf Qualitätsunterschiede im Ausgangsmaterial. In Ab-hängigkeit vom angewandten Verfahren (pulverbasierte vs. Extrusionsverfahren) müssen die Geräte zudem sehr exakt kalibriert werden, um eine hohe Genauigkeit bei den herzustellen-den Produkten zu erzielen. Sie sind also weder an unterschiedlichen Orten schnell auf- und abbaubar, noch flexibel auf unterschiedliche Produktarten adaptierbar.

Bis vor zwei Jahren galt noch uneingeschränkt die Aussage, dass die existierenden Pionier-anlagen einen hohen Justierungsaufwand benötigten. Inzwischen muss diesbezüglich je-doch zwischen Anlagentechnik und dem Fertigungsprozess unterschieden werden: Die An-lagentechnik hat in den letzten beiden Jahren einen großen Qualitätssprung gemacht. So sind zurzeit neue Konzepte für automatisierte Fertigungsstraßen in der Verwirklichung. Der Fertigungsprozess selbst bleibt jedoch weiterhin anfällig für Fehler. Diese begründen sich durch Handhabungsfehler in der Erstellung der CAD- und CAM-Daten für die Fertigungsma-schine. Um dem zu begegnen, werden zurzeit Aktivitäten im Bereich der Ausbildung reali-siert. Thematisch werden dazu Inhalte zur fertigungsgerechten Konstruktion, dem Einsatz intelligenter CAM-Software sowie zur Anwendung von Simulationswerkzeugen für Simulation von Prozess und Bauteilen intensiviert (Interview Fraunhofer IPK).

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Auch insgesamt stellt die vergleichsweise geringe Verbreitung von Fachkenntnissen zu addi-tiven Fertigungsverfahren in der Industrie ein Hemmnis für die Marktdurchdringung dar. Ad-ditive Fertigungsverfahren sind bisher nicht Teil der Ingenieursausbildung. Dies ist auch ein Erklärungsansatz, warum die Innovationsdynamik eher im Konsumgütermarkt zu beobach-ten ist (Interview Piller 2014). Aus bildungspolitischer Sicht ist es daher von großer Bedeu-tung für die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland, rechtzeitig die Vermittlung von Ausbildungsinhalten zu additiven Fertigungsverfahren in die Lehrpläne auf-zunehmen oder entsprechende betriebliche Weiterbildungskonzepte umzusetzen.

Die durch den Einsatz von additiven Fertigungsverfahren erwarteten Effizienzsteigerungen in den Produktionszyklen können zum jetzigen Zeitpunkt also nur vereinzelt realisiert werden. Zurzeit sind die Einrichtung und der Betrieb von additiven Fertigungsanlagen im Regelfall aufwendiger als die notwendigen Maschinenumrüstungen in der konventionellen Produktion. Bei zunehmender Technologiereife in den nächsten 10 bis 20 Jahren können sie allerdings durchaus einen erheblichen Beitrag zur Effizienzsteigerung leisten.

Einzelteile, Ersatzteile und Reparaturen

Es ist davon auszugehen, dass additive Fertigungsverfahren sich auch zukünftig vor allem in denjenigen Anwendungsfeldern weiter verbreiten, in denen die Sofortproduktion von Einzel-teilen (z.B. individualisierte Prothesen, Maßanfertigungen aller Art) relevant ist. Ein großes Potenzial wird namentlich in der Ersatzteilproduktion gesehen. Unternehmen könnten bei-spielsweise dazu übergehen, anstelle der Ersatzteile nur noch die Konstruktionsdaten für die Fertigung der Teile mithilfe additiver Fertigungsverfahren zur Verfügung zu stellen, um dadurch Lagerkosten zu sparen. Auch würden so lange Liefer- und Wartezeiten entfallen (Interview Gernbauer 2014). Dies ist beispielweise für die Automobilindustrie von großer Bedeutung, wo gegenwärtig noch riesige Lagerhallen mit Werkzeugen aller Art bereitgehal-ten werden müssen, um die Ersatzteilproduktion zu gewährleisten. Auch bei sogenannter „Weißer Ware“ (Waschmaschinen etc.), die im Haushalt verwendet und für die häufig Ersatz-teile über viele Jahre benötigt werden, ist die Ersatzteilproduktion durch additive Fertigungs-verfahren interessant. Zudem ist es wahrscheinlich, dass sich die additiven Fertigungsver-fahren noch intensiver im Flugzeug- und Turbinenbau verbreiten, wo die Wartezeit für Er-satzteile teilweise bis zu einem Jahr beträgt (Interview Piller 2014).

Alles in allem wird das Anwendungspotenzial in denjenigen Branchen als groß eingeschätzt, in denen durch die Verwendung additiver Fertigungsverfahren ein komparativer Kostenvor-teil erzielt werden kann.

Neben der Einzelteil- und Ersatzteilproduktion sind additive Fertigungsverfahren auch für Reparaturen im Gespräch, weil verschlissene Teile, z. B. in Brennern oder Turbinen, wieder mit wenig Material aufgebaut werden können, sodass kein vollständiger Austausch stattfin-den muss. Die Firma Siemens setzt die Technologie bereits zu diesem Zweck ein (Interview VDMA 2014).

Kleinserienproduktion

In der Kleinserienproduktion, in der geringe Stückzahlen gefertigt werden, die aber mitunter eine höhere Komplexität aufweisen (was in der konventionellen Produktion ein häufiges Um-rüsten von Maschinen und Werkzeugen sowie zahlreiche Bearbeitungsschritte bedingt), ist ein Einsatz additiver Fertigungsverfahren von größerer Relevanz als in der Massenprodukti-on. Zum einen können ohne aufwendige Umrüstungen individuell angepasste Produkte er-stellt werden, zum anderen lässt sich die Fertigungstiefe reduzieren bzw. die Anzahl der

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Prozessschritte verringern. Die weite Verbreitung der additiven Fertigungsverfahren zur Pro-duktion von Kleinserien wird zurzeit jedoch noch durch die geringe Robustheit der Technolo-gien (s.o.) gehemmt.

Neue Produkte mit neuen Funktionalitäten

Auch ist es wahrscheinlich, dass die Möglichkeiten der additiven Fertigung zukünftig zur Entstehung qualitativ hochwertiger, neuer Produkte mit neuen Funktionalitäten führen. Diese Einschätzung beruht auf der Annahme, dass additive Fertigungsverfahren in naher Zukunft nicht mit den Verfahren der konventionellen Massenproduktion konkurrieren können und deshalb der Fokus auf neuartigen Produkten liegen wird (Interview Klemp 2014).

Industrie 4.0

Konzepte wie „Industrie 4.0“ und „Smart Factories“ prägen das Zukunftsbild der Produktion von morgen. Bauteile, Maschinen, Beschäftigte und Kunden sind miteinander allumfassend vernetzt. Dies ermöglicht die Reduzierung von Reaktionszeiten innerhalb der Produktion (Petschow et al. 2014, S. 19 f.). Additive Fertigungsverfahren können in einer solchen ver-netzten, adaptiven Produktion zur rentablen Herstellung beitragen, indem sie die Flexibilisie-rung und Individualisierung von Produktionsprozessen ermöglichen.

Bevor die additiven Fertigungsverfahren allerdings langfristig so robust sind, um tatsächlich eine höchst individualisierte Fertigung zu gewährleisten, werden sie zunächst für die zeitna-he Erstellung neuer Werkzeuge und Formen (Rapid Tooling) als eine Art „Brückentechnolo-gie“ für die Industrie 4.0 fungieren, da auf diese Weise bereits eine enormen Kosten- und Zeitersparnis bei der Maschinenumrüstung und damit eine gewisse Flexibilisierung des Pro-duktionsprozesses erzielt werden kann.

3.8 Internationale Marktstellung Deutschlands und Forschungsförde-rung

Deutschland gehört im Bereich der additiven Fertigungsverfahren im Hinblick auf Forschung, Anlagenbau und Fertigung zu den führenden Industrienationen. In der Europäischen Union ist Deutschlands Marktführerstellung unangefochten. Dies spiegelt sich auch in der im euro-päischen Vergleich hohen Anmeldung an PCT-Patentfamilien (Patent Cooperation Treaty) wider: In den Jahren 2000 bis 2012 stammten die meisten der für die additive Fertigung re-levanten PCT-Patentfamilien aus Deutschland, gefolgt von Frankreich und Großbritannien (EFI 2015, S. 76).

Mit den Firmen EOS (Anbieter von Anlagen, Werkstoffen und Services), Concept Laser (Analgen, Software, Qualitätsmanagement, Training und Werkstoffe), SLM Solutions (Anla-gen, Werkstoffe) und Realizer (Anlagen, Software, technischer Support) sind am Wirt-schaftsstandort Deutschland Unternehmen ansässig, die zu den Weltmarktführern im Be-reich der additiven Fertigung auf der Basis von Metallen gehören (Laser-Sintern und Laser-Strahlschmelzen) (Interview Klemp 2014, VDI 2014, S. 20). Die Unternehmenslandschaft ist überwiegend mittelständisch geprägt. Neben den auf additive Fertigung spezialisierten Un-ternehmen treten auch einige traditionelle Maschinenbauunternehmen als Entwickler und Produzenten von Anlagen auf, wie z.B. Trumpf (EFI 2015, S. 74).

Der global größte Konkurrent Deutschlands sind zurzeit die USA (Interview Anonyma 2014) mit den meisten angemeldeten, für die additive Fertigung relevanten PCT-Patentfamilien weltweit, gefolgt von Japan und China. Im Vergleich zu Deutschland finden sich in den USA eher Firmen, die auf den kunststoffbasierten Extrusionsverfahren (FLM/FDM) spezialisiert

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sind (VDI 2014, S. 21). China hat Deutschland etwa seit 2010 vom dritten auf den vierten Platz im weltweiten Ranking der angemeldeten PCT-Patentfamilien mit Bezug zur additiven Fertigung verdrängt. Zudem verfügt China mit der Huazhong University of Science and Technology auch über eine der beiden publikationsstärksten Forschungseinrichtungen in diesem Themenfeld weltweit. Die andere ist die Loughborough University in Großbritannien. Eine ähnliche Anzahl an angemeldeten PCT-Patentfamilien wie Deutschland erreicht Korea; es folgen mit deutlichem Abstand Frankreich, Großbritannien und Kanada (EFI 2015, S. 76).

Die sogenannten BRIC-Länder – Brasilien, Russland, Indien, China – weisen mit Ausnahme von China in Bezug auf die additive Fertigung bisher ein vergleichsweise geringes Entwick-lungsniveau auf (Interview Anonyma 2014). Einer der Faktoren, der die industrielle Verbrei-tung der Technologien dort noch einschränkt, ist der Mangel an hochqualifiziertem, speziali-siertem Personal, welches für die Bedienung und den Unterhaltung der hoch sensiblen An-lagen unerlässlich ist (Interview Anonyma 2014). Gleichwohl existieren auch in diesen Län-dern große industrielle Player, wie beispielsweise die brasilianische Firma Robotech, die seit 1994 Dienstleistungen, Anlagen und Materialien für das Rapid Prototyping anbietet und über Dependancen in zahlreichen lateinamerikanischen Ländern verfügt. Solche Firmen sind für US-amerikanische Hersteller als Übernahmekandidaten durchaus interessant, da sie den Markteintritt in Lateinamerika erleichtern. So wurde auch Robotech kürzlich von der US-amerikanischen Firma 3D-Systems übernommen, die seit Jahren eine kontinuierliche Akqui-sitionsstrategie verfolgt, bisher allerdings ausschließlich im europäischen und asiatisch-pazifischen Raum (3Druck.com 2014e). Durch solche Übernahmen findet auch ein Techno-logietransfer von den Industrie- in die jeweiligen Schwellenländer statt. Darüber hinaus kann auch das Auslaufen von zentralen Patenten (VDI 2014, S. 20), z.B. für das selektiver Laser-schmelzen, zu einem Entwicklungsschub im Bereich der additiven Fertigung in den Schwel-lenländern beitragen, da bisher geschützte Technologiekomponenten nunmehr ohne ggf. hohe Lizenzgebühren für die Weiterentwicklung des eigenen Anlagenbaus genutzt werden können.

Zu einer Stärkung der Wettbewerbsposition der Schwellenländer im Bereich der additiven Fertigung könnten schließlich auch die „große[n] Etats der staatlichen Förderprogramme weltweit“ (VDI 2014, S. 20) beitragen. So wird die Entwicklung von additiven Fertigungsver-fahren etwa im ohnehin bereits aufholenden China staatlich massiv gefördert (3Druck.com 2014e): Für die Jahre 2014-2016 stellt die chinesische Regierung dazu insgesamt 245 Mio. US-Dollar zur Verfügung. Als Grund für die förderpolitische Schwerpunktsetzung wird die Sorge Chinas genannt, dass Industrienationen mithilfe der additiven Fertigung in Zukunft direkt kostengünstig in ihren jeweiligen Absatzmärkten fertigen könnten und daher für den Fall, dass China nicht den gleichen Technologiestand zu noch günstigeren Arbeitskosten bereithalten könne, Produktionsprozesse aus China abziehen würden (EFI 2015, S. 74).

Im Vergleich zur Situation in den USA, wo Präsident Obama 2013 angekündigte, die Ent-wicklung der additive Fertigung mit einer Milliarde US-Dollar zu unterstützen (Göllner 2013), mutet die staatliche chinesische Förderung allerdings noch bescheiden an. Obama plante damals, die Fördermittel für entsprechende Aktivitäten über die Ministerien Verteidigung, Energie und Wirtschaft sowie die NASA und die National Science Foundation zu verteilen (Göllner 2013). In welcher Höhe das genannte Budget tatsächlich schon bereitgestellt wor-den ist bzw. bereitgestellt wird, kann an dieser Stelle nicht beantwortet werden. Allerdings soll allein das National Additive Manufacturing Innovation Institute (seit 2013: America Makes) von der US-Regierung mit 50 Mio. US-Dollar ausgestattet worden sein (EFI 2015, S. 74). Die Frage, in welcher Höhe diese Fördersumme noch um Finanzmittel der privaten Partner ergänzt wird, muss offen bleiben. Zentrales Motiv der USA für die Förderung der

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additiven Fertigung ist, dass mit ihrer Hilfe die Re-Industrialisierung des Landes vorangetrie-ben und somit für mehr Wachstum und Jobs gesorgt werden soll (Göllner 2013).

Im Vergleich zur Situation in den USA und China fällt die staatliche Förderung der additiven Fertigung in Deutschland deutlich bescheidener aus, obschon es schwierig ist, an verlässli-che Zahlen zu gelangen. Laut der Antwort der Bundesregierung auf eine kleine Anfrage der Fraktion der SPD (Bundesregierung 2013a) wurden im Zeitraum von 2003 bis 2013 neben der institutionellen Förderung 21,2 Mio. Euro an Fördermittel für die additive Fertigung aus-gegeben. Bei dieser Gelegenheit äußerte sich die Bundesregierung eher verhalten in Bezug auf die Entwicklungsperspektiven der additiven Fertigung verglichen mit den euphorischen Vorstellungen der US-Regierung. In der additiven Fertigung sieht sie zunächst lediglich eine „Ergänzung der Produktionsverfahren, die sich in den kommenden Jahren in der industriel-len Praxis bewähren muss“, wenngleich diese auch „interessant und vielversprechend“ seien (Bundesregierung 2013a, S. 4). Nichtsdestotrotz hat der Bund die Förderung im Bereich additive Fertigungsverfahren intensiviert (EFI 2015, S. 75).

Eine Auswertung des Förderkatalogs der Bundesregierung zeigt exemplarisch, welche Pro-jekte mit welcher Zielstellung im Bereich additiven Fertigung gefördert wurden bzw. immer noch werden (Stand 2/2015, Projekte des BMWi und BMBF):

Tabelle 2: Projekte im Förderkatalog der Bundesregierung (Stand 2/2015 BMBF und BMWi)

Ressort/ Referat/ PT/ Arb.-Einh.

Zuwen-dungs-empfänger

Ausführende Stelle

Thema Laufzeit von/ Laufzeit bis

Fördersumme

BMBF/ 512/ PTKA/ PFT (KA)

Technische Universität Berlin

Technische Universität Berlin - Fakultät V - Verkehrs- und Maschi-nensysteme - Institut für Werkzeugma-schinen und Fabrik-betrieb

Verbundprojekt: Herstel-lung serienidentischer Prototypen mittels 3D-Drucktechnologie (PROPRINT) - Schwer-punkt: Verfahrensent-wicklung

01.02.2001/ 31.03.2004

268.264,00 €


Leibniz-Institut für Polymerfor-schung Dres-den e.V.

Leibniz-Institut für Polymerfor-schung Dres-den e.V. - Tei-linstitut Makro-molekulare Chemie

Verbundprojekt: Herstel-lung serienidentischer Protoypen mittels 3D-Drucktechnologie (PROPRINT) - Schwer-punkt: Polymere Materi-alien

01.02.2001/ 31.01.2004

185.013,00 €


Buss Mode-ling Techno-logy GmbH

Buss Modeling Technology GmbH

Verbundprojekt: Herstel-lung serienidentischer Protoypen mittels 3D-Drucktechnologie (PROPRINT) - Schwer-punkt: Anlagenentwick-lung; Integration von Komponenten

01.02.2001/ 22.08.2002

34.653,00 €


FEP Fahr-zeugelektrik Pirna GmbH

FEP Fahrzeu-gelektrik Pirna GmbH

Verbundprojekt: Herstel-lung serienidentischer Protoypen mittels 3D-Drucktechnologie (PROPRINT) - Schwerpunkt: Anforde-rungsdefinition und Test

01.02.2001/ 31.01.2004

32.310,00 €


Voxeljet Technology GmbH

Voxeljet Tech-nology GmbH

Verbundprojekt: Herstel-lung serienidentischer Protoypen mittels 3D-Drucktechnologie

01.02.2001/ 31.01.2004

147.083,00 €

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Ausführende Stelle


Fördersumme

(PROPRINT) - Schwer-punkt: Düsentechnologie


Wachs- und Ceresin-Fabriken Th.C. Tromm Gesellschaft mit be-schränkter Haftung

Wachs- und Ceresin-Fabriken Th.C. Tromm Gesell-schaft mit be-schränkter Haftung

Verbundprojekt: Herstel-lung serienidentischer Protoypen mittels 3D-Drucktechnologie (PROPRINT) - Schwer-punkt: Supportwerkstof-fe

01.02.2001/ 31.01.2004

23.561,00 €

BMBF/ 515/ PT-J/ BIO8

Hochschule Merseburg (FH)

Hochschule Merseburg (FH) - Fachbereich Wirtschaftswis-senschaften

FHprofUnt2014: 3D@KMU: Auswirkun-gen der additiven Ferti-gung (3D-Drucker) auf die Geschäftsprozesse und -modelle bei kleinen und mittleren Unterneh-men

01.01.2015/ 31.12.2017

317.146,00 €

BMBF/ 112_BE/ PT-J/ GTI

Universität Passau

Universität Passau - Insti-tut für Soft-waresysteme in technischen Anwendungen der Informatik - FORWISS

Forschungsprämie: Entwicklung von Verfah-ren zur Erzeugung von hochpräzisen STL- Da-teien für das 3D-Drucken eines Dodeka-edersterns

01.02.2009/ 28.02.2009

3.500,00 €

BMBF/ 617/ PT-J/ BIO/ BIO7

BioPro Ba-den-Württemberg GmbH

BioPro Baden-Württemberg GmbH

BioIndustrie 2021 Clus-ter Biopolymere: "Bio-FabNet: Kampagne zur Anwendung biobasierter Kunststoffe im 3D-Druck als Fallbeispiel für eine Bioökonomie von Mor-gen", Teilprojekt A.

01.08.2013/ 31.07.2015

118.950,00 €


Universität Stuttgart

Universität Stuttgart - Fa-kultät 4 Ener-gie-, Verfah-rens- und Bio-technik - Institut für Kunststoff-technik (IKT)

BioIndustrie 2021 Clus-ter Biopolymere: "Bio-FabNet: Kampagne zur Anwendung biobasierter Kunststoffe im 3D-Druck als Fallbeispiel für eine Bioökonomie von Mor-gen", Teilprojekt B.

01.08.2013/ 31.07.2015

190.114,00 €


Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der ange-wandten Forschung e.V.

Fraunhofer-Institut für Pro-duktionstechnik und Automati-sierung (IPA)

BioIndustrie 2021 Clus-ter Biopolymere: "Bio-FabNet: Kampagne zur Anwendung biobasierter Kunststoffe im 3D-Druck als Fallbeispiel für eine Bioökonomie von Mor-gen", Teilprojekt C.

01.08.2013/ 31.07.2015

248.287,00 €

BMBF/ 616/ PT-VDI/ TZ-MTB

Deutsches Herzzentrum Berlin

Deutsches Herzzentrum Berlin

Verbundprojekt: Herstel-lung vitaler Herzklappen unter Verwendung von Tissue Engineering und 3D-Druck (3D-TERM) - Teilvorhaben: Tissue Engineering

01.07.2014/ 30.06.2017

1.057.700,00 €

BMBF/ 616/ PT-VDI/ TZ-MTB

Technische Universität Berlin

Technische Universität Berlin - Fakultät II - Mathematik und Naturwis-

Verbundprojekt: Herstel-lung vitaler Herzklappen unter Verwendung von Tissue Engineering und 3D-Druck (3D-TERM) -

01.07.2014/ 30.06.2017

2.394.000,00 €

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Ausführende Stelle


Fördersumme

senschaften - Institut für Ma-thematik

Teilvorhaben: Additive 3D-Fertigung

BMWi/ VIC5_BE/ PT- VDI/VDE/ TZ-MST

Technische Universität München

Technische Universität München - Institut für Werkzeugma-schinen und Betriebswis-senschaften (iwb)

Verbundprojekt: Additive 3D-Fertigung von elektrischen und elekt-ronischen Anwendungen - 3DAMEEA -; Teilvor-haben: 3D-Aufbau von Schaltungen mittels pulverbettbasiertem 3D-Drucken

01.10.2010/ 30.06.2014

219.375,00 €


EKRA Auto-matisierungs-systeme GmbH

EKRA Automa-tisierungssys-teme GmbH

Verbundprojekt: Siebge-druckte Komponenten für elektrische Antriebe (PriMa3D); Teilprojekt: Berechnung, Entwick-lung und Produktion eines Siebdrucksystems für 3D Druckapplikatio-nen

01.12.2012/ 30.11.2015

178.605,00 €

BMWi/ VIB2/ PT-DLR/ MM

Steinbeis Innovation gGmbH

Steinbeis Inno-vation gGmbH - Steinbeis Inno-vationszentrum Innovation Engineering SIZ IE

Verbundprojekt: MAC4U - Mass Customization für individualisierte Pro-dukterweiterungen Teil-vorhaben: Entwicklung von standardisierten Gestaltungsregeln für Produkt- und Prozess-Module im Additive Manufacturing Prozess

01.06.2012/ 30.11.2014

244.267,00 €


CAS Software AG

CAS Software AG

Verbundprojekt: MAC4U - Mass Customization für individualisierte Pro-dukterweiterungen; Teilvorhaben: Entwurf und Entwicklung eines adaptiven Demonstra-tors für eine standardi-sierte Kundenschnittstel-le im Additive Manufac-turing Prozess

01.06.2012/ 30.11.2014

255.116,00 €


CP Centrum für Prototy-penbau GmbH

CP Centrum für Prototypenbau GmbH

Verbundprojekt: MAC4U - Mass Customization für individualisierte Pro-dukterweiterungen Teil-vorhaben: Additive Ma-nufacturing für Konsu-menten

01.06.2012/ 30.11.2014

87.434,00 €

BMBF/ 223/ PT-DLR/ EU

BCT Steue-rungs- und DV- Systeme GmbH

BCT Steue-rungs- und DV- Systeme GmbH

Verbundprojekt: Additive Manufacturing basierend auf Ultraschall Polymer Schmelzen: Prozess Erforschung und Tech-nologie Entwicklung; Teilprojekt: Entwicklung der Software zur NC-Programm-Erzeugung und Automatisierung des Datenflusses

01.10.2012/ 30.09.2015

267.172,00 €

6.272.550,00 €

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4. 3D-Druck für Heimanwender

Bei den momentan im Heimbereich eingesetzten 3D-Druckern handelt es sich in der Regel um einfachere Geräte, die auf dem FDM-Verfahren basieren und die sich nur für die Herstel-lung von Objekten aus Kunststoff mit geringer Qualität eignen. Gleichwohl handelt es sich hierbei grundsätzlich nicht um einfache Plug-and-Play-Lösungen für zu Hause (Interview Gernbauer 2014), weil der Gebrauch und die Handhabung äußerst anspruchsvoll ist. Die verbreitete Annahme, dass sich der Heimanwender bald alle möglichen Alltagsgegenstände oder beispielsweise benötigte Ersatzteile selbst ausdruckt, scheint allein schon deshalb un-wahrscheinlich.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Technologie wird sich der Einsatz der für die Heiman-wendung bereits verfügbaren 3D-Drucker auf sehr einfache Kunststoffprodukte beschrän-ken, wie z.B. Schutzhüllen für Smartphones, einfache Wohn- und Modeaccessoires, Skulp-turen, Spielzeug oder ähnliches. Beispielsweise stellen kommerzielle Anbieter im Internet ein Programm bereit, mit dem Smartphone-Nutzer zwischen unterschiedlichen Merkmalen einer Schutzhülle wählen können (Muster, Gravierungen etc.), um ihre „eigene“ Schutzhülle auf Basis der voreingestellten Designmöglichkeiten zu konzipieren und zu Hause auszudrucken. Zwar wird auf diese Weise eine kundenindividuelle Massenanfertigung ermöglicht (Herbold 2012), jedoch ist diese sowohl was die Komplexität als auch die Variabilität angeht äußerst limitiert. Ein wesentlicher Treiber für die Nutzung additiver Verfahren im Heimbereich sind unter anderem Spieler von Computerspielen. Hier gibt es einen Trend zu individuellen, selbst designten Zugangsmedien wie Joysticks oder auch von Spielfiguren. Fragen zu De-sign und Produktion werden heute zunehmend in verschiedenen Community-Plattformen und Foren im Internet diskutiert (Interview Fraunhofer IPK 2014).

Eine Ersatzteilproduktion zu Hause setzt voraus, dass der Produkthersteller den Bauplan für die Ersatzteile zum Download bereit stellt und der Heimanwender ein geeignetes Material zur Reproduktion des gewünschten Ersatzteils zur Verfügung hat. Das Einscannen eines defekten Bauteils ist, abgesehen von einer möglichen Urheberrechtsverletzung, nicht sinn-voll, da dies bei komplizierten Formen zu einer fehlerhaften Druckvorlage und damit zu Mängeln in der Qualität und Kompatibilität führen würde. Auch können 3D-Scanner nur die Oberfläche eines Bauteils erfassen, während das „Innenleben“ – beispielsweise eine Struk-tur wie eine Aussparung oder ein Gewinde – dem Scanner verborgen bleibt. Überschreiten die Teile eine bestimmte Größe, müssen Baugruppen gebildet und Verbindungskonstruktio-nen geschaffen werden, was bereits umfassendes ingenieurtechnisches Know-how beim Anwender erfordert. Unterschreiten die Teile eine Mindestgröße, sind sie weder scann- noch druckbar. Schließlich kann davon ausgegangen werden, dass der Produkthersteller ein Er-satzteil in der Regel kostengünstiger produzieren kann als der Heimanwender (Interview Klemp 2014, Interview VDMA 2014).

Ein Trend, der sich zukünftig verstärken wird, ist allerdings der 3D-Druck individueller, nut-zerbeeinflusster Produkte in sogenannten FabLabs, in denen sowohl die für den 3D-Druck notwendigen Gerätschaften (Drucker, Scanner, Software) als auch das Know-how zur Durchführung des 3D-Drucks angeboten werden (Interview Gerbbauer 2014). Es wird erwar-tet, dass sich die Bekanntheit solcher Serviceanbieter erhöht und deren Dienstleistungen infolgedessen verstärkt genutzt werden (Interview Gernbauer 2014). Allerdings werden auch FabLabs voraussichtlich nur einen Nischenmarkt im Hobby- und Luxusgüterbereich bedie-nen (Interview VDMA 2014), da die hier gefertigten Bauteile im Vergleich zu industriell her-gestellten Bauteilen eher von geringerer Qualität sein dürften (Interview Anonyma 2014).

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5. 3D-Druck von Waffen

Das Dezernat Zukunftsanalyse im Planungsamt der Bundeswehr veröffentlichte im Oktober 2013 eine Studie mit einer Einschätzung dazu, inwieweit sich additive Fertigungsverfahren für die Rüstungsbeschaffung eignen und welche sicherheitspolitischen Implikationen sich hieraus ergeben könnten (Vergin et al. 2013, S. 1). Zum Thema Waffen verweist der Bericht auf verschiedene, in den USA gegründete Gruppen, insbesondere die Defence Distributed Group um Cody Wilson. Diese Gruppe stellt Waffen oder Teile von Waffen mit 3D-Druckern her und betreibt eine über Crowd-Funding finanzierte Internetplattform mit dem Ziel, Bauplä-ne für funktionsfähige Schusswaffen der Öffentlichkeit zugänglich zu machen.51 Motiviert wird dies damit, die US-amerikanischen Bürgerrechte in Bezug auf den Waffenbesitz zu verteidigen.

Über die Plattform wurde 2013 erstmals eine Bauanleitung für die Herstellung einer funkti-onstüchtigen Waffe mithilfe eines 3D-Druckers namens „Liberator“ im Internet verfügbar gemacht. Die Bauanleitung wurde rund 100.000 Mal heruntergeladen (Buse 2013), bis das US-amerikanische State Department im März 2013 verfügte, diese von der Webseite zu entfernen, und die Gruppe ermahnte, die internationalen Gesetze zum Waffenhandel einzu-halten (CBS 2013). Dennoch kursieren Bauanleitungen sowie Videos und Anleitungen für den Bau solcher Waffen weiterhin im Internet (Biermann 2012; Vergin et al. 2013).

Bei einer Pressevorführung im deutschen Privatfernsehen erwies sich die „Liberator“ inso-fern als funktionstüchtig, als zumindest das Abfeuern eines Schusses möglich war. Nach der Bauanleitung reproduzierte Waffen zerbarsten allerdings beim Schiessvorgang, weil sie aus einem für diesen Zweck nicht geeignetem Material bestehen (thermoplastischer Kunststoff – nur dieser ist „druckbar“). Allerdings hat die Ende 2014 von einem jungen Ingenieur entwi-ckelte „Atlas Bullet“ das Potenzial, der Waffe doch noch zum traurigen Durchbruch zu ver-helfen: Die „Atlas Bullet“ ist eine Patrone mit deutlich verstärkter Hülse, die gleichsam als Druckkammer fungiert, sodass der Kunststoffkorpus der Pistole kaum mehr Druck ausge-setzt ist (Greenberg 2014).

Doch auch wenn es sich bei Waffen aus dem 3D-Drucker bislang noch um Einzelfälle han-delt, die nicht sehr zuverlässig arbeiten und eher eine Gefahr für den Benutzer selbst als für andere darstellen (SPON/fko 2013), zeigen sich die Sicherheitsbehörden durchaus alarmiert. Denn die neuen Waffen sind, abgesehen vom Bolzen zur Zündung der Munition, der durch einen einfachen Nagel ersetzt werden kann, nichtmetallisch. Somit lassen sie sich nicht mit den herkömmlichen Metalldetektoren an Flughäfen oder in öffentlichen Gebäuden erkennen, bestenfalls sind sie mittels Gepäckröntgengeräten zu entdecken. Vor diesem Hintergrund könnten vorhandene Sicherheitskonzepte nicht mehr ausreichend sein (Vergin et al. 2013, S. 1). Generell muss aber auch erwähnt werden, dass Kunststoffwaffen, die von Metalldetek-toren nicht entdeckt werden, auch mit konventionellen Mitteln (Fräsen, Bohren, Spanen) ohne großen Aufwand hergestellt werden können.

In Deutschland untersuchen Behörden wie das Bundeskriminalamt (BKA) und die Bundes-polizei (BPOL) mögliche Gefährdungen durch selbstgedruckte Waffen. Das BKA führt eigene Tests durch, inwieweit sich Waffen oder Waffenteile ausrucken lassen, und die BPOL be-fasst sich im Rahmen ihrer generellen Sicherheitsüberprüfungen/Zugangskontrollen mit der

51 https://defdist.org

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Detektion von Teilen aus 3D-Druckern (Bundesregierung 2013b, S. 2). In einer unveröffent-lichten Stellungnahme kommt das BKA zu dem Schluss, dass Terroristen Waffenteile uner-kannt an Bord eines Flugzeugs bringen könnten (Hotelett 2014) und die Luftsicherheit betrof-fen sei (Bundesregierung 2013b, S. 2). Für die Polizisten des Bundes und der Länder wurde ein Informationsblatt zur Thematik verfasst (Bundesregierung 2013b, S. 3). Es enthält Hin-weise für Aus- und Fortbildungsmaßnahmen von Personal im Bereich Luftsicherheit (Bun-desregierung 2013b, S. 4). Das BPOL hat zudem Zugriff auf einen Bericht des österreichi-schen Innenministeriums für Inneres über Tests mit der „Liberator“-Waffe (Bundesregierung 2013b, S. 3).

Auch international beschäftigen sich verschiedene Regierungen damit, wie mit der neuen Gefahr durch Waffen aus dem 3D-Drucker umgegangen werden kann. Die kanadische Re-gierung hat eine Studie zum Thema in Auftrag gegeben (Krämer 2014d). Großbritannien hat im Zuge der Diskussionen um die „Liberator“ das Schusswaffengesetz verschärft: So kann die Herstellung von Schusswaffen mit einem 3D-Drucker ohne die erforderliche Lizenz mit bis zu zehn Jahre Haft bestraft werden (Thum 2013a). Die Schweiz reagierte mit einer Ver-schärfung der Sicherheitsbestimmungen an Flughäfen, zudem wird das Sicherheitspersonal an Gepäckröntgengeräten mithilfe spezieller Lernprogramme darauf geschult, Einzelteile der „Liberator“ zu erkennen (Nock 2013). In Japan, wo eines der strengsten Waffengesetze exis-tiert, wurde Anfang 2014 ein Mann wegen einer selbstgedruckten Waffe verhaftet; er hatte die Waffe in einem Internetvideo vorgeführt (Neidhardt 2014). In den USA, wo jeder Bürger das Recht auf den Besitz einer Schusswaffe hat, haben einzelne Bundesstaaten (z.B. Penn-sylvania) die Herstellung von Waffen mit einem 3D-Drucker verboten (Thum 2013b).

Es stellt sich somit die grundsätzliche Frage, wie realistisch es ist, dass Privatpersonen künf-tig am heimischen 3D-Drucker funktionsfähige Waffen selber fertigen können bzw. werden. Aus der technischen Perspektive wird dies laut Expertenmeinungen (Interview Klemp 2014) in Zukunft genauso machbar sein, wie es auch schon heute möglich ist, die Anleitung für den Bau von Sprengkörpern aus dem Internet zu beschaffen und damit Bomben zu bauen. Ge-sellschaftliche und rechtliche Normen dürften die Bürger jedoch grundsätzlich davon abhal-ten, Schusswaffen zu drucken – auch wenn dies technisch machbar ist (Dickow 2013). In Deutschland ist laut Waffengesetz (§26 WaffG) der Ausdruck einer einsatzfähigen Waffe eine gewerbsmäßige bzw. nichtgewerbsmäßige Waffenherstellung, für die eine Waffenher-stellungserlaubnis erforderlich ist. Eine Waffenherstellung für den privaten Gebrauch ohne Erlaubnis führt laut Waffengesetz zu einer Freiheitsstrafe von sechs Monaten bis zu drei Jahren oder zu einer Geldstrafe (Bundesregierung 2013a, S.11 f.). Allerdings ist die Erarbei-tung und Verbreitung von Druckplänen für die Herstellung von Waffen nach Waffenrecht nicht strafbar (Bundesregierung 2013a, S. 12).

Anreize zur Herstellung von Waffen mit einem 3D-Drucker könnten allerdings in Ländern entstehen, in denen Bürgerkriege herrschen oder terroristische Vereinigungen aktiv sind, z.B. in Afghanistan, Somalia oder im Jemen. Aus Sicht von Marcel Dickow von der Stiftung Wissenschaft und Politik (SWP) könnte die Waffenprofileration beispielsweise durch die Kontrolle von für den 3D-Druck von Waffen geeigneten Materialien verhindert werden. Zu-dem könne Europa versuchen, seine eher restriktiven Wertevorstellungen zum Waffenge-brauch in internationalen Waffenabkommen oder Exportrichtlinien einzubringen (Dickow 2013).

Bevor eine Technologiereife erreicht ist, die den Missbrauch von heimischen 3D-Druckern für solche Zwecke möglich macht, geht jedoch die weit größere Gefahr davon aus, dass nicht vollständige Waffen, sondern lediglich Waffenteile gedruckt werden, die später mit Me-tallkomponenten zu einer kompletten funktionstüchtigen Waffe zusammengefügt werden

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können. Die nicht detektierbaren Einzelteile könnten weltweit transportiert werden und dar-über hinaus Waffenteile ersetzen, die normalerweise mit einer Waffenregistrierungsnummer versehen sind. Dies könnte dem illegalen Waffenbesitz Vorschub leisten, zumindest in Län-dern wie den USA, wo viele metallische, nicht registrierte Waffenbauteile legal erworben werden können (Die Welt 2014).

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6. Neue und veränderte Geschäftsmodelle und Wertschöp-fungsketten

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse in den vorangehenden Kapiteln werden im Folgen-den Überlegungen zum Einfluss additiver Fertigungsverfahren auf Geschäftsmodelle und die Strukturen von Wertschöpfungsketten angestellt sowie abschließend ein Ausblick auf mögli-che Entwicklungsperspektiven hinsichtlich einer Konvergenz der technischen Entwicklungen im industriellen und Heimbereich gegeben.

In Anbetracht des noch sehr frühen Entwicklungsstadiums der additiven Fertigungsverfahren für industrielle Anwendungen bzw. für den Heimgebrauch werden einige der in den Medien diskutierten Entwicklungen innerhalb der nächsten fünf Jahre – wenn überhaupt – nur in Ansätzen zu beobachten sein. Das vielfach angekündigte Verschwimmen der Grenzen zwi-schen Produzenten und Konsumenten zum sogenannten „Prosumenten“ wird zunächst höchstens in einigen Nischenbereichen sichtbar werden. Erste Anwendungen sind vor allem aus dem Designbereich bekannt, in denen Kundenwünsche und -entwürfe mit dem Gestal-tungswissen professioneller Designer kombiniert und mittels 3D-Druck realisiert werden. Auch die Hoffnungen, dass additive Fertigungsverfahren zu einer Rückverlagerung der zuvor ausgelagerten Produktion zurück nach Deutschland bzw. Europa beitragen könnten (soge-nanntes „Reshoring“), oder dass sich durch ihre Hilfe lokale bzw. regionale Produktions-netzwerke herausbilden, gehören noch in die ferne Zukunft. Die derzeit unterschiedliche, aber insgesamt noch nicht besonders weit entwickelte Technologiereife der verschiedenen additiven Fertigungsverfahren erlaubt weder ein Höchstmaß an nutzerbeeinflusster, indivi-dualisierter Fertigung in der Produktionswirtschaft im Sinne einer Industrie 4.0, noch ermög-licht sie die Herstellung quasi industrieller Produkte mit dem heimischen 3D-Drucker.

Gleichwohl ist die Entstehung neuer Geschäftsmodelle für alle Akteure wahrscheinlich, wenngleich diesbezügliche Entwicklungen stark von den weiteren technischen Fortschritten und der Ausbildung eines verlässlichen Rechtsrahmens abhängen. Eine Auseinanderset-zung mit den möglichen Implikationen der additiven Fertigung auf die etablierten Wertschöp-fungsketten und Geschäftsmodelle und insbesondere mit den damit verbundenen Heraus-forderungen findet laut Piller (2014) zurzeit eher im nordamerikanischen Raum statt, wäh-rend in Europa und insbesondere in Deutschland der Fokus auf den technologischen Ent-wicklung liegt. Der ausgesprochen globale Charakter des Trends zur Digitalisierung und Individualisierung der industriellen Produktion erfordert jedoch das Einnehmen einer erwei-terten Perspektive und damit eine Auseinandersetzung mit möglichen Veränderungen in Wertschöpfungsketten und Geschäftsmodellen auch hierzulande.

Im Folgenden werden mögliche Implikationen der additiven Fertigung auf Geschäftsmodelle und Wertschöpfungen diskutiert.

Individualisierung

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen grundsätzlich die Konstruktion und Produktion individualisierter Produkte ohne teure und langwierige Umrüstungen von Werkzeugen und Maschinen. Wenn die erforderliche Technologiereife erreicht ist, können individualisierte Produkte im Sinne einer „mass customisation“ bzw. „mass personalisation“ in Serie additiv gefertigt werden. Durch die Nutzung bzw. Bereitstellung geeigneter Kommunikationsinfra-strukturen (z.B. Online-Plattformen) können Unternehmen zukünftig auf die Präferenzen und Anregungen von Kunden zugreifen, um sie an Innovations- und Produktionsprozessen zu beteiligen (Open Innovation). Neben der zunehmenden Produktvielfalt durch die „mass

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customisation“ wird erwartet, dass sich auch die Markteinführungszeiten neuer Produkte verkürzen (Waller und Fawcett 2014, S. 1).

Die Entstehung neuer Geschäftsmodelle zeichnet sich bereits im Bereich individualisierter, einfacher Produkte (z.B. Handyschalen, Joysticks) sowie von Design- und Kunstobjekten ab, bei denen Form und/oder Funktion mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren gestaltet werden können (Kap. 3). Die technologischen Möglichkeiten der additiven Fertigung erweitern die individuelle Produktanpassung und erlauben eine weitere Personalisierung von Produkten zumindest in Teilen des Konsumgüterbereiches (z. B. Mode, Designartikel etc.) (Petschow et al. 2014, S. 14).

Verschwimmen der Grenzen zwischen Produzent und Konsument

Die hohen technologischen Anforderungen an die Herstellung von (qualitativ hochwertigen) Produkten mit additiven Fertigungsverfahren sprechen gegenwärtig eher dafür, dass auch weiterhin die Produktion vorwiegend von OEMs oder anderen Spezialisten ausgeführt wird (Holmström et al. 2010, S. 1).

Es existieren allerdings bereits zahlreiche Unterstützungsangebote zum technischen und künstlerischen Gestalten von 3D-Druckobjekten und Beratungsleistungen für die „heimische Produktion“. Aktuell gibt es bereits eine Vielzahl von Herstellern von Geräten, aber auch zahlreiche Dienstleister und Internetplattformen, die Anwendern nicht nur ihre Entwürfe, sondern auch ihr Know-how zur Verfügung stellen (Kap. 3). Zukünftig könnten Unternehmen wie auch Privatpersonen die Anfertigung digitaler Konstruktionspläne (CAD-Dateien), die Schulung im Umgang mit Designsoftware oder auch die Bereitstellung ungenutzter 3D-Druckerkapazitäten über das Internet anbieten. Potenzielle Kunden solcher Angebote kön-nen wiederum Unternehmen und Privatpersonen sein.

Unter diesem Eindruck kann von einem Verschwimmen der Grenzen zwischen Produzent und Konsument zum sogenannten "Prosumenten" gesprochen werden. Damit verbunden könnte auch eine Dezentralisierung der Produktion sein, die neben einer Akteursdimension (neue Rollenverteilung zwischen Produzent und Konsument) auch eine räumliche Dimension aufweist, wonach die Produktion in die Nähe der Konsumenten rückt und es zu einer Regio-nalisierung bzw. zu einem „Reshoring“ der Produktion kommt (Waller und Fawcett 2014, S.1; Petschow et al. 2014, S. 14). Regionalisierung bedeutet in diesem Zusammenhang die ge-nerelle Verlagerung der Produktion weg von der industriellen Produktionsstätte zu einer für dieses Produkt spezialisierten Firma in die Nähe des Kunden, welche das Produkt in FabLabs (3D-Copy Shops) vor Ort oder gar zu Hause fertigt. Reshoring bezieht sich darauf, dass die zuvor ins Ausland verlagerte (Massen-)Produktion wieder zurück in das ursprüngli-che Produktionsland verlagert wird.

Regionalisierung

Denkbar ist daher ein Wandel der Wertschöpfung in Teilbereichen der Konsumgüterindustrie von einer zentralen Massenproduktion hin zu dezentralen, offen strukturierten Produktions-prozessen an kleinen, lokalen Standorten (Müller 2014). Die so entstehenden Wertschöp-fungsketten sind vor allem von einer Flexibilisierung gekennzeichnet, die es Produzenten ermöglicht, fehlendes Know-how und gegebenenfalls fehlende Gerätekapazitäten auf Platt-formen nachzufragen und von Privat- oder Einzelunternehmern zuzukaufen bzw. umgekehrt auch überschüssige Kapazitäten anzubieten.

Der Dezentralisierung von Wertschöpfungsketten wird in erster Linie ein positiver Effekt zu-geschrieben, der unter anderem auf die lokale, bedarfsgerechte und ressourcenschonende

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Produktion zielt. Die Produkte sind schnell verfügbar und Transport- sowie Lagerkosten wer-den reduziert (Liu et al. 2014, S. 1).

Gleichwohl müssen auch eventuelle negative Wirkungen mitbedacht werden. Experten er-warten, dass die aus der dezentralisierten, lokalen Produktion entstehenden Energie- und Ressourcenbedarfe einer Vielzahl von Klein- und Kleinstfabriken so hoch sind, dass sie die parallel entstehenden Effizienzsteigerungen durch die Dezentralisierung der Wertschöpfung aufwiegen könnten (Kerkmann 2013). Darüber hinaus müssen bei einer mit der Dezentrali-sierung von Wertschöpfungsketten einhergehenden Digitalisierung der Produktionsprozesse im Sinne einer Industrie 4.0 auch eventuell entstehende Sicherheitsrisiken bedacht werden. Zwischen Unternehmen bzw. Unternehmen und Konsumenten werden Daten statt (Vor-) Produkte ausgetauscht. Neben den Problemen durch missbräuchliche Vervielfältigungen (Plagiate) entstehen so neue Möglichkeiten zur Manipulation von Konstruktionsplänen, die zur Produktion fehlerhafter oder gar gefährlicher Produkte führen kann.

Reshoring

Es wird angenommen, dass der Einsatz additiver Verfahren zu einem Reshoring beitragen kann, also einer Wiederbelebung der Warenproduktion in Hochlohnländern (Seidler 2013, S. 27; Petschow et al. 2014, S. 26). Durch Reshoring könnte die lokale Produktion und damit der heimische Standort gestärkt werden und neue lokale bzw. regionale Wertschöpfungsket-ten könnten entstehen. Weitere Vorteile der Produktion vor Ort wären eine bessere Quali-tätskontrolle (Aakriti und Narayanan 2015), zudem dürfte das Vertrauen der Konsumenten in lokale produzierte Produkte (z.B. bei besonders sensiblen Produkten wie Medikamente) größer sein (Zarolli 2014). Als negativ wird gewertet, dass anderen Regionen der Welt die dortige Wertschöpfung entzogen wird (Nicolai 2013).

Schon heute sind Reshoring-Tendenzen in Hochlohnländern in begrenztem Ausmaß zu beobachten, wenngleich diese noch nicht durch die Möglichkeiten der additiven Fertigung verursacht werden. Sie sind vielmehr eine Konsequenz verminderter Energiekosten (welt-weit gesunkener Ölpreis; Facking-Boom in den USA) und den in den Schwellenländern ge-stiegenen Arbeitskosten (Petschow et al. 2014, S. 16). Am Beispiel der USA zeigt sich aller-dings, dass die Wirkung des Reshorings auf die heimische Wirtschaft bisher kleiner als er-wartet ausfällt (Zarolli 2014). Im Kontext der additiven Fertigung werden sich die wirtschaftli-chen Effekte aber möglicherweise verstärken.

B2B und die Rolle von KMU

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen es Unternehmen, ihre Produktions- und Wert-schöpfungsprozesse neu zu gestalten. Dies hat Auswirkungen auf Kooperationsbeziehun-gen zwischen Unternehmen (bzw. zwischen Unternehmen und Konsumenten) und wird ver-mutlich zu neuen bzw. veränderten Geschäftsmodellen führen. Entlang der Wertschöp-fungskette zwischen einzelnen Unternehmen könnten neue Geschäftsmodelle beispielswei-se im Rahmen der Komponentenentwicklung und -fertigung entstehen (VDI 2014, S. 19). Durch die datenbasierte Konstruktion neuer Bauteile und die Fertigung neuartiger Kompo-nenten wird sich die Rolle von Zulieferern grundlegend verändern. Statt der Bauteile werden dann lediglich digitale Konstruktionsdaten geliefert, anhand derer die Bauteile im eigenen Betrieb additiv gefertigt werden. Auch könnten additive Fertigungsverfahren Unternehmen zukünftig in die Lage versetzen, kostengünstig eigene (Vor-)Produkte zu erzeugen, wodurch einige Akteure der Wertschöpfungskette, wie z.B. einzelne Zulieferer, überflüssig würden. Für KMU können diese sich abzeichnenden Entwicklungen unter Umständen negativ sein, wenn sie sich nicht rechtzeitig mit den neuen Rahmenbedingungen der Wertschöpfung aus-einandersetzen.

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Konvergenzen industrieller Anwendungen und Heimanwendungen additiver Verfahren

Die folgende Abbildung skizziert, wie die verschiedenen Entwicklungslinien der additiven Fertigung in Bezug auf industrielle Anwendungen einerseits und Heimanwendungen ande-rerseits zueinander in Beziehung stehen.

Mögliche Zielpunkte der Entwicklungen sind bei den industriellen Anwendungen ein „Resho-ring“ der zuvor ins Ausland verlagerten Produktion, und bei den Heimanwendungen die loka-le Produktion nahe am Kunden. Unter der Voraussetzung, dass leistungsstarke industrielle Techniken nach und nach (ggf. in modifizierter Form) für Heimanwendungen zur Verfügung stehen („Technologiediffusion“), könnten in Zukunft industrielle und Heimanwendungen vo-raussichtlich konvergieren.

Bevor die fortschreitende Technologiereife bei gleichzeitiger Zunahme der Technologiebe-dienbarkeit tatsächlich eine Herstellung komplexerer Produkte im Heimbereich möglich macht, bieten FabLabs, die mit professionellen Geräten ausgestattet sind und ein leistungs-fähiges Serviceangebot bieten, eine wahrscheinliche Zwischenlösung, um den schnell wachsenden Produktansprüchen der Nutzer gerecht zu werden. Als eine Art „3D Copy Shops“ könnten FabLabs die Produktion der gewünschten Produkte übernehmen.

Diese Entwicklungen werden wesentlich durch den Trend in der konventionellen Industrie bestimmt, vermehrt auf eine individualisierte und flexible Produktion zu setzen, die unmittel-bar auf Konsumentenwünsche und -anregungen eingeht (Industrie 4.0). Schon heute spielt das Rapid Tooling, also die additive Werkzeug- und Formenfertigung, für Entwicklungen im Kontext der Industrie 4.0 eine wesentliche Rolle.

Parallel zum Wunsch nach individualisierten Produkten verändert sich generell das Konsum-verhalten der Konsumenten, die ein verstärktes Interesse am „Selbstmachen“ bzw. an einer eigenen Produktion zeigen (sogenannte „Maker“-Bewegung). Additive Fertigungsverfahren verstärken diesen Trend, ohne aber ihr Auslöser zu sein. Die zunehmende Emanzipation der Konsumenten wird perspektivisch zur lokalen Produktion in spezialisierten FabLabs beitra-gen.

Abbildung 1:Skizzierung der Konvergenz industrieller Anwendungen und Heimanwendungen additiver Fertigungsverfahren (Quelle: Eigene Darstellung)

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5. Ökologische Auswirkungen

Mit additiven Fertigungsverfahren wird die Hoffnung verbunden, dass diese im Gegensatz zu herkömmlichen Produktionsmethoden Ressourcen wie Material und Energie einsparen (VDI 2014, S. 18). Die Einsparungen sollen zum einen direkt im Produktionsprozess erzielt wer-den können, zum anderen indirekt durch die Fertigung von Ersatzteilen bzw. durch Repara-turen von Gebrauchsteilen oder durch die Herstellung von Bauteilen mit besonderen Eigen-schaften, z. B. Leichtbauteile für den Einsatz in Flug- oder Fahrzeugen. Ein weiterer positiver Effekt könnte sich durch vermiedene logistik- und transportbedingte Umweltbelastungen ergeben, wenn die Produktion direkt vor Ort erfolgt.

Die einzelnen Einsparpotenziale der additiven Fertigung werden im Folgenden kurz skizziert:

Materialeinsparung: Es wird nur so viel Material verbraucht, wie auch tatsächlich benö-tigt wird. So entstehen keine Metallspäne oder sonstiger Verschnitt aus Metall, Kunst-stoff etc. Das nicht verwendete Pulver bei pulverbasierten Verfahren (z.B. Laser-Sintern oder Laser-Strahlschmelzen) ist nach entsprechender Aufbereitung weitgehend wieder-verwendbar. Darüber hinaus lassen sich durch die Produktion vor Ort auch Verpa-ckungsmaterialien einsparen (DMRC 2011, S.30).

Energieeinsparung: Neuartige Leichtbaukonzepte erlauben Energieeinsparungen durch das geringere Gewicht der Bauteile. So lassen sich etwa Flugzeug- oder Fahr-zeugkomponenten mit Hohlräumen oder mit komplexen bionischen Strukturen realisie-ren.

Einsparungen durch Logistik- und Transportvermeidung: Bauteile können zukünftig direkt vor Ort (in der Nähe des Kunden, beim Endhersteller, in Krisengebieten etc.) her-gestellt werden, wodurch sich die transportbedingten Energieaufwendungen reduzieren lassen. Zum Beispiel könnten einer US-amerikanischen Studie zufolge ca. 41 bis 64 % der Energie einspart werden, wenn ein Produkt in den USA hergestellt wird und nicht aus China importiert werden muss. Insofern könnte die additive Fertigung zur CO2-Reduktion und zum Umweltschutz beitragen (Thum 2013c).

Einsparung durch die Herstellung von Ersatzteilen: Mithilfe von additiven Ferti-gungsverfahren lassen sich Verschleißteile z. B. an Turbinen ersetzen, ohne dass diese vollständig ausgetauscht werden muss (Interview Klemp 2014; Interview VDMA 2014).

Studien des Öko-Instituts und des Instituts für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) ma-chen allerdings deutlich, dass die tatsächlichen Effekte der additiven Fertigung für den Kli-ma- und Ressourcenschutz sehr differenziert zu bewerten sind und es diesbezüglich noch große Wissenslücken gibt: Prinzipiell seien zwar ein geringerer Materialverbrauch sowie Einsparungen beim Energieaufwand denkbar, jedoch nur unter der Bedingung, dass diese nicht durch gegenläufige Entwicklungen, wie z.B. eine sinnlose Produktion von „Crappy Ob-jects“ (s. u.), konterkariert würden. Auch würde die alleinige Betrachtung von Umweltvortei-len durch Einsparungen bei der Logistik zu kurz greifen (Stahl 2013, S. 15). Wesentliche Forschungsbedarfe werden in Bezug auf Rohstoffe, den tatsächlichen Energiebedarf im Life Cycle von additiv gefertigten Produkten sowie im Abfallmanagement gesehen:

Unterschiedliche Ökobilanz je nach Anwendungsfeld: Die Ökobilanz fällt je nach Produkt bzw. Anwendung unterschiedlich aus. Das IÖW (2014) gelangte zum Ergebnis, dass zum Beispiel die additive Fertigung von Handyschalen zu keinen Ressourcenein-sparungen (z.B. in Bezug auf den Treibhausgasausstoß) gegenüber der klassischen Massenproduktion führt, sofern nicht biobasierte Materialien verwendet werden und zu-

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gleich eine ausreichende Produktnutzungsdauer durch die Konsumenten realisiert wird. Bei der additiven Fertigung eines Flugzeugersatzteils hingegen fiel die Ökobilanz in Be-zug auf den Treibhausgasausstoß positiv aus, weil durch die realisierte Leichtbauweise erhebliche Mengen an Treibstoff eingespart werden können und die Ersatzteile selbst nicht per Flugzeug transportiert werden müssen.

Erhöhter Energiebedarf: Generell ist der Energieverbrauch additiver Fertigungsverfah-ren (Energie pro gefertigter Stückeinheit) als hoch zu bewerten (IÖW 2014, S. 28). Bei der Produktion von Formen und Werkzeugen durch das Laser-Verfahren beispielsweise entsteht ein höherer Energiebedarf als bei herkömmlichen Produktionsverfahren (Gilpin 2014). Zudem könnte der Einsatz additiver Fertigungsverfahren dazu führen, dass Bau-teile vermehrt aus Kunststoffen produziert werden, die ursprünglich aus anderen Materi-alien und ggf. aus natürlichen Rohstoffen gefertigt worden sind. Die Erzeugung von Kunststoffen ist mit einem hohen Energieeinsatz verbunden (Stahl 2013, S. 10ff).

Abhängigkeit von Plastik und Verbrauch natürlicher Ressourcen: Ein damit im Zu-sammenhang stehender, bisher kaum beachteter Aspekt ist, dass ein durch die additive Fertigung möglicherweise bedingter Mehrverbrauch an Kunstoffen zur weiteren Ver-knappung der limitierten Ressource Öl beiträgt, sofern nicht recyclefähige Kunststoffe verwendet werden. Wenn allerdings bestimmte Werkstoffeigenschaften (z.B. eine starke Schlag- und Zugfestigkeit) erzielt werden sollen, ist die Verwendung recyclefähiger Kunststoffe nicht möglich.

Recyclefähige Kunststoffe: Tatsächlich werden für das FDM-Verfahren häufig so ge-nannte PLA (Polylactide) eingesetzt, die aus nachwachsenden Rohstoffen – wie Mais-stärke oder Zuckerrohr – hergestellt werden und zur Gruppe der biologisch abbaubaren Kunststoffe (Biopolymere) zählen (Baumgärtner 2014). Allerdings benötigt die Verrottung von PLA mehrere Jahre (Blawat 2011). An weiteren recyclefähigen Kunststoffen für die additive Fertigung wird geforscht: Ein chinesisches Unternehmen hat beispielsweise ei-nen biobasierten Kunststoff entwickelt, der aus Stroh hergestellt wird. Dieser Kunststoff soll um die Hälfte günstiger als PLA sein. Ob er allerdings auch schneller abbaubar als PLA ist, ist nicht bekannt (3Druck.com 2014f). Auch gibt es erste Ansätze, aus ge-brauchten PET-Flaschen Kunststofffilamente für den 3D-Drucker herzustellen. So arbei-ten die beiden US-Unternehmen 3D Systems und Coca Cola an einem entsprechenden Gerät namens Ekocycle Cube, mit dem private Nutzer ihre Kunststoffflaschen recyceln können. Das Gerät soll in Kürze auf den Markt kommen (Krämer 2014e).

Abfall- und Life Cyclemanagement: 3D-Drucker für Heimanwender könnte verstärkt zu Abfall führen, weil entweder immer neue Varianten eines Objekts oder "sinnlose" Pro-dukte („Crappy Objects“) ausgedruckt werden (Rebound Effect). Ein entsprechendes Phänomen war in Bezug auf den Papierverbrauch bei der Einführung des 2D-Druckers für Heimanwender zu beobachten. Auch hängt die Frage, ob additive gefertigte im Ver-gleich zu den herkömmlich hergestellten Produkten eine bessere Umweltbilanz aufwei-sen, sehr eng mit deren Nutzungsdauer zusammen: Eine schlechtere Qualität (und da-mit kürzere Lebensdauer) bei den additiv gefertigten Produkte könnte sich nachteilig auf deren Umweltbilanz auswirken. Schließlich werden höhere Anforderungen an das Re-cycling gestellt, weil sich durch additive Fertigungsverfahren bei fortschreitender Tech-nologiereife auch anspruchsvolle Produkte herstellen lassen, die aus einem Stück, aber verschiedenen Materialkomponenten bestehen (Stahl 2013, S. 14)

Gesundheitsrisiken durch Nanopartikel: Stephens et al. (2013, S. 334 ff.) vom Illinois Institute of Technology weisen darauf hin, dass 3D-Drucker potenziell gefährliche Nano-partikel in die Raumluft emittieren. Die Menge an Emissionen sei mit denen von Duftker-

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zen, Laserdruckern oder Zigaretten vergleichbar. Die Forscher empfehlen deshalb, die Geräte in gut belüfteten Räumen anzuwenden. Da die Höhe der Emissionen in Abhän-gigkeit der verwendeten Materialien stark variieren, besteht hier allerdings noch weiterer Forschungsbedarf.

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6. Zusammenfassung TA-relevanter Fragestellungen

Aus Perspektive der Technikfolgen-Abschätzung werfen additive Fertigungsverfahren eine Reihe von für den Gesetzgeber relevanten Fragestellungen in ökonomischer, technischer, rechtlicher, gesellschaftlicher und ökologischer Hinsicht auf, die im folgenden Abschnitt kurz skizziert werden.

Wirtschaft

Es bestehen kaum Zweifel daran, dass die additiven Fertigungsverfahren aufgrund ihrer Fähigkeiten in Zukunft eine weitere Verbreitung finden werden. Uneinigkeit besteht aller-dings darüber, ob sich ein schneller Umbruch der Produktion auf breiter Front abzeichnet („Revolution der Fertigung“) – was angesichts der Investitions- und Nutzungszyklen beste-hender Produktionsanlagen unwahrscheinlich ist –, oder ob sich additive Fertigungsverfah-ren ausgehend von bestehenden und neuen Nischen evolutiv ausbreiten. Mit der Geschwin-digkeit und dem Umfang dieser Durchdringung sind verschiedene Fragestellungen verbun-den:

In welchen Branchen ist am ehesten mit einer Änderung der Wertschöpfungsstrukturen durch die breiten Einsatz von additiven Fertigungsverfahren zu rechnen?

Welche Maßnahmen in der Ingenieursausbildung aber auch im Rahmen der Qualifizie-rung von Technikern und Fabrikarbeitern müssen ergriffen werden, um die anspruchs-vollen additiven Fertigungsverfahren in die Produktion zu integrieren und ihr Potenzial in der Praxis auszuschöpfen?

Werden additive Verfahren und das Entstehen von FabLabs (professionelle 3D-Auftragsfertiger) für kleine Unternehmen und Handwerksbetriebe eine Möglichkeit zur Erweiterung ihres Leistungsspektrums bieten (neuartige Elemente ohne die Investition in eigene Geräte), oder dazu führen, dass Endkunden diese Fertigung selbst vornehmen?

Technische Entwicklungen

Wenngleich additive Verfahren in vielen Fällen schon eine hohe Anwendungsreife erreicht haben (insbesondere industrielle Geräte, die mit Laser oder Elektronenstrahlen arbeiten), sind insbesondere die 3D-Drucker für den Heimanwender noch vergleichsweise limitiert. Dies liegt insbesondere an der noch eingeschränkten Materialvielfalt (thermoplastische Kunststoffe).

Welche Werkstoffe befinden sich für welche additive Fertigungsverfahren in der Entwick-lung und welche Anforderungen stellen diese an die Verarbeitung? Ist absehbar, dass sich unter Verwendung elektronischer Funktionsmaterialien/Polymere elektronische Schaltungen in additiv gefertigte Elemente integrieren lassen?

In welchem Umfang ist es realistisch, dass Technologien aus dem professionellen Ein-satz – in abgewandelter Form – auch für Heimanwendungen verfügbar werden?

Sind Technologien absehbar, die additive Fertigungsverfahren deutlich beschleunigen können?

Welche sonstigen technischen Ansätze der additiven Fertigung (z. B. auf Basis von kon-trollierter Selbstorganisation bei der Herstellung künstlicher Organe) können in Zukunft relevant werden?

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Rechtsrahmen Da die additive Fertigung auf digitalen 3D-Modellen und somit auf Computerdaten beruht, ist der Austausch von Produktbauplänen und damit des Produkts selber prinzipiell ohne Quali-tätsverlust per Mausklick und weltweit möglich. Ebenso sind Produktmodifikationen allein auf Basis von Änderungen der Datensätze möglich. Diesen Umstand machen sich Tauschplatt-formen für digitale Baupläne zunutze, um eine breite „Maker“-Bewegung zu stärken. Aller-dings ergeben sich im Kontext derartiger Open Source Communities als auch darüber hin-aus erhebliche rechtliche Probleme:

Wie werden Urheberrechte und Patente gewahrt und welcher Grad der Weiterentwick-lung bestehender Baupläne gilt als kreative Leistung?

Gilt die Frage der Patente und Urheberrechte nur in kommerziellen Kontexten oder auch bei Produkten für den Privatgebrauch?

Wer haftet für fehlerhafte Baupläne, die zu nicht oder nicht wie vorgesehen funktionie-renden Produkten führen, und die ggf. materielle Schäden sowie Schäden an Leib und Leben verursachen?

Inwieweit stellt die Modifikation eines 3D-Druckers ebenfalls eine Verletzung bestehen-der Rechtsansprüche dar?

Gesellschaft

Die unmittelbaren Auswirkungen additiver Fertigungsverfahren und hier insbesondere von 3D-Druckern für den Privatgebrauch auf die Gesellschaft sind gegenwärtig noch ausgespro-chen gering. Dabei kann die weitere Verbreitung von 3D-Druckern bzw. von FabLabs ein zusätzliches gesellschaftliches Innovationspotenzial aktivieren. Negative Auswirkungen wer-den im Wesentlichen in einer möglichen Bedrohung für die öffentliche Sicherheit (insbeson-dere im Flugverkehr) durch Waffen(teile) aus dem 3D-Drucker gesehen

Durch die Verwischung der Grenzen zwischen Produzenten und Konsumenten kann die Kreativität und das Wissen einer größeren und diverseren Personengruppe in den Inno-vationsprozess einfließen. In welcher Form können diese Entwicklungen unterstützt werden (beispielsweise durch die Anpassung von Lehrplänen an Schulen usw.)?

Sobald die Technologie ausgereift ist, droht eine Gefahr durch Herstellung von (einfa-chen) Waffen als Alternative zur Beschaffung von Waffen auf dem Schwarzmarkt. Auf welche Weise können hier vorausschauende Gegenmaßnahmen getroffen werden?

Umwelt und Gesundheit

Gegenwärtig überwiegen in allen potenziellen industriellen Anwendungsbereichen der addi-tiven Fertigung konventionelle Produktionstechniken (Spritz- und Druckguss, abtragende Fertigung etc.), so dass potenzielle Umwelteffekte der additiven Fertigungsverfahren quanti-tativ in globalem Maßstab noch zu vernachlässigen sind. Dennoch ist es notwendig, ange-sichts der erwarteten Verbreitung additiver Fertigungsverfahren frühzeitig mögliche Auswir-kungen auf die Umwelt zu ermessen. In Bezug auf 3D-Drucker für den Heimbereich sollten mögliche Gesundheitsgefahren in den Blick genommen werden.

Bisherige Ansätze der Ökobilanzierung und des Life Cycle Assessments im Kontext der additiven Fertigung beschränken sich auf die Herstellung einfacher Produkte. Um eine realistische Abschätzung vornehmen zu können, müssen auch Produkte und Produkti-

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onsprozesse untersucht werden, die die Eigenarten und Vorteile der additiven Fertigung nutzen und somit den Funktionsumfang (Nutzen) beschreiben. In diese Betrachtung muss der Aufwand zur Schaffung der apparativen Voraussetzung, der Energie- und Rohstoffeinsatz ebenso einbezogen werden, wie der Logistikaufwand und das Recycling bzw. die Entsorgung.

Welche Emissionen entstehen bei der Verwendung thermoplastischer Kunststoffe (Dämpfe, Nanopartikel) für den 3D-Druck im Heimbereich und wie ist die Belastung im Vergleich mit anderen haushaltsüblichen Emissionsquellen zu bewerten (Papierlaser-drucker, Herdplatten etc.)? Inwieweit ist die Verbreitung von Nanopartikel in der Luft beim 3D-Druck im Heimbereich über die üblichen Gerätesicherheitsstandards (TÜV, DIN) geregelt?

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8. Anhang

9.1 Übersicht Verfahren der additiven Fertigung Ausgangsstoffe Additive Fertigungsverfahren

Fest Polymere, Kera-mik, Metalle, Folie, Draht

Auch pastöse Materialien wie Lebensmittel, Beton

Fused Filament Fabrication oder Fused Depostion Modeling (Schmelzschichtung)

Anwendung: Typischer 3D-Drucker für zu Hause

• Extruder schmilzt Kunststoffe vergleichbar mit einer beweglichen Heißklebepistole

• Extruder und/oder Plattform können beweglich sein • Geschwindigkeit des Druckvorgangs von Abkühlungs-/

Aushärtungszeit abhängig • Bei überhängenden Strukturen/Hohlräumen sind Stützstrukturen

erforderlich • Auflösung abhängig von thermischen Eigenschaften des Materials,

Präzision der Düse, Düsenstärke • Verfahren setzte sich besonders durch das OpenHardware Projekt

RepRap durch

Pulverförmig Werkstoffe in Pulverform, z.B. Gips, Kunststoff, Keramik, Glas, Metalle

Anwendung: Typisch für industrielle Anwendungen

Selektives Lasersintern/Laserschmelzen

• Das pulverförmige Material wird mit einem Laser unter Schutzat-mosphäre verschmolzen

• Beim Lasersintern werden anders als beim Laserschmelzen die Aus-gangsmaterialien nur teilweise aufgeschmolzen.

Elektronenstrahlschmelzen

• Das pulverförmige Material wird mit einem Elektronenstrahl im Vaku-um verschmolzen

• Gut geeignet für feste metallische Objekte • Geringere Auflösung als bei Lasersintern, dafür schneller

Flüssig Photopolymer, Polyesterbasierte Kunststoffe

Anwendung: Typisch für industrielle Anwendungen

Stereolithographie

• Das flüssige Photopolymer erstarrt nach Belichtung durch einen Laser, dazu wird das Modell auf die Oberfläche projiziert

• Die Druckplattform ist beweglich, das 3D-Objekt wird nach jedem Druckvorgang um einen Layer nach unten bewegt.

• Bei überhängenden Strukturen/Hohlräumen sind nadelförmige Stütz-strukturen erforderlich

• Hohe Auflösung möglich

Single Jet Inkjet

• In Abhängigkeit vom eingesetzten Verfahren ist 3D-Druck mit ver-schiedenen Materialien aus zwei Düsen möglich.

• In Abhängigkeit vom eingesetzten Verfahren ist Nachbearbeitung einzelner Schichten mit Fräsen oder UV-Lampen notwendig

• Höchste Detailgenauigkeit

Tabelle 3: Unterteilung der additiven Fertigungsverfahren nach dem Ausgangszustand der Werkstoffe (3Druck 2011b; zu Single Jet Inkjet Hagl 2015, S. 27ff.), Eigene Darstellung

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9.1 Positionen von Akteuren im Bereich additive Fertigung/3D-Druck Das für das Horizon Scanning durchgeführte Screening sowie die im Anschluss vertiefende Recherche und Analyse haben gezeigt, dass das Thema additive Fertigung/3D-Druck in den letzten zwei bis drei Jahren von diversen Stakeholdergruppen aufgegriffen und intensiv dis-kutiert worden ist. Auf Grundlage der vorliegenden umfangreichen Datenlage ist es somit möglich, im Sinne einer Gesamtschau die verschiedenen von den einzelnen Stakeholder-gruppen vertretenen Positionen vorzustellen:

Presse: Das Thema additive Fertigung/3D-Druck wird aufgrund der beim Leser ausgelösten Faszination sehr gerne von der Presse aufgegriffen. Dabei stehen vor allem kuriose oder spektakuläre Anwendungen im Vordergrund, wie etwa die Vorstellung bizarrer Kunstwerke aus Schokolade, die Nachricht vom 3D-Druck ganzer Häuser oder Autos, oder Ideen zur additiven Fertigung von Raumstationen im All bzw. der Garderobe an der Rezeption von Hotels. Über typische Anwendungen in der Industrie wie etwa die Herstellung von Leicht-bauprodukten oder von Werkzeugen für die Produktion wird zumindest von der allgemeinen Tagespresse weniger berichtet. Inzwischen finden sich auch kritischere Stimmen, die von einem überbewerteten Hype um das Thema ausgehen. Zunehmend rücken mögliche Risi-ken wie Sicherheitsfragen, Haftung und Gewährleistung in den Vordergrund. Dabei werden Risiken in Bezug auf den Umweltschutz oder soziale Risiken mit Blick auf den möglichen Verlust von Arbeitsplätzen noch kaum aufgegriffen. Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Auswahl typischer Schlagzeilen zum Thema additive Fertigung/3D-Druck.

Positive Titelzeilen zu 3D-Druck

Brrrt, ssst, fertig. Zahnkronen? Spielzeug? Autoteile? Kein Problem mit 3D Druckern. Die Maschinen werden immer leistungsfähiger – und sie kön-nen nun die Weltwirtschaft umkrempeln.

04.10.2012, Die Zeit

Fabrik auf dem Schreibtisch. Ich baue mir die Welt – Wie 3D-Drucker unseren Alltag revolutionieren

15.5.2014, Focus Online

20 irre Geschäftsideen aus dem 3D-Drucker 12.7.2013, Bild

3D-Druck leitet dritte industrielle Revolution ein 2.6.2014, Die Welt

Zähne aus dem Drucker. 3D-Scanner sorgen für technische Revolution in der Zahntechnik

20.12.2013, Deutschlandradio Kultur

3D-Drucker können die Fertigung revolutionieren 2013, Innovationsmanager

Trailblazing Technology: MTU Aero Engines Produces Parts by Additive Manufacturing.

13.3.2014, Aviationpros

Zukunftstechnologie: 3D-Druck 10.2.2014, 3D-Druck

Lichtgedichte vom Laser April 2014, Technology Review

Kritische Titelzeilen zu 3D-Druck

The father of 3D printing says it’s overhyped 8.5.2014, Silverberg/Quartz

The dark side of 3D printing: 10 things to watch. 5.3.2014, Techrepublic

„Hype“ oder Zukunft? Die Chancen und Grenzen des Verfahrens 2014, 3D-Druck

Navy Warship Is Taking 3D Printer To Sea; Don’t Expect A Revolution 22.4.2014, Breakindefense

Die Revolution wird abgeblasen 28.02.2014, Handelsblatt

Bundeskriminalamt (BKA) warnt vor kriminellen Einsatz der 3D-Drucker 23.4.2014, 3D-Grenzenlos

Additive Manufacturing – Hype or Reality? 2013, Community, Blog Eintrag

3D-Drucker lehren die Logistiker das Fürchten 28.9.2013, Die Welt

Tabelle 4: Typische Schlagzeilen zum Thema additive Fertigung/3D-Druck, eigene Darstel-lung

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Bundesregierung: Die Bundesregierung erläuterte ihre Position zum Stand und zu den Perspektiven der Erforschung und des Einsatzes von additiven Fertigungsverfahren am 5.6.2013 im Zuge ihrer Antwort auf eine Kleine Anfrage der Fraktion der SPD wie folgt (Bun-desregierung 2013a, S. 4): „Aus Sicht der Bundesregierung handelt es sich bei [additiven Fertigungsverfahren] zunächst um eine – sehr interessante und vielversprechende – Ergän-zung der Produktionsverfahren, die sich in den kommenden Jahren in der industriellen Pra-xis bewähren muss. Wenn das gelingt, dann ist in einigen Jahren mit einem soliden Wachs-tum auf dem Gebiet zu rechnen.“

Die größten Nutzen sieht die Bundesregierung in der Materialeffizienz, einem reduzierten logistischen Aufwand und in Optimierungen durch Leichtbauanwendungen (Bundesregie-rung 2013a, S. 9). Aufgrund der noch sehr hohen Kosten für die Herstellung individualisierter therapeutischer Produkte wird der Einsatz im Gesundheitswesen als noch stark limitiert an-gesehen (Bundesregierung 2013a, S. 6).

Nach ersten Einschätzungen geht eine Gefahr für die Luftsicherheit aus, weil Bauteile für Waffen aus Kunststoff mit den üblichen Vorrichtungen nicht detektiert werden können (Bun-desregierung 2013b, S. 2).

Die größten rechtlichen Herausforderungen, die im Kontext von additiven Fertigungsverfah-ren resultieren, werden im Bereich des Verbraucherschutzes und des Waffenrechts gesehen (Bundesregierung 2013a, S. 9). Der Verbraucherschutz ist zum Beispiel dann gefragt, wenn Nahrungsmittel mit aus dem 3D-Drucker stammenden Gefäßen in Kontakt kommen. Der vorhandene Rechtsrahmen zum Urheberrecht, Patentrecht, Markenrecht oder Ge-schmacksmusterrecht (Designrecht) wird als aktuell ausreichend bewertet (Bundesregierung 2013a, S. 12). Einen generellen Gesetzgebungsbedarf sah die Bundesregierung zum Zeit-punkt der Kleinen Anfrage nicht (Bundesregierung 2013a, S. 11).

Die Bundesregierung sieht darüber hinaus aktuell noch kein Erfordernis, dass Inhalte zur additiven Fertigung in Ausbildungsordnungen als Mindestinhalt aufgenommen werden soll-ten. Dies sei primär auch Aufgabe der Industrie. Erste Veränderungen von Berufsbildern wären im Bereich Dentallabore sowie Formen- und Modellbau zu beobachten (Bundesregie-rung 2013a, S. 14).

Forschungsinstitute/Plattformen/Allianzen

In Deutschland gibt es im Wesentlichen zwei Netzwerke, die sich mit additiven Fertigungs-verfahren beschäftigen. Dies ist zum einen das Direct Manufacturing Research Center (DMRC), ein Forschungszentrum an der Universität Paderborn, und die Fraunhofer-Allianz Generative Verfahren.

Die Fraunhofer-Allianz Generative Verfahren ist ein Zusammenschluss von elf Fraunhofer-Instituten, die zu additiven Fertigungsverfahren forschen und seit 2010 alle zwei Jahre zu einer internationalen Konferenz einladen, die Wirtschaft und Wissenschaft gleichermaßen anspricht. Ziel der Allianz ist es, die Technologie- und Produktentwicklung einschließlich der für die additive Fertigung verwendeten Materialien weiter voranzutreiben.

Das DMRC forscht gemeinsam mit Industriepartnern an der Weiterentwicklung additiver Fertigungsverfahren. Es wurde im Jahr 2008 mit Boeing als Partner gegründet und konnte seitdem Industriepartner wie Evonik, Liebherr, Siemens, The Lego Group, um nur einige zu nennen, gewinnen. Es handelt sich um eine Plattform, die offen für neue Partner ist. Die Forschungsprojekte werden stets in gemeinsamer Verantwortung von Industrie und For-schung durchgeführt. Ziel des DMRC besteht darin, die Vorteile der Technik potenziellen Nutzern zu vermitteln, um so die Werkstückkosten zu senken und die Technik kontinuierlich

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zu verbessern. Es soll eine „World Class Community“ entstehen, die auch die Ausbildung von Ingenieuren im Blick hat. Das DMRC finanziert sich aus öffentlichen und privaten Mit-teln, wobei die Industriepartner 50.000 bis 100.000 Euro jährlich beisteuern. Insgesamt ver-fügt das DMRC über ein Budget von ca. 11 Mio. Euro bis 2016 (DMRC 2014b) Dieser doch recht hohe finanzielle Beitrag der Industriepartner belegt den Nutzen, den sich die Unter-nehmen vom DMRC und dessen Aktivitäten versprechen.

Beide Allianzen zeigen, dass sich die Forschung zur additiven Fertigung in Deutschland bereits seit 2008 – insbesondere auch von der Industrie getrieben – in Form von For-schungsplattformen institutionalisiert hat. Gemeinsames Ziel ist es, die Verfahren zu verfei-nern, für eigenen Zwecke zu nutzen und diese darüber hinaus auch innerhalb verschiedener Industrien bekannt zu machen.

Unternehmen/Verbände

Die Industrie in Deutschland hat die additive Fertigung bereits seit einigen Jahren als wichti-ges Thema für sich erkannt. Es wird in Fachausschüssen von Verbänden sowie in von der Industrie finanzierten Forschungsvorhaben unter Mitwirkung zahlreicher Industrieplayer be-handelt, um die Potenziale für die mittelständische Industrie aufzuzeigen. Ein gutes Beispiel hierfür ist der vom VDI im September 2014 veröffentlichte Statusreport „Additive Fertigungs-verfahren“.

Die Marktdurchdringung der additiven Fertigung in der Industrie steckt aus Sicht von Indust-rievertretern jedoch noch in den Kinderschuhen. Die Kenntnisse der Firmen zu den neuen Verfahren und die Bereitschaft, sich darauf einzulassen, seien speziell beim Mittelstand noch eher gering ausgeprägt. Im Vergleich zu anderen Nationen fehle es in Deutschland von Sei-ten der Politik an einer stärkeren Unterstützung, wie z.B. die Förderung eines größeren Pro-jekts, bei dem Deutschland seine Wettbewerbsstärke zeigen und ausbauen könne (Interview Gebhardt 2014).

Tatsächlich gibt es in Deutschland kein großes Leuchtturmprojekt oder ausgewiesenes För-derprogramm für additive Fertigungsverfahren, wie dies etwa in den USA der Fall ist. Die dort aufgelegten Programme sind zum Teil mit ambitionierten Zielstellungen verbunden, beispielsweise dahingehend, dass mit den neuen Fertigungsverfahren ca. 50% der Energie-kosten eingespart werden sollen (Göllner 2013).

Gemäß der Antwort auf eine Kleine Anfrage der Fraktion der SPD an die Bundesregierung vom 5.6.2013 (Bundesregierung 2013a) wurden für additive Fertigungsverfahren neben der institutionellen Förderung in den vergangenen zehn Jahren Bundesmittel in Höhe von 21,2 Mio. Euro vergeben. Damit wurden ca. 20 Verbundvorhaben in dem Feld gefördert. Im Ver-gleich zu dem in den USA aufgelegten Förderprogramm für die additive Fertigung in der Höhe von über einer Milliarde US-Dollar fällt die in Deutschland investierte Summe beschei-den aus.

Gleichwohl zeigen die Zusammenschlüsse zwischen Forschungseinrichtungen und der In-dustrie wie das DRCM, dass sich zumindest große industrielle Player, Forscher und Anbieter im Bereich der additiven Fertigung auch ohne Förderprogramme gut selbst organisieren können.

Rat für nachhaltige Entwicklung/Umweltverbände

Von Organisationen mit Umweltbezug sind bislang keine Positionen zur additiven Fertigung zu verzeichnen (z. B. Umweltbundesamt, Bundesinstitut für Risikobewertung, Greenpeace, NABU, WWF). Von ihnen werden jedoch aktuelle Studien diskutiert. So kommentiert etwa

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der Rat für nachhaltige Entwicklung in einer Meldung vom Oktober 2014 (Rat für Nachhaltige Entwicklung 2014) die beiden Studien des Instituts für Ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW) und des Öko-Instituts zu den ökologischen Aspekten der additiven Fertigung (Kap. 5) und resümiert, dass die Umweltbilanz noch ambivalent ausfällt und auch die sozialen Folgen ungewiss seien.

Das Umweltbundesamt hat aktuell eine Studie zu 3D-Druck „Analyse und Bewertung der Wirkungen von gesellschafts- und umweltpolitischen Themen auf die Umweltpolitik mit Hilfe der Methode der Trendanalyse“ in Auftrag gegeben, deren Ergebnisse bisher noch nicht veröffentlich sind.

9.2 Interviewpartner

Name Institution Bereich Datum

Dr. Eric Klemp Universität Paderborn Direct Manufacturing Research Center

Forschung 15.10.2014

Rainer Gebhardt VDMA – Druck und Papiertechnik

Verbände 22.10.2014

Thomas Gernbauer Fabbulos GmbH Unternehmen 23.10.2014

Prof. Dr. Frank Pil-ler

RWTH Aachen Technologie und Innovationsmanagement


André Bergmann Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik – IPK


Timm Kragl Phanos GmbH Unternehmen 16.10.2014

Anonymus Unternehmen 04.11.2014

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