Deep-Dive: 3D-Druck

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Wo steht 3D-Druck heute?

Wir sehen für viele Brachen große Chancen im Bereich 3D-Druck, kurz- bis mittelfristig vor allem in den Bereichen Aerospace, Automotive, Machinery/Industrial Goods sowie HealthCare.

Diagramm: Adaption von 3D Druck in verschiedenen Branchen

Am weitesten fortgeschritten ist die Adaption von 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt. Hier werden verschiedene Formen der additiven Fertigung für die Produktion von Motorenteilen, Komponenten der Innenausstattung, Ersatzteilen und Werkzeugen verwendet. Entscheidend sind hier das leichte Gewicht der Teile, die Materialeffizienz sowie die Fortschritte bei Wartung und Reparatur. Ein weiterer wichtiger Vorteil: Die Teile können in der Luft- und Raumfahrt für die Endanwendung direkt in einem Prozessschritt hergestellt werden.

„Wir stehen an der Schwelle zu einem Umbruch in Sachen Gewichtsreduzierung und Effizienz – wir produzieren Flugzeugteile, die 30 bis 55 Prozent weniger wiegen und gleichzeitig den Rohstoffverbrauch um 90 Prozent reduzieren“, sagte Peter Sander (VP Emerging Technologies & Concepts Germany Airbus).

Betrachtet man das enorme Gesamtmarktpotenzial, ist die Luft- und Raumfahrt in naher Zukunft die wohl aussichtsreichste Branche für den 3D-Druck.

Die Medizinbranche ist ein weiterer Sektor, in dem 3D-Druck bereits breite Anwendung findet. Additiv gefertigt werden medizinische Geräte wie Implantate und Prothetik, Dentalprodukte wie Zahnfüllungen, transparente Aligner und Dentalmodelle. Im neuen Bereich Bioprinting wird der 3D-Druck organischer Substanzen erforscht.

Es wird geschätzt, dass bis 2022 jährlich etwa 500 Millionen Dentalgeräte und Zahnfüllungen mittels additiver Fertigung hergestellt werden können. Das Potenzial ergibt sich aus der Möglichkeit der Anpassung an die jeweiligen Patienten und der Flexibilität für die Zahnärzte durch On-Demand-Produktion. Ein Bericht von SmarTech Analysis zeigt, dass die Verkäufe von 3D-Druckern in der Dentalindustrie bis 2025 die Verkäufe von traditioneller Bearbeitungshardware übersteigen werden und die Technologie bis 2027 die weltweit führende Produktionsmethode für Zahnfüllungen und Dentalgeräte werden wird.

Die Automobilindustrie hat nicht nur das zweitgrößte Marktpotenzial für die additive Fertigung, sie steht auch kurz davor, ein Vorreiter im Bereich 3D-Druck zu werden. Die meisten Player haben das Potenzial erkannt und damit begonnen, die bestehende Technologie an die eigenen Zwecke anzupassen. Zu den Hauptanwendungen gehören Produktentwicklung und Prototyping, Werkzeugbau, Vorrichtungen, Halterungen sowie Wärmetauscher. Die Vorteile des 3D-Drucks beschleunigen die Entwicklung von Autos, ermöglichen flexible Massenanpassungen und eine enorme Designflexibilität bei der Mechanik.

Ein großes Potential bietet außerdem die Adaption der additiven Fertigung bei Industriegütern. Rund 74 Prozent der Industrieunternehmen nutzen bereits heute 3D-Drucker für den Prototypenbau, für Werkzeuge, Vorrichtungen, Lager und Ersatzteile. Durch den Einsatz von 3D-Druck werden Durchlaufzeiten verkürzt, neue Designs ermöglicht und die On-Demand-Produktion reduziert Abhängigkeiten und entlastet Lieferketten. In Zukunft werden wir bekräftigt durch die Vorteile der geometrischen Freiheit immer mehr Endprodukte sehen, die aus dem 3D-Drucker kommen, was neben bisherigen Anwendungen einen weiteren riesigen Markt eröffnen wird. Wir können davon ausgehen, dass heutige Nutzer der Technologie ihre Nutzung ausweiten und neue Akteure die additive Fertigung nicht nur für den Prototypenbau, sondern auch für viele verschiedene Produktionszwecke einsetzen werden.

Wann erreicht 3D-Druck vollständige Marktreife?

Auch wenn die Vorteile des 3D-Drucks auf der Hand liegen, steckt die Einführung der additiven Fertigungstechnologie noch in den Kinderschuhen. Vor allem bei der Produktion von Endprodukten in höheren Stückzahlen ist sie noch lange nicht ausgereift.

Da der generierte Wert durch die additive Fertigung stark vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt, lässt sich nur schwer eine industrieübergreifende Prognose aufstellen. Aus diesem Grund haben wir eine Anwendungsmatrix erstellt, in der bestimmte Kernwerte in Clustern in Zusammenhang mit realisierbaren Produktionsmengen gebracht werden. Diese Matrix gibt eine grobe Vorstellung davon, wo der Einsatz von 3D-Druck zum jetzigen Stand der technologischen Reife und in den nächsten 5–10 Jahren wirtschaftlich sinnvoll ist.

Diagramm: Einsparpotentiale von 3D Druck

Die drei Cluster beschreiben aufeinander aufbauende Werte, die einerseits eine höhere Anpassung des Produktdesigns erfordern, andererseits auch höhere Einsparpotentiale in der Produktion bieten.

Das untere Level beschreibt die Vorteile von additiver Fertigung, die ohne jegliche Anpassung des Produktes, rein durch die Produktionsart selbst generiert werden. Beispiele dafür sind etwa die Flexibilität der Produktion, die Materialeffizienz sowie die Simplifizierung der Supply Chain. Bei vielen produzierten Teilen lassen sich mit additiver Fertigung und minimalen Veränderungen im Produktdesign zusätzlich die Produktionsschritte reduzieren, was zu teils extremen Kostenersparnissen führen kann.

Das oberste Level beschreibt Kostenvorteile, die durch die neue geometrische Freiheit generiert werden. Hierfür muss zwar ein Produkt komplett neu gedacht werden, Hersteller bekommen dadurch aber auch die Möglichkeit, sich durch funktionale Vorteile von Wettbewerbern zu differenzieren.

Im Folgenden haben wir einige Hypothesen formuliert, wie sich der 3D-Druck-Markt unserer Einschätzung nach entwickeln wird.

Der Markt für Metall-3D-Druck wird in den nächsten 5 Jahren doppelt so schnell wachsen wie der Markt für additive Fertigung mit Polymeren.
Hypothese 1

Vor allem beim Metall-3D-Druck sehen wir ein erhöhtes Wachstums- und Disruptionspotenzial. Bei der Verarbeitung von Polymeren lassen sich bereits jetzt viele komplexe Formen mit herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellen, auch in hohen Stückzahlen und in gleichbleibend hoher Qualität. Die Metallverarbeitung hingegen erfordert aktuell noch viele Einzelschritte und bietet nicht die Möglichkeit, Produkte mit komplexen Geometrien effizient und kostengünstig zu produzieren. Hier eröffnen sich durch den Einsatz von 3D-Druck ganz neue Möglichkeiten hinsichtlich der Produkteigenschaften und der vereinfachten Montage.

Kurz- bis mittelfristig wird 3D-Druck vor allem bei der Produktion von kleinen und mittleren Chargen sowie bei personalisierten Produkten Anwendung finden.
Hypothese 2

Ersatzteile (etwa für Autos), Zahnimplantate, an Verbraucher individuell angepasste Konsumgüter, Prototyping – diese Anwendungsbereiche profitieren bereits heute von der Produktionsflexibilität, die 3D-Druck bietet. Hersteller können zahlreiche kostspielige Maschinen und Werkzeuge durch einen einzigen 3D-Drucker ersetzen. Der Verbrauchertrend Mass Customization ist ein zusätzlicher Treiber dieser Entwicklung. Die durch 3D-Druck sinkenden Produktionskosten werden dazu führen, dass aus Anwendungen mit kleineren Stückzahlen die Serienproduktion von mittelgroßen Chargen werden wird.

Gerade bei extrem komplexen und kleinen Teilen (etwa Motordüsen) lassen sich höhere Einsparpotenziale erreichen, da diese noch nicht hochautomatisiert montiert werden, sondern in kleineren Chargen zusammengebaut werden. 3D-Druck kann hier die Anzahl der Einzelteile reduzieren und damit die Montagekosten senken. Steigende Lohnkosten dürften die Entwicklungen in diesem Bereich zusätzlich beschleunigen.

Die Adaption von 3D-Druck für die Massenproduktion wird getrieben von der geometrischen Freiheit. 3D-Druck wird erst dann rentabel, wenn durch einen Wissensaustausch in der Industrie und verbesserte CAD-Software neue Produkte mit verbesserten Eigenschaften entstehen, die nur mit additiver Fertigung hergestellt werden können.
Hypothese 3

Prototyping mit einem 3D-Drucker ist relativ einfach und naheliegend, die Einführung in bestehenden Produktionsstätten dagegen stellt eine Herausforderung dar. Neben der initialen Investition in die Hardware müssen Unternehmen vor allem Zeit investieren, um das erforderliche Know-how aufzubauen. Auch wenn 3D-Drucker bedingt durch Wrights Law immer günstiger werden, glauben wir nicht daran, dass allein sinkende Anschaffungskosten in naher Zukunft eine breite Adaption in der Massenproduktion bewirken werden.

Der größte Vorteil von 3D-Druck liegt darin, Produkte zu entwickeln, die heute schlichtweg nicht hergestellt werden können. Additive Fertigung kann zur Optimierung von Produktfunktionalitäten (etwa Gewichtsreduzierung) führen oder neue Funktionalitäten hinzufügen, die zuvor nicht möglich waren (wie Werkzeugkühlung). Dieser Vorteil kann jedoch erst mit neu konzipierten Produkten genutzt werden. Hierfür braucht es eine entsprechende Ausbildung im 3D-Druck-Bereich und die Unterstützung und Weiterentwicklung entsprechender CAD-Software, um neuartige Produkte mit verbesserten Eigenschaften zu entwerfen. Der dadurch entstehende Mehrwert wird früher oder später langfristig rentable 3D-Druck-Großproduktionen ermöglichen.

Ein weiterer Treiber der Adaption von 3D-Druck ist die zunehmende Automatisierung mit KI und IoT. Player wie Protolabs, ExOne und Desktop Metal planen, flexible Massen­produktions­anlagen zu bauen, mit denen sie gleich mehrere Branchen bedienen wollen.

Ausblick

Unser Research-Team ist sicher, dass 3D-Druck die Produktion langfristig revolutionieren wird. Mit dem Durchbruch und der breiten Adaption der 3D-Druck-Technologie erwarten wir tiefgreifende Verschiebungen in beinahe jeder Industrie. So wird unter anderem die Zeit zwischen Konzeptionierung und Produktion deutlich verkürzt, da keine individuellen Produktionsmaschinen mehr angefertigt werden müssen. Geometrische Freiheit wird es ermöglichen, jede beliebige Form zu erstellen und bestimmte Produkteigenschaften bedarfsgerecht zusammenzustellen. Die Lieferkette wird entlastet, was langfristig die Kosten senken und unseren Planeten und unsere Straßen entlasten wird.

Dies hat Auswirkungen auf bestehende Produktionsstätten, auf den Logistik-Sektor, auf die Berufsgruppen der Ingenieure und Designer und letztendlich auf alle Unternehmen, die Konsumgüter vertreiben. Zukünftig wird es neben der Preisattraktivität die Möglichkeit und somit auch die Notwendigkeit zur Differenzierung durch besondere Produkteigenschaften geben.

Der Markt für additive Fertigung gewinnt aktuell enorm an Zugkraft und bietet viele Marktpotenziale für die kommenden Jahre. Wir beobachten die Entwicklungen gespannt und behalten sowohl 3D-Druck-Unternehmen im Auge als auch jene Unternehmen, die die Vorteile des 3D-Drucks frühzeitig erkennen und nutzen.