Warten auf die Revolution

3-D-Druck sollte die Fertigung und die Lieferketten revolutionieren, doch die Erwartungen wurden bislang nicht erfüllt. Ganz neue Verfahren, die schneller und günstiger sind, könnten das ändern.

Klassischer 3-D-Druck in Schichten (wie abgebildet) könnte schon bald von volumetrischen Verfahren abgelöst werden, die „Beinahe-Sofort-Druck“ versprechen.

Klassischer 3-D-Druck in Schichten (wie abgebildet) könnte schon bald von volumetrischen Verfahren abgelöst werden, die „Beinahe-Sofort-Druck“ versprechen. Foto: adobe stock

Der Phantasie waren wenige Grenzen gesetzt: Jeder Kunde würde sich einfach Ersatzteile selbst ausdrucken, eine aufwendige Lagerhaltung und das Warten auf die Lieferung würden entfallen. Möglich machen würden das 3-D-Drucker, die so günstig und einfach in der Anwendung wären, dass sie auch direkt vom Endverbraucher eingesetzt werden könnten. Doch der ganz große Boom im 3-D-Druck bleibt auch fast 30 Jahre nach seinen Anfängen aus. 3-D-Druck ist zwar so günstig, schnell und komfortabel wie nie – und dennoch eher in der Nische. Ersatzteile werden weiterhin vor allem direkt beim Hersteller bestellt und nicht vor Ort „on Demand“.

Von Anfang an gab es Bedenken, ob Patentrechte und Fragen der Qualitätssicherung die Utopie vom Ersatzteil per CAD-Zeichnung und dezentralem Druck zerstören würden. Doch bislang bremsen vor allem die niedrigen Geschwindigkeiten, hohe Fertigungskosten und die eingespielten Prozesse in der Produktion den massenhaften Einsatz von 3-D-Druck. Weder in der (Groß-)Serienfertigung noch im Ersatzteil-Sourcing hat sich 3-D-Druck in der Fläche durchgesetzt. Zwar haben sehr viele Produktionsunternehmen inzwischen einen Kunststoff-3-D-Drucker, doch wird dieser vor allem in der schnelleren Prototypenentwicklung eingesetzt oder im Betriebsmittelbau.

Damit die Teile jedoch auch in der Produktionspraxis Verwendung finden, müssten sie meist aus belastbareren Materialien wie hochfesten Kunststoffen oder Metallen gefertigt sein. Längst gibt es entsprechende 3-D-Metalldrucker, doch sind diese nicht nur in der Anschaffung teuer (Preise im mittleren sechsstelligen Euro-Bereich sind nicht ungewöhnlich), sie sind auch für viele Anwendungen zu langsam: Da die Herstellung eines faustgroßen Produkts wiederum mehrere Stunden Druckzeit benötigt, ist ihr Einsatz in der Serie nicht sinnvoll. So bleiben neben der Prototypenentwicklung nur wenige Anwendungsfelder in der Serie, beispielsweise bei besonders komplexen Teilen in der Luftfahrtindustrie und kleinen Produkten wie Zahnersatz.

Neue Verfahren, neue Chancen?

Allerdings haben viele produzierende Unternehmen noch nicht erkannt, wie sehr sich die 3-D-Druck-Technologien in den zurückliegenden Jahren weiterentwickelt haben. Neue Materialien und vor allem eine Vielzahl neuer Verfahren sind bereits am Markt verfügbar oder drängen bald dorthin. Treiber dieser Innovationen sind neben etablierten Größen wie den deutschen Herstellern SLM, EOS oder Trumpf auch zahlreiche sehr komfortabel finanzierte Start-ups vor allem aus den USA. Sie versprechen eine Verkürzung der Produktionszeiten entweder durch den parallelen Einsatz von mittlerweile bis zu zwölf Laseranlagen oder durch die Verwendung neuer Druckverfahren. Allein im Metall-3-D-Druck gibt es bereits mehr als ein Dutzend unterschiedlicher Technologien – jeweils mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen. Darunter auch die Arbeit mit Flüssigkeiten: BMW arbeitet beispielsweise gemeinsam mit dem MIT in Boston mit der Entwicklung von Elastomer-Anwendungen per „Rapid Liquid Printing“.

„Was vor fünf Jahren vielleicht noch nicht möglich oder finanziell sinnvoll war, könnte jetzt umsetzbar sein.“

Christian Hesse, Deutsche Bank

Viel Phantasie weckt derzeit das Thema „Volumetric Additive Manufacturing“. Es verspricht fast einen „Sofortdruck“ durch eine Abkehr vom bisherigen additiven Schicht-für-Schicht- oder Punkt-für-Punkt-Verfahren: Das Stück wird quasi in einem Guss erstellt. Dazu wird ein dem Computertomografie-Scan ähnliches Verfahren genutzt, bei dem ein Laserbild auf einen sich drehenden Werkstoff projiziert wird. Durch die Laserstrahlen wird das Material in der gewünschten Form härter. Bislang lassen sich so mikroskopisch kleine Optiken aus Glas oder glasähnlichen Werkstoffen fertigen. Auch geleeartige Materialien kommen bereits zum Einsatz, unterschiedliche Kunststoffe können genutzt werden. Diese Verfahren sind nicht nur schneller und verbrauchen nach Angaben der Entwickler weniger Material, sie sollen vor allem wenig Nachbearbeitung erfordern. Denn bislang müssen viele 3-D-Druck-Produkte noch aufwendig nachbearbeitet werden, da in vielen Anwendungsbereichen auch minimale Rauheiten der Oberfläche unerwünscht sind. Und noch ein weiteres Manko vieler Druckverfahren wird beseitigt: Das Produkt ist sehr homogen in der Materialqualität, da es nicht in Schichten aufgetragen und zeitgleich bearbeitet wird. So werden mögliche Bruchstellen bei den Übergängen von einer zur nächsten Schicht vermieden.

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Ein bisschen Science-Fiction

Weil Objekte plötzlich quasi aus dem flüssigen „Nichts“ entstehen, regt „Volumetric 3D-Printing“ nicht nur die Phantasie an, auch die hohe Geschwindigkeit weckt Hoffnungen, dass nun der Durchbruch des 3-D-Drucks kommen könnte. Doch Beobachter wie Christian Hesse von der Deutschen Bank bremsen die Erwartungen. Der Branchenspezialist beschäftigt sich schon länger mit dem Einsatz von 3-D-Druck vor allem in der Industrie. „Die Anwendung von 3-D-Druck abseits der Prototypenentwicklung wird durch zwei Faktoren behindert: Es fehlt an qualifiziertem Personal in der Bedienung der Maschinen und die Industrie hat wenig Anreize, erprobte Prozesse zu verändern.“ Allein der Umgang mit den hochfeinen Metallstäuben erfordere den Einsatz ausgebildeter Mitarbeiter – nicht jeder dürfe einen 3-D-Metalldrucker einfach bedienen, erklärt Hesse. Weil zudem die Zulassung von Bauteilen beispielsweise in der Luftfahrt oder im Automobilbau strengen Prüfungen unterliege, könnten Teile nicht einfach durch 3-D-gedruckte Elemente ersetzt werden. Damit will Hesse aber keinesfalls die Möglichkeiten von 3-D-Druck verneinen – es komme aber darauf an, das Einsatzgebiet genau auszuwählen: „Die zunehmende Modellvielfalt im Automobilbau beispielsweise würde eine Bevorratung sehr vieler Produkte erfordern, damit auch Jahre nach dem Kauf noch Ersatzteile zur Verfügung stehen. Dabei weiß kein Hersteller, wie viele Produkte wirklich einmal benötigt werden. Mit 3-D-Druck könnte dieser Aufwand entfallen, müssten keine teuren Maschinen und Werkzeuge oder Fertigteile vorgehalten werden.“ Andere Anwendungen sieht er in der Kleinserienfertigung komplexer Teile – statt zehn unterschiedliche Teilekomponenten zu prüfen, bräuchte es nur noch die Prüfung eines Teils. Das sei beispielsweise in der Luftfahrt ein Vorteil von 3-D-Druck

„Glas hat als Material viele Vorteile, ist jedoch bislang konventionell nur schwer zu verarbeiten gewesen – da hilft 3-D-Druck.“

Dorothea Helmer, CEO Glassomer

Auch Dorothea Helmer, CEO von Glassomer, glaubt nicht an die Massenfertigung einheitlicher Bauteile per 3-D-Druck. Dabei ist das Freiburger Unternehmen technologisch ganz vorne dabei im Bereich 3-D-Druck von Glas: „In der Prototypen-Entwicklung und bei aufwendigen Einzelteilen ist unser 3-D-Druck bereits sehr gefragt. Glas hat als Material viele Vorteile, ist jedoch bislang konventionell nur schwer zu verarbeiten gewesen – da hilft 3-D-Druck. Volumetrischer 3-D-Druck wird diese Entwicklungen verstärken. Doch 100.000 gleiche Bauteile werden auch in Zukunft kaum per 3-D-Druck gefertigt werden.“

Optionen prüfen

Auf die Chancen von 3-D-Druck zu verzichten werden sich Unternehmen aber in Zukunft immer weniger erlauben können. Nicht nur verspricht der 3D-Druck weniger Materialausschuss und damit ressourcenschonender zu sein, er ermöglicht eine einfachere Einzelteilfertigung auch abseits vom reinen Prototyp. Helmer sieht schon heute eine Nachfrage nach individuellen Flakons und Kleinserien oder individuellen Medizinprodukten wie Zahnersatz. Angesichts fragiler Lieferketten könnte zudem der dezentrale Druck von Ersatzteilen wichtiger werden. Sie ist überzeugt: „Volumetrischer 3-D-Druck steht noch am Anfang der Entwicklung. Weitere Materialien werden damit in Zukunft verarbeitet werden können. Das Thema wird noch für viele Schlagzeilen sorgen.“

Christian Hesse empfiehlt darum Unternehmen, die Neuerungen im 3-D-Bereich stets zu verfolgen. „Die Hersteller haben große Fortschritte gemacht, sowohl bei den Materialien als auch bei den möglichen Anwendungsbereichen. Was vor fünf Jahren vielleicht noch nicht möglich oder finanziell sinnvoll war, könnte jetzt umsetzbar sein. Das Thema ist weiterhin sehr komplex. Aber die Chance, sich mithilfe von 3-D-Druck vom Wettbewerb abzusetzen oder Kosten einzusparen, sollten Unternehmer nicht verstreichen lassen.“

05/2022
Chefredaktion: Bastian Frien und Boris Karkowski (verantwortlich im Sinne des Presserechts). Der Inhalt gibt nicht in jedem Fall die Meinung des Herausgebers (Deutsche Bank AG) wieder.


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