3D-Druck: Disruption in der Nische

Was einst mit der bedruckbaren Kindergeburtstagstorte begann, hat inzwischen große Kreise gezogen: Vom Schuh bis zu Bauteilen fürs Auto lassen sich alle möglichen Teile drucken und ganz individuell für den Kunden fertigen. 3D- Druck revolutioniert also nicht nur den Produktionsprozess. 3D-Druck erfordert auch ein völlig neues Denken hinsichtlich der geschäftlichen Ausrichtung: Neben einer schnelleren Produktentwicklung rückt die Customer Centricity in den Vordergrund.

Die Wirtschaft setzt auf 3D-Druck. Mehr als jedes vierte deutsche Industrieunternehmen (28 Prozent) hat bereits 3D-Drucker im Einsatz - 8 Prozent mehr als noch im Jahr 2016. Das ergibt eine repräsentative Befragung von 553 Fertigungsunternehmen ab 100 Mitarbeitern im Auftrag des Digitalverbands Bitkom  . Angetrieben wird die Entwicklung von großen Unternehmen ab 500 Mitarbeitern. Hier nutzt bereits mehr als jedes dritte (35 Prozent) 3D-Druck-Technologien, bei den Unternehmen mit weniger als 500 Mitarbeitern ist es jedes vierte (25 Prozent).

Mittel- bis langfristig wird der 3D-Druck in bestimmten Bereichen die derzeit gängigen Produktionsverfahren, Geschäftsmodelle und Wertschöpfungsketten maßgeblich beeinflussen. So sagen sieben von zehn Unternehmen (70 Prozent), dass 3D-Druck die Industrie disruptiv, das heißt tiefgreifend, verändern wird. Dabei erwartet jedes zweite dieser Unternehmen (49 Prozent), dass die disruptiven Veränderungen bereits in den kommenden zehn Jahren eintreten. Aber es gibt auch noch viele Skeptiker: 48 Prozent schätzen, dass es mehr als eine Dekade dauert.

Konkret nutzt jedes dritte Industrieunternehmen, das 3D-Druck einsetzt, dieses Verfahren vor allem zur Herstellung von Mustern beziehungsweise Gießformen oder Werkzeugen (34 Prozent) sowie zur Herstellung von Ersatzteilen (32 Prozent). Knapp jedes vierte Unternehmen (23 Prozent) erstellt damit visuelle Modelle. 12 Prozent fertigen damit funktionale Modelle zum Test. Weniger üblich ist die Produktion von Montagevorrichtungen oder Sonderanfertigungen (jeweils 8 Prozent) im 3D-Druck.

Serienproduktion: Vorreiter Schuhhersteller

Doch ein neuer Trend zeichnet sich ab: die individuelle Serienproduktion. Vor allem Schuhhersteller sind hier Vorreiter. Beispiel Adidas  : Stell Dir vor, Du gehst in einen Adidas Store, läufst nur ein paar Schritte auf einem Laufband und bekommst im Handumdrehen einen neuen Laufschuh aus dem 3D-Drucker - so sieht die Vision mit dem schicken Namen "Futurecraft" von Adidas zum Laufschuh der Zukunft aus. Eine im 3D-Druck gefertigte Laufschuhzwischensohle lässt sich so ganz individuell an die Dämpfungsbedürfnisse des jeweiligen Läufers anpassen. Drei Jahre hat es immerhin gedauert, bis Adidas im April 2018 den Futurecraft 4D-Schuh vorstellen konnte. Bis Ende 2018 will der Sportartikelanbieter aus Herzogenaurach mehr als 100.000 Paare fertigen. Grundlage für die Zwischensohle des Futurecraft 4D sind Athletendaten, die über einen Zeitraum von 17 Jahren gesammelt wurden. Die traditionelle Erstellung von Prototypen oder Gussformen wird damit überflüssig, die Controller freuen sich.

Die Technik hinter der Sohle nennt sich Digital Light Synthesis und wurde von dem 3D-Druck-Spezialisten Carbon entwickelt: Aus flüssigem Kunstharz wird unter UV-Licht die Sohle hergestellt - ähnlich wie bei der Lithografie. In einem zweiten Arbeitsgang wird das fertig gedruckte Objekt erhitzt. Es startet eine chemische Reaktion, die zu einer Anpassung und Stärkung der Materialien führt. Der Ansatz ermöglicht es, die anfänglichen Defizite des 3D-Drucks zu eliminieren - wie etwa geringe Produktionsgeschwindigkeit, schlechte Oberflächenqualität sowie Farb- und Materialbeschränkungen. Gefertigt werden die neuen Schuhe in der Speedfactory im mittelfränkischen Ansbach, die der Kunststoffspezialist Oechsler   betreibt. Von der Speedfactory auf heimischem Boden verspricht sich Adidas, flexibler auf Trends und Kundenwünsche zu reagieren. Zudem werden Entwicklungszeiten von bislang 18 Monaten massiv verkürzt - wenn es sein muss, auf wenige Stunden. Und in Zukunft sollen auch erste Sportschuh-Fachhändler auf die 3D-Druckertechnik zurückgreifen und Kunden vor Ort vermessen können.

Der Schlüssel zum Erfolg: Daten

Noch weiter ist der Sportartikelhersteller Brooks  . Brooks bringt den personalisierten Laufschuh "Genesys" Anfang 2019 in den US-Handel. Grundlage dafür ist ein in Kooperation mit HP   und Superfeet   entwickelter 3D-Scanner, der im Rahmen einer Laufanalyse ein digitales biometrisches Profil des Läufers produziert. Die Stückzahl ist laut Hersteller zunächst auf 1.914 Paar Laufschuhe limitiert. Und dass die Margen bei individualisierten Schuhen hoch sind, davon kann man ausgehen. Branchenkenner gehen davon aus, dass die Laufschuhe 50 bis 100 Euro teurer sein werden als dasselbe Modell von der Stange. Dafür stimmt dann aber vom Obermaterial bis zur Sohle alles und der Kunde erhält seinen persönlichen Laufschuh binnen weniger Tage.

Der Prozess beginnt damit, dass der Läufer mit der von HP betriebenen FitStation gescannt wird. Anhand einer Reihe von Datenerfassungen wie 3D-Fußaufnahmen, dynamischer Ganganalyse und Fußdruckmessungen - erstellt die FitStation ein digitales Profil des Individuums. Diese Daten wiederum werden mit Läuferdaten von Brooks abgeglichen, um so den optimalen Schuh für jeden Läufer zu erstellen. Die resultierenden Daten werden in spezifische Passform- und Gefühlsanforderungen für jeden Schuh übersetzt und unter Verwendung einer DESMA-Polyurethan-Spritzgießmaschine zusammengebaut.

Der dänische Schuhhersteller Ecco   wiederum nutzt im Rahmen des Programmes QUANT-U   die 3D-Druck-Technologie zur Herstellung von individuellen Schuhen für Damen und Herren. "Der klassische Schuhfachhandel in Deutschland muss sein Profil schärfen, um erfolgreicher zu sein", ist sich Uwe Janzen , Geschäftsführer der Ecco Schuhe GmbH, sicher. Doch Vorreiter sind die Niederlande: Im April 2018 eröffnete das Unternehmen in Amsterdam eine Filiale, in der Kunden ihre Füße mit einem 3D-Scanner ausmessen lassen und einige Stunden später das fertig gedruckte maßgeschneiderte Paar Schuhe abholen können. Ecco erklärt: "Die Sensoren messen eine Vielzahl von Daten mithilfe von Gyroskopen, Drucksensoren und Beschleunigungssensoren sowie Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Schuh, um ein Bild von der Gangart eines Individuums zu erstellen. Die Cloud-basierte 3D-Experience-Plattform interpretiert biomechanische Daten in Geometrien für den 3D-Druck."

Auch Bademode lässt sich mit einem 3D-Drucker herstellen. Die Designerin Ciska Bamard , die für die Modemarke Bambshell   arbeitet, verziert Badeanzüge und Bikinis mit filigranen Blüten aus dem 3D-Drucker. Der Drucker arbeitet mit SLS-Technologie. Für den Druck verwendete sie Flexa Black Filament (TPU), ein Material, das sich gut im Modebereich einsetzen lässt, weil es eine sehr glatte Oberfläche erzeugt und angenehm zu tragen ist.

Dass der Kunde inzwischen im Fokus steht, zeigt sich auch bei Individualisierungsmöglichkeiten durch additives 3D-Printing bei BMW  . Mit dieser Technik kann BMW beispielsweise Namen in Bauteile eindrucken. Ganz nach dem Motto: Mein Auto heißt Weißer Blitz! Während bisher immer erst teure Werkzeuge für die Produktion der einzelnen Autoteile angefertigt werden mussten, fallen diese Kosten beim 3D-Druck weg. Und so ist es nun möglich, auch individuelle Tattoo-Teile im Auto zu verbauen. Zudem können über 3D-Druck steifere Materialien hergestellt werden als beispielsweise Stahl und Alu und sogar tragende Strukturen lassen sich damit realisieren. Die Mitarbeiter von BMW glauben sogar daran, dass 3D-Druck in Zukunft auch in größeren Stückzahlen möglich sein wird. Was wiederum ein feines Einsparpotenzial für das sehr kostenfixierte Unternehmen bedeuten würde.

Angst vor Copy and Print

So begeistert die Branche auch von den neuen Möglichkeiten ist: Die Hersteller wünschen sich klare Regelungen hinsichtlich des Urheberrechts: "Wir unterstützen die Position des EU-Parlaments, 3D-Datensätze ähnlich wie Software urheberrechtlich zu schützen, um Schutzlücken des bestehenden Rechts zu schließen", sagt Dr. Markus Wiedemann , Finanzvorstand des Verbandes 3D-Druck  .
Und er fährt fort: "Denn die Technologien rund um die additive Fertigung ermöglichen es, dreidimensionale Objekte einzuscannen, sie als Digitalvorlage zu verbreiten und dezentral an verschiedenen Orten zu drucken. Ähnlich wie in der Film- oder Musikbranche die Digitalisierung zur massenhaften Verbreitung von urheberrechtlich geschützten Werken geführt hat, besteht das Risiko, dass klassische Waren vermehrt unter Verletzung von Marken-, Patent-, Design- oder Urheberrechten dezentral produziert und verbreitet werden. Bisher konnten Produktimitate häufig vom Zoll an den Grenzen abgefangen werden. Das ist im Zeitalter der Digitalisierung anders: Die digitalen Vorlagen können weltweit über das Internet und praktisch "grenzenlos" verbreitet werden." Allerdings ist noch unklar, ob allein eine druckfähige Kopie ausreicht, um als Plagiat zu gelten, da die Design-Vorlage nicht unbedingt als "wesentliches Element" einer Erfindung betrachtet werden kann.

Die Materialien

Druckmaterial für 3D-Drucker gibt es inzwischen in Hülle und Fülle und das Angebot an unterschiedlichen Werkstoffen wächst und wächst. Und das ist natürlich Voraussetzung, dass der 3D-Druck in den verschiedensten Branchen, Disziplinen und Werkstücken überhaupt genutzt werden kann. Dabei unterscheiden sich die Druckmaterialien in ihren thermischen und ihren physikalischen Eigenschaften, also in ihrer Haltbarkeit, Flexibilität und ob sie sich nachträglich formen lassen. Als druckbare Kunststoffe kommen PLA (Polyaktide), ABS, Biofila, Co-Polyester, TPU, Polypropylen und Polyamid in Frage. Und es gibt viele Gemische, die die Eigenschaften von mehreren Werkstoffen kombinieren. PLA ist ein thermoplastischer Kunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen, nämlich Milchsäure, hergestellt wird. Er kommt häufig zuhause zum Einsatz, weil er nahezu geruchlos ist. Wo es ein robusteres Material braucht, mischt man dem PLA PHA (Polyhydroxyfettsäure) bei. Der Biokunststoff hält im Gegensatz zu PLA tiefere und höhere Temperaturen aus und ist zudem UV-beständig. Nylon ist ein weiterer, sehr günstiger Kunststoff, der gerne genutzt wird. Er ist sehr stabil und gegen Chemikalien resistent.

Biofila ist eine biologisch abbaubare Druckmaterialie aus nachhaltiger Produktion. Biofila können hart oder flexibel und dehnbar sein, sie sind hitze- und lösungsmittelbeständig, elektrisch leitend und auf Wunsch auch magnetisch. Und sie lassen sich in Hochglanz bringen und polieren. Biofila werden gern in der Medizin verwendet. Aber auch mit Metallen lassen sich Produkte aus dem 3D-Drucker ziehen. Legierungen aus Aluminium, Titan, Stahl, Edelmetallen und Messing sind gängig. Ihr Vorteil: Weil das Metall als Pulver in den Drucker gegossen wird, sind die Ergebnisse normalerweise fester als gegossene Werkteile. Cobalt-Chrom ist ein extrem belastbares Metall, es findet vor allem in der Medizin seinen Platz. Aluminium ist der Automobilindustrie-Liebling. Inconel besteht hauptsächlich aus Nickel und Chrom und erlebt in der Luft-und Raumfahrt seine Höhenflüge. Und schließlich nutzen manche Industrien Gummi- und Silikonmaterialien, Gips oder Wachs. Und auch die Lebensmittelindustrie experimentiert fleißig mit essbaren Pasten für den 3D-Drucker.

Wichtige 3D-Druck-Verfahren

Polyjet 3D-Druck wird schichtweise gedruckt. Dabei werden die Photopolymere mit UV-Licht ausgehärtet. Mit etwas Nassschleifen und Polieren erhält man eine glatte, glänzende Oberfläche, die auch gleich weiterverarbeitet werden kann. Die Technologie eignet sich für Prototypen und Endprodukte für die unterschiedlichsten Branchen - von Schmuck und Architektur bis hin zu Luftfahrt und Unterhaltungselektronik.
Beim FDM (Fused Deposition Modeling)-3D-Druck wiederum wird in einem Extrusionsverfahren ein Kunststoffstrang Schicht für Schicht aufgeschmolzen. Mittels dieser Schichtbauweise werden Bauteile aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt. FDM-Materialien sind daher langlebiger und belastbarer als Polyjet-Drucke.

Selektives Lasersintern (SLS) oder kurz "Sintern" ist ein Rapid-Prototyping-Verfahren, bei dem die Herstellung von 3D-Objekten mithilfe eines Laserstrahls erfolgt. Das Ausgangsmaterial sind feine Pulver, deren Partikel der Laser verschmilzt und so das Pulver Schicht für Schicht miteinander verschmilzt. Dabei ist die Verarbeitung von verschiedenen kunststoffähnlichen Materialien möglich. SLS verarbeitet Pulvermaterialien wie Nylon, Elastomere, Alumide oder Polyamide.

Als 3D-Stifte werden Zeichenstifte bezeichnet, die mit geschmolzenem Plastik zeichnen. Sie funktionieren nach dem Prinzip einer Heißklebepistole. Damit lassen sich eher feingliedrige und filigrane Produkte zeichnen, beispielsweise Dessous oder Blütenapplikationen. Die israelische Designerin Eden Saadon beispielsweise zeichnet ihre hauchzarten Dessous mit solchen Stiften. Beim Druckmaterial setzt sie auf Flexy, einem flexiblen Kunststoff der Marke 3Doodler  , der schnell trocknet und angenehm auf der Haut zu tragen ist.

Kriterien bei der Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens:

• Wie groß wird das Bauteil/Produkt?
  
• Welche Farben sind gewünscht?
  
• Wie soll das Material beschaffen sein? Weich und flexibel (wie bei einer Schuhsohle) oder hart und robust (wie bei Autoersatzteilen)?
  
• Welche minimalen Toleranzen muss die Drucktechnik umsetzen können?

Fazit

Wer seine Prozesse auf 3D-Druck umstellen will, muss vorher seine gesamte Produktionskette analysieren und auf Einsparpotenziale hin abklopfen. Vor allem individualisierten Produkten gehört die Zukunft. Der Kunde und seine Wünsche sind dabei Teil der neuen Wertschöpfungskette. Man sollte ihn daher bei Restrukturierungsmaßnahmen nicht außen vor lassen.

"Der 3D-Druck ist dabei als vernetztes Ökosystem zu betrachten. Die Kette der Wertschöpfung ist eine unternehmensübergreifende kooperative Lösung. Vom Design über Topologie-Optimierung und Datenaufbereitung bis hin zum eigentlichen 3D-Druck und der Nachbearbeitung kommen dabei digitale Geschäftsmodelle zum Einsatz", sagt Dr. Christopher Meinecke , Leiter Digitale Transformation bei Bitkom. "Und die Technologie bietet die einmalige Chance, in Niedriglohnländer abgewanderte Wertschöpfung nach Deutschland zurückzuholen", sagt Bitkom-Präsident Achim Berg . Noch sei 3D-Druck eine Ergänzung zu traditionellen Fertigungsverfahren. Doch die additive Fertigung hat das Potenzial, sich in vielen Bereichen zum bevorzugten Produktionsverfahren zu entwickeln.