Geschäftsmodelle: Acht Beispiele, wie 3D-Druck Märkte verändert

Der 3D-Druck durchdringt mittlerweile alle Wirtschaftsbereiche: Im Maschinenbau hilft er, spezielle Bauteile und Kleinserien zu fertigen; in Medizin und Forschung liefert er Implantate und anatomische Modelle des Operationsgebietes und reduziert so das Komplikationsrisiko. Die Luft- und Raumfahrt senkt ihre Betriebskosten, indem sie Leichtbauteile aus dem 3D-Drucker einsetzt. Auch auf Baustellen halten Drucker Einzug, die vom Prinzip an den guten, alten Tintenstrahldrucker erinnern, aber doch ganz anderes leisten. Unter Umweltaspekten sind additiv gefertigte Produkte ebenfalls interessant. Da Material auf- und nicht abgetragen wird, werden weniger Ressourcen benötigt und es fällt weniger Abfall an. Zudem können viele Drucke aus recycelbaren Materialien hergestellt werden (siehe iBusiness: 3D-Druck - Wie aus einer Technik endlich ein Markt wird). Wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten sind und wie sehr geänderte Produktionsprozesse ins Geschäftsmodell eingreifen können, verdeutlichen folgende Beispiele.

Beispiel 1:

Mass Customization: Das Sportrad aus dem Drucker

Im Sommer dieses Jahres hat Superstrata   , eine im Silicon Valley ansässige Fahrradmarke, ihr neues Flaggschiff präsentiert: Ein maßgefertigtes, 3D-gedrucktes E-Fahrrad mit einem Unibody-Carbonfaser-Rahmen. Während bei anderen Karbonfaser-Fahrrädern der Rahmen aus Einzelteilen zusammengeklebt und verschraubt werden muss, ist der Superstrata-Rahmen ohne Fugen oder Kleber konstruiert. Er wird in einem einzigen Durchgang aus einem Endlos-Carbonfaser-Verbundwerkstoff in 3D-gedruckt. Er soll daher extrem schlagfest sein. Gleichzeitig wird das Thema Mass Customization hier Realität: Der Rahmen kann auf die Körpergröße, das Gewicht, die Arm- und Beinlänge, die Sitzposition und sogar auf die bevorzugte Steifigkeit des Fahrers zugeschnitten werden. Nutzer können das Fahrrad direkt auf der Markenwebsite konfigurieren. Der Versand soll im Dezember 2020 starten.

Beispiel 2:

Mehr grüne Energie dank 3D-Druck

Windkrafttürme werden traditionell aus Stahl oder Betonfertigteilen gebaut. Dadurch sind sie auf eine Höhe von unter 100 Metern beschränkt, da die Breite des Sockels den Durchmesser von 4,5 Metern nicht überschreiten sollte. Höhere Durchmesser würden für den Transport auf der Straße übermäßige Zusatzkosten verursachen. Der 3D-Druck des Betonsockels vor Ort eröffnet nun ganz neue Möglichkeiten. Die Sockel können größer und höhere Hybridtürme wirtschaftlicher gebaut werden. Eine erster Prototyp, ein 10 Meter hoher Turmsockel, wurde in Kopenhagen bereits gedruckt. Auf diese Weise wollen GE Renewable Energy   , COBOD   und LafargeHolcim   Windturbinen herstellen, die Rekordhöhen von bis zu 200 Metern erreichen. Ein wesentlicher Vorteil: Höhere Türme fangen stärkere Winde ein und liefern dadurch mehr Energie zu geringeren Kosten. Normalerweise erzeugt eine 5-MW-Turbine in 80 Metern Höhe jährlich 15,1 GWh. Im Vergleich dazu würde die gleiche Turbine in 160 Metern Höhe 20,2 GWh erzeugen, also mehr als 33 Prozent zusätzliche Energie generieren.

Beispiel 3:

Sicheres Licht für Profitaucher

Auch unter Wasser sind Produkte aus dem 3D-Drucker im Einsatz. Diese Unterwasserleuchte von Thor   wurde für technische und professionelle Taucher sowie Spezialeinsatzkräfte von Polizei und Militär konzipiert - für Einsatztiefen bis 200 Metern. An Zuverlässigkeit und Sicherheit wurden daher besondere Ansprüche gestellt, zudem sollte die Lampe möglichst leicht sein. Das konnte erreicht werden, da einige Bauteile in einem Laser-Sinter-3D-Druck hergestellt wurden. Um im Gehäuse die Leuchteinheit und den Brenner flexibel und geschützt unterbringen zu können, wurde eine spezielle Steckverbindung entwickelt und gedruckt. Dadurch wurden Größe, Gewicht und Stabilität der Verbindung optimiert. Zudem konnten Funktionen integriert und die Anzahl der Einzelteile der Steckverbindung reduziert werden. Neben dem Verschlussadapter wurde auch der Schutz des LED-Glaskörpers additiv gefertigt. Für die gedruckten Teile konnte ein besonders leichter, wasserdichter Kunststoff gewählt werden, was sich positiv auf das Gesamtgewicht der Leuchte auswirkte. Lampe und LEDs können auch unter Wasser gewechselt werden.

Beispiel 4:

Druckauftrag Wohnhaus: 2 Etagen, 160 m² Wohnfläche

Wie weit die 3D-Drucktechnologie im Bereich des Betondrucks mittlerweile fortgeschritten ist, lässt sich gut im nordrhein-westfälischen Beckum beobachten. Dort druckt Peri   , einer der größten Hersteller von Schalungs- und Gerüstsystemen, erstmals in Deutschland ein Wohnhaus aus. Auf zwei Etagen soll es später 160 m² Wohnfläche bieten. Die Konstruktion des Hauses besteht aus dreischaligen Wänden, die mit Isoliermasse verfüllt werden. Während des Druckvorganges berücksichtigt der Drucker bereits die später zu verlegenden Leitungen und Anschlüsse für Wasser und Strom. Der Druckkopf bewegt sich über drei Achsen auf einem fest installierten Metallrahmen und trägt den Beton über eine Düse zentimeterdick auf. So wächst das Haus Schicht für Schicht von unten nach oben.

Eine Herausforderung beim Betondruck ist die richtige Materialmischung für den Baustoff. Dieser muss gut pumpbar und extrudierbar sein und gleichzeitig so tragfähig werden, dass er nicht unter der Last der darüber liegenden Schichten versagt. Ebenso müssen sich die einzelnen Schichten gut miteinander verbinden. Zum Einsatz kommt daher ein speziell für den 3D-Druck entwickelter Baustoff von HeidelbergCement  . Der Druckkopf und die Druckergebnisse werden per Kamera überwacht. Der Betondrucker arbeitet mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s. Das bedeutet: Für 1 m² doppelschalige Wand benötigt er nur rund fünf Minuten.
Der Druck eines Wohnhauses bietet gleich eine Reihe von Vorteilen: 3D-Drucker sind im Bau flexibel und schnell einsetzbar, zudem werden weniger Ressourcen benötigt. Auch müssen auf der Baustelle nicht mehr viele verschiedene Bauteile zu einem Wandelement zusammengebaut werden. Die Bauabläufe werden dadurch verschlankt und Zeit gespart. Nicht zuletzt können Gebäude mit weniger Personal schneller und zu geringeren Baukosten errichtet werden. Lediglich zwei Personen sind nötig, um den Drucker auf der Baustelle in Beckum zu bedienen.
Auch für Bauingenieure und Architekten eröffnet die Technologie neue Spielräume. So können beispielsweise sogar runde Wände problemlos gedruckt werden. Experten sagen dem Betondruck eine große Zukunft voraus. Das Pilotprojekt in Beckum wird als Meilenstein für die Betondrucktechnologie angesehen und könnte beispielgebend für die Baubranche in Deutschland sein.

Beispiel 5:

Beleuchtung: individuell für Konsumenten, maßgefertigt für Firmen

Im E-Commerce kann 3D-Druck seine Stärken besonders gut ausspielen. Statt nur Standard anzubieten, können Produkte damit ganz individuell hergestellt werden. Signify   (ehemals Philips Lighting) hat dafür eigens den Onlineshop "MyCreation"   aufgesetzt und bietet dort Tisch- und Pendelleuchten aus dem 3D-Drucker an. Das Besondere: Jeder Teil der Leuchte lässt sich individuell anpassen. Der Nutzer entscheidet sich für eine bestimmte Produktserie und kann diese dann verändern. Design und Farbe lassen sich ebenso anpassen wie die Textur. Dem Hersteller zufolge bestehen alle 3D-Kreationen aus recycelbaren Materialien. Geliefert wird kostenfrei, sobald die Leuchte gedruckt wurde.

Individuelle Anforderungen lassen sich durch 3D-Druck auch im B2B-Bereich sehr gut umsetzen. So installiert zum Beispiel die Einzelhandelskette Marks & Spencer   (M&S) derzeit Tausende von 3D-gedruckten LED-Leuchten von Signify in seinen britischen Geschäften, darunter in London, Manchester und Belfast. Das Projekt gehört zu einer umfassenden Sanierung und soll deutliche Energieeinsparungen erzielen. In den Filialen werden verschiedene Arten von Leuchten durch 3D-gedruckte LED-Versionen ersetzt. Die maßgefertigten Druck-Produkte sind so bemessen, dass sie in die vorhandenen Vorrichtungen passen und so die weitere Nutzung vorhandener Deckenplatten sicherstellen. Auch die Umwelt soll profitieren: Eine per 3D-Druck gefertigte Leuchte (ohne Elektronik und Optik) hat dem Hersteller zufolge einen um 47 Prozent geringeren CO2-Fußabdruck als eine herkömmlich hergestellte Metallleuchte. Nahezu jede Komponente kann wiederverwendet oder aufbereitet werden.

Beispiel 6:

Gadgets aus dem Onlineshop

Einige Online-Shops bieten fertige Produkte aus dem 3D-Drucker zum Kauf an. Pandemie-bedingt waren in jüngster Zeit so genannte Corona-Türgriffe besonders beliebt - spezielle Haken aus Kunststoff, mit denen sich Türen öffnen lassen, ohne den Türgriff anzufassen. Aber auch Schmuck, Spiele und kleine Gadgets gehören zum Sortiment vieler 3D-Shops. Für Geschäftskunden gibt es in der Regel zahlreiche individualisierbare Werbegeschenke - beispielsweise auch den personalisierten Edelstahl-Kugelschreiber aus dem 3D-Drucker. Betrieben werden solche Verkaufsangebote von den 3D-Druckdienstleistern. Naturgemäß sind sie jedoch auf wenige Materialien beschränkt und bieten nur ausgewählte 3D-Druck-Verfahren. Interessanter kann es sein, eigene Designs hochzuladen und seine Produkte selbst herzustellen. Für diesen Zweck haben viele 3D-Druck-Dienstleister Online-Bestellportale aufgesetzt, in denen Nutzer ihre 3D-Daten hochladen und den Druck beauftragen können. Manche Anbieter erlauben es auch Dritten, auf ihren Plattformen eigene Shops zu eröffnen.

Beispiel 7:

Gedruckte Bauteile für die Mobilität von Morgen

Wenn es um Innovationen geht, ist die Automobilindustrie stets vorn dabei - so auch im 3D-Druck. Toyota   setzt beispielsweise für sein Konzeptfahrzeug LQ auf Additive Fertigung. Da das Fahrzeug elektrisch angetrieben wird, standen die Ingenieure des Autobauers auch vor der Herausforderung, das Gewicht jeder einzelnen Fahrzeug-Komponente zu reduzieren. Die additive Fertigung bestimmter Teile konnte dabei helfen.

Unter anderem wurde im 3D-Druck eine futuristische Mittelkonsole geschaffen, deren Form ohne additive Fertigung nicht herstellbar ist. Trotz ihres ungewöhnlichen Designs ist sie leicht und gleichzeitig stabil genug, um die Anforderungen an ein Straßenfahrzeug zu erfüllen. Außerdem wurde die Halterung der Außenspiegel speziell designt und im 3D-Druck gefertigt. Dadurch konnte der Autobauer weiteres Gewicht einsparen und die Zahl der Einzelteile der Außenspiegel reduzieren. Außerdem verringert das aerodynamische Design die Fahrtwindgeräusche.

Beispiel 8:

Patientenspezifische Implantate

Ein großes und vielseitiges Anwendungsgebiet für den 3D-Druck ist der Medizinbereich: Von der Modell-Erstellung für die OP-Planung über Zahnimplantate bis hin zu Prothesen. Besonders hilfreich sind patientenspezifische Gelenk-Implantate. Im Bereich komplexer Gelenke wie dem Ellenbogen liefern Standard-Implantate beispielsweise oft unbefriedigende Ergebnisse, was zu einer Beeinträchtigung der Lebensqualität führen kann. Im schlimmsten Fall müssen Gelenke versteift werden.

Patientenspezifische Implantate aus dem 3D-Drucker hingegen können in Bezug auf Design und Material so beschaffen sein, dass sowohl das Einwachsen des Implantats in den Knochen als auch der gesamte Heilungsprozess verbessert werden. Gleichzeitig passen sie optimal und zeichnen sich durch eine hohe Verträglichkeit aus. Durch den 3D-Druck lassen sich die Implantate bei Bedarf schnell und individuell produzieren.

Wie die Beispiele zeigen, ist der 3D-Druck hervorragend geeignet, um individuelle Anforderungen zu erfüllen. Dabei können oft mehrere Komponenten in einem Bauteil vereint werden; gleichzeitig sorgen modernste Druckmaterialien für Gewichts- und Größeneinsparungen. Da 3D-Drucker auch mobil eingesetzt werden können, ergeben sich darüber hinaus interessante Möglichkeiten durch den Druck vor Ort. Transportkosten für Bauteile entfallen, ebenso aufwendige Montagen. Große Fortschritte werden auch bei den Materialen erzielt, die man verarbeiten kann. Sogar Edelstahl, Diamant und Kupfer können mittlerweile gedruckt werden. Die Branche entwickelt sich langsam, aber stetig weiter. Man darf auf weitere Entwicklungen gespannt sein.