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Warum wir erst am Anfang der additiven Fertigung stehen

Maximilian Beisl

Maximilian Beisl

Senior Berater

„Prognosen sind schwierig, insbesondere wenn sie die Zukunft betreffen.“ (Nils Bohr, Nobelpreisträger für Physik)

Die additive Fertigung ist keine neue Schlüsseltechnologie. Seit der Entwicklung vor 20 Jahren haben sich Akteure mit unterschiedlichen Geschäftsmodellen platziert. Keinesfalls kommt die Branche jedoch zum Stillstand: Mit Blick auf die Marktentwicklungen wird deutlich, dass die additive Fertigung noch in den Kinderschuhen steckt. Start-ups und reife Unternehmen positionieren sich heute schon, um morgen an dem rasanten Marktwachstum zu partizipieren und so die gesamte produzierende Branche zu revolutionieren.

 

Wenn Sie heute, im Jahr 2019, gefragt werden, wie das Jahr 2050 aussieht, dann wäre es nicht weniger als eine riskante Wette: Verkürzte Produktlebenszyklen, Massen-Individualisierung sowie ein rasanter technologischer Wandel führen zu hoher Prognoseunsicherheit – alles wird schneller und komplexer. Dies wirft die Frage auf: Ist mein Geschäftsmodell von heute in der Zukunft noch erfolgreich?

In unserer modernen Wissensgesellschaft ändert jedes neu erworbene Wissen und jedes neu entwickelte Produkt den Verlauf der Geschichte. Neue Akteure betreten den Markt und verdrängen mit revolutionären Ideen die etablierten Platzhirsche. Es ist ein Paradoxon, dass mit mehr Wissen eine Prognose schwieriger wird. Bei der Betrachtung von Zukunftstechnologien eine vergleichsweise pessimistische Sichtweise, wären da nicht die Schlüsseltechnologien. Diese sind per Definition eine revolutionäre Art und Weise einen Innovationsschub über einen Wirtschaftsbereich hinaus zu leisten. In der praktischen Anwendung verändern sich dabei langfristig und tiefgreifend nicht nur die Wirtschaftsstruktur, sondern auch Umwelt und Sozialleben. Das US-amerikanische Marktforschungsunternehmen Gartner Inc. veröffentlicht jährlich einen Hype-Cycle, der den Fortschritt solcher Schlüsseltechnologien misst. Eine Technologie, Kernbestandteil der vierten industriellen Revolution und Wiederholungstäter im Hype-Cycle, ist das additive Fertigungsverfahren, respektive der 3D-Druck. Obwohl der 3D-Druck bereits seit 20 Jahren existiert, erlebt die Technologie im Kontext der Industrie 4.0 eine Renaissance.

Das weltweite Marktvolumen wird für das Jahr 2030 auf 22 Mrd. US-$ geschätzt, wobei die größten Bereiche die Luft- und Raumfahrtindustrie (9,6 Mrd. $), die Medizintechnik (5,6 Mrd. $) sowie die Automobilbranche (2,6 Mrd. $) sind. Für den Einzelhandel wird ein Marktvolumen von 1,9 Mrd. $ erwartet. Wenn noch die Wertschöpfung der im Rahmen des Verfahrens hergestellten Güter hinzugerechnet wird, nähert sich das Marktvolumen der 50 Mrd. $-Marke. Wobei zu beachten gilt, dass seriöse Schätzungen bei der aktuellen Marktdynamik nahezu nicht möglich sind.

Grundlage des 3D-Druckverfahren ist ein dreidimensionales Modell des zu druckenden Gegenstandes. Dieses Modell wird im nächsten Schritt optimiert, indem der benötigte Bauraum minimiert, die Dicke der einzelnen Schichten angepasst und die Verbindungspunkte für die Stabilität des Druckerzeugnisses bestimmt werden. Der Druck ist mit unterschiedlichen Werkstoffen wie Keramik, Metall, Sand, Plastik, Wachs sowie bionische und organische Materialien möglich. Hierbei ist die Auswahl des Materials vom Anwendungsbereich abhängig. Im letzten Schritt erfolgt die Festlegung auf ein 3D-Druckverfahren, wobei sich Verfahren generell in die pulverbasierten, sowie Photopolymer- oder Extrusions-Systeme einordnen lassen. Zwischen diesen Verfahren gibt es große Unterschiede hinsichtlich des einsetzbaren Materials, der Detailgenauigkeit, der Oberflächenbeschaffenheit und der Stabilität, wobei jedes der drei genannten Verfahren jeweils seine eigenen Vor- und Nachteile besitzt und die Wahl des optimalen Verfahrens somit stark vom individuellen Anwendungsfeld abhängig ist.

Nachteile der additiven Fertigung

Die oft noch geringe Geschwindigkeit der Drucker eignet sie bisher für kleine Losgröße. Dementsprechend verringert sich die Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu konventionellen Fertigungen, wie beispielsweise im Spritzguss, bei steigender Stückzahl. Risiken und Limitationen der Technologie ergeben sich bei der Regulierung der 3D-Druckmodelle. Ein Beispiel ist die Open-Source-Plattform Defense Distributed, auf der kurz nach Inbetriebnahme bereits 100.000-fach Modelle für Handfeuerwaffen heruntergeladen wurden. Außerdem drängen sich Fragen des geistigen Eigentums der Modelle auf; mit dem richtigen 3D-Modell könnte sich jeder (theoretisch) den aktuellen Sneaker seiner Lieblingsmarke ausdrucken.

Vorteile der additiven Fertigung

Auf der anderen Seite können durch eine Minimierung des Ausschusses die Produktionskosten optimiert werden. Eine Produktion kann On-Demand stattfinden, weshalb Logistikkosten wie Transport, Lagerung und Kapitalbindung ebenfalls minimiert werden. Die Verwendung von 3D-Druck ermöglicht zusätzlich die Massen-Individualisierung sowie die Fertigung komplexer Geometrien, da die additive Fertigung wesentlich komplexere Strukturen fertigen kann, als es beispielsweise beim Spritzgussverfahren möglich ist. Gesamtvolkswirtschaftlich kann eine breite Nutzung der Technologie zu einer Dekarbonisierung (Reduzierung der Abhängigkeit von Kohlenstoff), Reindustrialisierung (Rückverlagerung der Fertigung in Industrieländer) sowie Urban-Manufacturing (Produktion der Güter dort, wo sie gebraucht werden) führen.

Geschäftsmodellkategorien

Entlang der Implikationen, die aufgrund der technischen Möglichkeiten entstehen, haben sich heute viele unterschiedliche Akteure im Markt für 3D-Druck etabliert. Die heutigen Geschäftsmodelle lassen sich in die folgenden fünf Kategorien einteilen:

  1. Herstellung & Vertrieb der 3D-Drucker
  2. Bereitstellung der Druckmaterialien
  3. Inhouse-Nutzung des 3D-Drucks
  4. Auftragsfertigung und Plattformen
  5. 3D-Druck im B2C-Bereich

Diese Geschäftsmodelle werden im Folgenden anhand von Beispielen beschrieben, die sich auf die Bereiche B2B und B2C beziehen.

1. Herstellung & Vertrieb der 3D-Drucker

Als Anbieter von Komplettlösungen, die sich von der Produktion der 3D-Drucker, der Bereitstellung der Modellierungssoftware bis hin zu branchenindividuellen Lösungen erstrecken, sind die amerikanischen Unternehmen 3D Systems und Stratasys die Platzhirsche. An der Weltspitze der spezialisierten Hersteller von 3D-Druckern liegen außerdem die deutschen Unternehmen EOS, SLM Solutions sowie Concept Laser. Auch andere Unternehmen wie bspw. ARBURG, traditionell im Bereich des Spritzgießens zu Hause, ziehen mit eigenen Maschinenentwicklungen im Bereich des 3D-Drucks, nach.

2. Bereitstellung von Druckmaterialien

Dass die vertikale Integration der Druckerhersteller lohnenswert sein kann, zeigt SLM Solutions aus Lübeck, die neben 3D-Druckern auch Metallpulver und Legierungen vertreiben. Einen Schritt weiter geht das amerikanische Unternehmen Modern Meadow, das aktiv in der Entwicklung von neuen Druckmaterialien tätig ist. Hierbei ist das Unternehmen führend im Bereich von organischen Materialien, die in konventionellen Druckern verwendet werden können. Am Ende der Supply Chain setzt das Unternehmen ReDeTec mit ihrem Reverse-Logistics-Geschäftsmodell ein, bei dem es möglich ist, Recyclingmaterialien in der additiven Fertigung wiederzuverwenden. Ziel dabei ist nicht nur, dass 3D-Druckgegenstände wiederverwendet werden, sondern auch Granulat aus weiteren Recyclingprodukten gewonnen werden kann.

3. Inhouse-Nutzung des 3D-Drucks

Viele Akteure nutzen die hohen Individualisierungsmöglichkeiten der additiven Fertigung, um diese sowohl in das bestehende Geschäftsmodell zu integrieren als auch gänzlich neue Geschäftsmodelle zu kreieren.
Im Rahmen der Produktstrategie setzt Adidas, der weltweit zweitgrößte Sportartikelhersteller, auf Massen-Individualisierung. Im Rahmen der Produktion in Deutschland sollen mittelfristig 500.000 Schuhpaare jährlich hergestellt werden. Wettbewerbsvorteil ist hierbei, dass nicht nur das Design, sondern auch die Sohle individuell auf den Kunden abgestimmt wird (Quelle: WirtschaftsWoche).
Die Non-Profit-Organisation NewStory hat sich zum Ziel gesetzt, Obdachlosigkeit in Städten zu bekämpfen und greift darauf auf die Technik Countour-Crafting zurück, mit der Häuser in 24 Stunden gedruckt werden können. Die Baukosten sind dabei um 25% niedriger als bei herkömmlichen Methoden.
Ebenfalls hochindividuell sind die Anwendungen in der Medizintechnik. Ein Beispiel dafür sind Prothesen, die für jeden Patienten individuell angefertigt werden müssen. Erhebliche Einsparungen für den Patienten bietet das Unternehmen Ottobock, das auf Grundlage eines Scan-Abdrucks eine exakte Abbildung des zu versorgenden Körperteils abbildet. Die Produktion der Orthese erfolgt dann nicht wie bislang über Handwerksarbeit sowie aufwendige Eingusstechnik, sondern effizienter über die additive Fertigung.

4. Auftragsfertigung und Plattformen

Aufgrund der teils noch hohen Anschaffungskosten von 3D-Druckern kann die Nutzung unwirtschaftlich sein. Abhilfe schaffen 3D-Fertigungsdienstleister, welche die Auftragsfertigung übernehmen. Nach Einsendung des 3D-Druckmodells stellen diese Unternehmen das gewünschte Teil in einer festgelegten Stückzahl her. Dementsprechend hat der Kunde oft Zugang zu einem breiten Spektrum an Materialien und Druckverfahren, für das weder Kapitalbindung noch Abschreibungen anfallen. Dementsprechend kann dies für Kleinserien wirtschaftlich sein. Platzhirsche in diesem Segment sind Materialise und Protolabs. Aber auch klassische Mittelständler tummeln sich bereits in diesem Segment. Die Robert Hofmann GmbH aus Lichtenfels etwa wäre hier als Beispiel zu nennen.
Der Revolution des Einkaufes von Bauteilen, hat sich das Berliner Start-up Kreatize verschrieben: Neben der klassischen CNC-Fertigung können hier Teile aus dem 3D-Druck beschafft werden.

Einen Schritt weiter gehen auf den 3D-Druck spezialisierte Online-Plattformen. Der größte Anbieter in diesem Bereich ist 3DHubs. Dieser stellt eine Plattform von mehr als 7.000 Anbietern in den Bereich Spritzguss, CAD-Fertigung sowie 3D-Druck, um so das größtmögliche Spektrum an Drucktechniken und Materialien anzubieten. Sobald das 3D-Modell hochgeladen wurde, erfolgt wie bei einem Vergleichsportal sofort die Listung der Anbieter nach dem Preis. Gedruckt wird bereits 5 Minuten nach dem Vertragsabschluss. Neben der Beratung und der Optimierung des Modells ist der Hauptvorteil von 3DHubs, dass die Plattform die Wahrung der geistigen Eigentumsrechte garantiert.
Eine andere Plattform ist Thingiverse, auf der annähernd 1,5 Mio. Designs im B2C-Bereich heruntergeladen und geteilt werden können.

5. 3D-Druck im B2C-Bereich

Ein schnell wachsendes Segment innerhalb des 3D-Drucks ist die Herstellung von Druckern mit einem Kaufpreis von unter 5.000€. 4,5% des Gesamtmarktes fällt auf die Herstellung dieser Drucker, die besonders geeignet für den Heimbedarf oder Bildungseinrichtungen sind. Neben den klassischen Anbietern befinden sich auch kleinere Akteure in Segment der Herstellung von 3D-Druckern für den B2C-Bereich, wie beispielsweise die Open-Source-Plattform RepRap. Dort können Bauanleitungen für diverse 3D-Drucker für den privaten Gebrauch heruntergeladen werden. Sobald es dem geschickten Tüftler gelungen ist, den Drucker selbst herzustellen, können sich bei RepRap 3D-Druck-Modelle für komplexere Drucker heruntergeladen werden. Somit können 3D-Drucker in der additiven Fertigung hergestellt werden. Die heterogenen Beispiele zeigen, dass sich Akteure seit der Einführung des 3D-Drucks positioniert haben. Aktuell lässt sich eine zweite Phase beobachten, die jedoch ganz neue Spielregeln aufweist. Bereits heute zeichnet sich diese schemenhaft auf.

Wie sieht die Zukunft aus?

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der additiven Fertigung führt dazu, dass sich mittel- bis langfristig neue erfolgreiche Geschäftsmodelle etablieren. Im Folgenden führen wir sechs wichtige Bereiche auf, in denen sich die Zukunft der additiven Fertigung andeutet:

1. Industrialisierung des 3D-Drucks

Einer der Hauptnachteile des 3D-Drucks stellt aus heutiger Sicht eine noch unwirtschaftliche Produktion von Serien-Bauteilen dar. Eine vielversprechende Lösung stellt hierbei das Hyproline-System dar. Hierbei werden die klassische Fließbandfertigung und der 3D-Druck intelligent miteinander kombiniert. Ein 3D-Drucker druckt auf einem kreisförmig angeordneten Fließbandsystem mit 100 Druckplatten je eine Schicht pro Umdrehung. Somit können sowohl 100 gleichartige, aber auch verschiedene Bauteile zeitgleich gedruckt werden. Obwohl die gedruckten Objekte derzeit noch vergleichsweise klein sind, zeigt Hyproline, dass 3D-Drucker für eine individualisierte Massenfertigung verwendet werden können.

2. Konsolidierung der Industrie

Das große Potential des 3D-Drucks wurde zwischenzeitlich auch von etablierten Konzernen erkannt. So hat General Electric gezielt Hersteller von Metall-3D-Druckern akquiriert. Innerhalb weniger Jahre hat GE für insgesamt knapp 2 Mrd. US-$ nicht nur Mehrheitsanteile an dem deutschen Produzenten Concept Laser, sondern auch an dem schwedischen Hersteller Arcam erworben. Im italienischen Cameri hat GE ferner eines der größten 3D-Druckzentren der Welt erworben. Das dortige Produktspektrum reicht von Fahrradteilen, über Schädelimplantate bis hin zu Turbinenblättern.

3. 3D-Druck-Software

Aufgrund der Entwicklungen im Rahmen des Internet of Things rückt die Smart Factory, eine annähernd autonome Fabrik, in den Bereich des Möglichen. Die Einbettung von 3D-Druckern in den Produktionsprozess oder gar in ein gesamtes Ökosystem setzt eine anspruchsvolle Software voraus. Diese Software ist zukünftig in der Lage, nicht nur die 3D-Drucker untereinander zu vernetzen, um so eine flexible Fließbandfertigung zu ermöglichen, sondern integriert auch Technologien wie Robotik, Augmented oder Virtual Reality.

4. IT-Sicherheit und Eigentumsrechte

Die freie Verfügbarkeit von 3D-Modellen stellt die Frage nach den geistigen Eigentumsrechten: Wie kann sichergestellt werden, dass das Unternehmen, welches das virtuelle Produkt (respektive das 3D-Modell) entwickelt hat, an dem Verkauf des physischen Produktes beteiligt wird? In Zukunft wird sich die Forschung von Software zur Sicherung der digitalen Eigentumsrechte durch bspw. die Blockchain-Technologie in lukrative Geschäftsmodelle wandeln. Ein digitaler Fingerabdruck, der fest mit dem 3D-Drucker sowie dem 3D-Druckmodell verbunden ist, bildet die Grundlage für ein Ökosystem in der additiven Fertigung.

5. Nutzung neuer Werkstoffe

Die Nutzung von Weltraum-Materialien für den 3D-Druck hat das Unternehmen Made In Space erkannt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Nutzung von Mondstaub zum Bau von Siedlungen auf dem Erdtrabanten. An einer Nutzung von neuen Werkstoffen arbeitet zudem das Start-up Organovo, das nicht nur an der Verwendung von organischen Materialien, sondern auch in Zusammenarbeit mit Samsara Sciences an der Herstellung von Leberzellen arbeitet. Dies bildet die Grundlage für die additive Fertigung menschlicher Organe.

6. 3D-Druck + Zeit = 4D-Druck

Bedeutend für die Zukunft wird die Erweiterung des 3D-Drucks um die Dimension der Zeit. Somit wäre Gegenstand des 4D-Drucks die Fertigung intelligenter Werkstoffe, die in der Lage wären, sich an unterschiedliche Gegebenheiten anzupassen. Marktreif ist noch keine dieser Technologien, perspektivisch jedoch würden sich viele Anwendungsbereiche ergeben. Das Max-Planck-Institut arbeitet an smarten Werkstoffen für die Automobilkarosserie – somit könnte das Material bei einem Zusammenstoß mit einem Menschen weich werden, bei einem Zusammenstoß mit einem Baum sehr hart, um den Insassen zu schützen. Im Versandhandel könnten Gegenstände erst an der Verwendungsstelle die eigentliche Größe entfalten, um Logistikkosten zu minimieren. Wasserschläuche könnten im 4D-Druckverfahren hergestellt werden, die auf die Wellenbewegungen des Wassers reagieren, um einen Transport ohne Pumpen zu ermöglichen.

Wie sollten Sie sich positionieren?

Die Zukunft zeigt, dass die Anwendungsbereiche der additiven Fertigung vielfältig sind. Die Technologie beinhaltet ein hohes disruptives Risiko, jedoch auch große Chancen für lukrative Geschäftsmodelle. Dies wirft die Frage auf, wie sich Unternehmen strategisch positionieren sollten. Orientieren Sie sich dafür an den folgenden Leitfragen:

  1. Wie verändern sich die Bedürfnisse meiner Kunden? Welche Leistungen werden zukünftig verstärkt nachgefragt? Kann ich in diesem Zusammenhang durch Nutzung der additiven Fertigung einen Wettbewerbsvorteil erzielen?
  2. Wie würde ein 3D-Druck-Geschäftsmodell aussehen, das meinem Unternehmen gefährlich werden kann?
  3. Inwiefern kann ich die additive Fertigung nutzen, um mich von meinen Wettbewerbern zu differenzieren? Inwiefern kann ich den 3D-Druck nutzen, um vollkommen neue Geschäftsmodelle zu erschließen?
  4. Kenne ich die derzeitige Positionierung meiner Wettbewerber in Bezug auf die additive Fertigung? Kann ich derzeit evaluieren, welchen Entwicklungsstand die Integration des 3D-Drucks in das jeweilige Geschäftsmodell hat und kann ich von den gemachten Erfahrungen lernen?
  5. Wie sieht eine konkrete Strategie zur Nutzung der additiven Fertigung aus? Wie gelingt es, möglichst schnell das dafür notwendige Know-how aufzubauen? Kann ich dafür mit Start-ups oder etablierten Unternehmen kooperieren?

Aufgrund der stetigen Zunahme der Komplexität ist es nahezu unmöglich, die erfolgreichen Geschäftsmodelle der Zukunft vorherzusagen. Mein Appell an Sie: Sammeln Sie Erfahrungen mit Schlüsseltechnologien. Bauen Sie deshalb Kooperationen zu Start-ups oder Forschungseinrichtungen auf, berücksichtigen Sie bei Ihrer Innovation die Kundenbedürfnisse und behalten Sie die gesellschaftlichen Trends im Auge.

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