Wie die Zukunft des 3D-Drucks Gestalt annimmt

Auf dem Papier erscheint die additive Fertigung fast magisch: Sobald der Drucker einen Auftrag erhält, entsteht nach und nach ein dreidimensionales Objekt –r dick oder dünn, stark oder zart, manchmal mit inneren Strukturen, präzise und stark genug, um als Teil in einer Maschine verwendet zu werden. Die geringen Einrichtungskosten, weniger Abfall und die flexible Vor-Ort-Produktion von AM bieten viele Vorteile für jedes Unternehmen, das spezialisierte Teile benötigt, aber keine Lagerhaltung betreiben, sich nicht auf fragile Lieferketten verlassen oder die Produktion von Schlüsselkomponenten komplett auslagern möchte.

Schon vor der Pandemie nahmen die Nutzung und das Interesse an AM rasant zu. Vor drei Jahren setzten 24 % der 900 von der EY-Organisation befragten Fertigungsunternehmen die Technologie ein. Im Herbst 2019 gaben 65 % der befragten Unternehmen aus neun Branchen in 13 führenden Produktionsländern an, dass sie die Technologie in ihrer regulären Produktionslinie einsetzen. Das durchschnittliche Unternehmen für fortschrittliche Fertigung und Mobilität entsprach diesem Niveau (65 %), aber die vertikale Durchdringung variierte, von einem Tiefstwert von 59 % in der Automobilindustrie bis zu einem Höchstwert von 75 % in der chemischen Industrie.² „Die chemische Industrie hat als einer der ersten Industriezweige die Nachhaltigkeit in Bezug auf die Verfügbarkeit im Gegensatz zur Lagerhaltung von Ersatzteilen im Bereich Maintenance für sich erkannt“, sagt Frank Jenner, EY Global Chemicals and Advanced Materials Leader.

Gleichzeitig steigt auch die Zahl der Unternehmen, die mehr über die Technologie erfahren wollen: Zwischen 2015 und 2018 ist die Zahl der Besucher der Formnext, einer jährlich stattfindenden Messe für industriellen 3D-Druck, um 300 % von 8.982 auf 27.400 gestiegen, die Zahl der Aussteller hat um 34 % von 470 auf 632 zugenommen, so die Zahlen des Veranstalters.

Diese weltweite Akzeptanz spiegelt das breite Bewusstsein für die aktuellen Möglichkeiten der Technologie und den Optimismus hinsichtlich ihres letztendlichen Potenzials wider, insbesondere wenn man bedenkt, wie schnell sich die additive Technologie entwickelt hat.

„In den letzten Jahren haben wir eine große Entwicklung in Bezug auf die Größe und Komplexität dessen gesehen, was die additive Fertigungstechnologie produzieren kann. Wenn man bedenkt, dass vor weniger als einem Jahrzehnt ein 3D-Drucker nur rudimentäre Objekte herstellen konnte, ist das ziemlich aufregend und Anlass zu Optimismus in Bezug darauf, was die additive Fertigung für die Fabrik der Zukunft bedeuten wird“, sagt Jerry Gootee, EY Global Advanced Manufacturing and Industrial Products Leader.

Viele derzeitige AM-Anwender sind zuversichtlich, dass diese Technologie dazu beitragen wird, ihre Lieferketten flexibler zu gestalten. 56 % aller Befragten glauben, dass AM es ihnen ermöglichen würde, ihren Logistikaufwand, den Transport und die Lagerbestände zu reduzieren. Außerdem erhoffen sie sich eine bessere Erfüllung der Kundenanforderungen sowie schnellere und effizientere F&E-Prozesse durch Rapid Prototyping.

Kurzfristig wird die Zukunft von AM wahrscheinlich ungleichmäßig verteilt sein. Aufgrund der besonderen Bedürfnisse bestimmter Branchen werden diese die Vorteile der heutigen AM-Technologie besser nutzen können als andere.

Mit Blick auf die Zukunft sehen viele Unternehmen aus den Bereichen Advanced Manufacturing und Mobilität einen rasanten Anstieg des Einsatzes von AM in ihrer Branche bis 2022, z. B. von 18 % auf 59 % in der Luft- und Raumfahrt oder von 22 % auf 53 % in der Chemieindustrie. Sie prognostizieren, dass die langsamste Entwicklung des Einsatzes von AM wahrscheinlich in der Automobilbranche zu finden sein wird (von 17 % auf 45 %).⁴

Geschwindigkeit und Umfang werden wahrscheinlich auch weiterhin limitierende Faktoren für die Einführung sein. „Ein Flugzeughersteller muss vielleicht nur 100 Komponenten pro Monat beschaffen, um seinen Bedarf zu decken, bei einem Automobilhersteller sind es hingegen Tausende. Stellen Sie sich die Anlage vor, die Sie benötigen würden, um diesen Auftrag regelmäßig zu erfüllen", sagte Randy Miller, EY Global Advanced Manufacturing and Mobility Industry Markets Leader.

Von den technischen Herausforderungen, die vor uns liegen, sind die Materialkosten für die in der AM-Produktion verwendeten Harze kurzfristig vielleicht die größten, aber es wird erwartet, dass Skalierung und technologischer Fortschritt diese Kosten reduzieren werden. Die Verfügbarkeit von fachkundigen AM-Ingenieuren wird wahrscheinlich auch ein limitierender Faktor sein.

Im weiteren Verlauf der Entwicklung gibt es noch andere Gründe für Optimismus, da die Technologie über die Schicht-zu-Schicht-Methode hinaus fortschreitet. Erstens erweitert sich die Palette der verwendbaren Materialien und zweitens ist der alte Eindruck der langsamen Schicht-für-Schicht-AM-Produktion, bei der Harz wie Sirup auf einen Pfannkuchen tropfen würde, nicht mehr das einzige 3D-Verfahren, das zur Verfügung steht.

Gootee ergänzt: „Ich denke, es ist wichtig, sich vor Augen zu führen, dass es bei der additiven Fertigung nicht nur um Kunststoffe geht und dass wir mit den technologischen Fortschritten mehr als nur den schichtweisen Ansatz zur Verfügung haben. Ich denke, wir werden in den nächsten Jahren große Fortschritte beim Thema Geschwindigkeit und Skalierbarkeit sehen.“

Frank Jenner, EY Global Advanced Manufacturing and Mobility Supply Chain Solution Leader, sieht ebenfalls Grund zum Optimismus. „Ich denke, wir werden sehen, dass sich die Entwicklung der Technologie zur Bewältigung der Herausforderungen der additiven Fertigung weiter beschleunigen wird. Die Notwendigkeit ist wirklich die Mutter der Erfindung.“

Jenner merkt an, dass angesichts des steigenden Bewusstseins für die Herausforderungen in der Lieferkette, mit denen viele Unternehmen konfrontiert sind und die durch AM gemildert werden können, die Innovation in den 2020er-Jahren vorangetrieben wird.

„Diese Herausforderungen werden von Detroit bis Delhi geteilt, und es gibt ein echtes – und zunehmendes – Interesse daran, sie anzugehen“, erklärt er. „Da die Hersteller versuchen, ihre Lieferketten flexibler zu gestalten, gibt es eine große Motivation, das volle Potenzial der additiven Fertigung auszuschöpfen.“

Während die Branche reift, werden im Folgenden fünf Bereiche genannt, in denen sich auch die AM-Wertschöpfungskette weiterentwickeln wird:

• Anlagenhersteller: in erster Linie Erstausrüster von AM-Maschinen; die meisten von ihnen bieten auch die zugehörige Software, Materialien und Dienstleistungen an.
• Materialhersteller: Bereitstellung von Rohmaterialien für AM.
  
• Softwareentwickler: z. B. für Design, Prozesssimulation, Workflow und CAD-Modell-Slicing; einige werden auch zu Plattformbetreibern, die Blaupausen für fast alle Arten von 3D-Druckverfahren bereitstellen.
• 3D-Scan- und Reverse-Engineering-Unternehmen: Sie konzentrieren sich auf den umgekehrten Prozess des Scannens bestehender Produkte, um diese zu digitalisieren oder weiterzuentwickeln/zu bearbeiten.
  
• AM-Dienstleister: z. B. AM-Auftragsfertigung, Design, Engineering oder technische Beratung
  

Die dramatischsten Verschiebungen und Änderungen des Geschäftsmodells scheinen bei den AM-Dienstleistern zu erwarten zu sein, da 56 % der befragten Unternehmen davon ausgehen, dass sie bis 2022 einen eigenen Drucker besitzen werden (gegenüber 40 % heute), und 32 % werden einen Dienstleister in Anspruch nehmen (gegenüber 26 % heute).⁵

Am Ende ist die größte Herausforderung vielleicht nicht der technologische Fortschritt, sondern ein neues Denken hinsichtlich der Anwendung der Technologie.

Die Hindernisse für eine wirtschaftliche Produktion werden immer geringer. Frank Jenner, EY Global Chemicals and Advanced Materials Industry Leader, stellt fest, dass „Chemieunternehmen in Zusammenarbeit mit etablierten Akteuren des 3D-Drucks Materialien entwickelt und eingeführt haben. Dies bleibt eine große Chance für die chemische Industrie. Wenn man ein leichtes Polymer herstellen kann, das jede Art von Metall ersetzen kann, ist das ein großer Vorteil in der Fertigung und im Endprodukt.“

„Oft höre ich, dass die Materialkosten der additiven Fertigung zu unerschwinglich für eine großflächige Umsetzung seien, aber wir sehen schon seit einiger Zeit, dass sich das ändert. Wie bei den meisten Fragen von Angebot und Nachfrage werden die Kosten der additiven Fertigung mit zunehmender Akzeptanz sinken“", ergänzt Jenner. „Selbst wenn Ihre Branche noch nicht die Gewinnschwelle für die additive Fertigung erreicht hat, wird es nicht mehr lange dauern, bis sie es tut."

AM-Pioniere müssen verstehen, wie die Technologie eingesetzt werden kann, um ihre Strategie zu erfüllen – eine spannende Herausforderung aufgrund der potenziellen Gewinne, aber auch eine komplexe Berechnung, die vorgenommen werden muss. Die heutigen AM-Produktionskosten sind nach wie vor wesentlich höher als die traditioneller Fertigungsmethoden, aber diese Vorlaufkosten müssen gegen die potenziellen Kosteneinsparungen durch die Vor-Ort-Produktion im Vergleich zur Lagerhaltung und die Widerstandsfähigkeit, die AM-Funktionen einem Unternehmen verleihen können, abgewogen werden. In Anbetracht der jüngsten und laufenden Fortschritte von AM sollten Unternehmen regelmäßig die Bereiche überprüfen, in denen die additive Fertigung zum Einsatz kommen kann. Was Sie glauben, über AM zu wissen, stimmt vielleicht nicht mehr.

Transformative Veränderungen wie die additive Fertigung geschehen nicht von selbst. Man muss sich einer Community anschließen, von der man lernen kann, in einer Umgebung, in der man praktisch experimentieren kann, bevor man sich auf einen bestimmten Anbieter oder ein Ökosystem festlegt. Bei EY arbeiten wir mit Nottingham Spirk, dem führenden Unternehmen für Design und Produktentwicklung, zusammen, um eine solche Umgebung für fortschrittliche Fertigungstechnologien zu schaffen. Der EY-Nottingham Spirk Innovation Hub powered by EY wavespace™ kuratiert Erkenntnisse, Talente und Technologien durch einen praxisnahen kollaborativen Prozess mit Geräten und Simulationen, um die Strategieentwicklung zu verbessern und die Entwicklung und Implementierung von Lösungen zu beschleunigen. Ganz gleich, ob Sie planen, diese Technologien für mehr Effizienz, Widerstandsfähigkeit, Agilität oder Wachstum zu nutzen, der Innovation Hub sollte eine der ersten Stationen auf Ihrer Reise sein.