3D-Druck: Starkes Wachstum in der Nische

EU-Monitor

Digitale Ökonomie und struktureller Wandel

2. April 2019

3D-Druck: Starkes Wachstum in der Nische

Autor Josef Auer

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Stefan Schneider

Deutsche Bank AG Deutsche Bank Research Frankfurt am Main Deutschland

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Der 3D-Druck von Maschinen- und sonstigen Industriebauteilen, auch additive Fertigung genannt, hat das Potenzial, den digitalen Wandel weiter zu beschleu- nigen. Dank 3D verkürzen sich Produktlebenszyklen und die Variantenvielfalt steigt. Mittels additiver Verfahren können komplexe und gleichwohl stabile Geo- metrien gewichtssparend erstellt werden, für die traditionelle Produktionsverfah- ren wenig geeignet sind. Nach einem plausiblen PwC/Materialise-Szenariodürfte das weltweite 3D-Marktvolumender Nische bis 2030 EUR 22,6 Mrd. er- reichen. Auf den relevanten 3D-Märkten- dies sind die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Automobil- und sonstige Industrie sowie der Einzelhandel - wachsen die Marktvolumina im Betrachtungszeitraum um 13 bis 23% p.a.

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Stefan Schneider

Der private Gebrauch relativ preiswerter 3D-Drucker steigt. Doch volkswirt- schaftlich sehr viel bedeutsamer ist die industrielle Nutzung der innovativen 3D- Technologien (oft mehr als 100.000 EUR pro Fall) in den unterschiedlichen Marktsegmenten. Zu Beginn der laufenden Dekade diente der 3D-Druckin der Regel "nur" als Werkzeug für das Prototyping. Mittlerweile steigt das Interesse an 3D-Verfahrenfür die industrielle Fertigung. Die moderne 3D-Weltkombiniert Einzel- und Serienfertigung immer öfter.

Das größte 3D-Wachstumstempo dürften die Medizintechnik sowie die Luft- und Raumfahrt erzielen: Neue 3D-Medizintechnikverbessert die Patientenversor- gung durch zusätzliche Diagnose- und Behandlungsmöglichkeiten. Die Zahn- medizin ist ein 3D-Vorreiter.Und selbst der Orthopädietechnik ermöglicht die

3D-Technik noch mehr Präzision. Luft- und Raumfahrt nutzen 3D zur Einspa- rung von Gewicht und damit Transportkosten. Mithilfe von 3D können Astronau- ten künftig im Weltraum Werkzeuge oder Ersatzteile selbst erstellen.

3D beschränkt sich vorerst - z.B. in der Autoindustrie - oftmals auf Anwendun- gen in der Nische. Aber mittels 3D könnten Autoproduzenten in einigen Jahren kundenindividuelle Fahrzeuge direkt am Auslieferungsort fertigen. Der 3D-Fort-schritt im industriellen Fertigungsprozess begünstigt so unterschiedliche Bran- chen wie Gießereien und den Maschinenbau. Und selbst Einzelhändler können dank der neuen 3D-Technologienimmer öfter einige vom Kunden gewünschte Waren selbst produzieren. Größere Einzelhändler könnten sogar im Lieferwa- gen direkt vor Ort das gewünschte Produkt anfertigen. Die Palette ist vielfältig; sie umfasst ganz verschiedene Waren wie Schuhkollektionen, Sportartikel, Schmuck, Fahrräder und Accessoires. Risiken wie Produkthaftung oder Schutz geistigen Eigentums verdienen infolge der steigenden 3D-Marktpenetrationmehr Beachtung. Per Saldo ist aber ein dynamischer 3D-Fortschrittzu erwarten.

3D-Druck: Starkes Wachstum in der Nische

3D ergänzt drei traditionelle Verfahren der Materialbearbeitung

3D hat wichtige Bearbeitungsvorteile

Fertigungsverfahren 3D-Druck relativ jung

Die Be- und Verarbeitung von Materialien ist immer schon ein wichtiger Bau- stein des industriellen Fortschritts. Traditionell werden drei Verfahren differen- ziert:

-Formende Verfahren nutzen thermische oder mechanische Kräfte, um Ge- genstände zu gießen, biegen oder zu pressen.

-Subtraktive Verfahren fertigen Zielobjekte, indem sie Basismaterialien boh- ren, fräsen oder auf andere Art elektromechanisch bearbeiten.

-Hybride Verfahren kombinieren die beiden genannten Materialbearbeitungs- verfahren auf die eine oder andere Weise.

Von diesen herkömmlichen Verfahren unterscheidet sich der 3D-Druck, für den in den 1980er Jahren erste Ansätze mit unterschiedlichen Verfahren entwickelt wurden.1 Gemeinsam ist den 3D-Verfahren die generative Erzeugung dreidi- mensionaler Gegenstände. Dazu werden Materialien Schicht für Schicht aufge- tragen, abgelagert oder hinzugefügt.

Da die schichtweise Objektfertigung mittels digitaler Computermodelle gesteuert wird, wird das Fertigungsverfahren auch 3D-Druck genannt. Weitere gebräuchli- che Bezeichnungen, die sich in der Fachliteratur für 3D-Druck finden, sind vor allem Additive Fertigung bzw. Generative Fertigung. 3D und additive Fertigung werden hier synonym verwendet, auch wenn 3D - technisch gesehen - nur für eines der additiven Fertigungsverfahren steht.

Der 3D-Druck ist mittlerweile für viele Werkstoffe wie Metalle, Kunststoffe, Kunstharze und Keramiken nutzbar. Überdies gibt es Entwicklungsansätze, den 3D-Druck mittels Kohlenstoff und Grafit zu praktizieren.2 Auf mittlere Sicht dürf- ten gleichwohl Kunststoff und Metall die am häufigsten verwendeten Basismate- rialien für 3D-gedruckte bzw. additiv gefertigte Komponenten bleiben.

Der 3D-Druck vereint zwei Bearbeitungsvorteile. Anders als bei der traditionell subtraktiven Anfertigung (z.B. durch Fräsen oder Bohren), die typischerweise Reste wie Bearbeitungsspäne mit sich bringt und zusätzliche Werkzeuge erfor- dert, produziert 3D direkt das Erzeugnis. Dies ist unter sonst gleichen Bedingun- gen wirtschaftlicher und schont Ressourcen (z.B. Energie, kein Anfall von Rest- stoffen). Zudem birgt 3D ganz grundsätzlich einen Innovationsvorteil. An- spruchsvolle Geometrien, die mittels subtraktiver Fertigung bisher kaum oder nur mit großem Aufwand verbunden produziert werden konnten, sind für den 3D-Druck oftmals weniger problematisch.

1Bereits 1981 publizierte Hideo Kodama ein Verfahren zur Prototypenentwicklung (Rapid Prototy- ping) mittels Photopolymeren. Die Methode der Schicht-auf-Schicht-Fertigung war ein Vorläufer der Stereolithographie (SLA). 1984 meldete Charles Hull sein erstes SLA-Patent an. Dann mel- dete 1988 Carl Deckard ein Selektives Lasersintern-Verfahren (SLS) als Patent an, das mittels Laser keine Flüssigkeit, sondern Pulverkörner verschmolz. Und 1989 meldete Scott Crump das Fused Deposition Modelling (FDM) zum Patent an. Damit wurden innerhalb eines Jahrzehnts ent- scheidende additive 3D-Verfahren entwickelt. Zur Historie vgl. z.B. Kapitza, Laura (2018). Die Geschichte des 3D-Druck von den 1980ern bis heute. April. https://www.sculpteo.com/blog/de/2018/04/11/die-geschichte-des-3d-drucks/

2Zu Details vgl. SGL Carbon (2016). Mit Kohlenstoff in neue Dimensionen. 3D-gedruckte Kompo- nenten auf Kohlenstoff- und Grafit-Basis.

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3D-Druck: Starkes Wachstum in der Nische

3D bleibt für Prototypen und Einzel- fertigung weiter interessant

Immer mehr Bereiche nutzen 3D für die Serienfertigung

3D-Fortschritt von der Einzelfertigung zur Serie

Zu Beginn des 3D dominierte die Einzelfertigung. Auch heute noch ist ein 3D- Schwerpunkt die Erstellung von Prototypen, Einzelstücken und Sondermodel- len; dies wird auch so bleiben. Hier hat die Technik viele Vorteile, da die Anferti- gung der Unikate vergleichsweise wenig Aufwand erfordert. Der Prototypbau von neuen Modellen (z.B. von neuartigen Autos, Maschinen oder Bauwerken) oder privaten Anwendungen (z.B. von Spielzeug oder Schmuck) hat auch wei- terhin günstige Perspektiven. Vorteile bietet 3D zudem für Kunst, Design, Archi- tektur und wissenschaftliche Einrichtungen wie Labore.

Ökonomisch noch weitaus interessanter ist die Serienfertigung. Hier haben sich in den letzten Jahren eine Reihe von Branchen betätigt und ein erhebliches Wachstumspotenzial generiert. In der 3D-Praxis werden Einzel- und Serienferti- gung mittlerweile oft kombiniert. So kann ein neues Automodell/teil zuerst singu- lär als verkleinertes Muster gefertigt werden. Nach Überprüfung der Alltagstaug- lichkeit des neuen Modellkonzepts folgt sodann die Serienfertigung, und dies ebenfalls auf 3D-Basis. Besonderes Augenmerk rund um 3D verdienen fol- gende Bereiche:

-die Medizintechnik,

-Luft- und Raumfahrt,

-die im Umbruch befindliche Automobilindustrie,

-die sonstigen/restlichen Industriebranchen sowie

-der Einzelhandel.

Gute Perspektiven in zentralen Branchen

Mittlerweile ist die Erkenntnis in vielen Industriezweigen gereift, dass die 3D- Technologie weitaus mehr ermöglicht als eine günstige Fertigung von Prototy- pen. Zuletzt präsentierten im November 2018 450 Aussteller bzw. Hersteller auf der größten deutschen und international sehr beachteten Messe für 3D-Druck, der Formnext in Frankfurt, ihre Ergebnisse und Geschäftsideen3. Plausibel er- scheint eine hier präsentierte Einschätzung von "strategy &", der Strategiebera- tung von PwC, in Kooperation mit den 3D-Spezialisten von Materialise. Dem-

Weltweit expandiert das 3D-Marktvo- nach könnte das weltweite Marktvolumen für 3D-gedruckte Produkte bis 2030 lumen bis 2030 sehr dynamisch um auf EUR 22,6 Mrd. anwachsen, von 2015 erst EUR 1,9 Mrd. Der zunehmend jährlich 18% massenhafte Einsatz der neuen 3D-Technologie ermöglicht somit im Betrach- tungszeitraum bis 2030 ein Wachstum von durchschnittlich 18% pro Jahr. Es

handelt sich freilich um ein starkes Wachstum in der Nische. Die jährlichen Wachstumsraten für 3D-Druckprodukte in den beiden Branchen Medizintechnik sowie Luft- und Raumfahrt werden demnach mit je plus 23% p.a. noch höher lie- gen als die der Automobilindustrie (+15% p.a.), der sonstigen Industrie (+14% p.a.) sowie im Einzelhandel (+13% p.a.).4

3Zur Einordnung der Formnext vgl. z.B. Handelsblatt (2018). Messe Formnext. Wenn das Motor- rad aus dem Drucker fährt. 16. November. S. 26/27.

4Vgl. PwC/Materialise (2018). Key findings 3D-P. Market Forecast Model. January. S. 1.

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3D-Druck: Starkes Wachstum in der Nische

		Medizintechnik: 3D bringt Patienten viele Vorteile
		3D ermöglicht Fortschritt auf zwei Ebenen: Auf der Diagnoseebene können
		künstlich intelligente Machine-Learning-Systeme mittels 3D-Scans in immer
3D-Markt der Medizintechnik:		ausgereifteren Mustererkennungsverfahren insbesondere Augenkrankheiten
Plus 23% p.a. bis 2030	1	oder Hautkrebs/Vorstufen frühzeitig diagnostizieren. Damit sind sie bestens ge-
Globaler Umsatz, EUR Mio.		eignet, das jeweilige Facharztwissen rund um die Identifikation von Krankheiten
6000		zu ergänzen und damit die Trefferquoten weiter zu erhöhen.

5000

4000

3000

2000

1000

0

201520202030

Quellen: Strategy&/PwC, Deutsche Bank Research

Auf der Behandlungsebene stehen zunächst bereits existierende Medizintechni- ken auf dem Prüfstand. Im Kern geht es um die Überprüfung der Praktikabilität der neuen 3D-Technologien für einen innovativen Upgrade bzw. eine völlig neu- artige Anfertigung. Im Anschluss daran dürften komplette Neuentwicklungen und Technologien den Fokus bilden. Dazu zählen anwendbare Technikverfah- ren und neuartige nichtmetallische, gleichwohl biokompatible Materialien, die keine immunologischen Reaktionen hervorrufen. Insgesamt, so die Erwartung, könnte das 3D-Marktvolumen weltweit von EUR 0,26 Mrd. (2015) auf EUR 5,6 Mrd. Euro im Jahre 2030 expandieren.5 Damit könnte der 3D-Druck in der Medi- zintechnik ein schnelleres Wachstumstempo erzielen als in der Auto- oder sons- tigen Industrie. Dabei reicht die Palette von der Zahnmedizin bis hin zu medizin- nahen Bereichen wie der Orthopädietechnik.

3D verändert angestammte Prozess- und Wertschöpfungsketten

Vielfältige Anwendungschancen in der Zahnheilkunde

3D ermöglicht bessere Patientenver- sorgung

Zahnmedizin ist ein 3D-Vorreiter

In der Kieferorthopädie ist der 3D-Druck von Schienen sowie in der Implantolo- gie und Endodontie (das ist die Behandlung des Zahninneren) für geführte Schablonentechnik als großes Zukunftsthema angekommen. Zu erwarten ist, dass Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgen künftig Schablonen in der eigenen Praxis drucken, also die Fertigung nicht mehr außer Haus vergeben. Es ist ein Vorteil für größere Zahnarztpraxen, die einen implantologischen Schwerpunkt haben, dass sie 3D-Druck bereits für die Inhouse-Fertigung von Schablonen, Provisorien oder Brücken einsetzen können. Dagegen ist der 3D-Druck für klei- nere Praxen oftmals (noch) zu teuer. Gedruckte Totalprothesen gibt es zwar schon; da sie nach Einschätzung von Experten aber noch nicht so funktional wie klassisch hergestellte sind, wird es wohl noch etwas Zeit und technischen Fortschritt erfordern, bis sie sich durchsetzen.6

Der 3D-Druck hat in der Zahnheilkunde gute Anwendungschancen bei Kronen, Prothesen, Brücken, orthodontischen Apparaturen für die Korrektur von Zahn- stellungsanomalien sowie für die Anfertigung von digitalen Zahnmodellen. Ob- wohl mittlerweile bereits einem Roboter die Implantation 3D-gedruckter Zähne gelang, dürfte es noch Jahre dauern, bis dieser neue Technikeinsatz so ausge- reift ist, dass er zum Alltagsgeschäft herkömmlicher Zahnarztpraxen wird.7

In der Zahnheilkunde kommen künftig immer öfter die unterschiedlichsten Metall - und Kunststoffdruckverfahren zum Einsatz. Die Palette ist reichhaltig. Sie umfasst Technologien wie das selektive Laserschmelzen (SLM), das selektive Lasersintern (SLS), das Digital Light Processing (DLP), das Polyjetverfahren so- wie die Stereolithographie. In der Praxis sollte die jeweilige Notwendigkeit des Einzelfalls entscheiden, welche 3D-Technik genutzt wird. Per Saldo hat der 3D- Druck in der Zahnheilkunde aber eine gute Zukunft.

5Vgl. PwC/Materialise (2018). Key findings 3D-P. Market Forecast Model. January. S. 6.

6Vgl. Dentalmagazin (2018). Die Zukunft des 3D-Drucks.15. Juni.

7Vgl. ZWP-Online (2018). Megatrend 3D-Druck: Zahnheilkunde führt das Feld an. 29. Oktober.

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3D-Druck: Starkes Wachstum in der Nische

Orthese kann dank 3D auf Gipsab- drücke verzichten

Mittels 3D können genauere Prothesen gefertigt werden

Selbst die Chirurgie nutzt immer häufiger die 3D-Vorteile

Orthopädietechnik dank 3D-Technik noch präziser

Die neuen Möglichkeiten der 3D-Technik verbinden das Handwerk der Orthopä- dietechnik mit Hightech. Zu den wichtigsten Aufgaben von Orthopädietechnikern zählt die Anfertigung von Orthesen und Prothesen:

-Orthesen sind künstlich hergestellte Hilfsmittel, die äußerlich direkt am Kör- per getragen werden, um Gliedmaßen oder den Rumpf zu stabilisieren, kor- rigieren, entlasten oder ruhigzustellen.

-Prothesen dagegen helfen, indem sie ein fehlendes oder geschädigtes Kör- perteil (z.B. Bein-/Armprothese), Organ oder Organteil nachbilden.

Ein Vorzug des 3D-Drucks bei der Herstellung von Orthesen ist es, dass ohne Körperkontakt mittels einer 3D-Scantechnologie die erforderlichen Daten ermit- telt werden können, die eine nahezu perfekte Orthese ermöglichen. Überdies ermöglicht der 3D-Druck auch eine ästhetische Gestaltung nach dem Wunsch des Patienten. Orthopädische Schuheinlagen, ein Sonderfall der Orthesen, sind bisher in der Regel Massenwaren für relativ typische Vorfälle. Die Nutzung moderner 3D-Scantechnologien erlaubt nun stärker individuell angepasste Einla- gen.

Die Anfertigung von Prothesen mittels 3D-Druck kann unter Verwendung von

3D-lasergescannten Bildern oder die Nutzung von CT-Bildern genauer ausfallen als traditionelle Fertigungsverfahren. Ziel sind auch hier möglichst patientenspe- zifische Prothesen. Diesbezüglich hat der 3D-Druck den Vorteil, dass er mittler- weile die Verwendung von Metallen, Kunststoffen und Keramiken erlaubt. Zu- dem spricht für den 3D-Druck die relativ kurze Herstellungszeit gegenüber den traditionellen Fertigungsverfahren, die fast immer Einzelfertigung sind.

Das 3D-Spektrum im Gesundheitswesen zeigt sich deutlich rund um die Zahn- heilkunde und Orthopädie. In Zukunft wird noch viel mehr möglich sein. Das zeigt exemplarisch die Chirurgie: Schon heute werden mittels 3D-Technik spezi- ell auf Einzelpatienten adjustierte Operationswerkzeuge gedruckt, die den chi- rurgischen Eingriff vereinfachen.

Luft- und Raumfahrt: Einsparung birgt Potenzial

Für Luft- und Raumfahrt ist das Gewicht ein entscheidendes Kosten- und damit Erfolgskriterium. Daher ist es kein Zufall, dass beide Industriebranchen seit mehr als 20 Jahren mit der additiven Fertigung experimentieren und zu deren Pionieren zählen. Im Vergleich zur konventionellen Teilefertigung lassen sich mittels 3D-Technik geometrisch anspruchsvolle und leichtere Teile herstellen. Die additiv gefertigten Leichtbauteile erreichen dabei die gleiche Festigkeit und Funktionalität wie die konventionell produzierten Teile. Die Gewichtsreduktion spart über den gesamten Nutzungszeitraum des Fluggeräts signifikante Treib- stoffmengen und damit Kosten.8

Die eher kleinen Losgrößen in der Luft- und Raumfahrt sprechen auch für additive Fertigung. Gerade dafür ist die 3D-Technologie bekannt und von Vorteil. Hinzu kommt, dass mittels der additiven Technologie Ersatzteile auch ortsunab- hängig relativ schnell erstellt werden können.9 Dies macht sie für die Luft- und insbesondere die Raumfahrtindustrie sehr interessant.

8Vgl. Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung (2017). Additive Ferti- gungsverfahren. 29. August. S.15.

9Vgl. Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung (2017). S. 43.

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