Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
I Kurzfassung
II Inhaltsverzeichnis
III Abbildungsverzeichnis
1 Einleitung
2 Der Fortschritt der Herstellungsmethoden
3 Die Funktionsweise des 3-D Drucks
3.1 Das STL-Format
3.2 Die Verfahren der Additiven Fertigung
3.2.1 Der 3-D Pulverdruck
3.2.2 Das Selektive Lasersintern, das Laserschmelzen und die Stereolithographie
3.2.3 Die Fused Filament Fabrication
3.2.4 Das Polyjetverfahren und das Spritzgießverfahren
4 Die Additive Fertigung
4.1 Die Vorteile der Additiven Fertigung
4.1.1 Die Vorteile aus der Sicht der Logistik
4.1.2 Schicht für Schicht zur Umweltfreundlichkeit
4.2 Die Grenzen des 3-D Drucks
4.3 Vorsicht, Patent!
5 Aktuelle Einflüsse des 3-D Drucks auf die Logistik
5.1 Die innovativen Konzepte der Logistikdienstleister
5.2 Mass Customization – Mit individueller Massenware zum Erfolg
5.2.1 Der 3-D Druck erobert die Luftfahrt
5.2.2 3-D Druck in der Medizin
5.2.3 3-D Druck im Fahrzeugbau
6 Schicht für Schicht in die Zukunft
6.1 Die Logistik und die 3-D Revolution
6.1.1 Die Supply Chains der Zukunft
6.1.2 Die Potentiale der neuen Supply Chains
6.1.3 Die Passgenaue Supply Chain für jede Unternehmensstrategie
6.1.4 Die Supply Chain Analysen der Kurierdienste
6.1.4.1 Das Warehouse-Szenario
6.1.4.2 Das Local Hub Szenario
6.1.4.3 Das In-Home Szenario
6.2 Auswirkungen auf die Unternehmen
6.2.1 Der Umstieg auf die Additive Fertigung
6.2.2 Geschäftsmodelle im B2B- und B2C Bereich
6.3 Der Plattform-Gedanke
6.4 Die globale Umstrukturierung
7 Die industrielle Revolution – Vorbei mit der Massenfertigung?
7.1 Ab wann lohnt sich der Einsatz der Additiven Fertigung? – Studien und Analysen
7.2 Der 3-D Druck und die Wirtschaftlichkeit
7.3 Kombinierte Produktionsmethoden
7.4 Die Ablösung der Massenfertigung
8 Bewertung und Kategorisierung der Szenarien
8.1 Das Warehouse Szenario
8.2 Das Local Hub Szenario
8.3 Das In-Home Szenario
8.4 Die globale Umstrukturierung
8.5 Der Abbau der Arbeitskräfte und der Wegfall der LKW Fahrten
9 Literaturverzeichnis
Anhang
I Kurzfassung
Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem 3-D Druck und dessen Auswirkungen auf die Logistik. Hierbei handelt es sich um einen systematischen Literaturreview, der das Themengebiet des 3-D Drucks im Hinblick auf die Grundlagen, sowie die aktuellen und zukünftigen Auswirkungen auf die Logistik und Unternehmen darstellt. Da der 3-D Druck mit einem weiteren technologischen Fortschritt im Stande dazu ist, die Massenproduktion abzulösen und eine Mass Customization zu ermöglichen, wird eine weitere industrielle Revolution erwartet. Mit dem Fortschritt werden verschiedene Zukunftsszenarien im Hinblick auf die erwarteten Kürzungen der Supply Chains, den Wegfall des Warentransports und der Lagerhaltung, sowie die Umstrukturierung auf einer globalen Ebene dargestellt. Die Kategorisierung und Bewertung dieser Szenarien erfolgt im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit des Eintritts, wobei die Aktualität der zugrunde liegenden Informationen aufgrund des schnellen technischen Fortschritts stets im Vordergrund steht.
Abstract
This bachelor thesis examines the applications and characteristics of 3-D printing and its impact on logistics and supply chains. This systematic Literature Review focuses on the topic of 3-D printing in terms of current and future impact on logistics and companies and the expectation of a reduction in the complexity of the supply chains. This evolving technology is able to replace the mass production and to enable mass customization. For this reason, expectations focus on an industrial revolution powered by 3-D printing. With the technological progress, different future scenarios, which include reductions in the complexity of the supply chains, changes in the transport of goods, the warehousing and the global restructuring process are described. The following categorization and evaluation of these scenarios is implemented by use of a discussion with a focus on the probability of occurrence. Due to the rapid technological progress the underlying information for this bachelor thesis is mainly based on current scientific literature.
III Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Der additive Fertigungsprozess
Abbildung 2: Die Entwicklung der 3-D Revolution
Abbildung 3: Die Supply Chain des kommerziellen Paketversands
Abbildung 4: Das In-Home Szenario und die Ebenen der Auswirkung
Abbildung 5: Die Wirtschaftlichkeit der Additiven Fertigung vom Prototypenbau bis zur Kleinserienproduktion
1 Einleitung
Der 3-D Druck stellt eine revolutionäre, neue Technologie dar, die mit ihrem kontinuierlichen Fortschritt ein hohes Zukunftspotential für die Fertigungsindustrie und für den Endkunden aufweist. Schon in der heutigen Zeit und bei dem aktuellen Entwicklungsstand werden zahlreiche Produkte additiv hergestellt, wobei sich das Anwendungsgebiet des 3-D Drucks durch zahlreiche Entwicklungen mit einem hohen Tempo erweitert. Allerdings stellt der bedeutendste Aspekt bei dem Einsatz des 3-D Drucks in der Produktion der Wegfall von wirtschaftlichen, logistischen, geopolitischen, demographischen sowie ökologischen Auswirkungen dar. Zwar existiert die Technologie des 3-D Drucks seit über drei Jahrzehnten, doch werden die Auswirkungen erst in der heutigen Zeit näher betrachtet. Zahlreiche Prognosen legen zu Grunde, dass der 3-D Druck das Potential aufweist, um eine weitere industrielle Revolution auszulösen. Doch hat die Technologie des 3-D Drucks das Potential dazu, die Massenfertigung abzulösen und somit ihre Anwendung in der gesamten Industrie zu finden?
In dem folgenden Literaturreview werden die Auswirkungen des 3-D Drucks auf die Logistik dargestellt. Aufgrund der Tatsache, dass der aktuelle Stand der Technologie einer beständigen Entwicklung unterliegt, werden zum einen die heutigen Anwendungsgebiete und Auswirkungen des 3-D Drucks, sowie Prognosen und Zukunftsszenarien herangezogen. Zum anderen werden die zukünftigen Veränderungen in den Bereichen der Logistik und der Supply Chains, der Unternehmen, der Geopolitik, sowie das Themengebiet der Industriellen Revolution durch den 3-D Druck, beleuchtet. Anschließend erfolgt eine Bewertung und Kategorisierung der Veränderungsszenarien und Prognosen im Hinblick auf die erwartete Wahrscheinlichkeit des Eintritts.
Um den Entwicklungsstand in der Thematik des folgenden Literaturreviews umfassend darzustellen erfolgte der Einsatz von Kriterien zur Auswahl der zu Grunde liegenden 37 wissenschaftlichen Quellen. Bei der Literaturrecherche wurde die Suchmaschine der Hochschule Osnabrück, scin|os, sowie die Fachdatenbanken des Datenbank Infosystems und die Zeitschriftendatenbanken der Hochschule Osnabrück genutzt. Zudem erfolgte eine weitere Literaturrecherche über Google Scholar, sowie spezieller Unternehmenswebsites auf denen der Forschungsstand und Pressemitteilungen zur Thematik veröffentlicht sind. Da die Aktualität der zugrunde liegenden Quellen einen bedeutsamen Aspekt darstellt, basieren die Quellen größtenteils auf aktuellen Fachzeitschriftenaufsätzen. Die ältesten vier Quellen wurden in den Jahren 2011 und 2012 veröffentlicht, wobei diese eine Grundlage für zahlreiche aktuelle Quellen bilden und oft zitiert wurden. Um allerdings einen veralteten Wissensstand zu vermeiden, oder diesen gegebenenfalls aufgrund des technologischen Fortschritts zu widerlegen, wurden zu jeder aufgestellten Prognose separate Recherchen durchgeführt. Der Anteil der Quellen, die in den Jahren 2016 und 2015 veröffentlicht wurden, beträgt 62,16%, wobei 24,32% der Quellen im Jahr 2014 veröffentlicht wurden.
2 Der Fortschritt der Herstellungsmethoden
Vor der industriellen Revolution war es üblich, dass Waren von regionalen Handwerkern und Arbeitern aus den verfügbaren Grundstoffen angefertigt wurden. Auch der Verkauf erfolgte persönlich in kleinen Geschäften oder sogar aus dem eigenen Haus. Zu diesem Zeitpunkt stand die Kundennähe im Vordergrund und es gab keine Supply Chains.[1] Das Wort "Produktion" stammt ursprünglich aus dem Französischen und bedeutet "handgemacht". Doch im Hinblick auf die heutigen Produktionsstandards ist die ursprüngliche Bedeutung des Wortes in vielen Hinsichten nicht mehr zutreffend. Die Revolution der Herstellungsprozesse durch die traditionelle Fertigung hat zum einen die Welt ermöglicht, wie sie in den logistischen und wirtschaftlichen Strukturen vorliegt. Zum anderen ist die traditionelle Produktion mit vielen Einschränkungen verbunden. Komplexe Prozesse, wie das Gießen, Formen und die Bearbeitung von Ausgangsstoffen liegen der Handhabung von Werkzeugen zu Grunde, wobei der Einsatz von Maschinen, Computern und Werkzeugen im Hinblick auf die heutige Produktion unverzichtbar ist. Diese Herstellungstechnologien sind subtraktive Verfahren, bei denen das Endprodukt durch die Abtrennung von Materialien geschaffen wird. Demzufolge ist die Herstellung der Endprodukte von dem Potential und den Anwendungsmöglichkeiten der Werkzeuge und Maschinen beschränkt.[2]
Der Begriff "Additive Fertigung" wird oftmals bei dem Einsatz des 3-D Drucks bei der Herstellung von fertigen Objekten, wie beispielsweise Komponenten aus Metall, genutzt.[3] Berman beschreibt den Evolutionsprozess des 3-D Drucks in drei Phasen. In der ersten Phase wurde der 3-D Druck lediglich von Künstlern, Architekten und Produktdesignern verwendet, um Prototypen von neuen Designs herzustellen. Vor allem Vorteile, wie das geringe Gewicht der Objekte, die niedrigen Herstellkosten und die schnelle Produktion befürworten den Einsatz in der Prototypherstellung. Des Weiteren ist das Durchführen von Änderungen an den Prototypen unkompliziert.[4] Um 1980 war das Rapid Prototyping – wie die Herstellung der Prototypen mithilfe des 3-D Drucks auch genannt wird - darunter bekannt, dass 3D-CAD-Daten schnell und praktisch in Form eines Muster verwirklicht werden konnten.[5] Die zweite Phase der Evolution des 3-D Drucks – das Rapid Tooling - involviert die Herstellung fertiger Endprodukte. Oftmals finden in diesem Bereich größere Produktionsläufe statt. In der dritten Phase steht der 3-D Drucker im Besitz des Konsumenten und wird auch durch diesen genutzt. Die Additive Fertigung findet vor allem in der Kunst, im Handwerk und in der Herstellung von Ersatzteilen ihre Anwendung.[6]
3 Die Funktionsweise des 3-D Drucks
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Der additive Fertigungsprozess In Anlehnung an: Campbell et al., 2011, S. 3.
Die Funktionsweise des 3-D Drucks basiert grundsätzlich auf einer dreidimensionalen CAD-Zeichnung. Diese ist ein, am Computer erstelltes Volumenmodell, welches die Oberfläche des herzustellenden Objekts umschreibt. In den entwickelten CAD-Programmen gibt es Schnittstellen, um den Datenaustausch zu ermöglichen. Eine Standardschnittstelle ist bei zahlreichen Programmen die STL-Datei. Bei der Vorbereitung des Drucks wird die dreidimensionale Zeichnung des Objekts im ersten Schritt durch das CAD-Programm in ein Netz, welches aus Dreiecksflächen besteht, umgewandelt und danach, beispielsweise in Form einer STL-Datei, exportiert. Die Darstellung der Oberfläche erfolgt anhand mathematischer Funktionen, wie den Splines.[7] Mithilfe einer Software wird das Objekt schichtweise aufgeteilt. Dies erfolgt, da der 3-D Drucker ebenfalls schichtweise arbeitet und im Zuge des additiven Fertigungsprozesses das Objekt, das anfangs in dem CAD-Modell dargestellt wurde, Schicht für Schicht produziert.
3.1 Das STL-Format
Die Darstellung eines Objekts mithilfe des STL-Formats basiert auf der Grundlage der Triangulation. Die Objektoberfläche wird also mithilfe von Dreiecksfacetten beschrieben. Demzufolge bilden die Eigenschaften der Dreiecksfacetten und die der Flächennormale entscheidende Faktoren. Um beispielsweise darzustellen, welche Seite der Objektfläche nach innen oder außen gerichtet sein soll, wird der Normalenvektor verwendet. Dementsprechend ist vor dem eigentlichen Druckprozess das definieren der Normalenvektoren notwendig, da so die weiteren Schritte, wie das Schichten oder Positionieren mehrerer Objekte auf der Bauplattform ablaufen können. Grundsätzlich gilt: Je höher die Anzahl an den Facetten ist, desto definierter und glatter ist die erzeugte Oberfläche und damit verbunden auch die Datei.[8] Das Speichern der erstellten STL-Datei erfolgt meistens mittels eines Binärformats oder im ASCII-Format. Allerdings wird das Binärformat aufgrund der kleineren Dateien bevorzugt angewandt. Ist die Datei jedoch größer als 25 Megabyte, so ist die Facettierung in einem zu hohen Maß dargestellt. Demzufolge können die angegebenen Details nicht mehr durch einen 3-D Drucker realisiert werden. Die maximale Dateigröße vieler Dienstleister liegt im Bereich zwischen 40 und 80 Megabyte. Um Fehler zu erkennen, sollte die Datei vor dem Druck durch eine Reparatursoftware überprüft werden.[9]
3.2 Die Verfahren der Additiven Fertigung
Dank der kontinuierlichen technologischen Fortschritte und Forschungen im Bereich der Additiven Fertigung gibt es zahlreiche Verfahren und Anwendungen zur Herstellung verschiedenster Objekte. So liegen Unterschiede in der Art und Weise, wie die Schichten des 3-D Drucks in den Verfahren umgesetzt werden kann, vor. In den folgenden Unterkapiteln werden die Verfahren des 3-D Pulverdrucks, sowie das Selektive Laserintern- und Laserschmelzen, die Stereolithographie, die Fused Filament Fabrication, das Polyjetverfahren und der Spritzguss näher erläutert.
Im Hinblick auf die aktuellen Studien stehen die Prozesse der Stereolithografie, des Fused Deposition Modelling und des Selective Laser Sintering im Vordergrund. Das Selective Laser Sintering wird hierbei als das kostengünstigste Verfahren in der Verarbeitung von Plastik dargestellt.[10]
Grundsätzlich besteht beim 3-D Druck und den heutigen technologischen Fortschritten eine Abhängigkeit zwischen den Aspekten der Schnelligkeit und der resultierenden Oberflächenstruktur. So ist die Oberfläche der gedruckten Objekte bei langsamen Verfahren glatter, als bei schnelleren.[11]
3.2.1 Der 3-D Pulverdruck
Bei der Anwendung des 3-D Pulverdrucks wird das Objekt schichtweise aus einem flüssigen Grundstoff hergestellt. Hierbei ist ein Färben des Grundstoffs durch die Hinzugabe von Tinte möglich. Da in den meisten Fällen mehrere Druckköpfe an einem 3-D Drucker vorhanden sind, ist es ebenfalls möglich ein Bindemittel in Form von kleinen Tropfen hinzuzugeben. Dieses verhält sich ähnlich wie ein Klebstoff und bezweckt das Verhärten des Pulvers. Nach jeder bearbeiteten Schicht verschiebt sich das Pulverbett nach unten. Ist das Objekt fertig gestellt, muss nur noch ein Entfernen des überschüssigen Pulvers durch die Anwendung von Luftdruck erfolgen. Hierbei ist es möglich das übrig gebliebene Pulver wiederzuverwerten. Grundstoffe, die in diesem Verfahren verwendet werden können, bilden beispielsweise Kunststoffe, Gips und Kalkpulver mit einer Exploid-Hülle. Die wesentlichen Nachteile in diesem Verfahren zeigen sich hinsichtlich der Empfindlichkeit und dem leichten Zerbrechen der Stoffe. Außerdem ist bei jedem Druck eine Nachbearbeitung des hergestellten Objekts notwendig.[12]
3.2.2 Das Selektive Lasersintern, das Laserschmelzen und die Stereolithographie
In dem grundsätzlichen Aufbau ähnelt das Selektive Lasersintern dem Verfahren des 3-D Pulverdrucks. Die wesentlichen Unterschiede zeigen sich hinsichtlich des Grundstoffs und dem Verfestigen der Schichten. So wird bei diesem Verfahren ein pulverförmiger Grundstoff angewandt, welcher Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers versintert wird. Dadurch erfolgt ein Verschmelzen der Materialkörner an der Oberfläche. Allerdings ist es bei diesem Verfahren notwendig die Temperatur des Ausgangsmaterials nah an dem Siedepunkt zu halten, da der Einsatz des Lasers einer kurzen Einwirkzeit unterliegt. Ist eine Schicht fertig gestellt, so senkt sich die Bauplattform ebenfalls um eine Schichtdicke nach unten. Somit wird es ermöglicht im folgenden Schritt eine neue Schicht des Pulvers mithilfe des Rakels aufzutragen. Dieses Verfahren wird vor allem bei der Verwendung vieler Grundstoffe, wie Polycarbonate, Thermoplaste, Polyamide, Metalle, Sande und Keramiken genutzt. Zwar sind keine Stützkonstruktionen bei der Produktion notwendig, jedoch zeigen sich Defizite hinsichtlich des Schrumpfens der Objekte beim Abkühlen. Die Genauigkeit der Maße des umgesetzten Designs ist in diesem Fall von dem Volumen der Pulverpartikel abhängig. Raue Oberflächen, welche gegebenenfalls eine Nachbearbeitung mittels Perlstrahlen oder flüssigem Kupfer benötigen, sind das Resultat dieses Verfahrens.
Werden allerdings Grundstoffe wie Metall, Kunststoff, Keramik, Edel- oder Werkzeugstahl in der Additiven Fertigung verwendet, so ist das Verfahren des selektiven Laserschmelzens geeignet. Der wesentliche Unterschied zum selektiven Lasersintern liegt darin, dass das Materialpulver bei der Bearbeitung komplett geschmolzen wird. Die hohe Dichte des Materials, sowie die glatte Struktur der Endprodukte bilden die maßgebenden Vorteile dieses Verfahrens. Allerdings ist auch in diesem Verfahren mit dem Auftreten von Schrumpfungen beim Verhärten und Abkühlen zu rechnen, sowie die Stabilität des Endprodukts noch aufgrund der Kristallgrenzen, welche sich zwischen den Schichten bilden, begrenzt ist.[13] Zudem entstehen beim Lasersintern und Laserstrahlschmelzen thermisch-induzierte Eigenspannungen im Objekt. Zwar ist es möglich diese durch den Einsatz von Wärme abzubauen, allerdings kann es dabei zu Verformungen des Objekts kommen.[14]
Wird im Folgenden das Verfahren der Stereolithographie beleuchtet, so wird zu Beginn des Verfahrens eine bewegliche Bühne in einen Behälter gestellt, der mit flüssigem photopolymerem Kunstharz gefüllt ist. Hierbei befindet sich die Bühne knapp unter der Oberfläche. Um die Wirksamkeit dieses Verfahrens zu gewährleisten werden chemische Reaktionen erzeugt. Wird das Material nämlich einer ultravioletten Bestrahlung ausgesetzt, so erhärtet es. Meistens erfolgt dies unter Anwendung eines Lasers, der über ein Spiegelsystem gesteuert wird. Hierbei geben die Motoren die grundlegenden Informationen der STL-Dateien wieder. Wurde eine Schicht von dem Laser bearbeitet und die nötigen Bestandteile abgehärtet, so wird die Bühne um die Dicke einer Schicht in der Wanne hochgefahren. Ist das Objekt fertig gestellt, wird es zum Abtropfen aus der Wanne gehoben. Alkohol eignet sich zum Entfernen überschüssiger Materialreste. Allerdings bedarf diese Methode einer weiteren Lichtbehandlung, um das endgültige Nachhärten des Objekts zu erreichen.[15]
Das Laser Powder Forming, beispielsweise, eignet sich zur Herstellung großer Metallobjekte. Vorteile zeigen sich hinsichtlich des großen Einsatzgebiets der Grundstoffe, wobei dieses Verfahren sogar bei Reparaturanwendungen einen effizienten Einsatz bezwecken kann. Eine bekannte Anwendung in diesem Bereich bildet das Laser Engineered Net Shaping.[16]
3.2.3 Die Fused Filament Fabrication
Bei der Anwendung der Fused Filament Fabrication wird das Extrudieren von Thermoplasten oder Wachsmaterial genutzt. Wird die Spritzdüse im 3-D Drucker erhitzt, so kann das Material schichtweise aufgetragen und die einzelnen Schichten miteinander verbunden werden. Das Filament Einsatzmaterial wird durch eine Rolle in den Verflüssiger gegeben. Dieser erhitzt sich auf die Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Filaments, sodass das Ausgangsmaterial problemlos durch die Spritzdüse gelangt. Sobald das Material das Substrat erreicht, kühlt die Temperatur ab und es wird hart. Ist eine Schicht abgeschlossen worden, so wird die Plattform automatisch um die Länge einer aufgetragenen Schicht niedriger gestellt, sodass sich der Vorgang wiederholen lässt. Um die Konstruktion zu stützen, ist das Anbringen eines Stützmaterials, welches nach dem Produktionsprozess wieder abgetragen wird, möglich. Diese Methode findet beispielsweise bei Objekten mit überhängenden Geometrien ihre Anwendung.[17]
3.2.4 Das Polyjetverfahren und das Spritzgießverfahren
Um die Anwendung des Polyjetverfahrens näher darzustellen, wird dies anhand eines Beispiels erläutert. So liegt zunächst ein gezeichneter Körper, beispielsweise ein Würfel mit einem Zylinder, welcher schräg daran befestigt wird, vor. Das Objekt wurde zuvor mithilfe eines CAD-Programms dargestellt und anschließend als STL-Datei exportiert.[18] Die schichtweise Herstellung erfolgt - vergleichbar mit dem Druckvorgang eines Tintenstahldruckers - mithilfe eines flüssigen Acrylats. Die Schichten härten direkt nach dem Druck durch die Anwendung von UV-Strahlen aus. Ist dieser Schritt beendet, wird die Bauplattform um eine Schichtdicke herabgesenkt, um die nächste Schicht zu bearbeiten. Bei Bauteilen, wie beispielsweise dem Zylinder aus dem Anfangsbeispiel, ist es notwendig ein Stützmaterial einzufügen, da dieser, weil er schräg an dem Quader befestigt ist, ansonsten herunterfallen würde. Bei dem Stützmaterial gibt es jedoch noch einige Punkte zu beachten. So darf dieses nicht mit dem Objekt verkleben, um es nach dem Druckprozess entfernen zu können.[19]
Die meisten Analytischen Annahmen im Bereich der Additiven Fertigung konzentrieren sich auf das Spritzgießverfahren, welches in den meisten Fällen seine Anwendung bei Kunststoffen findet. Da der Anteil für Kunststoffe und Polymere im Jahr 2012 einen Umfang von 81% des Marktes für die Materialien Additiver Fertigung umfasste, sind diese Annahmen angemessen.[20] Eine bekannte Form des Spritzgießens stellt das Space Puzzle Molding dar. Hierbei werden die Verfahren des Rapid Tooling und des Rapid Prototyping vereint. Geringe Kosten, eine hohe Flexibilität und die Produktion großer Stückzahlen sind Aspekte, die das Verfahren vorteilhafter gegenüber dem klassischen Spritzgießen darstellen.[21]
4 Die Additive Fertigung
Das Technologiespektrum der 3-D Drucker auf dem Markt ist weit gefächert. So gibt es auf der einen Seite teure, hochleistende Energiequellen und komplexe Scan-Algorithmen für den industriellen Gebrauch,während auf der anderen Seite eine technische Reduktion seitens der Komplexität und der Kosten erfolgt, um so eine für den Endkunden erschwingliche Technologie bereit zu stellen. Es sind auf beiden Seiten weitere Fortschritte zu erwarten. Zum einen hinsichtlich des Metalldrucks in der Industrie und zum anderen im Bereich der Desktop-Maschinen. Erwartet wird ein Qualitätsanstieg mit einer größeren technischen Komplexität in Verbindung mit einer Kostenreduktion.[22] Ein wesentlicher Kostenanteil bei der Anwendung des 3-D Drucks entfällt grundsätzlich auf die Lasermodule. Der Boom von Blu-ray-Playern in der Vergangenheit könnte dazu führen, dass die Kosten in der Zukunft fallen, da Blu-ray Dioden bereits zu geringen Preisen verfügbar sind.[23]
Der Technologiefortschritt unterliegt einer schnellen Geschwindigkeit. So enthielten im Jahr 2012 bereits 30% der produzierten Waren additiv gefertigte Bestandteile. Der erwartete Anstieg bis 2016 liegt bei 50%, wobei im Jahr 2020 bereits ein Anteil von 80% vorliegen soll.[24]
In dem folgenden Kapitel werden ausgewählte Vorteile der Additiven Fertigung, unter anderem im Hinblick auf die Logistik und die Umweltfreundlichkeit, dargestellt. Zudem werden die Grenzen und Nachteile der Additiven Fertigung, sowie der Bereich des Patentrechts thematisiert.
4.1 Die Vorteile der Additiven Fertigung
Im Gegensatz zur herkömmlichen Produktion ermöglicht die Additive Fertigung erstmals eine Realisierung von großen Variantenanzahlen. Während des Produktionsprozesses sind zudem keine Umrüstungsvorgänge notwendig, was zu Kosteneinsparungen führt.[25] Außerdem ist die Produktion von Artikeln in kleinen Losgrößen effizient, wobei sogar die Herstellung von Gussformen über den 3-D Druck umsetzbar ist.[26] Wird das additiv hergestellte Produkt betrachtet, so ist diesem aufgrund der Reduzierung von den Hauptkomponenten auf wenige Unterkomponenten eine höhere Funktionalität zugeschrieben.[27] Allerdings liegt derzeit bei der Anwendung einiger Verfahren eine begrenzte Nutzbarkeit der hergestellten Objekte vor.[28]
Der 3-D Druck ermöglicht den Einsatz verschiedener Materialien, wie Kunststoffe, Metalle, Kunstharze oder Gipse. Diese werden schichtweise durch die Drucker aufgetragen. Folglich werden nur die Materialien im Prozess benötigt, welche auch verarbeitet werden, es entsteht kein Abfall und der Materialverbrauch ist minimal. Auch eine Wiederverwertung des übrig gebliebenen Materials ist möglich.[29] Bei der Herstellung überhängender Konstruktionen ist es notwendig mit Stützkonstruktionen zu arbeiten, welche nach der Produktion wieder entfernt werden. (s. S. 8) Werden die Verfahren des 3-D Pulverdrucks und des Laser-Sintering betrachtet, so ist der Grundstoff pulverförmig. Bei der Herstellung bleiben üblicherweise Materialrückstände in den Hohlräumen der Konstruktion. (s. S. 6) In beiden Fällen kann eine Wiederverwertung des Restmaterials stattfinden. Demzufolge ist der Materialverbrauch in der Additiven Fertigung im Vergleich zu den traditionellen Herstellungsprozessen effizienter.[30]
Aus Designersicht bringt der 3-D Druck viele Neuerfindungen alter Produkte und neuer Innovationen mit sich. Da es hinsichtlich der Fertigungstechnologie wenige Einschränkungen gibt, kann jede Idee zeitnah verwirklicht werden. Designänderungen werden unmittelbar und ohne großen Aufwand umgesetzt, was eine laufende Produktverbesserung garantiert. Somit erfolgt mittels der Additiven Fertigung erstmals eine direkte Verbindung zwischen dem Designer und dem Endprodukt, wodurch die Kundenbedürfnisse besser abgedeckt werden können.[31]
Einen weiteren Bestandteil der Vorteile der Additiven Fertigung bilden die Kundennähe und das erleichterte Eingehen auf die Kundenbedürfnisse.[32] Erstmals wird eine dezentrale Produktion in Verbrauchernähe oder direkt beim Konsumenten ermöglicht.[33]
Auch die Fertigung von Objekten mit komplexen Geometrien, die zuvor mithilfe der traditionellen Fertigung nicht umgesetzt werden konnten, ist mithilfe der 3-D Drucks problemlos umsetzbar.[34]
Doch öffnet sich mit der Entwicklung des 3-D Drucks ebenfalls ein neuer Dienstleistungsbereich auf dem Markt – die 3-D Printerstores. Der erste 3-D Printerstore wurde bereits 2012 in Zürich eröffnet, woraufhin zwei Jahre später weitere Geschäfte in Wien und München gegründet wurden. Es ist wahrscheinlich, dass weiter Großstädte dem folgen werden und dies dem Endkunden Möglichkeiten gibt, individuelle Artikel auf Bedarf additiv herstellen zu lassen.[35] So beschreiben zukünftige Annahmen die Organisation der 3-D Printerstores mithilfe eines Franchise-Modells.[36]
4.1.1 Die Vorteile aus der Sicht der Logistik
Im Hinblick auf die Logistik bringt die Einführung der Additiven Fertigung unter anderem eine radikale Verkürzung der logistischen Fahrtwege für die Beförderung der Produkte mit sich, da diese bei Bedarf vor Ort produziert werden können. Auch eine Reduktion hinsichtlich der Kosten- und Zeitaspekte sind schwerwiegende Vorteile der Additiven Fertigung.[37]
Wird die Lagerhaltung betrachtet, so kann der Einsatz des 3-D Drucks den dauerhaften Bestand an Ersatzteilen komplett ersetzen. Besteht nämlich der Bedarf nach einem Ersatzteil, so kann dieses mithilfe der Technologie direkt vor Ort hergestellt werden. Die Lagerhaltung kann somit minimiert werden, denn zur Produktion ist lediglich die digitale Speicherung von den STL-Dateien der Objekte notwendig. Demzufolge kann ebenfalls eine Senkung der Lagerhaltungskosten, der Energie und der Lagerfläche erreicht werden. Mit dem allgemeinen Verzicht auf die physische Lagerung erfolgt eine optimale Senkung des Ressourcenverbrauchs.[38]
Wird der 3-D Druck global angewandt, so ist lediglich eine digitale Übermittlung der STL-Dateien zur Produktion notwendig. Zollkosten, wie sie bei dem herkömmlichen, grenzüberschreitenden Transport stattfinden, werden somit gemieden, was wiederum zu Kosteneinsparungen führt.[39]
4.1.2 Schicht für Schicht zur Umweltfreundlichkeit
Da bei der Additiven Fertigung zahlreicher Prototypen Metall verwendet wird, scheint diese Methode im Hinblick auf die Nachhaltigkeit unvorteilhaft zu sein. Doch wird die Verwendung von Grundstoffen wie Holz, Papier, Wachs oder Lebensmittel derzeit noch erforscht. Allerdings wurden bereits umweltfreundliche 3-D Drucker, wie der RepRap, entwickelt. Dieser verwendet nämlich Polylactide als Ausgangsmaterial. Da Polylactide aus Milchsäuremolekülen bestehen, biologisch abbaubar sind und mithilfe von nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können, gilt diese Alternative als besonders umweltverträglich.[40] Bereits im Jahr 2012 wurde ein 3D-Plastik-Extrusionssystem konstruiert, welches das Druckmaterial aus recycelbarem Plastik anfertigt. Bei dem Verfahren werden Kunststoffdrähte aus Plastik hergestellt, welche für den 3-D Druck benötigt werden.[41] Auch, wenn die Produktion mit Plastik nicht umweltfreundlich ist, stellt die Wiederverwertung von Plastikabfall im 3-D Druck eine ausgefallene Methode dar.[42]
Grundlegend werden bei der Additiven Fertigung umweltschädigende Schneidflüssigkeiten weggelassen, wodurch die bedeutungsvolle Gewichtsreduzierung der hergestellten Objekte erreicht wird.[43] Auch im Hinblick auf die Minimierung der Abfälle während der Herstellungsprozesse wird eine Verbesserung der globalen Ressourcenproduktivität ermöglicht. Durch diesen Fortschritt kann die wachsende Kluft zwischen dem Angebot und der Nachfrage nach nicht-erneuerbaren Ressourcen verringert werden. Aufgrund der Möglichkeit der Verwendung von Recycling-Materialien als Grundstoff wird der Einsatz von giftigen Chemikalien in der Produktion gesenkt, was wiederum zu Kosteneinsparungen hinsichtlich der Entsorgung giftiger Stoffe führt.[44] Eine Reduktion der Kohlenstoffemissionen in der Herstellung und beim Transport bezweckt eine Senkung des Gesamtenergieverbrauchs.[45] Demzufolge begünstigt der Einsatz der Additiven Fertigung im Bereich der Luftfahrtindustrie eine Gewichtsreduzierung der hergestellten Teile um 70%. Dementsprechend führt dies zu einem niedrigeren Kerosinverbrauch und einer Senkung der CO2-Emmissionen.[46]
Auch kann die Additive Fertigung in der Produktion mit einer Verknüpfung zur Peer Production angewandt werden. Positive Folgen stellen die umweltfreundlichere Umstrukturierung der Warenströme, sowie die Abschaffung der Produktion überschüssiger Objekte dar. Damit dieser Ansatz zu Erfolg führt, ist allerdings die Entwicklung von erfolgreichen Geschäftsmodellen im kollaborativen Produzieren notwendig.[47]
Allerdings gibt es im Hinblick auf die Argumente der Umweltfreundlichkeit im Bereich des Forschungsstands noch einige Aspekte zu beachten.So werden beispielsweise die Herstellungsverfahren der Grundstoffe, die in der Additiven Fertigung verwendet werden, wenig erläutert. Bekannt ist jedoch, dass die meisten pulverförmigen Grundstoffe in der Herstellung mühevollen Prozessen unterliegen.[48]
4.2 Die Grenzen des 3-D Drucks
Wird die Konstruktion des Designs im Näheren betrachtet, so zeigen sich bereits einige Grenzen der Technologie. Faktoren, wie die Materialstärke und die minimale Wandstärke stehen stets in Abhängigkeit zur Modellgeometrie und -größe. Auch das verwendete Material spielt in diesem Hinblick eine große Rolle. Stimmen diese Faktoren nicht überein, so kann das gedruckte Objekt instabil sein und schnell in sich zusammenfallen. Die Materialien, auf die der 3-D Druck derzeit noch beschränkt ist, umfassen Nylon, Kunstharze, schmelzfähige Kunstoffpulver oder -fäden, Wachs, Gips, Metallpulver, wie Stahl, Titan oder Aluminium und Papier.[49] Allerdings sind die speziellen Materialanfertigungen ein Auslöser für die hohen Preise der Rohstoffe.[50] Doch wie verhalten sich die Grundstoffe bei einer dauerhaften Lagerung? In diesem Bereich ist der Forschungsstand allerdings noch nicht so weit, um diese Frage zu beantworten zu können. So bieten sich Möglichkeiten der Lagerung in dem verschlossenen oder teilentleertem Gefäß, sowie in der Fertigungsanlage.[51]
Im Vergleich zur geringen Energieintensität bei der traditionellen Herstellung ist der Energieverbrauch bei der Additiven Fertigung höher. Wird der gesamte additive Herstellungsprozess betrachtet, so ist dieser in der professionellen Produktion mit einem hohen CO2-Ausstoß verbunden. Allerdings sind dies bei dem heutigen Stand der Forschung lediglich Annahmen, da viele Aspekte noch wenig erforscht sind.[52]
Ein Hindernis bei der Einführung der Additiven Fertigung in ein Unternehmen bilden die hohen Investitionskosten der Technologie. So stellen die noch rauen Oberflächen und groben Strukturen der Modelle einen weiteren Nachteil dar. Sind demzufolge glatte Oberflächen für die Produkte notwendig, so ist eine Nachbearbeitung, welche ebenfalls mit weiteren Kosten verbunden ist, zwanghaft. Die noch unausgereiften und unangepassten Technologien, sowie die geringe Produktivität sind einige der Gründe, warum sich Unternehmer derzeit gegen die Additive Fertigung entscheiden. Eine Umfrage des KPMG ergab jedoch, dass ein Drittel der Befragten Unternehmen ein zunehmendes Marktpotential und damit verbunden betriebswirtschaftliche, sowie wettbewerbsfähige Vorteile im Bereich der Additiven Fertigung erhofft.[53]
[...]
[1] Vgl. Petrick / Simpson, 2013, S. 1.
[2] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 2.
[3] Vgl. Petrick / Simpson, 2013, S. 2.
[4] Vgl. Berman, 2012, S. 158 f.
[5] Vgl. Fastermann, 2012, S. 5.
[6] Vgl. Berman, 2012, S. 159.
[7] Vgl. Fastermann, 2012, S. 7.
[8] Vgl. Fastermann, 2012, S. 8.
[9] Vgl. Fastermann, 2012, S. 11.
[10] Vgl. Cotteleer, 2014, S. 151.
[11] Vgl. Petrick / Simpson, 2013, S. 2.
[12] Vgl. Fastermann, 2012, S. 117 f.
[13] Vgl. Fastermann, 2012, S. 118 f.
[14] Vgl. Bauer et al., 2016, S. 26 f.
[15] Vgl. Hagl, 2015, S. 19 f.
[16] Vgl. Hagl, 2015, S. 31.
[17] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 3.
[18] Vgl. Fastermann, 2012, S. 13.
[19] Vgl. Fastermann, 2012, S. 13.
[20] Vgl. Cotteleer, 2014, S. 151.
[21] Vgl. Fastermann, 2012, S. 125.
[22] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 5.
[23] Vgl. Boubekri / Alquahtani, 2015, S. 13.
[24] Vgl. Manners-Bell, 2012, S. 4.
[25] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 2.
[26] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 4.
[27] Vgl. Hofmann / Oettmeier, 2016, S. 87.
[28] Vgl. Petschow et al., 2014, S. 28.
[29] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 4.
[30] AEB GmbH, 2016, S. 9.
[31] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 11.
[32] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 12.
[33] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 4.
[34] Vgl. Hofmann / Oettmeier, 2016, S. 87.
[35] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 8.
[36] Vgl. Winterhalter et al., 2014, S. 54.
[37] Vgl. D’Aveni, 2015, S. 46.
[38] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 9.
[39] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 4.
[40] Vgl. Fastermann, 2012, S. 109.
[41] Vgl. Fastermann, 2012, S. 110.
[42] Vgl. Fastermann, 2012, S. 110.
[43] Vgl. Petschow et al., 2014, S. 28.
[44] Vgl. Campbell et al., 2011, S. 10 f.
[45] Vgl. Campbell et al., 2011.
[46] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 9.
[47] Vgl. Petschow et al., 2014, S. 24.
[48] Vgl. Petschow et al., 2014, S. 27.
[49] Vgl. Fastermann, 2012, S. 79.
[50] Vgl. Hofmann / Oettmeier, 2016, S. 89.
[51] Vgl. Bauer et al., 2016, S. 26.
[52] Vgl. AEB GmbH, 2016, S. 9.
[53] Vgl. Grassl, 2015, S. 6.