3D-Druck in der Lebensmittelindustrie

Inhaltsverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abkurzungsverzeichnis

1. Einleitung

2. Literaturruckblick

3. Theoretischer Hintergrund

4. Analyse
4.1 Die wichtigsten 3D-Druckverfahren im Uberblick
4.1.1 Fused Deposition Modeling (FDM)
4.1.2 Stereolithografie (STL)
4.1.3 Selective Laser Sintering (SLS)
4.2 Anwendung des 3D-Drucks auf die Massenproduktion
4.3 3D-Druck im Rahmen der Spezialisierung
4.4 Aktuelle Beispiele aus der Praxis

5. Diskussion und Zusammenfassung

6. Literaturverzeichnis

7. Anhang

ABBILDUNGS- UND TABELLENVERZEICHNIS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ABKURZUNGSVERZEICHNIS

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Obwohl der Wirbel um additive Fertigungsverfahren bereits vor mehr als drei Jahrzehnten - in den 1980er Jahren, genauer am 11. Marz 1986 - mit der Geburt des weltweit ersten 3D-Druckers von Charles W. Hull begann, sorgte dieses Thema bis vor wenigen Jahren noch kaum fur Gesprachsbedarf in den Medien (Knabel, 2014). Damals wurde ausschlieftlich eine Revolution in den Branchen der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrttechnik und der Medizin erwartet. Da- her waren Wissenschaftler aus aller Welt umso uberraschter und erfreulicher ge- stimmt, als diese Innovation in den vergangenen Jahren eine einschlagige Wende durchlebte. Aktuelle Studien des Bundesverbandes fur Informationswirt- schaft, Telekommunikation und neue Medien e.V. (Bitkom Research, 2017) be- sagen, dass bereits 87 Prozent der deutschen Bundesburger (in etwa 61 Millio- nen im Alter ab 14 Jahren) schon einmal von 3D-Druck gelesen oder gehbrt ha- ben, wobei 18 Prozent behaupten, bereits einen 3D-Druck angefertigt zu haben oder anfertigen haben zu lassen. Aufterdem kbnnen sich 55 Prozent vorstellen, diese Technologie auch in Zukunft zu nutzen, wohingegen 25 Prozent keinerlei Interesse dafur hegen. Zukunftsweisend ist vor allem die Erkenntnis, dass sich laut dieser Studie neun von zehn Deutschen die Durchsetzung von 3D-Druckern in privaten Haushalten vorstellen kbnnen.

Bereits heute kbnnen in der Lebensmittelindustrie beachtliche Ergebnisse mit- hilfe von additiven Fertigungsverfahren erzielt werden, wie aktuelle Beispiele aus der Praxis in der folgenden Analyse darstellen werden. Schon im September 2015 gelang es dem Team des Start-ups Print2Taste GmbH, ein maftstabsge- treues Modell des Schlosses ,Neuschwanstein’ aus Marzipan zu drucken (Ber- nau, 2015). Die rapide Entwicklung in der Lebensmittelindustrie erhielt im April des vergangenen Jahresdurch ein Ereignis, welches vor einigen Jahren noch als undenkbar schien, seine Bestatigung: Auf der 3D Food Printing Conference 2016 im spanischen Venlo stellte das Team der niederlandischen Firma 3D By Flow das weltweit erste Pop-Up-Restaurant¹ mit dem Namen Food Ink. vor, in dem Lebensmittel aus einem 3D-Drucker serviert wurden (Kramer, 2016).

Der 3D-Druck wird in der Literatur und Forschung haufig mit den Begriffen Rapid Prototyping (RP) und Additive Manufacturing (AM) oder dem deutschen Syno­nym Additive Fertigung in Verbindung gebracht und gliedert sich in das Spektrum der generativen Fertigungsverfahren, die auf rechnerinternen Datenmodellen (sog. 3D-CAD-Modelle) basiert, ein. Zudem ist der 3D-Druck Bestandteil der ad- ditiven Herstellungsverfahren, bei welchen wahrend der Herstellung eines Pro- duktes nicht wie bei subtraktiven Fertigungsverfahren (z.B. Frasen, Bohren und Drehen) Material mechanisch entfernt, sondern im Schichtbauverfahren nach und nach zu einem Objekt aufgebaut wird (Fastermann 2014, S. 11).

Im Folgenden werden die fur die weitere Ausarbeitung essentiellen Begriffe Mas- senproduktion (MP) und Spezialisierung (SP) differenziert. Gemaft Hauff (1995, S.30) beinhaltet Massenproduktion den Einsatz produktspezifischer, anwen- dungsspezialisierter Maschinen und deren Bedienung durch angelernte Arbeiter zur Herstellung standardisierter Guter. Eine gewisse Homogenitat des Ge- schmacks und der Massenkonsum stehen hierbei im Vordergrund. Hingegen werden bei der Spezialisierung qualifizierte Arbeiter zur Produktion spezialisier- ter Guter mittels flexiblen, produktunspezifischen Technologien benotigt, was in einer individualisierten Nachfrage und einer Geschmacksdiversifikation resultiert.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die zugrundeliegende Frage, ob der Einsatz von 3D- Druckern in der Lebensmittelindustrie unter Einsatz von okonomischen Prinzipien sinnvoll ist, zu beantworten. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Differenzierung zwischen MP und SP. Hierzu wird zunachst ein Uberblick uber den aktuellen For- schungsstand des 3D-Drucks in diversen Branchen geschaffen. Dieser spitzt sich nach und nach trichterformig in Richtung Lebensmittelbranche zu und zeigt ab- schlieftend die Forschungslucke auf. Zusatzlich wird im Theorieteil erortert, wel- che Guter sich im Rahmen des 3D-Lebensmitteldrucks besser fur die MP bezie- hungsweise die SP eignen. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden drei 3D-Druck- verfahren aus der Praxis vorgestellt, hinsichtlich Ihrer Tauglichkeit fur die Lebens­mittelindustrie analysiert und anhand eines Praxisbeispiels verdeutlicht. Der Mangel an Studien ist auf die Aktualitat dieses Forschungsbereiches zuruckzu- fuhren, weshalb fur die Analyse dieser Arbeit auf eine hermeneutische Vorge- hensweise zuruckgegriffen wurde. Im Schlussteil dieser Arbeit werden eine Zu- sammenfassung der Ergebnisse, Limitationen und Implikationen fur Theorie und Praxis, Zukunftsaussichten, und Antworten auf die Fragen aus der Einleitung und dem aktuellen Forschungsstand prasentiert.

2. Literaturruckblick

Wie bereits in der Einleitung erwahnt, begann die Revolution der additiven Ferti- gungsverfahren im Jahre 1984 mit der Entwicklung des ersten 3D-Druckers und der Patentierung des Stereolithografie-Verfahrens (STL) durch den US-Physiker Charles W. Hull. Weitere richtungsweisende Patentierungen folgten in den Jah- ren 1989 (Fused Deposition Modeling-Verfahren FDM nach Crump in Zusam- menarbeit mit Stratasys² ) und 1991 (Selective Laser Sintering-Verfahren SLS nach Deckard et al.). Als die vorgenannten Patente vor wenigen Jahren ausliefen (2004: STL, 2009: FDM und 2014: SLS), durchlebte die Welt des 3D-Drucks auf- grund zahlreicher Unternehmensgrundungen einen Aufschwung.

Die erste Vision zum Thema 3D-Druck in der Automobilindustrie beinhaltete die Vorstellung, dass ein Auto in Zukunft vollstandig aus dem Drucker stamme, bald auf den Straften zu sehen und nicht mehr wegzudenken sei (Leupold und Gloss- ner, 2016, S.1). Wider Erwarten berichtete Spiegel Online (2013) von der Ent­wicklung eines Prototyps fur ein Auto durch den amerikanischen Ingenieur Jim Kor³, bei welchem lediglich die Karosserie vollstandig additiv gefertigt wurde. Be- sagtes Auto wurde daraufhin der Welt unter dem Namen Urbee2 vorgestellt (siehe Abbildung 1).

Im Januar 2015 verOffentlichte die Autorin Kathrin Werner in der Suddeutschen Zeitung einen Artikel uber das erste Auto, den Strati des amerikanischen Unter- nehmens Local Motors, das nahezu vollstandig (nur der Motor inklusive der Bat- terie, Aufhangungen, Kabel und Lichter wurden vom franzOsischen Unternehmen Renault zugekauft werden) aus dem 3D-Drucker stammen sollte. Die Vision des Unternehmensgrunders und CEOs John B. Rogers sei, Mikro-Fabriken zur Her- stellung des Strati an diversen Standorten auf der ganzen Welt zu errichten, um dadurch globale Prasenz zu demonstrieren (Leupold und Glossner, 2016, S. 1). Laut dem Online-Magazin 3d-grenzenlos (2017) jedoch findet AM in der Automo- bilindustrie derzeit hauptsachlich in der Herstellung von Modellen und Prototypen (vgl. RP) Anwendung. Dagegen wird das Drucken von spezifischen Bauteilen, wie Lenkrad, Kuhlergrill, Schaltknuppel, Zundkerze und von Werkzeugen, mehr und mehr gangige Praxis (siehe Abbildung 2).

Als Beispiel hierfur ist die BMW Group zu sehen, welche bereits seit 1991 auf additive Fertigungsverfahren im Bereich des Konzeptfahrzeugbaus setzt. Seit ei- nigen Jahren werden im Nurnberger Werk der BMW Group 3D-Drucker des Un- ternehmens Stratasys zur Herstellung von Prototypen und Werkzeugen genutzt (Leupold und Glossner, 2016, S. 2). Insbesondere im Rennsport spielt das Ge- wicht des Fahrzeugs eine entscheidende Rolle. Deshalb werden bereits heute Bauteile fur Rennwagen und Motorrader verschiedenster Hersteller gedruckt (Hagl, 2015, S. 45 - 46). Mittels 3D-Druck konnen in diesem Bereich Bauteilkon- struktionen und Geometrien optimiert werden.

Auch in der Luft- und Raumfahrttechnik ist das Eigengewicht ein sehr wichtiger Faktor bei der Planung und Fertigung. Peter Sander, Leiter des Bereichs ,Emerging Technology & Concepts’ der Airbus Group, verdeutlicht in einem Arti- kel des Harvard Business Managers, dass mithilfe additiver Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile bis zu eine Tonne Gewicht pro Flugzeug einsparen wurden und somit der Kerosinverbrauch gesenkt werden konne (Sander et al., 2015, S. 31 - 32). Ferner berichtet das Handelsblatt (2015, S. 11) unter Berufung auf Ge­neral Electric, dass neue Triebwerke, die im Airbus A320neo Einsatz finden sol- len, Dusen aus einem 3D-Drucker enthalten. Auch das Online-Magazin 3d-gren- zenlos berichtet unter Berufung auf das israelische Unternehmen Eviation Air­craft Ltd. von der maftgeblichen Nutzung eines 3D-Druckers des Unternehmens Stratasys zur Entwicklung des weltweit ersten ausnahmslos elektrischen Pend- lerflugzeugs (Heinze-Wallmeyer, 2017). Sogar die internationale Raumstation /SS ist im Besitz eines solchen Druckers, um Astronauten eine autonome und flexible Durchfuhrung anfallender Reparaturen ermoglichen zu konnen und druckte damit schon im November 2014 das erste 3D-Objekt im All (NASA, 2014).

Einen weiteren Bereich, in dem additive Fertigungsverfahren zur Bereicherung des Alltags zahlen, umfasst die Architektur beziehungsweise das Bauwesen. In der Architektur findet der 3D-Druck einzig in der Herstellung von maftstabsge- treuen Modellen Verwendung, wohingegen die Anwendung in der Baubranche weitlaufiger gestaltet werden kann. Den Grundstein fur das als Contour Crafting⁴ bekannte Herstellungsverfahren legte 2006 der italienische Robotik-Ingenieur Enrico Dini mit dem 3D-Drucker D-Shape, der auf einer Flache von 36 Quadrat- metern und einer maximalen H5he von drei Metern ein Gebaude aus einer Sand- Magnesiumoxid-Mischung fertigen konnte (ArteTV, 2015). Daraufhin konstruierte das chinesische Unternehmen WinSun 2015 eine zehn Meter breite, sechs Meter hohe und 40 Meter lange Villa, bei welcher die Teile in weniger als 24 Stunden gedruckt und im Anschluss vor Ort zusammengebaut werden konnten. WinSun teilte anschlieftend mit, dass durch den Druck eines Hauses der Abfall um 30 - 60 Prozent, die Bauzeit um 50 - 70 Prozent und die Kosten um 50 - 80 Prozent reduziert werden k5nnten. Aufterdem wurde die Planung kundenspezifischer Ge- baudegrundrisse aufgrund der individuellen Anfertigung langst keine Hemmung mehr darstellen (Kempkens, 2015). Besondere Aufmerksamkeit erweckte der Bericht des Online-Magazins 3Druck im Marz 2017 von der Fertigung des ersten vollstandig aus Beton gedruckten Hauses (Rohbau), mit einer Grundflache von 38 Quadratmetern, durch das russische Unternehmen Apis Cor (Knabel, 2017).

Daneben schreiten die Forschungen in der Rustungsindustrie, der Mode- und Textilindustrie, dem Schiffsbau, der Fertigung von M5beln und Spielwaren und in der Kunst taglich voran. Aufterdem wird der 3D-Druck im Bereich der Medizin zur Herstellung von Orthesen und Implantaten, im Dentalbereich und im Rahmen des Bioprinting⁵ genutzt. Als Beispiel dient hier der im Jahr 2011 von Dr. Anthony Atala aus lebenden Zellen gedruckte Prototyp einer Niere, die im Jahre 2016 als funktionsfahig befunden wurde (Gesundheitsstadt Berlin, 2016). Des Weiteren erlautert ein aktueller Bericht der Zeitschrift Spiegel Online (2017), dass Mause bereits gesunde Nachkommen mithilfe von aus einem 3D-Drucker stammenden kunstlichen Eierst5cken aus Gelatine bekamen.

Laut einem von der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft (DLG) ver5ffentlich- ten Artikel (Vogt, 2017, S. 2) existieren wissenschaftliche Forschungsarbeiten zum 3D-Lebensmitteldruck in der Literatur seit etwa zehn Jahren. Bisher thema- tisierten diese Arbeiten hauptsachlich die Auswahl geeigneter Lebensmittel und die Optimierung hinsichtlich einer h5heren Stabilitat bei der Weiterverarbeitung.

Aktuellere Forschungsarbeiten hingegen spezialisieren sich auf den personali- sierten 3D-Lebensmitteldruck auf Basis biometrischer Daten. Dennoch waren erste Berichte und Forschungen zum 3D-Lebensmitteldruck den Zielgruppen Menschen mit Kau- und Schluckbeschwerden mit daraus resultierender Mangel- ernahrung und Astronauten auf Missionen im Weltall gewidmet (Vogt, 2017, S. 6). Hiervon sollten vor allem Seniorenheime, Krankenhauser und Einrichtungen fur behinderte Menschen profitieren. Die grundlegende Idee dahinter war, das Essen vorzukochen, zu purieren und im Anschluss daran mit Hilfe eines 3D-Dru- ckers in spezielle, optisch ansprechende und appetitanregende Formen zu brin- gen (Spiegel TV, 2014). Aufterdem wollte man mit weiteren Anwendungen zu- satzliche Marktnischen, wie die Zubereitung von Speisen beim Camping, Men­schen mit Mobilitatseinschrankungen und Menschen mit Zeitmangel erschlieften.

So wurde im Jahr 2007 mit dem Choc ALM der erste Prototyp fur einen Drucker, der mit Schokolade drucken sollte, vorgestellt (Choc Edge, 2017). Daraufhin folg- ten funf Jahre spater (2012) der Markteintritt des Imagine 3D Printer von Essen­tial Dynamics und des Choc Creator V1 von Choc Edge, die als erste serienreife 3D-Drucker fur Lebensmittel wie Schokolade und Kase galten (Essential Dyna­mics, 2017 und Choc Edge, 2017). Aber auch bisher vollig undenkbare Ideen, wie der Blog-Post des Drucker-Magazins Tinte24 (2014), regten die Wissen- schaftler zum Nachdenken an. Besagter beschrieb den Einsatz des 3D-Lebens- mitteldrucks in der Fleischwirtschaft als Moglichkeit der Reduzierung des welt- weiten Fleischkonsums.

Zusammenfassend ist zu erkennen, dass der Forschungsstand der additiven Fer- tigungsverfahren in einigen Branchen, wie der Automobilindustrie, der Luft-und Raumfahrttechnik, dem Bauwesen und der Medizin bereits stark vorangeschrit- ten ist. Dennoch bedarf es im Bereich des 3D-Lebensmitteldrucks weiterer For­schungen, was diese Arbeit aufzeigen soll.

3. Theoretischer Hintergrund

In diesem Teil der Arbeit liegt der Fokus auf der Frage, welche Guter sich besser fur die MP beziehungsweise die SP eignen. Hierzu werden die Charakteristika von ausgewahlten Gutern und Produktionsarten im Hinblick auf logistische Kom- ponenten untersucht.

Prinzipiell ist der Begriff MP sehr weitlaufig und entstand im Zuge der industriellen Revolution vor etwa 170 Jahren (Zeit Online, 2014). MP sollte jedoch nicht mit Serienfertigung oder auch Serienproduktion verglichen werden. Wahrend bei der MP hauptsachlich unbegrenzte Stuckzahlen identischer Produkte hergestellt werden, werden bei der Serienproduktion zwar ebenfalls baugleiche Guter, aber nur in begrenzter Stuckzahl (bis zum a priori festgelegten Ende einer Serie) her­gestellt (Gabler Wirtschaftslexikon, 2017a). Das Erfolgskonzept bei der MP sind die auftretenden Economies of scale⁶ und Economies of scope⁷, welche die Her- stellung eines Gutes zu niedrigeren Kosten ermOglichen. Sobald allerdings nur eine kleinere LosgrOfte hergestellt werden soll, ist die Fertigung im Zuge der MP aufgrund der langen Entwicklungszyklen nicht mehr Okonomisch vertretbar (Leu- pold und Glossner, 2016, S. 46). Aufterdem spielt hierbei nicht einzig der Zeitfak- tor, sondern auch die Anschaffungskosten eine gravierende Rolle, da die Ausga- ben fur Maschinen und Werkzeuge bis zum Beginn des Herstellungsprozesses und Materialkosten fur Rohstoffe berucksichtigt werden mussen.

Des Weiteren ist die Ausarbeitung eines Modells fur eine spezifische, individuelle Lieferkette zur reibungslosen Belieferung von Rohmaterialien oder die eigenstan- dige Fabrikation dieser von Vorteil. Eine herkOmmliche Lieferkette aus dem Be- reich der MP (vgl. Abb. 3) kOnnte mittels Einsatz additiver Fertigungsverfahren deutlich gekurzt werden (vgl. Abb. 4).

[...]

¹ Temporares Restaurant, dass bereits nach einigen Tagen, Wochen oder Monaten wieder verschwunden sein kann (Die Welt, 2008).

² Weltweit fuhrender Anbieter von Losungen, Materialien und Services fur 3D-Druck und additive Fertigung mit Haupt- sitz in Edina, Minnesota (Stratasys, 2017).

³ Grunder des Unternehmens „Kor Ecologic“.

⁴ Entwickelt von Dr. Behrokh Khosnevis an der University of Southern California: Dieses Verfahren erlaubt die Verwen- dung von Beton als Druckmaterial, welches durch eine Duse ausgegeben und daraufhin mittels eines Spachtels aufge- tragen wird (Leupold und Glossner, 2016, S. 42).

⁵ Bioprinting bezeichnet die Herstellung von lebendem Gewebe mithilfe eines 3D-Druckers (B5hnke, 2014).

⁶ Groftenkostenersparnisse / Skalenertrage: Kostenersparnisse, die bei gegebener Produktionsfunktion infolge konstan- ter Fixkosten auftreten, falls der Output wachst, da bei wachsender Betriebsgrofte die durchschnittlichen totalen Kosten bis zur mindestoptimalen technischen Betriebs- bzw. Unternehmensgrofte sinken. Daher wird der Anteil der fixen Kos­ten je hergestellter Einheit immer kleiner (Gabler Wirtschaftslexikon, 2017b).

⁷ Verbundvorteile / wirtschaftliche Vorteile: konnen bei diversifizierten Unternehmen auftreten, welche auf diversen Markten tatig sind. Sie konnen in bestimmten Funktionsbereichen Synergien in Form von Kostenersparnissen erzielen (Gabler Wirtschaftslexikon, 2017c).