3D-DRUCK ANALYSEN - Handelskammer Hamburg
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ANALYSEN
3D-DRUCK
Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft
3D-DRUCK Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft
Herausgeber: Handelskammer Hamburg | Adolphsplatz 1 | 20457 Hamburg Postfach 11 14 49 | 20414 Hamburg | Telefon 040 36138-138 Fax 040 36138-401 | service@hk24.de | www.hk24.de Bearbeitung: Geschäftsbereich Innovation & Umwelt Anna Maria Heidenreich, Dr. Michael Kuckartz Titelbild: iStock/cosinart Grafiken: Michael Holfelder Alle Grafiken © Handelskammer Hamburg Herstellung: Wertdruck GmbH & Co. KG, Hamburg Januar 2017
Vorwort
Additive Verfahren und Technologien – unter dem 3D-Metalldruck. Um Hamburgs technologische 3D-
Oberbegriff 3D-Druck derzeit in aller Munde – nehmen Druck-Kompetenz auf andere Anwendungsfelder und
immer stärker Einfluss auf bestehende Wertschöp- Branchen auszuweiten, sollte die Forschungsinfrastruk-
fungsprozesse und Geschäftsmodelle der globalen, tur gestärkt und ausgebaut werden.
nationalen und regionalen und damit auch der Ham-
burger Wirtschaft. Nicht selten ist aufgrund der öko- Der Innovations- und Wissenschaftsstandort Hamburg
nomischen Bedeutung und des disruptiven Potenzials hat eine starke institutionelle und unternehmerische
des 3D-Drucks in Verbindung mit der zunehmenden Basis, um die Chancen neuer technologischer Entwick-
Digitalisierung die Rede von einer neuen industriellen lungen nutzen und Antworten auf damit verbundene
Revolution. Herausforderungen geben zu können. Auf dieser
Grundlage müssen sich Hamburg und seine Unterneh-
Der 3D-Druck als Querschnittstechnologie durchdringt men gemeinsam dafür einsetzen, unsere Hansestadt
alle Wirtschafts- und Geschäftsbereiche. In einigen als 3D-Druck-Standort nach vorne zu bringen und den
Branchen, zum Beispiel dem produzierenden Gewerbe, Zukunftsmarkt 3D-Druck vor Ort aktiv mitzugestalten.
sind die damit einhergehenden Veränderungen schon Unsere Handelskammer zeigt im vorliegenden Analy-
weit fortgeschritten und beeinflussen verbundene Pro- sepapier Stärken und Schwächen am 3D-Druck-Stand-
zess- und Wertschöpfungsketten, beispielsweise in der ort Hamburg auf und bietet Lösungen und Handlungs-
Logistik. Für neue Wettbewerber am Markt schafft der empfehlungen an, um diesen Prozess zu unterstützen.
3D-Druck vielfältige Einstiegsmöglichkeiten und führt
zu einer sich stetig wandelnden Konkurrenzsituation.
Etablierte Unternehmen stehen vor der Herausforde- Handelskammer Hamburg
rung, sich in den neu entstehenden Wertschöpfungs-
netzwerken strategisch positionieren zu müssen.
Die Hamburger Unternehmerschaft hat das Potenzial
des 3D-Drucks erkannt – wenn auch noch nicht in allen Fritz Horst Melsheimer Prof. Dr. Hans-Jörg Schmidt-Trenz
Branchen gleichermaßen – und erwartet einen steigen- Präses Hauptgeschäftsführer
den Einfluss dieser neuen Technologie auf alle Ge-
schäftsfelder und -prozesse. Insbesondere die hohen
Anschaffungskosten für industrielle 3D-Drucker, das
fehlende Know-how im Bereich der 3D-Druck-Technik
und -Konstruktion und bestehende technische Restrik-
tionen sind aktuell noch Hemmnisse für den Einsatz des
Verfahrens, gerade im produzierenden Gewerbe. Daraus
ergibt sich konkreter Unterstützungs- und Handlungs-
bedarf mit Blick auf die Sensibilisierung und den Kom-
petenzaufbau in den Unternehmen sowie die Integra-
tion des 3D-Drucks in die Aus- und Weiterbildung. Die
Hamburger Wissenschaft ist beim Thema 3D-Druck
breit aufgestellt und hat mit dem Laser Zentrum Nord
ein international renommiertes Aushängeschild im
5
Inhaltsverzeichnis
Die Ergebnisse im Überblick 7
1 Einleitung und Zielsetzung der Analyse 9
2 3D-Druck im Überblick 10
2.1 Definition: Was ist 3D-Druck? 10
2.2 3D-Druck-Technologien und -Verfahren 10
2.3 Auswirkungen auf Produktions- und Wertschöpfungsprozesse 13
2.4 Wirtschaftspolitische Implikationen 14
3 Internationale Markt- und Wettbewerbssituation 17
3.1 Umsätze und Wachstumsraten 17
3.2 Patentanmeldungen 19
3.3 Öffentliche Förderung 24
4. 3D-Druck in Hamburg 25
4.1 Wissenschaft und Forschung 25
4.1.1 LZN Laser Zentrum Nord GmbH/Technische Universität Hamburg 25
4.1.2 3D-Druck an den Hamburger Hochschulen 26
4.1.3 3D-Druck an den außeruniversitären Forschungseinrichtungen in Hamburg 27
4.2 Unternehmensumfrage: Ergebnisse und Analyse 28
4.2.1 3D-Druck ist Thema für die Hamburger Unternehmen – aber noch nicht in der Breite 28
4.2.2 3D-Drucker gehören noch nicht zur Standardausrüstung in Hamburgs Unternehmen 30
4.2.3 Hamburgs Unternehmen drucken vorwiegend mit Kunststoff 32
4.2.4 Fertigung von Prototypen, Produktionshilfsmitteln und Kleinserien –
hierfür nutzen Hamburger Unternehmen den 3D-Druck 34
4.2.5 Hamburger Unternehmen setzen auf „Learning by doing“ beim Aufbau von 3D-Druck-Know-how 37
4.2.6 Hamburger Unternehmen sehen steigenden Einfluss des 3D-Drucks
Auf alle Geschäftsbereiche und -prozesse 38
4.2.7 Anschaffungskosten, Produktqualität und Know-how – wo Hamburgs Unternehmen
noch Hemmnisse für den Einsatz des 3D-Drucks sehen 40
4.2.8 3D-Druck-Technologie erleben, ausprobieren und anwenden können – hier benötigen
Hamburgs Unternehmen Unterstützung 43
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 2017
6
5 Fazit und Handlungsempfehlungen 45
5.1 Ausbau und Weiterentwicklung der wissenschaftlichen und technologischen Infrastruktur 45
5.2 Sensibilisierung und Kompetenzaufbau in den Unternehmen 46
5.3 Systematischer Know-how-Aufbau durch Integration in Aus- und Weiterbildung 46
5.4 Marketing für den 3D-Druck-Standort Hamburg 47
6 Quellen und weiterführende Informationen 49
7 Methodik 51
Anhang: Fragebogen 52
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 2017
7
Die Ergebnisse im Überblick
Über die Hälfte der an der Umfrage beteiligten Ham- von Produktionshilfsmitteln und Kleinserien zum
burger Unternehmen hat sich bereits mit 3D-Druck Einsatz. Das zeigt, dass die Unternehmen das Wachs-
befasst. Das Thema beschäftigt die Unternehmen tumspotenzial und die Geschäftsmöglichkeiten des
unabhängig von ihrer Größe, aber nicht alle Branchen 3D-Drucks für die Fertigung von Funktionsteilen und
gleichermaßen: Das produzierende Gewerbe und die Endprodukten erkannt haben.
Informations- und Kommunikationsbranche sind aktu-
ell am intensivsten mit dem Thema 3D-Druck beschäf- Kunststoff ist das mit Abstand am häufigsten verwen-
tigt, gefolgt von der Dienstleistungswirtschaft. Andere dete 3D-Druckmaterial in Hamburgs Unternehmen.
Branchen sind bislang nur gering oder gar nicht invol- Spezifische wissenschaftliche, institutionelle und tech-
viert, beispielsweise der Groß- und Außenhandel und nologische Stärken hat Hamburg hingegen beim
der Transport, also Wirtschaftszeige, die gerade für den Metalldruck und in der Luftfahrttechnik. Hierbei spielt
Standort Hamburg von großer Bedeutung sind. das vorhandene Know-how, insbesondere der LZN
Laser Zentrum Nord GmbH, eine wichtige Rolle. Airbus
Viele Hamburger Unternehmen haben zwar das Poten- ist mit seinen Aktivitäten zum 3D-Druck mit Metall im
zial der 3D-Druck-Technologie erkannt, nutzen diese zivilen Flugzeugbau ein starker Partner auf industrieller
aber noch nicht in der Praxis, weil sie selbst keinen Ebene. Die technologische Führerschaft im Metalldruck
3D-Drucker haben und/oder auch nicht extern drucken in der Luftfahrt kann Zugpferd für andere Branchen
lassen. Branchenübergreifend erwartet die Hamburger und Anwendungsfelder sein.
Unternehmerschaft einen steigenden Einfluss des
3D-Drucks auf alle Geschäftsbereiche und -prozesse. Für die Nutzung der 3D-Druck-Technologie wird spe-
Dies gilt vor allem für den Transport und Handel, aber zifisches Know-how benötigt: Die Mehrzahl der Unter-
auch für die Warenbeschaffung, den Vertrieb und Kun- nehmen hat sich ihr Wissen in „Learning-by-doing“-
denservice. Diese Bereiche müssen sich verstärkt mit Prozessen angeeignet. Vielen Unternehmen fehlt es
dem Thema auseinander setzen. Denn die Chancen, die aber noch an 3D-Druck-Kenntnissen. Ein systemati-
für das produzierende Gewerbe mit dem 3D-Druck scher Aufbau von 3D-Druck-Know-how in der Breite
verbunden sind, bedeuten Herausforderungen für der Hamburger Wirtschaft ist erforderlich. Hieraus
andere Branchen in der Wertschöpfungskette: Durch ergibt sich Anpassungs- und Investitionsbedarf bei der
sinkende Transportvolumina bei zunehmendem Einsatz Aus- und Weiterbildung.
des 3D-Drucks vor Ort und durch den steigenden
Bedarf an 3D-Druck-Rohstoffen können sich globale Rund zwei Drittel der Hamburger Unternehmerschaft
Warenströme und damit Logistikabläufe und Außen- sieht noch Hemmnisse bei der Nutzung des 3D-Drucks.
handelsketten verschieben – mit direkten Auswirkun- Die hohen Anschaffungskosten für 3D-Drucker sind
gen auf Hamburg als Hafen- und Handelsstadt und über alle Branchen hinweg Hemmnis Nummer eins. Aber
Logistikstandort. Die Hamburger Unternehmen müssen auch mangelndes Know-how in Sachen 3D-Druck-
sich in diesen veränderten Wertschöpfungsnetzwerken Materialien, -Technik, -Konstruktion und -Verfahren
strategisch positionieren. sowie die noch geringen erzielbaren Produktquantitäten
und die technischen Limitationen hemmen den Einsatz.
Der 3D-Druck wird in den Hamburger Unternehmen Insgesamt sehen daher rund 60 Prozent der an der
vorwiegend noch für den Prototypenbau und als Umfrage beteiligten Hamburger Unternehmen – im pro-
Ergänzung traditioneller Fertigungsverfahren verwen- duzierenden Gewerbe sind es 80 Prozent – Unterstüt-
det. Zunehmend kommt er auch bei der Herstellung zungsbedarf bei der Anwendung des 3D-Drucks.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 2017
8
Um den 3D-Druck-Standort Hamburg zu fördern,
werden Handlungsempfehlungen in verschiedenen
Bereichen formuliert.
Hamburg muss seine technologische Führerschaft im
Metalldruck in der Luftfahrt weiter stärken. Gleich-
zeitig sollte die Forschung, technologische Entwicklung
und Anwendung im 3D-Druck mit anderen Materia-
lien, insbesondere Kunststoff, und in anderen Bran-
chen gefördert werden.
Um das Thema in der Breite der Unternehmerschaft zu
verankern, sollten ein Schaufenster und ein Technikum
eingerichtet werden, in denen der 3D-Druck erlebt und
ausprobiert werden kann. Unternehmen können so für
die 3D-Technologie sensibilisiert werden und sich mit
der Drucktechnik vertraut machen – ohne zunächst
selbst einen Drucker anschaffen zu müssen.
Es sollten Ausbildungsinhalte und Schulungsstandards
im 3D-Druck für die schulische und duale Ausbildung
sowie für Bachelor- und Masterstudiengänge ent-
wickelt werden, um das Interesse und das Verstehen
der 3D-Druck-Technologie in der gesamten Bildungs-
kette zur fördern.
In eine übergeordnete, umfassende Marketing-Strate-
gie für den Innovations- und Wissenschaftsstandort
Hamburg sollten auch Aktivitäten zur Profilierung des
3D-Druck-Standortes aufgenommen werden.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 20179 1 Einleitung und Zielsetzung der Analyse Das Thema 3D-Druck erfährt derzeit große Aufmerk- Hamburg besser einordnen zu können, sind auch ein samkeit: Wegen der rasant steigenden Marktperspek- Überblick über die gängigen 3D-Technologien und tiven und des dynamisch wachsenden Einsatzbereichs -Verfahren sowie eine Darstellung der internationalen werden Chancen und Herausforderungen der neuen Markt- und Wettbewerbssituation Gegenstand dieses Technologie branchenübergreifend diskutiert. Die Vor- Analysepapiers. teile des 3D-Drucks liegen auf der Hand: 3D-Druck ist schnell, vielfältig einsetzbar, für verschiedene Materia- lien geeignet, ideal für die Produktion kleiner und zunehmend auch größerer Stückzahlen und eröffnet aufgrund der additiven Herstellung völlig neue Mög- lichkeiten in der Produktgestaltung. Je nach Branche und Anwendungsbereich variiert der technische Reifegrad und damit auch die Einsatzintensität des Verfahrens. Es gibt noch Restriktionen, zum Beispiel hinsichtlich der Produkt- beziehungsweise Bauteilqua- lität, der erzielbaren Produktionsquantitäten oder der verfügbaren personellen und finanziellen Kapazitäten. Mit der im Koalitionsvertrag festgeschriebenen poli- tikfeldübergreifenden „3-D-Print-Initiative“ sollen die Rahmenbedingungen am Standort Hamburg so gestal- tet werden, dass sich die Region als Technologieführer im Zukunftsmarkt 3D-Druck profilieren und die wirt- schaftlichen Potenziale des 3D-Drucks für die Stadt- entwicklung nutzen kann. Mit Blick auf diese Zielsetzung muss zunächst die Frage beantwortet werden, wie Hamburg aktuell beim hochdynamischen Thema 3D-Druck aufgestellt ist und welche zukünftigen Entwicklungen zu erwarten sind: Welche Stärken hat Hamburg? Wie ist die Situation in der Wirtschaft? Wie stellt sich die Lage in einzelnen Branchen dar? Wo bestehen derzeit noch Hemmnisse beim Einsatz der Technologie in den Unternehmen und wo benötigen sie Unterstützung? Basierend auf den Ergebnissen einer branchenübergreifenden Umfrage unserer Handelskammer bei Hamburger Unternehmen werden im vorliegenden Analysepapier Antworten auf diese Fragen formuliert und Anforderungen an Hamburgs Innovations-, Industrie- und Standortpolitik abgeleitet. Um die Situation und Entwicklung in 3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 2017
10
2 3D-Druck im Überblick
2.1 Definition: Was ist 3D-Druck? typen für die Produktentwicklung im industriellen
Bereich verwendet (Rapid Prototyping). Heute werden
3D-Druck hat sich als Oberbegriff für die verschiedenen sie auch für die Herstellung von Werkzeugen und
Verfahren der additiven beziehungsweise generativen Produktionsmitteln (Rapid Tooling) sowie von End-
Fertigung, wie die Stereolithografie, das Lasersintern produkten (Rapid/Direct Manufacturing) eingesetzt.
oder die Schmelzschichtung von Kunststoffen, im Alltag Damit geht es nicht mehr nur um Einzelproduktionen,
etabliert und wird im Folgenden entsprechend verwendet. sondern um die Produktion größerer Stückzahlen. Das
bedeutet zugleich, dass die Ansprüche an die 3D-
Beim 3D-Druck werden auf Basis eines digitalen gefertigten Produkte zum Beispiel mit Blick auf Quali-
Modells mithilfe eines speziellen Druckers dreidimen- tät, Maßhaltigkeit und Haltbarkeit deutlich steigen. Als
sionale Gegenstände schichtweise aufgebaut. Die neue Anwendergruppe sind die Privathaushalte hin-
Schichten werden durch physikalische oder chemische zugekommen, die durch kostengünstige Kunststoff-
Härtungs- oder Schmelzprozesse – in der Regel Verkle- drucker angesprochen werden. Davon zeugen auch die
ben oder Verschweißen – verbunden. Vorgeschaltet sind zahlreichen sogenannten Makers-Veranstaltungsfor-
entsprechende Prozesse der Datengenerierung und mate, die sich vielerorts etabliert haben.
-aufbereitung (z. B. eine CAD-Datei). Es können verschie-
dene Materialien verwendet werden. Gängige, typische Inzwischen hat das Thema 3D-Druck Einzug in fast alle
Werkstoffe für das 3D-Drucken sind dabei Kunststoffe, Wirtschafts- und Lebensbereiche gehalten. Zu diesem
Kunstharze, Keramiken und Metalle. Selbst Zement und Boom haben nicht zuletzt der Ablauf zentraler Patente
biologische Stoffe können heute bereits gedruckt wer- (vgl. Kap. 3.2) sowie die Verfügbarkeit besserer und
den, und das Spektrum an druckbaren Materialien wird kostengünstigerer 3D-Druck-Systeme beigetragen.
immer größer. Je nach Material und Anwendungs-
bereich kommen unterschiedliche Druckverfahren zum Hinsichtlich der Anwendungsbereiche und -gruppen
Einsatz. 3D-Druck zeichnet sich vor allem durch seine sowie der druckbaren Materialien sind heutzutage
gestalterische Freiheit bei der Fertigung aus: Nahezu kaum noch Grenzen gesetzt: So wurden beispielsweise
jede Bauteilkonstruktion ist realisierbar. in China Häuser im 3D-Druck-Verfahren gebaut. Es ist
zudem gelungen, im Bereich des Tissue Engineering
Die additiven beziehungsweise generativen Verfahren Haut und sogar erste, einfache Organe zu drucken.
stehen im Gegensatz zu den traditionellen subtraktiven
Fertigungsverfahren wie Fräsen, Bohren oder Drehen,
bei denen zur Erzeugung der Bauteile Material mecha- 2.2 3D-Druck-Technologien und
nisch abgetragen wird. Sie sind ebenso von formenden -Verfahren
Verfahren durch mechanische oder thermische Kräfte
wie Biegen, Pressen oder Gießen zu unterscheiden.1 Es gibt eine Vielzahl von 3D-Druck-Verfahren, die sich
am einfachsten danach kategorisieren lassen, ob flüs-
Die additiven Verfahren, deren Anfänge auf die Mitte siges beziehungsweise geschmolzenes oder pulverför-
der 80er-Jahre des letzten Jahrhunderts zurückgehen, miges Ausgangsmaterial im Schichtprozess verwendet
wurden ursprünglich für die schnelle Fertigung von wird.2 Im Folgenden werden die gängigsten Verfahren
kostengünstigen Anschauungs- und Funktionsproto- entsprechend gruppiert erläutert.
1 Vgl. 3Druck.com – Das Magazin für 3D-Druck-Technologie. 2 Vgl. 3Druck.com – Das Magazin für 3D-Druck-Technologie.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201711
1. Die Ursprünge des 3D-Drucks gehen auf Stereo- (FFF). Extrusionsverfahren zählen zu den populärs-
lithografie-Verfahren (abgekürzt STL oder SLA) ten und kostengünstigsten Methoden und kommen
zurück, bei dem flüssige Photopolymere, also UV- daher auch häufig bei 3D-Druckern in Privathaus-
empfindliche, lichtaushärtende Kunststoffe, zum halten zum Einsatz. Scott Crump, Gründer der US-
Einsatz kommen. Ausgangspunkt ist ein mit flüssi- amerikanischen Stratasys, einem der nach wie vor
gem Photopolymer gefülltes Becken/Bad. Ein Laser weltweit führenden Herstellern von 3D-Druckern,
fährt Schicht für Schicht über die auszuhärtenden meldete das FDM-Verfahren 1989 zum Patent an.
Punkte/Oberflächen, die dann das Objekt bilden. Ein
Druckbett sowie Stützstrukturen, die nachträglich 3. Bei pulverbasierten Verfahren zeichnet der 3D-
entfernt werden müssen, sind dabei für die Stabilität Drucker ein 2-D-Bild der ersten Schicht des zu
erforderlich. fertigenden Objekts auf ein Pulverbett und verklebt
die Pulverpartikel miteinander. Dann wird eine neue
Der US-Amerikaner Charles W. Hull meldete das Pulverschicht gezogen und ein weiteres 2-D-Bild
Stereolithografie-Verfahren 1984 zum Patent an mit den Druckerköpfen gezeichnet. Bei diesen Ver-
und gründete das Unternehmen 3D Systems, einer fahren wird unterschieden zwischen:
der ersten Hersteller von 3D-Druckern weltweit.
3D-Druck
Das Prinzip der Stereolithografie wurde weiterent- (3DP – 3-Dimensional Printing)
wickelt: Beim Digital Light Processing (DLP) werden Hierbei wird über mehrere Druckköpfe ein flüssiger
beim Bauvorgang statt des Lasers als Lichtquelle Klebstoff als Bindemittel auf ein pulverförmiges
DLP-Projektoren (vereinfacht ausgedrückt eine Art Substrat schichtweise aufgetragen und verfestigt
Videoprojektor/Beamer) verwendet. Ein Bildprojek- dieses.
tionssystem zum Aushärten kommt auch beim Film Ausgangsmaterial/Werkstoff: vor allem Kunststoffe,
Transfer Imaging (FTI) zum Einsatz. Bei der Scan- Gips, aber auch Keramik, Glas, Kalk.
LED-Technologie (SLT) ist die UV-Lichtquelle zum
Aushärten DLP-LED-basiert. Selektives Lasersintern
(SLS – Selective Laser Sintering)
Beim Multi-Jet Modeling (MJM) und PolyJet-Verfah- Bei diesem Verfahren wird der Pulverwerkstoff mit
ren werden in der Regel auch UV-empfindliche einem Laser – nicht wie beim 3DP mit einem Kleb-
Kunststoffe verwendet. Diese werden über einen stoff – Schicht für Schicht verschmolzen („versintert“).
Druckkopf – ähnlich dem eines Tintenstrahldruckers Ausgangsmaterial/Werkstoff: vor allem Metalle,
– schichtweise aufgetragen und mittels UV-Licht Kunststoffe, Keramik.
verfestigt.
Selektives Laserschmelzen
2. Bei Extrusionsverfahren werden geschmolzene (SLM – Selective Laser Melting)
Materialien, vor allem Kunststoffe, verwendet. Das SLM-Verfahren arbeiten nach dem gleichen Prinzip
Prinzip ähnelt dem einer Heißklebepistole: Ein wie SLS, im Unterschied wird aber das Pulver beim
Kunststofffaden wird aus einer beheizten Düse SLM nicht durch Versintern verfestigt, sondern das
(„Extruder“), die das Material schmilzt, aufgetragen Pulver wird am Bearbeitungspunkt lokal aufge-
und erkaltet/erhärtet anschließend. Ist eine Schicht schmolzen.
erhärtet, wird die nächste aufgetragen. Die bekann- Ausgangsmaterial/Werkstoff: vor allem Metalle,
testen nach diesem Prinzip arbeitenden Verfahren Kunststoffe, Keramik.
der Schmelzschichtung sind das Fused Deposition
Modeling (FDM) und Fused Filament Fabrication
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201712
Abbildung 1: Schematische Übersicht über die Verfahren und Materialen
Anforderung an 3D-gedruckte Bauteile und Produkte
geringer FESTIGKEIT/BESTÄNDIGKEIT DES DRUCKOBJEKTS höher
glatter OBERFLÄCHE DES DRUCKOBJEKTS rauer
höher DETAILGENAUIGKEIT DES DRUCKOBJEKTS geringer
Keramik Keramik
PBF
(Power Bed
Metall Fusion Process) Metall
BJ (Binder Jetting)
Sand Sand
EB (Extrusion- PBF (Power Bed
Kunststoff PP (Photopolymerization Process) based Process) Fusion Process) Kunststoff
MJ (Material
Wachs Jetting) Wachs
3D-Druck 3D-Druck 3D-Druck
Verfahren durch Polymerisation durch Verkleben durch Sintern oder Verschmelzen Verfahren
Quelle: Begleitforschung Autonomik für Industrie 4.0/BMWi © Handelskammer Hamburg 2016
Elektronenstrahlschmelzen subtraktiven Fertigungsverfahren. Zudem ergeben sich
(EBM – Electron Beam Melting) Ressourceneinsparpotenziale bei der Nutzung der
Hier kommt statt des Lasers wie beim SLM ein Elek- gefertigten Teile, wenn beispielsweise Gewichtsreduk-
tronenstrahl zum Einsatz, der das Ausgangspulver tionen durch 3D-Bauteile in der Luftfahrt weniger
verschmilzt. Treibstoff erfordern, oder Ersatzteile nicht transpor-
Ausgangsmaterial/Werkstoff: vor allem Metalle. tiert, sondern vor Ort gedruckt werden können.3 Aller-
dings stehen diesen Ressourceneinsparungen andere
Alle Druckverfahren sind mit spezifischen Vor- und Lasten im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren
Nachteilen sowie Rand- oder Einsatzbedingungen ver- gegenüber, wie der hohe Energieaufwand beim 3D-
knüpft. Neben der bereits oben aufgelisteten Eignung Druck pro Bauteil für das Aufschmelzen von Metallen
für jeweils unterschiedliche Druckmaterialien gibt es oder die aufwendige Herstellung der Metallpulver für
Spezifika hinsichtlich der erforderlichen Druckzeit, der den Druck. Hier wird die Bilanz entscheidend von den
erzielbaren Oberflächenqualität, der Stabilität bezie- technischen Weiterentwicklungen abhängen.
hungsweise des Erfordernisses von Stützstrukturen
beim Druck, der Genauigkeit, der Baugröße, der Mög- Die führenden Hersteller von 3D-Druckern – gemessen
lichkeit der Kombination verschiedener Materialien am Umsatz – sind die beiden US-amerikanischen
und der Ressourceneffizienz. Unternehmen Stratasys und 3D Systems, gefolgt von
den Unternehmen EOS Electro Optical Systems GmbH
Der 3D-Druck gilt als grundsätzlich ressourcenscho- (SLS-Verfahren) und SLM Solutions GmbH (SLM-Ver-
nendes Fertigungsverfahren, da es je nach Verfahren
keinen oder nur geringen und teilweise wieder aufbe- 3 Vgl. Ökopol GmbH – Institut für Ökologie und Politik: Additive Fertigung.
reitbaren Materialüberschuss gibt – im Gegensatz zu 3D-Druck, Rapid Prototyping, Additive Manufacturing, 2016.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201713
Abbildung 2: Wichtigste Hersteller von 3D-Druckern weltweit nach Umsatz* im Jahr 2015
Umsatz in Millionen US-Dollar
600
504,2
500
400
300
239,2
187,9
200
100 62 8
62,8
41,8
0
Stratasys 3D Systems EOS SLM Solutions Arcam
(USA) (USA) (Deutschland) (Deutschland) (Schweden)
* nur Umsatz mit 3D-Druckern
Quelle: Context/Statista © Handelskammer Hamburg 2016
fahren) aus Deutschland. Stratasys, 3D Systems und 2.3 Auswirkungen auf Produktions-
EOS vereinen rund 70 Prozent des Marktes für 3D- und Wertschöpfungsprozesse
Druck-Systeme auf sich.4 Zu den wichtigsten deut-
schen Herstellern gehören daneben die Unternehmen 3D-Druck als werkzeuglose Fertigungsmethode hat die
Concept Laser GmbH, Envisiontec GmbH, Realizer Bauteilkonstruktion und -herstellung und die damit
GmbH und Voxeljet AG. Zudem sind auch etablierte verbundene Prozess- und Wertschöpfungskette im
deutsche Maschinenbauunternehmen im Bereich der produzierenden Gewerbe stark verändert. Als Quer-
Entwicklung und Herstellung von 3D-Druckgeräten schnittstechnologie ist der 3D-Druck mittlerweile in
aktiv.5 fast allen Wirtschaftszweigen, wie Dienstleistungen,
Logistik oder Handel, auf dem Vormarsch. Mit dem
zunehmenden Einsatz des 3D-Drucks nicht mehr nur
für den Prototypenbau, sondern auch für die Fertigung
von Endprodukten in kleiner und größerer Serie wächst
der disruptive Einfluss des 3D-Drucks auf traditionelle
Wirtschaftskreisläufe, Wertschöpfungsstufen und Ge-
4
schäftsmodelle.
Vgl. EY: How will 3D printing make your company link in the value
chain? EY’s Global 3D printing Report 2016, 2016.
5 Vgl. Expertenkommission Forschung und Innovation: Jahresgutachten Für die Unternehmen macht die mit dem 3D-Druck
zu Forschung, Innovation und technologischer Leistungsfähigkeit
Deutschland 2015, 2015. Für eine Übersicht über die 3D-Druck- einhergehende Konstruktions- und nahezu grenzen-
Hersteller weltweit mit Aktivitätenschwerpunkt siehe die Internetseiten lose Formgebungsfreiheit den Weg frei für ganz neue
Wohlers Associates (https://wohlersassociates.com/manufacturers-and-
developers.html) und 3Druck.com – Das Magazin für 3D-Druck-Techno-
Produktgenerationen, die sich durch kundenspezifische
logie (https://3druck.com/3d-drucker-hersteller/). und individuelle Eigenschaften auszeichnen. Komplexe
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201714
geometrische Formen wie bionische Strukturen sind wünsche vor Ort (on site) – ohne dass dort ein Maschi-
realisierbar, die subtraktiv nicht herstellbar sind. nenpark vorhanden sein oder ein Versand aus einer
Gegenstände können in einem Stück gefertigt werden zentralen Produktionsstätte dorthin erfolgen müsste.
und müssen nicht in einem zusätzlichen Arbeitsschritt Besonders relevant ist dies für Aftermarket-Strategien
aus Einzelteilen zusammengebaut werden. wie das Ersatzteilgeschäft.
Bei der Fertigung mit 3D-Druck-Verfahren ist es mög- Die Herausforderung besteht darin, das Potenzial der
lich, mit denselben Anlagen, Werkstoffen und Verfahren neuen 3D-Fertigungslösungen für das eigene Unter-
unterschiedliche (End-)Produkte herzustellen. Daraus nehmen abzuschätzen, deren Integration in beste-
ergeben sich Produktionsansätze, die mit herkömmli- hende Produktionsprozesse zu realisieren und sich in
chen Herstellungsverfahren nur mit hohem Aufwand den neu entstehenden Wertschöpfungsnetzwerken zu
oder gar nicht möglich sind.6 Es entfällt die Notwendig- positionieren.
keit der Anpassung von bauteilabhängigen Produktions-
werkzeugen (z. B. Gussformen); nur die Design- und Mit Blick auf die zukünftigen Entwicklungen im
Konstruktionsdaten müssen angepasst werden. Diese Bereich 3D-Druck geht es um Fragen nach der
sind die neue „Währung“ im Produktionsprozess, nicht Erschließung und Zugänglichkeit neuer Werkstoffe
mehr die Maschinen und Anlagen. Damit verschwim- beziehungsweise Druckmaterialen, der Verbesserung
men auch traditionelle Grenzen von Herstellern und der Qualitätseigenschaften 3D-gedruckter Teile oder
Branchen. Während bei der klassischen (Massen-)Ferti- der Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung für
gung hohe Investitionen in Anlagen und Maschinen noch größere Produktionszahlen (Produktivitätsstei-
erforderlich sind – die allererste Produktionseinheit also gerung und Kostensenkung).
besonders teuer ist während danach die Grenzkosten
deutlich sinken – wird beim 3D-Druck jede Produktions-
einheit unabhängig gefertigt, wodurch derartige 2.4 Wirtschaftspolitische Implikationen
Skaleneffekte nicht zu erzielen sind, dafür aber mehr
Flexibilität.7 Unterscheidet man traditionell die zwei Im internationalen Wettbewerb werden kürzere Ent-
grundlegenden Wettbewerbsstrategien Kostenführer- wicklungs- und Fertigungszeiten sowie kostengünsti-
schaft und Differenzierung, ist es mit 3D-Druck möglich, gere Produktion bei gleichzeitig steigender Kundenin-
beide Ansätze zu vereinen. Neue Geschäftsmodelle dividualität und Produktvielfalt immer entscheidender.
entstehen nicht nur im produzierenden Gewerbe, son- 3D-Druck als Produktionstechnologie kann Antworten
dern auch in allen anderen Branchen, beispielsweise für auf diese Herausforderung geben. 3D-Druck ermög-
3D-Druck-Dienstleister, 3D-Druck-Materialhersteller licht die Entwicklung neuer industrieller Erfolgsstrate-
und -lieferanten oder auch Qualifizierungsanbieter. gien auf Basis von Digitalisierung, Automatisierung
und additiver Verfahren. Durch die Kombinationsmög-
3D-Druck erlaubt eine nachfragegesteuerte Produktion lichkeit additiver Verfahren mit anderen innovativen
(on demand) unter Einbeziehung spezifischer Kunden- Fertigungslösungen innerhalb eines hybriden Produk-
tionssystems ist 3D-Druck ein wichtiger Baustein für
6
die Industrie 4.0. Durch seinen digitalen Charakter lässt
Vgl. Europäischer Wirtschafts- und Sozialausschuss: Stellungnahme zum
Thema „Die Welt von morgen. 3D-Druck, ein Werkzeug zur Stärkung der sich der 3D-Druck in eine durchgängige digitale Pro-
europäischen Wirtschaft“, 2015. zesskette einbinden.
7 Vgl. Ninnemann, Jan: Quo vadis Hamburg? Hafen und Logistik im
Spannungsfeld zwischen Globalisierung und Industrie 4.0, 2016.
HSBA Comments, HSBA Hamburg School of Business Administration, 3D-Druck verändert klassische Wertschöpfungsketten
https://hsbacomments.wordpress.com/2016/02/11/quo-vadis-hamburg-
hafen-und-logistik-im-spannungsfeld-zwischen-globalisierung-und-
in vielen Bereichen und hat damit direkte oder zumin-
industrie-4-0 (abgerufen am 12. November 2016). dest indirekte Auswirkungen auf alle Branchen: Für
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201715
Hamburg als Hafen- und Handelsstadt und Logistik- Einfluss auf Transport, aber auch auf Lagerhaltung
standort sind dabei insbesondere folgende Überlegun- haben darüber hinaus die durch den 3D-Druck mögli-
gen wichtig: chen neuen Strategien im Aftermarket-Bereich – der
für viele Hersteller bereits den Markt für die Erstaus-
Transportvolumina und Logistikabläufe sowie globale rüstung übersteigt: Für das Ersatzteilgeschäft müssen
Warenströme und Außenhandelsketten können sich keine Warenlager mehr vorgehalten werden, und im
bei zunehmendem Einsatz des 3D-Drucks verschieben: Bedarfsfall brauchen Ersatzteile nicht mehr kostenin-
Wenn in Zukunft statt physischer Waren vermehrt tensiv und zeitaufwendig weltweit versendet werden.
digitale Dateien versendet werden, um Produkte im Auf Basis sekundenschnell übermittelbarer digitaler
3D-Druck-Verfahren vor Ort zu fertigen, wird sich der Produktdateien können Ersatzteile vor Ort ausgedruckt
Transport fertiger Massenprodukte aus großen Entfer- werden.
nungen verringern.8 Das betrifft insbesondere die Han-
delsrouten Asien–Europa. Zudem müssen weniger Diese Entwicklungen bedeuten für das produzierende
Zuliefer- und Einzelteile transportiert werden, da beim Gewerbe sinkende Logistikkosten; die Logistikdienst-
3D-Druck Objekte aus einem Stück gefertigt und nicht leister stellt sie vor große Herausforderungen. Sie müs-
aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt werden. sen neue Geschäftsmodelle erschließen, in dem zum
Beispiel bisherige Dienstleistungen mit 3D-Druck kom-
Die weitere Etablierung des 3D-Drucks wird branchen- biniert und so schnelle und kosteneffiziente Lieferun-
übergreifend den Rohstoffbedarf und -einsatz und gen „on demand“ angeboten werden können.
damit auch die Rohstofflieferketten zunehmend beein-
flussen. So steigt bereits die Nachfrage nach Metall- Die dargestellten Veränderungen ziehen unmittelbare
pulvern für industrielle 3D-Drucksysteme rasant.9 Auswirkungen auf den Hamburger Hafen nach sich:
Dabei ist mit einer verstärkten Nachfrage nicht nur sei- Sinkende Transportmengen bei Massenprodukten
tens der in der Fertigung metallischer Bauteile bereits bedeuten einen geringeren Containerumschlag. Müs-
etablierten Unternehmen zu rechnen. Es werden neue sen aber vermehrt Grundstoffe für den 3D-Druck
Unternehmen als Nachfrager hinzukommen, die bis- transportiert werden, könnte der Hafen eine wichtige
lang Komponenten oder Produkte gekauft haben und Rolle für deren Umschlag einnehmen und sich in die-
diese zukünftig im 3D-Druck-Verfahren selbst herstel- sem Bereich neue Marktchancen erschließen. Eine Ver-
len. Damit wird der Transport von Rohmaterialien für bindung mit den digitalen Möglichkeiten – „Hafen 4.0“
den 3D-Druck (Kunststoffe, Metallpulver etc.) steigen – ist dabei besonders vielversprechend: Für die Her-
und die Logistik auf der sogenannten letzten Meile vor stellung „on demand“, die den 3D-Druck ausmacht,
Ort in unmittelbarer Kundennähe zunehmen. Ob dies sind beispielsweise digital gesteuerte zuverlässige Vor-
die sinkenden Transportvolumina bei Massenproduk- hersagen von Warenströmen im Hafen hilfreich, damit
ten ausgleichen kann, ist fraglich, berücksichtigt man Rohmaterialien für den 3D-Druck verfügbar sind, wenn
die im Vergleich zu konventionellen Verfahren höhere sie gebraucht werden.
Materialeffizienz des 3D-Drucks und die damit gerin-
geren Materialmengen. Wie stark die durch den 3D-Druck zu erwartenden Ver-
änderungen sein werden, wird auch durch andere Fak-
toren beeinflusst, wie beispielsweise den Lohnkosten
in Drittländern. Bei einer Vielzahl von (Massen-)Pro-
dukten wird sich der 3D-Druck im Vergleich zu tradi-
8 Vgl. AEB: White Paper: Sechs Thesen, wie der 3D-Druck die Logistik tionellen Verfahren nicht lohnen, weil die einheimische
verändert, 2015.
9 Vgl. Bundesverband der Deutschen Industrie: Implikationen des
Fertigung durch 3D-Druck vor Ort die Produktion in
3D-Drucks für die Rohstoffsicherung der deutschen Industrie, 2015. Niedriglohnländern mit anschließendem Transport in
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201716
den Kostenkalkulationen der Unternehmen nicht auf- bunden, dass bislang aus Kostengründen im Ausland
wiegen kann. angesiedelte Produktionsprozesse wieder zurück ver-
lagert werden könnten. Das gilt in gleichem Maße für
Zudem hängt die Entscheidung zwischen Transport Deutschland wie für Hamburg.
und Vor-Ort-3D-Druck davon ab, wie geeignet die Pro-
dukte für den 3D-Druck sind, und wie hoch die Trans- In Deutschland wird das Thema 3D-Druck daher auf
portkosten ausfallen. Je höher die Transportkosten im Bundesebene seit Kurzem durch den Verband 3DDruck
Verhältnis zu den gesamten Produktionskosten und je begleitet und gefördert. Der Anfang Mai 2016 in Berlin
besser die Eignung für den 3D-Druck, desto sinnvoller gegründete Verein hat sich zum Ziel gesetzt, die unter-
ist der 3D-Druck vor Ort.10 schiedlichen Interessen auf dem Gebiet des 3D-Drucks
zu bündeln und gegenüber Politik, Gesellschaft und
Für den Handel lassen sich vor diesem Hintergrund fol- Medien zu vertreten. Dazu gehört die Formulierung der
gende Entwicklungen skizzieren: Sicherlich können Interessen und Ziele der deutschen Unternehmen im
zukünftig Konsumenten und Unternehmen bestimmte Bereich der Forschung, Entwicklung und Anwendung
Produkte beim 3D-Druckdienstleister drucken lassen der 3D-Druck-Technologie und die Analyse der natio-
oder selbst drucken, statt sie im Einzelhandel oder über nalen und internationalen Entwicklungen im Bereich
Händler zu beziehen. Dies bietet sich für individuali- des 3D-Drucks.
sierte Produkte an. Doch beim Absatz von Massen-
Konsumgütern und industriellen 3D-Druck-Serienpro-
dukten werden (Zwischen-) Händler nach wie vor eine
wichtige Rolle spielen.
In Zeiten des Onlinehandels, in denen kürzere Liefer-
zeiten immer entscheidender werden – nach „same
day“ nun auch „one hour delivery“ –, können sich
durch die Verknüpfung mit dem 3D-Druck neue
Geschäftsmodelle ergeben.
Derzeit wird 3D-Druck-Material von den Anwendern
noch häufig direkt über 3D-Druckanbieter bezogen.
Mit zunehmender Nachfrage treten immer mehr spe-
zialisierte Hersteller in den Markt ein. Hieraus ergeben
sich auch Möglichkeiten für Händler, die sich auf dieses
Segment spezialisieren.
Der nähere Blick auf die Branchen zeigt, wie komplex
und weitreichend die zu erwartenden wirtschaftspoli-
tischen Implikationen sein können. Mit der erhofften
Aufwertung der Rolle einheimischer Fertigungskapa-
zitäten wird aus wirtschaftspolitischer Perspektive mit
dem 3D-Druck daher häufig auch die Erwartung ver-
10 Vgl. Strategy&: Industry perspectives – 2015 Commercial Transportation
Trends, 2015.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201717
3 Internationale Markt- und Wettbewerbssituation
3.1 Umsätze und Wachstumsraten den Umsatz weltweit durch den Verkauf von 3D-
Druck-Gütern und -Dienstleistungen im Jahr 2015 auf
Aufgrund des enormen wirtschaftlichen Potenzials und rund 5,2 Milliarden US-Dollar und die durchschnitt-
der zu erwartenden technologischen Weiterentwick- liche jährliche Wachstumsrate der erzielten Umsätze
lungen im 3D-Druck nimmt der Wettbewerb in Wirt- auf 25,9 Prozent.11 Im Zeitraum 2000 bis 2013 stieg der
schaft und Wissenschaft um die Technologieführer- Umsatz von 600 Millionen auf 3 Milliarden US-Dollar.
schaft und Marktanteile rasant an Fahrt auf. Hamburg Bis zum Jahr 2020 wird ein weiterer Anstieg auf über
tut gut daran, sich hier strategisch zu positionieren. 20 Milliarden US-Dollar Umsatz geschätzt. Der Anteil
deutscher Unternehmen am globalen Umsatz wird laut
Die meisten Analysen der Marktsituation beziehen sich einer Studie im Auftrag des Bundesministeriums für
auf die Umsätze der Anbieter von 3D-Druck-Hard- und Wirtschaft und Energie auf 15 bis 20 Prozent bezif-
-Software sowie -Dienstleistungen: So schätzt das fert.12 2015 gab es weltweit 62 Hersteller, die indus-
US-Marktforschungsunternehmen Wohlers Associates trielle 3D-Druck-Systeme13 verkauften, im Vergleich zu
Abbildung 3: Verkaufszahlen für Deutschland von industriellen 3D-Druckern
Anzahl verkaufter 3D-Drucker in Deutschland
2 000 1 898
1 576
1 600
1 177
1 200
762
800
574
400
0
2010 2011 2012 2013 2014
Quelle: Begleitforschung Autonomik für Industrie 4.0/BMWi © Handelskammer Hamburg 2016
11 Vgl. Wohlers Associates: Wohlers Report 2016 – 3D Printing and
Additive Manufacturing State of the Industry, 2016.
12 Vgl. Begleitforschung Autonomik für Industrie 4.0: Additive Fertigungs-
methoden – Entwicklungsstand, Marktperspektiven für den industriellen
Einsatz und IKT-spezifische Herausforderungen bei Forschung und
Entwicklung, 2016.
13 Als industrielle Drucker gelten Drucker, deren Wert über 5 000 US-Dollar liegt.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201718
Abbildung 4: Geschätzter Umsatz mit 3D-Druck-Produkten in Deutschland und weltweit im Jahr 2016
Umsatz in Milliarden Euro
10
10
8
6
4
2
1
0
Deutschland weltweit
Quelle: EY/Statista © Handelskammer Hamburg 2016
49 im Jahr 2014 und 31 im Jahr 2011. Die Verkaufs- den 3D-Druck bereits (12 Prozent planen die Anwen-
zahlen von industriellen Druckern in Deutschland dung) und sind damit deutlich weiter als die Wirtschaft
haben sich zwischen 2010 und 2014 mehr als verdrei- anderer Industrienationen (in Südkorea und China nut-
facht. zen bislang 24 Prozent der Unternehmen 3D-Druck, in
den USA 16 Prozent). Doch es wird erwartet, dass sich
Beim Umsatz mit 3D-Druck-Produkten werden laut diese Situation verändert, weil Unternehmen gerade in
einer aktuellen Erhebung von EY (Ernst & Young) 2016 China und Korea zukünftig stärker als deutsche Unter-
insgesamt geschätzt bereits 10 Milliarden Euro welt- nehmen auf die Herstellung von Endprodukten durch
weit erzielt, wobei alleine die deutschen Unternehmen 3D-Druck setzen werden und dadurch erhebliche
hochgerechnet knapp eine Milliarde Euro umsetzen.14 Wachstumszahlen erwarten.
Es wird erwartet, dass die jährlichen Wachstumsraten
in der 3D-Druck-Industrie von 28 Prozent zwischen Der aktuelle KPMG-Produktionsreport,15 basierend auf
2011 und 2015 weiterhin in entsprechender Höhe einer internationalen Umfrage bei 360 Führungskräf-
(25 Prozent) bis 2020 steigen werden. Das Marktvolu- ten aus der Industrie, zeigt steigende Investitionen in
men wird 2020 auf 12,1 Milliarden US-Dollar ge- die Zukunftstechnologie 3D-Druck: 25 Prozent der
schätzt. Führend bei der Anwendung des 3D-Drucks produzierenden Unternehmen setzen bereits auf den
weltweit sind laut der Befragung von EY bei 900 Füh- 3D-Druck und 31 Prozent planen in den nächsten zwei
rungskräften aus der Industrie in zwölf Ländern derzeit Jahren Investitionen in diesem Bereich. Bezogen nur
deutsche Unternehmen: 37 Prozent nutzen demnach auf Unternehmen der Metallindustrie geben 25 Pro-
14 Vgl. EY: How will 3D printing make your company link in the value
chain? EY’s Global 3D printing Report 2016, 2016. 15 Vgl. KPMG: Global Manufacturing Outlook, 2016.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201719
zent an, bereits in die additive Fertigung investiert zu Scott Crump (FDM-Verfahren/Unternehmen Stratasys)
haben;16 27 Prozent wollen in den kommenden zwei in den 80er-Jahren gab es ab dem Jahr 2012 einen
Jahren ihre Investitionen ausweiten. sprunghaften Anstieg der Patentannmeldungen im
Bereich 3D-Druck. Bis 2014 wurden insgesamt knapp
In einzelnen Branchen wird das Marktpotenzial be- 13 700 Patentanmeldungen identifiziert.
sonders hoch bewertet: So zeigt eine Befragung des
Digitalverbands Bitkom in der Luftfahrt-Branche, dass Für 2016 sind geschätzte rund 7 000 Patentveröffent-
51 Prozent der Meinung sind, dass sich 3D-Druck- lichungen zu erwarten, rechnet man die bislang rund
Verfahren in der Flugzeugproduktion im Jahr 2030 4 500 (Stand September 2016) veröffentlichten Patente
durchgesetzt haben werden. hoch.
3.2 Patentanmeldungen
Wenn Unternehmen in einem Technologiebereich
Marktpotenzial sehen und daher ihre innovativen Pro-
dukte schutzrechtlich absichern wollen, lässt sich das
auch an den Patentanmeldungen erkennen: Nach den
Basiserfindungen in den USA von Chuck Hull (Stereo-
lithografie-Verfahren/Unternehmen 3D Systems) und
Abbildung 5: Anzahl der Patentanmeldungen im 3D-Druck pro Jahr weltweit 1984 bis 2014 (Prioritätsjahr)
Anzahl Patentfamilien
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2014
Quelle: Handelskammer Hamburg/IPC © Handelskammer Hamburg 2016
16 Vgl. KPMG: Global Metals and Mining Outlook, 2016.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201720
Abbildung 6: Anzahl der Patentanmeldungen im 3D-Druck aus den wichtigsten Ursprungsländern 1984 bis 2014
(Prioritätsjahr)
Anzahl Patentfamilien
1 400
China
1 200 Vereinigte Staaten
Patentanmeldungen über die WIPO (Weltorganisation für geistiges Eigentum)
Japan
1 000
Südkorea
Deutschland
800
Patentanmeldungen über das EPA (Europäisches Patentamt)
600
400
200
0
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2014
Quelle: Handelskammer Hamburg/IPC © Handelskammer Hamburg 2016
Abbildung 7: Anzahl der internationalen Patentanmeldungen im 3D-Druck aus den wichtigsten Ursprungsländern 1984 bis
2014 (Prioritätsjahr)
Anzahl Patentfamilien
1 400
China
1 200 Vereinigte Staaten
Patentanmeldungen über die WIPO (Weltorganisation für geistiges Eigentum)
Japan
1 000
Südkorea
Deutschland
800
Patentanmeldungen über das EPA (Europäisches Patentamt)
600
400
200
0
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2014
Quelle: Handelskammer Hamburg/IPC © Handelskammer Hamburg 2016
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201721
Den mit Abstand größten Anteil an allen 3D-Druck- Betrachtet man nur diese internationalen Patentfa-
Patentfamilien nehmen aktuell Anmelder aus den USA milienveröffentlichungen, gehören bekannte und
und China ein. führende Unternehmen aus den USA und auch
Deutschland nach wie vor zu den wichtigsten Anmel-
Auffällig sind die erst seit 2013 stark wachsenden dern.
Patentierungsaktivitäten in Asien – China, Japan und
Korea: Von den insgesamt 13 700 bis 2015 publizierten
Patenten wurden rund 4 100 ausschließlich in China
veröffentlicht. Knapp 5 400 davon sind internationale
Patente, die in mehr als einem Land oder bei einer
internationalen Patentorganisation (Europäisches
Patentamt oder Weltorganisation für geistiges Eigen-
tum) publiziert wurden.
Abbildung 8: Anzahl der internationalen Patentanmeldungen im 3D-Druck aus den wichtigsten Ursprungsländern 1984 bis
2014 (Prioritätsjahr)
Anzahl Patentfamilien
3D Systems
Stratasys
EOS Electro Optical Systems
United Technologies
General Electric
Seiko Epson
Fraunhofer
Kinpo Electronics
Cal-Comp Electronics & Comm
Mtu Aero Engines
Xyzprinting
Hewlett Packard
DSM
Sony
Siemens
Arcam
Panasonic
Boeing
Rolls Royce
Voxeljet
Massachusetts Institute of Technology
Airbus
CMET
Siemens Energy
3M
Snecma
Panasonic Electric Works
Xerox
Materialise
Inventec Appliances
0 50 100 150 200
Quelle: Handelskammer Hamburg/IPC © Handelskammer Hamburg 2016
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201722
Abbildung 9: Anzahl der Patent-Erstanmeldungen im 3D-Druck
Anzahl Patentfamilien
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
3D Sytems 2 0 0 0 16 6 4 2 3 2 3 12 6 7 7 9 8 16 6 9 8 13 8 8 6 2 2 5 3 5
Stratasys 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 3 2 1 3 5 6 4 6 6 1 1 3 4 10 11 9 12 11 8 17 9
EOS Electro Optical Systems 0 0 0 0 0 0 1 1 1 6 7 5 1 0 2 4 0 1 5 1 2 7 15 6 9 5 10 0 5 14 3
United Technologies 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 4 9 49 35
General Electric 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 1 0 2 3 1 0 1 0 2 3 4 6 5 21 13
Seiko Epson 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 3 1 0 5 0 0 9 33
Fraunhofer 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 0 1 3 2 5 1 3 1 1 0 1 2 4 3 3 5 4 2 3 1
Kinpo Electronics 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22 26
Cal-Comp Electronics & Comm 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 24 23
MTU Aero Engines 0 0 0 2 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 2 0 3 1 1 1 0 8 4 9 11
Xyzprinting 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 24
Hewlett Packard 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 22 4 2 0 0 0 0 0 0 2 6 4
DSM 0 0 0 0 0 6 4 1 0 0 0 1 4 0 3 1 0 1 2 2 0 1 2 2 1 2 3 2 1 1 1
Sony 0 0 0 0 1 2 2 0 0 3 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 4 2 9 5 7 2 0 0
Arcam 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 5 0 0 1 1 2 1 2 0 4 7 10 2
Siemens 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 3 1 1 2 1 0 0 2 2 2 6 12 3
Panasonic 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 2 1 2 2 1 1 3 4 4 2 4 3 3 2
Boeing 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 5 2 2 2 3 2 2 5 7
Voxeljet 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 2 0 2 6 3 6 6 2
Massachusetts Institute of Technology 0 0 0 0 0 3 0 0 2 4 0 2 2 2 1 0 1 2 1 0 2 0 1 0 0 0 1 0 2 5 1
Rolls Royce 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 1 0 1 1 1 0 1 1 4 2 1 0 1 7 5
Airbus 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 3 0 2 0 0 5 9 3
CMET 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 0 0 1 1 0 0 4 9 6
Panasonic Electric Works 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 2 3 0 4 2 1 1 1 2 4 0 2 0 0 0 0
Siemens Energy 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 10 8
Snecma 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 0 1 2 9 2 4 1
3M 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 2 0 3 1 1 0 1 1 1 2 2 0 1 0 3 1 1
Materialise 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 6 5 6 1
Xerox 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 2 1 3 14
Inventec Appliances 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 16
1 2 3 4 5 6 bis 10 11 bis 15
16 bis 20 21 bis 25 26 bis 30 31 bis 35 36 bis 40 41 bis 45 46 bis 50
Quelle: Handelskammer Hamburg/IPC © Handelskammer Hamburg 2016
Abbildung 10: Die wichtigsten deutschen Patentanmelder
Anzahl Patentfamilien
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
EOS Electro Optical Systems 0 0 0 0 0 0 1 2 2 7 10 6 1 0 2 4 0 1 5 1 3 8 15 6 11 9 11 0 6 15 4
Fraunhofer 0 0 0 1 0 1 0 1 0 2 3 1 1 4 5 7 2 3 6 3 1 1 2 6 3 4 8 8 7 7 3
CL Schutzrechtsverwaltung 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3 1 2 4 0 2 4 1 3 3 5 11 8 7
MTU Aero Engines 0 0 0 2 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 2 0 3 1 1 1 3 12 4 10 11
Siemens 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 2 1 1 2 1 0 0 2 2 2 6 13 7
Voxeljet 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 3 4 0 2 7 4 7 9 2
Daimler 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 2 1 0 2 3 1 6 2 4 3 4 4 2 0 2 1 1 0
Airbus 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 9 11 3
Envisiontec 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 0 4 0 8 6 0 0 0 0 0 0 0
Evonik Degussa 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 2 4 1 1 1 0 1 3 4 0 0
Bayerische Motoren Werke (BMW) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 1 0 0 2 1 0 0 1 2 0 8 1
Carl Zeiss 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 4 2 0 1 2 0 0 0 0 0 2 0
Arburg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 7 1 3 0
BASF 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 0 1 3 1 0 0 1
Trumpf 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 1 3 0 1 0 0 0 1 0 3 1
Robert Bosch 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 3 2
Bayer 0 0 0 2 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
SLM Solutions 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 8 0
1 2 3 4 5 6 bis 10 11 bis 15
Quelle: Handelskammer Hamburg/IPC © Handelskammer Hamburg 2016
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201723
In einer Zeitreihe betrachtet wird ersichtlich, welche Für Deutschland zeigt sich unternehmensseitig folgen-
Unternehmen – gemessen an der Anzahl der Patent- des Bild: Wesentliche Patentanmeldungen in den 90er-
familien-Erstanmeldungen – zu den Pionieren des Jahren kamen von der EOS Electro Optical Systems
3D-Drucks zählen: neben den US-amerikanischen GmbH. In den letzten Jahren sind mehr Anmelder hin-
Unternehmen 3D Systems und Stratasys die deutschen zugekommen. Wichtige 3D-Druck-Hersteller sind die
Unternehmen EOS Electro Optical Systems GmbH und Voxeljet AG, die Concept Laser GmbH (meldet über die
Voxeljet AG. Darüber hinaus zeigt, sich, dass seit 2012 CL Schutzrechtsverwaltungs GmbH an), die EOS Electro
die Zahl der Marktteilnehmer deutlich gestiegen ist. Optical Systems GmbH und die SLM Solutions GmbH.
Mit ihren Patentanmeldungen bereits in der 80er- Alle weiteren Anmelder sind 3D-Druck-Anwender. Bei
Jahren haben sich 3D Systems (1984: Anmeldung des den deutschen Herstellern fällt auf, dass viele im
Stereolithografie-Verfahrens) und Stratasys (1989: Bereich des Lasersinterns und vorwiegend im 3D-
Anmeldung des FDM-Verfahrens) früh am Markt etab- Metalldruck aktiv sind.
liert und konnten so zum Marktführer aufsteigen.
HINWEIS ZUR PATENTANALYSE:
Für die Analyse von Patentanmeldungen zum Thema 3D Druck wurden mithilfe der globalen Patentdatenbank Questel
Orbit (einfache) Patentfamilien nach folgenden Suchkriterien zusammengestellt:
Patentanmeldungen, welche durch die Patentämter wie folgt der Internationalen Patentklassifikation (IPC) oder der
Gemeinsamen Patentklassifikation (CPC) zugeordnet wurden:
B33Y Additive (generative) Fertigung, d. h. die Herstellung von dreidimensionalen [3D] Bauteilen durch additive
Abscheidung, additive Agglomeration oder additive Schichtung, z. B. durch 3D-Drucken, Stereolithografie
oder selektives Lasersintern
Außerdem wurden Patentanmeldungen berücksichtigt, welche folgenden IPC beziehungsweise CPC zugeordnet wurden:
B22F Verarbeiten von Metallpulver; Herstellen von Gegenständen aus Metallpulver
B29C 67 (Besondere) Formgebungsverfahren
B23K 26 Bearbeitung durch Laserstrahlen
B28B 1 Herstellen geformter Gegenstände aus (keramischem) Material
Jeweils in Kombination mit den folgenden alternativen Stichworten (im Titel, in der Zusammenfassung und in den Ansprüchen
soweit verfügbar; in der Originalsprache oder in der englischen Maschinenübersetzung; + bedeutet beliebige Zeichen):
STEREOLITHOGRA+, 3 DIMENSION+, DREIDIMENSION+, DREI DIMENSION+, THREE DIMENSION+, 3D DRUCK+, 3D PRINT+,
GENERATIVE FERTIGUNG+, GENERATIVE MANUFACT+, ADDITIVE FERTIGUNG+, ADDITIVE MANUFACT+.
3D-Druck – Potenziale und Herausforderungen für die Hamburger Wirtschaft © Handelskammer Hamburg 201724
3.3 Öffentliche Förderung
Die Politik hat sich das Thema 3D-Druck auf die Fahnen
geschrieben, um im Rahmen von Innovations- und
Wirtschaftspolitik die Prozesse zum Wohle des eigenen
Standorts aktiv mitzugestalten. Öffentliche Förderung
in diesem Bereich nimmt zu.
Der Hamburger Senat hat im Koalitionsvertrag mit der
3-D-Print-Initiative eine politikfeldübergreifende 3D-
Druck-Strategie festgeschrieben, um die Region als
Technologieführer zu profilieren. Auf Bundesebene
wird 3D-Druck vor allem über die Projektförderung des
Bundesforschungs- und Bundeswirtschaftsministeri-
ums unterstützt. Dabei geht es schwerpunktmäßig um
die Anwendung des 3D-Drucks in einzelnen Branchen,
etwa in der Luftfahrt, oder um bestimmte Aspekte
beim 3D-Druck, beispielsweise die Materialforschung.
Die EU fördert 3D-Druck-Forschungsaktivitäten zur
Transformation von Produktionssystemen über ihr
Programm „Horizon 2020“.
In den USA wurde 2012 das National Additive Manu-
facturing Innovation Institute (NAMII), bekannt unter
dem Namen „America Makes“, als öffentlich-private
Partnerschaft gegründet und erhielt im Jahr 2014
immerhin 50 Millionen US-Dollar öffentliche Förde-
rung. In China wurden im Auftrag der Regierung von
der staatlich geförderten Asian Manufacturing Asso-
ciation (AMA) inzwischen zehn Institute – je mit
3,3 Millionen US-Dollar gefördert – gegründet, die sich
dem Thema widmen. Das Indian Institute of Techno-
logy Hyderabad (IITH) wird in den nächsten zwei Jah-
ren einen Betrag von rund 13 Millionen Euro unter
anderem in das Forschungsfeld 3D-Druck stecken.
Auch in anderen asiatischen Ländern, etwa Japan, Sin-
gapur oder Taiwan, wird 3D-Druck intensiv gefördert.
18 Vgl. Europäische Kommission: Additive Manufacturing in FP7 and
Horizon 2020, 2014; Expertenkommission Forschung und Innovation:
Jahresgutachten zu Forschung, Innovation und technologischer
Leistungsfähigkeit Deutschlands 2015, 2015.
19 Vgl. Koalitionsvertrag über die Zusammenarbeit in der 21. Legislatur-
periode der Hamburgischen Bürgerschaft, 2015.
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