Vom Material zur Innovation - Rahmenprogramm zur Förderung der Materialforschung - BMBF
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1 Inhalt Vorwort.......................................................................................................................................................................................3 1 Kurzfassung.........................................................................................................................................................................4 2 Schlaglichter: Potenziale neuer Materialien ..................................................................................................................6 3 Ziele des Programms und Förderkonzept.....................................................................................................................14 4 Werkstoffe: Fakten, Ausgangssituation und Prognosen.............................................................................................20 5 Herausforderungen für zukünftige Werkstoffentwicklungen..............................................................................................28 5.1 Werkstofftechnologien ....................................................................................................................................................................29 5.1.1 Werkstoffplattformen .......................................................................................................................................................29 5.1.2 Prozess- und Fertigungstechnik...................................................................................................................................35 5.1.3 Querschnittsthemen..........................................................................................................................................................37 5.2 Materialinnovationen für Anwendungsfelder......................................................................................................................38 5.2.1 Werkstoffe für die Energietechnik ..............................................................................................................................38 5.2.2. Nachhaltiger Umgang mit Rohstoffen und Materialien...................................................................................40 5.2.3 Werkstoffe für Mobilität und Transport...................................................................................................................42 5.2.4 Materialien für Gesundheit und Lebensqualität ..................................................................................................45 5.2.5 Werkstoffe für zukünftige Bausysteme.....................................................................................................................46 6 Forschung verzahnen – Wirkung steigern.....................................................................................................................48 7 Internationale Zusammenarbeit....................................................................................................................................50 8 Durchführung des Programms .......................................................................................................................................52 Anhang 1: Vernetzung mit anderen Förderprogrammen und Ressorts...........................................................................56 Anhang 2: Außeruniversitäre Forschung mit Bezug zur Materialforschung ..................................................................58 Impressum ...............................................................................................................................................................................61
VORWORT 3 Vorwort Dieses Programm steht für das Ziel, Deutschland auf Wettbewerbsfähigkeit der Industrie zu erhöhen. Immer dem Weg zum weltweiten Innovationsführer voran- kürzere Innovationszyklen, die auch durch neue zubringen. Gute Ideen sollen schnell in innovative Technologien, wie z. B. computergestützte generative Produkte und Dienstleistungen überführt werden. Denn Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck, bedingt sind, innovative Lösungen sind die treibende Kraft für Wohl- verändern die traditionelle Struktur der Produktion und stand und Lebensqualität. Sie stärken Deutschlands der Wirtschaft insgesamt. Damit aus vielversprechenden Position als führende Wirtschafts- und Exportnation. Materialien innovative Produkte werden, sind Koopera- Und sie ermöglichen es, kreative Antworten auf tionen von Wissenschaft und Wirtschaft und eine die drängenden Herausforderungen zu finden. Das interdisziplinäre Vernetzung erforderlich. Förderprogramm „Vom Material zur Innovation“ greift diese Ausrichtung auf und orientiert sich am Leitbild Mit der öffentlichen Forschungsförderung initiiert einer nachhaltigen Entwicklung und Wirtschaft, die und unterstützten wir diese notwendige Zusammen- Innovationen in Verantwortung für die heutigen und arbeit. Wir laden Unternehmen und Forschungs- kommenden Generationen schafft. einrichtungen ein, unsere Gesellschaft mit technischem und sozialem Fortschritt aktiv zu gestalten. Mit dem Innovationen aus der Materialforschung sind ein Förderprogramm „Vom Material zur Innovation“ Schlüssel bei der Lösung von Zukunftsaufgaben. Neue schaffen wir den erforderlichen Rahmen. Werkstoffe helfen, die Material- und Energieeffizienz zu steigern, die Lebensqualität zu verbessern und die Ihr Bundesministerium für Bildung und Forschung
4 KURZFASSUNG 1 Kurzfassung Das Fachgebiet der Materialwissenschaft und Werkstoff- technik ist nach wie vor ein entscheidender Innovations- treiber für fast alle Lebens- und Technikbereiche. Moderne Werkstoffe erhöhen den Wirkungsgrad von Solarzellen und Kraftwerken, verringern den Verbrauch von Kraftfahrzeugen, ermöglichen die Elektromobilität und reduzieren somit Abgasemissionen. Sie wirken daher dem Klimawandel entgegen und erhöhen insgesamt die Ressourceneffizienz in Industrie und Gesellschaft. Ebenso steigern neue Werkstoffe, z. B. in der Medizintechnik durch langlebige und biokom- patible Implantate, die Lebensqualität der Menschen erheblich. Insofern tragen die Ergebnisse der Material- forschung mit immer wieder neuen Funktionalitäten und Leistungssprüngen ganz wesentlich zu einem nachhaltigen Wirtschaften und zu mehr Lebensqualität und Wohlstand in unserer Gesellschaft bei. Um indes von einem aussichtsreichen Material zur eigentlichen Innovation in der Anwendung zu gelangen, braucht das stark interdisziplinäre Fachgebiet der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ein hohes Maß an Vernetzung und Kooperation zwischen Wirtschaft und Wissenschaft sowie eine langfristige Unterstützung durch die öffentliche Hand. Das Förder- programm „Vom Material zur Innovation“ des BMBF setzt die erfolgreichen Förderstrategien des Vorgänger- programms „Werkstoffinnovationen für Industrie und spezifischen Bedarf an Werkstofftechnologien in den Gesellschaft – WING“ fort und verfolgt mit einer Anwendungsfeldern. Da auf dem Weg vom Material zum langfristig angelegten Förderung die Zielsetzungen: Produkt häufig die Prozess- und Fertigungstechniken entscheidend für die Werkstoffeigenschaften und die ■■ Stärkung der industriellen Wettbewerbsfähigkeit späteren Produktkosten sind, werden sich die geförderten durch werkstoffbasierte Produkt- und Verfahrens Projekte innerhalb des gesamten Wertschöpfungsnetz- innovationen werks orientieren: von der Herstellung der Grundstoffe ■■ Berücksichtigung des gesellschaftlichen Bedarfs über die Verarbeitung der Werkstoffe bis zur Anwendung an Werkstoffentwicklungen in Bauteilen und Systemen. ■■ Schaffung von Anreizen zur Erhöhung der FuE- Die Förderung richtet sich an Kooperationsprojekte Intensität in den Unternehmen zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen. ■■ Ausbau einer umfassenden industriellen und Insbesondere sollen kleine und mittelständische Unter- institutionellen Material- und Fertigungskompetenz; nehmen noch stärker als bisher in den Innovations Qualifizierung von wissenschaftlichem Nachwuchs prozess eingebunden sowie wissenschaftliche Nachwuchs- kräfte qualifiziert werden. In den Förderprojekten Daraus abgeleitet bietet das Programm gezielte Unter müssen die Aspekte der Nachhaltigkeit berücksichtigt stützung sowohl für neue Materialentwicklungen für und eine klare Verwertungsstrategie von FuE-Ergebnissen ganz unterschiedliche Produktspektren als auch für den für neue Produkte oder Verfahren erkennbar werden.
KURZFASSUNG 5 Zur Erreichung der übergeordneten Ziele und unter Das Förderkonzept wird auf der Ebene konkreter Berücksichtigung der ausgeprägten Komplexität und Projekte mit entsprechender thematischer Schwer- Interdisziplinarität des Werkstoff-Fachgebietes ergeben punktsetzung überwiegend durch Bekanntmachung sich daraus die folgenden Förderleitlinien des Programms: von Förderrichtlinien umgesetzt. „Vom Material zur Inno vation“ wird als lernendes Programm auf sich ändernde ■■ Werkstoffplattformen mit den integrierten Fertigungs- Herausforderungen des Themenfeldes reagieren techniken, die zu Produkt- und Verfahrensinnova können und den Rahmen für eine längerfristig tionen in einem breiten industriellen Umfeld führen ausgerichtete flexible Förderpolitik der Bundesregie- können rung auf dem Gebiet der Materialforschung bilden. ■■ Werkstoffinnovationen in bedeutenden Anwendungs- Mit dem Förderprogramm „Vom Material zur feldern, wie z. B. in Energie, Verkehr und Medizin, Innovation“ wird der Hightech-Strategie der Bundes im Bauwesen oder im Maschinen- und Anlagenbau regierung entsprochen, die beiden Stränge der Markt ■■ Nachhaltiger und effizienter Umgang mit Ressourcen orientierung und des gesellschaftlichen Bedarfs auch wie Rohstoffen, Materialien und Energie im Bereich der Werkstofftechnologien zusammen ■■ Branchenübergreifende Kooperationen zwischen zuführen, eine stärkere Vernetzung zwischen Wirt- Wirtschaft und Wissenschaft zur Initiierung von schaft und Wissenschaft sicherzustellen sowie eine Wertschöpfungsnetzwerken nachhaltige Wirtschaftsweise zu verfolgen.
6 SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN 2 Schlaglichter: Potenziale neuer Materialien Energiewende, Rohstoffknappheit, Urbanisierung und Die auf den folgenden Seiten dargestellten Beispiele demografische Entwicklung stellen Politik, Gesellschaft stehen zwar nicht für die gesamte Programmbreite, und Industrie in Deutschland vor neue Herausforde- geben aber einen tieferen Einblick darin, dass teils unschein- rungen. Hinzu kommt der Trend zu einer stärkeren bare und für den Anwender unsichtbare Materialien Globalisierung von Forschungs- und Produktions und Werkstoffe häufig eine Schlüsselfunktion inne standorten mit neuen internationalen Wertschöpfungs- haben und zur Lösung konkreter technologischer, netzwerken. Um die vielfältigen Aufgaben bewältigen ökologischer und gesellschaftlicher Probleme unver- zu können, sind Technologien gefragt, die die Gesund- zichtbar sind. Werkstoffentwicklung ist daher eine heit sowie den Wohlstand der Bürger erhalten, die Zukunftsaufgabe: Sie ist die Basis für Wohlstand, stoffliche und energetische Ressourceneffizienz Lebensqualität und internationale Wettbewerbsfähigkeit. verbessern, die Wettbewerbsfähigkeit unserer Industrie erhöhen und eine nachhaltig wirkende Industriegesell- schaft sicherstellen. Wie kaum ein anderes wissenschaftlich-technisches Gebiet ist die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik stark interdisziplinär geprägt: Forschungsergebnisse aus der Chemie, Physik, Biologie und aus den Ingenieur wissenschaften geben der Werkstoffentwicklung immer wieder neue Innovationsimpulse, die wiederum Entwicklungsschübe in unterschiedlichen Anwendungs- bereichen hervorrufen. Werkstoffe Keramik Kunststoffe Metalle
8 SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN Sauberes Wasser durch Hightech-Materialien Schadstoffe im Wasser durch Industrie und Gesellschaft Für Mensch, Natur und Wirtschaft ist Wasser die wichtigste Ressource, die sich zwar ständig erneuert, aber auch begrenzt ist. Bedingt durch Klimawandel und Bevölkerungswachstum sowie durch Energie erzeugung, industrielle Tätigkeiten und Landwirtschaft wird es zukünftig zu einer weiteren Beanspruchung und Verschmutzung der Wasserressourcen kommen. Auswirkungen auf die Lebensgrundlage Wasser Es ist von einer zunehmenden Gewässerbelastung mit unterschiedlichen Schadstoffen, wie z. B. Medikamenten- rückständen, Pestiziden, Salzen und Metallen sowie von übermäßiger Wassernutzung und von Klima extremen auszugehen. Im Ergebnis ist das ökologische und chemische Gleichgewicht der Gewässer gefährdet. Die Folge können Hormonstörungen bei Lebewesen, Artensterben und Krankheiten sein. Materialien zur rückstandsfreien Abtrennung von Schadstoffen Von der Wassergewinnung über die Verteilung bis zur Entsorgung, Reinigung und Aufbereitung spielen materialspezifische Ansätze eine sehr wichtige Rolle. Zur Abtrennung von Schadstoffen und zur Umwand- lung von kritischen Stoffen werden verbesserte Filter- werkstoffe, hochselektive Adsorptionsmaterialien und effiziente Katalysatoren benötigt. Sauberes Wasser für Umwelt, Industrie und Gesellschaft Wasser ist das Lebensmittel Nummer Eins. Ohne Wasser existiert keine Landwirtschaft, keine Industrie, kein Leben. Nur durch innovative Technologien mit neuen Materialien wird es möglich sein, die vorhan- denen Wasserressourcen nachhaltig zu nutzen und gleichzeitig die Gesundheit von Mensch und Umwelt zu schützen.
SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN 9 Materialien für Energiespeicher Elektromobil: Ausreichend weit und sicher Deutlich höhere Reichweiten von Elektrofahrzeugen bei gleichzeitiger Langlebigkeit und Sicherheit der Batterie können nur durch Weiterentwicklungen der Materialtechnologie bei der Zellchemie und -struktur, beim Design der Batteriesysteme und bei der Ladeinfrastruktur erreicht werden. Verbesserte Batterien stellen somit die Schlüsselkomponente der Elektromobilität dar. Strom zur richtigen Zeit Der Strom aus fossilen Energieträgern ist begrenzt und Strom aus erneuerbaren Energien ist oft nicht bedarfs- gerecht verfügbar. Um Wind- und Solarstrom jederzeit dort zur Verfügung zu stellen, wo er benötigt wird, gilt es, sichere Netzspeicher zu entwickeln, die möglichst große Energiemengen speichern und auch rasch wieder ins Netz einspeisen können. Materialien zur Speicherung elektrischer Energie Um effiziente Batterien zu fertigen und über lange Zeiträume sicher betreiben zu können, müssen Anode, Kathode, Elektrolyt, Separator und Strom ableiter in der Batteriezelle perfekt aufeinander abgestimmt sein. Mit Hilfe optimierter Materialien zur elektrochemischen Energiespeicherung gelingt die Herstellung bedarfsgerechter, intelligenter Stromspeichersysteme. Intelligente Nutzung von Strom Strom bildet die Grundlage für unsere komfortable Lebensweise. Eine intelligente Kopplung von regene- rativer Erzeugung, Speicherung und Verbrauch erlaubt elektrisches Fahren mit deutlich höheren Reichweiten und die Versorgung des eigenen Wohn- umfeldes mit Strom. Mit dieser intelligenten Nutzung werden zusätzlich die Stromnetze stabilisiert.
10 SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN Hygiene durch innovative Materialien Hygiene: Eine Herausforderung auch im 21. Jahrhundert Globalisierung und zunehmende Mobilität beschleu nigen die Verbreitung von neuen Krankheitserregern. Auch die Anzahl der Infektionen mit multiresistenten Keimen in Krankenhäusern steigt stetig. Hier sind innovative materialspezifische Konzepte für mehr Hygiene gefragt. Hygiene berührt uns in allen Lebensbereichen In vielen Bereichen des täglichen Lebens, wie z. B. in Supermärkten, im öffentlichen Nahverkehrsbereich, an Bahnhöfen und Flughäfen sind Krankheitserreger und Allergene präsent und trotz der hohen Hygiene- standards in Deutschland weiter auf dem Vormarsch. Auch die gemeinschaftliche Nutzung von Gütern trägt zur Verbreitung von Keimen bei. Bakterien und Algen können Industrieanlagen lahmlegen Selbst Industrieanlagen können durch Befall mit Mikroorganismen oder Algen geschädigt werden und ausfallen. Durch notwendige Reinigungs- und Reparaturarbeiten entstehen hohe Kosten. In bestimmten Bereichen, wie der Lebensmittel industrie sind die Anforderungen an die Hygiene besonders hoch. Prävention durch innovative Materialien Die Materialforschung bietet hier innovative Lösungen, z. B. durch neuartige Filtermaterialien und antibak teriell wirkende Oberflächen, welche Produkte, die Umwelt und den Menschen vor Kontaminationen schützen. Neue Werkstoffe tragen damit in erheb- lichem Maße zur Prävention vor gesundheitlichen Risiken und zur Steigerung der Lebensqualität bei.
SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN 11 Zukunftshäuser – intelligent, komfortabel, bezahlbar Ohne Wärmedämmung keine klimaneutrale Stadt Neue Werkstoffe und Materialien erschließen ein enormes Energieeinsparpotenzial durch eine effiziente Wärmedämmung. Insbesondere der Gebäudebestand, der vor der ersten Wärmeschutzverordnung errichtet worden ist und immer noch den überwiegenden Anteil der vorhandenen Bausubstanz darstellt, gilt es, wärmetechnisch zu verbessern. Materialentwicklungen für das Bauen im Bestand und den Neubau Die Materialien müssen sich vielen unterschiedlichen Anforderungen stellen und deshalb multifunktionell sein. Gefordert sind z. B. Werkstoffe mit schaltbarer Wärmedämmung und Verglasung oder einer schall- schluckenden Oberfläche. Dies betrifft z. B. ultrahochfeste Betone, neue Bindemittel und deutlich verbesserte Kleb- und Dichtstoffe, die voll recyclingfähig sind. Gebäude für jedes Wetter Zukünftig benötigt unser tägliches Leben und Wohnen funktionelle und energieeffiziente Gebäude als Teil der Infrastruktur. Damit wird ein nachhaltiger Klimaschutz erreicht. Im Mittelpunkt stehen neue, dem Klimawandel angepasste Baumaterialien. Das reicht von der Wärmedämmung, der Verbesserung der Luftqualität bis hin zur Nutzung erneuerbarer Energien. Baumaterialien für intelligente Instandhaltungs- konzepte Neue Baumaterialien müssen ressourceneffizient und für eine intelligente Instandhaltung geeignet sein. Selbstverständlich nehmen das Recycling und die Wiederverwendung eine zentrale Rolle ein. Insgesamt wird der Wohnkomfort gesteigert.
12 SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN Materialien für den 3D-Druck Hoher Ressourcenbedarf heutiger Fertigungs- verfahren Bei materialabtragenden Fertigungsverfahren, wie beim Drehen oder Fräsen, fallen bis zu 90 % der teuren Ausgangsmaterialien (z. B. im Flugzeugbau) als Produktionsabfälle an. Die mit Schmiermitteln versetzten Abfälle lassen sich nur schwer wieder verwerten und stellen oft einen erheblichen Kostenfaktor dar. Randbedingungen derzeitiger Herstellverfahren Mit aktuellen Verfahren lassen sich nur vergleichsweise einfache Bauteile kostengünstig produzieren, die dann zu komplexeren Strukturen bzw. Produkten zusammengefügt werden. Dies bedingt eine aufwen- dige Endmontage, die oft nur bei hohen Stückzahlen rentabel ist. Daher werden Bauteile an unterschied- lichen Standorten hergestellt und teilweise über lange Wege transportiert. Ressourcenschonung durch aufbauende Fertigungsverfahren Generative Fertigungsverfahren, wie der 3D-Druck oder das Lasersintern, bauen Fertigungsteile direkt aus Pulver auf. So wird die Materialeffizienz erhöht und Abfälle werden vermieden. Diese Verfahren erlauben die Fertigung von Bauteilen mit variablen Materialeigenschaften (z. B. Gradientenwerkstoffe) oder den Aufbau von ganz neuen Kombinationen. Komplexe Bauteile für individuelle Produkte Mit generativen Verfahren können komplexe Fertigungs- teile mit integrierten Funktionen bereits in geringsten Stückzahlen kostengünstig produziert werden. Weniger Bauteile erleichtern die Endmontage. Die Schnittstelle zur digitalen Produktion ermöglicht einen individuellen Zuschnitt und eine lokale Produktion. So kann das Werkstoffpotenzial bei Leichtbauteilen und Medizin- produkten effektiv ausgenutzt werden.
SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN 13 Neue Werkstoffe aus der virtuellen Welt Von atomaren Strukturen zu neuen Werkstoffen Ausgehend von kleinsten atomaren und molekularen Strukturen können heute neue Werkstoffe mit kombinierten Simulationsverfahren am Computer entworfen und getestet werden. Komplexe mathe- matische Gleichungen, die genaue Kenntnis atomarer Bindungen sowie passende Werkstoffmodelle sind das Handwerkszeug für die interdisziplinär arbeitenden Simulationsexperten. Neue Werkstoffe mit herausragenden Eigenschaften Die Werkstoffentwickler interessieren sich z. B. für neue Zusammensetzungen mit höchster Festigkeit, enormer Korrosionsresistenz oder außergewöhn- licher Temperaturbelastbarkeit. So lassen sich Super- legierungen für die Energietechnik verbessern, die Haltbarkeit von Hüftgelenkprothesen verlängern oder neue Hybridmaterialien für den Leichtbau aufspüren. Entwicklung und Test von Bauteilen am Computer Durch die Multiskalensimulation, d. h. von atomaren Strukturen bis zu makroskopischen Bauteilen, gelingt es, technische Komponenten am Computer zu ent- wickeln, ihre spezifischen Eigenschaften in Wechsel- wirkung mit den Herstellungsverfahren zu optimieren und virtuell zu testen. Versagensmechanismen von Werkstoffen werden vollständig verstanden und die Sicherheit von Bauteilen erhöht. Schneller und günstiger ans Ziel Statt jahrelanger, experimentell aufwendiger Entwick- lungsarbeiten im Labor werden zukünftig Material eigenschaften am Rechner simuliert. Dadurch können wesentliche Hinweise für den jeweiligen Herstellungs prozess der Werkstoffe gegeben, Entwicklungszeit räume verkürzt sowie Kosten eingespart werden.
14 ZIELE DES PROGRAMMS UND FÖRDERKONZEPT 3 Ziele des Programms und Förderkonzept Materialien und Werkstoffe sind aufgrund ihrer Menschen sind hier tätig. Die Aufwendungen des starken Ausstrahlung in viele Branchen Innovations- verarbeitenden Gewerbes für Forschung und Entwick- treiber und haben damit eine Schlüsselfunktion, lung betrugen in 2012 ca. 44,5 Mrd. €. Der überwiegende deren Bedeutung in Deutschland immer noch Anteil der erfassten Branchen produziert, verarbeitet oder nutzt moderne Werkstoffe. Die Mehrheit aller unterschätzt wird. Eine starke Position in der technischen Innovationen ist direkt oder indirekt auf Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ist neue und verbesserte Werkstoffe zurückzuführen, die jedoch die Grundlage für die Innovationsfähigkeit somit für den Wirtschaftsstandort Deutschland eine unserer Industriegesellschaft und trägt entschei- herausragende Bedeutung mit Schlüsselfunktion haben. dend zu Fortschritten in fast allen Technik- und Lebensbereichen bei. Gesellschaftliche und ökologische Bedeutung von Werkstoffen Wirtschaftliche Bedeutung neuer Werkstoffe Neben ihrer wirtschaftlichen Bedeutung tragen Werk- Werkstoffinnovationen sind häufig die treibende Kraft stoffentwicklungen auch maßgeblich zur Lösung für industrielle Produktentwicklungen und wirken als gesellschaftlicher und ökologischer Herausforderungen Hebel für eine bessere Technologieposition deutscher bei: Sie erhöhen z. B. die Wirkungsgrade von Kraft Unternehmen im internationalen Wettbewerb. Dadurch werken und Solarzellen, verringern den Treibstoff nehmen moderne Werkstoffe mit ihren Fertigungstechno verbrauch von Flugzeugen und Kraftfahrzeugen und logien eine Schlüsselstellung im gesamten verarbeitenden reduzieren Abgasemissionen. Sie wirken daher dem Gewerbe Deutschlands ein. Die deutsche Wirtschaft ist Klimawandel entgegen, gestalten die Energiewende besonders stark im Bereich der „hochwertigen Techno mit und erhöhen insgesamt die Ressourceneffizienz in logien“, deren Anteil an der nationalen Wertschöpfung Industrie und Gesellschaft. Ebenso steigern neue mittlerweile 8,1 % beträgt. Dies ist im globalen Vergleich Werkstoffe erheblich die Lebensqualität der Menschen, der höchste Wert und belegt die Technologiestärke z. B. in der Medizintechnik durch langlebige und Deutschlands, die insbesondere in der Wirtschaftsleistung biokompatible Implantate oder durch regenerative des verarbeitenden Gewerbes zum Ausdruck kommt. Therapien. Auch in der Gebäudetechnik, wie z. B. bei Für diesen Bereich ergibt eine Auswertung des statisti- hocheffizienter Wärmedämmung oder in der Luft schen Jahrbuches aus 2012 einen Umsatz von 1,5 Bio. € reinhaltung, leisten Innovationen im Werkstoffbereich (ohne Nahrungs-, Futter- und Genussmittel). Knapp 6 Mio. ihren Beitrag. Begriffsbestimmungen Mit Materialien im Sinne des vorliegenden Programms z. B. aus der Nanotechnologie, mit ein. Die Begriffe sind Ausgangssubstanzen zur Herstellung von „Material“ und „Werkstoff“ werden häufig synonym Werkstoffen gemeint, die ihrerseits mit speziellen gebraucht und unter „Werkstofftechnologien“ Prozess- und Fertigungstechnologien für spezifische zusammengefasst. Die relevanten universitären Komponenten als Teile technischer Systeme Studiengänge werden je nach lokaler Fakultäts maßgeschneidert werden. Insofern gehören zum zugehörigkeit, Ausprägung und Historie unter- Fachgebiet sowohl die vorgelagerten Grundstoffe schiedlich benannt, z. B.: Materialwissenschaft, und chemischen Erzeugnisse als auch alle Fertigungs- Werkstoffwissenschaft, Werkstofftechnik oder techniken, Oberflächenbehandlungen und Qualifi- Werkstoffingenieurwesen. Insofern kann eine zierungsschritte, die notwendig sind, um aus einem gewisse Begriffsunschärfe bei Material und Werk- Material einen einsatzfähigen Werkstoff herzustellen. stoff konstatiert werden, die sich auch in diesem Dies schließt die Nutzung von Skaleneffekten, wie Programm widerspiegelt.
ZIELE DES PROGRAMMS UND FÖRDERKONZEPT 15 Geflecht aus Glas- und Carbonfasern Von einer verantwortungsbewussten Industriegesell- Bewältigung der vielfältigen Aufgaben sind mehr denn schaft werden weiterhin erhebliche Steigerungen in je Technologien gefragt, die es erlauben, stoffliche der Rohstoff- und Energieeffizienz erwartet. Dazu und energetische Ressourcen besser zu nutzen sowie leisten Forschung und Entwicklung, insbesondere auf z. B. durch heimische oder regenerative Ressourcen den branchenübergreifenden Gebieten der Werkstoff- zu ersetzen, um die Wettbewerbsfähigkeit unserer und Prozesstechnologien, entscheidende Beiträge. Industrie zu sichern und unseren Wohlstand zu erhalten. Die Entwicklung neuer Technologien wird immer stärker durch gesellschaftliche Faktoren, z. B. Produktions- Forschung und Innovation im Wandel formen, Konsum, Lebensstile oder Infrastruktur, beeinflusst. Neben technologischen und ökonomischen Werkstoffbasierte Produktinnovationen entstehen Aspekten sind zunehmend ökologische Belange sowie heute immer seltener in kleinen Forschungslabors, die gesellschaftliche Wahrnehmung und Bewertung sondern in einem komplexen Zusammenspiel unter- von Innovationen zu berücksichtigen. Für den Wandel schiedlicher Disziplinen: Oft sind Chemiker, Physiker, von Wirtschaft und Gesellschaft hin zu nachhaltigen Werkstoffentwickler und Fertigungsingenieure aus Lebens- und Produktionsweisen sind nicht nur Wissenschaft und Wirtschaft gemeinsam an der technische Innovationen, sondern ggf. auch ein Erforschung neuer Materialien bis hin zur Anwendung frühzeitiger Dialog mit der Gesellschaft notwendig. beteiligt. Nach der eigentlichen „Entdeckung“ müssen neue Werkstoffe sehr aufwendig geprüft, qualifiziert, Die globalen Rahmenbedingungen und Heraus ggf. zugelassen und für eine Serienproduktion im forderungen für technologische Entwicklungen haben industriellen Maßstab vorbereitet werden bis sie sich erheblich verändert: Klimawandel, Rohstoffknapp- schließlich ihren Weg in die Anwendung finden. heit, Energiewende, Urbanisierung und demografische Selbst auf dem Weg vom Prototyp bis zum Serienbauteil Entwicklungen verlangen von Politik, Gesellschaft und sind noch viele Hürden zu nehmen, die häufig einen Industrie in Deutschland neue Antworten. Die Wirt- Zeithorizont von mehr als zehn Jahren umfassen. In schaftsleistung Deutschlands hängt entscheidend vom der heutigen Zeit bedeutet Innovation auch Erkenntnis Rohstoffimport (insbesondere von Metallen) ab. Zur transfer zwischen den Disziplinen. Dabei wird es darauf
16 ZIELE DES PROGRAMMS UND FÖRDERKONZEPT ankommen, die wesentlichen Akteure innerhalb des Seite wird in Zukunft eine stärkere Berücksichtigung Wertschöpfungsnetzwerkes aus Herstellung, Verarbei- finden, um das gesamte Werkstoffpotenzial besser zu tung und Anwendung von Anfang an substanziell an erschließen. der Entwicklungsphase zu beteiligen. Leistungsfähige Innovationsstandorte sind heutzu- Ein weiterer Trend in der Materialentwicklung tage auf eine starke Internationalisierung mit globalem ist die zunehmende Individualisierung und Diversifi- Wissensaustausch angewiesen. Durch internationale zierung von Produkten, die durch neue Fertigungstech- Vernetzungen mit strategischen Kooperationen niken, wie z. B. generative Fertigungsverfahren oder werden Technologieentwicklungen beschleunigt und Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen Märkte erschlossen. Wertschöpfungsnetzwerke werden oder Multimaterialsystemen, möglich wird. Diese dadurch und durch die zunehmende Integration der Prozesse erlauben mittlerweile eine direkte Fertigung Digitalisierung in die Produktionsprozesse (z. B. beim von sehr komplexen und auf den jeweiligen Anwendungs- 3D-Druck) immer stärker globalisiert. Auch die Werk- fall zugeschnittenen Bauteilen ohne die sonst sehr stoffentwicklung mit der späteren Bauteilproduktion aufwendigen Zwischenschritte. Dabei wird deutlich, wird sich den Herausforderungen von hochautomati dass Fertigungstechniken im Rahmen der Werkstoff- sierten und digitalisierten Fertigungsverfahren stellen, entwicklung eine zunehmende Rolle spielen. Die den Trend zur Internationalisierung berücksichtigen und Wechselwirkung zwischen den Synthese- und Ferti- die Chancen der Globalisierung für den Forschungs- gungsverfahren auf der einen Seite und den dadurch standort Deutschland nutzen müssen. geprägten Werkstoffeigenschaften auf der anderen Nachhaltige Produkt- und Verfahrensentwicklungen für Industrie und Gesellschaft Werkstoffplattformen Werkstoffinnovationen – Materialentwicklungen – für Anwendungsfelder Basistechnologien Rohstoffaufbereitung Hochtemperaturwerkstoffe Leichtbau Funktionswerkstoffe Oberflächentechnik Simulation Biomaterialien Prozesstechnologien Katalyse Inhaltliches Förderkonzept im Programm „Vom Material zur Innovation“
ZIELE DES PROGRAMMS UND FÖRDERKONZEPT 17 Förderpolitische Zielsetzungen ■■ Stärkung der industriellen Wettbewerbs fähigkeit durch werkstoffbasierte Produkt- und Verfahrensinnovationen ■■ Berücksichtigung des gesellschaftlichen Bedarfs an Werkstoffentwicklungen ■■ Schaffung von Anreizen zur Erhöhung der FuE-Intensität in den Unternehmen ■■ Ausbau einer umfassenden industriellen und institutionellen Material- und Fertigungs kompetenz; Qualifizierung von wissenschaft- lichem Nachwuchs Das Förderprogramm gibt finanzielle und gestalterische Hilfestellung, um die verschiedenen Stufen der Wert- schöpfungsketten und -netzwerke bis zur Nutzung eines Werkstoffs abzudecken und die beteiligten Forschungs- und Entwicklungspartner mit ihren spezifischen Kompetenzen interdisziplinär zu vernetzen. Durch eine „aktivierende Förderpolitik“ wird eine breite Materialforschung in den Unternehmen initiiert Glaskeramiktropfen beim Austritt aus einem Induktionsschmelzofen und ein Mehrwert durch eine disziplin- und branchen- (Bild ist aus gestalterischen Gründen um 180 Grad gedreht.) übergreifende Vernetzung mit einem intensivierten Technologietransfer geschaffen. Förderpolitische Zielsetzungen Durch das gestiegene Bedürfnis unserer Gesellschaft Abgeleitet von den übergeordneten Zielsetzungen nach mehr Sicherheit von Mensch und Umwelt wird zur „Weiterentwicklung der Hightech-Strategie der sich die Werkstoffentwicklung stärker als bisher mit Bundesregierung zu einer umfassenden und ressort Fragen nach der langfristigen Zuverlässigkeit von übergreifenden Innovationsstrategie“ verfolgt das Bauteilen und nach möglichen Risiken von Materialien Programm über einen effektiven Technologietransfer bei der Herstellung, Verarbeitung, Anwendung und eine schnellere Umsetzung von Forschungsergebnissen Wiederverwertung beschäftigen müssen. Der sichere in marktfähige Produkte. Darüber hinaus orientiert Umgang mit neuen Werkstoffen sowie hohe Qualitäts- sich die Werkstoffförderung an nachhaltigen Entwick- standards sind Voraussetzungen für den wirtschaftlichen lungen, die langfristig positive ökologische und Erfolg und die Offenheit der Gesellschaft gegenüber ökonomische Wirkungen entfalten. Dazu gehören neuen Technologien. Eine Förderung sieht daher vor, beispielsweise ein verringerter Rohstoffverbrauch oder spezifische Materialentwicklungen mit entsprechenden die Nutzung von neuen Werkstoffentwicklungen zum Risikobetrachtungen zu kombinieren. Schutz des Menschen und der Umwelt vor Gefahr- stoffen. Neben der Nachhaltigkeit als integrales Förderkonzept Programmziel leiten sich aus der wirtschaftlichen, gesellschaftlichen und ökologischen Bedeutung der Das Konzept des Programms „Vom Material zur Inno- Werkstofftechnologien die förderpolitischen Ziel vation“ sieht vor, thematisch fokussierte Werkstoff setzungen ab. themen unter dem Leitgedanken der Nachhaltigkeit
18 ZIELE DES PROGRAMMS UND FÖRDERKONZEPT überwiegend in Kooperationsprojekten zwischen Wirtschaft und Wissenschaft zu fördern, die eine hohe Bedeutung für den Industriestandort Deutschland haben und einen konkreten Beitrag zur Lösung technologischer, ökologischer und gesellschaftlicher Probleme leisten können. Die Kooperationsprojekte sollen möglichst weite Teile des Wertschöpfungs netzwerkes abdecken – von der Materialherstellung über die Verarbeitung und Fertigung bis zur Anwen- dung in prototypischen Bauteilen. Dabei soll ein ganzheitlicher Forschungsansatz verfolgt werden, der auch FuE-Arbeiten im Bereich der Fertigungstechniken mit einbezieht. Die Wechselwirkungen zwischen Werkstoffeigenschaften und Fertigungstechnologien geben häufig Impulse für Innovationen, die sowohl zu verbesserten Werkstoffen als auch zu effizienteren Prozessen führen und die ggf. auch die Herstellkosten senken. Nach Möglichkeit sollen bei Materialentwick- lungen von vornherein Wiederverwertungsmöglich- keiten (z. B. Zweitnutzung) bzw. Recyclingpotenziale aufgezeigt und Stoffkreisläufe berücksichtigt werden. Vor dem Hintergrund der Ausgangssituation im Jahr 2014, der gesellschaftlichen und ökologischen Herausforderungen und unter Berücksichtigung der ausgeprägten Komplexität und Interdisziplinarität des Werkstoff-Fachgebietes ergeben sich als strategisches Profil des Programms die spezifischen Förderleitlinien. Spezifische Förderleitlinien ■■ Werkstoffplattformen mit den integrierten Insofern nutzt das Programm sowohl den „market Fertigungstechniken, die zu Produkt- und pull“ (Bedarf an Werkstoffentwicklungen aus Sicht der Verfahrensinnovationen in einem breiten Anwendungsfelder) als auch den „technology push“ industriellen Umfeld führen können (Weiterentwicklung von Werkstoffplattformen) als ■■ Werkstoffinnovationen in bedeutenden parallele Innovationsmechanismen, um einerseits Anwendungsfeldern, wie z. B. in Energie, marktorientiert reagieren zu können und andererseits Verkehr und Medizin, im Bauwesen oder Freiräume für Neuentwicklungen zu schaffen. Damit im Maschinen- und Anlagenbau wird der Weiterentwicklung der neuen Hightech-Strategie ■■ Nachhaltiger und effizienter Umgang mit gefolgt, die beiden Stränge der Marktorientierung und Ressourcen wie Rohstoffen, Materialien und des gesellschaftlichen Bedarfs auch im Bereich der Energie Werkstofftechnologien zusammenzuführen. ■■ Branchenübergreifende Kooperationen Durch die Förderung von Kooperationsprojekten zwischen Wirtschaft und Wissenschaft zur sollen der Wissens- und Technologietransfer sowie die Initiierung von Wertschöpfungsnetzwerken Systemkompetenz in den Anwendungsgebieten erhöht,
ZIELE DES PROGRAMMS UND FÖRDERKONZEPT 19 noch stärker als bisher kleine und mittelständische aus werkstoffspezifischen Anforderungen der jeweiligen Unternehmen in den Innovationsprozess eingebunden Anwendungsfelder – ist eine Förderung in diesem und eine klare Zielsetzung in der Umsetzung von FuE in Programm vorgesehen. Daneben existieren weitere neue Produkte oder Verfahren erkennbar werden. Daneben BMBF-Förderprogramme, bei denen auch Material sieht das Programm vor, besonders aussichtsreiche fragen eine besondere Bedeutung haben und dort und noch grundlagenorientierte „Saatprojekte“ sowie gefördert werden. In diesen Rahmen- und Fach exzellente Nachwuchsforscher spezifisch, d. h. nicht nur programmen steht der spezielle Anwendungsbezug durch Einbindung in Kooperationsprojekte, in potenziell (z. B. „Energieforschungsprogramm“, „Forschung für anwendungsorientierten Themenbereichen zu fördern. nachhaltige Entwicklungen – FONA“ einschließlich Rohstofftechnologien und Ressourceneffizienz oder Aufgrund des Querschnittscharakters der Material- „Gesundheitsforschungsprogramm“) bzw. der Forschungs forschung ist das Programm eng mit weiteren Pro- bereich (z. B. „Innovationen für die Produktion, grammen des BMBF vernetzt (vgl. Anhang 1). Überall Dienstleistung und Arbeit“ oder „Photonik Forschung dort, wo Innovationen aus der Materialforschung Deutschland“) im Fokus und bildet den Schwerpunkt entstehen – einerseits anwendungsoffen, andererseits der Forschungsprojekte.
20 WERKSTOFFE: FAKTEN, AUSGANGSSITUATION UND PROGNOSEN 4 Werkstoffe: Fakten, Ausgangssituation und Prognosen Volkswirtschaftliche Bedeutung innovativer Das produzierende Gewerbe erwirtschaftete 2012 Materialien in Deutschland 28 % des Bruttoinlandsproduktes und beschäftigte nahezu 29 % der Erwerbstätigen 1. Die volkswirtschaftliche Bedeutung von Materialien Deutschland liegt damit vor allen westlichen Industrie- und Werkstoffen lässt sich nicht allein an den Wirtschafts- nationen (z. B. USA: 20 % des BIP, 17 % der Erwerbstätigen). zahlen einzelner, direkt mit der Materialherstellung Dieser relativ hohe Anteil wird mit als ein Grund für die befasster Branchen wie etwa der Keramikherstellung, vergleichsweise milden inländischen Folgen der Finanz- Kunststoffverarbeitung, Chemie oder Metallerzeugung krise angesehen. Jedoch ist der Anteil des produzierenden ablesen. Als Querschnittstechnologie spielen innovative Gewerbes in den westlichen Industrienationen seit Materialien auch in anwendungsorientierten Branchen vielen Jahren rückläufig, Länder in Osteuropa oder wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie, dem Asien weisen dagegen inzwischen oft höhere Quoten Maschinenbau oder bei der Herstellung elektronischer auf. und optischer Erzeugnisse und somit im gesamten verarbeitenden Gewerbe eine Schlüsselrolle. Darüber Deutschland exportierte im Jahr 2012 Waren im hinaus sind neue Werkstoffe auch in der Energie- und Wert von 1,1 Bio. € 2. Dabei ist das verarbeitende Gewerbe Wasserversorgung oder dem Baugewerbe von elemen- mit einer Exportquote von 45 % in besonderem Maße tarer Bedeutung. Diese Branchen werden mit dem dem globalen Wettbewerb ausgesetzt. Gerade die verarbeitenden Gewerbe zum produzierenden Gewerbe umsatzstarken Branchen Automobilindustrie, Maschinen- zusammengefasst. bau und chemische Industrie mit einem gemeinsamen Wertschöpfung / Anteil am BIP [%] Anteil der Erwerbstätigen [%] Wertschöpfung / Anteil am BIP [%] Anteil der Erwerbstätigen [%] 50 50 in Deutschland in Deutschland 45 45 40 40 35 35 30 30 25 25 20 20 15 15 10 10 5 5 0 0 d p. A ien h ea nd en ien a n n in an eic lie pa US Re r di la Ch nn an ko ra hl Ja kr In ss h. Sp d st ita sc an Ru ec Sü Au ut br Fr ch De oß Ts Gr Bedeutung des produzierenden Gewerbes im internationalen Vergleich anhand des Anteils der Bruttowertschöpfung am Bruttoinlandsprodukt und des Anteils der Erwerbstätigen im produzierenden Gewerbe (2012) 1 1 Destatis Statistisches Jahrbuch 2013, Anhang A Internationales 2 Statistisches Jahrbuch 2013
WERKSTOFFE: FAKTEN, AUSGANGSSITUATION UND PROGNOSEN 21 Umsatz von 780 Mrd. €/ Jahr weisen sehr hohe Ausfuhr- Automobilindustrie 13 % des Umsatzes auf Markt raten von 60 – 67 % 1 auf. Dabei sind Unternehmen am neuheiten und 38,7 % auf Nachahmerinnovationen. Hochlohnstandort Deutschland in hohem Maße auf 36 % aller Unternehmen in dieser Branche sind mit innovative Produkte angewiesen. Deutschland liegt Neuheiten am Markt präsent 5. nach einem internationalen Vergleich des Instituts der deutschen Wirtschaft 3 bei den Arbeitskosten im verarbeitenden Gewerbe auf Platz sieben. Der resultie- rende hohe Bedarf an FuE-Aktivitäten spiegelt sich ■■ Umsatz im verarbeitenden Gewerbe in direkt in den FuE-Aufwendungen der Firmen wider. Deutschland (2013): mehr als 1,5 Bio. € mit In den Branchen mit hohem Exportanteil entsprachen knapp 6 Mio. Beschäftigten 2012 die firmeninternen FuE-Aufwendungen 4 einem ■■ Wert exportierter Waren (2012): 1,1 Bio. € Umsatzanteil von 5 % (Kraftfahrzeugbau), 7,5 % (sonstiger Fahrzeugbau) oder 10 % (pharmazeutische ■■ Exportquote im verarbeitenden Gewerbe (2012): Industrie, Herstellung optischer und elektronischer 45 % Erzeugnisse). Entsprechend hoch ist auch der Umsatz- ■■ Werkstoffe haben eine Schlüsselrolle im anteil neu eingeführter oder neu entwickelter Produkte verarbeitenden Gewerbe. in der deutschen Industrie. In 2010 entfielen in der FuE-Aufwendungen in Mrd. € 500 0,2 Energie, Wasser Kraftfahrzeuge Abfall 400 16,7 300 Umsatz [Mrd. €] Chemische Maschinenbau Erzeugnisse 5,1 200 0,1 3,6 0,1 0,5 1,7 0,7 Kokerei & 100 Baugewerbe Mineralöl 1,3 44,3 0,2 6,7 10 0,9 2,4 0,3 0, 0,1 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 Metallerzeugung Erwerbstätige [Tsd.] Metall- erzeugnisse Pharmazeutische Sonstiger Textilien Glas & Keramik EDV, Optik Gummi & Papier, Holz, Elektrische Installationen Erzeugnisse Fahrzeugbau Kunststoff Druck Ausrüstungen Erwerbstätige und Umsatz im verarbeitenden Gewerbe für 2012 sowie der Energiebranche und des Baugewerbes für das Jahr 2011 2 Die Größe der Kreise repräsentiert die FuE-Aufwendungen der Branche 4 3 IW-Trends – Vierteljahresschrift zur empirischen Wirtschaftsforschung, Institut der deutschen Wirtschaft 3/2012 4 FuE-Datenreport 2013 Analysen und Vergleiche, Wissenschaftsstatistik GmbH im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft 5 Branchenreport 2013, Herstellung von Kraftwagen und Kraftwagenteilen, Statista GmbH & Handelsblatt GmbH
22 WERKSTOFFE: FAKTEN, AUSGANGSSITUATION UND PROGNOSEN Innovative Werkstoffe sind der entscheidende der Kostenstruktur in den alten Bundesländern noch 37 % 10 . Wettbewerbsfaktor Allein der Wert der in Deutschland verwendeten Rohstoffe belief sich im Jahr 2010 auf etwa 138 Mrd. €, wobei Neue Werkstoffe sind oft der entscheidende Treiber Rohstoffe im Wert von etwa 110 Mrd. € importiert bei der Entwicklung innovativer Produkte. Schätzungen wurden 11 . Angesichts eines globalen Wettbewerbs, auch zufolge basieren heute bis zu 70 % 6,7 aller neuen Erzeug- bei der Rohstoffversorgung, resultiert aus dem hohen nisse auf neuen Werkstoffen. Darüber hinaus nimmt Materialkostenanteil und dem signifikanten Importanteil auch die Bedeutung von Materialien als Kostenfaktor eine große Verletzlichkeit des verarbeitenden Gewerbes. in Deutschland stetig zu. Während durch die fortschrei- Gerade bei Zukunftstechnologien, wie der Elektromobilität, tende Automatisierung der Anteil der Personalkosten Energieversorgung oder der Telekommunikation, wird die im produzierenden Gewerbe kontinuierlich sinkt Versorgung mit bestimmten Rohstoffen derzeit als kritisch (1999: 23,4 %; 2009: 20,5 %) 8 , entfielen 2009 im Durch- oder sehr kritisch eingestuft (IZT) 12 , so dass eine effiziente schnitt der Branchen des verarbeitenden Gewerbes Nutzung neuer Materialien, insbesondere in diesen 42,9 % des Bruttoproduktionswertes auf Materialkosten 8,9. Bereichen, immer mehr an Bedeutung gewinnt. Im Vergleich dazu betrug im Jahr 1991 der Materialanteil an 1991 2009 1 4 1 3 3 3 9 10 1 2 2 38 3 2 2 43 11 11 2 2 26 Angaben in % 21 Angaben in % Zinsen Sonstige Kosten Lohnarbeiten Abschreibungen Mieten Handelswaren Personalkosten Kosten Steuern Dienstleistungen Energiekosten Materialkosten ohne Energie Kostenstruktur im verarbeitenden Gewerbe für 1991 10 und 2009 9 6 Studie „Werkstoffinnovationen für nachhaltige Mobilität und Energieversorgung“, Verein Deutscher Ingenieure e.V., 2014 7 acatech diskutiert, Werkstoffe als Motor für Innovationen, Hartwig Höcker (Hrsg.), acatech workshop, Berlin, 17. Oktober 2007 8 Wettbewerbsvorteil Ressourceneffizienz, VDI Zentrum Ressourceneffizienz 9 Statistisches Jahrbuch 2011 10 Statistisches Jahrbuch 1993 11 Faktenpapier nicht-energetische Rohstoffe, Hintergrundinformationen zum IHK-Jahresthema 2012 „Energie und Rohstoffe für morgen“, Deutscher Industrie- und Handelskammertag 2011 12 Kritische Rohstoffe für Deutschland, Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT im Auftrag der KfW Bankengruppe, adelphi, Berlin, 2011
WERKSTOFFE: FAKTEN, AUSGANGSSITUATION UND PROGNOSEN 23 Bruttoproduktionswert 100 Mrd. € 8 7 Glas & Keramik Metaller- 6 zeugung Energiekostenanteil [%] 5 4 Chemische Gummi & Erzeugnisse Kunststoff 3 2 1 Pharmazeutische Metall- Erzeugnisse erzeugnisse 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Kostenanteil nichtenergetischer Materialien [%] EDV, Optik Elektrische Maschinenbau Kokerei & Sonstiger Kraftfahr - Ausrüstungen Mineralöl F ahrzeugbau zeuge Statistisches Bundesamt, Fachserie 4, Reihe 4.3, Produzierendes Gewerbe, 2011 Anteil der Material- und Energiekosten am Bruttoproduktionswert in den Branchen des deutschen verarbeitenden Gewerbes 13 Die branchenübergreifende Bedeutung innovativer Prognosen zur wirtschaftlichen Bedeutung neuer Materialien zeigt sich auch in der Zahl der Patentan Materialien und Werkstoffe meldungen. Im Jahr 2012 wurden 25 % aller europäischen Patente im Technologiefeld Chemie 14 eingereicht, obwohl Angesichts der großen Bedeutung innovativer Materialien der Anteil der Chemiebranche am Umsatz des verarbei- und Werkstoffe wird für deren Markt ein deutliches tenden Gewerbes in Deutschland bei unter 10 % lag. Dabei Wachstum vorausgesagt. Dies spiegelt sich in unterschied- entfielen 9 % der Anmeldungen auf die Bereiche Polymer- lichen Aspekten wie der Entwicklung neuer Produkte, und Rohstoffchemie, Metalle und Materialien, Ober der Versorgung mit Rohstoffen und als Kostenfaktor im flächen- und Nanotechnologie, aus denen sich ein direkter produzierenden Gewerbe wider. Ausgehend von einem Bezug zu Anwendungen in innovationsrelevanten Umsatz für neue und fortgeschrittene Materialien von Branchen (z. B. Auto, Maschinenbau, Luftfahrt) ergaben. 75 Mrd. $ im Jahr 2008 prognostiziert eine Studie der Europäischen Kommission 15 eine positive Entwicklung und einen Marktumfang von 230 Mrd. $ für das Jahr 2030. ■■ Bis zu 70 % aller neuen Produkte basieren auf Dabei werden insbesondere bei neuen Materialien mit neuen Werkstoffen breitbandiger Anwendung sowie bei solchen für den ■■ Materialkostenanteil im verarbeitenden Umwelt- und Energiebereich überproportionale Umsatz- Gewerbe lag 2009 bei etwa 43 % und steigt steigerungen erwartet. weiter an Wie im Folgenden an drei Werkstoffgruppen ■■ Deutsche Rohstoffimporte beliefen sich 2010 exemplarisch gezeigt, unterscheiden sich die Prognosen auf 110 Mrd. € für einzelne Materialklassen zum Teil deutlich. So rechnet man für carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) 13 Statistisches Bundesamt, Fachserie 4, Reihe 4.3., Produzierendes Gewerbe, 2011 14 Technologiefeldzuordnung nach IPC-Technologie Concordance Table 15 Technology and market perspective for future Value Added Materials, European Commission, 2012
24 WERKSTOFFE: FAKTEN, AUSGANGSSITUATION UND PROGNOSEN mit einem jährlichen Wachstum von 17 % und einem globalen Marktvolumen von bis zu 20 Mrd. €/ Jahr im Jahr 2020 (2012: 5 – 7,5 Mrd. €) 16. Für Hochleistungs keramiken wird, ausgehend von einem Umsatz von 46 Mrd. € im Jahr 2012, ein Anstieg von 6,2 % / Jahr auf 68 Mrd. € im Jahr 2018 17 erwartet. Auch für den Markt keramischer Verbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites, CMC) mit einem weltweiten Umsatz von 640 Mio. € im Jahr 2010 wird bis 2015 ein kontinuier- liches Wachstum von 8,3 % jährlich prognostiziert. Langfristig sollen jedoch neue Märkte für CMCs im Bereich Energie, Wärmetechnik, Luft- / Raumfahrt, Automobil und Sicherheit sowie ein zusätzliches Marktpotenzial von 1 Mrd. € 18 erschlossen werden. Übereinstimmend zeigt sich in allen Prognosen die in Zukunft weiter wachsende wirtschaftliche Bedeutung innovativer Werkstoffe. ■■ Marktprognose für neue und fortgeschrittene Materialien für 2030: 230 Mrd. $ mit enormem Wertschöpfungspotenzial für vielfältige Produkte ■■ Beispiel Keramische Verbundwerkstoffe: Wirtschaft weltweiter Umsatz 640 Mio. €, Wachstum bis 2015 von rund 8 % jährlich prognostiziert Der hohe Anteil des produzierenden Gewerbes an der Wertschöpfung in Deutschland ist eine wesentliche Grundlage zur Sicherung des Wohlstands. Insbesondere bei der Fertigung forschungs- und entwicklungsinten- Herausforderungen und Chancen der Material siver Güter ist die deutsche Industrie weltweit führend. wissenschaft und Werkstofftechnik Neben international agierenden Industrieunternehmen spielen dabei hoch spezialisierte und interdisziplinär Das Rahmenprogramm „Vom Material zur Innovation“ vernetzte KMU mit ihrem im internationalen Vergleich greift als lernendes Programm neue Trends und hohen Umsatz- und Beschäftigungsanteil als „hidden Themen auf und kann so auf aktuelle Entwicklungen champions“ eine wichtige Rolle. Auch international reagieren. Ausgehend von der gegenwärtigen Situation rückt die Bedeutung des produzierenden Gewerbes, der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sind etwa durch Programme zur „Reindustrialisierung“, bereits heute die in Wirtschaft und Gesellschaft immer stärker in den Fokus. Wertschöpfungsnetzwerke absehbaren Entwicklungen und die sich hieraus für werden zunehmend global gestaltet, was mit einer den Werkstoffsektor ergebenden Herausforderungen wachsenden Konkurrenz um Produktionsstandorte und Chancen in die Programmziele eingeflossen. und Ressourcen einhergeht. Die Verlagerung von Produktionsstätten ins Ausland ist oft auch mit einer Verlagerung von Entwicklungsabteilungen und dem 16 E. Witten, B. Jahn; Composites-Marktbericht 2013; Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen, Carbon Composites e. V., Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe e. V.; 2014 17 Zukunftspotenziale von Hochleistungskeramiken, Deutsche Keramische Gesellschaft, Verband der Keramischen Industrie, Deutsche Gesellschaft für Materialkunde e.V. 2014 18 Ceramic Composites 2050, Carbon Composites e.V., 2012
WERKSTOFFE: FAKTEN, AUSGANGSSITUATION UND PROGNOSEN 25 Verlust an FuE-Potenzial hierzulande verbunden. Reduktion von Entwicklungszeiten genutzt werden. In vielen Branchen werden jedoch durch immer Insbesondere bei der Einführung der digitalisierten kürzere Produkt- und Innovationszyklen sowie Produktion und der damit verbundenen Veränderung steigende Umweltanforderungen immer höhere von Fertigungsverfahren, Prozessabläufe und Logistik FuE-Aufwendungen erforderlich. Darüber hinaus werden sich durch den dabei entstehenden Bedarf werden aufkommende und disruptive Technologien, nach neuen Materialien vielfältige Möglichkeiten z. B. in den Fertigungsverfahren oder durch die eröffnen. Massenproduktion von Batterien, die Struktur ganzer Industriebereiche drastisch verändern. Um die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit aufrechtzuerhalten, ist eine Absicherung der Rohstoff- Bei fortschreitender Globalisierung müssen sich versorgung zwingend erforderlich. Durch die Entwick- weltweit agierende Unternehmen mit ihren nationalen lung leistungsfähiger Substitutionswerkstoffe und Standorten in internationalen Wertschöpfungsnetz- Recyclingverfahren kann die Abhängigkeit, insbesondere werken erfolgreich positionieren. Die gezielte Weiter- von kritischen Rohstoffen, reduziert werden. entwicklung ausgewählter Wertschöpfungsketten im Bereich aufkommender Technologien, etwa der Elektro- Bei der Nutzung sich eröffnender Chancen kommt mobilität, eröffnen dabei neue Chancen. Die exzellenten der Sicherung und dem Ausbau des vorhandenen Kompetenzen in der Materialforschung hierzulande Wissens eine Schlüsselrolle zu. Durch die Erhaltung ermöglichen es den Unternehmen, neue Werkstoffe und den Aufbau von FuE-Arbeitsplätzen, vor allem in zu entwickeln und somit neue Märkte durch Hightech- Branchen mit einer personalintensiven Forschung, Materialien und dazugehörige Verfahren zu erschließen. können Wettbewerbsfähigkeit und Fachkräfteausbildung Internationale Märkte können auch durch ein früh gesichert werden. Speziell für einen prosperierenden zeitiges Engagement in Gremien zur Standardisierung Mittelstand ist die Aufrechterhaltung des Innovations- und Normung mitgestaltet und Einsparpotenziale potenzials in einer komplexer werdenden Umgebung durch die Senkung von Materialkosten oder die von hoher Bedeutung.
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