Vom Material zur Innovation - Rahmenprogramm zur Förderung der Materialforschung - BMBF
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Vom Material zur Innovation Rahmenprogramm zur Förderung der Materialforschung
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
2
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
SCHLAGLICHTER: POTENZIALE NEUER MATERIALIEN 7
Mobilität Gesellschaft
Lebensqualität Wirtschaft
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 darauf16 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 Nachhaltigkeit18 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
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De
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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 2013WERKSTOFFE: 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 GmbH22 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, 2011WERKSTOFFE: 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, 201224 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., 2012WERKSTOFFE: 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.Sie können auch lesen
