3D-Printing: Die nächste industrielle Revolution?

Spielzeug, mechanische Geräte und Körperteile aus dem Drucker: Sogenannt additive Herstellungstechniken dringen in immer weitere Bereiche des Lebens vor und versprechen nichts weniger als eine industrielle Revolution. Die Wachstumsraten der 3D-Drucker-Industrie sind zweistellig - auch in der Schweiz.
 
Inzwischen kennt sie jeder technisch interessierte Mensch: Die Plastikfiguren, -Raketen, -Schuhe und Handy-Hüllen in knalligen Farben, die sich mit den aktuell erhältlichen 3D-Printern für Heimanwender in ein paar Stunden "ausdrucken" lassen. Rund drei Dutzend Geräte, vom 1800 Franken teuren Desktop-3D-Printer bis zum High-Tech-Industrie-3D-Drucker, verkauft der weltweit erste 3D-Printer-Walk-in-Shop 3D-model.ch an der Zürcher Langstrasse monatlich – und das Geschäft wächst.
 
An den Workshops der Inhaber Christiane Fimpel und Phil Binkert findet sich regelmässig ein bunter Mix von Interessenten aus allen erdenklichen Berufssparten ein. Sie kommen, um die Möglichkeiten der Technologie kennenzulernen und Anwendungen im eigenen Unternehmen zu prüfen.
 
"Eigentlich betreiben wir Marktaufbau", sagt Kommunikationsfachfrau Fimpel, die sich "Ideenbeschleunigerin" nennt. "Wir haben mit 3D-model.ch eine einzigartige Ausgangslage, um die nächste industrielle Revolution zu unterstützen: Als Geräteimporteur und -Verkäufer, Dienstleister mit leistungsfähigen Druckern und Kompetenzzentrum für Kunden decken wir alle Bereiche ab, welche Industrie und Konsumenten brauchen, um selber produzieren zu können." Zusammen mit Architekt Phil Binkert hat sie den 3D-Druckershop vor vier Jahren in einem Keller im Zürcher Kreis vier lanciert und sich buchstäblich in ein repräsentatives Ladenlokal hochgearbeitet. In wenigen Jahren hat sich das Paar schweizweit einen Namen gemacht.
 
Erste Patente laufen aus
Die Medienaufmerksamkeit, welche 3D-model.ch und den beiden Geschäftsinhabern plötzlich zuteil wird, hat allerdings weitere Gründe. Seit Anfang 2012 die ersten industriell produzierten Personal-3D-Drucker zu Preisen unter 2000 Franken auf den Markt kamen, sind Journalisten und Konsumenten auf die Technologie aufmerksam geworden. In der Industrie waren die Maschinen bereits seit Jahren im Einsatz, allerdings meist nur für Rapid Prototyping. Jetzt rücken weitere Anwendungszwecke und vor allem auch Rapid Manufacturing in den Vordergrund. Auch in der Schweiz: Laut Martin Affolter, Geschäftsführer Rapid Prototyping bei Steiner Werkzeugmaschinen in Gränichen, ist der Umsatz mit 3D-Printern im ersten Quartal 2013 auf das Gesamtvolumen dessen von 2012 explodiert. Er liege im "unteren einstelligen Millionenbereich", sagt Affolter. Steiner beliefert in erster Linie Industriebetriebe mit Maschinen in der Preisklasse von 40'000 bis 120'000 Franken.
 
Ein weiterer Grund für das plötzliche Aufheben um die Technologie ist laut Frédéric Thiesse, Professor für Informatik und Systementwicklung an der Universität Würzburg, das Auslaufen der ersten Patente. Das hat Bewegung in den Markt gebracht, der bisher einigen wenigen Spezialisten vorbehalten war. Und das eine ganze Menschengeneration lang: Additive Manufacturing, wie 3D-Printing im Fachjargon heisst, ist bereits mehr als ein Viertel Jahrhundert alt. Das Prinzip ist einfach: Statt ein digitales 3D-Objekt aus einem Block Rohmaterial per CNC herauszufräsen, wird das Material schichtweise zum Objekt aufgebaut. Dabei fällt nicht nur praktisch kein Abfall an, es sind vor allem viel komplexere Strukturen in einem einzigen Arbeitsgang herstellbar.
 
In den Desktop-Druckern für den Heimwerker wird dazu ein Kunststoffdraht in einem Druckkopf verflüssigt und – wie beim Tintenstrahldrucker - in zwei Dimensionen auf das Werkstück aufgebracht. Nach jeder Schicht wird der "Tisch" mit dem Werkstück abgesenkt (dritte Dimension) und die nächste Schicht gedruckt.
 
Exaktere Strukturen ermöglichen Pulver-Drucker, die nicht das Material selber, sondern ein Härtungsmittel in eine hauchdünne Schicht Gips-Pulver einspritzen, auf welche die nächste Pulverschicht aufgebracht wird. Beim Sinter-Verfahren schliesslich wird das Material-Pulver – beispielsweise Metalle – an den gewünschten Stellen mit einem Laserstrahl geschmolzen und mit der vorherigen Schicht verbunden.
 
Rund 15 verschiedene Verfahren gibt es und ein Vielfaches an verarbeitbaren Materialien; von Kunststoff über Glas, Keramik bis zu Metallen und sogar lebenden Zellen kann alles "gedruckt" werden. Die entscheidenden Vorteile dabei: Am Computer entwickelte dreidimensionale Modelle lassen sich ohne weitere Vorarbeit realisieren; Anpassungen und Individualisierungen sind jederzeit und für jedes Stück möglich, und der Verbrauch an Rohmaterial beschränkt sich auf das effektiv notwendige. Vor allem aber sind Gebilde mit geschlossenen Hohlräumen oder komplexe Strukturen aus beweglichen Teilen in einem Durchgang herstellbar. Ein fixfertiges Zahnrad-Getriebe etwa oder ein ganzes Kleid aus einzelnen Ringen im Kettenhemd-Stil. Nachdem die Technologie zwanzig Jahre lang ein Schattendasein als exklusive Methode für Rapid Prototyping gefristet hat, wird der 3D-Druck jetzt als Querschnittstechnologie gefeiert und als Schlüssel zum "Rapid Manufacturing" vorangetrieben.
 
Das regt die Phantasie und die Begehrlichkeiten an: Nicht nur der Heimwerker möchte künftig seine Ersatzteile selber entwerfen und gleich ausdrucken. Auch Industrieanwender entdecken den Nutzen der Technologie in der Produktion. Der Snowboard-Hersteller Burton etwa druckt inzwischen Bindungen für seine Bretter, der britische Fahrrad-Hersteller Charge lässt Teile für seine Bikes aus Titan sintern. Laut Affolter werden die hochwertigen Maschinen (mit Preisen ab 40'000 bis zu einer Million Franken) von Industriekunden zunächst meist für das Prototyping angeschafft – namentlich in der Uhren-, Schmuck, Elektronik-, Ingenieur- und Maschinenindustrie. Rückmeldungen zeigten aber, dass rasch alle Abteilungen der Firmen die Möglichkeiten der Maschine erkennen und sie für ihre Zwecke einzusetzen wissen.
 
Neue Disruptionen
Die Politik ist bereits auf den Zug aufgesprungen und besetzt das Thema als Heilsbringer im Kampf gegen den Verlust der Fertigungsindustrie an Billiglohnländer. US-Präsident Barack Obama versprach in seiner Jahresrede Investitionen in den 3D-Druck, und der Vizepräsident der EU-Kommission und Wirtschaftsförderer Antonio Tajani verweist bei jeder Gelegenheit darauf, dass dank Additive Manufacturing die Eigenproduktion in der EU binnen der nächsten paar Jahre von 12 Prozent auf 16 Prozent angehoben werden soll.
 
Amerikanische Wirtschaftpublikationen sehen eine industrielle Revolution auf uns zukommen, die mit Desktop-Druckern in jedem Haushalt ins Rollen gebracht wird. Der millionenfache Ausdruck billiger Spielwaren aus einem virtuellen Versandhandel und Online-Plattformen wie derjenigen von Shapeways.com ist der Anfang, der industrielle Druck ganzer Autos und Flugzeuge noch lange nicht das Ende.
 
Der Long-Tail in der Produktion
Zumindest den Teil der Geschichte mit dem haushalteigenen Drucker und der Serienfertigung dank Additive Manufacturing zieht Professor Thiesse in starke Zweifel. "AM ist auf absehbare Zeit noch keine Konkurrenz für die herkömmlichen Massenfertigungsverfahren. Diese sind über lange Zeit optimiert worden und heute ausserordentlich kostengünstig und effizient."
 
3D-Druck sei derzeit noch eine Nischentechnologie, die allerdings einen entscheidenden neuen Faktor aufweise: Theoretisch sei damit alles machbar. "Es ist der Long-Tail in der Produktion." So, wie Amazon mit kleinen Stückzahlen und dafür umso grösserer Auswahl Umsatz bolzt, werde der 3D-Druck es ermöglichen, "auch Produkte anzubieten, deren Herstellung sich bisher aufgrund geringer Stückzahlen nicht gelohnt hätte."
 
Das bedeutet aber auch, dass sich der Spiess umdreht: Thiesse sieht die Disruption der Technologie nicht im Massenmarkt. Vielmehr dürften zunächst in den Industrieländern ausgerechnet Geschäftsfelder unter Druck kommen, die bisher aufgrund hoher Spezialisierung konkurrenzlos waren. Dazu gehören beispielsweise der Architekturmodellbau, die Zahntechnik und alle andern Felder, in denen individuelle Einzellösungen aufgrund dreidimensionaler Kundendaten erstellt werden.
 
Auswirkungen werden auch andernorts zu spüren sein, etwa in der Logistik-Branche, die sich bereits an Kongressen mit den Folgen von 3D-Printing für ihr Geschäftsmodell befasst. Aber daneben wird ein ganzes Umfeld an neuen Dienstleistungen entstehen, die mit dem 3D-Druck in Zusammenhang stehen, von der Datenerfassung (Scanning) über den Tausch oder den Verkauf von virtuellen Objekten bis zu deren Bearbeitung.
 
Bis in jedem Haus ein 3D-Drucker steht und Kleinteile nicht mehr verschickt, sondern als Dateien zum Ausdruck übermittelt werden, dürfte es noch eine Weile dauern. Die Umsätze aus dem Desktop-3D-Printermarkt, obwohl die Erwartungen weit übertreffend, sind im Gesamtgeschäft der Hersteller noch nicht der Rede wert. Ohnehin belief sich der gesamte 3D-Printing-Gerätemarkt laut dem US-Marktforschungsinstitut IBIS im Jahr 2012 noch auf keine zwei Milliarden Dollar.
 
Das Wachstum allerdings hat es in sich: In den letzten zwanzig Jahren hatte die Industrie bis auf zwei kurze Einschnitte (während des Dotcom-Crashs 2001 und der Finanzkrise 2009) permanent zweistellige Wachstumsraten zu verzeichnen. Seit Januar 2012 ist der Börsenwert von Marktführer 3DSystems um 300, jener von Hauptkonkurrent Stratasys um 150 Prozent gestiegen. Nach einem kurzzeitigen Absturz im März haben sich beide Werte wieder auf dem vorherigen Niveau eingependelt – und steigen weiter.
 
Das dürfte nicht zuletzt darauf zurückzuführen sein, dass die beiden in dem gehypten Umfeld allein auf weiter Flur stehen – und beide alles daran setzen, dass das so bleibt: Neben einer ganzen Reihe weiterer Akquisitionen hat sich 3DSystems 2012 den grossen Konkurrenten ZPrinter einverleibt. Und Stratasys hat sich in einem reinen Aktien-Merger mit der Nummer vier im Markt, Objet, zusammengetan. Das Kapital der Firmen sind ihre Patente, sagt Affolter von Steiner, und die fangen an, auszulaufen. Um sich gegen Giganten wie Druckerhersteller HP (der eigene 3D-Drucker bisher in Lizenz von Zprinter herstellen liess) zu wehren, will 3DSystems-Chef Abraham Reichental so schnell wie möglich wachsen: "Unsere beste Verteidigung besteht darin, zum 800-Pfund-Gorilla zu werden, bevor sie uns schlucken können."
 
Die Chancen dazu sind gut, denn Marktanalysten wie die Wohlers Associates in Fort Collins, die jährlich einen ausführlichen Markbericht herausgibt, sagt der Branche ein explosionsartiges Wachstum voraus. Hier zumindest decken sich die Erwartungen der Politik und der Wirtschaft. Im Durchschnitt gaben die von Wohlers befragten Analysten zwar eine bestehende Marktdurchdringung von 8 Prozent zu Protokoll. Hinter vorgehaltener Hand allerdings, schreiben die Autoren, hätten mehrere der Experten die Vermutung geäussert, dass sich das Potential des Marktes nicht auf die so berechneten 20, sondern eher auf 200 Milliarden Dollar belaufen dürfte.
 
Einen erheblichen Teil davon werden Dienstleistungen, Software und vor allem Grundstoffe ausmachen. Bereits jetzt setzen 3DSystems und auch die New Yorker Heimprinter-Manufaktur Makerbot auf das Rockefeller-Modell: Preiswerte Drucker, teure Rohstoffe, Modellinhalte und Dienste. Jeder Hersteller versucht derzeit, wie seinerzeit AOL im Internet, sein eigenes Ökosystem (oder auch "walled garden") zu etablieren und den Kunden langfristig daran zu binden. "Auch wenn der Rohstoff in der Regel ABS ist", sagt Frederic Thiesse, "können die Hersteller Dritte vom Rohstoffhandel ausschliessen: Denn die Zusammensetzung von ABS ist nicht genormt." 3DSystems verwendet in ihren neueren Kunststoff-Druckern fixfertige Plastik-Kabel-Patronen, die nur eingesetzt und, wenn sie leer sind, zum Auffüllen zurückgeschickt werden müssen. Ob das Modell wie bei den Tintenstrahldruckern aufgehen wird, ist offen.
 
Copyright-Probleme von nie erahntem Ausmass
Damit sich die Technologie auch im Konsumentenalltag durchsetzt, auf den die amerikanischen Hersteller als nächsten Schritt hoffen, sind ohnehin andere Hürden zu überwinden. Da wäre beispielsweise das Datenformat für die zu druckenden Objekte, das derzeit in einem De-facto-Standard namens STL (für Stereolithographie) besteht: Dieser Standard ist nicht in der Lage, Kurven oder Oberflächenstrukturen in Objekten zu beschreiben, sagt Fréderic Thiesse. Vor allem aber ist der Weg zu einer solchen Datei für den Normalanwender noch bei weitem zu komplex, mehr noch als die Druckersteuerung in den Anfängen der Word-Prozessoren. Damit sich die 3D-Drucker-Technologie im Alltag durchsetzt, sagt Thiesse, müssten zwei Bedingungen erfüllt werden: Es muss eine Software vorliegen, die so einfach zu bedienen ist wie beispielsweise Word oder wenigstens Photoshop und 3D-Objekte erzeugt; und es braucht 3DScanner, mit denen bestehende Objekte eingelesen und weiter bearbeitet werden können.
 
Letzteres dürfte sich mit einer der nächsten Generation von Desktopprintern erfüllen, wenn der Kasten auf dem Schreibtisch mit einem einfachen Stereo-Kamerasystem und einem Drehteller zum Multifunktions-3D-Gerät weiterentwickelt wird. Der Schritt zum Fax für physische Gegenstände ist dann nicht mehr weit.
 
Worin sich eine weitere Knacknuss für die Industrie offenbart: Die Frage nach dem Kopierschutz. Designer-Haushaltgegenstände, Ersatzteile, ganze Produkte werden dannzumal nicht nur auf Knopfdruck reproduziert, sondern auch im Internet veröffentlicht werden. Untersuchungen der Wertschöpfungskette von Apples iPhone hätten gezeigt, dass der Wert des Produkts zu überwiegenden Teilen im Design und in der Entwicklung liegt. Die eigentliche Fertigung ist nur ein sehr kleiner Kostenfaktor der Preiskalkulation.
 
"Die Hersteller müssen erkennen, dass die 3D-Modelle zum eigentlichen Produkt werden", sagt Thiesse. Noch gibt es ein Vakuum an Objekten für Heim-3D-Drucker – obschon die berüchtigte schwedische Tauschbörse Piratebay auch eine Sektion für solche Daten hatte, oder der MakerBot-Hersteller auf eine offenes Forum für von den Nutzern hochgeladene Dateien namens Thingiverse setzt. Bisher ist namentlich Nokia mit einem Versuch zur "Open Innovation" aufgefallen, die eine Handy-Hülle als 3D-Datei zur freien Verfügung stellte und auf Verbesserungen durch die Community setzt. "Es müssen ein paar Unternehmen damit anfangen - dann kommt es zu einem Dammbruch", ist Thiesse überzeugt.
 
Für die kommenden Jahre sieht er allerdings den Boom der 3D-Drucker nach wie vor in der Industrie und nicht bei den Konsumenten. Die Demokratisierung der Produktion wird noch ein Weilchen auf sich warten lassen. (Peter Sennhauser)
 
Hinweis: Im Rahmen der Web- und Marketing-Messe ONE findet am Donnerstag eine Konferenz zum Thema 3D-Druck statt.
 
(Foto: Tennis-Star Roger Federer zeigt den "Swiss Indoors Number One History Award", der von 3D-model.ch mit einem 3D-Drucker erzeugt wurde.)