Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung der Arbeit
1.3 Vorgehensweise
2 Additive Fertigungsverfahren und deren Anwendungen
2.1 Definition und Verfahrenssystematik
2.2 Zugang für die Öffentlichkeit: FabLabs
2.3 3D-Drucker
2.3.1 Begriffsbestimmung und Entwicklung
2.3.2 Funktionsweise der Schichtbauweise
2.3.3 Vorteile und Potenzial gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren
2.3.4 Stand der Technik
3 Definition und Theorie der disruptiven Technologie
3.1 Charakterisierung und Einordnung des Begriffs
3.2 Darstellung der Theorie von Clayton Christensen
3.3 Umgang mit disruptiver Technologie
4 Der Einfluss von 3D-Druckern auf die Logistikindustrie
4.1 Aktuelle Situation und Wahrnehmung in der Praxis
4.2 Ursachen für den Hype
4.3 Auswirkungen auf die Logistikbranche und kritische Betrachtungen
4.4 Zukünftige Szenarien auf Basis der additiven Fertigung
5 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Internetverzeichnis
Abb. 2-1: Das FabLab in der Region Nürnberg
Abb. 2-2: Grundlegende Prozessbeschreibung der Schichtbauweise
Abb. 2-3: Globaler Absatzmarkt für 3D-Drucker und -Dienstleistungen
Abb. 2-4: Globale Umsatzprognosen für 3D-Drucker und -Dienstleistungen
Abb. 4-1: Hype Cycle-Kurve von Gartner
Tab. 2-1: Klassifizierung nach festem Ausgangsmaterial
Tab. 2-2: Klassifizierung nach flüssigem oder gasförmigem Ausgangsmaterial
Tab. 2-3: Übersicht der aktuellen 3D-Druckverfahren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Die Marktsituation tendiert zu immer kürzeren Entwicklungszeiten, und parallel dazu steigen die Produktkomplexität und Nachfrage nach individuellen Produkten.1 Vor diesem Hintergrund erweisen sich die „Additiven Fertigungsverfahren“ als effektive Werkzeuge. Sie ermöglichen schnelle Prozesse in der Produktherstellung.
In den letzten Jahren wurden diese Verfahren stets weiterentwickelt, insbesondere das 3D-Druckverfahren erfuhr beachtliche Verbesserungen in Qualität, Präzision und Materialauswahl.2 Der wesentliche Vorteil des genannten Verfahrens ist, dass direkt aus CAD-Daten am Computer über den 3D-Drucker produziert werden kann.3 Außerdem können nahezu beliebige Geometrien hergestellt werden.4,5 Somit lassen sich zum Beispiel verschachtelte Hohlräume erzeugen, die hingegen mit dem klassischen Spritzgussverfahren nur mit einem erhöhten Aufwand oder erst gar nicht möglich wären.
Heute können nicht nur Kunststoffe zu physischen Objekten gedruckt werden, inzwischen reichen die verwendeten Rohstoffe von Beton über Papier bis hin zu Metall.6,7 Die Biotechniker können sogar unter Laborbedingung mit ihren medizinischen Druckern menschliche Gewebestrukturen aus lebenden Zellen drucken.8 Die herstellende Industrie hat schon längst die Vorteile dieser Technologie aufgegriffen und nutzt sie zur Erzeugung von Prototypen, Kleinserienteilen und Werkzeugen.9
Parallel zu der dargestellten technologischen Entwicklung wurden zunehmend Produktions- und Innovationsaktivitäten zum Teil in Richtung des Kunden verlagert.10,11,12 Bei dieser Art der Prozessgestaltung wird der Kunde gezielt durch die Unternehmen in einen Teilabschnitt ihrer Wertschöpfungskette integriert und übernimmt Tätigkeiten, die diese zuvor eigenständig durchgeführt haben. So wird beispielhaft in dem Bereich der Telekommunikation die Konfiguration eines Mobilfunkvertrages online durch den Kunden selbst durchgeführt.13
Aktuell reiht sich in der Praxis eine 3D-Druck-Veranstaltung an die andere.14,15,16,17 Intensiv wird über eine bevorstehende industrielle Revolution diskutiert.18,19,20,21 Diese wird durch eine komplette Verlagerung der Produktions- und Innovationsaktivitäten auf den Kunden gekennzeichnet und in der Praxis als „Demokratisierung der Produktion“ bezeichnet.22 Demnach ist der Kunde nicht nur in der Lage, selbst zu erfinden, sondern auch, eigenständig zu produzieren.23 Möglich wird dieses durch den 3D-Drucker.
Vor diesem Hintergrund bezeichnet die global tätige Unternehmensberatung McKinsey & Company den 3D-Drucker als eine disruptive Technologie.24 Demnach ist diese Technologie in der Lage, ganze Märkte und Wertschöpfungsketten grundlegend zu verändern.25
Wenn dies der Fall ist, wird die Entwicklung ebenfalls auf die Logistikbranche Einfluss nehmen. Wie könnte diese Technologie die Logistik verändern, und wie sollte die Logistikbranche auf diesen Fortschritt überhaupt reagieren? „Let’s wait and see“ wäre in dem heutigen dynamischen Umfeld wohl die schlechteste strategische Ausrichtung. So hatte beispielhaft die Musik- und Filmindustrie jahrzehntelang die Entwicklung der Digitalisierung massiv unterschätzt. Jetzt werden immense Summen in den Kampf gegen illegale Plattformen investiert.26
Die vorliegende Ausarbeitung zielt auf die Beantwortung der offenen Fragen, die zuvor in der Problemstellung im Hinblick auf die Entwicklung des 3D-Druckers aufgeworfen wurden.
Demnach besteht die Zielsetzung dieser Arbeit darin, den Einfluss der technologischen und gesellschaftlichen Entwicklung, welche mit der 3D- Drucktechnologie hergeht, bezogen auf die Logistikbranche aufzuzeigen und an Hand eines entworfenen Zukunftsszenarios mögliche Tätigkeitsfelder dieser Branche darzustellen.
Zunächst werden in den nachfolgenden Kapiteln zwei und drei die Grundlagen der vorliegenden Ausarbeitung behandelt. Hierbei umfasst das Kapitel zwei die additiven Fertigungsverfahren. Insbesondere werden in diesem Abschnitt, neben der Definition und Verfahrenssystematik, die Thematiken High-Tech-Labore, sogenannte FabLabs, sowie 3D-Drucker behandelt. Wobei in diesem Abschnitt dem 3D-Drucker die größte Aufmerksamkeit gewidmet wird, weil die Hauptanwendungsbereiche der additiven Fertigungsverfahren in der 3D-Drucktechnologie liegen.
In den Medien und der Praxis wird den additiven Fertigungsverfahren oft eine disruptive Wirkung nachgesagt. Aus diesem Grund greift Kapitel drei die Theorie von Clayton Christensen auf. In der wesentlichsten Form wird diese dargestellt und schließt mit Empfehlungen zum Umgang mit disruptiven Technologien ab.
Aufbauend auf diesen Grundlagen behandelt Kapitel 4 mögliche Einflüsse von 3D- Druckern auf die Logistikindustrie. Zunächst wird im ersten Abschnitt die Wahrnehmung und vorherrschende Situation in der Praxis dargestellt. Hierbei werden nicht nur die Äußerungen von Logistikunternehmen aufgenommen, sondern auch die der Unternehmensberater und der Vordenker unserer Zeit. Der zweite Abschnitt setzt sich unter Beachtung gegebener Restriktionen der Drucktechnologie mit möglichen Auswirkungen auf den Logistiksektor auseinander. Die gesellschaftliche Veränderung, die durch den 3D-Drucker eingeleitet wird, steht hierbei im Vordergrund der kritischen Auseinandersetzung. Danach wird im letzten
Abschnitt ein Zukunftsszenario auf Basis der neuen additiven Fertigungsverfahren für die Logistikbranche konzipiert. Es zeigt mögliche zukünftige Geschäftsmodelle der Logistikbranche auf.
Mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick im letzten Kapitel schließt die Ausarbeitung.
Mittlerweile ist eine Vielzahl an Fertigungsverfahren am Markt präsent. Um einen Überblick zu erhalten, ist es daher notwendig, die Verfahren zu klassifizieren. Im Deutschen werden diese nach der DIN 8580 detailliert in sechs Hauptgruppen eingeteilt. Dann wird diese Gruppe in weitere Untergruppen gegliedert. Die additiven Fertigungsverfahren sind in DIN 8580 (Stand 2003) noch keiner Hauptgruppe zugeordnet.
Jedoch erscheint es sinnvoll, diese in die Hauptgruppe 1 „Urformen“ einzugliedern, denn das geforderte Merkmal des Stoffzusammenhalts wird durch diese Verfahren erfüllt. Dagegen ergeben sich für die weiterführende Unterteilung entsprechend der Untergruppen Einschränkungen. Demnach ist eine Unterteilung sämtlicher additiver Verfahrensweisen nach DIN 8580 (2003) nicht bzw. nur beschränkt durchführbar.
Hingegen lässt sich die angelsächsische gebräuchliche gröbere Einteilung an dieser Stelle eindeutig durchführen.27 Die Erzeugung der Geometrie hat entscheidenden Einfluss auf die Strukturierung der Fertigungsverfahren im Rahmen dieser Gliederungssystematik. Folglich lässt sich die Gesamtheit der Fertigungsverfahren in drei Klassen gliedern:
-Subtraktive Fertigungsverfahren -Formative Fertigungsverfahren -Additive Fertigungsverfahren Die subtraktive Fertigung fasst alle abtragenden Verfahren, wie z. B. das Drehen, Fräsen etc., zusammen. Durch diese Art der Fertigung wird die gewünschte Geometrie aus einem Halbzeug durch das Abtragen bzw. Entfernen von überschüssigem Rohmaterial erzeugt.28
Hingegen wird beim formativen Fertigungsverfahren ein gegebenes Volumen eines Halbzeugs durch eine einwirkende Werkzeugform in die gewünschte Geometrie umgeformt.29 Unter diese Klasse fallen das Schmieden und Tiefziehen.
Additive Fertigung steht für eine Verfahrensweise, die sich durch eine aneinanderreihende Tätigkeit auszeichnet.30 Das heißt, sie umfasst alle Verfahren, die durch sukzessives, elementweises oder schichtweises Hinzufügen von Ausgangsmaterial eine gewünschte Geometrie urformen.31 Die
Hauptanwendungsbereiche der additiven Verfahren liegen in der 3D- Drucktechnologie.32
In Praxis und Literatur werden die Begriffe „generative Fertigung“ oder „Rapid Technology“ analog zu dem Begriff „additive Fertigung“ verwendet. Außerdem werden unterschiedliche Bezeichnungen verwendet, die sich aus dem gewünschten Ergebnis des Verfahrens herleiten.33 So wird der Begriff „Rapid Tooling“ verwendet, wenn ein Werkzeug hergestellt wird. Werden Prototypen erzeugt, dann handelt es sich um „Rapid Prototyping“. „Additive Manufacturing“ bezeichnet die Fertigung von Endprodukten, jedoch haben sich in der Industrie zahlreiche äquivalente Begriffe etabliert, wie z. B. „Rapid Manufacturing“, „Digital Fabrication“, „e-Manufacturing“, „Digital Manufacturing“ oder „Direct Manufacturing“.34
In der Praxis wird auf Basis der rechnerinternen Datenmodelle aus formlosem oder formneutralem Ausgangsmaterial ein benötigtes Objekt mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse gefertigt. Bei den meisten additiven Verfahren kommen Ausgangsmaterialien zum Einsatz, die in festem Zustand vorliegen. Hierzu zählen Draht, Pulver, Platten sowie Folien. Diese festen Stoffe werden beispielsweise technisch durch gezieltes Aufschmelzen und Erstarren oder Aufschneiden und Verkleben zusammengefügt.35 Diese Verfestigungsmechanismen sind von dem Verfahren abhängig. Das Aufschneiden und Verkleben kennzeichnet das Schicht- Laminat-Verfahren, hingegen zeichnen sich die Verfahren Sintern, Extrusion und Schmelzen durch einen Verfestigungsmechanismus aus, der durch Aufschmelzen und Erstarren erfolgt. Beim Verfahren 3D-Drucken wird der Verfestigungsmechanismus durch Verkleben mit Hilfe eines chemischen Binders oder die Polymerisation erreicht. Die größte Materialbandbreite weisen die pulverbasierten Verfahren auf. In der Tab. 2-1 sind additive Verfahren strukturiert abgebildet, deren Ausgangsmaterialien in einem festen Zustand vorliegen.
Beim flüssig oder gasförmig vorliegenden Ausgangsmaterial werden im Rahmen der additiven Fertigung die Verfahren Stereolithographie, Aerosoldrucken sowie Laser Chemical Vapor Deposition (LCVD) eingesetzt.36 Bei den hier betrachteten Ausgangsstoffen erfolgt die Verfestigung durch Polymerisation, Abscheiden sowie chemische Reaktion. In der Tab. 2-2 werden die hier genannten Verfestigungsmechanismen den jeweiligen Verfahren zugeordnet und übersichtlich dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 2-1: Klassifizierung nach festem Ausgangsmaterial37
Aktuell herrscht auf dem Markt eine überschaubare Werkstoffauswahl. Theoretisch betrachtet lässt sich eine Vielzahl an Stoffen mit den additiven Fertigungsverfahren
verarbeiten, jedoch ist die dazugehörige Materialqualifizierung aufwendig.38,39 Die Richtlinie VDI 3405 Blatt 1 fasst die wichtigsten Aspekte zusammen, die bei der additiven Fertigung von polymeren Bauteilen von Wichtigkeit sind.
In der Vergangenheit wurde die additive Fertigung zunächst nur zur Herstellung von Prototypen und Funktionsmodellen in der Industrie verwendet. Heute wird sie immer häufiger, neben der klassischen Anwendung, in Kleinserienproduktionen eingesetzt. In Branchen wie dem Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrt, dem Werkzeug-, Formen- und Automobilbau, der Schmuckindustrie sowie Medizintechnik findet die additive Fertigung Verwendung.40,41,42,43 Durch die sogenannten FabLabs wurde zudem das Interesse des Konsumenten für diese Technologien geweckt und ebenfalls der Zugang zu dieser ermöglicht.44
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tab. 2-2: Klassifizierung nach flüssigem oder gasförmigem Ausgangsmaterial45
FabLabs bringen die additiven Fertigungsverfahren, die bisher ausschließlich in der Industrie verwendet wurden, in die breite Öffentlichkeit. Die Vorteile und Möglichkeiten dieser Technologie werden dem interessierten Konsumenten aufgezeigt, und gleichzeitig ermöglichen die FabLabs einen kostenfreien bzw. kostengünstigen Zugang zu den industriellen Werkzeugen und Verfahrensweisen.
Die eigentliche Bezeichnung „FabLab“ kommt aus dem Englischen und steht für eine Zusammensetzung aus den Begriffen „Fabrication“ und „Laboratory“, im Deutschen für ein Fabrikationslabor.
In diesen Fabrikationslaboren treffen sich Interessierte und tauschen Wissen und Know-how untereinander aus.46 Unter den Interessierten befinden sich nicht nur kreative Persönlichkeiten und Bastler, sondern oft auch Ingenieure oder Konstrukteure. Im Rahmen der Wissensvermittlung werden viele Workshops und Seminare von der Community organisiert und veranstaltet.
Es existieren keine Zugangsberechtigungen oder Barrieren, jeder ist willkommen, der an der Technologie interessiert ist. Zudem sind sie oft als gemeinnützige Vereine organisiert und verfügen über eine weltweit einheitliche Grundausstattung.47 Neben 3D-Druckern werden auch 3D-Scanner, CNC-Anlagen sowie Laser-Cutter für die freie Produktion zur Verfügung gestellt.48
Die FabLab-Community hat den anfangs anfälligen 3D-Drucker optimiert und weiterentwickelt. Im Jahr 2006 wurde der Öffentlichkeit ein 3D-Drucksystem namens RepRap vorgestellt.49 RepRap ist kein geschlossenes System, sondern baut auf Open-Source-Hardware auf. Der Preis für einen RepRap-Bausatz liegt bei etwa 500 US-Dollar, eine aufgebaute Anlage kostet ca. 800 US-Dollar.50 Durch die Unterstützung der Gemeinde ist theoretisch jeder in der Lage, sein eigenes RepRap nachzubauen.51
Durch diese gemeinnützigen Labore haben somit die individuellen Nutzer die Gelegenheit, industrielle Produktionsverfahren kennenzulernen und im späteren Verlauf eigenständig zu nutzen. Zudem können die Nutzer im Rahmen der Community für ihren eigenen Bedarf Produkte und/oder Maschinen, wie z. B. den 3D-Drucker, entwerfen und herstellen. Dadurch ist der Nutzer nicht mehr auf vorgefertigte und meist teure Lösungen der Industrieunternehmen angewiesen.
Die FabLabs entstanden aus der Idee des amerikanischen Physikers Neil Gershenfeld. Er motivierte 1998 am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in einem Kurs mit dem Titel „How to make almost Anything“ seine Studenten dazu, „lieber zu erschaffen, statt zu konsumieren“.52,53
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2-1: Das FabLab in der Region Nürnberg54
Der Erfolg des Kurses führte im Jahr 2002 zur Gründung des weltweit ersten FabLabs am MIT.55 Im darauffolgenden Jahr wurde ein FabLab außerhalb des MIT - und zwar in Boston - gegründet. Daran anschließend folgte eine weltweite Expansion.56 Heute existieren über 100 FabLabs, und aktuell ist kein Ende der Expansion in Sicht.57 Das erste FabLab in Deutschland wurde im Jahr 2009 an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTHA) eingerichtet, und seitdem sind einige weitere dazugekommen.58 Die Abb. 2-1 zeigt das FabLab der Region Nürnberg auf.
[...]
1 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, o. S.
2 Vgl. Fastermann P. Die Macher der dritten industriellen Revolution, S. 20
3 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 316
4 Vgl. Witt G. Taschenbuch der Fertigungstechnik, S. 297
5 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 21
6 Vgl. www.bit.ly/1uVhRos (Stand 06.06.2014)
7 Vgl. Saheb A. Die Fabrik im Wohnzimmer, S. 40
8 Vgl. www.bit.ly/1qH24vA (Stand 07.06.2014)
9 Vgl. Fastermann P. 3D-Druck/Rapid Prototyping, S. 91 - 109
10 Vgl. Voß G. G./ Rieder K. Der arbeitende Kunde, S. 152 f.
11 Vgl. Blätter-Mink B./ Ebner A. Innovationssysteme, S. 51 f.
12 Vgl. Reichwald R./ Piller F. Interaktive Wertschöpfung, S. 45 ff.
13 Vgl. www.t-mobile.de/?set-mobile-cookie=true (Stand 10.06.2014)
14 Vgl. www.mm-logistik.vogel.de/lagertechnik/articles/410437/ (Stand 08.06.2014)
15 Vgl. www.ulricheggert.de/Presseberichte/3D-Printing_2.pdf (Stand 08.06.2014)
16 Vgl. www.logistik-journal.de/index.cfm?pid=1667&pk=144934#.U6gQwvl_vAk (Stand 08.06.2014)
17 Vgl. www.vdi-nachrichten.com/Technik-Gesellschaft/Druck-Ersatzteillogistik (Stand 09.2014)
18 Vgl. www.thethirdindustrialrevolution.com/ (Stand 08.06.2014)
19 Vgl. www.bit.ly/1pDn8S4 (Stand 06.06.2014)
20 Vgl. Horsch F. 3D-Druck für alle, S. 38
21 Vgl. Anderson C. Makers, S. 19 f.
22 Vgl. Rifkin J. Die dritte industrielle Revolution, S. 13
23 Vgl. Bergmann G./ Daub J. Das menschliche Maß, S. 141
24 Vgl. www.bit.ly/1l10UZH (Stand 06.06.2014)
25 Vgl. Christensen C./ Matzler K./ Friedrich St. The Innovator`s Dilemma, S. 6 f.
26 Vgl. www.bit.ly/1m4DZrd (Stand 08.06.2014)
27 Vgl. www.ennex.com/~fabbers/publish/199308-MB-HouseholdFab.asp (Stand 10.06.2014)
28 Vgl. Matthes K. J. Grundlagen der Fertigungstechnik, S. 322
29 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 1
30 Vgl. Eschey Ch. Maschinenspezifische Erhöhung, S. 7 f.
31 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 2
32 Vgl. www.bit.ly/1loSvOZ (Stand 09.06.2014)
33 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 6 f.
34 Vgl. www.bit.ly/1q2RW0f (Stand 06.06.2014)
35 Vgl. hierzu und im Folgenden Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 91
36 Vgl. in Anlehnung an Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 91
37 Vgl. Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 46 - 78
38 Vgl. www.bit.ly/1q6mU7T (Stand 20.06.2014)
39 Vgl. www.bit.ly/1mcEsHC (Stand 18.06.2014)
40 Vgl. Zäh M. F. Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologie, S. 199 ff.
41 Vgl. www.eos.info/additive_fertigung/fuer_technologie_interessierte (Stand 12.06.2014)
42 Vgl. www.automobil-industrie.vogel.de/zulieferer/articles/446533/ (Stand 12.06.2014)
43 Vgl. Fastermann P. 3D-Druck/Rapid Prototyping, S. 76 f.
44 Vgl. Kapitel 2.2
45 Vgl. in Anlehnung an Gebhardt A. Generative Fertigungsverfahren, S. 46 - 78
46 Vgl. Fastermann P. 3D-Drucker, S. 57 ff.
47 Vgl. Borchers J./ Bohne R. Personal Design, S. 306 f.
48 Vgl. Ebner M./ Schön S. Lehrbuch für Lernen und Lehren mit Technologien, S. 450
49 Vgl. Horsch F. 3D-Druck für alle, S. 161
50 Vgl. www.reprap.org/wiki/RepRap (Stand 20.06.2014)
51 Vgl. Fastermann P. 3D-Druck/Rapid Prototyping, S. 41 ff.
52 Vgl. Borchers J./ Bohne R. Personal Design, S. 306 f.
53 Vgl. Fastermann P. 3D-Druck/Rapid Prototyping, S. 49 f.
54 Vgl. www.wiki.fablab-nuernberg.de/w/Datei:FabLab_Willkommen.jpg (Stand 21.06.2014)
55 Vgl. Gershenfeld N. Fab: The Coming Revolution, S. 12
56 Vgl. www.fabacademy.org/fab-academy-2014-sites/ (Stand 20.06.2014)
57 Vgl. Gershenfeld N. How to make almost anything, S. 46 f.
58 Vgl. www.3druck.com/fablabs-liste/ (Stand 20.06.2014)
