Additive Fertigungsverfahren (3-D-Druck). Innovationsanalyse

Additive Fertigungsverfahren bzw. 3-D-Drucker beflügeln seit einigen Jahren viele Fantasien über die Warenproduk­tion der Zukunft. Entsprechend vielfältig sind die Vorstellungen über Leistungsvermögen, Anwendungspotenziale und Auswirkungen der additiven Fertigung. Im TAB-Arbeitsbericht Nr. 175 werden die Entwicklungen in diesem Feld sys­tematisch und wissenschaftlich fundiert dargestellt und bewertet, um einerseits eine realistische Einschätzung der Potenziale zu liefern und Wege aufzuzeigen, wie sie gegebenenfalls besser genutzt werden können, und um andererseits einen differenzierten Blick auf mögliche gesellschaftliche und ökologische Auswirkungen dieser Technologie zu erlauben.
Im vorliegenden Bericht wird ein breit angelegter Ansatz verfolgt. Es werden technologische, ökonomische und ökologische Fragestellungen behandelt und die Technologien und Verfahren hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Auswirkungen sowie Risiken für die innere und äußere Sicherheit beleuchtet. Darüber hinaus werden auch die rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen (Schutz des geistigen Eigentums, Haftungsfragen) thematisiert.
Angesichts der potenziell enormen Bedeutung der additiven Fertigung für die internationale Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft des produzierenden Gewerbes in Deutschland liegt ein besonderer Fokus des TAB-Arbeitsberichts auf den absehbaren Entwicklungen bei der industriellen Anwendung.
... mehr

Inhalt
Zusammenfassung 9
I. Einleitung 29
II. Anwendungen, Potenziale und Visionen 35
1. Anwendungen im industriellen und gewerblichen Bereich 36
1.1 Prototypen- und Werkzeugbau 37
1.2 Maschinen- und Anlagenbau, Automatisierungstechnik 38
1.3 Luft- und Raumfahrt 39
1.4 Automobilindustrie 42
1.5 Elektronik 44
1.6 Medizin 45
1.7 Architektur und Bauindustrie 49
1.8 Kreativbranchen 50
1.9 Bekleidungs- und Sportartikelindustrie 51
1.10 Spielwarenindustrie 52
1.11 Nahrungsmittelindustrie 53
1.12 Wissenschaft und Ausbildung 54
1.13 Rüstungsindustrie und Streitkräfte 55
2. Anwendungen im privaten Bereich 56
2.1 3-D-Drucker und die Makerbewegung 57
2.2 Kosten und Leistungsvermögen aktueller 3-D-Drucker 58
2.3 Entwicklungen im Umfeld des privaten 3-D-Drucks 59
3. Fazit 62

III. Stand der Technik und der Forschung 65
1. Überblick zu Verfahren und Materialien 65
2. Kunststoffe 68
2.1 Schmelzschichtverfahren 68
2.2 Stereolithografie 70
2.3 3-D-Druckverfahren 72
2.4 Selektives Lasersintern/Laserschmelzen 73
2.5 Schichtlaminatverfahren 74
3. Metalle 74
3.1 Selektives Lasersintern/Laserschmelzen 74
3.2 Elektronenstrahlschmelzen 76
3.3 3-D-Druckverfahren 76
3.4 Schichtlaminatverfahren 77
3.5 Fluidic Force Microscopy 77
4. Keramik 77
4.1 Lithography-based Ceramic Manufacturing 78
4.2 Selektives Lasersintern 78
4.3 Solarsintern 78
4.4 Keramiken aus polymeren Vorläufersubstanzen 78
5. Baustoffe/Beton 79
5.1 D-Shape 79
5.2 Concrete Printing 80
5.3 Contour Crafting 81
6. Herausforderungen und Limitationen 82
6.1 Produktqualität 82
6.2 Anlagenperformance/Integration in Prozessketten 84

IV. Additive Fertigungsverfahren in der Industrie 87
1. Status quo und Entwicklungsperspektiven 88
1.1 Additive Fertigungsverfahren in der Industrie 88
1.2 Marktentwicklung 90
1.3 Förderaktivitäten im internationalen Vergleich 94
1.4 Betrachtung von Entwicklungsperspektiven mittels Publikations- und Patentanalysen 101
2. Entwicklungen, Potenziale und Hemmnisse fü die Diffusion in die industrielle Praxis 114
3. Gestaltungsfelder 130
3.1 Anwenderbasis verbreitern 131
3.2 Barrieren abbauen 132
3.3 Inhaltliche Schwerpunkte setzen 135
3.4 Das Verständnis von Innovation erweitern 138
3.5 Die Förderung in übergeordnete Zielsetzungen einbetten 139
4. Zusammenhang und Priorisierung von Handlungsoptionen 141

V. Wirtschaftliche, ökologische und gesellschaftliche Auswirkungen 145
1. Ökonomische und sozioökonomische Auswirkungen 146
1.1 Substitution von konventionellen Erzeugnissen und Fertigungsverfahren 146
1.2 Verlagerung der Produktion 148
1.3 Auswirkungen auf Produktionskonzepte und Logistik 149
1.4 Arbeitsplatz- und Beschäftigungseffekte 152
1.5 Qualifizierungsbedarfe und -möglichkeiten 155
1.6 Wirtschaftliche Auswirkungen des privaten 3-D-Drucks 159
2. Ökologische Wirkungen der additiven Fertigung 161
2.1 Positive ökologische Effekte 162
2.2 Negative ökologische Effekte 163
2.3 Stand der Forschung 164
3. Risiken für die Gesellschaft 168
3.1 Gesundheitliche Risiken bei der Verwendung von additiven Fertigungsanlagen bzw. 3-D-Druckern 168
3.2 Risiken der additiven Fertigung für die innere und äußere Sicherheit 173
3.3 Fehlerhafte Produkte aus additiver Fertigung 181

VI. Rechtliche Rahmenbedingungen und Herausforderungen 183
1. Schutz des geistigen Eigentums 183
1.1 Schutzfähigkeit für digitale 3-D-Modelle und Fertigungsvorlagen für die additive Fertigung 185
1.2 Schutz vor Nachahmung bestehender Produkte durch additive Fertigungsverfahren 188
1.3 Mögliche Anspruchsgegner 192
1.4 Zwischenfazit 194
2. Produktsicherheit 195
3. Haftungsrechtliche Aspekte 198
3.1 Fehlerhafte Produkte aus additiver Fertigung 199
3.2 Wer steht haftungsrechtlich in der Verantwortung? 201
3.3 Haftungsrechtliche Verantwortung von Privatpersonen 206
3.4 Zwischenfazit 209
4. Waffenherstellung mit additiven Fertigungsverfahren 210
5. Fazit 212

VII. Resümee und Handlungsfelder 215
1. Additive Fertigungsverfahren in der Industrie 215
1.1 Technologien weiterentwickeln 216
1.2 Anwenderseitige Diffusion stärken 217
1.3 Folgenforschung stärken 220
1.4 Risiken für Dual-Use-Anwendungen beobachten 222
2. Privater 3-D-Druck 222
2.1 Verbraucherschutz für Erzeugnisse aus privater Herstellung stärken 223
2.2 Gesundheitliche Risiken durch Emissionen von 3-D-Druckern evaluieren 223
2.3 Entwicklung der privaten additiven Waffenherstellung beobachten und gegebenenfalls Waffenrecht anpassen 223

Literatur 225
1. In Auftrag gegebenes Gutachten und Horizon-Scanning 225
2. Weitere Literatur 225
Anhang 237
1. Abbildungen 237
2. Tabellen 238
3. Abkürzungen 239
4. Qualitative Experteninterviews 240
5. Liste der teilnehmenden Experten am Workshop 242