Hat der 3D-Druck das Plateau der Produktivität erreicht?

Eine stetig reifende 3D-Druckindustrie

Mehrere Trends und Entwicklungen weisen darauf hin, dass die Branche auf dem Weg zur Reife ist. Im Folgenden analysieren wir den Anstieg der M&A-Aktivitäten, die zunehmende Nutzung des 3D-Drucks, angetrieben durch technologische Fortschritte und den Wunsch nach stärkerer Integration und Interoperabilität.

Die Konsolidierungswelle 

Die meisten neuen Industrien sind fragmentiert und konsolidieren sich mit zunehmender Reife. Gemäß dem Consolidation Curve Framework folgen alle Branchen einem ähnlichen Lebenszyklus durch die 4 Phasen:Öffnung, Skalierung, Fokus und Balance &Allianz.

Anhand des Frameworks und der Geschichte des 3D-Drucks als Orientierungshilfe können wir abschätzen, wo die Branche auf der Konsolidierungskurve steht.

Der 3D-Druck erschien in den 1980er Jahren und durchlief bis Ende der 2000er Jahre die Anfangsphase, wobei Unternehmen wie Stratasys, 3D System, Materialise eine globale Präsenz schufen und durch den Schutz proprietärer Technologien Markteintrittsbarrieren errichteten.

Der Beginn der 2010er Jahre markierte eine Transformationsphase für den 3D-Druck, die in die nächste Stufe der Konsolidierungskurve eintrat – Scale. Die Branche wuchs exponentiell. Die neuen großen Player traten auf, wie MakerBot, 3DHubs, Formlabs, um nur einige zu nennen. Und die Zahl der Akquisitionen nahm zu, angeführt vor allem von Stratasys und 3DSystems.

Aber die Branche hat auch viel Hype darum angehäuft. Als der Hype-Zyklus um 2015 herum seinen Tiefpunkt erreichte, sagten viele das Ende der 3D-Druckindustrie voraus.

Was jedoch in Wirklichkeit endete, war das Verbraucherinteresse. Das Ende des Hypes offenbarte die wahre Natur des 3D-Drucks als Fertigungstechnologie mit großem Potenzial in vielen Branchen.

Während die Scale-Phase des Consumer-3D-Drucks schwand, florierte die Scale-Phase des industriellen 3D-Drucks.

In den 2020er Jahren beginnen wir, von der zweiten Scale-Phase zur dritten Focus-Phase zu wechseln – und die letzten 12 Monate haben diesen Trend nur hervorgehoben, mit einem bemerkenswerten Anstieg der groß angelegten M&A-Aktivitäten.

Zu den bekanntesten 3D-Druck-M&A-Bewegungen der letzten Monate gehörten:

• Stratasys übernimmt Origin 
• Stratasys erwirbt RPS 
• Desktop Metal übernimmt EnvisionTEC 
• DSM erwirbt Teile des 3D-Druck-Portfolios von Clariant 
• Covestro erwirbt den Geschäftsbereich DSM Resins &Functional Materials, einschließlich DSM Additive Manufacturing 
• Protolabs erwirbt 3DHubs 
• BEAMIT Group erwirbt 3T Additive Manufacturing 
• Nikon erwirbt eine Mehrheitsbeteiligung an Morf3D

Zu den wichtigsten Strategien für die Zunahme von Fusionen und Übernahmen im 3D-Druck gehören:  

• Produktionsunternehmen, die ihre Reichweite vergrößern möchten (Nikon &Morf3D);
• AM-Unternehmen, die ihre Position entlang der Wertschöpfungskette verbessern (z. B. Desktop Metal &EnvisionTEC);
• AM-Ausrüstungshersteller, die innovative Technologien aufnehmen (z. B. Stratasys &Origin).

Die 3D-Druckindustrie ist jedoch noch Jahre von der letzten Phase von Balance &Alliance entfernt, während nur wenige Industriegiganten mit 70 bis 90 % des Marktes regieren.

Aus heutiger Sicht stehen die 2020er Jahre im Zeichen des Megadeals-Trends, der die 3D-Druck-Branche umgestalten und weltweit neu positionieren wird.

Der Einsatz von 3D-Druck über das Prototyping hinaus nimmt zu

Seit seiner Entstehung wurde der 3D-Druck hauptsächlich für das Prototyping, die Verkürzung der Markteinführungszeit und die Verbesserung der Produktentwicklung verwendet. In den letzten Jahren haben wir jedoch eine Verschiebung der Nutzung festgestellt, wobei der Anteil der 3D-gedruckten Endverbrauchsteile zugenommen hat.

Dieser Trend wird durch mehrere Branchenumfragen hervorgehoben. Der 3D-Druck-Sentiment-Index 2021 von Ultimaker beispielsweise verzeichnete einen Rückgang von 7 % bei Prototyping-Anwendungen, während die Verwendung von Endverbrauchsteilen im Vergleich zu den Ergebnissen von 2019 um 5 % anstieg.

Der Bericht zu den 3D-Drucktechnologietrends 2021 von Jabil erzählt eine ähnliche Geschichte. Die Umfrage besagt, dass der Prototypenbau zwar flach geblieben ist, der Einsatz des 3D-Drucks für Endverbrauchsteile jedoch auf Wachstumskurs ist. Fast 55 % der befragten Unternehmen geben an, dass sie mindestens ein Viertel ihrer 3D-Druckkapazitäten für die Herstellung von Funktions- oder Endverbrauchsteilen verwenden – ein bemerkenswerter Anstieg im Vergleich zu den Zahlen von 2019.

Diese Zahlen signalisieren, dass AM den Wendepunkt erreicht hat und sich von einer Technologie für Enthusiasten und Early Adopters zu einer Technologie mit einem breiten Spektrum industrieller Anwendungen entwickelt hat. Mit anderen Worten, die Einführung von AM hat eine andere Stufe erreicht – die Stufe der frühen Reife.

Hochgeschwindigkeits-3D-Druck und die wachsende Materialauswahl 

Der Aufstieg des 3D-Drucks für funktionale Anwendungen ist eng mit den Fortschritten bei Materialien und Hardware verbunden.

Im Vergleich zur traditionellen Fertigung waren die meisten 3D-Druckprozesse langsam und es fehlten funktionale, zertifizierte Materialien für Produktionsanwendungen.

Die Akteure der 3D-Druckindustrie, die sich die Umwälzung der traditionellen Fertigungsindustrie durch AM vorstellten, mussten einen Weg finden, den 3D-Druck zu industrialisieren.

Dies bedeutete die Entwicklung von Technologien, die höhere Produktionsvolumina unterstützen, und von Materialien, die fortschrittliche AM-Anwendungen ermöglichen.

Infolgedessen erleben wir auf der Hardwareseite den Aufstieg von Binder Jetting und Multi-Laser-Pulverbett-Fusion für Metalle und Bottich-Photopolymerisationsverfahren für Kunststoffe.

Inzwischen konzentrieren sich Werkstoffmarken zunehmend auf Hochleistungswerkstoffe, einschließlich fortschrittlicher Legierungen und Verbundwerkstoffe.

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Letztendlich trägt die Verlagerung des Fokus auf produktionsfähige Lösungen dazu bei, das Wachstum von AM in Branchen zu fördern, die bisher zögerlich waren, den 3D-Druck für funktionale Anwendungen zu übernehmen.

Ein integriertes AM-Ökosystem erstellen

AM als Industrie-4.0-Technologie kann nur dann ausgereift sein, wenn Silos in seinen Betriebsabläufen und Lieferketten beseitigt werden.

Während der Schwerpunkt bei AM weiterhin auf Hardware und Materialien liegt, liegt der Schwerpunkt immer mehr auf der Schaffung eines vernetzten, automatisierten Ökosystems.

Dieser Trend zeigt sich an mehreren Fronten, von der Designautomatisierung über die Topologieoptimierung bis hin zur Postproduktionsautomatisierung, die einen Großteil der Komplexität und manuellen Arbeit beseitigt.

Auf der Seite des Produktionsmanagements ist eine spezielle additive MES-Software erschienen, um die Auftragsabwicklung und Produktionsplanungsprozesse zu automatisieren 

Weiterführende Literatur:Herausforderungen der additiven Fertigung mit MES lösen

Ein weiterer entscheidender Schritt in der Automatisierung kommt von Hardwareherstellern, die ihre Systeme für die Integration mit Software von Drittanbietern öffnen. Die Verbesserung der Konnektivität zwischen AM-Systemen und Softwarelösungen wird letztendlich dazu beitragen, ein integriertes Ökosystem zu schaffen, das eine interoperable, skalierbare additive Fertigung unterstützt.

Das Plateau der Produktivität:Welche 3D-Drucksegmente haben es erreicht?

Während die 3D-Druckindustrie reift, sind die Fortschritte in ihren verschiedenen Segmenten nicht einheitlich.

Einige Sektoren des 3D-Drucks befinden sich noch im Anfangsstadium, wie 3D-gedrucktes menschliches Gewebe, während andere sich dem Reifestadium nähern, wie der 3D-Druck mit Polymeren.

Aber welche anderen Segmente erklimmen das Plateau der Reife und was treibt ihr Wachstum?

3D-Druckdienstleister

Einige kurze Fakten über die AM-Dienstleistungsbranche: 

• Der Wohlers-Bericht 2021 gibt an, dass 3D-Druckdienstleister im Jahr 2020 einen Umsatz von satten 5 Milliarden US-Dollar erzielten;
• Laut EY Report 2019 machen Service Provider 34 % der globalen AM-Landschaft aus;
• Rund 45 % der Unternehmen lagern 3D-Druckaufträge aus, wie der Jabil 3D Printing Trends Report 2021 berichtet.

Während die 3D-Druckindustrie im Jahr 2020 insgesamt rückläufig war, wuchs das Dienstleistungsgeschäft weiter. Viele, wenn nicht die meisten Unternehmen machen sich über Dienstleister mit dem 3D-Druck vertraut.

Mit den jüngsten Schocks in der Lieferkette begannen Unternehmen, die Vorteile des 3D-Drucks für ihre Lieferketten zu untersuchen – und Dienstleister wurden für viele zu den ersten Berührungspunkten, um die Technologie kennenzulernen und zu verstehen.

Der Wettbewerb in der 3D-Druckdienstleistungsbranche hat jedoch im Einklang mit dem allgemeinen Branchenwachstum zugenommen.

Einerseits gründen Hardwarehersteller und Werkstoffunternehmen Geschäftsbereiche AM-Services oder bauen diese durch Akquisitionen aus. Andererseits boomt ein Manufacturing-As-A-Service-Geschäftsmodell, das Käufer und Lieferanten über eine einzige Site verbindet.

In einer solchen Wettbewerbslandschaft müssen Service Provider ständig innovativ sein, indem sie ihr Serviceangebot diversifizieren, ihre Prozesse standardisieren und automatisieren und neue Märkte erschließen.

Dentaler 3D-Druck

Die Einführung von Hochgeschwindigkeits-Polymer-AM-Technologien hat das Wachstum des 3D-Drucks in der Zahnmedizin erheblich vorangetrieben.

Nach Schätzungen des Marktforschungsunternehmens SmarTech hat die AM-Dental- und Medizinindustrie 3 Milliarden US-Dollar überschritten.

Digitale Zahnheilkunde – die Einführung digitaler Technologien in die Zahnarztpraxis – hat sich in der Zahnheilkunde zu einem gängigen Trend entwickelt. Und der 3D-Druck ist neben dem intraoralen Scannen eine der Schlüsseltechnologien, die diesen Trend vorantreibt.

Der 3D-Druck hat viele Anwendungen in der Dentalindustrie, darunter Brückenmodelle, Bohrschablonen und Prothesen. Die Herstellung von transparenten Aligner-Modellen ist jedoch heute eine der häufigsten Anwendungen des dentalen 3D-Drucks.

Laut SmarTech Analysis sind transparente Aligner „heute vielleicht die einzige Anwendung mit dem höchsten Volumen für 3D-Drucktechnologien weltweit.“

Der 3D-Druck beschleunigt den Prozess der Herstellung patientenspezifischer transparenter Aligner, indem Hunderte von kundenspezifischen Formen direkt aus den digitalen Scans der Patienten in einer Charge hergestellt werden können.

Keine andere Technologie außer dem 3D-Druck wäre in der Lage, so viele kundenspezifische Formen so schnell und kostengünstig herzustellen.

Der 3D-Druck hat sich als wegweisend für die Zahnmedizin erwiesen und bietet eine Lösung, die die Reparatur von Zähnen billiger, schneller und für Kunden allgemein verfügbar macht.

Es überrascht daher nicht, dass bis Ende 2021 voraussichtlich über 70 % der Dentallabore in den USA über 3D-Drucktechnologie verfügen werden, wobei der dentale 3D-Druck in den nächsten fünf bis sieben Jahren zu einer 9,2 Milliarden US-Dollar-Industrie wird.

Metallpulverbettfusion 

Der Metall-3D-Druck umfasst viele Technologien, aber eine der ausgereiftesten unter ihnen bleibt die Metal Powder Bed Fusion (PBF).

In den letzten zehn Jahren haben die Hersteller von Metall-PBF-3D-Druckern hart daran gearbeitet, die Technologie für die Produktion zu optimieren. Zu diesem Zweck haben wir wichtige Marktteilnehmer gesehen, die Lösungen für die automatisierte und integrierte Produktion auf den Markt gebracht haben.

Die meisten dieser Lösungen haben ähnliche Eigenschaften:Sie sind modular, konfigurierbar und bieten einen hohen Automatisierungsgrad, um die Effizienz zu maximieren und den manuellen Arbeitsaufwand zu reduzieren.

Dank dieser Entwicklungen hat Laser PBF in vielen Branchen und Anwendungen Einzug gehalten. Eine Branche, die sich besonders für die Einführung von Metall-PBF interessiert, ist die Luft- und Raumfahrt.

Heute treiben 3D-gedruckte Metallteile mit PBF wichtige Flugzeug- und Raumfahrzeugsysteme wie Motoren an. Hier glänzen die Schlüsselfähigkeiten der Technologie – die Herstellung komplexer Teile mit vereinfachter Montage und weniger Materialverschwendung – wirklich.

Ab sofort ist die Laser-PBF-Technologie in der Lage, Funktionsteile wiederholt zu liefern. Es sind jedoch noch einige Feinabstimmungen und Tests erforderlich, bevor sich die Hersteller auf die Serienproduktion festlegen können.

In Zukunft werden die Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit von Metall-PBF-Systemen zunehmen, angetrieben in vielerlei Hinsicht durch die Fortschritte in der Software und im gesamten Arbeitsablauf.

Ein Beispiel, das diesen Trend unterstützt, stammt vom kalifornischen Hersteller von Metall-3D-Druckern VELO3D.

Bei der Entwicklung seiner Metall-PBF-Technologie namens Intelligent Fusion hat das Unternehmen einen Schwerpunkt auf die Software- und Hardwareintegration gelegt. Das Ergebnis ist ein eng integriertes System, das Teile mit weniger Stützen, besserer Oberflächengüte und angeblich höherer Erfolgsquote drucken kann. Dies wiederum führt zu mehr Zuverlässigkeit, schnellerer Produktion und weniger Nachbearbeitung.

Metal PBF bleibt die treibende Kraft der Metall-3D-Druckindustrie. Metall-PBF-3D-Drucker haben die größte installierte Basis unter anderen Metall-3D-Drucktechnologien. Und die Hersteller von PBF 3D-Druckern haben im Vergleich zu Unternehmen, die andere Arten von Metall-3D-Druckern herstellen, die größten Anteile am 3D-Metalldruckmarkt.

Darüber hinaus ist der Einsatz von Metallen im 3D-Druck seit 2019 um 20 % gestiegen, während der Einsatz von Polymeren nur um 12 % gestiegen ist – ein weiterer Hinweis auf das wachsende Vertrauen in die Reife des Metall-3D-Drucks.

Industrieller 3D-Druck:Beginn eines Jahrzehnts anhaltenden Wachstums

Die 3D-Druckindustrie ist in eine neue Phase des Wachstums und der Industrialisierung eingetreten.

In der komplexen Umgebung von heute reagieren immer mehr Unternehmen auf Einschränkungen in ihrer Lieferkette und Fertigung mit dem 3D-Druck.

Für unsere Branche bedeutet dies weitere Entwicklungen in verschiedenen Segmenten des 3D-Drucks, nicht nur in denen, die ich oben hervorgehoben habe.

Beschleunigte Fortschritte in der additiven Fertigung werden letztendlich die Vision einer verteilten digitalen Fertigung in die Realität umsetzen. Es ist schon lange in Arbeit und nimmt jetzt langsam Gestalt an, da alle Teile des AM-Ökosystems nach und nach zusammenkommen.

Wie wird die Fertigungsindustrie aussehen, wenn die AM-Technologie ausgereift ist? Ich glaube, wir werden nicht lange brauchen, um es zu lernen.

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