Schicht um Schicht…

Der 3D-Druck setzt sich durch – Patentanmeldungen zeigen einen klaren Aufwärtstrend

China galt bisher als die Werkbank der Welt. Das Produzieren von Dingen aller Art hat China wirtschaftlich groß gemacht. Doch an dem Image des größten Produktionsstandorts der Welt könnte sich bald etwas ändern.

Der serienreife 3D-Drucker hält Einzug in die Wirtschaftswelt und er hat das Potential dort einiges zu verändern. Die Technik des 3D-Drucks ist mittlerweile soweit ausgereift, dass die Anwendung selbst für Privatpersonen interessant ist.

Foto: shutterstock.com/ScandinavianStock

3D-Druck vielseitig und flexibel

Der 3D-Druck ist kein Druckvorgang im herkömmlichen Sinn. Dieses Druckverfahren erzeugt dreidimensionale Objekte aus Kunststoff, Kunstharz, Metall, Keramik, Biomaterial oder Lebensmitteln. Der zunächst verflüssigte Werkstoff wird dabei sukzessive chemisch oder physikalisch ausgehärtet.

Außerdem wird ein 3D-Computermodell benötigt. Dadurch sind die Koordinaten des Werkstücks in den drei Dimensionen (x,y,z) für jede Position und Schicht definiert, sie werden an den Drucker gesendet. Mit Konstruktionssoftware, CAD-Programmen, kann der Nutzer jede beliebige Form entwerfen und anschließend drucken. Darüber hinaus finden sich Internetseiten mit Download-Optionen für schon vorgegebene 3D-Modelle. Über 3D-Scanner können z. B. Kunstgegenstände erfasst werden und anschließend in ein 3D-Modell übersetzt werden.

Mittlerweile ist der 3D-Druck so einfach zu handhaben und die Werkstücke so schnell herzustellen, dass die Anwendungsmöglichkeiten enorm vielseitig geworden sind. Zum Beispiel können Ersatzteile passgenau und in gewünschter Form und Menge dort produziert werden, wo sie gebraucht werden. Auch die massenhafte Anwendung dieser Drucker im Privatbereich ist vorstellbar. Erste Desktop-Drucker sind schon auf dem Markt.

STN-Patentrecherche zeigt: Der 3D-Drucker ist auf dem Vormarsch

So wie vor 30 Jahren Computer die Privathaushalte eroberten, können wir davon ausgehen, dass auch ein 3D-Drucker schon bald keine Seltenheit mehr ist. Der dreidimensionale Druck hat die Nische der Spezialanwendungen für Modellbau verlassen und strebt zur Produktion von Massenprodukten.

Eine Recherche auf der neuen STN-Plattform nach 3D-Druckern zeigt einen nahezu exponentiellen Anstieg der Patentpublikationen in diesem Technologiegebiet (s. Abb. 1). Patentanmeldungen sind immer auch ein sicheres Zeichen dafür, dass Firmen sich in einem Technologiebereich Vermarktungschancen ausrechnen und ihre innovativen Produkte rechtlich absichern wollen.

Die Recherche wurde in der internationalen Patentdatenbank Derwent World Patent Index (DWPI) von Thomson Reuters durchgeführt. Hierbei wurde eine reine Schlagwortrecherche angewandt, da für das Thema 3D-Druck die Cooperative Patent Classification (CPC) und die International Patent Classification (IPC) nicht eindeutig sind. Diese Patentklassifikationen wurden in den relevanten Patentdokumenten sehr uneinheitlich vorgefunden. So wurden zum Beispiel manche Patente in der IPC-Sektion Arbeitsverfahren eingeordnet, andere aber in der IPC-Sektion Chemie. Trotzdem erwiesen sich Patentklassifikationen als nützlich. Mit ihrer Hilfe wurde die Relevanz der Dokumente in der Treffermenge überprüft.

Abbildung 1: Internationale Patentpublikationen (PY.B) im Bereich des 3D-Druckers in den Jahren 2000-2015

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Basiserfindungen kommt aus den USA

Eine Analyse aller Patentdokumente im Zeitraum von 2000-2015 führt zu einer Rangliste der häufigsten Patentanmelder. Unter den Top Fünf der Patentanmelder ist die US-amerikanische Firma 3D Systems, deren Gründer und Vizepräsident Chuck Hull¹ der eigentliche Erfinder des 3D-Drucks ist.

Am 11.03.1986 veröffentlichte das US-amerikanische Patentamt (USPTO) das Patent US4575330 des besagten Erfinders Chuck Hull mit dem Titel: „Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography“. Die bahnbrechende Erfindung des 3D-Drucks wurde hier erstmals als Schutzrecht publiziert.

Abbildung 2: Patentzeichnung (US4575330) des ersten 3D-Druckers von Chuck Hull

Eine weitere US-amerikanische Firma unter den ersten fünf Haupt-Patentanmeldern ist die Firma Stratasys. Auch hier wurde Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts ein 3D-Drucker patentiert mit dem Titel: „Apparatus and method for creating three-dimensional objects“.

In diesem Patent, veröffentlicht 1989, wird die Technologie des Fused Deposition Modeling (FDM) zuerst beschrieben. Sie ist auch heute noch eine der am häufigsten verwendeten 3D-Druckverfahren. Ihr Erfinder, der Amerikaner Scott Crump, gründete auch die Firma Stratasys.

Abbildung 3: Patentzeichnung aus dem Patent US5121329 vom 30.10.1989

Durchbruch erst nach einem viertel Jahrhundert

Die beiden oben genannten Basiserfindungen von Chuck Hull und Scott Crump liegen mittlerweile knapp 30 Jahre zurück. Und viele Jahre tat sich nicht viel in diesem Technologiebereich, wie auch die zeitliche Entwicklung der Anzahl der Patentveröffentlichung (siehe Abb. 1) zeigt. Die Anzahl der Patente im 3D-Druck blieb weltweit auf sehr niedrigem Niveau.

Erst ab dem Jahr 2012 kommt Bewegung in die Forschung: Die Zahl der veröffentlichen Patente steigt plötzlich sprunghaft an. Besonders auffällig: Viele chinesische Firmen sind jetzt als Patentanmelder dabei. Über die Spanne von 2000-2015 gesehen, haben die beiden Firmen Stratasys und 3D Systems, als die Innovationsunternehmen der ersten Stunde, ihren Vorsprung halten können. Die Analyse für diese 15-Jahresspanne beweist, dass sie zu den größten Patentanmeldern gehören.

Schränkt man die Analyse der Patentanmelder auf die letzten vier Jahre (2012-2015) ein, so findet sich lediglich noch die Firma Stratasys unter den aktivsten Anmeldern (siehe Abb. 4), 3D Systems ist weit im Ranking zurückgefallen und nicht mehr unter den Top-Anmeldern.

Viele der etablierten Druckerhersteller fehlen unter den häufigsten Patentanmeldern

Einige der hier aufgelisteten häufigsten Patentanmelder (siehe Abb. 4) sind auch Produzenten von 3D-Druckern. Firmen wie Print Rite Unicorn Image Products, MakerBot oder Stratasys produzieren und vertreiben 3D-Drucker. Aber auch auffällig viele chinesische Universitäten und Akademische Institute forschen auf diesem Gebiet und befinden sich unter den Top-Anmeldern.

Die Patentanalyse bestätigt, dass der 3D-Druck technologisch keinesfalls nur eine Weiterentwicklung des traditionellen Druckens ist. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass die etablierten Druckerhersteller auf diesem Gebiet nur wenig aktiv sind. So finden sich unter den häufigsten Patentanmeldern auch nur wenige bekannte Firmen wie Xerox und Hewlett Packard.

Von Canon wird berichtet, dass sie erstmals im Jahr 2015 einen Prototyp eines 3D-Druckers auf der Expo in Paris vorgestellt haben. Das beweist, dass Erfahrungen und Kenntnisse des klassischen Druckens nicht auf den 3D-Druck übertragbar sind. Stattdessen geht es bei dieser Technologie zum großen Teil um optimierte Schmelz- und Aushärtungsvorgänge. Für die 3D-Druck-Technologie wird ein kombiniertes Know-how aus den Bereichen Materialwissenschaften, Computersteuerung und Maschinenbau benötigt.

Abbildung 4: Patentanmelder im Bereich 3D-Druck im Zeitraum 2012-2015

3D-Druck in der Anwendung

Bisher wurde der 3D-Druck vorwiegend für komplexe Modelle von Einzelteilen oder ganzen Apparaten bzw. Maschinen genutzt (u. a. in der Automobilindustrie) – nun hat das Nischendasein bald ein Ende, wie es scheint.

Audi hat erst im November 2015 erklärt, dass man mittels 3D-Druck einen kompletten Grand Prix Rennwagen aus dem Jahr 1936 nachgebaut habe². Dieser Wagen ist nicht etwa aus Kunststoff, sondern vollständig aus Metall gedruckt worden. Die Technologie des Metall-3D-Drucks beruht auf dem selektiven Sintern von winzigen metallischen Körnern durch einen Laser. Zukünftig soll die Fertigungstechnologie bei dem Autokonzern weiterentwickelt werden. Ziel ist der Einsatz von 3D-Metalldruckern in der Serienproduktion.

Auch aus der Medizin sind unzählige Anwendungsmöglichkeiten bekannt. So werden Prothesen hergestellt, die leichter, passgenauer und preiswerter sind als herkömmliche Prothesen. Medizinisches Gerät, wie zum Beispiel ein Stethoskop, kann auf einen Klick preiswert durch 3D-Druck erzeugt werden, Operateure fertigen sich mit dem 3D-Drucker ihr eigenes, individuelles Operationsbesteck. Selbst Biomaterial bzw. Zellen können mittels 3D-Druck schonend verarbeitet werden.

Scheinbar sind die Anwendungsmöglichkeiten für 3D-Druck grenzenlos. Diese Technologie hat das Potential einiges in den bekannten Wirtschaftskreisläufen zu verändern. So könnten zukünftig Ersatzteile direkt an Ort und Stelle gedruckt werden, es entfielen damit Lagerungs- und Transportkosten. Konsumgüter aller Art könnten direkt und auf Wunsch personalisiert beim Endverbraucher ausgedruckt werden. Zwischenhändler und Logistikunternehmen wären davon unmittelbar in ihrer Existenz bedroht. Berufe, wie der des Zahntechnikers oder des Modellbauers, könnten sich fundamental verändern. Der 3D-Druck würde ihre handwerklichen Fertigkeiten ersetzen, stattdessen würde für diese Berufsgruppen die Programmierung des 3D-Druckers in den Vordergrund treten.

Redaktion: HAU/BAB

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