Einführung
Der 3D-Druck, der auch als additive Fertigung bezeichnet wird, wurde in den 1980er Jahren zunächst als Technologie für das Rapid Prototyping entwickelt. Inzwischen hat er sich zu einem Oberbegriff für eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, mit denen ein 3D-Objekt Schicht für Schicht aus digitalen Entwürfen erstellt wird. Der 3D-Druck wird in vielen verschiedenen Branchen als Hilfsmittel für den Werkzeugbau, für die Herstellung von Prototypen oder als praktikables Verfahren für die schnelle Herstellung eines Produkts oder einer wichtigen Komponente eingesetzt.
In den letzten zehn Jahren hat der 3D-Druck für Endverbraucher (B2C) aufgrund des Auslaufens von Patenten, des Markteintritts neuer Akteure und der Kostensenkung einen wahren Höhenflug erlebt. Der Weltmarkt für additive Fertigung wurde 2019 auf über 9 Mrd. USD geschätzt. Im Jahr 2020 wird der 3D-Druck zu einer der wichtigsten Technologien in unserem Kampf gegen die Pandemie. Die Möglichkeit, ein breites Spektrum von Produkten wie persönliche Schutzausrüstung, medizinische Geräte, Tupfer, Zubehör, Schulungskits und Isolierstationen auf Abruf zu drucken, war entscheidend, um Unterbrechungen in den Lieferketten und Engpässe in verschiedenen Ländern zu beheben. So haben sich beispielsweise 3D Systems, Carbon und Renishaw bereit erklärt, persönliche Schutzausrüstungen für Mitarbeiter im Gesundheitswesen zu entwickeln und herzustellen. Außerdem konnten verschiedene Unternehmen schnell von der Herstellung ihrer Standardprodukte auf dringend benötigte gesundheitsbezogene Artikel umsteigen, um die Covid-Maßnahmen zu unterstützen.
Auch wenn die zugrundeliegende Technologie nicht ganz neu ist, wollen zahlreiche Unternehmen aus verschiedenen Branchen die additive Fertigung integrieren, um die Geschwindigkeit und Genauigkeit ihrer Produktion zu verbessern. Infolgedessen sind industrietaugliche Systeme von Unternehmen wie HP, 3D Systems, GE Additive, Carbon, Stratasys, FormLabs und Desktop Metal sowie innovative Materialien von Unternehmen wie BASF, SABIC, Solvay und Evonik gefragt. Neben den auf die Industrie ausgerichteten Lösungen werden auch verschiedene Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt, um den Postproduktionsprozess zu verbessern, der den 3D-Druck auf die nächste Stufe heben wird. Die Landschaft entwickelt sich rasch weiter.
Patent-Landschaft
Die Landschaft des 3D-Drucks ist in den letzten zehn Jahren exponentiell gewachsen. MaxVal führte zunächst eine umfassende weltweite Recherche zu 3D-Drucktechnologien durch, um die Auswirkungen der Technologie zu ermitteln und ihre Verbreitung in verschiedenen Sektoren zu verstehen. Unsere Ergebnisse zeigen ein Wachstum von 22 % bei den Patentfamilien und 10 % bei der Nicht-Patentliteratur ab 2015. Die wichtigsten Märkte auf der Grundlage von Patentanmeldungen waren die Vereinigten Staaten, Europa und China, in dieser Reihenfolge. Die Top 5 der Anmelder waren HP, GE, Siemens, Stratasys und 3D Systems.
Die Anmelder repräsentierten eine Mischung aus verschiedenen Industrien/Sektoren, darunter Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Automobil, Industrie/Verarbeitung, Konsumgüter, Energie, Elektronik und Gesundheitswesen. Wir haben die Patentsuche weiter auf Schlüsselwörter und Klassencodes eingegrenzt, die mit bestimmten Branchen/Sektoren verbunden sind. Im Folgenden werden die Trends bei den Patentveröffentlichungen in den einzelnen Sektoren untersucht.
Luft- und Raumfahrt und Verteidigung:
In der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungssektor werden Komponenten benötigt, die leicht sind, extremen Bedingungen standhalten und ein sehr hohes Maß an Präzision aufweisen. Als einer der ersten Anwender der 3D-Drucktechnologie trägt diese Branche weiterhin zu F&E-Investitionen für den Einsatz bei Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen und der Herstellung von Leichtbaukomponenten bei, wie sie in Verteidigungssystemen, Raketen und Flugzeuginnenräumen verwendet werden. So werden beispielsweise funktionale Flugzeugkomponenten wie Luftkanäle, Paneele und Strukturbauteile bereits mit additiven Technologien hergestellt.
Boeing hat über 70.000 3D-gedruckte Produktionsteile, die in seinen kommerziellen und militärischen Programmen eingesetzt werden. Die NASA nutzt die Additive Manufacturing Facility (AMF) zur Untersuchung von Materialien und zur Herstellung von Funktionsteilen auf der ISS, z. B. eines Antennenteils, eines Adapters, der eine Sonde in einem Luftauslass des Sauerstofferzeugungssystems der Station hält, und eines Teils zur Verbindung von zwei SPHERES, frei fliegenden Robotern, die für die Forschung auf der Raumstation eingesetzt werden.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 34 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Bereich sind GE, Boeing, Airbus, Raytheon/United Technologies und Safran. Ausgewählte Beispiele sind unten aufgeführt.
US20200232602A1 mit dem Titel Additively Manufactured Pressurization Diffusers" für Boeing (links) und US20200198755A1 mit dem Titel Wall covering panel for an aircraft with integrated insulation" für Airbus (rechts).
Automobilindustrie:
Die Automobilindustrie ist ein weiterer Sektor, der durch die additive Fertigung für Designprototypen, Werkzeuge, Ersatzteile und kundenspezifische Anpassungen verändert wird. Mehrere OEM-Hersteller experimentieren mit dem Einsatz von 3D-Druckern, insbesondere im Bereich der Werkzeuge und Vorrichtungen für die Montage.
Ford kaufte 1988 seinen ersten 3D-Drucker und konnte so die Effizienz seines Design- und Produktionsprozesses für Prototypen, Teile und Werkzeuge steigern. In seinem Advanced Manufacturing Center in Detroit stehen fast 30 industrietaugliche 3D-Drucker von Stratasys, HP, Carbon, EOS, Desktop Metal und SLM Solutions. Daimer ist ein weiteres Unternehmen, das Anpassungen und die Verfügbarkeit von Ersatzteilen für seine alten Produkte durch hochwertigen 3D-Druck aus Kunststoff und Metall ermöglicht. Tesla setzt Gerüchten zufolge 3D-Druck für das HVAC-System in seinem Model Y ein.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 34 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Bereich sind Ford, GM, Bosch, BMW und Volkswagen. Ausgewählte Beispiele sind unten aufgeführt.
US20200016830A1 mit dem Titel "Method of assembly for 3d printed vehicle architecture, joints" (Montageverfahren für 3D-gedruckte Fahrzeugarchitekturen, Gelenke) für Ford (links) und US20200130060A1 mit dem Titel "Methods for manufacturing connecting rod assemblies and crankshaft assemblies" für GM (rechts).
Gesundheitswesen:
Die Gesundheits- und Biowissenschaftsbranche ist einer der am schnellsten wachsenden Sektoren, in denen die 3D-Fertigung eingesetzt wird. Sie wird von Herstellern medizinischer Geräte bei der Herstellung von chirurgischen Instrumenten, Implantaten, Prothesen und Hörgeräten eingesetzt. Pharmaunternehmen nutzen die additive Fertigung für die Verabreichung von Medikamenten, Darreichungsformen und personalisierte Medizin. Der 3D-Druck wird auch für die Herstellung von Gewebeanaloga, Krankheitsmodellen, Organ-on-a-Chip und chirurgischen Anleitungen für Ausbildung, Planung und Training sowie für die restaurative Therapie, chirurgische Anleitungen und die Herstellung von Zahnmodellen in der Zahnmedizin eingesetzt.
Die erste FDA-Zulassung für Implantate, die mittels 3D-Druck hergestellt wurden, erhielt die Adler Ortho Group für ihr orthopädisches Implantat, das auf der Metall-3D-Drucktechnologie Electron Beam Melting (EBM) von Arcam basiert. Derzeit wird diese Technologie in einer Vielzahl von Implantaten wie Wirbelsäulen-, Hüft-, Knie- und Schädelimplantaten getestet. Stryker nutzt den 3D-Druck zur Herstellung seiner Tritanium-Implantatprodukte für Wirbelsäulen-, Gelenk- und Hüftprothesen. Aprecia Pharmaceuticals produzierte 2015 die erste mit 3D-Druck hergestellte Tablette, die von der FDA zugelassen wurde. Das in San Diego ansässige Unternehmen Organovo nutzt den 3D-Druck für das Tissue Engineering. Align Technology erstellt eine hochgradig kundenspezifische additive Fertigungskomponente eines einzigartigen, durchgängigen Fertigungsworkflows, mit dem täglich mehr als 320.000 einzigartige Invisalign-Aligner hergestellt werden. Bemerkenswert ist, dass die meisten transparenten Zahnspangen mit 3D-Drucktechniken hergestellt werden.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 25 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Sektor sind 3M, Align Technology, Ivoclar Vivadent, Philips und Warsaw Orthopedic.
US20200171262A1 mit dem Titel "Manufactured to shape headgear and masks", zugewiesen an Resmed (links) US20200069429A1 mit dem Titel "Directional porous coating", zugewiesen an Biomet (rechts).
Elektronik:
Die additive Fertigung hat das Potenzial, die Elektronik-Lieferkette zu verändern, z. B. in den Bereichen Produktdesign, Prototyping, Beschaffung, Fertigung, Lagerhaltung, Vertrieb und Aftermarket-Services. Bei der additiven Fertigung elektronischer Objekte (oder 3D-gedruckter Elektronik) wird eine Kombination aus Basismaterial für die Produktkonstruktion und leitfähigem Material für die Schaltkreise verwendet. Die Technik kann für die Herstellung einer Vielzahl von elektronischen Teilen wie Sensoren, Schaltungen, Platinen, Batterien usw. eingesetzt werden. Derzeit wird sie zur Herstellung von Außengehäusen für elektronische Geräte, für das Prototyping von Leiterplatten und für die Entwicklung von Materialien und Verfahren zum Aufbau interner Schaltkreise eingesetzt.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 20 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Sektor sind Philips, Samsung, Applied Materials, Haier und Kinpo Electronics.
WO2020179986A1 mit dem Titel "Display device and method for manufacturing same", zugewiesen an Samsung (oben links), US20200139634A1 mit dem Titel "Fdm printer and method with force feedback for printing non-uniform filaments", zugewiesen an Signify Holding/Philips Lighting (oben rechts) und US20200122450A1 mit dem Titel "Tolerance compensation element for circuit configurations", zugewiesen an Siemens (unten).
Sonstige Konsumgüter:
Die additive Fertigung ermöglicht es Konsumgüterherstellern, wettbewerbsfähig zu bleiben und gleichzeitig Innovationen in der Produktentwicklung, -prüfung und -produktion voranzutreiben. Hersteller von Spielwaren, Sportbekleidung und -ausrüstung, Schreibwaren, Augenbekleidung, Luxusartikeln und Körperpflegeprodukten erkennen die Vorteile der Aufnahme des 3D-Drucks in ihr bestehendes Fertigungsrepertoire.
Der Mink, der 2014 vorgestellt wurde, ist der weltweit erste tragbare 3D-Schminkdrucker. Chanel hat in Zusammenarbeit mit ERPRO 3D Factor eine 3D-gedruckte Mascarabürste für den Massenmarkt entwickelt. Nike Flyprint wurde 2018 eingeführt und war das erste 3D-gedruckte Textilobermaterial für Sportschuhe. Ihr erster Vorstoß im Jahr 2013 konzentrierte sich auf den weltweit ersten 3D-gedruckten Fußballschuh. Luxxotica ist ein weiterer Pionier des 3D-Drucks und nutzt den 3D-Druck von Kunststoffen und Metallen für sein begehrtes Produktportfolio, wie z. B. Oakley.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 22 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Sektor sind Nike, Adidas, L'Oreal, P&G und Ecco.
US20200230905A1 mit dem Titel "Sole mold for manufacturing a sole assigned" (Sohlenform zur Herstellung einer Sohle) für Adidas (oben) und WO2020127826A1 mit dem Titel "Applicator comprising an applicator member produced by additive manufacturing" (Applikator mit einem durch additive Fertigung hergestellten Applikator) für L'Oreal (unten).
Industrie und Fertigung:
Die traditionellen Praktiken der verarbeitenden Industrie werden durch die additive Fertigung verändert, von Vorrichtungen, Formen, Ersatzteilen bis hin zu Werkzeugen für schwere Geräte, Maschinen und andere Industriegüter und Materialien. Große Industriegüterunternehmen untersuchen bereits die additive Fertigung als Mittel zur Herstellung von Endteilen.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 26 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Sektor sind Caterpillar, Siemens, Corning, Posco und Aluminum Corp of America.
US20200157938A1 mit dem Titel "Carbide cutter bit with ribbed sides and conical tip" (Hartmetallfräser mit gerippten Seiten und konischer Spitze), zugewiesen an Caterpillar (links) und WO2020131400A1 mit dem Titel "Strengthened 3d printed surface features and methods of making the same" (Verstärkte 3D-gedruckte Oberflächenmerkmale und Verfahren zu ihrer Herstellung), zugewiesen an Corning (rechts).
Energie:
Der 3D-Druck wird hauptsächlich im Zusammenhang mit der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie diskutiert. Die Öl- und Gaskonzerne haben jedoch langsam die Verwendung von gedruckten Geräten unter der Erde und unter Wasser revolutioniert. Energieunternehmen nutzen den 3D-Druck für die Nutzung natürlicher Ressourcen dank seiner Fähigkeit, leichte Komponenten herzustellen, umweltfreundliche Materialien zu verwenden und in verschiedenen Umgebungen, z. B. bei Feldarbeiten, eingesetzt zu werden.
Rapid Prototyping und der Austausch von Teilen sind die Hauptanwendungen, die von vielen Energieunternehmen genutzt werden. So hat GE Oil & Gas beispielsweise seinen Produkttest- und Validierungsprozess um die Hälfte reduziert, als es die additive Fertigung zur Entwicklung eines neuen Brenners für die NovaLT16-Gasturbine einsetzte. Siemens hat 2018 den Meilenstein erreicht, die ersten Gasturbinenschaufeln mit additiver Fertigung herzustellen. Shell nutzte den 3D-Druck für den Prototyp des Tiefsee-Öl- und Gasprojekts Stones im Golf von Mexiko.
Neue Patenterfindungen in diesem Bereich sind im Zeitraum 2015-2020 um 31 % gestiegen. Die wichtigsten Anmelder in diesem Sektor sind Halliburton, GE, Baker Hughes, Siemens und Saudi Aramco.
WO2020005591A1 mit dem Titel "Methods of additively manufacturing inserts used in molds to form earth-boring tools" (Verfahren zur additiven Herstellung von Einsätzen, die in Formen zur Herstellung von Erdbohrwerkzeugen verwendet werden), zugewiesen an Baker Hughes (oben links), US20200047253A1 mit dem Titel "Methods Of Fabricating Ceramic Or Intermetallic Parts" (Verfahren zur Herstellung von Keramik- oder intermetallischen Teilen), zugewiesen an Halliburton (oben rechts), WO2020236702A3 mit dem Titel "Bottom nozzle with internal debris filter" (Untere Düse mit internem Schmutzfilter), zugewiesen an Westinghouse Electric Company (unten links) und EP3747572A1 mit dem Titel "Gear assembly for a wind turbine gearbox having a flexible pin shaft and carrier" (Zahnradbaugruppe für ein Windturbinengetriebe mit einer flexiblen Stiftwelle und einem Träger), zugewiesen an General Electric (unten rechts).
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