In der »Additive Fertigung« (AF), umgangsprachlich auch 3D-Druck genannt, wird eine 3D-Datei eines Objekts erstellt und konvertiert in eine für das additive Fertigungssystem verständliche Sprache, an ein additives Fertigungssystem gesendet und ausgedruckt. Mit Großraumdruckern können kundenindividuelle Möbel gedruckt, die Digitalisierung von der Entwicklung bis zur Herstellung mit konsistenten einheitlich strukturierten Stammdaten bis hinein in die Web-Applikationen geführt werden.

Die Möbelindustrie ist mittelständisch geprägt. »Möbel Made in Germany« ist ein Qualitätslabel und hat immer noch einen weltweit hervorragenden Ruf. Die Erfüllung dieses Qualitätslabels bedeutet, dass der Herstellungsprozesses überwiegend in Deutschland erfolgen muss, das heißt mindestens 55 Prozent der Bauteile eines Möbelprogramms, bezogen auf ihren Wert, müssen aus deutscher Produktion stammen. Dies bedeutet aber auch, dass Möbelhersteller inzwischen in Near-Shore-Länder Produktionsbereiche innerhalb der Firma oder an externe Lieferanten ausgelagert haben, weil Teile oder Komponenten in Osteuropa billiger gefertigt werden wodurch Arbeitsplätze in Deutschland verloren gegangen sind.

Auch die Möbelindustrie hat im Jahr 2020 Umsatzeinbußen durch die Corona-Lockdowns erlitten. Allein im ersten Halbjahr 2020 betrugen die Umsätze der Möbelbranche 8,1 Milliarden Euro, was einen Rückgang von 8,1 Prozent im Vergleich zum Vorjahr entspricht [1]. Andererseits wurden aber auch Möbel gekauft da der Urlaub entfiel, leider konnten diese Substitutionskäufe den Umsatzrückgang nicht vollständig kompensieren. Laut einer aktuellen Studie der Unternehmensberatung Titze hat ein Haushalt in Deutschland im Jahr 2019 im Schnitt 725 Euro für neue Möbel ausgegeben, wobei mehr als die Hälfte des Betrags in die Küche floss [2]. Eine signifikante Disruption mit breitem Einsatz neuer Fertigungstechnologien wie beispielsweise additiver Fertigung steht aber noch bevor, denn die Möbelindustrie ist in Deutschland eher eine konservativ agierende Industrie.

Eine Problemlösung. Eine mögliche Lösung ist die AF mit speziellen Großraum-AF-Systemen, denn die Vorteile der AF können zahlreiche Möbel wie Tische, Stühle, Lampen, Bettgestelle, Treppenverkleidungen, etc. in weniger Schritten, mit viel besserem Design und auch weniger Gewicht (etwa durch die Reduzierung der Verbindungsteile) gefertigt werden.

Das Aufkommen von Großraumdruckern, den verschiedenen AF-Technologien, Beschleunigung im AF-Prozess, zusätzlich einsetzbare Materialien und teilweise anderer Materialbereitstellung führte zu einem Schub bei der Nutzung der AF für die Herstellung von Möbeln.

Großraumdrucker: Das im Jahr 2014 gegründete Berliner Startup Unternehmen BigRap [3] hat mit seinen verschiedenen Großraum-AF-Systemen Pionierarbeit speziell mit FDM [4] AF geleistet. Ein Überblick über einzelne Großraum-AF-Hersteller welche mit der FDM-Technologie arbeiten ist in Abbildung 1 aufgeführt.

AF-Technologien und Beschleunigung im AF-Prozess: Als AF-Verfahren können neben der FDM-Technologie, pulverbettbasierte Laserschmelzverfahren [5] (Powder Bed Fusion, auch selective laser melting, SLM genannt) und das schnelle Rapid Liquid Printing [6] sowie die CLIP Technologie [7], welches 2017 auf der Milan Design Week vorgestellt wurde, zum Einsatz. Die AF kann durch inzwischen verfügbare schnellere Herstellungsverfahren im Möbel-Produktionsprozess auch für Endprodukte eingesetzt werden. Inzwischen werden Industrieroboterarme mit AF-Verfahren als Aufsatz kombiniert um mehr Bewegungsachsen im Herstellungsprozess zu haben.

Bei pulverbettbasierten Laserschmelzverfahren eigenen sich die verschiedenen Metallpulver hervorragend um Verbindungsteile, bionische Strukturen im Endprodukt und Teile zur Produktionsunterstützung (Rapid Tooling) herzustellen.

Zusätzlich einsetzbare Materialien: Unter den zahlreichen Plastikfilamenten können beispielsweise auch holzähnlich aussehende Filamente eingesetzt werden. Ein Beispiel dazu bietet der dem Film »Inception« nachempfundene »3D Printed Coffee Table« [8] in Abbildung 2. Ein weiteres Beispiel ist der »Gemini Chair« der von Neri Oxman entworfen wurde und durch ein kombiniertes Produktionsverfahren bestehend aus AF und CNC-Fräsen hergestellt wurde (Abbildung 2) [9]. Um hohe Stabilität bei Bauteilen zu erreichen können auch Carbon-Fiber-Filamente (Eigenschaften: hohe Schlagfestigkeit, hohe Reißfestigkeit, geringes Gewicht, hohe chemische Resistenz, hohe Temperaturtoleranz und geringe thermische Ausdehnung [10]) eingesetzt werden.

Eine andere Materialbereitstellung – Pellet-Extrusion: Bei den Großraum-AF-Systemen ist die Tendenz, Pellet-Extrusionssysteme einzusetzen. Bei der Pellet-Extrusion wird keine Spule mit Filament als Ausgangsmaterial verwendet, sondern es werden dieselben, billigeren, unbehandelten Kunststoffpellets wie für das Spritzgießen verwendet. Dadurch können einfacher verschiedene Kunststoffe gemischt werden um kundenspezifische Polymermischungen und -farben herzustellen. Diese Systeme können auch zerkleinerte Kunststoffe als Ausgangsmaterial verwenden, wodurch der Anwender dieser Systeme Wasserflaschen, Milchkännchen und fehlerhafte und nicht benötigte »Drucke« durch Schreddern [11] direkt in neue Objekte umwandeln kann. Ein solcher Grad eines zirkulären Ökosystems kann mit keiner anderen Form der Herstellung erreicht werden.

Abbildung 1: Additive Fertigungssysteme – Technologie

Einige der Vorteile AF. Natürlich ist für die Möbelfertigung die Objektgröße der entscheidende Faktor bei der Auswahl eines Großraumdruckers, aber weitere Vorteile können darüber hinaus entscheiden sein:

Schnellere Entwicklungszeiten – Je größer ein Objekt ist, desto länger dauert es, die Maschinen vorzubereiten (Rüstzeiten) oder sogar teilweise neu zu konstruieren und mit herkömmlichen Mitteln herzustellen. Bei der AF gibt es im Wesentlichen keine Einrichtungsschritte, womit auch große Prototypen wesentlich schneller gedruckt werden können als auf andere Weise. Das Drucken eines großen Objekts kann eine Weile dauern. Durch Ausschalten des zeitaufwändigen Werkzeugschritts kann es jedoch je nach den Besonderheiten auch schneller sein, Produktionsläufe mit großen Objekten durchzuführen.
Gewichtsreduzierung und Zusammenlegung von Baugruppen in einem Objekt: große Gegenstände bestehen normalerweise aus Holz, Metall oder spritzgegossenem Kunststoff. Durch das Drucken derselben Objekte in einem Kunststoffobjekt werden sie viel leichter, insbesondere wenn berücksichtigt wird, dass Benutzer die Dichtefüllung von 3D-Druckobjekten leicht anpassen können und Befestigungselemente wie Schrauben und Muttern nicht erforderlich sind.
Unibody-Teile – Oft sind Hersteller bereits in der Lage, ihre großen Objekte mit herkömmlichen Montagemethoden herzustellen. Diese Objekte würden jedoch eine bessere Leistung erzielen, wenn sie als ein einziges Stück hergestellt (etwa ein großer Bürotisch aus einem Stück) würden, was nur ein großer 3D-Drucker effizient tun kann. Ein Teil aus einem Material herzustellen hat viele Vorteile, die sich auf andere Aspekte der Produktion auswirken, auf die weiter unten eingegangen wird.
Durch Nutzung von »Wood«-Filamenten, welche optisch wie Holz aussehen und durch das Verschwinden von Schrauben und anderen Metallteilen das Möbelobjekt noch natürlicher wirken lassen.
Schneller und genauer Aufbau nach einem digitalem Vorbild, weniger operativer Personaleinsatz.
Konstruktionsfreiheit, beispielsweise um »individuelle Möbel« zu konstruieren und zu bauen. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden sind viele Geometrien wie interne Kanäle und komplexe Gitter und Netzstrukturen einfach nicht oder nur mit viel Aufwand möglich. Viele große Objekte wie Möbel profitieren von solchen Funktionen, und Großraum-AF-Systeme sind die einzige Möglichkeit, diese Designs, beispielsweise bionische Strukturen, zu realisieren.
Individualisierung von Möbeln: um die Unzufriedenheit der Menschen mit ihren stereotyp einförmigen Büros aufzuheben, besser auf die menschlichen Bedürfnisse zugeschnittene Arbeitsplätze zu bieten und um bei hochqualifizierten Talenten auch das Wohlbefinden und Engagement zu fördern, ist eine Individualisierung notwendig durch maßgefertigte Möbel um das Zugehörigkeitsgefühl, die Selbstentfaltung und die Authentizität der Mitarbeiter zu fördern.
Insourcing: Konsolidierte Baugruppen benötigen weniger Materialien von verschiedenen Orten. Möglicherweise fallen aus Near-Shore-Länder, ob in diese Länder verlagerte Produktionsbereiche innerhalb der Firma oder externe Lieferanten, einfach weg durch die Konsolidierung von Baugruppen.
Die Lagerung von Möbeln erfordert viel Platz. Die Möbelhäuser und auch Möbelhändler beklagen häufig die hohe Kapitalbindung durch die immensen Lagerkosten. Durch die AF können Lagerflächen digitalisiert und die Kapitalbindung erheblich reduziert werden und nur auf Anfrage produziert werden.
Reduzierte Kosten und reduzierte Abfallerzeugung: mit einem AF hergestellte Großteile können aufgrund der Werkzeugkosten der konventionellen Teile kostengünstig sein. Zudem wird durch AF nur das wirklich benötigte Material verwendet, die Abfallerzeugung wird reduziert.

Abbildung 2: AF-Anwendungen – Designer Möbel

Einsatzbeispiele von AF in der Möbelindustrie. Nachfolgend einige Anwendungsfälle aus der Praxis.

Möbelproduzent Steelcase: Individuelle Büromöbel als Massengeschäft.
Der Möbelproduzent Steelcase [12] aus Michigan (USA) hat in Kollaboration mit dem Produktdesigner Christophe Guberan und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Verfahren entwickelt, mit dem personalisierte Büromöbel in Rekordzeit hergestellt werden können. Das sogenannte Rapid Liquid Printing (RLP) [13], mit dem das Objekt freischwebend in einem mit Gel gefüllten Behälter »gedruckt« wird, kommt bei Steelcase zum Einsatz. Diese neue AF-Technologie druckt nicht in Schichten, braucht kein Supportmaterial und arbeitet im Gegensatz zu den herkömmlichen AF-Technologien extrem schnell (in wenigen Sekunden), so dass Möbelstücke innerhalb kürzester Zeit gefertigt werden könnten. Das Material besteht aus Polyurethan und wird durch den Kontakt mit dem Gel ausgehärtet. Sobald das Objekt fertig gedruckt ist, kann es aus dem Behälter genommen werden, die Gelreste werden einfach mit Wasser entfernt. Eine weitere Nachbearbeitung ist nicht erforderlich.

Steelcase gaubt, dass der der Bedarf an Büromöbeln weg von stereotypen Büromöbeln in Richtung individuell ausgestalteten Möbeln geht, um Talente zu gewinnen die sich in ihrer Büroumgebung wohlfühlen um das Engagement und das Zugehörigkeitsgefühl der Mitarbeiter zu verbessern. Turnstone, eine Marke von Steelcase, konzentriert sich darauf, den heutigen Mitarbeitern diese Art von personalisierten Erlebnissen zu bieten. 2016 wurde die Bassline-Tischkollektion, die für nahezu jede vom Kunden gewünschte Oberfläche ausgelegt ist, mit dem Best of NeoCon Innovation Award ausgezeichnet. Das einzigartige Design, das eine beispiellose Personalisierung ermöglicht, machte es zu einer natürlichen Ergänzung für das 3D-Druckexperiment mit dem Self-Assembly Lab des MIT.

IKEA: AF für ausgewählte Anwendungen.
IKEA setzt die AF für die Produktion von Strickmöbeln und von Ersatzteilen ein [14]. Ein IKEA-Projekt mit dem Namen »ThisAbles« ermöglicht es Add-Ons für Möbel mit einem AF-System auszudrucken, die Menschen mit Behinderung die Bedienung von Möbelstücken im Alltag erleichtern. Die Produktreihe besteht aus Add-Ons wie einfachen Griffen, Mega-Schaltern, Glasstoßstangen, freundlichen Reißverschlüssen, Vorhanggreifern und vielem mehr, die alle als 3D-druckbare Dateien heruntergeladen und zu Hause oder über einen Dienst gedruckt werden können. Die Produkte adressieren eine Reihe von Fällen mit besonderen Bedürfnissen, darunter eingeschränkte Handfunktionen, Mobilitätsprobleme und Sehbehinderungen [15].

Darüber hinaus hat der in Budapest ansässige Designer Adam Miklosi die Webseite Uppgradera [16] geschaffen, um IKEA-Produkterweiterungen als Open Source zur Verfügung zu stellen, die mit einem AF-System hergestellt werden können.

Ashley Furniture Industries (USA): Prototypen, Vorrichtungen und Werkzeuge.
Ashley Furniture ist ein amerikanischer Einrichtungshersteller und Einzelhändler mit Hauptsitz in Arcadia (in Wisconsin) und nutzt die AF durchgängig für die Herstellung von Prototypen sowie im Produktionsprozess für die Herstellung spezifischer Fertigungsvorrichtungen und Werkzeuge [17].

Nervous System: Projektgeschäft für kundenindividuelle Möbel und Interior Design.
Das MIT Startup Nervous System [18] aus New York entwickelt mit unterschiedlichen AF-Technologien unregelmäßige und gekrümmte, bionische, belastungsoptimierte 3D-Strukturen. Derartige Objekte wären sonst nur mit extremen Aufwand herstellbar. Projektbeispiele sind das Corolllaria Railing [19] als Verkleidung für ein Treppengeländer und die »Hypae Lamps – An infinite series of lightning designs« [20] oder auch die »Floraform sculptures« [21] (siehe dazu Abbildung 3).

Dirk Vander Kooij: Möbel aus recycelten Eingangsmaterialien.
Ein neues Anwendungsgebiet sind Möbel aus recycelten Eingangsmaterialien, beispielsweise das Projekt von Dirk Vander Kooij mit 3D-gedruckten Möbeln aus 100 % recyceltem Kunststoffabfall. Das Projekt »Recycling-furniture from the future« entstand in Südkorea.

Abbildung 3: AF-Anwendungen – Möbel und Interior Design

Ausblick. Heutige Möbeldesigner entwerfen nicht nur Möbel, sondern lassen diese bei AF-Dienstleistern für Kunden fertigen. Durch diese Kombination von Möbeldesigner und Druckdienstleister kann die bisherige Wertschöpfungskette von Zulieferer, Möbelhersteller und Möbelhändler umgangen werden. Ein Schritt weiter geht die Plattform Shapeways [25], in der Möbeldesigner ihre Möbelentwürfe hochladen, ausstellen und vermarkten können. Beispiele sind Lampen [26], Tische [27], etc. Shapeways bietet 75 verschiedene Materialien für die Herstellung der Objekte an und nutzt mehr als zehn AF-Technologien.

Der Einsatz der AF erfordert eine massive Umstellung der Prozesse bei einem Möbelunternehmen. Alle Informationen von der Entwicklung, der Produktion, dem Verkauf sowie den Erfahrungen mit den Möbeln bei den Kunden und den jeweils daraus gewonnenen Daten zu haben, muss in einem durchgängigen und konsistenten System mit einem durchgängigen Stammdatenmanagement eingeführt werden. Sämtliche Daten müssen in den Geschäftsprozessen in die IT-Anwendungen eingegeben werden. Der Anfangspunkt beginnt in der Entwicklung eines Möbelstücks und hat als Herzstück eine 3D-CAD-Datei. Frühzeitig müssen die Mitarbeiter einbezogen werden und auf die Umstellung vorbereitet werden. Mit einer offenen Kommunikationskultur und zeitnahen Trainings sollten die betroffenen Mitarbeiter so ins Boot geholt werden, dass Sie die Vorteile dieses neuen Produktions-, Prozess- und Datensystems auch für sich selbst erkennen. Dann werden sie die Einführung auch unterstützen. Es handelt sich um einen Change-Management-Prozess in dem auch externe Zulieferer einzubeziehen sind. Die Abgrenzung wird fließender und die Wertschöpfungskette wird sich verändern, entweder mehr zum Möbelhersteller oder hin zum Möbellieferanten. Im Extremfall wird die traditionelle Wertschöpfungskette umgangen durch die Kooperation zwischen Möbeldesignern und 3D-Druckdienstleistern.

Eines dürfte jedoch sicher sein: mit schnelleren AF-Verfahren in hoffentlich mehr AF-Technologien wird auch der Einzug von AF-Systemen in die Produktionsprozesse weiter vorankommen. Unabhängig davon könnte sich die Möbelherstellung aus recycelten Materialien etablieren.

Martin G. Bernhard ist Geschäftsführer der ECG Management & Advisory Services und Gastprofessor für additive Fertigung an der staatlichen Universität von Montes Claros in Brasilien. Darüber hinaus ist er Management-Berater für Technologiethemen wie additive Fertigung, Robotik, künstliche Intelligenz, Digitalisierung und für IT-Management-Themen.

Quellen

[1] Siehe: https://www.moebelindustrie.de/vdm/ueber-die-moebelindustrie/index.html

[2] Siehe https://www.titze-online.com/marktstudien-moebel

[3]Siehe: https://bigrep.com/

[4] Siehe: Berger, U. – Hartmann, A., Schmidt, D. – Additive Fertigungsverfahren – Rapid Prototyping – Rapid Tooling – Rapid Manufacturing – S. 129 – S. 134 – Europa Lehrmittel – 2. Auflage mit CD

[5] Siehe: https://mpl.mpg.de/de/forschung-am-mpl/technologieentwicklungs-und-servicegruppen/tdsu-3-faserherstellung-glassstudio/glasstudio/additive-manufacturing/

[6] Siehe: https://www.steelcase.com/eu-de/forschung/artikel/themen/innovation/mit-lab-steelcase-entwickeln-neuartiges-3d-druckverfahren/

[7] Siehe: https://www.carbon3d.com/resources/whitepaper/clip-and-the-future-of-additive-manufacturing-in-automotive/ und http://additivemanufacturing.com/2015/04/03/carbon3d-introduces-clip-breakthrough-technology-for-layerless-3d-printing/

[8] Siehe: https://3dprint.com/114415/inception-coffee-table

[9] Gemini Chair: designed by MIT professor Neri Oxman combines 3D printing composite materials and 3D CNC milling. Siehe: https://3dprint.com/110824/3d-print-would-wood-project/

[10] Siehe: https://www.3dnatives.com/de/was-sie-ueber-carbonfaser-wissen-sollten-070520201/

[11] Wolters, L., Marwick, J. v., Regel, K., Lackner, V., Schäfer, B.,: Kunststoff-Recycling: Grundlagen – Verfahren – Praxisbeispiele (Deutsch) Taschenbuch – Taschenbuch 301 Seiten – ISBN-13 : 978-3446182646 – April 1997 und Rudolph, N., Kieser, R., Aumnate, C.: Einführung Kunststoffrecycling: Ökonomische, ökologische und technische Aspekte der Kunststoffabfallverwertung – Gebundene Auflage 144 Seiten – ISBN-13: 978-3446458802 – Dez. 2019

[12] Siehe: www.steelcase.com und https://www.steelcase.com/research/articles/topics/innovation/mit-lab-steelcase-yield-3d-printing-breakthrough/

[13] Siehe: https://youtu.be/8p7CSNbX8vM

[14] Lee, D.: Ikea’s 3D-printed add-ons make its furniture more accessible for people with disabilities – 12. März 2019 – siehe auch https://www.theverge.com/2019/3/12/18261893/ikea-thisables-3d-printed-add-ons-people-with-disabilities und https://youtu.be/FCwMUxBsqVE

[15] Siehe: https://www.3dprintingtoday.com/ikeas-thisables-3d-printed-add-ons-make-furniture-more-accessible/

[16] Siehe: www.uppgradera.co

[17] Siehe: https://formlabs.com/de/blog/ashley-furniture-one-idea-to-700-3d-printed-parts-in-the-factory/

[18] Siehe: https://n-e-r-v-o-u-s.com

[19] Siehe Corolllaria Railing: https://n-e-r-v-o-u-s.com/projects/albums/corolllaria-railing/

[20] Siehe Hypae Lamps: https://n-e-r-v-o-u-s.com/blog/?p=1701

[21] Siehe Floraform sculptures: https://n-e-r-v-o-u-s.com/projects/albums/floraform-sculptures/content/florescence-ornata-2/

[22] Siehe: https://interiorpark.com/en/recycling-furniture-from-the-future-by-dirk-vander-kooij

[23] Siehe: http://www.tinello.nl/

[24] Siehe: http://www.tinello.nl/ und https://3dprint.com/31587/tinello-3d-print-kitchen-model/ und https://youtu.be/rLoshBF8xts

[25] Siehe: https://www.shapeways.com/industry/consumer/

[26] Siehe: https://www.shapeways.com/marketplace?type=product&q=Lamp

[27] Siehe: https://www.shapeways.com/marketplace?type=product&q=Table

Illustration: © glyph/shutterstock.com

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