Der moderne 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ist das Verfahren zur Herstellung eines festen, dreidimensionalen Objekts nahezu beliebiger Form aus einem 3D-Modell oder einer anderen elektronischen Datenquelle. Bei diesem additiven Fertigungsverfahren trägt der Hersteller Material Schicht für Schicht auf, um das Endprodukt zu erzeugen (Abbildung 1). Angesichts des rasanten Wachstums des 3D-Drucks und der Vielfalt der verschiedenen 3D-Druckverfahren deutet alles darauf hin, dass der 3D-Druck als Spitzentechnologie gilt oder gelten sollte. Nach dieser Feststellung ist die Aussage, dass der 3D-Druck die Welt verändern wird, keineswegs übertrieben.
Die 3D-Drucktechnologie entwickelt sich rasant weiter und ermöglicht die Erstellung von 3D-Modellen und Prototypen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Konsumgüterindustrie. Befürworter sind überzeugt, dass diese 3D-Modelle Unternehmen helfen können, Projekte schneller und/oder mit weniger Ressourcen abzuschließen. Daher erlebt der 3D-Druck einen rasanten Aufschwung und treibt einen radikalen Wandel von der schnellen Prototypenerstellung hin zur schnellen Fertigung voran. Es handelt sich zweifellos um eine Spitzentechnologie.
Für Anbieter in diesem Bereich ist es das Ziel, einen 3D-Drucker in jedem Haushalt zu etablieren. Obwohl 3D-Drucker oft über 2.000 US-Dollar kosten, sind einige Modelle bereits unter 1.000 US-Dollar erhältlich. Viele sehen diesen Markt als schnell wachsenden, aber noch jungen Markt. Das unabhängige Marktforschungsunternehmen Canalys prognostiziert, dass der Gesamtmarkt für 3D-Druck (einschließlich Verkäufe von Druckern, Materialien und zugehörigen Dienstleistungen) im Jahr 2014 ein Volumen von 38 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Bis 2018 wird der Markt auf 162 Milliarden US-Dollar anwachsen, was einer erwarteten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 45,75 % in diesem Zeitraum entspricht.<sup>4</sup> Angesichts dieser prognostizierten Wachstumszahlen ist es nicht verwunderlich, dass der 3D-Druck in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit in den Medien erfahren hat. Als Spitzentechnologie besitzt er das Potenzial, Branchen zu transformieren und Fertigungsprozesse zu verändern. Allerdings bestehen weiterhin einige grundlegende Hürden für ein solch bemerkenswertes Marktwachstum, darunter die Kosten der Drucker. Selbst für weniger als 1.000 US-Dollar ist ein 3D-Drucker derzeit noch zu teuer für ein Konsumprodukt.
Ist das Rasierklingen-Modell der Schlüssel zum Wachstum des 3D-Druckmarktes?
Wer schon einmal Rasierklingen mit Ersatzklingen gekauft hat, kennt das Rasierklingen-Geschäftsmodell. Dabei wird ein Hauptprodukt mit Rabatt verkauft, um ergänzende (oftmals Einweg-)Produkte zu einem deutlich höheren Preis anbieten zu können. Dieses Geschäftsmodell wird nicht nur bei Rasierklingen, sondern auch im traditionellen Druckermarkt seit Langem erfolgreich eingesetzt und ist nach wie vor eine sehr erfolgreiche Strategie.
Man könnte argumentieren, dass dieses Rasierklingen-Modell die beste und schnellste Strategie ist, um den 3D-Druckmarkt zu beschleunigen und einen 3D-Drucker in jedes Zuhause zu bringen. Vereinfacht gesagt: Die Verbreitung des 3D-Drucks ließe sich drastisch steigern, indem man den Drucker zu einem deutlich niedrigeren Preis, fast kostenlos, anbietet und anschließend mit dem Verkauf der Spulenkassette oder des Druckfilaments einen beträchtlichen Gewinn erzielt. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Einweg-3D-Druckfilamentverpackung.
Die 3D-Druckerkassette bzw. das Druckfilament ermöglicht es Druckern, eine breite Palette an Materialien, Farben und Oberflächen in verschiedenen Preiskategorien anzubieten. Ähnlich wie bei herkömmlichen Tintenpatronen, bei denen der Tintenstand jeder Farbe angezeigt wird, kann auch der Verbrauchsstatus von 3D-Druckfilamenten angezeigt werden.
Wie die Geschichte gezeigt hat, funktioniert das Razor-Blade-Modell nur, wenn ein starkes System zum Schutz des geistigen Eigentums für Einwegprodukte gegen Klonen, Fälschung, Reproduktion und Imitation implementiert ist.⁶ Es besteht kein Zweifel, dass Fälscher versuchen werden, 3D-Druckkassetten zu imitieren und die rechtmäßigen Hersteller dieser Produkte zu betrügen. Wie lässt sich der Diebstahl geistigen Eigentums verhindern? Die Antwort ist einfach: durch die Integration sicherer Identifikationstechnologie in jeden 3D-Drucker und jede Kassette.
Sicherheit mit dem SHA-256 Challenge-Response-Authentifizierungssystem:
Seit vielen Jahren ist eine sichere Authentifizierungsumgebung mittels Hash-Algorithmus (SHA) ein hochwirksames Mittel, um geistiges Eigentum in einer Vielzahl von Produkten und Anwendungen vor Fälschung und illegalem Kopieren zu schützen. Ein SHA-256-Sicherheitssystem, das auf dem vom National Institute of Standards and Technology (NIST) definierten sicheren Hash-Standard FIPS PUB 180-4 basiert, ist ein leistungsstarkes Werkzeug gegen Produktfälschungen und Klonen. Die sichere Authentifizierung von Einwegprodukten wirkt sich zudem positiv auf die Qualitätskontrolle aus, was wiederum die Markenidentität des Herstellers maßgeblich beeinflusst.
Die SHA-256-Kommunikation ist eine symmetrische Authentifizierungsumgebung, die auf einem bidirektionalen Challenge-Response-Schlüssel basiert. Es handelt sich um ein „Handshake“-Protokoll, bei dem eine Partei (der Host oder Master, in diesem Fall der 3D-Drucker) der anderen Partei (dem Slave, hier die Kartusche oder Spule) eine geheime Frage stellt. Der Slave muss eine gültige Antwort geben, um authentifiziert zu werden. Die Antwort der Slave-Kartusche hängt sowohl von der erhaltenen Frage als auch von der gespeicherten geheimen Antwort ab. Beantwortet die Kartusche die geheime Frage falsch, wird sie vom Drucker zurückgewiesen.
Die Hauptkomponenten des Authentifizierungssystems umfassen die 256-Bit-Zufalls-Challenge, die ROM-Identifikation (ID) der Cartridge und den geheimen Schlüssel, der einzigartig ist und während der Fertigung in jeden Slave-IC eingebettet wird. Dieser geheime Schlüssel wird im geschützten Speicher eines sicheren SHA-256-Authenticators, dem DeepCover® DS28E15, programmiert. Derselbe geheime Schlüssel ist auch im sicheren Gast-Authenticator, dem DS2465 im Drucker, programmiert. Ein starkes und sicheres System zur Verwaltung des geheimen Schlüssels ist erforderlich, um diesen vor Missbrauch zu schützen.
Unmittelbar nach dem Einsetzen einer Kartusche in einen authentifizierten 3D-Drucker läuft folgende Ereignissequenz ab (Abbildung 3):
• Der 3D-Drucker liest die ROM-ID der Kartusche (gespeichert im DS28E15).
• Der 3D-Drucker generiert eine zufällige Frage und sendet diese an die Kartusche.
• Die Kartusche berechnet einen SHA-256 Message Authentication Code (MAC) mithilfe ihrer ROM-ID, ihres geheimen Schlüssels, der empfangenen zufälligen Frage und weiterer Daten. Diesen sendet die Kartusche an den Druckerhost.
• Der 3D-Drucker berechnet anschließend lokal seinen eigenen MAC mithilfe seines lokal gespeicherten geheimen Schlüssels, der zufälligen Frage (derselben, die an die Kartusche gesendet wurde) und der von der Kartusche erfassten ROM-ID.
• Der 3D-Drucker vergleicht seinen MAC-Wert mit dem von der Kartusche berechneten.
• Stimmen die beiden MAC-Werte überein, ist die Kartusche authentifiziert. Dies bedeutet, dass die Kartusche echt ist. Sobald die Echtheit der Kartusche überprüft wurde, kann der 3D-Drucker weitere Daten aus dem Kartuschenspeicher auslesen, wie z. B. Herstellungsdatum, -ort, Chargennummer, Filamentmaterial, unterstützte Farben und Materialauslastung. Stimmen die MAC-Codes (Microsoft Markup Codes) jedoch nicht überein, wird die Kartusche als gefälscht, manipuliert oder verfälscht eingestuft. Der Drucker deaktiviert dann umgehend alle Druckfunktionen.
3D-Druckerpatronen und die Vorteile der SHA-256-Authentifizierung.
Abbildung 4 veranschaulicht die Integration der SHA-256-Authentifizierung in einen 3D-Drucker und die Tintenpatrone des Herstellers. Ein sicherer DS28E15-Authenticator ist das zentrale Bauteil und bietet integrierten Schutz in der Patrone. Der 3D-Drucker mit dem DS2465 (Master/Host) akzeptiert nur authentische Antworten von einer Originalpatrone (Slave). Die Kommunikation erfolgt über eine 1-Wire®-Schnittstelle, über die in diesem Fall auch der DS28E15 in die Patrone eingeführt wird. Dieses Authentifizierungsverfahren setzt voraus, dass sowohl der 3D-Drucker als auch die Patrone denselben SHA-Schlüssel verwenden, der während der Herstellung in einer sicheren Einrichtung programmiert wurde.
Sichere Authentifizierungs-ICs wie der DS28E15 bieten einen weiteren Vorteil: Sie verfügen über eine eigene 64-Bit-Serien- oder Identifikationsnummer (ID-ROM), die als einer der Eingänge für die SHA-256-Engine dient. Dadurch ist jeder 256-Bit-MAC eindeutig. Der Speicher des DS28E15 lässt sich in frei zugängliche (z. B. ungeschützte) Bereiche und Bereiche unterteilen, in denen der Host (Drucker) den Slave (die Patrone) für den EEPROM-Schreibzugriff authentifizieren muss. Verschiedene Schutzmodi sind verfügbar und im Datenblatt beschrieben.
Im EPROM-Emulations-Schutzmodus (EM) des DS28E15 können einzelne Speicherbits nur von 1 auf 0, nicht aber von 0 auf 1 geändert werden. Nach der Aktivierung des EM-Modus ist dieser Zustand unwiderruflich. Dies ist die beste Möglichkeit, einen Countdown oder eine Begrenzung der Patronennutzung zu implementieren, die nur schwer zu umgehen ist. Diese Nutzungsbeschränkung verhindert, dass Benutzer die Patronenverpackung manipulieren und eigenes Filament hinzufügen.
Die Speicherschutzmodi des DS28E157 bieten dem 3D-Drucker zudem die Möglichkeit, weitere Funktionen zu nutzen. Dazu gehören beispielsweise die Fähigkeit des Druckers, verschiedene Oberflächenbearbeitungen zu verarbeiten oder Objekte aus einer größeren Material- und Farbvielfalt herzustellen. Diese Fähigkeiten sind letztendlich die Schlüsselfaktoren für das Wachstum des 3D-Druckmarktes.
Fazit:
Leider ist es üblich, dass vermeintlich sichere Einwegprodukte mithilfe verschiedener ausgeklügelter Methoden auf Array-Ebene angegriffen werden, um sensible Daten zu extrahieren und/oder die Gerätekonfiguration zu rekonstruieren. All dies geschieht mit dem Ziel, die Systemsicherheit zu kompromittieren, um das System zu klonen oder zu fälschen. Um den bestmöglichen Schutz vor diesen unvermeidlichen Angriffen zu gewährleisten, verwendet der DS28E15 proprietäre physikalische kryptografische Verfahren, Schaltungen und Methoden auf Array-Ebene, um sensible Daten, Steuersignale und geheime Schlüssel zu schützen.
Kann der DS28E15 DeepCover Secure Authenticator Hersteller von 3D-Druckerkartuschen vor Klonen und Fälschungen schützen? Könnte er letztendlich zu einer schnelleren Verbreitung des 3D-Drucks und einem 3D-Drucker in jedem Haushalt führen? Ja. Dank des im DS28E15 implementierten SHA-basierten Challenge-Response-Authentifizierungsverfahrens kann der 3D-Druckermarkt sicherstellen, dass Originalkartuschen verwendet werden. Mit geschützten Vermögenswerten, geistigem Eigentum und Markenqualität kann der Druckermarkt einen signifikanten Teil seiner Einnahmen vom Druckerverkauf auf den Verkauf von Einwegkartuschen verlagern.
Wie die Geschichte gezeigt hat, funktioniert das Razor-Blade-Modell nur, wenn ein starkes System zum Schutz des geistigen Eigentums gegen Klonen, Fälschen, Kopieren und Imitieren von Einwegprodukten vorhanden ist. Der DS28E15 DeepCover Secure CI Authenticator ist der richtige Weg zu steigenden 3D-Druckerverkäufen. Deshalb sagen wir, dass der nächste große Schritt im 3D-Druck der DS28E15 ist.
Referenzen
1 WhatIs.com definiert „disruptive Technologie“ als einen von Professor Clayton M. Christensen von der Harvard Business School geprägten Begriff, der eine neue Technologie beschreibt, die eine etablierte Technologie unerwartet verdrängt. Weitere Referenzen finden Sie im Artikel unter http://whatis.techtarget.com/definition/disruptive-technology
Tim Pastor, leitender Analyst bei Canalys, merkt an: „Wir beobachten bereits eine beträchtliche Anzahl von Early Adopters und Hobbyisten, die in relativ günstige 3D-Drucker investieren. Da die Preise weiter sinken, sich die Technologie verbessert und Anwendungsfälle getestet werden, wird sich dieser Trend fortsetzen …“ (Siehe „3D printers gaining significant attraction among consumers“, Canalys, 24. Juni 2014, http://apac.canalyschannelsforum.com/site/news?id=5).
3. Günstige 3D-Drucker kosten in der Regel zwischen 1.000 und 2.000 US-Dollar. Im Canalys-Bericht schreibt Canalys-Analyst Joe Kempton: „Tatsächlich sind bereits einige einfache Druckermodelle für unter 1.000 US-Dollar auf dem Markt, und manche Crowdfunding-Projekte versprechen Preise unter 500 US-Dollar …“ Siehe „3 printers gaining significant attraction among consumers“, Canalys, 24. Juni 2014, http://apac.canalyschannelsforum.com/site/news?id=5. Siehe
auch: How Much Does a 3D Printer Cost? “Still Expensive, But Becoming More Affordable”, arts.mic, 10. Mai 2013, http://mic.com/articles/41111/how-much-does-a-3d-printer-cost-still-expensive-but-becoming-more-affordable.
Einen Artikel über einige sehr teure 3D-Drucker (Preisspanne: 10.000 bis 50.000 US-Dollar) finden Sie in: Lumb, David, „The Top Nine Consumer 3-D Printers For Every Budget“, Fast Company, http://www.fastcolabs.com/3016490/9-consumer-3-d-printers-for-every-budget.
Weitere Informationen zu den Einführungspreisen von 3D-Druckern finden Sie unter „How Much Does a 3D Printer Cost?“, inkpal.com, http://www.inkpal.com/ink-news/how-much-does-a-3d-printer-cost/.
4. Canalys berichtet über den 3D-Druckmarkt: „Der Markt, einschließlich des Umsatzes mit 3D-Druckern, Materialien und zugehörigen Dienstleistungen, erreichte 2013 weltweit ein Volumen von 2,5 Milliarden US-Dollar. Canalys prognostiziert für 2014 einen Anstieg auf 3,8 Milliarden US-Dollar und ein anhaltendes, rasantes Wachstum auf 16,2 Milliarden US-Dollar im Jahr 2018. Dies entspricht einer erwarteten durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 45,7 % von 2013 bis 2018.“ Siehe „3D printing market to grow to US$ 16.2 billion in 2018“, Canalys, Montag, 31. März 2014, http://www.canalys.com/newsroom/3d-printing-market-grow-us162-billion-2018.
5 Im Internet gibt es zahlreiche Diskussionen über das Razor-Blade-Geschäftsmodell. Einige empfohlene Websites, auf denen Sie mehr darüber erfahren können, sind: http://www.investopedia.com/terms/r/razor-razorblademodel.asp, http://www.businessdictionary.com/definition/razorblade-model.htmlund http://en.wikipedia.org/wiki/Freebie_marketing.
6 Im Internet finden Sie zahlreiche Diskussionen über gefälschte Druckerpatronen. Allgemeine Informationen zu diesem Problem finden Sie beispielsweise in Edwards, Cliff, „HP Gets Tough on Ink Counterfeiters“, Bloomberg Businessweek, 28. Mai 2009, http://www.businessweek.com/magazine/content/09_23/b4134044747987.htm . Wie man Fälschungen erkennt, erfahren Sie in Shea, Mark, „How to Identify Counterfeit Ink“, PCWorld, 2. Dezember 2010, http://www.pcworld.com/article/212183/identify_counterfeit_ink.html. Eine allgemeine Internetsuche nach „gefälschten Tintenpatronen“ liefert viele weitere Links zu diesem Thema.
7. Weitere Details zu den Schutzmodi des DS28E15 finden Sie im Datenblatt unter http://www.maximintegrated.com/DS28E15.
1-Wire ist eine eingetragene Marke von Cypress Semiconductor, Inc.
3D Systems ist eine Marke und Dienstleistungsmarke von 3D Systems, Inc.
Cube ist eine eingetragene Marke von 3D Systems, Inc.
DeepCover ist eine eingetragene Marke von Cypress Semiconductor, Inc.
Über den Autor
Hamed M. Sanogo ist Executive Business Manager bei Maxim Integrated Products und verantwortet die Produktlinien für sichere Authentifizierung, NFC und RFID. Er absolvierte sein Bachelorstudium der Elektrotechnik (BSEE) an der University of Alabama at Birmingham (UAB), erwarb einen Master in Elektrotechnik (MSEE) an der University of Michigan (Dearborn) und einen MBA in Technologiemanagement an der University of Dallas. Sie können Hamed über folgende Plattform kontaktieren:
