Industrie 4.0: Ersatzteil-Digitalisierung mit additiver Fertigung – Ein Projektmodell zur praktischen Einführung und Praxisbeispiele

Additive Fertigung wird die Art und Weise, wie Ersatzteile hergestellt, geliefert, gelagert und versendet werden, verändern. Mit AF-Systemen hat sich eine neue Industrie »Manufacturing as a Service« zur Serien- und Massenfertigung etabliert, zudem fertigen 3D-Druckdienstleister einzelne Ersatzteile oder kleine Serien. Dadurch lassen sich Ersatzteile »On Demand« am »Point of Need« fertigen und ausliefern.

Mit additiver Fertigung (AF), auch 3D-Druck genannt, wird eine 3D-Datei eines Objekts konvertiert in eine für das additive Fertigungssystem verständliche Sprache, an ein additives Fertigungssystem gesendet und gefertigt bzw. umgangssprachlich ausgedruckt. Es können nahezu beliebige Objekte gedruckt werden. Auch in der Ersatzteilwirtschaft hat sich die AF inzwischen als Verfahren zur »Digitalisierung der Ersatzteile« mit Printing-on-Demand-Serviceleistungen etabliert. Es können unterschiedliche Materialien mit der AF hergestellt werden. Dazu zählen Metalle und Metallverbindungen (Stahl, Gold, Silber, Bronze, Kupfer, Titan, Aluminium, ..), unzählige Arten von Kunststoffen und Kunststoffgemischen, etc. [1].

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Problemstellung: häufig befinden sich zu viele Ersatzteile im Lager. In den Fertigungsunternehmen existieren umfangreiche spezifische Materialspektren. Werden etwa 20 bis 30 Prozent des Umsatzes eines Fertigungsunternehmens im Lager gehalten, so lassen sich hierfür Einsparpotenziale realisieren. Gelingt es davon nur 20 % des im Lager gebundenen Kapitals durch Reduzierung der Ersatzteile einzusparen, so kann dadurch die Liquidität und später der Gewinn erhöht werden. Zudem ist das Herstellen, Lagern und Liefern von Ersatzteilen für Ersatzteillieferanten zeitaufwendig und mühsam. Die kostspielige Lagerung von Ersatzteilen im Lager sowie die zeitintensive Produktion und der Versand sind nur einige der Schwierigkeiten, mit denen Ersatzteillieferanten konfrontiert sind. 

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Wie kann das Problem gelöst werden? AF hat das Potenzial, diese Probleme zu lösen und die Art und Weise, wie Ersatzteile hergestellt, geliefert, gelagert und versendet werden, zu verändern und bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten für die Ersatzteilwirtschaft. Vor der Einführung der AF müssen zunächst die geeigneten Teile und deren Materialanforderungen aus Stücklisten, Arbeitsplänen und sonstigen Quellen identifiziert werden. Nach sorgfältiger Prüfung können die Teile ermittelt werden, die sich für eine AF eignen. Zudem existieren zahlreiche Nutzenpotenziale aber auch Nachteile und Restriktionen [2].

Wie kann ein Projekt durchgeführt werden? Die Durchführung eines Ersatzteil-Digitalisierungsprojekts ist ein iterativer, aufwendiger Prozess und endet quasi nie, weil es immer wieder einen Bedarf für neue Ersatzteile gibt. Dadurch muss der Projektprozess immer wieder durchlaufen werden. Um ein Projekt durchzuführen, sollten grundsätzlich folgende sechs Phasen durchlaufen werden [3]. 

  • Ersatzeile identifizieren
  • Materialien auswählen
  • Daten generieren
  • Druck- beziehungsweise Fertigungsprozess durchführen
  • Post-Processing-Prozess durchführen
  • Verteilung

Nachfolgend werden zu den einzelnen sechs Phasen die relevanten Fragen aufgeführt:

Add 1: Ersatzteile identifizieren

  • Welche Ersatzteile aus dem Unternehmen kommen für eine AF in Frage, womit sollte man in einem ersten Schritt beginnen (etwa einfache Langläufer ohne hohe Materialanforderungen aus Plastik um Quick Wins zu erzielen)?
  • Wie können die spezifischen Materialanforderungen aus Stücklisten, Arbeitsplänen und sonstigen Quellen, identifiziert werden?
  • Welche Design-Komplexität liegt vor:
    • Wie schwer ist es, das jeweilige Ersatzteil zu entwerfen?
    • Für welche Ersatzteil-Fertigungsaufträge können 3D- Druckverfahren eingesetzt werden? 
    • Welche Eigenschaften muss das jeweilige Ersatzteil abdecken, welche Geometrie, welche Steifigkeit, etc.).
  • Design-Verbesserungen:
    • Ist es möglich, das Design zu verbessern? 
    • Können mehrere Ersatzteile zusammengefügt werden?
    • Kann das Ersatzteil durch andere innere Strukturen (bionische belastungsoptimierte Strukturen) und Materialien in leichterer Bauweise hergestellt werden?
    • Welche alternativen Materialien können für die Innenstabilität herangezogen werden?
    • Welche funktionalen Spezifikationen mit welche Qualitätszielen müssen eingehalten werden? 
    • Zur Lebensdauer des Ersatzteils: wie lange kann beziehungsweise muss das Teil im Betrieb arbeiten?
  • Kann das Teil als »ein Stück« ohne nachträglichen Zusammenbau einzelner Teile mit einem AF-System hergestellt werden (oder verbleibt manuelle Arbeit für den nachträglichen Zusammenbau verschiedener Teile aus mehreren AF-Systemen)?
  • Welches AF kann die konstruktiven Anforderungen beziehungsweise Einsatzbedingungen des jeweiligen Ersatzteils am besten abdecken? 
  • Unter welchen Voraussetzungen ist das jeweilige additive Fertigungsverfahren die bessere Alternative zu einem konventionellen Fertigungsverfahren? 
  • Welche Zertifizierungen müssen eingeholt werden?
  • Wo müssen Genehmigungen von Herstellern eingeholt werden (ggfs. der Hersteller mit einem AF-System das Material herstellen und in die Supply Chain eingebunden werden)?
  • Muss hier zwischen Hersteller und Lieferant ein gemeinsamer neuer Prozess für die Herstellung des Ersatzteils entwickelt werden (kann eine gemeinsame Plattform genutzt werden)? 

Projektbegleitend – Planung und Durchführung der Kommunikation und Mitarbeitertrainings:

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  • Kommunikation: Wer muss worüber und wann informiert werden (inkl. Durchführung)?
  • Mitarbeitertrainings: Welche Mitarbeiter müssen worüber und wann geschult werden?

Add 2: Materialien auswählen

  • Welche Materialien stehen zur Verfügung um das Ersatzteil mit einem AF-System zu fertigen?
  • Wie sieht es mit Vorlaufzeit des Ersatzteils aus, um das Teil mit einem geplanten Vorlauf »On Demand« an den Bedarfspunkt zu liefern?
  • Wie sieht das »Worse Case Szenario« aus, existiert im Falle eines Systemausfalls des additiven Fertigungssystems ein »Plan B« zur termingerechten Herstellung und Lieferung des Systems.
  • Materialversorgung sichern: Wie kann die Versorgung der benötigten Materialien sichergestellt werden?
  • Welche Zeit wird benötigt um das Ersatzteil zu fertigen und zu unterschiedlichen Zielpunkten auszuliefern?
  • Wie kann eine Vorkalkulation des zu fertigenden Ersatzteils erstellt werden, welche Tools existieren hierfür?

Add 3: Daten generieren

  • Existiert für das benötigte Ersatzteil eine 3D CAD Datei? Muss ggfs. eine »Nachkonstruktion« erfolgen, das heißt einscannen eines existierenden Teils, nachbereiten der eingescannten Datei, »Probedrucke« testen und zertifizieren und dann als 3D-Datei bereit stellen.
  • Welche Optimierungen können und müssen an der CAD-Datei vorgenommen werden?
  • Für welches AF-System muss die 3D-CAD Datei in eine lesbare Datei (etwa mit einer Slicer-Software) konvertiert werden?
  • Welche Sicherheitsregeln sind einzuhalten, wie kann der Prozess zur Überwachung der Herstellung mit einem AF-System überwacht werden (Ausdruck nur durch genehmigte Nutzer, kein Datenmissbrauch) und welche Sicherheitssysteme können verwendet werden?

Eine Lösung ist Identify3D [4]. Damit kann die autorisierte Verwendung von Dateien und die Rückverfolgbarkeit während des Produktionsprozesses gewährleistet werden.

Add 4: Druck- beziehungsweise Fertigungsprozess durchführen

  • Herstellungsoptionen: Wie sollte das ausgewählte Ersatzteil hergestellt werden? Denkbar sind die folgenden vier Optionen:
    • Inhouse-Herstellung 
    • Durch einen externen 3D-Druckdienstleister
    • Auf einer unternehmensinternen Plattform zum Download verfügbar sein, so dass der Bedarfsträger am Bedarfsort (Produktion oder der Endkunde) oder sogar in einem »Liefertruck, ausgestattet mit 3D-Druckern« auf dem Weg hin zum Kunden gedruckt werden. 
    •  Auf einem Web-Marktplatz für Maker zum Download verfügbar sein, so dass der Bedarfsträger am Bedarfsort die Datei ausdrucken kann.
  • Herstellungsort(e): Wo soll die Herstellung des Ersatzteils mit dem AF-System erfolgen? Das heißt
    • an einem zentralen Ort
    • am Bedarfspunkt
    • beim Endkunden 
    • in einem mobilen System (etwa ein Truck)
  • Automatisierung: Welche Robotersysteme lassen sich zur Erhöhung der Automatisierung einsetzen?
  • Organisation: Welche Prozesse, Rollen und Qualitätsziele sollten herangezogen oder entwickelt werden?
  • Herstellungskosten: Welche Herstellungskosten fallen für das Ersatzteil an (ist das Teil kostengünstiger)?

Add 5: Post Processing durchführen

  • Abhängig von der eingesetzten AF-Technologie: 
  • Welche Post-Processing-Systeme sind verfügbar?
  • Welche manuellen Post-Processing-Arbeiten sind erforderlich?
  • Organisation: Welche Prozesse, Rollen und Qualitätsziele sollten herangezogen oder entwickelt werden?
  • Welche Post-Processing-Kosten fallen für das Ersatzteil an?

Add 6: Verteilung

  • Wie wird das Ersatzteil zum Bedarfspunkt geliefert?
  • Welche Logistikpartner (intern oder extern) sind einzubinden?
  • Welche Service Level Agreements sind für den Endkunden und zwischen den Partnern im Herstellungs- und Delivery-Prozess einzuhalten?
  • Auf welche Plattformen müssen die 3D-Dateien hinterlegt werden?
  • Ist die 3D-CAD verlinkt mit einem Produktdaten-Management-System?
  • Zollkosten: fallen Zollgebühren an, können Zollkosten eingespart werden?
  • Transportkosten: Wieviel kostet der Transport, um das Ersatzteil nach der Herstellung zum finalen Zielpunkt zu transportieren?
  • IT-Service und IT-Kosten für die zusätzlichen Anwendungen?

 

 

Welche Firmen digitalisieren für welche Anwendungsfälle ihre Lager? Neben verschiedenen Mobility-Industrien wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrt, Bahn, der Automobilindustrie wird auch in anderen Industrien die additive Fertigung für die Herstellung von Ersatzteilen genutzt. Nachfolgend zwei Beispiele: die Gerhard Schubert GmbH und der 3D-Drucker-Hersteller DAGOMA.

Die Gerhard Schubert GmbH (nachfolgend »GSG«) ist ein Hersteller von Top-Loading-Verpackungsmaschinen (TLM). Die TLM-Verpackungsmaschinen werden eingesetzt, um Produkte vieler verschiedener Branchen, wie Lebensmittel, Süßwaren, Getränke, Pharmazeutika, etc. zu verpacken. Zur Verpackung der Produkte, in unterschiedlichen Einheiten, Losgrößen oder in Sondereditionen sind an den Maschinen maßgeschneiderte Formatteile erforderlich. 

Die GSG stellt seinen Kunden gemäß ihrer individuellen Anforderungen Formatteile über ein Digital Warehouse bereit. Das Unternehmen entwickelt die Designs von Formatteilen für die Kunden und zertifiziert die 3D-Druckvorgänge. Über eine Part-Streaming-Plattform, dem Digital Warehouse, werden die Druckjobs und 3D-Modelle mit zertifizierten Arbeitsfolgen für die Kunden bereitgestellt. Der Kunde druckt das Formatteil anschließend lokal an einem 3D-Drucker, der von Gerhard Schubert GmbH zur Verfügung gestellt wurde [5].

Der 3D-Drucker-Hersteller DAGOMA bietet eine Plattform mit 3D-Dateien zahlreicher Spielzeuge. DAGOMA hat eine Initiative zur Reparatur von Spielzeug mit 3D-gedruckten Ersatzteilen mit dem Namen »Operation Toy Rescue« [6] Ende 2019 gestartet [7]. Über die Toy-Rescue-Website (https://toy-rescue.com/) können Anwender 3D- druckbare Dateien zur Ersatzteilen für ausgewählte Spielzeuge wie für Playmobil, Lego, verschiedene Robots bis hin zu ihrem Lieblings-Pokémon finden, die 3D-Dateien herunterladen und ausdrucken. 

Der Prozess läuft sehr einfach ab: 

Schritt 1: Auswahl des Spielzeugs
Schritt 2: Herunterladen der 3D-Datei und Druck der Datei (im STL-Format).
Schritt 3: Repariere das Spielzeug.

Kinder lernen dadurch sehr früh den Umgang mit 3D-Druckern. Als Materialien wird hier bisher Plastik (ABS, PLU, TPU,..) genutzt. 

Ausblick. Der Ersatzteil-Digitalisierungsprozess ist ein langer Prozess der nie endet. Neu aufkommende AF-Technologien werden das Ersatzteilspektrum kontinuierlich weiter digitalisieren. 

Mit AF-Systemen hat sich eine neue Industrie »Manufacturing as a Service« (MaaS) zur Serien- und Massenfertigung etabliert, die ständig wächst [8]. Daneben haben sich auch zahlreiche sogenannte »3D-Druckdienstleister«, die einzelne Ersatzteile oder kleine Serien mit AF-Systemen fertigen, zu einer zusätzlichen Industrie entwickelt. Beide helfen den Unternehmen bei der Digitalisierung der Ersatzteilwirtschaft. Mit Firmen aus den beiden neuen Industriesegmenten können Service-Level-basierte Verträge abgeschlossen werden um »On Demand« am »Point of Need« zu fertigen und auszuliefern. Zudem verwenden derartige Dienstleister Technologien um hohe Technologieinvestitionen für den Auftraggeber (vorerst) zu vermeiden.


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. Zudem betreibt er ein 3D-Drucklabor zur Unterstützung der Projekte. 

 

 

[1] Plastikarten, die sich mit verschiedenen FDM Systemen für den Druck herangezogen werden können sind im Global Filament Directory gelistet (https://www.filaments.directory/). Hinzu kommen weitere Plastikarten durch andere AF Technologien.
[2] Bernhard, M.: Industrie 4.0 – Ersatzteil Digitalisierung mit additiver Fertigung – in manage it – 2020, Ausgabe 7 - 8, Seite 77 und 78
[3] Daniel Beiderbeck, Dominik Deradjat, Tim Minshall – THE IMPACT OF ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGIES ON INDUSTRIAL SPARE PARTS STRATEGIES –
Centre for Technology Management working paper series – ISSN 2058-8887 – März 2018 – No. 1 – S. 33
[4] https://identify3d.com/
[5] On-Demand-Printing – 3D-Druck macht den Weg für Digital Warehousing frei – Febr. 2020 – https://www.mission-additive.de/3d-druck-macht-den-weg-fuer-digital-warehousing-frei-a-902254/
[6] https://toy-rescue.com/
[7] TOY RESCUE: DAGOMA LAUNCHES PLATFORM FOR REPAIRING TOYS WITH 3D PRINTED SPARE PARTS – Anas Essop – Dez. 2019 – Dezember 2019
[8] Ben Kempenich – 3D Printing Revolutionizes Manufacturing-as-a-Service – April 2018 – https://industrytoday.com/3d-printing-revolutionizes-manufacturing-as-a-service/

 

Illustration: © maneka /shutterstock.com

 


 

65 Artikel zu „Additive Fertigung“

Industrie 4.0 – Additive Fertigung – 3D-Druck, ein Game Changer in der Modeindustrie

Mit additiver Fertigung, auch 3D-Druck genannt, wird eine 3D-Datei eines Objekts konvertiert in eine für den 3D-Drucker verständliche Sprache, an einen 3D-Drucker gesendet und ausgedruckt. Es können beliebige Objekte gedruckt werden. Auch für den Modebereich hat sich der 3D-Druck inzwischen als Verfahren etabliert.

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