Industrie 4.0 – Ersatzteil-Digitalisierung mit additiver Fertigung

Durch den Einsatz von additiver Fertigung lässt sich die Ersatzteilhaltung um 90 % reduzieren und trotzdem eine 100-prozentige Verfügbarkeit sicherstellen. Mit Reverse Engineering lassen sich alte Teile in 3D-Dateien überführen.

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 beziehungsweise 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].

Problemstellung: häufig befinden sich zu viele Ersatzteile im Lager. Werden etwa 20 % bis 30 % 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.

Das Herstellen, Lagern und Liefern von Ersatzteilen ist für Ersatzteillieferanten zeitaufwändig 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.

Wie kann das Problem gelöst werden? Eine Untersuchung des MIT klingt sehr optimistisch: Unternehmen können danach durch den Einsatz von additiver Fertigung die Ersatzteilhaltung um 90 % reduzieren und trotzdem eine 100-prozentige Verfügbarkeit sicherstellen. Häufig machen Langläufer (sehr lange Umschlagszeiten) etwa 80 % aller Ersatzteile aus. Lagerbestände können sukzessive durch digitale Bestände ersetzt werden und 3D-Modelldateien werden einfach an das nächstgelegene additive Fertigungssystem gesendet, ausgedruckt und »On Demand« zur Verfügung gestellt. Die Ersatzteilwirtschaft erlebt gerade durch die additive Fertigung eine Disruption [2].

85 % der Ersatzteillieferanten behaupten, dass sie die additive Fertigung (»AF«) in den nächsten fünf Jahren vollständig in ihre Arbeitsabläufe integrieren werden. Damit sind Investitionen in AF der Schlüssel für die Ersatzteilwirtschaft (aber auch Lagerwirtschaft) um einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen [3].

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 mit einem 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.

Denn mit jedem On-Demand gefertigten Teil lassen sich Kosten signifikant reduzieren [4]. Aber nur so kann das Problem steigender Warenströme und Lagerhaltungskosten angegangen werden.

Nutzenpotenziale einer Ersatzteil-Digitalisierung. Folgende Nutzenpotenziale können einzeln oder insgesamt bei Projekten erzielt werden:

  • Reduzierung von Lagerflächen.
  • Realisierung virtueller Lagerflächen. Lager werden nicht allein gemessen in Flächen- und Raumeinheiten, sondern nun auch an ihrem »digitalem Speicherbedarf«.
  • Reduzierung von »Langdrehern«, das heißt Ersatzteile mit langen Umschlagszeiten.
  • Reduzierung von teuren Lagerzeiten (Kapitalbindung) speziell bei »Langdrehern« und Einsparung von Ressourcen (etwa Lagerpersonal).
  • Reduzierung der Verwaltungskosten.
  • Längere Lebenszyklen für bestimmte Produkte & Komponenten durch einen längeren Lebenszyklus der Ersatzteile durch digitale Ersatzteilwirtschaft.
  • Auslieferung von Ersatzteilen in den jeweils neuesten Versionen durch Einbringung von Nutzungserfahrungen, etwa durch funktionale Erweiterungen oder einem Redesign des Ersatzteils.
  • Unabhängigkeit von Lieferanten bei sehr »alten Teilen« etwa von Spezialmaschinen.
  • Verkürzte Lieferwege durch Druck (nahe) am Bedarfspunkt und zusätzliche Einsparungen wie Zollabfertigung.
  • Reduzierung von Lieferzeiten (etwa bei planmäßiger Instandhaltung) und teuren Lagerzeiten.
  • Weniger Aufwand für nachträgliche digitale Optimierungen etwa digitale Zusammenfassung in von »Gleichteilen« anstelle aufwendiger manueller Wege um diese im Lager zusammenzuführen.
  • Umwelt. Ressourceneinsparungen durch weniger Energie- und Materialverbrauch für die Lagerung.
  • Ersatzteile, die am Markt nicht mehr erhältlich sind, können mit additiver Fertigung wieder produziert werden, um die Lebensbetriebszeit bei besonders alten Maschinen zu verlängern. Diese können dann dem digitalen Lager zugeführt werden.
  • Die Ersatzteil- und Materialbeschaffung kann nach Verfügbarkeits- und Wirtschaftlichkeitskriterien neu ausbalanciert werden, etwa
    • welche Ersatzteile und Materialien kommen direkt aus dem Lager
    • welche Ersatzteile und Materialien werden »On Demand« intern mit 3D-Druckern gefertigt
    • welche Ersatzteile und Materialien werden »On Demand« mit externen 3D-Druckdienstleister gefertigt
    • welche Ersatzteile und Materialien können gegebenenfalls vom Kunden gedruckt werden?

Mögliche Nachteile und Restriktionen:

  • Beim spontanen Ausfall eines Betriebsteils: kurzfristige Verfügbarkeit von Ersatzeilen ist für Aufrechterhaltung des Betriebs der Anlagen essenziell (ein Plan B notwendig).
  • Größenbegrenzungen (Alternativ: nachträglicher Zusammenbau mehrerer Teile).
  • Aufwand zur Erstellung einer 3D-Datei, wenn keine Zeichnungen/Daten mehr vorhanden sind (dies gilt auch für andere Fertigungsverfahren).
  • Mitunter sind Patente oder zusätzliche Zertifizierungen notwendig (etwa bei Flugzeugherstellern, Automobilherstellern). Möglicherweise müssen Genehmigungen von Herstellern eingeholt werden.

 

 

Praxisbeispiele für die Digitalisierung der Ersatzteilwirtschaft. 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. Firmen wie Ford, Daimler, BMW nutzen die additive Fertigung bereits seit mehr als 30 Jahren. Nachfolgend drei Beispiele, die Deutsche Bahn, Bombardier und der Oldtimersammler Jay Leno:

1. Die Deutsche Bahn nutzt ein Software-Tool zur Workflow-Standardisierung.
Ein Anwender von additiver Fertigung zur Digitalisierung der Lager ist die Deutsche Bahn (DB) [5]. Mit einem Software-Tool, dem Additive Manufacturing Part Identifier (AMPI), der Projekt-Partnerfirma 3Yourmind [6] wird der additive Workflow-Prozess standardisiert und hinsichtlich Maschinenauslastung optimiert. Das Tool AMPI überprüft die Daten mit dem aktuellen Inventar der DB und schlägt den Mitarbeitern automatisch geeignete Teile vor. Anhand des Ergebnisses dieses Prozesses entscheiden DB-Experten dann über die effektivsten 3D-Druckanwendungen, um dann in die Produktion zu gehen. Ziel des Projekts ist eine Kostensenkung für die Lagerhaltung durch den Einsatz von AF zur Herstellung von Ersatzteilen bei Bedarf »Printing on Demand«. Inzwischen konnte die DB mehr als 15.000 Ersatzteile mit additiver Fertigung herstellen [7], um Einsparungen zu erzielen und die Ausfallzeiten von Fahrzeugen zu reduzieren. Das Ersatzteilspektrum geht von Lüfterrädern, Kopfstützen für Regionalzüge, unterschiedliche Gehäuse wie ein Klemmenkasten, der sensible Kabel für den Zugantrieb schützt, bis hin zu Ersatzteilen für Kaffeemaschinen. Ein nächster Schritt wird der Einsatz von AF für die Wartung der DB-Fahrzeuge sein.

2. Bombardier nahm im Mai 2019 einen großformatigen 3D-Drucker Stratasys F900 an seinem Standort Hennigsdorf in Betrieb.
Der Bahnhersteller will damit die kostspieligen Lagerbestände für Ersatzteile reduzieren und die Versorgung flexibler gestalten neben noch weiteren Zielen. Schwerpunkte bilden Zugbauteile für die Innenausstattung und die Karosserie [8].

3. Mit Reverse Engineering Ersatzteile für Oldtimer neu erschaffen.
Speziell für sehr alte Ersatzteile und Produkte existieren häufig keine technischen Zeichnungen und erst Recht keine 3D-Dateien. Ein Beispiel sind Oldtimer. Hier muss mit einen 3D-Scanner des benötigten Objekts eine 3D-Datei erzeugt, angepasst und die Eigenschaften des Objekts verbessert werden um danach das benötigte Ersatzteil additiv zu fertigen. Diese verkürzt skizzierte Vorgehensweise, die so entstandene Nachkonstruktion des Objekts, wird als Reverse Engineering bezeichnet [9]. Bedauerlicherweise wird Reverse Engineering in zahlreichen Ländern und Firmen auch zur Analyse von Wettbewerbsprodukten verwendet und leider auch missbraucht.

Ein Anwender für den Druck alter Teile von Oldtimern ist der US-Talkmaster Jay Leno, der seit langem einer der Pioniere und Anwender des 3D-Drucks ist. Er erkannte sehr früh das Potenzial der Technologie für kundenspezifische On-Demand-Teile und behauptete, »dies sei eine wichtige Komponente, um die Leidenschaft für klassische Fahrzeuge zu fördern » [10]. Zunächst nutzte Jay Leno den 3D-Druck als privater Nutzer für die Wartung und den Druck von Ersatzteilen für seine Oldtimer Sammlung. Zuletzt hat Jay Leno für seine TV-Serie »Jay Lenos Garage« mit der Firma Stratasys [11] eine Kooperation geschlossen, in dem Stratasys Jay Leno den Zugang ihren FDM-3D-Druckern gewährt (Stratasys Direkt hat seit mehr als 10 Jahren einen »Demand Manufacturing Service«). Damit wird die Kraftfahrzeugfernsehserie unterstützt, in der der frühere Moderator der »Tonight Show« Bewertungen für eine Vielzahl von Fahrzeugen durchführt, einschließlich Oldtimer und restaurierte Autos. Mit diesem Zugang zu Stratasys 3D-Druckern wartet Jay Leno seine große Fahrzeugkollektion in seiner Big Dog Garage in Burbank (Kalifornien) mit 3D-gedruckten Sonderteilen [12].


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

 

 

[1] Plastikarten, die 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] https://www.mission-additive.de/3d-druck-macht-den-weg-fuer-digital-warehousing-frei-a-902254/
[3] Autonomous Manufacturing – https://amfg.ai/2018/05/29/3d-printing-transforming-spare-parts-industry/ – Mai 2018
[4] https://www.mission-additive.de/3d-druck-macht-den-weg-fuer-digital-warehousing-frei-a-902254/
[5] Mit High Tech für die Umwelt Nr. 149 – 3D Druck bei der Deutschen Bahn.
https://gruen.deutschebahn.com/de/massnahmen/3d_druck
[6] https://www.3yourmind.com/de/
[7] Bahn hat schon über 10.000 Ersatzteile gedruckt – Februar 2020
https://additive.industrie.de/anlagen/pulverbettverfahren/bahn-hat-schon-ueber-10-000-ersatzteile-gedruckt/
Mit High Tech für die Umwelt Nr. 149 – 3D Druck bei der Deutschen Bahn.
https://gruen.deutschebahn.com/de/massnahmen/3d_druck
 [8] 3D-Druck krempelt die Logistik um – Mai 2019
https://industrieanzeiger.industrie.de/technik/logistik/3d-druck-krempelt-die-logistik-um/ 
 [9] https://wirtschaftslexikon.gabler.de/definition/reverse-engineering-45260
[10] Jay Leno Partners with Stratasys to 3D print custom parts for classic vehicle and supercar collection – Anas Essop – Nov. 2019
https://3dprintingindustry.com/news/jay-leno-partners-with-stratasys-to-3d-print-custom-parts-for-classic-vehicle-and-supercar-collection-164385/
Big Dog, Jay Leno & Stratasys Collaborate in 3D Printing Parts for Hundreds of Classic Autos – November 2019
https://3dprint.com/258689/big-dog-jay-leno-stratasys-collaborate-in-3d-printing-parts-for-hundreds-of-classic-autos/ – Bridget O›Neal 
Webinar 3D-MODEL & Artec 3D: Vom physischen zum digitalen Lager – Mai 2020
https://www.youtube.com/watch?v=oQQDHuBn2aY&t=8s
[11] https://www.stratasys.com/de
[12] Jay Leno Partners with Stratasys to 3D print custom parts for classic vehicle and supercar collection – Anas Essop – Nov. 2019
https://3dprintingindustry.com/news/jay-leno-partners-with-stratasys-to-3d-print-custom-parts-for-classic-vehicle-and-supercar-collection-164385/

 

Illustration: © Robert Adrian Hillman /shutterstock.com

 

25 Artikel zu „additive Fertigung“

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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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