Welche waren die drei größten Einflüsse auf die Industrie, die die Fertigung maßgeblich verändert haben?

Detlev Reicheneder ist Senior Director Business Strategy Design & Manufacturing bei Autodesk. © Autodesk

Zum einen beobachten wir, dass die Potenziale der Digitalisierung verstärkt genutzt werden. Zudem wurde die Fertigung durch die breite Verfügbarkeit von neuen hochflexiblen Verfahren beeinflusst. Ein dritter Punkt: Wir leben in einem Zeitalter der Unsicherheit.

Die Digitalisierung der Prozesse, der Einsatz der Cloud mit ihrer unlimitierten Rechenleistung und die Möglichkeit, standort- und firmenübergreifend effizient zusammenzuarbeiten, entfaltet neue Potenziale. Diese Faktoren haben die Art und Weise verändert, wie Firmenabläufe gesteuert werden, denn auch diese unterliegen Veränderungen und Wandlungsprozessen – in Unternehmen jeder Größe. Die Einführung intelligenter Fertigung und Automatisierung, die breite Verfügbarkeit neuer Fertigungsverfahren wie additiver Fertigung, 5-Achsen-Bearbeitung und Fortschritte in der Robotik haben dazu beigetragen, dass die Effizienzvorteile dieser Technologien auch von Mittelständlern und kleinen Firmen genutzt werden können.

Was die Unsicherheiten angeht: Der Alltag in der Fertigung ist von Ungewissheiten in der Nachfrage, Unterbrechungen der Zulieferketten und Handelskriegen mitbestimmt. Diese Faktoren fordern eine hohe Flexibilität der Fertigungsunternehmen, um weiterhin erfolgreich zu sein.

Welche Grenzen wurden durch die Digitalisierung, durch Software, verschoben?

Firmen können ihre Prozesse erstmals komplett und auf einen Blick, von Ende zu Ende, durchschauen. Das bedeutet, dass Entscheidungen schneller und sicherer getroffen werden können. Im Entscheidungsprozess hat so jeder Beteiligte Zugriff auf alle nötigen Informationen.

Darüber hinaus können alle Mitarbeiter an zentralen Daten und Modellen arbeiten, wobei der Zugriff mit den jeweils nötigen Zugriffsrechten gesteuert wird. Damit wird das Risiko reduziert, Arbeitsgänge zu duplizieren, Daten zu verlieren oder auf veralteten Modellen zu fertigen. Anstelle komplizierter Zeichnungen, die zuvor generiert wurden, tritt nun ein 3D Modell, welches alle Schritte dokumentiert und durch gemeinsame, Team-übergreifende Kommunikation umständliche Abstimmungsprozesse ersetzt. So können Firmen durch Echtzeit-Feedback proaktiv werden und agil auf Veränderungen reagieren.

Welche Rolle spielt dabei die additive Fertigung?

Die additive Fertigung hat sich vom Prototypenbau hin zur Möglichkeit der Fertigung von funktionalen Kleinserienteilen entwickelt. Durch die Ausschöpfung des Potenzials der additiven Fertigung ergeben sich neue Konstruktionslösungen. Und wenn Bauteile konsequent für additive Fertigung ausgelegt werden, steigt der Mehrwert des finalen Produkts.

Gleichzeitig lösen additive und hybride Fertigung durch die Option, sehr geringe Stückzahlen fertigen zu können, einige Probleme, wie die Verfügbarkeit von Ersatzteilen und Fertigung auf Nachfrage von komplexen Bauteilen. Darüber hinaus können mit der Kombination aus Automatisierung mit additiver und spanender Fertigung funktionale Bauteile zugleich vollautomatisch und profitabel produziert werden.

Additive Fertigung geht deutlich über den 3D Druck hinaus. Speziell mit verschiedenen Auftragsverfahren lassen sich größere Volumen additiv fertigen, auch an bereits existierenden Bauteilen. Damit werden Reparaturen an bestehenden Komponenten ebenso möglich wie die passgenaue Fertigung von sehr großen Bauteilen. Dieser Vorteil wurde auch von verschiedenen Maschinenherstellern erkannt; diese stellen mittlerweile hybride Fertigungszentren bereit.

Wie werden Themen wie Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz durch Digitalisierung und additive Fertigung beeinflusst?

Erst die Digitalisierung adressiert den Themenkomplex der Nachhaltigkeit umfassend. Gerade ist die „Circular Economy“ in aller Munde – diese ist nur durch End-zu-End Transparenz und Einsicht in die Prozesse umsetzbar. Um fundierte Entscheidungen im Entwicklungsprozess innerhalb einer Fertigung zu treffen, die die Auslegung der Konstruktion, Materialien oder Fertigungsverfahren berücksichtigen, ist ein Echtzeit-Zugriff auf die für das Nachhaltigkeitsziel relevante Informationen nötig. Mit einem Digitalen Zwilling von Maschinen und Fabriken kann nicht nur der Betrieb überwacht, auch neue Abläufe können simuliert werden. Das Resultat: Der Energieverbrauch wird optimiert.

Die additive Fertigung ist ein interessanter Fall. Auf der einen Seite ist eine Gewichtsoptimierung möglich und man kann viele Bauteile gleichzeitig fertigen; auf der anderen Seite ist der Energieverbrauch während der Produktion nicht unerheblich. Speziell bei metallischen Werkstoffen kommen Umweltaspekte des Ausgangsmaterials (Pulver) und des Verfahrens (Dämpfe) hinzu. Hier muss das Kosten-Nutzenverhältnis abgewogen werden. Mit Blick auf den ökologischen Fußabdruck ist aber generell festzustellen, dass additiv gefertigte Bauteile bei korrekter Anwendung durch ihre Gewichtsreduktion den gesamten CO2-Ausstoß, zum Beispiel in Flugzeugen, verringern können.

Was sind die größten Fehler, die in der Konstruktion neuer Bauteile gemacht werden?

In der Konstruktion kommen oftmals noch überwiegend eher traditionelle Methoden zur Anwendung. Optimierungspotenzial wird dabei oft nicht ausgeschöpft und Möglichkeiten neuer Fertigungsverfahren werden trotz ihres Potenzials oft nicht umfassend in Betracht gezogen. Mit additiven Verfahren kann zum Beispiel eine gesamte Baugruppe als ein Einzelteil gefertigt werden. Dabei entfallen Montageprozesse, Vorrichtungen müssen nicht entwickelt und gefertigt werden und die Betrachtung von Toleranzen verschiedener Bauteile entfällt. Die Teilekosten bei einer additiven Fertigung sind allerdings mit höheren Kosten verbunden. Deshalb muss das Kosten-Nutzen-Verhältnis im Gesamtprozess betrachtet werden. In der Praxis ist oft das Gegenteil der Fall: Es werden lediglich die Kosten für ein traditionell konstruiertes Bauteil, ohne Anpassung auf die additive Fertigung, mit den verschiedenen Fertigungsverfahren verglichen. Wird aber die Konstruktion auf ein Fertigungsverfahren angepasst, ergeben sich Einsparungen oder Vorteile, die oft weit über die reinen Teilekosten hausgehen und in der Betrachtung mit herangezogen werden sollten.

Aus welchen Gründen entscheidet sich ein Konstrukteur für additive oder subtraktive Fertigung?

Konstrukteure wählen heute die optimale Lösung für den Gesamtprozess. Damit ergibt sich eine Entscheidungsmatrix, die Kosten gegen Nutzen aufwiegt. Kosten beinhalten aber, wie oben erwähnt, nicht nur die direkten Fertigungskosten, die stark von der benötigter Teilezahl abhängen. Es geht hier auch um Kosteneinsparungen nach der eigentlichen Teilefertigung, wie um die in der Montage, Folgekosten von Vorrichtungen, Lagerhaltung und zum Beispiel Kosten bei Nichtverfügbarkeit von Ersatzteilen. Wichtig sind zudem die Leistungsparameter eines Bauteils, die sich deutlich unterscheiden können, da nicht auf Einschränkungen in einer spanenden Fertigung Rücksicht genommen werden muss. Generell gilt, dass mit besserer Leistung der Wert des jeweiligen Bauteils steigt und sich so zuvor geleistete Investitionen auszahlen. Vor diesem Hintergrund sollten Konstrukteure und Entwickler idealerweise bei ihrer Entscheidungsfindung über Investitionen die Gesamtkosten ebenso wie den Gesamtnutzen berücksichtigen.