Bei kleineren und mittleren Unternehmen (KMU) gibt es eine große Unsicherheit in Bezug auf die Frage, ob die Anwendung der metallbasierten additiven Fertigung für das eigene Unternehmen aktuell und in Zukunft wirtschaftlich sinnvoll ist. Forschende haben daher ein individuell anpassbares Vorgehen entwickelt: Anhand des Produktportfolios eines Unternehmens können die Potentiale der metallbasierten additiven Fertigung monetär ermittelt werden.
Autoren: Dr.-Ing. Christian Bay, Akademischer Rat am Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik, Geschäftsführer der Forschungsstelle Campus Additive.Innovationen der Uni Bayreuth; Hajo Groneberg M. Sc., Andreas Hofmann M. Sc., beide Wissenschaftliche Mitarbeitende der Uni Bayreuth; Alexander Mahr M. Sc.
Wissenschaftlicher Mitarbeitender, Fraunhofer‐Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Insbesondere der Einstieg in die metallbasierte additive Fertigung stellt für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) noch immer eine Herausforderung dar. Das technisch-wirtschaftliche Potential der metallbasierten additiven Fertigung für das eigene Produktportfolio kann vorab meist nur schwer eingeschätzt werden. Gleichzeitig entstehen bei der Implementierung der komplexen Prozesskette insbesondere bei der metallbasierten additiven Fertigung hohe Investitionskosten für Maschinen, Peripherie und Arbeitssicherheit.
Hieraus ergibt sich für KMU eine große Unsicherheit in Bezug auf die Frage, ob die Anwendung der metallbasierten additiven Fertigung für das eigene Unternehmen aktuell und in Zukunft wirtschaftlich sinnvoll ist.
Aus diesem Grund hat die Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer‐Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Bayreuth in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik (LUP) der Universität Bayreuth ein individuell anpassbares Vorgehen entwickelt, mit dem die Potentiale der metallbasierten additiven Fertigung anhand eines konkreten Produktportfolios systematisch analysiert und technisch-wirtschaftlich bewertet werden können. Ziel ist es, insbesondere KMU die notwendigen Informationen sowie konkrete Handlungsempfehlungen für einen fundierten und nachhaltigen Technologieeinstieg an die Hand zu geben.
Bild: Universität Bayreuth
Die systematische Potentialanalyse für die metallbasierte additive Fertigung beinhaltet dabei vier Schritte, die in enger Abstimmung mit den KMU durchlaufen werden:
Schritt 1: Portfolioanalyse
Im ersten Schritt der systematischen Potentialanalyse werden die Produkte des Kunden im Rahmen eines gemeinsamen Workshops hinsichtlich der Realisierbarkeit der geforderten Produkteigenschaften bewertet. Hier geht es zunächst um bspw. mechanische, thermische, elektrische und tribologische Eigenschaften.
Ergänzt werden diese durch die mittels additiver Fertigung realisierbare Innovationskraft. Das heißt: Produkte mit ähnlichen Anforderungen werden in für die additive Fertigung spezifisch generierten Produktgruppen zusammengefasst. Daraus werden wiederum Referenzprodukte abgeleitet, die Rückschlüsse auf einen möglichst großen Teil des Produktportfolios des Kunden erlauben.
Durch die Auswahl der Referenzprodukte aus unterschiedlichen Produktgruppen wird ein breites Anforderungsspektrum abgedeckt. Dies führt dazu, dass nicht nur kurzfristig realisierbare Potentiale – sogenannte „low hanging fruits“ – aufgedeckt werden, sondern auch mittelfristige Potentiale für die additive Fertigung von Produkten mit vergleichsweise hohen Anforderungen ermittelt werden können.
Bild: Universität Bayreuth
Schritt 2: Aufbau von Prozessketten
Im nächsten Schritt werden für die ausgewählten Referenzbauteile Prozessketten definiert, die für die Erfüllung der Anforderungen der Referenzprodukte geeignet sind. Hierfür wird auf die langjährige Erfahrung von IPA und LUP sowie des Campus Additive.Innovationen (CA.I) der Universität Bayreuth im Bereich der metallbasierten additiven Fertigung zurückgegriffen.
Die Planung der Prozessketten beinhaltet die additive Fertigung sowie alle vor- und nachgelagerten Prozessschritte – wie beispielsweise die Datenvorbereitung und die Oberflächenbearbeitung – die zur Realisierung der Produktanforderungen notwendig sind. Die Erfahrung der Expertinnen und Experten des IPA, LUP und CA.I zeigt, dass gerade die Kosten der Bauteilnachbearbeitung bei der metallbasierten additiven Fertigung einen hohen Anteil an den bauteilbezogenen Gesamtkosten ausmachen. Daher müssen diese Nachbearbeitungsprozesse für Realisierung der Oberflächengüte sowie Form- und Maßhaltigkeit gleichsam betrachtet und effizient gestaltet werden.
Für die Referenzprodukte werden zusätzlich vorteilhafte Konstruktionsanpassungen abgestimmt und umgesetzt. Die definierten Prozessketten werden nach Rücksprache mit dem Kunden in den Laboren des IPA und LUP aufgebaut. Hierfür kann auf den umfangreichen Maschinen- und Messequipmentpark der Forschungseinrichtungen sowie weiterer Lehrstühle der Universität Bayreuth im CA.I zurückgegriffen werden.
Schritt 3: Technisch-wirtschaftliche Bewertung
Nach dem Aufbau der spezifischen Prozessketten werden die Referenzprodukte zusammen mit definierten Prüfkörpern auf Basis der aufgebauten Prozessketten gefertigt. Diese werden hinsichtlich der Faktoren Zeit, Kosten und Qualität analysiert und bewertet. Konkret werden hierfür
- der Grad der Erfüllung der Produktanforderungen,
- die Fertigungs- und Materialkosten sowie
- die Durchlaufzeiten
ermittelt und mit den entsprechenden Werten der bisher für die Fertigung der Referenzprodukte verwendeten Fertigungstechnologie verglichen. Hieraus können fundierte Aussagen über die derzeitigen Potentiale der metallbasierten additiven Fertigung für die Referenzprodukte abgeleitet und auf die jeweiligen Produktgruppen übertragen werden.
Schritt 4: Ausarbeitung eines Technologiekalenders
Als Grundlage für die Technologieplanung des Kunden wird aufbauend auf die vorangegangenen Schritte ein sogenannter „Technologiekalender“ ausgearbeitet. In diesem werden Produkte und einsetzbare Fertigungstechnologien unter Berücksichtigung der zeitlichen Entwicklung systematisch und zur weiteren Analyse übersichtlich visualisiert gegenübergestellt. Ziel des Technologiekalenders ist es, kurzfristige Optimierungspotentiale zu identifizieren und Handlungsempfehlungen abzuleiten. Zusätzlich können damit langfristige Entwicklungstendenzen von Fertigungstechnologien aufgezeigt und entsprechende Nutzungsstrategien abgeleitet werden.
Bild: Universität Bayreuth
Potentialanalysen sind erfolgreich
Die Expertinnen und Experten des IPA, LUP und CA.I haben bereits in mehreren Branchen erfolgreiche systematische Potentialanalysen durchgeführt. Die entwickelte Vorgehensweise hat sich dabei sowohl für kleine und mittlere Unternehmen, als auch für große Unternehmen bewährt. (eve)
