4 Automatisierungstrends in der Additiven Fertigung

26 April 2021
Automation trends in additive manufacturing

Die Automatisierung von AM-Prozessen, vom Design bis zur Nachbearbeitung, kann die Einführung von AM für Hersteller attraktiver machen. 

Automatisierungslösungen, von Robotern bis hin zu Software, können die Berührungsarbeit minimieren, Kosten sparen und die Konsistenz und Qualität verbessern. 

Doch wo stehen wir heute in Bezug auf die Automatisierung in der additiven Fertigung? 

Der Artikel hebt vier wichtige Trends hervor, die die Entwicklung von Automatisierungslösungen in der AM vorantreiben.

1. Design Automatisierung

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Die Schaffung eines digitalen End-to-End-Workflows in der AM beginnt mit der Automatisierung des Designprozesses. 

Die Designs Automatisierung in der AM ist jedoch nicht einfach zu erreichen. Die meisten AM-Teile werden in den meisten Fällen immer noch manuell konstruiert. Der zeitaufwändige, manuelle AM-Konstruktionsprozess kann mehrere Stunden der Arbeit eines Ingenieurs in Anspruch nehmen und bis zu 50 % der Gesamtkosten des Teils ausmachen, wie eine Fallstudie zeigt. 

Um den Designprozess effizienter zu gestalten, haben die Softwareunternehmen der Branche ihre Werkzeuge in den letzten Jahren weiterentwickelt. 

Heute kann die Branche automatisierte Lösungen anbieten, die den Designprozess beschleunigen und es den Ingenieuren ermöglichen, Designoptionen schnell zu bewerten, bevor etwas auf der Maschine gedruckt wird. 

Ford hat zum Beispiel gezeigt, wie die Automatisierung die Zeit für die Konstruktion von Werkzeugen von Stunden auf Minuten reduzieren kann. Durch die Partnerschaft mit dem deutschen Softwareunternehmen Trinckle, erhielt der Automobilhersteller Zugang zu einer Software, die automatisch die Geometrie des Werkzeugs generieren konnte, um es an die Kontur des Autos anzupassen und die Basis der neuen Vorrichtung zu bilden. Mit einem einfachen Klick konnten die Ingenieure auch Elemente wie Griffe, Magnethalterungen zur Fixierung und Kantenführungen hinzufügen. 

Durch die Automatisierung des Designprozesses für dieses Teil konnten mehrere Stunden Arbeit eingespart und der Designschritt auf nur 10 Minuten reduziert werden. Ford glaubt, dass dieser Ansatz das Potenzial hat, Tausende von Euro pro Werkzeug einzusparen. 

In einem anderen Beispiel hat der Hardwarehersteller Stratasys zusammen mit dem Softwareunternehmen nTopology eine Lösung entwickelt, die das Design von Vorrichtungen für den FDM-Prozess automatisiert.

 

Diese neue Lösung mit dem Namen “Fixture Generator” ermöglicht es Ingenieuren, Werkzeugteile auf einfache Weise per Drag-and-Drop zu erstellen. Dies geschieht durch den Einsatz der Topologie-Optimierungssoftware von nTopology, die das Teiledesign mit Blick auf die Endanwendung optimiert.

Die Verringerung der manuellen Schritte bei der AM-Konstruktion signalisiert die fortschreitende Reifung der 3D-Druckindustrie. Die Design-Automatisierung wird AM-Anwendern helfen, die mit manuellen Design-Prozessen verbundene Zeit und Kosten zu reduzieren. 

Noch wichtiger ist, dass sie neue Anwendungen und Geschäftsmodelle wie die Massenanpassung unterstützt, indem sie die Produktion von Designvarianten zu einem automatisierten, hocheffizienten Prozess macht.

Hierzu lesen Sie weiter: 3D-Druck und Massenanpassung: Wo stehen wir heute? (EN)

2. Offene APIs treiben die Automatisierung des AM-Datenaustauschs voran

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Die AM-Industrie wird immer offener. Die Vorherrschaft geschlossener, proprietärer Systeme neigt sich dem Ende zu, da immer mehr Lösungsanbieter integrierte, interoperable 3D Druck Workflows schaffen wollen. 

Ein Trend, der dies unterstützt, ist die Verwendung vom offenen Application Programming Interfaces (APIs). Eine API ist ein Softwarevermittler, der es einer Software-Anwendung ermöglicht, mit einer anderen zu kommunizieren. APIs spielen eine entscheidende Rolle bei der Integration unterschiedlicher Systeme. 

In der AM-Branche, in der die Arbeitsabläufe recht kompliziert und siloartig sein können, erkennen die Branchenakteure die Bedeutung der Bereitstellung einer Reihe von APIs, die eine Automatisierung ermöglichen und die Nutzung von Daten erweitern. 

Kürzlich haben mehrere 3D Druckerhersteller ihre APIs für Partner freigegeben, um einen nahtlosen Datenfluss und die Integration zu ermöglichen. 

Ein Beispiel ist unsere jüngste Zusammenarbeit mit HP, wo HP eine offene API zur Integration mit unserem additiven MES-System zur Verfügung stellte. Diese Integration ermöglicht es HP Multi Jet Fusion-Anwendern, ihre Maschinen mit unserer Software zu verbinden, um Daten über ihre AM-Systeme zu überwachen und zu sammeln. 

In ähnlicher Weise hat auch Stratasys angekündigt, dass es die API-Konnektivität verbessert hat, um die Tür für einen einfacheren und schnelleren Datenaustausch zwischen seinen 3D-Druckern und Unternehmenssoftwarelösungen zu öffnen. 

Diese Beispiele zeigen, dass sich die Branche in die richtige Richtung bewegt, um die Lücke zwischen Hardware-Fähigkeit und Software-Enablement zu schließen. APIs werden die grundlegende Brücke zwischen beiden bilden und dabei helfen, ein integriertes Ökosystem zu schaffen, das Interoperabilität unterstützt. 

3. Automatisieren von Nachbearbeitungsprozessen

3D printing Post-processing

Laut dem 2nd Annual Post-Printing Trends Report von PostProcess entfallen schätzungsweise 46 % der AM-Kosten eines Unternehmens auf die Nachbearbeitung. 

Unabhängig davon, ob es sich um einen Prototyp, ein Werkzeug oder ein Endprodukt handelt, die meisten AM-Teile müssen in irgendeiner Form nachbearbeitet werden. Dies kann so einfach sein wie das Entfernen von Trägermaterial, kann aber auch Sortieren, Färben, Polieren sowie andere Prozesse beinhalten, bevor das Endprodukt einsatzbereit ist. Die meisten Nachbearbeitungsaufgaben sind fast ausschließlich auf manuelle Arbeit angewiesen. 

Dank der jüngsten Fortschritte im Bereich des maschinellen Lernens und der Nachbearbeitungshardware und Software ist es nun möglich, fast jeden Teil der AM-Nachbearbeitung zu automatisieren, wodurch die Arbeitskosten gesenkt und die Prozesseffizienz erheblich verbessert werden.

Es kommen neue Systeme auf den Markt, die es ermöglichen, Teile automatisch von der Bauplattform eines 3D Druckers zu entnehmen und dann mit Hilfe von geführten Fahrzeugen zur nächsten Nachbearbeitungsstation zu bewegen. 

Eine Reihe von AM-Maschinenanbietern haben sich ebenfalls der Automatisierung auf der einen oder anderen Ebene verschrieben. EOS zum Beispiel hat ein Shared-Modules-Konzept entwickelt, das die Schritte Bestücken, Auspacken, Transportieren und Sieben des AM-Workflows integriert, indem es verschiedene Module, Transportsysteme und eine Leitstellensoftware kombiniert. 

Mit Blick auf die Automatisierung des Binder-Jetting Prozesses hat der Spezialist für Metallbinder-Jetting, ExOne, auch ein Konzept seines neuen fahrerlosen Transportfahrzeugs (AGV) X1D1 vorgestellt, das den effizienten Transport von Build boxes ermöglichen soll. 

Spannend ist auch der zunehmende Einsatz von mehrachsigen Robotersystemen, die Teile von den 3D-Druckern zu den Pulversieb-, Reinigungs- und Endbearbeitungsstationen transportieren.

Das Hardware-Unternehmen Renishaw hat gezeigt, wie der Einsatz von Robotern einen der zeitaufwändigsten Prozesse in der Metall-AM automatisieren kann – die Stützentfernung. Das Unternehmen hat sich mit dem Start-up-Unternehmen Additive Automations zusammengetan, dass ein Robotersystem für die automatische Stützentfernung entwickelt hat. 

Erste Ergebnisse zeigten, dass die Roboterautomatisierung der Stützentfernung die durchschnittlichen Kosten pro Teil um satte 25 % senken kann. Die dabei eingesetzten Roboter verfügen über integrierte Kraftsensoren, die Daten zur Bestimmung der Geometrie der AM-Teile sammeln. 

Die Software analysiert dann die Daten mit Hilfe der digitalen Zwillingstechnologie. Die Ausgabe wird dann verwendet, um zu bestimmen, wo sich die Stützstrukturen befinden, so dass sie mit einem Endeffektorwerkzeug entfernt werden können.

Darüber hinaus haben sich einige Unternehmen, wie AM Flow, auf modulare Lösungen spezialisiert, die eine schnelle und automatisierte Identifizierung von AM-Teilen zusammen mit Sortierung, Kommissionierung, Verpackung und Transport bieten. In Zukunft möchte AM Flow eine automatisierte ID-Kennzeichnung entwickeln, die den Weg für eine vollständige Nachverfolgbarkeit von AM-Teilen in einem durchgängig digitalisierten Workflow ebnen wird.

Die Automatisierung der Nachbearbeitung bei AM verändert die Wirtschaftlichkeit bei der Skalierung des Einsatzes der Technologie vollständig. Sie ermöglicht eine viel höhere Flexibilität im Fabriklayout und macht es für Hersteller machbar, diese Technologie für die digitale, rapid Produktion zu übernehmen.

Lesen Sie hierzu: Die Kombination von 3D-Druck und Robotik zur Schaffung intelligenter Fabriken  (EN)

 

4. Automatisierung der 3D-Druck-Auftragsabwicklung und des AM-Produktionsmanagements

Additive manufacturing execution software business case for organisations
Additive MES software with a Gantt chart helps to visualise capacity and plan production [Image credit: AMFG]

Zusätzlich zu den direkten Kosten, die mit der manuellen Nachbearbeitung verbunden sind, gibt es auch versteckte Kosten, wie z. B. die Zeit der Mitarbeiter für die Angebotserstellung für Teile und die Bearbeitung von AM-Aufträgen sowie die Zeit für die Planung von Druckaufträgen. 

Die Berechnung der Teilekosten, die Eingabe von Daten in Tabellenkalkulationen und die Planung der Produktion mit klobigen Lösungen kann mehrere Stunden pro Tag an Arbeitszeit in Anspruch nehmen und die Produktivität von AM einschränken. 

Mit der rasanten Entwicklung von AM wurde den Unternehmen schnell klar, dass sie die AM-Produktionsmanagementprozesse automatisieren müssen, um ein skalierbares Wachstum zu gewährleisten. 

Der Bedarf an größerer Produktionseffizienz gab den Anstoß für die Entwicklung von Workflow-Management und Manufacturing Execution Software (MES), die auf die AM-Technologie ausgerichtet ist. 

Mehr über MES: Etablierung eines Geschäft Szenarios durch das additive MES

Heute können additive MES- und Workflow-Software Unternehmen dabei helfen, durch Automatisierung Arbeitskosten einzusparen, indem sie zuvor manuelle Prozesse digitalisieren. 

So nutzt beispielsweise eine 3D Druckerei eines globalen 2D Druck  und IT Unternehmens die MES Software von AMFG für die Angebotserstellung für 3D Druckteile und die Verwaltung von Aufträgen. 

Durch die Umstellung von Tabellenkalkulationen auf eine automatisierte Lösung konnte das Unternehmen die Angebotszeit um fast 80 % reduzieren. 

Die Automatisierung der Auftragsabwicklung und der Produktionsmanagementprozesse in der additiven Fertigung wird letztendlich dazu beitragen, dass AM nicht mehr nur ein Werkzeug für Anwendungen mit geringen Stückzahlen ist. Es wird die Grundlage für eine skalierbare, integrierte und kostengünstige Massenproduktion bilden.   

Wie weit sind wir von einer vollautomatischen AM-Fabrik entfernt? 


Die Automatisierung von AM-Prozessen, vom Design bis zur Endbearbeitung, birgt ein enormes Potenzial für Kapitaleinsparungen durch die Reduzierung von Arbeitskosten und die Steigerung der Produktivität. 

Wie in einem Pilotprojekt namens NextGenAM gezeigt wurde, kann die Automatisierung die Produktionskosten um bis zu 50 % senken. Außerdem kann die automatisierte Fertigung mehr Konsistenz in den Prozess bringen, indem menschliche Fehler und Ausschuss minimiert werden. 

Die heute auf dem Markt erhältlichen Automatisierungslösungen haben sich von den frühen Projekten und Piloten, die noch vor ein paar Jahren gängig waren, deutlich weiterentwickelt. 

Um in vollem Umfang von der AM-Automatisierung zu profitieren, müssen Unternehmen heute mit der Transformation beginnen, um ihre Erfahrungen schneller in einen Wettbewerbsvorteil umwandeln zu können. 

Wie bei vielen technologischen Transformationen werden die Early Mover und Risikofreudigen, die bereit sind, auf Automatisierung in der AM zu setzen, die Früchte der digitalen Fertigung der Zukunft ernten.

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