Additive Fertigung in einer Smart Factory: 5 Wege zum Erfolg

01 Juni 2021
Additive manufacturing in a smart factory

[Quelle: 3D Systems]

Die Entwicklung digitaler Technologien hat die Arbeitsweise von Fertigungsanlagen grundlegend verändert. Die Anlagen werden immer stärker miteinander vernetzt und ebnen den Weg zu den Fabriken der Zukunft, besser bekannt als Smart Factories

Heute sind bereits mehr als ein Drittel der Fabriken in intelligente Anlagen umgewandelt worden, und verschiedene Unternehmen planen dies in den nächsten fünf Jahren um 40 Prozent zu erhöhen. 

Eine der Schlüsseltechnologien, die den Übergang zu intelligenten Fabriken ermöglichen, ist die Additive Fertigung (AM), eine wesentliche digitale Fertigungsmethode. 

Die Integration von AM in eine Smart Factory ist jedoch mit einer Reihe von Herausforderungen verbunden. Neben der fehlenden Konnektivität und Rückverfolgbarkeit bietet such die Herausforderung einen automatisierten und sicheren AM Workflow auf der Grundlage von Nachhaltigkeitsprinzipien zu etablieren. 

Ohne eine frühzeitige Berücksichtigung dieser Faktoren werden Hersteller, die AM zu einem Teil ihrer intelligenten Fabriken machen wollen, Schwierigkeiten haben, den Einsatz der Technologie zu skalieren, wenn ihr Betrieb wächst. 

Im Folgenden tauchen wir tief in die fünf Anforderungen ein, die für die Integration von AM in einer intelligenten Fabrik unerlässlich sind, und teilen Tipps, Lösungen und Ansätze, die Sie auf Ihrem Weg zur intelligenten Fertigung unterstützen werden.

Wie passt AM in eine Smart Factory?

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[Image credit: EOS]

Um von den Vorteilen intelligenter Fabriken zu profitieren, haben sich laut dem Bericht von Capgemini fast 70 Prozent der Hersteller auf den Weg der digitalen Transformation gemacht. 

Vor diesem Hintergrund der Digitalisierung entwickelt sich AM schnell zu einer wichtigen digitalen Fertigungstechnologie. 

Bei AM, oder 3D Druck, wird der Prozess der Herstellung eines Teils durch Software gesteuert, was ihn zu einem hochgradig digitalisierten Prozess macht. Dabei wird ein 3D Modell in CAD erstellt und dann in zweidimensionale Schichten umgewandelt, die dann beim Druck nacheinander aufgetragen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, die auf Formen oder Schneidwerkzeuge angewiesen sind, ist das einzige Werkzeug, das bei AM benötigt wird, ein 3D Drucker.

Trotz der vielen Vorteile von AM tun sich viele Unternehmen noch schwer, die Vorteile der additiven Fertigung als Lösung für ihre Smart-Factory voll auszuschöpfen. Der Grund dafür liegt oft in der mangelnden Konnektivität, Automatisierung und Sicherheit, die unter anderem für die Skalierung von AM in einer Smart Factory erforderlich sind.

5 Wege zur erfolgreichen Integration von AM in eine Smart Factory


Wir haben 5 wesentliche Anforderungen für AM identifiziert, um Teil des intelligenten Fertigungssystems zu werden und somit zur Reifung beizutragen.

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1. Konnektivität und Datenmanagement 

In der additiven Fertigung werden kontinuierlich Daten generiert, und zwar in jeder Phase der Produktion. Dazu gehören Daten von Hardware und Materialien bis hin zu Daten aus verschiedenen Softwaresystemen (ERP, PLM). 

Um diese Daten für Erkenntnisse und betriebliche Verbesserungen nutzen zu können, muss sichergestellt werden, dass kein Gerät oder Datenelement isoliert bleibt. 

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) ist die Schlüsseltechnologie, die durch den Einsatz von Sensoren, Transmittern, Software und Netzwerken eine erhöhte Konnektivität und Datenerfassung ermöglicht. 

IIoT bietet die Möglichkeit, die Silos zwischen Betriebstechnik (AM-Maschinen und andere Geräte) und Informationstechnik (Software und Netzwerke) zu entfernen, um einen kontinuierlichen Datentransfer in Echtzeit zu gewährleisten. 

Während die neue Generation von 3D Druckern mit IIoT Funktionen ausgestattet ist, tun sich Hersteller noch schwer, die vom IIoT bereitgestellten Daten zu sammeln und zu analysieren. Eine der größten Herausforderungen bei der Nutzung von AM-Daten sind unverbundene Systeme und manuelle Prozesse, die keinen Echtzeitzugriff auf Daten ermöglichen. 

Eine Möglichkeit, eine bessere Konnektivität und einen besseren Zugriff auf Daten zu erreichen, ist der Einsatz von spezialisierter Software, die Ihre Maschinen und Softwaresysteme, wie ERP, PLM, in einem einzigen System verbinden kann.

Der Aufbau eines solchen Systems ist durch Manufacturing Execution System (MES)-Software möglich, die als zentrale Plattform zur Verbindung von AM Prozessen dient. 

Durch die Konnektivität, die durch MES-Software ermöglicht wird, haben Sie die Daten immer griffbereit und können einen nahtlosen Echtzeitstrom relevanter AM Daten aufbauen, der eine vollständige Rückverfolgbarkeit und eine agile Entscheidungsfindung unterstützt. 

MES-Software für AM kann beispielsweise Dashboard Funktionen bieten, um KPIs in Bezug auf die Gesamtanlageneffizienz (OEE) zu verfolgen und zu dokumentieren, wie z. B. Maschinennutzung, Produktionsleistung oder Zeit bis zur Reparatur. 

Dies wiederum ermöglicht die Optimierung der AM Produktionsplanung, die den fortschrittlichen Einsatz von AM in Ihrer digitalen Fabrik untermauert.

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Image credit: HP

2. Automatisierung

Einer der größten limitierenden Faktoren für AM sind heute die Kosten für menschliche Arbeitskraft für sich wiederholende Aufgaben.   Deshalb liegt der Schlüssel zur Einführung von AM in den intelligenten Fabriken in der durchgängigen Automatisierung. 

Erreicht durch eine Kombination aus Hard- und Software sowie Robotik, Sensoren und Netzwerken, sorgt die Automatisierung als Teil eines durchgängigen digitalen Produktionszyklus für schlankere Prozesse.

Die AM-Automatisierung erstreckt sich über alle Ebenen des AM-Workflows, vom Design über die Produktion bis hin zum Teilehandling und der Nachbearbeitung.  

In der Entwurfsphase gibt es derzeit Lösungen, die helfen, einige Teile des Entwurfsprozesses zu automatisieren, wie z. B. die Erzeugung von Stützen. 

Darüber hinaus werden Design Tools, wie z. B. die Topologie Optimierung, entwickelt, die dabei helfen, die besten AM Designs für eine bestimmte Anwendung und technische Anforderungen zu generieren und zu validieren. 

In der Produktion besteht die Möglichkeit, die Produktionsplanung und Steuerung mit Hilfe von MES-Software zu rationalisieren. Die Software ersetzt arbeitsintensive Prozesse, wie die manuelle Auftragsabwicklung und das Projektmanagement, durch den Einsatz einer einzigen digitalen Plattform.  

Darüber hinaus wird die 3D Druck Hardware durch den Einsatz von Sensoren immer stärker automatisiert, was eine vollständige Prozessüberwachung ermöglicht. Ein Beispiel dafür, wie Unternehmen von intelligenter Hardware profitieren können, ist die Fernwartung, die es Unternehmen ermöglicht, im Falle eines Fehlers schneller eine Lösung zu finden, um eine hohe OEE zu gewährleisten. 

Von allen AM-Workflowphasen war die AM Nachbearbeitung lange Zeit die am wenigsten automatisierte. Dies ändert sich nun mit der Einführung von Nachbearbeitungssystemen, die auf die automatische Reinigung, Entpuderung, Stützentfernung und Einfärbung von 3D gedruckten Teilen ausgerichtet sind. 

Roboter und fahrerlose Transportsysteme spielen ebenfalls eine wachsende Rolle bei der Automatisierung von AM Prozessen, da sie das Teilehandling und die Be- und Entladevorgänge rationalisieren. 

3. Rückverfolgbarkeit 

Die Rückverfolgbarkeit ist derzeit eines der Hauptprobleme für Unternehmen, die AM für ihre Produktion einsetzen. 

In der Fertigung bedeutet Rückverfolgbarkeit die Möglichkeit, jedes Teil und jedes Produkt während des gesamten Fertigungsprozesses zu verfolgen, von dem Moment an in dem die Rohmaterialien in die Fabrik gelangen, bis zu dem Moment, in dem die Endprodukte versandt werden.  

Die Bedeutung der Rückverfolgbarkeit geht über mögliche Produktrückrufe hinaus. Es geht auch darum, die Transparenz entlang des Produktionsprozesses zu verbessern und es Ihnen zu ermöglichen, wichtige Daten im Auge zu behalten und Ihre Prozesse zu optimieren. 

Die Nachfrage nach Rückverfolgbarkeit entlang des AM Produktionsprozesses wird von mehreren Faktoren angetrieben, darunter:

  • die Notwendigkeit von angemessenen Qualitätsprozessen
  • genaue Berichterstattung über Produktionsdaten
  • Kundenanforderungen


Da Vorschriften sowie Anforderungen an Berichts- und Qualitätskontrolle ins Spiel kommen, muss der derzeitige Mangel an Rückverfolgbarkeit im gesamten AM Betriebssystem und der Lieferkette behoben werden, wenn AM in eine intelligente Fabrik integriert werden soll. 

Eine Herausforderung dabei ist die Rückverfolgbarkeit von wiederverwendetem Material. Bei der Metall Pulverbett Schmelztechnik beispielsweise verbleibt nach Abschluss des Druckvorgangs eine gewisse Menge an nicht geschmolzenem Metallpulver und kann gesiebt und dann in einem bestimmten Verhältnis mit einem neuen Pulver gemischt werden.

Der Prozess der Materialwiederverwendung muss rückverfolgbar sein, damit die Endanwender sicher sein können, dass sie hochwertige Materialien verwenden, besonders für den Bau kritischer Teile.

Derzeit sind mehrere Softwarelösungen verfügbar, mit denen sich die Herkunft des Pulvers, die Anzahl der Wiederverwendung und der Einsatz in den verschiedenen Gebäuden verfolgen lässt. 

Darüber hinaus ist die Rückverfolgbarkeit von Chargen unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Teile in jeder Charge alle Sicherheits- und Qualitätsstandards erfüllen. 

Wenn zum Beispiel ein Teil ausfällt, muss die Grundursache identifiziert werden. Ein System, das es dem Bediener ermöglicht, die Ursache für den Ausfall eines Teils nachzuvollziehen, ist ein grundlegendes Beispiel für Rückverfolgbarkeit bei der Arbeit. Ohne die richtigen Daten ist es unmöglich, dieses Niveau der Rückverfolgbarkeit zu erreichen.

Ein Beispiel für ein System, das AM Unternehmen einsetzen, um Rückverfolgbarkeit zu erreichen, ist MES. Die durchgängige Rückverfolgbarkeit, die durch MES Software ermöglicht wird, kann durch Datenanalysen und Business Intelligence Tools effektivere Qualitätsmanagementprozesse etablieren. 

Die Möglichkeit genau zu verfolgen, was und wann mit Ihren 3D Dateien und Teilen entlang des Produktlebenszyklus passiert ist, bietet eine neue Ebene der Prozessqualität für AM, da Unternehmen wichtige Daten leicht überprüfen und Prozesse optimieren können, wenn Fehler oder Störungen auftreten.

Die Etablierung von rückverfolgbaren AM Operationen ist der erste Schritt zur Nutzung der Technologie für die Produktion, da sie dazu beiträgt, Transparenz und Verantwortlichkeit in der gesamten Lieferkette zu gewährleisten und nachzuweisen, dass die Produkte bestimmte Standards erfüllen und den Branchenvorschriften entsprechen.

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4. Nachhaltigkeit   

In einer intelligenten Fabrik ist das traditionelle lineare Produktionsmodell “Nehmen, Herstellen, Entsorgen” nicht mehr tragfähig. Intelligente Fertigung bedeutet nachhaltige Fertigung, bei der Unternehmen einen Kreislauf verfolgen, bei der Ressourcen erhalten und wiederverwendet werden, vom Ausgangsmaterial bis hin zu verbrauchten Verbrauchsmaterialien 

Dank der Fähigkeit, effizientere Designs zu produzieren, die weniger Material für die Produktion benötigen, wird AM oft als nachhaltige Technologie angesehen. 

Trotz dieser Vorteile gibt es noch Raum für Verbesserungen. Um AM nachhaltig in einer intelligenten Fabrik einzusetzen, ist es wichtig, die wichtigsten Nachhaltigkeitsprinzipien zu berücksichtigen: 

  • Energienutzung 
  • Wiederverwendung von Materialien
  • Abfallwirtschaft 


Senkung des Energiebedarfs   

Unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit korrelieren die Energieverbrauchsraten direkt mit anderen Umweltaspekten wie CO2 Emissionen. 

Die additive Fertigung, insbesondere mit Metallen, ist keineswegs eine energiesparende Technologie. 

Wenn Sie AM zu einem Teil Ihrer intelligenten Fertigung machen, müssen Sie Wege finden, um einen hohen Energieverbrauch auszugleichen. 

Eine Möglichkeit dazu ist, die für die Technologie geeignete Anwendung auszuwählen und ihr Design so weit wie möglich zu optimieren. Optimierte Designs sind billiger und schneller zu produzieren. Außerdem kommen bessere Designs dem System zugute, in dem das additiv gefertigte Teil verwendet wird (z. B. ein Auto oder ein Flugzeug), indem es energieeffizienter gemacht wird. 

Materialien so lange wie möglich im Einsatz halten

Ein weiterer wichtiger Nachhaltigkeitsfaktor, den es zu berücksichtigen gilt, ist die Recyclingfähigkeit und Wiederverwendung von AM Materialien. 

Während Polymere, die in der additiven Fertigung verwendet werden, in den meisten Fällen leicht recycelt werden können, kommt die größte Sorge um die nachhaltige Nutzung von Materialien wie Metallen. 

Bei der Einführung von Technologien die Metallpulver verwenden, ist es entscheidend, einen Prozess für das ordnungsgemäße Recycling und die Wiederverwendung von Metallpulvern zu etablieren. Dazu gehört zum Beispiel die Schaffung eines strengen Regimes für das Mischen von gebrauchten und ungebrauchten Pulvern, um die Rückverfolgbarkeit des Materials sicherzustellen.

Neben der Wiederverwendung von AM Pulvern entwickelt die Industrie bereits Ansätze für ein für die additive Fertigung geeignetes Pulver, daß das das Recycling von Ausschussmaterialien ermöglicht.

Zum Beispiel trägt 6K, ehemals Amastan Technologies, mit seinem UniMelt Verfahren zu einer vollständigen Kreislaufwirtschaft bei. Es nutzt eine proprietäre Methode zur mechanischen Zerkleinerung von Schrott aus der Bearbeitung, wie Drehspäne und Späne, sowie AM Träger und ausgeschiedene Teile, in feine Partikel. Diese werden dann durch ein Plasmasystem geführt, um hochwertige Pulver zu erzeugen. 

Abfallmanagement   

Die Realität von AM ist, dass es nicht von Natur aus abfallfrei ist. Es gibt zwei Hauptursachen für die Verschwendung: zum einen die Nachbearbeitung und zum anderen misslungene Drucke. 

In den meisten Fällen können diese Abfallströme stark minimiert werden, wenn sie bereits in der Planungs- und Bauvorbereitungsphase berücksichtigt werden. 

Zum Beispiel können die Ingenieure die Stützstrukturen so optimieren, dass nach dem Druck weniger Stützstrukturmaterial entfernt werden muss.  

Misslungene Drucke können mit Hilfe von Simulationssoftware verhindert werden, indem man einen Einblick in das Verhalten eines Teils während des Druckvorgangs bekommt. Dank einer Simulationssoftware wird es einfacher, Druckprobleme vorherzusagen, die zu einem fehlgeschlagenen Druck führen würden, und diese bereits in der Entwurfsphase auszugleichen. 

Letztendlich ist mit dem richtigen Ansatz die Möglichkeit gegeben, einen nahezu abfallfreien additiven Fertigungsprozess zu etablieren, in greifbarer Nähe

5. Die Cybersicherheit

In dem Maße, in dem die Industrie den geschäftlichen Nutzen aus der intelligenten Fertigung zieht, ist die Notwendigkeit, sich mit Fragen der Cybersicherheit auseinanderzusetzen, größer denn je. 

Ohne Integrität, Vertraulichkeit und Verwaltung von Rechten der AM Daten werden Unternehmen nicht in der Lage sein, AM in einer Smart Factory zu skalieren. 

Unterstützt wird dies durch die Tatsache, dass mehr als ein Drittel der Hersteller aufgrund von Sicherheitsrisiken vor Investitionen in digitale Technologien zurückschreckt. 

Die Bedenken rund um die Sicherheit digitaler Technologien, wie AM, sind wohlbegründet. Digitale Dateien enthalten Daten, die sich auf Produktspezifikationen beziehen und darauf, wie ein Teil hergestellt werden soll. 

Der unbefugte Zugriff auf solche Daten kann schwerwiegende Folgen für Unternehmen haben, wie z. B. den Diebstahl oder die Manipulation von Daten, was eine große Gefahr für die Integrität des geistigen Eigentums eines Unternehmens darstellt..  

Bei der traditionellen Fertigung führt der Diebstahl geistigen Eigentums eines Artikels in der Regel nicht zu einem erheblichen Einkommensverlust. Bei AM können die Folgen weitaus schwerwiegender sein. 

Sobald eine Konstruktionsdatei kompromittiert ist, könnte eine unbefugte Person Zugang zu geschützten Konstruktionsmerkmalen eines Teils haben und damit die Blaupause haben, um ein Objekt so oft zu reproduzieren, wie sie wollen, vorausgesetzt, sie haben die richtige Ausrüstung.

Infolgedessen ist die sichere digitale Übertragung von AM Daten innerhalb einer intelligenten Fabrik und an externe Partner entscheidend, um die Datenintegrität zu gewährleisten.

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Tipps zur Sicherung von AM in einer intelligenten Fabrikumgebung  

Es gibt mehrere Dinge, auf die Sie sich konzentrieren müssen, um die AM Daten in Ihrer Smart Factory zu sichern.

Schulen Sie ihre Mitarbeiter 

Erstens müssen Sie erkennen, dass Nutzer Ihre größte Bedrohung sein können. Mitarbeiter können Fehler machen, die die Daten oder Systeme Ihres Unternehmens gefährden, oft weil sie nicht die erforderliche Schulung haben, um ihnen beizubringen, wie sie das Unternehmen, für das sie arbeiten, schützen können. 

Deshalb sollte es Ihre oberste Priorität sein, Ihre Mitarbeiter zu schulen und sie zu motivieren, auf Cyberbedrohungen und Gegenmaßnahmen zu achten. 

Datenzugriffsmanagement 

Zweitens müssen Sie sich darauf konzentrieren, wie Sie den Zugriff auf die Daten verwalten, ob und wie sie Verschlüsselungs- und starke Authentifizierungspraktiken anwenden. 

Mehrere Unternehmen entwickeln Sicherheitslösungen für AM, mit denen Sie Konstruktionsdateien verschlüsseln können, sodass nur autorisierte Benutzer Zugriff auf die relevanten Daten haben.

Auf sichere Dateiformate umstellen 

Eine weitere Überlegung ist die Einführung standardisierter Dateiformate, die eine sichere Datenübertragung und Interoperabilität unterstützen. 

Während sich die AM-Industrie weiterhin auf das altmodische .stl-Dateiformat verlässt, gibt es Bestrebungen, dieses durch ein effizienteres Dateiformat Namens .3mf zu ersetzen. Im Vergleich zu .stl wurde das neue Dateiformat mit Blick auf Datenschutzfunktionen entwickelt, die den kommerziellen Missbrauch von Daten oder die Beschädigung von Daten verhindern. 

Investieren Sie in AM Hardware unter Berücksichtigung von Sicherheitsfunktionen

Da die Konnektivität von 3D Druckern zunimmt, müssen Sie außerdem die Sicherheit zu einer Anforderung während des Beschaffungsprozesses machen. Da Ihre AM-Ausrüstung Ihnen viele Jahre lang dienen wird, müssen Sicherheitsfunktionen in das Design der Ausrüstung integriert werden, um die Wartung und den Schutz in einem stark vernetzten Fabriknetzwerk zu erleichtern. 

Es gibt zwar viele Möglichkeiten, AM zu sichern, aber unterm Strich gibt es keine Einzellösung, die alle Probleme angeht. Vielmehr bedarf es einer Vielzahl von Technologien, um AM in Produktionsqualität über den gesamten Lebenszyklus hinweg angemessen abzusichern. 

Smart Factory Skalierung von AM mit den richtigen Betriebsmitteln 


COVID-19 hat der Welt gezeigt, dass traditionelle Lieferketten und Produktionssysteme anpassungsfähiger und agiler werden müssen, um mit den Veränderungen und Herausforderungen, die die aktuelle Krise mit sich bringt, Schritt zu halten. 

Eine Lösung liegt in der Nutzung digitaler Technologien wie AM als Teil des Strebens nach intelligenter Fertigung.  

Während viele Unternehmen AM einführen, müssen sie die richtigen Tools und Prozesse verwenden, um einen nachvollziehbaren, automatisierten, sicheren und nachhaltigen Workflow einzurichten.

Ein großer Teil dieser Anforderungen kann mit Hilfe von MES erreicht werden, die für die einzigartigen Bedürfnisse der additiven Fertigung entwickelt wurden. 

Additive MES-Software ermöglicht es Herstellern, Produktionsplanung und -steuerung sowie Durchführung zu einem digitalen Faden zu verknüpfen, der Daten nutzt, um mehr Transparenz zu erreichen und Best-Practice-Prozesse im gesamten Unternehmen zu etablieren.

Mittels einem strategischen Ziel und den richtigen Werkzeugen und Technologien können Hersteller den Grundstein für den langfristigen Erfolg der additiven Fertigung in ihrer Smart Factory legen. 

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