ADDITIVE MANUFACTURING IM LEICHTBAU · Das Projekt wurde vom Ministerium für Umwelt, Klima und...

Weniger ist mehr.

ADDITIVE MANUFACTURING IM LEICHTBAU – PERSPEKTIVEN FÜR MEHR RESSOURCENEFFIZIENZ IM LEICHTBAU

KURZANALYSE ZUR PROZESSOPTIMIERUNG

Quelle: Edelstahl Rosswag

INHALTVORWORT 03

KERNBOTSCHAFTEN DER STUDIE 04

RESSOURCENEFFIZIENZ DURCH ADDITIVE MANUFACTURING IM KONTEXT DER INDUSTRIELLEN WERTSCHÖPFUNG 05

1.1. Phasen und Schnittstellen der Additive-Manufacturing-Wertschöpfungskette 05

1.2. AM-basierte Einflussgrößen der Ressourceneffizienz 06

RESSOURCENEFFIZIENZ IN WERTSCHÖPFUNGSSZENARIEN – ANWENDUNGSNAHE EINORDNUNG DER EINFLUSSGRÖSSEN 08

2.1. Szenario 1 – Additive Manufacturing as a Service 08

2.2. Szenario 2 – In-house Konstruktion und Fremdproduktion 09

2.3. Szenario 3 – Konstruktion und Veredelung von AM-Halbfabrikaten 10

2.4. Szenario 4 – In-house AM-Wertschöpfungskette 12

2.5. Szenario-unabhängige Schlussfolgerungen 13

FAZIT 14

ANHANG 16 4.1. Methodik 16

4.1. Einflussgrößen aus der Literatur 17

LITERATUR 18

KAPITEL 1

KAPITEL 2

VORWORTSTUDIE

KAPITEL 3

KAPITEL 4

Die Inhalte dieser Studie wurden im Förderprojekt Ressourceneffizienz durch Additive Manufacturing in KMU erarbeitet. Das Projekt wurde vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg gefördert.

Lehrstuhl für Allgemeine Betriebswirtschaftslehre undWirtschaftsinformatik I (Informationsmanagement)

DR. WOLFGANG SEELIGERGeschäftsführer derLeichtbau BW GmbH

PROF. DR. HANS-GEORG KEMPERBetriebswirtschaftliches Institut (BWI)

Universität Stuttgart

PROF. DR. HEINER LASILeiter Ferdinand-Steinbeis-

Institut der Steinbeis-Stiftung

Additive Manufacturing – AM (umgangssprachlich „3-D-Druck“) birgt enorme Potenziale für den Leichtbau. Bionische Strukturen werden machbar, die vorher nicht denkbar waren. Kleine Serien, früher wirtschaftlich nicht darstellbar, werden durch Anwendung von 3-D-Druck im Formenbau plötzlich möglich. Es gelingt die Integration von Gas- und Flüssigkeitsleitungen oder Sensorik. Und das sind nur einige Beispiele.

Additive Manufacturing ist automatisch ressourcen-effizient: Material wird nur dort eingesetzt, wo es auch gebraucht wird. Schaut man über den Rand des einzelnen Fertigungsprozesses hinaus, wird klar, dass im gesamten Wertschöpfungssystem mindestens ebenso große Potentiale zur Ressourceneffizienz schlummern.

Aber wo, und unter welchen Umständen, werden diese Potentiale realisiert? Die Kurzanalyse gibt in Szenarien Ansatzpunkte für Unternehmen, wo im Spannungsfeld zwischen dezentraler oder zentraler, in-house oder out-house Fertigung oder zum Beispiel bei der Ersatzteilherstellung die größten Ressourceneinsparungen möglich sind.

05Additive Manufacturing im Leichtbau – Perspektiven für mehr Ressourceneffizienz im Leichtbau04 Additive Manufacturing im Leichtbau – Perspektiven für mehr Ressourceneffizienz im Leichtbau

KERNBOTSCHAFTEN DER STUDIEIn der vorliegenden Studie wurde untersucht, welcher Beitrag Additive Manufacturing (AM) zur Steigerung der Ressourceneffi-zienz in der industriellen Produktion leisten kann. Unter Additive Manufacturing (AM) wird hierbei der industrielle 3D-Druck ver-standen. Im Gegensatz zu etablierten Fertigungsverfahren – bspw. Fräsen oder Drehen – wird bei AM-Verfahren ein Bauteil „additiv“, das heißt Schicht für Schicht, ohne weiteren Werk-zeugeinsatz, generiert (Gebhardt 2014).

Die Ergebnisse der Studie basieren auf der Analyse von vier in der Praxis relevanten AM-Wertschöpfungsszenarien. Diese fin-den sich sowohl in KMUs als auch in Großunternehmen und sind branchenübergreifend in der industriellen Produktion realisier-bar. Damit können die Erkenntnisse der Untersuchung in einer Vielzahl von Anwendungskontexten nutzenstiftend umgesetzt werden. Die Kernbotschaften der Studie werden nachfolgend kurz ausgeführt und in den anschließenden Kapiteln näher erörtert:

STUDIE

Skaleneffekte bei spezialisierten AM-Dienstleistern führen zu Ressourceneffizienz. AM-Dienstleister verfügen über Erfahrung mit AM-gerechter Konstruktion und sind dadurch in der Lage AM-Bauteile schnell und zuverlässig zu entwickeln. Im Bereich der

AM-Produktion sind Dienstleister durch das Kombinieren ver-schiedener Aufträge meist in der Lage über eine hohe Maschinen-auslastung (Baujobs, Nesting / Packing) und zentrales Material-handling Skaleneffekte zu generieren.

Die Bearbeitung von AM-Halbfabrikaten mit bereits vorhandenen konventionellen Verfahren im Post-Processing (bspw. CNC-Frä-sen) kann zu Steigerung der Auslastung bestehender Fertigungs-

anlagen führen und zusätzliche Wertschöpfung durch AM-Nutzen-potenziale (bspw. Leichtbauteile) generieren.

Die Beherrschung der gesamten AM-Wertschöpfung inklusive ei-ner eigenen AM-Fertigung erlaubt eine hohe Prozessintegration und eine hohe Flexibilität/Komplexität von AM-Produkten (bspw.

hybride Bauteile). Die Auswirkungen auf die Ressourceneffizienz sind hierbei hauptsächlich in der Effizienzsteigerung des Gesamt-prozesses zu sehen.

Die Konstruktionsphase determiniert die wesentlichen Größen der Ressourceneffizienz auf Seiten des AM-Dienstleisters. Zudem beeinflusst die Informationsqualität die Ressourceneffizienz ent-scheiden - bspw. hinsichtlich des Abstimmungsaufwands.

Im Rahmen der Studie konnte gezeigt werden, dass die Potentiale zur Steigerung der Ressourceneffizienz durch AM weit über den Kon-text der Fertigung hinaus reichen. Daher werden in der Studie neben

der Ressourceneffizienz in der Fertigung zwei Felder beleuchtet: Potentiale in Bezug auf Ressourceneffizienz von AM-gefertigten Pro-dukten über deren Lebenszyklus hinweg (Produktperspektive) sowie Ressourceneffizienz durch AM-induziertes Konsumverhalten (Kon-sumperspektive). Eine grundlegende Erkenntnis der Studie ist, dass sich alle genannten Potentialfelder durch eine Fragmentierung der Wertschöpfungskette, wie sie durch AM ermöglicht wird, unterneh-mensindividuell optimieren lassen.

Externe AM-Dienstleister realisieren Skaleneffekte.

Die Kombination von AM mit konventionellen Verfahren im Post-Processing schafft Synergien.

Eine eigene AM-Fertigung kann Effizienzsteigerungen in der gesamten Wertschöpfungskette ermöglichen.

Die Ressourceneffizienz wird kooperativ gestaltet.

KAPITEL 1

RESSOURCENEFFIZIENZ DURCH ADDITIVE MANUFACTURING IM KONTEXT DER INDUSTRIELLEN WERTSCHÖPFUNG

Die Implementierung AM-basierter Geschäftsmodelle erfordert oftmals einen hohen Einsatz an Ressourcen und den aufwändigen Aufbau von Wissen. Insbesondere bei kleinen und mittelständi-schen Unternehmen (KMU) sind die Kapazitäten hierfür begrenzt. Deshalb stellt die Entwicklung tragfähiger AM-basierte Geschäfts-modelle für KMU eine besondere Herausforderung dar.

Die Studie hat zum Ziel, das AM-Potenzial zur Erhöhung der Res-sourceneffizienz industrieller KMU hinsichtlich technischer und wirtschaftlicher Chancen und Risiken zu untersuchen. Zur Ablei-tung von praxisnahen Schlussfolgerungen und Handlungsempfeh-lungen werden unterschiedliche Wertschöpfungsszenarien unter-sucht. Diese basieren auf einem allgemeinen Produktlebenszyklus und unterscheiden sich bezüglich der Kooperation mit anderen Wertschöpfungspartnern. Damit wird der Vielfältigkeit der AM-ba-sierten Wertschöpfung Rechnung getragen – beispielsweise kann diese sowohl in komplexen Wertschöpfungsnetzwerken mit vielen unterschiedlichen externen Partnern als auch innerhalb eines Un-ternehmens an einem Standort erfolgen.

Grundlage für die Betrachtung der Ressourceneffizienz bildet die AM-Wertschöpfungskette, deren einzelnen Abschnitten Einfluss-größen der Ressourceneffizienz zugeordnet werden können.

PHASEN UND SCHNITTSTELLEN DER ADDITIVE-MANUFACTURING- WERTSCHÖPFUNGSKETTEDie AM-Wertschöpfungskette kann generalisiert in fünf Phasen dargestellt werden (von der Konstruktion bis zur Montage), die je-weils durch entsprechende Schnittstellen verbunden sind (Hiller et al. 2016). Diese Darstellung dient als Grundlage für die Betrach-tung der Einflussgrößen der Ressourceneffizienz.

In der Konstruktionsphase wird mittels einer CAD-Software das digitale Produktmodell

definiert. AM verändert die Art zu konstruieren, da keine Restrik-tionen der konventionellen Fertigung beachtet werden müssen.

Das digitale Produktmodell muss für den nachfolgenden AM-Fertigungsprozess vor-

bereitet werden. Hierfür wird es unter anderem auf Fehler über-prüft, mit weiteren Bauteilen in einen Bauraum arrangiert (Nes-ting) und digital in Schichten geschnitten (Slicing). Zum Fertigen mancher Geometrien werden zusätzliche Stützstrukturen benötigt.

Im eigentlichen AM-Fertigungsprozess wird aus dem digitalen Produktmodell über den schicht-

weisen Aufbau, abhängig vom eingesetzten Verfahren, in ein phy-sisches Bauteil überführt.

Die meisten additiv gefertigten Bauteile benötigen eine Nachbearbeitung. Diese

kann je nach Bauteilanforderung unterschiedlich ausfallen – bspw. in Form von wärmebehandeln, planfräsen oder polieren.

Komplexere Produkte mit mehreren Bau-teilen werden abschließend montiert. Die

Möglichkeit der Funktionsintegration durch AM führt dazu, dass in bestimmten Fällen eine Montage obsolet wird.

Die Schnittstellen zwischen den oben ge-nannten Phasen sind durch einen hohen

Digitalisierungsgrad geprägt. Insbesondere die Schnittstellen zwi-schen Konstruktion und Pre-Processing sowie zwischen Pre-Pro-cessing und Processing ist durch den Austausch des digitalen Produktmodells zur Arbeitsvorbereitung bzw. Produktion gekenn-zeichnet. Die dem Processing nachgelagerten Schnittstellen um-fassen zusätzlich den Bereich der Logistik der Produkte / Halbfa-brikat. Alle Schnittstellen kennzeichnen potenzielle Übergabe punkte an Wertschöpfungspartner.

1.1

Konstruktion

Pre-Processing

Processing

Post-Processing

Montage/Kunde

06 07Additive Manufacturing im Leichtbau – Perspektiven für mehr Ressourceneffizienz im Leichtbau Additive Manufacturing im Leichtbau – Perspektiven für mehr Ressourceneffizienz im Leichtbau

AM-BASIERTE EINFLUSSGRÖSSEN DER RESSOURCENEFFIZIENZ

Der AM-Wertschöpfungskette sowie den Schnittstellen können unterschiedliche Einflussgrößen der Ressourceneffizienz zugeord-net werden. Hierbei wird nach den eingangs genannten Dimensio-nen Produkt, Fertigung und Konsum unterschieden, um den unter-schiedlichen Sichtweisen auf ein Produkt gerecht zu werden. Diese Zuordnung wird in Abbildung 1 aufgezeigt und nachfolgend be-schrieben. Eine ausführliche Herleitung der Einflussgrößen findet sich im Anhang.

1.2

Auswahl des Verfahrens bzw. des Mate-rial (F, P): Die Auswahl des Verfahrens bzw.

des Materials bedingt sich gegenseitig und ist eine zentrale Ein-flussgröße auf die Ressourceneffizienz in der Fertigung.

Determinierung des Post-Processings (F): In der Konstrukti-on werden Aktivitäten für das notwendige Post-Processing fest-gelegt werden (bspw. Nachbearbeitung von Oberflächen).

Konstruktionsaufwand und Nutzenpotenziale (P, K): AM führt zu einen Paradigmenwechsel in der Konstruktion, zum Beispiel: Design for Function oder Topologieoptimierung. Einerseits wirkt sich das auf die Aufwände in der Konstruktion aus, anderseits sind neue Nutzenpotenziale für die Produkte realisierbar (siehe Montage/Kunde).

Rüstaufwand (F): Der Rüstaufwand von AM-Maschinen ist je nach AM-Verfahren

unterschiedlich. Ausschlaggebend sind hierbei das Material und die Bauteilgeometrie.

Nesting (F, P): Die Rate wie dicht die einzelnen Bauteile im Bau-raum gepackt werden trägt zur Ressourceneffizienz bei.

Material-Einsatz (F): Das eingesetzte Material sowie die Hilfs- und Betriebsmittel sind Ein-

flussgrößen der Ressourceneffizienz. Beispielsweise kann ein Teil des verbrauchten Materials (abhängig vom Verfahren) wiederver-wendet werden.

Rohstofferzeugung (F): Je nach AM-Verfahren, ist der Ressour-cenaufwand zur Herstellung des einzusetzenden Materials sehr ressourcenintensiv.

Energie-Einsatz (F): Die benötigte Energie im Herstellungspro-zess ist eine weitere Größe der Ressourceneffizienz.

Logistik in der Produktion (F): Logistikabläufe wie beispiels-weise das Handling des eingesetzten Materials hat ebenfalls Ein-fluss auf die Ressourceneffizienz.

Prozesssicherheit (F): Diese Einflussgröße beinhaltet die Repro-duzierbarkeit und den Ausschuss im Herstellungsprozess.

Automatisierungsgrad (F): Beschreibung des Grads der Auto-matisierung im jeweiligen AM-Verfahren.

Mechanische Nachbearbeitung (F, P): Je nach getroffenen Determinierungen in

der Konstruktion wird oftmals manuelle Nacharbeit benötigt – bspw. das Entfernen der Stützstruktur.

Informationsqualität (P): Die Qualität und Vollständigkeit der digitalen Daten muss

speziell für Schnittstellen gewährleistet sein, da hier wertschöp-fungsrelevante Informationen ausgetauscht werden. Der Aus-tausch mit externen Partnern ist hierbei von besonderer Bedeutung.

Interne / Externe Logistik (F): Aufwand für die unternehmen-sinterne Logistik oder die Logistik mit anderen Wertschöpfungs-partnern. Diese steht in Abhängigkeit von den Standorten (dezen-trale Produktion).

Konstruktion

Pre-Processing

Processing

Post-Processing

Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden die Einflussgrößen auf die Schnittstellen zusammengefasst aufgeführt. Die Zuordnung der einzelnen Einflussgrößen zur konkreten Schnittstelle ist Ab-bildung 1 zu entnehmen.

Abbildung 1: Additive-Manufacturing-Wertschöpfungskette mit Einflussgrößen der Ressourceneffizienz

Ersatzteilmanagement (K): Die digitale Lagerhaltung ermöglicht auf Anfrage her-

stellbare Ersatzteile und längere Produktnutzung durch Verfügbar-keit von Ersatzteilen.

Nutzenpotenziale (P, K): Durch AM optimierte Bauteile können zusätzliches Nutzenpotenzial zur Ressourceneffizienz beitragen. Ein Beispiel hierfür sind Leichtbauteile.

Montage/Kunde

Konstruktion Pre-Processing

Processing„Druck“

Post-Processing

Montage/Kunde

Material-Einsatz (F)Energie-Einsatz (F)Logistik und Produktion (F)Rohstofferzeugung (F)Prozesssicherheit (F)Automatisierungsgrad (F)

Rüstaufwand (F)Nesting (F, P)

Informationsqualität (P) Informationsqualität (P) Interne / Externe Logistik (F)Informationsqualität (P)

Interne / Externe Logistik (F)Informationsqualität (P)

Mechanische Nachbearbeitung (F,P)

Ersatzteilmanagement (K)Nutzenpotenziale (P, K)

Auswahl des Verfahrens bzw. des Materials (F, P)Determinierung des Post-Processings (F)Konstruktionsaufwand und Nutzenpotenziale (P, K)

08 Additive Manufacturing im Leichtbau – Perspektiven für mehr Ressourceneffizienz im Leichtbau Additive Manufacturing im Leichtbau – Perspektiven für mehr Ressourceneffizienz im Leichtbau 09

KAPITEL 2

RESSOURCENEFFIZIENZ IN WERTSCHÖP-FUNGSSZENARIEN – ANWENDUNGSNAHE EINORDNUNG DER EINFLUSSGRÖSSEN

Zur anwendungsnahen Einordnung der vorgestellten Einflussgrö-ßen auf die Ressourceneffizienz werden im Folgenden Wertschöp-fungsszenarien unter Berücksichtigung der Einbindung von Wert-schöpfungspartnern verwendet. Auf dieser Grundlage lassen sich konkrete situationsbezogene Handlungsempfehlungen zur Steige-rung der Ressourceneffizienz für die Beteiligten ableiten.

Die Szenarien werden aus Sicht des Unternehmens mit der Pro-dukthoheit, das dementsprechend Kundenschnittstelle beherrscht, dargestellt. Für dieses Unternehmen wird je nach Szenario unter-schiedliche AM-Kompetenz vorausgesetzt. So ist beispielsweise im ersten Szenario AM as a Service weder eine eigene Entwick-lung von AM-Bauteilen noch eine eigene AM-Produktion vorgese-hen, wohingegen beim letzten Szenario In-house AM-Wertschöp-fungskette eine umfassende AM-Kompetenz notwendig ist.

Das Wertschöpfungsszenario AM as a Service ist dadurch ge-prägt, dass die Leistungserbringung in den Phasen von der Konst-ruktion bis zum Post-Processing durch einen externen Wertschöp-fungspartner (z.B. AM-Dienstleister) erfolgt. Lediglich die Montage und die Schnittstelle zum Kunden werden intern durch das produ-zierende Unternehmen erbracht (vgl. Abbildung 2). Dieses Szenario eignet sich besonders für Unternehmen, die zwar keine / geringe AM-Erfahrung haben, aber deren Produkte / Bauteile ein hohes AM-Nutzenpotenzial – bspw. Leichtbau oder Bionik – aufweisen (vgl. Hiller et al. 2016).

Folgende Auswirkungen auf die Ressourceneffizienz sind im Rah-men des Szenarios AM as a Service von Relevanz:

Skaleneffekte bei spezialisierten AM-Dienstleistern ermögli-chen ressourceneffiziente Wertschöpfung auf vielfältige Weise.

Insbesondere die oftmals umfangreiche Erfahrung mit der AM- gerechten Konstruktion erleichtert die Realisierung von Nut-zenpotenzialen, die Möglichkeit zur hohen Maschinenauslas-tung (Baujobs, Nesting / Packing) durch weitere Auftragspartner und einem zentralen Materialhandling.

Die digitale Schnittstelle zwischen Konstruktion und Pre-Pro-cessing kann beim selben externen Partner oder aber auch zwi-schen unterschiedlichen externen Partnern liegen. Oftmals ist diese Schnittstelle ausschlaggebend für die Ressourceneffizi-enz nachgelagerter Phasen, da hier zentrale Informationen aus-getauscht werden.

Die Ressourceneffizienz der Logistik liegt im Verantwortungs-bereich des produzierenden Unternehmens.

Hieraus können folgende Handlungsempfehlungen / Schlussfol-gerungen für Unternehmen zur Erhöhung der Ressourceneffizienz abgeleitet werden:

Bei der Wahl der Wertschöpfungspartner sollte darauf geachtet werden, dass diese entsprechend für die Themen der Ressour-ceneffizienz sensibilisiert sind.

Eine enge Kooperation mit den Wertschöpfungspartnern sollte angestrebt werden, um erforderliches Know-how und eigene Fähigkeiten aufzubauen.

Die Schnittstelle zwischen Konstruktion und Pre-Processing ist bedeutend, deshalb sollte die Qualität des Informationsaus-tauschs gesichert sein. Es empfiehlt es sich diese Schnittstelle möglichst mit einem einzigen Wertschöpfungspartner zu beset-zen. Gibt es hier mehrere Wertschöpfungspartner sollten diese zumindest Erfahrungen in gemeinsamen Kooperationen aufwei-sen.

Für das betrachtete Unternehmen besteht im Rahmen des Szena-rios AM as a Service nur eine bedingte Einflussnahme auf die Res-sourceneffizienz in der Fertigung, da diese nur in Teilen über An-forderungen an die Konstruktion vorgeben lassen (bspw. Material - wahl oder Lieferzeitpunkt).

2.1

SZENARIO 1 – ADDITIVE MANUFACTURING AS A SERVICE

Abbildung 2: Wertschöpfungsszenario AM as a Service

Erfolgt die Konstruktion innerhalb des produzierenden Unterneh-mens aber die produktionsnahen Schritte Pre-Processing, Proces-sing und Post-Processing werden durch einen externen Dienst-leister erbracht, so ist dieses Wertschöpfungsszenario als In-house Konstruktion und Fremdproduktion zu bezeichnen (vgl. Abbildung 3). Dieses Szenario eignet sich für Unternehmen, die bereits über Erfahrung in der AM-Konstruktion verfügen aber die Investition in eine eigene Produktionsanlage nicht tätigen möchten – bspw. auf-grund Unsicherheiten mit der vollständigen Auslastung der Ma-schinen.

Im Szenario In-house Konstruktion und Fremdproduktion sind fol-gende Auswirkungen auf die Ressourceneffizienz zu benennen:

Die Sicherstellung der AM-gerechten Konstruktion durch das Unternehmen ist notwendig, da die Konstruktionsphase die Ressourceneffizienz aufseiten des AM-Dienstleisters maßgeb-lich beeinflusst und in diesem Fall die Ressourceneffizienz ko-operativ gestaltet werden muss.

Dementsprechend ist die Informationsqualität an den Schnitt-stellen zum AM-Dienstleister ein zentraler Einflussfaktor der Ressourceneffizienz.

Durch spezialisierte AM-Dienstleister können Skaleneffekte er-zielt werden (vgl. Abschnitt 3.1).

2.2

SZENARIO 2 – IN-HOUSE KONSTRUKTION UND FREMDPRODUKTION

Abbildung 3: Wertschöpfungsszenario In-house Konstruktion und Fremdproduktion



Post-Processing

Extern Intern

Montage/Kunde



Post-Processing

Extern Intern

Montage/Kunde

ExternIntern


Das Szenario Konstruktion und Veredelung von AM-Halbfabrika-ten umfasst die Konstruktion, das Post-Processing und die Monta-ge innerhalb des produzierenden Unternehmens. Lediglich die Leistungen des Pre-Processings und Processings werden extern bezogen. Dieses Wertschöpfungsszenario dient produzierenden

Unternehmen, die bereits Erfahrung in der AM-Konstruktion – bspw. Umsetzen komplexer Produktanforderungen – aufweisen und auf bestehenden Möglichkeiten zur Nachbearbeitung – bspw. vorhandener Maschinenpark zur Metallbearbeitung bei AM-Me-tallverfahren – zurückgreifen können.

Für Unternehmen lassen sich die nachstehenden Schlussfolge-rungen zur Erhöhung der Ressourceneffizienz ableiten:

Die Auswirkungen konstruktiver Entscheidungen auf die Res-sourceneffizienz in späteren Wertschöpfungsphasen sollte im Austausch mit den externen Dienstleistern systematisch er-fasst werden.

Die Ausprägung der Kooperation mit den AM-Dienstleistern be-einflusst maßgeblich die Ressourceneffizienz (höchste Auswir-kung in der Konstruktion). Die Verantwortung für die Ressour-

ceneffizienz liegt also hauptsächlich beim produzierenden Unternehmen. Deshalb ist der Ausgestaltung der (digitalen) Schnittstelle zwischen Konstruktion und Pre-Processing beson-dere Aufmerksamkeit zu widmen. Auf diese Weise kann dem produzierenden Wertschöpfungspartner die Grundlage zur Er-zielung von Skaleneffekten ermöglicht werden.

Das produzierende Unternehmen hat in diesem Szenario eine zen-trale Rolle für die Ausgestaltung der Ressourceneffizienz. Insbe-sondere der Erfahrungsaustausch zwischen den einzelnen Wert-schöpfungsphasen ist in diesem Szenario entscheidend.

2.3

SZENARIO 3 – KONSTRUKTION UND VEREDELUNG VON AM-HALBFABRIKATEN

Folgende Auswirkungen wurden für das Szenario Konstruktion und Veredelung von AM-Halbfabrikaten identifiziert:

Die Nutzung vorhandener konventioneller Verfahren im Post- Processing zur Nachbearbeitung und Veredelung der Bauteile kann die Effizienz bestehender Produktionssysteme steigern.

Insbesondere die Art und Weise der Übergabe des AM-Halbfa-brikats ist hier von Relevanz. Wird das Bauteil vom Dienstleister vorbereitet (bspw. von der Trägerplatte getrennt) oder wird die komplette Trägerplatte mit allen Bauteilen ausgetauscht. Im letzteren Fall müssen die Trägerplatten wieder zurückgeführt werden, können aber unter Umständen als Referenz für die spanende Weiterbearbeitung dienen.

Durch spezialisierte AM-Dienstleister können insbesondere beim Processing Skaleneffekte erzielt werden (vgl. auch Ab-schnitt 3.1).

Neben der Informationsqualität an der Schnittstelle zwischen Konstruktion und Pre-Processing (vgl. Abschnitt 3.2) hat die Schnittstelle zum Post-Processing (Übergabe der AM-Halbfab-rikate, Rückführung von Fertigungsinformationen) Auswirkung auf die Ressourceneffizienz.

Abbildung 4: Wertschöpfungsszenario Konstruktion und Veredelung von AM-Halbfabrikaten



Post-Processing

Extern Intern

Montage/Kunde

ExternIntern

Ausgehend von diesen Auswirkungen lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen für Unternehmen zur Erhöhung der Ressour-ceneffizienz ableiten:

Eine sehr enge Kooperation mit AM-Dienstleister ist empfeh-lenswert, da sowohl die Auswirkungen auf die Ressourceneffi-zienz späterer Wertschöpfungsphasen maßgeblich in der Kons-truktion determiniert werden als auch die Auswirkungen des Processings auf das Post-Processing von Relevanz bezüglich der Produktqualität und der Fertigungseffizienz sind. Dement-sprechend muss die Ausgestaltung der IT-Schnittstelle zwi-schen Konstruktion und Pre-Processing und die Schnittstelle zwischen Processing und Post-Processing besonderes im Fo-kus stehen. Bei letzterer bekommt auch der physische Aus-tausch der Halbfabrikate Bedeutung.

Zudem sollte in Erwägung gezogen werden, zumindest für den Erfahrungsaufbau mit der AM-Fertigung, entsprechende Anla-gen für die Entwicklungsabteilung anzuschaffen. Selbst wenn aus Skalierungsgründen zur Produktion auf externe Wertschöp-fungspartner zurückgegriffen wird.

Zusätzlich empfiehlt es sich das Automatisierungspotenzial für die oftmals manuell ausgeführten Nachbearbeitungstätigkeiten auszuloten.

Das produzierende Unternehmen hat in diesem Szenario eine zen-trale Verantwortung für die Ausgestaltung der Ressourceneffizi-enz. Neben der Beeinflussung der Ressourceneffizienz im Rahmen der Konstruktionsvorgaben haben auch die Art und der Umfang der Nachbearbeitung (Post-Processing) eine nicht zu vernachläs-sigende Auswirkung auf die Ressourceneffizienz der Wertschöp-fungskette.


Hieraus ergeben sich die folgenden Schlussfolgerungen für Unter-nehmen zur Erhöhung der Ressourceneffizienz:

Zur Steigerung der Ressourceneffizienz ist darauf zu achten, eine hohe Prozessintegration zu fördern, um die Kooperation in interdisziplinären Entwicklungsteams zu erleichtern.

Da die Erzielung von Skaleneffekten in der AM-Fertigung die Res-sourceneffizienz maßgeblich beeinflusst, ist für das produzierende Unternehmen zu empfehlen hierfür optimale Konstellationen zu schaffen. Beispielsweise durch die Auslagerung von Produkti-onsspitzen an externe Dienstleister oder die Festlegung auf einheitliche Materialien, um die Rüstaufwände der AM-Maschi-nen gering zu halten. Denkbar ist auch, die Maschinenauslas-tung durch die Bearbeitung externer Aufträge zu erhöhen und um entsprechende Beratungs- und Konstruktionsdienstleis-tungen zu ergänzen.

Alle vier Implementierungsszenarien zeigen Auswirkungen auf die Ressourceneffizienz, die wiederholt vorkommen und deswegen generisch bleiben, diese werden in den folgenden Szenario-unab-hängigen Schlussfolgerungen erläutert.

Grundsätzlich lassen sich in allen Szenarien AM-Nutzenpoten-ziale für die Kunden der produzierenden Unternehmen realisie-ren: Beispielsweise Produkte mit Leichtbaustrukturen oder eine längere Nutzungsdauer von Produkten über ein entsprechen-des Ersatzteilmanagement.

Alle Szenarien ermöglichen Ansätze zur dezentralen Fertigung, dementsprechend sind Logistikaufwände von Bedeutung (Trans-port des Rohmaterials, Transport von Halbfabrikaten, etc.). Die Auswirkung hinsichtlich der Logistik ist im Speziellen in der de-zentralen Fertigung, die Additive Manufacturing ermöglicht, von Relevanz. Hier entscheidet letztendlich die Nähe der Produkti-on zum Kunden über den effizienten Ressourceneinsatz.

Vor allem an den Schnittstellen ist die Informationsqualität der übermittelten Daten von großer Bedeutung und wird somit zur Einflussgröße auf die Ressourceneffizienz. Dies gilt sowohl für Schnittstellen zwischen den Phasen innerhalb eines Unterneh-mens (intern/intern) oder zwischen zwei Partnern (intern/ex-tern bzw. extern/intern).

Hieraus lassen sich folgende Schlussfolgerungen ableiten:

AM eignet sich besonders zur Steigerung der Ressourceneffizi-enz in der Produktnutzung, wie Leichtbau oder Verlängerung der Nutzungsdauer durch effiziente Funktion. Zur Realisierung dieses Potenzials sind produkt- und marktspezifische Analysen notwendig, insbesondere in Hinblick auf eine adäquate Preisge-staltung für die so optimierten Produkte.

Im Rahmen dezentraler Fertigungsstrukturen lässt Ressource-neffizienz durch geringere Aufwände der Logistik verwirklichen. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass dezentrale AM-Ferti-gungseinheiten einen komplexeren Maschinenpark als lediglich eine AM-Maschine umfassen. Beispielsweise im Metallbereich sind spanende Verfahren oft unerlässlich.

Die Informationsqualität ist maßgeblich von der Gestaltung der digitalen Schnittstellen beeinflusst. Sowohl innerhalb eines Un-ternehmens als auch zwischen unterschiedlichen Wertschöp-fungspartnern gilt es hier unnötige Reibungsverluste zu vermei-den und somit den Abstimmungsaufwand gering zu halten.

2.5

SZENARIO-UNABHÄNGIGE SCHLUSSFOLGERUNGEN

Auswirkungen auf Ressourceneffizienz sind im Szenario In-house AM-Wertschöpfungskette hauptsächlich unter den folgenden As-pekten zu sehen:

Die Ressourceneffizienz im produzierenden Unternehmen ba-siert auf einer hohen Prozessintegration und guten Vorausset-zungen zum Wissensaustausch zwischen allen Beteiligten in der Wertschöpfungskette. So kann ein nahtloser Austausch von In-formationen und auch Halbfabrikaten innerhalb eines Unter-nehmens eher erreicht werden als in Kooperation mit (unter-schiedlichen) Dienstleistern.

Eine Herausforderung bleibt die Erzielung von Skaleneffekten, insbesondere durch die Erfahrung in AM-gerechter Konstruktion, einer hohen Maschinenauslastung (Baujobs, Nesting / Packing) und einem zentralen Materialhandling. Durch die Einbeziehung von AM-Dienstleistern zur Abfederung von Pro duktionsspitzen können jedoch auch hier höhere Maschinenauslastung erreicht werden.

Wird die gesamte Wertschöpfungskette, von der Konstruktion bis zur Montage, innerhalb eines Unternehmens durchlaufen, wird die-ses Wertschöpfungsszenario im Weiteren als In-house AM-Wert-schöpfungskette bezeichnet (vgl. Abbildung 5). Dieses Implemen-tierungsszenario richtet sich an produzierende Unternehmen mit

Erfahrung im Bereich der AM-Konstruktion, der AM-Verfahren (bspw. komplexe Bauteilen wie hybride) und in der erforderlichen Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen (bspw. vor-handener Maschinenpark zur Metallbearbeitung bei AM-Metall-verfahren).

2.4

SZENARIO 4 – IN-HOUSE AM-WERTSCHÖPFUNGSKETTE

Abbildung 5: Additive-Manufacturing-Wertschöpfungskette (Implementierungsszenario 4)

Das Sammeln und Auswerten von Erfahrungsdaten zur Optimie-rung der prozessweiten Ressourceneffizienz (bspw. geringer Ausschuss, hohe Maschinenauslastung, …) ist entlang der ge-samten Wertschöpfungskette innerhalb eines Unternehmens grundsätzlich möglich und sollte angestrebt werden.

Dieses Wertschöpfungsszenario ist dadurch gekennzeichnet, dass das produzierende Unternehmen die vollständige Verantwortlich-keit im Rahmen der Ressourceneffizienz trägt. Diese Konstellation ermöglicht die Umsetzung vollumfänglicher Lösungsansätze, die alle Wertschöpfungsphasen sowie die Ausgestaltung der Schnitt-stellen umfassen.



Post-Processing

Montage/Kunde

Intern


Fertigung

Unternehmen mit Produkthoheit (intern)

Wertschöpfungsnetzwerk (extern)

Konstruktion

ProcessingPost-Processing

Kunden-schnittstelle

Pre-Processing

Nutzung

Legende

Phasen im Lebenszyklus

im Unternehmen (grau),

bei Wertschöpfungspartnern (blau),

beim Kunden (gelb)

Konsum

Produkt

Montage

KAPITEL 3

Abbildung 6: Kernbotschaften

FAZIT

Abbildung 7: Wertschöpfungsszenario in Bezug zu den Dimensionen der Ressourceneffizienz

Die Ressourceneffizienz lässt sich mit AM in völlig unterschiedli-chen Konstellationen realisieren. Hierbei sind die eingangs darge-stellten Dimensionen Fertigung, Produkt und Konsum immer von Relevanz. Sei es die Nutzung der AM-Potenziale zur Optimierung eines Produktes (bspw. Leichtbauteil) oder die ressourceneffiziente Gestaltung ganzer bedarfsorientierter (konsumorientierter) Wert-schöpfungsketten mit integrierten digitalen Prozessen zur flexib-len Deckung des Kundenbedarfs mittels dezentralen Fertigungs-strukturen (siehe Abbildung 7). Die vier vorgestellten Wert- schöpf ungsszenarien werden dieser Bandbreite gerecht und so lassen dezidierte Schlussfolgerungen für jede Variante verglei-chen. Gleichzeitig ermöglichen die Wertschöpfungsszenarien einen stufenweisen Einstieg in die Produktion unter Nutzung von AM.

Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass die Kooperation mit AM-Dienstleistern, sei es zum Erfahrungsaufbau oder zur effizien-ten Ressourcennutzung (bspw. Maschinenauslastung) in nahezu allen der vorgestellten Konstellationen von Relevanz ist. Selbst bei einer eigenbetriebenen AM-Produktion, kann die Kooperation mit AM-Dienstleistern zur Abdeckung von Produktionsspitzen sinnvoll sein. Auf diese Weise lässt sich auch der Trend zu komplexeren Wertschöpfungsnetzwerken (Piller et al. 2015), auch nur temporär für einzelne Produkte, mit dem Ziel einer ressourceneffizienten Wertschöpfung realisieren. Letztendlich lässt sich festhalten, dass die vier Kernbotschaften (siehe Abbildung 6) nicht im Wieder-spruch zueinander stehen, sondern als gleichwertig verfolgbare Ziele anbieten.

KernbotschaftenErhöhung der Ressourceneffizienz durch Einsatz von Additive Manufacturing in der industriellen Wertschöpfung.

Externe AM-Dienstleister realisieren Skaleneffekte

Die Kombination von AM mit konventionellen Verfahren im

Post-Processing schafft Synergien

Eine eigene AM-Fertigung ermöglicht Effizienzsteigerungen in der

gesamten Wertschöpfungskette.

Die Ressourceneffizienz wird kooperativ gestaltet.

1 2

3 4


KAPITEL 4

Abbildung 8: Bezugsrahmen

ANHANG

4.1

METHODIK

Die durchgeführte Konzeptstudie basiert auf einem qualitativ ex-plorativen Forschungsdesign. Ergebnisse dieser Studien sind Im-plementierungsempfehlungen für praktische Fragestellungen, die aus explorativen Erkenntnissen in Form von Anforderungen abge-leitet und begründet werden. (Atteslander 2010, Österle et al. 2010, Kromrey et al. 2002)

Das Forschungsprojekt betrachtet die in der nachfolgenden Abbil-dung dargestellten Komponenten. Neben der fünfphasigen AM-Wert-schöpfungskette (vgl. Kapitel 2.1) werden die dazugehörigen Schnitt-stellen (vgl. Kapitel 2.1 und 2.2) näher betrachtet (vgl. Abbildung 1)

Ziel der Konzeptstudie ist die Ableitung von Handlungsempfehlun-gen basierend auf identifizierten Einflussgrößen auf die Ressour-ceneffizienz und unterschiedlichen Kernszenarien zur Implemen-tierung von AM, die in Vorarbeiten herausgearbeitet worden sind (Hiller et al. 2016). Die Einflussgrößen auf die Ressourceneffizienz und die Implementierungsszenarien stellen den Gestaltungsbe-reich der Konzeptstudie dar (vgl. Abbildung 8). Die Implementie-rungsszenarien unterscheiden sich darin, dass unterschiedliche Phasen der Wertschöpfungskette entweder intern im produzieren-den Unternehmen oder extern durch andere Wertschöpfungspart-ner realisiert werden (z.B. AM-Auftragsfertiger).

Zur Erkenntnisgewinnung wurden Experteninterviews in industriel-len Unternehmen geführt (in Anlehnung an Atteslander 2010). Die Befragten sind AM-Experten aus den Bereichen Produktion, Pro-duktentwicklung der gesamten Wertschöpfungskette und sie kön-nen unterschiedlichen Industriesektoren zugeordnet werden. Sie verfügen über vielfältige Erfahrung mit AM und nehmen in ihren

Unternehmen überwiegend Führungsaufgaben im fokussierten Bereich wahr. Die Ergebnisse wurden im Rahmen eines evaluie-renden Gesprächs mit einem unabhängigen Experten einer lan-deseigenen Technologie- und Innovationsberatung geführt. Hier-bei wurden die gewonnenen Ergebnisse präsentiert und evaluiert.

4.2

EINFLUSSGRÖSSEN AUS DER LITERATUR

Ausgangsmaterial Materialeffizienz

Herstellung der Rohmaterialien Material (Art des Materials)

Materialverbrauch

Emissionen / Abfall Prozesseffizienz i.S.d. Logistik

Abfallentstehung Emissionen in der Fertigung (flüssig, gas-förmig, energetisch) Emissionen im Produktlebenszyklus (flüssig, gasförmig, energetisch)

Dezentralisierungsgrad der Produktion Struktur der Supply Chain Verbrauchseffizienz in der Logistik Digitalisierung von Prozessen

Verbrauchseffizienz in der Produktion Prozesseffizienz i.S.d. PEP

Prozessenergie / Energieaufwand im AM-Fertigungsvorgang (Laser, Aufheizen, Gasdruck, …) Energieaufwand im Fertigungsprozess (Sicherstellung bestimmter Umgebungsbedingungen) Verbrauch von Hilfs- und Betriebsmitteln (Schutzgas, …)

Grundlegende Prozesseffizienz (Ausschuss / Produktionsmenge / Maschinenauslastung / Produktionszeiten / Bauraumnutzung) Aufwand zur Qualitätssicherung Komplexität der Bauteilherstellung Automatisierungsgrad der Produktionsprozesse Digitalisierung von Prozessen Standardisierung Investitionsgüter (AM-Maschinen) Aufwand zur Vorbereitung (Pre-Processing)* Aufwand zur Nachbearbeitung (Post-Processing)*

Produktnutzen Recyclingfähigkeit

Produktnutzungsdauer (Komplexität der Wartung, Ersatzteilverfügbarkeit) Verbrauchseffizienz in der Nutzung (Energieeinsparungen / -verbrauch) Nutzungseffizienz (Funktionsverbesserung eines Produktes)

Nicht-recycelbarer Abfall Recycelbarer Abfall Recycling des Endprodukts Recycling des Materials Recycling des Produkts

* N

ach

Befr

agun

gen

ergä

nzt.

Vgl. Baumers et al. 2011, Bourell et al. 2009, Bühner 2013, Burkhard und Aurich 2015, Despeisse und Ford 2015, Despeisse und Ford 2016, Faludi et al. 2014, Faludi et al. 2015, Fastermann 2014, Freitas et al. 2016, Gebler et al. 2014, Hao et al. 2010, Johannknecht und Lippert 2016, Joshi und Sheikh 2015, Kair und Sofos 2014, Kamali-Sarvestani et al. 2015, Mani et al. 2014, Muthu und Savalani 2016, Petrick und Simpson 2013, Petschow et al. 2014, Sreenivasan et al. 2010, Verma und Rai 2017, Wigan 2014.

Tabelle 1:Variablen zur Ressourceneffizienz im Additive Manufacturing



Post-Processing

Montage/Kunde

Einflussgrößen der RessourceneffizienzAusprägung der

Implementierungsszenarien

Produkt Fertigung Konsum Intern Extern

Handlungsempfehlungen

Abhängigkeiten

Betr

acht

ungs

bere

ich

Ges

talt

ungs

bere

ich


LITERATUR

Atteslander, P. (2010), Methoden der empirischen Sozialforschung, 13. Aufl., Berlin 2010.

Baumers, M., Tuck, C., Bourell, D. L., Sreenivasan, R. und Hague, R. (2011), Sustainability of additive manufacturing: measuring the energy consumption of the laser sintering, in: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 225, 12, 2011, S. 2228-2239.

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Wigan, M. R. (2014), Transport Replacement and Sustainability aspects associated with Additive manufacturing, SelectedWorks/mwigan, 2014.

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Die Inhalte dieser Studie wurden im Förderprojekt Ressourceneffizienz durch Additive Manufacturing in KMU erarbeitet. Das Projekt wurde vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg gefördert.

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ADDITIVE MANUFACTURING IM LEICHTBAU · Das Projekt wurde vom Ministerium für Umwelt, Klima und...

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