AM als Wertschöpfungstreiber für Entwicklung, Produktion ...€¦ · Kunststoff 3D-Druck für...

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Prof. Dr. Mirko Meboldt

Produktentwicklung und Konstruktion, ETH Zürich

22.06.1017 1

AM als Wertschöpfungstreiber für

Entwicklung, Produktion und Services

Mirko Meboldt

|| 22.06.1017Mirko Meboldt 2

Quelle: https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing


Exponentieller Fortschritt auch im Maschinenbau!

Stereolithographie, der Beginn des 3D-Drucks (Patent 1986)

Drucker bis 2013

100’000 – 500’000 CHF

Drucker 2013

2’000 – 5’000 CHF

Drucker 2017

99 CHF (2.3 Mio $ Kickstarter campaign in 2016)

Quelle: 3D Systems Quelle: Formlabs Quelle: Ono 3D

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http://uk.businessinsider.com/car-3d-printing-local-motors-strati-2015-

2?r=US&IR=T

http://uk.businessinsider.com/car-3d-printing-local-motors-strati-2015-2?r=US&IR=T22.06.1017Mirko Meboldt 4

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Prototypen

nur für die Entwicklung

interne Anforderungen

Einzel- und Kleinserie

Endkundenteile

Funktionserfüllung für Kunden

Lebensdauerauslegung

Serienfertigung

Neu ist der Einsatzzweck, nicht die Verfahren

22.06.1017

Quelle: Concept Laser / Robert Hofmann Werkzeugbau

Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium – Bild: Volkswagen AG

Quelle: ETH spinoff Alstom Inspection Robotics

6Mirko Meboldt

Fundamentaler

Unterschied in

der Konstruktion

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?

Ziel: Etablierung der AM Technologie für Serien- und Endkundeteile

22.06.1017 7

Forschungsschwerpunkt Serien- und Endkundeteile

Wie wird AM-Potenzial identifiziert?

Erstellung von Business Cases in frühen Phasen

Wann und Wie erfolgt die Entscheidung für AM?

AM im Unternehmen und Entwicklungsprozess

Wie werden Ingenieure im Design for AM unterstützt?

Spezifische Design-Werkzeuge und -Methoden

Mirko Meboldt

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Das Verfahren hat:

Viele Vorteile...

Viele Nachteile: Kosten,

Toleranzen,

Oberflächenqualität.

Bei der Herstellung von

additiv gefertigten

Endkundenteilen steht

man noch am Anfang.

22.06.1017 8

Selective Laser Melting (SLM)

Mirko Meboldt

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Hohe Materialkosten

Hohe Maschinenkosten

langsamer Prozess

schlecht Oberflächenqualität

große Toleranzen

Nachbearbeitungskosten

Man kann Bauteile nicht kopieren,

man muss die Gestalt ausgehend von der Funktion

und Lebenszyklus ganzheitlich neu denken!

Herausforderung:

Der Mehrwert muss den Preis legitimieren!

22.06.1017

http://www.inspection-robotics.com

9Mirko Meboldt


Einführung der Technologie heißt vor allem Veränderung!

Gegner

>35%

Skeptiker

30%

Promotoren

<5%

Bremser

30%

Einschätzung

des Technologiepotential

Pers

önlic

he

Ausw

irkung

Vorteile

Nachteile

hochniedrig

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Einstieg in additive FertigungDie Reise beginnt mit dem Kommittent des Managements zu einem Pilotprojekt!

MANAGEMENT

COMMITMENT

1

2

AM

ROADMAP

LEARN

LEARN

LEARN

KNOW-HOW

PARTNER

ERSTE AM

BAUTEIL

PILOT

PROJEKTUMSETZEN

BUSINESS

CASE

GO

WAIT

NO-GO

22.06.1017Mirko Meboldt

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Die Einführung von AM ist ein Lernprozess Klein anfangen und schrittweise die Komplexität erhöhen


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AM Potenziale entlang Wertschöpfungskette

Bridge Manufacturing:

Gain fast market access for low volume

series without investing in costly tools

and moulds

Jigs and Fixtures:

Increase labour efficiency and

ergonomics in production and

operations

Sprint Innovation & Prototyping

Agile and test driven product

development

Better Products:

Achieve lighter or functionally

integrated products that are more

valuable for customers

Individualised Products:Tailored products that meet individual

needs of customers

Cost-effective, fast or flexible

Supply Chain: On-demand and on-location

manufacturing in lot-size 1

Manufacturing

(in-house &

outsourced)

Marketing, Sales and

Distribution

Aftersales

Product development

12

34

5 6

Source: additively.com

0AM Enablers

Mirko Meboldt

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Component Selection

Selection

Prioritizat ion

Skim-off

Small plastic wearable component, Customer-oriented customization

22.06.1017 14Mirko Meboldt

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Buy Standard Part

Storage Standard Part

Set-up Milling Machine

Mill Delivery

Today Process

Lot Size 5-20 parts

Variable Cost per Part 5-10 CHF

Fix Cost per Part 20-70 CHF

Total Cost per Part 30-100 CHF

~1-2 Weeks


Customer Order

||

Material Volume Cost Distribution across Lug Variants

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

0

10

20

30

40

50

60

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 5 5.25 5.5 5.75 6 6.25 6.5

Num

ber

of vari

an

ts

Total cost distribution [Fr./cm^3]% cumulated

Replace with AMNot replace

with AM

?

Produce variants where AM cost per volume is lower than before

AM – break even point


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On-line order form

Outsourced AM Manufacturing

Supply

Future Process

Lot Size 12 Parts (not the same)

Variable Cost per Part 12-16 CHF

Fix Cost per Part 2-5 CHF (Order)

Total Cost per Part 14-21 CHF

~2-3 Days



Macht es Sinn dieses Bauteil in SLM zu produzieren?

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Eigenschaften:

Individuelles Bauteil („Formatteil“)

Manuelle Anpassungen (vor Ort)

Lange Beschaffungszeiten

22.06.1017Mirko Meboldt 19

Der „Stössel“ als ideales Beispielteil: Funktion

Format:

„Formatteile“:

„Stössel“:

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Kunststoff 3D-Druck für erleichtertes und

präziseres Anpassen von Hand.

3D-Scanning der Freiformflächen zur

Speicherung der individuellen Form.

Metall 3D-Druck für schnellere Verfügbarkeit.

Automatisierung des Bestellprozesses,

vereinfacht durch die digitale Beschaffung.


Der „Stössel“ als ideales Beispielteil: AM Anwendungen

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Erkenntnisse Konsequenzen


Empfehlungen für Bosch: Weiteres Vorgehen

AM ≫ neuer Fertigungsprozess1

Durchgängigkeit ist wichtig2

Neue Technologie braucht Akzeptanz im

Unternehmen3

“Formatteile“ langsam auf AM umstellen;

Scannen als „Prophylaxe“ anbieten4

Nicht nur in Bauteilen, sondern auch in

Business-Prozessen denken→

Interdisziplinäre AM-Task-Force bilden→

Umdenken bei der Belegschaft fördern:

Workshops und Info-Veranstaltungen→

Kunden an AM gewöhnen, Feedback

erhalten (KVP)→

22.06.1017Mirko Meboldt23

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Ausgangsbauteil

Funktion: Anbindung von Kabinen an primäre Flugzeugstruktur im Airbus

A380

Spezifikation: 200 x 175 x 150 mm, Fload = 10700 N, TiAl6V4 mittels SLM

Konstruktionsvorgehen: Topologieoptimierung + bionische Struktur

CCRC1 Bracket (1)

1 – Cabin Crew Rest Compartment

1. AM-Iteration

(2008, Klahn)

Fload


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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


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Die Schlüsselfrage

Wertschöpfung mit Industrie 4.0 und

Additiver Fertigung?

Eine Frage der richtigen Anwendung?

Sie verändert wie wir arbeiten:

neue Methoden und Prozess

z. B. agile Engineering

Sie verändert die Produkte und

Wertschöpfungsmodelle

Wie gelingt der Einstieg mit einem optimalen

Verhältnis von Aufwand/Nutzen?


Die Digitale Transformation hat fundamentale Auswirkungen

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Design

Wic

htige

Meile

nste

ine

Konzept-

entscheid

WettkampfKonzept Implement

Abnahmetest

Gesamtsystem

KW 924-26 Feb

Design-

Freeze

Qualifikation

Finale

Wic

htige

Arb

eitserg

ebnis

se

Use Case

Low-Fidelity

Prototype

Laser Cutter

Bauteile

Getestete

Baugruppen

Getesteter

Prototyp

KW 103-5 März

KW 1110-12 März

KW 1324-26 März

KW 1721-23 April

KW 1928-30 April

KW 2119-21 Mai

KW 2227 Mai

KW 1217-19 März

KW 1614-16 April

Start

Warm-up

Klassischer Entwicklungsprozess von 2013 bis 2015

Sequenzieller Stage Gate Entwicklungsprozess: Erfolgsquote 35%

Mirko Meboldt 22.06.1017 34

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Warum funktionier Agile

Softwareentwicklung?

Produktion:

Kostengünstig und schnell

Testing:

Standardisiert über mehre Instanzen:

Unit, Integration, Regression, Stress-test.

Wo liegt die Herausforderung beim agilen

engineering?

Produktion:

Teuer und zeitaufwendig

Testing:

Sehr individuell, wenige standardisiert und

extrem aufwendig z. B. Ermüdung und

Herstellungskosten

Der Schlüssel sind

Advanced Prototyping/Manufacturing

Software/Hardware in the Loop Validierung

Vernetzung und Digitalisierung


Die Entwicklung wird Agil!

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2016 agiler test getrieben Entwicklungsprozess

Team Use

Case

Sprint 3Sprint 2Sprint 1 Sprint 4 Abnahme Qualifikation Finale

KW 9 KW 10 KW12 KW15 KW17 KW19 KW 21 KW 22KW 20

Wic

htige

Arb

eitserg

ebn

isse

initialize develop & deliver finalize

Mirko Meboldt

Sprintbasierte Entwicklung: Erfolgsquote 70%

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Ziel des Projekts:

Erster Prototyp eines AM-Bauteils

in 6-9 Monaten

Erfahrungen sammeln

Multiplikatoren schulen

Ansatz:

Multidisziplinäre Teams

Abteilungsübergreifend

Involvierung des Senior

Managements

Fokus auf Bauteile:

Klein, geringes Volumen

Standard AM-Werkstoffe

Technisch anspruchsvoll

Fokus auf Nutzen:

Quantifizierbarer Nutzen

Ganzheitliche Betrachtung

Nutzen der 2. und 3. Ordnung

ausweisen

Der Weg zum ersten AM-Serienbauteil:

Ein typisches Projekt


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Fazit Additive Fertigung :

Mirko Meboldt

Zitat: Oscar Wilde

Die Herausforderung ist es, den richtigen Einstieg zu finden.

Lernkurve: Implementierung von AM in der Serienproduktions ist ein Lernprozess

Iterative Projekte mit steigender Komplexität, steigendem Nutzen

Agile Projekte: Das Potential wird oft erst im Projekt erkannt und verstanden

Kurze Laufzeiten mit klaren Zielen

Umdenken: Die größte Barriere sind etablierte Denkweisen

Externe Kooperationen und erfolgreiche Beispiel ebnen den Weg

Zukunft gehört denen, die die Möglichkeit erkennen,

bevor sie offensichtlich wird

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