Wir können jetzt um die Ecke bohren! Oder: Interdependenzen hoch drei.

Warum sich Experten der 3D-Druck-Community seit Jahren die Zähne daran ausbeißen, universelle Kostenformeln aufzustellen, mit denen Betriebswirte arbeiten können – und wie man dennoch professionell kalkulieren kann.

Ein ursprünglich für 3YOURMIND erarbeiteter, hier stark gekürzter, Fachartikel zur Kostenkalkulation im industriellen 3D-Druck.

Die Situation

Möglichst genaue und möglichst leicht vergleichbare Kostenschätzungen: AM-Dienstleister brauchen sie, um ihren Kunden verbindliche Preise anbieten zu können. Herstellende Unternehmen brauchen sie, um zwischen zwei Szenarien abzuwägen: Ist es mittelfristig lukrativer, additive Fertigung (AM) von einem Dienstleister einzukaufen (Buy-Scenario), oder drucke ich mir meine Bauteile selbst (Make-Scenario)?

In der heißen Phase der Digitalen Transformation, die wir jetzt erleben (und selbst ausgestalten, können, müssen) hängen solche Erwägungen bekanntlich vom Überleben ganzer Konzerne ab. Immer häufiger rufen uns deshalb Entscheider gestandener Technologie-Unternehmen an, die händeringend nach Business- und Use Cases für Additive Fertigungsverfahren suchen, denn: 

“Wir wissen, dass da gerade ein Zug abfährt. Und den wollen wir nicht ohne uns abfahren lassen.”

(O-Ton eines Managers der Salzgitter Mannesmann Forschung)

Wie draufspringen?! 

In der Regel sind Ideen bald gefunden, und die guten Beispiele, die uns Schunk, Henkel, DB-Schenker und Co. vorleben, machen Schule. Wenn das also geklärt ist, fangen die zuständigen Ingenieure und  BWLer an, mit allerhand Variablen, Zahlen, Werten zu jonglieren. Mindestens drei Hindernisse stehen dabei zwischen ihnen und dem Erfolg: 

⦁ Erstens werden oftmals die disruptiven Dimensionen der AM-Technologie unterschätzt.
⦁ Zweitens ist diese Technologie noch viel zu jung, um sich auf empirische Daten und/oder Statistiken verlassen zu können.
⦁ Drittens ist das Netzwerk dieser Technologie noch viel zu weitmaschig und viel zu unstrukturiert, als dass man zuverlässig auf Lösungen zugreifen könnte, die womöglich bereits irgendwo zur Verfügung stehen. 

Oftmals werden deshalb “sogenannte” Experten angeheuert, deren Expertise mangels verlässlicher Zertifizierungen nur schwer einzuschätzen ist, und die zu einem nicht unerheblichen Teil noch im Trüben fischen, obwohl sie bereits eine ganze Weile an vorderster Front der neuen AM-Szene mitmischen.

Abb.1: Beispiel für eine gelungene Kollaboration zweier Global Players (GM and Autodesk): Generatives Design gepaart mit additiver Fertigung. Eine Sitzhalterung für die Luft- und Raumfahrtindustrie vorher (links: 8 Komponenten) und nachher (rechts: 1 Teil, 40% leichter und 20% stabiler).

II. Die Problematik

Mühsam ernährt sich das Eichhörnchen

Zig Kostenfaktoren verbünden sich mit Hunderten potenzieller Druckparameter zu Tausenden und Zehntausenden unberechenbarer Interdependenzen. 

An allen Ecken und Kanten dieses monströsen Gebildes arbeiten Informatiker und Ingenieure auf der ganzen Welt fieberhaft an Einzel- und Nischenlösungen, um diese unmenschlich vielen Optionen, die heute noch weitgehend manuell (nämlich per „trial-and-error“) bewertet werden müssen, durch Automationen zu ersetzen. Automationen, die bspw. auf Erkenntnissen von Simulationen und Geometrie-Analysen beruhen.

Infobox: Mit der dritten Dimension der Drucktechnik kommt ein dritter Multiplikator (Exponent 3) ins Spiel, der die Erfassung und Darstellung der Interdependenzen sämtlicher Parameter und Faktoren erheblich kompliziert. 

Infobox: Eine Herausforderung besteht in der Bewertung von schritt- und verfahrensübergreifenden Interdependenzen. So könnte es sich unter dem Strich bspw. durchaus lohnen, ein gröberes, günstigeres Fertigungsverfahren zu wählen und dafür einen höheren Post-Processing-Aufwand in Kauf zu nehmen (siehe GEFERTECs additive Fertigung “endkonturnaher Rohlinge”). 

Prämissen 

Fest steht: Wir leben in einer extrem schnelllebigen Zeit. Niemand weiß, welche neue Technologie in drei Jahren zur Verfügung steht und welche von den heutigen Innovationen dann womöglich schon wieder veraltet sind. Somit ist das Risiko der Anschaffung teurer Anlagen so gut wie nicht einzuschätzen, und wird hier deshalb ebenfalls vernachlässigt. Dennoch macht es aus unserer Sicht Sinn, die zu Buche schlagenden Abschreibungsfristen entsprechend anzupassen.

Fest steht: Je verlässlicher die Kostenkalkulation ausfallen soll, desto notwendiger ist die klare Unterteilung von Einzelschritten und deren Zuordnung.

“By any means it is not possible to predict the yearly working hours for a machine. As the machine investment cost is by far the biggest factor in the cost of a part, the utilization rate should be very accurate.”

Heidi Piili et al., 2015, in: “Cost Estimation of Laser Additive Manufacturing of Stainless Steel”

Die Variablen

Die wichtigsten Kostentreiber eines AM-Prozesses

1. Leistungskriterien des Initiators

Mit “Leistungskriterien” sind die Qualitätsansprüche gemeint, die der jeweilige Konstrukteur, Auftraggeber bzw. Initiator eines AM-Prozesses an sein Bauteil bindet und im ersten Schritt definieren sollte. In einem zweiten oder ggf. sogar dritten Schritt werden die Auswahlmöglichkeiten idealerweise immer geringer – und AM-spezifischer.

Die hier gelisteten Kostenfaktoren können also noch direkt vom Auftraggeber beeinflusst werden, und im idealen Fall erhält er hier bereits Hinweise, ob die Kosten je nach Veränderung der Leistungskriterien zu- oder abnehmen. 

Bestimmte hier vorgenommene Vorgaben können andere Möglichkeiten von vornherein (komplett oder bedingt) ausschließen:

⦁ Falls der Auftraggeber (Kunde) z.B die Orientierung vorgibt, schließt dies natürlich die Freiheit der Orientierung im Build-Prozess aus, schränkt also auch die Optimierung des Packing-Ratios (Nesting) ein.
⦁ Falls etwa ein bestimmtes Material aus irgendwelchen Gründen festgelegt wird.
⦁ Falls hohe Dringlichkeit besteht. 
⦁ etc.

Dazu drei konkrete Beispiele:

⦁ Die Vorgabe einer bestimmten Bauteil-Höhe (Z-Höhe) bzw. eines Bauteil-Volumens schränkt ggf. die Auswahl des 3D-Druckers ein. Insofern besteht hier eine ganz simple und offensichtliche Interdependenz zwischen Größe des Bauteils einerseits und AM-Verfahren andererseits.

⦁ Falls das Bauteil eine bestimmte Härte und/oder Festigkeit aufweisen muss, kommen natürlich nur bestimmte Materialien in Frage – und damit wiederum nur bestimmte 3D-Druck-Maschinen. Ersteres liegt idR von Anfang an fest. Dennoch kann es mit zunehmender Entwicklung neuer geeigneter Roh- und Werkstoffe vorkommen, dass ein Material adäquat wäre, welches der Auftraggeber Mangels Kenntnis gar nicht in Betracht gezogen hatte.

⦁ Zugleich kann es sein, dass die Qualität des zu fertigenden Bauteils nur in einer bestimmten Druck-Ausrichtung (“Orientierung”) gewährleistet ist. Dies wiederum schränkt die “Freiheit der Orientierung” beim so genannten “Nesting” (auch “Packing-Ratio”) ein, also die Art und Weise, wie mehrere Komponenten innerhalb eines Bauraums angeordnet werden können, um einen möglichst hohen Auslastungsgrad zu erzielen. Des Weiteren bringt die Veränderung der Orientierung auch eine Modifikation der (provisorischen äußeren) Stütz-/Supportstruktur mit sich, die je nach Materialpreis durchaus erheblich ins Gewicht einer Kostenschätzung fallen kann (vergleiche hierzu das Objekt “Halterung” im “Auftragsheft eines fiktiven AM-Dienstleisters”), wo aufgrund der besonderen Orientierung eine besonders aufwändige Supportstruktur anfällt.

Im Hinblick auf einen hieraus noch abzuleitenden Computeralgorithmus (bzw. AI), könnte der Auftraggeber versuchen, Bewertungen seiner einzelnen Leistungskriterien vorzunehmen. Ein Schema könnte so aussehen, dass zunächst einmal die Wichtigkeit der (vorgegebenen) Orientierung definiert wird.

In einer sehr viel komplexeren Bewertung könnten sogar Achsen-Rotations- bzw. Neigungswinkel definiert werden. Ebenso besteht eine gegenseitige Abhängigkeit zwischen den Faktoren Wandstärke, Slicing und Innen-Supportstruktur (einige AM-Maschinenhersteller bezeichnen letzteres als “Infill-Density”): Je weniger Innen-Support-Material möglich oder gewünscht ist, desto dicker muss bspw. die Wandstärke ausfallen. Diese wiederum fällt per se desto dicker aus, je offener/größer bspw. die Düse des Extruders eingestellt ist, je größer also das Slicing justiert wurde.

Schon im AM-Consumer-Markt ist hinsichtlich der Einstellung von 3D-Printern von einer “Printing-Strategie” die Rede. Zu dieser Interdependenz heißt es in einem Erklär-Video zu Ultimaker-Software Cura: “A slower print speed means thinner layer, means higher print quality”.

“The major cost driver consists mainly of machine costs (73%), as other authors have stated, followed by the material costs, which only make 12% of the total costs. The post processing process, followed with a similar amount, by the preparation process, represents the thirdlargest cost driver.”

C. Lindemann et al., 2012, in: “Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing”

Liste 1: Leistungskriterien des Initiators
Orientierung
Aspekte des Faktors “Orientierung”:
– Orientierung kann eine durch die Leistungskriterien des Initiators bedingte Notwendigkeit darstellen.
– Falls der Auftraggeber die Orientierung als unwichtig deklariert, somit also dem Ausführer des AM-Prozesses eine Um-Orientierung erlaubt, sollte ersterer sich darüber im Klaren sein, dass dies womöglich die Qualität seines Objekts beeinflusst.
– Als Kostenfaktor bestehen Interdependenzen mit/zwischen den Faktoren Bounding Box (dadurch Nesting/Packing-Ratio, dadurch Z-Höhe, dadurch Build-Time), sowie Support-Struktur (dadurch Materialverbrauch).
– Die meisten Slicing- und Printing-Softwares verfügen über Plugins oder integrierte Features, um die Orientierung eines 3D-Objekts automatisch so auszurichten, dass die geringste Stützstruktur anfällt. Aber schon bei der Berechnung mehrerer Objekte in einem Bauraum kann ohne weitere Einstellungen kein optimales Nesting gewährleistet werden.
Material-Qualität
– Sorte / Legierung
– Temperaturempfindlichkeit
– Materialempfindlichkeit
Statische Festigkeit   
Mechanische Spannungen, die bei Belastung zum Bruch führen können*: Zug-, Druck-,Biegezug-, Scher- und TorsionsfestigkeitMaterialabhängige Spannung die einer Fachl. Korrekte Def.: Verformung durch eine statisch einwirkenden Kraft entgegenwirkt. Maximale Spannung in einem Spannungs/Dehnungs- Diagramm.
Härte
Geometrie-Qualität / Auflösung:
– Detail-Feinheit
– Komplexität
– Wandstärke
Größe:
– Volumen
– Z-Höhe
Abweichungstoleranz
Wie viel Abweichung von den vorgegebenen Daten/Maßen wäre theoretisch zulässig?
Oberflächenqualität
Stückzahl / Losgröße
Laut verschiedenen Quellen (siehe Literaturliste) bestehen gewisse signifikante Schwellenwerte bzgl Metall und Plastik: Metall: Preis sinkt bis ca. 100 Stück, danach gleichbleibend Kunststoff: Preis sinkt bis ca. 500 Stück, danach gleichbleibend
Oberflächen-Beschaffenheit
Nicht nur hinsichtlich einer voraussichtlich hohen Losgröße könnte eine andere Fertigungsstrategie angebracht sein, nämlich z.B. die AM-Herstellung einer Gussform…
Post-Processing (Finishing)
Unter “Finishing” wird gelegentlich auch der letzte Schritt des eigentlichen AM-Prozesses gemeint: z.B. das Ablösen des Bauteils von der Bauplatte (etwa durch Sägen). Hier sind die vielen verschiedenen möglichen und notwendigen Techniken der Nachbereitung von additiv gefertigten Komponenten gemeint: Infiltration, Dicht-Infiltration, Wärmebehandlung, spanende Endbearbeitungstechniken, Oberflächenveredelungen wie z.B. Beschichtung (Coating), Polieren etc. Dabei  ist es natürlich mehr als ratsam, diese Möglichkeiten mit den Möglichkeiten additiver Fertigungstechniken abzugleichen.
Lieferzeit
Die Lieferzeit kann bekanntlich ein wesentlicher Kostenfaktor sein. In einem Business Case des IGF-Vorhabens zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit in der Ersatzteilversorgung durch den Einsatz von 3D-Druckverfahren heißt es dazu exemplarisch: „Durch das Laserauftragschweißen gegenüber konventioneller Fertigung, dauert die Produktion des Biegedornhalters 6h. Bislang lag die Produktionszeit bei 12 Tagen. Die Kosten erhöhen sich von rund 300EUR konventionell auf rund 750EUR additiv. Da die Biegedornhalter in der laufenden Produktion, bei einem Ausfall sehr hohe Kosten verursachen, werden diese Mehrkosten von den Kunden wohlwollend getragen und führen zu einer Gewinnsteigerung von 700% je Bauteil.
Preislimit
Ergebnis darf einen bestimmten Preis nicht überschreiten.
Abb. 4: Nesting at it’s best. Zwei schöne Beispiele für die Ausnutzung des Bauraums. Image Sources: links: 3D Metal Printing Magazine und Grafik rechts: HP (Software Smart Stream).
Liste 2: Kostenkriterien/Kostenfaktoren des Ausführers
Material:
– Marktpreis
– Lagerkosten
– Verfügbarkeit
– Grad des unterstützten AM-Auftrag-Winkels
Materialverbrauch
Personalkosten
Recycling-Koeffizient (aus:
– Materialkosten
– durchschnittliche Recyclingrate
– Entsorgungskosten nicht recyclingfähiger Reste)
Anlage-Betriebskosten
Druck-Geschwindigkeit / Processing-Speed per Layer
Bauzeit
Slicing / Schichtdicke / Auflösung
Orientierung
Verfahrensbedingte Nebenzeiten
– Initiierung/Konfiguration der Maschine
– Einrüstzeit
– Ausrüstzeit (inkl. Bauteil-Entnahme)
Abkühlungszeit
Anlage-Instandhaltungskosten
Anlage-Anschaffungskosten
– Abschreibung
– sonstige BWL-Faktoren
Nesting Alternative Begriffe:
Packing-Ratio, Auslastungsgrad, Build Volume Packing, Load-Faktor, Degree of Build Volume Utilisation…
Abstand zwischen den Teilen
Z-Höhe
Support-Struktur außen (als Provisorium)
Support-Struktur innen (“Infill”) / Dichte
Support-Material
Muss für die Stützstruktur derselbe Werkstoff genommen werden wie für das Bauteil oder habe ich die Möglichkeit, auf ein günstigeres Material zurückzugreifen?
Abstand von Druckplatte
Ausfallzeit / Ausschussquote / Fehlfunktionen
Wird z.Zt. (2018) mit durchschnittlich ca. 37%-igen Zusatzkosten beziffert, muss also am Ende mit Faktor 1,37 multipliziert werden. Siehe u.a. Baumers et al.: The economics of 3D Printing: A total cost perspective.
Post-Processing (Finishing)
– Infiltration / Dicht-Infiltration
– Wärmebehandlung
– Spanende Endbearbeitungstechniken
– Oberflächenveredelung / Beschichtung (Coating) / Polieren
Qualitätsprüfung
Ggf. notwendige Zertifizierungen

IV. Die Lösung

Neben einigen wenigen Teil-Lösungsansätzen zur (automatisierten) Kosten-Berechnung von AM-Prozessen bzw. zur Organisation von AM-Prozess-Interdependenzen existiert derzeit kein einziges vollständiges und praktikables Konzept – auch nicht jenes Pricing-Konzept von 3YOURMIND-Gründer Stefan Kühr, das ich im Rahmen meiner Tätigkeit als 3YOURMIND-Pressereferent als ein solches zu verkaufen versuchte ;-).

Prämissen

Fest steht: Die Nachfrage nach AM-Gütern ist (im Sinne der klassischen Losformel) bis auf weiteres “dynamisch”. Dies bedingt auch eine gewisse Dynamik der Kosten und rechtfertigt dynamische bzw. marktorientierte Preiskonzepte – umso mehr, da “Dynamic Pricing” eine wesentliche Ausprägung der Digitalen Transformation darstellt. Auf diesen dynamischen (bzw. elastischen) Aspekt gehen wir hier nur bedingt ein, um das Kostenmodell nicht unnötig zu komplizieren.

Fest steht: Zuerst kommt die Kalkulation der Kosten, dann der Preis (der hauptsächlich Dienstleister betrifft). Und: alles, was für den Preis gilt, gilt auch für die Kosten, aber nicht umgekehrt. Deshalb beschäftigen wir uns hier mit den Kosten. Der Faktor “Preis” taucht hier zunächst lediglich als Leistungskriterium des Auftraggebers auf.

Infobox: Der auf AM-Simulationen spezialisierten Additive Works GmbH ist es mit ihrem Amphyon-Modul offenbar gelungen, Zusammenhänge zwischen den Faktoren Build Time, Support Volume, Post Processing und Deformation abzubilden. Dies ermöglicht angeblich eine automatisierte „First-Time-Right“-Generierung von Stützstrukturen beim Laserstrahlschmelzen.

Infobox: Um die wichtigsten Faktoren unterschiedlicher AM-Prozesse zu berücksichtigen und trotzdem den Überblick zu behalten, sowie den AM-Prozess weitgehend automatisiert durchführen zu können, erarbeitete Stephan Kühr (CEO von  3YOURMIND) einen stark vereinfachenden und dadurch sehr übersichtlichen Lösungsansatz.


Konklusion

Dieses Whitepaper zeigt auf, dass der „typische“ AM-Prozess mit mindestens zweierlei Maß gemessen werden muss: einem quantitativen und einem qualitativen. Anders ausgedrückt: Das Aufwand-Nutzen-Verhältnis additiver Fertigung kann nicht in unmittelbar erfassbaren, “statischen” Zahlen ausgedrückt (quantifiziert) werden, ohne zugleich auch jene Dynamiken und Umstände zu berücksichtigen, die sich einer solch kurzfristigen betriebswirtschaftlichen Bewertung entziehen.

Quantitative Messlatten zur Bewertung von additiver Fertigung

⦁ Der Innovationsbegeisterte neigt dazu, weniger Variablen zu berücksichtigen als angemessen wäre. Klar: die neue, revolutionäre Fertigungsmethode möchte gepusht, gefeiert, gefördert, schnell weiterentwickelt werden. Das war immer so mit weltbewegenden Industrieerrungenschaften, und da hat sich die Methode der Vereinfachung, des Herunterspielens komplizierter Tatsachen meistens bewährt. 

⦁ Der Profitbegeisterte möchte andererseits auf Nummer Sicher gehen und alle Faktoren in seine Produktionsfunktion einbeziehen. NOCH sind wir allerdings nicht in der Lage, einen Algorithmus zu programmieren, der sämtliche Interdependenzen, die sich aus sämtlichen relevanten Parametern eines AM-Prozesses ergeben, sinnvoll berechnet. Aber die Zeit wird kommen, da dies möglich sein wird. Das ist so sicher wie die Samstagsschlange bei IKEA. Es wird die Zeit sein, wenn sich die Aufregungen gelegt haben, wenn alle Möglichkeiten ausgelotet sind, wenn sich das Neue Agile Cybermanufacturing etabliert hat…

⦁ Eine Hybridlösung, wie sie Stephan Kühr erarbeitete, ist zum gegenwärtigen Stand der AM-Entwicklung eindeutig die beste Lösung, denn es nützt ja nichts, angesichts der schieren Unmöglichkeit einer objektiv alles implizirienden Universallösung den Kopf in den Sand zu stecken und/oder sich heillos in endlosen mathematischen Logarithmen und Algorithmen zu verheddern…

Die qualitative Messlatte

⦁ Die Illusion des “typischen“ AM-Prozesses: Der Losgrößen- bzw. Stückzahl-Breakeven beim Vergleich konventioneller und additiver Fertigungsprozesse verschiebt sich laufend. Noch 2012 bezifferten Atzeni & Salmi in einem (damals überzeugenden) Vergleich die Stückzahl, bis zu der die additive Technik günstiger ist als die Herstellung mit dem HPDC-Spritzguss-Verfahren (High Pressure Die Casting)  auf 42. Dabei verkannten sie mit ihrem horizontalen Graphen, dass bspw. die Kosten dieses (damals neuen Verfahrens durchaus nicht exakt gleichbleibend sind (wie mehrere hier genannte Autoren nachwiesen). Außerdem zeigt die Entwicklung der AM-Technologie auch in diesem Zusammenhang neue Chancen und Möglichkeiten auf. Längst werden wesentlich höhere Stückzahlen als „lohnend“ bewertet…

⦁ Der Lerneffekt: Dass die Beschäftigung mit einer neuen Maschine Zeit kostet, also Kosten verursacht, ist jedem klar. Umso mehr das Erlernen einer neuer Technologie. Wie hoch der Nutzen dieser Wissensaneignung bewertet wird, wie viel als die Mitarbeiterqualifikation bzw. die Qualifikation eines ganzen Unternehmens kosten darf, muss jede Geschäftsführung für sich selbst definieren.

⦁ Der Verspieltheitsbonus: Ein damit zusammenhängender aber durchaus weiter fassender und somit nicht zu unterschätzender Gesichtspunkt bei der Bemessung des Wertes von additiver Fertigung ist der Aspekt des Innovations- bzw. F&E-Potenzials. Wer mit einer neuen Erfindung spielt, ist meistens auch von Neugier getrieben – oder von Erfindungsgeist beseelt…

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