- Die Situation<\/a><\/li>
- Die Problematik<\/a><\/li>
- Pr\u00e4missen<\/a><\/li>
- Die Variablen<\/a><\/li>
- Die L\u00f6sung<\/a><\/li>
- Konklusion<\/a><\/li><\/ul>\n\n\n\n
Die Situation<\/h3>\n\n\n\n
M\u00f6glichst genaue und m\u00f6glichst leicht vergleichbare Kostensch\u00e4tzungen: AM-Dienstleister brauchen sie, um ihren Kunden verbindliche Preise anbieten zu k\u00f6nnen. Herstellende Unternehmen brauchen sie, um zwischen zwei Szenarien abzuw\u00e4gen: Ist es mittelfristig lukrativer, additive Fertigung (AM) von einem Dienstleister einzukaufen (Buy-Scenario), oder drucke ich mir meine Bauteile selbst (Make-Scenario)?<\/p>\n\n\n\n
In der hei\u00dfen Phase der Digitalen Transformation<\/strong>, die wir jetzt erleben (und selbst ausgestalten, k\u00f6nnen, m\u00fcssen) h\u00e4ngen solche Erw\u00e4gungen bekanntlich vom \u00dcberleben ganzer Konzerne ab. Immer h\u00e4ufiger rufen uns deshalb Entscheider gestandener Technologie-Unternehmen an, die h\u00e4nderingend nach Business- und Use Cases f\u00fcr Additive Fertigungsverfahren suchen, denn: <\/p>\n\n\n\n
\u201cWir wissen, dass da gerade ein Zug abf\u00e4hrt. Und den wollen wir nicht ohne uns abfahren lassen.\u201d <\/p>(O-Ton eines Managers der Salzgitter Mannesmann Forschung)<\/em><\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n
Wie draufspringen?! <\/p>\n\n\n\n
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 gekl\u00e4rt ist, fangen die zust\u00e4ndigen Ingenieure und BWLer an, mit allerhand Variablen, Zahlen, Werten zu jonglieren. Mindestens drei Hindernisse stehen dabei zwischen ihnen und dem Erfolg: <\/p>\n\n\n\n
\u2981 Erstens werden oftmals die disruptiven Dimensionen der AM-Technologie untersch\u00e4tzt.
\u2981 Zweitens ist diese Technologie noch viel zu jung, um sich auf empirische Daten und\/oder Statistiken verlassen zu k\u00f6nnen.
\u2981 Drittens ist das Netzwerk dieser Technologie noch viel zu weitmaschig und viel zu unstrukturiert, als dass man zuverl\u00e4ssig auf L\u00f6sungen zugreifen k\u00f6nnte, die wom\u00f6glich bereits irgendwo zur Verf\u00fcgung stehen. <\/p>\n\n\n\nOftmals werden deshalb \u201csogenannte\u201d Experten angeheuert, deren Expertise mangels verl\u00e4sslicher Zertifizierungen nur schwer einzusch\u00e4tzen ist, und die zu einem nicht unerheblichen Teil noch im Tr\u00fcben fischen, obwohl sie bereits eine ganze Weile an vorderster Front der neuen AM-Szene mitmischen.<\/p>\n\n\n\n
![\"\"](\"http:\/\/frankjankowski.de\/wp_textblog\/wp-content\/uploads\/2020\/04\/AM_Kollaboration-1024x594.jpg\")
Abb.1: Beispiel f\u00fcr eine gelungene Kollaboration zweier Global Players (GM and Autodesk): Generatives Design gepaart mit additiver Fertigung. Eine Sitzhalterung f\u00fcr die Luft- und Raumfahrtindustrie vorher (links: 8 Komponenten) und nachher (rechts: 1 Teil, 40% leichter und 20% stabiler).<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n II. Die Problematik<\/h3>\n\n\n\n
M\u00fchsam ern\u00e4hrt sich das Eichh\u00f6rnchen <\/strong><\/p>\n\n\n\n
Zig Kostenfaktoren verb\u00fcnden sich mit Hunderten potenzieller Druckparameter zu Tausenden und Zehntausenden unberechenbarer Interdependenzen. <\/p>\n\n\n\n
An allen Ecken und Kanten dieses monstr\u00f6sen Gebildes arbeiten Informatiker und Ingenieure auf der ganzen Welt fieberhaft an Einzel- und Nischenl\u00f6sungen, um diese unmenschlich vielen Optionen, die heute noch weitgehend manuell (n\u00e4mlich per \u201etrial-and-error\u201c) bewertet werden m\u00fcssen, durch Automationen zu ersetzen. Automationen, die bspw. auf Erkenntnissen von Simulationen und Geometrie-Analysen beruhen.<\/p>\n\n\n\n
Infobox: Mit der dritten Dimension der Drucktechnik kommt ein dritter Multiplikator (Exponent 3) ins Spiel, der die Erfassung und Darstellung der Interdependenzen <\/strong>s\u00e4mtlicher Parameter und Faktoren erheblich kompliziert. <\/p>\n\n\n\n
Infobox: Eine Herausforderung besteht in der Bewertung von schritt- und verfahrens\u00fcbergreifenden Interdependenzen. So k\u00f6nnte es sich unter dem Strich bspw. durchaus lohnen, ein gr\u00f6beres, g\u00fcnstigeres Fertigungsverfahren zu w\u00e4hlen und daf\u00fcr einen h\u00f6heren Post-Processing-Aufwand in Kauf zu nehmen (siehe GEFERTECs additive Fertigung \u201cendkonturnaher Rohlinge\u201d). <\/p>\n\n\n\n
Pr\u00e4missen <\/h3>\n\n\n\n
Fest steht: Wir leben in einer extrem schnelllebigen Zeit. Niemand wei\u00df, welche neue Technologie in drei Jahren zur Verf\u00fcgung steht und welche von den heutigen Innovationen dann wom\u00f6glich schon wieder veraltet sind. Somit ist das Risiko der Anschaffung teurer Anlagen so gut wie nicht einzusch\u00e4tzen, und wird hier deshalb ebenfalls vernachl\u00e4ssigt. Dennoch macht es aus unserer Sicht Sinn, die zu Buche schlagenden Abschreibungsfristen entsprechend anzupassen.<\/p>\n\n\n\n
Fest steht: Je verl\u00e4sslicher die Kostenkalkulation ausfallen soll, desto notwendiger ist die klare Unterteilung von Einzelschritten und deren Zuordnung. <\/p>\n\n\n\n
\u201cBy 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.\u201d <\/p>Heidi Piili et al., 2015, in: \u201cCost Estimation of Laser Additive Manufacturing of Stainless Steel\u201d<\/em><\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n
Die Variablen<\/h3>\n\n\n\n
Die wichtigsten Kostentreiber eines AM-Prozesses<\/strong><\/p>\n\n\n\n
1. Leistungskriterien des Initiators<\/p>\n\n\n\n
Mit \u201cLeistungskriterien\u201d sind die Qualit\u00e4tsanspr\u00fcche 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 Auswahlm\u00f6glichkeiten idealerweise immer geringer – und AM-spezifischer.<\/p>\n\n\n\n
Die hier gelisteten Kostenfaktoren k\u00f6nnen also noch direkt vom Auftraggeber beeinflusst werden, und im idealen Fall erh\u00e4lt er hier bereits Hinweise, ob die Kosten je nach Ver\u00e4nderung der Leistungskriterien zu- oder abnehmen. <\/p>\n\n\n\n
Bestimmte hier vorgenommene Vorgaben k\u00f6nnen andere M\u00f6glichkeiten von vornherein (komplett oder bedingt) ausschlie\u00dfen:<\/p>\n\n\n\n
\u2981 Falls der Auftraggeber (Kunde) z.B die Orientierung vorgibt, schlie\u00dft dies nat\u00fcrlich die Freiheit der Orientierung im Build-Prozess aus, schr\u00e4nkt also auch die Optimierung des Packing-Ratios (Nesting<\/strong>) ein.
\u2981 Falls etwa ein bestimmtes Material aus irgendwelchen Gr\u00fcnden festgelegt wird.
\u2981 Falls hohe Dringlichkeit besteht.
\u2981 etc.<\/p>\n\n\n\nDazu drei konkrete Beispiele:<\/strong><\/p>\n\n\n\n
\u2981 Die Vorgabe einer bestimmten Bauteil-H\u00f6he (Z-H\u00f6he) bzw. eines Bauteil-Volumens schr\u00e4nkt ggf. die Auswahl des 3D-Druckers ein. Insofern besteht hier eine ganz simple und offensichtliche Interdependenz zwischen Gr\u00f6\u00dfe des Bauteils einerseits und AM-Verfahren andererseits.<\/p>\n\n\n\n
\u2981 Falls das Bauteil eine bestimmte H\u00e4rte und\/oder Festigkeit aufweisen muss, kommen nat\u00fcrlich 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 ad\u00e4quat w\u00e4re, welches der Auftraggeber Mangels Kenntnis gar nicht in Betracht gezogen hatte.<\/p>\n\n\n\n
\u2981 Zugleich kann es sein, dass die Qualit\u00e4t des zu fertigenden Bauteils nur in einer bestimmten Druck-Ausrichtung (\u201cOrientierung<\/strong>\u201d) gew\u00e4hrleistet ist. Dies wiederum schr\u00e4nkt die \u201cFreiheit der Orientierung\u201d beim so genannten \u201cNesting\u201d (auch \u201cPacking-Ratio\u201d) ein, also die Art und Weise, wie mehrere Komponenten innerhalb eines Bauraums angeordnet werden k\u00f6nnen, um einen m\u00f6glichst hohen Auslastungsgrad zu erzielen. Des Weiteren bringt die Ver\u00e4nderung der Orientierung auch eine Modifikation der (provisorischen \u00e4u\u00dferen) St\u00fctz-\/Supportstruktur<\/strong> mit sich, die je nach Materialpreis durchaus erheblich ins Gewicht einer Kostensch\u00e4tzung fallen kann (vergleiche hierzu das Objekt \u201cHalterung\u201d im \u201cAuftragsheft eines fiktiven AM-Dienstleisters\u201d), wo aufgrund der besonderen Orientierung eine besonders aufw\u00e4ndige Supportstruktur anf\u00e4llt.<\/p>\n\n\n\n
Im Hinblick auf einen hieraus noch abzuleitenden Computeralgorithmus (bzw. AI), k\u00f6nnte der Auftraggeber versuchen, Bewertungen seiner einzelnen Leistungskriterien vorzunehmen. Ein Schema k\u00f6nnte so aussehen, dass zun\u00e4chst einmal die Wichtigkeit der (vorgegebenen) Orientierung definiert wird.<\/p>\n\n\n\n
In einer sehr viel komplexeren Bewertung k\u00f6nnten sogar Achsen-Rotations- bzw. Neigungswinkel definiert werden. Ebenso besteht eine gegenseitige Abh\u00e4ngigkeit zwischen den Faktoren Wandst\u00e4rke, Slicing und Innen-Supportstruktur (einige AM-Maschinenhersteller bezeichnen letzteres als \u201cInfill-Density\u201d): Je weniger Innen-Support-Material m\u00f6glich oder gew\u00fcnscht ist, desto dicker muss bspw. die Wandst\u00e4rke ausfallen. Diese wiederum f\u00e4llt per se desto dicker aus, je offener\/gr\u00f6\u00dfer bspw. die D\u00fcse des Extruders eingestellt ist, je gr\u00f6\u00dfer also das Slicing justiert wurde.<\/p>\n\n\n\n
Schon im AM-Consumer-Markt ist hinsichtlich der Einstellung von 3D-Printern von einer \u201cPrinting-Strategie\u201d die Rede. Zu dieser Interdependenz hei\u00dft es in einem Erkl\u00e4r-Video zu Ultimaker-Software Cura: \u201cA slower print speed means thinner layer, means higher print quality\u201d<\/em><\/strong>.<\/p>\n\n\n\n
\u201cThe 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.\u201d<\/strong><\/p>C. Lindemann et al., 2012, in: \u201cAnalyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing\u201d<\/cite><\/blockquote>\n\n\n\n
<\/p>\n\n\n\n
Liste 1: Leistungskriterien des Initiators<\/strong><\/td><\/tr> Orientierung <\/span><\/strong>
Aspekte des Faktors \u201cOrientierung\u201d<\/strong>:
– Orientierung kann eine durch die Leistungskriterien des Initiators bedingte Notwendigkeit darstellen.
– Falls der Auftraggeber die Orientierung als unwichtig deklariert, somit also dem Ausf\u00fchrer des AM-Prozesses eine Um-Orientierung erlaubt, sollte ersterer sich dar\u00fcber im Klaren sein, dass dies wom\u00f6glich die Qualit\u00e4t seines Objekts beeinflusst.
– Als Kostenfaktor bestehen Interdependenzen mit\/zwischen den Faktoren Bounding Box<\/em> (dadurch Nesting\/Packing-Ratio<\/em>, dadurch Z-H\u00f6he<\/em>, dadurch Build-Time<\/em>), sowie Support-Struktur<\/em> (dadurch Materialverbrauch<\/em>).
– Die meisten Slicing- und Printing-Softwares verf\u00fcgen \u00fcber Plugins oder integrierte Features, um die Orientierung eines 3D-Objekts automatisch so auszurichten, dass die geringste St\u00fctzstruktur anf\u00e4llt. Aber schon bei der Berechnung mehrerer Objekte in einem Bauraum kann ohne weitere Einstellungen kein optimales Nesting gew\u00e4hrleistet werden. <\/td><\/tr>Material-Qualit\u00e4t<\/span> <\/strong>
– Sorte \/ Legierung
– Temperaturempfindlichkeit
– Materialempfindlichkeit<\/td><\/tr>Statische Festigkeit <\/span><\/strong>
Mechanische Spannungen, die bei Belastung zum Bruch f\u00fchren k\u00f6nnen*: Zug-, Druck-,Biegezug-, Scher- und TorsionsfestigkeitMaterialabh\u00e4ngige Spannung die einer Fachl. Korrekte Def.: Verformung durch eine statisch einwirkenden Kraft entgegenwirkt. Maximale Spannung in einem Spannungs\/Dehnungs- Diagramm.<\/em> <\/td><\/tr>H\u00e4rte<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Geometrie-Qualit\u00e4t \/ Aufl\u00f6sung: <\/span><\/strong>
– Detail-Feinheit
– Komplexit\u00e4t
– Wandst\u00e4rke<\/td><\/tr>Gr\u00f6\u00dfe: <\/span><\/strong>
– Volumen
– Z-H\u00f6he<\/td><\/tr>Abweichungstoleranz<\/strong><\/span>
Wie viel Abweichung von den vorgegebenen Daten\/Ma\u00dfen w\u00e4re theoretisch zul\u00e4ssig?<\/td><\/tr>Oberfl\u00e4chenqualit\u00e4t<\/span><\/strong> <\/td><\/tr> St\u00fcckzahl \/ Losgr\u00f6\u00dfe<\/span><\/strong>
Laut verschiedenen Quellen (siehe Literaturliste) bestehen gewisse signifikante Schwellenwerte<\/strong> bzgl Metall und Plastik: Metall: Preis sinkt bis ca. 100 St\u00fcck, danach gleichbleibend Kunststoff: Preis sinkt bis ca. 500 St\u00fcck, danach gleichbleibend<\/td><\/tr>Oberfl\u00e4chen-Beschaffenheit <\/span><\/strong>
Nicht nur hinsichtlich einer voraussichtlich hohen Losgr\u00f6\u00dfe k\u00f6nnte eine andere Fertigungsstrategie angebracht sein, n\u00e4mlich z.B. die AM-Herstellung einer Gussform…<\/td><\/tr>Post-Processing (Finishing) <\/span><\/strong>
Unter \u201cFinishing\u201d wird gelegentlich auch der letzte Schritt des eigentlichen AM-Prozesses gemeint: z.B. das Abl\u00f6sen des Bauteils von der Bauplatte (etwa durch S\u00e4gen). Hier sind die vielen verschiedenen m\u00f6glichen und notwendigen Techniken der Nachbereitung von additiv gefertigten Komponenten gemeint: Infiltration, Dicht-Infiltration, W\u00e4rmebehandlung, spanende Endbearbeitungstechniken, Oberfl\u00e4chenveredelungen wie z.B. Beschichtung (Coating), Polieren etc. Dabei ist es nat\u00fcrlich mehr als ratsam, diese M\u00f6glichkeiten mit den M\u00f6glichkeiten additiver Fertigungstechniken abzugleichen.<\/td><\/tr>Lieferzeit <\/span><\/strong>
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<\/em> hei\u00dft es dazu exemplarisch: „Durch das Laserauftragschwei\u00dfen gegen\u00fcber konventioneller Fertigung, dauert die Produktion des Biegedornhalters 6h. Bislang lag die Produktionszeit bei 12 Tagen. Die Kosten erh\u00f6hen 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 f\u00fchren zu einer Gewinnsteigerung von 700% je Bauteil.<\/em>„<\/td><\/tr>Preislimit<\/span><\/strong>
Ergebnis darf einen bestimmten Preis nicht \u00fcberschreiten.<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n![\"\"](\"http:\/\/frankjankowski.de\/wp_textblog\/wp-content\/uploads\/2020\/04\/Nesting-1024x548.jpg\")
Abb. 4: Nesting at it\u2019s best. Zwei sch\u00f6ne Beispiele f\u00fcr die Ausnutzung des Bauraums. Image Sources: links: 3D Metal Printing Magazine und Grafik rechts: HP (Software Smart Stream).<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n Liste 2: Kostenkriterien\/Kostenfaktoren des Ausf\u00fchrers<\/strong> <\/td><\/tr> Material<\/span><\/strong>:
– Marktpreis
– Lagerkosten
– Verf\u00fcgbarkeit
– Grad des unterst\u00fctzten AM-Auftrag-Winkels<\/td><\/tr>Materialverbrauch<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Personalkosten<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Recycling-Koeffizient<\/span><\/strong> (aus:
– Materialkosten
– durchschnittliche Recyclingrate
– Entsorgungskosten nicht recyclingf\u00e4higer Reste)<\/td><\/tr>Anlage-Betriebskosten<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Druck-Geschwindigkeit<\/span><\/strong> \/ Processing-Speed per Layer<\/td><\/tr> Bauzeit<\/strong><\/span><\/td><\/tr> Slicing \/ Schichtdicke \/ Aufl\u00f6sung<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Orientierung<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Verfahrensbedingte Nebenzeiten <\/span><\/strong>
– Initiierung\/Konfiguration der Maschine
– Einr\u00fcstzeit
– Ausr\u00fcstzeit (inkl. Bauteil-Entnahme)<\/td><\/tr>Abk\u00fchlungszeit<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Anlage-Instandhaltungskosten<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Anlage-Anschaffungskosten <\/span><\/strong>
– Abschreibung
– sonstige BWL-Faktoren<\/td><\/tr>Nesting <\/span><\/strong>Alternative Begriffe:
Packing-Ratio, Auslastungsgrad, Build Volume Packing, Load-Faktor, Degree of Build Volume Utilisation…<\/em><\/td><\/tr>Abstand <\/span><\/strong>zwischen den Teilen<\/td><\/tr> Z-H\u00f6he<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Support-Struktur au\u00dfen<\/span><\/strong> (als Provisorium)<\/td><\/tr> Support-Struktur innen<\/span><\/strong> (\u201cInfill\u201d) \/ Dichte<\/td><\/tr> Support-Material <\/span><\/strong>
Muss f\u00fcr die St\u00fctzstruktur derselbe Werkstoff genommen werden wie f\u00fcr das Bauteil oder habe ich die M\u00f6glichkeit, auf ein g\u00fcnstigeres Material zur\u00fcckzugreifen?<\/td><\/tr>Abstand von Druckplatte<\/span><\/strong><\/td><\/tr> Ausfallzeit \/ Ausschussquote \/ Fehlfunktionen <\/span><\/strong>
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.<\/td><\/tr>Post-Processing (Finishing)<\/span><\/strong>
– Infiltration \/ Dicht-Infiltration
– W\u00e4rmebehandlung
– Spanende Endbearbeitungstechniken
– Oberfl\u00e4chenveredelung \/ Beschichtung (Coating) \/ Polieren<\/td><\/tr>Qualit\u00e4tspr\u00fcfung <\/span><\/strong>
Ggf. notwendige Zertifizierungen<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\nIV. Die L\u00f6sung<\/h3>\n\n\n\n
- Die Problematik<\/a><\/li>