Additive Fertigung Bionic Smart Factory 4.0 – ein Konzept

Die Kombination von additiver Fertigung und smarter interprozessuraler Vernetzung ermöglicht neue Ansätze zur wirtschaftlichen Herstellung individualisierter Produkte.

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DEPRAG SCHULZ GMBH u. CO. KG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

BMF Boston Micro Fabrication

Bionic Production GmbH

Verschiedene Trends sorgen für eine Veränderung der Nachfrage nach industriellen Produkten mit entsprechender Auswirkung auf die Produktionsprogramme, die in der Fabrikarchitektur reflektiert sein müssen. Dazu zählen insbesondere eine zunehmende globale Nachfrage nach individualisierten Produkten und verkürzte Produktlebenszyklen. Die Forderung nach nachhaltiger Effizienzsteigerung und Innovation für Funktionsbauteile und Produkte erfordert darüber hinaus Komponenten mit zunehmender geometrischer Komplexität. Komplexe Geometrien zur Effizienzsteigerung von mechanischen, thermodynamischen, fluiden oder pneumatischen Systemen werden etwa zur Gewichtseinsparung unter Verwendung optimierter, bionischer Konstruktionsprinzipien und zur Kostensenkung eingesetzt, wie im Falle der Einspritzdüsen für das GE Leap-X-Triebwerk. Auch ein wachsender Bedarf an individuellen Gütern oder das Anfertigen von Prototypen und Werkzeugen führen zu Variantenkomplexität. Zusätzlich werden bei der Ersatzteilversorgung und im Prototypen- und Werkzeugbau kurze Durchlaufzeiten gefordert.

Fabrik für komplexe Produktion

Zur Fertigung der beschriebenen Produktionsumfänge kommen zunehmend additive Fertigungsverfahren zum Einsatz oder werden entsprechend ihrer Anwendung evaluiert. Allerdings sind die derzeit zur Fertigung eingesetzten Verfahren meist mit Einschränkungen verbunden. So führen die geringe Produktivität und umfangreiche manuelle Aufwände zu höheren Produktkosten. Außerdem erschweren häufig Format- und Medienbrüche in der digitalen Prozesskette die Optimierung der Produktivität entlang der gesamten additiven Wertschöpfung.

Die Bionic Smart Factory 4.0 (BSF 4.0) ist ein Anwendungskonzept für die ganzheitliche Verwendung von integrierten Daten entlang der gesamten cyber-physischen additiven Prozesskette. Auf der Grundlage digitaler Konstruktionsdaten wird eine bionische Optimierung vorgenommen und die additive Fertigung vorbereitet. Basierend auf in der Fertigung erfassten Daten und deren integrierter Analyse wird die Produktion dynamisch geplant und gesteuert sowie eine organische Erweiterung der Produktionskapazitäten ermöglicht.

Prozesskette für definierte Qualität

Um Bauteile in definierter Qualität herzustellen, wird eine Prozesskette durchlaufen, die aus den Phasen Pre-, In- und Post- sowie weiteren nachgelagerten Prozessen besteht:

• Die Prozesskette beginnt mit vollständigen Produktmodellen, die neben der dreidimensionalen Produktgestalt auch zusätzliche technologische Information wie z. B. Toleranzen und Oberflächengüten enthalten. Die Nutzung bionischer Strukturen in der Konstruktion und im Design ermöglichen zusätzliche Einsparpotentiale. Hierin enthalten ist auch die Kundenschnittstelle, um eine zukünftige Beauftragung digital zu gestalten.

• Der Pre-Prozess (Datenprozess) besteht sowohl aus datenseitiger Vorbereitung – für das additive Fertigungsverfahren – als auch aus der mechanischen Vorbereitung. Zum Prozess gehören u.a. die Schritte Bauteilanordnungen festlegen und Stützstrukturen konstruieren bzw. Aufbaustrategien festlegen und Anlagen programmieren.

• Im In-Prozess (Fertigungsprozess) wird der Auftrag gefertigt und – bei pulverbettbasierten Verfahren – Pulver und Plattform entfernt.

• Der Post-Prozess (Fertigbearbeitung) und die weiteren nachgelagerten Prozesse umfassen die notwendigen Schritte, um die gewünschte Endqualität der Bauteile gemäß der Spezifikation herzustellen. Hierzu wird die gesamte Bandbreite an existierenden Fertigungsverfahren eingesetzt.

Die BSF 4.0 ist eine integrierte Fabrik, die umfassende Selbstorganisationsfunktionen in der Produktion und in allen die Produktion betreffenden Geschäftsprozessen ermöglicht. Zentraler Aspekt der BSF 4.0 ist die wirtschaftliche, bionische Produktgestaltung. Zum einen ermöglicht das Fabrikkonzept mit dem dezentralen Fertigungssystem ein organisches, sich äußeren Umständen wie z.B. sich änderndes Fertigungsportfolio anpassendes Wachstum der Fabrikstruktur. Zum anderen erlauben die hohen geometrischen Freiheitsgrade additiver Fertigungsverfahren die Optimierung der Konstruktion mittels bionischer Prinzipien.

Globale Nachfrage bedienen

Die BSF 4.0 kann durch Entkopplung von bionischem Design und Prozess sowie der dadurch ermöglichten Auftragsverteilung im weltweiten Netzwerk die Durchlaufzeiten weiter reduzieren, um die individualisierte Nachfrage global zu bedienen. Durch diese Entkopplung wird die Nachfrage global erfasst und kann dezentral umgesetzt werden. Nachteile aus fehlendem Produktionszugang (z. B. für Industrialisierungsschritte) entfallen, so dass sich die Beschaffungszeiten deutlich verkürzen.

Blueprint für nachhaltige Fertigung

Die zukünftige Fertigung komplexer Produktionsprogramme im Sinne der Bionic Smart Factory 4.0 ist angewiesen auf die Verknüpfung eines integrierten Datensystems mit multiplen vernetzten, additiven Fertigungssystemen. Die Kombination beider Elemente ermöglicht die Realisierung weitreichender Effizienz- und Wirtschaftlichkeitspotenziale. Durch die Verknüpfung von Bionic Designs mit additiven cyber-physischen Fertigungsverfahren ist die Bionic Smart Factory 4.0 der Blueprint für die moderne, hocheffiziente und nachhaltige Fertigung der Zukunft. (qui)

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Dieser Artikel basiert auf einem ausführlichen Beitrag von Prof. Dr. Ing. Claus Emmelmann, Markus Möhrle, Mauritz Möller, Jan-Peer Rudolph, vom Laser Zentrum Nord GmbH, und Nikolai D’Agostino, von der Cenit AG.

* Klaus Mueller, CCO Bionic Production GmbH, Hamburg

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