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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
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|| 22.06.1017Mirko Meboldt 2
Quelle: https://www.3dhubs.com/what-is-3d-printing
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|| 22.06.1017Mirko Meboldt 3
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
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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
1222.06.1017Mirko Meboldt
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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
22.06.1017 15Mirko Meboldt
Customer Order
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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
22.06.1017 16Mirko Meboldt
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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
22.06.1017 17Mirko Meboldt
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|| 22.06.1017Mirko Meboldt 18
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.
22.06.1017Mirko Meboldt 21
Der „Stössel“ als ideales Beispielteil: AM Anwendungen
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Erkenntnisse Konsequenzen
22.06.1017Mirko Meboldt 22
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)→
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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
2622.06.1017Mirko Meboldt
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
22.06.1017Mirko Meboldt
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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?
22.06.1017Mirko Meboldt 32
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
22.06.1017Mirko Meboldt 35
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
22.06.1017 37Mirko Meboldt
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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