Anbieter von additiven Fertigungssystemen transformiert in wenigen Wochen die Teileversorgung durch die Entwicklung eines 3D-Druckers in Industriequalität

Verkürzung der Vorlaufzeit für komplexe Teile

Schubert Additive Solutions (Schubert Additive) ist Teil der Schubert-Gruppe mit Sitz in Crailsheim und ein führender Hersteller von Verpackungsmaschinen und -lösungen. Die Gruppe konstruiert und fertigt digitale, roboterbasierte Verpackungsmaschinen mit Fokus auf das Zusammenspiel von einfacher Mechanik, intelligenter Steuerungstechnik und skalierbarer Modularität. Die Schubert-Gruppe (Schubert) bietet schlüsselfertige Lösungen für Primär- und Sekundärverpackungen für eine Vielzahl von Branchen, darunter Pharmazeutika, Kosmetika, Getränke, Lebensmittel und Süßwaren sowie technische Produkte.

Verpackungsanwendungen erfordern oft komplexe Teile und Baugruppen in kleinen Stückzahlen. Folglich war Schubert ein früher Anwender von Technologien für additive Fertigung (AM). Seit 2012 werden mittels selektivem Lasersintern (SLS) komplexe Teile hergestellt, die Baugruppen aus bis zu 190 bearbeiteten Teilen ersetzen können.

Kundenspezifische Robotergreifer sind eine naheliegende AM-Anwendung, um das Produkt auf die Verpackung abzustimmen. „Diese Schlüsselkomponenten in den robotergestützten Verpackungslösungen von Schubert müssen schnell verfügbar sein, sei es als Ersatzteil oder zur Unterstützung von Produktwechseln“, sagt Conrad Zanzinger,
Chief Technical Officer (CTO) bei Schubert Additive. „Obwohl sie auf AM-Anlagen produziert wurden, dauerte es mehrere Tage, bis sie dort ankamen, wo sie gebraucht wurden.“

Daraus entstand die Idee, durch Digitalisierung die Vorlaufzeiten für AM-Komponenten mittels Umkehrung der Lieferkette deutlich zu verkürzen. Schubert Additive fand genau die richtige Lösung, um dies zu erreichen, und zwar in der NX-Software™ von Siemens Digital Industries Software, einer kompletten Design-to-Manufacturing-Lösung. Es half dem Unternehmen, die Teileversorgung zu transformieren, indem es in wenigen Wochen einen 3D-Drucker in Industriequalität entwickelte und die Vorlaufzeit der Teile um 90 Prozent verkürzte.

Schubert Additive verwendete NX, um den industrietauglichen 3D-Drucker Partbox mit einer Maßgenauigkeit von ±0,1 mm zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit einem Kunststoffhersteller entwickelten sie auch ein Filamentmaterial, das für optimale Ergebnisse verwendet werden kann.

Entwerfen eines 3D-Druckers für den Industrieeinsatz

„Die meisten der benötigten Teile können aus Kunststoff mit 3D-Druck hergestellt werden, wobei die Fused Filament Fabrication verwendet wird, eine bewährte Technologie, die seit Jahren eingesetzt wird“, stellt Zanzinger fest. „Schubert Additive wurde gegründet, um Kunden die Möglichkeit zu geben, die digitalen Fertigungsdaten der bestellten Teile zu erhalten und diese vor Ort mittels industrietauglicher additiver Fertigung auf Pay-per-Use-Basis zu produzieren.“

Bis dies möglich war, musste Schubert Additive einige Hürden überwinden. Eine davon bezog sich auf die Qualität und Zuverlässigkeit der 3D-Drucker. „Anfangs haben wir handelsübliche 3D-Drucker eines führenden Herstellers verwendet“, sagt Zanzinger. „Leider hat diese Ausrüstung unsere Erwartungen nicht erfüllt.“ Diesen Produkten mangelte es an mechanischer Stabilität und Druckqualität. Sie produzierten Teile nicht zuverlässig mit der geforderten Maßhaltigkeit und Oberflächengüte und erforderten ein Maß an Aufmerksamkeit, das im Rahmen des gelegentlichen Einsatzes in einer industriellen Produktionsumgebung nicht akzeptabel ist.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelte Schubert Additive mit NX, Teil der Siemens Xcelerator-Geschäftsplattform aus Software, Hardware und Dienstleistungen, einen völlig neuen 3D-Drucker und nannte das Ergebnis Partbox-Lösung. Diese Lösung umfasst Software für die Programmierung von Computer-Aided Design (CAD), Computer-Aided Manufacturing (CAM) und numerischer Steuerung (NC) für die Konstruktion von Werkzeugen und Vorrichtungen, die Qualitätskontrolle von Teilen, die Roboterprogrammierung, die Planung von Produktionslinien und die additive Fertigung.

Da die Konstrukteure von Schubert Additive unter Zeitdruck standen, erwies sich NX angesichts der Kombination aus spezialisierten Software-Tools und vollständiger Informationskonsistenz als gut geeignet. „Durch den Einsatz von NX zur Erstellung und Verifizierung des digitalen Zwillings der Partbox konnten unsere Konstrukteure ihre Aufgabe trotz schwieriger Arbeitsbedingungen während der COVID-Pandemie innerhalb weniger Wochen erledigen“, bestätigt
Zanzinger. „Es hat sehr geholfen, dass sie unter nur einer Benutzeroberfläche die mechanische Konstruktion und Verifikation, die Programmerstellung und die AM-spezifischen Aufgaben erledigen könnten.“

Um die erforderliche Stabilität und Zuverlässigkeit zu erreichen, nutzten die Konstrukteure von Schubert Additive die in NX for AM enthaltenen Tools für Konstruktion, Topologie und Build-Vorbereitung. Dazu gehörte auch eine Slicing-Software, die sie zuvor mit ihrem handelsüblichen 3D-Drucker verwendet hatten. Als sie auf NX umstellten, waren keine Änderungen an der Programmierung erforderlich.

Das Siemens Additive Manufacturing Network wird zum Empfang von CAD-Daten für das additive Re-Engineering genutzt und ist nahtlos in Partbox OS integriert. (Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Thorsten Hiller)

Eine globale AM-Umgebung

„Der Einsatz der hochmodernen Konstruktionswerkzeuge und spezialisierten AM-Funktionen, die in NX verfügbar sind, macht es auch für Teileanbieter einfach, herkömmliche Konstruktionen für die additive Fertigung anzupassen“, sagt Zanzinger. „Das erhöht die Verfügbarkeit von Teilen in dieser Form, auch wenn sie ursprünglich für die konventionelle Fertigung geschaffen wurden.“ Die nahtlose Assoziativität und Reproduzierbarkeit verringern die Notwendigkeit, Dateien zu importieren und zu exportieren oder sogar bestehende Konstruktionen neu zu erstellen, was den Zeitaufwand sowie Konvertierungsfehler erheblich reduziert.

Ein weiteres Hindernis, das das Team von Schubert Additive überwinden musste, war die Sicherheit, insbesondere zum Schutz des geistigen Eigentums der Konstrukteure. „Die Übertragung von Dateien an den Kunden kam nicht in Frage“, sagt Zanzinger. „Wir mussten einen sicheren Weg finden, um zertifizierte Druckaufträge direkt an Partbox zu streamen, ohne die Daten dort zu speichern, wo sie unrechtmäßig abgerufen werden könnten.“

Um diese Hürde zu überwinden, haben die Ingenieure von Schubert Additive das Betriebssystem Partbox entwickelt, einschließlich CAD-Dateien für das Redesign, die über das Siemens Additive Manufacturing Network empfangen werden. Als digitales Online-Lager ermöglicht dieses Betriebssystem den Kunden, Drucklizenzen anstelle von echten Teilen von Teileherstellern zu erhalten. Diese Lizenzen in Form von Certified Printing Jobs® (CPJ) sind die technische DNA des Systems. Sie werden über eine LTE-Verbindung (Long Term Evolution) an den ausgewählten Drucker gestreamt, sodass Partbox-Drucker keine Netzwerkinfrastruktur und keine Integration in Unternehmensnetzwerke benötigen.

Das Partbox-Betriebssystem ist offen, so dass Kunden in ihrer Anbieterwahl nicht eingeschränkt sind. Sie können auch ihre eigenen Druckaufträge für Teile oder Vorrichtungen hochladen und in der Teile-Streaming-Plattform speichern, um sie bei Bedarf zu drucken. So können sie den Lagerbestand reduzieren und gleichzeitig die Teileverfügbarkeit hoch halten. Der Kauf von CPJs anstelle von Teilen und deren lokale Produktion auf Partbox-3D-Druckern ist nachhaltiger, da dadurch transportbedingte Umweltverschmutzung vermieden wird. Dies spart zudem Zeit, da Prozesse, Versandkosten und Zollabfertigung entfallen.

Die On-Demand-Teileproduktion von Partbox dauert in der Regel einen Tag, einschließlich AM-kompatibler Konstruktionsanpassung, im Gegensatz zu anderthalb Wochen, einschließlich Versand. Das ist eine Reduzierung um mehr als 90 Prozent. Bei Ersatzteilen kann dies den Unterschied zwischen einem unterbrechungsfreien Betrieb und einem mehrtägigen Ausfall ausmachen. „Wir haben unsere digitale Transformation genutzt, um die Produktion und Distribution von Teilen zu revolutionieren“, sagt Zanzinger. „Dank der durchgängigen Datenkonsistenz über alle Bereiche von NX hinweg waren wir in der Lage, einen digitalen roten Faden durch alle Aspekte dieses bahnbrechenden Prozesses zu weben.“

Durch den Einsatz von additiver Fertigung konnte die Teilekomplexität eines Vakuumgreifers für Kaffeesahne-Portionspackungen von 192 Drehteilen, 18 komplexen Frästeilen und 1024 Schrauben auf drei Teile und acht Schrauben reduziert werden, wodurch die Montagezeit von einem Tag auf 10 Minuten verkürzt wurde.