Entwicklung eines strukturierten Kostenmodells für die Additive Fertigung (PBF-LB/M) 

Rückblick: Dieser Beitrag baut auf dem Blogbeitrag „Projekt KISS – KI-basierte semantische Plattform zur rapiden Etablierung von Wertschöpfungsnetzwerken in Krisenzeiten“ auf. Diesen finden Sie in unserem Blog unter Link. 

Motivation 

Die Additive Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt, hat sich als transformative Technologie in der modernen Produktion etabliert. Sie findet insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der kundenspezifischen Fertigung Anwendung. Ursprünglich für die Erstellung von Prototypen konzipiert, findet die Additive Fertigung heute zunehmend Anwendung in der Produktion. Die Hauptvorteile liegen in den geometrischen Freiheiten, die komplexe, leichte Strukturen oder leistungsoptimierte Formen ermöglichen. Die Bedeutung der Additiven Fertigung wurde durch die Auswirkungen der Coronavirus-Pandemie weiter verstärkt, da sie flexible und dezentrale Produktionsmöglichkeiten ermöglicht. Dennoch wird die Akzeptanz der Additiven Fertigung oft durch hohe und unvorhersehbare Produktionskosten behindert. Im Gegensatz zur konventionellen Fertigung, bei der die Kostenschätzung einer klar definierten Struktur folgt, werden die Kosten in der Additiven Fertigung von mehreren voneinander abhängigen Variablen beeinflusst, einschließlich Materialnutzung, Maschinenparametern und Losgrößen. Darüber hinaus können höhere Design- und Testkosten sowie weniger ausgereifte Produktionsprozesse zu höheren Kosten im Vergleich zur konventionellen Fertigung führen. Aus diesem Grund ist ein robustes Kostenmodell entscheidend, um die Gesamtkosten für 3D-druckbare Produkte sowohl auf Fabrik- als auch auf Lieferketten-Ebene zu prognostizieren. 

Grundlagen der Kostenbetrachtung in der Additiven Fertigung 

Für die Kostenabschätzung von Additiver Fertigung gibt es eine Vielzahl von Ansätzen [1]. Im entwickelten Kostenmodell wurde die Prozesskostenrechnung verwendet, die zwischen direkten (Kosten sind direkt mit einem bestimmten Produkt verbunden) und indirekten Kosten (Kosten können nicht direkt einem bestimmten Produkt zugeordnet werden) unterscheidet. Das Ziel besteht darin, die indirekten Kosten verursachungsgerecht auf die Produktkosten zu verrechnen. Das Verfahren zerlegt die Kosten in detaillierte Kostenfaktoren (z. B. Material- und Energiekosten) und berechnet sie direkt unter Verwendung produkt- oder prozessorientierter Variablen (z. B. Material- und Energieverbrauch). Der transparente Ansatz ermöglicht eine klare Darstellung der Ursache-Wirkungs-Beziehungen und gibt Aufschluss über relevante Kostentreiber und vorhandenes Optimierungspotenzial. 

Abbildung 1 veranschaulicht die zugrundeliegende Methodik dieser Kostenberechnung im Kontext der Additiven Fertigung mit einer beispielhaften Kostenverteilung für ein Metalldruckverfahren, dem sogenannten Laser Powder Bed Fusion/Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M). Die Haupttreiber sind in der Regel die Maschinenkosten (abhängig von Bauzeit und Maschinenstundensatz) und die Materialkosten (abhängig von Kosten Rohmaterial und Materialeinsatz). Die Ermittlung der Bauzeit stellt dabei eine besondere Herausforderung dar, da sie von der Produktgeometrie, der Anzahl der Produkte pro Baujob und den spezifischen Parametern der Maschine abhängt. In vielen Fällen werden daher parametrische Ansätze verwendet, die die Beschichtungs- und Belichtungszeit in Verbindung mit der Schichtdicke berücksichtigen. 

Abbildung 1: Kostenmodell für Additive Fertigungsverfahren [2] und Kostenverteilung für das Laserstrahlschmelzen [3] 

Entwicklung des Kostenmodells für PBF-LB/M 

Das entwickelte Kostenmodell bezieht sich auf die metallbasierte additive Fertigung (PBF-LB/M). Zur näheren Erläuterung der Funktionsweise des PBF-LB/M wird an dieser Stelle auf folgendes Video verwiesen.  

Zu Beginn der Entwicklung des Kostenmodells wurde eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt, um relevante Parameter und ihre Zusammenhänge für die Prozesskostenrechnung zu identifizieren. Basierend auf der ISO/ASTM 52920 (siehe Abbildung 2) wurde die Prozesskette der additiven Fertigung analysiert, um die relevanten Prozesse in drei Hauptkategorien zu unterteilen: Kosten vor dem Fertigungsprozess (Pre-Prozess), Kosten während des Fertigungsprozesses (Print-Prozess) und Kosten nach dem Fertigungsprozess (Post-Prozess).

Abbildung 2: Überblick über die Prozesskette der Additiven Fertigung auf Basis der ISO/ASTM 52920:2023 

Im nächsten Schritt erfolgte die Unterteilung der drei Hauptkategorien in einzelne Kostenpositionen, um die relevanten Parameter für die Berechnung zu ermitteln. Anschließend wurde die Berechnung der einzelnen Prozessschritte aggregiert. Die verschiedenen Berechnungsparameter sind in Abbildung 3 dargestellt. Durch das strukturierte Vorgehen konnte ein Kostenmodell für das PBF-LB/M entwickelt werden, um Kosten- und Zeitabschätzungen für die Herstellung von Produkten in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Parametern zu bestimmen.

Abbildung 3: Parameterübersicht zur Kosten-/Zeitabschätzung 

Ausblick 

Die Ergebnisse des Kostenmodells im Rahmen des KISS-Projekts werden für die Preisprognose auf der Plattform und als Eingangsgröße zur Optimierung von Wertschöpfungsketten genutzt. Zudem entwickeln wir einen hybriden Simulationsansatz, um die stochastische Natur der Additiven Fertigung zukünftig abzubilden. Durch die Integration des Kostenmodells in die Simulation können reale Variabilitätsfaktoren wie Maschinenstillstände, Losgrößen, Qualitätsvariationen und Nachbearbeitungsraten einbezogen werden. Dies verfeinert die Kostenbewertung und ermöglicht verschiedene Szenarioanalysen, durch die Verbesserungspotenziale auf Produktions- und Supply-Chain-Ebene identifiziert werden können. Im nächsten Blogbeitrag werden wir darüber berichten. 

Weitere Informationen zum Projekt finden Sie unter den folgenden Links:  

• Digitale Technologien – Projekte (digitale-technologien.de) 

• Semper-KI 

Autor: M.Eng. Florian Zumpe (wissenschaftlicher Mitarbeiter Fabriksystemdesign und Produktionsplanung) 

Titelbild: ©KISS – KI-gestütztes Rapid Supply Network 

1. Niazi, A.; Dai, J.S.; Balabani, S.; Seneviratne, L.: Product Cost Estimation: Technique Classification and Methodology Review. Journal of Manufacturing Science and Engineering 128 (2006) 2, pp. 563–575 

2. Baumers, M.; Tuck, C.: Developing an Understanding of the Cost of Additive Manufacturing. In (Pei, E.; Monzón, M.; Bernard, A. Hrsg.): Additive manufacturing. Developments in training and education. Springer, Cham, 2019; S. 67–83.  

3. Thomas, D. S.; Gilbert, S. W.: Costs and Cost Effectiveness of Additive Manufacturing. National Institute of Standards and Technology, 2014.