Produktion im Jahr 2050:Die Welt auf den Kopf gestellt?

Einflussreiche Trends werden die Fertigung bis 2050 nahezu vollständig automatisieren, während die Menschen, die noch in der Branche arbeiten, in die Lage versetzt werden, so schnell wie nie zuvor Innovationen zu entwickeln.

Vor Jahren sagte Warren Bennis voraus:„Die Fabrik der Zukunft wird nur noch zwei Angestellte haben, einen Mann und einen Hund. Der Mann wird da sein, um den Hund zu füttern. Der Hund wird da sein, um den Mann davon abzuhalten, die Ausrüstung zu berühren.“

So weit sind wir noch nicht. Aber eine Reihe starker und miteinander verbundener Trends werden uns bis 2050 in die Nähe dieses Zustands bringen, während die Menschen, die noch in der Fertigung tätig sind, in die Lage versetzt werden, schnell innovativ zu sein und wie nie zuvor zu bauen.

Multitasking und Automatisierung

Es ist davon auszugehen, dass bis 2050 die durchschnittliche Werkzeugmaschine vollautomatisiert und leistungsfähiger sein wird. Multitasking wird weit verbreitet sein, vielleicht fast universell. Der Trend ist gut etabliert.

Wie Branchenveteran Scott Walker, Vorsitzender von Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ) feststellte:„In den frühen 2000er Jahren umfasste der nordamerikanische Markt für Fünfachsenmaschinen 150. Heute sind es 3.000. Maschinen kombinieren auch Schleifen und Fräsen oder Laserauftragschweißen und Fräsen oder Schleifen und Kaltverfestigung.“ Er fügte hinzu, dass der Vorteil darin besteht, mehr innerhalb des Arbeitsbereichs zu erreichen, der „Albtraum“ jedoch darin besteht, all diese Funktionen ordnungsgemäß und konsistent zu betreiben. „Aber das wird sich ändern, wenn Technologie, Überwachung und Software besser werden.“

Der Elefant im Raum für viele Hersteller ist das Ausmaß, in dem der 3D-Druck den Technologiemix verändern wird, und darüber hinaus seine Auswirkungen auf das Produktdesign und eine Vielzahl anderer Themen. Bisher haben die Geschwindigkeitsbeschränkungen und die hohen Rohstoffkosten der additiven Fertigung ihre Lebensfähigkeit über das Prototyping hinaus stark eingeschränkt. Aber Terry Wohlers, Hauptberater und Präsident von Wohlers Associates (Fort Collins, CO), sagte, dass Geschwindigkeit bis 2050 „kein Feind sein wird“.

Nehmen Sie ein Pulverbettsystem:Der Großteil der Produktionszeit entfällt auf das Abtasten der Oberfläche mit dem Laser, um das Material zu verschmelzen. „Aber jetzt sind Systeme verfügbar, bei denen viele Laser gleichzeitig auf einer Bauplattform arbeiten“, sagte Wohlers. „Die Energie eines Elektronenstrahls kann in bis zu 100 Strahlen aufgeteilt werden, um den Prozess zu beschleunigen.“ Andererseits benötigen diese Ansätze viel Energie, was teuer ist. Wohlers glaubt, dass wir diese Einschränkungen überwinden werden, vielleicht indem wir „die Energie der Sonne direkt nutzen, um Material zu schmelzen, anstatt sie an eine 440-Steckdose anzuschließen.“

Wohlers fügte hinzu, dass die gerichtete Energieabscheidung von Natur aus schneller ist als das Pulverbettverfahren zum Bau metallischer Komponenten, aber „die Benutzer sind in den Objekten, die sie erstellen können, eingeschränkt, und es gibt einen Kompromiss bei der Auflösung, die im Allgemeinen eine maschinelle Bearbeitung erfordert und manchmal eine erhebliche Menge. ” Damit sind wir wieder bei hybriden Systemen, die additives mit CNC-Fräsen kombinieren. Wie Walker glaubt Wohlers, dass die Probleme, diese beiden Ansätze harmonisch zum Laufen zu bringen, in den nächsten 32 Jahren weitgehend gelöst werden.

Ein weiterer Faktor, der für einen stärkeren Einsatz additiver Techniken spricht, ist ein erwarteter Rückgang der Materialkosten und eine größere Auswahl. „Heutige Maschinen arbeiten zum Beispiel mit nur wenigen Dutzend Thermoplasten“, sagte Wohlers, „doch für die konventionelle Fertigung stehen Tausende zur Verfügung.“

Vielleicht noch wichtiger ist, dass die derzeit im 3D-Druck verwendeten Polymere bis zu 50-mal so viel kosten wie ähnliche Polymere für die konventionelle Fertigung. Damit liegt die Gewinnschwelle je nach Größe des Teils bei Hunderten bis Tausenden von Einheiten. Wohlers sagte jedoch, dass viele der Patente auf Maschinen, die Teile mit Polymeren herstellen, abgelaufen sind, was zu neuen Maschinen führt, die kostengünstigere Materialien verwenden. „Der Break-Even-Punkt wird sich dramatisch verbessern, sodass Additive den Spritzguss für eine viel breitere Palette von Produkten, einschließlich Anwendungen mit höheren Stückzahlen, herausfordern werden.“

Es gibt ähnliche Argumente für Metall, aber Walker ist skeptisch, dass Additive bei Metallen ein Kostenprofil erreichen werden, das den Ersatz traditioneller Methoden rechtfertigt. „Es ist so viel einfacher, 60 Tonnen zu erhitzen und Bleche zu walzen, als etwas mit Pulvermetall oder Verkleidungen zu bauen“, sagte Walker. „Ich betrachte Additiv als eine Funktion, die man in eine Maschinenhülle einbauen kann, um den Prozess aufzuwerten. Aber ich betrachte Additiv nicht als Ersatzverfahren für die Stahlherstellung, es sei denn, die Technologie ändert sich und wir kommen an den Punkt der molekularen Manipulation unter Verwendung einer anderen Art von Energiequelle.“

Die additive Fertigung hat zumindest für einige Akteure noch ein Ass übrig:Die Fähigkeit, Formen zu schaffen, die sonst unmöglich wären. Dies eröffnet nicht nur das Potenzial für neue Produkte und Funktionen, sondern trägt auch dazu bei, das Geschwindigkeitsproblem des 3D-Drucks zu entschärfen. Denn eine offene Gitterstruktur, die durch 3D-Druck ermöglicht wird, kann die für viele Anwendungen erforderliche Festigkeit und Steifigkeit mit weitaus weniger Material erreichen als eine massive Struktur. Und die Produktionsgeschwindigkeit des 3D-Drucks ist direkt proportional zum Kubikvolumen des Materials. Seltsame neue Strukturen überschneiden sich gut mit unserem nächsten Thema.

Automatisiertes, kreatives Design

Nach Ansicht von Walker ist die Fertigung bereit, ihre größten Produktivitätsgewinne in zwei Bereichen zu erzielen, von denen einer darin besteht, alle Arbeiten zu digitalisieren, die zur Vorbereitung eines Fertigungsprozesses erforderlich sind. „Heute beginnt ein Konstrukteur mit einem digitalen Modell und erstellt dann einen Werkzeugweg … dann entwirft jemand eine Vorrichtung … dann bekommt man ein Schmiedeteil … dann gibt ein Anwendungstechniker das Programm per Tropf an die Maschine weiter und geht Werkzeug für Werkzeug und überwacht, wie das funktioniert Schnittgeräusche und wie es aussieht … und schließlich bringt er die Maschine dazu, das Teil herzustellen … und dann verfeinert er alle Bewegungen, damit er die Zykluszeit verkürzen kann.“ Es ist sogar noch schlimmer, weil es auch umständlich ist, das ursprüngliche Design zu bekommen. Glücklicherweise arbeiten viele kluge Köpfe hart daran, jeden Teil dieses Prozesses zu erleichtern und zu beschleunigen.

Am Frontend hilft die generative Designtechnologie einer immer größeren Gruppe von Kreativen, schnell neue geometrische Möglichkeiten zu erkunden. Im Fall von Fashion 360 von Autodesk (San Rafael, CA) läuft die Software in der Cloud und nutzt maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz (KI), um automatisch Hunderte von Designs zu generieren, die alle die Kriterien des Designers in Bezug auf Stärke, Kosten und Herstellungsverfahren erfüllen , Material usw. Darüber hinaus, erklärte Bob Yancey, Director of Manufacturing and Production Strategy bei Autodesk, sind die Entwürfe „nicht nur eine unmöglich zu verwendende idealisierte Geometrie, sondern real funktionierende CAD-Modelle, die in CAD-Software weiter manipuliert werden können.“

Sie sind auch das, was Yancey als „herstellungsbewusst“ bezeichnet, was bedeutet, dass sie mit den gewünschten Herstellungsmethoden begannen, die von Anfang an als Einschränkung eingebaut waren. „Wenn Sie also angeben, dass das Teil auf einer 5-Achsen-CNC bearbeitet werden muss, entsprechen alle Ihre Designoptionen dieser Einschränkung“, sagte er.

Es beseitigt nicht die Notwendigkeit eines menschlichen Designers. Wie Yancey es ausdrückte:„Die Beschreibung der Konstruktionsherausforderung mit Präzision und Fachwissen ist eine Ingenieurskunst, die nicht vergehen wird. Software für generatives Design bietet Ihnen mehr Designoptionen, als sich ein Mensch alleine vorstellen könnte, sodass Sie mehr Vertrauen haben, dass Sie weitaus mehr Optionen in Betracht ziehen und bessere Ergebnisse erzielen. Wir sehen dies als eine Zukunft der Co-Creation zwischen Ingenieur und Computer oder menschlicher Intelligenz und künstlicher Intelligenz.“

Vielleicht noch tiefgreifender, die Designs sind oft verblüffend und besser als das, was sich ein Mensch vorgestellt hätte. Wie Diego Tamburini, führender Branchenführer – Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division für Microsoft (Redmond, WA) es ausdrückte:„Wenn ich vor meinem CAD-Tool sitze, um ein Teil zu entwerfen, habe ich bereits 1.000 Vorurteile darüber, wie es sein sollte Aussehen, das auf Jahrhunderten früherer Designs basiert. KI hat keine solchen Vorstellungen. Und obwohl ich zustimme, dass die Automatisierung des Designs ein schwieriges Problem ist und es schwer vorstellbar ist, dass ein Computer komplexe Gegenstände entwirft, müssen wir erkennen, dass es umgekehrt viele Fälle gibt, in denen wir mit suboptimalen menschlichen Designs leben.“

Einige unserer Vorurteile stammen aus unserer Erfahrung mit Rohstoffen, die auf Blöcke, Stangen und Bleche beschränkt sind. Aber der 3D-Druck ist nicht auf diese Rohstoffe beschränkt. Es ist auch nicht in den Formen beschränkt, die es erstellen kann.

Wenn Sie diese Einschränkungen beseitigen und die KI arbeiten lassen, entstehen beim generativen Design oft Formen, die „völlig anders sind als das, was wir gewohnt sind. Eher organisch, wie Tierknochen“, sagte Tamburini.
Wohlers schloss sich dem an und sagte, dass die Natur hervorragende Beispiele für Strukturen mit bemerkenswerten Festigkeits-Gewichts-Verhältnissen bietet. Bis vor kurzem produzierten 3D-Drucker Gitter-, Maschen- oder Zellstrukturen, die durch vorgefertigte Programme definiert wurden, ohne dass ihre Festigkeitseigenschaften bekannt waren. „Die neuesten Topologie-Optimierungswerkzeuge können technische Gitter- und Maschenstrukturen mit Gewissheit der Festigkeit erzeugen“, sagte Wohlers. „In Zukunft könnten wir superleichte Strukturen in verschiedenen Metalllegierungen sehen, die leichter sind als Kohlefaserverbundwerkstoffe, deren Herstellung zeitaufwändig und teuer ist.“

Tamburini sagte, er habe Fälle gesehen, in denen der Computer eine Gitterform aufweist, die kein Vertrauen in den Menschen weckt (sie sieht zu leicht und dünn aus), also bedeckt der Designer sie mit etwas, damit sie stabiler aussieht. Menschen bleiben schließlich Menschen.

Beschleunigung des Prozesses

Krisztina „Z“ Holly, Gründerin und Hauptinitiatorin von Make It In LA (Los Angeles), unterstrich den Vorteil, immer intelligentere Software mit 3D-Druck und anderen neuen Technologien (wie Virtual Reality) zu kombinieren, um den iterativen Produktentwicklungszyklus erheblich zu beschleunigen. Neben der Möglichkeit, früher im Prozess mehr Feedback vom Verbraucher zu erhalten, was zu viel besseren Produkten führen kann, wies sie darauf hin, dass die neuen Tools den Design- und Bauprozess demokratisieren.

„Was bedeutet das in Bezug darauf, wie wir innovieren und wer innoviert? Ich denke, die Welt wird ein anderer Ort sein, wenn wir Nicht-Ingenieuren erlauben, die Art von Produkten zu entwerfen, die sie wollen“, sagte sie. „Für Unternehmer wird es auch einfacher, ein Produktionsunternehmen zu gründen. Welche Arten von Produkten werden verfügbar sein, wenn Menschen ein Geschäft mit physischen Produkten genauso einfach gründen können wie ein Geschäft mit digitalen Produkten?“

Ein Ergebnis, das sie sich vorstellt:„Zwei Arten von Fähigkeiten werden unglaublich wertvoll. Einer davon sind fundierte technologische Fähigkeiten, um diese Systeme zu codieren und das Wesentliche zu verstehen, was funktioniert und was nicht.“ Die andere ist ein empathisches Verständnis für die Bedürfnisse des Kunden und Marktchancen.

Welche Fähigkeiten werden weniger wichtig? Tatsächlich die Maschinen laufen lassen. Der Prozess vom Design bis zum CAM wird mehr oder weniger automatisiert. Wie Walker erklärte, sollte die Maschine, wenn das Konstruktionsmodell Informationen über das Material enthielt (was immer mehr zum Standard wird), „die Intelligenz haben, den Rest zu erledigen. Entnehmen Sie die richtigen Werkzeuge aus einem Werkzeugregal mit 8.000 Werkzeugen und folgen Sie den richtigen Werkzeugwegen mit den entsprechenden Geschwindigkeiten. Die Maschine sollte über optische und akustische Überwachungsfunktionen verfügen, um Kollisionen zu vermeiden und auch die Schnittbedingungen zu messen und Geschwindigkeiten und Vorschübe entsprechend anzupassen. Das machen Anwendungstechniker heute. Wie viele brauchen wir in 30 Jahren? Hoffentlich keine.“

Allerdings warnte Holly davor, sich ausschließlich auf Jobs zu konzentrieren. Erstens wird es Jobs geben – nur andere, kreativere Jobs. Und zweitens:„Das Wichtigste ist, Innovation lokal zu halten“, sagte sie. „Es gibt viele negative Aspekte, Design und Fertigung ins Ausland zu schicken. Sie verlieren die Kontrolle über das geistige Eigentum. Es ist nicht gut für die Umwelt. Und man verliert das Mögliche aus den Augen, wenn man nicht selbst an der Herstellung beteiligt ist.“

Auf Bestellung gebaut ... vor Ort

Alle scheinen sich darin einig zu sein, dass die Fertigung geografisch viel stärker verstreut sein wird, ein Prozess, der durch die Multiplikationsfähigkeiten einzelner Werkzeugmaschinen stark unterstützt wird. Laut Yancey wollen viele Hersteller sowohl das Risiko verringern als auch Produkte näher am Kunden herstellen, um sie besser an den Markt anzupassen.

Walker stimmte zu und sagte auch voraus, dass Transportkosten und Umweltauswirkungen Unternehmen dazu veranlassen werden, vor Ort zu produzieren. Er fügte hinzu, dass es auch staatlich vorgeschriebene Offsets gibt, bei denen ein Hersteller eine bestimmte Anzahl von Teilen in einem Land produzieren muss, um Produkte in diesem Land zu verkaufen. Ein weiterer Motivator ist die Aufrechterhaltung der Rentabilität trotz Währungsschwankungen, ein Problem, das durch sinkende Margen noch verschärft wird.

Gleichzeitig wird es einen viel höheren Grad an Individualisierung und eine viel engere Lieferkette geben. Wie Tamburini zusammenfasste:„Die Praxis, die Nachfrage zu prognostizieren und Teile in Massenproduktion herzustellen, um die erwartete Nachfrage zu befriedigen, wird auf den Kopf gestellt. Es wird näher daran liegen, dass der Kunde dem Hersteller genau sagt, was er will, und der Hersteller es dann und nur dann herstellt. Digitalisierung und Automatisierung machen diesen Traum technisch und sogar wirtschaftlich realisierbar.“

Dies würde nicht für jedes Produkt gelten, und die Grenzen zwischen Standardisierung, Individualisierung und Personalisierung sind fließend. Tamburini ist sich jedoch sicher, dass die Praxis, Produkte über eine Liste vordefinierter Optionen individuell anzupassen, exponentiell zunehmen wird. Einige Produkte, wie Prothesen und Kleidung, können vollständig personalisiert werden. Ebenso sind die meisten Hersteller allgemeine Servicebüros und keine Spezialisten. Die Maschinen bauen bei Bedarf alles, was über die Cloud kommt.

Wie Walker es ausdrückte:„Heute benötigt ein Unternehmen einen Drei- bis Fünfjahresvertrag, um ein Bauteil herzustellen, da die Kosten für den Kauf, die Programmierung und die Ausstattung einer Maschine zur konsistenten und genauen Herstellung des Teils enorm sind.“ Machen Sie Maschinen automatisiert und multifunktional und eliminieren Sie einen Großteil des Einrichtungsaufwands, und die Fertigung wird wendiger und möglicherweise ein Geschäft mit geringeren Gewinnspannen. Wie Holly von Make It in LA es ausdrückt, werden der Designprozess und die Designtools und Schnittstellen sogar noch wichtiger.

Dinge am Laufen halten

Zunehmende Digitalisierung, „Hyper-Konnektivität“ und KI sollten unsere Fähigkeit, die Produktion mit einem Minimum an Arbeitskräften und Ausfallzeiten am Laufen zu halten, erheblich verbessern. Tamburini sagte, dass die meisten Daten, die jetzt gesammelt werden, verwendet werden, um zu überwachen, was in der Fabrik und in der gesamten Lieferkette vor sich geht. „Aber wir fangen an zu fragen, warum bestimmte Dinge passieren, und verwenden KI, um vorherzusagen, was passieren wird. Die nächste Phase in diesem Prozess ist der Einsatz von KI und maschinellem Lernen, um autonome Reaktionen zu ermöglichen.“

Mit anderen Worten, mit genügend Daten zur Analyse kann maschinelles Lernen den Ausfall bestimmter Teile genau vorhersagen. Mit guten Entscheidungsalgorithmen und dem Wissen über alle Produktionsanforderungen in der Werkstatt kann das System auch selbst entscheiden, was bei dem bevorstehenden Ausfall zu tun ist:das Teil bestellen, die Stillstandszeit planen, bestimmte Jobs auf andere Maschinen verschieben und so weiter. Man könnte sich sogar eine Maschine vorstellen, die sich selbst repariert oder den Roboter bestellt, der das kann, obwohl Walker sagte, er glaube nicht, dass wir jemals von der Notwendigkeit menschlicher Wartungstechniker loskommen werden. Er glaubt jedoch, dass die Maschinen hörbar mitteilen werden, was zu tun ist – keine Notwendigkeit für Handheld-Geräte oder Bildschirme und Steuerungen.

Tamburini sagte, Microsoft habe ein kopfmontiertes Produkt (HoloLens), mit dem Sie mit Hologrammen um Sie herum interagieren können. “It overlays digital info on top of reality, giving you super powers, in a sense. People are finding that augmented reality can be used to do things like provide assembly instructions, or QC instructions, or maintenance instructions, thus reducing the need for training.” For example, a remote maintenance expert can assist a local technician by pointing to a part or indicating how to move a part, as if they are both looking at the same thing in the same shop together.

Finally, Tamburini pointed out that one of the beauties of machine learning is that “the moment they get better, that capability or knowledge can be instantaneously broadcast to the entire world, because it’s just software. So everybody gets smarter and better, assuming we can share data.” He contrasted this with relying on an expert in the plant who uses his own years of experience to interpret the sounds of the machines and the like. “It’s very challenging to distribute that kind of knowledge.”

What Won’t Change

To the extent it came up at all, the experts don’t seem to think that manufacturing precision will advance much in the next 30 years. “We’re working at tolerances now where the metrology to determine the accuracy is the bigger problem,” as Walker put it. “The next step to getting better tolerances would be molecular manipulation,” (which no one envisioned). No one seemed to think that machining speed would be significantly faster either. Even the improvement to 3D printing speeds discussed earlier will be more evolutionary than revolutionary—not as significant as the increase in productivity due to software improvements. Likewise, our current ability to produce tiny components is already amazing. Wohlers referred to miniaturization as “partly a solution looking for a problem. One of the few applications are tiny sensors embedded within 3D printed parts.”

If you’re worried about the changes, Walker might comfort you with this thought:“We’ve been tweaking manufacturing since the 1780s. The next 30 years will be more tweaking, unless we come up with something truly revolutionary.” He asked me if anyone said they’d figured out how to manipulate gravity so we could fly to the moon without burning fossil fuels, knowing the answer. Come to think of it, no one mentioned the dog who kept the man from making changes to the machine, either.