Fertigung 2050: Wie Automatisierung und menschliche Innovation die Zukunft formen

Mächtige Trends werden die Fertigung bis 2050 nahe an vollständige Automatisierung bringen, während die noch in der Branche arbeitenden Menschen befähigt werden, wie nie zuvor schnell zu innovieren.

Vor Jahren sagte Warren Bennis voraus: "Die Fabrik der Zukunft wird nur zwei Mitarbeiter 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 anzufassen."

Wir sind noch nicht ganz so weit. Aber eine Reihe mächtiger, miteinander verbundener Trends wird uns bis 2050 nahe an diesen Zustand bringen, während die Menschen, die noch in der Fertigung sind, befähigt werden, schneller als je zuvor zu innovieren und zu bauen.

Multitasking und Automatisierung

Es ist eine sichere Wette, dass der durchschnittliche Werkzeugmaschine bis 2050 vollautomatisiert und leistungsfähiger sein wird. Multitasking wird üblich sein, vielleicht nahezu universell. Der Trend ist gut etabliert.

Wie Branchenveteran Scott Walker, Chairman von Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ), beobachtete: "Anfang der 2000er war der nordamerikanische Markt für Fünf-Achs-Maschinen 150. Heute sind es 3.000. Maschinen kombinieren auch Schleifen und Fräsen, oder Laserauftragschweißen und Fräsen, oder Schleifen und Werkstoffhärtung." Er fügte hinzu, dass der Vorteil die Fähigkeit sei, mehr innerhalb des Arbeitsraums zu erledigen, der "Albtraum" aber war, all diese Funktionen ordnungsgemäß und konsistent zum Laufen zu bringen. "Aber das wird sich ändern, wenn Technologie, Überwachung und Software alle besser werden."

Der Elefant im Raum für viele Hersteller ist das Ausmaß, in dem 3D-Druck die Technologiemischung verändern wird, und darüber hinaus seine Implikationen für Produktdesign und viele andere Themen. Bisher haben Geschwindigkeitsbegrenzungen und hohe Rohmaterialkosten der additiven Fertigung die Lebensfähigkeit über Prototyping hinaus stark limitiert. Aber Terry Wohlers, Principal Consultant und Präsident von Wohlers Associates (Fort Collins, CO), sagte, Geschwindigkeit "wird kein Feind mehr sein" bis 2050.

Nehmen Sie ein Pulverbett-System: Der Großteil der Produktionszeit liegt im Abtasten der Oberfläche mit dem Laser zum Verschmelzen des Materials. "Aber Systeme sind jetzt 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 erfordern diese Ansätze viel Energie, was teuer ist. Wohlers glaubt, wir werden diese Limitierungen überwinden, vielleicht indem wir "die Energie der Sonne direkt nutzen, um Material zu schmelzen, statt in eine 440-Volt-Steckdose zu stecken."

Wohlers fügte hinzu, dass Directed Energy Deposition inhärent schneller als das Pulverbettverfahren für den Aufbau metallischer Komponenten ist, aber "Anwender in den Objekten limitiert sind, die sie erstellen können, und es einen Trade-off in der Auflösung gibt, der generell Nachbearbeitung erfordert, und manchmal eine erhebliche Menge." Das bringt uns zurück zu Hybridsystemen, die Additive mit CNC-Fräsen kombinieren. Wie Walker glaubt Wohlers, dass die Probleme, diese beiden Ansätze harmonisch zusammenarbeiten zu lassen, in den nächsten 32 Jahren weitgehend gelöst sein werden.

Ein weiterer Faktor für stärkere Nutzung additiver Techniken ist ein erwarteter Rückgang der Materialkosten und ein breiteres Sortiment. "Heutige Maschinen arbeiten nur mit ein paar Dutzend Thermoplasten, zum Beispiel", sagte Wohlers, "doch tausende sind für konventionelle Fertigung verfügbar."

Vielleicht wichtiger: Die in 3D-Druck verwendeten Polymere kosten bis zu 50-mal so viel wie ähnliche Polymere für konventionelle Fertigung. Das setzt den Break-even-Punkt in die Hunderte bis Tausende von Einheiten, abhängig von der Teilegröße. Wohlers sagte, viele Patente auf Maschinen, die Teile mit Polymeren produzieren, seien abgelaufen, was zu neuen Maschinen führt, die günstigere Materialien nutzen. "Der Break-even-Punkt wird sich dramatisch verbessern, sodass Additive Fertigung dem Spritzguss für ein viel breiteres Produktspektrum Konkurrenz machen wird, einschließlich höherer Volumenanwendungen."

Ein ähnlicher Fall lässt sich für Metall machen, aber Walker ist zum Beispiel skeptisch, dass Additive Fertigung ein Kostenprofil in Metallen erreichen wird, das den Ersatz traditioneller Methoden rechtfertigt. "Es ist so viel einfacher, 60 Tonnen zu erhitzen und Blech zu walzen, als etwas mit Metallpulver oder Beschichtung aufzubauen", sagte Walker. "Ich sehe Additive Fertigung als Funktion, die man in einen Maschinenumfang einbauen kann, um dem Prozess Wert hinzuzufügen. Aber ich sehe sie nicht als Ersatzprozess für die Stahlherstellung, es sei denn, die Technologie ändert sich und wir erreichen den Punkt molekularer Manipulation mit einer anderen Energiequelle."

Additive Fertigung hat noch ein Ass im Ärmel, zumindest für einige Spieler: Die Fähigkeit, Formen zu schaffen, die sonst unmöglich wären. Das eröffnet nicht nur Potenzial für neue Produkte und Features, es hilft auch, 3D-Drucks Geschwindigkeitsproblem zu lindern. Denn eine offene Gitterstruktur, die durch 3D-Druck möglich ist, kann die erforderliche Festigkeit und Steifigkeit für viele Anwendungen mit weit weniger Material erreichen als eine massive Struktur. Und 3D-Drucks Produktionsgeschwindigkeit ist direkt proportional zum Kubikvolumen des Materials. Seltsame neue Strukturen überlappen sich schön mit unserem nächsten Thema.

Automatisiertes, kreatives Design

In Walkers Sicht steht die Fertigung vor ihren größten Produktivitätsgewinnen in zwei Bereichen, einer davon ist die Digitalisierung aller Arbeit, die nötig ist, um einen Fertigungsprozess vorzubereiten. "Heute beginnt ein Designer mit einem digitalen Modell, generiert dann einen Werkzeugpfad ... dann entwirft jemand eine Vorrichtung ... dann bekommt man ein Schmiedeteil ... dann füttert ein Applikationsingenieur das Programm tropfenweise in die Maschine und geht Werkzeug für Werkzeug und überwacht, wie der Schnitt klingt und aussieht ... und schließlich bringt er die Maschine dazu, das Teil zu machen ... und dann verfeinert er alle Bewegungen, um die Zykluszeit zu reduzieren." Es ist eigentlich noch schlimmer, weil das Erhalten des initialen Designs auch umständlich ist. Zum Glück arbeiten viele kluge Köpfe hart daran, jeden Teil dieses Prozesses zu erleichtern und zu beschleunigen.

Am vorderen Ende hilft Generative-Design-Technologie einer immer breiteren 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 Machine Learning und künstliche Intelligenz (KI), um automatisch Hunderte von Designs zu generieren, die jeweils die Kriterien des Designers für Festigkeit, Kosten, Fertigungsmethode, Material usw. erfüllen. Was mehr ist, erklärte Bob Yancey, Autodesks Director of Manufacturing and Production Strategy, die Designs seien "nicht nur irgendeine unmöglich zu nutzende idealisierte Geometrie, sie sind echte funktionsfähige CAD-Modelle, die in CAD-Software weiter bearbeitet werden können."

Sie sind auch das, was Yancey als "fertigungsbewusst" bezeichnet, was bedeutet, sie begannen mit den gewünschten Fertigungsmethoden als Constraint von Anfang an. "Wenn Sie also spezifizieren, dass das Teil auf einer Fünf-Achs-CNC bearbeitbar sein muss, werden all Ihre Designoptionen diesem Constraint entsprechen", sagte er.

Es eliminiert nicht den Bedarf an einem menschlichen Designer. Wie Yancey es ausdrückte: "Die Designherausforderung mit Präzision und Expertise zu beschreiben, ist eine Ingenieursfähigkeit, die nicht verschwinden wird. Was Generative-Design-Software tut, ist, Ihnen mehr Designoptionen zu geben, als irgendein Mensch allein konzipieren könnte, sodass Sie größeres Vertrauen haben, dass Sie weit mehr Optionen berücksichtigen und bessere Ergebnisse erzielen. Wir sehen dies als Zukunft der Co-Creation zwischen Ingenieur und Computer, oder menschlicher und künstlicher Intelligenz."

Vielleicht noch tiefergehend: Die Designs sind oft überraschend und überlegen gegenüber dem, was ein Mensch sich vorgestellt hätte. Wie Diego Tamburini, Principal Industry Lead – Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division für Microsoft (Redmond, WA) es ausdrückte: "Wenn ich vor meinem CAD-Tool sitze, um ein Teil zu designen, habe ich bereits 1.000 Vorurteile darüber, wie es aussehen sollte, basierend auf Jahrhunderten früherer Designs. KI hat keine solchen Vorstellungen. Und während ich zustimme, dass Design-Automatisierung ein hartes Problem ist und es schwierig ist, sich einen Computer vorzustellen, der komplexe Gegenstände entwirft, müssen wir erkennen, dass umgekehrt viele Fälle existieren, in denen wir mit suboptimalen menschlichen Designs leben."

Einige unserer Vorurteile stammen aus unserer Erfahrung mit Rohmaterialien, die auf Blöcke, Stangen und Bleche beschränkt sind. Aber 3D-Druck ist nicht auf diese Rohmaterialien beschränkt. Noch ist er in den Formen limitiert, die er erstellen kann.

Wenn man diese Constraints entfernt und die KI arbeiten lässt, schafft Generative Design oft Formen, die "völlig anders sind als das, was wir gewohnt sind. Organischer, wie Tierknochen", sagte Tamburini. Wohlers bekräftigte dies und sagte, die Natur biete hervorragende Beispiele für Strukturen mit bemerkenswerten Festigkeits-Gewichts-Verhältnissen. Bis vor Kurzem produzierten 3D-Drucker Gitter-, Netz- oder Zellstrukturen, definiert durch Standardprogramme mit wenig Verständnis ihrer Festigkeitseigenschaften. "Die neuesten Topologie-Optimierungstools können konstruierte Gitter- und Netzstrukturen mit Gewissheit der Festigkeit erzeugen", sagte Wohlers. "In der Zukunft könnten wir superleichte Strukturen in verschiedenen Metalllegierungen sehen, die leichter sind als Carbonfaser-Verbundwerkstoffe, die zeitaufwendig herzustellen und teuer sind."

Tamburini sagte, er habe Fälle gesehen, in denen der Computer eine gitterförmige Form vorschlug, die dem Menschen kein Vertrauen einflößte (sie wirkt zu leicht und flimsy), sodass der Designer sie mit etwas überdeckte, damit sie stabiler aussieht. Menschen bleiben Menschen, nach allem.

Prozess beschleunigen

Krisztina "Z" Holly, Gründerin und Chief Instigator von Make It In LA (Los Angeles) unterstrich den Nutzen der Kombination immer schlauerer Software mit 3D-Druck und anderen neuen Technologien (wie Virtual Reality), um den iterativen Produktentwicklungszyklus massiv zu beschleunigen. Neben der Fähigkeit, früher im Prozess mehr Feedback vom Konsumenten 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 designen, die sie wollen", sagte sie. "Es wird auch für Unternehmer einfacher, ein Fertigungsgeschäft zu starten. Welche Art von Produkten wird verfügbar, wenn Menschen ein physisches Produktgeschäft so leicht starten können wie ein digitales?"

Ein von ihr envisionedes Ergebnis: "Zwei Fähigkeitssets werden unglaublich wertvoll. Eines ist tiefe technologische Fähigkeiten für das Codieren dieser Systeme und das Verständnis der Feinheiten, was funktioniert und was nicht. Das andere ist empathisches Verständnis der Bedürfnisse des Kunden und Marktchancen."

Welche Fähigkeiten werden weniger kritisch? Eigentlich das Bedienen der Maschinen. Der Prozess von Design zu CAM wird mehr oder weniger automatisiert. Wie Walker erklärte, wenn das Designmodell Informationen über das Material enthielt (was zum Standard wird), sollte die Maschine "die Intelligenz haben, den Rest zu tun. Die richtigen Werkzeuge aus einem 8.000-Werkzeug-Magazin nehmen und die korrekten Werkzeugpfade mit den appropriate Geschwindigkeiten folgen. Die Maschine sollte Vision und akustische Überwachungsfähigkeiten haben, um Kollisionen zu vermeiden und auch Schneidbedingungen einzuschätzen und Geschwindigkeiten und Vorschübe entsprechend anzupassen. Das machen Applikationsingenieure heute. Wie viele werden wir in 30 Jahren brauchen? Hoffentlich keine."

Nachdem dies gesagt war, warnte Holly vor einem Fokus ausschließlich auf Jobs. Erstens wird es Jobs geben – nur andere, kreativere Jobs. Und zweitens: "Das Wichtige ist, Innovation lokal zu halten", sagte sie. "Es gibt viele Nachteile, Design und Fertigung ins Ausland zu verlagern. Man verliert Kontrolle über geistiges Eigentum. Es ist nicht gut für die Umwelt. Und man verliert den Blick darauf, was möglich ist, es sei denn, man hat die Hände in der Fertigung selbst."

Auf Bestellung gefertigt ... lokal

Alle scheinen sich einig zu sein, dass Fertigung viel stärker geografisch verteilt wird, ein Prozess, der durch die sich vervielfachenden Fähigkeiten einzelner Werkzeugmaschinen stark unterstützt wird. Yancey sagte, viele Hersteller wollen sowohl Risiko verringern als auch Produkte näher am Kunden fertigen, um sie besser an den Markt anzupassen.

Walker stimmte zu und sagte auch voraus, dass Transportkosten und Umweltauswirkungen Unternehmen antreiben werden, lokal 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 verkaufen zu dürfen. Ein weiterer Motivator ist die Aufrechterhaltung der Rentabilität trotz Währungsschwankungen, ein Problem, das durch schrumpfende Margen verschärft wird.

Gleichzeitig wird es einen viel höheren Grad an Individualisierung und eine viel engere Lieferkette geben. Wie Tamburini zusammenfasste: "Die Praxis, Nachfrage vorherzusagen und Teile in Massenproduktion herzustellen, um erwartete Nachfrage zu decken, wird auf den Kopf gestellt. Es wird näher daran sein, dass der Kunde dem Hersteller genau sagt, was er will, und der Hersteller es dann und nur dann macht. Digitalisierung und Automatisierung machen diesen Traum technisch und sogar ökonomisch machbar."

Das würde nicht für jedes Produkt gelten, und die Grenzen zwischen Standardisierung, Individualisierung und Personalisierung sind verschwommen. Aber Tamburini ist sicher, dass die Praxis, Produkte über eine Liste vordefinierter Optionen zu individualisieren, exponentiell wachsen wird. Einige Produkte, wie Prothesen und Kleidung, könnten vollständig personalisiert werden. Ebenso werden die meisten Hersteller generalisierte Dienstleister und keine Spezialisten sein. Die Maschinen werden bauen, was über die Cloud kommt, auf Abruf.

Wie Walker es ausdrückte: "Heute braucht ein Unternehmen einen Drei- bis Fünfjahresvertrag, um eine Komponente zu fertigen, weil die Kosten für Kauf, Programmierung und Einrichten einer Maschine, um das Teil konsistent und präzise zu fertigen, enorm sind." Machen Sie Maschinen automatisiert und multifunktional und eliminieren Sie einen Großteil des Rüsteinwands, und Fertigung wird zu einem agileren, und vielleicht niedrigmargigeren Geschäft. Wie Holly von Make It in LA es hätte, werden der Designprozess und die Design-Tools und -Interfaces noch wichtiger.

Dinge am Laufen halten

Erhöhte Digitalisierung, "Hyper-Konnektivität" und KI sollten unsere Fähigkeit stark verbessern, die Produktion mit minimalem Personal und Ausfallzeiten am Laufen zu halten. Tamburini sagte, die meisten jetzt gesammelten Daten werden genutzt, um zu überwachen, was in der Fabrik und in der gesamten Lieferkette passiert. "Aber wir fangen an zu fragen, 'warum' bestimmte Dinge passieren und nutzen KI, um vorherzusagen, was passieren wird. Die nächste Phase in diesem Prozess ist, KI und Machine Learning zu nutzen, um autonome Reaktionen zu ermöglichen."

Mit anderen Worten: Mit genug Daten zur Analyse kann Machine Learning spezifische Teileausfälle präzise vorhersagen. Mit guten Entscheidungsalgorithmen und Wissen über alle Produktionsanforderungen auf dem Shopfloor kann das System auch selbst entscheiden, was bei dem drohenden Ausfall zu tun ist: Teil bestellen, Stillstand planen, bestimmte Jobs auf alternative Maschinen verlegen usw. Man könnte sich sogar eine Maschine vorstellen, die sich selbst repariert oder den Roboter bestellt, der es kann, obwohl Walker sagte, er glaube nicht, dass wir je ganz von menschlichen Wartungstechnikern wegkommen. Er denkt jedoch, die Maschinen werden hörbar kommunizieren, was zu tun ist – keine Handheld-Geräte oder Bildschirme und Bedienelemente nötig.

Tamburini sagte, Microsoft hat ein kopfmontiertes Produkt (HoloLens), das es ermöglicht, mit Hologrammen um sich herum zu interagieren. "Es legt digitale Infos über die Realität, gibt Ihnen Superkräfte, in einem Sinne. Leute finden, dass Augmented Reality genutzt werden kann, um Dinge wie Montageanweisungen, QC-Anweisungen oder Wartungsanweisungen zu geben, was den Schulungsbedarf reduziert." Zum Beispiel kann ein entfernter Wartungsexperte einen lokalen Techniker unterstützen, indem er auf ein Teil zeigt oder anzeigt, wie man ein Teil bewegt, als wären sie beide im selben Laden zusammen.

Schließlich wies Tamburini darauf hin, dass eine der Schönheiten von Machine Learning ist, dass "der Moment, in dem sie besser werden, diese Fähigkeit oder Wissen instantan in die ganze Welt übertragen werden kann, weil es nur Software ist. Also wird jeder klüger und besser, vorausgesetzt, wir können Daten teilen." Er kontrastierte dies mit dem Verlassen auf einen Experten in der Anlage, der seine eigenen Jahre der Erfahrung nutzt, um die Geräusche der Maschinen zu interpretieren. "Es ist sehr herausfordernd, diese Art von Wissen zu verteilen."

Was sich nicht ändern wird

Soweit es zur Sprache kam, scheinen die Experten nicht zu glauben, dass Fertigungspräzision in den nächsten 30 Jahren viel fortschreiten wird. "Wir arbeiten jetzt an Toleranzen, wo die Messtechnik zur Bestimmung der Genauigkeit das größere Problem ist", wie Walker es ausdrückte. "Der nächste Schritt zu besseren Toleranzen wäre molekulare Manipulation", (was niemand vorhersagte). Niemand schien zu denken, dass Bearbeitungsgeschwindigkeit signifikant schneller sein wird. Selbst die Verbesserung der 3D-Druckgeschwindigkeiten, die früher besprochen wurde, wird eher evolutionär als revolutionär sein – nicht so signifikant wie der Produktivitätszuwachs durch Softwareverbesserungen. Ebenso ist unsere aktuelle Fähigkeit, winzige Komponenten herzustellen, bereits erstaunlich. Wohlers bezeichnete Miniaturisierung als "teils eine Lösung, die nach einem Problem sucht. Eine der wenigen Anwendungen sind winzige Sensoren, eingebettet in 3D-gedruckte Teile."

Wenn Sie sich über die Änderungen Sorgen machen, könnte Walker Sie mit diesem Gedanken trösten: "Wir tweaken Fertigung seit den 1780ern. Die nächsten 30 Jahre werden mehr Tweaking sein, es sei denn, wir kommen mit etwas wirklich Revolutionärem." Er fragte mich, ob jemand gesagt habe, sie hätten herausgefunden, wie man Schwerkraft manipuliert, damit wir zum Mond fliegen können, ohne fossile Brennstoffe zu verbrennen, wissend die Antwort. Beim Nachdenken: Niemand erwähnte den Hund, der den Mann davon abhielt, Änderungen an der Maschine vorzunehmen, auch nicht.