Digital Manufacturing [Digitale Fertigung] : Definition, Anwendungsfälle, Vorteile und Technologien

Was ist Digital Manufacturing?

Der Sammelbegriff Digitale Produktion (auch Digitale Fertigung oder Digital Manufacturing genannt) umfasst verschiedene industrielle Fertigungsverfahren, die mit Hilfe von Computertechnologie in Prozesse überführt werden. In den unterschiedlichen Phasen während des gesamten Produktionsprozesses können unterschiedliche Verfahren (beispielsweise Kunststoff-Spritzguss-, additive und generative Fertigungsverfahren, CNC) und Materialien eingesetzt werden, um Fertigungsprozesse flexibler zu gestalten.

Die Digitale Produktion bildet den gesamten Produktlebenszyklus ab und setzt auf Smart Factory-Technologien, um Produktionsumgebungen zu gestalten und zu optimieren. Alle Maßnahmen und (informations-)technischen Systeme zielen darauf ab, die Produktentwicklung zu beschleunigen, die Kosten der Produktion zu reduzieren und die Lieferkette zu optimieren.

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Es handelt sich hierbei um einen Teilbereich der Industrie 4.0. Die Digitale Fertigung verbindet CAD-Konstruktion mit modernen Fertigungstechnologien, Robotik und Sensorik. Die hierbei anfallenden Daten werden als Basis für eine vorausschauende Planung, Steuerung und Produktion und zur kontinuierlichen Optimierung der Prozesse genutzt.

Infomaterial

Die drei Hauptbereiche der Digitalen Fertigung

Ein Digital Manufacturing System besteht in der Regel aus diesen drei Hauptbereichen:

  • Gestaltung und Planung des gesamten Produktlebenszyklus,
  • Einsatz von Smart Factory-Technologie zur produktiven Umsetzung sowie
  • aktives Management der Wertschöpfungskette entlang des Produktlebenszyklus.

Am Anfang steht bei der Digitalen Produktion die vorausschauende Planung des gesamten Lebenszyklus der zu fertigenden Produkte. Hierbei werden sämtliche Phasen des Produktlebenszyklus berücksichtigt und mit Datenmodellen simuliert. Dadurch sollen mögliche Probleme und Herausforderungen im Design möglichst früh erkannt und beseitigt und Anpassungen während der Fertigung einfacher umgesetzt werden können.

Sobald das Produktdesign und die dafür erforderlichen Kapazitäten und Materialien definiert sind, erfolgt die eigentliche Produktion in einer Smart Factory, also einer digitalisierten, vernetzten und weitgehend automatisierten Produktionsumgebung. Smarte Maschinen, die mit Sensoren und anderen Überwachungswerkzeugen ausgestattet sind, ermöglichen die maximale Transparenz sämtlicher Produktionsprozesse und die schnelle Anpassung von Prozessschritten, Abläufen oder dem Produktdesign, um die Produktion unter Leistungs- und Kostenaspekten zu optimieren.

Auch der dritte Bereich, das Wertschöpfungskettenmanagement, zielt darauf ab, die Produktionsprozesse in der digitalen Fertigung unter Kosten-, Zeit- und Qualitätsaspekten immer weiter zu optimieren. Durch diese kontinuierliche Verbesserung lassen sich Bestände und Ausfallzeiten reduzieren, um die geforderte Qualität zuverlässig zu gewährleisten.

Digitale Produktion - Anwendungsfälle

Wie andere Industrie 4.0-Anwendungen wird auch Digital Manufacturing in der Automotive-Industrie und weiteren Industrien mit hohem Automatisierungsgrad genutzt.

Automotive-Industrie

Die Automotive-Industrie ist unter anderem durch eine Just-in-Time-/Just-in-Sequence-Beschaffung gekennzeichnet, die Lieferanten vor große Herausforderungen stellt. Tier 2- und Tier 3-Produzenten müssen ausreichende Bestände an Roh-, Halb- und Fertigwaren lagern, um Produktionsausfälle (z. B. aufgrund einer defekten Maschine) kompensieren zu können. Mit einer Digitalen Produktion können die eigenen Maschinen und Zulieferer exakter eingetaktet werden, um Engpässe zu vermeiden und bei Bedarf zusätzliche Produktionskapazitäten zu nutzen.

Chemische Industrie

Hochautomatisierte Fertigungsanlagen, etwa zur Produktion von Düngemitteln, werden in der Regel rund um die Uhr betrieben, um teure und unwirtschaftliche Standzeiten zu vermeiden. Zwar verfügen komplexe Maschinen über Sensoren, die Fehler erkennen und in einem solchen Fall die Produktion sofort unterbrechen, doch wünschenswert wäre eine vorausschauende Bewertung, die Ausfallzeiten minimiert und es ermöglicht, Wartungen und den Austausch von Verschleißteilen in betriebsruhigeren Zeiten vorzunehmen. Mit einem Digital Manufacturing-Konzept, das neben den Maschinendaten auch Informationen und Messwerte aus der Anlagenperipherie sammelt und auswertet, können Anomalien frühzeitig erkannt und entsprechende Anpassungen vorgenommen werden.

Digital Manufacturing – Vorteile

Für Fertigungsunternehmen bietet die Digitale Produktion zahlreiche Vorteile:

  • Die Prozesskosten sinken durch einen hohen bis maximalen Automatisierungsgrad.
  • Die Reaktionszeiten können verkürzt werden, wodurch Unternehmen schneller auf sich verändernde Kundenanforderungen und -erwartungen reagieren können.
  • Produkte können einfacher nach Kundenwünschen individualisiert werden, bis zu einer idealen Losgröße von 1, also einer seriellen Einzelfertigung.
  • Hierdurch ergeben sich für Unternehmen neue Marktchancen und Möglichkeiten, schneller als der Wettbewerb auf neuen Märkten präsent zu sein und Kunden an sich zu binden.
  • Auch die Entwicklung von neuen Produkten wird durch die Digitale Fertigung beschleunigt, die Time-to-Market kann dauerhaft verkürzt werden.
  • Sämtliche angebundenen Prozesse sind transparent und können anhand von Daten verglichen und optimiert werden.
  • Die Qualität der Produkte und Prozesse kann in Echtzeit überwacht und gesteuert werden, Eingriffe in den Produktionsablauf sind sehr viel schneller, gezielter und damit effizienter möglich.

Schlüsseltechnologien der digitalen Produktion

Die digitale Fertigung setzt vor allem auf drei Schlüsseltechnologien:

  • Kunststoff-Spritzguss,
  • Additive / generative Fertigung sowie
  • CNC-Bearbeitung.

Das Spritzgussverfahren zählt zu den bedeutsamsten Produktionsverfahren bei der Verarbeitung von Kunststoffen und eignet sich aufgrund einiger spezifischer Vorteile besonders, um auch komplizierte Formteile für die Massenproduktion zu fertigen. So lässt sich hiermit direkt aus dem Rohstoff und ohne oder nur mit geringem Nachbearbeitungsaufwand das Fertigteil herstellen. Zudem sind die Verfahren vollständig automatisierbar und bieten eine hohe Produktionsgenauigkeit, auch bei der Massenfertigung.

Die additive Fertigung, auch als 3D-Druck bekannt, ermöglicht die Produktion von dreidimensionalen Gegenständen aller Art und Form, die zudem aus zahlreichen unterschiedlichen Materialien gefertigt werden können. Basis für die additive Fertigung ist ein digitales Modell des zu erzeugenden Gegenstandes, das etwa in Form einer CAD-Datei vorliegt und automatisiert verarbeitet wird.

CNC ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, bei dem das Schneiden und Formen von Teilen aus Metall oder anderen Materialien computergesteuert erfolgt. Durch die Kombination mit den anderen beiden Produktionsverfahren lassen sich so nahezu alle Formen automatisiert umsetzen und realisieren.

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Fragen und Antworten

Was ist Digital Manufacturing?

Beim Digital Manufacturing oder der Digitalen Produktion werden industrielle Produktionsprozesse vorausschauend geplant, digitalisiert und automatisiert umgesetzt. Die Digitale Fertigung stellt einen Teilbereich der Industrie 4.0 dar, bei dem CAD-Konstruktion, Robotik und Sensorik verbunden werden.

Welche Vorteile bietet die Umstellung auf eine Digitale Produktion?

Insgesamt bietet die Umstellung auf eine Digitale Produktion erhebliche Vorteile: Angefangen bei einer dauerhaften Kostenreduktion über die Verkürzung der Reaktionszeiten bis zu einer stärkeren Kundenorientierung und Kundenbindung bietet die Digitale Fertigung Unternehmen zahlreiche Chancen, neue Märkte und Kunden zu erschließen und die eigenen Prozesse zu verbessern und transparenter zu gestalten.

Welche sind die drei wichtigsten Digital Manufacturing Tools?

Die drei wichtigsten Digital Manufacturing Tools sind der Kunststoff-Spritzguss, die additive bzw. generative Fertigung (auch bekannt als 3D-Druck) sowie die CNC-Bearbeitung von Werkstücken. Durch die Kombination dieser Technologien und die Nutzung von Daten zur Planung, Steuerung und Überwachung des gesamten Produktlebenszyklus lassen sich Produktionsprozesse schrittweise optimieren, absichern und transparenter gestalten.

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