Intelligente Produkte verändern Märkte und Branchen und stellen bewährte Geschäftsmodelle in Frage. Die Unternehmen müssen lernen umzudenken. Die Fülle an Daten und Funktionen der vernetzen Produkte ermöglichen eine neue Qualität der Kundenbeziehungen, die gleichzeitig neue Unternehmensstrukturen, -funktionen und -prozesse erfordert. Und eben auch intelligentere IT-Lösungen, die in der Lage sind, diesen Wandel zu unterstützen.

In den letzten Jahren ist viel über Industrie 4.0 und die intelligente Fabrik diskutiert worden. So wichtig eine flexible, sich selbst steuernde Fertigung gerade für deutsche Unternehmen sein mag – die eigentliche Herausforderung liegt meines Erachtens in der Entwicklung dieser intelligenten Produkte: Produkte mit immer mehr Funktionen, die durch Elektronik und Software gesteuert werden; Produkte, die nach der Markteinführung weiter leben und weiter gepflegt werden müssen, um Kunden neue Services anbieten zu können.

Den PLM-Systemen, die in den meisten Unternehmen das Rückrat der Produktentwicklung bilden, wachsen damit neue Aufgaben zu. Sie müssen einem noch breiteren Anwenderkreis den einfachen Zugang zu Daten und Funktionen ermöglichen. Das erfordert neue, Cloud-basierte Betreibermodelle, die gerade kleineren Unternehmen eine schnelle Implementierung ermöglichen. Sie müssen in der Lage sein, Sensordaten vernetzter Produkte zu erfassen und in die Entwicklung zurückzuspielen, um sie beispielsweise mit Hilfe eines digitalen Zwillings (Digital Twin) auszuwerten. Und sie müssen die disziplinenübergreifende Entwicklung dieser Produkte durch ein integriertes Application Lifecycle Management (ALM) unterstützen.

Für die PLM-Hersteller heißt das, dass auch sie ihre Produkte fit für das Internet of Things (IoT) machen müssen. Wir bei PTC haben diese Herausforderung frühzeitig erkannt und mit der Integration der ThingWorx-Technologie in unsere PLM-Lösung die Grundlagen geschaffen, um digitale und reale Produktwelten intelligent miteinander zu vernetzen.

Marktpotential und Technologiekampf

Studien zu Folge werden bis 2020 über 25 Milliarden Produkte online miteinander vernetzt sein. Unternehmen im digitalen Umfeld steht in den kommenden Jahren ein harter Technologiekampf bevor. Und um es vorwegzunehmen. Nur ein Bruchteil des Marktes wird aus aktiven Geräten wie Smartphones, Notebook etc. bestehen. Den viel größeren Teil werden alltägliche Gebrauchsgegenstände wie die viel zitierte Zahnbürste, Kleidung oder der Küchensessel ausmachen. Doch wie stehen die Chancen für RFID, Bluetooth, NFC, WIFI und Co. in diesem Markt? Welche Vor- und Nachteile bieten die unterschiedlichen Kommunikationstechnologien und wie sehen mögliche Einsatzgebiete aus? Und um das technologische Netz weiter zu spannen: Welche Rolle nehmen Softwarealgorithmen und Datenqualifizierung sowie die sichere Speicherung bei dem stetig steigenden Berg an Informationen ein?

IoT Kommunikationstechnologien und ihre Einsatzgebiete

Eines haben alle Kommunikationstechnologien gemein: Sie stellen einen kontaktlosen Datenaustausch sicher. Doch das ist auch schon die einzige Ähnlichkeit. Angefangen von Unterschieden in Reichweite, Datenübertragungsrate und Preis, kristallisieren sich klare Einsatzgebiete heraus. Der erste Artikel dieser Reihe behandelt aufgrund des starken Industriefokus die vielfach unterschätzte RFID Technologie.

Teil 1: Das industrielle Urgestein: RFID Technologie

Die Radio Frequency Identification Technologie ist eine der ältesten Funktechnologien zum kontaktlosen Identifizieren und Beschreiben von Objekten. Sie lässt sich in niederfrequent (LF, KHz Bereich), hochfrequent (HF, MHz Bereich) und ultra-hochfrequent (UHF, GHz Bereich) untergliedern wobei zusätzlich noch zwischen batteriebetriebenen aktiven, halb-aktiven und passiven Systemen, bei denen die Stromversorgung durch das Lesegerät erfolgt, unterschieden wird.  Aufgrund des hohen Wartungsaufwandes für den Batterietausch bei aktiven RFID-Tags geht die Markt-Tendenz ganz klar in Richtung passive RFID-Lösungen, die auch wir bei 7iD Technologies empfehlen. Die Wahl des Frequenzbandes hängt stark von der gewünschten Reichweite und der Umgebung im gewünschten Anwendungsfall ab. Bei sicherheitskritischen Einsatzgebieten wie Zutrittssystemen, ist verschlüsseltes Lesen von Objekten, Gegenständen oder Personen im Nahfeld zu bevorzugen. Hier können LF und HF RFID bzw. auch Near Field Communication (NFC) ihre Stärken ausspielen. Sollen stattdessen viele, sich teils schnell bewegende Objekte über große Distanzen identifiziert werden, kommen UHF Komponenten zum Einsatz. Ein mögliches Szenario im industriellen Umfeld wäre etwa die automatische Erkennung ein- und ausfahrender LKWs und deren Beladung, um Rückstaus an den Durchfahrtstoren von Logistikdienstleistern zu verhindern. Ein weiteres oft unterschätztes Ausschlusskriterium ist die physikalische Limitierung der Funktechnologien aufgrund ihrer Wellenlänge. Beispielsweise bedarf es bei UHF Lösungen Fingerspitzengefühl bei hoher (Luft-)Feuchtigkeit, metallischer Umgebung und großer Hitze, da elektromagnetische Wellen im GHz-Frequenzbereich reflektiert bzw. absorbiert werden. Aus ökonomischer Sicht gibt es keinen eindeutigen Gewinner. Aufgrund der günstigen Tag-Preise hat die UHF Technologie bei großen Stückzahlen ihre Vorteile. Dafür sind die Lesegeräte teurer als bei LF und HF System. Projekterfahrungen aus unterschiedlichen Industrien wie beispielsweise Logistik, Railway und Produktion zeigen, dass sich die Technologieauswahl aus einer ausgewogene Mischung zwischen Kundenerwartungen, dem zu lösenden Problem, der Bedingungen vor Ort, den technologischen Möglichkeiten und den Projektkosten ergibt. 

In den nächsten Teilen dieser Reihe werden weitere Kommunikationstechnologien mit stärkerem Konsumentenfokus wie NFC, Bluetooth und WIFI sowie IoT Softwareplattformen als Dreh- und Innovationstreiber des „Internet of Things“ vorgestellt und genauer beleuchtet. Softwareplattformen wie jene von 7iD, werden in Zukunft eine immer größere Bedeutung zukommen, da sie den Einstieg in die Technologie erleichtern, System-Komplexität reduzieren und Zeit und Nerven vor, während und nach bei der Umsetzung sparen.

Die Additive Fertigung entwächst derzeit ihren begrenzten Anfängen im Rapid Prototyping. Immer mehr Unternehmen erkennen, dass das Verfahren ihnen auch in der Serienproduktion ungeahnte Möglichkeiten eröffnet. Hersteller aus unterschiedlichsten Branchen möchten das Potenzial ausschöpfen, durch 3D-Druck-Technologien ihr Produktportfolio deutlich zu verändern und zu erweitern. Derzeit sind es noch Fertigungsunternehmen im Bereich hochwertiger Güter aus Branchen wie Luftfahrt und Biomedizin, die die Speerspitze unter den Anwendern Additiver Fertigung bilden, gefolgt vom Automotive-Bereich und dem Werkzeug- und Formenbau.

Additive Fertigung erreicht die Massenproduktion

Aber auch für die industrielle Serienfertigung ist die neue Technologie hochrelevant. Zu den großen Vorteilen der Additiven Fertigung gehört es, dass Unternehmen durch sie Teile mit variablem Design herstellen und eine kundenindividuelle Massenproduktion aufnehmen können. Additive Fertigung ist zudem in der Lage, die Leistungsfähigkeit zu erhöhen und die Qualität zu steigern, indem Produkte langlebiger, widerstandsfähiger und leichter werden. Hersteller können durch 3D-Druck Komponenten mit komplexeren Funktionen fertigen, ihre Kosten reduzieren, die Produktion beschleunigen und die Supply Chain für ihre Fertigung verkürzen. Die Technologie ist inzwischen so ausgereift und hat ein solch hohes Niveau erreicht, dass Unternehmen aus Luftfahrt und Medizintechnik sie bereits regelmäßig verwenden, um mit ihr Funktionsteile für Nischenanwendungen herzustellen. Je weiter und schneller sich der 3D-Druck in der Fertigungsindustrie aber verbreitet, desto wichtiger wird es, die mit ihm hergestellten Teile zu prüfen und zu zertifizieren. Vor einer Markteinführung der Produkte ist dies unerlässlich.

ISO/TC 261 und ASTM F42 treiben die Standardisierung voran

Wegen der inhärenten Charakteristik des Prozesses unterscheiden sich Produkte aus Additiver Fertigung erheblich von solchen aus konventioneller Produktion. Wenn die Qualität auf jeder Stufe des Additiven Fertigungsprozesses sichergestellt werden soll, um Teile mit einem konstant hohen Qualitätsniveau zu produzieren, ist es notwendig, nicht nur das fertige Produkt zu prüfen, sondern auch Prüfungen während des Prozesses durchzuführen. Eine der größten Herausforderungen für die Qualitätssicherung und Zertifizierung in der Additiven Fertigung besteht darin, geeignete Standards zu schaffen: für die Materialien, die Prozesse und die Produkte. Die Entwicklung entsprechender Standards wird derzeit von zwei Normierungsorganisationen in gemeinsamer Arbeit vorangetrieben: von „ISO/TC 261 Additive manufacturing“ und vom „ASTM International Technical Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies“. Nach eingehenden Beratungen haben ISO/TC 261 und ASTM F42 Ende 2013 ein koordiniertes Vorgehen beschlossen: einen „Joint Plan for Additive Manufacturing Standards Development“.

Struktur der neuen Normen

Die Normierungsverfahren sind dabei in drei Ebenen gegliedert: die General Top-Level Standards, die Category Standards und schließlich die Specialized Standards. Bei der allgemeinen Normierung auf der obersten Ebene geht es um Terminologie, um Prozesse und Materialien, um allgemeine Testmethoden sowie um Design und Datenformate. Von der nächsten, der Kategorie-Ebene an unterscheidet der Normierungsplan jeweils zwischen drei Bereichen: Raw Materials, Process/Equipment und Finished Parts. Bei den Rohmaterialien geht es auf der Kategorie-Ebene um Metallpulver, Polymerpulver, Photopolymer-Kunstharze, Keramik etc. Im Bereich Prozesse und Ausrüstung befassen sich die Normen beispielsweise mit Powder Bed Fusion, also mit thermischen Pulverbett-Fusionsprozessen, oder mit Material-Extrusion. Bei den Normen für Endprodukte geht es auf der Kategorie-Ebene unter anderem um mechanische Testmethoden, sei es für Metalle, Polymere oder andere Werkstoffe. Auf der untersten Ebene der Specialized AM Standards sei hier der Bereich Finished Parts hervorgehoben – denn hier sind ausdrücklich applikationsspezifische Normen vorgesehen: für den Luftfahrtbereich, die Medizintechnik, die Autoindustrie etc.

Der Zeithorizont für die Normierung

Die meisten Normen aus der obersten, der allgemeinen Ebene sind bereits veröffentlicht. „ISO 17296-2:2015 Additive manufacturing, General principles, Part 2” etwa gibt einen Überblick über Prozesskategorien und Rohmaterialien. Auch die Teile 3 und 4 liegen bereits vor, während sich Teil 1, der sich mit der allgemeinen Terminologie der Additiven Fertigung beschäftigt, derzeit noch in der Zustimmungsphase befindet. Für die Schaffung neuer Standards lassen sich durchaus auch bereits bestehende Normen als Vorlage nutzen. So können beispielsweise viele existierende Material-Prüfungsnormen unmittelbar auf die Additive Fertigung übertragen werden. Einige nachgeordnete Normen, die sich mit den Rohmaterialien befassen, sind bereits veröffentlicht, wie etwa: „F2924-14 Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium with Powder Bed Fusion” oder „F3091/F3091M-14 Standard Specification for Powder Bed Fusion of Plastic Materials“. Eine große Zahl weiterer neuer Normen befindet sich derzeit in der Vorschlagsphase. Aufgrund der aktuellen Roadmap darf man davon ausgehen, dass der Löwenanteil der Normen für den Bereich der Additiven Fertigung in einem Zeithorizont von zwei bis drei Jahren vorliegen dürfte.

Aufgabe 1: Prüfung des Metallpulvers
Der erste Schritt in der Qualitätssicherung für ein per 3D-Druck hergestelltes Produkt besteht darin, bereits die Rohmaterialien zu prüfen und zu charakterisieren. Denn die Materialeigenschaften des Endprodukts hängen stark von etwaigen Schwankungen der Eigenschaften des Rohmaterials ab. Schon verschiedene Chargen desselben Pulverrohmaterial-Produzenten beispielsweise können sich signifikant unterscheiden. Und Additive Fertigung mit Metallen findet im Wesentlichen mit einem Metallpulver als Rohmaterial statt – Ausnahmen sind das Verfahren der Ultrasonic Consolidation, bei dem Metallfolien benutzt werden, und die Electron Beam Free Form Fabrication (EBFF), die mit Metalldraht arbeitet. Die Eigenschaften des Metallpulvers spielen für die Qualität immer eine zentrale Rolle: sei es die chemische Zusammensetzung des Pulvers, die Größenverteilung der Partikel, die Fließfähigkeit oder die Temperatur. Auch die Dichte des Pulverrohmaterials hat einen wichtigen Einfluss auf die Porosität des fertigen Produkts. Es ist darum für den Hersteller unerlässlich, die Eigenschaften eines Metallpulvers zu überprüfen, bevor er es zur Additiven Fertigung verwendet. Es gilt also, entsprechende Kriterien für das Benchmarking der Rohmaterialien zu entwickeln und angemessene Methoden für die Probenahme zu wählen – mit Proben, die für die Rohmaterial-Charge tatsächlich repräsentativ sind. Nur durch stringente Prüfmethoden für die Eigenschaften des Metallpulvers wird ein Hersteller auch konsistente Eigenschaften seiner gefertigten Teile sicherstellen.

Aufgabe 2: Prüfung des Fertigungsprozesses
Im Prozess der Additiven Fertigung gibt es ebenfalls viele Variablen, die auf das Ergebnis einen entscheidenden Einfluss haben. Entsprechend sind auch prozessbegleitende Prüfungen unerlässlich – das sogenannte In-Process-Testing –, damit der Fertigungsprozess innerhalb der erforderlichen Toleranzbereiche stattfindet. Dazu braucht es Verfahren und Methoden, mit denen die Variablen auf verschiedenen Stufen des Prozesses effektiv kontrolliert werden können – etwa um eine Kontamination des Pulverrohmaterials durch die Handling-Vorgänge auszuschließen. Wenn die entsprechenden Methoden entwickelt sind, ist es wichtig, dafür zu sorgen, dass die Anforderungen auf jeder Stufe des Fertigungsprozesses erfüllt werden und ihre Erfüllung nachgewiesen werden kann.

Aufgabe 3: Prüfung der produzierten Teile
Die Qualitätsprüfung für additiv gefertigte Metallprodukte ähnelt der, die man auch für alle gegossenen oder geschmiedeten Teile anwenden würde. Allerdings unterscheidet sich das Vorgehen. So kann man konventionell gefertigte Teile beispielsweise mit Wirbelstromsonden zerstörungsfrei prüfen. Sehr viele Produkte aus Additiver Fertigung weisen allerdings relativ komplexe Formen auf, sodass in diesen Fällen eigens entwickelte Sonden nötig werden können. Derzeit wird 3D-Druck eingesetzt, um einzelne Komponenten größerer Teile oder Baugruppen zu fertigen. Die Qualitätsprüfung muss also ebenso auf Ebene der Komponente stattfinden wie auf Ebene der größeren Baugruppe – um zu gewährleisten, dass die additiv gefertigte Komponente auch den funktionalen Anforderungen der Baugruppe genügt. Es zählt zu den Aufgaben, die im Zusammenhang mit Prüfung und Zertifizierung noch zu bewältigen sind: Richtlinien und Regeln zu entwickeln, die für die Compliance von Komponenten gelten, die durch Additive Fertigung produziert werden. Dazu sind Anstrengungen im Bereich Qualitätskontrolle nötig, im Bereich der koordinierten Normenentwicklung, aber auch im Bereich der Gesundheits- und Sicherheitsaspekte.

Training in Sachen Additiver Fertigung

Was Qualitätssicherung, Validierung, Prüfung und Zertifizierung der Produkte aus Additiver Fertigung angeht, muss man derzeit noch relativ große Lücken konstatieren. ISO und ATSM arbeiten durch ihre Normierungsanstrengungen daran, diese Lücke zu schließen. Aber auch global agierende Organisationen für Produktsicherheit und Zertifizierung wie UL tun bereits einiges, um das Wachstum der Additiven Fertigung voranzutreiben und Unternehmen bei diesem wichtigen Schritt zu unterstützen. Einerseits kooperiert UL mit beiden Normierungsorganisationen, ISO und ATSM, aber UL hilft Unternehmen auch ganz direkt: durch umfassendes und neutrales Know-how über Additive Fertigung aus einer Hand. Konkret unterstützt UL dabei, unternehmensinterne Standards und Guidelines für Additive Fertigung zu erarbeiten. Auch durch ein umfangreiches Trainingsportfolio für die Mitarbeiter werden Unternehmen beim Schritt in die Additive Fertigung unterstützt. Zudem hilft UL durch umfassende Beratungsleistungen und die Entwicklung von Best Practices bei der Adaption der neuen Technologie. Denn eines scheint sicher – ob man die Technologie nun Additive Manufacturing, Generative Fertigung oder 3D-Druck nennt: Sie wird die Zukunft der Fertigungsindustrie prägen.