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Wie vernetzte Produkte Geschäftsprozesse verändern

Wir leben in einer intelligenten, vernetzten Welt. Mittlerweile sind mehr Dinge mit dem Internet vernetzt, als Menschen auf der Erde leben. Bis zum Ende dieses Jahrzehnts dürfte sich diese Zahl nahezu versiebenfachen. Somit wären rund 50 Milliarden Geräte untereinander vernetzt (The Internet of Things: How the Next Evolution of the Internet Is Changing Everything, Dave Evans, April 2011). Der Aufstieg des Internets der Dinge ist auf das gleichzeitige Auftreten von Marktkräften und innovativen Technologien zurückzuführen. Moderne Produkte sind nicht nur rein physische Komponenten, sondern komplexe Systeme mit Prozessoren, Sensoren, Software und digitaler Benutzeroberfläche, vernetzt mit dem Internet und untereinander. In dem Maße, wie ihre Definition sich weiterentwickelt hat, haben auch die Funktionen dieser Produkte zugenommen und zu neuen Formen der Wertschöpfung geführt.

Das Ergebnis ist ein grundlegender Wandel bei der Art und Weise, wie Unternehmen Werte schaffen und mit den Kunden austauschen. Diese Transformation verschiebt die Quellen für Wertschöpfung und Abgrenzung hin zu Software, der Cloud und Services. Dadurch entstehen vollkommen neue Geschäftsmodelle. Damit sie von dieser neuen Welle der Wertschöpfung profitieren können, müssen Unternehmen alles auf den Prüfstand stellen – von der Produktentwicklung, über den Verkauf und Betrieb bis hin zum Service.

Einflussgrößen

Wir befinden uns in den ersten Phasen einer grundlegenden Transformation, die einer der bedeutendsten Umbrüche seit der industriellen Revolution werden könnte. Wie sind wir an diesen Punkt gelangt? PTC hat die wichtigsten Einflussgrößen identifiziert. Jede für sich ist in der Lage, eine Veränderung zu bewirken. Doch in Summe bewirken sie tiefgreifende Transformationen und haben uns eine Welt von vernetzten „Smart Objects“ im Internet der Dinge beschert.

DIGITALISIERUNG

Digitalisierung bezeichnet die Ablösung von analogen Produkt- und Serviceinformationen durch digitale Medien, die in der gesamten Wertschöpfungskette nutzbar sind (von der Entwicklung, über die Fertigung bis zum Service). Durch die Digitalisierung von Produkt- und Serviceinformationen und die Nutzung des Internets können Unternehmen geografische Grenzen überwinden.

PERSONALISIERUNG

Personalisierung bezeichnet das effiziente Anpassen von Produkten und Serviceleistungen an regionale und persönliche Vorlieben, den wachsenden Einfluss der Konsumenten sowie die zunehmende Entwicklung der IT zum Konsumgut. Unternehmen sind bestrebt, die zunehmende Vielfalt der Kundenwünsche möglichst effizient zu bedienen und setzen zu diesem Zweck verstärkt auf Software.

SOFTWARE IN PRODUKTEN

Integrierte, aus Hardware und Software bestehende Systeme, die hochentwickelte Mensch-Maschine-Interaktionen, Diagnosefunktionen und Servicedatenerfassung ermöglichen und durch Softwareverbesserungen einen zusätzlichen Mehrwert bereitstellen. Durch die Vernetzung von „Smart Products“ entstehen völlig neue, serviceorientierte Geschäftsmodelle.

SERVITIZATION

Servitization beschreibt den strategischen Wandel vom reinen Sachgüterhersteller hin zum Lösungsanbieter mit individuellen Kundendienstleistungen, die den gesamten Produktlebenszyklus abdecken. Um den Nutzen ihrer immer intelligenter werdenden Produkte weiter zu erhöhen, binden die Hersteller Kommunikationstechnik in diese Produkte mit ein.

VERNETZUNG

Der Austausch von Informationen zwischen individuell adressierbaren Produkten, die mit Sensoren ausgestattet sind, bildet die Grundlage für hochentwickelte Überwachungs-, Kontroll- und Kommunikationsfunktionen.

DINGE

Vernetzte „Smart Products“ und andere Dinge kombinieren Prozessoren, Sensoren und Software mit Kommunikationstechnik.

GLOBALISIERUNG

Globalisierung steht für die Öffnung regionaler Märkte durch Technologien, die ökonomische und geografische Grenzen überwinden und den Zugang zu neuen Märkten eröffnen. Da Unternehmen im Streben nach neuen Absatzmöglichkeiten global tätig sind, sehen sie sich mit immer mehr Normen und Vorschriften konfrontiert. Im Bemühen, sich am Weltmarkt mit Alleinstellungsmerkmalen vom Wettbewerb zu differenzieren, sind viele Hersteller gezwungen, den Kunden deutlich mehr Wahlmöglichkeiten zu bieten.

NORMEN UND VORSCHRIFTEN

Die Umsetzung von Gesetzen, Richtlinien und Industriestandards rund um Umweltschutz, Gesundheit, Sicherheit und Handelsgebaren.

Was ist das Internet der Dinge?

Das Internet der Dinge besteht aus drei wichtigen Komponenten: einer Sammlung von vernetzten „Smart Products“, Produktsystemen und anderen Dingen, die über eine mit dem Internet vergleichbare Kommunikationsinfrastruktur miteinander vernetzt sind und neue Arten der Wertschöpfung schaffen. Daten über Produktzustand, -betrieb und -umgebung werden in Echtzeit bereitgestellt und bilden die Grundlage für Funktionen zur Steuerung, Wartung und Aktualisierung des Produkt- und Systemverhaltens.

Für Hersteller (also diejenigen, die diese „Dinge“ herstellen) versprechen diese Innovationen nicht nur immense neue Erträge, sondern beeinflussen zum einen die Art, wie Endkunden mit den Produkten interagieren, zum anderen aber auch das gesamte Unternehmen des Herstellers. Die Funktionalitäten und Daten, die diese neue Generation von vernetzten „Smart Products“ hervorbringt, erfordern neue Denkansätze für Enterprise-Anwendungen und das angeschlossene Ökosystem, um die aktuellen Geschäfts- und Entscheidungsprozesse zu optimieren und neue Bereiche für Innovationen zu erschließen.

 

Funktionalitäten von intelligenten Produkten

Vernetzte „Smart Products“ im Internet der Dinge lassen die Grenzen zwischen Produkten und Serviceleistungen verschwimmen und bieten vollkommen neue Funktionalitäten, die sowohl für Unternehmen in der Fertigungsindustrie als auch für deren Kunden einen Mehrwert schaffen. Unternehmen müssen sechs unterschiedliche Kategorien von Funktionalitäten berücksichtigen und strategisch einsetzen:

  • Personalisierung/Anpassung:
    Effiziente Anpassungsmöglichkeiten für Endbenutzer oder Hersteller vor und auch nach dem Kauf.
    Beispiel: Das Ford Model T gab es bekanntlich in jeder gewünschten Farbe, solange es Schwarz war. Hundert Jahre später ist das Droid Maxx von Motorola in seiner Hardware ähnlich begrenzt, dafür aber über das AndroidTM-Betriebssystem und Apps, die beliebig ergänzt und konfiguriert werden können, flexibel anpassbar – ein personalisiertes Produkt zum Preis eines serienmäßig hergestellten Modells.
  • Zustands-/Betriebsüberwachung:
    Produkte können ihren Zustand, ihre Leistung sowie die Eingaben und den Status des Bedieners selbstständig beurteilen.
    Beispiel: Über die WorkSight-Technologie von John Deere werden Maschinen mit Überwachungs-Dashboards vernetzt, auf denen der Standort ganzer Fahrzeugflotten jederzeit ersichtlich ist und die Leistung der Maschinen in Echtzeit evaluiert werden kann. Diagnosedaten werden drahtlos an einen Techniker übertragen, sodass dieser manchmal bereits mit einem Ersatzteil vor Ort erscheint, noch bevor der Fahrer überhaupt ein Problem bemerkt hat.
  • Anlagenüberwachung:
    Produkte können die Umgebungsbedingungen über 2 Sensoren und andere Datenquellen beurteilen.
    Beispiel: Der Automobilzulieferer Continental AG stellt Scheibenwischersysteme mit Regensensoren und Software her, die die Scheibenwischergeschwindigkeit je nach Regenintensität steuert. Continental gestattet auch die Anbindung der Sensoren an die Fahrzeugkontrollsysteme, sodass bei Regen automatisch die Fenster oder das Sonnendach geschlossen werden.
  • Fernbedienung:
    Produkte können in Echtzeit aus der Distanz bedient werden.
    Beispiel: Der MQ-9 Reaper von General Atomics ist ein unbemanntes Fluggerät, das entweder ferngesteuert oder autonom Einsätze fliegen kann. Die Drohne ist rund um die Uhr als „fliegendes Auge“ für Einsatzkräfte unterwegs. Sie kann bis zu 17 Stunden in der Luft bleiben. Die speziell ausgebildete Crew befindet sich währenddessen sicher in der Einsatzzentrale, von wo aus sie das Fluggerät steuert, die Bilder auswertet und bei Bedarf jederzeit eingreifen kann. Die Kosten betragen nur etwa 1/10 der Kosten herkömmlicher Kampfflugzeuge.
  • Service/Upgrade:
    Service, Aktualisierungen und Erweiterungen können immer und überall durchgeführt werden.
    Beispiel: Trane, Hersteller von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaregelungssystemen und Teil der Ingersoll Rand Corp., stellt Anlagen mit zahlreichen digitalen Sensoren her, die an das unternehmenseigene Intelligent Services Center angebunden sind. Trane Intelligent Services kann 30 % der Probleme mittels Fernwartung lösen, ohne einen Techniker vor Ort einsetzen zu müssen. Etwa 40 % der Probleme werden in 30 Minuten oder weniger diagnostiziert. Dadurch können Trane und seine Kunden Kosten senken und die Betriebszeit verbessern.
  • Autonom:
    Produkte funktionieren, lernen, aktualisieren und korrigieren sich selbstständig durch Auswertung von Echtzeitdaten.
    Beispiel: Google gab 2010 bekannt, an Autos ohne Fahrer zu arbeiten. Seitdem haben die Fahrzeuge von Google unzählige Kilometer auf öffentlichen Straßen bewältigt und die Daten belegen mittlerweile, dass diese Autos weniger Verkehrsstörungen verursachen und insgesamt sicherer sind als Autos mit menschlichem Fahrer. Die Einbindung weiterer Systeme ermöglicht auch die Übertragung von Gefahrenmeldungen zwischen den Autos, die Anpassung an Verkehrs- und Wetterinformationen und sogar die Interaktion mit Lichtsignalen bei der Annäherung an Kreuzungen.

Auswirkungen auf Unternehmen

Während sich die Funktionalitäten von Produkten und Serviceleistungen vervielfachen, kommt es zugleich zu einer Verschiebung der Quellen für Wertschöpfung und Abgrenzung. Es bieten sich nun neue Möglichkeiten, sich einen Wettbewerbsvorsprung zu verschaffen – aber nur, wenn drei wesentliche Wertverschiebungen berücksichtigt werden:

Wertverschiebung von der Hardware zur Software:

Produkte haben sich von reinen technischen Komponenten zu komplexen Systemen aus Prozessoren, Sensoren, Software und digitalen Benutzeroberflächen weiterentwickelt. Um die Produktinnovation zu beschleunigen und die Vielzahl von Kundenwünschen, Normen und Vorschriften effizient umzusetzen, setzen Unternehmen zunehmend auf Software.

Wertverschiebung vom Produkt zur Cloud:

„Smart Products“ bieten zwar neue Funktionalitäten, der Mehrwert, der im Produkt selbst generiert werden kann, ist allerdings begrenzt. Erst durch die Vernetzung von „Smart Products“ kann eine digitale Komponente in der Cloud den Funktionsumfang direkt im Produkt erweitern und parallel vollkommen neue Funktionalitäten bereitstellen. Allgemein lässt sich feststellen, dass bei der Verlagerung von Produktfunktionen in die Cloud Services, Erweiterungen und Innovationen schneller zur Verfügung stehen.

Wertverschiebung vom Produkt zum Service:

Produktstrategien, bei denen die Erträge beim Verkauf das Maximum erreichen, werden zunehmend uninteressant, die Geschäftsmodelle beziehen immer mehr auch das AfterSales-Business mit ein. Produkte werden mit Services kombiniert, die während des gesamten Produktlebenszyklus neuen Nutzen liefern bzw. die gewünschte Eigenschaft einfach über einen On-Demand-Service bereitstellen. Beispielsweise verkaufen Hersteller von Flugzeugtriebwerken heute Betriebsstunden statt Triebwerke. Dadurch sind sie gezwungen, die Betriebsbereitschaft zu optimieren und Mehrwert-Serviceangebote zu entwickeln, um so eine bessere Kostenkontrolle auf der Seite der Betreiber zu gewährleisten.

Diese drei wesentlichen Wertverschiebungen haben zwar einerseits neue Möglichkeiten erschlossen, sich einen Wettbewerbsvorteil zu sichern, erfordern aber auch neue Funktionalitäten, eine neue Infrastruktur, neue Normen und operative Modelle. Für Unternehmen, die sich an die Anforderungen einer intelligenten, vernetzten Welt anpassen, wird diese Kombination aus Software, der Cloud und Serviceleistungen den Ausgangspunkt für neue Innovation und die Grundlage für die Abgrenzung vom Wettbewerb sowie für neue Geschäftsmodelle bilden.

Anpassung der Geschäftsprozesse

Um all diese Veränderungen zu bewältigen, müssen Unternehmen vorhandene Geschäftsprozesse transformieren und die Art und Weise, wie sie vernetzte „Smart Products“ im Internet der Dinge entwickeln, betreiben und warten, grundlegend überdenken. Folgende Punkte spielen hierbei eine zentrale Rolle:

Transformation der Produktentstehung

  • Planung und Entwicklung flexibler Plattformen, die personalisierte Lösungen, Mehrwertdienste und Produkterweiterungen vor und nach dem Verkauf des Produkts „remote“ bereitstellen können.
  • Konstruktionsseitige Vereinfachung der komplexen Strukturen, die durch die Kombination von Prozessoren, Sensoren, Software, digitaler Benutzeroberfläche und Kommunikationstechnik entstehen, sowie Schaffung eines einfachen Benutzererlebnisses.
  • Einbeziehung von Produktnutzungsdaten in F&E-Prozesse sowie für neue Funktionalitäten, die Definition von Spezifikationen und die Steigerung der Kundennähe.

Transformation des Service

  • Planung und Bereitstellung von Remote-Software-und -Service-Updates in Echtzeit mit minimaler Beeinträchtigung des Kunden und minimalen Grenzkosten.
  • Planung und Optimierung des Produkt- und Ersatzteilmanagements sowie der Bestandskontrolle durch Verfolgung von Ressourcen und Analyse von Echtzeit-Produktnutzungsdaten, um den Bedarf an Ersatzteilen vorherzusagen.
  • Planung und Optimierung der Prozesse im Service-Außendienstmanagement, indem proaktive und reaktive Wartungsmaßnahmen gebündelt werden, sowie Vorab-Bereitstellung von Informationen, um die Erfolgsquote der Techniker beim ersten Korrekturversuch zu erhöhen.

Transformation von Geschäftsmodellen

  • Unternehmen müssen ihre Geschäftsprozesse und -modelle überdenken, um die Erträge nicht nur bis zum Verkauf, sondern während der gesamten Nutzungsdauer eines Produkts zu maximieren.
  • Unternehmen müssen die zunehmende Komplexität eines wachsenden Partner- und Zulieferer-Ökosystems sowie etwaige Chancen und Risiken berücksichtigen.
  • Unternehmen müssen Produktdaten erfassen und auswerten, um den Servicebedarf und Benutzerwünsche nach zusätzlichen Serviceangeboten und Funktionalitäten rechtzeitig zu erkennen.

Wenn Unternehmen diese Transformation gelingt, bietet sich ihnen eine enorme Chance, sich im Produkt- und Servicegeschäft einen Wettbewerbsvorteil zu verschaffen.

 

 

Die verdrängte Quintessenz der Industrie 4.0

Die Bundesregierung hat Industrie 4.0 zur Chefsache erklärt. Im Schulterschluss mit der Industrie folgt man dem hehren Ziel, Ingenieurskunst „Made in Germany“ mit IT-Kompetenz zu paaren, um eine starke Wirtschaftsnation zu bleiben. Das Leitmotiv ist die „intelligente Fabrik“ (Smart Factory), welche sich durch Wandlungsfähigkeit, Ressourceneffizienz, ergonomische Gestaltung, vor allem aber durch eine perfekte Vernetzung aller beteiligten Maschinen, Transportmittel, Prozesse und Personen auszeichnet.

An dieser Vision ist auch nichts auszusetzen. Sie folgt den Gesetzmäßigkeiten eines sich rapide verändernden grenzenlosen Marktes und der massiven Durchdringung unserer unternehmerischen Realitäten mit Technologie. Industrie 4.0 sichert unsere Zukunft.

Wachstum und Rentabilität allein durch Fertigungseffizienz?

Das Problem liegt an anderer Stelle: Viele Unternehmen reduzieren Industrie 4.0 allein auf die Steigerung der Produktions- und Ressourceneffizienz in Entwicklung, Beschaffung und Fertigung. Keine Frage – ein wesentlicher Baustein für unternehmerischen Erfolg. Aber dennoch nur die halbe Wahrheit in Bezug auf eine valide Wertschöpfung.

Die andere Hälfte der Wahrheit liegt nämlich in der wirkmächtigen und konsequenten Vermarktung ihrer Produkte und Dienstleistungen. Die Leistungsfähigkeit von Marketing, Vertrieb und Service sind elementare Glieder einer stringenten und belastbaren Wertschöpfungskette. Vernachlässigen Unternehmen einzelne Elemente, bleibt die wirtschaftliche Performance auf der Strecke. Die Kette reißt.

Die Digitalisierung verändert das Verhältnis zwischen Marken und Konsumenten radikal

Die zentrale Herausforderung und Chance liegt in der passgenauen und konsistenten – vornehmlich digitalen – Vermarktung von Produkten und Dienstleistungen. Darin liegt die Quintessenz der Industrie 4.0. Der Kunde ist heute ein mündiger „connected customer“, der vorinformiert ist und mit einer entsprechend klaren Erwartungshaltung auftritt.

Sein zweckrationaler Imperativ: Ich will immer alles, überall und in Echtzeit. Und das personalisiert, kontextualisiert und wertschätzend. Nicht nur im B2C verändert sich diese Erwartungshaltung nachhaltig, sondern auch und insbesondere im B2B-Segment. Hier stehen Unternehmen nicht nur einzelnen Konsumenten gegenüber, sondern müssen auf – teils divergierende –  Interessenlagen innerhalb komplexer Buying Center bedarfsgerecht reagieren können. Der Einkauf möchte die preiswerteste Lösung, die Fachabteilung das leistungsfähigste Produkt, die Geschäftsführung die eierlegende Wollmilchsau. Produktlebenszyklen verkürzen sich auf der einen Seite rasant, auf der anderen Seite werden Vertriebszyklen oftmals länger und komplexer. Marketing und Vertrieb treffen auf digital vorinformierte, mündige Kunden. Und diese verlangen personalisierte, individualisierte und relevante Antworten – keine werblichen und vertrieblichen Plattitüden. 

Vernetzte Nachrüstung für Marketing, Vertrieb und Service

Das Internet hat Wissen auch im geschäftlichen Kontext zu einem ubiquitären Gut werden lassen. Recherche, Vergleich, Empfehlungen und Shitstorms. Nur einen Klick vom Kunden entfernt. Auf Unternehmensseite sieht die Realität oftmals düsterer aus. Von intelligenter Vernetzung keine Spur. Das Marketing verschickt Bestandkunden-Mailings an Firmen, welche keine mehr sind. Der Vertrieb hat keine Informationen über die Service-Eskalation und rennt ins offene Messer. Der Inside-Sales keine Transparenz über gelaufene Gespräche mit Kunden. Der Onlineshop läuft als Solitär vor sich hin. Da hilft auch keine Smart Factory im Backend der Produktion.

SAP Hybris reagiert jetzt konsequent mit einer intelligent vernetzbaren Phalanx aus Lösungsbausteinen für die marktbearbeitenden Fachabteilungen. Hinter dem Begriff „Customer Engagement and Commerce“ verbergen sich die CRM-Lösung Cloud for Customer, die SAP Hybris Marketing Suite sowie die SAP Hybris Omnichannel-Commerce-Plattform. Durch die Vernetzung aus intelligenter Marketing Automatisierung, Vertriebs- und Service-CRM sowie E-Commerce geling Unternehmen die nahtlose Integration aller kundenorientierter Prozesse und die unternehmensweite Sammlung, Verdichtung, Auswertung und Nutzung von wertvollen Informationen zur passgenauen Kundenansprache. Die Wahrheit der Industrie 4.0 liegt im Auge des Kunden. Und der möchte, was auch Sie möchten, wenn Sie in der Rolle des Kunden agieren: Alles, sofort und exakt auf ihre Bedürfnisse zugeschnitten.

 

Vier Tipps für sichere mobile Anwendungen

Das Ziel muss sein, alle Geräte abzusichern und dabei die Mitarbeiter nicht bei ihrer Arbeit einzuschränken. Da ständig neue Geräte auf den Markt kommen und die mitgebrachten Geräte stetig wechseln, ist es nicht ausreichend, die einzelnen Endgeräte im Netzwerk durch Mobile Device Management (MDM) oder Single Sign-On (SSO) abzusichern. Diese Schritte sind zwar nützlich, reichen aber nicht aus, wenn die auf dem Gerät vorhandenen Anwendungen nicht sicher sind. Hierbei hilft nur die Integration von Sicherheitskontrollen für jede mobile Unternehmens-App.

Da die Bring-Your-Own-Device-Philosophie heutzutage in kaum einem Unternehmen vermieden werden kann, gibt Julian Totzek-Hallhuber, Solution Architect beim Anwendungssicherheits-Spezialisten Veracode, im Folgenden vier Tipps für die sichere Bereitstellung von mobilen Apps und Geräten in Unternehmen:

  1. SQL Injections sind immer noch eine weit verbreitete Schwachstelle. Entwickler müssen nicht-vertrauenswürden Input davor schützen, als Teil eines SQL-Befehls interpretiert zu werden – und im Grunde ist alles, was aus dem Internet kommt, als nicht-vertrauenswürdig einzustufen. Der beste Weg, um SQL Injections zu stoppen, ist der Einsatz von parametrisierten Abfragen.
  1. Passwörter werden immer noch zu fahrlässig ausgewählt, niedergeschrieben oder gespeichert. Am sichersten ist es, aktuelle Verschlüsselungstechniken anzuwenden, um Passwörter zu schützen – beispielsweise einen nicht umkehrbaren Verschlüsselungsalgorithmus. Doch auch schon ein zufällig generierter Zahlencode hilft.
  1. Eine Anwendung sollte immer eine erneute Authentifizierung vom Nutzer erfordern, bevor eine Transaktion abgeschlossen wird. So wird ein Hijack der Nutzersitzung verhindert. Zudem sollte die App selbst Gebrauch von einer Multi-Faktor-Authentifizierung machen, sodass kein Fremder darauf zugreifen kann. Sollte dies nicht möglich sein, kann die Authentifizierung auch entsprechend in das SSO- oder MDM-Tool eingebunden werden.
  1. Zuletzt ist es unerlässlich, die Schwachstellen der gewählten Programmiersprache zu kennen und dafür zu sorgen, dass der Code vor diesen sicher ist. Die gängigsten Schwachstellen finden sich in der Top-10-Liste des Open Web Application Security Project (OWASP). Ideal wäre es, wenn die Entwickler wüssten, wie sich jede dieser Schwachstelle finden und fixen lässt. Doch es gibt auch unzählige Tools (z. B. von Veracode), die beim Aufspüren helfen können.

Für Unternehmen ist es sinnvoll, den Angestellten zu erlauben, ihre eigenen Geräte für die Arbeit zu nutzen und Unternehmensanwendungen für diese Geräte bereitzustellen. Dies spart enorme Kosten für die ständige Anschaffung aktueller Firmengeräte und die Mitarbeiter können ihre Arbeitszeit und den -ort flexibler gestalten. Auch die IT hat hierdurch keinen höheren Verwaltungsaufwand, denn auch für firmeneigene Geräte müssten die gleichen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Wichtig ist nur, dass Unternehmen sich umfassend über mögliche Risiken informieren und nicht davor zurückschrecken, Hilfe in Form von Expertenfachwissen anzunehmen. Anwendungssicherheit ist unverzichtbar, machbar und vor allem bezahlbar – man kann sich nur nicht vor Angriffen schützen, mit denen man überhaupt nicht rechnet.

Qualitätsprüfung in der Additiven Fertigung

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.