Subaru beschleunigt den Werkzeug/Werkzeugbau und senkt die Kosten mit dem Druckkopf F770 und T25

Einzigartige Rationalisierung der Produktionseffizienz

Wie Subaru mithilfe des 3D-Drucks die Entwicklungszeit für Werkzeuge/Werkzeugbau um 50 % verkürzte

„Geschwindigkeit ist Leben“ ist ein Mantra, das in vielen Branchen gilt. Ob man nun einen Jet steuert, ein Start-up gründet oder Produkte herstellt – schnell zu sein und Effizienzsteigerungen zu erzielen, bringt greifbare Vorteile. In der Fertigung ist Geschwindigkeit (in Verbindung mit Genauigkeit) entscheidend, da sie einen Wettbewerbsvorteil schafft und es einem Unternehmen ermöglicht, flexibler auf Marktanforderungen zu reagieren.

Diese Tatsache war Matt Daroff, Project Engineering Manager bei Subaru of America, Inc. (Subaru), durchaus bewusst. Daroff und seine Kollegen im Subaru Accessories Product Development (APD)-Team sind für die Produktentwicklung des umfangreichen Katalogs an Original-Subaru-Zubehörteilen verantwortlich, die für alle in den Vereinigten Staaten verkauften Subaru-Fahrzeuge erhältlich sind. Die Werkzeuge und Vorrichtungen, die für die präzise Montage dieser Zubehörteile erforderlich sind, wurden traditionell auf herkömmliche Weise entwickelt und gefertigt – durch die Zerspanung von Metall- und Kunststoffteilen und deren Verschraubung –, ein langsamer und oft kostspieliger Prozess, insbesondere während der Validierung und Iteration von Prototypen. Subaru erkannte das Potenzial der additiven Fertigung (AM) zur Rationalisierung des Werkzeugbaues, und aus dieser Idee heraus begann die 3D-Druck-Reise des Teams. 

Ein einfacher Business Case / Wirtschaftlichkeitsberechnung

Wie bei jeder größeren Investition in Ausrüstung musste auch der Kauf des 3D-Druckers durch den Automobilhersteller eine robuste Business Case / Wirtschaftlichkeitsberechnung bestehen. Angesichts der hohen Kosten für herkömmlich gefertigte, ausgelagerte Werkzeuge war dies jedoch nicht allzu schwer zu erreichen. Durch die Umstellung auf den 3D-Druck konnte das Subaru APD-Team den Kauf eines großformatigen Stratasys F770™ 3D-Druckers befürworten und so den Werkzeugbau mit minimalen Kapitalinvestitionen – abgesehen von den Kosten für den Drucker – intern abwickeln. „Wir entwickeln Spezialwerkzeuge/Werkzeugbau und Montagevorrichtungen für die präzise Montage vieler unserer Produkte. Die Fertigungskosten für nur eine dieser Entwicklungen waren so unglaublich hoch, dass es, als wir die Zahlen zu Papier brachten, leicht war, eine Business Case / Wirtschaftlichkeitsberechnung für den Kauf eines F770 zu rechtfertigen. Allein durch den Einsatz des F770 für das Prototyping und den Werkzeugbau für dieses Programm sollten die Kosten um etwa 70 % gesenkt und eine Amortisationszeit von etwa zwei Jahren erreicht werden“, sagt Daroff und merkt an, dass der F770 seitdem für das Prototyping und den Werkzeugbau für mehrere Produktlinien eingesetzt wird, darunter eine Vielzahl von Fahrzeugen, die sich in der Entwicklung befinden. 

Noch bedeutender war der Einfluss, den die additive Fertigung auf den Werkzeugentwicklungsprozess hatte. Laut Subaru hat die Umstellung auf additive Fertigung den Arbeitsablauf des Teams komplett verändert, mit besonderem Nutzen für das Prototyping und die Entwicklung im Werkzeugdesign. „Bei der konventionellen Fertigung lag der Rhythmus der Iterationen bei Werkzeugprototypen in der Größenordnung von Wochen zwischen jedem neuen Prototyp. Die additive Fertigung reduzierte diese Kadenz auf Tage. Dadurch konnten wir unsere Entwicklungszeit für Werkzeuge dieser Produktlinie um weit über 50 % verkürzen“, sagt Daroff. Außerdem ermöglichte sie den Wechsel von der Auslagerung der Serienfertigung von Werkzeugen zur internen Einzelstückfertigung nach dem Just-in-Time-Prinzip – eine Strategie, die die Vorteile einer schlanken, flexiblen und reaktionsschnellen Fertigung bietet. 

Zwar waren die Verbesserungen im Arbeitsablauf erheblich, doch waren sie nach wie vor durch die realen Einschränkungen beim Drucken großer Teile mit den vorhandenen AM-Kapazitäten begrenzt. Der F770-Drucker nutzt die FDM®-Technologie und verfügt über eine großzügig dimensionierte Baukammer, die Platz für die großen Vorrichtungen bietet, die für die Montage der Fahrzeugzubehörteile benötigt werden. Wenn einige Vorrichtungen die Länge des Druckbetts von 100 cm (39,4 Zoll) überschreiten, teilen die Werkzeugkonstrukteure von Subaru das Werkzeug in Abschnitte auf, drucken es in mehreren Teilen und fügen diese anschließend zusammen. Kombiniert man jedoch große Teile mit den für extrusionsbasierte Drucker typischen Geschwindigkeiten, können die Druckzeiten lang sein. 

Laut dem Subaru-APD-Team war das nicht unerwartet. Doch trotz dieses Wissens mussten die Produktionszeitpläne dennoch an das Tempo angepasst werden, in dem die Werkzeuge gedruckt werden konnten. Und während die additive Fertigung im Vergleich zur konventionellen Fertigung eine Kostensenkung erzielte, lautete die nächste Frage: Wie lässt sich die nächste Stufe der Vorteile erreichen, die die additive Fertigung bieten könnte – nämlich Zeitersparnis durch beschleunigte Druckvorgänge. 

Beschleunigter 3D-Druck

Die Antwort kam in Form eines Beta-Tests für einen neuen Druckkopf, der die Geschwindigkeit des F770-Druckers um mindestens das 1,5-Fache steigern soll. Der neue T25-Druckkopf ermöglicht eine schnellere Materialausstoßrate und verfügt über eine größere Düsenöffnung, wodurch sich die Druckzeit verkürzt. Der T25-Druckkopf druckt zudem mit derselben Schichthöhe von 33 mm (0,013 Zoll) wie der Standard-Druckkopf T14 und erzeugt bei den meisten Geometrien ein ähnliches Oberflächenfinish.  

Firmeninterne Tests an einer Vielzahl von Teilen zeigten eine Steigerung der Druckgeschwindigkeit um das 1,86- bis 2,27-Fache gegenüber dem Standard-F770-T14-Druckkopf. Die Ergebnisse eines vom Subaru-Team gedruckten 36 Zoll langen Werkzeugs ergaben eine Geschwindigkeitssteigerung um das 1,96-Fache – oder eine Druckzeit, die etwa halb so lang war wie die, die mit dem T14-Druckkopf benötigt worden wäre. Vor der Einführung des neuen T25-Druckkopfs setzte das APD-Team auf zwei Drucker, den F770 und einen weiteren großen Extrusionsdrucker, um den Produktionsanforderungen gerecht zu werden. Mit der Einführung des schnelleren T25-Druckkopfs konnte Subaru den Durchsatz steigern und die Nachfrage allein mit dem F770-Drucker decken, sodass das andere System für andere dringende Aufträge zur Verfügung stand. 

Daroff berichtet: „Als sich uns die Gelegenheit bot, die Druckgeschwindigkeit unseres F770 zu erhöhen, waren wir alle sofort dafür. Bislang haben wir eine weitere Maschine eingesetzt, um die Lücke zu schließen. Jetzt können wir den gesamten Durchsatz mit einem einzigen [F770]-Gerät bewältigen. Das führte sofort zu einem robusteren und flexibleren Betrieb und machte ein ganzes Gerät für andere Aufgaben frei.“ 

Das größere Bild

Der T25-Druckkopf hat zwar die Entwicklung von Zubehörteilen bei Subaru zeit- und kosteneffizienter gemacht, doch der Nutzen dieser Lösung reicht weit darüber hinaus. Kurz gesagt hat er einige der Probleme gelöst, mit denen das Team im normalen Geschäftsbetrieb konfrontiert war, und es ihm ermöglicht, schneller zu reagieren, als dies bisher möglich war. Diese schnellere Reaktion bedeutet, dass der Betrieb nicht mehr unter den Folgen und Kosten von Verzögerungen leidet, wodurch Verluste und Verschwendung reduziert werden. 

Subaru nennt dringende Anforderungen an Werkzeuge als Paradebeispiel – Situationen, in denen eine schnellere Durchlaufzeit Verzögerungen für die Montagegruppe verhindern, Verschwendung reduzieren und Geschäftsmöglichkeiten sichern kann, die andernfalls verloren gingen. „Ein Großteil unserer Verschwendung hängt mit Zeit zusammen“, sagt Daroff. „Die Kosten für verlorene Zeit sind Opportunitätskosten. Wenn unser Team nicht über die notwendigen Werkzeuge verfügt, um unsere Produkte sicher und präzise zu montieren, werden wir sie gar nicht erst montieren. Je schneller wir unserem Team also das zur Verfügung stellen können, was es für diese Arbeit benötigt, desto schneller können wir Mehrwert für unsere Kunden schaffen. Umgekehrt bedeutet es entgangene Chancen für die Auslieferung unserer Produkte, wenn wir nicht schnell reagieren können, um beschädigte oder verlorene Werkzeuge vor Ort zu ersetzen oder neue Werkzeuganforderungen zu erfüllen“, fügt er hinzu. 

Abgesehen von den Kosteneinsparungen unterstützt dies auch das Umweltengagement des Automobilherstellers, Abfall zu reduzieren, Ressourcen zu schonen und Naturräume zu erhalten, was direkt damit zusammenhängt, dass alle Subaru-Produkte in Produktionsstätten ohne Deponieabfälle hergestellt werden. 

Warum Stratasys

Als Subaru erwog, die additive Fertigung firmenintern / in eigenen Räumen zu betreiben, lag der Fokus auf der Möglichkeit, verschiedene AM-Hersteller einzubeziehen. Auf der Grundlage von Gesprächen mit internen Kunden grenzte das Entwicklungsteam die Auswahl auf großformatige, extrusionsbasierte Drucktechnologien ein. „Ich glaube, wir haben etwa sieben oder acht verschiedene Maschinen von Herstellern aus aller Welt zur Bewertung ausgewählt“, sagt Daroff. „Zu diesem Zeitpunkt war keine davon von Stratasys. Angesichts unseres bekannten Budgets hatte ich das Gefühl, dass Stratasys außerhalb dessen lag, was wir realistisch in Betracht ziehen konnten. Wir suchten nach einem Gleichgewicht zwischen Kosten, Qualität und Effizienz.“ 

Subaru forderte von den verschiedenen in Betracht gezogenen Herstellern Musterteile zur Bewertung an. Aufgrund früherer positiver Erfahrungen mit der Stratasys-Technologie forderten sie jedoch ein Muster von Stratasys an, um es als Maßstab zu verwenden. Nach dem Vergleich der eingereichten Muster stellte das Subaru-Team einen deutlichen Unterschied hinsichtlich der Ausgabe der Industrie-Drucker von Stratasys fest. „Als wir bei dieser Bewertung den Unterschied, die Qualitätslücke und die Leistung der [Stratasys]-Maschinen sahen, hatten wir ein überzeugendes Argument, um unsere Führungskräfte zu überzeugen und zu sagen: ‚Wir verstehen, dass dies eine größere Investition sein mag, aber sie lohnt sich‘“, sagt Daroff. 

Geschwindigkeit in echte Vorteile verwandeln

Es kommt nicht jeden Tag vor, dass ein Automobilhersteller die Prozesseffizienz durch eine einfache Maschinenaufrüstung um fast 100 % steigern kann. Doch genau das ist Subaru mit dem T25-Druckkopf seines F770-Druckers gelungen. Dadurch wurden erhebliche Vorteile für die nachgelagerten Prozesse erschlossen, wodurch sich die Entwicklungszeit für Werkzeuge/Werkzeugbau von mehreren Tagen auf einen Tag oder in einigen Fällen sogar auf wenige Stunden verkürzen ließ. Die Kombination aus dieser Effizienz und der Umstellung auf einen Just-in-Time-Workflow ermöglicht es dem APD-Team, seine Kunden viel früher zu bedienen und mit ihnen zusammenzuarbeiten. 

Daroff bringt es so auf den Punkt: „Wenn wir unseren Kunden Teile früher zur Verfügung stellen, haben sie die Möglichkeit, Dinge zu testen, die wir in der Entwicklung vielleicht übersehen haben, oder einfach sinnvolle Verbesserungsmöglichkeiten an einem bereits guten Design zu identifizieren. Das gibt uns die Möglichkeit, Korrekturen und Verbesserungen früher vorzunehmen, Zeit- und Materialverschwendung durch fehlerhafte Produkte vor der Produktion zu minimieren und die Chancen für kontinuierliche Verbesserungen zu maximieren.“ 

Für Subaru bedeutet Geschwindigkeit nicht nur schnelleres Drucken – es geht darum, Probleme schneller zu erkennen, Verschwendung zu reduzieren und Zubehörteile mit größerer Zuversicht auf den Markt zu bringen. Der F770 mit dem T25-Druckkopf hat dazu beigetragen, dies zu ermöglichen.