"Druckguss 4.0" - Treiber der digitalen Transformation im Druckguss

ABSTRACT

Druckgussbetriebe sind - neben anderen Metallguss-/Gießereibetrieben - auf der einen Seite die letzte Front, wenn es um die digitale Transformation und Digitalisierung von Unternehmensprozessen geht, da alte Traditionen, die von Generationen und großen Mengen an Erfahrung getragen werden, durch hochmoderne, softwarebasierte Unternehmenslösungstechnologien ersetzt werden können, die die Branche für junge Talente attraktiver machen und neue Erkenntnisse liefern. Auf der anderen Seite holen Druckgießereien wie kein anderer Industriebereich bei der Digitalisierung auf. Der Grund dafür liegt in der relativen Prozessfreundlichkeit im Vergleich zu Eisen-/Stahlgussbetrieben.

Zwar werden Metalle und Legierungen seit vielen Jahrhunderten in Gießereien und seit vielen Jahrzehnten im Druckguss geschmolzen und gegossen, doch seit der Einführung ausgeklügelter Planungs- und Kontrollsysteme haben sich die Verfahren verändert und stehen nun ständig auf dem Prüfstand.

Kostentransparenz, Material- und Energieeffizienz und Prozesssicherheit in Echtzeit, verbunden mit der viel zitierten "schnellen Markteinführung", sind unabdingbar geworden, wenn insbesondere Druckgießereien überleben wollen. Der digitale Wandel im Druckguss, aber auch in der Gießereiwelt, vollzieht sich derzeit mit einem zunehmenden Interesse an Themen wie IoT (Internet of Things), BIG DATA Management, Data Analytics und letztlich Datenvisualisierung in Echtzeit - wenn möglich.

In diesem Beitrag werden zwei Fallstudien von zwei völlig unterschiedlichen Druck-Gießereien vorgestellt und aufgezeigt, wie ein Druckgussbetrieb mit den Erkenntnissen der "Gießerei 4.0" eine verbesserte Prozesssteuerung erreichen kann. Der Weg dorthin kann aber sehr lang sein.

EINLEITUNG

In einer Gießerei, wie in allen wettbewerbsorientierten Unternehmen, will ein guter Kunde weder ein großartiges Geschäft noch das beste Geschäft. Alles, was er will, ist ein nachhaltiges Win-Win-faires-Geschäft. Und ein nachhaltiges Win-Win-faires-Geschäft ist nur möglich, wenn der Lieferant die richtigen Prozesse kennt und über das Fachwissen verfügt, um die „echten Produktkosten“ (Product „Actual Base Cost“ = „ABC“) zu managen. Sie – die Betriebe - müssen Ihr ABC kennen, denn es ist IHR strategisches Kapital! Dies gilt insbesondere für Metallgussbetriebe!

Definitionsgemäß umfasst ABC alle damit verbundenen Kosten für metallische Rohmaterialien, direkte Personalkosten, Fabrikgemeinkosten, Verkaufs- und allgemeine Verwaltungskosten, die alle einen variablen und ggf. einen festen Bestandteil haben. Im Metallguss nennen wir es auch C2C = Cost to Cast, da es mehr als nur eine Stückliste (Bill of Material) umfasst, da es auch eine "Bill of Operation", "Bill of Participated Machinery", "Bill of Sequence of Work", "Bill of Manpower used" und vieles mehr in einer präzisen digitalen Replikation (Digitaler Zwilling = Digital Twin = Ressourcenplan) des Metallgussprozesses einschließt.

DIE TATSÄCHLICHE SITUATION

In den meisten Gießereien, mit denen wir zusammengearbeitet haben, kennen leider viele ihr eigentliches ABC nicht. Dies geschieht, weil man oft nicht erkennt, dass die Kenntnis des Gießereiprozesses und die Kenntnis des Gießereigeschäfts zwei verschiedene Dinge sind. Diese beiden sind miteinander verbunden und schließen sich nicht gegenseitig aus. Wenn falsch mit ihnen umgegangen wird, kann es passieren, dass man sich entweder durch überhöhte Preise aus dem Markt drängt oder im anderen Extremfall durch zu niedrige Preise, um überhaupt im Geschäft zu bleiben. Viele Gießereien, mit denen wir zusammengearbeitet haben, streben einen Preis von $/kg für ihre Gussteile an. Dabei handelt es sich lediglich um (manchmal unzureichende) Annahmen, die nicht die tatsächliche Situation im Tagesgeschäft widerspiegeln. Je mehr angenommen wird, desto gröber wird das ABC und desto weniger Präzision herrscht vor.

Darüber hinaus gehen viele Gießereien aufgrund der oben beschriebenen Situation davon aus, dass sie rentabel sind, da der Cashflow am Ende des Monats positiv ist. Sie vergessen jedoch, dass vielleicht nur ein Bruchteil der produzierten Gussteile / erfüllten Aufträge wirklich dazu beigetragen haben, während andere Aufträge / andere produzierte Gussteile tatsächlich einen Verlust für den Betrieb verursacht haben.

Hindernis bei der Umsetzung

Viele Gießereien versäumen es, die richtige Infrastruktur und Ressourcen für eine effektive Implementierung eines Softwaresystems (Anmrk. d. Red.) bereitzustellen. Wie alle digitalen Plattformen arbeitet das FRP® - System mit einer Datenbank, die rechtzeitige Eingaben erfordert, um die Ist-Kosten-Daten richtig zu ERFASSEN: Materialmenge, Arbeitsfaktor, Zykluszeit und deren Verknüpfung mit der Produktidentifikation. In vielen Gießereien, mit denen wir zusammengearbeitet haben, scheitert die Einführung digitaler Plattformen an den unzureichenden Ressourcen für die Dateneingabe und an der Kultur, die das System aufrechterhalten soll.

Die Herausforderungen bei der Bestimmung eines Produkt-ABC‘s = C2C im Gießereigeschäft sind wie unten beschrieben und berücksichtigen alle Aspekte des Hauptgießprozesses mit einem diskontinuierlichen Arbeitsablauf. Wenn Gießereien ihre Abläufe auf eine integrierte digitale Plattform mit einer nahtlosen Berichtskette stellen und die Bedeutung des Einsatzes eines digitalen Zwillingsmodells in ihren täglichen Abläufen vollständig verstehen, können sie die beschriebenen Herausforderungen leicht bewältigen.

DIE 3 - "ABC" & "C2C" - HERAUSFORDERUNGEN:

#1. Volatilität der Metallpreise:

Volatilität der Metallpreise, obwohl in einigen Fällen ein gewisses Maß an Anpassung möglich ist, aber nur in wenigen Fällen. Mit einer angemessenen Datenbankkorrelation könnten Gießereien leicht einen "Rohstoffpreis-Szenario-Manager" erstellen und so ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Preisschwankungen verbessern. Dies ist leicht möglich, wenn die Rohstoffpreise nicht nur in einer Excel-Datei erfasst werden, sondern in Form einer integrierten Datenbank mit automatischer Echtzeitanpassung an internationale Preisindizes sowie an externe Website-Quellen (z. B. Steel-Mint, Metalshub usw.). Ein Beschaffungsverantwortlicher in der Metallgießerei ist dann sogar in der Lage, zukünftige Trends "vorherzusagen" und frühzeitig gegenzusteuern, da er die tatsächlichen Produktionskosten / Rohstoffverbräuche kennt und mit den Planzahlen vergleichen kann.

#2. Prozessungewissheiten:

Prozessunsicherheiten sind vor allem beim Druckguss mit der Werkzeugstandzeit und den Betriebsbedingungen der Druckgussmaschine verbunden, die die Bestimmung einer Standard-Zykluszeit unmöglich machen. Beim Sandguss tragen die Materialbedingungen, die Schmelzequalität, die Kernqualität und weitere Aspekte zu diesen Unsicherheiten bei. Das Metallgussverfahren ist das EINZIGE Fertigungsverfahren, bei dem ein Produkt aus einer Flüssigkeit geformt wird. Daher ist die Überprüfung der tatsächlichen Prozessbedingungen und damit der Prozessvariablen zuweilen extrem schwierig und mit viel Rätselraten und Erfahrungswerten verbunden. Je mehr dies wieder standardisiert werden kann, indem alle auf eine integrierte Datenplattform gebracht werden, desto besser. Den Prozess zu planen und den Plan genau zu machen ist eine Sache. Den Plan auszuführen ist eine andere.

#3. Arbeitskosten:

Die direkten Arbeitskosten steigen mit zunehmender Lebensdauer des Werkzeugs. Zum Beispiel sind beim Druckguss umfangreiche Entgratungen und Nacharbeiten gewinnmindernd, da sie oft nicht berücksichtigt werden. Beim Sandguss würde man von zusätzlichen Putz- und Reinigungskosten sprechen oder bei weiteren Sekundärprozessen von zusätzlichen Wärmebehandlungs- und Bearbeitungskosten. Auch hier gilt der Grundsatz: Was man nicht messen kann, kann man nicht kontrollieren, und je besser man plant und den Plan ausführt, desto besser wird man in der Lage sein, die Arbeitskosten und viele andere Kosten unter Kontrolle zu bringen. Dies kann manchmal auch eine organisatorische Kontrolle beinhalten.

DIE LÖSUNG FÜR "ABC" & "C2C" - TRANSPARENZ:

Daher ist ein integriertes und kontinuierliches Prozessmanagement-Tool (Integrated and Continual Process Management = ICPM-tool), das sich auf hochintegrierte Live-Daten stützt, der richtige Weg, um die oben genannten Unwägbarkeiten zu minimieren, Überraschungen zu vermeiden, die sich negativ auf den Gewinn auswirken, und Ihre PVP (Process Value Proposition) wissenschaftlich zu untermauern.

Die Live-Daten ermöglichen es Ihnen, Ihre Kosten zeitnah bis auf die Ebene der einzelnen Lagerhaltungseinheiten (stock keeping unit = SKU) aufzuschlüsseln (d. h. Ihre Mehrfach-Stücklistenkosten, siehe oben) und mit dem ABC = C2C zu vergleichen; das Ergebnis ist eine klare Preisangebotsabweichung (price – quote – variance = PQV). Darüber hinaus können Sie mit einem Echtzeit-Dashboard, das Ihren Bestand in jeder Gießereistufe anzeigt, die SKU-Bestände minimieren und eine noch nie dagewesene Transparenz schaffen. Mit diesem, wie wir es auch nennen, "SeW-Inventar" (Sequence of Work) können Sie jeden Auftrag, jede Gießereistufe, jedes Produkt und jedes einzelne Stück, das Teil Ihres aktuellen "rollenden" Inventars ist, in Ihrem Betrieb betrachten. Beispiele haben gezeigt, dass allein durch die Schaffung von klarer und greifbarer Transparenz in diesem Bereich Einsparungen in einer Größenordnung von US$ 80-100k in einem Jahr für ein typisches KMU - Eisen-/Stahl- oder Druckgießerei - erzielt werden können!

Auch hier müssen die Produktionsdaten in Form einer digitalen Zwillingsmodell (Digital Twin) erfassten Plattform vorliegen, sonst ist es nicht möglich, eine solche Zahl zu erreichen, und viele Gießereien/Metallgussbetriebe bleiben ein "schwarzes Loch".

GIESSEREI BEISPIEL UND FALLSTUDIE #1 AUS INDIEN:

Diese Aluminium-Druckgießerei produziert jeden Monat etwa 500 Tonnen Gussteile. Für den Schutz des geistigen Eigentums wird die Identität dieser Gießerei geheim gehalten, um keine Informationen preiszugeben, die ihre Wettbewerbsfähigkeit beeinträchtigen könnten.

Die angewandten Verfahren sind Schwerkraftkokillenguss und Niederdruckguss, also rein LPDC / GDC und keine HPDC (Hochdruckguss) an diesem Standort. Aus den verschiedenen Bildern in der Präsentation geht hervor, dass es keine oder nur sehr wenig Datentransparenz und/oder Rückverfolgbarkeit der Gussteile gibt. Das C2C wird geschätzt, und die meisten, wenn nicht alle operativen Kontrollen werden mit Excel-Dateien und Papier und Bleistift durchgeführt, und nur teilweise werden Informationen in das Unternehmenssystem eingespeist, was zu täglichen / wöchentlichen / monatlichen Anpassungen in Bezug auf die Reihenfolge der Bestände und die Materialverwaltung führt. Die Produktivität ist trotz des großen Volumens und des hohen arbeitsintensiven Produktionsvolumens auf einem mittleren Niveau mit fast täglichen Feuerwehreinsätzen und Produktionsbesprechungen. Dennoch werden Qualitätsgussteile auch für EV's (Electric Vehicles) produziert.

GIESSEREI BEISPIEL UND FALLSTUDIE #2 AUS INDIEN:

Diese Aluminiumdruckgießerei verfügt über eine ähnliche Tonnage wie Beispiel Nr. 1, allerdings mit deutlich weniger Personal und einem höheren Automatisierungs- und Digitalisierungsgrad. Auch hier wird die Identität dieser Gießerei geheim gehalten, um keine Informationen preiszugeben, die ihr Wettbewerbsniveau beeinträchtigen könnten.

Das angewandte Verfahren ist Niederdruckguss (LPDC) nur an diesem Standort und HPDC / GDC an anderen Standorten. Aus den verschiedenen Bildern in der Präsentation geht hervor, dass von Anfang an ein sehr hohes Maß an Datentransparenz und digitaler Datenerfassung vorhanden ist. Jedes Gussteil wird nach seiner "Geburt" mit einem QR-Code codiert und innerhalb der Fabrik verfolgt. Die Prozessschritte können für verschiedene Gussmodelle unterschiedlich sein und so kann das Gussteil selbst über den QR-Code seine Geschichte" zum jeweiligen Produktionsablauf und -standort erzählen. Dies ist im Übrigen die wahre Essenz von "Giesserei-4.0", also das Teil erzählt seine Geschichte and den jeweiligen Produktionsabteilungen was gemacht werden muss (Anmrk. d. Red.). Darüber hinaus werden die Öfen zentral überwacht, der Energieverbrauch wird digital gesteuert, ebenso wie Temperaturen, metallurgische Messungen und dergleichen. An der Spitze der Produktionsplanung und -steuerung betreibt die Gießerei schließlich einen MCT = Manufacturing Control Tower. Alle Informationen fließen in den "Kontrollraum" ein, wo Datenanalysen und andere Werkzeuge eingesetzt werden, um datengestützte Entscheidungen in Echtzeit und rechtzeitig zu treffen. Es sind keine langwierigen Besprechungen und keine manuellen Eingriffe erforderlich, es sei denn, es kommt zu einem ungeplanten und unkontrollierten Ereignis. Diese Gießerei arbeitet nach dem Motto: Was man nicht messen kann, kann man nicht kontrollieren, und lebt nach diesem Grundsatz.

ZUSAMMENFASSUNG

In der heutigen Welt brauchen (M)-SME-Gießereien intelligente Lösungen! Es reicht nicht aus, sich nur auf Arbeitskräfte zu verlassen, insbesondere bei arbeitsintensiven Prozessen. Kostenoptimierungen beginnen bereits auf der Ausschreibungsebene, insbesondere bei geringen Stückzahlen und hohem Mischungsverhältnis, aber auch in umgekehrter Richtung. Big Data ist Big Money, Datenanalyse und Datenvisualisierung in Echtzeit erfordert mehr als das, was klassische Unternehmenssoftwareplattformen liefern, insbesondere wenn sich unter der Level 4 Anwendung eine typische MS-Excel-Wirtschaft entwickelt. In solchen Fällen ist der Einsatz eines MES-Systems unabdingbar. Es wurden Fallstudien von zwei völlig unterschiedlichen Operationen beschrieben, die jedoch nicht in Papierform veröffentlicht werden können; lediglich die neutralisierten Bilder werden in der Präsentation selbst, nicht aber in der Veröffentlichung zur Verfügung gestellt.

Dieses Paper basiert auf einem Vortrag von Christian Kleeberg, gehalten auf der ALUCAST 2022 in Chennai – India.