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Neue Technologien für die Produktentwicklung machen ein 100-jähriges Unternehmen fit für die Zukunft der Fertigungsindustrie
Claudius Peters, ein 113 Jahre alter Hersteller von Schüttgut- und Verfahrenstechnik, befindet sich im Wandel zu einem digitalen Unternehmen des 21. Jahrhunderts. Durch generatives Design findet das Unternehmen bahnbrechende neue Ansätze für die Produktplanung und -optimierung. Durch Anpassen dieser Technologie, die normalerweise mit 3D-Druck in Verbindung gebracht wird, auf herkömmliche Fertigungsverfahren erstellt das Unternehmen kostengünstige Produkte für einen preissensiblen Markt. Generatives Design in der Schwerindustrie hilft, Material, Energiekosten, und Vorlaufzeiten zu sparen und stärkt dadurch die Wettbewerbsfähigkeit von Claudius Peters in unruhigen Zeiten.
Ein Traditionsunternehmen öffnet sich Veränderungen
Der deutsche Hersteller Claudius Peters ist ein Mustereispiel für den Begriff „Schwerindustrie“: Das Unternehmen produziert große Industriemaschinen und Verarbeitungsanlagen für die Zement-, Stahl-, Gips- und Aluminiumindustrie. „Wir sind die Spezialisten im Umgang mit Schüttgütern“, erklärt Thomas Nagel, Operations Director bei Claudius Peters (CP). Neben dem Hauptsitz in Hamburg verfügt das Unternehmen über 12 regionale Niederlassungen in Nord- und Südamerika, Europa und Asien.
CP wurde 1906 gegründet und stellt seit mehr als 100 Jahren große, kapitalintensive Produkte wie Förderbänder, Silos oder Mahlanlagen her. Doch anstatt sich an die verdienstvolle Firmengeschichte zu klammern, hilft Nagel als Chief Digital Officer dem Unternehmen, sich als Weltmarktführer für digitale Innovation zu etablieren. Claudius Peters begab sich 2014 auf die Suche nach Innovationen mit dem Ziel, den Geschäftserfolg im Hinblick auf Kosten, Qualität, schnelle Lieferung und Kundenzufriedenheit zu steigern. Aber die Firma hat festgestellt, dass die Wettbewerbsfähigkeit im 21. Jahrhundert mehr erfordert als nur eine neue Software. 2018 begann CP eine weitere Umgestaltung in ein agiles Unternehmen, was neue digitale Fähigkeiten und eine Kultur des kreativen Denkens, Experimentierens und schrittweisen Vorgehens erforderte.
Der Weg in die Zukunft
Die Zusammenarbeiten mit Technologiepartnern wie Autodesk war ein wichtiger Aspekt der Innovationen bei Claudius Peters. CP führte neue Tools wie BIM 360 (Englisch) ein, um die Abläufe vom Vertrieb über die Entwicklung und Konstruktion bis hin zur Fertigung und Montage zu verknüpfen. Das Unternehmen fand auch neue Möglichkeiten, Herstellungsprozesse mithilfe von Inventor und der Finite-Elemente-Methode (FEM) zu verschlanken. CP fing an, bei der Installation seiner Maschinen 3D-Realitätserfassungsscans mit ReCap und Navisworks einzusetzen, um die Daten am Kundenstandort zu erfassen und die Dateien schnell an die Konstruktions- und Planungsteams in Deutschland weiterzuleiten. „Das bedeutet, dass wir unsere Arbeit schneller, mit höherer Qualität, geringeren Kosten und damit höherer Kundenzufriedenheit erledigen“, meint Nagel.
„Aber das war noch nicht das Ende der Innovationen“, fügt er hinzu. Inspiriert von einer Demonstration von generativem Design in Fusion 360 veranstaltete Nagel einen vierstündigen Workshop für das CP-Team, um diese neue Technologie kennenzulernen.
Die Autodesk-Software für generatives Design (.de) nimmt Konstruktionsziele und Abhängigkeiten und erkundet mögliche Änderungen einer Konstruktionslösung. Dabei werden in kurzer Zeit Dutzende von Optionen zur Auswahl erstellt. Nachdem einige generische Teile ausprobiert waren, entschied das Team sich, versuchsweise generatives Design zu nutzen, um ein Teil für eines der Hauptprodukte von CP für die Zementindustrie zu optimieren – einen Klinkerkühler.
Was ist ein Klinkerkühler?
Der Zementindustrie zählte von Anfang an zu den wichtigsten Kunden von Claudius Peters. Zementhersteller mischen Gesteinsmaterial und erhitzen es in einem Ofen auf 1.450 °C. Dort entstehen Bröckchen in der Größe einer Murmel, der so genannte Klinker. Der rotglühende Klinker kommt in einen Klinkerkühler, eine riesige Maschine von 50 mal 25 Metern. Auf dem Weg durch den Kühler wird der Klinker durch die Luft auf ungefähr 100 °C abgekühlt. Dann wird er gemahlen und mit anderen Materialien vermischt. Das Endprodukt ist Zement.
CP beliefert die Industrie schon seit den frühen 1950er Jahren mit Klinkerkühlern und stellte in 60 Jahren über 700 Kühler her. Aber Klinkerproduktion erfordert viel Energie, wodurch die Zementindustrie zu den Branchen mit dem höchsten CO2-Ausstoß weltweit zählt.
Nach der Jahrtausendwende begann CP mit der Entwicklung von Klinkerkühlern der neuen Generation, um Energie zu sparen: der ETA-Kühler, benannt nach dem griechischen Buchstaben „η“ („eta“), zeichnet sich durch Energieeffizienz aus. „Einer der größten Vorteile unserer ETA-Kühler ist die hervorragende thermische Effizienz“, sagt Nagel. „Diese Energieeinsparungen können dazu beitragen, die negativen Umweltauswirkungen der Zementherstellung zu reduzieren.“ Heute ist das Hauptgeschäft von CP der Ersatz bestehender Klinkerkühler durch ETA-Kühler zur Effizienzsteigerung in Zementwerken.
Generatives Design liefert überraschende Ergebnisse
CP beschloss, zur Optimierung eines Bauteils für den ETA-Kühler generatives Design einzusetzen. Es ging um ein schweres Metallteil, das erst vor kurzem mit konventionellen Konstruktionsmethoden überarbeitet worden war, um überschüssige Material zu entfernen. Jeder Kühler besteht aus 50 bis 60 dieser Teile, die über einer Reihe von Förderbändern miteinander vernietet sind. Die Förderbänder schieben den geschmolzenen Klinker durch den ETA-Kühler. „Dieses Gussteil wurde immer wieder optimiert“, sagt Maximilian Lerch, Entwicklungsingenieur bei CP. „Das Ziel war, das Gewicht und damit die Kosten für das Metall zu senken. Selbst eine kleine Gewichtsoptimierung würde eine große Wirkung haben.“
„Es war einfach ein toller Anblick, dass sich alle Ingenieure um den Computerbildschirm versammelten und zusahen, wie im generativen Design praktisch aus dem Nichts, nur aus den Abhängigkeiten, ein optimiertes, starkes Bauteil entstand“, fährt Lerch fort. „All die Iterationen, die für die bestmögliche Lösung erforderlich sind, werden von der Software ausgeführt.“
Nach der ersten vierstündigen Sitzung mit generativem Design hatte das Team ein erstes Ergebnis: „Wir nannten es ‚das Alien-Teil‘“, erzählt Nagel. „Wir waren vom Ergebnis überrascht – wie konnte das so völlig anders sein als unser optimiertes Bauteil? Und dazu noch 30 % bis 40 % leichter?“
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Bei der Zementproduktion wird rotglühender Klinker vom Ofen in den ETA-Kühler geleitet, der bis zu 13.000 Tonnen pro Tag verarbeiten kann.
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Förderbänder transportieren den Klinker durch den ETA-Kühler, wo die Luft das geschmolzene Gestein auf ungefähr 100 °C abkühlt.
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Jeder ETA-Kühler besteht aus rund 60 Transportteilen, die auf die Förderbänder gesetzt werden, um den rotglühenden Klinker durch den Kühler zu befördern.
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Das ursprüngliche Bauteil (links) wurde 2016 überarbeitet und in 14 Klinkerkühlern eingebaut, wo es sich seitdem bewährt hat.
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Das neu konstruierte Bauteil (rechts), basierend auf generativem Design, isst gut 50 % leichter als das ursprüngliche Teil – die Einsparungen bei Energie- und Materialkosten sind beträchtlich.
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Renderings zeigen die Evolution des Klinkerkühler-Bauteils von der ursprünglichen, schweren geometrischen Konstruktion (oben links) bis hin zu den Varianten, die aus generativem Design und Reverse Engineering entstanden.
Bilder mit freundlicher Genehmigung von Claudius Peters
Anpassen eines generativ konstruierten Bauteils an die herkömmliche Fertigung
Die Ingenieure von Claudius Peters waren skeptisch und führten mit dem „Alien-Teil“ Berechnungen und FEM-Analysen durch. Mit Erstaunen stellten Sie fest, dass dieses Teil effektiver war als die auf herkömmliche Weise optimierte Version des Bauteils. Das Team analysierte zunächst die Konstruktion, um zu sehen, wie es hergestellt werden kann. „Generatives Design, verwendet zur Herstellung eines Produkts üblicherweise 3D-Druck oder andere additive Fertigungsmethoden“, sagt Nagel. „Unsere Branche verwendet aber keine 3D-gedruckten Bauteile – das ist zu teuer.“ Durch die Verknüpfung der Ideen aus generativem Design und herkömmlicher Optimierung „brauchten wir nur eine Woche, um mithilfe von Reverse Engineering ein Bauteil zu konstruieren, das mit herkömmlichen Fertigungsmethoden hergestellt werden kann.“
Mit Inventor und FEM-Analysen testete das Team verschiedene Fertigungslösungen in der Gießerei von Claudius Peters. „Wir entschieden uns, von einem Gussteil zu einer Lösung mit lasergeschnittenen Platten und Schweißen zu wechseln“, so Nagel. „Wir machten das Teil noch einmal um 25 % leichter und die Herstellung schneller und kostengünstiger.“ Das Team arbeitet weiterhin an Konstruktionsvarianten für das Transportbauteil und findet zusätzliche Möglichkeiten für Verbesserungen und weitere Kosteneinsparungen. „Das sollte sehr bald in die Produktion umgesetzt werden“, fährt Nagel fort. „Ich erwarte, dass das Teil innerhalb dieses Jahres irgendwo auf der Welt eingesetzt ist.“
Vorteile des generativen Designs ausschöpfen
Letztendlich kann das mit generativem Design erstellte Bauteil von CP dem Unternehmen bei jedem eingebauten Klinkerkühler viel Geld sparen. Das Gewicht des Transportteils wurde um rund 20 Kilogramm gesenkt, wodurch das Unternehmen Einsparungen von etwa 100 € pro Teil erwartet – multipliziert mit 60 oder mehr Teilen in einem einzigen Kühler. Darüber hinaus bedeutet weniger Gewicht auch geringere Versandkosten. „Von ersten Prototyp an waren wir überzeugt, dass wir mit generativem Design die Kosten für unsere Produkte verbessern und unsere Wettbewerbsfähigkeit steigern würden“, so Nagel.
Außerdem bietet generatives Design mehr Nachhaltigkeit. „Wir können von einem schwereren Gussteil, das in Indien oder der Türkei gefertigt wird, zu einem leichteren Teil wechseln – einer Schweißkonstruktion, die wir sogar hier in unserer eigenen Werkstatt herstellen können“, sagt Nagel. „Wir sparen Material, Energie und Transportzeit und vermeiden sonstige negative Auswirkungen auf die Umwelt.“
Claudius Peters wird jetzt soweit, dass generatives Design zum Standardverfahren für die Optimierung bestehender Bauteile und die Entwicklung neuer Bauteile wird. „Wir werden in Zukunft weitere Teile identifizieren, bei denen wir Optimierungen und Materialeinsparungen vornehmen können“, sagt Nagel. „Wir werden Teil für Teil prüfen, ob wir durch generatives Design genauso große Vorteile erzielen können.“
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