Schmiedesimulation: Umfrage- ergebnisse zur Wirtschaftlichkeit

Schmiedesimulation:
Umfrageergebnisse
zur
Wirtschaftlichkeit
Dr. ir. Wim Slagter, Gouda (Niederlande) und
Dr.-Ing. Jochen Hambrecht, Alzenau
Während in jüngster Zeit in einer Reihe von
Fachbeiträgen etwas über die Funktionalität
von 3D-Schmiedesimulationsprogrammen zu
lesen war, wurden bislang keine Erkenntnisse
bezüglich deren wirtschaftlicher Auswirkungen
veröffentlicht. Dieser Beitrag widmet
sich dieser Thematik, indem er das Nutzenpotenzial,
das sich aus dem Einsatz eines
Schmiedesimulationsprogramms ergibt, anhand
einiger Beispiele aus der Praxis kon-
Schmiedeprodukte sind weiterhin einem erheblichen
Preisdruck ausgesetzt, obwohl in
den meisten europäischen Ländern Material-,
Energie- und Lohnkosten im Steigen begriffen
sind. Aus diesem Grund ist die Schmiedeindustrie
bestrebt, Fertigungskosten zu kontrollieren
und zu minimieren. Dies
geschieht auf vielfältige Art und
Weise, z. B. durch Erhöhung der
Produktivität, Verkürzung von
Entwicklungszyklen, Erhöhung
der Maschinenauslastung, aber
auch z. B. durch Konzentration auf
umformtechnische Kernkompetenzen.
Schmieden, die MSC.SuperForge
einsetzen, berichten einstimmig
von Einsparungen ihrer Produktgesamtkosten,
von Verringerungen
ihrer Erprobungs- und Entwicklungszyklen
und von einer Erhöhung ihrer
Flexibilität und Wettbewerbsfähigkeit. In einer
Reihe von Befragungen mit verschiedenen
Schmieden, die die 3D-Schmiedesimulation in
der täglichen Praxis im Einsatz haben, wurde
versucht, den wirtschaftlichen Nutzen zu quantifizieren,
den diese Unternehmen aus dem
Einsatz der Simulation ziehen. Für die
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2002
REPORT
Interviews wurde die interne Rentabilität der
Simulation für die kommenden drei Jahre erfragt.
Außerdem wurde die Amortisationsspanne
und der sich aus der Simulation ergebende
Nettoertrag (d. h. Nutzen abzüglich der
Investitionen) ermittelt.
Von den oben angegebenen Schmieden
wurden übereinstimmend vier Bereiche angegeben,
in denen die Einsparungen erwirtschaftet
wurden. Diese Bereiche sind:
• Werkzeugkosten
• Stillstand von Produktionspressen
• Erhöhung der Produktmarge
• Materialkosten.
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kretisiert und quantifiziert. Die im Beitrag
enthaltenen Zahlen gründen sich auf
Berichte und Umfragen von bzw. in
Schmiedeunternehmen, die das Programm
MSC.SuperForge im Einsatz haben.
Netto- Interne Amortisations-
Kunde ertrag Rentabilitäts- spanne
(EUR) rate
Spezialisiert auf Kleinserienteile 168570 92 % 12 Monate
Blattfedernschmiede 167610 144 % 8 Monate
Turbinenschaufelschmiede
Spezialisiert auf mittelschwere
Teile in Fahrzeugen, Bergbau
1070480 519 % 3 Monate
und Maschinen
Schmiede von Fahrwerks-
52520 35 % 16 Monate
und Antriebsstrangteilen 394440 212 % 6 Monate
Rentabilität und Amortisation von MSC.SuperForge über 3 Jahre
Einsparung von Werkzeugkosten
Der konventionelle Entwicklungsprozess für
Schmiedewerkzeuge ist iterativ. Häufig muss
der Entwurf eines Gesenks zwei, drei und mehr
Mal verändert werden, bevor das Gesenk in
Produktion gehen kann. Eine Eliminierung von
einer oder mehrerer dieser Erprobungszyklen
ist nicht nur mit direkten
Kostenersparnissen verbunden,
sondern auch mit deutlichen Verkürzungen
der Serienanlaufzeit
eines Neuteils. Dadurch verbessert
sich insgesamt die Wettbewerbsfähigkeit
eines Unternehmens.
Eine namhafte Schmiede aus
dem NE-Metallbereich hat die Erfahrung
gemacht, dass sich durch
Einsatz von MSC.SuperForge diese
Erprobungszyklen nicht nur reduzieren,
sondern z. T. gänzlich eliminieren
lassen. Das Unternehmen hat bei
bestimmten Schmiedeteilen die Anzahl der
Erprobungen von 3 auf 1 reduziert, spart dadurch
wertvolle Ressourcen und gewinnt zusätzliche
Produktionskapazität auf ihren teuren
Aggregaten. Im amerikanischen FORGING
Magazin (Ausgabe November 2000) erklärt
die Konstruktionsleitung:

‘Innerhalb von 3 Wochen können wir 3
verschiedene Geometrien eines komplexen
Teils simulieren und die Geometrie optimieren.
Durch die direkte Überführung dieses
Gesenkentwurfs in die Produktion können
wir die Entwicklungszeit um den Faktor 3
reduzieren, weil das Gesenk nicht drei mal
geändert und in der Presse erprobt werden
muss .’
Es ist offensichtlich, dass durch die Einsparung
von Erprobungs- und Gesenkänderungszyklen
erhebliche Kosten eingespart
werden können, selbst wenn die dadurch
erhöhte Verfügbarkeit von Produktionskapazitäten
nicht berücksichtigt wird. Die folgende
überschlägige Analyse quantifiziert anhand
einiger Beispiele die möglichen Einsparungen.
Die Ausgangswerte der folgenden
Tabelle sind von Kunden angegebene
Schätzwerte für den Aufwand, der für die
Erstellung eines Gesenks für ein "typisches
Neuteil" bis zur ersten Erprobung erforderlich
ist.
Schmiedeunternehmen
Arbeitsschritt A B C
Gesenkkonstruktion 3410 EUR 5460 EUR 6830EUR
Gesenkherstellung 1620 EUR 40480 EUR 2430EUR
Einbau/Erprobung 320 EUR 8070 EUR 650 EUR
Summe 5350 EUR 54010 EUR 9910 EUR
Kostenschätzungen (Lohnkosten) für ein
durchschnittliches Neuteilgesenk
Die Schmiedeunternehmen A, B und C,
von denen eines in den USA liegt und zwei in
Europa ansässig sind, schmieden hauptsächlich
Schaufeln für Flugzeugtriebwerke (A),
Schaufeln für Kompressoren (B) und
Automobilteile (C). Die angegebenen Werte
stellen brauchbare Anhaltspunkte für die
Kosten eines typischen Schmiedegesenks
dar.
Die Schmiede "A" schätzt, dass für die erforderlichen
Änderungen im Durchschnitt
40 % der Kosten des Erstgesenks, d. h.
ca.2140 EUR anfallen.
Schmiede "B" schätzt diesen Anteil auf ca.
50 % der Kosten des vorigen Gesenks, gibt
gleichzeitig jedoch an, dass in der Regel zwei
Gesenkänderungen und Erprobungen bis
zum Serienanlauf erforderlich sind. Das
bedeutet für die europäische Kompressorschaufelschmiede
"B", dass sich die Kosten
der ersten Änderung auf ungefähr 27000
EUR und die der zweiten Änderung auf ungefähr
13500 EUR belaufen.
Schmiede "C" berichtet ähnliche Werte
wie die beiden anderen Betriebe, gibt jedoch
an, dass gerade im Werkzeugbau immer wieder
Engpässe zu beklagen sind und der
Durchsatz insgesamt deutlich erhöht werden
könnte, wenn der Werkzeugbau durch eine
Reduktion der Erprobungen und Gesenkän-
REPORT
derungen entlastet werden könnte. Außerdem
sind im Werkzeugbau sehr hochqualifizierte
Werker tätig, deren Einsatz so nutzbringend
wie möglich gestaltet werden sollte.
Durch den Einsatz von Simulationssoftware
konnte "B" eine oder beide Nacharbeiten
bei vielen Ihrer Neuteilgesenke eliminieren,
was mit Einsparungen zwischen
13500 EUR und 40500 EUR pro Neuteil verbunden
ist.
Die obige Grafik basiert auf den Erfahrungen
dieser drei Schmieden und zeigt, dass
die Einsparungen von Werkzeugkosten durch
die Simulation im Jahr leicht einige zehnoder
sogar hunderttausend Euro ausmachen
können.
Einsparungen durch Reduktion der Aggregatausfallzeit
Da durch den Einsatz von Simulationssoftware
die Anzahl der Erprobungen deutlich
reduziert werden kann, sind zusätzliche
Einsparungen durch die damit Hand in Hand
gehende Reduktion der erprobungsbedingten
Aggregatausfallzeiten möglich. Wie lange
ein Aggregat durch eine Erprobung belegt
wird, hängt von einer Vielzahl von Faktoren
ab, wie z. B. von Typ und Größe des Aggregats
und des Gesenks, von der Erfahrung der
Werker bis hin zu den evtl. erforderlichen
Umrüstmaßnahmen an der Erwärmungsanlage
und anderen peripheren Maschinen.
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick
über die erprobungsbedingten Pressenaus-
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2002 15
Mögliche Kosteneinsparungen bei Werkzeugen durch Einsatz von Simulation
Kunde Aggregatausfallzeit Anzahl Neuteile Gesamtausfallzeit
(pro Neuteil) pro Jahr Maschinentage
pro Jahr
A 4 Tage nicht verfügbar nicht verfügbar
B 15 Tage 20-30 300-450
C 3 Tage 200 600
Von Schmieden berichtete Pressenausfallzeiten
fallzeiten, die von den zuvor erwähnten
Schmiedebetrieben "A", "B" und "C" berichtet
wurden. Die dabei geschätzten Kosten
können verschiedene Anteile enthalten,
beginnend mit den typischen für die
Kalkulation verwendeten Stundensätzen, die
in der Regel auch einen gewissen Anteil von
Aggregatausfallzeiten pauschal enthalten.
Eine präzisere Kalkulation müsste hier natürlich
insbesondere auch den Umsatzverlust
berücksichtigen, der dadurch zustande
kommt, dass während der Erprobung die
Produktion stillsteht, also keine realisierbare
Wertschöpfung erfolgt.
Kosteneinsparungen durch Reduktion der
durch Erprobungen verursachten Pressenausfallzeiten
Schmiede "C" setzt für die zur Verfügung
stehenden hydraulischen Aggregate mit
Presskräften zwischen 800 und 30000 Tonnen
Pressenstundensätze zwischen 200 und
1300 EUR an. In dieser Untersuchung wurden
keine Opportunitäts- und Finanzierungskosten,
sowie Kosten
für Generalüberholungen
und Reparaturenberücksichtigt.
Die Grafik auf
Seite 16 zeigt, dass
die jährlichen Einsparungen,
die durch
die Reduktion der
Erprobungen und der Pressenstillstandzeiten
mit Hilfe von Simulationssoftware erzielt
werden können, erheblich sind. Die
Einsparungen können einige zehntausend
Euro im Jahr betragen, selbst wenn von einer
Reduktion der Erprobungen von 20 % ausgegangen
wird. Im Anbetracht der oben von
den Schmieden "A", "B" und "C" berichteten
Einsparungen ist dies ein sehr konservativer
Ansatz.

Mögliche Kosteneinsparungen durch Reduktion der Erprobungen
Erhöhung der Produktmarge durch Simulation
Einer der Schwerpunkte der Schmiedesimulation
ist die Prozessauslegung für
Neuteile. In der Regel liegen jedoch auch in
der Produktion laufender Serienteile erhebliche
Einsparpotenziale verborgen. Schmiede
”B” nahm sich dieser Thematik an und nutzte
vorhandene 3D-CAD-Modelle älterer Schmiedeteile,
um das Optimierungspotenzial dieser
Teile zu beurteilen. In einem dieser Fälle ge-
SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 2002
REPORT
lang es, eine Umformstufe einzusparen und
das Schmiedeteil statt 3- nur noch 2-stufig herzustellen,
was zu einer Kosteneinsparung von
fast einem Drittel der Stückkosten führte. An
den betreffenden Turbinenschaufeln konnten
mehrere Hundert EUR pro Stück eingespart
werden, was sich auf mehrere 100000 EUR
pro Jahr zusätzlicher Produktmarge summierte.
In Anbetracht des erheblichen Zeitaufwands
und der Kosten, die mit der konventionellen
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Bilder: MSC Software
Methode der Werkzeugentwicklung und Serienoptimierung
verbunden sind, ist es den
wenigsten Umformfirmen möglich, eine systematische
Prozessoptimierung durchzuführen.
In den meisten der befragten Firmen wird ein
Schmiedeprozess, wenn er in der Serie einmal
mit ausreichender Stabilität läuft, nicht weiter
optimiert. Eine systematische Optimierung, die
nur mit der Betrachtung einer Vielzahl von
Prozessvarianten zu erreichen ist, ist mit vertretbarem
Aufwand nur durch die Simulation
möglich.
Mit Hilfe der Simulation können solche
Einsparungen in der laufenden Serienproduktion
mit sehr geringem Kostenaufwand realisiert
werden und der Profitabilität direkt zugute
kommen.
Die Schmieden, die im Rahmen der
Untersuchungen befragt wurden, hatten in das
3D-Schmiedesimulationswerkzeug
MSC.SuperForge von MSC.Software investiert.
Während der ersten drei Jahre erwirtschafteten
die befragten Schmieden im
Durchschnitt Kosteneinsparungen in Höhe von
370 724 EUR mit einer Amortisationsspanne
von 9 Monaten. ■
Die befragten Schmieden erklärten sich mit
der Veröffentlichung der Ergebnisse unter
der Bedingung einverstanden, dass sie
namentlich nicht genannt werden.