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Claudius Peters

Schwermaschinenhersteller setzt auf den Generativen Design-Ansatz

Die Fertigung der Zukunft

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Photos courtesy of LimbForge

Neue Produktentwicklungstechnologien machen 100 Jahre altes Unternehmen fit für die Fertigung der Zukunft

Claudius Peters, ein 113-jähriger Hersteller von Schüttgutverarbeitungsanlagen, macht sich fit für das 21. Jahrhundert und vollzieht die digitale Transformation. Generatives Design ist ein entscheidender Faktor für das Unternehmen und bietet einen völlig neuen Ansatz für Produktdesign und -optimierung. Durch die Anpassung dieser Technologie – die eng mit dem 3D-Druck verknüpft ist – an traditionelle Fertigungsmethoden stellt das Unternehmen kosteneffizientere Produkte für einen preissensiblen Industriemarkt her. In der Schwerindustrie unterstützt Generatives Design dabei, Material- und Energiekosten sowie Durchlaufzeiten zu reduzieren. Claudius Peters kann sich so insgesamt wettbewerbsfähiger aufstellen.

Traditionsfirma stellt sich neu auf

Der deutsche Hersteller Claudius Peters verkörpert förmlich den Begriff „Schwerindustrie“: Das Unternehmen produziert große Industriemaschinen und Verarbeitungsanlagen für die Zement-, Stahl-, Gips- und Aluminiumindustrie. „Wir sind Spezialisten im Umgang mit Schüttgütern“, sagt Thomas Nagel, Operations Director bei Claudius Peters (CP). Neben dem Hauptsitz in der Nähe von Hamburg verfügt das Unternehmen über zwölf Niederlassungen in Amerika, Europa und Asien.

CP wurde 1906 gegründet und produziert seit mehr als 100 Jahren große, kapitalintensive Industrieprodukte wie Förderanlagen, Silos, Mahlwerke. Doch anstatt starr an Traditionen festzuhalten, unterstützt Nagel als Chief Digital Officer das Unternehmen dabei, sich als weltweit führender Anbieter digitaler Innovationen zu positionieren und zu etablieren.

Claudius Peters führte 2007 erstmals digitale Design-Tools ein und startete 2014 erste Innovationsinitiativen. Ziel war es, die Geschäftsergebnisse in Bezug auf Kosten, Qualität, Liefergeschwindigkeit und Kundenzufriedenheit zu verbessern. Aber das Unternehmen erkannte, dass die Wettbewerbsfähigkeit im 21. Jahrhundert mehr als nur neue Software erfordert. Im Jahr 2018 begann CP mit der weiteren Transformation hin zu einem agilen Unternehmen. Dies erfordert neue digitale Kenntnisse sowie eine Unternehmenskultur, die Design Thinking, Experimentieren und Iteration fördert und lebt.

Thomas Nagel, Operations Director und Chief Digital Officer bei Claudius Peters, in der Hauptniederlassung des Unternehmens in Buxtehude in der Nähe von Hamburg.

Die Innovationsinitiative beginnt

Die Zusammenarbeit mit Technologiepartnern wie Autodesk war der Schlüssel zur Innovationsinitiative von Claudius Peters. CP führte neue Werkzeuge ein, darunter BIM 360, um Prozesse in den Bereichen Vertrieb, Maschinenbau, Design, Fertigung und Montage zu verzahnen. Das Unternehmen fand zudem neue Wege, um Fertigungsprozesse mit Inventor und der Finite Element Method (FEM) zu rationalisieren. Für die Installation der Maschinen nutzte CP realitätsnahe 3D-Reality Scans basierend auf ReCap und Navisworks. Damit können Daten bei den Kunden erfasst und schnell an die Maschinenbau- und Designteams in Deutschland weitergegeben werden. „Das bedeutet, dass wir unsere Arbeit schneller, mit höherer Qualität, zu niedrigeren Kosten und damit zur höheren Kundenzufriedenheit erledigen“, sagt Nagel.

„Aber unser Innovationsweg war noch nicht zu Ende“, fügt er hinzu. Inspiriert von einer Präsentation des Generativen Design-Ansatzes in Fusion 360, richtete Nagel einen vierstündigen Workshop für das CP-Team ein, um sich über die neue Technologie zu informieren.

Die Generative Design-Software von Autodesk berücksichtigt Designziele und -beschränkungen und zeigt Umsetzungsmöglichkeiten einer Designlösung auf. Dabei werden schnell Dutzende von Optionen zur Auswahl gestellt. Nachdem das Team mit einigen generischen Teilen experimentiert hatte, optimierte es mithilfe des Generativen Design-Ansatzes eine Komponente aus einem der CP-Kernprodukte für die Zementindustrie – einen Klinkerkühler.

Nagel (rechts) überprüft mit dem Team von Claudius Peters und Autodesk das Design der bestehenden Klinkerkühlerkomponente.

Was ist ein Klinkerkühler?

Die Zementindustrie war von Anfang an ein Standbein von Claudius Peters. Zementhersteller mischen Schotter, erhitzen ihn in einem Ofen auf 1.450 °C und verschmelzen ihn zu murmelgroßen Klumpen, dem sogenannten „Klinker“. Der glühende Klinker wird in einen Klinkerkühler, eine massive Maschine von 50 x 25 Metern, entladen. Luft kühlt den Klinker auf etwa 100 °C ab, während er durch den Kühler bewegt wird. Anschließend wird er gemahlen und mit anderen Zutaten zu Zement vermischt.

CP begann Anfang der 1950er-Jahre mit der Lieferung von Klinkerkühlern an die Industrie und produzierte in den nächsten 60 Jahren mehr als 700 Kühler. Die Klinkerproduktion verbraucht jedoch viel Energie und macht die Zementindustrie zu einem der weltweit größten CO₂-Emittenten.

Anfang der 2000er-Jahre begann CP mit der Entwicklung eines Klinkerkühlers der nächsten Generation. Der sogenannte ETA Cooler ist auf Energieeinsparung ausgelegt und wurde nach dem griechischen Symbol „η” („eta“) benannt, was Energieeffizienz bedeutet. „Einer der größten Vorteile unseres ETA Coolers ist der hervorragende thermische Wirkungsgrad“, sagt Nagel. „Diese Energieeinsparungen können dazu beitragen, die negativen Umweltauswirkungen der Zementproduktion zu reduzieren.“ Heute ist das Hauptgeschäft von CP der Austausch bestehender Klinkerkühler durch ETA Cooler zur Effizienzsteigerung in Zementwerken.

Der ETA Cooler im Holcim-Zementwerk Untervaz in der Schweiz ist eine riesige Maschine, die fast ein halbes Fußballfeld groß ist. Mit freundlicher Genehmigung von Claudius Peters.

Generatives Design liefert überraschende Ergebnisse

CP entschied sich für Generatives Design, um eine Komponente des ETA Coolers zu optimieren. Dabei handelt es sich um ein Schwermetallteil, das kürzlich neu entwickelt wurde, um überschüssiges Material zu entfernen. Jeder Kühler besteht aus 50 bis 60 dieser Teile. „Diese sind mit Förderbahnen verschraubt, die den geschmolzenen Klinker durch den ETA Cooler transportieren. Dieses Gussteil wurde immer wieder optimiert“, sagt Maximilian Lerch, Konstrukteur bei CP. „Das Ziel war es, das Gewicht und die damit verbundenen Kosten des Metalls zu senken. Schon eine kleine Gewichtsoptimierung hätte einen großen Effekt.”

„Es war wirklich cool, wie alle Ingenieure sich um den Computerbildschirm versammelt haben, um zu sehen, wie Generatives Design ein optimiertes, robustes Teil aus fast nichts erschafft – ausschließlich basierend auf Einschränkungen“, fährt Lerch fort. „Alle Iterationen, die für die bestmögliche Lösung nötig sind, werden von der Software durchgeführt.“

Nach dieser ersten vierstündigen Sitzung mit Generativem Design hatte das Team sein erstes Ergebnis: „Wir nannten es The Alien Part“, sagt Nagel. „Das Ergebnis hat uns überrascht: Wie konnte es sich so sehr von unserem bereits optimierten Teil unterscheiden? Und dazu 30 Prozent bis 40 Prozent leichter sein?“

Die ersten Ergebnisse des Generativen Design-Prozesses führten zu „The Alien Part“ (rechts), das sich stark vom ursprünglichen ETA Cooler Transportteil (links) und dem traditionell optimierten Teil (Mitte) unterschied.

Generative design yields surprising results

CP decided to use generative design to optimize a part for the ETA Cooler—a heavy metal piece that had been recently redesigned to remove excess material using traditional design methods. Each cooler has 50 to 60 of these parts, which are bolted together on a series of conveyor lanes that move the molten clinker through the ETA Cooler. “This cast piece has been optimized over and over again,” says Maximilian Lerch, design engineer at CP. “The target was to lower weight and the linked cost of the metal. Even a little weight optimization would have a big effect.

“It was really cool to watch all the engineers gathered around the computer screen, watching generative design create an optimized, strong part out of almost nothing, just the constraints,” Lerch continues. “All the iterations that are needed to come to the best solution are done by the software.”

After that first four-hour session with generative design, the team had its first result: “We called it ‘the alien part,’” Nagel says. “The result surprised us—how could it be so different from our optimized part? And 30% to 40% lighter?”

  • Im Zementproduktionsprozess wird glühender Klinker aus dem Ofen in den ETA Cooler überführt. Dieser kann bis zu 13.000 Tonnen Klinker pro Tag verarbeiten.

  • Förderbahnen bewegen den Klinker durch den ETA Cooler. Dabei kühlt die Luft das geschmolzene Gestein auf etwa 100 °C (212 °F) ab.

  • Jeder ETA Cooler besteht aus etwa 60 Transportteilen, die auf Förderbahnen platziert werden, um heißen Klinker durch den Kühler zu transportieren.

  • Das ursprüngliche Transportteil (links) wurde 2016 neu gestaltet und in 14 Klinkerkühlern installiert.

  • Das neue Komponentendesign (rechts), das auf Generativem Design basiert, ist mehr als 50 Prozent leichter als das Original und ermöglicht erhebliche Einsparungen bei Materialkosten und Energie.

  • Die Renderings zeigen die Entwicklung des Klinkerkühlteils vom ursprünglichen schweren geometrischen Design (oben links) über generativ gestaltete und rückentwickelte Iterationen.

Images courtesy of Claudius Peters

Anpassung generativ konstruierter Teile an die traditionelle Fertigung

Die skeptischen Ingenieure von Claudius Peters führten Berechnungen und FEM-Analysen am „Alien Part“ durch und waren erstaunt, dass die Komponente effektiver war als die traditionell optimierte Version des Teils. Das Team begann, das Design zu analysieren, um herauszufinden, wie es hergestellt werden kann. „Generative Designs verwenden normalerweise 3D-Druck oder andere additive Herstellungsverfahren, um das Produkt herzustellen“, sagt Nagel. „Unsere Branche wird keine 3D-Druckteile verwenden – das ist zu teuer.“ Aber mit Ideen aus dem Generativen Design und der traditionellen Optimierung „haben wir nur eine Woche gebraucht, um das Teil zurückzuentwickeln, damit wir es mit traditionellen Fertigungsmethoden herstellen können“.

Mit Inventor- und FEM-Analysen testete das Team verschiedene Fertigungslösungen mit der Gießerei von Claudius Peters. „Wir haben uns entschieden, von einem Gussteil zu einer Lösung mit lasergeschnittenen Platten und Schweißen überzugehen“, sagt Nagel. „Wir haben das Teil zusätzlich 25 Prozent leichter, schneller in der Herstellung und kostengünstiger gemacht.“

Das Team untersucht weiterhin die Gestaltungsmöglichkeiten für den Transportteil und identifiziert zusätzliche Verbesserungsmöglichkeiten und weitere Kosteneinsparungen. „Es sollte sehr bald in die Produktion gehen“, so Nagel weiter. „Ich erwarte, dass die Komponente noch in diesem Jahr irgendwo auf der Welt in Betrieb sein wird.“

Ein Schweißer fertigt den Prototyp für das neue Transportteil, welches mit Ideen aus dem Generativem Design und dem Input der Fertigungs- und Schweißexperten umgebaut wurde.

Die Potenziale des Generativen Designs ausschöpfen

Das generativ konstruierte Teil von CP kann dem Unternehmen letztlich einen erheblichen Kostenvorteil bei jedem installierten Klinkerkühler bringen. Da das Gewicht des Transportteils um etwa 20 Kilogramm reduziert wurde, rechnet das Unternehmen mit Einsparungen von etwa 100 Euro pro Teil, multipliziert mit 60 oder mehr Teilen in jedem Kühler. Darüber hinaus bedeutet weniger Gewicht auch niedrigere Versandkosten. „Vom ersten Prototyp an, den wir entwickelt haben, waren wir überzeugt, dass uns Generatives Design helfen wird, niedrigere Kosten für unsere Produkte zu erzielen und unsere Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen“, sagt Nagel.

Generatives Design sorgt auch für mehr Nachhaltigkeit. „Wir können von einem schwereren Teil, das in einer Gießerei in Indien oder der Türkei gegossen wurde, zu einem leichteren Teil wechseln – eine Schweißkonstruktion, die wir sogar in unserer Werkstatt hier durchführen können“, sagt Nagel. „Wir sparen Material, Energie, Transportzeit und andere negative Auswirkungen auf die Umwelt.“

Claudius Peters befindet sich nun an dem Punkt, an dem sich das Generative Design zum Standardprozess für die Optimierung bestehender oder die Konstruktion neuer Teile entwickelt. „Wir werden weitere Teile identifizieren, an denen wir in Zukunft Optimierungen und Materialreduzierungen vornehmen können“, sagt Nagel. „Schritt für Schritt werden wir sehen, ob Generatives Design den gleichen positiven Nutzen hat.“

Konstrukteur Maximilian Lerch arbeitet an einer rückentwickelten Version des generativ konstruierten Teils, die mit traditionellen Fertigungsmethoden hergestellt werden kann.

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