Eine Hinterhoffabrik: Wie Roboter Sie in die Lage versetzen, Ihre eigenen Produkte herzustellen

Vergessen Sie die Massenfertigung - das nächste große Produkt könnte mithilfe winziger Roboter in Ihrer Garage hergestellt werden.

Während des größten Teils des 20. Jahrhunderts war die Fertigung in erster Linie die Domäne großer Fabriken, großer Maschinen und großen Geldes. Riesige Produktionslinien produzierten Autos, Ketchup, Wasserkocher und Kevlar. Die Herstellung eines Produkts erforderte einen sehr teuren und komplexen Werkzeugherstellungsprozess, ein versunkener Kostenfaktor, der sich letztendlich durch das Umsatzvolumen amortisierte, das der Herstellungsprozess ermöglichte.

Vergleichen Sie das damit, wie die meisten Dinge vor der industriellen Revolution hergestellt wurden. Ja, es gab einige sehr große Operationen (da fallen mir der Schiffbau und die Pyramiden ein). Aber die meisten Aufgaben, wie die Herstellung von Kleidung oder die Produktion von Milch, wurden in Hütten, auf dem Bauernhof oder in sehr kleinen Handelsgeschäften erledigt. Dies waren die Heimindustrien von einst.

Diese winzigen Heimindustrien hatten einen Wert, nicht zuletzt die Selbstbestimmung der Handwerker, die Produkte herstellten. Sie waren nicht auf riesige Konzerne, riesige Fabriken oder Fokusgruppen angewiesen, um etwas zu erledigen. Andererseits waren die Komplexität und Leistungsfähigkeit der in der Heimindustrie hergestellten Produkte zwangsläufig durch die Werkzeuge und Ressourcen begrenzt, zu denen kleine Kaufleute und Familien Zugang hatten.

Im letzten Jahrzehnt oder so erlebten wir eine gewisse Rückkehr zur Heimindustrie. Nur dieses Mal helfen Roboter. Das Ergebnis: Prototypen, Einzelprodukte und Kleinserien produzieren am laufenden Band Produkte, die von Einzelpersonen und kleinen Gruppen geschaffen wurden und dennoch über die Leistungsfähigkeit, Qualität und Komplexität von Produkten verfügen, die zuvor Investitionen in Millionenhöhe, große Fabriken und sehr große Arbeitskräfte erforderten .

In diesem Artikel befassen wir uns mit der Desktop-Fertigung und wie eine Gruppe kleiner Roboter es jedem ermöglicht, seine eigenen Produkte mit einer Vorabinvestition zu erstellen, die oft unter den Kosten eines billigen Gebrauchtwagens liegt.

Das Wachstum des verarbeitenden Gewerbes und der Industrie

Die Großserienfertigung als aktiver Bestandteil der Gesellschaft hat ihre Wurzeln vor allem in der industriellen Revolution des späten 18. und frühen 19. Jahrhunderts. Im Kern war die Industrielle Revolution jener historische Zeitpunkt, an dem die primären Arbeitsinstrumente von organisch zu mechanisch übergingen. Mit anderen Worten: Anstelle von Tieren und Menschen, die die Rotationsbewegungen vorantreiben, die Rohstoffe in Teile und Fertigwaren umwandeln, erledigten Maschinen die Arbeit.

Zwei Schlüsselfaktoren machten dies zunächst möglich: eine bessere Metallurgie und die Dampfmaschine. Stärkere Metalle (hauptsächlich Stahl und Eisen) ermöglichten es den Maschinen, den Drücken und Belastungen standzuhalten, die für die Antriebsprozesse erforderlich waren. Die Dampfmaschine lieferte die Leistung, oft in einem erheblichen Vielfachen dessen, was ein paar Pferde leisten konnten.

Diese beiden Innovationen führten dazu, dass große Fabriken große Maschinen beherbergten, die Rohstoffe in für Produkte verwendbare Formen schneiden, pressen, mahlen und schmelzen. Die Dampfmaschine in Kombination mit robuster Metallurgie führte auch zum Schienenverkehr, der es ermöglichte, Güter weiter und schneller und in größeren Mengen zu transportieren.

Diese Technologien veränderten auch die landwirtschaftliche Arbeit, wobei Innovationen bei landwirtschaftlichen Techniken und Maschinen, wie der Sämaschine und der Dreschmaschine, die landwirtschaftliche Produktivität steigerten. Dies ermöglichte es weniger Menschen, mehr Lebensmittel zu produzieren, wodurch Arbeitskräfte für den Industriesektor frei wurden.

Als wir ins 20. Jahrhundert vordrangen, begannen wir, Elektrizität zu nutzen und sie in Büros und Haushalte zu liefern. Der Verbrennungsmotor löste die Dampfmaschine in Fahrzeugen ab, der Rest ist Geschichte.

Das Entscheidende an der Industriellen Revolution - und den durch sie ermöglichten Fabriken - war der Maßstab. Alles war groß. Wirklich, wirklich groß. Zu Beginn beschäftigten Fabriken und Produktionslinien eine enorme Anzahl von Menschen, die die Maschinen bedienten und Teile zu Komponenten und Komponenten zu Produkten zusammenbauten.

Als die Arbeitskosten Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts stiegen, versuchten viele amerikanische Unternehmen, die Kosten zu senken, und lagerten die Produktion in Länder aus, in denen die Lebenshaltungskosten niedriger waren. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts und in diesem neuen Jahrtausend ersetzten Roboter einen Großteil der manuellen Arbeit, die international immer teurer wurde. Die ausgelagerten Fabriken und ihre erfahreneren Techniker bleiben größtenteils außerhalb der USA.

Wie die traditionelle Fertigung Innovationen unterdrücken kann

Eine der größten Herausforderungen bei der traditionellen Fertigung besteht darin, dass man nicht nur ein einziges Stück bauen kann. Es erfordert einen enormen Kosten- und Arbeitsaufwand, eine Fabrik - selbst eine robotergesteuerte - für die Herstellung neuer Teile einzurichten. Das bedeutet leider, dass der Einstieg in ein neues Produkt sehr, sehr teuer sein kann.

Das war das Problem, das mein Kumpel Jim und ich in den 1990er Jahren hatten. Wir sind beide Ingenieure und haben beschlossen, dass die Welt einen einfachen, programmierbaren Roboter braucht, der von einem PC gesteuert werden kann. Zur Herstellung unseres Prototyps haben wir einen ferngesteuerten Spielzeugpanzer zerlegt, das Funkgerät an den Computer angeschlossen und Taster als Sensoren angeschlossen. Als wir bereit waren, es den Investoren vorzuführen, konnte es einen Raum ganz allein kartieren. Ziemlich fortschrittliche Technologie für die Windows 95-Ära.

Aber wir sind auf ein Problem gestoßen. Für die Kunststoffverarbeitung waren Gussformen erforderlich, auch wenn nur eine begrenzte Stückzahl benötigt wurde. Das war schließlich in der Zeit vor dem 3D-Druck. Diese Formen, einmalige Muster, die zum Gießen des Gerätekörpers verwendet wurden, kosteten jeweils über 100.000 US-Dollar - und wir brauchten mindestens vier davon. Diese Kosten, die Werkzeugkosten, bevor wir überhaupt eine Einheit gebaut haben, waren zu hoch und ein zu großes Risiko. Deshalb sind wir nie in das Robotikgeschäft eingestiegen.

Hätten wir die Werkzeuge bestellen können, hätte die Fertigstellung übrigens sechs Monate bis ein Jahr gedauert. So lange hat das Fräsen dieser Muster von Hand gedauert, vor allem, weil es nur wenige Maschinisten gab, die über die Fähigkeiten verfügten, Prototypenformen herzustellen. Und wenn wir bei unserem Entwurf irgendeinen Fehler gemacht hätten, hätten wir Hunderttausende Dollar mehr ausgeben und noch etwa sechs Monate auf die Überarbeitung warten müssen.

Das war die Welt der Fertigung und des Prototypings vor der einfachen Verfügbarkeit von Desktop-Fertigungsrobotern.

Wenn wir dieses Projekt heute machen würden, könnten wir es mit einem 20-Dollar-Arduino, einem 50-Dollar-Raspberry-Pi und einem 200-Dollar-3D-Drucker machen. Und wir könnten in kleinen Mengen produzieren, indem wir einfach weitere 3D-Drucker hinzufügen. Für deutlich weniger als ein iPhone 15 Pro Max hätten wir 100 Roboter herstellen können, und das in wenigen Wochen - nicht in einem halben oder einem Jahr.

Kickstarter, das kleinen Innovatoren hilft, Geld für neue Produkte und Projekte zu sammeln, verlangt von jedem Projekt, das „die Herstellung und den Vertrieb von etwas Komplexem, wie einem Gerät, beinhaltet, den Unterstützern einen Prototyp dessen zu zeigen, was sie herstellen.“ Im Jahr 1995 hätten Jim und ich diese Anforderung nie erfüllen können, da allein die Kosten für die Form unerschwinglich gewesen wären. Doch mit 3D-Druckern würde ein solcher Prototyp nur ein paar 100 Dollar kosten.

Der Beginn der Desktop-Fertigungsroboter

Vor allem in den USA sind traditionelle Maschinenwerkstätten seit Jahren im Niedergang begriffen. Dies ist zum Teil auf den Export von Kompetenzen in andere Länder zurückzuführen, zum anderen auf den Aufstieg modernerer Technologien wie der roboterbasierten Fertigung. Während Roboter zweifellos große Fabriken verändert haben, ermöglichen sie auch die Schaffung hochentwickelter Produktionsanlagen in Gästezimmern, Familiengaragen und Hinterhofschuppen.

Die meisten kleineren Roboterfertigungsgeräte passen auf einen Schreibtisch, weshalb wir diese Kategorie als Desktop-Fertigung bezeichnen. Tatsächlich passen die meisten 3D-Drucker der Prosumer-Klasse auf die Ecke eines Schreibtisches.

Es gibt zwei Hauptkategorien von Desktop-Fertigungswerkzeugen: additive und subtraktive. Additiv baut Objekte auf, indem Material hinzugefügt wird, während subtraktiv Material weggeschnitten wird, um ein Objekt zu erstellen.

Die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie ist der 3D-Druck. Die meisten 3D-Drucker verwenden Kunststoff, es gibt aber auch 3D-Drucker, die Metall, Beton und sogar Schokolade verwenden. Beim 3D-Druck werden Objekte Schicht für Schicht aufgebaut. Der typische 3D-Drucker verwendet eine Filamentspule (Kunststofffaden), erhitzt dieses Filament und drückt es auf eine Bauplatte oder zuvor extrudierte Schichten. Die resultierenden Schichten verbinden sich miteinander und ergeben ein fertiges Kunststoffobjekt.

Bei der subtraktiven Technologie handelt es sich um Maschinen, die Material abtragen, meist durch Schneiden oder Schleifen. Die CNC ist eine solche Maschine. Er schneidet Holz oder Metall nach einer Anleitung ab.

CNC steht für „Computer Numerical Control“ und während sich der Begriff „CNC“ typischerweise auf einen einzelnen Maschinentyp bezieht, verwenden alle Desktop-Fertigungsgeräte computergestützte numerische Steuerung, auch wenn viele (wie 3D-Drucker und Vinylschneider) nicht als CNCs bezeichnet werden.

In traditionellen Fabriken besteht eine der leistungsstärksten Anwendungen von Desktop-Fertigungswerkzeugen darin, damit Vorrichtungen und Vorrichtungen für die Fertigung zu erstellen. Stellen Sie sich vor, Sie haben einen erfahrenen Ingenieur in Stockholm, aber eine Produktionsstätte in Shenzhen.

Wenn Sie vor der computergesteuerten Fertigung eine vom Ingenieur in Stockholm entworfene Vorrichtung in die Fertigungshalle in Shenzhen bringen wollten, mussten Sie sie physisch verpacken und versenden. Das kann nicht nur teuer und langsam sein, es ermöglicht auch keine schnelle Iteration. Mit CNCs oder 3D-Druckern kann die Konstruktionsdatei per E-Mail verschickt, die Schablone vor Ort gedruckt oder geschnitten, die Testergebnisse an den Ingenieur zurückgesendet und eine neue Version entworfen und an die Fabrik zurückgeschickt werden - und das alles innerhalb weniger Stunden.

Wie ich meine Armee winziger Fabrikroboter einsetze

Meine Frau und ich arbeiten seit langem von zu Hause aus und haben Teile unseres Hauses als Büros, vier separate Drehstudiostandorte, eine Werkstatt, Bastelräume und ein Fab Lab eingerichtet. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, was diese Geräte leisten können, erläutere ich, wie ich sie für Projekte verwendet habe.

Für mich liegt die wahre Stärke darin, dass man ein Projekt in einem CAD-Programm entwerfen kann. Während jedes CAD-Programm eine Lernkurve erfordert, verfügen Sie, wenn Sie eine PowerPoint-Präsentation erstellen können, über die Grundkenntnisse, um mit dem 3D-Design zu beginnen. Da meine Fertigkeiten weit mehr auf den Einsatz von Computern ausgerichtet sind und meine Kenntnisse in der Werkstatt bestenfalls rudimentär sind, fällt es mir viel leichter, mich bei der harten Arbeit auf Fertigungsroboter zu verlassen.

Alles in allem habe ich in den sieben Jahren, seit der Chefredakteur von ZDNET mich ermutigte, mit dem 3D-Druck zu beginnen, 176 Projekte entworfen und gebaut. Offensichtlich haben wir nicht die Zeit, sie alle zu untersuchen, deshalb werfen wir einen kurzen Blick auf einige meiner Favoriten und zeigen, wie jeder der Roboter dazu beigetragen hat, sie zu ermöglichen, angefangen bei 3D-Druckern.

3D-Drucker: Ich habe zwei Arten von 3D-Druckern: einen, der Filamentschichten aufbringt, um ein Objekt aufzubauen, und einen, der Licht verwendet, um Harz auszuhärten, das dann Objekte Schicht für Schicht aufbaut.

Ich habe Filament-3D-Drucker für viele verschiedene Projekte verwendet. Als einer meiner ersten Entwürfe baute ich eine Halterung, die meine Fernbedienungen an der Rückseite meines Fernsehers halten sollte. Ich habe für meine Frau einen Nudelholzhalter gebaut, der an Küchenregalen befestigt werden kann. Ich habe eine Briefkastenflagge gebaut, um unserem Postboten mitzuteilen, wann er Post abholen muss. Ich habe maßgeschneiderte Aufbewahrungshalterungen gebaut, um in meiner Werkstatt Regale hinzuzufügen.

Für mein Tonstudio habe ich spezielle Halterungen gebaut. Und ich habe mehr als 100 Puppenständer für die Puppenkleidungsmusterfirma meiner Frau entworfen und dann hergestellt. Im Moment fertige ich für jedes meiner Werkzeuge maßgeschneiderte Staubsammeladapter an.

Ich benutze die Harzdrucker nicht ganz so oft. Sie produzieren kleinere Objekte, aber mit viel mehr Details. Einer ihrer größten Einsatzzwecke ist die Herstellung von Miniaturfiguren für Spiele. Da ich das nicht mache, habe ich sie wirklich nicht so oft genutzt, außer um etwas über sie zu lernen und sie auf ihre Arbeit zu testen.

CNC-Maschine: Ich habe eine winzige CNC-Maschine in der Größe eines 3D-Druckers. Dann habe ich eine Maschine, die etwa 1,20 m im Quadrat groß ist. Das ist das, was ich am häufigsten verwende. Diese letztere Maschine verwendet einen rotierenden Schneidmeißel, der Material entfernt. Bisher wurde es bei drei Projekten eingesetzt. Ich habe daraus eine ausziehbare Schublade für ein Regal gemacht. Ich habe daraus auch vier identische Aufbewahrungskoffer für Teile hergestellt. Dann habe ich daraus ein Materiallagerregal für Bastelmaterialien hergestellt. Jedes dieser letzten beiden Projekte erforderte ein Maß an Präzision, das über meine Holzbearbeitungsfähigkeiten hinausging, aber die CNC hat sie einfach mit wenig oder gar keinem Aufwand stapelweise ausgeführt.

Laserschneider: Ein Laserschneider schneidet mit einem Laser. Tatsächlich schneidet es Holz, Kunststoff und Leder mit einer Dicke von bis zu etwa 1/4 Zoll. Es graviert eine Vielzahl von Materialien, darunter Metall und Schiefer. Ich habe daraus Untersetzer für Geschenke, Büroschilder für meine Redakteure und jede Menge Etiketten für meine Werkzeug- und Teileaufbewahrung hergestellt. Für die ersten beiden habe ich Holz verwendet. Für die Etiketten habe ich eine Plastikfolie verwendet, die oben blau und unten weiß war, sodass ich weiße Buchstaben auf einem blauen Hintergrund erstellen konnte.

Vinylschneider: Bastler haben vielleicht schon vom Cricut gehört, einem computergesteuerten Gerät, das eine Klinge führt Es eignet sich zum Schneiden von Papier, Stoff, Leder und Vinyl. Es wird häufig in der Schilderherstellung verwendet. Meine Frau verwendet es für individuelle Karten und zum Gestalten von Notizbuchhüllen.

Jedes dieser Geräte verwendet einen Computer, um einen Bearbeitungskopf nach links und rechts und manchmal auch nach oben und unten zu bewegen. Der Unterschied besteht darin, ob dieser Bearbeitungskopf geschmolzenen Kunststoff extrudiert, mit einem Messer schneidet oder mit einer rotierenden Klinge mahlt.

Als nächstes werde ich einige Leute hervorheben, die in ihren Garagen oder Hinterhofschuppen vollwertige Produktionsbetriebe eingerichtet haben.

Wie Heimwerker kleine Fabriken in ihren Häusern und Garagen bauen

Es gibt viele andere Maschinen, die viele andere Arten computergesteuerter Vorgänge ausführen. Beispielsweise verwendet ein Ingenieur namens Pete Rondeau eine CNC, um ein Metallgehäuse für einen Controller zu schneiden, und verwendet außerdem eine Maschine, die extrem kleine elektrische Komponenten aufnimmt und auf einer Leiterplatte platziert. Seine 150 Quadratmeter große Produktionsfläche ist sein Hinterhofschuppen.

Andy Bird nutzt die CNC-Maschine in seiner Garage für zwei Autos, um Gegenstände herzustellen, die er auf Kunsthandwerksmessen und für Sonderanfertigungen verkauft. In diesem Video zeigt er, wie er mit seiner CNC-Maschine 87 Bourbon-Raucher ausgeschnitten hat (ein Gerät, das Bourbon mit aromatisiertem Rauch versetzt). Außerdem gravierte er mit einem Laser eine Karte von Kentucky auf jeden Raucher.

Travis Lathrop ist ein Maschinenbauingenieur, der sich einer sehr schwierigen Herausforderung gestellt hat: einen Staubsammeladapter für eine Gehrungssäge zu entwerfen. Gehrungssägen spucken eine enorme Menge Sägemehl aus. Jede Gehrungssägenmarke und jedes Gehrungssägenmodell ist anders und jede von ihnen wirbelt auf ihre eigene Weise Staub auf. Lathrop nutzte CAD und einen 3D-Drucker, um dieses Problem zu lösen, und verkaufte 3D-gedruckte Adapter an Gehrungssägenbenutzer. Zum Zeitpunkt der Dreharbeiten zu diesem Video hatte er gerade seinen zehnten 3D-Drucker gekauft. Seine Drucker waren im ganzen Haus verstreut. Seitdem hat er ein Büro gemietet und betreibt von dort aus seine stetig wachsende Druckfarm.

Sam Clark hat in North Carolina ein Gehöft gebaut, wo er von einem Schuppen auf seinem Grundstück aus seinen SamCraft-YouTube-Kanal betreibt. Eines seiner beliebtesten Produkte ist ein Set gravierter Schieferuntersetzer. In diesem Video zeigt er, wie er mit einem Laserschneider eine Vorrichtung zum Gravieren der Untersetzer baut und wie er dann mit dem Laser die eigentlichen Untersetzer selbst graviert.

Natürlich sind CNC-Maschinen, Laserschneider und 3D-Drucker nicht die einzigen computergesteuerten Robotergeräte, die Sie in Ihrer Garage aufstellen können, um ein Produktionsunternehmen zu gründen. Aber sie sind ziemlich kostengünstig geworden, einigermaßen einfach einzurichten, verbrauchen keinen Haushaltsstrom und können einige sehr große Projekte realisieren.

Demokratisierung der Produktionsmittel

Vor etwas mehr als einem Jahrhundert brauchte es den Reichtum von „Raubrittern“ wie John D. Rockefeller (Ölindustrie), Andrew Carnegie (Stahlindustrie) oder Cornelius Vanderbilt (Eisenbahnen), um Fabriken zu bauen und Industrien zu starten.

Nur eine Handvoll Leute konnten es sich leisten, Werkzeuge, Fabriken und Infrastruktur zu bauen und einzusetzen, was wiederum bedeutete, dass sie einen übergroßen Einfluss auf die Arbeitskräfte hatten, die diese Arbeitsinstrumente zur Herstellung von Waren und Dienstleistungen nutzten.

Natürlich gibt es immer noch große Fabriken. Vor der Pandemie beschäftigte Foxconn 200.000 Arbeiter allein für die Herstellung von iPhones, und das war nur die Hälfte des weltweiten iPhone-Angebots. Seit die Pandemie in ihre endemischen Phase eingetreten ist, werden langsam neue Mitarbeiter eingestellt, und Apple hat seitdem einen Teil seiner Produktion in andere Länder verlagert.

Aber wie wir gesehen haben, ist es mittlerweile auch möglich, mit einer Belegschaft aus einem oder zwei Menschen und einigen Roboterhelfern eine Massenfertigung durchzuführen.

Früher war es auch so, dass Zünfte und Handwerker das Know-how zur Bewältigung komplexer Aufgaben in der Hand hielten. Wenn man nicht bei jemandem in die Lehre ging, der über die entsprechenden Fähigkeiten verfügt, hatte man keine Chance zu lernen, wie man einige der komplexeren Aufgaben erledigt, die zur Herstellung von Dingen erforderlich sind. Aber mit YouTube wurde dieses Wissen auch demokratisiert, und wenn Sie lernen möchten, wie man so ziemlich alles macht, sind Sie nur eine einfache Suchzeichenfolge entfernt.

So hier sind wir. Fachwissen ist nicht länger weggesperrt. Die Roboterfertigung ermöglicht die Erstellung von Prototypen und die anschließende Herstellung von Gegenständen, die genauso gut sind wie alles, was in viel größeren Fabriken hergestellt wird. Hinsichtlich der finanziellen Kosten ist die Eintrittsbarriere niedrig.

Jetzt sind nur noch Designfähigkeiten, Motivation, kreatives Denken und Entschlossenheit erforderlich. Das eröffnet jedem, der den Willen zum Erfolg hat, alle möglichen Möglichkeiten.

Was werden Sie also produzieren? Lass es uns unten in den Kommentaren wissen.

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