Johannes Stoll: Bewertung konkurrierender Fertigungsfolgen mittels Kostensimulation und stochastischer Mehrzieloptimierung. Anwendung am Beispiel der Blechpaketfertigung für automobile Elektromotoren, Shaker Verlag, Aachen 2017

Johannes Stoll widmet sich in der hier vorliegenden Arbeit mit dem Titel „Bewertung konkurrierender Fertigungsfolgen mittels Kostensimulation und stochastischer Mehrzieloptimierung. Anwendung am Beispiel der Blechpaketfertigung für automobile Elektromotoren“ dem Ziel, eine Methodik zur anwendungsoptimalen Auswahl alternativer Fertigungsfolgen in der frühen Entwicklungsphase eines Serienprodukts zu entwickeln. Im Fokus stehen dabei Produkte, die in großer Stückzahl (Großserienfertigung) gefertigt werden und deren Produktion kostensensibel erfolgt. Bei dieser Arbeit wird darauf Wert gelegt, eine differenzierte Bewertung von Fertigungsfolgen auch mit geringen Kostenunterschieden sicherzustellen. Deshalb wird hier eine Modellierung mit ausreichend hoher Detaillierung gewählt. Ferner soll die Methodik die Berücksichtigung mehrerer Zielkriterien ermöglichen, um neben Stückkosten beispielsweise auch Durchlaufzeit, Qualität sowie weitere durch die Fertigung beeinflussbare Produkteigenschaften in die Bewertung einfließen zu lassen.

Auf die Realitätstreue kommt es an

Neben dem Freiheitsgrad unterschiedlicher Fertigungstechnologien sollen auch alternative Werkstoffe in die Bewertung eingeschlossen werden. Diese Modelleigenschaft soll dem spezifischen Anwendungsbeispiel der Blechpaketfertigung Rechnung tragen, da die Wahl des Elektroblechs maßgeblichen Einfluss auf die erzielbaren Produkteigenschaften sowie zugrunde liegenden Kosten hat. Zur Abbildung des Systemverhaltens sowie einer möglichst hohen Realitätstreue soll das stochastische Systemverhalten berücksichtigt werden (z. B. Maschinenausfälle, Rüstdauern). Hierzu sollen typische Kenngrößen auf Basis realer Felddaten ausgewertet und mittels Datenregression in Form ihrer charakteristischen Wahrscheinlichkeitsverteilung analytisch beschrieben werden. Anschließend soll je nach Technologie und Anwendung die entsprechende Verteilung parametrisiert und für die Bewertung nutzbar gemacht werden. Als eine zentrale Entscheidungsgröße der Technologieauswahl sollen die prognostizierten Stückzahlen dienen, um der Bedeutung einer wirtschaftlichen Fertigung Rechnung zu tragen. Hierzu sollen die variantenspezifischen Stückkosten für valide Prozesskettenkonfigurationen prognostiziert werden. Die Kostenprognose soll verursachungsgerecht erfolgen und sich auf die technologieinduzierten Kosten beschränken. Dies bedeutet insbesondere, dass Ineffizienzen im Gesamtsystem (bspw. ineffiziente Logistikprozesse) aus Gründen der Vergleichbarkeit nicht in die Bewertung einfließen sollen. Darüber hinaus sollen weitere entscheidungsrelevante Produkteigenschaften, die sich mit der Wahl der Fertigungstechnologie oder des Werkstoffs beeinflussen lassen (z. B. Gewicht, Qualitätsmerkmale), in die Bewertung eingeschlossen werden.

Auf der Suche nach dem Optimum

Zur Entscheidungsunterstützung soll unter Einbezug der anwendungsspezifischen Nutzerpräferenz ein Optimum identifiziert werden. Dazu soll das Entscheidungsproblem geeignet formalisiert und als mathematisches Optimierungsproblem formuliert werden. Dies schildert Stoll in der Zielsetzung seiner Arbeit. Entsprechend widmet er sich dem Aufbau zufolge der Einleitung, den Grundlagen, dem Lösungsansatz zur Bewertung konkurrierender Fertigungsfolgen, der Erprobung und prototypischen Softwarerealisierung, Diskussion und Ausblick sowie Zusammenfassung.

Anlässlich des Forschungsstandes werden Ansätze zur Generierung und Bewertung alternativer Prozessketten vorgestellt, die sich im Kontext der (strategischen) Technologieplanung einbetten. Dabei werden vordergründig die Bewertung und Auswahl alternativer Prozessketten beschrieben. Anschließend werden ausgewählte Ansätze zur Kostenbewertung und -prognose im frühen Entwicklungsstadium diskutiert.

Grundkonzept: Methodik zur Bewertung konkurrierender Fertigungsfolgen unter Berücksichtigung stochastischer Eingangsgrößen

Abschließend werden die vorgestellten Ansätze kritisch gewürdigt und der Handlungsbedarf für den eigenen Ansatz abgeleitet. Die Darstellung zum Stand der Forschung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern dient primär dem Aufzeigen des aktuellen Erkenntnisstands und zur Motivation der Notwendigkeit einer weiterführenden Methodik. Das Grundkonzept besteht aus der entwickelten Methodik zur Bewertung konkurrierender Fertigungsfolgen unter Berücksichtigung stochastischer Eingangsgrößen. In dieser Arbeit setzt sich diese aus drei Modulen zusammen, wie sie im Kapitel 4.2 ausführlich dargestellt werden. Im Einzelnen wird hierbei das Konfigurationsmodul, das Bewertungsmodul und das Entscheidungsmodul, stellvertretend für die in dieser Arbeit abgehandelte Fragestellung, dargestellt.

Zusammenfassung des methodischen Vorgehens

Der vorgestellte methodische Lösungsansatz wurde spezifisch zur Auswahl anwendungsoptimaler Fertigungsfolgen in der frühen Phase der strategischen Technologieplanung entwickelt. Die in diesem Kapitel ausgeführten Lösungsansätze zielen auf eine grundlegende Vermittlung der methodischen Vorgehensweise sowie der zugrundeliegenden Logik. Die Ausführung der Methodik erfolgt in verschiedenen Betrachtungsebenen. Neben der Konfiguration von Fertigungsfolgen werden Bewertungskriterien sowie deren Ausprägungen adressiert. In dieser Arbeit verwendete Abbildungen repräsentieren dementsprechend diesen Sachverhalt.

Zusammenfassung der Ergebnisse

Eine der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Problemstellung der Arbeit ist, dass produzierende Unternehmen heute vor der Herausforderung stehen, eine Vielzahl von Umfeldeinflüssen und Unsicherheiten im Rahmen der Technologieplanung zu berücksichtigen und einzuplanen. Die Wahl einer geeigneten Produktionstechnologie für ein Serienprodukt muss neben den wirtschaftlichen Zielen des Unternehmens auch den technologischen Anforderungen an das Produkt gerecht werden. Es resultieren komplexe Entscheidungsprobleme, die Fokus der vorliegenden Arbeit sind. In der Diskussion zum Stand der Forschung wurde dargestellt, dass die Bewertung alternativer Prozessketten Gegenstand zahlreicher Arbeiten ist, sich jedoch Umfang und Fokus der Bewertungen stark unterscheiden. Es wurde herausgearbeitet, dass die Nutzung mehrerer Kriterien für eine gesamtheitliche Bewertung erforderlich ist, um die komplexe Realität angemessen abbilden und eine fundierte Entscheidungsunterstützung leisten zu können. Grundsätzlich finden sowohl monetäre, als auch nicht-monetäre Kriterien Verwendung, wobei die monetäre Dimension und eine Fokussierung der Wirtschaftlichkeit in allen Ansätzen verankert ist. Es existieren detaillierte Kostenmodelle, jedoch ohne zufriedenstellende Berücksichtigung von Unsicherheiten. Abschließend konnte festgehalten werden, dass kein Ansatz existiert, der eine Entscheidungsunterstützung auf Basis mehrerer Kriterien und einer adäquaten Berücksichtigung quantifizierter Unsicherheiten und resultierender Entscheidungsrisiken bietet. Dieses Forschungsdefizit bildet die wissenschaftliche Zielsetzung der vorliegenden Arbeit.

Ziel: eine allumfassende Technologiebewertung zu schaffen

Ziel des entwickelten Lösungsansatzes ist die anwendungsoptimale Auswahl aus einer Anzahl konkurrierender Fertigungsfolgen in der frühen Entwicklungsphase eines Serienprodukts. Hierzu werden mehrere Zielkriterien in die Entscheidungsfindung einbezogen sowie die Unsicherheit in den Eingangsdaten berücksichtigt. Der Ansatz trägt somit zu einer multikriteriellen Technologiebewertung im Rahmen der strategischen Technologieplanung bei. Die Struktur des Lösungsansatzes gliedert sich dabei in drei methodische Module zur Konfiguration, Bewertung und Entscheidungsunterstützung, wie sie im Folgenden zu finden ist. Die einzelnen Modellbausteine können auch isoliert voneinander eingesetzt werden. Insbesondere das entwickelte Kostenmodell leistet einen Beitrag zur Steigerung der Kostentransparenz. Es eignet sich für tiefgehende Kostenanalysen und bietet diverse Anknüpfungspunkte für weiterführende Forschungsarbeiten.

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