Robin Kopf: Kostenorientierte Planung von Fertigungsfolgen additiver Technologien, Shaker Verlag, Aachen 2018

Der Hintergrund dieser am Institut für Produktionstechnik (wbk) am Karlsruher Institut für Technologie entstandenen Arbeit bilden die Tatsache und der Kontext, dass gerade an dem genannten Institut ein Schwerpunkt darauf gelegt wird, Universitäten die Rolle des jeweiligen "Wertschöpfungspartners" zu verleihen. Die Bildungseinrichtungen sollen so einen wesentlichen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit der Industrie leisten. Das tun sie, indem sie wissenschaftliche Grundlagen sowie neue Methoden und Technologien erarbeiten und aktiv den Umsetzungsprozess in die praktische Anwendung unterstützen. Die entsprechenden Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Leistungssteigerung von Fertigungsverfahren und zugehörigen Werkzeugmaschinen- und Handhabungstechnologien sowie der ganzheitlichen Betrachtung und Optimierung des gesamten Produktionssystems. Ziel ist es, damit auf die Innovationsfähigkeit und -kraft der deutschen Wirtschaft und damit auf ihre Stärken hinzuweisen. Man bedenke, dass Deutschland ein rohstoffarmes Land mit hohen Arbeitskosten ist.

Motivation und Aufgabenstellung

Der Forschungszweck der vorliegenden Arbeit besteht darin, eine Methodik zur Bewertung und kostenorientierten Planung des Serieneinsatzes einer additiven Produktionstechnologie im dynamischen Umfeld zu generieren. Die Methodik soll spezifisch für das LBM-Verfahren ausgearbeitet werden und Anwender und Ausrüster unterstützen, die vor der Aufgabe stehen, Fertigungsfolgen zu entwickeln, die den Kostenanforderungen einer Serienproduktion genügen. Im Fokus steht vor allem die Herstellung kleiner bis mittelgroßer Funktionsbauteile bei einer Mittel-bis Großserienproduktion, wie sie etwa im Automobilbau zu finden ist. Für die Fertigung von LBM-Bauteilen sind neben dem urformenden Aufbauprozess meist weitere Fertigunsschritte erforderlich, bis ein für die Endanwendung geeignetes Bauteil vorliegt. Bei der Planung sollen Unternehmen deshalb in die Lage versetzt werden, serientaugliche Fertigungsfolgen zu entwickeln, wobei in dieser Arbeit vor allem eine kostenorientierte Auslegung adressiert wird.

Die Bewertung soll der allgemeinen technologischen Leistungssteigerung einer Technologie während der Entwicklungszeit Rechnung tragen. Planungsalternativen wurden demnach nicht gegenüber dem heutigen Stand, sondern gegenüber dem Stand ihrer Inbetriebnahme bewertet.

Folglich ergeben sich folgende Forschungsfragen:

• Wie erfolgt die Planung einer Fertigungsfolge für Serienanwendungen, wenn neue Technologien vorliegen?
• Wie kann eine monetäre Technologiebewertung im unsicheren dynamischen Planungsumfeld (Bauteil und Betriebsmittel) erfolgen?
• Wie werden Fertigungsfolgen des LBM-Verfahrens in der Serienfertigung gestaltet und zu welchen Herstellkosten lässt sich damit produzieren?

Aufbau der Arbeit

Die Arbeit gliedert sich infolgedessen zunächst in die Grundlagen, welche in Kapitel 2 vorgestellt werden. In Kapitel 3 werden Anforderungen an die Methodik formuliert und mit dem Stand der Forschung abgeglichen. Daraus ergibt sich das Forschungsdesiderat. In Kapitel 4 erfolgt anschließend die Vorstellung des Lösungsansatzes anhand des methodischen Vorgehens zur kostenorientierten Planung von Fertigungsfolgen additiver Produktionstechnologien. Im Kapitel 5 werden eine exemplarische Anwendung am Beispiel des LBM-Verfahrens sowie der entwickelte Softwareprototyp zur Unterstützung des methodischen Vorgehens vorgestellt. In Kapitel 6 erfolgt die Diskussion des erarbeiteten Vorgehens und der Erkenntnisse. Ein Ausblick auf weitere Forschungsaktivitäten wird gegeben, bevor in Kapitel 7 die Zusammenfassung der wesentlichen Inhalte erfolgt.

Grundlagen

Nachfolgend werden die Grundlagen der Technologieplanung erläutert und entsprechend für die Arbeit relevante Begriffe wie der der Technologie, der neuen Technologie oder der unreifen Technologie definiert. So erfolgt an diesem Punkt eine umfassende und kompetente Technologiebewertung mit Berücksichtigung deren Innovationspotenzials. Die Technologieplanung wird in das Technologiemanagement eingeordnet und die Aufgaben der Technologieplanung dargestellt. In der vorliegenden Arbeit wird die Technologieplanung adressiert. Für diese ist eine detaillierte Technologiebewertung notwendig, um Vorgaben für die Technologieentwicklung zu erarbeiten. Ergebnisse der Technologiefrüherkennung werden daher als gegeben betrachtet und die Aktivitäten aus Technologieverwertung und -schutz nicht näher betrachtet.

Aufgaben der Technologieplanung

Die daraus resultierenden Aufgaben der Technologieplanung umfassen folglich die Punkte "Technologieauswahl", "technologische Leistungsfähigkeit innerhalb der Technologieplanung", "Technologietiming", "Technologiequelle" sowie "Synchronisation der Produkt- und Technologieplanung." Letzteres geschieht zum Beispiel über Technologie-Roadmaps oder Technologiekalender. Hinzu kommen die wirtschaftliche Bewertung der Technologie und damit die Technologiebewertung.

Letztlich ist für ein erfolgreiches Technologieentwicklungsprojekt eine Projektierung und Ressourcenplanung erforderlich. Dieses Vorgehen geschieht in enger Abstimmung mit dem Technologietiming. Es werden einzelne Arbeitspakete sowie die dafür zur Verfügung stehenden Ressourcen definiert.

Zur Sprache kommen folglich die Einordnung des Laser-Strahlschmelzens (LBM) in die Gruppe der additiven Fertigungsverfahren. In Kombination dazu erfolgt die Darstellung des erforderlichen Arbeitsablaufs zur Fertigung mit LBM sowie die anschließende Prozessbeschreibung. Es erfolgt eine ausführliche Darstellung der Kostenrechnung und eine Einordnung in das Rechnungswesen. Sämtliche Faktoren der Kostenrechnung werden hier aufgeschlüsselt, samt der Kostenstellenrechnung und der Kostenträgerrechnung.

Mit gezielten Methoden zum Erfolg

Auch den Grundlagen zur Beschreibung von Arbeitsabläufen wird Beachtung geschenkt. Methoden zur Planzeitermittlung werden durch die in der Arbeitswissenschaft beschriebenen Methoden zur Soll-Zeit-Bestimmung und zur Ist-Zeit-Bestimmung unterschieden. Das entsprechende Modell wird dabei teils unter Faktoren der Unsicherheit, der Sicherheit, des geringeren und höheren Risikos unterschieden.

Anforderungen an eine zu erarbeitende Methodik ergeben sich im Folgenden aufgrund der monetären Bewertung, der bauteilabhängigen Bearbeitungsaufwände, der Betrachtung der Fertigungsfolge, zukünftiger Betriebsmittelkonzepte, der technologischen Leistungssteigerung oder der folglichen Unsicherheit. Auch Ansätze zur Bewertung und Planung neuer Produktionstechnologien werden erfolgreich gewagt und durchgeführt.

Ableitung des Forschungsdesiderats

Zusammenfassend wird ersichtlich, dass im Bereich der technologieunspezifischen Planungsansätze kein ganzheitlicher Ansatz existiert, der sich auf die aktuelle Problemstellung der additiven Fertigungsverfahren übertragen lässt. Insbesondere die Ausgestaltung von Betriebsmittelkonzepten unter Beachtung der Fertigungsfolge und die Berücksichtigung technologischer Leistungssteigerungen bei der Bewertung sind bislang unzureichend betrachtet. Existierende Ansätze zur Bewältigung dieser Anforderungen befinden sich auf einem abstrakten Technologieniveau und sind für die bereits konkreten Betriebsmittel(-konzepte) ungeeignet. Im spezifischen Anwendungsgebiet der additiven Technologien existiert ein deutliches Desiderat für Planungsansätze. Die gestellten Anforderungen können von keinem der Ansätze adressiert werden.

Die genaue Untersuchung von Arbeitsabläufen wird notwendig

Kapitel 4 stellt die hier bereits in Ansätzen beschriebene und vorgestellte Methode ausführlich und präzise vor. Im Teilvorgangsknoten-Netzplan, siehe Kapitel 4.3.2.2.1, wird außerdem die Anpassung der Verkettung von Arbeitsabläufen im Teilvorgangsknoten-Netzplan aufgeschlüsselt. Es geht um die Eliminierung von Arbeitsabläufen, die Auslagerung von Arbeitsabläufen, den Abbau von Schnittstellen, die Parallelisierung von Arbeitsabläufen, das Zusammenfassen von Arbeitsabläufen sowie darum, zu Forschungszwecken und des besseren Erkenntnisgewinns wegen die Reihenfolge von Arbeitsabläufen zu ändern. Auch die Optimierung der jeweiligen Arbeitsabläufe wird zusehends wichtiger.

Zusammenfassung und Ergebnisse

In frühen Planungsphasen einer neuen Produktionstechnologie ist die Datengrundlage oft von starker Unsicherheit geprägt, da Zusammenhänge noch nicht ausreichend beschrieben sind, Betriebsmittel sich schnell ändern und die herzustellenden Bauteile noch nicht abschließend entwickelt sind. Eine Bewertung der Technologie und die Planung von Fertigungsfolgen stellen in diesem dynamischen Umfeld eine besondere Herausforderung dar. Bestehende Ansätze gehen bei der Planung von einem konkreten Bauteil aus und erlauben dessen Austausch oder eine Konstruktionsanpassung nur mit großem Aufwand. So erfolgt die Planung entweder anhand einer bauteilmerkmalindividuellen Technologieauswahl oder auf der Basis einer Referenztechnologiekette, die bereits für ein ähnliches Bauteil bekannt ist. Bei wenigen Ansätzen werden alternative Betriebsmittel berücksichtigt. Betrachtet werden dabei ausschließlich auf dem Markt verfügbare Betriebsmittel. Eine mögliche Weiterentwicklung wird nicht berücksichtigt.

Bislang existiert noch kein geeignetes Kostenmodell

Darüber hinaus liegt für die LBM-Fertigungsfolge bislang kein Kostenmodell vor, das eine Kostenbestimmung anhand von Bauteilmerkmalen ermöglicht und die vollständige Fertigungsfolge betrachtet. Daher zielt diese Arbeit auf ein Vorgehensmodell zur kostenorientierten Planung additiver Produktionstechnologien wie das LBM-Verfahren, das diesem unsicheren Planungsumfeld gerecht wird. Das erarbeitete Vorgehensmodell dieser Arbeit gliedert sich in insgesamt fünf Planungsschritte. Nach erfolgter Festlegung der Anforderungen durch Bauteil und Produktion wird ein Kostenmodell vorgestellt, das bereits eine Detaillierung für das LBM-Verfahren enthält. Dieses ermöglicht die Berechnung von Kosten eines Arbeitsablaufs anhand von Bauteil- und Technologieparametern. Anschließend werden, ausgehend von einer Referenzfertigungsfolge, kostenverursachende Fertigungsschritte optimiert und so Planungsalternativen geschaffen. Dies geschieht, indem alternative existierende Technologien oder Betriebsmittel identifiziert und mögliche zukünftige Betriebsmittel entwickelt werden. Hierbei werden Einflüsse der Technologieparameter, wie etwa Laserleistung und Anzahl der Laser, auf die anfallenden Kosten deutlich. Abschließend erfolgen die Interpretation der Ergebnisse und die Auswahl der favorisierten Planungsalternative. Dazu wird die Wahrscheinlichkeit zur Erfüllung der geforderten Herstellkosten in der Serie zu verschiedenen Zeitpunkten herangezogen. Letztlich lässt sich dadurch der Zeitpunkt für eine Erfüllung der Serienanforderungen und die favorisierte Planungsalternative auswählen.

Ein wesentlicher Beitrag zum Forschungsthema

Anhand einzelner Demonstratoren wird das Vorgehen exemplarisch für eine Großserienproduktion in der Automobilindustrie mit dem LBM-Verfahren vorgestellt. Darin wird die Anwendbarkeit des Vorgehensmodells beschrieben. Zudem werden für eine kostengünstige Serienproduktion geeignete LBM-Fertigungsfolgen erarbeitet und deren erzielbare Kosteneinsparung adressiert. Durch einen erarbeiteten Softwareprototypen und das darin implementierte Kostenmodell kann das Vorgehensmodell praxisnah eingesetzt werden. Diese Arbeit leistet somit einen Beitrag zur kostenorientierten Planung mit additiven Technologien und unterstützt wesentlich die Planungs- und Bewertungsaufgaben, vor der Unternehmen bei der Beurteilung des LBM-Verfahrens aktuell stehen.

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