Universität Stuttgart
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Item Open Access Ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Eisele, Michael; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Verschiedene Megatrends wie die Globalisierung oder der Wandel vom Anbieterzum Käufermarkt erzeugen bei Unternehmen extreme Wettbewerbssituationen. Im Bestreben nach maximaler Wirtschaftlichkeit und Effizienz rückt im Besonderen die Montage in den Mittelpunkt der Betrachtungen, da sie einen vergleichsweise hohen Wertschöpfungsanteil durch personal- bzw. investitionsintensive Prozesse aufweist. Das historisch bewährte und heute global etablierte Toyota-Produktionssystem bietet Lösungen zur Kostenreduzierung durch das Erkennen und Beseitigen von Verschwendung. Dessen Ansätze und Methoden sind auf die kontinuierliche Verbesserung real existierender Produktionen ausgerichtet. Für die vorserielle Planung sind kaum Ansätze zur Reduzierung von Verschwendung und zur Konzentration auf Wertschöpfung vorhanden, weder in den heute existierenden Montageplanungsmethoden noch in den am Markt befindlichen EDVTools. Dadurch werden die heute vorhandenen Kostensenkungspotenziale besonders bei den mit hoher Stückzahl betriebenen getakteten Fließmontagen nicht erschlossen. Deshalb wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur Planung von verschwendungsarmen getakteten Fließmontagen entwickelt. Es beinhaltet erstmalig Kennzahlen zur Quantifizierung und Algorithmen zur Kostenermittlung aller 7 Verschwendungsarten. Auf diese Weise ermöglicht es bereits während der Planung die Lokalisierung und Reduzierung von Verschwendung. Innerhalb der 8 hierfür entwickelten Planungsphasen wird sukzessive ein Modell erzeugt, das vollständig das Montagesystem beschreibt und modellbasiert dessen Montagestückkosten ausweist. Die Verwendung neu geschaffener Diagramme fördert beim Planer die Entscheidungstransparenz und das Auffinden situationsbedingter Maßnahmen zur Reduzierung von Verschwendung.Item Open Access Lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Bauer, Dennis; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Für produzierende Unternehmen steht heute der Kundennutzen und damit auch die Liefertermineinhaltung im Fokus der unternehmerischen Aktivitäten. Parallel steigt die Komplexität des Umfelds und der Märkte sowie innerhalb des Unternehmens. Deshalb ist bei der Leistungserstellung in Wertschöpfungsnetzwerken ein systematischer Umgang mit unvorhergesehenen Ereignissen im Fokus. Eine besondere Herausforderung ist dies für komplexe Werkstattfertigungen mit ihrer immanenten statischen und dynamischen Komplexität. Die vorliegende Arbeit adressiert die Forschungsfrage, wie eine lernende, auf Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk basierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung gestaltet werden kann. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Lösung optimiert die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk durch Korrekturmaßnahmen auf der Ebene der Produktionssteuerung in komplexen Werkstattfertigungen. Hierfür ist ein lernfähiges Entscheidungsmodell notwendig, das eine kontinuierliche Anpassung über die Zeit ermöglicht. Bislang bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk übliche manuelle Eingriffe in die Produktionssteuerung werden dadurch vermieden und die Resilienz des Produktionssystems gesteigert. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind die Artefakte des Regelkreises, der Methode und der Architektur sowie der Implementierung als Softwareartefakt. Die Halbleiterfertigung ist die industriell wichtigste Anwendung der komplexen Werkstattfertigung. Hier zeigt sich, dass durch die lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk signifikant verbessert werden kann. Eine hohe Liefertermineinhaltung sorgt dabei für eine höhere Kundenzufriedenheit, der systematische Umgang mit Ereignissen sorgt für Resilienz. Beides ermöglicht perspektivisch einen Abbau von Sicherheitsbeständen im Wertschöpfungsnetzwerk.Item Open Access Entwicklung einer automatisierten Methode zur Grobplanung hybrider Montagearbeitsplätze(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Fechter, Manuel; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entscheidungsunterstützung im Zuge der Grobplanung hybrider Montagearbeitsplätze. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Ressourcenauswahl und Arbeitsteilung bei der Planung einer Mensch-Roboter-Kollaboration. Ausgehend von einer hybriden Montage wird eine Methode entwickelt, die in der Lage ist, technisch und wirtschaftlich sinnvolle Systemalternativen zu generieren, quantitativ zu bewerten und iterativ zu optimieren. Mit diesem Vorgehen soll eine Entkopplung des Planungsergebnisses vom impliziten Erfahrungswissen und Kenntnisstand des Planers erreicht werden, um hybride Montagearbeitsplätze einem breiteren Anwendungskreis zugänglich zu machen. Dafür soll der zeitintensive, vorwiegend manuell ausgeführte Prozess der Recherche passender Ressourcen, der quantitativen und qualitativen Bewertung von Lösungsalternativen und die Zuordnung von Ressourcen auf Montageschritte automatisiert werden. Das entwickelte Vorgehen orientiert sich am V-Modell des Entwurfs mechatronischer Systeme der VDI-Richtlinie 2206 und greift auf Methoden der Informationsmodellierung und mathematischen Optimierung zurück. Die Methode berücksichtigt Anforderungen aus Sicht des zu montierenden Produkts, der Ausprägung der Montageprozesse sowie der gegebenen Rand- und Umweltbedingungen der Montage. Anhand identifizierter Optimierungskriterien des hybriden Montagearbeitsplatzentwurfs wird ein iteratives Vorgehen der multi-kriteriellen Optimierung entwickelt. Aufgrund des exponentiellen Wachstums des kombinatorischen Lösungsraums und der Annahme unvollständiger Daten- und Informationsmodelle werden vornehmlich heuristische Verfahren zur Optimierung der Systemlösungen verwendet.Item Open Access Mathematische Modellierung zur Optimierung der Wertschöpfungsverteilung nach quantitativen und qualitativen Kriterien in Produktionsnetzwerken der diskreten Fertigung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Prinz, Andrea; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Durch die Internationalisierung entstehen im Laufe der Zeit meist komplexe Produktionsnetzwerke, die - ganzheitlich betrachtet - in der Regel unvorteilhaft fragmentiert sind. Unternehmen stehen daher aktuell vor der Herausforderung, ihre bestehenden Strukturen zu optimieren und darüber Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Die Optimierung ist derzeit von kostenbasiertem Entscheidungsverhalten und entsprechenden Methoden geprägt. Qualitative Kriterien werden nicht oder nicht in hinreichender Weise berücksichtigt. Dies führt oft zu Fehlentscheidungen, die die Unternehmensexistenz gefährden können. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Bereitstellung einer Methode, die die Wertschöpfungsverteilung integriert nach quantitativen und qualitativen Kriterien in bestehenden Produktionsnetzwerken der diskreten Fertigung optimiert. Dies wird durch den Einsatz der multikriteriellen Optimierung erreicht. Zentrales Element des entwickelten Ansatzes ist eine gemischt-ganzzahlige lineare mathematische Modellierung, die eine integrierte Optimierung nach Kosten, Erfolgspositionen und Risiken zulässt. Die Erzeugung einer optimalen Lösung erfolgt durch softwaretechnische Umsetzung. Basis der Modellierung bildet eine Logik zur Abbildung der Realität. Dort werden Innovationen im Bereich der umfassenden und flexiblen Berücksichtigung von Netzwerkpartnern, von Wertschöpfung und qualitativen Kriterien erzielt. Eine Implementierung in Form einer grafischen Oberfläche unterstützt die Abbildung der Realität. Zur einfachen und aufwandsarmen Anwendung der mathematischen Optimierung wird eine Methode zur Verfügung gestellt, die Sensitivitätsanalysen beinhaltet. Die Erprobung des entwickelten Ansatzes innerhalb von Fallbeispielen aus der Automobilzulieferindustrie und dem Maschinenbau zeigt die Funktionsfähigkeit. Unternehmen werden befähigt, nachhaltige Entscheidungen hinsichtlich ihrer Wertschöpfungsverteilung zu treffen und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern und Unternehmensexistenzen zu sichern.Item Open Access A simulation-based method for improving material efficiency within the constraints of existing production systems(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Sheehan, Erin; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)With increasing material and labor costs, manufacturers seek to increase material yield in existing production systems without sacrificing logistical performance. However due to a lack of understanding of the material waste causality and its interdependencies, localized and isolated material efficiency efforts are commonplace. To enable manufacturers to select the best-suited instruments for holistic material efficiency, this thesis presents a simulation-based method, modelling the causality of material waste parallel to manufacturing performance. An Ishikawa analysis of twelve material waste forms addresses the need for deeper understanding of material waste causation. Through abstraction, four types of causes are identified: those setting the frequency and duration of waste-linked activities, those determining the amount of waste per activity, or unnecessarily linking waste to an activity. Based on this finding, the author adapts existing resource consumption modelling structures, e.g. machine operating states, to industrial waste. A model of the factory is developed to illustrate the mechanisms for controlling material waste. The developed procedure begins with a current state survey to examine the relation between material waste and activities of the factory. A systematic method allows the user to generate a list of improvement scenarios. The effectiveness of the improvement measures is investigated in dynamic production simulation (system dynamics).Item Open Access Wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für Cyber-Physische Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2021) Prinz, Frederick; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Heutzutage agieren Unternehmen in einem immer volatileren Umfeld mit einem unmittelbaren Einfluss auf die Produktionssysteme. Um die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen zu verbessern wird daher eine Automation basierend auf Cyber-Physischen Systemen (CPS) angestrebt. Diese CPS-basierte Automation zeichnet sich durch eine einheitliche, wandelbare und echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur aus. Stand heute existieren verschiedene Lösungsansätze mit unterschiedlichen Technologien zur Etablierung einer echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur. Diese Lösungen erfüllen allerdings die Anforderungen an eine zukünftige Kommunikationsinfrastruktur nur teilweise und stellen daher keine ganzheitliche Lösung dar. Insbesondere der Aspekt der Wandelbarkeit mit einer dynamischen Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit wird heutzutage nur bedingt unterstützt. Dadurch wird die Vision einer CPS-basierten Automation und die Wandelbarkeit von zukünftigen Produktionssystemen allgemein eingeschränkt. Als Grundlage für eine CPS-basierte Automation wird in dieser Arbeit eine wandelbare, echtzeitfähige Kommunikationsinfrastruktur für zukünftige Produktionssysteme vorgestellt. Diese Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht eine deterministische Kommunikation mit geringer Latenz und erfüllt die harten Echtzeitanforderungen in Produktionssystemen. Gleichzeitig wird die dynamische Konfiguration von Echtzeitverbindungen zur Laufzeit ermöglicht. Mit dem Fokus auf einer ganzheitlichen Lösung basiert die vorgestellte Kommunikationsinfrastruktur auf den drei wesentlichen Aspekten: Echtzeitkommunikation, Parametrierung und Netzwerkkonfiguration. Die Echtzeitkommunikation basiert auf der neuen IEEE Technologie Time-Sensitive Networking (TSN, IEEE 802.1). TSN ermöglicht eine einheitliche, herstellerunabhängige Kommunikationsbasis für den echtzeitkritischen und bestmöglichen Datenverkehr im Netzwerk. Dazu werden die erforderlichen TSN Mechanismen in die echtzeitfähigen Assets integriert und in einem TSN SDK (Software Development Kit) zusammengefasst. Zur einheitlichen Parametrierung der Echtzeitkommunikation wird das Konzept der echtzeitfähigen I4.0 Komponente vorgestellt. Das neue Konzept beschreibt ein echtzeitfähiges Asset mit einer sogenannten Verwaltungsschale, d.h. einer virtuellen digitalen Repräsentanz des Assets. Diese Verwaltungsschale spezifiziert die individuellen Fähigkeiten des Assets und beinhaltet zusätzliche Konfigurationsparameter für die Echtzeitkommunikation. Zur automatischen Konfiguration der Echtzeitverbindungen im Netzwerk wird ein zentraler SDN (Software-defined Networking) Controller erweitert. Dieser Controller etabliert dynamische, redundante und komplexe TSN Verbindungen zwischen verschiedenen echtzeitfähigen Assets zur Laufzeit. Dabei werden sowohl die TSN Switches in der Netzwerkinfrastruktur als auch die echtzeitfähigen Assets konfiguriert. Schließlich wird die Machbarkeit der neuen wandelbaren, echtzeitfähigen Kommunikationsinfrastruktur durch eine prototypische Implementierung gezeigt. Darauf aufbauend wird die Performance des neuen TSN SDKs evaluiert und die Integration ins Engineering beschrieben.Item Open Access Modell zur Bewertung von Investitionen zur Steigerung der Ökoeffektivität innerbetrieblicher Wertschöpfungsketten(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Weskamp, Markus; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Nachhaltiges Wirtschaften wird immer mehr zu einem Produktionsparadigma aus dem sich für produzierende Unternehmen neue Chancen und Risiken ergeben. Diese sind verbunden mit strategischen Investitionen, die eine fundierte wirtschaftliche Bewertung erfordern. Klassische Bewertungsverfahren wie beispielsweise die Kapitalwertmethode weisen Schwächen bei der Berücksichtigung flexibler Handlungsmöglichkeiten während des Investitionsprozesses auf und führen teilweise zu Fehlentscheidungen. Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Arbeit ein Bewertungsmodell für strategische Investitionen bereit, welches es ermöglicht, Investitionen unter Berücksichtigung von unsicheren und flexiblen Umwelteinflüssen zu analysieren und abgesicherte Entscheidungen zu treffen. Das in der Arbeit beschriebene Modell kombiniert Bewertungsmethoden der Realoptionstheorie mit Modellierungsansätzen des System Dynamics und schafft einen Rahmen zur ganzheitlichen Bewertung der Investitionssituation unter Einfluss von externen Umwelteinflüssen. Das Modell ermöglicht es dem Anwender, die für die Entscheidung relevanten Bewertungsparameter systematisch zu ermitteln und die komplexen Wirkbeziehungen untereinander abzubilden. Die beschriebene Vorgehensweise zur Anwendung des Modells liefert darüber hinaus konkrete Handlungsanweisungen für die strukturierte und zielgerichtete Modellnutzung. Die informationstechnische Umsetzung des Bewertungsmodells stellt die aufwandsarme Anwendbarkeit in der Praxis sicher. Die Arbeit schließt mit der kritischen Würdigung der wissenschaftlichen Erkenntnisse sowie einer Zusammenfassung und dem Ausblick auf den weiteren Forschungsbedarf.Item Open Access Methode zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs von automatischen Hochregallagern(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Voss, Michael; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Energiekosten zu senken ist einer der wichtigsten Treiber für Energieeffizienzthemen in Industrie- und Logistikunternehmen. Mit den fortlaufenden Entwicklungen werden die Maßnahmen aufwändiger und die Energiekosteneinsparung immer geringer. Die Rentabilität der Maßnahmen sinkt. Die Energiekosten für an der Energiebörse gehandelte Energie jedoch sinken stetig seit den letzten Jahren und weisen über den Tagesverlauf eine große Volatilität auf. Betreiber von Hochregallagern verfolgen das Ziel, Energiekosten zu reduzieren, um weiterhin wirtschaftlich agieren zu können. Mit dieser Arbeit wird daher das Ziel verfolgt, Betreibern von Hochregallagern den Bezug von Energie an der Energiebörse zu ermöglichen, um die Energiekosten durch Flexibilisierung des Energieverbrauchs zu senken. Es wird ein Konzept entwickelt, um den Energiebedarf zu planen, zu handeln und anschließend auch zuverlässig zu verbrauchen. Nach der Untersuchung bestehender Methoden, Maßnahmen und Strategien hinsichtlich deren Energieflexibilitätspotentials wird zunächst ein Hochregallager modelliert, um dafür die neue Methode entwickeln und gefahrlos testen zu können. Anschließend wird eine Planungssystematik entwickelt, die den Energiebedarf tags zuvor plant und anschließend handelt. Die energieflexible Lagerstrategie ermöglicht es, die gehandelte Energie durch geeignete Lagerplatzwahl und Umlagerungen zu verbrauchen. Die Lagerstrategie verwendet das Hochregallager als Speicher für potentielle Energie und basiert methodisch auf der dynamischen Programmierung. Die Lastverteilung sorgt durch einen Fuzzy-Regler anschließend dafür, dass Lastspitzen so gering wie nötig gehalten werden, um die Rentabilität durch hohe Netzentgelte zu schmälern. Im zuvor entwickelten virtuellen Hochregallager werden die Methode implementiert und die Funktion der Methode zur Flexibilisierung des Energiebedarfs validiert. Die Kostenreduktion durch die in dieser Arbeit entwickelte Methode wird aufgezeigt.Item Open Access Techno-ökonomische Bewertung von Produktionsanlagen mit dynamischem Energieträgerwechsel(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Köse, Ekrem; Sauer, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.)Produktionsanlagen mit dynamischem Energieträgerwechsel können zu einer nachhaltigen und ökonomischen Unternehmensentwicklung beitragen und zeitgleich den Fortschritt der Energiewende weiter unterstützen. Der Klimawandel und die damit verbundenen eingeleiteten Maßnahmen durch die Politik zur Verlangsamung des Wandels bzw. zur Reduzierung der Einflüsse auf das Klima haben bedeutende Auswirkungen auf produzierende Unternehmen. Vor dem Hintergrund des ansteigenden Kostendrucks, dem Bedarf an Energieflexibilität und Elektrifizierung der Industrie und der Unsicherheit über die Energiepreisentwicklung beschreibt die vorliegende Arbeit eine Bewertungsmethodik, mit der Industrieunternehmen Produktionsanlagen mit einem dynamischen Energieträger-wechsel techno-ökonomisch bewerten können. Das Ergebnis der Bewertung bietet sowohl Anlagenherstellern, als auch -betreibern eine Entscheidungsgrundlage. Der Verantwortliche im betroffenen Unternehmen wird befähigt, eine fundierte Bewertung hinsichtlich einer Umrüstung des eigenen Produkts oder des zu beschaffenden Produkts bezüglich einer energieträgerflexiblen Ausstattung der Produktionsanlage durchzuführen. Produzierende Unternehmen befinden sich im Spannungsfeld zwischen energetischer und nachhaltiger Optimierung des Betriebs und ökonomischem Handeln. Die Bewertungsmethodik wird technischen und ökonomischen Anforderungen gerecht. Die Berücksichtigung der Energieeffizienz und -flexibilität der Produktionsanlage, inklusive deren Interaktion mit Energieflexibilitätsmärkten und der internen Energieerzeugung stehen im Fokus. Dabei wird die komplette Energiewandlungskette von der Erzeugung, Wandlung, Nutzung und auch der Energierückgewinnung vollständig erfasst. Die techno-ökonomische Bewertungsmethodik wurde in zwei repräsentativen Anwendungsfällen für ein Druckguss- und ein Galvanikunternehmen erfolgreich getestet. Es wird gezeigt, dass die Bewertungsmethode in der Praxis anwendbar ist und eine fundierte Entscheidungsgrundlage bietet.Item Open Access Entwicklung eines modularen und stückzahlflexiblen Qualitätskonzepts für schwere Nfz-Hybridgetriebe(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Butov, Alexej; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Elektrifizierung der Fahrzeuge nimmt sowohl im Pkw als auch im Bereich der Nfz stetig zu und damit auch der Druck auf die Hersteller und Zulieferer eigene Fertigungsstraßen weiter zu optimieren. Potentiale sind für Nfz andere als die für Pkw, da zum einen die Anzahl der Neuzulassungen und die Lebensdauer der Komponenten unterschiedlich sind. Die Fertigungsstraßen im Nfz-Bereich sind daher effizient, und flexibel zu gestalten. Potentiale dafür bietet der Bereich der Elektromotorenfertigung, speziell für Permanenterregte Synchronmotoren (PMSM). Die Notwendigkeit flexible und modulare Fertigungsstraßen auf Grund ungewisser Stückzahlen zu entwerfen, ist in öffentlich, geförderten Projekten wie bspw. Erforschung eines prozessmodularen Fertigungskonzepts für die E-Motorenfertigung (Epromo) thematisiert worden. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, unter welchen Voraussetzungen eine passive und damit rein generatorische End of Line (EoL) Funktionsprüfung für einen PMSM, der für den Einsatz in einem schweren Nutzfahrzeuggetriebe ausgelegt ist, durchgeführt werden kann. Neben den bereits genannten Gründen sind die hohen Investitions- und Wartungskosten für eine aktiven, dynamischen EoL-Funktionsprüfstand insbesondere für den OEM wichtig zu betrachten und abzuwägen. Dazu wird zunächst der Stand der Technik zu bekannten Fehlererkennungsmethoden ermittelt und mit vorhandenen Normenvorgaben abgeglichen. Weiter werden Fehlervarianten identifiziert, historische Messwerte unterschiedlicher EoL-Serienprüfstände betrachtet und signifikante Fehler an Hand von Versuchsmotoren an unterschiedlichen Prüfständen untersucht. Der erarbeitete Vergleich soll bspw. einem Fertigungsplaner dabei helfen eine bessere Entscheidung zu treffen, welche Prüfphilosophie an der EoL-Prüfstation auch bei geringen oder unsicheren Stückzahlen eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die Entscheidung der Prüfphilosophie systematisch und anhand der Analyse vorhandener Kriterien getroffen werden kann.