Universität Stuttgart
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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 Methodik zur Gestaltung wertschöpfungsintegrierter Kompetenzentwicklung in der hybriden Montage(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2021) Groß, Erwin; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Steigende Variantenzahlen in der Montage bei gleichzeitig kleiner werdenden Losgrößen führen zu steigenden Anforderungen an die Kompetenzen der Mitarbeitenden. Weiterqualifizierungen finden überwiegend außerhalb der Wertschöpfungsprozesse statt und sind ein Lernen auf Vorrat - das neu Erlernte wird meist erst zu einem späteren Zeitpunkt eingesetzt, sofern es überhaupt noch vorhanden ist. Eine teilformalisierte Kompetenzentwicklung während des Wertschöpfungsprozesses der Montage, z. B. durch eine flexible Automatisierung der hybriden Montage mittels Robotereinsatz, kann dem entgegenwirken. So können Einlernzeiten von Mitarbeitenden verkürzt und Kompetenzen zur richtigen Zeit sowie am benötigtem Ort (der Wertschöpfung) erlernt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Gestaltung der Kompetenzentwicklung im Wertschöpfungsprozess der hybriden Montage. Hierzu wurde die Fragestellung beantwortet, wie hybride Montagearbeitsplätze für die Kompetenzentwicklung im Wertschöpfungsprozess zu gestalten sind. Dazu wurde eine Methodik zur Gestaltung wertschöpfungsintegrierter Kompetenzentwicklung in der hybriden Montage entwickelt, deren Fokus auf der Gestaltung der Interaktionsschnittstellen liegt. Die entwickelte Methodik wurde anschließend für die Planung und Umsetzung eines hybriden Montagearbeitsplatzes herangezogen. Mit Versuchspersonen wurde die Wirkweise des entwickelten Montagearbeitsplatzes und die Methodik überprüft und somit die vorliegenden Anforderungen aus der Praxis und Wissenschaft erfüllt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Kompetenzentwicklung im Wertschöpfungsprozess der hybriden Robotermontage unter Beachtung der richtigen Gestaltung der visuellen, auditiven und haptischen Interaktionsschnittstellen realisierbar ist und von Mitarbeitenden akzeptiert wurde. Eine Kompetenzentwicklung konnte somit nachgewiesen werden.Item Open Access Gestaltung einer schlanken Informationslogistik im komplexen Produktionsumfeld(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Hartleif, Silke Maria; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Produktionsunternehmen sind mit einem komplexer werdenden Umfeld konfrontiert, welches erhöhte Anforderungen an die Flexibilität von Produktionssysteme stellt. Mit dem Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnik und der damit verbundenen Vernetzung technischer Systeme soll diesen Herausforderungen begegnet werden. Das lässt die Komplexität in betrieblichen Informationssystemen steigen und führt zu Verschwendung in der Informationsversorgung. Um dieser Problemstellung zu begegnen, wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine Methode zur Gestaltung schlanker Informationslogistiksysteme vorgestellt. Mit den gestalteten Informationssystemen sollen Mitarbeiter effektiv und effizient mit Informationen versorgt werden, sodass sie ihre Aufgaben richtig und schnell erfüllen können. Die Gestaltungsmethode soll außerdem die Zusammenarbeit von Informatik- und Betriebsingenieuren unterstützen. Um dieses Ziel zu erreichen, sieht der Lösungsansatz der Arbeit eine Gesamtlösung vor, die aus einer theoretischen, einer deskriptiven und einer pragmatischen Lösungskomponente besteht. Im Rahmen der theoretischen Lösungskomponente werden Wertschöpfung und Verschwendung in der Informationsversorgung voneinander abgegrenzt und Verschwendungsarten beschrieben. Darauf aufbauend wird eine Idealvorstellung für die zu gestaltenden schlanken Informationslogistiksysteme entwickelt. Die deskriptive Lösungskomponente besteht aus einem Strukturmodell, in dem Systemelemente und Relationen der Informationslogistiksysteme generisch beschrieben werden. Die pragmatische Lösungskomponente umfasst die Gestaltungsmethode bestehend aus fünf Gestaltungsschritten. Sie basiert auf den Ergebnissen der theoretischen Lösungskomponente und verwendet die generischen Gestaltungsbausteine aus dem Strukturmodell. Die Lösung wird in zwei Fallstudien validiert.Item Open Access Gestaltungsrahmen von Business Ecosystems für Maschinenbauunternehmen im Kontext der digitalen Transformation(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Geitner, Richard E.; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In Folge der Digitalisierung verschmelzen Kundenbedürfnisse und das Nutzerverhalten sowie das Nutzenverständnis der Kunden verändern sich schneller. Wettbewerbsfähige Wertangebote erfordern einen größeren Lösungsraum und das Bündeln von Leistungen, die oft außerhalb der bestehenden Produktarchitektur, dem Kerngeschäft bzw. Wertschöpfungssystem, aber auch der Branche liegen. Dieser Prozess der digitalen Transformation verändert Wettbewerbssituationen, die Wertschöpfungsketten der Unternehmen, deren Kultur sowie das Verständnis von kooperativer Zusammenarbeit. Dabei entstehen Business Ecosystems (BES) zur Umsetzung von kundenzentrierten visionären bzw. innovativen zentralen, übergeordneten Wertangeboten - bestehend aus einer Konfiguration von in der Vergangenheit getrennten, nicht generischen komplementären bzw. modularen Produkten und (Dienst-)Leistungen. Diese spezifische Ausprägung der Koevolution wird als Struktur-BES bezeichnet, da die Aktivitäten der multilateral interagierenden Gruppe gleichrangiger Partner auf das - in ein gemeinsames Geschäftsmodell eingebettete - Wertangebot ausgerichtet werden. Eine vorab durchgeführte Studie belegt diese Entwicklung und zeigt auf, dass den Maschinenbauunternehmen das Wissen zur Gestaltung von Struktur-BES fehlt. Deshalb wurde unter Berücksichtigung der Studie, der Implikationen und den Konsequenzen der digitalen Transformation sowie der relevanten theoretischen Grundlagen ein Gestaltungsrahmen entwickelt. Dieser Gestaltungsrahmen beschreibt das Vorgehen, die Grundsätze der Zusammenarbeit und die Handlungsfelder zur Etablierung eines auf Vertrauen, Offenheit und Gegenseitigkeit beruhenden Struktur-BES. Dies umfasst den methodischen Ansatz zur Ableitung der strategisch relevanten Partner sowie deren Bindungsintensität und Beziehungsstruktur. Ebenfalls werden ein agiles Steuerungs- und Organisationskonzept vorgestellt, einschließlich der Aufgaben zur Orchestration und den Voraussetzungen sowie Fähigkeiten der Partner von Struktur-BES.Item Open Access Modell zur Gestaltung einer kapazitätsgeprüften durchgängigen Planung und Steuerung in der Auftragsabwicklung kundenspezifischer Investitionsgüter(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Wochinger, Thomas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Zunehmende Kundenanforderungen, ein höherer Grad an Individualisierung und verstärkter globaler Wettbewerb verlangen von Unternehmen ein hohes Maß an Innovations- und Wandlungsfähigkeit. In der Auftragsabwicklung kundenspezifischer Investitionsgüter ist trotz durch Kunden, Lieferanten oder interner Prozesse bedingter Unsicherheiten und dynamischer Engpässe eine hohe Leistungsfähigkeit im Auftragsmanagement zur Erreichung von Termintreue-, Durchlaufzeit-, Bestands- und Auslastungszielen erforderlich. Der geeignete Umgang mit der auftretenden Komplexität wird zum differenzierenden Wettbewerbsfaktor. Das entwickelte Modell ermöglicht im komplexen Umfeld kundenspezifischer Investitionsgüter eine kapazitätsgeprüfte durchgängige Planung und Steuerung entlang der gesamten Auftragsabwicklung. Dazu bedient es sich dezentraler Organisationsformen mit einem hohen Maß an Selbstorganisation, regelkreisbasierten Grundsätzen der Kybernetik zur engen Kopplung von Ausführungs- und Lenkungsebene sowie dem aus dem Lean Management bewährten Taktprinzip. Im Rahmen des Gestaltungsmodells wird das dem Modell zugrundeliegende Prinzip der taktorientierten Planung und Steuerung auf die gesamte Prozesskette vom Auftragseingang bis zur Auslieferung angewendet. Das entwickelte Wirkmodell bildet die Abhängigkeiten zwischen den Funktionen, Stell-, Regel- und Zielgrößen ab und hebt die Bedeutung einzelner Funktionen hervor. Die Modellelemente Zielsystem, Planungsmodell, PPS-Parameter und Organisationsstruktur werden mit unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten definiert. Dies gewährleistet eine flexible Anwendbarkeit bei verschiedenen und sich ändernden Rahmenbedingungen. Das Gestaltungsmodell wurde bei einem Hersteller kundenspezifischer Komponenten für die Luft- und Raumfahrt erprobt. Dabei zeigte sich, dass durch die Anwendung die Zielerreichung und Effizienz in der Planung und Steuerung stark gesteigert werden kann. Die entstehende Transparenz stellt darüber hinaus den Ausgangspunkt für weitere Verbesserungen dar.Item Open Access Referenz-Prozessmodell zur Abbildung weltweiter produktbezogener Umweltanforderungen in der Ablauforganisation von Maschinenbauunternehmen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2021) Müller, Sebastian; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen des deutschen Maschinenbaus sind weltweit einer steigenden Anzahl produktbezogener Umweltanforderungen, die auf Verkaufsprodukte in Form von komplexen Erzeugnissen wirken, ausgesetzt. Die Quellen der Anforderungen können der Gesetzgeber, der Kunde, aber auch weitere externe Anspruchsgruppen darstellen. Die Erfüllung der Vorgaben ist von strategischer Relevanz, da die Einhaltung die Sicherstellung des Markzugangs ermöglicht und mit dem Schutz der Marke und dem Erhalt der Unternehmensreputation einhergeht. Zur Erreichung dieser Unternehmensziele ist als Grundvoraussetzung eine systematische Abbildung der Anforderungen in Form zu verrichtender Tätigkeiten in der Ablauforganisation eines Unternehmens entscheidend. Wissenschaftliche Ansätze in diesem Themenfeld sind derzeit nicht existent. Basierend auf den für den Maschinenbau wesentlichen Märkten Europäischer Wirtschaftsraum, Schweiz, Nordamerika und China wird unter Zuhilfenahme der DIN EN ISO 9001:2015 ein statisches Referenz-Prozessmodell entwickelt, das Unternehmen befähigen soll, prinzipiell sämtliche gleichgerichtete Anforderungen weltweit erfüllen zu können. Das Referenzmodell besteht aus drei Ebenen: Die Systemebene veranschaulicht insbesondere die Ablauforganisation, die sich im Modell zum einen aus sechs als relevant identifizierten Unternehmensprozessen konstituiert und zum anderen sieben Prozesskategorien beinhaltet, die aus der Analyse und Klassifizierung produktbezogener Umweltanforderungen in den relevanten Märkten resultieren. Die Prozessebene, auf der der Schwerpunkt der Arbeit liegt, stellt im Modell die Wechselwirkungen der Unternehmensprozesse untereinander und mit insgesamt 71 Sub-Prozessen dar, die aus der Fragmentierung der sieben Prozesskategorien resultieren. Die Sub-Prozessebene beschreibt die in sich abgeschlossenen 71 Sub-Prozesse mit ihren zu verrichtenden Tätigkeiten, Sub-Prozess Schnittstellen und gibt Praxisbeispiele für Inputs und Outputs. Die Systemebene richtet sich vorrangig andas Unternehmensmanagement, die Prozess- und Sub-Prozessebene insbesondere an Prozess- bzw. Organisationsentwickler, Wissenschaftler und Fachkräfte. Das Modell kann als Ausgangspunkt für die unternehmensindividuelle Weiterentwicklung der Ablauforganisation aber auch für die Entwicklung von Vorgehensoder Datenmodellen genutzt werden.