Universität Stuttgart
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Item Open Access Gestaltungsrichtlinien zur systematischen Verbesserung der Spanguterfassung bei der Fräsbearbeitung von CFK(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Gebhardt, Andreas; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) sind High-End-Leichtbauwerkstoffe, mit einem hohen Potenzial zur Leistungssteigerung von Maschinen und Produkten sowie zur Energieeinsparung. Ihre Herstellung erfolgt typischerweise unter Einsatz trockener Fräsprozesse, deren Spangut eine besondere Gefährdung darstellt und sicher erfasst werden muss. Der Prozess der Spangutabsaugung stand bisher nicht im Fokus der Wissenschaft, obgleich er eine hohe wirtschaftliche und technische Relevanz aufweist. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher zunächst dem Stand der Technik in der fertigenden Industrie sowie den Anforderungen der CFK-zerspanenden Betriebe. Hieraus wird die Notwendigkeit dieser Arbeit aufgezeigt, die Absaugprozesse effektiver und effizienter zu gestalten und systematisches Grundlagenwissen zur Auslegung von Absaugsystemen zu schaffen. In einer theoretischen Betrachtung des Absaugprozesses werden die relevanten Einflussgrößen identifiziert und anschließend experimentell untersucht. In diesem Zusammenhang wird auf grundlegende Fragen zur Spanbildung von CFK eingegangen. Es folgen Untersuchungen zum Spangutauswurf und dessen Optimierung für eine verbesserte Erfassung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden Gestaltungsrichtlinien für Absaugsysteme formuliert, die zur Optimierung dreier wesentlicher Varianten von Absaugsystemen genutzt werden. Diese werden abschließend anhand von zwei Schikanebauteilen bewertet. Diese Validierung zeigt das hohe Potenzial zur Steigerung der Spanguterfassung und zur Senkung des Energiebedarfs.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 Strategische Planung von Produktionskompetenzen(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Balzer, Viktor; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Der Wandel des Konsumverhaltens und disruptive Geschäftsmodelle im Sinne von Business-to-User führen zu einem Wettbewerb um den Kundennutzen. Die Produktion befindet sich in einem Wandel hin zu einer nutzenzentrierten Produktion in einem Wettbewerb, der heute zusätzlich aus mehreren kleineren und finanzstarken Wettbewerbern besteht, die vorhandene Ansätze der Produktion und Werterzeugung traditioneller Industrieunternehmen herausfordern. Unternehmen müssen daher in der Lage sein, ihre Innovationskraft noch spezifischer und agiler in Kundennutzen zu transformieren. Verschiedene Studien des Fraunhofer IPA, der McKinsey & Company, der Boston Consulting Group und der PwC verdeutlichen, dass trotz der hohen Dynamik und Wettbewerbssituation Ressourcen und Investitionen nicht mit der entsprechenden Agilität oder ohne strategischen Bezug allokiert werden. Demnach überleben zwei Drittel aller Unternehmen industrielle Disruptionen nicht. Die Studien verdeutlichen, dass das Management nicht weiß, wo und in welchen Größenordnungen Ressourcen nutzenstiftend allokiert werden sollen. Des Weiteren werden Entscheidungen durch kognitive und organisatorische Verzerrungen der Risikobewertung beeinträchtigt. Zur Lösung dieses Problems ist in dieser Arbeit eine Methodik zur strategischen Planung von Produktionskompetenzen entwickelt worden, die folgende konkrete Bedarfe adressiert: • Lokalisierung und Bewertung wettbewerbsrelevanter und nutzenstiftender Produktionsressourcen, • agile Produktionsressourcen- und Investitionsallokation im Kontext nutzenzentrierten Wettbewerbs, • objektivierte und dynamische Bewertung von Investitionsentscheidungen. Die Methodik besteht in Anlehnung an Patzaks Modelltheorie aus einem Erklärungs-, einem Prognose- und einem Entscheidungsmodell. Das Erklärungsmodell bildet ein generisches Fit-Modell ab. Durch das generische Fit-Modell können nutzenstiftende und wettbewerbsrelevante Ressourcen gebündelt in Form von Produktionskompetenzen unabhängig von konkreten Strategien generisch lokalisiert werden. Das generische Fit-Modell wird mit dem Prognose- und Entscheidungsmodell auf strategische Initiativen instanziiert. Die strategischen Initiativen werden durch ein Bündel aus Realoptionen modelliert. Im Ergebnis können so Veränderungen der Wettbewerbsposition einzelner Produktionskompetenzen in Form von strategischen Initiativen monetär bewertet, ex ante formiert und ex post für den Fall der emergenten Entstehung formalisiert werden. Aufgrund der hohen Praxisorientierung dieser Arbeit wird das Modell als Software in Form einer Software as a Service (SaaS) implementiert. Die Methodik wurde am Beispiel eines Unternehmens zur Herstellung personalisierter Kosmetikprodukte auf ihre Praxistauglichkeit hin untersucht. Unternehmen werden befähigt agil, auf Nutzen- und Wettbewerbsveränderungen zu reagieren und Ressourcen in Form von strategischen Initiativen nutzen- und wettbewerbsorientiert zu allokieren.Item Open Access Design of matrix production systems for the personalized production of mechatronic machine modules(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2023) Foith-Förster, Petra; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Crisis-driven fluctuations of production volumes and the high number of variants in personalized production challenge production systems. To maintain their competitiveness production systems must be flexible, scalable and reconfigurable, and enable an efficient production of high volumes. Today’s prevalent mix-model production lines are dedicated to certain output quantities and a limited number of product variants. They are insufficient for personalized production in a turbulent business environment. This thesis provides a methodical system for designing matrix production systems. Matrix production systems consist of flexibly-linked process modules which are linked by a material flow only on demand. Each order pursues its own variant-specific path through the system. Due to their modular design, matrix production systems are able to integrate a variety of assembly and manufacturing processes to produce different product families in one system. The shared use of the process modules by a wide range of variants enables high utilization of investment-intensive production resources. A scaling of the output quantity or the integration of new variants is possible by functional adaptation or alteration of quantity of individual process modules with little impact on the overall system. The design method of the methodical system is based on the principles of Axiomatic Design. In a process-oriented approach, the process modules of a production system are first designed functionally and saved in a knowledge base for subsequent production system design projects. The process modules are specified for a specific functional scope according to the quantification of change barriers. To design a matrix production system suitable process modules are then selected for a specific production program and instantiated according to the capacity requirements of their functions in a flow-oriented layout. The methodical system specifies the design procedure and provides production system models and design criteria as decision support for production planners. It also specifies calculation rules for the selection of alternative solutions in the design process. Finally, an integrated evaluation method allows the comparison of alternative overall designs. The applicability and effectiveness of the methodical design system was validated with a production system design project at an electric motor manufacturer. This thesis thus makes a contribution to the competitive design of production systems.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 Konzeptuelles Referenzdatenmodell für das Compliance-Management des stoff- und produktbezogenen Umweltschutzes in Unternehmen der Elektrobranche(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Schneider, Ralph; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der Elektrobranche sehen sich auf internationalen Märkten und in ihren Wert-schöpfungsketten einer steigenden Zahl von Anforderungen gegenüber, die die Zusammensetzung ihrer Produkte durch stoffliche Restriktionen beeinflussen. Diese Anforderungen stammen vorwiegend aus regulatorischen Vorgaben, die dem Umweltschutz im Rahmen der Um-welt- und Stoffpolitik zuzuordnen sind. Die regulatorischen Anforderungen werden zudem durch Kundenanforderungen aufgegriffen und teilweise über das regulatorische Maß hinaus ergänzt. Die stoff-/produktbezogenen Anforderungen müssen erfüllt werden, um den Markt- und Kundenzugang zu erhalten. Um dies bewerkstelligen zu können, müssen die jeweils adressierten Unternehmen über ein solides Datenmanagement verfügen, das es ermöglicht, Auskunft über die Art und den Status der Betroffenheit zu geben, zu erreichende Zielwerte und den zugehörigen Ist-Status auf Produktebene zu erfassen und Verantwortlichkeiten für die stoffliche Zusammensetzung der Produkte und deren Bestandteile auszuwerten. Hierzu existieren zwar punktuelle Lösungen, aber die gesamtheitliche Sicht auf die zur Erfüllung der Anforderungen notwendigen Daten fehlt. Entsprechend dieser Problemstellung war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die erforderliche Datenbasis zu identifizieren, die von Unternehmen der Elektrobranche idealtypisch benötigt wird, um den Anforderungen nachkommen zu können. Dies wurde erreicht, indem aus einem Satz fundiert ausgewählter Regulierungen, relevanter Standards und Werkzeuge sowie unter Berücksichtigung unternehmensinterner prozessualer Abläufe die einzelnen Informationsanforderungen systematisch abgeleitet und anschließend bis auf Datenebene operationalisiert wurden. Die notwendigen Daten wurden in einem konzeptuellen Referenzdatenmodell konsolidiert und in einem Entity-Relationship-Diagramm visualisiert. Das Referenzdatenmodell umfasst insgesamt 16 verschiedene Datenbereiche, die auf dem Grundgerüst eines unternehmensinternen Compliance -Prozesses beruhen und als Teilmodelle aufgefasst werden können. In den Datenbereichen wurden 79 Datenentitäten definiert, die in Summe 375 Attribute beinhalten. Die Erreichung der Zielsetzungen der Arbeit sowie der Nutzen des Referenzdatenmodells konnten schließlich in Expertenbefragungen und einzelnen Anwendungsbeispielen bewertet und bestätigt werden.Item Open Access Autonome Entscheidungsfindung in der Produktionssteuerung komplexer Werkstattfertigungen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Waschneck, Bernd; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die Variabilität in der kundenindividuellen Massenproduktion stellt eine enorme Herausforderung für die industrielle Fertigung dar. Die komplexe Werkstattfertigung als Produktionsprinzip eignet sich aufgrund der inhärenten Flexibilität besonders für die kundenindividuelle Massenproduktion. Allerdings sind die bestehenden Methodiken für die Produktionssteuerung einer Werkstattfertigung für die Einmal- oder Wiederholproduktion ausgelegt, was zu Defiziten in der Massenproduktion führt. Entweder ist die globale Qualität der Ergebnisse suboptimal oder die notwendige Echtzeitfähigkeit in der Entscheidungsfindung kann nicht bereitgestellt werden. Zudem entsteht durch Veränderungen und Anpassungen der Produktionssteuerung einer komplexen Werkstattfertigung ein hoher manueller Aufwand. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik für eine dezentrale, selbstorganisierte und autonome Produktionssteuerung für eine Werkstattfertigung entwickelt, die dazu beiträgt, mit der zunehmenden Komplexität und dem Produktionsvolumen umzugehen. Dabei wird die Produktion als Reinforcement-Learning-Modell formalisiert, das die Grundlage für das autonome Lernen einer Strategie zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge bildet. Mehrere kooperative Deep-Q-Network-Agenten werden in diesem Modell darauf trainiert, eine Strategie zu finden, die eine gegebene Bewertungsfunktion - meist ein Key Performance Indicator aus der Produktion - maximiert. Die Neuronalen Netze, in denen die erlernte Entscheidungslogik der Deep-Q-Network-Agenten abgebildet ist, werden nach der Trainingsphase in die Produktion übertragen. Der Multi-Agenten-Ansatz trägt dazu bei, dass der Lernvorgang beschleunigt wird und im produktiven Einsatz durch die Dezentralität Entscheidungen schneller bestimmt werden können. Die Erprobung der Methodik in zwei praxisnahen Fallbeispielen aus der Halbleiterindustrie zeigt ihre Leistungsfähigkeit. In beiden Fallbeispielen konnten Strategien zur Optimierung der Abarbeitungsreihenfolge auf oder über Expertenniveau autonom erlernt werden. Konkret konnte dadurch im zweiten Fallbeispiel der Anteil verspäteter Aufträge in einer Technologieklasse von 17, 0 % auf 1, 3 % reduziert werden. Abgerundet wird die Arbeit durch eine Einordnung in das soziotechnische System „Fabrik“, in der die Umsetzung der Reihenfolgeentscheidungen durch die Werker betrachtet wird. Dabei wird offensichtlich, dass die Optimierung der Produktionssteuerung ganzheitlich unter Einbeziehung der Werker in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess erfolgen muss.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 Methodik für numerische Lackiersimulationen : Bedeutung der Modell- und Eingangsparameter bei der Hochrotationszerstäubung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2024) Güttler, Nico; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)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.