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 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 Ganzheitliches Verfahren zur Lösung der operativen Planungsprobleme in der Person-zur-Ware-Kommissionierung(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Kübler, Patrick; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Kurze und zuverlässige Lieferzeiten werden bei der Kaufentscheidung immer entscheidender. Effizient betriebene Kommissioniersysteme werden damit zu einem wichtigen Faktor. Der Wunsch der Kunden nach individualisierten bzw. personalisierten Produkten führt zu sinkenden Auftragsgrößen, einer zunehmend volatilen Nachfrage und damit zu steigenden Herausforderungen für die Kommissionierung. Um Aufträge möglichst schnell und aufwandsarm kommissionieren zu können, sind drei Planungsprobleme zu lösen: Die Vergabe der Lagerplätze (Lagerplatzvergabeproblem), die Bündelung von Aufträgen in sogenannten Batches (Auftragsbildungsproblem) und die Planung der Kommissioniertouren (Tourenplanungsproblem). Diese Probleme sind stark voneinander abhängig, werden bislang aber separat gelöst. Für die gemeinsame Lösung der Probleme gibt es noch kein geeignetes Verfahren. Die gestiegene Dynamik der Kundennachfrage führt ohne Umlagerungen zu einer sinkenden Effizienz. Häufig schrecken Unternehmen aber davor zurück, Artikel umzulagern, da befürchtet wird, dass den Umlagerungsaufwänden keine entsprechenden Effizienzgewinne gegenüberstehen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das die drei Planungsprobleme ganzheitlich löst und die zukünftige Dynamik der Kundennachfrage antizipiert. Umlagerungen werden nur durchgeführt, wenn die zu erwartenden Wegstreckenreduktionen den Umlagerungsaufwand übersteigen. Unternehmen profitieren von der ganzheitlichen Lösung der Probleme und der Beherrschung der Dynamik in Form erheblicher Aufwandsreduktionen. Die Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird in umfangreichen numerischen Experimenten nachgewiesen. Im Rahmen einer Fallstudie werden die Ergebnisse der numerischen Experimente bestätigt und die Praxistauglichkeit des Verfahrens unter Beweis gestellt.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 Methode zur Unterstützung der Mitarbeiterpartizipation im Change Management der variantenreichen Serienproduktion durch Lernfabriken(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Dinkelmann, Max; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen mit einer variantenreichen Serienproduktion stehen vor der Herausforderung, sich in immer kürzeren Zeitabständen an die Anforderungen der Märkte anpassen zu müssen. Jedoch scheitern viele der dafür notwendigen Veränderungsprojekte an der mangelnden Einbindung von Führungskräften und Mitarbeitern. Bestehende Lernfabriken setzen einen partizipativen Ansatz des Kompetenzerwerbs mit ihren realitätsnahen Lernumgebungen um. Daher wurde untersucht, ob und wie Lernfabriken dazu beitragen können, Veränderungsprozesse erfolgreicher zu gestalten, indem sie eine Plattform für die Partizipation bieten. Dazu wurde eine Methode entwickelt, mit der die realen Abläufe der Produktion in einer Lernfabrik abgebildet, dort verbessert und in die Praxis zurück übertragen werden können. Ausgangspunkt ist die Aufnahme der technisch-organisatorischen Rahmenbedingungen durch eine Wertstromanalyse. Die sozial-kulturellen Rahmenbedingungen werden durch Interviews erhoben. Nach der Prüfung des Aufwands kann damit die reale Produktion auf der Ebene des Wertstroms in einer Lernfabrik abgebildet werden. Dort können Mitarbeiter und Führungskräfte aktiv Aufgaben übernehmen, um in der laufenden Produktion die Schwachstellen des aktuellen Systems zu identifizieren. Dabei wird auch die Validität der Abbildung überprüft. Durch den Einsatz von Analyse- und Optimierungsmethoden entwickeln die Teilnehmenden nicht nur eine Lösung, sondern erwerben auch die notwendigen Kompetenzen für die Umsetzung im Betrieb. Die Realisierung von Veränderungen und deren Test in einer Lernfabrik vertiefen diese Kompetenzen und schaffen motivierende Erfolgserlebnisse. So wird gemeinsam ein Sollzustand entwickelt, an dem sich die anschließende Planung und Umsetzung von Veränderungen in der realen Produktion ausrichtet, wobei die Anforderungen des Change Managements berücksichtigt werden. Die Methode konnte nicht nur erfolgreich in der „Lernfabrik advanced Industrial Engineering (aIE)“ überprüft werden, sondern auch mit Unterstützung eines Planspiels angewendet werden.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.