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 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 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 Optimierungsmodell zur Planung der direkten Wiederverwendung bei der Vermietung mobiler und langlebiger Investitionsgüter in Closed-Loop Supply Chains(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Braun, Anja-Tatjana; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Die Möglichkeit Bedürfnisse der Gegenwart zu befriedigen ohne dass dadurch die Bedürfnisse der zukünftigen Generationen eingeschränkt sind wurde über viele Jahre nur auf makroökonomischer Ebene, also aus Sicht gesamter Volkswirtschaften, diskutiert. Steigende Rohstoffpreise und zunehmende Unsicherheiten in der Supply Chain, als Auswirkungen dieser Entwicklung, treiben Unternehmen zunehmend zu einer intelligenteren Ressourcennutzung, solideren Versorgungsketten sowie Geschäftsmodell- Innovationen. Die Erweiterung einer klassischen Supply Chain zu einer Closed-Loop Supply Chain zur direkten Wiederverwendung mobiler und langlebiger Investitionsgüter greift diese Herausforderungen auf und verbindet wirtschaftliche Nutzenpotentiale mit nachhaltigem Ressourceneinsatz. Die gesteigerte Komplexität bidirektionaler Materialflüsse in Closed-Loop Supply Chains erfordern angepasste Planungsalgorithmen sowie Software-Lösungen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell erarbeitet, dass die Planung der direkten Wiederverwendung bei der Vermietung mobiler und langlebiger Investitionsgüter in Closed-Loop Supply Chains optimiert. Insbesondere die Entwicklung von Planungsalgorithmen zur Verbesserung der Vorhersagewahrscheinlichkeit zukünftiger Rücklieferungen und deren betriebswirtschaftliche Auswirkungen für Unternehmen stehen im Vordergrund. Das Optimierungsmodell betrachtet dabei sowohl die Positionierung des Unternehmens im Innen- als auch im Außenverhältnis und liefert die Entscheidungsgrundlade für entsprechende strategische Initiativen. Die Besonderheit des neuen Optimierungsmodells ist vorrangig die branchenübergreifende Anwendbarkeit. Erste erfolgreiche Projektergebnisse nach Anwendung des Optimierungsmodells zeigen die Funktionsfähigkeit und Notwendigkeit der in der Arbeit entwickelten Planungsalgorithmen.Item Open Access Design for Capacity Flexibility : Entwicklung einer Methodik zur wirtschaftlichen Kapazitätsflexibilisierung mithilfe von substituierbaren Produktdesignvarianten(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Holtewert, Philipp; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Unternehmen der variantenreichen Serienfertigung sind einem hohen Kostendruck sowie einer stark saisonal schwankenden Nachfrage ausgesetzt. Die Herausforderung dieser Unternehmen dabei ist, eine hohe Kapazitätsauslastung durch Vermeidung von Überkapazitäten und Engpässen zu erreichen und die Fixkosten in der Fertigung abhängig von der Nachfrage zu minimieren. Mithilfe von heutigen Lösungsansätzen zur Kapazitätsflexibilisierung können Unternehmen in den Grenzen eines definierten Flexibilitätskorridors auf Marktturbulenzen reagieren. Diese Ansätze ermöglichen es jedoch nicht, die durch die schwankende Nachfrage entstehenden Überkapazitäten und Engpässe vollständig zu eliminieren. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit ein alternativer Ansatz zur flexiblen Kapazitätsanpassung unter dem Namen Design for Capacity Flexibility für die variantenreiche Serienfertigung vorgestellt. Ziel des Ansatzes ist die effiziente Nutzung von Überkapazitäten sowie die wirtschaftliche und schnelle Reaktion bei Engpässen durch Anwendung von substituierbaren Produktdesignvarianten. Hierfür wird die zeitgleiche Herstellung von austauschbaren Produktkomponenten mit der gleichen Produktfunktion, jedoch mit zwei unterschiedlichen Produktdesigns angestrebt. Eines der Produktdesigns benötigt eine hohe Bearbeitungszeit mit niedrigen variablen Kosten, das andere hingegen eine niedrige Bearbeitungszeit mit hohen variablen Kosten. Dies ermöglicht die Variabilisierung der Bearbeitungszeiten von Fertigungsprozessen und führt schlussendlich zur Steigerung der Kapazitätsflexibilität, Senkung der Kosten und Maximierung des Gewinns. Zur Anwendung des Ansatzes ist eine Methodik entwickelt worden, die eine objektive Bewertung von Substitutionspotentialen hinsichtlich Kapazität, Kosten, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit ermöglicht. Die Methodik wurde anhand eines Fallbeispiels in einem Unternehmen zur Herstellung von Kühlschränken auf ihre Praxistauglichkeit hin geprüft. Die Ergebnisse des Fallbeispiels zeigen eine kosten- und mengenoptimierte sowie hoch ausgelastete Fertigung bei Anwendung substituierbarer Produktdesigns. Konkret sind eine Gewinnsteigerung bis zu fünf Prozent/Jahr und eine Steigerung der wirtschaftlichen Kapazitätsflexibilität bis zu sechzehn Prozent im Fallbeispiel möglich.Item Open Access Durchgängiges mechatronisches Engineering für Sondermaschinen(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Frank, Gernot; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Immer kürzer werdende Produktlebenszyklen und kundenindividuellere Produkte zwingen Hersteller dazu ihr Produktionssystem immer schneller anzupassen. Eine solche Anpassung bietet erhebliches Einsparpotenzial, wenn damit die Prozesskette optimiert wird. Dies kann häufig nur über individuell angepasste Maschinen erfolgen. Gerade in Hochlohnländern resultiert daraus eine erhöhte Nachfrage nach Sondermaschinen. Die Maschinenhersteller sind damit gezwungen auftragsbezogene Entwicklungen durchzuführen, was einen hohen Anteil von Entwicklungskosten an der Gesamtinvestition mit sich bringt. Unter des Gesichtspunkts eines bevorstehenden Fachkräftemangel ist ersichtlich, dass kurze Auftragsdurchlaufzeiten nur durch ein äußerst effizientes Engineering erreichbar sind. Allerdings ist die Entwicklung solcher Maschinen immer noch geprägt von einer sequentiellen Reihenfolge der Disziplinen Mechanik-, Elektrokonstruktion und Automatisierung. Neben weiteren Defiziten führt eine ungenügende Anforderungsaufnahme für die Entwicklung, eine sehr geringe Wiederverwendung von mechatronischen Modulen bzw. ein sehr hohen Aufwand zur Erstellung dieser Module und voneinander entkoppelte Softwaresysteme zur Unterstützung der disziplinspezifischen Aufgaben zu unnötigen Aufwänden während der Projektabarbeitung. Deshalb ist das Ziel der vorliegenden Dissertation eine durchgängige softwaregestützte Methode für die integrierte mechatronische Sondermaschinenentwicklung bereitzustellen, welche die Disziplinen parallelisiert und eine Wiederverwendung bereits entwickelter mechatronischer Module mit sehr geringem Aufwand ermöglicht. Dazu wird zunächst analysiert, welche Abhängigkeiten die Disziplinen voneinander haben und wie mechatronische Module definiert werden können. Dies bildet die Basis für die erarbeitete Methode. Darin wird mit der Definition von Anforderungen, unterstützt von einer Sachmerkmalleiste begonnen. Anschließend werden die Anforderungen im Rahmen der Systementwurfsphase unter Einbeziehung aller Disziplinen auf Komponenten und Module heruntergebrochen. Dadurch entsteht ein mechatronisch abgestimmtes Maschinenkonzept. Dieses bildet die Basis für die nächste Phase parallel in den verschiedenen Disziplinen die Detaillierungen auszuarbeiten. Die abschließende Phase der Systemintegration validiert die Ergebnisse. Zur Unterstützung aller Phasen der beschriebenen Methode werden erhältliche Softwareprodukte bzw. eigens entwickelte Prototypen genutzt und über ein semantisches Netz integriert. Die Methode und deren softwaretechnische Unterstützung werden anhand einer Firmwarelademaschine validiert. Dadurch lassen sich die Anwendbarkeit und der Nutzen für eine Entwicklung von Sondermaschinen nachweisen.Item Open Access Methodik zur Quantifizierung der nachhaltigen Wertschöpfung von Produktionssystemen an der ökonomisch-ökologischen Schnittstelle anhand ausgewählter Umweltprobleme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Miehe, Robert; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.)Nachhaltige Wertschöpfung ist das Diktum einer zukunftsfähigen Wirtschaftsform. Damit es gelingen kann, Produktionssysteme nach dieser Maßgabe zu konzipieren, ist eine quantitative Bezifferung von essentieller Bedeutung. Gründend auf den ethisch-normativen Lehren Immanuel Kants‘ und Hans Jonas‘, wird in der vorliegenden Arbeit nach einer kategorischen Objektivierung der Wertschöpfung an der ökonomisch-ökologischen Schnittstelle gesucht. Das hier vorgelegte Konzept erweitert die betriebliche Wertschöpfungsrechnung um die sozio-ökologischen Folgen produktionstechnischer Handlungen. Mit dem eco²-Value-Added wird ein rein pekuniärer Indikator präsentiert, der sowohl die betriebs- als auch die gesellschaftszweckdienlichen Effekte der Leistungserstellung zu inkludieren vermag. Einem produzierenden Unternehmen eröffnet das Konzept die Überprüfung der gesellschaftlichen Legitimation, die Antizipation von Unternehmensrisiken sowie eine zielorientierte Ausrichtung des soziotechnischen Systems im Hinblick auf die immanente Gerechtigkeitsherausforderung. Ebenso ist eine ordnungspolitische Verwendung des Ansatzes in Form gezielter Steuer- und Regelungsmechanismen möglich.