Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung

222 Pages·2018·3.33 MB·German

by  Markus Möhrle

Light Engineering für die Praxis
Markus Möhrle
Gestaltung von
Fabrikstrukturen
für die additive
Fertigung
Light Engineering für die Praxis
Reihe herausgegeben von
C. Emmelmann, Hamburg, Deutschland
Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13397
Technologie- und Wissenstransfer für die photonische Industrie ist der Inhalt dieser
Buchreihe. Der Herausgeber leitet das Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik an
der Technischen Universität Hamburg-Harburg sowie das LZN Laser Zentrum Nord, eine
100%ige Tochter der TU Hamburg-Harburg und der Freien und Hansestadt Hamburg. Die
Inhalte eröffnen den Lesern in der Forschung und in Unternehmen die Möglichkeit, inno-
vative Produkte und Prozesse zu erkennen und so ihre Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig
zu stärken. Die Kenntnisse dienen der Weiterbildung von Ingenieuren und Multiplikato-
ren für die Produktentwicklung sowie die Produktions- und Lasertechnik, sie beinhalten
die Entwicklung lasergestützter Produktionstechnologien und der Qualitätssicherung von
Laserprozessen und Anlagen sowie Anleitungen für Beratungs- und Ausbildungsdienstleis-
tungen für die Industrie.
Markus Möhrle
Gestaltung von
Fabrikstrukturen für die
additive Fertigung
Markus Möhrle
Düsseldorf, Deutschland
ISSN 2522-8447 ISSN 2522-8455 (electronic)
Light Engineering für die Praxis
ISBN 978-3-662-57706-6 ISBN 978-3-662-57707-3 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-57707-3
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Zusammenfassung
Additive Fertigungsverfahren befinden sich an der Schwelle zur Industrialisierung. Dar-
aus ergibt sich ein Praxisbedarf nach effizienten und effektiven Prozessketten für die
Fertigung von Bauteilen in Endqualität. Diese Dissertation adressiert den Bedarf nach
der Gestaltung effizienter Fabrikstrukturen einerseits und weiterer Steigerung der Pro-
duktivität andererseits.
Die vorgestellte Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung
greift die beiden Hauptanforderungen nach kurzer Durchlaufzeit und niedrigen Kosten
auf. Ausgehend von den ermittelten Anforderungen an die Fabrikstruktur, die sich im
Wesentlichen aus dem Geschäftsmodell und dem Absatzprogramm ergeben, werden
Strukturvarianten als Kombination verschiedener Gestaltungsfaktoren gebildet. Die
Gestaltung berücksichtigt Kapazitätsbedarf, Wertschöpfungsmodus und -tiefe der Fab-
rikstruktur. Mittels eines Simulationsmodells können Kosten und Durchlaufzeit für die
geschaffenen Varianten bewertet und die für den Anwendungsfall geeignete Ziel-
Fabrikstruktur ausgewählt werden. Die Anwendung für realitätsnahe Produktionspro-
grammklassen offenbart eine starke Abhängigkeit zwischen Kosten und Durchlaufzeit,
was den hohen Praxisnutzen der Methode unterstreicht.
Zur Weiterentwicklung der additiven Prozesskette wurden verschiedene Produktivitäts-
potenziale aufgedeckt, die in Forschung und Praxis verfolgt werden. Aus einer simulati-
onsgestützten Bewertung wurde der Kosten- und Durchlaufzeiteinfluss ermittelt: Zur
Kostensenkung erscheinen mitunter die Optimierung der Prozessgeschwindigkeit und
Automatisierung der manuellen Supportentfernung besonders lukrativ. Für den Anwen-
dungsfall dezentraler Ersatzteilversorgung wurde gezeigt, dass auch kostenseitig weniger
bedeutende Schritte einen hohen Beitrag zur Senkung der hier wichtigen Durchlaufzeit
leisten können.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung v
Inhaltsverzeichnis vii
Abbildungsverzeichnis xi
Abkürzungsverzeichnis xvii
Formelzeichen xix
1 Einleitung 1
1.1 Ausgangssituation .......................................................................................... 1
1.2 Zielsetzung ..................................................................................................... 2
1.3 Forschungskonzeption ................................................................................... 3
1.4 Aufbau dieser Arbeit ...................................................................................... 4
2 Grundlagen des Betrachtungs- und Gestaltungsbereichs 7
2.1 Additive Fertigungstechnologien ................................................................... 7
2.1.1 Klassifizierung und Eigenschaften additiver
Fertigungsverfahren .......................................................................... 7
2.1.2 Fertigungsprozesskette des Laser-Strahlschmelzens ......................... 9
2.1.3 Einsatzgebiete additiver Fertigungsverfahren ................................. 19
2.1.4 Geschäftsmodelle der additiven Fertigung ...................................... 20
2.1.5 Produktivitätspotenziale der Prozesskette additiver
Fertigungsverfahren ........................................................................ 24
2.2 Fabrikplanung .............................................................................................. 31
2.2.1 Ziele der Fabrikplanung .................................................................. 32
2.2.2 Planungsprozess .............................................................................. 32
2.2.3 Entscheidende Rolle der Strukturplanung im Rahmen der
Fabrikplanung ................................................................................. 38
2.2.4 Planungsbereiche der Fabrikplanung .............................................. 39
2.2.5 Alternativenbildung in der Fabrikplanung ...................................... 43
2.3 Produktionsprogramme ................................................................................ 45
2.3.1 Strukturdeterminanten von Produktionsprogrammen ..................... 46
2.3.2 Struktur (Merkmale und Ausprägungen) ........................................ 48
2.3.3 Strukturtypologie ............................................................................ 51
2.3.4 Erhebung im Unternehmenskontext ................................................ 53
2.3.5 Rolle bei der Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive
Fertigung ......................................................................................... 54
2.4 Simulationsbasierte Ansätze im Rahmen der Fabrikplanung ....................... 54
2.4.1 Simulationsbasierte Ansätze in der Planung und Optimierung
von Fabriken ................................................................................... 54
2.4.2 Vorgehensmodell zur Erstellung von Simulationsstudien .............. 57
2.4.3 Konzepte für die Dimensionierung von Produktionssystemen ....... 60
viii Inhaltsverzeichnis
3 Definition des Forschungsbedarfs 63
3.1 Marktseitige Bedeutung ............................................................................... 63
3.1.1 Gesamtentwicklung additiver Produktionskapazitäten ................... 63
3.1.2 Bedeutung entlang der Wertschöpfungskette .................................. 64
3.2 Forschungsbedarf ......................................................................................... 65
3.2.1 Unzulänglichkeit bestehender Methoden und Anforderungen
an eine Methode für die Gestaltung von Fabrikstrukturen für
additive Fertigungsverfahren .......................................................... 65
3.2.2 Fehlende ganzheitliche Bewertung von
Produktivitätspotenzialen ................................................................ 67
3.3 Ableitung des Forschungsbedarfs und Berücksichtigung in dieser
Arbeit ........................................................................................................... 67
4 Modell zur Bewertung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 69
4.1 Aufgabendefinition ...................................................................................... 69
4.2 Beobachtungen am Realsystem ................................................................... 69
4.3 Systemanalyse .............................................................................................. 70
4.3.1 Systemdefinition ............................................................................. 70
4.3.2 Aufbaustruktur des Systems ............................................................ 76
4.3.3 Ablaufstruktur des Systems ............................................................ 84
4.4 Datenbeschaffung und -aufbereitung ........................................................... 95
4.4.1 Finanzwirtschaftliche Information .................................................. 95
4.4.2 Zeitwirtschaftliche Information ...................................................... 98
4.4.3 Wertschöpfungstiefendefinition .................................................... 108
4.5 Modellformalisierung und Implementierung ............................................. 109
4.6 Verifikation und Validierung ..................................................................... 109
4.6.1 Verwendete Verifikations- und Validierungstechniken im
Rahmen der Simulationsstudie ...................................................... 110
4.6.2 Validierung der Simulationsergebnisse ......................................... 111
4.6.3 Fazit zur Verifikation und Validierung ......................................... 115
5 Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 117
5.1 Konzeption der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die
additive Fertigung ...................................................................................... 117
5.2 Detaillierung der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die
additive Fertigung ...................................................................................... 118
5.2.1 Anforderungsermittlung ................................................................ 118
5.2.2 Strukturvariantenbildung .............................................................. 122
5.2.3 Variantenauswahl .......................................................................... 127
5.3 Anschlussfragestellungen........................................................................... 129
5.3.1 Anforderungen an die sekundäre Fabrikstruktur ........................... 129
5.3.2 Gestaltung des Fabriklayouts ........................................................ 130
5.4 Anwendung der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die
additive Fertigung ...................................................................................... 132
5.4.1 Anwendungskontext ..................................................................... 132
5.4.2 Anforderungsermittlung ................................................................ 134
5.4.3 Strukturvariantenbildung .............................................................. 138
Inhaltsverzeichnis ix
5.4.4 Variantenauswahl .......................................................................... 141
6 Produktivitätspotenziale der Prozesskette additiver Fertigungsverfahren 149
6.1 Analyse der Produktivitätspotenziale ......................................................... 149
6.1.1 Sensitivitätsanalyse der additiven Prozesskette ............................ 150
6.1.2 Beurteilung ausgewählter Produktivitätspotenziale ...................... 152
6.2 Potenziale additiver Ersatzteilfertigung in der Luftfahrtindustrie .............. 156
7 Anwendung und praktische Validierung 167
7.1 Anwendung der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die
additive Fertigung ...................................................................................... 167
7.1.1 Projektplan für die Anwendung im Rahmen einer
Fabrikplanung ............................................................................... 167
7.1.2 Fallbeispiel: Layoutplanung (Deutsche Bahn) .............................. 169
7.2 Anwendung für die Ermittlung von Produktivitätspotenzialen für die
Prozesskette der additiven Fertigung am Fallbeispiel einer
Szenarioanalyse.......................................................................................... 171
8 Schlussbetrachtungen 173
8.1 Zusammenfassung der Ergebnisse ............................................................. 173
8.2 Ausblick für Praxis und Forschung ............................................................ 174
Literaturverzeichnis 177
Anhang A Auswirkungen additiver Fertigungsverfahren auf die
Wertschöpfungskette 193
Anhang B Datengrundlage 197
B.1 Ermittlung der Regressionskoeffizienten für den Prozessschritt Baujob
fertigen ....................................................................................................... 197
B.2 Überprüfung der herangezogenen Rüstzeiten auf Normalverteilung ......... 199
B.3 Verwendete zeitwirtschaftliche Informationen .......................................... 199
B.4 Checkliste zur fallspezifischen Modellanpassung ...................................... 204
B.5 Unterstützende Daten ................................................................................. 205
B.6 Einfluss von Nachbearbeitungssequenz und Auftragslosgröße ................. 205
B.7 Variationskoeffizient der Durchlaufzeit ..................................................... 206
B.8 Transkript durchgeführter Interviews ........................................................ 207
B.8.1 Einsatz von Computertomographie zur Qualitätssicherung in
der Prozesskette der additiven Fertigung ...................................... 207
B.8.2 Einsatz von Drahterodiermaschinen in der Prozesskette der
additiven Fertigung ....................................................................... 207
B.8.3 Beobachtungen der betrieblichen Praxis am LZN Laser
Zentrum Nord und dem iLAS Institut für Laser- und
Anlagensystemtechnik .................................................................. 208
B.8.4 Maschinen in der Teilefertigung ................................................... 208
B.8.5 Fabrikstrukturen für die additive Fertigung .................................. 209
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1: Ziele der Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive
Fertigung ........................................................................................ 2
Abbildung 1-2: Anwendungsorientierte Forschung zur Verbindung von
Erkenntnissuche und Anwendungsabsicht ..................................... 3
Abbildung 1-3: Aufbau dieser Arbeit ...................................................................... 5
Abbildung 2-1: Additive Fertigungsverfahren und Betrachtungsbereich dieser
Arbeit ............................................................................................. 8
Abbildung 2-2: Schritte im Pre-Prozess der additiven Fertigungsprozesskette ....... 9
Abbildung 2-3: Schritte im In-Prozess der additiven Fertigungsprozesskette ......... 13
Abbildung 2-4: Fertigungsprinzip und grundlegender Aufbau einer
Generiermaschine .......................................................................... 14
Abbildung 2-5: Schritte im Post-Prozess der additiven Fertigungsprozesskette ..... 15
Abbildung 2-6: Prozesskette des additiven Fertigungsverfahrens Laser-
Strahlschmelzen, vgl. [MöEm16] .................................................. 18
Abbildung 2-7: Produktbezogene Einsatzpotenziale additiver
Fertigungsverfahren [MöEm16]..................................................... 19
Abbildung 2-8: Ordnungsmatrix von Geschäftsmodellen der additiven
Fertigung (Teil 1/2) ........................................................................ 22
Abbildung 2-9: Ordnungsmatrix von Geschäftsmodellen der additiven
Fertigung (Teil 2/2) ........................................................................ 23
Abbildung 2-10: Bereiche der Weiterentwicklung additiver
Fertigungsverfahren ....................................................................... 25
Abbildung 2-11: Projektrisiko/Komplexität (Indikation) der Maßnahmen zur
Produktivitätssteigerung................................................................. 31
Abbildung 2-12: Phasen der Fabrikplanung .............................................................. 34
Abbildung 2-13: Strukturen industrieller Fertigungsprinzipien (Auswahl) ............... 37
Abbildung 2-14: Bestandteile der Strukturplanung bei verschiedenen Autoren ....... 39
Abbildung 2-15: Einzelaufgaben der Strukturplanung .............................................. 39
Abbildung 2-16: Planungsebenen der Fabrik (Gliederung nach
Hierarchieebene) ............................................................................ 41
Abbildung 2-17: Planungsfelder der Fabrik (Gliederung nach
Planungsdisziplin) .......................................................................... 41
Abbildung 2-18: Planungsbreite und Planungstiefe .................................................. 42
Abbildung 2-19: Berücksichtigung von Alternativen in der Fabrikplanung bei
verschiedenen Autoren ................................................................... 43
Abbildung 2-20: Struktur und Datenherkunft von Produktionsprogrammen ............ 45
Abbildung 2-21: Detaillierungsgrad von Produktionsprogrammen .......................... 47
Abbildung 2-22: Merkmale und Ausprägungen von Produktionsprogrammen......... 49
Abbildung 2-23: Ausprägungen des Bedarfsverlaufs in Anlehnung an [SSB14,
S. 71] .............................................................................................. 52