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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 489

Kompletter Beitrag im pdf-Format 489.pdf

Montage, Fabrikplanung, Anlagenbau, Produktionsmanagement, Automatisierung

Richtungswechsel in der Anlagenplanung

Die Produktionsendstufe verknüpft intelligente Automatisierung mit effizienten Montagearbeitsplätzen

1 Einleitung

Das klassische Automatisierungsparadigma gerät im Zuge einer zunehmenden Flexibilisierung der Produktion an seine Grenzen. "Teure Maschinen müssen laufen!" Diese Aussage vergangener Jahre drückte die Effizienz manueller Tätigkeiten in den Hintergrund. "Produktionsmitarbeiter sind zu teuer und arbeiten fehlerhaft, wir müssen mehr automatisieren", lautete die Devise. Diese Entwicklung hat zu Maschinenkonzepten in der Produktion geführt, die nicht nur sehr teuer, sondern mit Blick auf eine Variantenherstellung, auch überaus unflexibel in der Umrüstung waren.Ein hohes Maß an Variantenproduktion kontra Produktionsautomation:: Der Beitrag beschreibt einen Weg aus diesem Dilemma am Beispiel eines Produktes aus der Elektronikindustrie. Dabei geht es weniger um eine spezielle Anlagenentwicklung, als vielmehr um ein umfassendes und durchdachtes Produktionskonzept. Dieses Konzept hat die gesamte Produktion in einen harmonischen Fluss gebracht und zusätzliche Synergieeffekte freigesetzt. Interessanterweise stand beim Antriebstechnikspezialisten Lenze in Hameln die manuelle Tätigkeit der Belegschaft im Mittelpunkt des Ansatzes. Wie können die Fähigkeiten der Mitarbeiter in Einklang mit den Anforderungen automatisierter Einrichtungen gebracht werden?

2 Paradigmenwechsel in der Produktion

Variantenreiche Serienfertigung bedeutet heute in erster Linie die Beherrschung einer steigenden Anzahl von Varianten bei sich verkürzenden Produktwechselzyklen. Die Entwicklung der Absatzzahlen lässt sich immer schwieriger abschätzen. Zudem wird es zunehmend wichtiger, als erster mit einem innovativen Produkt auf dem Markt zu sein " und dies zu einem akzeptablen Preis. Doch gerade die eingangs beschriebene Komplexität der Produktionsanlagen verursacht erhebliche Mehrkosten. Folglich steigt das Investitionsrisiko bei Neuentwicklungen.Systeme müssen bei geringen Anlagenfixkosten auch noch eine hohe Volumen- und Variantenflexibilität besitzen. Vergleichbare oder Folgeprodukte müssen mit dem selben System gefertigt werden können. Eine ausgeklügelte Materiallogistik ist daher erforderlich, um große Mengen an variantenneutralen und variantenbildenden Teilen zu managen. Die Machbarkeit eines solchen Produktionssystems scheint unmöglich!Innovative Ansätze zur Lösung dieses Dilemmas fokussieren entweder auf ein automatisiertes System oder auf die wirtschaftliche Gestaltung manueller Montageinseln. Da beide Richtungen stark divergierende Anforderungen besitzen, arbeitet in einem Montagesystem mit angepasster Automatisierung entweder der Mensch oder die Maschine ineffizient. Für die Automatisierung eines Prozesses sind einfache Handhabungsaufgaben mit vielen Wiederholungen bei kurzen Taktzeiten ideal. Der Werker hingegen erfüllt bevorzugt komplexere Aufgaben bei langen Taktzeiten. Zudem benötigt er Pausen und arbeitet vorzugsweise in Tagschichten.Handlungsrichtlinien zur Gestaltung einer flexiblen, automatisierten Montage zeigt unter anderem Westkämper auf. Er propagiert vor allem die Entwicklung von standardisierten, selbstkonfigurierenden Prozessmodulen mit intelligenten Schnittstellen [1]. Das Toyota-Produktionssystem (auch synchrone Produktion genannt) beschreibt einen sehr weit reichenden Ansatz zur Gestaltung manueller Montagesysteme auf Basis einer Vielzahl japanischer Ansätze [2]. Kernbestandteil ist die Anordnung der Arbeitsplätze in U-Form, wobei sich die Werker im U befinden und das Material vorkommissioniert von außen zugeführt wird.Ein dritter Ansatz, welcher maßgeblichen Einfluss auf die Gestaltung des hier entwickelten Systems hatte, ist die sogenannte "hochflexible Produktionsendstufe". In der Produktionsendstufe wird die klassische Trennung von Fertigung und Montage " zu Gunsten einer Unterteilung in eine variantenneutrale Produktionsvorstufe und variantenbildende Produktionsendstufe " aufgehoben. Sie beschreibt dabei die letzte Stufe der Produktentstehung. Die Produktionsendstufe ist gekennzeichnet durch die Erzeugung variantenbestimmender Produkt-Features in der Endmontage, eine durchgängige Mengen- und Variantenflexibilität sowie standardisierte, kombinierbare Module [3].

3 Die Grenzen des Altbewährten

Die neue Montagelinie sollte für ein neu entwickeltes Produkt konzipiert werden. Auf Grund nicht exakt planbarer Absatzentwicklungen sollte gleichermaßen ein bestehendes Produkt mit anderen Abmessungen und etwa der halben Montagezeit auf der selben Montagelinie gefertigt werden können. Bei dem Produkt handelt es sich um einen Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren der Firma Lenze aus Hameln, welcher in vier Baugrößen angeboten wird (Bild
1).Der Frequenzumrichter besteht im Wesentlichen aus einer Elektronikplatine, Kunststoffabdeckungen und einem Kühlkörper. Frequenzumrichter werden vorwiegend im Projektgeschäft für Automatisierungsanwendungen bei Transport- und Lagersystemen eingesetzt. In diesen voll automatisierten Systemen übernehmen sie vielfältige Steuerungs- und Regelungsaufgaben. Durch den Projektbezug unterliegen die von den Kunden benötigten Produktionsmengen und Bauformen (Leistungsklassen) starken Schwankungen in einem stetig wachsenden Markt. Aufgrund der flexiblen Vernetzungsmöglichkeiten und Variantenbildung der Produkte mit allen gängigen Bussystemen liegt das jährliche Mengenwachstum deutlich im zweistelligen Prozentbereich. Vor diesem Hintergrund wird eine Automatisierung der Montage " betriebswirtschaftlich betrachtet " als ungeeignet betrachtet.Ein Blick in die Fertigung: Nach der Montage werden die Geräte umfassenden Tests unterzogen und anschließend verpackt. Während die minimale Montagezeit nur 3,2
Minuten beträgt, kann das Durchlaufen der teuren Teststationen in Abhängigkeit der Baugröße schon mehr als 30
Minuten in Anspruch nehmen. Eine weitere Anforderung an die neue Montage resultiert aus der zunehmenden Variantenvielfalt. Das neu entwickelte Produktionssystem musste folglich den Spagat zwischen der manuellen Montage und den automatisierten Prüfeinrichtungen bei stark differierenden Zykluszeiten bewältigen. Weiterhin muss es sowohl volumen- als auch varianten- und produktwechselflexibel sein.

4 "Alle Mann ins Boot" " Die Entwicklungsphase

Die neue Anlage soll ein hohes Maß an standardisierten Elementen enthalten. Prüfmodule sind so zu gestalten, dass sie flexibel erweiterbar sind und bei rückläufigen Produktionsvolumina anderweitig verwendet werden können. Hierzu müssen die Prüfmodule die erforderliche Rechenintelligenz beinhalten und über standardisierte Schnittstellen schnell integriert werden können. Außerdem müssen sie eigenständig erkennen, welche Operationen durchzuführen sind. Als problematisch erwies sich aufgrund unterschiedlicher Bauformen die Schnittstelle zum Produkt. Abhilfe schaffte die Entwicklung eines modularen Werkstückträgers mit produktspezifischen Aufnahmen (Bild
2). Nach außen sind alle Werkstückträger mit einer normierten Schnittstelle zu den Teststationen aufgebaut.Das umfangreichste Montage-Know-how über das Produkt besitzen die Monteure. Aus diesem Grund sollte die Anlage gemeinsam von Planern und Bedienern entwickelt werden. Dieses Vorgehen war allerdings schwieriger, als gedacht. Nicht jeder sah den Wandel als erforderlich an. Aufbauend auf den Grundlagen der synchronen Produktion wie der Vermeidung von Verschwendung, U-förmige Produktion, Kommissionierung und Kanban wurden sechs Workshops durchgeführt, bis ein durchgängiges Verständnis der Aufgabenstellung erreicht wurde und sich erste Konzepte herauskristallisierten.Die neue Montagezelle sollte der Philosophie der synchronen Produktion folgen und in U-Form aufgestellt sein. Die zunehmende Variantenausprägung machte eine Vorkommissionierung der Einzelteile erforderlich. Als problematisch erwies es sich, die Takte der Prüfeinrichtungen von den manuellen Arbeitsplätzen zu entkoppeln. Um eine gleichmäßige Auslastung zu erzielen, sollte ein übersichtlicher Werkstückfluss dafür sorgen, dass jeder Werker die Bestände vor und nach den Arbeitssystemen visuell erfassen kann (Bild
3).Im Strukturkonzept sind Montage und Verpackung in einem U ohne automatisierten Werkstücktransport vorgesehen. Dies reduziert die Anlagenkosten. Ferner wird vermieden, dass Werkstücke unnötig das Transfersystem belegen. Im letzten Montageschritt wird das Gerät auf einen produktspezifischen Werkstückträger montiert und dem automatisierten Transfersystem für die Prüfeinrichtungen übergeben. Die Anzahl der Prüfeinrichtungen kann durch Verlängerung des Transfersystems verändert werden. Nach den Prüfprozessen werden die Produkte der Verpackung übergeben oder im Fehlerfall zur Reparatur ausgeschleust. Der die Reparatur durchführende Mitarbeiter muss zudem, für den Fall einer Störung, kürzeste Wege zu den Prüfeinsystemen haben. Sämtliches Material wird nach dem Kanban-Prinzip von außen bereitgestellt.

5 Verknüpft und doch ungebunden

Dem Strukturkonzept folgt die Feinplanung. Aufgrund der zu erwartenden Absatzentwicklungen ist das System zunächst für ein Kapazität von circa 100 000 Frequenzumrichtern im Jahr auszulegen. Pro Schicht sind drei Monteure und sieben Prüfautomaten mit jeweils zwei Prüfboxen erforderlich. Die Arbeitsplätze sind greifoptimiert aufgebaut. Eine modulare Bauform stellt sicher, dass die Greifwege im Falle einer Reduzierung der Kanban-Mengen oder Set-Bildung der Einzelteile weiter zu verkürzen sind. Die Monteure können an den Arbeitsplätzen rotieren. Das heißt, sie können gegen den Uhrzeigersinn alle Arbeitsstationen bedienen und so den Arbeitsablauf individuell anpassen. Aus Gründen der Qualitätssicherung und der Funktionalität wurden die Montageplätze mit computergesteuerten Schraubern bestückt, welche unter anderem die Anzahl der Schrauben und die Drehmomentverläufe registrieren.Danach wird das Werkstück in den Eingangspuffer des Transfersystems übergeben. Bei der Gestaltung der Montageanlage wurde besonders auf einen übersichtlichen Anlagenaufbau Wert gelegt, um mit einem Blick den Zustand und die Anlagenauslastung erkennen zu können. Somit überblicken die Monteure ständig ihre Arbeitsleistung im Vergleich zu den Prüfeinheiten und können für Montagepausen einen Pufferbestand aufbauen. In der ersten Ausbaustufe sind die Werker nicht voll ausgelastet. Daher können sie die Kommissionierung der Arbeitsplätze noch selber vornehmen (Bild
4).Entgegen dem Strukturkonzept (Bild
3) laufen die Werkstückträger nicht direkt in die Prüfstationen, sondern werden von einem Roboter gegriffen und umgesetzt. So wird mit Blick auf stark differierende Prüfzeiten ein Höchstmaß an Flexibilität erreicht. Die Prüfstationen sind mit "on-board-intelligence" modular aufgebaut. Steigt die Produktion, können weitere Stationen hinzugefügt und die Steuerung des Roboters angepasst werden. Ein Roboter kann bis zu zwanzig Prüfplätze bedienen. Danach müsste eine weitere Testzelle installiert werden. Die Flexibilität in der manuellen Montage erreicht Lenze über die Anzahl der Werker im System. Zudem können weitere Montagezellen aufgebaut werden, die auf das gleiche Transfersystem zugreifen.Ein ganzheitliches Konzept wie dieses kann nur erfolgreich sein, wenn es kooperativ mit allen Betroffenen entwickelt wurde. Um einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess zu ermöglichen und die Werker nicht zu überfordern, sind mehrere Entwicklungsstufen anzustreben. Hauptziel der ersten Entwicklungsstufe war es, zunächst eine Montage nach dem Prinzip der synchronen Produktion aufzubauen und auch in den stabilen, dauerhaften Betrieb zu überführen. Erst wenn das System eingeschwungen ist, sollte eine Optimierung der Materialversorgung angestrebt werden. Ziel ist eine Bestandsreduzierung durch Kanban-Steuerung. Als Vorstufe einer optimierten Supply Chain kann zunächst ein Kommissionierlager eingerichtet werden, bevor ein System zur effizienten Materialversorgung der Montage entwickelt wird. Ein weiterer Schritt hierzu wäre die Reduzierung der Bestände und Erhöhung der Flexibilität durch set-weise Materialbereitstellung [4].

6 Die Produktionsendstufe
als hochflexible Montageform

Noch einmal zusammengefasst:: Bei starren Fertigungskonzepten herrscht eine enge Kopplung zwischen Produkt und der dafür notwendigen Montageform. Diese Wechselbeziehung führt dazu, dass bei der Kalkulation neuer Gerätegenerationen immer auch die Anlageninvestition eine wesentliche Größe darstellt. Mit Blick auf den Produktlebenszyklus führen ferner unterschiedliche Produktionsmengen zu unterschiedlichen Herstellungskosten. Der Grund:: Der Anteil der Fixkosten, verursacht von der Produktionsanlage, steigt oder sinkt je nach Auslastung der Anlage. Die Auswirkungen bei den Montagekosten werden noch gravierender, wenn man den Aufwand für ungeplante Gerätevarianten im laufenden Prozess mit integriert.Im Gegensatz zu produktbezogenen Montagelinien liefert die konsequente Verfolgung eines ganzheitlichen Ansatzes eine wesentlich bessere Lösung. Das hat das Anwendungsbeispiel gezeigt. Die neu konzipierte Produktionsendstufe bei Lenze ist stückzahl- und variantenflexibel. Es lassen sich sogar Produkte unterschiedlicher Gerätegenerationen problemlos auf ihr produzieren. Die daraus resultierenden monetären Einsparungen bei Produktumstellungen erreichen Werte bis zu 90 Prozent. Somit ist das eingesetzte Investitionsvolumen, welches nahezu gleich zu dem der produktbezogenen Montagelinien ist, unabhängig von Produkten, Produktlebenszyklen und Varianten voll nutzbar.

7 Fazit

Die Einführung der hochflexiblen Produktionsendstufe hat einen notwendigen Beitrag geleistet, um bestehende und künftige Kundenanforderungen zu erfüllen. Dabei wurde das angestrebte Projektziel weit übertroffen. Ging es doch darum, die Produktvarianten bei gleichzeitiger Reduktion der Montagekosten über mehrere Produktlebenszyklen hinweg zu beherrschen.Die Montagemitarbeiter können in der ergonomisch und logistisch optimierten Arbeitsumgebung wesentlich effektiver arbeiten, als in der alten Arbeitsstruktur. Dementsprechend positiv war die Resonanz bei den beteiligten Mitarbeitern. Zudem fördert die hochflexible Produktionsendstufe die Teamarbeit und die Null-Fehler-Strategie des Unternehmens. So ist es kein Wunder, dass bereits die anderen Montagebereiche darauf drängen, auch ihre Montagearbeitsplätze umzugestalten. Dieses wird auf Basis der positiven Erfahrungen sukzessive erfolgen. Lenze ist davon überzeugt, dass die gravierende Veränderung der Montagephilosophie einen deutlichen Wettbewerbsvorteil in der Frequenzumrichtermontage nach sich ziehen wird.

Literatur

Change of direction in the planning of production systems

Abstract The article describes a new approach to the design of hybrid assembly systems. The central feature is the efficient interlinkage of manual workplaces on the principle of synchronised production with fully automated testing stations. The system was developed co-operatively with planning division and the assembly staff of a manufacturing company and was put into serial production in March 2001.

Autor:
Wiendahl, H.-P.; Röhrig, M.; Behme, U.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 489
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