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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 474

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Montage, Fügetechnik

Fügeverfahren für die marktnahe Produktion

1 Einleitung

Die Auswahl geeigneter Fügeverfahren stellt vor dem Hintergrund einer verstärkt auftretenden marktnahen Produktion neue Herausforderungen dar. Der Bedarf für eine Produktion vor Ort lässt sich aus dem Trend zunehmend individualisierter Produkte und damit ständig wachsender Variantenzahlen (Bild
1) herleiten [1"3]. Produzenten aller Branchen versuchen den individuellen Kundenwunsch mit immer umfangreicheren Produktbaukästen zu befriedigen, woraus sich eine erhebliche Komplexitätssteigerung in nahezu allen Unternehmensbereichen ergibt [4]. Ein eingängiges Beispiel für die zunehmende Bedeutung individualisierter Produkte stellt die explodierende Variantenanzahl im Bereich der Automobilindustrie dar. Bereits mittelgroße Fahrzeughersteller bieten heute mehr als 100
Modellvarianten mit über 400
Länderausführungen und mehr als 1000
verschiedene Sonderausstattungen an. Ein Fahrzeug der unteren Mittelklasse wurde somit 1996 bereits in mehr als 70
Milliarden Kombinationsmöglichkeiten angeboten, von denen de facto aber nur etwa 150
000 Varianten tatsächlich nachgefragt wurden [5]. Das Angebot ist in der deutschen Automobilindustrie so groß, dass selten zwei vollkommen identische Fahrzeuge gebaut werden.Bisher waren bei Bestrebungen, die Produktion vor Ort zu verlagern, geringe Steuern und Personalkosten die dominierenden Motive. Bei der marktnahen Produktion hingegen werden die kundenspezifischen Produkte in Fabriken hergestellt, die sich in einem geographisch, politisch und emotional eng abgrenzbaren lokalen Absatzmarkt befinden. Die Eigenschaften des Produktes und der Produktion sind an die Randbedingungen des Marktes, die Wünsche des Kunden und die Forderungen, die sich aus der Anwendung des Produktes ergeben, optimal angepasst.Mit einer konventionellen Produkt- und Produktionsstruktur, die auf einer zentralen Produktentwicklung und Fertigung basiert, können die neuen Anforderungen nicht alleine beherrscht werden. Anlagen, Fabriken, fabrikübergreifende Strukturen und Abläufe müssen derart gestaltet werden, dass sie eine wirtschaftliche Produktion für einen lokalen, kleinen Absatzmarkt realisieren können. Angedacht sind hierfür "Minifabriken", worunter die kleinste selbständig funktionierende Einheit zur Güterproduktion verstanden wird.

2 Allgemeine Auswahl von Fügeverfahren

Die Individualisierung von Produkten stellt aus Sicht der Fertigungs- und Montagetechnik die Anforderung, die zunehmende Anzahl unterschiedlicher Geometrien, eingesetzter Werkstoffe und Werkstoffkombinationen bei sinkender Stückzahl der Produkttypen handhaben und verbinden zu können. Damit steigt auch die Anzahl der benötigten Fügeprozesse, da ein Verfahren alleine diese Ansprüche nicht hinreichend erfüllen kann. Für Fügeverfahren ergeben sich unter dem Gesichtspunkt der marktnahen Fertigung folgende Anforderungen:

Nach Klärung der grundsätzlichen technologischen Realisierbarkeit der Verbindung besteht die Hauptaufgabe in der Auswahl von Fügeverfahren für die marktnahe Produktion. Dabei sind besonders die zu produzierenden Stückzahlen und die jeweiligen Standortfaktoren zu berücksichtigen.Bei der Vielzahl möglicher Verbindungsarten und konstruktiver Randbedingungen ist es meist schwierig, allgemeingültige Empfehlungen zur Wahl einer bestimmten Fügetechnologie für eine konkrete Aufgabenstellung zu geben. Nach DIN
8593 können die Fügeverfahren in acht Klassen und über fünfzig Unterklassen eingeteilt werden.Die Festlegung einer geeigneten und kostengünstigen Verbindung hängt von den auftretenden Belastungen und sonstigen Betriebsverhältnissen, Sicherheitsanforderungen, Bauteilgrößen, Fügeteilwerkstoffen, Stückzahlen, gewünschten Automatisierungsgraden, Gebrauchsanforderungen sowie Designgesichtspunkten ab. Eine methodische Auswahl struktureller Verbindungen kann durch eine Verbindungssystematik und durch Konstruktionskataloge erleichtert werden, wie sie in der VDI-Richtlinie 2232 vorgeschlagen werden. Zur Unterstützung bei der Verbindungsauswahl wird eine Bewertung bezüglich funktional möglicher Verbindungsarten nach Anforderungen, die für den speziellen Anwendungsfall relevant sind, herangezogen.

3 Marktnahe Auswahl der Fügeverfahren

Insgesamt werden bei den gängigen Auswahlmethoden für die in Frage kommenden Fügeverfahren vorzugsweise technologische und wirtschaftliche Aspekte verwendet [6,
7]. Diese Vorgehensweise ist gewöhnlich auf einen bestimmten Fertigungsstandort bezogen. Für die marktnahe Produktion ergeben sich zusätzliche Randbedingungen. Als neue, mitentscheidende Einflussgrößen kommen die Standortfaktoren hinzu. Darunter werden im Rahmen der Technologieauswahl die Teilanforderungen Infrastruktur, Qualifikation der Mitarbeiter und klimatische Bedingungen verstanden.

Für die einzusetzenden Technologien müssen deshalb neue Werkzeuge, Methoden und Verfahren zur Verfügung gestellt werden, die den Aufwand zur Planung einer marktnahen Produktion und der dazu nötigen Prozesstechnik reduziert. Die bisher in der Großserie und in zentralen Fabriken eingesetzten Fügeverfahren werden von entsprechenden, für die marktnahe Produktion an verteilten Standorten angepassten Verfahren abgelöst. Ein zu entwickelnder Substitutionskalender unterstützt dabei die Auswahl geeigneter Fügetechnologien innerhalb einer bestimmten Minifabrik. Der Substitutionskalender stellt einen Technologiespeicher zur Verfügung, der als Wissensbasis alle technologisch möglichen Fügeverfahren, deren Kombinationen sowie deren Substituierbarkeit aufzeigt.

3.1 Vorgehen zur Auswahl eines Fügeverfahrens

Ein Produkt kann an verschiedenen Standorten und in unterschiedlichen Stückzahlen mit unterschiedlichen Verfahren beziehungsweise Verfahrenskombinationen hergestellt werden. Somit ergeben sich Substitutionsmöglichkeiten von Fügeverfahren. Beispielweise kann eine Fügetechnologie wie das Laserstrahlschweißen, das zur Produktion hoher Stückzahlen in großen Märkten wirtschaftlich eingesetzt wird, nicht ohne Weiteres in kleinen Märkten kostengünstig eingesetzt werden. Daher muss die jeweilige Fertigungstechnik durch ein Verfahren oder eine Verfahrenskombination ersetzt werden, welche in kleinen Märkten mit geringen Stückzahlen kostengünstig anwendbar ist. Für die marktnahe Fertigung sind dabei die vier Haupteinflussgrößen Werkstoff, Geometrie, Standort und Kostenstruktur zu berücksichtigen (Bild
2).Eine Verbindung kann prinzipiell durch Form-, Kraft- oder Stoffschluss hergestellt werden. Sollen zusätzliche Verbindungsfunktionen wie Dichtigkeit, Dämpfung, Kraft- und Drehmomentübertragung erfüllt werden, kann aufgrund der Werkstoffeigenschaften der Einsatz vieler Verfahren ausgeschlossen werden. Beispielsweise sind bei spröden Materialien umformende Fügeverfahren nicht geeignet, da die Fügepartner bei unzureichender Verformungsfähigkeit geschädigt würden. Zusätzlich muss bei einer Fügeaufgabe zwischen artgleichen und artfremden Verbindungen unterschieden werden, da das Zusammenspiel aus Werkstoffen, Verfahren und Produktgestaltung die Höhe der mechanischen Belastbarkeit bestimmt. Diese sogenannten Mischverbindungen müssen gesondert untersucht werden. Hier ist die Anzahl an geeigneten konventionellen Verfahren deutlich eingeschränkt [8,
9].Zum anderen ist die Bauteilgeometrie beziehungsweise die Ausbildung der Fügestelle ein wichtiger Faktor, da alle Verfahren konstruktive Anforderungen an die Fügestelle beinhalten. So können aufgrund der Produktkonstruktion zum einen Einschränkungen auf ein spezielles Verfahren vorgegeben sein. So lässt zum Beispiel das Widerstandspunktschweißen nur eine eingeschränkte Werkstoffdicke zu und erfordert eine beidseitige Zugänglichkeit. Zum anderen können unterschiedliche Bauteiltoleranzen auftreten, die von den jeweiligen Verfahren ausgeglichen werden müssen.Weiterhin muss bei einer Produktion vor Ort der Einfluss des Fertigungsstandorts berücksichtigt werden. Die schon eingangs beschriebenen Standortfaktoren wie die vorhandene Infrastruktur, Qualifikation des Personals oder die klimatischen Bedingungen beeinflussen die technologische Einsatzfähigkeit eines Verfahrens.Zuletzt ist das Kostenverhalten des Verfahrens zu berücksichtigen. Der stückzahlabhängige Kostenverlauf einer Fügeanwendung wird im wesentlichen durch zwei Faktoren beeinflusst:

3.2 Verfahrenssubstitution

Aus wirtschaftlichen Gründen eignen sich Verfahren für eine Substitution, wenn ihre Kostenverläufe einen Schnittpunkt aufweisen und sie sich in der Verteilung der fixen und variablen Kosten deutlich unterscheiden. Dennoch sind Anwendungsfälle denkbar, bei denen Verfahren ähnlicher Kostenstruktur aufgrund von Standortfaktoren substituiert werden, wie MIG- und WIG-Schweißen (Bild 3).Die Aspekte Werkstoff, Geometrie und Standort werden stark vom jeweiligen Anwendungsfall beeinflusst und wirken sich auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens aus. Eine Definition allgemeingültiger Substitutionsgraphen ist deshalb nur eingeschränkt möglich. Erfordert zum Beispiel ein neuer Werkstoff teurere Betriebsstoffe, steigen die variablen Kosten oder eine neue Bauteilgeometrie benötigt eine aufwendigere Handhabungstechnik, was die Fixkosten erhöht (Bild
4).Für die Darstellung der unterschiedlichen Verfahrensprofile im Hinblick auf die Substituierbarkeit müssen die Faktoren Technologie, Wirtschaftlichkeit und Standortbedingungen so gegenübergestellt werden, dass eine Bewertung hinsichtlich der jeweils geeigneten Verfahren vorgenommen werden kann. Da die Fügeverfahren bisher ausschließlich anhand technologischer und wirtschaftlicher Kriterien verglichen und bewertet wurden, bieten sich für den Umgang mit den zusätzlich hinzukommenden Standortfaktoren folgende Ansätze an:

3.2.1 Variante 1

Die Verfahren werden zunächst konventionell nach ihren technologischen und wirtschaftlichen Randbedingungen gegliedert. Daraus abgeleitet ergibt sich für jede Fügetechnik eine bestimmte Eigenschafts- und Fähigkeitskarte (Bild
5). Anschließend müssen die einzelnen Verfahren mit den Standortfaktoren verglichen und auf ihre prinzipielle Eignung hin bewertet werden. Dadurch erhält man einen Kartenkatalog für ein spezielles Verfahren mit allen denkbaren Standorten. Diese Vorgehensweise ist für eine datenbanktechnische Umsetzung sehr aufwendig, da jeder denkbare Standort untersucht werden muss und sich damit beträchtliche Datenmengen ergeben. Vorteilhaft ist die hohe Transparenz und die einfache Strukturierbarkeit der einzelnen Informationen. Eine direkte Vergleichbarkeit für den Anwender, beispielsweise nach den Gesamtkosten, ist bei dieser Darstellung nicht ableitbar.

3.2.2 Variante 2

Die Einteilung der Verfahren erfolgt nach Technik, Wirtschaftlichkeit und für das Verfahren notwendigen Standortbedingungen (Bild
6). Die Verfügbarkeit von Strom und Kühlwasser ist beispielsweise beim Laserstrahlschweißen unbedingt erforderlich. Daher werden Verfahren beispielsweise aufgrund der verfügbaren Infrastruktur eingeschränkt. Insgesamt erfolgt bei dieser Einordnung eine erhebliche Reduzierung der nötigen Informationsmenge, weil nicht jeder Standort für sich untersucht werden muss. Die auf den jeweiligen Ergebniskarten aufgeführten Randbedingungen werden nur noch mit den vorausgewählten Standorten abgeglichen. Ein Datenbanksystem ist für diesen Fall aufgrund der geringeren Informationsdichte einfacher zu gestalten. Der Anwender erhält dabei einen kompakten Überblick über die jeweiligen Randbedingungen der einzelnen Fügeverfahren. Eine erste vergleichende Gegenüberstellung der Verfahren kann so gewährleistet werden.

3.2.3 Variante 3

Bei Variante 3 werden die Verfahren ebenfalls in Technologie und Wirtschaftlichkeit eingeteilt. Die Standortfaktoren werden jedoch in wirtschaftliche Faktoren konvertiert. Das bedeutet, die einzelnen Standortfaktoren werden durch wirtschaftliche Kenngrößen ausgedrückt (Bild
7). Beispielsweise kann eine Fügetechnologie eine spezielle relative Luftfeuchte erfordern. Wenn diese Luftfeuchte aufgrund der Standortbedingungen nicht vorhanden ist, müssen Klimaanlagen eingesetzt werden. Dadurch werden bei dieser Fertigungstechnik die Investitionskosten sowie die variablen Kosten durch den laufenden Betrieb der Anlage erhöht. Abgeleitet von einem "Normal-Standort", an dem alle Randbedingungen optimal erfüllt sind, werden Kostenkennzahlen ermittelt. Die jeweiligen Standortfaktoren werden somit in direkt vergleichbare Kostenkennzahlen "umgerechnet". Durch die vorangegangene Konvertierung kann der Aufwand für eine datenbanktechnische Umsetzung niedrig gehalten werden. Es müssen nur noch die jeweiligen Kennzahlen in der Datenbank hinterlegt werden. Dagegen wird die Transparenz der Karten hinsichtlich der Einsatzbedingungen der einzelnen Verbindungstechniken deutlich vermindert.

4 Zusammenfassung und Ausblick

Zukünftig wird sich die marktnahe Produktion aufgrund der steigenden Kundenanforderungen verstärkt etablieren und die damit verbundene Planung und Fertigung in Minifabriken verlagern. Dazu ist es notwendig, neue Methoden zur Auswahl von Fügeverfahren zu entwickeln, um den Planungs- und Entwicklungsaufwand für Minifabriken und deren Produkte zu senken. Dabei sind besonders die Standortfaktoren als zusätzlich hinzukommende Einflussgrößen zu berücksichtigen. Durch die Klassifizierung der Verfahren gemäß ihrer Einsatzbedingungen und technologischen Fähigkeiten werden sich ersetzende und ergänzende Fügetechniken identifiziert und anschließend in einem Substitutionskalender zusammengefasst. Dieser unterstützt die systematische Auswahl geeigneter Fügeverfahren für die Minifabriken. Dazu muss eine effektive und effiziente Darstellungsmöglichkeit der relevanten Einflussfaktoren geschaffen werden. Die vorgestellten Varianten zur Einordnung der Verfahren wurden hinsichtlich der Kriterien Aufwand für eine datenbanktechnische Umsetzung, Transparenz und Anwendernutzen bewertet.Variante 3 eignet sich besonders gut für eine vergleichende Gegenüberstellung und wird deshalb am iwb im Rahmen von Forschungsarbeiten für die weiteren Betrachtungen zur Substituierbarkeit von Fügeverfahren herangezogen werden.

Literatur

Assembling technologies for the close to market production

Abstract As a result of the close-to-market production, new criteria arise regarding the selection of assembly technologies due to specific location factors that must be considered. Therefore, new methods and procedures have to be developed in order to reduce the identification effort for suitable joining processes within a particular mini factory. With regard to the substitution of processes the factors technology, profitability as well as local conditions have to be analyzed in order to evaluate the individual joining technology and possible combinations thereof.

Autor:
Reinhart, G.; Mosandl, T.; Gartner, J.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 474
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