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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 479

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Montage, Produktentwicklung, Produktionsmanagement

Modulare Produkte - Modulare Montage

1 Einleitung

Aus der Tatsache, dass die Lebensdauer der Produkte weit kürzer als die der Produktionseinrichtungen ist, könnte man den Schluss ziehen, dass in der industriellen Produktion vielfach die Produktionssysteme nicht den Anforderungen der Produkte entsprechen und hohe Ineffizienzen durch nicht optimierte Systeme entstehen.Geht man von der Forderung "Production follows Product" aus " die Produktionssysteme müssen unmittelbar dem Produktsystem folgen " so liegt es nahe, die Konfigurierbarkeit und Umrüstbarkeit der Produktionssysteme vermehrt in den Mittelpunkt der strategischen Entwicklungen der Produktion zu rücken.Die Adaption der Produktionssysteme an Veränderungen der Produkte führt zu hohen Anlaufverlusten und Rüstkosten. Aus Untersuchungen des Autors vor vielen Jahren in der Luftfahrtindustrie ging eindeutig hervor, dass die Anlaufverluste neuer Produkte in entscheidender Weise von der schnellen Adaption der Produktionssysteme beeinflusst wurden. Anlaufverluste steigen mit der Varianz der Produkte und ihrer Komplexität ebenso, wie mit abnehmenden Stückzahlen und Losgrößen. Aufgrund einer hohen Dynamik der technischen Entwicklungen bestimmt das Management der Änderungen heute vielfach das Tagesgeschehen. Die Kosten von Änderungen an Produkten und die daraus folgende Kette der Veränderungen an Prozessen, Arbeitsabläufen, Betriebsmitteln und Produktionsanlagen steigen permanent [1]. Vielfach wird versucht durch Standardisierung, Funktionsintegration, Modularisierung und Plattformkonzepte der steigenden Variantenvielfalt zu begegnen. Eine Systematisierung der Produktvarianten auf der Basis eines modularen Systems macht es möglich, kundenspezifische Anforderungen aus Komponenten-Baureihen und standardisierten Modulen zu individuellen Produkten zu konfigurieren. Diesen Weg haben viele Unternehmen bereits erfolgreich beschritten. Sie haben so einen Weg zur Beherrschung der steigenden Komplexität und Vielfalt gefunden [2"4].Die Fertigungstechnik setzte in der Vergangenheit auf flexible Systeme, welche die Rüstkosten reduzieren und schneller auf wechselnde Produktionsaufgaben umgestellt werden können. Nur in sehr wenigen Fällen gelang es jedoch, die Fertigungs- und Montagesysteme in kurzen Zeitabständen neu zu konfigurieren, um die Systemstruktur und Technik auf Veränderungen der Auftragszusammensetzung optimal einzustellen [5,
6].Dieser Beitrag beschäftigt sich mit dem Aspekt der Modularisierung der Montage für variantenreiche Serienprodukte, die kundenspezifisch konfiguriert werden. Es soll dargestellt werden, dass es prinzipiell möglich ist, durch die Modularisierung der Montage eine hohe Flexibilität zu erreichen.

2 Vom kundenspezifischen Produkt
zum modularen Produkt

In vielen Unternehmen des Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbaus werden die zu liefernden Produkte nach den Wünschen der Kunden ausgelegt. Der Ablauf von der Kundenanfrage bis zum Auftrag enthält in diesem Bereich häufig nicht nur eine Planung des technischen Konzeptes auf der Basis eines definierten Produktprogramms, sondern auch eine spezifische Auslegung der Ausrüstung und des Funktionsumfanges sowie vielfach auch konstruktive Anpassungen an die jeweiligen Einsatzbedingungen. In Untersuchungen im kundenspezifischen Fahrzeugbau konnten wir feststellen, dass für diese Prozesse oftmals mehr Zeit benötigt wurde, als für die nachfolgende Fertigung und Montage [7,
8].Aufgrund der hohen Anteile kundenspezifischer Wünsche, die im Detail sogar erst in sehr späten Phasen korrigiert und definiert wurden, entstand in der Fertigung und Montage eine hohe Planungs- und Dispositionsunsicherheit, welche Anlass für Lieferengpässe von Fremdfertigungsteilen und beigestellten Teilen war. Vor allem zeigten sich technische Probleme erst in der Montage bei der Integration der Systeme [1].Bild
1 stellt den in den meisten Unternehmen praktizierten Ablauf von der Kundenanfrage bis zur Auslieferung und Inbetriebnahme der Produkte und Anlagen dar. Dieser Ablauf kann durch eine Modularisierung und Verwendung von Funktionsbaugruppen mit definierten mechanischen, elektrischen und elektronischen Schnittstellen, die eine spezifische Konfiguration der Produkte zulassen, erheblich verbessert werden.Die konsequente Modularisierung setzt eine Systematisierung der Strukturen der Produkte im Hinblick auf die gesamte Bandbreite möglicher Anwendungsfelder und Kundenanforderungen voraus. Die Strukturierung der Produkte sollte dabei vor allem dem Aspekt Rechnung tragen, dass einzelne Module ohne spezifische technische Anpassung der Schnittstellen montiert werden können. Unterschiedliche Funktionseigenschaften der Module und Leistungsbereiche können in Baureihen der Module durch eine Klassenbildung erreicht werden.Das Bild
2 zeigt in sehr vereinfachter Form den Aufbau der Strukturen von Produktgruppen mit einer gestuften Varianz von Funktionsbaugruppen, Modulbaugruppen und Komponenten. Bei komplexen technischen Produkten können viele Stufen der Produktstruktur entstehen, für die heute mehrere Unternehmen verantwortlich sind. Hier liegt ein entscheidender Punkt in der Abgrenzung der Verantwortlichkeiten für Entwicklung, Konstruktion und Fertigung. Bei mechanischen Baugruppen lassen sich die Funktionen und die Toleranzen durch die Konstruktion eindeutig definieren. In dem Maße, in dem einzelne Module aber erst durch ihr Zusammenwirken ihre Funktion vollständig erhalten, verschwimmen die Verantwortlichkeiten und verlagern sich auf die jeweils höhere Stufe in der Produktstruktur. Dies trifft vor allem für technische Systeme zu, welche komponentenübergreifend sind, beispielsweise die Medienversorgung in Form der Kabel für die Stromversorgung und viele andere.In Untersuchungen über die Effizienzverläufe beim Anlauf neuer Serien haben wir festgestellt, dass die Fehlerquoten in den unteren Stufen der Produktstrukturen vergleichsweise niedrig waren. Bei der Integration durchgehender Systeme wie Bremssysteme, Kommunikationssysteme und Steuerungssysteme traten hohe Fehlerraten auf. Deren Ursache lag vor allem in den fehlenden Toleranzen sowie in der technischen Abstimmung der durchgehenden Systemfunktionen [1]. Der Luftfahrtbereich legt bei seiner Arbeitsteilung deshalb nicht nur ein modulares System zugrunde, sondern definiert darüber hinaus auch noch die Grade der Verantwortlichkeit für die Systeme.Geht man von dem Prinzip aus, dass sich Module komplett bis zu einem einbaufähigen Zustand vorfertigen lassen, dann muss eine Systemtechnik zur Strukturierung der Produkte zugrunde gelegt werden. Da unsere modernen Produkte in immer stärkerem Maße dezentrale und informationstechnisch gekoppelte Elemente (Aktoren, Sensoren, Embedded Systems) enthalten, liegt es nahe, einzelnen Modulen eine hohe Autonomie durch die Integration der informationstechnischen Systeme zu geben. Dabei werden die Schnittstellen und überlagerten Systeme so ausgelegt, dass ein "plug and play" der Module ohne zusätzliche Einstellungen in der Endmontage möglich wird. Dieses Prinzip setzt die Standardisierung der mechanischen und elektronischen Schnittstellen und die Tolerierung zwingend voraus. Sie erleichtert andererseits die kundenspezifische Konfiguration der Produkte und Reduzierung des technischen Klärungsbedarfs in frühen Phasen.Zur Konfiguration technischer Produkte lassen sich heute EDV-gestützte Werkzeuge einsetzen. Sie basieren auf einer Objektstruktur der einzelnen Komponenten, die in Form von CAD-Modellen und Bausteinbibliotheken zur Verfügung stehen. Intelligentere Systeme beinhalten auch Regeln und Prüfroutinen der Vollständigkeit, Kombinierbarkeit und technischen Verträglichkeit, ebenso wie Daten zur Bestimmung der Leistung und der Kosten sowie Preise.

3 Anwendung der Modultechnik zur
Konfiguration von Montagesystemen

Montagesysteme sind komplexe technische Produkte, die sich im Grundsatz nach der zuvor beschriebenen Systematik modularisieren und konfigurieren lassen. Einige Hersteller von Montagesystemen bieten komplette Baukastensysteme mit einer großen Vielfalt standardisierter Komponenten an, mit denen sich Montagesysteme sehr schnell planen lassen. Diese Systeme können wirksam mit Simulationssystemen verknüpft werden, um das Systemverhalten in Bezug auf die Auslegung logistischer Elemente (Lager, Transport, Puffer) sowie manueller Tätigkeiten bereits in der Planung zu analysieren [4,
5,
9"11].Im Hinblick auf die immer schnelleren Veränderungen der Produktionsaufgaben und die Tatsache, dass die Lebensdauer der Produkte niedriger ist, als die der Montagesysteme, muss ein zweiter Ansatz verfolgt werden. Die Konzeption und der Ablauf der Montagen wird hierbei kontinuierlich angepasst, um Anläufe neuer Produkte durch Rekonfiguration der Montagesysteme drastisch zu beschleunigen und die Konfiguration auf die kurzfristige Belastungssituation abzustimmen.Im Grundsatz gibt es mehrere Strategien zur Anpassung der Montage variantenreicher Serienprodukte an sich verändernde Montageaufgaben, wie Bild
3 zeigt. Solange die Montageaufgaben in Vorgängen und Ablauf ähnlich bleiben, können die flexiblen Systeme durch Austausch der Werkzeuge und Programme an Veränderungen angepasst werden. Viele Unternehmen setzen als flexibles Element Handarbeitsplätze in Verbindung mit hochautomatisierten Stationen als "Hybride Montagesysteme" ein. Diese Technik eignet sich für Montagen von Produkten, welche in einem Gewichtsbereich liegen, der von Menschen und Handhabungsgeräten als beherrschbar eingestuft werden kann. Derartige Konzepte gelten heute als Stand der Technik.Ist es aber das Ziel, Montagesysteme permanent und kontinuierlich an die jeweiligen Aufgabenstellungen und Auftragssituationen anzupassen, damit sie auch unter turbulenten Bedingungen stets am optimalen Betriebspunkt arbeiten, so müssen sie permanent in ihrer Struktur verändert werden. Grundlage einer derartigen Strategie ist eine systemtechnische Struktur, deren Elemente teilautonome Leistungseinheiten oder Module sind, die flexibel konfiguriert werden und deren Anordnung variabel ist.Die Struktur der Montage folgt in der Regel der Struktur der Produkte. Eine Modularisierung der Produkte schlägt sich deshalb auch in einer Modularisierung der Montage nieder (Bild
4). Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Montageabschnitte so zu gliedern, dass am Ende des jeweiligen Abschnitts geprüfte und einbaufähige Baugruppen entstehen, die ohne weitere Nacharbeit oder Veränderung in den nächsten Abschnitt fließen können. Hieraus entsteht das entscheidende strukturelle Kriterium für die Gliederung von Montagen in einzelne autonome Leistungseinheiten oder Montagemodule. Die Autonomie bezieht sich dabei vor allem auf die Abstimmung der einzelnen Montagetätigkeiten, die Veränderung der Arbeitshilfen und die Einstellung der Hilfsmittel. Die technische Prüfung und gegebenenfalls die Nacharbeit sind deshalb Bestandteil der teilautonomen Leistungseinheiten.In der variantenreichen Serienfertigung entstehen durch die kundenspezifische Konfiguration der zu montierenden Produkte hohe Auslastungsunterschiede vor allem bei der Montage von Baugruppen und Komponenten. Deshalb ist es das Ziel, die Anordnung der Montage-Module in der Fabrik möglichst flexibel durchzuführen. Beispiele derartiger flexibler Flächennutzungskonzepte finden sich in neu strukturierten Unternehmen des Schienenfahrzeugbaus. Sie zeigen, dass es mit diesen Konzepten möglich ist, flexibel auf stark veränderte Auftragszusammensetzungen zu reagieren.Das Grundkonzept derartiger modularer Leistungseinheiten für die Montage zeigt das Bild
5. Ein Montagesystem besteht aus mehreren autonomen Leistungseinheiten oder Zellen, die ihrerseits jeweils Module oder Komponenten montieren. Die in einer Leistungseinheit auszuführenden Montagetätigkeiten umfassen dabei alle Vorgänge zur Montage kompletter Produktkomponenten oder Module entsprechend der zuvor beschriebenen Strukturierung der Produkte. Dies führt zwangsläufig zu einer variablen Auslastung eines Montagesystems je nach kurzfristigem Auftragsbestand. Um nun eine optimale Struktur zu erreichen, müssen Wege beschritten werden, die teilautonomen Leistungseinheiten ohne Zeitverlust umzurüsten. Dies kann bei manueller Montage nach dem sogenannten A-B-Prinzip erfolgen [12].Während ein Auftrag A montiert wird, werden auf einem parallelen Arbeitsplatz das Montagesystem sowie das benötigte Material für den Auftrag B vorbereitet. Während der Arbeit am Auftrag B wird bereits für den Folgeauftrag gerüstet. Hierbei wird von einer hohen Flexibilität des Montageteams ausgegangen.Es ist heute technisch vorstellbar, Montagesystem-Konfiguratoren einzusetzen, die von der Verfügbarkeit aller momentan zur Verfügung stehender Objekte ausgehen und eine flexible Optimierung der Montage zulassen. Von besonderer Relevanz sind zweifellos Konfiguratoren für automatisierte Montagesysteme. Würde es gelingen, auch diese in einem "plug-and-produce"-Modus schnell zu verändern, so könnten völlig neuartige flexible Systeme entstehen.In einem Grundlagenforschungsprogramm am IFF der Universität Stuttgart werden in Kooperation mit dem FhG-IPA neuartige Konzepte entwickelt, welche darauf abzielen, automatisierte Montagesysteme zu rekonfigurieren und die Zeiten für die Umrüstung der technischen Systeme sowie das Einfahren und Kalibrieren von neuen Programmen zu minimieren. Zur Konfiguration werden Simulationssysteme sowie die Technik des Virtual Reality (VR) eingesetzt [13]. Bild
6 zeigt die Elemente dieses Konfigurationssystems für automatisierte Montagen.Das Konfigurationssystem beinhaltet eine Datenbank für die einzelnen technischen Komponenten des automatisierten Systems mit ihren Schnittstellen. Eine Plattform gestattet die Veränderung der Elemente durch Kombination der Roboter und Werkzeuge und unterstützt die Programmierung. Das Systemverhalten wird in VR simuliert. Um die Umsetzung möglichst realitätsnah durchzuführen wird eine online-Simulation in Verbindung mit dem realen System durchgeführt.

4 Zusammenfassung

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit Grundsatzfragen der Modularisierung von Produkten in der variantenreichen Serienfertigung und der Möglichkeit diese Prinzipien auch auf die Montage zu übertragen. Er lässt sich dabei von dem Grundgedanken leiten, dass die Struktur der Produktionssysteme der Produktstruktur folgt. Wird dieser Gedanke vor dem Hintergrund kürzerer Produktlebenszyklen und zunehmender Variantenvielfalt konsequent verfolgt, dann wird es notwendig, die Montagen schneller zu verändern als bisher. Ein Montagesystem als komplexes technisches Produkt muss deshalb häufiger als bisher verändert werden. Den Veränderungen stehen jedoch die Rüstkosten entgegen. Deshalb wird dargestellt, wie sich Umrüstkonzepte mit modularen Prinzipien in einer Systemarchitektur verbinden lassen und die Planungen durch moderne Informationssysteme unterstützt werden können.

Literatur

Modular Products

Abstract Against the background of shorter product life cycles and increasing numbers of variants it becomes necessary to flexibly design the assembly systems. The paper introduces a fast and cost-efficient concept for changeover, which bases on a modular system's architecture and is being supported by modern information systems.

Autor:
Westkämper, E.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 479
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