Methodisches System zur Auslegung von kostenoptimalen und prozessstabilen Fertigungsverkettungen

Willms, Holger; Klocke, Fritz

doi:2484

Methodisches System zur Auslegung von kostenoptimalen und prozessstabilen Fertigungsverkettungen = Methodical system for the design of cost-optimised and robust manufacturing chains

Willms, Holger (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Holger Willms

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

UmfangX, 111 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Klocke, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2008-07-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24847
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50233/files/Willms_Holger.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fertigungstechnik (Genormte SW) ; Produktionsplanung (Genormte SW) ; Prozesskette (Genormte SW) ; Fertigungstoleranz (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Schnittbedingungen (frei) ; Cutting Parameters (frei) ; ZSPNTF100 (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit war es nachzuweisen, dass eine optimale Festlegung der Fertigungstoleranzen entlang der Fertigungsverkettung durch eine gezielte frühzeitige, kostenoptimale und prozessstabile Fertigungsplanung erreicht werden kann. Dies erfolgte durch die Entwicklung eines Rahmensystems zur kostenoptimalen und prozessstabilen Auslegung von Fertigungsverkettungen ohne vorherige Festlegung der Fertigungstoleranzen entlang der Fertigungshistorie. Das Rahmensystem beginnt mit der Verknüpfung von konstruktiven Vorgaben mit konkreten Fertigungsprozessen. Es wurde ein neues Modell entwickelt, welches die ausgewählten Fertigungsprozesse und deren Einfluss explizit über die Definition von Produktfunktionalitäten, Werkstückeigenschaften und Werkstückmerkmalen mit den vorgegebenen Produktzwecken verbindet und anhand ihrer Wichtigkeit für die Erfüllung des Produktzweckes gewichtet. Aufbauend auf den Methoden nach Fallböhmer und Trommer wurde anhand der ausgewählten Fertigungsprozesse eine grundlegende Fertigungsverkettung generiert. Diese Fertigungsverkettung diente in den nachfolgenden Systemmodulen als Grundlage für die Erzeugung von Prozessalternativen. Die Prozessalternativen bestehen aus denselben Fertigungsprozessen, welche sich allerdings anhand ihrer Prozessparameter bzw. Stellgrößen unterscheiden. Da die Variation der Stellgrößen in den erlaubten Bandweiten zu einer sehr großen Anzahl an Prozessalternativen führt, wurde zunächst ein neues Modell zur Alternativenreduktion aufgezeigt. Dieses Modell basiert auf der Methode des „Design of Experiments“ und reduziert die vorliegenden Versuchspläne. Anhand dieser Pläne werden im Folgenden die Einflüsse der Fertigungsprozesse und deren Stellgrößen auf die Werkstückmerkmale ermittelt. Hierzu wurde erstmals eine Schnittstelle zu einem umfassenden fertigungsorientierten Technologie-Wissensmanagement-System geschaffen. Auf diese Weise können die benötigten Größen aufbauend auf bereits bestehendem Technologiewissen ermittelt werden. Dies kann anhand von Praxisversuchen, Simulationen, Expertenwissen etc. erfolgen. Da die ermittelten Größen teilweise eine Streuung aufweisen, welche einen direkten Einfluss auf die entstehenden Kosten hat, wurde diese in den weiteren Schritten erstmals explizit berücksichtigt. Anhand der resultierenden Streuungen und Werkstückzwischenzustände ist im Folgenden eine Methode zur Identifikation von Risikoprozessen vorgestellt worden. Hierunter fallen solche Fertigungsprozesse bzw. Prozessalternativen, welche anhand keiner nachvollziehbaren Gesetzmäßigkeit streuen. In diesen Fällen ist davon auszugehen, dass der Fertigungsprozess instabil läuft und keine reproduzierbaren Prozessergebnisse erzielt werden können. Ebenso fallen hierunter solche Prozessalternativen, welche zu einem nicht mehr weiter bearbeitbarem Werkstückzwischenzustand (Ausschuss) innerhalb der Fertigungshistorie führen. Die restlichen Prozessalternativen sind somit durchführbar und erzielen die konstruktiv vorgegebenen Produktanforderungen. Sie unterscheiden sich lediglich durch die entstehenden Kosten und Fertigungszeiten, weswegen im Folgenden quantitativ, anhand des Technologiewissens aus der Ermittlung der Werkstückzwischenzustände, die einzelnen Herstellkosten und Fertigungszeiten berechnet werden. Wesentlichen Einfluss auf die Kosten und Zeiten hat der erlaubte Ausschuss. Durch Festlegung einer Maximalgrenze – alternativ für den Ausschuss, die Kosten und/ oder die Fertigungszeit – erfolgt dann eine Berechnung bzw. Ermittlung der einzelnen erlaubten Toleranzen entlang der Fertigungshistorie. Das abschließende, neu entwickelte Benchmarking der Prozessalternativen erlaubt eine quantifizierte Gegenüberstellung der Alternativen unter den drei wichtigsten Auswahlkriterien Kosten, Zeiten und Ausschuss. Als Hilfsmittel wird der Einfluss der Fertigungsprozesse auf die geforderten Produktzwecke und –funktionalitäten herangezogen. Sofern vorhanden, wurde in den Modulen teilweise auf bereits existierende Modelle zurückgegriffen. Einen Einfluss auf die Entwicklung des Rahmensystems zur Auslegung von kostenoptimalen und prozessstabilen Fertigungsverkettungen hat dies nicht. Die Entwicklung von detaillierteren Modellen würde die Genauigkeit der berechneten Ergebnisse weiter steigern. Die Überprüfung des entwickelten Konzeptes erfolgte abschließend durch Realisierung in einem Software-Demonstrator und der Testung anhand eines Fallbeispiels.

Intention of this task has been to verify that an optimal definition of manufacturing tolerances along the process chain can be achieved by a selective precocious, cost-optimal and stable manufacturing planning. This was carried out by a development of a framework system for the cost-optimal and stable design of manufacturing chains without prior definition of manufacturing tolerances along the process chain. The system starts with the assignment of design specifications with concrete manufacturing processes. A new model was developed, weighting the selected manufacturing processes on basis of their influence on product functionality, work piece characteristics and product purposes. Based on the methods of Fallböhmer and Trommer a manufacturing chain was generated using the selected manufacturing processes. In the following system modules, this manufacturing chain was used as basis for the creation of process alternatives. The process alternatives insist of the same manufacturing processes, which however differ in their parameters and actuating variables. Since the variation of the actuating variables within the allowed spread results in a huge quantity of process alternatives, initially a new model for the alternative reduction was developed. This model is based on the methodology for design of experiments and reduces the existing testing plans. By means of the testing plans, the influences of the manufacturing processes and their parameters on the work piece characteristics were determined. Therefore, an interface to a comprehensive manufacturing-orientated technology knowledgemanagement system was created by the first time. In this manner, the required criteria can be calculated on basis of existing technology knowledge. This can be achieved by practical tests, simulations and expert knowledge. As the determined criteria partially show variances which have direct influence on the resulting cost, the variances were considered in the next steps for the first time. Based on the resulting variances and work piece intermediate conditions, in the following a method for the identification of risky processes was presented. Hereunder those manufacturing processes are meant, which disperse without any mathematical law. In that case, an instable process can be assumed and reproducible process results can not be achieved. Similarly, processes resulting in work piece scrap are rejected. The remaining process alternatives are realisable and achieve the given design specifications. They merely differ in their cost and manufacturing times. For this reason, the manufacturing cost and times are being calculated on basis of technology knowledge and the work piece intermediate conditions. The allowed scrap has an essential influence on the cost and times. By defining a limit – alternatively for the scrap, the cost and/ or the times – a calculation of the allowed manufacturing tolerances along the process chain is performed. Finally, the new developed benchmarking of the process alternatives allows a quantitative comparison of the alternatives regarding the criteria cost, time and scrap. As support, the influence of the manufacturing process on the required product objectives and functionalities is being used. Where exists, sometimes already existing methods were used in the modules. This did not affect the development of the framework system for cost-optimal and stable design of process chains. The design of better methods would result in an increased accuracy of the calculated results. Concluding the review of the developed concept has been carried out by implementation within a software-demonstrator and tested by means of a case study.

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