Auswahl eines Produktionsverfahrens für ein hochinnovatives Produkt aus dem Bereich der Mikrotechnik

Rheinische Fachhochschule Köln
Studiengang: Wirtschaftsingenieurwesen
Fachbereich: Produktionstechnik
Ausführungsort: Fraunhofer Gesellschaft: Institut für Produktionstechnik
und Automatisierung IPA in Stuttgart
Diplomarbeit

Auswahl eines Produktionsverfahrens für ein
hochinnovatives Produkt aus dem Bereich der Mikrotechnik

eingereicht von:
Tilman Bauer

Sommersemester 2005

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Übersetzungen ... III

1 Einleitung  ... 1
1.1 Das Thema und die Struktur der Diplomarbeit: ... 1
1.2 Die Fraunhofer Gesellschaft:  ... 5
1.3 Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA  ... 7

2 Das Produkt Nanopage ... 10
2.1 Einleitung in die Produktentwicklung  ... 10
2.1.1 Produktinnovationsmanagement  ... 10
2.1.2 Innovations- und Technologiemanagement  ... 11
2.1.3 Produktinnovation ... 12
2.1.4 Produktinnovationsprozess  ... 14
2.1.5 Der Produktentstehungsprozess:  ... 17
2.2 Entwicklungs-Kollaborationen ... 20
2.3 Das Projekt Nanopage ... 21
2.4 The Work Package 6 – Aufgabendefinition IPA ... 23
2.4.1 Wirtschaftlichkeitsanalyse  ... 23
2.4.2 Material-Management ... 23
2.4.3 Reinraum Technologie  ... 24
2.4.4 Werkzeug Anforderungen ... 24
2.5 The Marketscreening4 – Stand der Technologien ... 25
2.5.1 CRT – Kathodenstrahlröhren-Monitor  ... 27
2.5.2 LCD - Liquid Crystal Display ... 29
2.5.3 Plasma - PDP (Plasma Display Panel Technology)  ... 31
2.5.4 OLED Technologie (Organic Light Emitting Diode)  ... 33
2.5.5 LED – Licht emittierende Diode ... 35
2.5.6 SED Technologie (Surface- conduct electronemitter display)  ... 37
2.5.7 Zusammenfassung der alternativen Darstellungs-Techniken  ... 40
2.6 Die Nanopage - Das Produkt  ... 43
2.6.1 Funktionsweise der Carbon Nanoröhrchen ... 43
2.6.2 Funktionsweise der Nanopage ... 45

3 Die Technischen Anforderungen an das Produktionsverfahren  ... 48
3.1 Einleitung  ... 48
3.2 Mikro- und Nanotechnologie  ... 49
3.3 Reinraumtechnik  ... 51
3.3.1 Integrales Reinheitssystem:  ... 53
3.3.2 Anwendung der Reinraumtechnik im Projekt  ... 56
3.4 Vorgehensweise bei der Gestaltung eines Reinraumsystems ... 59

4 Das Produktionsverfahren ... 63
Step 1 und 2 Zergliederung der Produktstruktur ... 66
Step 3 Technische Anforderungen des Produktes  ... 73
Step 4 Auswahl der Prozesse / Geräte  ... 79
Step 5 Vorgaben der Wirtschaftlichkeit  ... 85
Step 6 Feasibility-Study - Machbarkeitsstudie  ... 92
Step 7 Umsetzung und Definition verschiedener Zonen  ... 95
Step 8 Space Management  ... 103
Step 9 Gebäudestruktur und Design  ... 107
Steps 10, 11 und 12 Produktionsanlauf und Inbetriebnahme  ... 109

5 Die Wirtschaftlichkeits-Analyse ... 112
5.1 Kostenvorgaben der Projektleitung ... 112
5.2 Life-Cycle Costing ... 113

6 Zusammenfassung ... 116
6.1 Zusammenfassung und Zukunftsprognose ... 116
6.2 Danksagung ... 118

Anhang  ... 119
A Literatur-Referenzangaben ... 119
B Grafik-Quellenangaben ... 121

1 Einleitung
1.1 Das Thema und die Struktur der Diplomarbeit:

„Auswahl eines Produktionsverfahrens für ein hochinnovatives Produkt aus dem Bereich der Mikrotechnik.“

In dieser Diplomarbeit werden im Rahmen eines internationalen Projektes Prozesse, Kosten und Alternativen von Produktionsverfahren für ein mikrotechnisches Produkt¹ erarbeitet, evaluiert und ökonomisch abgewägt. Ausgangspunkt ist eine Produktinnovation aus dem Bereich der Mikrotechnik¹ mit dem Namen Nanopage, für die ein optimal an deren Anforderungen angepasstes Produktionssystem entwickelt werden soll.

Die zu behandelnde Problematik dieser Diplomarbeit besteht darin, schon während der ersten Phasen der Produktentwicklung im Laborstadium der Produktinnovation Produktionsmethoden zu analysieren und geeignete Fertigungsverfahren schrittweise zu generieren. Denn durch die frühzeitige Einbindung der Produktions- Gestaltung in den Entwicklungsprozess eröffnen sich etliche Einsparungs-Potentiale in Form von Kosten, Zeit und Aufwand.

Nachdem das Produktdesign definiert wurde, gilt es geeignete Bearbeitungs- oder Handhabungsmethoden für alle in der Produkt-Architektur befindlichen Elemente zu erarbeiten. Dabei sollen alle Aspekte der technischen Anforderungen wie zum Beispiel der Reinraum-Produktion berücksichtigt werden.

Daraus soll ein gesamtheitliches Produktionsverfahren entstehen, welches bestmöglich an die Anforderungen der Produktinnovation angepasst wurde.

Aus Darstellungsgründen sind Abbildungen nur in der Kaufversion enthalten.

Abbildung 1-1:Der herkömmliche Innovations- und Entstehungsprozess

Die vorangegangene Grafik 1-1 stellt den heutzutage noch weit verbreiteten Prozess einer Entstehung eines Produktes von der Ideenfindung bis hin zum Start der eigentlichen Fertigung dar und zeigt, dass sich die Produktionsplanung, also der Entwurf, die Gestaltung und die Entscheidung für ein Produktionssystem, recht spät im Verlauf der gesamten Produktentstehung befindet. Diese Problematik bedeutet, dass sich die Produktion an das fertig konstruierte Produkt anpassen muss und somit keine Möglichkeit zur Einflussnahme auf die Produktstruktur gegeben ist. Daraus resultiert eine kostenaufwendige Anpassung des existierenden unvorteilhaften Systems, welche durch eine rechtzeitige Berücksichtigung der Produktionsverfahren bzw. durch frühzeitige Einbindung der Systemgestaltung nicht notwendig gewesen wäre. Die Gestaltung der ökonomisch profitabelsten Fertigungsmethode muss somit während der Konzeptphase der Innovation erfolgen, um schon im frühen Entwicklungsstadium Rücksicht auf eine fertigungs- und montagegerechte Produktgestaltung zu nehmen und daraus ein wirtschaftliches Fertigungskonzept abzuleiten.

Aspekte des „simultaneous engineering²“ versuchen genau diese Problematik in Form von rechtzeitiger Berücksichtigung einer möglichen Produktionsweise zu beheben - allerdings ohne sich zu früh auf Elemente der Produktion zu fixieren. Es soll durch parallel gestaltete Prozesse in der Innovations-, Produkt- und Produktionsentwicklung sowohl zu einer Verkürzung der “time to market³" als auch zu einer Reduzierung der Entwicklungs- und Herstellkosten führen. Gleichzeitig öffnet sich der Horizont für zum Teil revolutionäre Methoden und Variationen in der Produktion. [DIS 2003]

Sobald der Produktionsentwicklungs-Prozess frühzeitige Eingriffsmöglichkeiten auf die Gestaltung der Produktstruktur und auf das Produktdesign erhält, verkürzt sich der gesamte Ablauf - von der ersten Idee bis hin zum Start der Produktion - um einen erheblichen Anteil.

Abbildung 1-2: Der verbesserte Innovations- und Entstehungsprozess unter Berücksichtigung der Produktionsentwicklung

Die Schwerpunkte dieser Diplomarbeit bestehen darin zu analysieren…

• welche Produktionstechnologien für die seriennahe Produktion eines hochtechnischen Produktes, in Bezug auf dessen Produktionsanforderungen wie zum Beispiel der Reinraum-Technologie, in Frage kommen.
• welche Produktionsverfahren anhand der Wirtschaftlichkeits-Analyse in Abhängigkeit der geplanten Absatzmengen und anderer Kriterien realisierbar sind.
• welche Produktionsverfahren schon im Labor-Stadium der Produktentwicklung auszuschließen sind und zuletzt
• welchen Einfluss die Produktionssystemgestaltung in Korrelation mit der Produktgestaltung auf die Entwicklungszeit hat.

Das folgende Kapitel beschließt die Einleitung mit einem kurzen Überblick über den Arbeitgeber: Die Fraunhofer Gesellschaft und das Institut IPA mit dessen Aufgabengebieten und Forschungsfeldern.

[...]

1 mikrotechnische Produkte / Mikrotechnologie sind Produkte, die aus Elementen oder Einzelteilen im Mikro- oder Nanogrößenbereich bestehen - hauptsächlich in der Halbleiter- oder Elektronik-Industrie.

2 simultaneous engineering bezeichnet eine Vorgehensweise in der Technischen Entwicklung. Damit sollen die Entwicklungszeit eines neuen Produktes verkürzt und Kosten reduziert werden. Grundgedanke des Verfahrens ist die zeitliche Überlappung von eigentlich nacheinander folgenden Arbeitsabläufen

3 time to market ist die Reaktionszeit oder die Zeit, die ein Unternehmen benötigt, ein vom Verbraucher gefordertes/