Aktuelle Ansätze zur wissensbasierten Planung von Produktionssystemen aus Forschung und Praxis

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Motivation und Zielsetzung
1.2 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Theoretische Grundlagen der Produktionssystemplanung
2.1.1 Definition des Begriffs “Produktionssystem”
2.1.2 Planungprozess von Produktionssystemen
2.1.3 Einordnung der Arbeit in die Bereiche Fabrikplanung und Arbeitsplanung...
2.2 Theoretische Grundlagen des Wissensmanagements im Kontext der Produktion
2.2.1 Einsatz von Wissensmanagement im Kontext der Produktion
2.2.2 Definition Wissensmanagement nach ISO 9001
2.2.3 Anforderungen an ein Wissensmanagement im Rahmen der Produktionssystemplanung

3 Vorstellung und Bewertung aktueller Ansätze zur wissensbasierten Produktionssystemplanung
3.1 Aktuelle Ansätze zur wissensbasierten Produktionssystemplanung
3.1.1 Modulare, rekonfigurierbare Produktionssysteme
3.1.2 Web-basierte Fabrikautomatisierungs-Plattformen
3.1.3 Wissenbasierte Modellierung durch semantische Wissendatenbanken
3.1.4 Digitale Fabrikplanung bzw. digitale Produktionssystemplanung
3.2 Bewertung & Handlungsbedarf der vorgestellten Ansätze

4 Neuer Ansatz für eine wissensbasierten Produktionssystemplanung durch Integration vorhandener Ansätze

5 Fazit
5.1 Zusammenfassung
5.2 Ausblick

6 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1 Schalenmodell der Fertigung (Eversheim and Schuh, 1996)

Abb. 3 Planungsphasen der Fabrikplanung (Lanza, 2019)

Abb. 4 Rahmenaktivitäten des Wissensmanagements nach ISO 9000:2015-11

Abb. 5 Aufbau eines beispielhaften rekonfigurierbaren Produktionssystems nach Hees (2016)

Abb. 6 Konzeption von Produktionssystemen durch I4TP-Plattform nach (Lanza, Fleischer, Gönnheimer, Kimmig, Ehrmann et al., 2019)

Abb. 7 Universales Referenzmodell zur wissenbasierten Fabrikmodellierung nach (Schady, 2008)

Abb. 8 Ontologie der Wissensdatenbank nach (Harms, 2010)

Abb. 9 Ausschnitt einer 2D-Entwurfsplanung mit der Autodesk Factory Design Suite (Autodesk Factory Design Suite)

Abb. 10 Simulation eines Materialflusses mit visTABLE® (Riedel, 2019)

Abb. 11 Neuer Ansatz einer wissensbasierten Produktionssystemplanung

1 Einleitung

1.1 Motivation und Zielsetzung

Der Trend zu kürzer werdenden Produktlebenszyklen und steigender Individualisierung von Produktionsgütern bis zur Losgröße 1 erfordern eine einfache und schnelle Konzeption und Inbetriebnahme von Produktionssystemen bei niedrigen Kosten. Dies setzt effiziente Planungsprozesse voraus, wie die Halbierung der Planungszeit in den letzten zwanzig Jahren bei der Neuplanung von Fabriken gezeigt hat (Westkämper et al., 2013). Gleichzeitig nimmt die Komplexität von Einzelmaschinen und Komponenten und damit ganzer Produktionssysteme zu. Dies führt zu großen Herausforderungen für eine schnelle und einfache Konzeption und Inbetriebnahme. Die hohe Zahl komplexer Einzelmaschinen und Komponenten verschiedenster Hersteller führt jedoch zu großen Herausforderungen für eine schnelle und einfache Konzeption und Inbetriebnahme. Gründe sind unter anderem unterschiedliche Schnittstellen von Komponenten zum Aufbau ganzer Produktionssysteme, aber auch geringe Wiederverwendung von vorhandenem Planungswissen und existierenden Planungsdaten und -modellen. Dabei stellt der Einsatz von Wissensmanagement in der Planung von Produktionssystemen ein großes Potential zur Optimierung und Beschleunigung des gesamten Planungprozesses dar. Gerade der Einsatz von Werkzeugen und Methoden zur wissensbasierten Produktionssystemplanung bietet erfolgversprechende Ansatzpunkte zur Steigerung der Planungseffizienz und Realisierungsdauer von Produkten und Produktionssystemen.

1.2 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit

Zielsetzung dieser Arbeit ist es, auf Basis einer Literaturrecherche, einen aktuellen Überblick über aktuelle Methoden und Ansätze der wissenbasierten Planung von Produktionssystemen zu geben. Dabei soll der Fokus auf der Art und Weise der Wiederverwendung von Wissen und Planungsdaten liegen.

Dazu wird in Kapitel 2 zunächst auf die Grundlagen der Produktionssystemplanung und des Wissensmanagements im Kontext der Produktion eingegangen. Daraufhin werden in Kapitel 3 aktuelle Ansätze zur wissensbasierten Produktionssystemplanung erläutert und bewertet. Ergänzt wird dies durch ein ein selbstentwickeltes Konzept in Kapitel 4. Abgeschlossen wird die Seminararbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick in Kapitel 5.

2 Grundlagen

2.1 Theoretische Grundlagen der Produktionssystemplanung

2.1.1 Definition des Begriffs “Produktionssystem”

Westkämper and Löffler (2016) beschreibt die Produktion als Prozess, bei dem natürliche Ressourcen zu höherwertigen Produkten transformiert werden. Ein Produktionssystem ist das dazugehörige System in Form eines einer Fabrik, eines Produktionssystems oder einer Produktionslinie (Dyckhoff, 1994; Günther and Tempelmeier, 2012). Produktionssyteme werden in Fertigungs- und Montagesysteme unterteilt. Unter einem Fertigungssystem versteht man eine Anordnung von mehreren Maschinen zur Fertigung eines Werkstücks (Gienke, 2007). Die verschiedenen Stufen der Fertigung werden in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Schalenmodell der Fertigung (Eversheim and Schuh, 1996)

Unter Montagesystemen versteht man eine Anordnung von technischen Einrichtungen zum Zusammenbau von Baugruppen und Fertigprodukten (Severin, 1982). Ziel der Montage ist der Zusammenbau von gefertigten Einzelteile zu Baugruppen oder Produkten (REFA, 1993).

2.1.2 Planungprozess von Produktionssystemen

Aufgabe der Produktionsplanung ist die zunehmende Konkretisierung der Gestaltung der Technologie- und Logistikprozesse sowie der Produktionseinrichtungen und deren Anordnung unter Berücksichtigung der Material-, Energie- und Kommunikationsflüsse (Wiendahl, 2014). Dabei ist der Prozess zur Planung von neuen Systemen und zur Änderung bestehender Systeme identisch.

Der Standardplanungsprozess von Produktionssystemen besteht nach Wiendahl (2014) aus 4 Hauptprozessen:

1. Datenerhebung und -analyse: Produkte, Betriebsmittel und Produktionsabläufe werden aus technologischer Sicht analysiert.
2. Strukturdesign: Hier werden mehrere Varianten eines Produktionssystems erzeugt, die danach mit Flächen, Betriebsmitteln, Mitarbeitern, usw. ausgeplant werden.
3. Layoutgestaltung: Zunächst werden die identifizierten Strukturelemente in einem Groblayout räumlich angeordnet. Danach wird daraus, unter Berücksichtigung von Restriktionen und Vorgaben, das Feinlayout der Produktionssysteme abgeleitet.
4. Umsetzung: Das entwickelte Planungskonzept wird umgesetzt.

Ziel des Planungsprozesses ist die Konfiguration einer Anlage, die eine möglichst hohe technische Verfügbarkeit aufweist, minimale Kosten verursacht und möglichst wenig Platz und Personal beansprucht (Markus Brandmeier, 2019).

2.1.3 Einordnung der Arbeit in die Bereiche Fabrikplanung und Arbeitsplanung

Exkurs Fabrikplanung

Die Planung von Produktionssystemen ist einer von zwei Grundbausteinen der Fabrikplanung (Abb. 2). Der zweite Grundbaustein ist die Objektplanung nach HOAI, deren Aufgabe die Erarbeitung und Realisierung eines Planungskonzepts für das Gebäude ist (HHH GbR, 2021).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Planungsphasen der Fabrikplanung (Lanza, 2019)

Exkurs Arbeitsplanung

Die Arbeitsplanung legt fest, aus welchem Material, mit welchen Verfahren und Fertigungsmitteln und in welcher Zeit ein Produkt herzustellen ist. Ziel ist die langfristige Produktionsmittelgestaltung mit dem Ziel einer wirtschaftliche Gestaltung von Fertigung und Montage (Eversheim, 2002; Wiendahl and Denner, 2020).

Einordnung der Arbeit in die Bereiche Fabrikplanung und Arbeitsplanung

Die Planung von Produktionssystemen stimmt mit dem Planungsprozess zur Fabrikplanung überein. Bei der Fabrikplanung kommen jedoch noch weitere Prozese durch die Objektplanung nach HOAI hinzu. Außerdem geht es bei der Fabrikplanung um die Planung aller Produktionssysteme in der Fabrik und nicht um die Planung eines spezifischen Produktionssystems. Zusätzlich sind Teilaspekte der Arbeitsplanung relevant. So geht es bei der Planung von Produktionssystemen auch darum festzulegen mit welchen Verfahren und Fertigungsmitteln und in welcher Fertigunsgreihenfolge ein Produkt herzustellen ist.

2.2 Theoretische Grundlagen des Wissensmanagements im Kontext der Produktion

2.2.1 Einsatz von Wissensmanagement im Kontext der Produktion

Bei der Planung von Produktionssystemen fallen viele Daten und Erfahrungswissen an, das für das Wissenmanagement genutzt werden kann. In der Montageplanung sind, als etablierte Anwendungsgebiete wissensbasierter Systeme, vor allem die Planung und Simulation von Fertigungsprozessen zu nennen (Brandmeier, 2019). In der Produktionsplanung und Fabrikautomatisierung spielt Wissensmanagement bei der Erfassung, Auswertung und Bereitstellung von anwendungsspezifischem Wissen eine entscheidende Rolle (Michl, 2014). Ziele von Wissenmanagement in der Produktion sind die Deckung der Marktnachfrage und die Erhaltung der Wettbewerbsfähigkeit. Insbesondere im Kontext von Industrie 4.0 stieg die Bedeutung von Wissensmanagement in den letzten Jahren (VDI/VDE-GESELLSCHAFT, 2015).

2.2.2 Definition Wissensmanagement nach ISO 9001

Die in der Industrie verbreitete Norm ISO 9001:2015 für Qualitätsmanagement definiert ein Unternehmen als lernenden Organismus, der sich sämtliches Wissen aneignen muss, das zur Erfüllung der Kundenanforderungen oder der Anforderungen anderer Stakeholder notwendig ist (North, 2016). Des Weiteren wird Wissensmanagament als kontinuierlicher Prozess gesehen. Bestehend aus den Prozessen: Benötigtes Wissen bestimmen, vorhandenes Wissen betrachten, benötigtes Wissen erlangen, Wissen vermitteln und verfügbar machen sowie Wissen aufrecht erhalten (Abb. 3). Die Art und Weise der Umsetzung wird jedoch offen gelassen (DIN ISO 9000).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 Rahmenaktivitäten des Wissensmanagements nach ISO 9000:2015-11

2.2.3 Anforderungen an ein Wissensmanagement im Rahmen der Produktionssystemplanung

Die Anforderungen an ein Wissensmanagement im Rahmen der Produktionssystemplanung können in formale, technische und produktionsbezogene Anforderungen unterteilt werden. Unter formalen Anforderungen sind nach Bauer (2014a), Bullinger et al. (2009), Haasis (2001) und Meling (2012) anwendungsunabhängige, Kriterien wie z.B. geringer Zeit- und Ressourcenaufwand oder Möglichkeiten zur Wiederverwendung zu verstehen. Technische Anforderungen sollen sicherstellen, dass das Wissensmanagement durch entsprechende IT-Werkzeuge optimal unterstützt wird. Dazu zählen nach Lorenz (2010) unter anderem Funktionssicherheit, sowie Daten-, Funktions- und Softwareintegration. Aus produktionstechnischer Sicht sind wirtschaftliche und flexible Produktionssysteme erforderlich, die es erlauben schnell auf Produktänderungen zu reagieren (Kletti et al., 2015). Hinzu kommen Berücksichtigung von Gesetzen, Richtlinien (z.B. ISO 9001) und Normen (Haasis, 2001).

3 Vorstellung und Bewertung aktueller Ansätze zur wissensbasierten Produktionssystemplanung

Im Rahmen einer Literaturrecherche wurden vier verschiede Ansätze zur Produktionssystemplanung identifiziert: Modulare, rekonfigurierbare Produktions systeme, web-basierte Fabrikautomatisierungs-Plattformen, wissenbasierte Modellierung durch Nutzung von Ontologien und digitale Fabrikplanung. Diese werden im Folgenden im Detail vorgestellt und in 3.2 bewertet.

3.1 Aktuelle Ansätze zur wissensbasierten Produktionssystemplanung

3.1.1 Modulare, rekonfigurierbare Produktionssysteme

Absatz- und Variantenschwankungen werden bereits von flexiblen Produktionssystemen berücksichtigt. Jedoch kann es bei zu starkem Fokus auf die Flexibilität häufig zu einer niedrigen Produktionsrate und geringe Rentabilität der Investitionen kommen (Mehrabi et al., 2002; Zhang et al., 2010). Daher wurde in den 90er Jahren das Konzept Rekonfigurierbarer Manufacturing Systeme (RMS) eingeführt, das eine hohe Produktionsrate und Anpassungsfähigkeit der flexiblen Fertigungssysteme kombiniert (Heger, 2007; Nyhuis et al., 2010; Schenk and Wirth, 2004).

RMS sind Produktionssysteme, die sich schnell und kosteneffizient in ihrer Struktur an veränderte Produktionskapazitäten und wechselnde zu fertigende Produkte anzupassen (Abel, 2016; Andersen et al., 2017; Bullinger et al., 2009, 2009; Koren et al., 2018, 2018). Der Aufbau eines beispielhaften RMS wird in Abb. 4 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 Aufbau eines beispielhaften rekonfigurierbaren Produktionssystems nach Hees (2016)

Vorstellung und Bewertung aktueller Ansätze zur wissensbasierten Produktionssystemplanung 7

Bereits vorhandene Produktionssysteme können durch den Austausch einzelner Module an veränderte Anforderungen angepasst werden. Aus einer Wissenbasis mit mechatronischen Systemmodulen, können diese, basierend auf abgelegten Richtlinien, Regeln, Normen und vorhandenem Wissen zu Produktionssystemen kombiniert werden (Blumöhr et al., 2013; Hees, 2016).

Um dies möglich zu machen, arbeiten RMS mit standardisierten Modulschnittstellen in Energie-, Material- und Informationsflüssen (Hees, 2016) und besitzen anpassbare oder austauschbare Hardware- und Softwarekomponenten (Abel, 2016; Bullinger et al., 2009).

3.1.2 Web-basierte Fabrikautomatisierungs-Plattformen

Web-basierte Fabrikautomatisierungs-Plattformen ermöglichen die Planung von schlüsselfertigen Produktionssystemen sowie die Vernetzung von Kunden, Herstellern und Lieferanten auf einer web-basierten Plattform, die durch Wissensmanagementsysteme unterstützt wird (Lohse et al., 2004). Dazu bieten die Plattformen viele Schnittstellen, Methoden, Rollen- und Zusammenarbeitsmodelle, Validierungsmöglichkeiten und arbeiten hauptsächlich mit verbreiteten Standards (Lanza, Fleischer, Gönnheimer, Kimmig, Ehrmann et al., 2019; Lanza, Fleischer, Gönnheimer, Kimmig, Mandel et al., 2019; Lohse et al., 2004)

Bisher gibt es nur 2 Ansätze (Stand: 01/2021) für web-basierte FabrikautomatisierungsPlattformen.

1. Deutsch-Chinesische Industrie 4.0 Fabrikautomatisierungsplattform (I4TP): Entwickelt von Lanza, Fleischer, Gönnheimer, Kimmig, Ehrmann et al. (2019)
2. Web-enabled assembly system design framework: Entwickelt von Lohse et al. (2004)

Beide Ansätze wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes entwickelt und an realen Use-Cases getestet, jedoch noch nicht außerhalb der Forschung eingesetzt.

Deutsch-Chinesische Industrie 4.0 Fabrikautomatisierungs-Plattform (I4TP)

Ziel der I4TP-Plattform ist die Konfigurierung schlüsselfertiger Produktionssysteme basierend auf einem konkreten zu erstellenden Produkt. Dies geschieht in einem mehrstufigen Prozess wie er in Abb. 5 dargestellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5 Konzeption von Produktionssystemen durch I4TP-Plattform nach (Lanza, Fleischer, Gönnheimer, Kimmig, Ehrmann et al., 2019)

Ausgangspunkt ist ein spezifisches zu erstellendes Produkt. In der ersten Stufe werden im Feature Extractor sowohl Spezifikationen der zur Verfügung stehenden Maschinen als auch die Spezifikationen des Produkts extrahiert und in eine standardisierte Datenstruktur überführt. Dabei werden auch Fertigungsinformationen berücksichtigt. In Stufe 2 werden im Turnkey Configurator die extrahierten Produkt-und Maschinen Features miteinander abgeglichen und geeignete Produktionssyteme und deren Verknüpfungsreihenfolge abgeleitet. Im Turnkey Builder werden in der dritten Stufe, basierend auf den ausgewählten Produktionsmodulen, automatisiert Steuerungsprogramme und steuerungstechnische Anbindungen der Maschinen nach Plug and Play Prinzipien generiert.

Web-enabled assembly system design framework

Die Vorgehensweise zur Entwicklung von Produktionssystemen nach Lohse et al. (2004) umfasst vier Schritte: Zuerst müssen die Produktspezifikationen vorliegen. Basierend darauf werden im zweiten Schritt erforderliche Prozesspläne abgeleitet und im dritten Schritt zu verschiedenen Systemalternativen zusammengefasst. Zuletzt werden die erarbeiteten Systemalternativen bewertet und ein Konzept ausgewählt.

Alle Schritte des Entwurfsprozesses werden durch automatisierte Computerprogramme unterstützt, die Entscheidungsschnittstellen und -unterstützung bereitstellen. Zusätzlich werden Daten und Wissen aus verschiedenen Datenbanken (z.B. alte Konfigurationen), Wissenmanagementsystemen (Prozess-und Planungswissen), Simulationen und Modelle, sowie aus Anwendungen von Drittanbietern zur Verfügung gestellt.

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