Die vorliegende Arbeit entwickelt auf Basis bestehender Abläufe eine neuartige Prozesskette für die Prototypenfertigung unter Berücksichtigung von Industrie 4.0 Paradigmen. Zu Beginn werden eine gemeinsame Begriffsgrundlage und Potenziale des Gestaltungsrahmens Industrie 4.0 für den Prototypenbau erarbeitet. Aufbauend auf einer Analyse von Unternehmen des Prototypenbaus und deren Strukturen sowie den zuvor erarbeiteten Grundlagen werden folgend Anforderungen an das Produkt Prototyp und die Prozesskette hergeleitet, definiert und quantifiziert. Die Entwicklung der Prozesskette für die Prototypenfertigung im Gestaltungsrahmen Industrie 4.0 findet daraufhin in einer zuvor ausgewählten Geschäftsprozessmodellierungssprache statt. Die Gedankengänge hinter der Entwicklung werden erläutert, die Besonderheiten der Prozesskette vorgestellt und eine Bewertung anhand der zuvor definierten Anforderungen vorgenommen. Abschließend wird ein Fazit mit Ausblick auf weiteren Forschungsbedarf gezogen.
Die Prozesskette demonstriert die Vereinbarkeit von Industrie 4.0 und Prototypenbau. Dabei zeigen die Vernetzung der Produktion mit dem Kunden sowie die virtuelle Produktentstehung und -optimierung das größte Potenzial hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Gesichts-punkte. Grenzen treten jedoch bei der Automatisierungsmöglichkeit von Anforderungsanalysen und Konzeptentwicklungen auf. Ebenso wird deutlich, dass sich das volle Potenzial an Effizienz- und Effektivitätssteigerungen nur bei einer Umsetzung von Industrie 4.0-Methoden entlang der gesamten Lieferkette entfaltet.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Motivation der Arbeit
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit
2. Stand der Technik und Begriffsklärung
2.1 Begriffsgrundlagen: Prozess, Prozesskette, Prozessnetz
2.2 Produktentstehungsprozess und Prototypen
2.2.1 Produktlebenszyklusmodelle
2.2.2 Prototypen als Instrument zur Produktoptimierung
2.3 Anforderungen und Requirements Engineering
2.4 Industrie 4.0
2.4.1 Fünf Paradigmen der Industrie 4.0
2.4.2 Potentiale und Chancen für den Prototypenbau
2.5 Fertigungsverfahren im Prototypenbau und der Produktentwicklung
2.5.1 Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580
2.5.2 Geeignete Verfahren für den Prototypenbau
3. Analyse des Markts für Prototypenbau
3.1 Use-Case-Diagramm der Unified Modelling Language
3.2 Beobachtbare Unternehmenskonzepte
3.2.1 Produktentwicklungsdienstleister
3.2.2 Prototypenhersteller mit Unterstützung in der Produktentwicklung
3.2.3 Fertigungsdienstleister
3.2.4 Vermittler
3.2.5 Vergleich der Konzepte
4. Anforderungsentwicklung für Produkt und Prozesskette
4.1 Produktanforderungen
4.1.1 Anforderungen an die Funktion
4.1.2 Anforderungen an die Lebensdauer
4.1.3 Anforderungen an die Entsorgung und Wiederverwertbarkeit
4.2 Prozesskettenanforderungen
4.2.1 Anforderungen an die Ökonomie
4.2.2 Anforderungen an die Ökologie
4.2.3 Anforderungen an den Datenschutz
4.2.4 Anforderungen durch den Gestaltungsrahmen Industrie 4.0
5. Konzeptionierung einer Prozesskette für die Prototypenfertigung
5.1 Prozesskettendokumentation
5.1.1 Anwendbare Modellierungssprachen
5.1.2 Vergleich und Auswahl der Modellierungsoptionen
5.1.3 Erweiterung der Modellierungssprache
5.2 Prozesskettenentwicklung
5.2.1 Grundlagen
5.2.2 Element Vermittlung
5.2.3 Element Fertigungsdienstleister
5.2.4 Element Prototypenhersteller
5.2.5 Element Produktentwicklungsdienstleister
6. Bewertung der entwickelten Prozesskette
6.1 Berücksichtigung von Produktanforderungen
6.2 Umsetzung der Prozessanforderungen
6.2.1 Ökonomische Eigenschaften
6.2.2 Ökologische Eigenschaften
6.2.3 Datenschutz
6.2.4 Industrie 4.0 Paradigmen
6.3 Prägende Anforderungen für die Prozesskettenentwicklung
7. Fazit und weiterer Forschungsbedarf
8. Literatur
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Bachelorarbeit ist die Entwicklung einer optimierten Prozesskette für die Prototypenfertigung unter Berücksichtigung moderner Industrie 4.0-Paradigmen. Forschungsleitend ist dabei die Frage, wie durch Automatisierung, Digitalisierung und eine veränderte Ablaufstruktur Medienbrüche minimiert und die Effektivität sowie Effizienz in der Prototypenentstehung gesteigert werden können, ohne die notwendige Flexibilität für individualisierte Kleinserien zu verlieren.
- Analyse und Kategorisierung bestehender Unternehmenskonzepte im Prototypenbau
- Methodische Ableitung von Anforderungen an Produkt und Prozess im Industrie 4.0-Kontext
- Modellierung einer durchgängigen, digitalisierten Prozesskette unter Verwendung von BPMN
- Bewertung des Prozessketten-Konzepts hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Kriterien
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Fünf Paradigmen der Industrie 4.0
Oft findet eine Reduktion des Begriffs Industrie 4.0 auf neuartige Technologien statt. Doch intelligente Gegenstände, Radio Frequency Identification (RFID) und Breitband-Internetzugänge existieren bereits. Die Neuartigkeit besteht in der Kombination der Technologien im industriellen Umfeld zur Erzeugung einer einheitlich agierenden Lösung. [25, S. 37] Industrie 4.0 basiert auf fünf grundlegenden Elementen, die zur Umsetzung der Potenziale notwendig sind.
Paradigma 1: Vertikale und horizontale Integration
Industrie 4.0 forciert mit der vertikalen Integration die Eingliederung unternehmensinterner Systeme in Hierarchieebenen mit Schnittstellen zum Datenaustausch. So entsteht ein durchgängiges System mit Informationsflussrichtung anhand der Rangordnung der Ebenen. Diese Vernetzung von Systemen und ihren Bestandteilen kann aber nur mit Hilfe von standardisierten und einheitlichen Schnittstellen für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation funktionieren. Sollte dies gegeben sein, so entsteht die Möglichkeit, Daten über die Produktion in Echtzeit zu sammeln, auszuwerten und zu optimieren. [25, S. 37-38]
Im Gegensatz zu den Ursprüngen der Fertigungsautomatisierung mit Computer-Integrated Manufacturing aus dem Jahr 1970, wird bei Industrie 4.0 eine Integration des Menschen über Visualisierungsmöglichkeiten wie Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) in das System Smart Factory als letzte Entscheidungsinstanz angestrebt. [25, S. 21]
Aufbauend auf der vertikalen strebt die horizontale Integration die Vernetzung der Lieferkette (Supply-Chain) vom Lieferanten über das unternehmensintern vertikal integrierte System hin zum Kunden an. Damit werden technische Prozesse in Echtzeit unternehmensübergreifend synchronisationsfähig und ein dynamisches Wertschöpfungsnetzwerk entsteht. [26, S. 9-10]
Daraus ergeben sich eine hohe und schnelle Anpassungsfähigkeit der Produktionslinie auf momentane Begebenheiten, eine Reduktion von Rüst- und eine Vermeidung von Leerlaufzeiten. Es entstehen neue Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten und bei Betrachtung der Umweltauswirkungen ein optimierter Energieverbrauch. Das Unternehmen kann zudem besser auf individuelle Kundenwünsche eingehen und so personalisierte Produkte anbieten. Mass-Customization wird damit realisierbar. [25, S. 38]
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel motiviert die Arbeit vor dem Hintergrund der zunehmenden Marktdynamik und definiert die Zielsetzung zur Entwicklung einer prozesssicheren Kette für den Prototypenbau.
2. Stand der Technik und Begriffsklärung: Hier werden zentrale Begriffe wie Prozess, Prozesskette und Industrie 4.0 eingeführt sowie der Nutzwert von Prototypen in der Produktentwicklung erläutert.
3. Analyse des Markts für Prototypenbau: Es folgt eine Untersuchung verschiedener Unternehmenskonzepte (z.B. Dienstleister, Vermittler), um Best Practices und Schwachstellen in den aktuellen Abläufen zu identifizieren.
4. Anforderungsentwicklung für Produkt und Prozesskette: In diesem Teil werden spezifische Produktanforderungen und Prozesskettenanforderungen abgeleitet, die als Bewertungsmaßstab für das neue Konzept dienen.
5. Konzeptionierung einer Prozesskette für die Prototypenfertigung: Dieses Kapitel dokumentiert die methodische Entwicklung der Prozesskette unter Einsatz der BPMN-Notation und der Integration cloudbasierter Datenmodelle.
6. Bewertung der entwickelten Prozesskette: Abschließend wird die neue Prozesskette anhand der zuvor definierten Kriterien auf ihre Praxistauglichkeit und die Erfüllung der Industrie 4.0-Paradigmen geprüft.
7. Fazit und weiterer Forschungsbedarf: Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick auf zukünftige Herausforderungen und Forschungsfelder.
Schlüsselwörter
Industrie 4.0, Prototypenbau, Prozesskette, BPMN, Anforderungsentwicklung, Digitale Fabrik, Cyber-physische Systeme, Additive Fertigung, Virtuelle Produktentstehung, Prozessmodellierung, Wirtschaftsinformatik, Innovationsmanagement, Requirements Engineering, Datenintegrität, Wertschöpfungsnetzwerk
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Herausforderung, Fertigungsprozesse im Prototypenbau durch moderne Ansätze der Industrie 4.0 effizienter, transparenter und flexibler zu gestalten.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Arbeit behandelt die Schnittstelle zwischen Produktentwicklung und Prototypenfertigung unter besonderer Einbeziehung von Digitalisierungstrends, Prozessoptimierung und modernen Modellierungsmethoden.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die Entwicklung einer durchgängigen, automatisierten Prozesskette, die durch den Einsatz von Paradigmen der Industrie 4.0 die bisherigen, oft manuellen und medienbruchbehafteten Prozesse im Prototypenbau verbessert.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Prozessabbildung verwendet?
Zur Modellierung der Prozessketten wird die "Business Process Model and Notation" (BPMN 2.0) eingesetzt, um eine präzise und ausführbare Darstellung von Informations- und Materialflüssen zu erreichen.
Was sind die wesentlichen Aspekte im Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in eine fundierte Marktanalyse existierender Dienstleister, die Ableitung eines Anforderungskatalogs für Prozessketten und die dedizierte Konzeption einer neuen, IT-unterstützten Prozesskette.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Begriffe sind der "Digitale Zwilling", die vertikale und horizontale Integration, "Rapid Prototyping", "Anforderungsmanagement" und "Smart Services".
Wie unterscheidet sich diese Arbeit von klassischen Ansätzen des Prototypenbaus?
Im Gegensatz zu isolierten oder medienbruchbehafteten manuellen Abläufen integriert dieser Ansatz den Kunden und die gesamte Wertschöpfungskette durch cloudbasierte Datenhaltung und einen "Digitalen Zwilling".
Warum spielt der "Digitale Zwilling" eine so große Rolle im Modell?
Der digitale Zwilling dient als zentrales, konsistentes Abbild des Produkts über den gesamten Lebenszyklus hinweg, wodurch eine automatisierte Fertigung und kontinuierliche Optimierung erst ermöglicht werden.
Was bedeutet das "Pay-Per-Use"-Konzept im Kontext der Arbeit?
Es beschreibt ein Geschäftsmodell, bei dem der Kunde leistungsgerecht nur für die tatsächlich genutzten Ressourcen oder erbrachten Dienstleistungen bezahlt, was die finanzielle Hemmschwelle für Innovationen senkt.
Welche Grenzen der Automatisierung sieht der Autor im Prototypenbau?
Der Autor stellt fest, dass kreative Phasen wie die initiale Anforderungsanalyse und Konzeptfindung aufgrund ihrer hohen Komplexität und notwendigen Individualität nur schwer vollständig maschinell automatisierbar sind.
- Arbeit zitieren
- Christoph Wagner (Autor:in), 2020, Analyse und Entwicklung einer Prozesskette für die Prototypenfertigung auf Grundlage von Industrie 4.0-Paradigmen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1282145
