Zukunftsorientierte wirtschaftliche Planung neuer Fertigungsverfahren unter Berücksichtigung der Fertigungsfolge am Beispiel des SLM-Verfahrens

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen

1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Begriffsdefinitionen
2.2 Einführung in das Technologiemanagement
2.2.1 Technologiestrategie
2.2.2 Technologiemanagement
2.3 Bewertungsmethoden in der Technologieplanung
2.3.1 Reifebezogene Ansätze
2.3.2 Wirtschaftliche Ansätze
2.3.3 Multikriterielle Ansätze
2.4 Prognosemethoden in der Technologieplanung
2.4.1 Technologielebenszyklus
2.4.2 Experteninterview
2.4.3 Szenariotechnik
2.5 SLM-Verfahren

3 Stand der Forschung
3.1 Planung von Technologien
3.2 Planung von Technologieketten
3.3 Planung von Fertigungsfolgen
3.4 Überblick

4 Anforderungen an die Methodik
4.1 Anforderungen an die Gesamtmethodik
4.2 Anforderungen an das Kostenmodell
4.3 Überblick

5 Das Kostenmodell
5.1 Definitionen
5.2 Eingangsdaten
5.2.1 Betriebsparameter
5.2.2 Produktparameter
5.2.3 Übergreifende Zusammenhänge
5.2.4 Zusammenfassung
5.3 Ausgabewerte
5.3.1 Produktbezogene Ergebnisse
5.3.2 Prozessbezogene Ergebnisse
5.3.3 Übergreifende Ergebnisse
5.3.4 Zusammenfassung
5.4 Kostenberechnung
5.4.1 Übersicht
5.4.2 Berechnung der parametrisierten Zeiten
5.4.3 Generierung der Jobs
5.4.4 Zuordnung Bearbeitungszeiten
5.4.5 Berechnung der Ausgabewerte
5.5 Bewertung des Modells
5.5.1 Beurteilung der Annahmen
5.5.2 Erfüllung der Anforderungen
5.5.3 Einschätzung der Leistungsfähigkeit

6 Planung neuer Fertigungsverfahren unter Berücksichtigung der Fertigungsfolge
6.1 Übersicht
6.2 Datenerhebung
6.3 Aufbereitung und Plausibilisierung
6.4 Parametervariation und Analyse
6.5 Szenarioanalyse
6.5.1 Datenerhebung
6.5.2 Quantitative Zukunftsabschätzung
6.5.3 Szenariogenerierung
6.5.4 Bewertung der Szenarien
6.6 Bewertung der Methodik

7 Anwendung der Methodik am Beispiel des SLM-Verfahren
7.1 Prozess 1: Datenerhebung
7.2 Prozess 2: Aufbereitung und Plausibilisierung
7.2.1 Schritt 1: Generierung der Alternativen und Kostenberechnung
7.2.2 Schritt 2: Deterministische Kostenberechnung
7.2.3 Schritt 3: Plausibilisierung
7.3 Prozess 3: Parametervariation und Analyse
7.4 Prozess 4: Szenarioanalyse
7.4.1 Schritt 1: Datenerhebung
7.4.2 Schritt 2: Quantitative Zukunftsabschätzung
7.4.3 Schritt 3: Szenariogenerierung
7.4.4 Schritt 4: Bewertung der Szenarien
7.5 Evaluation der Methodik

8 Zusammenfassung und Ausblick
8.1 Zusammenfassung
8.2 Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang

Danksagung

Das Gelingen der vorliegenden Arbeit wurde erst durch die bedingungslose Unterstützung durch meine Familie auch in anspruchsvollen Situationen ermöglicht. Ihr gebührt an dieser Stelle daher mein ganz besonderer Dank.

Zudem bedanke ich mich für die intensive Betreuung durch Herrn Kopf am Instituts für Produktionstechnik (wbk) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der mich bei der Entwicklung der hier vorgestellten Ansätze stets beraten und unterstützen konnte.

Kurzfassung

Der frühzeitige Einsatz eines neuen innovativen Fertigungsverfahrens kann einen großen Wettbewerbsvorteil darstellen. Die Bewertung der Vorteilhaftigkeit wird jedoch durch die noch schnell voranschreitende Weiterentwicklung erschwert. Deshalb müssen neben den derzeitigen, vor allem die künftig realisierbaren Herstellkosten bei der Integrationsentscheidung betrachtet werden.

Inhalt dieser Masterarbeit ist die Vorstellung einer Methodik, die es ermöglicht, neue, innovative Fertigungsverfahren innerhalb von bereits veränderlicher Ferti- gungsfolgen in Abhängigkeit von der prognostizierten technologischen Entwicklung wirtschaftlich zu bewerten. Darüber hinaus wird ein Kostenmodell zur Bestimmung der wirtschaftlichen Entscheidungsgrößen in Abhängigkeit von technologischen Parametern, entwickelt. Die Methode wird am Beispiel des additiven Fertigungsver- fahren „Selektives Laserstrahlschmelzen“ (engl. Selective Laser Melting [SLM]) erläutert, wenngleich das entwickelte Konzept einen allgemeingültigen Ansatz auf- weist.

Abstract

The early use of a new innovative manufacturing process may be a great competitive advantage. Due to the rapid technological development, the assessment of the favorability of the process becomes complicated. Therefore, in addition to the current production costs, mainly the realizable production costs in the future have to be considered within the decision of the integration.

In this thesis a methodology, that enables the economical evaluation of new, innovative manufacturing processes within already variable manufacturing sequences depending on the forecasted technological development, is introduced. In addition a cost model to determine the economic decision variables as a function of technological parameters is developed. The method is explained, using the example of the additive manufacturing process "Selective Laser Melting" [SLM], although the developed concept has an universal approach.

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Motivation

Für produzierende Unternehmen kann der frühzeitige Einsatz neuer Fertigungsverfahren einen nachhaltigen Wettbewerbsvorteil erzeugen. Neben möglichen Kosteneinsparungen, kann durch deren Einsatz die Qualität der hergestellten Produkte erhöht werden oder es können ganz neue Produkte hergestellt werden, die sich mit den bisherigen Fertigungsverfahren überhaupt nicht, oder nur zu unverhältnismäßig hohen Kosten erzeugen lassen. Wird die Leistungsfähigkeit eines neuen Fertigungsverfahrens allerdings überschätzt, kann der frühzeitige Einsatz auch Wettbe- werbsnachteile verursachen.

Neue Fertigungsverfahren unterliegen in der Regel einem schnellen Entwicklungsprozess. Aus diesem Grund gestaltet sich die Einschätzung der künftigen Leistungsfähigkeit eines neuen Fertigungsverfahrens schwierig. Neben vielen weiteren quantitativen und qualitativen Faktoren, sind vor allem die realisierbaren Herstellkosten bei der Integrationsentscheidung des Fertigungsverfahrens relevant. Hierbei genügt es nicht, nur die derzeitige Situation zu betrachten, sondern vor allem die zukünftigen und langfristigen Herstellkosten mit zu berücksichtigen.

Damit diese Herstellkosten fundiert bestimmt werden können, muss neben dem neuen Fertigungsverfahren die gesamte dazugehörige Fertigungsfolge betrachtet werden, denn auch diese unterliegt einem ständigen Entwicklungsprozess.

Ein Beispiel für ein innovatives, neues Fertigungsverfahren ist das selektive Laserstrahlschmel- zen (engl. Selective Laser Melting [SLM]). Dieses Verfahren ermöglicht es, eine Vielzahl von verschiedenen und individuellen Bauteilen auf einem Betriebsmittel, ohne den Wechsel von Werkzeugen, herzustellen. Darüber hinaus ist es möglich, leichtere Bauteile zu fertigen, welche identische Ansprüche erfüllen, wie konventionell gefertigte Bauteile. Mit diesem Fertigungsver- fahren können auch ganz neue Bauteileigenschaften erzeugt werden, die sich mit konventionel- len Verfahren nicht realisieren lassen. Auch dieses Verfahren befindet sich derzeit noch in einem relativ frühen Entwicklungsstadium. Es lassen sich bereits verschiedene Fertigungsfolgen mit diesem Fertigungsverfahren generieren, so dass eine Abschätzung der Herstellkosten ermög- licht wird.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Masterarbeit ist es, eine Methodik zu entwickeln, die es ermöglicht, neue und innovative Fertigungsverfahren innerhalb von bereits veränderlichen Fertigungsfolgen, in Abhängigkeit von der prognostizierten technologischen Entwicklung, wirtschaftlich zu bewerten. Die entwickelte Methodik liefert im Ergebnis eine belastbare quantitative Grundlage zur Unterstützung der Integrationsentscheidung.

Zur Bestimmung der Herstellkosten, in Abhängigkeit von der technologischen Entwicklung, ist es erforderlich, ein Kostenmodell zu entwickeln, das den Einfluss der spezifischen Parameter des neuen Fertigungsverfahren, aber auch von weiteren Produkt- und Prozessparametern auf die Herstellkosten der einzelnen Produkte abbildet.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die entwickelte Methodik am Beispiel des SLM-Verfahrens angewandt und die daraus resultierenden Ergebnisse vorgestellt.

1.3 Aufbau der Arbeit

Diese Arbeit ist in acht Kapitel untergliedert. Nach diesem einleitenden Kapitel, werden im zweiten Kapitel wichtige Grundlagen für das Verständnis der folgenden Ausführungen vermittelt. Diese erstrecken sich von der Definition von Grundbegriffen über die Einordnung dieser Arbeit und einer Einführung in bestehende Methoden der Technologiebewertung und Technologieprognose bis zu einer Einführung in das SLM-Verfahren.

Im dritten Kapitel werden bisherige Forschungsergebnisse zu der Thematik vorgestellt und struk- turiert.

Diese ersten drei Kapitel bilden die Basis für das vierte Kapitel, in dem zunächst die generellen Anforderungen an die zu entwickelnde Methodik formuliert und anschließend konkrete Vorgaben an das Kostenmodell zur Bewertung neuer Fertigungsverfahren gemacht werden.

Im fünften Kapitel wird der Kern der Methodik, das entwickelte parametrisierte Kostenmodell de- tailliert vorgestellt und veranschaulicht. Zunächst wird ein Überblick über die generelle Funktion des Modells gegeben. Im Anschluss daran werden die notwendigen Eingangsdaten definiert und deren Struktur dargestellt. Die Charakterisierung der Modellergebnisse erfolgt im anschließen- den dritten Abschnitt des Kapitels. Im vierten Abschnitt wird das Vorgehen zur Berechnung eben dieser Ergebnisse beschrieben. Zum Abschluss des Kapitels erfolgt eine Bewertung des Mo- dells. Es werden die Vor- und Nachteile, sowie die Grenzen des Modells aufgezeigt.

Den Kern dieser Arbeit bildet schließlich das sechste Kapitel. Hier wird die Methodik zur Planung neuer Fertigungsverfahren unter Berücksichtigung der Fertigungsfolge vorgestellt. Die Methodik lässt sich in vier Prozesse untergliedern. Jeder dieser Prozesse wird in einem Abschnitt innerhalb dieses Kapitels dargestellt.

Die vorgestellte Methodik wird schließlich im siebten Kapitel beispielhaft auf das SLM-Verfahren angewandt. Die Ergebnisse der Anwendung werden im Anschluss evaluiert.

Im achten und letzten Kapitel der hier vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse zusammenge- fasst und es wird ein Ausblick auf künftige Forschungsfelder gegeben, die an diese Ausarbeitung anschließen könnten. Die folgende Abbildung 1.1 veranschaulicht die Struktur dieser Arbeit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Aufbau dieser Arbeit

2 Grundlagen

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Grundbegriffe und Zusammenhänge zur Planung neuer Fertigungsverfahren definiert. Zunächst erfolgen allgemeine Begriffsdefinitionen, die unabhängig vom konkreten Fertigungsverfahren gültig sind. Darauf aufbauend wird die vorliegende Arbeit in das Technologiemanagement eingeordnet und es wird ein Überblick über bestehende Methoden zur Technologiebewertung und Technologieprognose gegeben. Im Anschluss daran erfolgt eine kurze Einführung in das SLM-Verfahren, an dem, die nachfolgend entwickelte Methodik, beispielhaft angewandt wird.

2.1 Begriffsdefinitionen

In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Begriffe zum Verständnis der nachfolgenden Ausführungen definiert. Falls keine einheitliche Begriffsdefinition in der Literatur verfügbar ist, werden verschiedene Definitionen vorgestellt. Hierauf aufbauend erfolgt dann eine eigene Definition des Begriffs für diese Ausarbeitung. Die Begriffe sind im Folgenden nicht alphabetisch sortiert, da sie teilweise aufeinander aufbauen, oder Abhängigkeiten zwischen ihnen bestehen.

Die Intention der hier vorliegenden Analyse ist es, eine Methodik zu entwickeln, die es ermög- licht, neue Fertigungsverfahren zu bewerten. Fertigungsverfahren sind in der (DIN 8580 2003) definiert. Die Fertigungsverfahren lassen sich in die sechs Gruppen: Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern, unterteilen. Mit Hilfe dieser Ver- fahren lassen sich nur geometrisch bestimmte, feste Körper erzeugen. Dies stellt eine Abgren- zung zur Verfahrenstechnik dar, bei der geometrisch unbestimmte Körper erzeugt werden. In dieser Arbeit wird ein Fertigungsverfahren, der allgemeinen Definition folgend, als Prozess ver- standen, bei dem Güter bearbeitet und hierdurch neue Güter erzeugt werden.

Unter dem Begriff Montieren werden nach (VDI 2860 1990) Vorgänge verstanden, die dem Zu- sammenbau von geometrisch bestimmten Körpern dienen. Diese Montageverfahren werden in (Lotter 2006, S. 2) genauer definiert und dort in die fünf Gruppen: Fügen, Handhaben, Kontrollie- ren, Justieren und Sonderoperationen, gegliedert. Die vorliegende Arbeit folgt dieser Definition von Montageverfahren. Im Gegensatz zu Fertigungsverfahren müssen die eingehenden Güter bei einem Montageverfahren nicht zwingend bearbeitet werden, um die ausgehenden Güter zu erzeugen.

Fertigungs- und Montageverfahren zusammen werden im Folgenden synonym als Produktionsverfahren bezeichnet.

Der Begriff der Technologie ist nicht einheitlich definiert. Es gibt zahlreiche Auslegungen und synonyme Verwendungen. In der Literatur wird unter einer Technologie hauptsächlich spezifi- sches Wissen verstanden. Dieses Wissen wird dazu eingesetzt, bestimmte Probleme zu lösen (Bullinger 1996; Wolfrum 2000, S. 3-6; Schindler 2014, S. 5). Eine Technologie gibt demnach ganz allgemein an, wie ein gegebener Ausgangszustand in einen bestimmten Ergebniszustand überführt werden kann.

Nachfolgend wird der Begriff Technologie vor allem zur Beschreibung für die Produktion von Gü- tern verwendet. Es gibt in der Literatur einige Ansätze zur Klassifizierung des Begriffs innerhalb der Güterproduktion. In (Voigt 2008, S. 149) erfolgt eine detaillierte Aufgliederung nach acht ver- schiedenen Kriterien in Anlehnung an (Gerpott 2005, S. 26 f.). Demnach lassen sich Technolo-gien beispielsweise anhand des Einsatzgebiets in Produkt- und Prozesstechnologien, aber auch Werkstoff- und Informationstechnologien unterteilen (Moch 2011, S. 13). Ein anderes Kriterium ist beispielswiese die rechtliche Schützbarkeit einer Technologie. Eine weitere Einordnung erfolgt durch (Wiendahl, Reichardt & Peter 2014, S. 160). Hier werden Produktionstechnologien in Fertigungs-, Montage- und Logistiktechnologien untergliedert.

Innerhalb dieser Arbeit stellt eine Technologie vor allem das Wissen zu einem Fertigungs- oder Montageverfahren dar. Die Leistungsfähigkeit eines bestimmten Fertigungs- oder Montageverfahrens kann durch die technologische Entwicklung, sprich durch einen Wissenszuwachs in Bezug auf dieses Produktionsverfahren, gesteigert werden.

Zur Herstellung eines Produkts ist es in der Regel erforderlich, nicht nur ein Fertigungs- oder Montageverfahren anzuwenden, sondern mehrere Verfahren hintereinander zu durchlaufen. Je- dem einzelnen dieser Verfahren liegt eine bestimmte Technologie zugrunde. Eine Technologie- kette verknüpft nach (Fallböhmer 2000) die einzelnen Technologien der Verfahren sequentiell hintereinander. Nach (Trommer 2001) ist eine Technologiekette unabhängig von konkreten Be- triebsmitteln. Folglich werden lediglich Technologien zu Fertigungsverfahren betrachtet, nicht solche zu Montageverfahren (Schindler 2014, S. 6). In der hier vorliegenden Abhandlung wird eine Technologiekette analog definiert. Sie stellt eine sequentielle Verknüpfung von bestimmten Technologien zu Fertigungsverfahren dar.

In der Literatur gibt es, je nach wissenschaftlicher Disziplin, verschiedene Definitionen eines Betriebsmittels. Betriebsmittel werden etwa im Steuerrecht anders definiert, als in der Betriebswirtschaftslehre oder in den Ingenieurwissenschaften. Nachfolgend werden eine betriebswirtschaftliche und eine technische Definition vorgestellt.

Eine klassische betriebswirtschaftliche Definition liefert (Gutenberg 1951, S. 3 ff.). Hiernach sind Betriebsmittel Teil von Elementarfaktoren, die zur Produktion erforderlich sind. Daneben gehören auch menschliche Arbeit und Werkstoffe zu diesen Elementarfaktoren. Betriebsmittel werden physisch durch materielle Gebrauchsgüter repräsentiert (Gabler 2016a).

In (VDI 2851 1987) ist eine technische Definition von Betriebsmitteln zu finden. Die Betriebsmittel stellen demnach die Gesamtheit an Maschinen, Anlagen und technischen Geräten, welche die betrieblichen Leistungserstellung ermöglichen und unterstützen, dar.

Innerhalb dieser Arbeit werden unter Betriebsmitteln jene materiellen Gebrauchsgüter verstanden, bei denen ein oder mehrere Fertigungs- oder Montageverfahren in der Produktion zur Anwendung kommen.

An dieser Stelle wird zusätzlich der Begriff des Fertigungsschritts eingeführt. In einem Ferti- gungsschritt werden verschiedene Produktionsverfahren durch Betriebsmittel und menschliche Arbeit produktbezogen an Gütern ausgeführt. Die Produktionsverfahren können innerhalb eines Fertigungsschritts zeitlich, sowohl seriell als auch parallel angewandt werden. Für unterschiedli- che Produkte kann es verschiedene Fertigungsschritte geben. Ein bestimmtes Betriebsmittel kann also Teil verschiedener Fertigungsschritte für unterschiedliche Produkte sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 zeigt den Zusammenhang der Begriffe Technologie, Produktionsverfahren, Betriebsmittel sowie Fertigungsschritt und gibt für jeden Begriff ein Beispiel.

Abbildung 2.1: Übersicht über die Begriffszusammenhänge

Bei der Herstellung durchläuft jedes Produkt verschiedene Fertigungsschritte seriell in einer be- stimmten Reihenfolge. Diese geordnete Menge an Fertigungsschritten für ein Produkt, wird im weiteren Verlauf mit Fertigungsfolge bezeichnet. In der Literatur wird eine Fertigungsfolge mit- unter abweichend definiert. In (Trommer 2001) wird eine Fertigungsfolge als eine Anordnung von Betriebsmitteln definiert, in denen sowohl Fertigungs- als auch Montageverfahren zum Einsatz kommen. Die Definition in dieser Arbeit unterscheidet sich insoweit davon, als dass neben den Betriebsmitteln auch weitere Produktionsfaktoren, wie z.B. manuelle Arbeitsschritte mit berück- sichtigt werden.

Ein zentrales Bestreben dieser Arbeit ist es, die Herstellkosten von bestimmten Produkten, in Abhängigkeit von der technologischen Entwicklung, darzustellen. Die Herstellkosten eines Pro- dukts bestehen laut betriebswirtschaftlichen Definition aus den Material- und den Fertigungskos- ten. Die Kosten für die Verwaltung und den Vertrieb fließen nicht mit ein (Gabler 2016c). Somit sind die Herstellkosten durch das Produkt selbst und die Fertigungsfolge, die es durchläuft, ein- deutig bestimmt.

Zur Bestimmung dieser Kosten werden im weiteren Verlauf dieser Ausführung einige Parameter eingeführt und analytisch verarbeitet. Nach (Duden 2016) hat der Begriff Parameter in ver- schieden wissenschaftlichen Disziplinen eine unterschiedliche Bedeutung. Neben weiteren Aus- legungen, existieren eine technische und eine wirtschaftliche Definition. Nach der technischen Definition handelt es sich bei einem Parameter um eine beschreibende Größe, mit deren Hilfe sich unter anderem Aussagen über die Leistungsfähigkeit des dazugehörigen Objekts treffen lassen. Laut der wirtschaftlichen Definition, ist ein Parameter eine Einflussgröße auf einen öko- nomischen Prozess. Dem Begriff Parameter werden im Folgenden sowohl die technische, als auch die ökonomische Bedeutung zugeschrieben. Eine analytische Verarbeitung beruht auf ein- deutig definierten Berechnungsschritten, so dass eine Automatisierung ermöglicht wird.

2.2 Einführung in das Technologiemanagement

Im vorangegangenen Abschnitt wurden die wichtigsten Grundbegriffe zum Verständnis dieser Ausarbeitung definiert. In diesem Abschnitt wird ein Überblick über die Technologiestrategie und das Technologiemanagement gegeben. Anschließend erfolgt eine Einordnung der hier vorlie- genden Analyse.

2.2.1 Technologiestrategie

Allen Entscheidungen im Unternehmen, in Bezug auf den Einsatz von Technologien, liegt eine Strategie zu Grunde. Diese Technologiestrategie ist Teil der Unternehmensstrategie zur Erreichung der Ziele des Unternehmens. Nach (Schulte-Gehrmann et al. 2011, S. 56) ist durch die Technologiestrategie festgelegt, in welchem Zeitraum der Technologieeinsatz erfolgt und welches technologische Leistungsniveau das Unternehmen anstrebt. Beim technologischen Leistungsniveau lassen sich nach (Wolfrum 2000, S. 252 ff.; Schindler 2014, S. 19 f.) die technologische Führerschaft von der technologischen Präsenz unterscheiden.

Strebt ein Unternehmen die technologische Führerschaft an, so werden Technologien bereits in einem frühen Entwicklungsstadium etabliert und deren Entwicklung wird aktiv vorangetrieben, um nachhaltige Wettbewerbsvorteile zu erzielen.

Dem gegenüber wird bei der technologischen Präsenz auf ausreichend entwickelte Technologien zurückgegriffen. Bei dieser Strategie können beispielsweise geringere Stückkosten einen Wettbewerbsvorteil erzeugen.

2.2.2 Technologiemanagement

Die Technologiestrategie bildet die Basis für das Technologiemanagement. Das Technolo- giemanagement enthält nach (Schuh, Klappert & Moll 2011, S. 15 ff.) sechs Unterprozesse. In der Abbildung 2.2 sind die verschiedenen Prozesse des Technologiemanagements dargestellt. Die folgenden Ausführungen zum Technologiemanagement stammen ebenfalls von (Schuh, Klappert & Moll 2011).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Prozesse des Technologiemanagements

Die einzelnen Prozesse bauen aufeinander auf. Die Technologien durchlaufen sieben Prozesse nacheinander. Die Technologiebewertung findet jedoch in unterschiedlichen Facetten bei jedem einzelnen Prozess Anwendung.

Aufgabe der Technologiefrüherkennung ist es, neue Technologien zu analysieren und deren Potentiale zu bestimmen sowie die Leistungsgrenzen der bestehenden Technologien zu entde- cken.

Die Ergebnisse dieses Prozesses fließen in die Technologieplanung ein. Im Rahmen der Technologieplanung wird entschieden, ob und wann welche Technologie für welchen Zweck eingesetzt wird. Sie stellt somit die Ausführung der Technologiestrategie dar. Hierzu wird ebenfalls auf die Ergebnisse der Technologiebewertung zurückgegriffen. Die Abbildung 2.3 verdeutlicht das Vorgehen innerhalb der Technologieplanung nach (Meis 2016).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Prozesse der Technologieplanung

Demnach werden zunächst einige Alternativen entwickelt, die anschließend einer Bewertung unterzogen werden. Mit den Bewertungsergebnissen kann schließlich eine Auswahl getroffen und der Technologieplan formuliert werden.

Die Technologieplanung kann dabei sowohl strategisch, als auch operativ erfolgen (Eversheim 1996, S. 44 ff.; Schindler 2014, S. 12 f.). Innerhalb der strategischen Technologie- planung werden langfristige Entscheidungen getroffen. Alle am Markt verfügbaren Technologien können mit einbezogen werden. Dem gegenüber wird bei der operativen Technologieplanung ein kurzfristiger Zeithorizont betrachtet, in dem nur die im Unternehmen verfügbaren Technolo- gien zum Einsatz kommen.

Die in dieser Ausarbeitung entwickelte Methodik dient der strategischen Bewertung von neuen Fertigungsverfahren im Rahmen der Technologieplanung. Zur Anwendung dieser Methodik müssen daher vorab einige Technologiealternativen entwickelt werden. Die Ergebnisse der Methodik sollen die sich anschließende Auswahl unterstützen.

Innerhalb des Technologiemanagements folgt nach der Technologieplanung die Technologieentwicklung (vgl. Abbildung 2.2). In diesem Prozess erfolgt die Umsetzung des Technologieplans. Die Entwicklung kann dabei sowohl unternehmensintern, als auch -extern erfolgen (Ehrlenspiel et al. 2014, S. 32).

Der Schutz einer Technologie dient dazu, zu verhindern, dass das geschaffene Know-how zum Wettbewerb übergehen kann. Dies kann beispielsweise durch die Erzeugung von komplexen Strukturen innerhalb der Technologie erfolgen, die für Außenstehende nur schwer oder gar nicht nachvollziehbar sind. Auch der Schutz über Patente kann eine mögliche Lösung darstellen.

Ist die Technologie ausreichend geschützt, kann sie intern sowie extern verwertet werden (Birkenmeier 2003). Innerhalb dieses Prozesses nutzt das Unternehmen die Technologie intern zur Produktion von Gütern und kann hierdurch einen Wettbewerbsvorteil erzielen. Darüber hinaus kann die entwickelte Technologie parallel oder alternativ ebenso externen Unternehmen, beispielsweise über Lizenzen, zugänglich gemacht werden.

Zum Technologiemanagement sei abschließend noch erwähnt, dass die beschriebenen Prozes- se des Technologiemanagements nach (Schuh, Klappert & Moll 2011, S. 15) für eine bestimmte Technologie nicht zwingend seriell durchlaufen werden müssen. So kann der Technologieschutz beispielsweise schon bei der Technologieentwicklung zum Tragen kommen oder die Technolo- gieverwertung erfolgt bereits sehr früh, so dass die Technologieentwicklung und der Technolo- gieschutz entfallen.

2.3 Bewertungsmethoden in der Technologieplanung

Nach dem im vorangegangenem Abschnitt ein Überblick über das Technologiemanagement gegeben und diese Arbeit hierin eingeordnet wurde, werden in diesem Abschnitt bestehende Methoden zur Bewertung innerhalb der Technologieplanung aus der Literatur vorgestellt.

Die Bewertungsmethoden in der Literatur lassen sich nach verschiedenen Kriterien gliedern. In Abbildung 2.4 sind die verschiedenen Kriterien und deren Ausprägungen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Strukturierung der Bewertungsmethoden

Es wurden drei Kriterien ausgemacht, anhand deren sich die Bewertungsmethoden gliedern las- sen. Das erste Kriterium ist der Bewertungsansatz. Hier lassen sich reifebezogene von wirt- schaftlichen und multikriteriellen Ansätzen unterscheiden. Bei den reifebezogenen Methoden wird die Entwicklung einer Technologie in verschiedene Phasen eingeteilt und der Status der betrachteten Technologie hierin eingeordnet. Die wirtschaftliche Bewertung stellt ganz allgemein dem Nutzen einer Technologie deren Kosten gegenüber. Welche Kosten und welcher Nutzen hierbei konkret betrachtet werden, unterscheidet sich je nach Bewertungsmethode. Die multikri- teriellen Ansätze vereinen verschiedene, jeweils relevante Bewertungskriterien zu einer gemein- samen Bewertungsgröße, so dass eine breit gefächerte Bewertung ermöglicht wird.

Die Bewertungsmethoden unterscheiden sich weiterhin in Bezug auf die Form des Ergebnisses. Quantitative Methoden liefern berechenbare Größen, so dass der Vergleich zwischen verschie- denen Technologien numerisch erfolgen kann. Demgegenüber bieten qualitative Methoden im Ergebnis eine individuelle Aufstellung an Vor- und Nachteilen, anhand derer ein Vergleich erfol- gen kann.

Die Einbeziehung von Wechselwirkungen stellt das dritte Kriterium dar. Die Bewertung einer Technologie kann entweder einzeln, also isoliert von anderen Technologien erfolgen oder die gesamte Technologiekette beziehungsweise die Fertigungsfolge zur Herstellung eines Produkts, wird mit in die Bewertung einbezogen.

Die entwickelte Methodik der vorliegenden Ausarbeitung stellt in diesem Zusammenhang eine wirtschaftliche, quantitative und integrierte Bewertungsmethode dar.

Nachfolgend werden einige weitere Bewertungsansätze aus der Literatur vorgestellt. Dabei werden reifebezogene, wirtschaftliche und multikriterielle Ansätze vorgestellt.

2.3.1 Reifebezogene Ansätze

In Bezug auf die Bewertung von Technologien wurde der Begriff des Reifegrads als erstes von (Ford & Ryan 1981) eingeführt (Schindler 2014, S. 46). Ihr Konzept eines Technologielebenszyklus umfasst insgesamt sechs Entwicklungsstufen.

Die erste Methode in der wissenschaftlichen Literatur zur Bestimmung der Reife einer bestimmten Technologie, wurde von (Mankins 1995) im Rahmen der Weltraumforschung entwickelt. In diesem Konzept gibt es neun verschiedene Entwicklungsstufen. Zu jeder Stufe gibt es bestimmte Anforderungen, z.B. die Erstellung eines Prototyps. Die Technologie ist auf der Stufe einzuordnen, deren Anforderungen sie gerade noch erfüllt.

In (Sommerlatte & Deschamps 1985) wird die Technologiereife mit dem Wettbewerbspotential der Technologie in Verbindung gebracht. Zudem werden vier verschiedene Stadien ausgemacht und benannt. Die nachstehende Abbildung 2.5 stellt den Zusammenhang und die verschiedenen Stadien qualitativ dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Technologiereife und Wettbewerbspotential, in Anlehnung an (Sommerlatte & Deschamps 1985)

Demnach sinkt das Wettbewerbspotential einer Technologie mit zunehmender Technologiereife im Zeitablauf.

All diese Ansätze dienen der Bewertung von einzelnen Technologien und sind eher qualitativer Natur. In (Schindler 2014) wird eine reifebezogene Bewertungsmethode vorgestellt, die quantitative Elemente aufweist und auch zur integrierten Bewertung von Technologien genutzt werden kann. Die Anforderungen jeder Entwicklungsstufe dieser Methodik können hierbei unabhängig von anderen Stufen zu einem bestimmten Anteil erfüllt sein. Zu jeder Stufe wird ein Mindestanspruchsniveau definiert, das festlegt, welcher Anteil der Anforderungen erfüllt sein muss. Die einzelnen Stufen werden also nicht zwingend chronologisch durchlaufen. Die quantitative Formulierung über den Anteil der erfüllten Anforderungen erlaubt es, den Entwicklungsfortschritt über die betrachtete Technologiekette zu aggregieren.

2.3.2 Wirtschaftliche Ansätze

Bei der wirtschaftlichen Bewertung von Technologien lassen sich vor allem zwei Betrachtungsweisen unterscheiden. In einer Betrachtungsweise werden die Kosten und der Nutzen des Technologieeinsatzes bestimmt und gegenübergestellt. In der anderen Betrachtungsweise werden nur die Kosten betrachtet, da angenommen wird, dass alle Alternativen den gleichen Nutzen, wie z.B. ein identisches Produktportfolio, liefern.

In (Haag et al. 2011, S. 329 f.) wird ein Modell vorgestellt, das die Wirtschaftlichkeit auf der Basis einer Kapitalwertberechnung bestimmt. Dabei werden die Erträge mit verschiedenen Kostenarten, wie Material-, Flexibilitäts- oder Produktionskosten in jeder Periode verrechnet und über einen längeren Zeitraum diskontiert. Die angenommenen Produkt- und Prozessparameter wirken sich unterschiedlich auf die Kosten auf, so dass Optimierungen ermöglicht werden.

(Schöning 2006) bestimmt einen erwarteten Cash-Flow anhand des Technologie-, Nutzen- und Marktpotentials. Diesem erwarteten Cashflow stellt er die Entwicklungskosten für die Technolo- gie gegenüber. Die Entwicklungskosten werden hierbei aus einem Reifegradmodell hergeleitet.

Hinsichtlich der wirtschaftlichen Bewertung wird in (Schindler 2014) lediglich die Kostenseite betrachtet. Hierbei werden sowohl die Herstellkosten für ein gegebenes Produkt, als auch die Entwicklungskosten für den Technologieeinsatz betrachtet. Auch diese Entwicklungskosten basieren auf einer Betrachtung des Reifegrads.

2.3.3 Multikriterielle Ansätze

Ein Beispiel für einen multikriteriellen Ansatz im Rahmen der produktorientierten Technologiebewertung bietet (Kröll 2007). Hier fließen z.B. die Kriterien der Kosten, Qualität und Flexibilität in die Entscheidungsfindung mit ein.

In (Oberschmidt 2010) wird ein multikriterielles Konzept zur Bewertung von Technologien im Bereich des Energiesektors vorgestellt. Beispielhafte Kriterien dieser Arbeit sind die Wirtschaftlichkeit, soziale Aspekte oder die Versorgungssicherheit.

Auch in (Schindler 2014) werden verschiedene Bewertungskriterien in eine gemeinsame Zielgröße, den Eignungsgrad, überführt. Dabei werden Kriterien aus der Wirtschaftlichkeit, des Reifegrads und des Technologiepotentials gewichtet und miteinander vereint.

2.4 Prognosemethoden in der Technologieplanung

Im letzten Abschnitt wurden einige Methoden zur Bewertung von Technologien vorgestellt. Ein Ziel dieser Arbeit ist es, die technologische Entwicklung zu prognostizieren, so dass eine langfristige Bewertung auf Basis dieser Prognose erfolgen kann. Demzufolge werden in diesem Abschnitt die verwendeten Prognosemethoden vorgestellt.

2.4.1 Technologielebenszyklus

Der Technologielebenszyklus beschreibt den Zeitraum von der Entdeckung bis zur Verdrängung einer Technologie (Schönle 2016, S. 23). Ein Technologielebenszyklusmodell basiert in erster Linie auf Reifegrad- und Wettbewerbsbetrachtungen. Nach (Schuh et al. 2011, S. 37) kann die Entwicklung einer Technologie mit Hilfe eines Technologielebenszyklusmodells prognostiziert werden, sofern der derzeitige Entwicklungsstand richtig eingeschätzt wird. Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Modelle in diesem Bereich entwickelt.

Im Folgenden wird das S-Kurven-Konzept von McKinsey genauer betrachtet. Neben diesem Modell werden auch weitere Technologielebenszyklusmodelle in (Schuh et al. 2011) vorgestellt. In dem S-Kurvenkonzept entwickelt sich die Leistungsfähigkeit von Technologien S-Förmig in Abhängigkeit von der Zeit oder dem kumulierten Forschungs- und Entwicklungsaufwand. Die einzelnen Technologien können sich dann überlagern. Die Abbildung 2.6 stellt das Modell quali- tativ dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Qualitative Darstellung des S-Kurvenkonzepts, in Anlehnung an (Wallentowitz, Freialdenhoven & Olschewski 2009, S. 94)

In der Abbildung sind die Verläufe der Leistungsfähigkeiten zweier Technologien T1 und T2 dargestellt. Jede Technologie Ti besitzt eine Leistungsgrenze Li. Zum Zeitpunkt t0 hat T1 gegenüber T2 noch eine höhere Leistungsfähigkeit, allerdings ist T1 bereits an der Leistungsgrenze angekommen, während T2 ein weitaus größeres Entwicklungspotential bietet. Ein Technologiesprung im Zeitpunkt t0 von T1 zu T2 kann also möglicherweise sinnvoll sein.

Je nachdem, welche Leistungsgrenzen und Leistungsfähigkeiten zugrunde gelegt werden, können mit dem S-Kurvenkonzept von McKinsey günstige Zeitpunkte für Technologiesprünge bestimmt werden (Schuh et al. 2011, S. 44).

2.4.2 Experteninterview

Die zentrale qualitative Methode zur Datenerhebung im Rahmen der Technologieprognose ist das Experteninterview. Eine fundierte Prognose der Entwicklung einer neuen Technologie, er- fordert entsprechendes Fachwissen über die Wirkprinzipien und deren Wechselwirkungen. Durch Experteninterviews können Daten gewonnen werden, die anschließend in weitere Metho- den eingehen. So kann beispielsweise die Leistungsgrenze einer Technologie über Expertenin- terviews bestimmt werden und danach innerhalb des S-Kurvenkonzepts zur Prognose und Ent- scheidungsfindung herangezogen werden. Natürlich können auch Experteninterviews aufeinan- der aufbauen, z.B. indem die Ergebnisse vorangegangener Interviews in die Gestaltung der Fol- genden einfließen. Dieses Vorgehen wird dann auch mit Delphi-Methode bezeichnet (Gabler 2016b).

2.4.3 Szenariotechnik

Ein weiterer Bestandteil, der entwickelten Methodik dieser Arbeit, ist die Entwicklung von ver- schiedenen Szenarien zur besseren Abschätzung der langfristigen Herstellkosten. Daher erfol- gen an dieser Stelle einige grundsätzliche Anmerkungen zur Entwicklung und Bewertung von Szenarien.

Der Vorteil bei der Anwendung einer Szenariotechnik ist es, valide Aussagen über die Zukunft in einem dynamischen Umfeld treffen zu können (Brunn & Salo 1993; Gomeringer 2007, S. 46). Die Methode der Szenariotechnik ist in der Literatur nicht eindeutig definiert, es existieren verschiedene Ansätze (Gomeringer 2007, S. 47).

Die verschiedenen Ansätze der Szenariotechnik lassen sich dennoch gleichsam in unterschiedli- chen Phasen einteilen. In der folgenden Abbildung 2.7 sind die Phasen der Szenariotechnik dar- gestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Phasen der Szenariotechnik nach (Gabler 2016d)

Zunächst wird in der Analysephase das Problem strukturiert und es werden bereits einige Alter- nativen generiert und geprüft. Bei der anschließenden Prognose werden für jede Alternative Bandbreiten der möglichen Entwicklung bestimmt und es erfolgt eine Konsistenzprüfung der Al- ternativen. Aus den gewonnen Daten werden dann in der Synthese die eigentlichen Szenarien gebildet. Jedes Szenario besteht dabei aus einer Bündelung verschiedener Alternativen und Bandbreiten. Im letzten Schritt werden die Ergebnisse in eine übergeordnete Planung integriert (Gabler 2016d).

Grundsätzlich lassen sich mit der Szenariotechnik qualitative und quantitative Merkmale erfassen (Gomeringer 2007, S. 92). Anlässlich dieser Abhandlung liegt der Fokus auf einer quantitativen Betrachtung, wenngleich teilweise auch qualitative Elemente berücksichtigt werden.

Neben der Entwicklung der verschiedenen Szenarien, werden in dieser Ausarbeitung auch an- satzweise Entwicklungspfade zu diesen Szenarien aufgezeigt. Dieses „Roadmapping“ wird an dieser Stelle jedoch nicht weiter charakterisiert, da es im weiteren Verlauf nicht tiefgreifend be- rücksichtigt wird.

2.5 SLM-Verfahren

In den zuvor aufgeführten Abschnitten dieses Kapitels wurden die theoretischen Grundlagen zu dieser Arbeit vermittelt. Die entwickelte Methodik wird am Beispiel des SLM-Verfahrens angewandt, daher wird in diesem Abschnitt eine Einführung in das Fertigungsverfahren des Laserstrahlschmelzens (engl. Selective Laser Melting [SLM]) gegeben.

Das SLM-Verfahren ist Teil der pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren (Witt & Marquardt 2016, S. 4). Zu den additiven Fertigungsverfahren gehören Verfahren, die es ermöglichen, bestimmte Geometrien aus elektronischen Datenmodellen und formlosen Werkstoffen direkt herzustellen (Lindemann et al. 2013, S. 25). Der Aufbau der Geometrie erfolgt dabei schichtweise (Gebhardt 2013, S. 22 f.). Bei den pulverbettbasierten Verfahren befindet sich der Werkstoff zunächst in Pulverform.

Gegenüber konventionellen, subtraktiven Fertigungsverfahren, wie Drehen oder Fräsen, erlauben es additive Fertigungsverfahren, beliebige Geometrien ohne aufwendige Werkzeug- oder Verfahrenswechsel zu erzeugen (Witt & Marquardt 2016, S. 6 f.). Es ist möglich, sehr leichte Bauteile zu erzeugen, da im Bauteilinneren Volumen ausgespart werden kann, ohne dass sich die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verschlechtern (Reiher 2016, S. 19). Additive Fertigungsverfahren erlauben es darüber hinaus, bisher nicht herstellbare Bauteile, mit z.B. sehr filigranen Strukturen, zu fertigen (Witt & Marquardt 2016, S. 6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Schematische Prozesskette des SLM-Verfahrens, in Anlehung an (Lindemann et al. 2013, S. 25)

In Abbildung 2.8 ist die schematische Prozesskette des SLM-Verfahrens dargestellt. Nachdem die CAD-Daten, der zu fertigenden Geometrie in Maschinenparameter transformiert wurden, startet das eigentliche SLM-Verfahren. Hierbei fährt ein Laser über ein Bett mit Metallpulver und schmilzt es an bestimmten Stellen auf. Sind alle notwendigen Stellen einer Schicht zusammengeschmolzen worden, wird das Metallpulver um eine Schicht nach unten abgesenkt und die nächste Pulverschicht wird auf der gesamten Fläche aufgetragen.

Somit lassen sich beim SLM-Verfahren Belichtungs-, Absenkungs- und Beschichtungsphasen voneinander unterscheiden. Diese drei Schritte werden solange wiederholt, bis die vorgegebene Struktur hergestellt wurde (Lindemann et al. 2013, S. 25; Schwarze 2016, S. 5; Witt & Marquardt 2016, S. 4). Auf diese Weise lässt sich nicht nur ein einzelnes Bauteil herstellen, sondern es können auch mehrere Bauteile simultan in das Pulverbett eingeschmolzen werden. Nach diesen Vorgängen werden die Bauteile entnommen und es folgen diverse Nachbearbeitungsschritte. Somit ist das SLM-Verfahren aus der Produktperspektive Teil einer Technologiekette. Die dazugehörigen Betriebsmittel bilden mit weiteren Faktoren die Fertigungsfolge.

Mit dem SLM-Verfahren lässt sich derzeit eine Aufbaurate von bis zu 105 cm³ Produktvolumen pro Stunde realisieren. Typische Schichtdicken liegen aktuell im Bereich zwischen 20µm und 75µm (SLM Solutions 2016, S. 2).

Zur Anwendung des SLM-Verfahrens werden kapitalintensive Betriebsmittel benötigt. Die variab- len Kosten z.B. für das Pulver oder die elektrische Energie sind verhältnismäßig gering. Folglich ist insbesondere eine hohe Auslastung der Betriebsmittel von Vorteil. (Reiher 2016, S. 11 f.). Doch selbst bei hoher Auslastung ist das Fertigungsverfahren nur bei der Einzelproduktion oder Kleinserienfertigung kostengünstiger als die konventionellen Verfahren (Witt & Marquardt 2016, S. 32).

Das SLM-Verfahren befindet sich aktuell in einem rasanten Entwicklungsprozess. Derzeitige Entwicklungskonzepte beinhalten z.B. die Verwendung mehrerer, parallel arbeitender Laser, die Erhöhung der Laserleistung oder eine unterschiedliche Belichtung von Bauteilmitte und -kontur. All diese Konzepte haben eine Steigerung der Aufbaurate und somit eine kostengünstigere Produktion zum Ziel (Poprawe et al. 2015, S. 56 ff.).

Innerhalb dieser Abhandlung wird die entwickelte Methodik am Beispiel des SLM-Verfahrens angewandt. Das SLM-Verfahren könnte in der Zukunft auch bei größeren Serien wirtschaftlicher sein, als konventionelle Fertigungsverfahren. Die entwickelte Methodik dieser Arbeit ermöglicht es, die technologische Entwicklung mit zu berücksichtigen und so das SLM-Verfahren mit den dazugehörigen Fertigungsfolgen strategisch zu bewerten.

3 Stand der Forschung

Im vorangegangen Kapitel wurden die wichtigsten Grundlagen zum Verständnis dieser Arbeit vermittelt. In diesem Kapitel werden wichtige wissenschaftliche Ansätze zur Technologieplanung vorgestellt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten bilden den Ausgangspunkt der vorliegenden Ausarbeitung. Die verschiedenen Arbeiten lassen sich nach Betrachtungsgegenstand und Zeithorizont klassifizieren. Abbildung 3.1 zeigt die verschiedenen Ausprägungen beider Kriterien.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Klassifizierung der Planungsansätze, in Anlehnung an (Schindler 2014, S. 35)

Der Planung von einzelnen Technologien liegt zumeist eine Einzelbewertungsmethode zugrunde (vgl. Abbildung 2.4). Demgegenüber erfolgt die Planung von Technologieketten oder Fertigungs- folgen auf der Basis von integrierten Bewertungen. Der Zeithorizont kann, wie bereits erwähnt, strategischen oder operativen Charakter haben. Im Folgenden werden einige, für diese Arbeit relevante Ansätze aus der Literatur nach dem jeweiligen Betrachtungsgegenstand vorgestellt. Für weitergehende Informationen über den Stand der Forschung sei insbesondere auf die Litera- turüberblicke von (Schindler 2014) sowie (Müller 2008) verwiesen. Am Ende dieses Kapitels wird abschließend ein kompakter Überblick über den Stand der Forschung gegeben.

3.1 Planung von Technologien

Zu der Planung von einzelnen Technologien existieren vor allem strategische Ansätze. In die- sem Abschnitt werden daher hauptsächlich Arbeiten zur strategischen Technologieplanung vor- gestellt.

(Gomeringer 2007) stellt eine Methode zur prognosebasierten Planung von Produkttechnologien vor. Die Methode besteht aus fünf verschiedenen Schritten. Ausgangspunkt ist eine Umfeldana- lyse, in der auch die Unternehmensstrategie und eine Prognose der äußeren Entwicklung einge- hen. Hierauf aufbauend erfolgen die Technologieanalyse, Optionengenerierung, Bewertung und schließlich die Projektplanung. In der Methodik kommen verschiedene Unterstützungsmethoden zum Einsatz. Dies sind z.B. die Szenariotechnik, Roadmappingmethoden und Experteninter- views. Insgesamt handelt es sich bei dem Ansatz eher um eine qualitative Methode zur integrier- ten strategischen Technologieplanung.

Produkttechnologien sind auch Kern der Untersuchung von (Berger 2006), wenngleich auch Produktionstechnologien mit betrachtet werden. Die Methodik basiert auf einer Szenarioanalyse, in die hauptsächlich prognostizierte Marktanforderungen eingehen. Zur Erfüllung dieser strategischen Anforderungen, werden verschiedene Technologien bewertet und in den einzelnen Schritten der Methode paarweise miteinander verglichen. Bei der Anwendung der Methodik erfolgt zu Beginn die Technologieidentifikation. Hier werden die relevanten Technologien zur Erfüllung der Marktanforderungen ausgemacht. Es folgt eine Wirkanalyse, bei der der konkrete Einfluss jeder Technologie untersucht wird. Die verschiedenen Produkttechnologien werden schließlich im dritten Schritt kombiniert und im vierten Schritt abschließend bewertet.

Eine Methode zur strategischen Synchronisation von Produkt- und Produktionstechnologie ist in (Burgstahler 1997) beschrieben. Die Intention zur Synchronisation der Technologien ist es, bestmöglich auf die prognostizierten Marktentwicklungen reagieren respektive agieren zu kön- nen. Hierzu wird ein Technologiekalender erzeugt, der die Start- und Endzeitpunkte der Techno- logieentwicklung und des Technologieeinsatzes enthält. Die Methode ist dreistufig aufgebaut. Zunächst werden die Produkte analysiert und wichtige Produkt- und Produktionstechnologien identifiziert. Im nächsten Schritt werden Kennzahlen zur Generierung des Technologiekalenders bestimmt. Bei der Entwicklung des Technologiekalenders werden auch die derzeitige Technolo- giereife und der notwendige Entwicklungsaufwand bis zum Einsatz abgeschätzt. Während der Ausführung des Technologieplans werden die Annahmen des Technologiekalenders stetig über- prüft, um auf eventuelle Abweichungen frühzeitig reagieren zu können. (Schmitz 1996) stellte bereits zuvor ein Konzept zur Erstellung eines synchronisierten Technologiekalenders vor. Für die Erstellung des Technologiekalenders nutzt er hierbei eine multikriterielle Bewertungsmetho- de. Unsicherheiten werden hier durch Fuzzy-Sets abgebildet.

(Roderburg, Klocke & Koshy 2011) stellen eine Methode zur Entwicklung von hybriden Techno- logien vor, also solchen Technologien, bei denen mehrere Verfahren simultan eingesetzt werden und jedes dieser Verfahren einen wesentlichen Anteil am Wertschöpfungsprozess hat. Hierzu fokussieren sie die interdisziplinäre Zusammenarbeit unterschiedlicher Wissenschaften. Dieses Vorgehen ermögliche es, bisherige technologische Grenzen zu überwinden (Schindler 2014, S. 28). Die Bewertung der aktuellen Leistungsfähigkeit einer Technologie erfolgt in jeder Disziplin vor dem Hintergrund prognostizierter künftiger Produktanforderungen. Die Erkenntnisse aus den unterschiedlichen Wissenschaften werden im weiteren Verlauf durch empirische, physikalische und heuristische Modelle in eine ganzheitliche Entscheidungsgröße überführt.

In den Arbeiten von (Suh 1990; Suh 2001), wird ein analytisches Konzept zur Planung von Technologien, das „Axiomatic Design“ vorgestellt. Es handelt sich dabei um eine matrixorientier- te Vorgehensweise. Das zugrunde liegende Ziel der Werke ist es, die Technologieplanung so- weit zu formalisieren, dass sie in ihrer Gänze durch Computer effizient durchgeführt werden kann. Hierzu werden der Kunden-, Funktions-, physische Produkt- sowie der Produktionsbereich voneinander unterschieden. Jeder dieser Bereiche wird durch verschiedene Variablen beschrie- ben. Die Variablen jedes Bereiches werden in je eine Matrix zusammengefasst. Zwischen den Bereichen werden drei Übergangsmatrizen eingeführt, die eine Transformation der Informatio- nen von einen in den anderen Bereich ermöglichen. Innerhalb der vier Bereiche ist es zudem möglich, die Strukturen hierarchisch zu gliedern. Die Analyse erfolgt von übergeordneten Ele- menten zu untergeordneten Elementen nach einem Top-Down Ansatz.

Neben diesen Arbeiten zur strategischen Planung von einzelnen Technologien existieren ferner vereinzelte Ansätze, die die operative Technologieplanung behandeln. Weitaus intensiver wird in der wissenschaftlichen Literatur jedoch die operative Planung von Technologieketten oder Fertigungsfolgen beschrieben. Hervorgehoben sei an dieser Stelle der Ansatz zur operati- ven Planung von Technologien von (Nau 2012). Der Fokus dieser Abhandlung liegt auf der Be- trachtung des Produktionsanlaufs. Zunächst werden in einer groben Planung Chancen und Risi- ken des Technologieeinsatzes betrachtet. In der anschließenden Feinplanung wird der Produkti- onsanlauf durch mathematische Modelle beschrieben und die Technologieauswahl erfolgt an- hand des Kosten-Nutzen-Verhältnisses.

(Kopner 2002) entwickelt ein prozessmodellbasiertes Technologieplanungssystem für autonome Produktionszellen. Zweck der Methodik ist es, die operative Gestaltung einer Technologie unter der Berücksichtigung von Bauteilfeatures zu unterstützen. Konkret liegt der Fokus auf der Be- trachtung der Fertigungsverfahren Bohren und Fräsen. Zu diesen Verfahren werden Modelle zur Werkzeugauswahl, Schneidstoffwahl, Fräsbahnplanung sowie zur Optimierung der Schnittpara- meter entwickelt. Zur Wahl von wirtschaftlichen Schnittbedingungen werden im weiteren Verlauf die Leistungsgrenzen und das Potential der Werkzeuge sowie weitere technologische Zusam- menhänge berücksichtigt.

3.2 Planung von Technologieketten

Es existieren sowohl strategische, als auch operative Ansätze in der wissenschaftlichen Literatur zur Planung von Technologieketten. In diesem Abschnitt wird eine kleine Auswahl der Arbeiten vorgestellt.

(Schindler 2014) stellt einen Ansatz zur strategischen Planung von Technologieketten vor. Sein Ansatz umfasst hierbei sowohl die Generierung verschiedener Technologiekettenalternativen, als auch deren Bewertung und Auswahl. Zunächst werden die Technologiestrategie und die re- levanten Produkte definiert. Im zweiten Schritt werden mögliche Technologien zur Fertigung der Produkte identifiziert und anhand der Kriterien Technologiereife, Technologiepotential und tech- nischer Machbarkeit bewertet und ausgewählt. Die Reifegradbewertung erfolgt hierbei durch ein eigenes Modell, wie es bereits in Punkt 2.3.1 beschrieben wurde. Die ausgewählten Technolo- gien werden, unter der Berücksichtigung von verschiedenen Wechselwirkungen, im dritten Schritt zu Technologieketten zusammengefasst. Die Bewertung der Technologiekettenalternati- ven erfolgt im vierten Schritt anhand der Kriterien Technologiereife, Technologiepotential und Wirtschaftlichkeit. Hinsichtlich der wirtschaftlichen Bewertung werden die Herstellkosten und der Aufwand für notwendige Technologieentwicklungen mit berücksichtigt. Die Auswahl einer Tech- nologiekette erfolgt im fünften Schritt durch den Eignungsgrad, eine aggregierte Größe aus den drei zuvor genannten Kriterien. Bei jeder Bewertung in dieser Methode werden, aufgrund der strategischen Ausrichtung, Unsicherheiten berücksichtigt. Diese Unsicherheiten werden wahl- weise durch Fuzzy-Sets oder Wahrscheinlichkeitsverteilungen modelliert.

Der Begriff der Technologiekette wurde vor allem durch (Fallböhmer 2000) geprägt. In seinem Konzept zur operativen Planung von Technologieketten in frühen Phasen der Produktentwick- lung, steht das Generieren von Technologiekettenalternativen auf der Basis von Produkt- und Prozessinformationen im Mittelpunkt der Betrachtung. Auch bei diesem Ansatz werden Wech- selwirkungen zwischen den einzelnen Technologien bei der Erstellung der Technologiekettenal- ternativen berücksichtigt. Die Bewertung der generierten Alternativen erfolgt über die Kriterien Machbarkeit und Eignung. (van Vliet 2001) erweitert den Ansatz von (Fallböhmer 2000) um wei- tere Schnittstellen zur Informationsgenerierung. Hierbei werden u.a. Möglichkeiten aufgezeigt, CAD-Daten der Bauteile direkt in den Planungsprozess der Technologiekette mit einfließen zu lassen.

(Willms 2008) entwickelt eine Methode zur prozessstabilen und kostenoptimalen Planung von Fertigungsverkettungen. Sein operativer Ansatz greift auf die Erkenntnisse der vorherigen Arbei- ten von (Fallböhmer 2000) und (Trommer 2001) zurück. Der Begriff der Fertigungsverkettung lässt sich synonym zum Begriff Technologiekette dieser Arbeit verwenden. Die Methode unter- gliedert sich in acht Module. Die alternativen Technologieketten werden durch Variation der zu- grundeliegenden Produkt- und Prozessparameter generiert. Hervorzuheben ist, dass die einzel- nen Technologien so mathematisch modelliert werden, dass sich eine Änderung von einzelnen Technologieparametern, wie. z.B. der Schnittgeschwindigkeit nicht nur auf die Bearbeitungsge- schwindigkeit und somit die Herstellkosten des Produkts, sondern auch auf die Qualität des Pro- dukts, wie z.B. der Oberflächenrauheit auswirkt. Durch diesen Modellierungsansatz lassen sich die Technologieparameter so festlegen, dass eine bestimmte Produktqualität kostenminimal er- zeugt werden kann. Die Auswahl einer Technologiekette erfolgt auf der Basis der Herstellkosten, der Herstellzeiten und des verursachten Ausschusses. Der Kostenberechnung liegen dabei auch Abschätzungen zu bestimmten Parametern, wie z.B. der Arbeitszeit zugrunde.

Ein Ansatz zur systematischen, rechnergestützten Prozessauswahl und Kettenerstellung in der Grobplanungsphase der Produktionsplanung stellt (Moryson 2004) vor. Bei der Planung von Technologieketten werden in der Methode bereits bekannte Informationen zu den verwendeten Betriebsmitteln mit berücksichtigt. Zur Erzeugung der Technologiekette, werden die Produktmerkmale durch einzelne Bauteilfeatures beschreiben. Zudem finden der Einfluss und mögliche Wechselwirkungen von vor- und nachgelagerten Prozessen bei der Generierung ebenfalls Berücksichtigung. Die abschließende Bewertung erfolgt anhand einer Feature-Geometrie, dem Werkstoff, den Abmessungen sowie der Oberflächenrauheit.

(Jurklies 2004) legt den Schwerpunkt ihrer Ausarbeitung auf die Generierung von Technologieketten für Druck- und Spritzgießwerkzeuge. Hierzu wird eine fünfstufige Methodik, mit aufeinander aufbauenden Schritten entwickelt. Zunächst werden die Bearbeitungselemente des Werkstücks bestimmt. Nachdem die einzelnen Bearbeitungen am Werkstück ausgemacht wurden, werden sie nach ihrer Wichtigkeit für das spätere Produkt klassifiziert. Zu den einzelnen Bearbeitungen werden schließlich im dritten Schritt geeignete Fertigungsverfahren ausgewählt. Die Generierung der dazugehörigen Technologieketten erfolgt in der vierten Methode. Die abschließende Auswahl der geeignetsten Technologiekette erfolgt nach einer Bewertung anhand der Kriterien Kosten, Zeit und Qualität. Dabei wird ein Expertensystem genutzt, dass bereits existierendes Wissen in die Bewertung einfließen lässt (Willms 2008, S. 14).

Ein Konzept zur rückwärtsgerichteten Generierung von Technologieketten ist der Inhalt der Ar- beit von (Knoche 2005). Das Ziel seiner Methodik ist ebenfalls die Unterstützung der operativen Planung von Technologieketten. Die Beschreibung der einzelnen Technologien erfolgt hierbei anhand der Veränderungen, die sie am Werkstück auslösen, also ausgehend von ihrer Wirkung und nicht ihrer Ursache. Demzufolge handelt es sich bei diesem Ansatz um eine rückwärtsge- richtete Methodik. Formal erfolgt die Beschreibung der Technologien durch Übertragungsfunkti- onen, die den eigehenden Zustand des Werkstücks in den ausgehenden Zustand überführen. Zur Planung der Technologiekette werden vier Teilmodelle entwickelt. Zunächst erfolgt eine Klassifizierung der zur Verfügung stehenden Technologien. Anschließend wird die Einsetzbarkeit der Technologien geprüft. Vor der Verkettung der Technologien im vierten Schritt, werden vorab deren Transformationsprozesse beschrieben, damit bei der Verkettung auch komplexe Wech- selwirkungen Berücksichtigung finden können.

(Denkena et al. 2005) entwickeln eine Methode, die die Auslegung fertigungstechnischer Pro- zessketten zum Ziel hat. Bei der Generierung der Technologieketten, wird auch in diesem An- satz den Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Technologien ein besonderes Gewicht bei- gemessen. Die Methode enthält insgesamt vier Schritte. Nachdem die Prozessanalyse erfolgt ist und die Schnittstellen modelliert wurden, erfolgt im dritten Schritt die Auslegung der Technolo- giekette. Abschließend stellt die Implementierung der Technologiekette den Inhalt des vierten Schritts dar. Beim Durchlaufen dieser Schritte werden zunächst die relevanten Informationen generiert. Hierauf aufbauend erfolgt die Beschreibung technologisch-wirtschaftlicher Zusam- menhänge, deren Ergebnisse in einer algorithmischen Beschreibung der Prozesskette münden. Die Auswahl erfolgt unter der Zuhilfenahme eines multikriteriellen Bewertungsmodells, welches u.a. die Herstellkosten über der Losgröße des Produktionsprogramms darstellt.

Die Beschreibung des Einflusses der gesamten Technologiekette auf die Bauteilfunktionen ist Inhalt der Arbeit von (Klocke & Willms 2007). Hierin wird ein Produkt als Lösung für bestimmte Ziele und Anforderungen definiert. Im weiteren Verlauf wird diese Lösung weiter in Bauteilfeatures und -funktionen untergliedert. Auf diese Weise kann der Einfluss einer einzelnen Technologie der Kette auf das Gesamtprodukt genauer beschreiben werden. Die Einführung von Gewichtungsfaktoren ermöglicht schließlich die mathematische Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Technologien.

(Schäfer 2003) entwickelt eine Methode zur Analyse und Gestaltung von fertigungstechnischen Prozessketten. Zweck der Methodik ist es, u.a. die Prozesssicherheit durch eine ganzheitliche Gestaltung der Technologiekette zu steigern. Hierbei werden komplexe Einfluss-Ursache Zu- sammenhänge entwickelt, die eine prozessübergreifende Analyse und somit die Beseitigung von Schwachstellen und Fehlern in der Technologiekette ermöglichen. In die multikriterielle Bewer- tung fließen neben vielen weiteren Kriterien auch die realisierbaren Fertigungstoleranzen mit ein.

3.3 Planung von Fertigungsfolgen

In diesem Abschnitt wird eine Auswahl von Ansätzen zur Planung von Fertigungsfolgen vorgestellt. Die vorgestellten Ansätze sind überwiegend operativ ausgerichtet.

(Müller 2008) beschreibt eine Methode zur entwicklungs- und planungsbegleitenden Generie- rung und Bewertung von Produktionsalternativen. Eine Produktionsalternative ist mit dem Begriff einer Fertigungsfolge gleichzusetzten. Innerhalb des vierstufigen Vorgehens erfolgt zunächst eine integrierte Produktdefinition. Diese beinhaltet vor allem eine Einordnung in das vorhandene Produktspektrum und die Zuordnung einer Produktfunktion. Ausgehend von dieser Definition werden im zweiten Schritt Technologieketten zur Fertigung des Produkts generiert. (Müller 2008) unterscheidet hierbei zwischen primären, wertschöpfenden Technologien und sekundären Tech- nologien. Im dritten Schritt findet eine Analyse und Anpassung der Technologieketten statt. Dar- über hinaus erfolgt eine Vorauswahl. Im vierten Schritt werden die verbleibenden Alternativen ganzheitlich bewertet. Bei der ganzheitlichen Bewertung und der Vorauswahl werden sowohl die Kosten, als auch die Ergebnisse qualitativer Bewertungsmethoden berücksichtigt. Wenngleich in erster Linie eine Beschreibung der Technologien und der Technologieketten vorgenommen wird, ist die Arbeit dennoch in die Planung von Fertigungsfolgen einzuordnen, da es innerhalb der Me- thode möglich ist, bereits die Eigenschaften von konkreten Betriebsmitteln einfließen zu lassen. Die Bearbeitungszeiten für ein Produkt innerhalb der Fertigungsfolgen können durch Ehrfah- rungswerte, historische Betrachtungen oder mathematische Modelle bestimmt werden. Dieser Ansatz lässt sich zur operativen Planung von Fertigungsfolgen heranziehen.

Die konstruktionsbegleitende Generierung und Bewertung alternativer Fertigungsfolgen wird in (Trommer 2001) beschrieben. Sein Konzept baut auf dem von (Fallböhmer 2000) auf. Die Me- thode enthält insgesamt sechs Module. Zunächst werden die notwendigen Daten beschafft und aufbereitet. Sind die Daten verfügbar, wird zuerst die Eignung der infrage kommenden wert- schöpfenden Fertigungsschritte zur Produktion überprüft. Die Fertigungsfolgealternativen wer- den dann im Anschluss aus den geeigneten Fertigungsschritten generiert. Zu den generierten Fertigungsfolgen werden dann, nach vorausgehender Eignungsanalyse, die indirekt wertschöp- fenden Schritte ergänzt. Dies können beispielsweise Handhabungs- oder Montageschritte sein. Die komplettierten Fertigungsfolgen werden abschießend nach einer multikriteriellen qualitativen Bewertung miteinander verglichen. Die wichtigsten Kriterien dieser Bewertung sind die Produkt- qualität, die Kompatibilität zum Unternehmen sowie ökologische Faktoren.

(Menzel 2001) entwickelt eine Methode zur rechnergestützten Bewertung innovativer Fertigungsprozesse. Hierzu berücksichtigt er wirtschaftliche und technische Zielgrößen. Bei der Bewertung findet nicht nur eine Betrachtung des spezifischen Produktes statt, sondern die Einschätzung eines vollständigen Produktionsprogramms. Dabei nutzt er einen wissensbasierten Ansatz. Die Berechnung geschieht in einem dynamischen Simulationsmodell. Auch dieser operative Ansatz berücksichtigt keine prognostizierten Entwicklungen.

Ein zweistufiges Konzept zur Bewertung von Prozessketten wird von (Pachow-Frauenhofer, Wagner & Hyhuis 2009) vorgestellt. In ihrer Methode wird zunächst eine bestehende Fertigungs- folge analysiert und in Bezug auf ihren Wertschöpfungsgrad in den einzelnen Schritten bewertet. In der, auf dieser ersten groben Bewertung aufbauenden, zweiten Bewertungsstufe werden dann weitere Kriterien mit einbezogen. Diese Kriterien sind dabei sowohl von quantitativer, als auch qualitativer Natur. Die Zielgrößen der Methodik entstammen aus den wirtschaftlichen Bereich und beinhalten auch Kriterien zur Qualität, Flexibilität sowie den Durchlauf- und Prozesszeiten.

Zwischen der Anwendung der einzelnen Fertigungsverfahren an einem Produkt sind in der Ferti- gungsfolge Handhabungsvorgänge durchzuführen. In der Arbeit von (Schell 1996) liegt der Fo- kus auf diesen Handhabungsvorgängen bei flexiblen Fertigungssystemen. Bei der Planung der Fertigungsfolge werden zunächst die spezifischen Eigenschaften der Fertigungsschritte heraus- gestellt und deren Anforderungen an die Handhabung festgehalten. Schließlich erfolgt die Be- wertung verschiedener Handhabungsalternativen in Bezug auf die Produktgestalt des Werk- stücks. Hierbei wird ein dreistufiges Vorgehen vorgeschlagen. Zunächst sei die Herstellbarkeit sicherzustellen. Im Anschluss findet die Überprüfung der automatisierbaren Handhabbarkeit der Produkte im entsprechenden Fertigungsschritt statt. Die abschließende Bewertung erfolgt an- hand der Griffsicherheit und dem Ausschluss von Kollisionen während des Produktionsprozes- ses.

Ein Konzept zur multidimensionalen Bewertung von alternativen Produktionstechniken wird von (Heitsch 2000) entwickelt. Die Betrachtungsgegenstände seiner Arbeit sind in erster Linie Maschinen und Anlagen als Teil der Betriebsmittel. Innerhalb dieser Betriebsmittel kommen verschieden Technologien zum Einsatz. Innerhalb der entwickelten Methodik, werden diese einzelnen Technologien durch drei Modelltypen miteinander kombiniert. Die Technologien lassen sich hiernach durch Prozess-, Bewertungs- und Ablaufmodelle miteinander kombinieren. Die anschließende Bewertung erfolgt anhand von Kriterien aus den Dimensionen der Ökonomie, Ökologie, Qualität sowie der Strategie. Im Ergebnis unterstützt die Methode den Anwender bei der Entscheidung zur Investition in die betrachteten Anlagen oder Maschinen.

(Agostini 2000) bietet ein Konzept zur Reihenfolgeplanung unter der Berücksichtigung von Inter- kationen an. Der Fokus seiner Arbeit liegt auf der Betrachtung von spanenden Fertigungspro- zessen. Ein Kernergebnis der Methodik, ist die Strukturierung verschiedener Wechselwirkungen oder Interaktionen zwischen den Technologien und Fertigungsschritten nach verschiedenen Ka- tegorien. Hierzu werden vier Ordnungen eingeführt. Interkationen der ersten Ordnung beziehen sich auf technologische Basisregeln. Beispielsweise erfolgt vor der spanenden Bearbeitung ei- nes Bauteils der Urformvorgang durch ein Gießverfahren. Die Einhaltung von Lager- und Form- toleranzen wird durch die Berücksichtigung der Interkationen der zweiten Ordnung sichergestellt. Die Einflüsse der Betriebsmittel in der Fertigungsfolge auf das Produkt werden durch Interkatio- nen der dritten Ordnung modelliert. Schließlich fließen weitere, aus dem Erfahrungswissen be- kannte, Zusammenhänge in die Interkationen der vierten Ordnung ein. Die Methode ermöglicht eine Zuordnung von unterschiedlichen Werkstücken zu den zur Verfügung stehenden Maschi- nen. Es wird gewissermaßen ein operatives Produktionsprogramm zur Fertigung der Produkte erstellt. Das optimale Produktionsprogramm minimiert die gesamte Durchlaufzeit der zu fertigen Produkte, unter der Nebenbedingung der Realisierbarkeit des Programms.

3.4 Überblick

In den vorstehenden Abschnitten wurden einige Arbeiten aus der wissenschaftlichen Literatur zur Produktionsplanung mit unterschiedlichen Schwerpunkten vorgestellt. In diesem Abschnitt wird ein kompakter Überblick über den bisherigen Stand der aktuellen Forschung gegeben. Am Anfang dieses Abschnitts wurden zwei Kriterien zur Klassifizierung der bestehenden Ansätze eingeführt, der Betrachtungsgegenstand und der Zeithorizont. In der folgenden Abbildung 3.2 ist die Verfügbarkeit von Arbeiten gegenüber den genannten Kriterien dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Überblick über den Stand der Forschung

Zur operativen und strategischen Planung von Technologien und Technologieketten existieren bereits eine Reihe von Arbeiten. Des Weiteren lassen sich Methoden zur operativen Planung von Fertigungsfolgen in der wissenschaftlichen Literatur finden. Die operative Planung von ein- zelnen Technologien findet nur in Teilen, wie z.B. bei (Nau 2012) in Form einer Anlaufanalyse, Betrachtung. Zu der strategischen Planung von Fertigungsfolgen lassen sich hingegen nahezu keine Ausarbeitungen finden. Die vorhandenen Arbeiten in der Literatur, welche Fertigungsfol- gen betrachten, nutzen kaum Prognosemethoden zur Beschreibung der künftigen technologi- schen Entwicklung.

Die entwickelte Methodik der vorliegenden Arbeit versucht auch aus diesem Grund, gerade die strategische Planung von Fertigungsfolgen zu unterstützen. Hierzu werden bestehende und neue Fertigungsverfahren zu Fertigungsfolgen verknüpft und langfristig prognosebasiert bewer- tet.

4 Anforderungen an die Methodik

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methodik zu entwickeln, die es ermöglicht, neue Fertigungsverfahren mit veränderlichen Fertigungsfolgen langfristig wirtschaftlich zu planen. Hierzu wurden in den zuvor aufgeführten Kapiteln Grundlagen der Technologieplanung vermittelt und ein Überblick über bisherige wissenschaftliche Arbeiten und Analysen gegeben. In diesem Kapitel werden die Anforderungen an die Methodik der hier vorliegenden Ausarbeitung festgehalten. Aufbauend auf diesen Anforderungen, wird die Methodik in den kommenden Kapiteln entwickelt. Das genaue Vorgehen ist in Abbildung 4.1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.1: Vorgehen bei der Anforderungs- und Methodenentwicklung

Zunächst werden allgemeine Anforderungen an die Methodik zur strategischen Planung von Fertigungsfolgen mit neuen Fertigungsverfahren formuliert. Diese berücksichtigen die Rahmenbedingungen, in denen die Methode angewandt wird, die Transparenz der einzelnen Vorgänge innerhalb der Methode sowie die Güte und Treue der Ergebnisse.

Zur strategischen Planung neuer Fertigungsverfahren unter Berücksichtigung der Fertigungsfol- ge ist es notwendig, ein Kostenmodell zu entwickeln, das den Einfluss der technologischen Pa- rameter eines Fertigungsverfahrens auf die Herstellkosten der betrachteten Produkte abbildet. Das Kostenmodell ist erforderlich, um den Einfluss der prognostizierten technologischen Ent- wicklung in wirtschaftliche Entscheidungsgrößen zu überführen. Das gestaltete Kostenmodell kommt dann in der später entwickelten Methodik zur Anwendung. Die Anforderungen an dieses Kostenmodell unterliegen den Anforderungen der Gesamtmethodik und werden in Abschnitt 4.2 aufgeführt. Das Kostenmodell muss sowohl den allgemeinen Anforderungen, als auch spezifi- schen Anforderungen genügen.

Im Anschluss an dieses Kapitel wird zunächst das entwickelte Kostenmodell beschrieben, da es bei der entwickelten Methode an mehreren Stellen zum Einsatz kommt. Die eigentliche Methodik zur Planung neuer Fertigungsverfahren, unter Berücksichtigung der Fertigungsfolge, wird darauf aufbauend im sechsten Kapitel entwickelt.

4.1 Anforderungen an die Gesamtmethodik

In diesem Abschnitt werden die Anforderungen an die Planung neuer Fertigungsverfahren unter der Berücksichtigung der Fertigungsfolge festgehalten. Die einzelnen Anforderungen werden im Folgenden aufgeführt, die Reihenfolge der Auflistung hat hierbei keine Bedeutung.

Ergebnisorientiert: Mit Hilfe der nachfolgend entwickelten Methodik ist es möglich, verschiedene Fertigungsfolgen simultan, quantitativ, wirtschaftlich und strategisch zu bewerten. Das Ergebnis der Bewertung dient der Entscheidungsunterstützung im Rahmen der Technologieplanung.

Allgemeingültigkeit: Die entwickelte Methodik soll unabhängig von bestimmten Ferti- gungsfahren, Technologien oder Produkten angewendet werden können. Es ist notwen- dig, dass alle Produktionsverfahren (vgl. Abschnitt 2.1) durch die Methode erfasst werden können. Darüber hinausgehende Verfahren werden jedoch nicht zwangsläufig berück- sichtigt. Die Allgemeingültigkeit beinhaltet ebenfalls die Skalierbarkeit der Methode, also die Möglichkeit, beliebig große, komplexe oder kleine, einfache Fertigungsfolgen strate- gisch zu planen.

Modularität: Der Ablauf innerhalb der Methodik ist modular zu gestalten, d.h. die einzel- nen Prozesse lassen sich weitestgehend unabhängig voneinander anwenden. Insbeson- dere das in Kapitel 5 entwickelte Kostenmodell bildet hierbei ein geschlossenes System, das sich auch ohne die anderen Bestandteile der Methodik verwenden lässt. Durch die Modularität ist insbesondere auf die Schnittstellenkompatibilität zwischen den einzelnen Modulen zu achten.

Zukunftsorientierung: Aufgrund der strategischen Ausrichtung der Methodik, ist es uner- lässlich, gerade bei neuen Fertigungsverfahren künftige technologische Entwicklungen zu prognostizieren und mit in die Bewertung und somit auch in die Entscheidung einzube- ziehen. Hierzu ist es erforderlich, ein geeignetes Verfahren zu entwickeln, das die beste- henden Prognosemethoden (vgl. Abschnitt 2.4) zielführend miteinander kombiniert.

Reproduzierbarkeit: Die Methode ist transparent, konsistent und nachvollziehbar zu gestalten, so dass deren Ergebnisse reproduzierbar sind und die Möglichkeit besteht, diese zu evaluieren. Wie viele andere Unternehmensprozesse, ist auch die Technologieplanung kein einmaliger Vorgang. Eine bestehende Planung unterliegt ständiger Kontrolle, daher muss die Methode bei einer wiederholten Anwendung unter den gleichen Rahmenbedingungen die gleichen Ergebnisse liefern.

Quantitatives Vorgehen: Das Endergebnis der entwickelten Methodik ist eine quantitative Grundlage zur Entscheidungsunterstützung innerhalb der Technologieplanung, deshalb sollten auch die Prozesse innerhalb der Methodik die eingehenden Daten quantitativ ver- arbeiten, um Ungenauigkeiten durch subjektiven Interpretationsspielraum zu vermeiden.

Geringer Aufwand: Bei der Anwendung der Methodik, sollte kein allzu großer Aufwand entstehen, da sie nur ein Instrument zur Entscheidungsunterstützung ist und den Ergebnissen der Methode keine allumfassende Bewertung der Ausgangslage und der zukünftigen Entwicklung zugrunde liegt.

4.2 Anforderungen an das Kostenmodell

Die entwickelte Methodik greift an bestimmten Stellen auf die Ergebnisse eines Kostenmodells zurück. Auch dieses Kostenmodell muss spezielle Anforderungen erfüllen. Diese Anforderungen werden in diesem Abschnitt analog zu den allgemeinen Anforderungen des letzten Abschnitts aufgelistet.

Ergebnisorientiert: Das Kostenmodell soll im Ergebnis quantitative, für die wirtschaftliche Betrachtung relevante Entscheidungsgrößen einer konkreten Fertigungsfolge, bestimmen. Dies sind insbesondere:

- Herstellkosten pro Stück
- Auslastungen der einzelnen Fertigungsschritte
- Kapazität der gesamten Fertigungsfolge: Kundentakt, jährliche Produktionsmenge

Diese Größen sind einheitlich aufbereitet und über verschiedene Fertigungsfolgen hinweg vergleichbar auszugeben.

Flexibilität: Es ist eine Vielzahl an möglichen Einflussfaktoren zu berücksichtigen. All diese Faktoren können, je nach konkreter Fertigungsfolge, variieren. Das Kostenmodell ist somit produkt- und prozessflexibel zu gestalten und muss hierbei stets die gesamte Fertigungsfolge betrachten.

Modellcharakter: Bei dem Kostenmodell handelt es sich um ein parametrisiertes, analyti- sches Modell, das gegebene Eingangsdaten einer Fertigungsfolge in die geforderten Er- gebnisgrößen überführt. Dem gegenüber soll es kein dynamisches, zeitdiskretes Simula- tionsmodell sein. Es stellt darüber hinaus auch kein mathematisches Optimierungsprob- lem dar.

Modularität: Wie auch die Methode insgesamt, ist auch das Kostenmodell in sich modular aufgebaut. Diese Modularität ermöglicht es, auch individuelle Module zur Modellierung spezifischer Technologieeigenschaften zu implementieren. Darüber hinaus ist innerhalb des Modells daher besonders auf die Gestaltung der einzelnen Schnittstellen zu achten.

4.3 Überblick

In der folgenden Abbildung 4.2 sind die in diesem Kapitel festgehaltenen Anforderungen stichpunktartig dargestellt. In den nächsten beiden Kapiteln werden das Kostenmodell und die Gesamtmethodik entwickelt und vorgestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4.2: Übersicht über die Anforderungen

5 Das Kostenmodell

In diesem Kapitel wird das entwickelte Kostenmodell beschrieben und veranschaulicht. Zunächst erfolgen im ersten Abschnitt formale Definitionen des Modellrahmes. Die genaue Charakterisierung und Formalisierung der notwendigen und optionalen Eingangsdaten bilden den Inhalt des zweiten Abschnitts. Die Ausgabewerte des Modells werden schließlich im dritten Abschnitt dieses Kapitels, analog zu den Eingangsdaten, beschrieben und formal definiert. Im vierten Abschnitt wird die eigentliche Kostenberechnung, sprich die Transformation der Eingangsdaten zu den Ausgabewerten erläutert. Den Abschluss dieses Kapitels bildet der fünfte Abschnitt, in dem das entwickelte Kostenmodell bewertet wird.

5.1 Definitionen

Das entwickelte parametrisierte Kostenmodell dient der wirtschaftlichen Bewertung von Fertigungsfolgen. Für eine fundierte Berechnung, müssen viele weitere Parameter, wie z.B. Produktparameter, Arbeitszeiten oder Materialpreise, mit einbezogen werden. Für die Formalisierung bedarf es daher einer übergeordneter Menge. Diese Menge an Eingangsdaten wird mit E bezeichnet. E enthält alle Parameterwerte, welche in die Berechnung eingehen.

Ebenso wie für die Eingangsdaten E, bedarf es ebenfalls für die Beschreibung der Ausgabewerte einer übergeordneten Menge, da nicht nur die Herstellkosten bestimmt werden. Vielmehr finden zahlreiche weitere Ergebnisse, wie z.B. Auslastungen oder die Anlagenkapazität, Berücksichtigung. Die übergeordnete Menge aller Ausgabewerte wird mit A bezeichnet.

Die Berechnungen innerhalb des Modells lassen sich formal als Transformation und Aggregation der Eingangsdaten E zu den Ausgabewerten A auffassen. Dieser Prozess wird im Folgenden vereinfachend mit Kostenberechnung - bezeichnet, wenngleich bei der Berechnung nicht nur die Kosten bestimmt werden. Die formale Definition von - lautet demnach:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Kostenmodell enthält die drei Bestandteile K E und A. In den nachstehenden Abschnitten werden diese drei Bestandteile detailliert beschrieben. In Abbildung 5.1 ist der Zusammenhang der aller Abschnitte dieses Kapitels dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5.1: Zusammenhang der Abschnitte dieses Kapitels

5.2 Eingangsdaten

In diesem Abschnitt wird die Menge aller Eingangsdaten E, die im Kostenmodell zur Berechnung berücksichtigt werden, strukturiert und beschrieben. Zu Beginn werden die Eingangsdaten an dieser Stelle grob unterteilt, bevor in den folgenden Punkten detailliert auf die einzelnen Bestandteile eingegangen wird. Die Eingangsdaten lassen sich zunächst in Betriebsparameter - und Produktparameter - untergliedern. Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Betriebsparameter - enthalten produktunabhängige Informationen, dies sind z.B. Investitionskosten, Technologieparameter oder das Arbeitsschichtmodell. Demgegenüber beinhaltet die Menge der Produktparameter - produktspezifische Informationen, wie beispielweise das Produktvolumen oder produktspezifische Bearbeitungszeiten. Die Eingangsdaten sind, obgleich dieser Untergliederung, dennoch als Einheit zu verstehen, da die Betriebsparameter - und die Produktparameter - aufeinander abgestimmt sein müssen. So werden in - beispielsweise Bearbeitungszeiten für Fertigungsschritte definiert, die in - hinterlegt sind. In Abbildung 5.2 wird die Untergliederung der Eingangsdaten nochmals veranschaulicht.

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Abbildung 5.2: Untermengen der Eingangsdaten

Die Betriebsparameter - und Produktparameter - werden in den folgenden beiden Punkten 5.2.1 und 5.2.2 detailliert beschrieben. Hierbei werden zunächst die Betriebsparameter - be- trachtet und im Anschluss die Produktparameter - beschrieben. Darauf aufbauend, werden im dritten Punkt dieses Abschnitts, die Zusammenhänge zwischen den Betriebs- und Produktpara- metern verdeutlicht. Abschließend erfolgt dann eine kurze Zusammenfassung der Erkenntnisse dieses Abschnitts.

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