Modellierungskonzept zur integrierten Planung und - E-LIB

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Modellierungskonzeptzurintegrierten
PlanungundSimulationvonProduktionsszenarien
entwickeltamBeispielderCFK‐Serienfertigung
VomFachbereichProduktionstechnik
der
UNIVERSITÄTBREMEN
zurErlangungdesGrades
Doktor‐Ingenieur
genehmigte
DISSERTATION
von
M.Sc.MichaelLütjen
Gutachter:
Prof.Dr.‐Ing.BerndScholz‐Reiter
Prof.Dr.‐Ing.AxelS.Herrmann
TagdermündlichenPrüfung:17.02.2014
Danksagung DieseArbeitistwährendmeinerZeitalswissenschaftlicherMitarbeiteramBremer
InstitutfürProduktionundLogistik(BIBA)entstandenundgehtaufeineForschungsko‐
operationmitdemCompositeTechnologyCenter(CTC)Stadezurück.
ImFolgendenmöchteichmichbeiMenschenbedanken,diemichbeiderErstellung
meinerDissertationunterstütztundbegleitethaben:
ProfessorDr.‐Ing.BerndScholz‐ReitermöchteichfürdieÜbernahmedesErstgutach‐
tenssowiedasfreieundkreativeArbeitsumfelddanken.ProfessorDr.‐Ing.AxelS.Herr‐
mann danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens und in seiner Eigenschaft als
CTC‐Geschäftsführer für die Initiierung der Forschungskooperation. Professor Dr.‐Ing.
Klaus‐DieterThobendankeichfürdieÜbernahmedesPrüfungsvorsitzbeimeinemPro‐
motionskolloquium.
MeinenKollegenundFreundenamBIBAmöchteichfürdievielenwertvollenAnre‐
gungenunddiezahlreichenDiskussionendanken,diezuvielenneueIdeenauchabseits
meinerDissertationgeführthaben.DesWeiterenmöchteichmeinenehemaligenKollegen
GeorgLohnsdorfer,JoachimPiepenbrockundMatthiasKlein‐Lassekfürdieerfolgreiche
ZusammenarbeitbeiCTCStadedanken.MeinenElternundmeinemBruderdankeichvon
ganzemHerzenfürdiefürdiebedingungsloseUnterstützungundFörderungaufmeinem
Lebensweg.MeinbesondererDankgiltmeinerFreundinSusanne,diefürmichMotiva‐
tion,UnterstützungundAblenkungzugleichwar.
Bremen,März2014 MichaelLütjen
Zusammenfassung DererhöhteWettbewerbsdruckstelltdieUnternehmenvorgroßeHerausforderun‐
genhinsichtlichihrerInnovationsfähigkeit,ProduktqualitätundWirtschaftlichkeit.Neue
Fertigungstechnologienund–materialienbietendieMöglichkeit,sichvonanderenMarkt‐
teilnehmernzudifferenzierenundWettbewerbsvorteilezurealisieren.Mitsteigendem
Technologiereifegrad sinkt das wirtschaftliche Risiko und die Prozessautomatisierung
mitdemZielderKostenreduzierunggewinntanBedeutung.GenauindiesemStadiumbe‐
findetsichaktuelldieCFK‐Technologie,welchedenEinsatzvoncarbonfaserverstärkten
Kunststoffen(CFK)zurRealisierungvonhocheffizientenLeichtbaukonzeptenbeschreibt.
Der Vorreiter im Einsatz der CFK‐Technologie war die Luftfahrtindustrie, welche zu‐
nächst sehr kostenintensiv einzelne Bauteile aus CFK gefertigt hat. Mittlerweile ist ein
Technologiereifegrad erreicht, welcher den wirtschaftlichen Einsatz auch für größere
StrukturensowieinanderenBranchen,wiez. B.derAutomobilindustrie,erlaubt.Diese
weitergehende Industrialisierung der CFK‐Technologie stellt aber nicht nur die Ferti‐
gungs‐ und Automatisierungstechnik vor neue Herausforderungen, sondern verlangt
aucheineweitergehendeVerbesserungdesgesamtenProduktentstehungsprozesses.Erst
durch den Einsatz standardisierter Planungswerkzeuge und –methoden lässt sich das
wirtschaftlichePotenzialderCFK‐Technologieeffizientausschöpfen.
Mit dem Schwerpunkt der integrierten Fertigungs‐ und Logistikplanung zielt diese
ArbeitaufeineverbesserteAuslegungvonProzessabläufenundProduktionssystemenim
RahmenderDigitalenFabrikmittels(teil‐)automatischerGenerierungvonSimulations‐
modellenab.HierzuwirdaufderBasiseinerAnforderungsanalyseeineigenesModellie‐
rungskonzept entwickelt, welches die digitale Produktionsentwicklung im Kontext der
CFK‐Serienfertigungrealisiert.WesentlicheHerausforderungistdabeiderUmgangmit
PlanungsunsicherheitenaufgrundderNeuartigkeitderFertigungstechnologiesowieeine
hohe Materialflusskomplexität aufgrund der Existenz von Integralbauweisen, Werk‐
zeugumläufen, Autoklavprozessen und hohen Qualitätsanforderungen. Aktuelle Pla‐
nungs‐ und Modellierungswerkzeuge können dabei weder die Planungsunsicherheiten
nochdiehoheMaterialflusskomplexitätsoabbilden,dasseineweitergehendeUntersu‐
chungdesmodelliertenProduktionssystemsmitMittelnderMaterialflusssimulationdi‐
rektmöglichist.DiesesPrinzipder(teil‐)automatischenGenerierungvonSimulationsmo‐
dellenbildetnebenderUmsetzungderanwendungsspezifischenAnforderungendiezent‐
raleHerausforderungdieserArbeit.
DasErgebnisisteineigenesModellierungskonzept,fürdaseinentsprechendesFab‐
rikdatenmodell mit graphischer Modellrepräsentation entwickelt wurde. Die Modellre‐
präsentation basiert auf dem Entwurf einer eigenen domänenspezifischen Modellie‐
rungssprache, die eine materialfluss‐ und simulationsgerechte Modellierung von Ferti‐
gungs‐undLogistikprozessenermöglicht.EingebundenineinVorgehensmodellundun‐
terVerwendungeineshierarchischenModellaufbaus,wirddasProduktionssystemmit‐
tels acht Modellebenen definiert. Um etwaigen Planungsunsicherheiten aufgrund der
NeuartigkeitderFertigungstechnologiesowiederVergrößerungdesLösungsraumsauf‐
grundderMöglichkeitzurIntegralbauweisebegegnenzukönnen,lassensichimSinnedes
Variantenprinzips auf jeder Modellebene alternative Produktionsszenarien definieren
undausgestalten.DieBewertungdereinzelnenProduktionsszenarienerfolgtmittelsMa‐
terialflusssimulation unter Verwendung eines Prozesskostenansatzes, wobei die
(teil‐)automatischeGenerierungvonSimulationsmodellendirektausdemFabrikdaten‐
modell im Rahmen dieser Arbeit realisiert wurde. Das gesamte Modellierungskonzept
wurdeineinemSoftwareprototpyenumgesetztundanhandeinesAnwendungsbeispiels
aus dem CFK‐Bereich evaluiert. Zudem wurden beispielhaft 18 verschiedene Material‐
fluss‐undSteuerungsfunktionen(Bauteilsortierung,Kanban‐System,etc.)modelliert,um
dieallgemeineEignungdesModellierungskonzeptszurAbbildungvonmaterialflusskom‐
plexen Produktionssystemen aufzuzeigen. Mittels des entwickelten Modellierungskon‐
zeptswurdesomiteinegrundlegendeMethodezurintegriertenPlanungundSimulation
vonProduktionsszenariengeschaffen,dieamBeispielderCFK‐Serienfertigungentwickelt
wurde,aberdarüberhinausineinerVielzahlmaterialflusskomplexerAnwendungsberei‐
cheVerwendungfindenkann.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis...........................................................................................V Tabellenverzeichnis...............................................................................................XI Abkürzungsverzeichnis.....................................................................................XIII 1 Einleitung.............................................................................................................1 1.1 ProblemstellungundMotivation................................................................................................1 1.2 ZielstellungundAbgrenzung.......................................................................................................3 1.3 AufbauderArbeit..............................................................................................................................5 2 AusgangssituationundAnforderungsanalyse........................................7 2.1 AspektederProduktentwicklungvonCFK‐Bauteilen......................................................7 2.1.1 EigenschaftencarbonfaserverstärkterKunststoffe(CFK)..................................8 2.1.2 EinsatzvonCFK‐BauteileninderLuftfahrtindustrie............................................9 2.2 ElementedigitalerProduktionsentwicklung......................................................................11 2.3 Arbeitsablauf‐undArbeitsmittelplanung............................................................................15 2.4 Arbeitsstättenplanung..................................................................................................................20 2.5 Logistikplanung...............................................................................................................................24 2.6 ZusammenfassungderAnforderungenandasModellierungskonzeptzur
digitalenCFK‐Produktionsentwicklung................................................................................34 II Inhaltsverzeichnis
3 ModellbildungundSimulation..................................................................37 3.1 BegrifflicheBestimmungdesModellierungskonzepts...................................................37 3.2 GenerierungvonSimulationsmodellen.................................................................................39 3.2.1 GrundlagenundZielederSimulationsmodellgenerierung...............................39 3.2.2 VorgehensweisebeiderSimulationundModellgenerierungsansätze........42 3.2.3 GültigkeitsprüfungvonModellen.................................................................................44 3.2.4 WissenschaftlicherStandderSimulationsmodellgenerierung.......................46 3.3 UntersuchunggraphischerMethodenzurProzess‐und
Materialflussmodellierung..........................................................................................................51 3.3.1 VDI‐Richtlinie3300............................................................................................................53 3.3.2 Wertstromdesign(WSD)..................................................................................................55 3.3.3 Produkt‐Prozess‐Ressource(PPR‐Prinzip).............................................................57 3.3.4 EreignisgesteuerteProzessketten(EPK)..................................................................59 3.3.5 BusinessProcessModelingNotation(BPMN)........................................................61 3.3.6 Kommunikationsstrukturanalyse(KSA)...................................................................63 3.3.7 SystemsModelingLanguage(SysML)........................................................................65 3.3.8 ZusammenfassungundkritischeAnalyse................................................................68 3.4 ExemplarischeGegenüberstellungvonImplementierungslösungenzur
Geschäftsprozess‐undMaterialflusssimulation................................................................69 3.4.1 ModellgenerierungundSimulationmitBTCBonapart......................................69 3.4.2 ModellgenerierungmitTECNOMATIXProcessDesignerund
MaterialflusssimulationmitTECNOMATIXPlantSimulation..........................71 3.5 ZusammenfassungundGestaltungsansätzefüreinganzheitliches
Modellierungskonzept..................................................................................................................73 4 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA.........................77 4.1 SpezifikationdesVorgehensmodells......................................................................................77 4.1.1 ÜbergeordnetesPhasenkonzeptunterEinbindungder
Simulationsmodellgenerierung.....................................................................................78 4.1.2 HierarchischerModellaufbauundBildungvonKonzeptvarianten...............79 4.1.3 PlanungsablaufderdigitalenProduktionsentwicklung.....................................80 4.2 GestaltungdesSichtenkonzepts...............................................................................................82 Inhaltsverzeichnis III
4.2.1 DefinitionderObjektklassen..........................................................................................84 4.2.2 SpezifikationderSichtenmiteinfacherObjektzuordnung...............................87 4.2.3 SpezifikationderSichtenmitgraphischerNotation............................................89 4.3 ModellierunggrundlegenderMaterialfluss‐undSteuerungsfunktionen...............99 4.3.1 FunktionendesMaterialflusses.................................................................................100 4.3.2 FunktionenderAuftragssteuerung..........................................................................108 5 PrototypischeImplementierungvonGRAMOSA...............................115 5.1 BeschreibungdesSoftwarekonzepts..................................................................................115 5.2 EntwurfdesFabrikdatenmodellsfürdiezentraleDatenbanklösung...................117 5.3 VorstellungdergrafischenBenutzeroberflächeinMSAccess.................................118 5.4 EntwicklungderSimulationsumgebunginTECNOMATIXPlantSimulation.....121 6 EvaluierungdesModellierungskonzeptsanhandeines
Anwendungsbeispiels.................................................................................125 6.1 BeschreibungderFertigungsaufgabe.................................................................................125 6.2 ModellierungdesAnwendungsbeispiels...........................................................................127 6.2.1 ModellierungderFertigungskonzepts....................................................................127 6.2.2 ModellierungdesOrganisationskonzeptsundDurchführungder
Grobdimensionierung.....................................................................................................129 6.2.3 ModellierungdesMaterialflusskonzepts...............................................................131 6.2.4 ModellierungdesLayoutkonzeptsunterEinsatzdes
Materialflussschemas.....................................................................................................134 6.2.5 ModellierungdesSteuerungskonzepts...................................................................135 6.3 Modellgenerierungund–auswertung.................................................................................138 6.4 BewertungdesAnwendungsnutzens..................................................................................142 7 ZusammenfassungundAusblick.............................................................147 Literaturverzeichnis..........................................................................................153 Anhang....................................................................................................................169
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Automatische Generierung von Simulationsmodellen aus Fabrikdatenmodellen .......................................................................................... 3 Abbildung 2: Wertmäßiger Anteil der Branchen am CFK‐Komponentenmarkt (weltweit) nach SCHUSTER [37] ............................................................................................. 10 Abbildung 3: Beispiel von CFK‐Rumpfsektionen im Airbus A350‐900 (Quelle: Premium AEROTEC GmbH) ............................................................................................... 10 Abbildung 4: Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik (vgl. GAUSEMEIER [24] und PETZELT ET AL. [46]) .............................................................................................. 13 Abbildung 5: Iterativer Planungsprozess der Produktionsentwicklung (vgl. GAUSEMEIER [24] und GRUNDIG [54]) .................................................................... 14 Abbildung 6: Generierung von Prozessfolgen im Rahmen der Arbeitsplanerstellung (vgl. EVERSHEIM [17] und TROMMER [58]) ............................................................. 16 Abbildung 7: Portfolio von CFK‐Fertigungsverfahren (vgl. DRECHSLER [61] und FERKEL ET AL. [33]) ................................................................................................ 17 Abbildung 8: a) AFP ‐ Automated Fiber Placement System (Quelle: Premium AEROTEC GmbH); b) Autoklav (Quelle: INDUSTRIAL OLMAR S.A.) ................................... 18 Abbildung 9: Prozess der Arbeitsstätten‐/Fabrikplanung nach GRUNDIG [54] ........................ 20 Abbildung 10: Organisationstypen der Fertigung nach KIENER ET AL. [68] ................................. 21 Abbildung 11: Abbildungsgüte und Zeitaufwand von Analyse und Dimensionierungsmethoden nach RALL [72] ..................................................... 23 Abbildung 12: Ebenen und Strukturen in der Fabrik nach SCHENK [73] .................................... 23 VI Abbildungsverzeichnis
Abbildung 13: Ablauf der Logistikplanung (vgl. SCHEDLBAUER [74], SCHNEIDER [75] und SCHOLZ‐REITER ET AL. [76]) .................................................................................... 25 Abbildung 14: Anwendung verschiedener Modellarten in Abhängigkeit vom Abstraktionsgrad (vgl. SCHENK ET AL. [73]) .......................................................... 27 Abbildung 15: Zusammenhang zwischen Produktentstehungs‐ und Auftragsabwicklungsprozess (vgl. ARNOLD ET AL. [83]) ....................................... 28 Abbildung 16: Konzepte zur Produktionsplanung und ‐steuerung in Abhängigkeit von Fertigungstyp und Produktevielfalt (vgl. SCHÖNSLEBEN [85]) ............................. 29 Abbildung 17: Produktionssteuerung mit Leitstandkonzept (vgl. BERGMANN ET AL. [86], LÖDDING [87], SCHÖNSLEBEN [85], SELKE [88]) ........................................................ 30 Abbildung 18: Prinzipskizze der auftretenden Materialflüsse in der CFK‐Fertigung am Beispiel der Prepreg‐Autoklav‐Technik ............................................................ 32 Abbildung 19: Zusammenhang zwischen Detaillierungsgrad und Simulationsergebnis (vgl. KORMARNICKI [115]) ..................................................................................... 40 Abbildung 20: Zeitanteile einer Simulationsstudie (vgl. BAIER ET AL.[116]) .............................. 41 Abbildung 21: Vorgehensmodell zur Simulation mit Ansätzen der (teil‐)automatischen Modellgenerierung (vgl. WENZEL [118]) ............................................................ 43 Abbildung 22: Einordnung von Techniken zur Verifikation und Validierung nach dem Grad der Subjektivität nach RABE ET AL. [125] ............................................................ 46 Abbildung 23: Ausgewählte graphische Modellierungsmethoden aus den Bereichen Produktion/Logistik, Geschäftsprozessmanagement und Informatik (vgl. PITSCHKE [144] und SCHNEIDER ET AL. [145]) .......................................................... 52 Abbildung 24: Gesamt‐ und Einzelnutzwerte ausgewählter Modellierungsmethoden nach SCHNEIDER ET AL. [145] ......................................................................................... 53 Abbildung 25: Materiaflussdiagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses nach VDI‐Richtlinie 3300 ........................................................................................... 54 Abbildung 26: Wertstromdiagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses (LEANPILOT) ...................................................................................................... 56 Abbildung 27: PPR‐Ansicht eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses (TECNOMATIX Process Designer) ............................................................................................. 57 Abbildung 28: PERT‐Diagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses (TECNOMATIX Process Designer) ..................................................................... 58 Abbildung 29: Darstellung des Fertigungskonzepts eines exemplarischen CFK‐
Fertigungsprozesses (DELMIA Process Engineer) ............................................. 58 Abbildung 30: EPK‐Diagramm (Materialfluss) eines exemplarischen CFK‐Fertigungs‐ prozesses .......................................................................................................... 60 Abbildungsverzeichnis VII
Abbildung 31: BPMN‐Prozessdiagramm für einen exemplarischen CFK‐Fertigungsprozess... 62 Abbildung 32: KSA‐Prozessdiagramm für einen exemplarischen CFK‐Fertigungsprozess (BTC Bonpart) .................................................................................................... 64 Abbildung 33: SysML‐Sequenzdiagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses .... 66 Abbildung 34: Übersicht zur Einordnung des eigenen Modellierungsansatzes „GRAMOSA“ ...................................................................................................... 74 Abbildung 35: Übergeordnetes Phasenkonzept zur digitalen Produktionsentwicklung unter Einsatz der (teil‐)automatischen Modellgenerierung ............................. 78 Abbildung 36: Schema für den hierarchischen Modellaufbau und die Bildung von Konzeptvarianten im Rahmen der Modellbildung ........................................... 79 Abbildung 37: Ergebnisorientierter Planungsablauf der integrierten Fertigungs‐ und Logistikplanung mit Schwerpunkt der Modellbildung ...................................... 81 Abbildung 38: Übersicht der im Modellierungskonzept verwendeten Sichten ....................... 83 Abbildung 39: Sichtenübergreifendes Metamodell im UML‐Format ...................................... 84 Abbildung 40: UML‐Klassendiagramm für die Projektsicht ..................................................... 87 Abbildung 41: UML‐Klassendiagramm für die Produktsicht .................................................... 88 Abbildung 42: UML‐Klassendiagramm für die Organisationssicht ........................................... 88 Abbildung 43: UML‐Klassendiagramm für die Simulationssicht .............................................. 89 Abbildung 44: UML‐Klassendiagramm der Fertigungssicht ..................................................... 90 Abbildung 45: Notationselemente der Fertigungssicht ........................................................... 91 Abbildung 46: Modellierungsbeispiel der Fertigungssicht ....................................................... 92 Abbildung 47: UML‐Klassendiagramm der Materialflusssicht ................................................. 92 Abbildung 48: UML‐Klassendiagramm des Materialflussobjekts ............................................ 93 Abbildung 49: Notationselemente der Materialflusssicht ....................................................... 93 Abbildung 50: Modellierungsbeispiel der Materialflusssicht ................................................... 94 Abbildung 51: UML‐Klassendiagramm der Steuerungssicht .................................................... 95 Abbildung 52: Notationselemente der Steuerungssicht .......................................................... 95 Abbildung 53: Modellierungsbeispiel der Steuerungssicht ..................................................... 96 Abbildung 54: UML‐Klassendiagramm des Layouts ................................................................. 97 Abbildung 55: Modellierungsbeispiel des Layouts ................................................................... 97 Abbildung 56: UML‐Klassendiagramm des Materialflussschemas .......................................... 98 Abbildung 57: a) Notationselemente; b) Modellierungsbeispiel des Materialfluss‐ schemas ............................................................................................................ 99 VIII Abbildungsverzeichnis
Abbildung 58: Beispielhafte Modellierung der Funktion Verbund schaffen ......................... 100 Abbildung 59: Beispielhafte Modellierung der Funktion Bearbeiten .................................... 101 Abbildung 60: Beispielhafte Modellierung der Funktionen Handhaben, Transport und Unstetigfördern .............................................................................................. 101 Abbildung 61: Beispielhafte Modellierung der Funktion Stetigfördern ................................ 102 Abbildung 62: Beispielhafte Modellierung der Funktion Verbund auflösen ......................... 102 Abbildung 63: Beispielhafte Modellierung der Funktion Sammeln ....................................... 103 Abbildung 64: Beispielhafte Modellierung der Funktion Verteilen ....................................... 104 Abbildung 65: Beispielhafte Modellierung der Funktion flexible bestandsabhängige Losgröße ......................................................................................................... 105 Abbildung 66: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Objektklasse ................................................................................................... 105 Abbildung 67: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Objektstatus ................................................................................................... 106 Abbildung 68: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Fehlerklassen .................................................................................................. 107 Abbildung 69: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Qualitätskennzahl ........................................................................................... 108 Abbildung 70: Grundlegende Funktionen der Auftragssteuerung ........................................ 109 Abbildung 71: Beispielhafte Modellierung der Funktion bestandsorientierte Auftragserzeugung bei KANBAN‐Steuerung .................................................. 110 Abbildung 72: Beispielhafte Modellierung der Funktion Auftragsfreigabe bei CONWIP‐
Steuerung ....................................................................................................... 111 Abbildung 73: Beispielhafte Modellierung der Funktion Reihenfolgebildung von Prozessaufträgen ............................................................................................ 112 Abbildung 74: Beispielhafte Modellierung der Funktion Ressourcenauswahl von Prozessaufträgen (Queue Length Estimator) ................................................. 112 Abbildung 75: Beispielhafte Modellierung der Funktion Ressourcenauswahl von Prozessaufträgen (zufallsbasiert) ................................................................... 113 Abbildung 76: Beispielhafte Modellierung der Funktion Durchlaufzeitberechnung von Fertigungsaufträgen ....................................................................................... 114 Abbildung 77: Darstellung des Softwarekonzepts ................................................................. 116 Abbildung 78: Darstellung des Fabrikdatenmodells unter Zuordnung der Konzept‐ varianten ......................................................................................................... 117 Abbildung 79: Grafische Benutzeroberfläche zur Szenarioverwaltung ................................. 118 Abbildungsverzeichnis IX
Abbildung 80: Grafische Benutzeroberfläche zur Modellierung ............................................ 119 Abbildung 81: Grafische Benutzeroberfläche für die Layouterstellung ................................. 120 Abbildung 82: Grafische Benutzeroberfläche zur Auswertung .............................................. 120 Abbildung 83: Aufbau der Simulationsumgebung ................................................................. 121 Abbildung 84: Netzwerk „Datenverwaltung“ in der Simulationsumgebung ......................... 122 Abbildung 85: Netzwerk „Kontrollflussebene“ in der Simulationsumgebung ....................... 123 Abbildung 86: Netzwerk „Materialflussebene“ in der Simulationsumgebung ...................... 124 Abbildung 87: Legeform für die Herstellung der Seitenschalen der Sektion 16‐18 des Airbus A350 XWB (Quelle: Premium AEROTEC GmbH) .................................. 126 Abbildung 88: Darstellung des Produktkonzepts im Baumdiagramm ................................... 126 Abbildung 89: Erstellung des Fertigungskonzepts im Baumdiagramm.................................. 128 Abbildung 90: Graphische Repräsentation des Fertigungskonzepts ..................................... 129 Abbildung 91: Erstellung des Organisationskonzepts im Baumdiagramm ............................ 130 Abbildung 92: Graphische Repräsentation des Materialflusskonzepts (Teil 1) ..................... 132 Abbildung 93: Graphische Repräsentation des Materialflusskonzepts (Teil 2) ..................... 133 Abbildung 94: Materialflussschema des Anwendungsbeispiels ............................................ 134 Abbildung 95: Anordnung der Organisationseinheiten im Blocklayout ................................ 134 Abbildung 96: Graphische Repräsentation des Steuerungskonzepts (Teil 1) ........................ 135 Abbildung 97: Graphische Repräsentation des Steuerungskonzepts (Teil 2) ........................ 136 Abbildung 98: Graphische Repräsentation des Steuerungskonzepts (Teil 3) ........................ 137 Abbildung 99: Vergleich der Simulationsszenarien Auftragskosten und Durchlaufzeit ........ 142 Abbildung 100: Aufbau des 3x3‐Maschinemodells (vgl. SCHOLZ‐REITER ET AL. [186]) ............... 145 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht der Anforderungen an das Modellierungskonzept ................................. 35 Tabelle 2: Klassifikation der in dieser Arbeit angestrebten Modellgenerierungslösung ......... 47 Tabelle 3: Bewertung der VDI‐Richtlinie 3300 ......................................................................... 55 Tabelle 4: Bewertung des Wertstromdesigns .......................................................................... 56 Tabelle 5: Bewertung des PPR‐Prinzips .................................................................................... 59 Tabelle 6: Bewertung der ereignisgesteuerten Prozesskette (EPK) ......................................... 61 Tabelle 7: Bewertung der Business Process Modeling Notation (BPMN) ................................ 62 Tabelle 8: Bewertung der Kommunikationsstrukturanalyse (KSA) .......................................... 65 Tabelle 9: Bewertung der Systems Modeling Language (SysML) ............................................. 67 Tabelle 10: Auswertung der Untersuchung graphischer Methoden zur Prozess‐ und Materialflussmodellierung .................................................................................... 68 Tabelle 11: Bewertung der Geschäftsprozesssimulation in BTC Bonapart .............................. 71 Tabelle 12: Bewertung der Materialflusssimulation in TECNOMATIX Plant Simulation .......... 73 Tabelle 13: Ergebnisse der Grobdimensionierung ................................................................. 130 Tabelle 14: Eingangswerte für die vollfaktorielle Versuchsplanung ...................................... 138 Tabelle 15: Ergebnisse der Korrelationsanalyse ..................................................................... 139 Tabelle 16: Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse mittels linearer Regression......................... 141 Abkürzungsverzeichnis ARIS
ArchitekturintegrierterInformationssysteme
ASME
AmericanSocietyofMechanicalEngineers
BPMN
BusinessProcessModelingNotation
CAD
ComputerAidedDesign
CAM
ComputerAidedManufacturing
CAP
ComputerAidedPlanning
CAPP
ComputerAidedProcessPlanning
CFK
carbonfaserverstärkterKunststoff
CMSD
CoreManufacturingSimulationData
DES
DiscreteEventSimulation
DIN
DeutschesInstitutfürNormung
DPE
DelmiaProcessEngineer
EDV
ElektronischeDatenverarbeitung
EPK
EreignisgesteuerteProzesskette
ERP
EnterpriseResourcePlanning
FEM
Finite‐Elemente‐Methode
FIFO
Firstin,FirstOut
FMEA
FailureModeandEffectsAnalysis
GRAMOSA
GraphischeModellierungundsimulationstechnischeAnalyse
KSA
Kommunikationsstrukturanalyse
LIFO
Lastin,FirstOut
MES
ManufacturingExecutionSystem
XIV Abkürzungsverzeichnis
MFO
Materialflussobjekt
MPS
MasterProductionSchedule
MRPII
ManufacturingResourcePlanning
MTBF
Mean‐Time‐between‐Failure
MTTR
Mean‐Time‐to‐Repair
NC/RC
NumericalControl
ODBC
OpenDatabaseConnectivity
OMG
ObjectManagementGroup
PD
ProcessDesigner
PDM
Produktdatenmanagement
PLM
Product‐Lifecycle‐Management
PPR
Produkt,Prozess,Ressource
PPS
Produktionsplanungund‐steuerung
Prepreg
PREimPREGnatedsheetmaterials
QKZ
Qualitätskennzahl
SCOR
SupplyChainOperationsReference
SDX
SimulationDataExchange
SISO
SimulationInteroperabilityStandardsOrganization
STEP
StandardfortheExchangeofProductModelData
SysML
SystemsModelingLanguage
UD‐Gelege
unidirektionalesGelege
UML
UnifiedModelingLanguage
VDI
VereindeutscherIngenieure
WS‐BPEL
WS‐BusinessProcessExecutionLanguage
WSD
Wertstromdesign
XPDL
XMLProcessDefinitionLanguage
1 Einleitung DiesesKapitelführtindieThematikderArbeitein,indemzunächstProblemstellung
undMotivationerörtertwerden.DaraufaufbauendwirddieZielstellungdefiniertundge‐
genüberalternativenFragestellungenabgegrenzt.WeiterhinwirdeinÜberblickzumAuf‐
bauderArbeitgegebenunddieeinzelnenKapitelinhaltewerdenvorgestellt.
1.1 Problemstellung und Motivation ZurRealisierungvonLeichtbaukonzeptenkommenspezielleWerkstoffezumEinsatz,
die hohe gewichtsspezifische Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen. Einer dieser
Werkstoffe wird als CFK bezeichnet, was einen carbonfaserverstärkten Kunststoff be‐
schreibt.ObwohlschonseitMitteder1980erJahreverschiedeneEinzelteileausCFKin
Seriegefertigtwurden,erlebtdasMaterialalsWerkstofferstjetztseinenDurchbruch[1].
JenachAuslegungkönnenCFK‐BauteilewesentlichleichterseinalsvergleichbareAlumi‐
nium‐oderStahlstrukturen[2].GeradeimHochtechnologiebereich,fürz. B. Flugzeuge,
Züge,AutomobileundLKW,werdendeshalbderEinsatzunddieEntwicklungvonCFK‐
Strukturenforciert[3].AufgrundhöhererEnergiekosten,verstärktemUmweltbewusst‐
seinundderWeiterentwicklungderCFK‐FertigungstechnologiewerdenBauteileausCFK
trotzhoherMaterial‐undFertigungskostenzunehmendbesserwirtschaftlichrealisier‐
bar.NebenverändertenKonstruktionsgrundsätzenbestehendieaktuellenHerausforde‐
rungeninderweitergehendenAutomatisierungundbesserenAuslegbarkeitderCFK‐Fer‐
tigung[4].AufgrundderimVergleichzurMetallverarbeitungrelativjungenFertigungs‐
technologieundderMöglichkeitzurIntegralbauweisebzw.Funktionsintegrationsteigt
diePlanungsunsicherheitundderLösungsraumvergrößertsich.Entsprechendmüssen
fürdieCFK‐SerienfertigungspezifischeMethodenundWerkzeugefürdengesamtenPro‐
zessderProduktentstehungadaptiertoderneuentwickeltwerden[5].
2 Einleitung
Ein grundsätzliches Dilemma derProduktentwicklung besteht in der Festlegung be‐
stimmterProduktmerkmalezueinemZeitpunkt,beidemdiedarausresultierendenEi‐
genschaftenwieZuverlässigkeit,WartungsfreundlichkeitundHerstellkostennochkaum
ermitteltwerdenkönnen[6].MitderintegriertenProdukt‐undProduktionsentwicklung
existierteinAnsatz,dereineparalleleGestaltungvonProduktundProzessverfolgt,um
fertigungstechnischeAspektefrühzeitigindieProduktgestaltungeinfließenzulassenund
somitAbstimmungsproblemezureduzieren.ZurUnterstützungderProduktionsentwick‐
lungkanndabeiaufdasKonzeptderDigitalenFabrikzurückgegriffenwerden,welches
mittelseinerzentralenDatenbanklösungdieAbbildungvonProduktionsprozessenund
‐systemeninentsprechendenFabrikdatenmodellenerlaubt.EinFabrikdatenmodelldefi‐
niertrelevanteFabrikobjekte(Gebäude,Organisationseinheiten,Betriebsmittel,etc.)so‐
wiederenObjektattributeundstrukturiertdieseunterBerücksichtigungvonProzessbe‐
ziehungen in einem ganzheitlichen Datenmodell. Mit Schwerpunkt der 3D‐Darstellung
findensicheineReihekommerziellerSoftwareanwendungen,wiez.B.vonDELMIAoder
TECNOMATIX,dieeineentsprechendeAusgestaltungvonMontageprozessenimRahmen
derSerienproduktionermöglichen[7].ImHinblickaufdiedigitaleProduktionsentwick‐
lungeinerCFK‐Serienfertigungzeigtsichjedoch,dassgeradeinderGrobplanungsphase
die Funktionen bestehender Softwareanwendungen der Digitalen Fabrik nicht ausrei‐
chen,umeinefrühzeitigeIntegrationlogistischerAspekteindieFertigungsplanungzuer‐
reichen. Während sequenzielle Prozessfolgen (1:1‐Relation der Vorgänger‐Nachfolger‐
Beziehung) in digitaler Fabriksoftware weitestgehend beschrieben werden können, ist
diesfürkomplexereProzessabläufeundMaterialflüssenichtmöglich.Dabeicharakteri‐
siertsichderAnwendungsbereichderCFK‐SerienfertigungdurchkomplexeFertigungs‐
undLogistikabläufemiteinemverstärktenEinsatzvonFertigungshilfsmittelnundent‐
sprechendenWerkzeugumläufen.EntsprechendkommteshierzuBeschreibungsproble‐
men,welchenebenderPlanbarkeitauchdieDokumentier‐undKommunizierbarkeitbe‐
einträchtigen.ZudementziehensichsolchekomplexenSystemeweitestgehenddemEin‐
satzanalytischerMethoden,umzumBeispielUmlauf‐,DurchlaufzeitenundBetriebsmit‐
telbedarfezubestimmen[8].Entsprechendisteserforderlich,dieUntersuchungundAus‐
gestaltung dieser Produktionssysteme mittels Materialflusssimulation durchzuführen.
BeidenaktuellenAnsätzendigitalerFabriksoftwareistdieÜbertragbarkeitderPlanungs‐
modelleineineMaterialflusssimulationbeikomplexerenProzessabläufenaufgrundder
verwendeten Fabrikdatenmodelle nicht möglich [9]. Entsprechend formuliert sich fol‐
gendeProblemstellung:
Problemstellung:
„Die Fabrikdatenmodelle aktueller digitaler Fabriksoftware reichen nicht aus, um
denAnforderungenderCFK‐SerienfertigunganeineganzheitlicheAbbildungmate‐
rialflusskomplexerProduktionsabläufeimRahmenderGrobplanunggerechtzuwer‐
den.EntsprechendkommtesvordemHintergrundderNeuartigkeitderCFK‐Tech‐
nologiezuPlanungs‐,Dokumentations‐undKommunikationsproblemensowieeiner
starkenBeeinträchtigunghinsichtlichderNutzungvonSimulationstechnik.“
ZielstellungundAbgrenzung 3
1.2 Zielstellung und Abgrenzung DiedigitaleProduktionsentwicklungeinerCFK‐Serienfertigungsiehtsichzahlreichen
Herausforderungen gegenübergestellt, die eine detaillierte Abbildung sowohl der Pro‐
duktionsabläufealsauchderMaterialflussstruktureninFormeinergraphischenModell‐
repräsentationerfordern,umeinehoheKommunizierbarkeitderPlanungsinhaltezuge‐
währleisten[10].ImRahmendieserArbeitwerdendeshalbausgehendvoneinerAnfor‐
derungsanalyseverschiedeneMethodendergraphischenProzess‐undMaterialflussmo‐
dellierung,wiez. B.EPKoderBPMN,aufihreVerwendbarkeitimSinneeinermaterial‐
flussgerechtenProzessmodellierunghinuntersucht.Aufdiefertigungs‐undverfahrens‐
technische Prozessmodellierung im Sinne der rechnergestützten Arbeitsplanung (engl.
computeraidedprocessplanningCAPP)wirddabeimitVerweisaufdiematerialflussori‐
entierteAufgabenstellungderArbeitverzichtet.AusgehendvondergraphischenModell‐
repräsentationsolldieMöglichkeitzurNutzungderModelldatenineinernachfolgenden
Materialflusssimulationbestehen.DiesesKonzeptder(teil‐)automatischenModellgene‐
rierungbesitztdenVorteil,dassaufgrundderintegriertenDatennutzungdeutlichezeitli‐
cheEinsparungengegenübermanuellenÜbertragungenvorhandensindundsichdieAn‐
zahlvonÜbertragungsfehlernreduziert(Abbildung1).
automatische
Modellgenerierung
Fabrikdatenmodell
Aufgaben‐
spezifi‐
kation
Konzept‐
modell
Formal‐
modell
Bausteinbasierte Materialflusssimulation
Ausführ‐
bares Modell
Simulations‐
ergebnis
Abschluss‐
doku‐
menation
Abbildung 1: Automatische Generierung von Simulationsmodellen aus Fabrikdaten‐
modellen Die(teil‐)automatischeModellgenerierungbzw.‐transformationisteinaktuellerEnt‐
wicklungstrendderDigitalenFabrikundbefindetsichseitwenigenJahreninderwissen‐
schaftlichenDiskussion.BislangkönnenimProduktionsbereichsowohlinwissenschaft‐
lichenSoftwareprototpyenalsauchinkommerziellerdigitalerFabriksoftwarenureinfa‐
chesequenzielleProzessfolgenumgesetztwerden[11],[12],[13].Einematerialflussge‐
rechteAbbildungkomplexerProzessabläufemittelsgraphischerModellrepräsentationist
nichtmöglich.EntsprechendisteineÜbertragbarkeitdieserAnsätzeaufdieDomäneder
CFK‐SerienfertigungmitihrenkomplexenProzessabläufennichtgegebenundesformu‐
liertsichfolgendeForschungshypothese:
4 Einleitung
Forschungshypothese:
„Bei einer ganzheitlichen Abbildung von Produktionsabläufen und Materialfluss‐
strukturen wird es möglich, (teil‐)automatisch Simulationsmodelle zu generieren
undsomiteineneffizientenEinsatzderSimulationstechnikzurBewertungalternati‐
verProduktionsszenarienimRahmenderCFK‐Serienfertigungzurealisieren.“
Nebender(teil‐)automatischenGenerierungvonSimulationsmodellenverbindensich
mitdemModellierungskonzeptnochweitereTeilziele,umdenAnforderungenderCFK‐
SerienfertigungimUmgangmitPlanungsunsicherheitenundgroßenLösungsräumenge‐
rechtzuwerden.DiePlanungsunsicherheitenentstehenddurchdieNeuartigkeitderFer‐
tigungstechnologieunddieLösungräumevergrößernsichdurchdieMöglichkeitzurIn‐
tegralbauweise.DurcheinverbessertesModellmanagementbestehtderAnspruch,alter‐
nativeProduktionsszenarieneffizienterverwaltenzukönnenundzudemdieindenFab‐
rikdatenmodellenhinterlegtenPlanungsdatenauchzurModelldokumentationzunutzen.
Allgemein geht es beim Modellmanagement um die Idee, dass Modelle sowie entspre‐
chende Modellvarianten systematisch verwaltet werden [14], [15]. Die grundsätzliche
NotwendigkeitderDokumentationvonComputermodellenwurdeschonvorüber20Jah‐
ren erkannt [16]. Ohne entsprechende Modelldokumentation ist es nicht möglich, ein
komplexeresSimulationsmodelleffizientnachzuvollziehen.DurchdieimRahmendieser
Arbeit zu entwickelnde graphische Modellrepräsentation des Fabrikdatenmodells wer‐
den Produktionsabläufe, Materialflussstrukturen und grundlegende Steuerungslogiken
schnellerfassbarundsomitgleichzeitigeinBeitragzurnachhaltigenModelldokumenta‐
tionvonSimulationsmodellengeleistet.
DesWeiterenwirdinAbgrenzungdieserArbeitzudeninderLiteraturbeschriebenen
Vorgehensmodellen aus den Bereichen der Arbeits‐ und Fertigungsplanung [17], [18],
[19],[20]sowiederMontageablaufplanung[21],[22]undderFabrikplanung[23],[24],
[25] ein eigenes Vorgehensmodell für das Modellierungskonzept sowie die integrierte
Fertigungs‐undLogistikplanungentworfen.ImErgebniswirdamBeispielderCFK‐Seri‐
enfertigungeinganzheitlichesModellierungskonzeptzurdigitalenProduktionsentwick‐
lung geschaffen, welches die Planungsqualität nachhaltig durch den effizienten Einsatz
vongraphischenModellierungstechnikeninVerbindungmitMethodenderMaterialfluss‐
simulationundModellgenerierungsteigert.
Forschungsziel:
„Als zentrales Forschungsziel wird die Entwicklung eines Fabrikdatenmodells mit
graphischer Modellrepräsentation für die integrierte Planung und Simulation von
materialflusskomplexenProduktionsszenarien imKontext derCFK‐Serienfertigung
angestrebt, welches eingebunden in ein ganzheitliches Modellierungskonzept die
(teil‐)automatische Generierung von Simulationsmodellen unter Berücksichtigung
vonPlanungsunsicherheitenundgroßenLösungsräumenermöglicht.“
AufbauderArbeit 5
1.3 Aufbau der Arbeit DerAufbaudieserArbeitgliedertsichausgehendvonderEinleitunginsechsweitere
Kapitel.ImnachfolgendenKapitel2erfolgtdieBeschreibungderAusgangssituationund
die Durchführung der Anforderungsanalyse. Ausgehend von der Produktentwicklung
werdendiespezifischenEigenschaftendesWerkstoffsCFKsowiedessenEinsatzinder
Luftfahrtindustrie beschrieben. Zudem werden die Elemente digitaler Produktionsent‐
wicklungdefiniertunddabeiaufdasKonzeptderDigitalenFabrikeingegangen.Grund‐
sätzlichumfasstdieProduktionsentwicklungdiePhasenderArbeitsablauf‐,Arbeitsmit‐
tel‐,Arbeitsstätten‐undLogistikplanung,aufdieunterBerücksichtigungderAnforderun‐
gen der CFK‐Serienfertigung in einzelnen Unterkapiteln eingegangen wird. Das Kapitel
endetmitderZusammenfassungderspezifischenAnforderungenandasModellierungs‐
konzeptzurdigitalenCFK‐Produktionsentwicklung.
InKapitel3werdenwissenschaftlicheLösungsansätzefürdiedigitaleCFK‐Produkti‐
onsentwicklungimZusammenhangmitModellbildungundSimulationidentifiziert.Aus‐
gehendvonderbegrifflichenBestimmungdesModellierungskonzeptswirdderStandder
Technikzur(teil‐)automatischenModellgenerierungerarbeitetsowieeineersteKlassifi‐
kationderindieserArbeitangestrebtenModellgenerierungslösungvorgenommen.Des
WeiterenwerdenausgewähltegraphischeMethodenzurProzess‐undMaterialflussmo‐
dellierungimHinblickaufdieAnforderungenderCFK‐Serienfertigunghinuntersuchtund
bewertet.DieUntersuchunggehtdabeiimSchwerpunktaufdiegraphischeModellbildung
ein, während nachfolgend die exemplarische Gegenüberstellung von Geschäftsprozess‐
und Materialflusssimulation anhand spezifischer Softwarelösungen erfolgt. Das Kapitel
endetmitderBeschreibungdeseigenenGestaltungsansatzesfüreinganzheitlichesMo‐
dellierungskonzeptunterbesondererBerücksichtigungder(teil‐)automatischenModell‐
generierung.
DasKapitel4beschreibtdenindieserArbeitentwickeltenLösungsansatzinForm
deseigenenModellierungskonzeptsGRAMOSA.ZunächstwirddasVorgehensmodellspe‐
zifiziert,wobeidasPhasenkonzept,derhierarchischeModellaufbausowiederallgemeine
Planungsablaufbeschriebenwerden.ImZusammenhangmitdemhierarchischenModel‐
laufbauwerdendieMöglichkeitenzurBildungvonKonzeptvariantenimHinblickaufden
Umgang mit Planungsunsicherheiten und großen Lösungsräumen vorgestellt. Den
Schwerpunkt dieses Kapitels bildet die Spezifikation der einzelnen Sichten zur graphi‐
schenModellrepräsentation.InFormeinerdomänenspezifischenModellierungssprache
beinhaltetdiesdieDefinitioneinzelnerObjektklassensowiedieFestlegungeinerentspre‐
chendengraphischenNotation.AufBasisderNotationwerdennachfolgendgrundlegende
Materialfluss‐ und Steuerungsfunktionen beispielhaft modelliert, um die Möglichkeiten
bzw.dieMächtigkeitderModellierungssprachezubestimmen.
ImdarauffolgendenKapitel5wirddieImplementierungdesModellierungskonzepts
vorgestellt.DabeiwirdaufdenAufbaudesSoftwareprototypenseingegangensowiedas
entwickelteFabrikdatenmodellanalysiert.DienachfolgendeBeschreibungdergrafischen
6 Einleitung
Benutzeroberflächedientdazu,denProzessderModellbildungund–verwaltungzuver‐
anschaulichen.NebenderzentralenDatenbanklösungwurdeeineSimulationsumgebung
unterVerwendungeineskommerziellenSimulatorsgeschaffen,welchedieimPlanungs‐
modellhinterlegtenDateninterpretiertundineinablauffähigesSimulationsmodelltrans‐
formiert.DieStrukturderSimulationsumgebungsowiedergrundsätzlicheSimulations‐
ablaufwerdenbeschrieben.ZudemwirdaufdenEinsatzvonModellstruktur‐,Sensitivi‐
täts‐undLeistungsanalyseeingegangen.WährenddieSensitivitätsanalysevornehmlich
zurGültigkeitsprüfungdesModellsverwendetwird,beinhaltetdieLeistungsanalysedie
ErmittlungvonFertigungs‐undMaterialkostenzurSzenariobewertung.
DasKapitel 6 beinhaltetdieEvaluierungdesModellierungskonzeptsanhandeines
AnwendungsbeispielsausderCFK‐SerienfertigungunterEinsatzdesSoftwareprototyps.
Entsprechend dem Vorgehensmodell erfolgt die Modellbildung unter Verwendung der
dafürentwickeltendomänenspezifischenModellierungssprache.NachderModellbildung
wirdaufdieModellgenerierungund‐auswertungeingegangen,wobeidieErgebnisseder
Sensitivitäts‐undLeistungsanalysevorgestelltwerden.DasKapitelschließtmiteinerBe‐
wertungdesAnwendungsnutzens,wobeiaufdasbekannte3x3‐MaschinenmodellalsRe‐
ferenzszenarioabgehobenwird.DasReferenzszenariowirdzunächstmittelsdeseigenen
Softwareprototypensmodelliertundsimuliert.DannwirddiesesVorgehenmitderAuf‐
wandsabschätzungverschiedenerSimulationsexpertenverglichen,diesichaufeinema‐
nuelle Modellerstellung und ‐simulation beziehen. Die Arbeit schließt in Kapitel 7 mit
einerkritischenDiskussionderErgebnisseundeinemAusblickaufverbleibendewissen‐
schaftlicheFragestellungen.
2 Ausgangssituation und Anforderungs‐
analyse IndiesemKapitelwirddieAusgangssituationbeschriebenundderUntersuchungsge‐
genstanddefiniert.ImErgebniserfolgtdieSpezifikationderAnwendungsdomäneunddie
Ableitung entsprechender Anforderungen an ein Modellierungskonzept zur Unterstüt‐
zungderdigitalenProduktionsentwicklungimKontextderCFK‐Serienfertigung.Indie‐
semSinnewirdzunächstaufAspektederProduktentwicklungvonCFK‐Bauteileneinge‐
gangen,umeingrundsätzlichesVerständnisfürdasMaterial,BauweisenundEinsatzbe‐
reiche zu entwickeln. Im Besonderen wird dabei der Einsatz von CFK‐Bauteilen in der
Luftfahrtindustriebetrachtet.NachfolgendwerdendasKonzeptderDigitalenFabrikund
das Vorgehen bei der Produktionsentwicklung diskutiert. Arbeitsablauf‐, Arbeits‐, Ar‐
beitsstätten‐undLogistikplanungsindBestandteilderProduktionsentwicklungundwer‐
den in einzelnen Unterkapiteln auf Anforderungen der CFK‐Serienfertigung hin analy‐
siert.AmEndeeinesjedenAbschnittswerdeneinzelnealswichtigidentifizierteAnforde‐
rungengesondertfestgehalten.DasKapitelschließtmitderZusammenfassungderAnfor‐
derungenaneinedigitaleProduktionsentwicklung,wobeiaufeinefrühzeitigeIntegration
logistischerAspekteeingegangenwird.
2.1 Aspekte der Produktentwicklung von CFK‐Bautei‐
len BedingtdurchdiezunehmendeProduktkomplexität,verkürzteProduktlebenszyklen
undeineverschärfteWettbewerbssituationwirddieProduktentwicklungvorneueHer‐
ausforderungen gestellt. Dabei unterscheidet sich die Herstellung von Bauteilen und
StrukturenauscarbonfaserverstärktenKunststoffen(CFK)teilweisemaßgeblichvonde‐
nenausMetall.IndenbeidennachfolgendenAbschnittenwirdzunächstaufdenWerkstoff
8 AusgangssituationundAnforderungsanalyse
CFKunddieBesonderheitenvoncarbonfaserverstärktenKunststoffeneingegangenund
dannderEinsatzvonCFK‐BauteileninderLuftfahrtindustriethematisiert.
2.1.1
Eigenschaften carbonfaserverstärkter Kunst‐
stoffe (CFK) EinFaserverbundwerkstoffbestehtauseinemMatrixwerkstoffunddendarineinge‐
bettetenFasern.AufgabendesMatrixwerkstoffessinddabeidieÜbertragungundVertei‐
lung der auftretenden Kräfte, die Fixierung der Fasern und deren Abschirmung gegen
eventuellaggressiveUmgebungsmedien[26].DieFaserdientzurErhöhungderSteifigkeit
undFestigkeitdesVerbundesvornehmlichinFasserrichtung,waszuanisotropemVer‐
haltenvonCFK‐Werkstoffenführt.ModerneIndustriefasern,wiez.B.Carbonfasern,Glas‐
fasern oder Aramidfasern, besitzen sehr gute mechanische Eigenschaften hinsichtlich
Festigkeit und Steifigkeit [27]. Unter dem Begriff CFK werden carbonfaserverstärkte
Kunststoffeverstanden.BeieinemVergleichverschiedenerBeanspruchungskriterienwie
Elastizitätsmodul,Zugfestigkeit,Druckfestigkeit,KnickenundBeulenlässtsichbezogen
aufdiegleicheBeanspruchungderWerkstoffeeinemittleretheoretischeGewichtseinspa‐
rungbeiCFK‐Einsatzvonüber50ProzentgegenüberherkömmlichenAluminium‐Legie‐
rungenfeststellen[28].
DieEndeigenschaftbzw.dieQualitätdesCFK‐Werkstoffeshängtjedochsehrstarkvon
denVerarbeitungsbedingungenundvomHerstellungsprozessab.MangelndeQualitätsei‐
genschaftenwirkensichnachteiligaufdiestatischenFestigkeitenunddieErmüdungsfes‐
tigkeiten aus [29]. Dies kann zu Betriebsschädigungen, wie Delamination, Debonding,
BruchoderRiss,aufgrundvonFertigungsfehlernführen.BeieinerDelaminationkommt
es zu einem Trennungsbruch zwischen Einzelschichten des Laminats bzw. Schichtauf‐
baus. Das Debonding beschreibt die Ablösung der (Einzel‐)Faser von der Matrix. Bei
BruchundRisskommteszueinerDurchtrennungderFaseroderderMatrix,wasalsFa‐
serbruchundbeiderMatrixalsZwischenfaserbruchbezeichnetwird.SoferndieseSchä‐
den auftreten, ohne dass eineÜberlastung der Bauteile erfolgt ist, muss von Qualitäts‐
mängelndurchMaterial‐oderFertigungsfehlerausgegangenwerden.OberstesZielistes,
einehomogeneFaser‐undMatrixverteilungzuerreichen.Soferndiesnichterreichtwird,
kanneszuWinkelfehlern,Ondulationen,GassenimGelege,fehlerhaftenLagenpositionie‐
rungen,Aufschiebungen,Ausfransungen,Harzverarmungen,Harzansammlungen,Poren
imVolumen,RillenanderOberflächeoderallgemeinenAbweichungenvonderBauteil‐
geometriekommen[30],[31],[32].DeshalbsindaufwendigeQualitätsprüfungenerfor‐
derlich,beidenenwichtigeQualitätsmerkmale,wiePorenfreiheit,homogeneFaservertei‐
lungundFaservolumengehalt,geprüftwerden.InAbhängigkeitdeszuprüfendenQuali‐
tätsmerkmalswerdenunterschiedlicheMesstechnikeneingesetzt,wobeisichinderCFK‐
FertigunggrößtenteilsaufzerstörungsfreieTechniken,wieWirbelstromundUltraschall,
konzentriertwird[30].
AspektederProduktentwicklungvonCFK‐Bauteilen 9
Anforderung1:„Fertigungsfehler“
Bei der Fertigung von CFK‐Bauteilen kann es zum Auftreten verschiedenster Fertigungsfehler
kommen,diealssolchenichtleichtdetektierbarsindundgegebenenfallseinhohesSicherheitsri‐
sikodarstellen.EntsprechendistbeiderdigitalenCFK‐Produktionsentwicklungdaraufzuachten,
dassFertigungsfehlerabgebildetwerdenkönnen.
2.1.2
Einsatz von CFK‐Bauteilen in der Luftfahrtin‐
dustrie MitdemEinsatzvonFaserverbundwerkstoffenimAllgemeinenundCFK‐Bauteilenim
SpeziellenwerdenverschiedeneKostensenkungspotenzialeverbunden.DaCFK‐Bauteile
aufgrundderteurenCarbonfaserzumeistkeinenennenswertenVorteilebeidenMateri‐
alkostenbieten,musssichdieWirtschaftlichkeitüberdieFertigungs‐und/oderBetriebs‐
kosteneinstellen.BezüglichderFertigungskostenkanndieszumBeispielbeikleineren
SeriendurchniedrigereFixkostenimVergleichzueinerFertigungmitAluminiumerfol‐
gen[33].ZurRealisierunggrößererStückzahlenmussderhoheFertigungskostenanteil
vonca.2/3beiCFK‐Anwendungendeutlichgesenktwerden,wasimWesentlichendurch
weitergehende Prozessautomatisierung angestrebt wird. Aktuell besitzt die CFK‐Ferti‐
gungeinennochzugeringenAutomatisierungsgrad.Grundsätzlicherfordertdiegroßse‐
rientaugliche CFK‐Fertigung eine Beschleunigung der komplizierten Handhabungspro‐
zessesowiedieVerkürzungderAushärtezeitendesMaterials[34].EinesderAutomati‐
sierungsproblemebestehtimEinsatzvonIndustrieroboternbezüglichderHandhabung
vonbiegeschlaffenCFK‐Prepreg[35],[36].HinsichtlichderBetriebskostensindverbes‐
serteBauteileigenschaftenimVergleichzuanderenMaterialiengefragt,dieGewichtsein‐
sparungenrealisierenlassenundgegebenenfallsauchVorteilebeiderInstandhaltungmit
sich bringen. Neben dem traditionellen Einsatz von CFK‐Strukturbauteilen in der Luft‐
fahrt zeigen sich mittlerweile neue Anwendungsbereiche, wie z. B. bei Fahrzeugen, der
WindkraftoderinderIndustrie(Abbildung2).
ObwohldieIndustriemengenmäßigdergrößteBereichist,nimmtdieLuftfahrtden
wertmäßiggrößtenAnteilandemGesamtmarktvon5,8Mrd.EuroimJahre2010ein[37].
Entsprechend wird sich nachfolgend auf den Einsatzbereich von CFK‐Bauteilen in der
Luftfahrtindustriekonzentriert.InderLuftfahrtmotiviertsichderEinsatzvonCFK‐Bau‐
teilenvorwiegendüberdasgroßeLeichtbaupotenzial.DurchdieGewichtseinsparungen
imVergleichzuanderenWerkstoffenverringertsichderTreibstoffverbrauchmaßgeb‐
lich.AußerdemkönnendurchverbessertesErmüdungsverhaltenderWartungsaufwand
unddieWartungskostenverringertwerden.AusdiesenGründensteigtderCFK‐Anteilbei
Flugzeugenstetig.
Abbildung 2: Wertmäßiger Anteil der Branchen am CFK‐Komponentenmarkt (welt‐
weit) nach SCHUSTER [37] WährendheutigeFlugzeugezuca.23ProzentausCFKbestehen,steigtbeineueren
Flugzeugen wie der Boeing 787 oder dem neuen A350 XWB der CFK‐Anteil auf über
50Prozent[38].ErreichtwirddiesdurchFertigungvongroßenRumpfsektionen,dieei‐
nenhohenAnteilamGesamtgewichtdesFlugzeugseinnehmen,ausCFK(Abbildung3).
Abbildung 3: Beispiel von CFK‐Rumpfsektionen im Airbus A350‐900 (Quelle: Premium AEROTEC GmbH) DurchschnittlichwirdimFlugzeugbaumiteinertatsächlichenGewichtsreduzierung
von20ProzentdurchCFK‐StrukturengegenüberentsprechendenAluminiumstrukturen
gerechnet [39]. Dabei kann mit Aufwendungen zur Gewichtsersparnis von bis zu
1000€/kgausgegangenwerden[29].BislangerfolgtevorwiegenddieSubstitutioneinfa‐
chermetallischerStrukturbauteiledurchCFK‐Strukturen.DieSubstitutionmetallischer
Bauteilesetztvoraus,dassdiedurchdieGewichtsersparnisverringertenBetriebskosten
dieerhöhtenHerstellkostenausgleichenkönnen,weshalbdieErmittlungvonHerstellkos‐
teninderCFK‐ProduktionsentwicklungvonentscheidenderBedeutungist.
ElementedigitalerProduktionsentwicklung 11
GrundsätzlichsindbeimEinsatzvonCFKimdirektenVergleichzuMetalleinigeBe‐
sonderheitenzubeachten,dieeineCFK‐gerechteProdukt‐undProduktionsentwicklung
erforderlichmachen.Zunächstistdaraufhinzuweisen,dassdieeigentlicheEntwicklung
modernerHochleistungs‐Faserverbund‐Kunststoffeerstinden1960erJahrenbegann,als
glasfaserverstärkteKunststoffe(GFK)erstmalsfürStrukturbauteileinMilitär‐undSegel‐
flugzeugeneingesetztwurden[29].DerindustrielleEinsatzvonCFKingrößerenMengen
erfolgteerstumdasJahr1990,wobeidiesebenfallsimLuftfahrtbereichwar.Diesistver‐
glichenzuderüber6000‐jährigenGeschichtederMetallverarbeitungeinrechtjungesAl‐
ter und lässt somit noch ein erhebliches Technologieentwicklungspotenzial vermuten.
GrundsätzlichistesaufgrundderAnisotropienichteinfach,diespezifischenVorteilecar‐
bonfaserverstärkter Verbundwerkstoffe in entsprechende CFK‐Bauteile umzusetzen.
Prinzipiell lassen sich die Bauteileigenschaften anforderungsgerecht über den Aufbau
unddieDickedereinzelnenLageneinstellen[40].UmentsprechendeAussagenüberMa‐
terialversagenmachenzukönnen,werdenFEM‐Simulationeneingesetzt,diesichaberim
VergleichzuisotropenBerechnungenvonMetallenungleichkomplizierterausnehmen.
TrotzdemhatsichmittlerweileeineReihevonkommerziellenSimulationsprogrammen
fürFEM‐SimulationenvonFaserverbundwerkstoffen(z.B.Ansys,ESAComp)etabliert,die
mittelsverschiedenerVersagenshypotheseneinekonservativeBauteilauslegungermög‐
lichen[41].InsgesamtlassensichsowohldieCFK‐gerechteBauteilauslegungalsauchdie
eigentlicheCFK‐Fertigungalssehrkomplexundwissensintensivcharakterisieren[26].
Anforderung2:„Kostenbewertung“
DieCFK‐TechnologiekonkurriertbeimLeichtbauvornehmlichmitmetallischenBauweisen.Ent‐
sprechendstellenHerstell‐undBetriebskostenwesentlicheEntscheidungsgrößendar,dieimRah‐
mendesProduktentstehungsprozesseserhobenwerdenmüssen.WährenddieBetriebskostenvor‐
nehmlichinderProduktentwicklungkalkuliertwerden,befasstsichdieProduktionsentwicklung
mitderErmittlungderHerstellkosten.
2.2 Elemente digitaler Produktionsentwicklung AusgehendvonderProduktentwicklungbeinhaltetdieProduktionsentwicklungalle
vorbereitendenAktivitätenzurÜberführungdesProduktentwurfsineinrealesProdukt.
HierzustehtmitdemKonzeptderDigitalenFabrikeineReihevonMethodenundWerk‐
zeugenzurVerfügung,dieeinerechnergestütztebzw.digitaleProduktionsentwicklung
ermöglichen.DerBegriffderDigitalenFabrikwirdlautVDI‐Richtlinie4499wiefolgtde‐
finiert:
„DieDigitaleFabrikistderOberbegrifffüreinumfassendesNetzwerkvondigitalenMo‐
dellen,MethodenundWerkzeugen–unteranderemderSimulationund3D/VR‐Visualisie‐
rung–,diedurcheindurchgängigesDatenmanagementintegriertwerden.IhrZielistdie
ganzheitlichePlanung,EvaluierungundlaufendeVerbesserungallerwesentlichenProzesse
undRessourcenderFabrikinVerbindungmitdemProdukt."[42]
ObwohldieIdeemittlerweileschonüberzehnJahrealtist,giltdieDigitaleFabriknach
wievoralsaktuellesInnovationsthemafürdieUnternehmen[43].InersterLiniewerden
dabeiverbesserteWirtschaftlichkeit,Qualität,Kommunikation, Standardisierungsowie
Wissenserwerbund‐erhaltverfolgt[42].GrundsätzlichlassensichdieseZielsetzungen
auf die Serienfertigung von CFK‐Bauteilen übertragen. Neben einerverbesserten Wirt‐
schaftlichkeitsindfürdieCFK‐FertigungderverbesserteWissenserwerbund‐erhaltvon
besondererBedeutung.SowohldieCFK‐gerechteBauteilauslegungalsauchdieeigentli‐
cheFertigungsindsehrwissensintensivundsolltenentsprechenddurchdieDigitaleFab‐
rikunterstütztwerden.AufgrundderkomplexenProdukteundderhohenSicherheitsan‐
forderungeninderLuftfahrtindustrieisteineverbesserteQualitätdesPlanungsprozesses
wünschenswert.DiehoheWertigkeitdieserProduktelässteszu,dasssichhöherePla‐
nungskostenfürdenEinsatzdigitalerFabriksoftwarespäterdurchniedrigereBetriebs‐
kostenrechnen.DesWeiterenwerdeneineverbesserteKommunikationundStandardi‐
sierungverfolgt,wasinsbesonderedurchdieeingesetztenVisualisierungs‐undSimulati‐
onsmethodenerreichtwird.EntsprechenddieserÜberlegungenzeigtsichinderPraxis
einhohesInteressederLuftfahrtindustrieandigitalenFabriklösungen[44].ZumBeispiel
wurdebeiderEntwicklungdesGroßraumflugzeugsA350vonAirbuseinProjektaufge‐
setzt,welchesu.a.dieEinflüssevonDesignänderungenaufMontageprozesseimRahmen
derDigitalenFabrikanalysierthat.DesWeiterenwurdenentsprechendeLösungenauch
zurEntwicklungdesTransportflugzeugsA400Meingesetzt.
DieeigentlicheProduktentwicklung,welcheSpezifikationundKonstruktiondesPro‐
duktsbeinhaltet,istnichtBestandteilderDigitalenFabrik.HierfürexistiertdasKonzept
derrechnergestütztenProduktentwicklung,welchesu. a.aufdigitaleMock‐Upszurück‐
greift.DieseMock‐UpssehendieErstellungvollständigdigitalerProduktmodellevor,die
zumBeispielzurFEM‐oderMehrkörpersimulationgenutztwerdenkönnen[45].DiePro‐
duktionsentwicklungwird durch die Digitale Fabrik theoretisch in allen Entwicklungs‐
phasenvonderArbeitsablaufplanungüberdieArbeitsmittel‐undArbeitsstättenplanung
bishinzurLogistikplanungdurchgehendunterstützt[24],[46].HinsichtlichderMetho‐
denundWerkzeugekanndabeizwischendenBereichenModellierung/Planung,Simula‐
tionundVisualisierungunterschiedenwerden(Abbildung4).ImRahmenderModellie‐
rung/Planung wird zum Beispiel ein Prozessmodell für den Fertigungsablauf angelegt.
Dieses Modell wird dann idealerweise (teil‐)automatisch in ein Simulationsmodell zur
Verfahrens‐ oder Materialflusssimulation überführt. Beider Simulation handelt es sich
umdasvereinfachteNachbildeneinesgeplantenoderrealexistierendenSystemsinei‐
nem experimentierfähigen Modell, welches zum Zweck der Systemoptimierung einge‐
setztwerdenkann.DieSimulationistalsPrognoseinstrumenteinwichtigerBestandteil
derDigitalenFabrik[47].
ElementedigitalerProduktionsentwicklung 13
Abbildung 4: Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik (vgl. GAUSEMEIER [24] und PETZELT ET AL. [46]) DasKonzeptder(teil‐)automatischenSimulationsmodellgenerierungzieltdaraufab,
Struktur‐undVerhaltenselementeausanderenModellenoderDatenquellendirektindas
Simulationsmodellzuübernehmen.DadurchkönneneinzelneProduktionsszenarienzeit‐
nah detailliert analysiert werden. Im Rahmen der Digitalen Fabrik ist der Einsatz ver‐
schiedenster Simulationstechnologien möglich. Mit Schwerpunkt der materialflussge‐
rechten Prozessmodellierung konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die Ablauf‐
bzw.Materialflusssimulation,welchejenachgewähltemAbstraktionsniveausowohlfür
ganzeProduktionsnetzwerkealsauchfüreinzelneFertigungszellenverwendetwerden
kann[48].ImSinnederVisualisierungvonPlanungssachverhaltenistdieVerwendung
vondreidimensionalenPlanungsumgebungencharakteristischfürdieDigitaleFabrik,um
z.B.Kollisions‐undErgonomieuntersuchungenbeiMontageabläufendurchzuführen[22].
WeitererzentralerBestandteilderDigitalenFabrikisteinganzheitlichesDatenmanage‐
mentsystem,welchesdieverschiedenenDatenmodelleverwaltetunddenZugriffderPla‐
nungs‐,Simulations‐undVisualisierungswerkzeugeaufeinenkonsistentenDatenbestand
gewährleistet.
DieProduktentwicklungverläuftzueinemgroßenTeilparallelzurProduktionsent‐
wicklungundstimmtsichidealerweisemitdieserbezüglichderRealisierungsmöglichkei‐
tenverschiedenerProduktionsszenarienimSinnedesSimultaneousEngineeringab.Von
vielenAutoren,wiez.B.KÜHN[47],MORYSON[49]undZENNER[50],wirddieProduktions‐
entwicklungauchalsProduktionsplanungbezeichnet,wasjedochindieserArbeitimHin‐
blickaufdenBegriffderProduktionsplanungund‐steuerungvermiedenwird.NachSPUR
ist die Produktionsentwicklung ein Bestandteil des Produktentstehungsprozesses, wo‐
hingegen die Produktionsplanung und ‐steuerung ein Bestandteil des Auftragsabwick‐
lungsprozessesist[25].ImHinblickaufdiebegriffstechnischeAbgrenzungzurFabrikpla‐
nung,welchesichinbegrifflicherNähezurDigitalenFabrikbefindet,isterwähnenswert,
dassdieAufgabenderProduktionsentwicklungüberdieAufgabenderbekanntenFabrik‐
planungssystematiken nach KETTNER ET AL. [51], AGGTELEKY [52], WIENDAHL ET AL. [53],
GRUNDIG[54]undVDI‐RICHTLINE5200[55]hinausgehen.GemäßderDefinitionnachGAU‐
SEMEIERdecktdieArbeitsstättenplanunginetwadieInhaltederFabrikplanungab,wohin‐
gegen die Arbeitsablaufplanung, die Arbeitsmittelplanung und die Logistikplanung zu‐
sätzliche Aufgaben der Produktionsentwicklung bzw. Produktionssystementwicklung
sind[24].BislangfindetsichinderLiteraturfürdiedigitaleProduktionsentwicklungkein
etabliertes Vorgehensmodell, welches Aufgaben, Methoden und Werkzeugen unter Be‐
rücksichtigung eines Fabrikdatenmodells miteinander verknüpft [7]. Dabei ist dies für
deneffizientenEinsatzderDigitalenFabrikvongroßerBedeutung[46].DasVerständnis
dieserArbeitzurProduktionsentwicklungorientiertsichstarkanGAUSEMEIER,welcherei‐
nenzyklusorientiertenAnsatzverfolgt,beidemdiePhasenderArbeitsablauf‐,Arbeits‐
mittel‐,Arbeitsstätten‐undLogistikplanungwiederholtdurchlaufenwerden[24].DieAb‐
bildung5zeigtdievierPhasenderProduktionsentwicklungnachGAUSEMEIER[24]inte‐
griert in die Planungssystematik nach GRUNDIG [54], die eine Planung vom Groben ins
Feinevorsieht.
Abbildung 5: Iterativer Planungsprozess der Produktionsentwicklung (vgl. GAUSEMEIER [24] und GRUNDIG [54]) Arbeitsablauf‐undArbeitsmittelplanung 15
WährendinderGrobplanungnochteilweiseidealtypischundabstraktgeplantwird,
werdeninderFeinplanungalleRestriktionenberücksichtigtundalleProzesschritteim
Detailausgeplant.DieeinzelnenPhasenwerdenwiederholtdurchlaufen,wobeisichder
Planungsinhaltimmerweiterverfeinert.DerSchwerpunktdieserArbeitkonzentriertsich
auf die Grobplanung der Produktionsentwicklung, welche aufgrund des hohen Ferti‐
gungskostenanteilsbeiderCFK‐SerienfertigungmaßgeblichenEinflussaufdiespäteren
Produktkostenhat.IndenfolgendenAbschnittenwerdendieeinzelnenPhasenundihre
Inhalte mit Schwerpunkt der Grobplanung erläutert und in Bezug zur CFK‐Serienferti‐
gunggesetzt.
Anforderung3:„Vorgehensmodell“
DieProduktionsentwicklungimRahmenderDigitalenFabrikbesitztkeinetabliertesallgemeines
Vorgehensmodell,welchesAufgaben,MethodenundWerkzeugeunterBerücksichtigungdesFab‐
rikdatenmodells miteinander verknüpft. Mit dem Ziel einer digitalen Produktionsentwicklung
sollteeinentsprechendesVorgehensmodellfürdieintegrierteFertigungs‐undLogistikplanung
entwickeltwerden.
2.3 Arbeitsablauf‐ und Arbeitsmittelplanung DieArbeitsablauf‐undArbeitsmittelplanungsindBestandteilderArbeitsplanungund
engmiteinanderverbunden[56],weshalbimFolgendensynonymauchderBegriffder
Arbeitsplanungverwendetwird.ImRahmenderArbeitsplanungwerdendieinderKon‐
struktionerstelltenZeichnungenundStücklistenindetaillierteArbeitspläneüberführt.In
AbhängigkeitdesNeuigkeitsgradsundderKomplexitätdesProduktssteigtderPlanungs‐
aufwandfürdieGestaltungdesArbeitsablaufs[57].EswirdzwischenNeuplanung,Wie‐
derholplanung, Variantenplanung und Ähnlichkeitsplanung unterschieden, wobei sich
diese Arbeit auf die Neuplanung im Rahmen der CFK‐Produktionsentwicklung kon‐
zentriert. Das bedeutet, dass aufgrund der stetigen Weiterentwicklung der CFK‐Ferti‐
gungstechnologienurwenigErfahrungswerteüberdenwirtschaftlicherfolgreichenEin‐
satz neuer Fertigungsverfahren und Produktionstechniken vorliegen. Entsprechend
steigtdieAnzahlderzubetrachtendenPlanungsvarianten,umetablierteVerfahrenund
TechnikenmitneuerenForschungs‐undEntwicklungsansätzenzuvergleichen.DieAr‐
beitsplanungbeginntmitderAusgangsteilbestimmung.EsfolgtdieFertigungsverfahren‐
sauswahl,dienebendenFertigungsverfahrenauchmesstechnischeVerfahrenbeinhalten
kann(Abbildung6).BeimehrstufigenFertigungsprozessenwerdenhierzuTechnologie‐
kettengebildet,dienachfolgendaufProzessfolgenheruntergebrochenundumHandha‐
bungs‐ und Logistikfunktionen ergänzt werden [58]. Es schließen sich die Schritte der
Maschinenauswahl,FertigungshilfsmittelzuordnungundVorgabezeitermittlungan[17].
Abbildung 6: Generierung von Prozessfolgen im Rahmen der Arbeitsplanerstellung (vgl. EVERSHEIM [17] und TROMMER [58]) Die eigentliche Arbeitsmittelplanung umfasst dabei die Schritte der Maschinenaus‐
wahlundFertigungshilfsmittelzuordnung,wobeidiesgegebenenfallsauchdieEntwick‐
lungundBeschaffungneuartigerBetriebsmittelbeinhaltet.PrinzipiellistbeiderMaschi‐
nenauswahlnebendenreinenLeistungsdatenauchaufdietechnischeVerfügbarkeitzu
achten, da größere Anlagenstörungen bei unausgereifter Technologie schnell die Wirt‐
schaftlichkeitderProduktionbeeinträchtigen.DergesamtePlanungsprozessistgekenn‐
zeichnetdurchdieGenerierungundBewertungalternativerPlanungsvariantennachdem
Variantenprinzip.FRANKEETAL.definierendazudenBegriffderVariantewiefolgt:
„Eine Variante eines technischen Systems ist ein anderes technisches System gleichen
Zwecks,dassichinmindestenseinerBeziehungodereinemElementunterscheidet.EinEle‐
mentunterscheidetsichvoneinemanderenElementinmindestenseinerEigenschaft.“[59]
DasZielderArbeitsplanungbzw.dergesamtenProduktionsentwicklungistdiefrüh‐
zeitige Identifikation möglichst aussichtsreicher Planungsvarianten für die weiterge‐
hende Feinplanung, wobei entsprechende Kennzahlensysteme und Bewertungsverfah‐
ren,wiezumBeispieldieFehler‐Möglichkeits‐undEinflussanalyse(FMEA)zurIdentifi‐
kationvonFehlerquellen,zumEinsatzkommen.BeiderFeinplanungerfolgtdieAusge‐
staltungderArbeitsoperationengegebenenfallsmittelsrechnergestützterVerfahren,wie
z.B.CAPP(engl.computeraidedprocessplanning)undCAM(engl.computeraidedma‐
nufacturing)[60].DieCAPP‐undCAM‐Werkzeugesindgeometrieorientiertundbilden
fertigungs‐undverfahrenstechnischeAspekteab.Siedienenu.a.zurNC‐/RC‐Program‐
mierung von maschinellen Fertigungsverfahren, wie Bohren, Drehen, Fräsen. Entspre‐
chende Simulationsergebnisse können zur Ermittlung von Vorgabezeiten genutzt wer‐
den. Zudem existieren anderen Verfahren, wie z. B. nach REFA [56], die Vorgabezeiten
auchfürmanuelleFertigungs‐,Handhabungs‐,Transport‐undPrüfprozesseermitteln.
Arbeitsablauf‐undArbeitsmittelplanung 17
ImHinblickaufdieCFK‐SerienfertigungstehteineReihepotenziellerFertigungsver‐
fahrenzurVerfügung(Abbildung7).WesentlicheUnterscheidungsmerkmalesinddiema‐
ximalerzielbarenmechanischenEigenschaftenundJahresstückzahlen[33],[61].Weitere
wichtigeEigenschaftensinddieFertigungstoleranz,Prozesssicherheit,Automatisierbar‐
keit und Geometriekomplexität. Aufgrund des hohen Fertigungskostenanteils der CFK‐
TechnologiekommtzudemderKostenstruktureineentscheidendeBedeutungzu.
Abbildung 7: Portfolio von CFK‐Fertigungsverfahren (vgl. DRECHSLER [61] und FERKEL ET AL. [33]) Im weiteren Verlauf wird zum besseren Prozessverständnis die Prepreg‐Autoklav‐
technikvorgestellt,mitderseitderEntwicklungdeserstenserienmäßigenCFK‐Seiten‐
leitwerks1985ca.90ProzentallerCFK‐Strukturenhergestelltwurden[62].DasHalbzeug
„Prepreg“(engl.PREimPREGnatedsheetmaterials)isteineamerikanischeErfindungund
kaminden60erJahrenbeiBoeinginSeattlezurHerstellungvonFlugzeugstrukturteilen
ausFaserverbundwerkstoffenzurAnwendung[28].AlsPrepregwerdenwerksseitigmit
SpezialharzvorimprägnierteGelegeundGewebebezeichnet,welchedurchdiemaschi‐
nelleTränkungeinoptimalesVerhältnisvonHarzundFaserbesitzen.Bedingtdurchdas
SpezialharzistdasPrepregrelativklebrigundkannleichtinWerkzeugedrapiertwerden.
DasPrepregwirdaufPrepreg‐Rollenangeliefert,diekühlgelagertundvorVerunreini‐
gungen,wiez.B.SchleifstauboderHarzreste,geschütztwerdenmüssen.DaheristdasGe‐
webegrundsätzlichgeschlossenzulagernundbeimLaminierenaufgrößteSauberkeitzu
achten.MittelsZuführungvonDruckundWärmeerfolgtdieAushärtungderPrepregsin
AutoklavenoderHeißpressen.PrepregshabeneinenVerschnittvonbiszu30Prozentund
hoheKostenfürHalbzeugesowieKühlräume,wasnebendenhohenFertigungskostenzu
entsprechendenMaterialkostenführt.DeshalbwerdenPrepregsauchnurfürdieHerstel‐
lung hoch beanspruchter Bauteile verwendet, bei denen sich die hohen Herstellkosten
überverringerteBetriebskostenamortisieren.GrundsätzlichbesitzenCFK‐Bauteileaus
PrepregsehrgutemechanischeEigenschaftenaufgrundhoherFaservolumengehalteund
einehoheReproduzierbarkeitderBauteilqualität.AlstextileHalbzeugeexistierenbeiden
PrepregssowohlGewebealsauchunidirektionaleGelege(UD‐Gelege).DiePrepregskön‐
nenautomatisiertinmehrerenLagenvoneinemPortalroboteraufgebracht(Abbildung
8a)undindieFormschaleeingebrachtwerden[63].ImZugederFormgebungerfolgteine
Aushärtung der Kunststoffmatrix (z. B. Epoxidharz) im Autoklaven (Abbildung 8b). Ein
Autoklav ist ein luft‐ und dampfdicht verschließbarer Druckbehälter, in welchem übli‐
cherweiseDrückevon2–7barerzeugtwerden.DadurchwerdendieeinzelnenLaminat‐
schichtenverpresstundeskannüberdenerzeugtenDruckeinFaservolumengehaltvon
55–63Prozenteingestelltwerden[64].
Abbildung 8: a) AFP ‐ Automated Fiber Placement System (Quelle: Premium AEROTEC GmbH); b) Autoklav (Quelle: INDUSTRIAL OLMAR S.A.) Der Laminataufbau für die Autoklavbestückung nach Weichkerntechnik (Vakuum‐
sackverfahren)wirdaufdereinenSeitedurchdiefesteFormderFormschalebeschrieben
undaufderanderenSeitedurchdieVakuumfoliegebildet.DieVakuumfoliewirddurch
dasangelegteVakuumunddenAußendruckandasBauteilgepresst,wobeiderDichtkitt
zurluftdichtenVersiegelungvonVakuumfolieundFormschaledient.DasKunstharz(zu‐
meistEpoxid‐Harz)imFaserverbund‐BauteilwirddannbeihoherTemperatur(180°C)
mehrereStundenausgehärtet.EinwesentlicherAspektbeiderBauteilaushärtungkommt
den Materialeigenschaften der Negativform bzw. Formschale zu. Eine unterschiedliche
WärmeausdehnungvonFormundBauteilkannzuschlechterLaminatqualitätund/oder
Maßeinhaltungführen.DeshalbwerdenoptimalerweiseFormschalenausInvarstahl,ei‐
ner Eisen‐Nickel‐Legierung (FeNi36), eingesetzt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient
ähnlichdemderauszuhärtendenCFK‐Strukturenist.Grundsätzlichkönnenauchentspre‐
chendeCFK‐Formschaleneingesetztwerden,aberbislangwirdderenVerschleißfestig‐
keitalsnichtausreichendbetrachtet[26].DiehohenAnschaffungskostendieserForm‐
schalenausInvarstahlerforderneinepräziseAuslegungdesFertigungsprozesses.Dabei
gilt es die technischen Prozessabläufe so zu gestalten, dass es zu möglichst schnellen
Werkzeugumläufenkommt,umdienotwendigeAnzahlanFormschalengeringzuhalten.
EinweiteresMerkmalderCFK‐Fertigungsinddiez.T.sehrkomplexenAufbautenausLa‐
minaten,Hilfsstoffen,HilfsmittelnundweiterenStrukturelementen.ImZugederFunkti‐
onsintegrationmüssenzumBeispielnebendenüblichenHilfsstoffen(Fließhilfen,Vaku‐
umfolien,etc.)undFertigungshilfsmitteln(Fixier‐/Haltevorrichtungen,etc.)nochweitere
Strukturelemente(Sandwichmaterialien,CFK‐Teile,etc.)indenLaminataufbauintegriert
Arbeitsablauf‐undArbeitsmittelplanung 19
werden.DiesführtzueinergroßenAnzahlandurchzuführendenHandhabungsvorgängen
mitToleranzenvonzumTeiluntereinemMillimeter.UmhierProzesssicherheitzuge‐
währleistenundwirtschaftlichgegenüberanderenFertigungsartenundWerkstoffenbe‐
stehenzukönnen,spieltdieAutomatisierungderHandhabungundTransporteeineent‐
scheidende Rolle bei der CFK‐Serienfertigung [65]. Zudem existieren insbesondere bei
derQualitätsprüfungeinigetechnischeRestriktionen,diezusätzlicheHandhabungsvor‐
gängezurFolgehabenkönnen.ZumBeispielistdiePrüfungeinesflächigenLaminatsmit‐
tels Ultraschall aussagefähiger, wennauf der glatten Bauteiloberfläche der Formschale
gemessen wird. Entsprechend kann es notwendig sein, das komplette Bauteil aus der
Formschalezuentnehmen,umdieentsprechendeQualitätsprüfungaufderAußenseite
durchzuführen.ImErgebniserscheintesdeshalbsinnvoll,eineintegriertegraphischeMo‐
dellierungdesArbeits‐bzw.ProzessablaufsunterBeachtungvonFertigungs‐,Montage‐,
Prüf‐,Handhabungs‐undTransportprozessenvorzunehmen.
Anforderung4:„Anlagenstörungen“
ImHinblickaufdenEinsatzverschiedenerArbeitsmittelundFertigungsverfahrenstelltdietech‐
nischeVerfügbarkeit der Anlage einen erheblichen Entscheidungsfaktor dar, weshalb eine Be‐
rücksichtigungvonAnlagenstörungenfüreinesubstanzielleBewertungzwingenderforderlich
ist.
Anforderung5:„Planungsvarianten“
DieGenerierungundBewertungvonalternativenProduktionsszenarienistinderArbeitsplanung
festverankert.VordemHintergrundderweitergehendenTechnologieentwicklungundderMög‐
lichkeitzurIntegralbauweisebzw.FunktionsintegrationsolltedasManagementvonPlanungs‐
variantendurchgehenderBestandteilderdigitalenCFK‐Produktionsentwicklungsein.
Anforderung6:„logistischeKennzahlen“
DieBewertungderPlanungsvariantenerfordertnebenderbereitsadressiertenKostenbewertung
auch einen Vergleich logistischer Kennzahlen, um die Leistung des Produktionssystems besser
evaluierenzukönnen.IndiesemSinnesindzumBeispielDurchlaufzeitenunddurchschnittliche
Auslastungenzuerheben,umrobusterevonwenigerrobustenPlanungsvariantenunterscheiden
zukönnen.
Anforderung7:„Werkzeugumläufe“
DerEinsatzvonFormwerkzeugeninderCFK‐Fertigungbringtesmitsich,dassWerkzeugumläufe
entstehen, die einen potenziellen Fertigungsengpass beschreiben und aufgrund der hohen An‐
schaffungskostensorgfältiggeplantwerdenmüssen.ImVergleichzuanderenFertigungsszena‐
rienund‐technologienistdieseinwesentlichesCharakteristikumderCFK‐Serienfertigung,daim
Normalfall der Bedarf an Werkzeugen nur über die Prozesszeiten abgeschätzt wird und die
WerkzeugumläufenichtimDetailausgearbeitetwerdenmüssen,umentsprechendeWerkzeug‐
kostenfürdieBerechnungderHerstellkostenzuerhalten.
Anforderung8:„Prozessablaufdarstellung“
AufgrunddergroßenHandhabungsproblematikinderCFK‐Fertigungisteineintegriertegraphi‐
scheModellierungvonFertigungs‐,Montage‐,Prüf‐,Handhabungs‐undTransportprozesseer‐
forderlich,umdenEinsatzvonFormwerkzeugenundFertigungsvorrichtungenwirtschaftlichzu
gestalten.
2.4 Arbeitsstättenplanung DieArbeitsstättenplanunghatzurAufgabe,diebaulicheStrukturdesFertigungsbe‐
triebsaufdasFertigungssystemunddendamitverbundenenMaterialflussabzustimmen
[66].SieentscheidetüberdieräumlicheAnordnungvonMaschinen,Anlagen,Lagern,Puf‐
fer‐undUmschlagsflächensowieauchVerkehrswegen.SynonymzumBegriffderArbeits‐
stättenplanung werden auch die Begriffe der Betriebsstätten‐ und Fabrikplanung ver‐
wendet.AufgrunddesgroßenEinflussesderFabrikstrukturaufdenProduktionsablauf
unddamitaufdieEffizienzderProduktionbesitztdasThemaderFabrikplanungssyste‐
matikeneinelangewissenschaftlicheHistorie,welchemitKETTNERETAL.[51],AGGTELEKY
[52], WIENDAHL ET AL. [53], GRUNDIG [54] und der VDI‐RICHTLINE 5200 [55] einige ihrer
wichtigstenVertreterhat.GrundsätzlichbestehteinehoheÄhnlichkeitzwischendenAn‐
sätzen,wobeidiemethodischeAusgestaltungdereinzelnenPhasenteilweiserechtunter‐
schiedlich ist. In Abbildung 9 wird die Fabrikplanungssystematik nach Grundig vorge‐
stellt[54].
Abbildung 9: Prozess der Arbeitsstätten‐/Fabrikplanung nach GRUNDIG [54] AusgehendvonderZielplanung,diesichmiteinerAnalysederAusgangslageundei‐
nesmöglichenZielkonzeptsauseinandersetzt,kommteszurVorplanung.InderVorpla‐
nungwirddetaillierteraufdasProduktionsprogrammeingegangenundunterVerwen‐
dungvonhistorischenKennwertenwerdendieInvestitionsaufwändeabgeschätztsowie
dieAufgabenstellungkonkretisiert.MitdernachfolgendenGrobplanungbeginntdanndie
eigentlicheFabrikplanung,wobeizwischenIdeal‐undRealplanungunterschiedenwird.
EsschließensichFein‐undAusführungsplanungan.InderFeinplanungkommtesu.a.zur
Planung der baulichen Maßnahmen mit Anstoßung entsprechender Genehmigungsver‐
fahren.InderAusführungsplanungwerdendannu.a.Umzugspläneerstelltunddiebauli‐
chenMaßnahmenaufeinanderabgestimmt.InderletztenPhasekommtesschließlichzur
Ausführung,wobeidieProjektrealisierungüberwachtwird.GenauwiebeiderArbeits‐
planungwirdinderFabrikplanungmitKonzeptvariantengearbeitet,wobeisichdieVari‐
antenanzahlmitzunehmendemPlanungsfortschrittverringert[54].AufgrundderKom‐
plexitätdesPlanungsgegenstandesistzubeachten,dasswichtigePlanungsmöglichkeiten
unberücksichtigt bleiben, wenn bei Planungsbeginn die Variantenanzahl zu gering ist
[50],[52].
Arbeitsstättenplanung 21
ImHinblickaufdenAblaufderGrobplanungerfolgtzunächstdieFunktionsbestim‐
mung.HierzuwerdendasProduktionsprogrammundentsprechendeArbeitspläneanaly‐
siert,umFunktionsbereichezubildenunddieFertigungsformfestzulegen.InderLuft‐
fahrtindustrie wird die CFK‐Serienfertigung vornehmlich als Gruppenfertigung organi‐
siert.HERRMANNETAL.verweisendarauf,dassmitzunehmenderEntwicklungderCFK‐Fer‐
tigungstechnologiezukünftigeineReihenfertigungmitteilweiseautomatisiertemMateri‐
alflusszuerwartenist[67].DiegrundsätzlichenFertigungsformennachKIENERETAL.sind
inAbbildung10dargestellt[68].
Organisationstypen der Fertigung
Verricht‐
ungs‐
zentrali‐
sation
Objektzentralisation
Fließfertigung (Flow shop)
nicht
getakteter
Materialfluss
Werkstattfer
tigung
(Job shop)
Reihen‐
fertigung
Zentrenfertigung
getakteter
Materialfluss
nicht
gekoppelter
Materialfluss
gekoppelter
Materialfluss
Fließband‐
fertigung
Transfer‐
straße
(nicht)
automatisiert
Gruppen‐
fertigung
flexible Fertigungs‐
systeme
(‐zelle)
Fertigungs‐
insel
Abbildung 10: Organisationstypen der Fertigung nach KIENER ET AL. [68] DieGruppenfertigungisteineZentrenfertigungmitFertigungsinseln,wobeijeneFer‐
tigungsmittel räumlich gruppiert werden, die zur Bearbeitung ähnlicher Fertigungsob‐
jektenotwendigsind.MaterialflusstechnischwerdendieFertigungsmittelzumeistdurch
flexibeleinsetzbareUnstetigfördererverbunden.MitderangestrebtenReihenfertigung
wirdderÜbergangzurFließfertigungbeschritten,beiderdieFertigungsmittelnachder
AblauffolgeangeordnetunddurcheinfachenichtgetakteteTransporteinrichtungenver‐
bundensind.InsbesonderebeigroßenflächigenStrukturenvonFlugzeugen,wiez.B.Sei‐
tenleitwerkenundRumpfschalen,wirddieReihenfertigungaufabsehbareZeitdievor‐
herrschende Fertigungsform bleiben [67], da eine weitergehende Automatisierung des
MaterialflussesaufgrundderniedrigerenStückzahlenwirtschaftlichnichtsinnvollist.Ak‐
tuellwerden40MaschinenproMonatvomTypSingleAisleproduziert,welchesderam
häufigstengebauteFlugzeugtypderAirbus‐Familieist.BeiBetrachtungderreinenStück‐
zahlenhandeltessichbeidieserFertigungsartumeineKleinserienfertigung,dieerfah‐
rungsgemäßnichtinFormeinerFließbandfertigungoderTransferstraßeorganisiertwird
[51].EntsprechenderscheinteineReihenfertigung,alsangestrebterOrganisationstypfür
eineFließfertigung,sehrpassendzusein.
NachderFunktionsbestimmungsetztdiePhasederDimensionierungein.DieDimen‐
sionierungbestimmtdiequantitativeAuslegungdesFabriksystemsinAbhängigkeitder
Fertigungsaufgabebzw.desProduktionsprogramms[54].EswerdensowohlBetriebsmit‐
telbedarfealsauchBedarfeanPersonal,FlächenundEnergie/Medienabgeschätzt.Die
DimensionierungistmaßgeblicheVoraussetzungfüreineanforderungsgerechteFabrik‐
planung[51].AusgehendvomProduktionsprogrammsolleinAusgleichvonKapazitäts‐
bedarfund–angebotgeschaffenwerden.BeiderstatischenDimensionierungkannaufdie
MethodedesBilanzansatzeszurückgegriffenwerden,welcheBedarfs‐undKapazitätspro‐
filegegenüberstellt[69].DieseMethodeistimRahmenderFabrikplanungsehrpopulär
undgiltinderLiteraturalsgrundlegenderBerechnungsansatzfürdieDimensionierung
[70]. Dabei kann die benötigte Ressourcenanzahl für einen bestimmten Ressourcentyp
undPeriodeüberfolgendeFormelinAnlehnunganGRUNDIGermitteltwerden[54]:
(1)
=AnzahlderRessourcen
=GesamtkapazitätsbedarfderRessourceproPeriode
=verfügbareKapazitätderRessourceproPeriode
BeiderFormelwirddavonausgegangen,dasszujedemZeitpunktdasinstallierteBe‐
lastungsvermögengleichodergrößerderzuerwartendenBelastungseinmuss[71].Da
keineperiodenübergreifendeBetrachtungerfolgt,führtderBilanzansatzschnellzueiner
Überdimensionierung der Ressourcen. Deshalb gibt es neben dem Bilanzierungsansatz
nochzweiweitereVerfahrenzurDimensionierungvonFabriksystemen(Abbildung11).
BeidenanalytischenBerechnungsverfahrenhandeltessichzumeistumWarteschlangen‐
modelle,welchezurModellierungvoneinfacherenFertigungs‐undProduktionssystemen
eingesetztwerdenkönnen.ZurDimensionierungvonkomplexenSystemen,wiederCFK‐
Serienfertigung,mussjedochaufdiedynamischeSimulationzurückgegriffenwerden.Die
dynamischeSimulationbieteteinehoheAbbildungsgüte,abersowohldieModellerstel‐
lungalsauchExperimentdurchführungsindsehrzeitaufwendig[72].FürdieDimensio‐
nierungeinerCFK‐SerienfertigungerscheintderEinsatzderdynamischenSimulationje‐
dochzwingendnotwendig,danebendenWerkzeugumläufennocheineReihestochasti‐
scherEinflussgrößen(z.B.Fertigungsfehler,Maschinenstörungen)berücksichtigtwerden
muss. Auf die Phase der Dimensionierung folgt die Strukturierung. In der Strukturie‐
rungsphasewirddasLayoutgeplant,wobeiausgehendvomangestrebtenOrganisations‐
typunddenermitteltenBetriebsmittelbedarfenzunächsteinIdeallayouterstelltwird.Im
weiterenPlanungsverlaufwirddasIdeallayouthinsichtlichderräumlichenAuflösungste‐
tigverfeinert.
Arbeitsstättenplanung 23
Zeitaufwand
hoch
dynamische
Simulation
analytische
Berechnungs‐
verfahren
mittel
niedrig
statische
Berechnung
Abbildungsgüte
niedrig
mittel
hoch
Abbildung 11: Abbildungsgüte und Zeitaufwand von Analyse und Dimensionierungsme‐
thoden nach RAIL [72] JenachPlanungsaufgabewirdzunächstaufWerks‐oderFabrikebenebegonnenund
späteraufBereichs‐undArbeitsplatzebeneübergegangen(Abbildung12).Gemäßdem
VariantenprinzipwerdenzumeistmehrerealternativeIdeallayoutsentworfen.Prinzipiell
wirdbeiderPlanungstetsdieMinimierungderTransportaufwändeverfolgt.Somitwer‐
denFunktionsbereichenahzusammengelegt,dieuntereinandereinhohesTransportauf‐
kommenhabenundvielMaterialbzw.Fertigungsmittelaustauschen[73].
Abbildung 12: Ebenen und Strukturen in der Fabrik nach SCHENK [73] DieserPlanungsansatzorientiertsichimbesonderenMaßeanderWerkstattfertigung
undschwächtsichmitderFließfertigungzunehmendab.BeiderFließfertigunggewinnt
dieMaterialflussorientierungunddieVermeidunggegenläufigerMaterialflüsseanBedeu‐
tung,umTransportverkehregegebenenfallsbesserautomatisierenzukönnen.
DasErgebnisderIdealplanungisteinflächenmaßstäblichesBlocklayout,welchesals
Ideallayout bezeichnet wird. Dieses Ideallayout ist der Ausgangspunkt für die Realpla‐
nung,beiderweitergehendeRestriktionen(z. B.Grundstücksmerkmale,Bautechnik)in
dasLayouteingehen.MitBezugzurCFK‐SerienfertigungmüsseninderRealplanungzum
BeispielKühlräumefürPrepregsundHarzesowieReinraumanforderungenfürdenLege‐
prozess integriert werden. Zudem sind beim Aushärteprozess notwendige Wärmeab‐
transporte und bei der mechanischen Bearbeitung die Staubentwicklung zu beachten.
Entsprechend sind der Legeprozess und die mechanische Bearbeitung räumlich vonei‐
nanderzutrennen.DesWeiterenmüsseninderRealplanungauchentsprechendeUm‐
schlags‐,Verkehrs‐undFörderflächenfürdieLogistikimLayoutberücksichtigtwerden.
HierzeigtsichfolglichauchdieengeVerknüpfungvonLayout‐undLogistikplanung.So‐
wohl die Planung des Ideallayouts als auch die Planungdes Reallayouts erfordert eine
paralleleAusgestaltungdesLogistikkonzepts.
Anforderung9:„Dimensionierung“
Bei der Dimensionierung werden die Kapazitätsbedarfe zur Umsetzung des Produktionspro‐
grammsermittelt, wobeisich in den frühen Planungsphasen statischeBerechnungen für erste
Abschätzungenanbieten,dieimweiterenPlanungsverlaufdanndurchAnalysenmittelsdynami‐
scherSimulationabgesichertwerdensollten.
Anforderung10:„AutomatisierteExperimentdurchführung“
DieautomatisierteExperimentdurchführungisteinwichtigesPlanungsinstrumentzurAbsiche‐
rungderSimulationsergebnisseimHinblickaufRobustheitgegenüberÄnderungen.Zudemkön‐
nenwichtigeEinflussfaktorenidentifiziertundWirkzusammenhängeanalysiertwerden.
Anforderung11:„Layoutdarstellung“
DieDarstellungderräumlichenAnordnungvonFabrikobjekten,wiez.B.Funktionseinheiten,Be‐
triebsmittelnoderVerkehrsflächen,isteinwichtigesInstrumentderArbeitsstättenplanungund
sollteinengerAbstimmungzurnachfolgendenLogistikplanungerfolgen.
2.5 Logistikplanung DieLogistikplanunghateinengroßenEinflussaufdieProduktionundgliedertsichin
strategische,taktischeundoperativeLogistikplanung.EinetabliertesVorgehensmodell
fürdieLogistikplanungeinerSerienfertigungfindetsichinderLiteraturnicht.ImFolgen‐
denwirdsichaufArbeitenvonSCHEDLBAUER[74]undSCHNEIDER[75]bezogen,diesichmit
derLogistikplanungimRahmendesAutomobilmontageauseinandersetzen.DesWeite‐
renwirdaufSCHOLZ‐REITERETAL.verwiesen,dieeinVorgehensmodellfüreineintegrierte
Logistikplanung 25
Fertigungs‐undLogistikplanungentwickeln[76].InAbbildung13istdergrundsätzliche
AblaufderLogistikplanungdargestellt.Esistdabeizubeachten,dasssicheingroßerTeil
derPhasenzeitlichüberschneidet.
Unter‐
nehmens‐
strategie
Logistik‐
gerechte Produkt‐
gestaltung
Lieferanten‐
auswahl
Behälter‐
planung
Material‐
fluss‐
planung
Bereitstell‐
planung
Anlauf‐/
Auslauf‐
planung
Nebenflüsse
Hauptflüsse
Versorgungs‐
planung
Distri‐
butions‐
planung
Produktions‐
steuerung‐
planung
Werkstück‐
förderplanung
Entsorgungs‐
planung
Nacharbeits‐
planung
Abbildung 13: Ablauf der Logistikplanung (vgl. SCHEDLBAUER [74], SCHNEIDER [75] und SCHOLZ‐REITER ET AL. [76]) ImRahmenderstrategischenLogistikplanungwirddieLogistikplanungindieUnter‐
nehmensstrategieeingebundenundeswerdenBeschaffungs‐,Produktionsstandort‐und
Distributionsstrategiendefiniert.BeidernachfolgendenlogistikgerechtenProduktgestal‐
tungwirdseitensderLogistikversucht,EinflussaufdiegeometrischeProduktgestaltung
zunehmen,umStandardbehälterundStandard‐Handhabungsmittelzuverwendenund
somitzusätzlicheInvestitionsaufwändezuvermeiden[74].SobaldinderAusgangsteile‐
bestimmung(sieheAbschnitt2.3)überentsprechendeZukaufteileundAusgangsmateri‐
alienentschiedenwurde,beginntdieLieferantenauswahlundentsprechendeAngebote
werdeneingeholt.ImRahmenderBehälterplanungwirdfürjedesBauteilundMaterialin
engerAbstimmungmitderHandhabungs‐undMaterialflussplanungeinentsprechender
Ladungsträgerdefiniert.DiesbeinhaltetzudemdieEntwicklungvonentsprechendenAn‐
liefer‐undVerpackungskonzepten[75].DienachfolgendeMaterialflussplanungbildetzu‐
sammen mit derPlanung der Produktionssteuerung den Schwerpunkt der Logistikpla‐
nungimRahmendieserArbeitunddefiniertdieMaterialflüssesowiederenSteuerungs‐
mechanismen.EsschließtsichdiePhasederDistributionsplanungan,beiderdieVerbrin‐
gungdesfertigenProduktszumKundengeplantwird.DaderStarteinerSerienfertigung
nichtmitVolllasterfolgenkann,bedarfeseinerentsprechendenAnlaufplanung,dieden
HochlaufderProduktiondefiniertundentsprechendeMaterialbedarfeandieLieferanten
kommuniziert.GenauwiefürdenAnlaufmüssenentsprechendePlanungsschritteauch
fürdenAuslaufdurchgeführtwerden,umunnötigeMaterialbeständezuvermeiden.
Planung des Materialflusses Die Gestaltung der Logistikprozesse ist Aufgabe der Materialflussplanung, wobei
dieseimSchwerpunktaufdieOptimierungdesinnerbetrieblichenMaterialflussesabzielt
[77],[78].DerMaterialflussbegrifferfährtdabeidurchdieVDI‐Richtlinie3300eineklare
Definition:
„DerMaterialfluss(…)umfasstdabeidieVerkettungallerVorgängebeimGewinnen,Be‐
undVerarbeitensowiebeiderVerteilungvonstofflichenGüterninnerhalbfestgelegterBe‐
reichevomWareneingangbiszumWarenausgangundistsomitTeilderBeschaffungs‐,Pro‐
duktions‐,Distributions‐undEntsorgungslogistik.“[79]
ImRahmenderMaterialflussplanungerfolgendieVersorgungs‐,Bereitstell‐undFör‐
derplanung[76].DieAufgabederVersorgungsplanungistes,dieVersorgungderFerti‐
gung und Montage mit Zukauf‐ oder Hausteilen sicherzustellen. Zumeist erfolgt eine
werksexterne Anlieferung idealerweise direkt bis zum Verbauort mittels Just‐in‐Se‐
quenceoderJust‐in‐TimeKonzepten[74].InsbesonderebeigünstigerenC‐Teilenmuss
jedochaufeinstufigeLagerkettenmitentsprechendenBereitstellungsprozessenzurück‐
gegriffenwerden,dasichKonzeptemitJust‐in‐SequenceoderJust‐in‐Timewirtschaftlich
nichtrechnen.EinwichtigerAspektbeiderBereitstellungsplanungistdieBerücksichti‐
gung von Mengenbrüchen [80]. Diese treten auf, wenn genormte Verpackungsgrößen
nichtdenZielgrößenamVerbauortentsprechen.DieserforderteinevorhergehendeKom‐
missionierung mit entsprechenden Flächenbedarfen. Zudem können bei der Versor‐
gungs‐undBereitstellplanungtechnischeRestriktionenauftreten.Beidenhochempfind‐
lichenPrepreg‐MaterialienistdieKühlkettesowohlbeiTransportalsauchbeiLagerung
aufrechtzuhalten.DieHaltbarkeitderPrepregsvariiertjenachKühltemperaturundHarz‐
system.BeiHexplyPrepregs,dievonAirbusfürdenFlugzeugbauzertifiziertsind,wird
eineHaltbarkeitsdauervon12Monatenbei0°Cundvon30Tagenbei23°Cangegeben
[81].
EntsprechendschnellmüssendiePrepregsverbautwerden.DesWeiterenistdarauf
zuachten,dasseineBetauungbeiEntnahmeausdemKühllagervermiedenwird.Dazu
wird die Rolle ungeöffnet aus dem Lager entnommen und bei Raumtemperatur aufge‐
wärmt,wasbiszu48Stundendauernkann.WenndieHaltbarkeitsdauerüberschritten
wird,mussdasPrepregentsorgtwerden.DieswirdimRahmenderEntsorgungsplanung
erarbeitetundbeinhaltetdieDefinitionvonentsprechendenTransportenundBehältern.
SofernessichumAbweichungendesBauteilsbeiderQualitätsprüfunghandelt,kannzum
Beispiel auch eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich sein, was entsprechend
vordefinierteProzessabläufeimRahmenderNacharbeitsplanungvoraussetzt.Entspre‐
chendkommtesbeiderMaterialflussplanungzueinerVerknüpfungvonBehälter‐,Trans‐
port‐,Handhabungs‐,Layoutplanung.JedeÄnderungeinerBehältergrößeodereinesBe‐
hältertypskannÄnderungendesTransportsundbeiderHandhabungzurFolgehaben,
diesichwiederumaufdenFlächenbedarfundsomitaufdasLayoutauswirken.Soferneine
begrenzte Haltbarkeitsdauer von Prepreg‐Materialien beachtet werden muss, hat dies
auchnochAuswirkungenaufdieProduktionssteuerung.DieserVielzahlanPlanungsauf‐
gabenstehennureinebegrenzteAnzahlentsprechenderPlanungstechnikengegenüber.
VorzugsweisewirdinderGrobplanungmitabstrakten,graphischenund2D‐räumlichen
Modellengearbeitet,währendinderFeinplanungvirtuelle3D‐ModellezumEinsatzkom‐
men(Abbildung14).ÜberlagertwerdendieseModellartenzudemdurchdieMöglichkeit
zurNutzungvon2D‐und3D‐Simulationstechniken,aufdieimKapitel3genauereinge‐
gangenwird.
Logistikplanung 27
Abbildung 14: Anwendung verschiedener Modellarten in Abhängigkeit vom Abstrakti‐
onsgrad (vgl. SCHENK ET AL. [73]) DieMaterialflussmatrixistfesterBestandteilderMaterialflussplanungundzeigteine
einfacheQuelle‐/Senke‐BeziehunginTabellenform,umMaterialflüssesowohlqualitativ
alsauchquantitativabzubilden[73].ZudemisteineÜberführungderMaterialflussmatrix
ineinMaterialfluss‐oderSankey‐Diagrammmöglich[82].Mittelszusätzlicherräumlicher
Informationenkönnenlage‐undmaßstabsgerechteMaterialflussschemataerstelltwer‐
den.DieseMaterialflussschematabildeneinzentralesPlanungselementfürdieVerknüp‐
fung von Transport‐ und Layoutplanung, weshalb sie fester Bestandteil eines entspre‐
chendenModellierungskonzeptszurdigitalenCFK‐Produktionsentwicklungseinsollten.
Anforderung12:„Materialfluss(integriert)“
ImHinblickaufdiegraphischeModellierungistesvongroßerBedeutung,dasseineintegrierte
Materialflussdarstellung erfolgt, welche die ablauforganisatorischen Zusammenhänge zwi‐
schenFertigungs‐undLogistikprozessensowiederentsprechendenMaterialflüssedarstellt,
umzumBeispieldenBedarfandurchzuführendenHandhabungsprozessenzuerkennen.
Anforderung13:„Mengen‐/Zustandsänderung“
EinwichtigerAspektbeiderModellierungvonMaterialflüssenistdieBerücksichtigungvon
Mengen‐undZustandsänderungenimProzessablauf.BedingtdurchverschiedeneTransport‐
undFertigungslosgrößenkommteszumAuftretenvonMengenbrüchen,wobeiimSinneder
BehälterplanungderEinsatzvonLadungsträgernsozuoptimierenist,dassmöglichstwenig
Kommissionieraufwandentsteht.DesWeiterenändertsichbeimehrstufigenFertigungs‐und
ProduktionsprozessenauchderZustanddesFörderguts,wasentsprechendfestgehaltenwer‐
densollte.
Anforderung14:„Materialflussschema“
DasMaterialflussschemaisteinzentralesInstrumentderFabrikplanung,umdieVerknüpfung
vonMaterialfluss,LayoutundFunktionseinheitenübersichtlichdarzustellen.InErweiterung
solltenlassensichlogistischeSystemobjekte,wiezumBeispielBestandspufferintegrierenund
abbildenlassen.
Planung der Produktionssteuerung Im Sinne einer ganzheitlichen Logistikplanung bedarf es neben der Festlegung der
Materialflussstrukturenund‐prozesseauchderSpezifikationdersteuerungstechnischen
Abläufe,umdasdynamischeSystemverhaltenabbildenzukönnen.DieoperativeMateri‐
alflusssteuerunggehtinderProduktionssteuerungauf,welchezusammenmitderPro‐
duktionsplanung den Auftragsabwicklungsprozess informationstechnisch unterstützt
(Abbildung15).
Produktions‐
planung
Produkt‐
entwicklung
• Produkt‐
anforderungen
• Produktentwurf
• Konstruktion (Stücklisten)
•
•
•
•
Produktions‐
entwicklung
Produktions‐
steuerung
(auftragsunabhängig)
• Auftragsveranlassung
• Auftragsüberwachung
Arbeitsablaufplanung
Arbeitsmittelplanung
Arbeitsstättenplanung
Logistikplanung
Auftragsabwicklungsprozess
• Produktions‐
programmplanung
• Mengenplanung
• Termin‐ und Kapazitätsplanung
Fertigung, Montage, Transport
Produktentstehungsprozess
Abbildung 15: Zusammenhang zwischen Produktentstehungs‐ und Auftragsabwick‐
lungsprozess (vgl. ARNOLD ET AL. [83]) ImRahmendesAuftragsabwicklungsprozesseswirdspezifiziert,welchesProduktin
welcherMengezuwelchemZeitpunktproduziertwerdensoll.HierzubedarfesInforma‐
tionenzuProdukten,Stücklisten,ArbeitsplänenundMaschinenkapazitäten,dievorabim
RahmendesProduktentstehungsprozessesentwickeltwurden[83].Bezüglich derPro‐
duktionssteuerungbedarfeseinerspezifischenPlanungimRahmenderLogistikplanung,
dadieProduktionssteuerungerheblichenEinflussaufdieLeistungsfähigkeitdesProduk‐
tionssystemshat[84].WährendindenvorhergehendenPlanungsschrittenderArbeits‐
ablauf‐, Arbeitsmittel‐, Arbeitsstätten‐ und Materialflussplanung der kapazitive und
strukturelleRahmengespanntwurde,istesAufgabederProduktionssteuerungsplanung,
daszeitlicheZusammenspielzwischenallenSystemelementenbestmöglichzukoordinie‐
ren.InVerbindungmitderProduktionsplanungstehenderProduktionssteuerungeine
ReiheverschiedenerMethodenzurVerfügung,diesichinAbhängigkeitvomFertigungs‐
typundderProduktevielfalteinsetzenlassen(Abbildung16).
Logistikplanung 29
Einzel‐ bzw. Standardprodukt
Standardprodukt mit Option
Produktfamilie
mit Varianten
Fertigungstyp
nach Kunden‐
spezifikation
Produktevielfalt
Baustellenfertigung
Werkstattfertigung
Legende:
Gruppenfertigung
ERP
Reihenfertigung
Transferstraßen
ERP/
MRP II
= Enterprise Resource
Planning
MRP II = Manufacturing Resource Planning
Abbildung 16: Konzepte zur Produktionsplanung und ‐steuerung in Abhängigkeit von Fertigungstyp und Produktevielfalt (vgl. SCHÖNSLEBEN [85]) DasGrundgerüstnahezuallerFertigungs‐undProduktionssystemebildeteinERP‐
System,welchesnachMRPIIaufgebautistundinsbesondereinderWerkstatt‐undGrup‐
penfertigungzumEinsatzkommt.SowohldieProduktionsplanungalsauchdieProdukti‐
onssteuerungkönnendabeinachMRPIIerfolgen.Esistjedochsinnvoll,diesesGrundkon‐
zeptbeihoherProduktevielfaltumvariantenorientierteKonzepteundbeiniedrigerPro‐
duktevielfaltumJust‐in‐timeKonzeptezuergänzen,umz.B.dieMaterialbereitstellungzu
verbessern[85].BeiderangestrebtenCFK‐SerienfertigungvongroßflächigenFlugzeug‐
bauteilenistaufgrundderstrengenZulassungsprozessedurchdasLuftfahrt‐Bundesamt
vonEinzel‐bzw.Standardproduktenauszugehen.InKombinationmitderangestrebten
ReihenfertigungergibtsichsomiteinERP/MRPII‐Grundkonzept,welchessichaufPro‐
duktionssteuerungsebeneumJust‐in‐timeKonzepte,wiez.B.Bestellbestandsverfahren,
KanbanundLieferabrufe,erweitert.ImHinblickaufeindigitalesModellierungskonzept
fürdieCFK‐SerienfertigungsolltesomitdieAbbildungentsprechenderSteuerungskon‐
zepteunterVerwendungvonJust‐in‐timeKonzeptenmöglichsein.
DieUmsetzungderProduktionssteuerungerfolgtinderPraxiszumeistdurcheinen
elektronischenLeitstand,welchereinzelneAbschnittederFertigungoderMontagekoor‐
diniert.SynonymzumelektronischenLeitstandkonzeptwirdinderLiteraturauchderBe‐
griffdesManagementExecutionSystems(MES)verwendet.DasZieldesLeitstandkon‐
zeptsistes,schnellaufStörungenreagierenzukönnen,wasimWesentlichendurcheine
schnelleDatenverarbeitungerreichtwird.EsfallengroßeMengenanMaschinen‐undBe‐
triebsdatenan,diesichdurcheinzentralesERP‐/PPS‐Systemzeitnahnichtmehrverar‐
beitenlassen.EntsprechenderfolgtdiesdezentraldurcheinenLeitstandundeswerden
nurnochaggregierteDatenüberdenZustandderProduktionzwischendenbeidenSys‐
temenausgetauscht[85].DieAbbildung17zeigtgrundlegendeZusammenhängederPro‐
duktionssteuerung mit Leitstandkonzept, wobei die wesentlichsten Steuerungsfunktio‐
nennachBERGMANNETAL.[86],LÖDDING[87],SCHÖNSLEBEN[85],undSELKE[88]dargestellt
sind,fürdieimRahmenderPlanungderProduktionssteuerungentsprechendeVerfahren
undMethodenausgewähltbzw.entwickeltwerdenmüssen.
Abbildung 17: Produktionssteuerung mit Leitstandkonzept (vgl. BERGMANN ET AL. [86], LÖDDING [87], SCHÖNSLEBEN [85], SELKE [88]) Ausgehend von der Produktionsplanung werden Produktionsaufträge an den Leit‐
standübergeben,wobeidieEinlastungmittelsverschiedenerAuftragsfreigabeverfahren
(engl. release policy) geregelt werden kann, um eine zu hohe Systemauslastung und
dadurchineffizienteProduktionzuverhindern.DiefreigegebenenProduktionsaufträge
werdendannvomLeitstandaufdieverschiedenenMaschinenundAnlagenverteilt,wobei
sowohl eine globale Maschinenbelegungsplanung nach MRP II‐Konzept (engl. sequen‐
cing)alsauchlokalausgerichteteVerfahrenzurReihenfolgebildung(engl.dispatching)
undRessourcenauswahl(engl.routing)zumEinsatzkommenkönnen.MitSchwerpunkt
Logistikplanung 31
einer Reihenfertigung mit niedriger Produktevielfalt muss bei der CFK‐Serienfertigung
davonausgegangenwerden,dassnebenglobalerMaschinenbelegungsplanungauchlo‐
kaleSteuerungsverfahren,wiez.B.Prioritätsregeln,zumEinsatzkommen,diemittelslo‐
kalerRegelkreiseschnellaufkleinereStörungenreagierenkönnen.DesWeiterenistzu
erwarten,dassdiezentraleAuftragserzeugungnachMRPII‐Konzeptdurcheinedezent‐
raleAuftragserzeugung(engl.generation)ergänztwird,umereignisorientiertzumBei‐
spiel Bestellbestandsverfahren und Kanban‐Regelkreise für die Materialbereitstellung
abzubilden.GrundsätzlichdeterminiertdiePlanungderProduktionssteuerungdasSys‐
temverhalten,welcheserheblichenEinflussaufdieDimensionierunghat.Jebesserdiege‐
planteProduktionssteuerungist,destoeffizienterkönnenRessourcenundBetriebsmittel
genutztwerden.ImErgebnismussbeieinergutenProduktionssteuerungwenigerinRes‐
sourcenundBetriebsmittelinvestiertwerden.MittelsMaterialflusssimulationkanndie
AuslegungeinersolchenProduktionssteuerungschonimVorfeldabgesichertunddieDi‐
mensionierung durchgeführt werden. Grundsätzlich sind steuerungstechnische Zusam‐
menhänge im Simulationsprogramm nur schwer nachvollziehbar, weshalb das Steue‐
rungskonzeptzusätzlichineinergraphischenBeschreibungssprachedokumentiertwer‐
densollte.DieseDokumentationkönntedannsowohlzurGültigkeitsprüfungderMateri‐
alflusssimulationalsauchfüreinespäteresoftwaretechnischeImplementierunginope‐
rativeSteuerungssystemeverwendetwerden.
ImHinblickaufdiePlanungderProduktionssteuerungeinerCFK‐Serienfertigungzei‐
gensichbeigenauererBetrachtungeinigematerialflusstechnischeBesonderheiten,diein
derAbbildung18dargestelltsind.NormalerweisewirdinderLiteraturzwischenFerti‐
gungs‐,Montage‐undDemontageprozessenunterschieden[89].InderCFK‐Fertigungfin‐
det jedoch aus materialflusstechnischer Sicht eine Kombination von Fertigungs‐, Mon‐
tage‐ und Demontageprozessen statt. Die in den Fertigungsprozess eingehenden Hilfs‐
stoffe und Fertigungshilfsmittel, wie z. B. Vakuumfolie und Formschale, werden in der
gleichenProzessabfolgeauchwiederentfernt[5].BeidenFertigungshilfsmittelnkommt
eszudemzuprozessbegleitendenWerkzeugumläufen.IndieFormschalewirdderLami‐
nataufbauzusammenmitdenHilfsstoffeneingebrachtunddannwerdenweitereProzess‐
schrittebiszurEntnahmedesausgehärtetenCFK‐Werkstücksgemeinsamdurchlaufen.
ErstdanachstehtdieFormschalewiederfürweitereAufträgezurVerfügung,wobeidie
BereitstellungzusätzlicherLogistikprozessebedarfundgegebenfallseinevorherigeRei‐
nigungsowieVerschleißprüfungderFormschaleerforderlichwird.Beinichtausreichend
vorhandenenFormschalenkanneszuerheblichenEngpässenundweitreichendenPro‐
duktionsausfällenkommen[8].ZudemmussinderProduktionssteuerungdasAuftreten
vonFertigungsfehlernberücksichtigtwerden(sieheKapitel2.1.1),wobeidieEntdeckung
einesFehlersimmereinenentsprechendenPrüfprozessvoraussetzt.EinweitererSteue‐
rungsaspektistdieparalleleAushärtungmehrererWerkstückeimAutoklaven.Jenach
Form und Größe der Werkstücke kann der Autoklav variabel bis zu einer maximalen
Werkstückmengegenutztwerden.
Legende
Hilfsstoffe
1
Legen
3
2
CFK‐
Prepreg
4
Formschale
6
Hilfsstoffe
(gebraucht)
Aushärten
5
9
7
12
Spanende Bearbeitung
(Reparatur) 8
CFK‐Bauteil
(defekt)
11
CFK‐Bauteil
Qualitäts‐
prüfung 10
1
Materialmontage
2
Werkzeugumlauf
3
Fertigungsfehler
4
Mengenbruch
5
Autoklavprozess
6
Materialdemontage
7
Materialzustand
8
Parallelmaschinen
9
Pufferung
10
Anlagenstörung
11
Qualitätssortierung
12
Reentranter Prozess
Station
Fertigungs‐
hilfsmittel
Material / Werkstück
Hilfsstoff
Bestandspuffer
Materialfluss
Abbildung 18: Prinzipskizze der auftretenden Materialflüsse in der CFK‐Fertigung am Beispiel der Prepreg‐Autoklav‐Technik Dabeiistesnichtimmersinnvoll,dievolleAnlagenkapazitätzunutzen.Esexistieren
Autoklavzeitenvon3‐5StundenundbeidennachfolgendenProzessenwürdeeszugrö‐
ßerenLiegezeitenkommen,dadiesemaximaleinWerkstückgleichzeitigbearbeitenkön‐
nen.DieswürdezudemdieWerkzeugumläufenegativbeeinflussenundeinegrößereAn‐
zahlbenötigterFormschalenzurFolgehaben.EinevariableAutoklavbestückungvoraus‐
gesetztkannderAutoklavaberauchzumAusgleichvonProduktionsschwankungen(Stö‐
rungen,Auftragsspitzen,etc.)genutztwerden,indemkurzfristigmehrWerkstückealsge‐
plantparallelbearbeitetwerden.DerAutoklavprozessistwesentlichesCharakteristikum
derCFK‐Serienfertigung,wobeisichähnlicheProzessabläufeauchinderHalbleiterferti‐
gungfindenunddortzuerheblichenPlanungs‐undSteuerungsproblemenführen[90].
NachderAushärtungdesWerkstücksimAutoklavenwerdenHilfsstoffeentfernt.Dieser‐
forderteinenDemontageprozesssowieeineEntsorungdergebrauchtenHilfsstoffe.Zu‐
demkannbeiderspanendenBearbeitungderEinsatzparallelerMaschinensinnvollwer‐
den,umlängereLiegezeitennachderAushärtungzuvermeiden.HinsichtlichderProduk‐
tionssteuerungsetztdiesdenEinsatzvonRegelnzurRessourcenauswahlvoraus.
Logistikplanung 33
BeiderspandendenBearbeitungwirddasWerkstückausderFormschaleentnom‐
menunddasWerkstückohneFormschalenachfolgendzurQualitätsprüfungüberführt.
Exemplarisch kann es hier aufgrund der feinen Messapparatur zu Anlagenstörungen
kommen. Bei der Qualitätsprüfung werden defekte Werkstücke mit Fertigungsfehlern
identifiziertundmittelseinerQualitätssortierunggegebenenfallseinerReparaturzuge‐
führt.EinesolcheReparaturumfasstbeispielsweisedieNachbearbeitungderWerkstück‐
konturen,waseinwiederholtesDurchlaufenderspanendenBearbeitungmitsichbringt
undeinenreentrantenProzessbeschreibt.ReentranteProzesseerfordernlokalePriori‐
tätsregelnzurReihenfolgebildung,umzuentscheiden,welcheAufträgepriorisiertbear‐
beitetwerdenmüssen.MitBezugaufdenWerkzeugumlaufunddieNacharbeittretenMa‐
terialrückflüsseinderCFK‐Fertigungauf,diezueinererheblichenSteigerungderstruk‐
turellenSystemkomplexitätführen[91].EigentlichsindderartigeMaterialrückflüssebei
derProduktionsentwicklunggrundsätzlichzuvermeiden[54].DieerhöhteMaterialfluss‐
komplexität stellt die Produktionssteuerung vor große Herausforderungen, da sich die
SystemdynamikerhöhtundsichFertigungsengpässezeitlichverschiebenkönnen.Somit
istdieProduktionssteuerungschwierigerauszulegenundimschlechtestenFallerhöhen
sichdieBeständeanMaterialien,WerkstückenundWerkzeugensignifikant.
Anforderung15:„Steuerungsfunktionen“
DiePlanungderProduktionssteuerungbeinhaltetdieSpezifikationderMethodenundVerfah‐
rensowiederenParametrisierung,umeineeffizienteSteuerungderProduktionzuerreichen.
ImRahmendieserArbeitwirdsichdabeiaufdieAbbildungdervierwesentlichenSteuerungs‐
funktionen (Auftragsfreigabe, Auftragserzeugung, Reihenfolgebildung und Ressourcenaus‐
wahl)konzentriert.DievierSteuerungsfunktionenermöglicheneineganzheitlicheBeschrei‐
bungderProduktionssteuerung,diesimulativevaluiertwerdenkann.MitderlokalenReihen‐
folgebildungundRessourcenauswahlwirddabeieindezentralerSteuerungsansatzverfolgt,
dersichinsbesondereindynamischenUmfeldern,wieesbeiderCFK‐SerienfertigungderFall
ist,bewährthatundeineguteNachvollziehbarkeitderSteuerungslogikengewährleistet.Die
guteNachvollziehbarkeitistinsofernwichtig,alsdassdasSteuerungskonzeptspäterinreale
Produktions‐undMaterialflusssteuerungssystemeimplementiertwerdenmussundsichso‐
mitdurcheineguteDokumentationerheblicheAufwandseinsparungenerzielenlassen.
Anforderung16:„Kontrollfluss(integriert)“
BezüglichderNachvollziehbarkeitderSteuerungslogikisteswichtig,dassderKontrollfluss
graphischabgebildetwerdenkannundwichtigeZusammenhängeausderModellierungher‐
vorgehen.GegebenenfallshatdiesintegriertzumMaterialfluss zugeschehen,dadezentrale
Steuerungsansätze oftmals bestandsorientierte Informationen benutzen und Materialflüsse
gegebenenfallssituationsabhängigzuinitiierensind.
Anforderung17:„PuffernundLagern“
EinwichtigesElementdermaterialflussgerechtenModellierungistdiePufferungundLage‐
rungvonMaterialien,WerkstückenundWerkzeugen,welchewesentlicheVoraussetzungfür
denEinsatzereignisorientierterVerfahrenderbestandsorientiertenAuftragserzeugung(z.B.
Bestellbestandsverfahren, Kanban) ist. Entsprechend ist es von entscheidender Bedeutung,
dassMaterialflüsseinZusammenhangmitBestandspuffernabgebildetwerdenkönnen.
Anforderung18:„ReentranterProzess“
ReentranteProzesse,diezudemnochstochastischsind,stellendieProduktionssteuerungvor
große Herausforderungen, da Ressourcen wiederholt durchlaufen und gemeinsam genutzt
werden.EntsprechendeUmläufesindnurschwerberechenbarunderforderninsbesondere
bei zentralen Steuerungsansätzen häufige Neuplanungen. Bei dezentralen Steuerungsansät‐
zen ist dies zumeist weitaus einfacher durch eine erneute Reihenfolgebildung realisierbar.
GrundsätzlicherfordertdieModellierungreentranterProzessedieAbbildunggemeinsamge‐
nutzterRessourcenüberverschiedeneProzessschrittehinweg.
Anforderung19:„Qualitätssortierung“
InsbesondereinderCFK‐SerienfertigungvonFlugzeugbauteilengeltenhoheQualitätsanfor‐
derungen,dieeineSortierungderBauteileinAbhängigkeitderBauteilqualitäterfordern.Im
Detailbedeutetdies,dassinjedemProzessschrittFertigungsfehlerauftretenkönnen,welche
dieBauteilqualitätnegativbeeinflussen.BeiderQualitätsprüfungmussdannfürjedesBauteil
entschiedenwerden,wiegroßdieseMängelderBauteilqualitätinSummesindunddement‐
sprechendEinflussaufdenMaterialflussgenommenwerden.
Anforderung20:„FlexibleLosgrößen“
Der Autoklavprozess ist eine Besonderheit der CFK‐Fertigung und erfordert eine entspre‐
chendeBerücksichtigungbeiderPlanungderProduktionssteuerung.ImRahmenderProduk‐
tionssteuerungmussdabeivonsequenziellenaufparalleleLosbearbeitungumgestelltwerden.
ZudemsollteeineflexibleAutoklavbestückungunterBeachtungdermaximalenAnlagenkapa‐
zitätmöglichsein,umProduktionsschwankungenausgleichenzukönnen.
2.6 Zusammenfassung der Anforderungen an das Mo‐
dellierungskonzept zur digitalen CFK‐Produktions‐
entwicklung IndenvorhergehendenAbschnittenwurdenCharakteristikaderCFK‐Serienfertigung
amBeispielderLuftfahrtindustriediskutiert.HierzuwurdeaufentsprechendeAspekte
derProdukt‐undProduktionsentwicklungeingegangen,wobeimitSchwerpunktderin‐
tegriertenFertigungs‐undLogistikplanungspezifischeAnforderungenaneinModellie‐
rungskonzept zur digitalen Produktionsentwicklung aus Sicht der CFK‐Serienfertigung
erarbeitetwurden.DiedigitaleProduktionsentwicklungstellteinZukunftskonzeptdar,
welcheseinedurchgehendmodellgestütztePlanungdesProduktionssystemsimRahmen
derDigitalenFabrikvorsieht.EineVoraussetzungdafüristdieModellierbarkeitentspre‐
chenderSystemcharakteristika,wobeiderbesondereAnspruchdieserArbeitinderEnt‐
wicklungeinesFabrikdatenmodellsfürdieGrobplanungliegt,welcheseineintegrierteSi‐
mulation mittels (teil‐)automatischer Modellgenerierung ermöglicht. Zur Kategorisie‐
rungderanalysiertenAnforderungenwerdenimFolgendenmitdemSichtenkonzept,der
ZusammenfassungderAnforderungenandasModellierungskonzeptzur 35
digitalenCFK‐Produktionsentwicklung
Materialflussorientierung, der Systematik und der Simulierbarkeit vier übergeordnete
Anforderungsfelderdefiniert(Tabelle1).
Tabelle 1: Übersicht der Anforderungen an das Modellierungskonzept GRAPHISCHEMODELLBILDUNG
MATERIALFLUSS‐
ORIENTIERUNG
SICHTENKONZEPT





Prozessablauf
Materialfluss(integriert)
Kontrollfluss(integriert)
Layout
Materialflussschema
IMPLEMENTIERUNG





Werkzeugumläufe
Mengen‐/Zustandsänd.
PuffernundLagern
ReentranterProzess
SYSTEMATIK





Kostenbewertung
Vorgehensmodell
Planungsvarianten
log.Kennzahlen
Dimensionierung
SIMULIERBARKEIT





Fertigungsfehler
Anlagenstörungen
aut.Experimentdf.
Steuerungsfunktionen
flexibleLosgrößen
ZurReduzierungderSystemkomplexitätistessinnvoll,einSystemausverschiedenen
statischenunddynamischenPerspektiven,densogenanntenSichtenzubeschreiben[92],
[93].DieEntwicklungdesSichtenkonzeptsbeinhaltetfolglichdieSpezifikationundVer‐
knüpfungderverschiedenenSichtensowiedieDefinitionvonStrukturebenen[94],[95]
undentsprechenderModellobjekte.ImSinneeinerganzheitlichengraphischenModellie‐
rungistesvonentscheidenderBedeutung,dassmehrereSichtendefiniertwerden,diezur
Abbildung der CFK‐Serienfertigung verwendet werden können. Im Wesentlichen sollte
sich dabeiauf die Materialflussorientierungmit der Möglichkeit zur Abbildung spezifi‐
scher Systemmerkmale, wie z. B. Werkzeugumläufe und Mengenbrüche, konzentriert
werden. Das Ziel sollte die simulationsgerechte Beschreibung materialflusskomplexer
Produktionsszenarien,bestehendausFertigungs‐undLogistikprozessen,sein.Während
das Sichtenkonzept und die Materialflussorientierung vornehmlich die graphische Mo‐
dellbildungbetreffen,sindSystematikundSimulierbarkeitrelevanteAnforderungsfelder
fürdiesoftwaretechnischeImplementierung.HinsichtlichderSystematikwirdeinstan‐
dardisierterPlanungsablaufmithoherTransparenzangestrebt,dereserlaubt,mitderer‐
höhtenPlanungsunsicherheitunddenerweitertenLösungsräumenderCFK‐Produktions‐
entwicklung umzugehen. Es sollten mehrere Planungsvarianten verwaltet und sowohl
unterreinlogistischenalsauchkostentechnischenKriterienbeurteiltwerdenkönnen.Ein
weitererAspekt,derdieImplementierungbetrifft,istdieSimulierbarkeit.Ausgehendvon
derbewusstenFokussierungeinermaterialflussgerechtenModellierungsollteesmöglich
werden, die entworfenen Konzeptmodelle (teil‐)automatisch in Simulationsmodelle zu
überführenundzumBeispielFertigungsfehler,Anlagenstörungensowieweitergehende
Steuerungsfunktionen abzubilden. Im Ergebnis zeigt sich, dass eine Reihe spezifischer
SystemmerkmalederCFK‐Serienfertigungexistiert,dieeinegroßeHerausforderungan
dieEntwicklungeinesanforderungsgerechtenModellierungskonzeptsdarstellen.
3 Modellbildung und Simulation IndiesemKapitelwerdenausgewählteAnsätzederModellbildungundSimulationim
Hinblick auf die Verwendung im Modellierungskonzept zur digitalen Produktionsent‐
wicklungimKontextderCFK‐Serienfertigunghinuntersucht.DabeiwirdderFragenach‐
gegangen,inwieweitsicheinzelneinderLiteraturbeschriebeneMethodenundKonzepte
aufdierechtkomplexenAnforderungenderCFK‐Serienfertigungübertragenlassen.
3.1 Begriffliche Bestimmung des Modellierungskon‐
zepts DieBegriffevonModellundSystemsteheninengerVerbindung.UntereinemSystem
wirdeineabgegrenzteAnordnungvonKomponentenverstanden,diemiteinanderinBe‐
ziehungstehen[96].DaSystemenureinmentalesBildeinesRealitätsausschnittsdarstel‐
len,istdieBearbeitungvonSystemenohneRepräsentationinFormvonModellennicht
möglich[97].DasModellstelltdabeiaberauchimmernureineSichtweiseaufdaszumo‐
dellierendeSystemdar[47].IndiesemSinnekannderModellbegriffnachVDI‐Richtlinie
3633wiefolgtdefiniertwerden:
„EinModellisteinevereinfachteNachbildungeinesgeplantenoderrealexistierenden
OriginalsystemsmitseinenProzessenineinemanderenbegrifflichenodergegenständlichen
System.EsunterscheidetsichhinsichtlichderuntersuchungsrelevantenEigenschaftennur
innerhalbeinesvomUntersuchungszielabhängigenToleranzrahmensvomVorbild.“[96]
HinsichtlichdesVerwendungszwecksvonModellenunterscheidenKRALLMANNETAL.
zwischen Beschreibungs‐, Erklärungs‐ und Simulationsmodellen [98]. Das Beschrei‐
bungsmodellerfülltinersterLinieeinenreindokumentarischenCharakter,wobeiesals
GrundlagezurKommunikationdient.DerEinsatzvonErklärungsmodellenwirdimmer
38 ModellbildungundSimulation
dannerforderlich,wennnichtallerelevantenEigenschaftenundderenAusprägungenei‐
nesOriginalsimRahmenderSystemerhebungerfasstwerdenkönnen.Hierbeiwirdver‐
sucht,überdenEinsatzvonHypotheseneineErklärungfürverschiedeneSystemzustände
in der Vergangenheit oder Zukunft zu finden. Das Simulationsmodell geht hierzu noch
weiterunddientderVorhersagezukünftigerZuständeeinesOriginalsmittelssystemati‐
scherVariierungverschiedenerunabhängigerVariablen.DieBeschreibungeinesModells
erfolgtmittelseinerBeschreibungssprachebzw.einerNotation.DieNotationrepräsen‐
tiertvornehmlichdieSyntax,währenddieAnwendungderNotationdurchdieSemantik
spezifiziertwird.DasZielvongraphischenNotationenistdieverbesserteKommunikation
zwischenNutzernspeziellgegenübertextuellenDarstellungen[99].GraphischeNotatio‐
nenerlaubenes,einenraschenÜberblicküberdasSystemzubekommenunderleichtern
das Erfassen von Systembeziehungen. Die zweidimensionale Darstellung von graphi‐
schenNotationenbesitztaberauchNachteile,daeinerheblicherPlatzbedarfentstehtund
dieInformationsdichteabnimmt.DesWeiterenistdiepräziseDefinitionderSyntaxund
derSemantikbeieinergraphischenSpracheerschwert.InAnlehnungandiePrinzipien
der Modellierung nach PIDD sollten Modellierungssprachen in Relation zum Modellie‐
rungsgegenstandimmermöglichsteinfachgehaltenwerden[100].JekomplexerdieMo‐
dellierungsspracheist,destomehrAufwandmusszuihrerkorrektenAnwendungbetrie‐
benwerden.DieskanninsbesonderebeiderModellierungkomplexerSystemezuerheb‐
lichenModellierungsfehlernundZusatzaufwändenführen,wenndieModellierungsspra‐
che zu komplex gestaltet ist. Grundsätzlich sollte sich immer an den Grundsätzen ord‐
nungsgemäßerModellierung(GOM)orientiertwerden,welchedieRichtigkeit,Relevanz,
Wirtschaftlichkeit,Klarheit,VergleichbarkeitsowiedensystematischenAufbaufordern
[101].
Eine Modellierungsmethode kann mehrere Modellierungstechniken beinhalten, die
wiederumeinemSichtenkonzeptzugeordnetsind.NachDANGELMAIERbesitzteineModel‐
lierungsmethodenebenderNotationunddenRegelnzurrichtigenBenutzungderNota‐
tionaucheinVorgehensmodell[102].DerBegriffdesModellierungskonzeptsistrechtfrei
definiert,abergrundsätzlichnochumfassenderalsdieModellierungsmethode.DieArchi‐
tekturintegrierterInformationssysteme(ARIS)wirdgernealsidealtypischesBeispielei‐
nesModellierungskonzeptesangeführt[103].ImSinneeinerbegrifflichenArbeitsdefini‐
tionundinAnlehnunganARNOLDETAL.[104],HOLTEN[105],SCHOLZ‐REITERETAL.[106]und
SPATHETAL.[107],sollteeinModellierungskonzeptfolgendeelementareBestandteilebe‐
sitzen:
1. Vorgehensmodell
2. Sichtenkonzept
a. StrukturebenenundSichten
b. Modellierungstechniken
i. Notation
ii. Regeln
3. MechanismenundAlgorithmen
a. ZielgrößenundKennzahlen
GenerierungvonSimulationsmodellen 39
b. Simulationstechnik
c. Analysemethoden
Ausgehendvon dem Vorgehensmodell, welches die durchzuführendenAufgabenin
einPhasenkonzepteinbindetunddiesemunterstützendeWerkzeugesowieMethodenzu‐
ordnet,werdenRollenundVerantwortlichkeitendefiniert.ZurReduzierungderSystem‐
komplexität ist es sinnvoll, ein System aus verschiedenen statischen und dynamischen
Perspektiven,densogenanntenSichtenzubeschreiben[92],[93].DieEntwicklungdes
SichtenkonzeptsbeinhaltetfolglichdieSpezifikationundVerknüpfungderverschiedenen
SichtensowiedieDefinitionhierarchischerStrukturebenen[94],[95]undderentspre‐
chendenModellobjekte.MöglicheStrukturierungsansätzederModellobjekteundderOb‐
jektbeziehungenkönnenCUTTING‐DECELLEETAL.[108],FÖRSTERETAL.[109]undKÖSTERS
[110]entnommenwerden.EinweiteresElementdesModellierungskonzeptesistdieIn‐
tegrationvonMechanismenundAlgorithmen[111].Hierbeiistfestzulegen,welcheKenn‐
zahlenverwendetwerdenundwiedasModellzumBeispielmittelsSimulationstechnik
ausgewertetwerdenkann.
3.2 Generierung von Simulationsmodellen IndenfolgendenUnterkapitelnwirdsichmitdenGrundlagenzurSimulationausei‐
nandergesetztunddieMotivationzur(teil‐)automatischenModellgenerierungherausge‐
arbeitet.DesWeiterenwirdanalysiert,welcheAnsätzezurModellgenerierungexistieren
und nachfolgend auf die Gültigkeitsprüfung von Modellen eingegangen. Abschließend
wird der eigene Modellgenerierungsansatz klassifiziert und zu anderen wissenschaftli‐
chenArbeitenabgegrenzt.
3.2.1
Grundlagen und Ziele der Simulationsmo‐
dellgenerierung DieSimulationisteinwichtigesInstrumentzurAnalyseundPlanungvonMaterial‐
flusssystemen.ImFolgendenwirdsichmitdersogenanntenMaterialflusssimulationbe‐
schäftigt,dieinderdeutschsprachigenLiteratureineereignisdiskreteSimulationimpro‐
duktionsnahenUmfeldbeschreibt.DerBegriffderSimulationleitetsichvomlateinischen
simulareabundbedeutet„nachbilden,nachahmen,ähnlichmachen”.Hierzudefiniertdie
VDI‐Richtlinie3633weiter:
„SimulationistdasNachbildeneinesSystemsmitseinendynamischenProzesseninei‐
nemexperimentierfähigenModell,umzuErkenntnissenzugelangen,dieaufdieWirklich‐
keitübertragbarsind.“[96]
JenachAnwendungsfallerfolgtimRahmenderSimulationeinemehroderweniger
systematischeOptimierungdesModellverhaltens.DurcheineiterativeVariationvonEin‐
gabe‐undSimulationsparameternwirdgezieltversucht,eineaufdenAusgabegrößenbe‐
rechneteZielfunktionzuoptimieren.FüreineteilautomatischeOptimierungdesModell‐
verhaltenskönnenlokaleSuchstrategien(Tabu‐Search,genetischeAlgorithmenetc.)ver‐
wendetwerden[112].DerEinsatzderSimulationbietetsichgrundsätzlichimmerdann
an, wenn komplexe Wirkungszusammenhänge das menschliche Vorstellungsvermögen
übersteigenoderdasExperimentierenamrealenSystemnichtmöglichbzw.zukostenin‐
tensivist[113].VondemEinsatzderSimulationsollteabgeratenwerden,wenndieZiele
auchmitmathematischanalytischenMethodenverfolgtwerdenkönnen,dadieseMetho‐
deneinengeringerenZeitaufwanderfordernundsomitkostengünstigersind[113].Im
VergleichzumathematischanalytischenVerfahrenbestehtdermethodischeVorteilder
SimulationinderEntwicklungvonZustandsfolgeninderZeit.AufdieseWeisekönnen
komplexe nicht‐lineare Sachzusammenhänge abgebildet werden, bei denen mathema‐
tischanalytischeMethodenanihreGrenzenstoßen[114].EinwichtigesKriteriumbeider
SimulationistderZusammenhangzwischenDetaillierungsgradundSimulationsergebnis
(Abbildung19).
Aufwand/
Fehlerhäufigkeit
hoch
Genauigkeit
Aussagekraft
Akzeptanz
niedrig
Modellkomplexität
Abbildung 19: Zusammenhang zwischen Detaillierungsgrad und Simulationsergebnis (vgl. KORMARNICKI [115]) Ab einer bestimmten Modellkomplexität ist das Simulationsmodell nicht mehr be‐
herrschbar und trotz höherer Genauigkeit sinken die Aussagekraft und die Akzeptanz
[115].EntsprechendistbeiderModellerstellungdaraufzuachten,dasseinAbstraktions‐
gradgewähltwird,derbeiausreichenderGenauigkeitnocheinehoheAussagekraftbe‐
sitzt.DesWeiterenistzubeachten,dasseinhergehendmitderModellkomplexitätderAuf‐
wand zur Modellerstellung gegebenenfalls exponentiell ansteigt. Grundsätzlich ist der
hoheAufwandfürdieModellerstellungeinwesentlichesHemmnisbeimEinsatzvonSi‐
mulationstechniken.WieinAbbildung20dargestellt,istdieErstellungvonSimulations‐
modellenprinzipiellsehrzeitaufwendig.Über80ProzentderGesamtzeiteinerSimulati‐
onsstudiewirdvonTätigkeitenverbraucht,dietheoretischeinhohesAutomatisierungs‐
potenzialbesitzen[116],[117].LediglichdiePhasenderZielbeschreibung&Aufgaben‐
spezifikationsowiederSystemanalyselassensichnachheutigemStandnurbedingtauto‐
matisieren.
25%
20%
15%
10%
5%
0%
Zielbeschreibung
& Aufgaben‐
spezifikation
Systemanalyse
Datenerhebung Modellerstellung
/‐aufbereitung /Implementierung
Gültigkeits‐
prüfung
Experimente
& Anayse
Abschluss‐
dokumentation
Abbildung 20: Zeitanteile einer Simulationsstudie (vgl. BAIER ET AL.[116]) VordiesemHintergrundgewinntdasKonzeptder(teil‐)automatischenModellgene‐
rierung insbesondere bei größeren Simulationsstudien an Bedeutung [88]. Im engeren
KontextumfasstdieModellgenerierungdabeidiePhasenderDatenerhebung/‐aufberei‐
tung und der Modellerstellung/‐implementierung. STRAßURGER ET AL. definieren hierzu
denBegriffder(teil‐)automatischenModellgenerierungwiefolgt:
„[…]imSimulationskontextwerdendarunterAnsätzeverstanden,beideneneinSimula‐
tionsmodellnichtmanuellmitdenModellierungswerkzeugendesgewähltenSimulatorser‐
zeugtwird,sondernvielmehrüberSchnittstellenundAlgorithmenausexternenDatenquel‐
lengeneriertwird.“[13]
DemzufolgemusszurNutzungderexternenDatenquellezunächsteinerhöhterAuf‐
wand in die Erstellung der Datenstruktur, der Datenschnittstellen und der Simulation‐
sumgebunginvestiertwerden.ErstinspäterenPhasenamortisiertsichdieserAufwand
durch eine gesteigerte Modellflexibilität und –qualität [88]. Hierbei sollte nicht uner‐
wähntbleiben,dassausgehendvonder(teil‐)automatischenModellgenerierungweiteres
Automatisierungspotenzialbesteht.EntsprechendwirdindieserArbeitnebenderDaten‐
erhebung und Modellerstellung auch die automatische Experimentdurchführung und
Gültigkeitsprüfungadressiert,wobeiinhaltlichnichtaufdieweitergehendeModellopti‐
mierung,zumBeispielmittelslokalerSuchverfahren,eingegangenwird.
InErweiterungdiesesKonzeptgedankensdefinierensichsomitfolgendeZielefürdie
(teil‐)automatischeModellgenerierung:

EffizienzsteigerungdurchgeringerenAufwandbeiderDatenerhebung,Mo‐
dellerstellung,GültigkeitsprüfungundExperimentdurchführung



höhere Modellqualität durch standardisierte und automatisierte Imple‐
mentierungsprozesseimVergleichzurmanuellenImplementierung
schnellereSimulationsdurchführungdurchautomatisierteExperimentver‐
waltungundAnalyse
erleichterteModellpflegeund‐nachnutzungdurchvereinfachteModelldo‐
kumentation
Im Ergebnis können durch die (teil‐)automatische Modellgenerierung zukünftig Si‐
mulationsstudienbeiBedarfschnellerundwirtschaftlicherdurchgeführtwerden,wobei
jedochfolgendeNachteileinKaufgenommenwerdenmüssen:



NotwendigkeitzurSchaffungvonEDV‐technischenSchnittstellenundzur
Standardisierung von fachlichen Prozessabläufen bei der Durchführung
vonSimulationsstudien
ProblemebeiderAbbildungwichtigerSystemeigenschaftenimModellauf‐
grundderhohentechnischenStandardisierung
FehlerbeiderErstellungvonKonzept‐undFormalmodellenkönnenbeider
ImplementierungdurchdenSimulationsexpertennichtmehrerkanntwer‐
den
Grundsätzlich stellt die manuelle Implementierung eine natürliche Kontrollinstanz
durchdenSimulationsexpertendar,diebeider(teil‐)automatischenSimulationsmodell‐
generierungwegfällt.EntsprechendistesvonentscheidenderBedeutung,dasseineum‐
fassendeGültigkeitsprüfungdesModellsvorgenommenwird,bevoreszurDurchführung
deseigentlichenSimulationsexperimentskommt.
3.2.2
Vorgehensweise bei der Simulation und Mo‐
dellgenerierungsansätze Die Materialflusssimulation als Instrument zur Planung von Produktions‐ und Lo‐
gistiksystemenhatsichalseffektiveProblemlösungsmethodebewährt.Obwohlmitdem
VorgehensmodellnachVDI‐Richtlinie3633einsehrpopuläresModellexistiert,wirdim
FolgendendasVorgehensmodellnachWENZELvorgestellt[118],weilessichstärkeram
AblaufdermodellgestütztenPlanungorientiert.ZuBeginneinerSimulationsstudiesteht
dieDefinitions‐undAngebotsphase.EsschließensichdiePhasenderDurchführungund
Nachnutzungan(Abbildung21).ImRahmenderDefinitions‐undAngebotsphaseerfolgt
dieZielbeschreibung,welcheineinemAngebotmündet,soferndieSimulationswürdigkeit
desVorhabensfestgestelltwurde.
Definitions‐
& Angeobtsphase
Ziel‐
beschreibung
Aufgaben‐
definition
Aufgaben‐
spezifkation
System‐
analyse
Konzeptmodell
Durchführung der Simulationsstudie
Daten‐
aufnahme
Rohdaten
Modell‐
fusion
Modell‐
formalisierung
Formalmodell
Modelltrans‐
formation
(teil‐)
automatisch
Implemen‐
tierung
ausführbares
Modell
Systemlast
& technische Daten
Nach‐
nutzung
Daten‐
aufbereitung
Gültigkeits‐
prüfung
gültiges
Modell
Experimente & Analyse
Simulations‐
ergebnis
Modellpflege
Abbildung 21: Vorgehensmodell zur Simulation mit Ansätzen der (teil‐)automatischen Modellgenerierung (vgl. WENZEL [118]) IndersichanschließendenAufgabendefinitionwerdendiezurDurchführungderSi‐
mulationsstudienotwendigenAufgabenweiterspezifiziert.DieModellbildungalszentra‐
lerBestandteilderDurchführungsphaseverfügtübervierModellierungsschrittemitent‐
sprechendenModellstufen:
1.
2.
3.
4.
Systemanalyse→Konzeptmodell
Formalisierung→Formalmodell
Implementierung→ausführbaresModell
Gültigkeitsprüfung→gültigesModell
BeimSchrittderSystemanalysewerdendiewesentlichenSystemeigenschaftenabs‐
trahiertunddieSystemobjektemitihrenAttributenineinemKonzeptmodellfestgehal‐
ten.WährenddasKonzeptmodellzumeistreinbeschreibendenCharakterhat,solltedas
nachfolgendeformaleModellzumBeispielModellstrukturen,AblauflogikenundDaten‐
spezifikationenenthalten.GrundsätzlichbestehtjedochmitVerweisaufdieunterschied‐
lichen Problemstellungen und Planungsumfänge nur eine allgemeine Handlungsanwei‐
sungfürdieformaleBeschreibung.Diesebesagt,dasseinandererSimulationsexperteauf
BasisderformalenBeschreibunginderLageseinsollte,eineImplementierungvorzuneh‐
men[119].BeiderImplementierungwirddasformaleModellinsSimulationswerkzeug,
denSimulator,übertragen.DiesbeinhalteteineAbbildungvonSystemstrukturundSys‐
temverhalten.WährenddieQualitätdesSimulationsmodellsbeieinermanuellenImple‐
mentierunginersterLinievondenFähigkeitenundderErfahrungdesSimulationsexper‐
tenabhängt[120],existiertbeider(teil‐)automatischenModellgenerierungdieMöglich‐
keit einer standardisierten Modelltransformation. Parallel zu dieser Art der Modellbil‐
dungexistiertauchnochdasKonzeptderModellfusion,wobeiimRahmenderDatenbe‐
schaffungverschiedeneDatenquellenindiversenAnwendungssystemen(z.B.ERP/PPS,
MES,PDM,CAP,CADSystemen)identifiziertwerden,umausihnendasSimulationsmodell
(teil‐)automatischzufusionieren[121].ImAnschlussandieImplementierungsarbeiten
erfolgtdieGültigkeitsprüfung,welchedieVerifikation,KalibrierungundValidierungdes
Modellsbeinhaltet(sieheKapitel3.2.3).EsschließensichdieSchrittederExperiment‐
durchführungundAnalysean.
DasSimulationsexperimentbeinhaltetdieDurchführungmehrererSimulationsläufe
zur zielgerichteten Untersuchung des Systemverhaltens. Die Simulationsdauer und die
AnzahlderRepititionenbestimmendiestatistischeSicherheitderSimulationsergebnisse
[122].NachderDurchführungdesSimulationsexperimentsexistiertzumeisteineFülle
vonDatenüberdieZustandsänderungenderModellkomponentenwährendderSimula‐
tion.DurchverschiedeneTechnikenwieSelektion,AggregationundgrafischeDarstellung
sinddieDatenzuinterpretierbarenSimulationsergebnissenaufzubereiten.BeiderErgeb‐
nisinterpretationwerdendieSimulationsergebnisseimHinblickaufmöglicheVerbesse‐
rungenfürdasOriginalsystemhinuntersucht[104].IneinerLösungsempfehlungwerden
danngeeigneteMaßnahmenfürdiezielgerichteteBeeinflussungdesOriginalsystemsvor‐
geschlagen.BeifürdenAuftraggeberzufriedenstellendenErgebnissenschließtsichfolg‐
lichdieErgebnisumsetzungan.Ansonstenistzuprüfen,obdieFragestellunggeändert
undgegebenenfallsdergesamteSimulationsprozessmitverändertenZielenwiederholt
werdenmuss.InderPhasederNachnutzungerfolgtdanndieModellpflege,umdieSimu‐
lationsexperimentegegebenenfallsmitaktualisiertenDatenzuwiederholen.
3.2.3
Gültigkeitsprüfung von Modellen EinwichtigerAspektbeider(teil‐)automatischenModellgenerierungistdieBestim‐
mungderGültigkeitdesModells.NachHÄUSLEINkanndiesalsgegebenangesehenwerden,
wenndasModellimHinblickaufdasUntersuchungszieldasOriginal(System)angemes‐
senwiedergibt[97].SolltediesnichtderFallsein,kanneinesinnvolleNutzungnichtmehr
gewährleistetwerden.InsbesonderebeiSimulationsmodellenisteineumfangreicheGül‐
tigkeitsprüfungerforderlich,umvalideAussagenausdenSimulationsergebnissenabzu‐
leiten [123]. KRALLMANN ET AL. definieren für die Gültigkeitsprüfung von Modellen drei
Phasen:Verifikation,KalibrierungundValidierung[98].BeiderVerifikationwirdderfor‐
maleNachweisderkorrektenTransformationvoneinerBeschreibungsartineineandere
Beschreibungsartgeführt.NichtdieKorrektheitdesModellswirdüberprüft,sonderndie
Korrektheit der Transformation [124]. Es werden die benutzten Daten und deren kor‐
rekteUmsetzungimModellüberprüft.Beider(teil‐)automatischenModellgenerierung
solltederSchrittderVerifikationbeikorrekterImplementierungdesTransformations‐
prozessesvernachlässigtwerdenkönnen.DerVorgangderKalibrierungumfasstdieAn‐
gleichungdesModellverhaltensansOriginalunterEinstellungderParameter.Esgilthier‐
beieineParameterkonfigurationzuidentifizieren,dieeineausreichendeÄhnlichkeitdes
VerhaltenszwischenModellundOriginalgewährleistet.DieAngleichungkannzumBei‐
spieldurcheineSensitivitätsanalyseunterstütztwerden,wobeidieEmpfindlichkeitder
AusgangsgrößeninAbhängigkeitderEingangsgrößenanalysiertwird[98].Denletzten
SchrittderGültigkeitsprüfungbildetdieValidierung.HierbeiwirdabschließenddieBe‐
wertung des verifizierten und kalibrierten Modells vorgenommen. Zudem wird analy‐
siert,inwieferndasModelleineGültigkeitinBezugaufdenVerwendungszweckbesitzt.
HierbeihandeltessichumeinesubjektiveEinschätzungundeinqualitativesMaß,wes‐
halbeineausführlicheDokumentationalsnotwendigerachtetwird,umdieModellvalidie‐
rungnachvollziehbarzumachen.GrundsätzlichkannausdemBegriffderGültigkeitge‐
schlossenwerden,dassdieVerwendungdesModellsfüreinenanderenUntersuchungs‐
zweckeinererneutenValidierungbedarf[97].
ImHinblickaufdieVerifikationundValidierungvonSimulationsmodellenexistiert
eineVielzahlmöglicherVerfahrenundMethoden.EinwichtigesUnterscheidungsmerk‐
malistderGradanObjektivität,welchermitdenjeweiligenMethodenerreichtwerden
kann[123].JeobjektiverdieValidierungundVerifikationdesSimulationsmodellsmittels
desMethodeneinsatzesdurchgeführtwerdenkann,destogeringeristdasFehlerpoten‐
zial.EinhoherGradanSubjektivitätermöglichtFehleinschätzungen.ImRahmendieser
ArbeitwirddieVerwendungderSensitivitätsanalyseangestrebt,welchebeisorgfältiger
DurchführungeinerelativhoheObjektivitätderBeurteilungzulässt(Abbildung22).Hin‐
sichtlich der Verifikation und Validierung des Simulationsmodells werden mittels der
SensitivitätsanalysedieKorrelationenzwischenEingangs‐undAusgangsparameterner‐
mittelt,diedannaufihrePlausibilitäthinüberprüftwerden[125].ÜberdiePlausibilitäts‐
prüfungbekannterunderwarteterParameterzusammenhängekönnenRückschlüsseauf
dasModellverhaltenunddiekorrekteSystemabbildunggezogenwerden.Dabeikanndie
SensitivitätsanalyseimRahmenderSimulationsstudiesowohlzurValidierungundVeri‐
fikationdesSimulationsmodellsalsauchzurkorrektenDimensionierungdesFabriksys‐
temseingesetztwerden.ImHinblickaufdieDimensionierungbestehtdieForderungzur
robustenAuslegungdesFabriksystems[126].NachKETTNERETAL.istdieBetrachtungun‐
terschiedlicherSystemlastenimSinneoptimistischerundpessimistischerEinschätzun‐
gennotwendig,umKapazitätsgrenzenund‐engpässeaufzudecken[51].
Abbildung 22: Einordnung von Techniken zur Verifikation und Validierung nach dem Grad der Subjektivität nach RABE ET AL. [125] Dabeiistesbesonderserstrebenswert,solcheParameteränderungenzuidentifizie‐
ren,dieschonbeigeringemÄnderungsumfangzuerheblichenVeränderungenderErgeb‐
nisparameterführen.DieseParameterbeschreibenimproduktionsnahenUmfeldzumeist
kapazitiveEngpässe,dieimSinneeinerrobustenAuslegungeinerErweiterungderBe‐
triebsmittelkapazitätenoderintelligenterSteuerungsverfahrenbedürfen.
3.2.4
Wissenschaftlicher Stand der Simulations‐
modellgenerierung DasThemader(teil‐)automatischenGenerierungvonSimulationsmodellenimpro‐
duktionsnahenUmfeldistBestandteildesdigitalenFabrikkonzeptsundseitca.fünfbis
zehnJahrenGegenstandderForschung,dievorwiegendimdeutschsprachigenRaumer‐
folgt[118].Trotzeinigervielversprechender,prototypischer,wissenschaftlicherAnwen‐
dungenkonntesichdie(teil‐)automatischeModellgenerierungnochnichtinderIndustrie
durchsetzen [13]. Einwesentliches Problem besteht nach wie vorin der Beschreibung
komplexerProduktionssysteme,wobeiesanallgemeinoderdomänenspezifischanwend‐
barenBeschreibungssprachenfürsolcheModellemangelt[127],[128],[129].
ImFolgendenwerdendiewichtigstenForschungsarbeitenimBereichder(teil‐)au‐
tomatischenModellgenerierungpräsentiertundimBesonderenaufLösungsansätzezur
Modellerstellung mittels graphischer Beschreibungssprachen eingegangen. Eine detail‐
liertere Beschreibung und Untersuchung der einzelnen graphischen Modellierungsme‐
thoden findet sich in Kapitel 3.3 wieder. Zur Strukturierung des Themas wird auf den
morphologischen Ansatz nach STRAßBURGER ET AL. zurückgegriffen, welcher bestehende
Modellgenerierungsansätze für die Simulation von Produktions‐ und Logistiksystemen
mittelszehnKriterienklassifiziert[13].InTabelle2istunterAnpassungverschiedener
AusprägungeneineKlassifikationderindieserArbeitangestrebtenModellgenerierungs‐
lösungvorgenommen.
Tabelle 2: Klassifikation der in dieser Arbeit angestrebten Modellgenerierungslösung Kriterium
Ausprägung
planungsbegleitend
Einsatzfallderge‐
neriertenSimulati‐
onsmodelle
Fertigungstyp
FokussiertesGe‐
werk
Job‐Shop
Flow‐Shop
Fertigung
(CFK)
Montage
Nutzergruppe
Fachabteilung
GradderAutomati‐
sierungderMo‐
dellerstellung
keine
AnsatzderMo‐
dellerstellung
betriebsbegleitend
taktisch
(z.B.Kapazitä‐
ten)
strategisch
(z.B.Standort)
Open‐Shop
Förder‐
technik
Logistik
Simulationsexperte
Verhalten
Eingabemasken
zurParametrisierung
Modell‐
bausteine
Referenz‐
modelle
andere
sonstige
teilautomatisch
Struktur
hybrid
Beide
voll‐
automatisch
Modell‐
transformation
Modellfusion
graphische
Beschreibung
mehre
Datenquellen
UnterstütztePha‐
senderSimulati‐
onsstudie
Modellerstellung
Verifikation
undValidierung
Experiment/
Initialisierung
alle
TechnischeUmset‐
zungderSchnitt‐
stelle
textbasiert
(z.B.*.csv)
tabellenbasiert
(z.B.Excel)
XML
(z.B.CMSD)
Datenbank
(z.B.SQL)
Artderfachlichen
Schnittstelle
layoutbasiert
(z.B.SDX)
produktbasiert
(z.B.STEP)
prozessbasiert
sonstige/
hybrid
keine
Wiederverwen‐
dungdesModells
keineweiteren
Frage‐
stellungen
Mehrmalig
nicht
wirtschaf‐
ltich
manuelle
Nachbearbei‐
tung
Neupara‐
metrisie‐
rung
kontinuier‐
liche
Anpassung
HinsichtlichdesEinsatzfallsdergeneriertenSimulationsmodellekannzwischenpla‐
nungs‐undbetriebsbegleitendunterschiedenwerden.ImRahmenderPlanungvonDe‐
montagefabrikenstelltCIUPEKbasierendaufeinerdurchgängigenModell‐undSimulati‐
onsdatenstruktur einen planungsbegleitenden Ansatz vor, welcher mittels mathemati‐
scherOptimierungsmodellegeeigneteSystemalternativen(Standortplanung,Dimensio‐
nierungundStrukturierung)automatischerzeugt[130].WesentlichesMerkmalbeidie‐
semAnsatzistderEinsatzeinesReferenzkostenmodellsfürdieDemontage,welchesmit‐
telsProzesskostenrechnungeinebetriebswirtschaftlicheBewertungderSimulationser‐
gebnisseermöglicht[11].EinweitererplanungsbegleitenderAnsatzzurModellgenerie‐
rungwirdvonZENNERpräsentiert,wobeidieModellierungalternativerArbeitspläneun‐
terEinsatzgenerischerLogistikbausteineimVordergrundsteht[50].Insbesonderebei
MontageabläufenergebensichaufgrundderVielzahlanProduktvarianteneinegroßeAn‐
zahlalternativerProzessabläufe,dienurschwerbeherrschbarsind.Das3‐Ebenen‐Modell
von ZENNER berücksichtigt neben der Modellierung von produktvarianteninduzierten
auchdieModellierungvonproduktvariantenneutralenProzess‐undRessourcenvarian‐
ten.ImGegensatzzudemvorherigenAnsatzvonCIUPEKwirdnichtgezieltnacheinerbest‐
möglichenVariantegesucht,sondernversuchtdieproduktvariantenreicheMontagepla‐
nungzuverbessern.EineintegrierteFertigungs‐undLogistikplanungerfolgtnicht.
EinwesentlichesProblembeiModellgenerierungsansätzenbestehtinderAbbildung
vonSteuerungsstrategienund–verfahren[88].WährenddieAbbildungeinfacherSteue‐
rungsstrategien(Ressourcenauswahl‐,Reihenfolgeentscheidungen,etc.)inderSimulati‐
onssoftwarezumeistnochgutmöglichist,fehlenindenAusgangssystemen(Prozesspla‐
nungswerkzeuge,Fabriklayout‐Tools,etc.)solcheModellierungsmöglichkeiten[13].Ent‐
sprechendistbeidemAutomatisierungsgradderModellerstellungzwischenderGenerie‐
rung von Systemstruktur und Systemverhalten zu unterscheiden. Während die Sys‐
temstrukturvondenmeistenAnsätzenrelativgutabgebildetwerdenkann,stelltdiekor‐
rekteAbbildungdesSystemverhaltenseinegroßeHerausforderungdar.SELKEpräsentiert
hierzueinenAnsatz,welcherMustervonStrategienundAbläufeninbetrieblichenInfor‐
mationssystemen zu identifizieren und interpretieren versucht [88]. Im Rahmen einer
solchen betriebsbegleitenden Simulation werden Zustandsdaten von realen Systemen
ausgewertet, um einfache Steuerungs‐ und Ressourcenauswahlstrategien zu erkennen.
DieseerkanntenElementewerdendann(teil‐)automatischindasSimulationsmodellim‐
plementiert. Prinzipiell können unter Einsatz von parametrisierbaren Simulationsbau‐
steinenca.70‐90ProzentdesrealenSystemseinfachabgebildetwerden[13].Dierestli‐
chen10‐30ProzentbenötigendenEingriffeinesSimulationsexperten,welcherunterVer‐
wendungeingebauterSkript‐undSimulationssprachendieBeschreibungvonkomplexe‐
renVerhaltenslogikenprogrammiert.FürNeuplanungenistderbetriebsbegleitendeAn‐
satzzurModellgenerierungnichtgeeignet.
MitSchwerpunktderdigitalenLogistikplanunginderAutomobilmontagebeschreibt
ROOKSeinenAnsatzzurModellerstellung,welcheraufdemDELMIAProcessEngineerals
ProzessplanungswerkzeugaufbautunddiesesumsimulationsrelevanteAttributefürdie
Materialbereitstellung mittels der Materialflussplanungssoftware ZIP Malaga ergänzt
[131].DiegesamtenPlanungsergebnissewerdenmittelsXML‐Schnittstelleandiekom‐
merzielle Simulatorumgebung in TECNOMATIX Plant Simulation übergeben. Dort wird
daseigentlicheSimulationsmodellgeneriert.HierzuwurdediebestehendeBausteinbibli‐
othekumentsprechendeLogistikbausteineerweitertundsomitdieMöglichkeitzueiner
einfachenParametrisierungdesgenerischenSimulationsmodellsgeschaffen,wobeisich
derAnsatzaufdenEinsatzinderAutomobilmontagemitsequenziellenProzessfolgenbe‐
schränkt.
Wieeingangserwähnt,hatsichfürdieModellerstellungmittelsgraphischerBeschrei‐
bungssprachen noch keine umfassende Lösung gefunden, was auf ein allgemeines Be‐
schreibungsprobleminBezugaufdiegraphischeAbbildbarkeitvonProduktions‐undMa‐
terialflusssystemenhindeutet.EinenprobatenLösungsansatzfürkleinereSzenarienbe‐
schreibtdasdigitaleWertstromdesign,welchesdiebekannteModellierungsmethodedes
Wertstromdesigns(WSD)alsBeschreibungsspracheverwendet.Ineinerprototypischen
ImplementierungslösungunterVerwendungvonTECNOMATIXPlantSimulationzeigen
BRÜGGEMANNETAL.,dasssichmittelsdigitalerWSDeinfacheProduktionsabläufeohnewei‐
tergehendeProgrammierkenntnisseabbildenundsimulativauswertenlassen[132].In
einemBeispieluntersuchenBRÜGGEMANNETAL.hierzuexemplarischdieUmstellungvon
Push‐ auf Pull‐Prinzip und führen dynamische Engpassanalysen durch. Einen weiteren
AnsatzverfolgenZORETAL.,indemsieversuchen,dieWSDaufdieallgemeingültigereBu‐
sinessProcessModelingNotation(BPMN)abzubilden[133].Diesgelingtnichtinvollem
Umfang.InsbesonderedieNutzungderInformationsobjektealsMaterialflussobjekteso‐
wiedieUmsetzungvonPull‐Prinzipienerscheinenkritisch.IneinerweitergehendenAr‐
beitformulierenZORETAL.eineBPMN‐Erweiterung,welcheinsbesonderedieMaterial‐
übergabezwischeneinzelnenProzessschrittenverfeinert[134].DerbeschriebeneAnsatz
istabersoftwaretechnischnichtumgesetztundzeigtgrößereProblemehinsichtlichder
durchgehendenAbbildbarkeitvonMaterialflüssenübermehrereProzessschrittehinweg.
NebenderNutzungvonWSDundBPMNfindensichnochweitereArbeitenzurNut‐
zungderSystemsModelingLanguage(SysML)fürdiegraphischeModellerstellung.HUANG
ET AL. präsentieren in ihrer Arbeit einen auf SysML‐basierenden Ansatz, welcher in
TECNOMATIX Plant Simulation ein funktionsfähiges Simulationsmodell eines Standard
Flow‐Shopserzeugt[135].DerAnsatziststrukturorientiertundbeinhaltetkeineMöglich‐
keiten zur Modellierung materialflusskomplexer Prozessabläufe. Sowohl Materiaflüsse
alsauchkomplexereProzess‐undSteuerungslogikenwerdennichterfasst.SCHÖNHERRET
AL.präsentierenweitergehendeArbeitenzurNutzungvonSysML[136],[137],[138],wel‐
cheaufdieSimulationvonAblauf‐undProzesssteuerungabzielen.HierzunutzenSCHÖN‐
HERR ET AL. dieSoftwareMagicDrawalsSysML‐Modellierungswerkzeugundentwickeln
Transformationsprogramme für die Simulationswerkzeuge Anylogic, Simcron, Factory
ExplorerandFlexsim.ImErgebnisentwickelnsieeinMeta‐Modell,welchessichausei‐
nemStruktur‐,Verhaltens‐undSteuerungsmodellzusammensetzt.SCHÖNHERRETAL.stel‐
lendabeifest,dassimGegensatzzumStruktur‐undVerhaltensmodellfürdasSteuerungs‐
modellkeineModellierungsansätzeexistieren.Entsprechendpräsentierensieeineners‐
teneigenenAnsatzzurgraphischenModellierungeinfacherSteuerungslogiken.DieMo‐
dellierungkomplexerProzessabläufeunterBerücksichtigungvonMaterialflüssenistje‐
dochnichtmöglich,dasowohldieSteuerungslogikennichtumfassendgenugsindalsauch
keineAbbildungvonMaterialflüssenerfolgt.
JENSENbeschreibteinVerfahrenzurKopplungverschiedenerproduktionsnaherDa‐
tenhaltungssystememitdemZieleiner(teil‐)automatischenModellerstellunginFormei‐
nerModellfusionausmehrerenDatenbanken[12].Dabeiwirddavonausgegangen,dass
diesimulationsrelevantenDateninverschiedenenSystemen,wiez.B.Datenbanken,Host‐
systeme und Netzlaufwerke, vorliegen. Entsprechend wird von JENSEN ein Datenframe‐
workaufderBasisvonWeb‐Dienstenvorgestellt,welchesaufdieseDatenquellenzugreift
undeineflexibleZusammenstellungderSimulationsdatenermöglicht.MittelsXML‐Par‐
sernkönnendannentsprechendeSimulationsmodellefürverschiedeneSimulationsum‐
gebungengeneriertwerden.DerAnsatzisthinsichtlichderverwendetenSteuerungslogi‐
kenstarkeingeschränktundzieltinersterLinieaufdie(teil‐)automatischeGenerierung
derSystemstrukturab.EineBeschreibungkomplexerenSystemverhaltensistnurunter
Verwendung entsprechender Simulationssprachen direkt in der Simulationsumgebung
möglich.EinähnlicherbetriebsbegleitenderAnsatzwirdvonKAPPpräsentiert,dereinei‐
genesFabrikdatenmodellentwickelt,welchesmittelseinessogenanntenDataEngineMo‐
dellermanipuliertwerdenkann[9].DieBesonderheitdiesesAnsatzesbestehtindersys‐
tematischenErstellungvonSimulationsszenarienaufBasisdereingelesenenSystemda‐
ten.InderSimulationkannzumBeispielderEinsatzalternativerDispositionsverfahren
(Kanban, bedarfs‐, und verbrauchsorientiert) untersucht werden. Weitergehende Pro‐
zess‐undSteuerungslogikenexistierennichtundzudemkönnennursequenziellePro‐
zessfolgenmodelliertwerden.
ImHinblickaufdieArtderfachlichenSchnittstellefindetsicheinAnsatzvonSPLANE‐
MANN,welcherSTEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)alssystemneut‐
rale Metasprache zur unabhängigen Beschreibung des Simulationssystems verwendet
[139].MittelseinesTransformationsprogrammswirddasSimulationsmodellgeneriert.
DenSchwerpunktbildethierbeidielayoutbasierteModellgenerierung.Einweitergehen‐
derStandardindiesemBereichwirddurchSDX(SimulationDataExchange)repräsen‐
tiert,welcherzurlayoutbasiertenGenerierungvonSimulationsmodellenverwendetwer‐
denkann[140].IneinemgewissenUmfangwirddieservonTECNOMATIXFactoryCAD
unterstützt[141].HierbeiwerdenfürdieBetriebsmittelzusätzlicheDaten,wiezumBei‐
spielBearbeitungszeiten,KapazitätenundMTBF(engl.mean‐time‐between‐failure),hin‐
terlegt.MittelsSDXkönnendieseDatenandasSimulationssystemübergebenwerden.So‐
wohlProzessabläufealsauchentsprechendeMaterialflüssekönnendadurchnichtabge‐
bildetwerden.
ZurtechnischenUmsetzungeinerDatenschnittstellefindetsichmitdemCMSD‐Infor‐
mationsmodell(CoreManufacturingSimulationData)einoffenerStandard,welcherun‐
terFederführungderSimulationInteroperabilityStandardsOrganization(SISO)entwi‐
UntersuchunggraphischerMethodenzurProzess‐und 51
Materialflussmodellierung
ckeltwird[142].CMSDbasiertaufXMLunddefiniertsichalsneutralesDatenaustausch‐
format fürverschiedene produktionsnahe Systeme, wie z. B. Enterprise Resource Plan‐
ning(ERP),ManufacturingExecutionSystem(MES),MasterProductionScheduling(MPS)
undDiscreteEventSimulation(DES).EslassensicheinfacheAnwendungsbeispieleunter
VerwendungvonCMSDzurGenerierungvonSimulationsmodelleninkommerziellenSi‐
mulatoren,wiez.B.TECNOMATIXPlantSimulationoderEDSimulation,finden[86],[143].
ImZentrumdieserBeispielestehtdieParametrisierungvonStandardbausteinenausden
SimulationsbibliothekenzurModellierungvonJob‐Shop‐Szenarien.Grundsätzlichkann
einFertigungs‐undProduktionssystemmitCMSDvielumfassenderalsmitSDXbeschrie‐
benwerden,aberdieBeschreibungmaterialflusskomplexerProzessabläufeistweiterhin
nichtmöglich,waszumBeispieldenWerkzeugumlaufoderdenUmgangmitFertigungs‐
fehlernbetrifft.
Zusammenfassendzeigtsich,dassdergesamteBereichder(teil‐)automatischenSi‐
mulationsmodellgenerierungtrotzeinigervielversprechenderAnsätzenachwievorak‐
tuellerForschungsgegenstandist.ImHinblickaufdieAnforderungenderdigitalenCFK‐
Produktionsentwicklungwirddeutlich,dassbislangkeinAnsatzfüreineintegrierteFer‐
tigungs‐undLogistikplanungmaterialflusskomplexerProzessabläufeexistiert.Auchfin‐
detsichkeineArbeit,welchedieBildungundVewaltungvonKonzeptvariantenfürden
Umgang mit Planungsunsicherheiten und großen Lösungsäumen thematisiert. Bei der
ModellerstellungmittelsgraphischerBeschreibungssprachenwirddeutlich,dasssichdie
meistenArbeitenanderGeschäftprozessmodellierungorientierenundsichaufdieAbbil‐
dung sequenzieller Prozessfolgen konzentrieren. Ein graphischer Modellierungsansatz
zur Generierung materialflusskomplexer Simulationsmodelle, wie für die digitale CFK‐
Produktionsentwicklungerforderlich,wurdebislangnochnichtentwickelt.ImFolgenden
werden deshalb gezielt graphische Methoden der Prozess‐ und Materialflussmodellie‐
rungimHinblickaufdenEinsatzimRahmenderdigitalenCFK‐Produktionsentwicklung
hinuntersucht.
3.3 Untersuchung graphischer Methoden zur Prozess‐ und Materialflussmodellierung DieÜberführungdesrealenProduktionssystemsineinModellistsowohleineintel‐
lektuellealsauchkreativeLeistung.NebendenindividuellenFähigkeitendesModellie‐
rersistdieeingesetzteModellierungsmethodeentscheidendfürdiespätereModellquali‐
tät[144].GrundsätzlichexistierteineVielzahlanunterschiedlichengraphischenModel‐
lierungsmethoden, ‐techniken und Notationen, die ihre Ursprünge vornehmlich in der
Produktion/Logistik,imGeschäftsprozessmanagementsowiederInformatikhaben(Ab‐
bildung23).
Produktion/ Logisitk
PPR
KSA
Wertstrom‐
design
Geschäftsprozess‐
management
BPMN
VDI‐Richtlinie 3300
EPK
SysML
UML
Petrinetz
Informatik
Abbildung 23: Ausgewählte graphische Modellierungsmethoden aus den Bereichen Produktion/Logistik, Geschäftsprozessmanagement und Informatik (vgl. PITSCHKE [144] und SCHNEIDER ET AL. [145]) ImFolgendenwirdsichaufdieModellierungsmethodenderProduktion/Logistikund
desGeschäftsprozessmanagementskonzentriert.DesWeiterenwirdmitderSystemsMo‐
delingLanguage(SysML)eineuniverselleMethodezurModellierungkomplexertechni‐
scherSystemeuntersucht,dieeineUML‐Spezifikationdarstellt.WährendimBereichder
Produktion/Logistik vornehmlich die Planung und Analyse von Produktionsprozessen
undentsprechendenMaterialflüssenverfolgtwird,bildetbeimGeschäftsprozessmanage‐
mentdieDaten‐,Prozess‐undOrganisationsmodellierungdenSchwerpunkt[146],[147].
AllgemeinzeigensichimHinblickaufeineganzheitlicheModellierungvonProduktions‐
undLogistiksystemengemäßeineraktuellenStudievonSCHNEIDERETAL. größereProb‐
lemebeiderprozessintegriertenAbbildungvonMaterial‐undInformationsflüssen[145].
DieempirischeAnalyse,inderFachexpertenundAnwenderverschiedenepopuläreMo‐
dellierungsmethodenbewertethaben,zeigtdeutlicheMethodendefizite(Abbildung24).
KeinederetabliertenMethodenerreichtdurchgehendhoheEinzelnutzwertehinsichtlich
der Bewertungskriterien; Prozessgestaltung, Prozessverständnis, Prozessleistung und
Prozesslogik.DiehöchstenGesamtnutzwerteerreichtnochdieVDI‐Richtlinie3300durch
einenhohenEinzelwertbeiderProzessgestaltungundausgeglichenenErgebnissenbei
denanderenKriterien.Eszeigtsichjedochdeutlich,dassdiefürdieProduktionundLo‐
gistik notwendige prozessintegrierte Abbildung von Material‐ und Informationsflüssen
ausAnwendersichtbislangnochnichterfolgreichumgesetztwurde.
Abbildung 24: Gesamt‐ und Einzelnutzwerte ausgewählter Modellierungsmethoden nach SCHNEIDER ET AL. [145] InErweiterungzurempirischenAnalysevonSCHNEIDERETAL.ausAnwendersichtwird
imFolgendeneinededuktiveAnalyseverschiedenerModellierungsmethodenausExper‐
tensichtdurchgeführt,wobeieinFunktionsabgleichmitdenAnforderungenderdigitalen
CFK‐Produktionsentwicklungerfolgt.ZusätzlichzudeninAbbildung24aufgeführtenMe‐
thodenwirddasPPR‐PrinzipalsallgemeinerModellierungsansatzfürdigitaleFabriksoft‐
ware(z.B.DELMIA,TECNOMATIX)mitindieUntersuchungeinbezogen.DasSCOR‐Modell
wird hingegen nicht betrachtet, da dessen Anwendungsbereich in der unternehmens‐
übergreifendenProzessmodellierungliegtundsomitfürdiedigitaleCFK‐Produktionsent‐
wicklungnichtrelevantist.
3.3.1
VDI‐Richtlinie 3300 DieVDI‐Richtlinie3300isteinFlussdiagramm,dasdieAbfolgevonProzessschritten
mittels spezifischer Symbole darstellt [148]. Hierzu werden nach DIN 66001 verschie‐
deneSymbolklassendefiniertundtextuelleBezeichnungenhinzugefügt[149].Einfache
Funktionssymbolebzw.SinnbilderzurAbbildungvonFertigungsabläufenwurdenerst‐
mals1947vonderAmericanSocietyofMechanicalEngineers(ASME)inden„ANSIand
ASMEstandardforProcessCharting“instandardisierterFormvorgestellt[150].DieVDI‐
Richtlinie3300„Materialfluß‐Untersuchungen“bautdaraufaufunddefiniertdiefolgen‐
denGrundfunktionen[79]:



FertigenmitBearbeitenundPrüfen
BewegenmitTransportierenundHandhaben
RuhenmitLagernundungewolltemAufenthalt
DieeinzelnenSymbolewerdenmittelsPfeilenverbunden,welcheausgehendvonzu‐
sätzlichenKontrollknoten auch die Abbildung paralleler Prozesse erlauben (Abbildung
25).
WE
Lager
1
3
2
Tape‐
leger
4
5
6
Bearbeitungs‐
zentrum
7
8
Puffer
Autoklav
9
10
Prüf‐
zentrum
11
12
Lager
WA
Bearbeiten
Prüfen
Transportieren
Handhaben
Lagern
ungewollter Aufenthalt
Abbildung 25: Materiaflussdiagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses nach VDI‐Richtlinie 3300 InderVDI‐Richtlinie3300wirddieEinbindungvonFunktionssymbolenineinlage‐
gerechtesMaterialflussdiagrammbzw.Layoutbeschrieben.BeidieserFormderDarstel‐
lung kann durch die integrierte Darstellung von Prozessen, Materialflussstruktur und
LayoutbesondersguteinersterEindruckgewonnenwerden.DiedetaillierteDarstellung
undBeschreibungeinzelnerProzessschritteistdirektimDiagrammnichtmöglich.Esbe‐
stehtjedochmitdemVDI‐AWF‐MaterialflussbogennachVDI‐Richtlinie3300dieMöglich‐
keit,denProzessablaufdetaillierterzubeschreibensowieFörder‐undTransportmittel
zudefinieren.DesWeiterenkönnenMengen‐undZustandsänderungenimMaterialfluss‐
bogenerfasstwerden.GrundsätzlichbeschränktsichdieProzessdarstellungaufeinPro‐
duktbzw.einespezifischeProduktgruppe.ZurBeschreibungdesMaterialflussesexistie‐
renfürdieLagerungunddenungewolltenAufenthalteigeneSymbole,waseinedetail‐
lierte Darstellung von Pufferungsvorgängen ermöglicht. Grundsätzlich sind auch re‐
entranteProzesseunddieQualitätssortierungimDiagrammdarstellbar,aberesistnicht
möglichentsprechendeProzesslogikenzuhinterlegen.
Tabelle 3: Bewertung der VDI‐Richtlinie 3300 SICHTENKONZEPT
Kriterium
Bewertung
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
o
o
‐
(+)
+
Bemerkung
DarstellungkomplexererProzesslogikennichtmöglich
Fördergutnichtspezifiziert
nichtvorhanden
keineeigeneSicht
istvorhanden
MATERIALFLUSSORIENTIERUNG
Kriterium
Bewertung
Werkzeugumläufe
Mengen‐/Zustandsänderung
PuffernundLagern
ReentranterProzess
(‐)
+
+
(o)
‐
Bemerkung
keineUnterscheidungvonFördergütern
Mengen undZustände könnenspezifiziertwerden
SymbolefürLagerungvorhanden
nurohneProzesslogik darstellbar
keine Prozesslogik vorhanden
3.3.2
Wertstromdesign (WSD) Beim Wertstromdesign handelt es sich um ein zentrales Instrument des Lean‐Ma‐
nagement, welches sich im besonderen Maße mit der Visualisierung von Wertströmen
auseinandersetzt[151].DerWertstrombeschreibtallewertschöpfendenundnicht‐wert‐
schöpfendenTätigkeiten,diefürdieFertigungeinesProduktsnotwendigsind.Diesum‐
fasstsowohldieBeschaffungdesRohmaterialsalsauchdieLieferungzumKunden[152].
DasZieldesWertstromdesignsistes,ausgehendvonderIst‐AnalyseeinenSoll‐Zustand
zu definieren, welcher Verschwendungen vermeidet, Bestände senkt und den Anteil
nicht‐wertschöpfender Tätigkeiten reduziert. Das Hauptanwendungsgebiet des Wert‐
stromdesignsistdievariantenarmeFließfertigungmitUrsprüngeninderAutomobilin‐
dustrie[153].
HinsichtlichderVorgehensweisewirdzurverbessertenÜbersichtlichkeitimmernureine
Produktfamiliebetrachtet[154].DaszentraleElementdesWertstromdesignsistdiegra‐
phischeNotationzurAbbildungvonProzessabläufen,Material‐undInformationsflüssen.
DieVisualisierungdesWertstromsunterEinbeziehungallerBeteiligtenisteinwichtiges
Stilmittel,umeingemeinschaftlichesVerantwortungsbewusstseinzurVermeidungvon
VerschwendungenimSinnedesKaizenszuschaffen.AusgehendvondieserManagement‐
philosophie ist auch die explizite Einbindung von Kanban‐Regelkreisen in das Wert‐
stromdesignzusehen.DieNotationistsoausgelegt,dasssowohleinezentraleProdukti‐
onssteuerungalsauchverschiedeneKanban‐Arten(z.B.Entnahme‐,Produktion‐,Sicht‐,
Signal‐Kanban)modelliertwerdenkönnen(Abbildung26).
Abbildung 26: Wertstromdiagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses (LEANPILOT) DasWertstromdiagrammerlaubtdieintegrierteModellierungvonMaterial‐undInfor‐
mationsfluss. Die Betrachtung mehrerer parallel gefertigter Produktfamilien mit Wert‐
stromdesignistnichtmöglich,soferndiegleichenRessourcenvonbeidenProduktfami‐
liengenutztwerden[155].Entsprechendwerdenvorzugsweisekurzeundsequenzielle
ProzessfolgenohneProzessverzweigungenmodelliert,dienureinProduktodereinePro‐
duktfamilie betreffen. Entsprechend lassen sich auch keine Werkzeugumläufe oder re‐
entranteProzessegestalten.DafürlassensichimWertstromdesginaberbesondersgut
Mengen‐ und Zustandsänderungen darstellen. Zudem können durch die Abbildung der
MaterialpufferungauchbestandsorientierteSteuerungsverfahren,wiezumBeispielKan‐
ban,genutztwerden.
Tabelle 4: Bewertung des Wertstromdesigns SICHTENKONZEPT
Kriterium
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
Bewertung
o
o
+
‐
‐
Bemerkung
vorzugsweisekurzeundsequenzielleProzessfolgen
nureinFördergutoderProduktfamiliedarstellbar
zentraleunddezentraleSteuerungsansätzemöglich
nichtvorhanden
nichtvorhanden
Kriterium
Werkzeugumläufe
PuffernundLagern
ReentranterProzess
Bewertung
(‐)
+
+
‐
‐
Bemerkung
keineUnterscheidungvonFördergütern
MengenundZuständekönnenspezifiziertwerden
bestandsorientierteAuftragsauslösungistmöglich
nichtvorgesehen
nichtvorgesehen
3.3.3
Produkt‐Prozess‐Ressource (PPR‐Prinzip) DieAbkürzungPPRstehtfürProdukt,ProzessundRessource.DieVerwendungdes
sogenanntenPPR‐PrinzipsbeschreibtnachFELDMANN [156]undSTEINWASSER[157]den
Einsatz eines integrierten Fabrikdatenmodells zur Verknüpfung der Elemente Produkt
undRessourcemitdemzentralenElementProzess.BeeinflusstdurchdievonArbeiten
vonJONASin[158]undKLAUKEin[159]kommtdasPPR‐Prinzipinkommerziellerdigitaler
Fabriksoftware,wiedemDELMIAProcessEngineeroderdemTECNOMATIXProcessDe‐
signer,zumEinsatz[22].EswirdvornehmlichzurBeschreibungvonMontageprozessen
imRahmenderSerienproduktionverwendet.ZielistdieErstellungeinesdetailliertenAr‐
beitsplans,deralsAusgangsbasisfürdenspäterenEinsatzweitererFunktionsmoduleder
digitalenFabrik,wiez.B.Ergonomie‐undKinematiksimulation,dient[160].
ImFolgendenwirddasPPR‐PrinzipanhandderImplementierungslösungendesDEL‐
MIAProcessEngineer(DPE)unddesTECNOMATIXProcessDesigner(TPD)erläutert,da
keine allgemeine Beschreibung der Methoden existiert. Beim PPR‐Prinzip erfolgt eine
VerknüpfungvonProdukt‐undRessourceninstanzenüberdieProzessinstanzen.Dadurch
werdenderRessourcenbedarfsowiedieMaterialein‐und‐ausgängeeinesjedenProzess‐
schrittsdefiniert.DieModellierungerfolgtzunächstübereinehierarchischeBaumstruk‐
tur,wobeijederObjekttypübereineneigenenWurzelknotenverfügt(Abbildung27).Je
nachgefordertemDetaillierungsgraddesModellskönnendienachfolgendenEbenenin
entsprechendenEltern‐Kind‐Beziehungenbeliebigtiefangelegtwerden.
Abbildung 27: PPR‐Ansicht eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses (TECNOMA‐
TIX Process Designer) DieDarstellungdesProzessmodellserfolgtsowohlbeimDELMIAProcessEngineer
alsauchbeimTECNOMATIXProcessDesignerineinemVorranggraphen.InErweiterung
zumDELMIAProcessEngineerergänztderTECNOMATIXProcessDesignerimsogenann‐
tenPERT‐DiagrammdensequenziellenKontrollflussumEreignissefürdieMaterialfluss‐
bereitstellungundumdieSpezifikationvonMaterialflüssenzwischeneinzelnenProzess‐
schritten(Abbildung28).
Abbildung 28: PERT‐Diagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses (TECNO‐
MATIX Process Designer) Bei dem PERT‐Diagramm handelt es sich ursprünglich um eine Methode der Netz‐
plantechnik,dievonTECNOMATIXentsprechendweiterentwickeltundangepasstwurde.
StandardmäßigwirdbeimPPR‐PrinzipausschließlichmitlogischenUND‐Verknüpfungen
aufProzessebenegearbeitet,weshalbPrüfprozessemitalternativenProzessabläufenfür
Reparaturprozesse nicht dargestellt werden können. Des Weiteren können sowohl im
TEXNOMATIXProcessDesigneralsauchimDELMIAProcessEngineerkeineFertigungs‐
zustände des Werkstücks abgebildet werden [161]. Im Hinblick auf die organisations‐
bzw.ressourcenorientierteDarstellungdesMaterialflussesineinemMaterialflussschema
bietetderDELMIAProcessEngineerimGegensatzzumTECNOMATIXProcessDesigner
dieMöglichkeitzumEntwurfeinesFertigungskonzepts(Abbildung29).
Abbildung 29: Darstellung des Fertigungskonzepts eines exemplarischen CFK‐Ferti‐
gungsprozesses (DELMIA Process Engineer) In diesem Diagramm erfolgt eine Beschreibung der materialflusstechnischen Res‐
sourcenverknüpfung(Maschinen,Pufferetc.).GrundsätzlichdientdiesesDiagrammzur
VorbereitungderLayoutplanungundzurBeschreibungdesWerkstückflusses.DieDar‐
stellungvonWerkstückrückläufenundWerkzeugumläufenistdamitgrundsätzlichmög‐
lich.DieserfolgtabernichtwerkstückspezifischundhatsomitnurbeschreibendenCha‐
rakter, da der Materialfluss an Verzweigungen somit bei mehreren Werkstücken nicht
eindeutigist.
Tabelle 5: Bewertung des PPR‐Prinzips SICHTENKONZEPT
Kriterium
Bewertung
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
O
O
‐
‐
O
Bemerkung
keinealternativenProzessfolgenmöglich
nurimTPDvorhanden
nursequenzielleProzessfolgen
nicht vorhanden
nurimDPEvorhanden
Kriterium
Bewertung
Werkzeugumläufe
PuffernundLagern
ReentranterProzess
3.3.4
‐
o
o
‐
‐
Bemerkung
nichtdarstellbar
Zustände könnennichtspezifiziertwerden
nurimDPE,abernichtwerkstückspezifisch
ohneProzesslogik
nichtdarstellbar
Ereignisgesteuerte Prozessketten (EPK) DieMethodederereignisgesteuertenProzesskette(EPK)wurdeum1992amInstitut
fürWirtschaftsinformatik(IWi)derUniversitätdesSaarlandesineinemvonderSAPAG
finanzierten Forschungsprojekt entwickelt [162]. Bekannt wurde die EPK‐Methode als
zentraler Bestandteil der Architektur integrierter Informationssysteme (ARIS), welche
auf eine ganzheitliche Unternehmensmodellierung mit Schwerpunkt des Geschäftspro‐
zessmanagementsabzielt.
BeiderModellierungmitEPKserfolgteineVerknüpfungvonEreignissenundFunkti‐
onen. Ereignisse definieren bestimmte Zustände, während Funktionen eine Aktion
oderAufgaberepräsentieren[163].EreignisselösendabeinichtnurFunktionenaus,son‐
dernsindselbstauchdasErgebnisvonFunktionen.MittelsdesEinsatzesvonlogischen
Konnektoren(UND,ODERundXOR)könnenBedingungenundEntscheidungenimKon‐
trollflussabgebildetwerden.ImSinnevonerweitertenEreignisgesteuertenProzessket‐
ten(eEPK)erfolgtzusätzlicheineVerknüpfungmitObjektenausderOrganisations‐und
Leistungssicht,waszumBeispielStellenundDatenobjekteseinkönnen.ZurDarstellung
vonMaterialflüssenkanndasEPK‐Diagramm(Materialfluss)verwendetwerden,welches
eserlaubt,MaterialobjektezuverwendenundMaterialflüssezwischenFunktionenabzu‐
bilden[164].DesWeiterenkönnennebenorganisatorischenEinheitenauchBedarfean
technischen Ressourcen (Betriebsmittel, Transportmittel etc.) modelliert werden. Ein
beispielhafterProzessablaufmitintegriertemMaterialflusskannderAbbildung30ent‐
nommenwerden.
Abbildung 30: EPK‐Diagramm (Materialfluss) eines exemplarischen CFK‐Fertigungspro‐
zesses WährendsequenzielleProzessfolgenaufdieseArtundWeiserelativgutmodelliert
werden können, kommt es an Prozessverzweigungen zu Problemen hinsichtlich der
durchgängigenundsemantischeindeutigenModellierungdesMaterialflusses.InAbbil‐
dung30wirddiesbeimProzessschrittderQualitätsprüfungdeutlich.Gleichwohllassen
sichMaterialobjektekombinierenundArbeitsplänemitsequenziellenProzessfolgenin‐
klusivederMaterialein‐und‐ausgängesemantischeindeutigdefinieren.DerKontrollfluss
orientiertsichausschließlichamProzessablaufundbeziehtdenMaterialflussnichtmit
ein, was auch eine Qualitätssortierung von Bauteilen unmöglich macht. Auch Werk‐
zeugumläufelassensichnichtabbilden,weilkeinePufferzurInitiierungvonWerkzeug‐
beständenexistieren.DesWeiterenwerdenkeineMengenoderZuständeandenMateri‐
alobjektenangezeigt.ReentranteProzessekönnenhingegenüberdieNutzunggemeinsa‐
merRessourcenabgebildetwerden.
Tabelle 6: Bewertung der ereignisgesteuerten Prozesskette (EPK) SICHTENKONZEPT
Kriterium
Bewertung
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
o
+
o
‐
‐
Bemerkung
ProzesslogikenfürkomplexereProzessfolgenvorhanden
KombinationvonMaterialobjektenistmöglich
keineEinbeziehungdesMaterialflusses
nichtvorhanden
nichtvorhanden
Kriterium
Bewertung
Werkzeugumläufe
PuffernundLagern
ReentranterProzess
3.3.5
‐
‐
‐
+
o
Bemerkung
keinUmlauf darstellbar
Mengen‐ undZustandsänderungennichtsichtbar
keineMöglichkeitzurPufferung
Ressourcennutzunggutsichtbar
keineintegrierteProzesslogikfürMaterialfluss
Business Process Modeling Notation (BPMN) DieBusinessProcessModelingNotation(BPMN)wirdseit2005vonderObjectMa‐
nagementGroup(OMG)standardisiertundweiterentwickelt[165].DieBPMNisteineder
populärstengraphischenNotationssprachenfürdieModellierungvonGeschäftsprozes‐
sen.EsfindensichinihrAspekteundElementeandererModellierungssprachenwieder,
wiez.B.UML,IDEF,EPK[98].ErgänzendzurBPMNinderVersion2.0existierenmitder
WS‐Business Process Execution Language (WS‐BPEL) und der XML Process Definition
Language(XPDL)zweimaschinelllesbareAusführungssprachen.DieseAusführungsspra‐
chenkönnenzurSpezifikationderAusführungssemantikundzumAustauschzwischen
verschiedenen Softwareprogrammen genutzt werden. Die graphische Abbildung der
BPMNerfolgtineinemGeschäftsprozessdiagramm,welchesfolgendevierGrundbestand‐
teilebesitzt:




Flussobjekte(Aktivitäten,EreignisseundVerzweigungen)
Verbindungsobjekte(Kanten)
Pools(AktorenundSysteme)
Artefakte(Datenobjekte,GruppenundAnmerkungen)
InderBPMNwirdzwischenprivaten,abstraktenundöffentlichen(globalen)Model‐
len unterschieden, um einen Einsatz in kooperativen Unternehmensnetzwerken zu ge‐
währleisten. Ähnlich wie bei den EPKs dienen die Notationsregeln zur Bewahrung der
Modellkonsistenz[166].DieBPMNzieltaufdieSoftwareentwicklungab,wobeidieMo‐
dellierungvonGeschäftsprozessenunterBerücksichtigungvonInformationsflüssenund
‐systemenerfolgt[165].EntsprechendkommeninderNotationdieArtefaktevorzugs‐
weise als Datenobjekte zum Einsatz. Die Abbildung physischer Materialflussobjekte in
FormvonArtefaktenisttheoretischmöglich,aberwirddurchdieOMGbzw.BPMN‐Spe‐
zifikationnichtunterstützt.TrotzdemistinAbbildung31einexemplarischerCFK‐Ferti‐
gungsprozessdargestellt,welcherMaterialflüsseinFormvonArtefaktenbeinhaltet.
Formschale
Werkstück
[n.i.O.]
Formschale
Werkstück
[i.O.]
Reparatur
Werkstück
[?]
Legen
Spanende
Bearbeitung
Aushärten
Qualitätsprüfung
nein
Werkstück
[ i.O.]
Werkstück
[i.O.]
ja
Versand
Legende
Aktivität
Formschale
+ Werkstück
Formschale
+ Werkstück
Entscheidung
Werkstück
Datenobjekt
Ereignis
Sequenzfluss
Datenfluss
Datenspeicher
Abbildung 31: BPMN‐Prozessdiagramm für einen exemplarischen CFK‐Fertigungspro‐
zess Grundsätzlich gestaltet sich die Prozessdarstellung im Vergleich zur EPK‐Methode
durchdasWeglassenderEreignissedeutlichübersichtlicher.Eszeigensichaberdieglei‐
chen Probleme hinsichtlich der durchgängigen Darstellung des Materialflusses an Pro‐
zessverzweigungensowiebeiWerkzeugumläufen.DieRessourcenzuordnungkanninEr‐
weiterung zum Prozessdiagramm auch in einem Sequenzdiagramm erfolgen, was eine
AnordnungderAktivitäteninsogenanntenSchwimmbahnen(engl.swimlanes)mitsich
bringt.ImErgebnislassensicheinfacheArbeitspläneinklusiveMaterialein‐und‐ausgän‐
gen modellieren und unter Verwendung der Geschäftsprozesssimulation dynamischer
AnalysenhinsichtlichderRessourcenauslastungunterziehen.
Tabelle 7: Bewertung der Business Process Modeling Notation (BPMN) SICHTENKONZEPT
Kriterium
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
Bewertung
+
+
o
‐
‐
Bemerkung
Prozesslogiken fürkomplexeProzessabläufevorhanden
KombinationvonMaterialobjektenistmöglich
nichtvorhanden
nichtvorhanden
Kriterium
Bewertung
Werkzeugumläufe
PuffernundLagern
ReentranterProzess
3.3.6
+
o
o
o
o
Bemerkung
Werkzeugumlauf istdarstellbar
keineMengenänderungensichtbar
bestandsorientierteAuftragsauslösungistnichtvorgesehen
RessourcennutzungnurimSequenzdiagrammsichtbar
VerwendungvonQualitätsinformationenistnichtmöglich
Kommunikationsstrukturanalyse (KSA) DieKommunikationsstrukturanalyse(KSA)wurdeanderTUBerlininderArbeits‐
gruppevonProfessorKRALLMANNgegenEndeder1980erJahreentwickelt[167].Siedient
zurAnalyse,ModellierungundGestaltungvonInformations‐undKommunikationsstruk‐
tureninUnternehmen,wobeieineprozessorientierteSichtweisezumEinsatzkommt.Der
SchwerpunktdieserMethodeliegtinderdurchgängigenBeschreibungvonInformations‐
flüsseninVerbindungmitderAufbau‐undAblauforganisation,wodurchsichdieMethode
insbesonderefürStrukturierungsaufgabenimBürobereicheignet[168].MitdenArbeiten
vonSCHOLZ‐REITERzuCIM‐KSAerfolgtedieÜbertragungindenProduktionsbereich,wo‐
beidieKSA‐MethodeimGrundsatzerhaltenbliebundumeinunternehmensneutralesRe‐
ferenzmodell mit logischer, organisatorischer und technischer Modellsicht erweitert
wurde[169].ZusätzlichzumReferenzmodellwurdevonSCHOLZ‐REITEReinVorgehensmo‐
dellgeschaffen,welcheseinesystematischeProzessimplementierunginAbhängigkeitder
bestehendenInformations‐undKommunikationssysteminfrastrukturunterstützt.
DieKSA‐MethodebautsichausdenvierGrundelementen(Stelle,Aufgabe,Informa‐
tion,Informationsfluss)auf,dieweiterausgestaltetundmiteinanderverknüpftwerden
können[170].ZumBeispielkönnenmehrereAufgabeneinerStellezugeordnetwerden,
diesichausmehrerenSachmittelnzusammensetzt.ZentralerBestandteilvonKSAistdas
Prozessdiagramm,inwelchemdieVerknüpfungderAufgabenmittelsInformationsflüs‐
senerfolgt.DabeikönnenlogischeAusdrückefürmehrereInformationsobjektealsBedin‐
gungzurAktivierungderAufgabehinterlegtwerden.DesWeiterenbestehtdieMöglich‐
keit zum Speichern von Informationsobjekten in sogenannten Informationsspeichern.
DiesermöglichtdiedurchgängigeAbbildungvonInformationsflüsseninProzessmodel‐
len, was die Grundlage für eine weitergehende Simulationsmodellgenerierung bildet
(sieheKapitel3.3.5).DieAbbildung32zeigteinenexemplarischenCFK‐Fertigungspro‐
zess,wobeiderMaterialflussoriginäralsInformationsflussmodelliertwurdeunddieIn‐
formationsobjektealsMaterialflussobjekteverwendetwurden.
Abbildung 32: KSA‐Prozessdiagramm für einen exemplarischen CFK‐Fertigungsprozess (BTC Bonpart) ImKSA‐ProzessdiagrammkönnenInformationsspeicherverwendetwerden,waseine
ModellierungauchkomplexererProzessabläufeundFlussbeziehungenerlaubt.Eskön‐
nensowohleinfacheWerkzeugumläufegestaltetalsauchMaterialflüssefüralternative
Prozessabfolgenmodelliertwerden.ProzessverzweigungenwerdenmittelseinerRaute
dargestellt, aber stellen programmtechnisch ein Aufgabe‐Objekt dar. Die zugehörigen
ProzesslogikensindsomitnichtexplizitindergraphischenNotationenthalten,sondern
werdendirektinderImplementierungslösung(z.B.BTCBonapart,SemTalk)hinterlegt.
DabeikönnenmittelsboolescherOperatoren(UND,ODER,XOR)komplexeAusdrücke
fürjedenProzessschrittalsEingangs‐undAusgangsbedingungdefiniertwerden.Theore‐
tisch erlaubt dies die Modellierung des Kontrollflusses unabhängig vom Materialfluss.
WieauchbeianderenMethodenkommtesbeiderModellierungderQualitätssortierung
zuProblemen.GemeinsameXOR‐EntscheidungenfürSteuerungs‐undMaterialflusslas‐
sensichnichtabbilden,wodurchderMaterialflussnichteindeutigdefiniertist.ZumBei‐
spielkannderReparaturprozesszufallsbasiertoderdirektvomVersandprozessangesto‐
ßenwerden,aberderMaterialflusslässtsichnichtentsprechenddarstellen.DesWeiteren
führt bei der Qualitätssortierung die Weitergabe und Verwendung von bauteilspezifi‐
schen Qualitätsinformationen zu Problemen, da sich für das Materialflussobjekt keine
prozessbedingtenZustandsänderungenhinterlegenlassen.ZudemsinddieMöglichkeiten
zurbestandsorientiertenAuftragsauslösungzwarprogrammtechnischinBTCBonapart
fürMaximalwerteimplementiert,aberinderNotationnichtexplizitabbildbar.Entspre‐
chendkönnenbestandsorientierteAuftragsauslösungsverfahren(z.B.Kanban)mitKSA
nurbedingtmodelliertwerden.
Tabelle 8: Bewertung der Kommunikationsstrukturanalyse (KSA) SICHTENKONZEPT
Kriterium
Bewertung
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
(+)
+
o
‐
‐
Bemerkung
hoheKomplexitätmöglich,Prozesslogikenbedingtsichtbar
Materiaflussbeziehungensindmöglich
nichtvorhanden
nichtvorhanden
Kriterium
Bewertung
Werkzeugumläufe
PuffernundLagern
ReentranterProzess
3.3.7
+
o
o
+
o
Bemerkung
Werkzeugumläufesind darstellbar
Mengen‐/Zustandsänderungensindnichtsichtbar
bestandsorientierteAuftragsauslösungteilweisemöglich
Ressourcennutzunggutsichtbar
Systems Modeling Language (SysML) DieSystemsModelingLanguage(SysML)isteineSpezifikationderUnifiedModeling
Language(UML)zurAnalyse,Spezifikation,KonzeptionundDokumentationvonkomple‐
xen Systemen im Allgemeinen, wobei im Besonderen auf die Entwicklung mechatroni‐
scherSystemeabgezieltwird[171].SiewurdevonderObjectManagementGroup(OMG)
standardisiertundnutztweitestgehenddieNotationundSemantikderUML,welcheihren
UrsprunginderSoftwareentwicklunghat.EntsprechendwurdendieSysMLumModellie‐
rungseigenschaftenerweitert,dieesermöglichen,logischeundphysikalischeKomponen‐
tenmiteinanderzuverbindenundsomiteineintegrierteAbbildungvonSoftware‐und
Hardwareaspektenzuerreichen.GrundsätzlichistbeimEinsatzvonUMLundsomitauch
SysML anzuführen, dass die verwendete Semantik an vielen Stellen ihrer Spezifikation
nichteindeutigistundsichgrößereInterpretationsspielräumebieten[172].Dieformale
EindeutigkeitistsomitwieauchbeidenanderenindieserArbeitaufgeführtengraphi‐
schenModellierungsansätzennichtimmergegeben,weshalbdieseAnsätzehäufigalsse‐
miformaleModellierungssprachenbezeichnetwerden.
DieSysMLbeinhaltetinderSpezifikation1.3vierStruktur‐,vierVerhaltens‐undein
Anforderungsdiagramm,wobeieinzelnegraphischeObjekteüberspezifischeDiagramm‐
typenhinwegverwendetwerdenkönnen[171].DiesesPrinzipnenntmanOrthogonalität
undführtzueinerhöherenSpracheffizienz.ImSinnederObjektorientierungwerdenbei
SysMLimBlockdiagrammeinzelneObjekttypendefiniert,diedannspäterauchinande‐
renDiagrammtypenzumEinsatzkommen.HinsichtlichderVerwendungvonSysMLzur
Prozess‐undMaterialflussmodellierungistinsbesondereaufdasAktivitäts‐undSequenz‐
diagrammzuverweisen.DasSequenzdiagrammisteininSchwimmbahnenangeordnetes
Aktivitätsdiagramm,welchesbeiderProzessmodellierungdieVerknüpfungvonAktivitä‐
tenmittelseinesObjektflusseserlaubt(Abbildung33).
Abbildung 33: SysML‐Sequenzdiagramm eines exemplarischen CFK‐Fertigungsprozesses UntersuchunggraphischerMethodenzurProzess‐und 67
InSysMLkönnennebenInformationsobjektenauchphysikalischeObjekteundGrö‐
ßendefiniertwerden,dieamSteuerungsflussteilnehmen.SierepräsentierenInstanzen
von Objekttypen, die von Aktivitäten produziert, benutzt, modifiziert und auch wieder
vernichtetwerdenkönnen.InAbbildung33findetsichdieDarstellungeinesexemplari‐
schenCFK‐FertigungsprozessesinFormeinesSysML‐Sequenzdiagramms.Grundsätzlich
lassen sich mit dem SysML‐Sequenzdiagramm auch komplexere Prozessabfolgen über‐
sichtlichdarstellen.AufgrunddeshohenAbstraktionsgradsderModellierungsmethode
könnenObjekttypenfreialsMaterialflussobjektemitentsprechendenZuständendefiniert
werden, was eine detaillierteAbbildung des Materialflusses möglich macht. Durch den
EinsatzvonPuffernkönnenzudemeinfacheWerkzeugumläufemodelliertwerden.Spezi‐
elleLogikenfüreinebestandsorientierteAuftragsauslösunglassensichabernichthinter‐
legen,weshalbzumBeispielauchkeineModellierungeinerKanban‐Steuerungmöglich
ist. Des Weiteren existieren beispielsweise auch keine expliziten Prozess‐ und Steue‐
rungslogikenzurQualitätssortierung,wasdieintegrierteAbbildbarkeitvonProzessab‐
läufenundMaterialflüsseneinschränkt.
Tabelle 9: Bewertung der Systems Modeling Language (SysML) SICHTENKONZEPT
Kriterium
Bewertung
+
+
o
‐
‐
Prozessablauf
Layout
Materialflussschema
Bemerkung
ProzesslogikfürkomplexereProzessabläufevorhanden
Kombinationvonnureinem Fördergut
nichtvorhanden
nichtvorhanden
Kriterium
Bewertung
+
o
o
o
o
Werkzeugumläufe
PuffernundLagern
ReentranterProzess
Bemerkung
Werkzeugumläufesinddarstellbar
Mengenänderungenwerdennichtangezeigt
bestandsorientierteAuftragsauslösungistnichtvorgesehen
RessourcenzuordnungnurüberSequenzdiagramm
3.3.8
Zusammenfassung und kritische Analyse GrundsätzlichzeigtsichbeiderUntersuchungdervorgestelltenModellierungsmetho‐
den,dasskeinedengestelltenAnforderungenderdigitalenCFK‐Produktionsentwicklung
im Hinblick auf eine integrierte Fertigungs‐ und Logistikplanung gerecht wird. Je nach
MethodenherkunftlassensichmitdenMethodenderProduktion/LogistikdieMaterial‐
flüsse besser abbilden, wohingegen die Methoden des Geschäftsprozessmanagements
deutlicheVorteilebeiderAbbildungkomplexerProzessababläufeohneBerücksichtigung
vonMaterialflussbeziehungenbesitzen.DiebesonderenVorteilederVDI‐Richtlinie3300
liegeninderintegriertenAbbildungvonMaterialflussundräumlichenInformationen.Die
NachvollziehbarkeitdesMaterialflussesistdadurchimVergleichzuanderenMethoden
deutlichhöher,aberhinsichtlichdesEinsatzesvonProzess‐undSteuerungslogikenrecht
limitiert.DasWertstromdesign(WSD)hatseineStärkeninderVerbindungvonzentralen
unddezentralenSteuerungsansätzenunterEinbeziehungvonKanban‐Regelkreisen,was
einesehrdetaillierteBetrachtungkurzersequenziellerProzessfolgenerlaubt.DasPPR‐
PrinzipbesitztspezifischeStärkeninderdetailliertenAbbildungsequenziellerProzess‐
folgen,diedannübermehrereSoftwaremodule(Ablaufsimulation,3D‐Ergonomieunter‐
suchung,etc.)hinweggenutztwerdenkönnen.ImHinblickaufdiedigitaleProduktions‐
entwicklungkanndasPPR‐PrinzipkeinederAnforderungenvollständigerfüllen.
MitderBusinessProcessModelingNotation(BPMN)existierteineModellierungsme‐
thode, die sich zum weltweiten Standard für das Geschäftsprozessmanagement entwi‐
ckelthat.ImHinblickaufdieMaterialflussmodellierungexistiertjedochkeineBPMN‐Spe‐
zifikation.TrotzdemkönnenvieleAnforderungenderdigitalenCFK‐Produktionsentwick‐
lungunterVerwendungvonBPMNerfülltwerden.DiehöchstePunktzahlderdurchge‐
führtenAnalyseweistdieKommunikationsstrukturanalyse(KSA)auf(Tabelle10).Sieer‐
reicht12dermaximalmöglichen20Punkte,wasinsbesondereaufdieflexibleProzess‐
undSteuerungslogikohnefesteKontrollflüssezurückgeführtwerdenkann.
Tabelle 10: Auswertung der Untersuchung graphischer Methoden zur Prozess‐ und Ma‐
terialflussmodellierung Methodenbezeichnung
VDI‐Richtlinie3300
Wertstromdesign(WSD)
Produkt‐Prozess‐Ressource(PPR‐Prinzip)
EreignisgesteuerteProzessketten(EPK)
BusinessProcessModelingNotation(BPMN)
Kommunikationsstrukturanalyse(KSA)
SystemsModelingLanguage(SysML)
AnzahlerfüllterAnforderungen
voll‐
teil‐
gar
ständig
weise
nicht
(2Pkt.)
(1Pkt.)
(0Pkt.)
4
3
4
3
2
5
0
5
5
2
3
5
3
5
2
4
4
2
3
5
2
Summe
(Pkt.)
11
8
5
7
11
12
11
ExemplarischeGegenüberstellungvonImplementierungslösungenzur 69
Geschäftsprozess‐undMaterialflusssimulation
DieSystemsModelingLanguage(SysML)besitzteinegewisseNähezurBusinessPro‐
cessModelingLanguage(BPMN),wassichdurchdiegemeinsameStandardisierungdurch
dieObjectManagementGroup(OMG)erklärt.DieSysMListimVergleichzurBPMNdeut‐
lichabstraktergehalten,aberbezüglichderProzess‐undMaterialflussmodellierungbe‐
sitztsieähnlicheModellierungsmöglichkeiten.ImErgebniskannfürdiedigitaleCFK‐Pro‐
duktionsentwicklung keine graphische Modellierungsmethode identifiziert werden, die
komplexeProzessabläufeunterBerücksichtigungentsprechenderMaterialflüssedurch‐
gehendlogischkonsistentabbildet.EineentsprechendeAbbildungsmöglichkeitistjedoch
notwendige Voraussetzung für eine weitergehende (teil‐)automatische Simulationsmo‐
dellgenerierung.
3.4 Exemplarische Gegenüberstellung von Implemen‐
tierungslösungen zur Geschäftsprozess‐ und Ma‐
terialflusssimulation ImHinblickaufdievorangegangeneAnforderungsanalysegraphischerMethodenzur
Prozess‐undMaterialflussmodellierungwerdenimFolgendenzweiImplementierungslö‐
sungenzurGeschäftsprozess‐bzw.Materialflusssimulationexemplarischgegenüberge‐
stellt. Die Implementierungslösungen werden im Sinne der digitalen Produktionsent‐
wicklunghinsichtlichSystematikundSimulierbarkeitbewertet.ZumeinenwirdmitBTC
BonaparteinintegrierterAnsatzzurGeschäftsprozessmodellierungund‐simulationba‐
sierendaufderMethodederKommunikationsstrukturanalyse(KSA)untersucht.Zuman‐
derenwirdaufdieKombinationvonTECNOMATIXProcessDesignerundTECNOMATIX
Plant Simulation als Beispiel für eine bestehende digitale Fabrikanwendung nach dem
PPR‐Prinzipeingegangen.DieUntersuchungderKommunikationsstrukturanalyse(KSA)
istdahingehendinteressant,alsdassdieMethodediebesteBewertungindervorherigen
Anforderungsanalyseerzielthat.DesWeiterenwirdmitTECNOMATIXPlantSimulation
einepopuläreSoftwarelösungzurMaterialflusssimulationuntersucht,anderdieUnter‐
schiedezurGeschäftsprozesssimulationaufgezeigtwerdenkönnen.
3.4.1
Modellgenerierung und Simulation mit BTC Bonapart DieSoftwareBTCBonapartisteinobjektorientiertesWerkzeugzurgraphischenMo‐
dellierung,AnalyseundSimulationvonGeschäftsprozessen,wobeiderintegrierteSimu‐
latoraufPetri‐Netzenbasiert[173].ZurModellierunginBTCBonapartwirdalsNotation
standardmäßig die Kommunikationsstrukturanalyse (KSA) verwendet (siehe Kapitel
3.3.6). Mittels eines Modell‐Explorers werden für die einzelnen Diagrammtypen soge‐
nannte Szenarien angelegt, die Informations‐ und Objektklassen enthalten und in Pro‐
zessdiagrammenverwendetwerdenkönnen.UmverschiedenePlanungsvariantenzumo‐
dellierenundzubewerten,könnenfürdasProzessdiagrammsogenannteProzessversio‐
nenangelegtwerden,diesichaucheinzelnsimulativanalysierenlassen.FürandereDia‐
grammtypenexistiertdieseMöglichkeitderVersionierungnicht.DiesimulativeAnalyse
umfasst eine Auswertung der Prozesskosten, wobei Personal‐, Sachmittel‐, Transport‐
undZugriffskostenerfasstwerden.WichtigelogistischeKostengrößen,wiezumBeispiel
Bestandskosten, werden nicht berücksichtigt. Hinsichtlich der Auswertung logistischer
KennzahlenwerdenvornehmlichProzesszeitenundAuslastungenausgewertet,waszur
EngpassanalyseundzurBetriebsmitteldimensionierunggenutztwerdenkann.Eineauto‐
matisierte Experimentdurchführung mit variierenden Parametern existiert nicht, was
zumBeispieldieErstellungvonSensitivitätsanalysenerheblicherschwert.
HinsichtlicheinesVorgehensmodellskannaufMUTZKEETAL.verwiesenwerden,die
einenEntwurfdesVDI‐Richtlinienausschusses"Simulation–Geschäftsprozessmodellie‐
rung"vorstellen[174].BeispielhaftzeigenMUTZKEETAL.anhandeinesLogistikszenarios
zurKarosseriebereitstellungdiegenerelleAnwendbarkeitdesVorgehensmodells,wobei
sieBTCBonapartzunächstzurGeschäftsprozesssimulationimRahmeneinerVorstudie
einsetzen und diese dann mit einer zusätzlichen Materialflusssimulation absichern.
GrundsätzlichkannmittelsBTCBonaparteine(teil‐)automatischeModellgenerierungba‐
sierendaufeinervorhergehendengraphischenProzessmodellierungdurchgeführtwer‐
den.WesentlicheVoraussetzungdafüristaberdiekorrekteModellierungsowohlinsyn‐
taktischer als auch semantischer Hinsicht [175]. Bei semiformalen Beschreibungsspra‐
chen,wiez.B.KSA,EPK,UML,istdieshinsichtlichderSemantikinsbesonderebeiXOR‐
Entscheidungen oftmals nicht gegeben. Dadurch treten bei Modelltransformationen in
eineformaleBeschreibungssprache,wiezumBeispielPetri‐Netze,Problemeauf.Entspre‐
chendsindderSimulierbarkeitinBTCBonapartmittelsPetri‐NetzenengeGrenzenge‐
setzt.ZudemlassensichauchkeinestochastischenAnlagenstörungendarstellenunddie
MöglichkeitenzurUmsetzungvonFertigungsfehlernsindbegrenzt,dawährendderSi‐
mulationkeineObjecktattributebzw.Qualitätzuständemanipuliertwerdenkönnen.Des
WeiterenlassensichkeineflexiblenLosgrößenfürdieparalleleLosbearbeitungimRah‐
menderAutoklavprozesseumsetzen.HinsichtlichderSteuerungsfunktionenistzuerken‐
nen,dasszurReihenfolgebildungmehrereBearbeitungsstrategienwieFIFOundLIFOzur
Verfügungstehen,sichaberzumBeispielkeineAuftragssortierungnachLieferterminen
durchführenlässt.DieRessourcenauswahlerfolgtentwederzufälligoderobjektabhängig,
abernichtimHinblickaufdenaktuellenRessourcenzustand,womitzumBeispielkeine
RessourcenauswahlnachkürzestenBearbeitungszeitenerfolgenkann.Zudemexistieren
keineexplizitenMechanismenzurAuftragsfreigabeoderAuftragserzeugung.ImErgebnis
kannfestgestelltwerden,dassbeiderGeschäftsprozesssimulationinBTCBonaparteine
hoheSystematikerzieltwird,aberdieSimulierbarkeitnichtdieAnforderungendigitaler
ProduktionsentwicklungimKontextderCFK‐Serienfertigungerfüllt.
ExemplarischeGegenüberstellungvonImplementierungslösungenzur 71
Geschäftsprozess‐undMaterialflusssimulation
Tabelle 11: Bewertung der Geschäftsprozesssimulation in BTC Bonapart SYSTEMATIK
Kriterium
Bewertung
Kostenbewertung
Vorgehensmodell
Planungsvarianten
log.Kennzahlen
Dimensionierung
(+)
(o)
o
+
o
Bemerkung
BerechnungvonProzesskosten,aberkeineBestandskosten
keinspezifischesModellzurCFK‐Serienfertigung
nurVersionierungvonProzessdiagrammenmöglich
KennzahlenundAnalysefunktionenvorhanden
DimensionierungvonWerkzeugbedarfennichtmöglich
SIMULIERBARKEIT
Kriterium
Bewertung
Fertigungsfehler
Anlagenstörungen
aut.Experimentdf.
flex.Losgrößen
3.4.2
‐
‐
‐
o
‐
Bemerkung
keinestochastischenAnlagenstörungenmöglich
keineautomatisierteParametervariationmöglich
keinesituationsabhängigeRessourcenauswahlmöglich
flexibleLosgrößensindnichtmöglich
Modellgenerierung mit TECNOMATIX Pro‐
cess Designer und Materialflusssimulation mit TECNOMATIX Plant Simulation DerTECNOAMTIXProcessDesignervonSiemensIndustrySoftwareGmbH&Co.KG
istinVerbindungmitderSimulationslösungTECNOMATIXPlantSimulationeinederbe‐
kanntestenSoftwarelösungenimBereichdigitalerFabriksoftware.Grundsätzlichkönnen
ProzessabläufeinAnlehnungandasPPR‐PrinzipimTECNOAMTIXProcessDesignerde‐
finiert (siehe Kapitel 3.3.3) und dann simulativ mittels TECNOMATIX Plant Simulation
analysiertwerden.TECNOMATIXPlantSimulationistdabeieineeigenständigeApplika‐
tion,aufdieübereineSoftwareschnittstellezugegriffenwerdenkann.ImTECNOAMTIX
ProcessDesignerlassensichdieAuslastungeinzelnerRessourcenfüreinenSimulations‐
laufdynamischanzeigenundsomitRessourcenengpässeoderRessourcenüberdimensio‐
nierungenerkennen [176]. Zudem könnenKennzahlen wie Durchsatzmengen, mittlere
Prozessdurchlaufzeitenund‐kostenerhobenwerden.GenauwiebeiBTCBonapartfindet
dabei keine integrierte Kostensimulation statt, weshalb auch keine Bestandskosten er‐
fasstwerden.AlleObjekteundProzessabläufekönnenversioniertwerden,wasprinzipiell
die Voraussetzung zur Erstellung von Planungsvarianten schafft. Eine gezielte Verwal‐
tungundeinVergleichverschiedenerPlanungsvariantenwerdenabernichtunterstützt.
HinsichtlichdesVorgehensistkeinstandardisiertesVorgehensmodellfürdiedigitalePro‐
duktionsentwicklungunterEinsatzvonTECNOMATIXProcessDesignervorhanden,aber
inBezugaufdieMontageplanungkannzumBeispielaufArbeitenzuReferenzmodellen
vonMOTUSzurückgegriffenwerden[177].
WiebereitsinKapitel3.3.3ausgeführt,ergebensichimTECNOMATIXProcessDesig‐
nerdurchdieVerwendungderPertt‐DiagrammeerheblicheEinschränkungenbeiderMo‐
dellierungvonProzessabläufen.DieswirktsichnegativaufdieSimulierbarkeitaus,wes‐
halbnachfolgenddieStandardfunktionalitätenvonTECNOMATIXPlantSimulationohne
VerknüpfungmitdemTECNOMATIXProcessDesigneruntersuchtwerden.BeiTECNO‐
MATIXPlantSimulationhandeltessichumeinebausteinbasierteSoftwarelösungzurMa‐
terialflusssimulation, die mittels der Programmiersprache SimTalk umfangreiche Ein‐
griffeindasSimulationsmodellbzw.dieSimulationsumgebungerlaubt.ImVergleichzur
prozessorientierten Geschäftsprozesssimulation erfolgt bei der Materialflusssimulation
einephysisch‐räumlicheSystemmodellierung,wobeidieBetriebsmittelmittelsentspre‐
chenderObjektbausteineräumlichangeordnetunddannmittelsMaterialflusskantenver‐
knüpftwerdenkönnen.ImGegensatzzurGeschäftsprozessmodellierungwirddabeiauf
dieexpliziteDarstellungdeszeitlichenKontextsverzichtetunddieräumlicheAbbildung
desMaterialflussesfokussiert.DiesbringtsowohlVor‐ alsauch Nachteilemitsich.Die
räumliche Darstellung erlaubt eine schnelle Orientierung im Materialflusssystem, aber
einzelnesichüberlagerndeProzessabläufelassensichschwernachvollziehen,daProzess‐
undSteuerungslogikennichtexplizitangezeigtwerden.
EinwesentlicherVorteilvonTECNOMATIXPlantSimulationistdieVerwendungvon
sogenanntenbeweglichenElementen(BE),diealsRepräsentanzfürjedeFormbewegli‐
cher Güter dienen können. Solche beweglichen Elemente können mit benutzerspezifi‐
schenAttributenversehenwerden,diesichzurLaufzeitändernlassen.Diesesermöglicht
es,ZustandsinformationendirektimBEzuspeichern.SomitlassensichauchFertigungs‐
fehlerabbilden.DiesistabergenausowenigBestandteilderStandardobjekteund‐me‐
chanismenwieeineintegrierteKostenkalkulation.EskönnenjedochverschiedeneArten
vonAnlagenstörungenabgebildetwerdenundesexistierteinExperimentverwalterzur
automatisiertenExperimentdurchführung.HinsichtlichderSteuerungsfunktionenlassen
sichalleFormenderReihenfolgebildungverwenden,abereinesituationsabhängigeRes‐
sourcenauswahl oder bestandsorientierte Auftragserzeugung ist nicht Bestandteil der
Standardbausteine. Des Weiteren ist die Verwendung flexibler Losgrößen in den Stan‐
dardobjekten nicht vorgesehen. Im Ergebnis zeigt die Analyse, dass der TECNOMATIX
ProcessDesignergrundsätzlichdiegeforderteSystematikfüreinedigitaleProduktions‐
entwicklung besitzt.Aufgrund der Prozessnotation istdie Simulierbarkeit jedoch stark
eingeschränkt.AberauchTECNOMATIXPlantSimulationerfülltdiegestelltenAnforde‐
rungen an die Simulierbarkeit nur, wenn neben der Verwendung der Standardobjekte
eineindividuelleProgrammierungmittelsSimTalkerfolgt.
ZusammenfassungundGestaltungsansätzefüreinganzheitliches 73
Modellierungskonzept
Tabelle 12: Bewertung der Materialflusssimulation in TECNOMATIX Plant Simulation SYSTEMATIK
Kriterium
Kostenbewertung
Vorgehensmodell
Planungsvarianten
log.Kennzahlen
Dimensionierung
Bewertung
(o)
(o)
o
+
o
Bemerkung
BerechnungvonProzesskosten,aberkeineBestandskosten
keinspezifischesModellzurCFK‐Serienfertigung
Versionierungmöglich,aberkeineSzenarioverwaltung
KennzahlenundAnalysefunktionenvorhanden
DimensionierungvonWerkzeugbedarfennichtmöglich
SIMULIERBARKEIT
Kriterium
Fertigungsfehler
Anlagenstörungen
aut.Experimentdf.
flex.Losgrößen
Bewertung
(o)
+
+
o
‐
Bemerkung
nichtBestandteilderStandardbausteine
UmsetzungmitStandardbausteinenmöglich
UmsetzungmitStandardbausteinenmöglich
keinesituationsabhängigeRessourcenauswahl
nichtBestandteilderStandardobjekte
3.5 Zusammenfassung und Gestaltungsansätze für ein ganzheitliches Modellierungskonzept MitdemZieleinerfrühzeitigenIntegrationlogistischerAspekteindiedigitaleCFK‐
ProduktionsentwicklungbedarfeseinerintegriertenProzess‐undMaterialflussmodellie‐
rung,umeine(teil‐)automatischeSimulationsmodellgenerierungzuermöglichen.Ausge‐
hendvonderAnforderungsanalyseimerstenKapitelwurdeindiesemKapitelaufdiethe‐
oretischenGrundlagenderGenerierungvonSimulationsmodelleneingegangen.Hierbei
zeigtesich,dassverschiedenewissenschaftlicheAnsätzebasierendaufbekanntengraphi‐
schenModellierungsmethoden(SysML,BPMN,etc.)existieren,abergrößereDefizitebei
der materialflussgerechten Abbildung komplexer Prozessabläufe vorherrschen. Erfolg‐
reichkonntedie(teil‐)automatischeGenerierungvonSimulationsmodellenbislangnur
füreinfachesequenzielleProzessfolgenumgesetztwerden.BeikomplexenProzessabläu‐
fenundMaterialflüssenistesnachwievoreinProblem,diesegraphischzumodellieren
undinentsprechendeFabrikdatenmodelleeinzubinden.
Deshalb wurden nachfolgend verschiedene graphische Methoden der Prozess‐ und
Materialflussmodellierung eingehend im Hinblick auf die Anforderungen der CFK‐Pro‐
duktionsentwicklunghinuntersucht.ImErgebniskonnteaberkeinederModellierungs‐
methoden die spezifischen Anforderungen der digitalen CFK‐Produktionsentwicklung
ausreichenderfüllen.AlseinesderHauptproblemestelltesichdieintegrierteModellie‐
rungvonKontroll‐undMaterialflüssenanProzessverzweigungendar,umzumBeispiel
dieQualitätssortierungvonBauteilenabzubilden.Eszeigtesichdabei,dassdiekorrekte
BeschreibungderSemantiknebenderinitialengraphischenModellierungeineweiterge‐
hendeSpezifikationimRahmendersoftwaretechnischenImplementierungerfordert.Ins‐
besonderedieAbbildungmaterialflusskomplexerProduktionsszenariensetztdieAusge‐
staltungderProzessabläufemittelsinSkriptspracheimplementierterProzess‐undSteu‐
erungslogikenvoraus.DeshalbwurdenzweiImplementierungslösungenzurKommuni‐
kationsstrukturanalyse(KSA)unddemPPR‐Prinzipexemplarischgegenübergestellt,um
dieMöglichkeitender(teil‐)automatischenModellgenerierungsowohlfürdieGeschäfts‐
prozess‐alsauchdieMaterialflusssimulationzuanalysieren.Konkretzeigtesich,dassso‐
wohldieGeschäftsprozesssimulationmitBTCBonapartalsauchdieMaterialflusssimula‐
tionmitdemTECNOMATIXProcessDesignerdieAnforderungenandieSystematikweit‐
gehend erfüllen. Hinsichtlich der Simulierbarkeit zeigen sich jedoch bei BTC Bonapart
größereDefiziteundauchTECNOMATIXPlantSimulationkannnurüberzeugen,wennauf
eine vorherige graphische Modellierung im TECNOMATIX Process Designer verzichtet
wirdunddieMöglichkeitenzurindividuellenProgrammierungmittelsSkriptsprachein
derSimulationsumgebungdirektgenutztwerden.
ImErgebniszeigtsich,dassbislangnochkeinModellierungsansatzexistiert,deres
erlaubtProzess‐undMaterialflussmodellierungsozuverbinden,dasseine(teil‐)automa‐
tische Modellgenerierung mit hoher Simulierbarkeit materialflusskomplexer Produkti‐
onsszenarienmöglichwird(Abbildung34).
Abbildung 34: Übersicht zur Einordnung des eigenen Modellierungsansatzes „GRA‐
MOSA“ ZusammenfassungundGestaltungsansätzefüreinganzheitliches 75
Modellierungskonzept
Während TECNOMATIX Plant Simulation über eine hohe Materialflussorientierung
und Simulierbarkeitverfügt, lassen sich einzelneProzessabläufe graphisch nicht abbil‐
den.BeiderKommunikationsstrukturanalyse(KSA)unterVerwendungvonBTCBona‐
partverhältessichgenauumgekehrt.EskönnenProzessabläufegraphischabgebildetund
teilweisesimuliertwerden,aberdiephysisch‐räumlicheDarstellungsformfehlt,umMa‐
terialflussstrukturen adäquat abzubilden. Im Allgemeinen wird zwischen transaktions‐
undprozessorientiertenModellierungsansätzenunterschieden,wobeidiematerialfluss‐
orientierteModellierungeinenSpezialfalldertransaktionsorientiertenModellierungin
BezugaufdieVerwendungvonMaterialflussobjektenalsEntitätenist.
Mit dem eigenen Modellierungsansatz „GRAMOSA“ wird das Ziel einer integrierten
DarstellungvonProzessablaufundMaterialflussverfolgt,umdieVoraussetzungfüreine
hoheSimulierbarkeitimSinneder(teil‐)automatischenModellgenerierungzuschaffen.
EntsprechendisthierzueineKombinationvonprozess‐undtransaktionsorientierterMo‐
dellierungsweiseerforderlich,umeinematerialflussgerechteProzessmodellierungzuer‐
reichen.DiedurchgeführtenUntersuchungenzeigenjedoch,dassbestehendegraphische
Modellierungsansätze nicht das Potenzial zur Umsetzung einer materialflussgerechten
Prozessmodellierungbesitzen,weshalbimRahmendieserArbeiteineeigenedomänen‐
spezfische Modellierungssprache entwickelt wird. Dabei wird der Idee nachgegangen,
dassimRahmenderArbeitsplanungzunächsteinfachesequenzielleProzessfolgenmo‐
delliertwerden,wiesieauchbeiheutigenArbeitsplänenvorkommen,umeinehoheNach‐
vollziehbarkeitdurchdieFertigungsexpertenzuerreichen.ErstineinemzweitenSchritt
erfolgt dann die Ausgestaltung des Fertigungsablaufs durch die Modellierung von not‐
wendigerLogistikprozessedurchdenLogistikexperten.Dabeiwerdenzunächstallepo‐
tenziellmöglichenMaterialflüsseuntereindeutigerDefinitionvonMaterialein‐und‐aus‐
gängenfürjedesProzesselementmodelliert.DieVerknüpfungderProzesselementezuei‐
nemMaterialflusserfolgtdannüberKnoten,diealsWerkstück‐undBauteilpufferdienen.
ErstnachdervollständigenModellierungdesMaterialflusseserfolgtdieIntegrationder
Kontrollflüsse.HierzuwerdenweitergehendeRegelnundBedingungendefiniert,umein‐
zelneProzesselementesituationsabhängigzuaktivieren.DiefürdenSteuerungsflussre‐
levanten Objekte werden miteinander verknüpft, wobei vordefinierte Steuerungs‐ und
ProzesslogikenzumEinsatzkommen.AufeinegraphischeBeschreibungdesSystemver‐
haltensmittelsboolescherundandererlogischerOperatorenwirdverzichtet,dadiesse‐
mantischnichtimmereindeutigistundbeivielenbestehendenprozessorientiertenLö‐
sungsansätzen zu größeren Problemen führt. Grundsätzlich wird davon ausgegangen,
dassfürdieCFK‐SerienfertigungnurbegrenztvieleProzess‐undSteuerungslogikener‐
forderlichsind,dieunterVerwendungvonSkriptsprachedirektinderSimulationsumge‐
bunghinterlegtundparametrischdurchNutzerangepasstwerdenkönnen.ImRahmen
dergraphischenModellierungerfolgtdannnurnochdieAuswahldergewünschtenLogik
undEinstellungdergewünschtenParameter.ImErgebnisistzuerwarten,dassaufgrund
derdurchgehendenModellierungdesMaterialflussesundeinerbewussteinfachgehalte‐
nengraphischenNotationmitvordefiniertenProzess‐undSteuerungslogikeneine(teil‐)
automatischeModellgenerierungmithoherSimulierbarkeitmöglichwird.
4 Entwicklung des Modellierungskon‐
zepts GRAMOSA ImRahmendieserArbeitwirddasModellierungskonzeptGRAMOSA(GraphischeMo‐
dellierung und simulationstechnische Analyse) entwickelt, welches die modellierungs‐
technischenAnforderungenderdigitalenCFK‐Produktionsentwicklungabbildet.Indie‐
sem Kapitel werden das Vorgehensmodell und das Sichtenkonzept spezifiziert sowie
exemplarischeineReihegrundlegenderMaterialfluss‐undSteuerungsfunktionenmodel‐
liert.DieSpezifikationdesVorgehensmodellsbeinhaltetsowohldieDefinitioneinesüber‐
geordnetenPhasenkonzeptsalsauchdieDarstellungdeshierarchischenModellaufbaus.
DasSichtenkonzeptbeinhaltetdieDefinitionderverschiedenenSichtensowiedieEnt‐
wicklungderdomänenspezifischenModellierungsspracheunterVerwendungvonUML‐
Notationselementen.DieexemplarischeModellierungderMaterialfluss‐undSteuerungs‐
funktionendientzurEvaluierungderVielseitig‐undMächtigkeitderentwickeltenNota‐
tion.ZudemwurdenfürdasModellierungskonzeptmitderModellstrukturanalyse,Sensi‐
tivitätsanalyseundLeistungsanalysedreiMechanismenzurModellauswertungdefiniert.
DieSpezifikationderAuswertungsmethodenkanndemAnhangIIentnommenwerden.
GrundsätzlichdientdieModellstrukturanalysezurschnellenErfassungderModellgröße
und‐komplexität,währenddieSensitivitätsanalysevornehmlichzurGültigkeitsprüfung
unddieLeistungsanalysezurSzenariobewertungverwendetwerdenkann.
4.1 Spezifikation des Vorgehensmodells WichtigerBestandteileinesjedenModellierungskonzeptsistdasVorgehensmodell.
HierbeiwirddasProblemdurchdassystematischeVorgehensostrukturiert,dassessich
inkleinereübersichtlichereAufgabengliedert[178].DesWeiterendienteszurKommu‐
nikationundbildeteineAusgangsbasisfürdieOrganisationdesProjektmanagements.Im
78 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
FolgendenwirddasübergeordnetePhasenkonzept,derhierarchischeModellaufbauund
derallgemeinePlanungsablaufzurAnwendungdesModellierungskonzeptsbeschrieben.
4.1.1
Übergeordnetes Phasenkonzept unter Ein‐
bindung der Simulationsmodellgenerierung DasübergeordnetePhasenkonzeptdientzurBeschreibungdesgenerellenAblaufsder
digitalenProduktionsentwicklungunterEinsatzder(teil‐)automatischenModellgenerie‐
rung.AllgemeinorientiertessichandemAblaufkonzeptdermodellgestütztenPlanung
nachSCHNEEWEIß[179].DasübergeordnetePhasenkonzeptspezifiziertdiesenPlanungs‐
ansatzfürdenAnwendungsfallderdigitalenProduktionsentwicklungundgehtimBeson‐
derenaufdieFeedback‐Strukturenein(Abbildung35).
Fabrikdatenmodell
Modell‐
bildung
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Projekt
Produktkonzept
Fertigungskonzept
Organisationskonzept
Layoutkonzept
Materialflusskonzept
Steuerungskonzept
Simulationskonzept
Simulations‐
modell
Projektauftrag
Vorzugs‐
variante
Generierung
Szenario‐
optimierung
Simulation
Ergebnis‐
auswertung
Abbildung 35: Übergeordnetes Phasenkonzept zur digitalen Produktionsentwicklung unter Einsatz der (teil‐)automatischen Modellgenerierung DasPhasenkonzeptbeginntmiteinemProjektauftrag.ImRahmenderModellbildung
könnenmehrerealternativeProduktionsszenariendefiniertundineinementsprechen‐
denFabrikdatenmodellabgespeichertwerden.DasentwickelteFabrikdatenmodellsetzt
sichausachtModellebenenzusammenunderlaubtdie(teil‐)automatischeGenerierung
vonSimulationsmodellen,diezurAnalyseeinzelnerFertigungs‐undProduktionsszena‐
rien verwendet werden können. Die anschließende Ergebnisauswertung bewertet die
Produktionsszenarienundvergleichtdiesemiteinander.Wennfestgestelltwird,dasskei‐
SpezifikationdesVorgehensmodells 79
nesderSzenariendieZielstellungausreichenderfüllt,wirdeineSzenariooptimierungan‐
gestoßenundgegebenenfallsweitereKonzeptvariantendefiniert.Andernfallswirdeine
odermehrereVorzugsvariantenausgewähltunddieseindieFeinplanungüberführt.
4.1.2
Hierarchischer Modellaufbau und Bildung von Konzeptvarianten DasFabrikdatenmodellbesitztachtModellebenenundgliedertsichindieBereiche
Management, Fertigungs‐ und Logistikplanung. Es ist so konzipiert, dass die einzelnen
Modellebenenhierarchischaufeinanderaufbauen.ZurUmsetzungeinersystematischen
PlanungimRahmenderdigitalenProduktionsentwicklungwirddieMethodedesVarian‐
tenbaumsverwendet(Abbildung36).
Abbildung 36: Schema für den hierarchischen Modellaufbau und die Bildung von Kon‐
zeptvarianten im Rahmen der Modellbildung 80 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
Auf jeder Modellebene können alternative Konzeptvarianten gebildet werden, die
sich jeweils auf eine spezifische Konzeptvariante der übergeordneten Ebene beziehen.
AlleDatenundInformationenwerdendabeianddiedarunterliegendeEbenevererbt.Bei
der angestrebten Variantenbildung handelt es sich um die Strukturierung alternativer
Konzeptvarianten,dienachdemVariantenprinzipderPlanunganfallen[180].Entspre‐
chendwirdesmöglich,aufPlanungsunsicherheitenbedingtdurchdieCFK‐Technologie
zu reagieren und große Lösungsräume gezielt nach Lösungsvarianten zu durchsuchen.
DabeikönnennebeneinfachenParametervariationenauchstrukturelleÄnderungenim
Prozessablauf untersucht werden, was zum Beispiel beim Vergleich unterschiedlicher
Fertigungstechnologiennotwendigwird.Grundsätzlichistdiesnichtzuverwechselnmit
derErstellungvonoperativenPlanungsvariantenimRahmenderProduktionssteuerung.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Konzeptvarianten und Produktionsszenarien der
Grobplanungentwickelt.
Ausgangspunkt der Modellbildung ist ein Problem, welches in Form eines Projekts
bearbeitetwerdensoll.EntsprechendwirdinderoberstenModellebenezunächsteinent‐
sprechendesProjektdefiniert.FürdasProjektkönnenverschiedeneProduktkonzeptean‐
gelegtwerden,diewiederumverschiedeneVariantenanFertigungskonzeptenbeinhal‐
ten.AusgehendvomFertigungskonzeptwerdenOrganisationskonzeptegestaltet,fürdie
sichwiederumverschiedeneVariantenanLayoutkonzeptenkonzipierenlassen.Aufbau‐
end auf dem Layoutkonzept erfolgt dann die Gestaltung spezifischer Materialflusskon‐
zepte.EsschließtsichdieGestaltungvonSteuerungskonzeptenundentsprechendenSi‐
mulationskonzeptenan.UmeinAuswahl‐bzw.Produktionsszenariozudefinieren,muss
aufjederModellebenegenaueineKonzeptvarianteausgewähltwerden.Durchdenhie‐
rarchischen Modellaufbau mit entsprechender Variantenbildung können gezielt Pla‐
nungsalternativenuntersuchtundverwaltetwerden.
4.1.3
Planungsablauf der digitalen Produktions‐
entwicklung InErweiterungzumübergeordnetenPhasenkonzeptwirdimFolgendenaufdenall‐
gemeinenPlanungsablaufderdigitalenProduktionsentwicklungeingegangen.Während
das übergeordnete Phasenkonzept die Szenariooptimierung unter Nutzung von Feed‐
back‐Strukturenbeschreibt,wirdsichbeimPlanungsablaufaufdasVorgehenbeiderMo‐
dellbildungkonzentriert.InAnlehnunganKEMPERETAL.werdenbeimVorgehensmodell
folgendevierwesentlichenBestandteileberücksichtigt[181]:




Phasenkonzept
AktivitätenundErgebnisse
Rollenkonzept
MethodenundWerkzeuge
SpezifikationdesVorgehensmodells 81
FürdenPlanungsablaufwirdeinesequenzielleDarstellungsformgewählt,beiderdie
einzelnenAktivitätenentsprechendenRollenzugeordnetsind.DaszugrundeliegendeRol‐
lenkonzept definiert begrifflich seine Rollen in Anlehnung an eine funktionsorientierte
Differenzierung. In diesem Verständnis werden Verantwortungsbereiche für Aufgaben
undAktivitätengeschaffen,welchedurchdiejeweiligeRollewahrzunehmensind.Opti‐
malerweisekannfürjedeRolleeinentsprechenderExpertegewonnenwerden,derim
ProjektmitwirktundentsprechendesKnow‐howfürdiejeweiligeRollebzw.Perspektive
mitbringt.DieAbbildung37zeigtdieeinzelnenAktivitätenmitentsprechendenErgebnis‐
sensowiederenZuordnungzudenfürdieAusführungverantwortlichenRollen.
Abbildung 37: Ergebnisorientierter Planungsablauf der integrierten Fertigungs‐ und Lo‐
gistikplanung mit Schwerpunkt der Modellbildung 82 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
AusgehendvomProjektauftrag,z. B.derNeuplanungeinerCFK‐Serienfertigung,er‐
folgt die Initiierung des Projekts durch die Projektleitung. Die Projektleitung definiert
hierzuentsprechendeProjektzieleinFormvonPlanungsprämissen,welchealszeitliche
undwirtschaftlicheRahmenbedingungenindieProduktionsentwicklungeingehen.Von
derKonstruktionsabteilungwerdenimRahmenderProduktentwicklungentsprechende
Produktkonzepte bereitgestellt, die in Form von Stücklisten und fertigungstechnischer
Qualitätsvorgaben gemeinsam mit den Planungsprämissen die Fertigungsaufgabe defi‐
nieren.DadieProduktentwicklungnichtoriginärerBestandteilderProduktionsentwick‐
lungist,wirddieAbstimmungimRahmendesVorgehensmodellsvereinfachtalsManage‐
mentaufgabeverstanden.
DieArbeitsablauf‐undArbeitsmittelplanungdientzurEntwicklungdesFertigungs‐
konzepts, welches entsprechende fertigungstechnische Prozessfolgen, Ressourcenbe‐
darfeundMaterialbedarfedefiniert.HierzuanalysiertdieFertigungsabteilungdieFerti‐
gungsaufgabeundidentifiziertgeeignetetechnischeVerfahrenundTechnologienzurPro‐
duktumsetzung.DiesewerdeninFormvonfertigungstechnischenProzessfolgenabgebil‐
detundnachfolgendfürjedenProzessentsprechendeRessourcen‐undMaterialbedarfe
definiert.DasErgebnisdieserAktivitätenbildetdasFertigungskonzept.DasFertigungs‐
konzept ist Ausgangspunkt der nachfolgenden Funktionsbestimmung, wobei durch die
FabrikorganisationdasOrganisationskonzeptsowiedieZuordnungvonBetriebsmitteln
zudenOrganisationseinheitenfestgelegtundnachfolgenddasLayoutbestimmtwird.Pa‐
rallel zur Layoutplanung erfolgt die Materialflussplanung durch die Logistikabteilung.
Während das Fertigungskonzept ausschließlich Fertigungsprozesse erfasst, werden im
MaterialflusskonzeptauchmaterialflusstechnischeProzessschrittedefiniert.Dieserzwei‐
stufigeAnsatzorientiertsichamGedankendesLine‐Back‐Prinzips,welchesdiePlanung
aller unterstützenden Teilprozesse ausgehend von der Fertigungslinie vorsieht [182].
Dadurchsollgewährleistetwerden,dassdirektamVerbauungs‐oderVerarbeitungsort
optimaleVerhältnissevorherrschenundsomiteinehoheWertschöpfungrealisiertwer‐
denkann[183].ImAnschlussandieMaterialflussplanungerfolgtdieSteuerungsplanung.
Hierbeimussu. a.übereinebedarfs‐oderverbrauchsgesteuerteMaterialbereitstellung
befundensowieAuslösungspunkteundEntscheidungsregelnfürdasSteuerungskonzept
definiertwerden.ImletztenSchrittwirddanndasSimulationskonzeptdurchdenSimu‐
lationsexperten erstellt, der für die simulationstechnische Auslegung des modellierten
Systemsverantwortlichist.HierzuwirdfürdasSimulationsexperimenteinentsprechen‐
derVersuchsplanentwickelt,dersowohlzurVerifikationundValidierungdesSimulati‐
onsmodellsalsauchzurDimensionierungdesProduktionssystemsdient.
4.2 Gestaltung des Sichtenkonzepts DieGestaltungdesSichtenkonzeptsbeinhaltetdieDefinitionderModellobjekteund
dieSpezifikationderSichten,welcheimRahmenderModellbildungzumEinsatzkommen.
GestaltungdesSichtenkonzepts 83
MittelsderverschiedenenSichtenwirdderModellierungsgegenstandausunterschiedli‐
chenBlickwinkelnbeschriebenundsomitdasModellstückweiseaufgebaut.Dabeiwird
sichamVorgehensmodellorientiertundjederKonzeptebeneeineentsprechendeSicht
zugeordnet.DurchdieVerwendungintegrierterSichtenkanndieKompliziertheitdesMo‐
dellskontrolliertgesteigertwerden,indemsukzessivNotationselementehinzukommen.
DasModellierungskonzeptGRAMOSAbeinhaltetinsgesamtachtSichten,wovonvierüber
eineweitergehendegraphischeModellrepräsentationverfügen(Abbildung38).
Abbildung 38: Übersicht der im Modellierungskonzept verwendeten Sichten Die anderen Sichten (Projekt‐, Produkt‐, Organisations‐ und Simulationssicht) be‐
schreibeneinfacheObjektzuordnungen.Deshalbsindhierfürkeinegesondertengraphi‐
schenNotationenerforderlich.DeninhaltlichenSchwerpunktdesModellierungskonzepts
bildendiedreiprozessorientiertenSichten(Fertigungs‐,Materialfluss‐undSteuerungs‐
sicht).DiesestelleneineWeiterentwicklungderbekanntenAnsätzezurProzess‐undMa‐
terialflussmodellierung dar. Ergänzend zur Materialflusssicht besteht für das Material‐
flusskonzept die Möglichkeit zur Generierung eines Materialflussschemas, um eine
schnelleÜbersichtzudenmodelliertenMaterialflussbeziehungenzuerhalten.ImFolgen‐
denwerdenzunächstdieimModellverwendetenObjektklassendefiniert.Danachwird
aufdieeinzelnenSichteneingegangen,wobeientsprechendNotationselementeundMo‐
dellierungsregelnspezifiziertwerden.
4.2.1
Definition der Objektklassen DasModellierungskonzeptGRAMOSAbestehtauszwölfObjektklassen,ausdenensich
jedesModellaufbaut.EntsprechendrepräsentierendieObjektklassenverschiedeneEle‐
mentederdigitalenProduktionsentwicklung.DieAbbildung39zeigtdassichtenübergrei‐
fendeMetamodell,welchesObjektklassenundihrewichtigstenObjektbeziehungenbein‐
haltet.
Abbildung 39: Sichtenübergreifendes Metamodell im UML‐Format AusdemsichtenübergreifendenMetamodellgehthervor,dasseinprozessorientierter
Modellierungsansatz gewählt wurde. Die Objektklasse Prozess bildet das zentrale Ver‐
knüpfungselementimModell,wobeijederProzessindividuelldurcheinenentsprechen‐
denProzessauftragausgelöstwerdenkann.ImGegensatzzuanderenModellierungsan‐
sätzen,dieeineAuftragsauslösungsequenziellerProzessfolgenverfolgen,wirdhierdurch
dienotwendigeFlexibilitätzurAbbildungmaterialflusskomplexerCFK‐Fertigungs‐und
Logistikprozessenerreicht.ImFolgendenwerdendieeinzelnenObjektklassenvorgestellt
sowieaufdasVerständnisjeweiligerObjektbeziehungeneingegangen.
Auftragsauslöser DerAuftragsauslöserrepräsentierteinObjekt,welcheseinenodermehrereAufträge
auslöst.AlsAktivierungsereignisdienenderZeitgeber,derPufferodereinProzess.Für
den Auftragsauslöser können verschiedene Prozess‐ und Steuerungslogiken hinterlegt
werden,umeinegezielteAuftragsauslösungund/oder‐freigabezuerreichen.
Fertigungsfehler DerFertigungsfehlerbeschreibtdasAuftretenvonQualitätsmängelnbeiFertigungs‐
elementen.FürjedesFertigungselementkönnenspezifischeFehlerklassendefiniertwer‐
den.DieAuftretens‐undEntdeckungswahrscheinlichkeitdereinzelnenFertigungsfehler
wirdindividuellfürjedenProzessbestimmt.EskönneninAbhängigkeitvonFertigungs‐
fehlern spezifische Prozess‐ und Steuerungslogiken definiert werden, die zum Beispiel
entsprechendeReparaturprozesseauslösen.
Fertigungselement Das Fertigungselement repräsentiert vornehmlich ein physischesFertigungsobjekt,
welches als Grundbaustein für die weitergehende Modellierung dient. Dabei wird zwi‐
schen Produkten, Materialien, Personal, Betriebsmitteln sowie Betriebshilfsmitteln un‐
terschieden.ImRahmenderProzessmodellierungkönnenFertigungselementezurSpezi‐
fikationvon Materialbedarfen genutzt werden. Des Weiterendienen sie zur Ausgestal‐
tungvonOrganisationseinheitenundMaterialflussobjekten.
Materialflussobjekt UntereinemMaterialflussobjektwirdeinContainerobjektverstanden,welcheszum
Materialaustausch zwischen Prozessen dient. Das Materialflussobjekt fasst organisato‐
rischeinesodermehrereFertigungselementezusammenundermöglichtdieDefinition
spezifischer Fertigungszustände. Dies ist auch für unterschiedliche Fertigungselement‐
klassenmöglichundeskönnenzumBeispielFertigungshilfsmittelundWerkstückkom‐
biniertwerden.
Organisationseinheit DieOrganisationseinheitdientzurAusführungvonProzessen.DurchInstanzierung
mehrerergleicherOrganisationseinheitenkanndieProzessausführungentsprechendpa‐
rallelisiertwerden.ZudemkanndieOrganisationseinheitmittelsderZuordnungvonFer‐
tigungselementenausgestaltetwerden.BeidenOrganisationseinheitenkanngrundsätz‐
lichzwischenMontage‐,Fertigungs‐,Umschlags‐,Transport‐,Lager‐undQualitätseinheit
unterschiedenwerden.DurchdasLayoutkonzeptwirddieräumlicheAnordnungderOr‐
ganisationseinheitenspezifiziert.
Prozess DerProzessbesitztEingangs‐undAusgangsverknüpfungenzuFertigungselementen,
Materialfluss‐,Auftrags‐undProzessauslösungsobjekten.DieAusführungeinesProzes‐
ses nimmt Bearbeitungs‐ und gegebenenfalls Rüstzeiten in Anspruch. Zudem erfordert
die Prozessausführung freie Kapazitäten einer Organisationseinheit. Für jeden Prozess
kann immer nur eine Organisationseinheit als ausführende Instanz definiert werden.
BeimProzesswirdzwischenFertigungs‐undLogistikprozessemunterschieden.
Prozessauftrag DerProzessauftragbeziehtsichimmeraufeinenspezifischenProzessunddefiniert
dieAnzahlanProzessaufrufen.GrundsätzlichkanneinProzessauftragimmernurvonei‐
nem Auftragsauslöser ausgelöst, aber ein Prozess kann durch unterschiedliche Pro‐
zessaufträgeaktiviertwerden.DesWeiterenkannderProzessauftragsowohldenStart
alsauchdasEndeeinesübergeordnetenFertigungsauftragsdarstellen.
Prozessfolge DieProzessfolgeistentwederdemFertigungskonzeptoderdemMaterialflusskonzept
zugeordnet.InderProzessfolgewerdenmehrereProzesseinheitenzusammengefasst,die
einembestimmtenZweckdienen,abernichtzwingendineinemProzessablaufmiteinan‐
der verknüpft sind. Die Prozessfolge schafft somit die Möglichkeit zur weitergehenden
StrukturierungvonFertigungs‐undMaterialflusskonzepten.
Puffer DerPufferspeichertMaterialflussobjekte,aberbesitztkeinephysischeRepräsentanz.
Esistmöglich,denPuffereinerOrganisationseinheitzuzuordnenundsomitindirektauch
Fertigungselementen.BeiderProzessmodellierungwirddurchdenPuffersowohlHer‐
kunftalsauchZielderMaterialflussobjektedefiniert.DerPufferverfügtüberverschie‐
denePufferstrategien,wiez.B.FIFO,LIFO.
Stückliste DieStücklistebeschreibtdiemengenmäßigeZusammensetzungeinesProduktsaus
verschiedenenKomponenten.SowohldasProduktalsauchdieeinzelnenKomponenten
werdendurchFertigungselementerepräsentiert.
Zeitgeber DerZeitgeberbeschreibteineListemitverschiedenenZeitpunktenodereineFunk‐
tionvongegebenenfallsstochastischenZeitintervallen,welchealsAktivierungsereignis
fürdenAuftragsauslösergenutztwerdenkönnen.
Vorgang DerVorgangisteineweitergehendeUnterteilungdesProzessesinkleinereAbschnitte
zurgenauerenBeschreibungsowiederbesserenKalkulationvonVorgabezeiten.DieMo‐
dellierungderVorgängesiehtausschließlicheinesequenzielleAbfolgevor,umdieMo‐
dellkomplexitätnichtunnötigzuerhöhen.
4.2.2
Spezifikation der Sichten mit einfacher Ob‐
jektzuordnung Projektsicht Die Projektsicht bildet den Ausgangspunkt der Modellierung und beschreibt die
grundlegendeDefinitionvonFertigungselementen.DieFertigungselementekönnenso‐
wohlhinsichtlichihrereigenenKlassealsauchauftretenderFertigungsfehlermittelsder
ZuordnungvonFehlerklassenspezifiziertwerden(Abbildung40).
Abbildung 40: UML‐Klassendiagramm für die Projektsicht DieinderProjektsichtdefiniertenFertigungselementekönneninallenanderenSich‐
tenverwendetwerden.DiefrühzeitigeDefinitionderFertigungselementeermöglichtes,
bestehendeProdukt‐undFabrikstrukturenalsAusgangsbasisfüreineweitergehendedi‐
gitaleProduktionsentwicklungzunehmen.GegebenenfallslassensichdieFertigungsele‐
menteauchzwischenmehrerenProjektenaustauschenundsomiteinezentraleObjekt‐
bibliothekaufbauen.
Produktsicht BeiderProduktsichthandeltessichumdiebauteiltechnischeSpezifikationderFerti‐
gungsaufgabe. Für die Fertigungsaufgabe werden zunächst ein Fertigungselement als
ProduktdefiniertunddanndieentsprechendeStücklistehinterlegt,indemdiemengen‐
mäßigeInstanzierungderFertigungselementeerfolgt(Abbildung41).
Abbildung 41: UML‐Klassendiagramm für die Produktsicht Organisationssicht In der Organisationssicht können Organisationseinheiten angelegt und durch die
mengenmäßigeZuordnungvonFertigungselementenweitergehendspezifiziertwerden
(Abbildung42).
Abbildung 42: UML‐Klassendiagramm für die Organisationssicht AusgehendvomFertigungskonzeptistesmöglich,eineerstestatischeDimensionie‐
rungfürdasOrganisationskonzeptvorzunehmen.DiesequantitativeEinschätzungüber
dieAnzahlderbenötigtenOrganisationseinheitenlässtsichfolglichauchfürdienachfol‐
gendeLayoutsichtverwenden,umentsprechendeFlächenbedarfezudefinieren.
Simulationssicht DieSimulationssichtdientzurFestlegungderBestandsgrößenvonMaterialflussob‐
jektenindenPuffernsowiederDefinitionvonSensitivitätenimRahmenderVersuchs‐
planung(Abbildung43).
Abbildung 43: UML‐Klassendiagramm für die Simulationssicht EskönnenjeglicheBeständeanMaterialflussobjektenangelegtundsomitauchunter‐
schiedliche Ausgangsszenarien für das Simulationsexperiment abgebildet werden. Des
WeiterenkönneneinzelnenumerischeParameterspezifiziertundnachfolgendinderSi‐
mulationsumgebungautomatischineinenentsprechendenvollfaktoriellenVersuchsplan
überführtwerden.AufBasisderVersuchsplanungwerdenimRahmenderSensitivitäts‐
analyseunterschiedlicheParameterkonstellationensystematischuntersuchtundmitei‐
nanderinBeziehunggesetzt.
4.2.3
Spezifikation der Sichten mit graphischer Notation EsexistierenmitFertigungs‐,Materialfluss‐undSteuerungssichtdreiprozessorien‐
tierteSichten,diezurmaterialflussgerechtenProzessmodellierungzumEinsatzkommen.
DieSichtenbauenweitestgehendintegralaufeinanderauf.ZurBeschreibungdesFerti‐
gungskonzepts dient die Fertigungssicht. Sie unterstützt den Fertigungsplaner bei der
Modellierung verfahrenstechnischer Prozessfolgen. Die Materialflusssicht unterstützt
denLogistikexpertenbeiderLogistikplanung,wobeiausgehendvomFertigungskonzept
unterstützende Logistikprozesse integriert werden. Das Materialflussschema wird aus
derMaterialflusssichtzurbesserenVeranschaulichungderMaterialflussstrukturengene‐
riert. Mit der Steuerungssicht werden ausgehend vom Materialflusskonzept die Steue‐
rungsmechanismendesProzessablaufsdefiniert.DesWeiterenexistiertnochdieLayout‐
sicht,welchezurVisualisierungderräumlichenAnordnungimProduktionssystemdient.
Zunächst werden die Fertigungs‐, Materialfluss‐ und Steuerungssicht vorgestellt und
dannwirdaufdieLayoutsichtunddasMaterialflussschemaeingegangen.
Fertigungssicht AusgehendvonÜberlegungenzurTechnologie‐undVerfahrensauswahlwerdenerste
Prozessfolgen unter Beschreibung von Material‐ und Ressourceneinsatz in der Ferti‐
gungssichtabgebildet.DesWeiterenwirddefiniert,welcheFertigungsfehlerinwelchen
ProzessenundbeiwelchenFertigungselementenauftreten.Dementsprechendbeinhaltet
dieseSichtdievierzentralenObjektklassenProzess,Fertigungselement,Fertigungsfehler
undOrganisationseinheit(Abbildung44).
Abbildung 44: UML‐Klassendiagramm der Fertigungssicht DurchdieVerknüpfungderProzesselementemitdemKontrollfluss‐Konnektorwird
dieProzessfolgedefiniert,diedannhinsichtlichdesMaterial‐undRessourceneinsatzes
mittels Fertigungselementen und Organisationseinheiten weiter ausgestaltet werden
kann.AufdenEinsatzweitergehenderlogischerOperatorenwirdinderFertigungssicht
verzichtet,umdieseSichtnichtmitFunktionenzuüberladen.Umdennochkomplexere
Prozessabläufe genauer beschreiben zu können, besteht die Möglichkeit zur freien Be‐
zeichnungderKontrollfluss‐Konnektoren.DieeigentlicheSpezifikationderAblaufsteue‐
rungerfolgtnachfolgendinderSteuerungssicht.
HinsichtlichderModellierungdesMaterialbedarfsisterwähnenswert,dassfürjedes
FertigungselementeigeneFehlerklassenhinterlegtwerdenkönnen.DasAuftretensowie
dieEntdeckungeinzelnerFertigungsfehlerkanndanninVerbindungmitdeneinzelnen
Prozessschrittendefiniertwerden.IndiesemSinneorientiertsichdasVorgehenander
Fehler‐Möglichkeits‐ und Einflussanalyse für Prozesse (Prozess‐FMEA). Die Prozess‐
FMEAbautaufderSystem‐undKonstruktion‐FMEAaufundistzumeistfesterBestandteil
derArbeitsplanung.SieuntersuchteinzelneProzessschritteimHinblickaufFehlerquel‐
len.DabeibewertetdieProzess‐FMEAsowohldieSchwerebzw.BedeutungdesFehlers
sowieprozessspezifischdieWahrscheinlichkeitdesAuftretensundderEntdeckung.Die
BewertungderdreiKriterienAuftreten,BedeutungundEntdeckungerfolgtineinemWer‐
tebereichvoneinsbiszehn(sieheAnhangI).ImHinblickaufdieAbbildungstochastischer
StörereignissekönnenfürdieOrganisationseinheitensowohldietechnischeVerfügbar‐
keitalsauchdieMTTR(engl.mean‐time‐to‐repair)angegebenwerden.DieNotationsele‐
mentesindinAbbildung45dargestellt.
Abbildung 45: Notationselemente der Fertigungssicht InAnlehnungandieUML‐KlassendiagrammewerdenimKopfdesNotationselements
dieObjektklasseunddieObjektbezeichnungangegeben.ImAttributfeldkönnengrund‐
sätzlichalleObjektattributesowieauchverknüpfteAttribute,wiez.B.dieAnzahlderFer‐
tigungselemente, angezeigt werden. Auf eine Beschriftung von Kanten wird weitestge‐
hendverzichtet,dadiesbeilängerenKantensehrschnellunübersichtlichist.AusGründen
derModellbeherrschbarkeitkannfürjedeProzesseinheitnureineausführendeOrgani‐
sationseinheitbestimmtwerden(Abbildung46).DesWeiterenwirdderRessourcenbe‐
darf der Prozesse durch die Zuordnung von Fertigungselementen als Eingangsgrößen
festgelegt. Entsprechend wird auch das Ergebnis eines Prozesses über Fertigungsele‐
mentealsAusgangsgrößendefiniert.DerFokusderFertigungssichtliegtaufderverfah‐
renstechnischen Gestaltung der Prozessfolgen, weshalb ausschließlich Fertigungsele‐
mente an Stelle von Materialflussobjekten verwendet werden. Obwohl sich das Ferti‐
gungskonzept auf die Spezifikation der Fertigungsprozesse konzentriert, können auch
Logistikprozesseangelegtwerden,umeinemöglichstgroßeFlexibilitätbeiderModellie‐
rungzuhaben.
Abbildung 46: Modellierungsbeispiel der Fertigungssicht Materialflusssicht Die Materialflusssicht erweitert die verfahrenstechnischen Prozessfolgen aus dem
FertigungskonzeptumdieBeschreibungdesMaterialflusses(Abbildung47).
Abbildung 47: UML‐Klassendiagramm der Materialflusssicht GestaltungdesSichtenkonzepts 93
ZudiesemZweckkommenmitdemMaterialflussobjektunddemPufferzweizusätz‐
licheNotationselementezumEinsatz.DerPufferalsObjektklassebesitztdieEigenschaf‐
tenzumSpeichernvonMaterialflussobjekten,dabeibesitzterkeinedirektephysischeRe‐
präsentanz.DasMaterialflussobjektalssolchesbestehtauseinemodermehrerenFerti‐
gungselementen,derenZuordnungmengenmäßigerfasstwird.MittelsdesEinsatzesvon
MaterialflussobjektenwirdesinErweiterungzurFertigungssichtmöglich,beliebigeKom‐
binationenvonFertigungselementenalseigenständigeObjektklassenzudefinieren.Ent‐
sprechendkönnensowohlMontage‐alsauchDemontagezuständesowieTransportein‐
heitenmitLadungsträgernmodelliertwerden(Abbildung48).
Abbildung 48: UML‐Klassendiagramm des Materialflussobjekts ImGegensatzzurFertigungs‐undSteuerungssichtwerdeninderMaterialflusssicht
nurMaterialflüsseundkeineKontrollflüssebeschrieben(Abbildung49).
Abbildung 49: Notationselemente der Materialflusssicht 94 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
DerMaterialflusswirddurcheinegerichteteVerknüpfungvonMaterialflussobjekten,
ProzesseinheitenundPufferndargestellt.DasMaterialflussobjektmussseinenUrsprung
undseinZielimmerineinemPufferhaben,wobeiesimmerübereineProzesseinheitver‐
knüpftwird.DementsprechendhandeltessichumeinefesteNotationssequenz,dieim‐
mereingehaltenwerdenmussundinAbbildung50beispielhaftdargestelltist.InderOb‐
jektrepräsentation unterscheidet sich das Materialflussobjekt von anderen Objekten
dadurch,dassesineinem„geschlossenen“undeinem„offenen“Zustandvorliegenkann.
Der„geschlossene“ZustanddientzurkompaktenDarstellung.Im„offenen“Zustandkön‐
nendasMaterialflussobjekteingesehenunddieeinzelnenFertigungselementebetrachtet
werden.
Abbildung 50: Modellierungsbeispiel der Materialflusssicht Steuerungssicht MitderModellierungdesMaterialflussesisteinwesentlicherSchrittzurSimulations‐
modellgenerierunggemacht,dadieelementarenZusammenhängezwischenProzessund
Materialfluss definiert sind. Um jedoch ein lauffähiges Simulationsmodell zu erstellen,
mussnochspezifiziertwerden,aufwelcheArtundWeisedieeinzelnenProzesseinheiten
aktiviertwerden.Diesisterforderlich,umnebenderSystemstrukturauchdasSystem‐
verhaltenabbildenzukönnen.DieSteuerungssichtbautdirektaufderMaterialflusssicht
aufunderweitertdieseumProzess‐undSteuerungslogiken.DiebeidenzentralenSteue‐
rungselementesinddersogenannteAuftragsauslöserundderProzessauftrag.DerAuf‐
tragsauslöserbesitztverschiedeneLogiken,diezurAktivierungundErzeugungvonAuf‐
trägendienen.DieAufträgewiederumstoßendanndieeigentlicheProzessausführungan.
Wie schon bei der Materialflusssicht wird mit einer festen Notationssequenz von Auf‐
tragsauslöserundProzessauftraggearbeitet(Abbildung51).
Abbildung 51: UML‐Klassendiagramm der Steuerungssicht AlsAktivierungsereignisfürdenAuftragsauslöserkönnenProzesseinheit,Pufferoder
Zeitgeberdienen,welchemitdemAuftragsauslösermittelseinesKontrollfluss‐Konnek‐
torsverbundenwerden(Abbildung52).
Abbildung 52: Notationselemente der Steuerungssicht 96 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
TheoretischistdieKombinationmehrererAktivierungsereignissedenkbar,aberaus
GründenderModellbeherrschbarkeitistfestgelegt,dassderAuftragsauslöserimmernur
miteinemAktivierungsereignisverbundenwerdendarf.ImFalleinerprozessorientier‐
ten Aktivierung wird der Auftragsauslöser mit einer Prozesseinheit verknüpft und das
Prozessereignis(Start,Ende,etc.)zurAktivierungverwendet.ImRahmenderbestands‐
orientiertenAuslösungwirdderAuftragsauslösermiteinemPufferverknüpftundeskön‐
nenverschiedeneRegelnzurAktivierung,z.B.aufgrundvonÜber‐undUnterschreitenei‐
nesSignalbestands,formuliertwerden.ZusätzlichkannnocheinesogenannteBedingung
durchdieVerknüpfungdesAuftragsauslösersmiteinemMaterialflussobjektangegeben
werden,wodurchsichzumBeispielbeigemischtenPuffernfesteSignalbeständefürbe‐
stimmteMaterialflussobjektedefinierenlassen.AusGründenderÜbersichtlichkeitkann
fürdenAuftragsauslösermaximaleinMaterialflussobjektalsBedingunghinterlegtwer‐
den(Abbildung53).
Abbildung 53: Modellierungsbeispiel der Steuerungssicht Eine weitere Möglichkeit zur Aktivierung des Auftragsauslösers besteht im Einsatz
eines sogenannten Zeitgebers, welcher in Abhängigkeit eines zuvor definierten Zeit‐
punktsdenProzessauftragauslöst.GrundsätzlichkönnensowohlperiodischeZeitinter‐
vallealsauchZeitlistenoderVerteilungsfunktionenimZeitgeberzumEinsatzkommen.
DerProzessauftragdefiniertu.a.dieAnzahlderProzessaufrufeundlegtfest,obdiePro‐
zessaufrufezueinemLoszusammengefasstodereinzelnbearbeitetwerdenmüssen.Zu‐
demkannangegebenwerden,obdasLossequenzielloderparallelbearbeitetwird.Eine
AuswahlvonModellierungsbeispielenfürdieSteuerungssichtfindetsichimUnterkapitel
4.3.
Layoutsicht DieLayoutsichtdientzurDarstellungderräumlichenAnordnungderOrganisations‐
einheitenundFertigungselemente(Abbildung54).
Abbildung 54: UML‐Klassendiagramm des Layouts BeimLayouthandeltessichumein2D‐Blocklayout,welchesinderGrobplanungzum
Einsatz kommt und zur ersten Abschätzung von Flächenbedarfen, Wegstrecken und
Transportaufwänden dient. Bei der Notation der Layoutsicht kommen die für ein 2D‐
BlocklayoutüblichenRechteckezumEinsatz,welchedieFlächederentsprechendenOr‐
ganisationseinheitenbzw.Fertigungselementerepräsentieren(Abbildung55).
Abbildung 55: Modellierungsbeispiel des Layouts 98 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
Materialflussschema Im Materialflussschema erfolgt die Abbildung des Materialflusses, wobei qualitativ
aufgezeigt wird, welche Materialflüsse zwischen den einzelnen Organisationseinheiten
bzw.Puffernverlaufen.BeiderDarstellungwerdendieMaterialflüssenachRichtungund
nachKlassedesMaterialflussobjektsunterschieden(Abbildung56).
Abbildung 56: UML‐Klassendiagramm des Materialflussschemas Das Materialflussschema dient ausschließlich zur Analyse des Materialflusses und
kannnichtzurModellierunggenutztwerden,dasichdieMaterialflussbeziehungenzwi‐
schendenOrganisationseinheitenbzw.PuffernausdemMaterialflusskonzeptgenerieren.
DiePuffersinduntereinanderüberdenMaterialflussverknüpftundkönnenentsprechen‐
denOrganisationseinheitenzugeordnetwerden(Abbildung57).AufeinedetaillierteAb‐
bildungeinzelnerMaterialflussobjekte,wiezumBeispielinderMaterialflusssicht,wird
ausGründenderKompaktheitverzichtet.UmjedochzusätzlicheInformationenzuden
einzelnenMaterialflüssengebenzukönnen,wirddieBezeichnungdesjeweiligenMateri‐
alflussobjektsamKonnektormitgeführt.
ModellierunggrundlegenderMaterialfluss‐undSteuerungsfunktionen 99
Abbildung 57: a) Notationselemente; b) Modellierungsbeispiel des Materialflusssche‐
mas 4.3 Modellierung grundlegender Materialfluss‐ und Steuerungsfunktionen DaszentraleElementdesModellierungskonzeptsistdieSteuerungssicht,welcheaus‐
gehendvomMaterialflusskonzeptdieAuslösungdereinzelnenProzesselementemitdem
Zielbeschreibt,dasVerhaltendesMaterialflusseskorrektabzubilden.Wiebereitsausge‐
führt,werdenhierzunebendergraphischenNotationvordefinierteProzess‐undSteue‐
rungslogikenverwendet.ImFolgendenwerden18grundlegendeMaterialfluss‐undSteu‐
erungsfunktioneninkleinenAnwendungsbeispielenvorgestellt,umdieModellierungs‐
möglichkeitderNotationzurAbbildungkomplexenSystemverhaltensaufzuzeigen.Um
Simulationsmodelle(teil‐)automatischzugenerieren,müssendieLogikenineinerSimu‐
lationsumgebungimplementiertwerden,wasinKapitel5.4nähererläutertwird.
4.3.1
Funktionen des Materialflusses Verbund schaffen (Verpacken, Montieren etc.) BeidiesemVorgangentstehteinVerbundinFormeinesMaterialflussobjekts,welches
sichausmehrerenFertigungselementenzusammensetzt,diewiederumalsMaterialfluss‐
objekteindenProzesseingegangensind(Abbildung58).Soferndabeizweiodermehrere
Werkstückebeteiligtsind,diedauerhaftzusammengeführtwerden,handeltessichnach
DIN 8580 um einen Fügevorgang,ansonstenkann es sich zum Beispiel auch um einen
Verpackungsvorganghandeln.
Abbildung 58: Beispielhafte Modellierung der Funktion Verbund schaffen Bearbeiten BeimBearbeitenistklassischerweisenureinWerkstückbeteiligt,welchesunterZu‐
hilfenahmevonBetriebshilfsmittelnineinenanderenFertigungszustandüberführtwird
(Abbildung59).DurchdieDefinitiondesRüstzeitanteilsanderProzesszeitlassensich
reihenfolgeunabhängigeRüstvorgängedarstellen.DesWeiterenistinjedemMaterialflus‐
sobjektzuhinterlegen,obessichumeinRüstobjekthandelt.Wennessichnichtumein
Rüstobjekthandelt,multipliziertsichderBedarfmitderAnzahlderProzessaufrufege‐
nauso wie die Bearbeitungszeit. Bezüglich Fertigungs‐ und Bauteilfehlern werden die
SpezifikationenausderFertigungssichtgenutztundautomatischfürjedesFertigungsele‐
menthinterlegt.BestehendeFehlerwerdenautomatischwährendderProzessdurchfüh‐
runganbetreffendeFertigungselementeweitergereicht.
Abbildung 59: Beispielhafte Modellierung der Funktion Bearbeiten Handhaben, Transport und Unstetigfördern Durch die Verknüpfung der Materialflussobjekte mit unterschiedlichen Puffern bei
Prozessbeginnund‐endelassensichräumlicheÄnderungenimMaterialflussdarstellen,
diesichüberZuordnungderPufferzuOrganisationseinheitenbzw.Positionierunginder
Layoutsichtweiterausgestaltenlassen(Abbildung60).
Abbildung 60: Beispielhafte Modellierung der Funktionen Handhaben, Transport und Unstetigfördern Stetigfördern BeimStetigfördernwirdeinkontinuierlicherMaterialflussvonderEin‐biszurAus‐
schleusungerzeugt,wobeidieTransportstreckemehrereObjekteaufnehmenkann(Ab‐
bildung61).HierdurchentstehteinPuffereffekt.UmsichdiesemWirkungsprinzipanzu‐
nähern,werdenbeidieserProzessartzusätzlichdiemaximaleKapazitätanMaterialflus‐
sobjektenundderminimalezeitlicheAbstandzweieraufeinanderfolgenderProzessean‐
gegeben.
Abbildung 61: Beispielhafte Modellierung der Funktion Stetigfördern Verbund auflösen (Entpacken, Demontieren, etc.) BeidiesemVorgangwirdeinVerbund,bestehendausmehrerenMaterialflussobjek‐
ten,aufgelöst(Abbildung62).SoferndarauszweiodermehrereWerkstückeentstehen,
handeltessichnachDIN8580umeinenZerlege‐bzw.einenDemontagevorgang.Ansons‐
tenkannessichzumBeispielauchumeinenEntpackungsvorganghandeln.
Abbildung 62: Beispielhafte Modellierung der Funktion Verbund auflösen Sammeln BeimSammelnhandeltessichumeinenVorgang,beidemmehrereMaterialflussob‐
jektezeitlichversetztvonunterschiedlichenHerkunftspuffernineinemZielpufferzusam‐
mengeführt werden (Abbildung 63). Zur modelltechnischen Umsetzung des Sammelns
wirdanjedemMaterialflussobjektinProzentangegeben,wannderProzesseintrittbzw.‐
austrittbezogenaufdieAuftragszeiterfolgt.Grundsätzlichlässtsichdamitaucheinezeit‐
versetzteMaterialbereitstellungimProzessabbilden.
Abbildung 63: Beispielhafte Modellierung der Funktion Sammeln Verteilen BeimVerteilenhandeltessichumeinenVorgang,beidemauseinemPuffermehrere
MaterialflussobjektezeitlichversetztaufmehrerePufferverteiltwerden(Abbildung64).
ZurmodelltechnischenUmsetzungwirdanjedemMaterialflussobjektinProzentangege‐
ben,wannderProzesseintrittbzw.‐austrittbezogenaufdieAuftragszeiterfolgt.
Abbildung 64: Beispielhafte Modellierung der Funktion Verteilen Bestandsabhängige Losgröße (Autoklav‐, Ofenprozess, etc.) DieIdeezurVerwendungeinerbestandsabhängigenLosgrößebestehtinderAusnut‐
zung der maximalen Ressourcenkapazität bei Prozessen mit paralleler Prozess‐ bzw.
Losbearbeitung.DieparalleleProzess‐bzw.LosbearbeitungtrittzumBeispielbeiAuto‐
klav‐undOfenprozessenauf.InAbhängigkeitvomPufferbestandwirdflexibeleineLos‐
größefürdenProzessauftragfestgelegt.DiemodelltechnischeUmsetzungsiehtvor,dass
hierzueinProzessauftragangelegtwird,dersowohldenminimalenalsauchdenmaxima‐
len Bestand an Werkstücken für eine Prozessausführung definiert (Abbildung 65). Die
FreigabedesAuftragskanngegebenenfallsbiszurVerfügbarkeiteinerfreienRessource
verzögert werden. Zur Auftragsauslösung kann als Aktivierungsregel der Maximalbe‐
standgewähltwerden.ImFalleinerLosbearbeitungwirdnureineinzelnerProzessauf‐
tragmitentsprechenderAnzahlanProzessaufrufeninsSteuerungssystemeingestellt.
Abbildung 65: Beispielhafte Modellierung der Funktion flexible bestandsabhängige Los‐
größe MFO‐Sortierung nach Objektklasse BeiderSortierungdesMaterialflussobjekts(MFO)nachderjeweiligenObjektklasse
wirddieProzessauslösungmiteinersogenanntenMaterialflussbedingunggekoppelt.Nur
wennein bestimmtesMaterialflussobjekt zum Beispielam Puffer‐Ausgang vorliegt,er‐
folgtdieAktivierung(Abbildung66).EntsprechendbestehtdieMöglichkeit,unterschied‐
licheProzesseinAbhängigkeitderObjektklasseanzustoßenunddadurcheineSortierung
zuerreichen.
Abbildung 66: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Objekt‐
klasse 106 EntwicklungdesModellierungskonzeptsGRAMOSA
MFO‐Sortierung nach Objektstatus BeiderSortierungdesMaterialflussobjekts(MFO)nachdemObjektstatuserfolgtdie
ProzessauslösunginAbhängigkeitvomObjektstatus,wobeidiesesowohlseparatalsauch
inKombinationmitderObjektklasseerfolgenkann(Abbildung67).
Abbildung 67: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Objekt‐
status MFO‐Sortierung nach Fehlerklassen Bei der MFO‐Sortierung nach Fehlerklassen können zum Beispiel unterschiedliche
UmfängeanNacharbeitmodelliertwerden.DasichdieeigentlichenFehleraufFertigungs‐
elementebenebefinden,werdenprogrammtechnischalleFertigungselementeeinesMa‐
terialflussobjektsnachdemausgewähltenFehlerdurchsucht.Soferneinesodermehrere
FertigungselementedieentsprechendeFehlerklasseaufweisen,erfolgtdieProzessauslö‐
sung.Gegebenenfallskannessomiterforderlichsein,denVerbundaufzulösenundfürje‐
desineinemMaterialflussobjektenthalteneFertigungselementeineigenesMaterialflus‐
sobjektzuschaffen,umspezifischeReparaturprozesseanzustoßen(Abbildung68).
Abbildung 68: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Fehler‐
klassen MFO‐Sortierung nach Qualitätskennzahl BeiderSortierungdesMaterialflussobjekts(MFO)nachderQualitätskennzahl(QKZ)
erfolgt die Prozessauslösung entsprechend der für das Materialflussobjekt ermittelten
normiertenQualitätskennzahl(Abbildung69).DieQKZistdimensionslosundaufeinen
kontinuierlichenWertebereichvon0bis100normiert[184].OhneQualitätsmängelwird
einbestmöglicherWertvon100erreicht,währendderschlechtesteWert0beträgt.Mit‐
telsderQKZwirdeineeinfacheQualitätsbewertungauchunterschiedlicherBauteileund
Fehlerklassenmöglich.ZursystematischenErhebungbzw.Berechnungdernormierten
QualitätskennzahlwirdindieserArbeitaufdiebereitseingeführtenBewertungskriterien
(Bedeutung,AuftretenundEntdeckung)derProzess‐FMEAzurückgegriffen.DieBerech‐
nungderQKZerfolgtunterVerwendungvonBinominialvariablenfüraufgetreteneFehler
BVA,entdeckteFehlerBVEundnochnichtbehobeneFehlerBVNB.Sofernessichumein
Bauteilhandelt,welchessichausmehrerenFertigungselementenzusammensetzt,wird
dieQKZeinberechnet,welchefürjedesFertigungselementidieSummederFehlerüber
alleFehlerklassenfkermittelt.DieKonstanteBQKZgibtdieBedeutungdesFehlersanund
solltesichimWertebereichvonnullbiseinsbewegen.
(2)
max 0; 100
∑
∑
∙
∙
∙
ZusätzlichzuderadditivenVerrechnungderFehlerbeieinzelnenBauteilenkannes
notwendigwerden,dassdiedurchschnittlicheQKZlosfüreinganzesLosberechnetwird.
Diesistnotwendig,wennzumBeispielmehreregleichartigeBauteileaufeinemLadungs‐
trägerzueinergrößerenEinheitzusammengefasstsindunddieGesamtqualitätbeurteilt
werdensoll.
(3)
∑
max 0; 100
∑
∙
∙
∙
/ IndiesemFallwirddieQKZfürjedesFertigungselementeinzelnberechnetundan‐
schließenddurchdieAnzahlderFertigungselementengeteilt,umdasarithmetischeMit‐
telzuerhalten.
Abbildung 69: Beispielhafte Modellierung der Funktion MFO‐Sortierung nach Qualitäts‐
kennzahl 4.3.2
Funktionen der Auftragssteuerung Mit dem Ziel einer korrekten Beschreibung des Modellverhaltens ist es notwendig,
nebendenMaterialflussfunktionenauchdieFunktionenderAuftragssteuerungkorrekt
abbildenzukönnen.WiebereitsimStandderTechnik(s.Kapitel2.5)erwähnt,existieren
imRahmenderAuftragssteuerungmitAuftragsfreigabe,Auftragserzeugung,Reihenfol‐
gebildungundRessourcenauswahlviergrundlegendeFunktionen,welchedieAuftrags‐
durchführung auf Prozessebene steuern (Abbildung 70). Bezüglich der Auftragserzeu‐
gungwirdimRahmendesModellierungskonzeptsentsprechendderbereitseingeführten
Notationzwischenzeit‐,prozess‐undbestandsorientiertunterschieden.
ERP/ MRP II
Auftragsfreigabe
(engl. release)
Auftragsbestand
Auftragserzeugung
(engl. generation)
prozess‐
orientiert
zeit‐
orientiert
bestands‐
orientiert
Materialbestand
Reihenfolge‐
bildung
(engl. dispatching)
Ressourcen‐
auswahl
(engl. routing)
Bearbeitungs‐
station mit Materialpuffer
Abbildung 70: Grundlegende Funktionen der Auftragssteuerung ImFolgendenwerdenModellierungsbeispielederFunktionenzurAuftragssteuerung
gezeigt,wobeidieseinbekannteSteuerungskonzepte,wiez.B.ConwipundKanban,ein‐
gebundensind.ZusätzlichwirdaufdieMöglichkeitenzurDurchlaufzeitberechnungvon
Fertigungsaufträgeneingegangen.
Bestandsorientierte Auftragserzeugung bei KANBAN‐Steuerung DieKanban‐SteuerungistnachdemPull‐Prinzipaufgebautundstellteineninsichge‐
schlossenenRegelkreiszurBestandsführungdar.BeimklassischenSignal‐Kanbanwird
ein Signal an den Lieferanten oder Produzenten zur Nachlieferung oder
Nachproduktiongesendet,soferneinezuvordefinierteKanban‐MengeamVerbrauchsort
überschrittenwurde.GrundsätzlichkannzwischenzahlreichenKanban‐Arten(Behälter‐
Kanban,Signal‐Kanban,etc.)unterschiedenwerden,dieaberalleaufeinebestandsorien‐
tierteAuftragserzeugungzurückgreifenundsichsomitsehrähneln.ImFolgendenistdas
Signal‐Kanbandargestellt,wobeidieAuftragsauslösungbeiUnterschreitungeinesMin‐
destbestandsvon5aktiviertwird(Abbildung71).
Abbildung 71: Beispielhafte Modellierung der Funktion bestandsorientierte Auftragser‐
zeugung bei KANBAN‐Steuerung BeiAktivierungdesAuftragserfolgtdieBestimmungderAnzahlProzessaufrufebe‐
standsabhängig.DieBerechnungderAnzahlProzessaufträgePinAbhängigkeitvomak‐
tuellen Bestand B erfolgt unter Berücksichtigung des Sollbestands S, der Anzahl Pro‐
zessaufträgeproDifferenzwertPDunddemDifferenzwertfaktorDF.DiegerundeteAn‐
zahlderProzessaufträgewirdwiefolgtermittelt:
(4)
B
S
PD/DF
Die Einführung des Differenzwertfaktors ist der Tatsache geschuldet, dass die Ein‐
gangsmengeneinesjedenProzessesfreidefinierbarseinsollen.Zudembestehtbeieinem
DifferenzwertfaktorvonnulldieAusnahmeregel,dassgenaueinProzessauftragausgelöst
wird,sobaldderSignalbestanderreichtoderüberschrittenwird.
Auftragsfreigabe bei CONWIP‐Steuerung DieConwip‐Steuerung(engl.constantworkinprogresss)zieltaufeinenkonstanten
Auftragsbestand innerhalb eines bestimmten Fertigungsabschnitts ab. Die Methode ist
ähnlichderKanban‐Steuerung,aberumfasstmehralseinenFertigungsschrittundkann
nebenderAuftragsfreigabeauchnocheineereignisorientierteAuftragserzeugungbein‐
halten.ImvorliegendenBeispielerfolgtdieAuftragserzeugungzeitlichgesteuertmittels
Zeitgeber,währenddieAuftragsfreigabeübereineMindestbestandregelgesteuertwird.
Entsprechendwirdesnotwendig,einenzweitenAuftragsauslöserfürdenProzessauftrag
zudefinieren,welchernurfürdieAuftragsfreigabezuständigist.ImBeispielwirddazu
einAuftragsauslösermitMindestbestandregelgenutzt,derProzessaufträgeauslöst,so‐
bald der Mindestbestand von fünf Materialflussobjekten unterschritten ist (Abbildung
72).
Abbildung 72: Beispielhafte Modellierung der Funktion Auftragsfreigabe bei CONWIP‐
Steuerung Reihenfolgebildung bei Prozessaufträgen DieReihenfolgebildungvonProzessaufträgenerfolgtüberdieEinstellungderReihen‐
folgeregelanderOrganisationseinheit.SoferndieProzessaufträgeeinzelnenFertigungs‐
aufträgenzugeordnetsind,kannzumBeispielnichtnurnachdemStartterminderPro‐
zessaufträge,sondernauchnachdemStartterminderFertigungsaufträgesortiertwerden
(Abbildung73).
Abbildung 73: Beispielhafte Modellierung der Funktion Reihenfolgebildung von Pro‐
zessaufträgen Ressourcenauswahl bei Prozessaufträgen UmdieseSteuerungsfunktionumzusetzen,werdendiealternativausführbarenPro‐
zessaufträgemitdemAuftragsauslöserverknüpftundfürdenProzessauftrageineent‐
sprechendeErzeugungsregeldefiniert(Abbildung74).
Abbildung 74: Beispielhafte Modellierung der Funktion Ressourcenauswahl von Pro‐
zessaufträgen (Queue Length Estimator) ModellierunggrundlegenderMaterialfluss‐undSteuerungsfunktionen 113
ImvorliegendenModellierungsbeispielhandeltessichdabeiumdieRessourcenaus‐
wahlnachdemQueueLengthEstimator(QLE),welcherdenProzessauftragauswählt,der
dieniedrigsteaktuelleWartezeitanderBearbeitungsstationplusBearbeitungszeitdes
Prozessauftrags besitzt [185]. Eine weitergehende Möglichkeit zur Prozess‐ bzw. Res‐
sourcenauswahlbestehtinderVerwendungeinesAuswahlwerts.ImvorliegendenBei‐
spielveranlasstdieErzeugungsregeleinestochastischeProzessauswahlanhandspezifi‐
scherAuswahlwertederProzesse(Abbildung75).
Abbildung 75: Beispielhafte Modellierung der Funktion Ressourcenauswahl von Pro‐
zessaufträgen (zufallsbasiert) Durchlaufzeitberechnung von Fertigungsaufträgen BeiderAnalysevonProduktionsszenarienistdieDurchlaufzeitvonFertigungsaufträ‐
geneinewichtigeBewertungskennzahl.DadasModellierungskonzeptGRAMOSAkeine
sequenziellen Prozessfolgen voraussetzt, sind Auftragsanfang und Auftragsende nicht
eindeutig zu bestimmen. Da es dennoch notwendig ist, Durchlaufzeiten für bestimmte
ProzessabschnitteoderganzeProzessfolgenzubestimmen,könnenProzessaufträgezu
übergeordnetenFertigungsaufträgeninBeziehunggesetztwerden.ZurBerechnungder
Durchlaufzeitreichtesaus,dassAuftragsanfangundAuftragsendeeinesFertigungsauf‐
tragsinentsprechendenProzessaufträgengekennzeichnetsind(Abbildung76).
Abbildung 76: Beispielhafte Modellierung der Funktion Durchlaufzeitberechnung von Fertigungsaufträgen 5 Prototypische Implementierung von GRAMOSA Ausgehend von den Anforderungen der digitalen CFK‐Produktionsentwicklung
wurdedasModellierungskonzeptGRAMOSAentwickelt.IndiesemKapitelerfolgtdieBe‐
schreibung der softwaretechnischen Implementierung in einen Prototypen. Es werden
dieeinzelnenKomponentendesSoftwarekonzeptssowiedasFabrikdatenmodellvorge‐
stellt.ZudemwirdaufdiegrafischeBenutzeroberflächederzentralenDatenbanklösung
sowiedieentwickelteSimulationsumgebungeingegangen.
5.1 Beschreibung des Softwarekonzepts Das Softwarekonzept beinhaltet den Einsatz einer zentralen Datenbanklösung zur
VerwaltungsämtlicherModellinformationeninMSAccess.ÜbereineinMSAccessinte‐
grierte grafische Benutzerschnittstelle wird der Benutzer in die Lage versetzt, die Pla‐
nungsvariantenzuverwaltenunddieModellbildungmittelseinerBaumstrukturvorzu‐
nehmen.ZurgraphischenModellrepräsentationwirdderyEdGraphEditorverwendet,
wobeidieeinzelnenModellsichtenimGraphML‐FormatausderMSAccess‐Applikation
exportiertunddannimyEdGraphEditorangezeigtwerdenkönnen(Abbildung77).Das
GraphML‐FormatisteinfreiesaufXML‐basierendesDateiformat,welchesdieMöglichkeit
zurplattformunabhängigenDarstellungvonGraphenbietet.DieModellstrukturanalyse
erfolgtdirektinMSAccess.WeitereAnalysemöglichkeitenbesteheninderstatischenDi‐
mensionierungdurcheinenExportdesFertigungskonzeptsnachMSExcelsowiedurch
NutzungderMaterialflusssimulationinTECNOMATIXPlantSimulation.
116 PrototypischeImplementierungvonGRAMOSA
Abbildung 77: Darstellung des Softwarekonzepts DieSchnittstellezwischenMSAccessundTECNOMATIXPlantSimulationistmittels
aufbereiteterTexttabellenrealisiert.PrinzipiellsindhierauchImplementierungslösun‐
gendenkbar,beidenenausderSimulationsumgebungmittelsODBCdirektaufdieMSAc‐
cess‐Datenbankzugegriffenwird.AufgrundderkomplexenDatenbankstrukturundauf‐
wendigerFilteroperationenfürdieSzenarioauswahlwurdejedocheinsolcherAnsatzver‐
worfen,dadiesinMSAccessbesserrealisiertwerdenkann.Zudemkönnendieaufberei‐
tetenTexttabellenauchalsEingangsdatenfürandereSimulatorengenutztwerden.
DieeigentlicheSimulationsmodellgenerierungerfolgtvollautomatischinTECNOMA‐
TIXPlantSimulation.ManuelleEingriffesindnurdannnotwendig,wennneueProzess‐
undSteuerungslogikenhinzukommenundneuimplementiertwerdenmüssen.Wesentli‐
ches Merkmal der Simulationsumgebung ist die Möglichkeit zur vollautomatischen
DurchführungeinerSensitivitäts‐undLeistungsanalyse.DieSensitivitätsanalyseumfasst
dieDurchführungvonKorrelations‐undRegressionsanalysen(sieheAnhangIIb).Beider
LeistungsanalysewerdensowohllogistischealsauchreinmonetäreLeistungskennzahlen
erhoben,wobeieinProzesskostenansatzverwendetwird(sieheAnhangIIc).ZuvorinMS
AccessspezifizierteParameter‐undWertebereichewerdeninTECNOMATIXPlantSimu‐
lation bei der automatischen Experimentsdurchführung in einen vollfaktoriellen Ver‐
suchsplanüberführt.NachStartdesSimulationsexperimentswirddieservollautomatisch
ausgeführt.DieSimulationsergebnissewerdenprotokolliertundkönnennachMSExcel
übertragenwerden.DieeigentlicheAuswertungundAufbereitungderDatenerfolgtdann
inMSExcel.DieErgebnissekönnenwiederumszenariospezifischinMSAccessangezeigt
werden.
EntwurfdesFabrikdatenmodellsfürdiezentraleDatenbanklösung 117
5.2 Entwurf des Fabrikdatenmodells für die zentrale Datenbanklösung ZentralerBestandteilderImplementierungslösungistderEntwurfeinesgeeigneten
Datenmodells für das Modellierungskonzept. Die grundsätzliche Schwierigkeit bestand
im Entwurf eines Fabrikdatenmodells unter Berücksichtigung des hierarchischen Mo‐
dellaufbausundderVariantenbildung.DurchdieVariantenbildungmüssenanverschie‐
denenStellenzusätzlicheVerknüpfungstabelleneingefügtwerden,umalternativeKon‐
zeptvarianten definieren zu können. Mittels der Entität Szenario werden Projekt, Pro‐
dukt‐,Fertigungs‐,Organisations‐,Layout‐,Materialfluss‐,Steuerungs‐undSimulations‐
konzeptzentralverwaltet(Abbildung78).
Abbildung 78: Darstellung des Fabrikdatenmodells unter Zuordnung der Konzeptvarianten EntsprechendistdieEntitätSzenariozusätzlichzudeninderAbbildungdargestellten
Beziehungen mit den Entitäten Auftragsauslöser, Fertigungselement, Layout, Material‐
flussobjekt,Organisationseinheit,Prozess,ProzessfolgeundPufferverknüpft.Daszent‐
raleElementdesModellierungskonzeptsbildetdieEntitätProzess.DieEntitätProzessist
entweder dem Szenario Fertigungskonzept oder Materialflusskonzept zugeordnet.
GrundsätzlichbestehtderGedanke,dassimFertigungskonzeptzunächstdieFertigungs‐
prozesseangelegtunddiesedannimMaterialflusskonzeptumdienotwendigenLogistik‐
prozesseergänztwerden.PrinzipiellstehtesjedochdemAnwenderfrei,welcheProzesse
erimFertigungs‐oderimMaterialflusskonzeptmodelliert.
5.3 Vorstellung der grafischen Benutzeroberfläche in MS Access DiegrafischeBenutzeroberflächeinMSAccesshatdieVerwaltungvonProduktions‐
szenarieninderzentralenFabrikdatenbankzurAufgabe.HierzuexistierenvierAnwen‐
dungssichten: Szenarioverwaltung, Modellierung, Auswertung und Layout. Die Anwen‐
dungssichtSzenarioverwaltungdientzurVerwaltungderachtKonzeptebenenmitihren
jeweiligen Konzeptvarianten. Entsprechend dem hierarchischen Modellaufbau des Mo‐
dellierungskonzeptskönnenausdenBereichenManagement,FertigungsplanungundLo‐
gistikplanung die entsprechenden Konzeptvarianten zu einem Produktions‐ bzw. Pla‐
nungsszenariozusammengestelltwerden(Abbildung79).
Abbildung 79: Grafische Benutzeroberfläche zur Szenarioverwaltung BeiderAuswahldesMaterialflusskonzeptswerdenautomatischdieModellstruktur‐
analysedurchgeführtunddieAnzahlexistierenderProzess‐undMaterialflussbeziehun‐
VorstellungdergrafischenBenutzeroberflächeinMSAccess 119
genausgegeben.AußerdemfindensichnochweitereSchaltflächenfürdenDiagramm‐Ex‐
port,zurDimensionierungoderzurMaterialflusssimulation.SobaldeinvollständigesPro‐
duktionsszenario zusammengestellt ist, kann dieses in der Anwendungssicht Modellie‐
rungangezeigtwerden.DieeigentlicheModellbildungerfolgtschließlichunterVerwen‐
dungeinesBaumdiagrammsinKombinationmiteinerListenansicht(Abbildung80).
Abbildung 80: Grafische Benutzeroberfläche zur Modellierung DasBaumdiagrammbefindetsichaufderlinkenBildschirmseiteunddientzurAbbil‐
dungderSzenariostruktursowiezurDarstellungderjeweiligenObjektbeziehungen.Auf
derrechtenBildschirmseitebefindetsicheineListenansichtzurDarstellungallerModel‐
lobjekte mit entsprechenden Filtermöglichkeiten. Das jeweils aktuelle Objekt wird mit
BildundsämtlichenObjektdateninderBildschirmmitteangezeigt.UmVerknüpfungen
zwischen Objekten auf den einzelnen Konzeptebenen herzustellen, muss zunächst im
Baumdiagramm ein Knoten bzw. Objekt ausgewählt werden. In der Listenansicht wird
paralleldasObjektausgewählt,welchesdamitverknüpftwerdensoll.ÜberdieSchaltflä‐
chenoberhalbdesBaumdiagrammskanndieentsprechendeVerknüpfungdurchgeführt
undauchwiedergelöschtwerden.InderAnwendungssichtModellierungkannfastdas
gesamteKonzeptmodellangelegtwerden.InBezugaufdasLayoutkonzeptwirdjedoch
aufeineweitereAnwendungssichtzurückgegriffen,umdieräumlicheAnordnungderOr‐
ganisationseinheitenzuspezifizieren.DieräumlicheAnordnungderOrganisationseinhei‐
tenerfolgtmittelseinfachemBlocklayout,wobeidieOrganisationseinheiteninPosition
undGrößebeliebigverändertwerdenkönnen(Abbildung81).DasLayoutistzwingende
VoraussetzungfürdiespätereSimulationsmodellgenerierung,dahierdurchdiePosition
dereinzelnenOrganisationseinheitenimSimulationsmodelldefiniertwird.
Abbildung 81: Grafische Benutzeroberfläche für die Layouterstellung ZurDetailplanungkönnensämtlicheOrganisationseinheitenunddazugehörigeFerti‐
gungselementeimyEdGraphEditorinFormeinesLayoutsangezeigtwerden.Dievierte
SichtzeigtdieinMSExcelerstellteSimulationsauswertung,wobeizwischenLeistungs‐
undSensitivitätsanalyseunterschiedenwerdenkann(Abbildung82).
Abbildung 82: Grafische Benutzeroberfläche zur Auswertung EntwicklungderSimulationsumgebunginTECNOMATIXPlantSimulation 121
5.4 Entwicklung der Simulationsumgebung in TECNO‐
MATIX Plant Simulation Für das Modellierungskonzept GRAMOSA wurde in dem Simulator TECNOMATIX
Plant Simulation eine eigene Simulationsumgebung entwickelt. Die Simulationsumge‐
bunghatdieModellgenerierungunddieVersuchsdurchführungzurAufgabe.Nebender
originärenMaterialflussebenewurdenzweiweitereEbenenzurAbbildungderAuftrags‐
steuerungunddesKontrollflussesintegriert.WährendaufderMaterialflussebenephysi‐
scheRepräsentanzenvonMaterialflussobjektenund‐puffernverwaltetwerden,befinden
sichaufderKontrollflussebenedieinstanziiertenProzessaufträge,welchedenentspre‐
chenden Organisationseinheiten zugeordnet sind. Der grundsätzliche Programmablauf
stellt sich so dar, dass die Aktivierungslogiken der Auftragsauslöser entweder
zeit‐,prozess‐oderbestandorientiertinderAuftragssteuerungausgelöstwerden(Abbil‐
dung83).
Abbildung 83: Aufbau der Simulationsumgebung Sofern ein oder mehrere Prozessaufträge erzeugt werden, gehen diese in den Auf‐
tragspoolein.DerAuftragsauslöserwirdgegebenenfallserstwiederaktiviert,wennalle
Prozessaufträgeabgearbeitetsind.WennsichdieProzessaufträgeimAuftragspoolbefin‐
den, werden diese nach dem FIFO‐Prinzip auf Auftragsfreigabe bzw. Instanzierung ge‐
prüft.FürjedeOrganisationseinheitexistierteingemeinsamerAuftragspuffer,indemdie
instanziiertenAufträgeeingestelltwerden.DerAuftragspufferkannauchzurLaufzeitim
Modell eingesehen werden. Je nach gewählter Reihenfolgeplanung werden die Pro‐
zessaufträgeaufdiefreienInstanzenderjeweiligenOrganisationseinheitverteilt.Nach
BeendigungdesAuftragserfolgtfürdieMaterialausgängeeinAbgleichzwischendenbe‐
nötigtenunddenverfügbarenKapazitätenimPuffer.GegebenenfallswirdderProzessauf‐
tragsolangefestgehalten,bisdieKapazitätenimPufferbereitstehen.Entsprechendwird
esmöglich,zuvormodellierteProzessfolgeninderSimulationsumgebungunterBerück‐
sichtigung sämtlicher Materialflüsse zu simulieren. Grundsätzlich lassen sich neben
TECNOMATIXPlantSimulationauchandereSimulatorenverwenden,sofernähnlichhohe
FreiheitsgradebeiderProgrammablaufgestaltungdurchdenEinsatzvonSkriptsprachen
existieren.DieSteuerungsverfahrenund–abläufesindbeiTECNOMATIXPlantSimulation
insogenanntenMethodenbausteinenhinterlegt,welchemittelsSkriptspracheindividuell
programmiert werden können. Diese steuern dann ereignisorientiert den Programm‐
bzw.Simulationsablauf.SogenannteNetzwerkedienenzurhierarchischenOrganisation
derSimulationsobjekte,wobeiinderentwickeltenSimulationsumgebungnebenderKon‐
trollflussebenemitderDatenverwaltungundderMaterialflussebenezweiweitereNetz‐
werkeexistieren.DieAbbildung84zeigtdasNetzwerk„Datenverwaltung“,welchesso‐
wohldieStamm‐alsauchBetriebsdatenverwaltet.
Abbildung 84: Netzwerk „Datenverwaltung“ in der Simulationsumgebung EntwicklungderSimulationsumgebunginTECNOMATIXPlantSimulation 123
ImNetzwerk„Datenverwaltung“sindalleausdenTextdateienimportiertenStamm‐
datenderMSAccessdatenbankinentsprechendenTabellenhinterlegt.DieDatenwerden
sowohlzumAufbaudesSimulationsmodellsalsauchaufSteuerungsebenegenutzt.Des
WeiterenwerdenimNetzwerk„Datenverwaltung“alleBewegungsdatendesjeweilsak‐
tuellenSimulationslaufsdokumentiert.UmdieModellauswertungzuvereinfachen,wer‐
denalleBewegungsdatenvorverarbeitetundinaggregierterFormseparatfürjedenSi‐
mulationslauf gespeichert. Bei der Simulationsmodellgenerierung werden zunächst die
OrganisationseinheitenimNetzwerk„Kontrollflussebene“angelegt,wobeidieseentspre‐
chenddemzuvormodelliertenLayoutpositioniertwerden(Abbildung85).
Abbildung 85: Netzwerk „Kontrollflussebene“ in der Simulationsumgebung DiePufferundMaterialflussbeziehungenwerdenimNetzwerk„Materialflussebene“
erzeugt.IndiesembefindensichähnlichdemMaterialflussschemaallePuffermitentspre‐
chendenMaterialflussbeziehungen(Abbildung86).DabeiwurdenebendenvomBenut‐
zererstelltenPuffernfürjedeOrganisationseinheiteinzusätzlicherPufferangelegt.So‐
fernMaterialflussobjekteineinemProzessverwendetwerden,werdendiesedemHer‐
kunfts‐Puffer entnommen und dem Puffer der Organisationseinheit zugeschlagen. Bei
Prozessende werden die Materialflussobjekte aus dem Puffer der Organisationseinheit
gelöschtundgegebenenfallsindenZiel‐Pufferüberführt.HierbeiwerdenauchdasAuf‐
tretenunddieEntdeckungderFertigungs‐undBauteilfehlerzurLaufzeitstochastischbe‐
rechnet.DieBerechnungderFehlererfolgtimmerzumAbschlusseinesProzessschritts,
wobeizwischenaufgetretenen,entdecktenundbehobenenFehlernunterschiedenwird.
Diessetztvoraus,dassdiemittelsProzess‐FMEAermitteltenWerteinabsoluteProzent‐
zahlenumgerechnetwerden.DieUmrechnungsfaktorensindnichtstandardisiert,wes‐
halbdieseprojektspezifischinFormvonPlanungsprämissenfestgelegtwerdenmüssen
(sieheAnhangI).DurchdiestrikteTrennungvonKontroll‐undMaterialflussebenekann
sichergestelltwerden,dasssichdieMaterialflussobjektewährenddergesamtenSimula‐
tionimmerineinemderPufferaufhalten.Dadurchwirdesmöglich,entsprechendeBe‐
standskostendurchgehendzukalkulieren.
Abbildung 86: Netzwerk „Materialflussebene“ in der Simulationsumgebung 6 Evaluierung des Modellierungskonzepts anhand eines Anwendungsbeispiels Zur Evaluierung des Modellierungskonzepts GRAMOSA wird der vorgestellte Soft‐
wareprototypverwendet.IndiesemKapitelerfolgtdieEvaluierunganhandeinesAnwen‐
dungsbeispiels,welchesinseinemUmfangvereinfachtist,aberdietypischenCharakte‐
ristika einer CKF‐Serienfertigung (Werkzeugumlauf, Fertigungsfehler, Hilfsstoffe, etc.)
beinhaltet.AusgehendvonderFertigungsaufgabewerdenalleSchrittederdigitalenPro‐
duktionsentwicklungentsprechenddemzuvorspezifiziertenVorgehensmodelldurchlau‐
fen.DasKapitelendetmiteinerBewertungdesAnwendungsnutzens.Hierbeiwerdendie
eigenenErfahrungenimUmgangmitdemModellierungskonzeptGRAMOSAdiskutiertso‐
wiedassogenannte3x3‐MaschinenmodellalsReferenzszenariozumVergleichmiteiner
manuellenImplementierungmittelsGRAMOSAmodelliertundsimuliert.
6.1 Beschreibung der Fertigungsaufgabe DieFertigungsaufgabebeinhaltetdieHerstellungeinergekrümmtenCFK‐Schaleaus
PrepregimAutoklavverfahren,wiesiezumBeispielbeimA350XWBalsAußenhauteiner
RumpfsektionzumEinsatzkommenkönnte.ZurHerstellungkommendiebereitserwähn‐
tenFormschalenzumEinsatz,welchedieNegativformdesBauteilsabbilden(Abbildung
87). Exemplarisch betragen die Schalenabmessungen der Sektion 16‐18 für die A350‐
1000inderLänge17,145Meter,inderBreite5,5MeterundinderHöhe3,0Meter.
126 EvaluierungdesModellierungskonzeptsanhandeinesAnwendungsbeispiels
Abbildung 87: Legeform für die Herstellung der Seitenschalen der Sektion 16‐18 des Airbus A350 XWB (Quelle: Premium AEROTEC GmbH) DasProduktionsprogrammsiehtvor,dassproJahrinsgesamt500dieserCFK‐Schalen
inSerieproduziertwerden.BeidenPlanungsprämissenwirdvon3000Betriebsstunden
ausgegangen,wasbei250ArbeitstagenimJahrungefähr12ArbeitsstundenproTagent‐
spricht.DerinterneZinssatzwirdmit10Prozentangesetzt.HinsichtlichderFertigungs‐
stücklistewirdvereinfachtvoneinemSatzPrepregundeinemSatzHilfsstoffealsAus‐
gangsmaterialienausgegangen(Abbildung88).
Abbildung 88: Darstellung des Produktkonzepts im Baumdiagramm GrundsätzlichkönneninnerhalbeinesProduktkonzeptsmehrereBauteilesowieent‐
sprechende Stücklisten angelegt werden. Das Produktkonzept besitzt einen eher be‐
schreibendenCharakter,daeslediglichnocheinmalzurspäterenGrobdimensionierung
ModellierungdesAnwendungsbeispiels 127
verwendet wird. Grundsätzlich ist es Aufgabe des Benutzers sicherzustellen, dass die
StücklisteimFertigungs‐undMaterialflusskonzeptumgesetztwird.Aktuellsindhierzu
keineGültigkeitsabfragenimSoftwareprototpyenenthalten.
6.2 Modellierung des Anwendungsbeispiels Die Modellierung des Anwendungsbeispiels beschreibt den Prozess der Modellbil‐
dungentsprechenddemdafürspezifiziertenVorgehensmodell.ImFolgendenwerdenzu‐
nächst das Fertigungs‐ und Organisationskonzept modelliert und anschließend eine
Grobdimensionierungdurchgeführt.NachfolgendwerdendasMaterialfluss‐,Layout‐und
Steuerungskonzeptausgestaltet.MitdemSteuerungskonzeptistsomitdiegrundsätzliche
VoraussetzungfürdienachfolgendeSimulationsmodellgenerierunggegeben,diemittels
desSimulationskonzeptsnocheinmalspezifiziertwird.UmdieNachvollziehbarkeitder
einzelnen Modellierungsschritte zu verbessern, wird auf den Einsatz alternativer Kon‐
zeptvariantenverzichtet.
6.2.1
Modellierung der Fertigungskonzepts BeiderErstellungdesFertigungskonzeptskönnenmehrereProzessfolgen,zumBei‐
spielfürmehrereProdukte,definiertwerden.InsbesonderebeigrößerenProjektenwird
dadurchdieMöglichkeiteinerstrukturiertenProzessaufnahmegeschaffen.JedeProzess‐
folgebeinhalteteineentsprechendeAnzahlanProzesseinheiten,diesichwiederumaus
verschiedenen Vorgängen zusammensetzen können. Im Baumdiagramm existieren für
dasFertigungskonzeptnebendemAnlegenderFertigungsabläufeweitereKnotenzurBe‐
stimmungvonMaterialein‐und–ausgängen,derZuordnungvonFertigungsfehlernund
OrganisationseinheitensowiederAbbildungvonNachfolgerbeziehungenderProzessein‐
heiten. Im Rahmen des Anwendungsbeispiels werden zunächst fünf Prozesseangelegt,
welcheeinentypischenAblaufderCFK‐Fertigungwiedergeben(Abbildung89).
Abbildung 89: Erstellung des Fertigungskonzepts im Baumdiagramm ZusätzlichwurdemitderNacharbeiteinProzessangelegt,derdurchlaufenwerden
muss,wennMängelamCFK‐BauteilbeiderQualitätsprüfungfestgestelltwerden.Fürdas
CFK‐BauteilwurdenalsFertigungsfehlersowohlAusfransungalsauchDelaminationhin‐
terlegt.EinegraphischeRepräsentationdesFertigungskonzeptskannAbbildung90ent‐
nommenwerden.DasAnwendungsbeispielistsomodelliert,dassdasWerkstückimplizit
demProzessablauffolgtunderstnachdemPrüfprozessalsObjektwiedersichtbarwird.
Defekte CFK‐Bauteile werden nachbearbeitet. Die Fallunterscheidung zwischen guten
unddefektenWerkstückenkanninderFertigungssichtnichteindeutigmodelliertwer‐
den,weshalbdiesübereineBeschriftungderKanteerfolgt.GrundsätzlichkanndasDia‐
grammrelativfreimodelliertwerden,daesnurbeschreibendenCharakterhatundiners‐
terLiniezurProzessdefinitiondient.
Abbildung 90: Graphische Repräsentation des Fertigungskonzepts 6.2.2
Modellierung des Organisationskonzepts und Durchführung der Grobdimensionierung In diesem Kapitel wird die Entwicklung des Organisationskonzepts zusammen mit
der Grobdimensionierung dargestellt. Aus softwaretechnischer Sicht kann die Grobdi‐
mensionierungzujedembeliebigenZeitpunkterfolgen,sofernProdukt‐,Fertigungs‐und
Organisationskonzeptangelegtsind.ImbestehendenAnwendungsbeispielfindensichim
OrganisationskonzeptallesechszuvoraufProjektebeneangelegtenOrganisationseinhei‐
ten(Abbildung91).
Abbildung 91: Erstellung des Organisationskonzepts im Baumdiagramm ImAnschlussandieDefinitionvonFertigungs‐undOrganisationskonzepterfolgtdie
DurchführungderGrobdimensionierung,umeinVerständnisvondernotwendigenAn‐
zahlanOrganisationseinheitenzubekommen.Hierbeiwirddavonausgegangen,dasseine
maximalepraktischeVerfügbarkeitvon85ProzentimSinnederVDI‐Richtlinie4004er‐
reichtwerdenkann.ImAnwendungsbeispielwerdendementsprechendzweiTapeleger
vorgesehen(Tabelle13).
Tabelle 13: Ergebnisse der Grobdimensionierung Planungsebene
Projekt
Produktkonzept
Bereichskonzept
Fertigungskonzept
Betriebsstunden pro Jahr
Jahresproduktion
Szenariobezeichnung
CFK‐Fertigung
Schale
Linienfertigung
Standard
3000
500
Organisationseinheit
Betriebsstunden
Anzahl Planstunden
Auslastung
Tapeleger
6000
2
5000
83,3%
Prüfeinrichtung
3000
1
500
16,7%
Autoklav
3000
1
875
29,2%
Fräseinrichtung
3000
1
1500
50,0%
Innerbetrieblicher Transport
3000
1
0
0,0%
Lager
3000
1
0
0,0% ModellierungdesAnwendungsbeispiels 131
TrotzdergeringenAuslastungistinsbesonderederAutoklavindernachfolgenden
Simulationkritischzuanalysieren,dabeimAutoklavenMengenbrücheimMaterialfluss
entstehen,diezuLiegezeitenundBedarfsschwankungenführenkönnen.ImGegensatzzu
denanderenProzessen,dienureinBauteilbearbeiten,kannderAutoklavbeimAushärten
mitbiszufünfBauteilenbestücktwerden,wobeiimMittelvonvierBauteilenausgegan‐
genwird.DesWeiterenkommthinzu,dassdiezweivorgelagertenTapelegerinsgesamt
nurzweiBauteilegleichzeitigherstellenkönnen,wodurchsichfürdenAutoklavengrö‐
ßereWartezeitenbeiderBestückungergeben.Entsprechendschweristes,einevalide
Aussage über die maximale praktische Verfügbarkeit zu treffen. Erschwerend müssen
auchnochdieumlaufendenFormschalenberücksichtigtwerden,diegegebenenfallsauch
nocheinenEngpassbildenkönnen.EineabschließendeFeindimensionierungimRahmen
derMaterialflusssimulationwirdsomitalszwingendnotwendigerachtet.
6.2.3
Modellierung des Materialflusskonzepts EinewesentlicheAufgabebeiderEntwicklungdesMaterialflusskonzeptsistdieIm‐
plementierungdesUmlaufsderFormschalen,welcherimFertigungskonzeptnichtdarge‐
stelltwerdenkonnte.NachdemdieFormschalenausdemAutoklavenkommen,durchlau‐
fensiegemeinsammitdemCFK‐BauteilauchnochdenProzessderspanendenBearbei‐
tung.ErstdanachwerdensieimFormschalenpuffer2zwischengespeichertundvondort
indenFormschalenpuffer1transportiert(Abbildung92).AusgehendvomFormschalen‐
puffer1könnensiedannwiederfürdenLegeprozessverwendetwerden.
Abbildung 92: Graphische Repräsentation des Materialflusskonzepts (Teil 1) ModellierungdesAnwendungsbeispiels 133
DasentnommeneCFK‐BauteilwirdimWerkstückpuffer3zwischengespeichert.Der
Werkstückpuffer3bildetdenÜbergangzumzweitenTeildesMaterialflusskonzeptsin
Abbildung93.VomWerkstückpuffer3gehtdasCFK‐BauteilzurQualitätsprüfung.
Abbildung 93: Graphische Repräsentation des Materialflusskonzepts (Teil 2) NachderQualitätsprüfunggehenalleCFK‐BauteileindenWerkstückpuffer4.Jenach
BauteilqualitätschließensichdieProzessedesVersands,derNacharbeitoderderEntsor‐
gungan.
6.2.4
Modellierung des Layoutkonzepts unter Ein‐
satz des Materialflussschemas Ausgehend vom Materialflusskonzept kann das Materialflussschema zur Spezifika‐
tiondesLayoutsgenutztwerden.DasMaterialflussschemainAbbildung94zeigteineRei‐
henfertigungunterbesondererBerücksichtigungvonMaterialrückflüssen,dievomPrüf‐
zumBearbeitungszentrumführen.
Abbildung 94: Materialflussschema des Anwendungsbeispiels EntsprechendwerdendieOrganisationseinheitenimBlocklayoutsoangeordnet,dass
einweitestgehendgerichteterMaterialflussentsteht(Abbildung95).
Abbildung 95: Anordnung der Organisationseinheiten im Blocklayout ModellierungdesAnwendungsbeispiels 135
6.2.5
Modellierung des Steuerungskonzepts DasfolgendeSteuerungskonzeptwurdefürdasAnwendungsbeispielunterderMaß‐
gabeentwickelt,dassalledreiAuslösungsarten(zeit‐,prozess‐,bestandsorientiert)zum
Einsatzkommen.DieEinlastungderAufträgeerfolgtmittelseinesZeitgebersamLege‐
prozess(Abbildung96).
Abbildung 96: Graphische Repräsentation des Steuerungskonzepts (Teil 1) 136 EvaluierungdesModellierungskonzeptsanhandeinesAnwendungsbeispiels
NachdemAushärtenerfolgtdieEntsorgungderHilfsstoffe.DerÜbergangzumzwei‐
tenTeildesSteuerungskonzeptsinAbbildung97erfolgtüberdenWerkstückpuffer2.Au‐
ßerdemisteineVerbindungzumFormschalenpuffer1vorhanden,überdenderRücklauf
derFormschalenerfolgt.
Abbildung 97: Graphische Repräsentation des Steuerungskonzepts (Teil 2) DienachfolgendenProzessewerdenbisaufdenTransportderFormschalebestands‐
orientiert angestoßen. Sobald die Bearbeitung beendet ist, wird der Transportauftrag
ausgelöst.DerÜbergangzumdrittenTeildesSteuerungskonzeptsinAbbildung98erfolgt
überdenWerkstückpuffer3.BeiderQualitätsprüfungkommteszurErkennungderFer‐
tigungsfehler,woraufhineinequalitätsorientierteSortierungdesCFK‐Bauteilserfolgt.
Abbildung 98: Graphische Repräsentation des Steuerungskonzepts (Teil 3) 138 EvaluierungdesModellierungskonzeptsanhandeinesAnwendungsbeispiels
Grundsätzlichistzuerkennen,dasssichgeradeimFallvonNacharbeiteinebestands‐
orientierte Auftragsauslösung anbietet, da sowohl die prozess‐ als auch zeitorientierte
AuftragsauslösungindiesemFallunweigerlichzuAufträgenführenwürde,fürdiekeine
Bauteilemehrvorhandenwären.DasAnwendungsbeispielwurdeaufgrundderzeitori‐
entierten Auftragseinlastung nach dem Push‐Prinzip aufgebaut. Prinzipiell wäre aber
aucheineEinsteuerungderAufträgeübereinenbestandsorientiertenAnsatzmöglich.
6.3 Modellgenerierung und –auswertung Mit der Erstellung des Steuerungskonzepts liegen alle wesentlichen Informationen
zurGenerierungdesSimulationsmodellsvor.Esistjedochnotwendig,zuvordasSimula‐
tionskonzeptzuspezifizieren.ImSimulationskonzeptwerdendieAnfangsbeständeder
PufferbestimmtundderVersuchsplanfürdasSimulationsexperimentaufgestellt.Zieldes
SimulationsexperimentsistdieDurchführungeinerSensitivitäts‐undLeistungsanalyse.
NebenderFeindimensionierungsollauchdieGültigkeitdesSimulationsmodellssicher‐
gestelltwerden.ZurDurchführungderSimulationsexperimentewirdimFolgendeneine
vollfaktorielleVersuchsplanungmitParameternundWertenvorgenommen(Tabelle14).
Tabelle 14: Eingangswerte für die vollfaktorielle Versuchsplanung Anzahl der Formschalen [Stck.]
Anzahl der Autoklaven [Stck.]
Anzahl der
Tapeleger [Stck.]
Auftreten von Delamination
Zeitintervall der Auftragseinlastung [h] Simulationsparameter
Anfangswert
3
1
2
1
4,5
Schrittgröße
3
1
1
4
1,5
Schrittanzahl
2
1
2
2
2
UmdenEinflussderFormschalenzuuntersuchen,erfolgteinezweistufigeAnhebung
derFormschalenanzahlumjeweilsdreiFormschalen.DesWeiterenwerdensowohldie
AnzahlderAutoklavenalsauchderTapelegerinkrementellgesteigert.Zudemwirddas
Auftreten von Fertigungsfehlern (Delamination) variiert und somit der Anteil an CFK‐
Bauteilenerhöht,dienachgearbeitetwerdenmüssen.AbschließendwirddasZeitintervall
der Auftragseinlastung erhöht, wodurch weniger Aufträge ins System eingehen. Insge‐
samtergibtdies162Simulationsläufe,wobeijederSimulationslaufzurstatistischenAb‐
Modellgenerierungund–auswertung 139
sicherung unter Berechnung des Durchschnittswerts fünf Repetitionen durchläuft. Zu‐
demwirdeineEinschwingzeitvon480Stundenangenommen.HinsichtlichderAuswer‐
tung werden in einerKorrelationsmatrix die Simulationsparameter den Ergebniskenn‐
zahlengegenübergestellt(Tabelle15).ProgrammtechnischwerdenimRahmenderauto‐
matisiertenVersuchsauswertungzunächstalleElementeeinzelnausgewertet,umdiese
danninaggregierterFormdarzustellen. Tabelle 15: Ergebnisse der Korrelationsanalyse AusgehendvondenKorrelationskoeffizienten,diesowohlnachBravais‐Pearsonals
auchnachSpearmanberechnetwerden,findensichinderTabelleauchdieentsprechen‐
denp‐Werte.EineNormalverteilungvoraussetzendwirddert‐WertzurErmittlungdes
p‐Wertsverwendet,wobeimittelsdert‐VerteilungdieWahrscheinlichkeitfürdieGültig‐
keitderNullhypothesebestimmtwird.Derp‐Wertreichtsomitvon0bis1.IndiesemFall
repräsentiertdieNullhypothesedieAnnahme,dassdiePrüfgrößegleichnullistundsomit
kein Zusammenhang zwischen den Merkmalen vorliegt. Nach allgemeiner Konvention
wirddieNullhypotheseverworfen,wenndasSignifikanzniveaukleiner5Prozentist.Im
vorliegendenFallistesgenauandersherumunddieAlternativhypothesewirdverworfen,
wennderp‐Wertüber5Prozentliegt.Grundsätzlichzeigtsich,dassdieAnzahlderAuto‐
klavenkeinennennenswertenEinflussaufdieDurchlaufzeithat,währendfürdieForm‐
schalenanzahl, das Einlastungsintervall unddie Anzahl an Tapelegern eine Korrelation
mit der Durchlaufzeit festgestellt werden kann. Hinsichtlich des Auftretens von Ferti‐
gungsfehlern(Delamination)istfestzustellen,dasswieerwartetdieSystemauslastungso‐
wiedieDurchlaufzeitdurchdieNacharbeitsteigt.WieausdendunkelhinterlegtenFel‐
dernderTabelle15ersichtlichwird,übersteigteinegrößereAnzahlanMerkmalskombi‐
nationendasgeforderteSignifikanzniveau,weshalbnebendemKorrelationskoeffizienten
nachBravais‐PearsonauchderKorrelationskoeffizientnachSpearmanverwendetwurde,
umeinedifferenziertereAuswertungderMerkmalskombinationenvornehmenzukön‐
nen.InsgesamtzeigensichkleinereUnterschiedezwischendenbeidenBerechnungsar‐
ten,wobeiderKorrelationskoeffizientnachSpearmanwieerwartetetwasrobusterist. Im Anschluss an die Korrelationsanalyse, welche Aufschluss über den linearen Zu‐
sammenhangeinzelnerMerkmalegibt,wirdeineSensitivitätsanalysemittelslinearerRe‐
gressiondurchgeführt.DieTabelle16beinhaltetdieErgebnissederlinearenRegressions‐
analysemitnureinemRegressionskoeffizienten.ImvorliegendenFallmitnureinemline‐
aren Regressionskoeffizienten ist der normierte Regressionskoeffizient identisch mit
demKorrelationskoeffizientennachBravais‐Pearson.ErkannsomitzurKontrollederRe‐
chenergebnisseverwendetwerden.DieabsolutenWertedeslinearenRegressionskoeffi‐
zientengebendarüberhinausaussagekräftigeAnhaltspunktezueinerweitergehenden
Modelloptimierung.GrundsätzlichbedürfenaberauchdieErgebnissederRegressions‐
analyseeinerweitergehendenAnalyseundInterpretation.ZumBeispielsinkendieMate‐
rialkostenbeimAuftretenvonDelaminationen,weilsichdurchdiezusätzlichenNachar‐
beitenimBearbeitungszentrumdieAufträgerückstauenundsomitwenigerFormschalen
zumTapelegenzurVerfügungstehen.EntsprechendfallenwenigerMaterialkostenan,da
wenigerAufträgeangestoßenbzw.beendetwerdenkönnen.InVerbindungmitderSen‐
sitivitätsanalyseistesAufgabederLeistungsanalyse,eineVorzugsvariantezuermitteln.
BeiderLeistungsanalysewerdendieSimulationsszenarienanhandentsprechender
Kennzahlenmiteinanderverglichen.ImvorliegendenBeispielwirdeinSimulationsszena‐
riobzw.Produktionsszenariogesucht,welcheseinegewisseElastizitätbeiStückzahlen
vonmehralsdenangestrebten500BauteilenproJahrbesitztundsichauchrobustge‐
genüberNacharbeitenaufgrundvonFertigungsfehlernimProduktionsanlaufzeigt.
Modellgenerierungund–auswertung 141
Tabelle 16: Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse mittels linearer Regression DiegeringstenAuftragskostenbeiakzeptablerDurchlaufzeitfallenmiteinerKonfigu‐
rationvonsechsFormschalen,einemAutoklavenunddreiTapelegernan,wiesieinSimu‐
lationsszenario58vorliegt(Abbildung99).AuchbeigroßerNacharbeitbeträgtdiedurch‐
schnittlicheDurchlaufzeitmaximal45StundenundproProzessauftragentstehendabei
KosteninHöhevonmaximal15.910Euro.DesWeiterenistdieseKonfigurationflexibel
biszueinerStückzahlvonca.670CFK‐SchalenproJahr.GrößereAusschlägeinderSimu‐
lationsstudielassensichdadurcherklären,dassinsbesonderebeierhöhtemAuftretenan
Fertigungsfehlern das Bearbeitungszentrum stärker beansprucht wird und sich somit
Rückstausergeben,diedurchdengestörtenUmlaufanFormschalennochverstärktwer‐
den können. Das Produktionssystem ist in solchen Fällen vollkommen überlastet und
kommtzumeistauseinemsolchenZustandauchnichtmehrheraus.NebendenDurch‐
laufzeitenkanndiesauchdieAuftragskostenbetreffen,dawährenddesRückstausweiter
KostenfürdieRessourcennutzungberechnetwerden.
Abbildung 99: Vergleich der Simulationsszenarien Auftragskosten und Durchlaufzeit ImErgebnisistfestzustellen,dassmitderautomatisiertenDurchführungeinervoll‐
faktoriellen Versuchsplanung ein mächtiges Analysewerkzeug zur Verfügung steht, um
sowohl Sensitivitäts‐ als auch Leistungsanalysen durchzuführen. Über die eingesetzten
VerfahrenzurKorrelationsanalysekönnenzudemModellzusammenhängeundentspre‐
chendeWirkbeziehungenrelativschnellermitteltundfürdieGültigkeitsprüfungverwen‐
detwerden.DurchdieanschließendeRegressionsanalyseistzudemdieMöglichkeiteiner
weiterführenden Modelloptimierung gegeben. Die abschließende Leistungsanalyse er‐
möglicht eine detaillierte Bewertung der einzelnen Simulationsszenarien anhand defi‐
nierterLogistik‐undKostenkennzahlen.DieSimulationsszenarienkönnensomitmitei‐
nanderverglichenundeineVorzugsvarianteidentifiziertwerden.
6.4 Bewertung des Anwendungsnutzens DieEvaluierungdesModellierungskonzeptsGRAMOSAhatdessenFunktionsfähigkeit
grundsätzlichbestätigt.DieausdenHandlungsfeldernabgeleitetenAnforderungensind
im Modellierungskonzept berücksichtigt und auch im Softwareprototypen umgesetzt
worden.ImRahmenderEvaluierungwurdeausgehendvonderFertigungsaufgabeeine
entsprechendeModellbildungunterEinsatzdesSichtenkonzeptsvorgenommenundda‐
rauseinentsprechendesSimulationsmodellgeneriert.AufBasisderimRahmenderSen‐
BewertungdesAnwendungsnutzens 143
sitivitätsanalysedurchgeführtenSimulationsexperimentekonntendiezuvormodellier‐
tenSystemmerkmaleverifiziertundvalidiertwerden,wodurchdiekorrekteSimulations‐
modellgenerierung des Softwareprototypen nachgewiesen werden konnte. Zudem
konnteimHinblickaufdieSimulationsauswertunggezeigtwerden,dassmittelsderinte‐
griertenKostensimulationeinepraxisnaheLeistungsanalysedurchgeführtwerdenkann.
Allgemeinerbetrachtetistfestzustellen,dassderhierarchischeModellaufbauzueiner
konsequentenUmsetzungderentwickeltenVorgehensweisebeiträgt.Ausgehendvonden
übergeordnetenPlanungsprämissenaufProjektebeneerscheintdieeherbeschreibende
ModellierungvonProdukt‐undFertigungskonzeptsinnvoll,umzunächstdenfertigungs‐
technischen Aspekten der Produktionsentwicklung gerecht zu werden. Aufgrund der
VielzahlderFertigungselementewurdenimSoftwareprototypenzusätzlichFilterfunkti‐
onen implementiert, um zum Beispiel gezielt nach Objektbezeichnungen eine Auswahl
treffenzukönnen.DieUnterscheidungzwischenFertigungselementenundMaterialfluss‐
objektenkannabschließendalsrichtigerachtetwerden,weildadurchdasFertigungskon‐
zeptvonweitergehendenmaterialflusstechnischenÜberlegungenunberührtbleibt.Die
Evaluierungzeigtzudem,dassdiefinaleFabrikstrukturohnehinerstnachmehrerenOp‐
timierungszyklen ermittelt werden kann. Die frühe Definition von Organisations‐ und
LayoutkonzeptenistsomitkeinProblem,dadieinhaltlicheAusgestaltungprogrammtech‐
nisch auch im späteren Planungsverlauf erfolgen kann. Beim Steuerungskonzept er‐
scheintderModellierungsaufwandzunächstrelativhoch,dajederProzessdurcheinen
ProzessauftragundeinenentsprechendenAuftragsauslöserbeschriebenwerdenmuss.In
derPraxishatsichjedochgezeigt,dassdieseArtderModellierungrechteffektivistund
einfachdurchgeführtwerdenkann.DieModellierungdesSimulationskonzeptsfunktio‐
niertsehrgut,dasämtlicheParameterdesFabrikdatenmodellsalsSimulationsparameter
verwendetwerdenkönnen.EntsprechendkanneinSimulationsmodellrelativeinfachpa‐
rametrisiertundkalibriertwerden.LediglichdiestrukturelleVeränderungvonObjektbe‐
ziehungenistnichtimSimulationskonzeptenthalten,dadiesweitergehendeAuswirkun‐
genhabenkannundsomitentsprechendeKonzeptvarianten(Materialfluss‐,Steuerungs‐
konzept,etc.)anzulegensind.DieautomatischeModellauswertunghatsichalssinnvoll
erwiesen, da die manuelle Aufbereitung entsprechender Daten auch bei bestehenden
Kenntnissen um die Methoden der Modellstrukturanalyse, Dimensionierung, Sensitivi‐
täts‐undLeistungsanalysesehrzeitaufwendigist.
AbschließendsollnebenderinhaltlichenEvaluierungdieFragedeswirtschaftlichen
NutzensdesModellierungskonzeptsinseineraktuellenImplementierungdiskutiertwer‐
den.HierzuwerdenfolgendeBewertungskriterienverwendet:





Systematik
AnzahlderEinsatzmöglichkeiten
zeitlicherAufwand
Ergebnisqualität
nachhaltigeVerwendbarkeit
Im Hinblick auf bestehende kommerzielle Lösungen aus dem Umfeld der Digitalen
Fabrik,wiez.B.DELMIAProcessEngineer,stelltsichdasProblemderVergleichbarkeit
mit dem Modellierungskonzept GRAMOSA. Die entsprechenden Anwendungen stellen
FunktionalitätenzurVerfügung,diesichaufdieFeinplanungmittels3D‐Layout‐undPro‐
zessvisualisierungkonzentrieren.HinsichtlichdergraphischenProzessmodellierungent‐
sprechendieFunktionalitätenungefährderFertigungssichtvonGRAMOSA,diezurver‐
einfachtenAbbildungdesFertigungskonzeptsgeschaffenwurde.WeitergehendeMateri‐
alflussstrukturenundProzesslogikenwerdenvondigitalerFabriksoftwarenichtberück‐
sichtigt. Entsprechend ist eine Vergleichbarkeit aufgrund unterschiedlicher Planungs‐
schwerpunktenichtgegeben.UmdennocheinenAnwendungsnutzenbestimmenzukön‐
nen,wirdimFolgendendiemanuelleModellerstellunginTECNOMATIXPlantSimulation
mitder(teil‐)automatischenSimulationsmodellgenerierunginGRAMOSAverglichen.
DurchdieMöglichkeitzurErstellungvonKonzeptvariantenunddemstandardisier‐
ten Vorgehensmodell bestehen hier eindeutige Vorteile für GRAMSOA hinsichtlich der
systematischenPlanung.Esmusshierzujedochfestgestelltwerden,dassdieAnzahlder
EinsatzmöglichkeitenvonGRAMOSAgeringeristalsdievonTECNOMATIXPlantSimula‐
tion,dadie(teil‐)automatischeSimulationsmodellgenerierungaufeinerfestenStruktur
desFabrikdatenmodellsaufbaut.JenachAufgabenstellungmussbeurteiltwerden,obsich
damit eine hinreichend genaue Abbildung des Systems erreichen lässt. Da das Anwen‐
dungsbeispiel aufgrund der CFK‐Charakteristika schon als relativ komplex angesehen
werdenkann,istdavonauszugehen,dasseinerechtgroßeAnzahlweitererAufgabenstel‐
lungenabgebildetwerdenkann.KlareVorteilefürGRAMOSAbestehenhinsichtlichdes
zeitlichenAufwands,derErgebnisqualitätunddernachhaltigenVerwendbarkeit.Dadas
vorliegendeAnwendungsbeispielnichtmitStandardkomponenteninTECNOMATIXPlant
Simulationbeschriebenwerdenkann,müssteeinentsprechendaufgebautesSimulations‐
modellindividuellprogrammiertwerden.
UmeinenentsprechendenVergleichswertfüreinemanuelleModellerstellungzube‐
kommen, wurde das 3x3‐Maschinenmodell als Referenzszenario zur Bestimmung des
Modellierungs‐undSimulationsaufwandsverwendet.Das3x3‐Maschinenmodellistein
StandardmodellzurEvaluierungvonPlanungs‐undSteuerungsverfahrenimBereichder
Produktionslogistik [186]. Es beschreibt einen dreistufigen Fertigungsprozess für drei
Produkte,wobeifürjedesProduktunterschiedlicheRüst‐undBearbeitungszeitenaufje‐
derFertigungsstufeanfallen.AngelegtalsFließfertigungexistierenaufjederFertigungs‐
stufe drei Parallelmaschinen. Jedes Produkt besitzt auf jeder Fertigungsstufe eine Vor‐
zugsmaschine,währenddiebeidenanderenParallelmaschinenmitStrafzeitenfürRüst‐
undBearbeitungszeitenbeaufschlagtwerden.DasZielderSteuerungsoptimierungistzu‐
meistdieReduzierungvonDurchlaufzeitenundBeständendurchVerbesserungvonRei‐
henfolgeplanungundRessourcenauswahl.DieBefragungvonachterfahrenenSimulati‐
onsexpertenhatergeben,dassimDurchschnittmiteinerZeitvonca.zehnStundenfürdie
Modellerstellung gerechnet werden muss. Bei weniger erfahrenen Simulationsnutzern
kannmitAufwändenvonmindestenseinerWochegerechnetwerden.AlsModellspezifi‐
kationwurdedieVerwendungvonFIFO‐RegelnfürReihenfolgeentscheidungenundder
EinsatzdesQueueLengthEstimators(QLE)fürRessourcenauswahlentscheidungenge‐
nannt. Des Weiteren sollte die Implementierung von Mechanismen zur Modellauswer‐
tungbeiderAufwandsabschätzungberücksichtigtwerden.
Eingangs‐
lager
Maschine
(1;1)
Maschine
(1;2)
Maschine
(1;3)
Fertigungs‐
stufe 1
Maschine
(2;1)
Maschine
(2;2)
Maschine
(2;3)
Fertigungs‐
stufe 2
Maschine
(3;1)
Maschine
(3;2)
Maschine
(3;3)
Fertigungs‐
stufe 3
Ausgangs‐
lager
Abbildung 100: Aufbau des 3x3‐Maschinemodells (vgl. SCHOLZ‐REITER ET AL. [186]) Das3x3‐MaschinenmodellwurdeexemplarischmitGRAMOSAabgebildet,wobeifür
denMaterialflussjeweilseinzentralerPuffervorjederFertigungsstufeverwendetwurde
(AnhangIV).DurchdieseparateModellierungdesKontrollflusseswurdendieRessour‐
cenauswahlentscheidungensoimplementiert,dasssiedastypischeSystemverhaltenei‐
nes 3x3‐Maschinenmodells exakt nachbilden. Die Modellierung in GRAMOSA konnte
exemplarischineinemZeitraumvonwenigeralszweiStundenrealisiertwerden,wobei
dieSteuerungsfunktionenbereitsinderSimulationsumgebunghinterlegtwaren.Durch
dievollautomatischeVersuchsdurchführungentstandzudemkeinzusätzlicherAufwand
fürdieSimulationsdurchführungundDatenaufbereitung.UnabhängigvonderreinenZei‐
tersparniskannzudemeinedeutlichgesteigerteErgebnisqualitätbeimEinsatzvonGRA‐
MOSAerwartetwerden,dasichdurchdiegraphischeProzessvisualisierungkomplexeAb‐
läufeschnelleraufFehleranalysierenlassen.DesWeiterenkannmittelsderintegrierten
SensitivitätsanalyseauchdasGesamtsystemverhaltenumfassendvalidiertwerden.
Die nachhaltige Verwendbarkeit von Modellen ergibt sich in GRAMOSA durch die
MöglichkeitzurgraphischenModelldokumentationaufBasiseinesoffenenDateiformats
sowie der Möglichkeit des Exports aller Szenariodaten in Tabellenform. Dies kann zur
weitergehendenModellversionierungund‐archivierunggenutztwerden,waseineSimu‐
lationsmodellgenerierungund‐ausführungunabhängigvonderzentralenDatenbanklö‐
sungerlaubt.ImErgebnisistfestzustellen,dassdieeingangsidentifiziertenHandlungs‐
felderimRahmenderArbeitkonsequentadressiertwurdenundsichbeimEinsatzvon
GRAMOSAklareVorteileimBereichderGrobplanungerkennenlassen.DieEvaluierung
erfolgteanhandrelativkleinerProduktionsszenarien,weshalbeinweitergehenderNach‐
weisderSkalierbarkeitnochaussteht.TheoretischkönnteesbeigrößerenProduktions‐
szenarienaufgrundderimplizithohenModellauflösungimFabrikdatenmodellvonGRA‐
MOSAzuProblemenkommen,wennanwendungsbedingteineabstraktereModellierung
erforderlichist.HierzusindweitergehendeUntersuchungenerforderlich.
7 Zusammenfassung und Ausblick DieCFK‐TechnologiebefindetsichinvielenAnwendungsbereichenimÜbergangvon
der Kleinserien‐ zur Massenfertigung. Neben der Entwicklung entsprechender Ferti‐
gungstechnologienund‐verfahrenzurProzessautomatisierungbedarfesdesbegleiten‐
denEinsatzesstandardisierterPlanungswerkzeugeund–methoden,umdieInnovations‐
potenzialedieserLeichtbautechnologieauchfürdieMassenmärkte,wiez.B.derAutomo‐
bilindustrie,zuerschließen.IndiesemPunktsetztdasindieserArbeitentwickelteModel‐
lierungskonzeptzurdigitalenProduktionsentwicklungan.AusgehendvonderAnforde‐
rungsanalysewurdenspezifischeKriterienfürdiedigitaleProduktionsentwicklungder
CFK‐Serienfertigungentwickelt,umeineintegrierteFertigungs‐undLogistikplanungum‐
zusetzen.WesentlicheHerausforderungwardabeidieAbbildungmaterialflusskomplexer
Prozessabläufe,dieWerkzeugumläufe,Nacharbeit,verschiedeneFertigungszuständeund
Autoklavprozesse beinhalten. Zusätzliche Anforderungen ergaben sich durch den Um‐
gangmitPlanungsunsicherheitenundderNotwendigkeitzurUntersuchunggroßerLö‐
sungsräume,waseinerModellierungalternativerPlanungskonzepteunddenEinsatzder
(teil‐)automatischenModellgenerierungerforderlichmachte.DasZielwardabeidieEnt‐
wicklung eines Fabrikdatenmodells, welches sowohl die graphische Modellierung als
auch die nachfolgende Simulationsmodellgenerierung unterstützt. Zur Abbildung von
komplexen Prozessabläufen wurde zudem die Anforderung aufgenommen, die vier
Grundfunktionen der Produktionssteuerung (Auftragsfreigabe, ereignisorientierte Auf‐
tragserzeugung,ReihenfolgebildungundRessourcenauswahl)abzubilden.
ImStandderTechnikwurdenbestehendewissenschaftlicheAnsätzezurSimulations‐
modellgenerierunghinsichtlichihrerMöglichkeitenzurUmsetzungderzuvordefinierten
Anforderungen identifiziert und bewertet. Dabei konnte festgestellt werden, dass ver‐
schiedene Versuche unternommen wurden, bestehende Ansätze aus der Geschäftspro‐
zess‐undInformationssystemmodellierung(BPMN,SysML,KSA,etc.)zurSimulationsmo‐
dellgenerierungimKontextderProduktionundLogistikzunutzen.FüreinfacheAnwen‐
dungsbeispielemitsequenziellenProzessfolgenkonntediesaucherfolgreichumgesetzt
werden,abermaterialflusskomplexeProzessabläufelassensichdamitnichtabbilden.Ori‐
148 ZusammenfassungundAusblick
ginärwurdendieModellierungsansätzezurAbbildungvonGeschäftsprozessenundIn‐
formationsflüssenentwickeltwurden,weshalbentsprechendeFunktionalitätenzurAb‐
bildung von Materialflüssen fehlen. Explizit werden Materialflüsse nur vom Wert‐
stromdesignberücksichtigt,welchesauchdieMöglichkeitzurbestandsorientiertenAuf‐
tragserzeugungbesitzt.HinsichtlichderAnwendungsmöglichkeitenbeschränktsichder
EinsatzdesWertstromdesignsjedochaufkleinereSzenarienmitsequenziellenProzess‐
folgen.ImErgebniskonntesomitkeinexistierenderAnsatzidentifiziertwerden,dereine
prozessorientierte Modellierung von materialflusskomplexeren Prozessabläufen im
SinneeinergraphischenAbbildungerlaubt.
EntsprechendwurdeeineigenerLösungsansatzinFormdesModellierungskonzepts
GRAMOSAentwickelt,dasbewussteinematerialflussgerechteProzessmodellierungver‐
folgtundsichzwischenprozess‐undtransaktionsorientierterModellierungpositioniert.
Die Herausforderung dieser Arbeit lag darin,ein Fabrikdatenmodell mit Möglichkeiten
zur graphischen Repräsentation zu entwickeln, das sowohl zur materiaflussgerechten
ProzessmodellierungalsauchderspäterenMaterialflusssimulationgenutztwerdenkann.
HierzuwurdeeineeigenedomänenspezifischeModellierungsspracheunterVerwendung
von UML‐Notationselementen geschaffen, die mittels fester Notationssequenzen eine
durchgehendeAbbildungvonMaterialflüssenermöglicht.DurchdieEinführungvonPuf‐
ferobjekten können zum Beispiel Mengenbrüche und Materialflussverzweigungen se‐
mantischeindeutigmodelliertwerden.EinzweiteswesentlichesElementwardieEinfüh‐
rungvonereignisorientiertenAuftragsauslösern,diebeliebigimProzessablaufbzw.Pro‐
duktionssystem hinterlegt werden können und auf verschiedene Auslösungsereignisse
reagieren.DieseAuslösungsereignissekönnenzeit‐,prozess‐undbestandsorientiertsein.
JenachAnwendungsfalllassensichzumBeispielPufferbeständeoderProzessereignisse
überwachenundentsprechendeProzessaufträgeauslösen.UmdasgrundsätzlichePoten‐
zialdiesesAnsatzesunabhängigvomAnwendungsbeispielderCFK‐Serienfertigungauf‐
zuzeigen,wurdeninsgesamt18grundlegendeMaterialfluss‐undSteuerungsfunktionen
mittelsGRAMOSAinkleinerenAnwendungsbeispielenbeispielhaftmodelliert.
EingebettetwurdendieseFunktionalitätenineinenhierarchischenModellaufbau,der
ausachtKonzeptebenenbestehtunddiestringenteEntwicklungdesProduktionssystems
inklusiveentsprechenderProzessabläufesicherstellt.WesentlichesMerkmalisthierbei
diegezielteBildungvonKonzeptvariantenaufjederModellebene,umsystematischauch
größere Lösungsräume durchsuchen zu können. Dabei wird u.a. zwischen Fertigungs‐
undMaterialflusskonzeptunterschieden.ImFertigungskonzeptwirdzunächstderorigi‐
näreFertigungsablaufmodelliert,derimMaterialflusskonzeptdannweiterausgestaltet
wird.ImMaterialflusskonzeptkannzumBeispielderEinsatzvonLadungsträgernundzu‐
sätzlichenHandhabungs‐undTransportprozesseabgebildetwerden.DasFertigungskon‐
zeptbleibtdabeiunverändertundermöglichtjederzeiteinenschnellenÜberblickzumei‐
gentlichen Fertigungsablauf, was im detaillierteren Materialflusskonzept nur bedingt
möglichist.BegleitetdurcheinVorgehensmodell,welchesentsprechendeAktivitätenund
RollenvonderModellerstellungbishinzurSimulationundModellauswertungdefiniert,
wurdedasModellierungskonzeptGRAMOSAentworfenundexemplarischineinemSoft‐
wareprototypenumgesetzt.DerSoftwareprototypbestehtimKernauseinerMSAccess‐
DatenbankmitgrafischerBenutzeroberfläche,diedasentwickelteFabrikdatenmodellab‐
bildet.ZurgraphischenModellrepräsentationkommtderyEd‐GraphEditorzumEinsatz,
währenddieMaterialflusssimulationinTECNOMATIXPlantSimulationerfolgt.Zurgra‐
phischenRepräsentationwirddieimRahmenderArbeitentwickeltedomänenspezifische
Modellierungssprache verwendet. Anhand eines Anwendungsbeispiels der CFK‐Serien‐
fertigungausdemBereichderLuftfahrtindustriewurdedasModellierungskonzeptGRA‐
MOSA unter Verwendung des Softwareprototypens evaluiert. Dabei konnte die allge‐
meine Funktionsfähigkeit des Modellierungskonzeptsanhand dieses materialflusskom‐
plexen Anwendungsbeispiels nachgewiesen werden. Mittels automatisierter Versuchs‐
durchführungwurdesowohleineSensitivitätsanalysezurVerifizierungundValidierung
alsaucheineLeistungsanalysezurBestimmungeinermöglichenVorzugsvariantedurch‐
geführt.
Die mit dieser Arbeit angestrebten Zielsetzungen wurden somit erreicht. Dennoch
verbleibeneinigeoffeneFragestellungen,diezurweitergehendenwissenschaftlichenBe‐
arbeitunganregen.BislangstehtdieempirischeEvaluierungdesLösungsansatzesimin‐
dustriellenUmfeldnochaus.Esseijedochdaraufverwiesen,dassselbstfürkommerzielle
LösungennurbedingtbelastbareempirischeStudienvorliegen.EingroßesProblemist
dabeidieKlassifikationderAusgangssituation.ImNormalfallmussvonderExistenzbe‐
stehenderIT‐AnwendungenausgegangenwerdenundsomitfängtdieSystemeinführung
niemalsbeiNullan.AußerdemmussdabeiaufsubjektiveBewertungenzurückgegriffen
werden, da der Einfluss des Softwareeinsatzes im Projektgeschäft nur schwer objektiv
gemessenwerdenkann.UmdennocheinenAnhaltspunktfürdieEffizienzdesModellie‐
rungskonzeptszubekommen,wurdeimRahmendieserArbeitdas3x3‐Maschinenmodell
als bekanntes Untersuchungsszenario für Verfahren der Produktionssteuerung mittels
GRAMOSAmodelliertundsimuliert.ImVergleichzueinerdirektenErstellungdesSimu‐
lationsmodellsinTECNOMATIXPlantSimulationkonntendabeiineinerUmfrageunter
acht erfahrenen Simulationsexperten signifikante Zeiteinsparungen in der Größenord‐
nungvonca.80Prozentausgemachtwerden.ImErgebniszeigendieimRahmenderAr‐
beiterhobenenEvaluierungsergebnisse,dasseinedeutlicheSteigerungderPlanungsqua‐
lität bei gleichzeitiger Reduzierung der Planungszeit durch den Einsatz des Modellie‐
rungskonzeptsGRAMOSAerreichtwerdenkann.
DarüberhinausergebensicheinigeinhaltlicheFragestellungen,welchedieEinsatz‐
möglichkeiten und die Übertragbarkeit des Modellierungskonzepts auf andere Anwen‐
dungsbereiche betreffen. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich 18
grundlegendeMaterialfluss‐undSteuerungsfunktionenmitGRAMOSAmodellierenund
simulierenlassen.ZudemhandeltessichbeidemverwendetenAnwendungsbeispielder
CFK‐SerienfertigungausdemBereichLuftfahrtindustrieumeinmaterialflusskomplexes
Produktionsszenario, welches im Rahmen der (teil‐)automatischen Modellgenerierung
mit herkömmlichen Methoden und Softwareprogrammen nicht konsistent abgebildet
150 ZusammenfassungundAusblick
werdenkann.EntsprechendistvoneinergroßenÜbertragbarkeitdesentwickeltenMo‐
dellierungskonzeptsaufandereAnwendungsbereicheauszugehen,dieähnlichoderwe‐
nigerkomplexsind.GrundsätzlichistdasModellierungskonzeptfüreineSerienfertigung
mitgeringerProduktevielfaltundwenigenProduktvariantenentwickeltworden.Hierfür
isteinedetaillierteModellierungderProzessabläufeundMaterialflüsseerforderlich,da
jeder Handhabungsschritt im späteren Betrieb tausendfach durchlaufen wird und ent‐
sprechendsorgfältiggeplantwerdenmuss.NichtalleAnwendungenerfordernabereine
derartigdetaillierteModellierungdesMaterialflusses,weshalbsichderEinsatzvonGRA‐
MOSAzurModellierungeinerWerkstattfertigungmithoherProduktevielfaltalszuauf‐
wendigerweisenkönnte.BeiderklassischenWerkstattfertigungwerdenFertigungsab‐
läufeinFormvonArbeitsplänenohneexpliziteAusgestaltungdesMaterialflussesmodel‐
liert.EineweitergehendeMaterialflussplanungfindetzumeistnichtstatt.Ineinemnächs‐
tenSchrittwäredeshalbzuuntersuchen,inwiefernsolcheeinfachenProzessabläufeohne
Materialfluss‐ und Steuerungskonzept effizient in GRAMOSA abgebildet und simuliert
werdenkönnten.Zudemwärezuuntersuchen,obsichderProzessderModellerstellung
durchentsprechendeSemantikchecksunddenEinsatzintelligenterModellierungsassis‐
tentenweiterbeschleunigenließe.AusderReferenzmodellforschungsindhierzuAnsätze
bekannt,dieerheblicheZeitersparnisbeiderDefinitionvonstandardisiertenProzessab‐
läufenversprechen.
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Anhang Anhang Ia: Richttabelle zum Auftreten von Fehlern (Prozess‐FMEA) Bewertung
1
WahrscheinlichkeitdesAuftretens
sehrgering:Fehlerist
unwahrscheinlich
1/10.000
2‐5
gering:relativwenigeFehler
1/5.000‐
1/500
6‐7
mäßig:gelegentlicheFehler
1/200‐
1/20
8‐9
hoch:wiederholteFehler
1/10‐1/5
10
sehrhoch:Fehleristnahezu
unvermeidlich
>1/2
Vgl.[187],[188],[189].
Häufigkeit
170 Anhang
Anhang Ib: Richttabelle zur Bedeutung von Fehlern (Prozess‐FMEA) Bewertung
1
Bedeutung(AuswirkungaufdenKunden)
keine:keinEffekt
2‐3
wenig:KundebemerktdenFehler,aberwirddurch
denFehlernurweniggestört
4‐6
mäßig:KundebemerktdenFehlerundist
unzufrieden
7‐8
hoch:KundewirddurchdenFehlerbeeinträchtigt
undistverärgert
9‐10
sehrhoch:KundewirddurchdenFehlerstark
beeinträchtigtundistsehrverärgert
Vgl.[187],[188],[189].
Anhang Ic: Richttabelle zur Entdeckung von Fehlern (Prozess‐FMEA) Bewertung WahrscheinlichkeitderEntdeckung Prozent[%]
1
sehrhoch:Fehlerkannfastsicher
entdecktwerden
2‐5
hoch:hoheWahrscheinlichkeit,dass >99,7
derFehlerentdecktwird
6‐8
mäßig:Fehlerwirdmeistens
entdeckt
>98
9
gering:Fehleristnurschwerzu
entdecken
>90
10
unwahrscheinlich:Fehleristkaum
zuentdecken
<90
Vgl.[187],[188],[189].
>99,99
Anhang 171
Anhang IIa: Modellstrukturanalyse DieModellstrukturanalysebeschreibtdiestatischeAuswertungderModellstruktur.
InAnlehnunganSTÜRMERETAL.lassensichanhandderModellmetrikverschiedeneAus‐
sagenhinsichtlichderTestbarkeit,WartbarkeitundderpotenziellenFehleranzahleines
Modellsableiten[190].DieTestbarkeitbeschreibtdabeidieglobaleKomplexitätdesMo‐
dells,welchemaßgeblichdenAufwandderVerifikationundValidierungbestimmt.Über
Testläufebzw.SimulationsexperimenteistdieValiditätdesSimulationsmodellsnachzu‐
weisen.DieWartbarkeitorientiertsichanderlokalenModellkomplexität,welcheimWe‐
sentlichen durch den hierarchischen Aufbau und den Grad der Objektorientierung be‐
stimmtwird.JebessereinBereichgekapseltwerdenkann,destobesseristerzuwarten.
DerletzteAspektbeschreibtdasModellvolumen,welchesdirektenEinflussaufdieAnzahl
potenzieller Fehler hat. Im Rahmen dieses Modellierungskonzepts werden folgende
StrukturparameterzurModellstrukturanalyseverwendet:



GlobaleKomplexität(‐>Testbarkeit)
o AnzahlallerMaterialflussbeziehungen
LokaleKomplexität(‐>Wartbarkeit)
o Organisationseinheiten
 AnzahlexternerMaterialflussbeziehungen
 AnzahlinternerMaterialflussbeziehungen
Modellvolumen(‐>AnzahlpotenziellerFehler)
o AnzahlallerProzesse
DaessichhierumabsoluteWertehandelt,sinddieStrukturparameterinersterLinie
zumVergleichverschiedenerProduktionsszenariengeeignet.BeiderglobalenKomplexi‐
tätwirddieSummeallerMaterialflussbeziehungenangesetzt.DaessichumModellezur
Materialflusssimulation handelt, erschwert jede zusätzliche Materialflussbeziehung die
Nachvollziehbarkeit des Systemverhaltens und somit die Identifikation von Modellie‐
rungsfehlern.DielokaleKomplexitätwirdfürjedeOrganisationseinheitüberdieAnzahl
externersowieinternerMaterialflussbeziehungenbestimmt.EinegroßeAnzahlexterner
Materialflussbeziehungen erschwert die Modellwartung, da jede Änderung mindestens
zwei Organisationseinheiten betrifft. Das Modellvolumen wird anhand der Anzahl ver‐
wendeterProzessebestimmt.DieshatzumHintergrund,dassdasModellierungskonzept
starkprozessorientiertaufgebautistundjederProzessschritteinenentsprechendenAus‐
gestaltungsaufwandmitsichbringt.DieModellstrukturanalysebietetgrundsätzlichdie
Möglichkeit,schnelleAussagenzurTestbarkeit,WartbarkeitundderpotenziellenFehler‐
anzahldesModellszumachen.
172 Anhang
Anhang IIb: Sensitivitätsanalyse ImRahmenderSensitivitätsanalyseerfolgteinTeilderDatenauswertungmittelsKor‐
relationsanalyse.InsbesonderefürlineareModelleexistiereneineReiheeinfacherKenn‐
werte[191],wiez.B.normierterRegressionskoeffizient,PartialsummederQuadrateoder
PartiellerDeterminationskoefﬁzient,diehierfürverwendetwerdenkönnen.DesWeite‐
renbietetsichderEinsatzvonKorrelationsanalysenzurIdentifikationvonWirkungszu‐
sammenhängenan[192].ImSinnederValidierungundVerifikationkönnensolcheWir‐
kungszusammenhänge dann von Experten auf Plausibilität geprüft werden. Besonders
einfachelineareKorrelationeneignensichgut,weilsiesichleichtausdemErfahrungs‐
wissenüberentsprechendeModell‐oderSystemeigenschaftenableitenlassen.
ImHinblickaufeinestatistischeAnalysederSimulationsergebnisseisthierfüreigent‐
lichdieIdentifikationvonKausalitätenerforderlich,umvonWirkungszusammenhängen
sprechenzukönnen.DerNachweisvonKausalitätenistabererheblichschwierigeralsder
NachweisvonKorrelationen.KorrelationenbeschreibenlediglicheinenstatistischenZu‐
sammenhang.FürdenNachweisvonKausalitätbedarfeshingegendreierBedingungen,
diealleerfülltseinmüssen[193]:
1. ZweiVariablenAundBhängenstatistischmiteinanderzusammen(Korrelation)
2. AliegtzeitlichvorB.
3. DerZusammenhangzwischenAundBbleibtauchbestehen,wenndieEffektevon
anderenVariablen,dieAundBzeitlichvorausgehen,eliminiertwerden.
InsbesonderediedritteBedingungistnurdurchdenEinsatzmultivariaterAnalysen
zuprüfen,weshalbsichimFolgendenaufdenNachweisvonKorrelationenkonzentriert
wird.Diesesindeinenotwendige,abernichthinreichendeVoraussetzungfürKausalität
[193].FürdieKorrelationsanalyseexistierenverschiedeneBerechnungsformendesKor‐
relationskoeffizienten,wobeidieamweitestenverbreitetsteFormdienachBravais‐Pear‐
sonist[194].
DerKorrelationskoeffizientbeschreibtdenlinearenZusammenhangzwischenzwei
Merkmalen.ErkannWertezwischen−1und+1annehmen,wobei‐1einenvollständigen
negativenund+1einenvollständigpositivenlinearenZusammenhanganzeigt.BeimWert
0sinddieMerkmalenichtlinearvoneinanderabhängig,aberkönnentrotzdemnicht‐li‐
nearvoneinanderabhängigsein.VoraussetzungfürdenEinsatzdesKorrelationskoeffi‐
zientennachBravais‐PearsonistdasVorliegenmetrischskalierterundnormalverteilter
Merkmale.DieVoraussetzungderNormalverteilungwirdoftmalsmissachtet[194],wes‐
halbauchindieserArbeitaufdenKorrelationskoeffizientenrnachBravais‐Pearsonzu‐
rückgegriffenwird.DieentsprechendeFormellautet[195]:
∑
(5)
∑
̅
̅ ∙∑
Anhang 173
DieVariablenrepräsentiertdieAnzahlderUntersuchungseinheiten.DiePrüfgrößet
fürdent‐TestkanndirektausdemempirischenKorrelationskoeffizientenrnachfolgen‐
derFormelberechnet:
(6)
∙√
√
Dert‐TestisteinHypothesentestbasierendaufeinert‐Verteilung,welcherdiestatis‐
tischeÜbereinstimmungzweierMessreihenuntersuchtundsomiteineAussageüberdie
statistischeSignifikanzmacht.NachallgemeinerKonventionwirddieNullhypothesever‐
worfen,wenndasSignifikanzniveaukleiner5Prozentist[196].DaderempirischeKorre‐
lationskoeffizientnachBravais‐PearsonrelativstarkaufAusreißerreagiert,wirdimFol‐
gendenauchnochdieBerechnungsformnachSpearmaneingesetzt.BeiderBerechnungs‐
formnachSpearmanhandeltessichumeinenRangkorrelationskoeffizient,dersichnor‐
malerweise robust gegenüber Ausreißern verhält und keinen linearen Zusammenhang
voraussetzt.GrundsätzlichkannerauchfürordinaleMerkmaleeingesetztwerden,daer
mit Rangunterschieden arbeitet und nicht mit absoluten Werten [193]. Die entspre‐
chende Formel für den Korrelationskoeffizienten nach Spearman, welcher mit rs abge‐
kürztwird,lautet:
(7)
1
∙∑
∙
²
DieVariabledirepräsentiertdenRangplatzunterschiedderi‐tenUntersuchungsein‐
heitderbeidenMerkmale.ZurBerechnungderPrüfgrößetfürdenKorrelationskoeffi‐
zienten nach Spearman kann die gleiche Formel wie für den Korrelationskoeffizienten
nachBravais‐Pearsonverwendetwerden:
(8)
∙√
MittelsderbeidenvorgestelltenKorrelationskoeffizientennachBravais‐Pearsonund
Spearmansowiedenentsprechendent‐TestskönnenKorrelationenidentifiziertundsta‐
tistischausgewertetwerden.DurchdiePlausibilitätsprüfungderKorrelationenkanneine
VerifikationundValidierungdesSimulationsmodellserfolgen.EineweitereMethodezur
AuswertungdesSimulationsmodellsimRahmenderSensitivitätsanalyseistdielineare
Regressionsanalyse.
MitderlinearenRegressionsanalysewerdenlineareTrendsineinerDatenreiheiden‐
tifiziert.HierbeiwirdderRegressionskoeffizientβ1imRahmeneinerlinearenRegressi‐
onsanalyseunterEinsatzderMethodederkleinstenQuadrateausgehendvonfolgender
Formelermittelt:
174 Anhang
(9)
EinemultiplelineareRegressionerfolgtnicht,dadieseimVerständnisdieserArbeit
zurModellvalidierungnichtbenötigtwird.WeiterhinkanndernormierteRegressionsko‐
effizientβmittelsfolgenderFormelausdemlinearenRegressionskoeffizientengebildet
werden:
(10)
∙
InderFormelrepräsentierenSxundSydieStandardabweichungenderunabhängigen
VariablexundderabhängigenVariabley.DernormierteRegressionskoeffizientwirdver‐
wendet,umdenEinflussmehrererunabhängigerVariablenzuvergleichen[197].Esist
damit möglich solche Variablen zu identifizieren, die einen besonders starken oder
schwachenEinflussaufdieabhängigenVariablenbesitzen.SofernnureineeinfacheRe‐
gressionsanalysemiteinemlinearenRegressionskoeffizientendurchgeführtwird,nimmt
dernormierteRegressionskoeffizientdiegleichenWertewiederKorrelationskoeffizient
nachBravais‐Pearsonan[198].
Anhang 175
Anhang IIc: Leistungsanalyse DieLeistungsanalysedientzurBewertungverschiedenerProduktionsszenarienan‐
hand von Bewertungskennzahlen. Grundsätzlich existieren zahlreiche logistische und
monetäreKennzahlen,diefüreineBewertungherangezogenwerdenkönnen.Diemeisten
füreinProduktionssystemcharakteristischenKennzahlenkönnennursimulationsbasiert
erhobenwerden.AufgrunddesangestrebtenhohenAutomatisierungsgradsbeiderGene‐
rierungdesSimulationsmodellsistessinnvoll,auchdieSimulationsdurchführungund‐
auswertung zu automatisieren, um den Gesamtaufwand nachhaltig zu reduzieren. Ent‐
sprechendwerdenimRahmenvonGRAMOSAfolgendeKennzahlenautomatischerhoben:


LogistischeKennzahlen
o Aufträgeeingelastet
o Aufträgebeendet
o durchschnittlicheGesamtsystemauslastunginProzent
o durchschnittlicheGesamtauftragsdurchlaufzeitinStunden
o durchschnittlicheBestandsanzahlinStück
Fertigungs‐undMaterialkosten
o FixkosteninEuro
o VariableKosteninEuro
o BestandskosteninEuro
o MaterialkosteninEuro
o GesamtkosteninEuro
DieBerechnungderFertigungs‐undMaterialkostenerfolgtwährendderSimulation
mittelseinesProzesskostenansatzes,wobeidieermitteltenFertigungs‐undMaterialkos‐
tenimRahmeneinerdifferenzierendenZuschlagskalkulationinHerstellkostenüberführt
werdenkönnen.DieFertigungskostenwerdenimRahmenvonGRAMOSAnachdemVer‐
ursachungsprinzipwiefolgterhoben:



fixeKostenderOrganisationseinheitenproJahr
variableKostenderOrganisationseinheitenproStunde
BestandskostenderPufferfürMaterialflussobjekte
o BestandswertproStück
o WerkzeugkostenproJahr
o PersonalkostenproJahr
DiefixenKostenKFderOrganisationseinheitgfüreinenSimulationslaufwerdenent‐
sprechendderSimulationsdauertsunddenBetriebsstundenproJahrtbanteiligfürden
SimulationslaufaufBasisderfixenKostenproJahrKFJumgerechnet.
(11)
∙
176 Anhang
DievariablenKostenKVderOrganisationseinheitgwerdeninAbhängigkeitderAuf‐
tragszeittanachAuftragsendedurchVerrechnungmitdenvariablenKostenproStunde
KVSkalkuliert.
∙ ta
(12)
DieNeuberechnungderBestandskostenKBdesPuffersierfolgtmitjedemZugangs‐
oderAbgangsereignis.DieentsprechendeZeitdifferenzdzumletztenEreigniswirdjahr‐
anteiligzurBerechnungderKapitalkostenaufBasisdesBestandswertsBWjedesenthal‐
tenenMaterialflussobjektsmunddesZinssatzesZverwendet.
(13)
∑
∙
∙z
AußerdemwerdendieWerkzeugkostenKWfürjedenPufferiinAbhängigkeitderSi‐
mulationsdauertsundderBetriebsstundenproJahrtbberechnet,indemdieWerkzeug‐
kostenproJahrKWJfürjedesenthalteneMaterialflussobjektmaufdenPufferiumgelegt
werden.
(14)
∑
∙
∙ AnalogdazuwerdenauchdiePersonalkostenaufdiePufferumgelegt.MöglicheKos‐
tenderPufferfürdieLagerinfrastrukturkönnenüberdiezugeordnetenOrganisations‐
einheitenimRahmenderfixenundvariablenKostenerfasstwerden.Diewährenddes
SimulationslaufsanfallendenFertigungskostenFKSkönnenüberAdditionderKostenfür
OrganisationseinheitenundPufferberechnetwerden.
(15)
∑
∑ 1
1
Neben den Fertigungskosten müssen zur späteren Ermittlung von Herstellkosten
auchdieMaterialkostenerhobenwerden.AuchdieserfolgtimRahmenderSimulation‐
sumgebungnachdemVerursachungsprinzipunddieKostenfürMaterialentnahmenwer‐
dendirektamPuffererhoben.InderaktuellenImplementierungwerdendabeinurKos‐
tenfürMaterialentnahmenKMEprotokolliert,dieanPuffernentstehen,welchealsQuell‐
pufferqundsomitSystemgrenzedienen.
(16)
∑
1
DieGesamtmaterialkostenGMKentsprechensomitderSummeallerKostenfürMate‐
rialentnahmenüberallePuffer,dieQuellpuffersind.
Anhang 177
Anhang IIIa: „CFK‐Serienfertigung“ ‐ durchschnittliche Auslastung der Organisationseinheiten Anhang IIIb: „CFK‐Serienfertigung“ ‐ Anteil offener und beendeter Aufträge 178 Anhang
Anhang IVa: „3x3‐Maschinenmodell“ ‐ Materialflussschema Anhang 179
Anhang IVb: „3x3‐Maschinenmodell“ ‐ Versuchsplanung Einlastungsintervall Werkstück 1 [min]
Einlastungsintervall Werkstück 2 [min]
Einlastungsintervall Werkstück 3 [min]
Simulationsparameter
Anfangswert
240
480
720
Schrittgröße
240
240
240
Schrittanzahl
1
1
1
Anhang IVc: „3x3‐Maschinenmodell“ ‐ Ergebnisse der Korrelationsanalyse 180 Anhang
Anhang IVd: „3x3‐Maschinenmodell“ ‐ Ergebnisse der Regressionsanalyse Anhang 181
Anhang IVe: „3x3‐Maschinenmodell“ ‐ durchschnittliche Auslastung der Organisationseinhei‐
ten Anhang IVf: „3x3‐Maschinenmodell“ ‐ Anteil offener und beendeter Aufträge

Modellierungskonzept zur integrierten Planung und - E-LIB

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