Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung (eBook)

Markus Möhrle studierte Maschinenbau und Betriebswirtschaftslehre an der RWTH Aachen und der Tsinghua Universität in Peking. Seit 2012 ist er als Unternehmensberater für Roland Berger tätig. 2018 promovierte er bei Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann (Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT, Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik iLAS) an der Technischen Universität Hamburg.

Zusammenfassung 6
Inhaltsverzeichnis 7
Abbildungsverzeichnis 10
Abkürzungsverzeichnis 15
Formelzeichen 17
1 Einleitung 19
1.1 Ausgangssituation 19
1.2 Zielsetzung 20
1.3 Forschungskonzeption 21
1.4 Aufbau dieser Arbeit 22
2 Grundlagen des Betrachtungs- und Gestaltungsbereichs 24
2.1 Additive Fertigungstechnologien 24
2.1.1 Klassifizierung und Eigenschaften additiver Fertigungsverfahren 24
2.1.2 Fertigungsprozesskette des Laser-Strahlschmelzens 26
2.1.3 Einsatzgebiete additiver Fertigungsverfahren 36
2.1.4 Geschäftsmodelle der additiven Fertigung 37
2.1.5 Produktivitätspotenziale der Prozesskette additiver Fertigungsverfahren 41
2.2 Fabrikplanung 48
2.2.1 Ziele der Fabrikplanung 49
2.2.2 Planungsprozess 49
2.2.3 Entscheidende Rolle der Strukturplanung im Rahmen der Fabrikplanung 55
2.2.4 Planungsbereiche der Fabrikplanung 56
2.2.5 Alternativenbildung in der Fabrikplanung 60
2.3 Produktionsprogramme 62
2.3.1 Strukturdeterminanten von Produktionsprogrammen 63
2.3.2 Struktur (Merkmale und Ausprägungen) 65
2.3.3 Strukturtypologie 68
2.3.4 Erhebung im Unternehmenskontext 70
2.3.5 Rolle bei der Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 71
2.4 Simulationsbasierte Ansätze im Rahmen der Fabrikplanung 71
2.4.1 Simulationsbasierte Ansätze in der Planung und Optimierung von Fabriken 71
2.4.2 Vorgehensmodell zur Erstellung von Simulationsstudien 74
2.4.3 Konzepte für die Dimensionierung von Produktionssystemen 77
3 Definition des Forschungsbedarfs 79
3.1 Marktseitige Bedeutung 79
3.1.1 Gesamtentwicklung additiver Produktionskapazitäten 79
3.1.2 Bedeutung entlang der Wertschöpfungskette 80
3.2 Forschungsbedarf 81
3.2.1 Unzulänglichkeit bestehender Methoden und Anforderungen an eine Methode für die Gestaltung von Fabrikstrukturen für additive Fertigungsverfahren 81
3.2.2 Fehlende ganzheitliche Bewertung von Produktivitätspotenzialen 83
3.3 Ableitung des Forschungsbedarfs und Berücksichtigung in dieser Arbeit 83
4 Modell zur Bewertung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 85
4.1 Aufgabendefinition 85
4.2 Beobachtungen am Realsystem 85
4.3 Systemanalyse 86
4.3.1 Systemdefinition 86
4.3.2 Aufbaustruktur des Systems 92
4.3.3 Ablaufstruktur des Systems 100
4.4 Datenbeschaffung und -aufbereitung 111
4.4.1 Finanzwirtschaftliche Information 111
4.4.2 Zeitwirtschaftliche Information 114
4.4.3 Wertschöpfungstiefendefinition 124
4.5 Modellformalisierung und Implementierung 125
4.6 Verifikation und Validierung 125
4.6.1 Verwendete Verifikations- und Validierungstechniken im Rahmen der Simulationsstudie 126
4.6.2 Validierung der Simulationsergebnisse 127
4.6.3 Fazit zur Verifikation und Validierung 131
5 Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 132
5.1 Konzeption der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 132
5.2 Detaillierung der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 133
5.2.1 Anforderungsermittlung 133
5.2.2 Strukturvariantenbildung 137
5.2.3 Variantenauswahl 142
5.3 Anschlussfragestellungen 144
5.3.1 Anforderungen an die sekundäre Fabrikstruktur 144
5.3.2 Gestaltung des Fabriklayouts 145
5.4 Anwendung der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 147
5.4.1 Anwendungskontext 147
5.4.2 Anforderungsermittlung 149
5.4.3 Strukturvariantenbildung 153
5.4.4 Variantenauswahl 156
6 Produktivitätspotenziale der Prozesskette additiver Fertigungsverfahren 163
6.1 Analyse der Produktivitätspotenziale 163
6.1.1 Sensitivitätsanalyse der additiven Prozesskette 164
6.1.2 Beurteilung ausgewählter Produktivitätspotenziale 166
6.2 Potenziale additiver Ersatzteilfertigung in der Luftfahrtindustrie 170
7 Anwendung und praktische Validierung 181
7.1 Anwendung der Methode zur Gestaltung von Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 181
7.1.1 Projektplan für die Anwendung im Rahmen einer Fabrikplanung 181
7.1.2 Fallbeispiel: Layoutplanung (Deutsche Bahn) 183
7.2 Anwendung für die Ermittlung von Produktivitätspotenzialen für die Prozesskette der additiven Fertigung am Fallbeispiel einer Szenarioanalyse 185
8 Schlussbetrachtungen 187
8.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 187
8.2 Ausblick für Praxis und Forschung 188
Literaturverzeichnis 191
Anhang A Auswirkungen additiver Fertigungsverfahren auf die Wertschöpfungskette 206
Anhang B Datengrundlage 210
B.1 Ermittlung der Regressionskoeffizienten für den Prozessschritt Baujob fertigen 210
B.2 Überprüfung der herangezogenen Rüstzeiten auf Normalverteilung 212
B.3 Verwendete zeitwirtschaftliche Informationen 212
B.4 Checkliste zur fallspezifischen Modellanpassung 217
B.5 Unterstützende Daten 218
B.6 Einfluss von Nachbearbeitungssequenz und Auftragslosgröße 218
B.7 Variationskoeffizient der Durchlaufzeit 219
B.8 Transkript durchgeführter Interviews 220
B.8.1 Einsatz von Computertomographie zur Qualitätssicherung in der Prozesskette der additiven Fertigung 220
B.8.2 Einsatz von Drahterodiermaschinen in der Prozesskette der additiven Fertigung 220
B.8.3 Beobachtungen der betrieblichen Praxis am LZN Laser Zentrum Nord und dem iLAS Institut für Laser- und Anlagensystemtechnik 221
B.8.4 Maschinen in der Teilefertigung 221
B.8.5 Fabrikstrukturen für die additive Fertigung 222