Intelligent automatisieren

Produktionssysteme - Die Globalisierung verschärft den internationalen Wettbwerb. Die Frage ›Wie und wo montieren?‹ wird für jedes produzierende Unternehmen schnell zur Überlebensfrage.

18. Juli 2006

Kostendruck, Lieferzeiten und Qualität sind die dominierenden Treiber im Markt. Dazu kommen Sicherheit und Umweltschutz - mit schwankender Bedeutung. Mit zwei Ansätzen wird heute auf den Marktdruck in der Fertigung reagiert: Einführung eines Produktionssystems und/oder Verlagerung an kostengünstigere Standorte in anderen Ländern. Durch ein Produktionssystem lassen sich Kosten, Lieferzeiten und Qualität immer verbessern. Die Produktionsverlagerung hilft zwar meist bei den Arbeitskosten, bringt aber oft Nachteile bei Transportzeiten - Stichwort: Just in Time - und Null-Fehler-Prozessen. Produktionssysteme sind somit die wichtige Antwort auf die heutigen Anforderungen des Marktes. Ein Blick auf ihre Merkmale und Prinzipien zeigt, ob sie im Widerspruch zur Automatisierung stehen.

Produktionssysteme: keine Erfindung der Neuzeit

Produktionssysteme sind nicht neu und kommen nicht ausschließlich aus Japan: So wurden bereits im 12. Jahrhundert in Venedig Kriegsschiffe im Stundentakt fertiggestellt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts perfektionierte Henry Ford seine Fließfertigung auf Basis des Taylorismus. 1960 führte Toyota ein Produktionssystem ein, das nach und nach verbessert wurde. Mit der MIT-Studie (Massachusetts Institute of Technology) und dem Buch „The Machine that Changed the World“ weckten Anfang der 90er-Jahre James P. Womack und Daniel T. Jones die westliche Welt, vor allem die US-Automobilindustrie. Produktionssysteme finden wir heute bei Serienfertigern wie Porsche, Festool oder Bosch und bei reinen Auftragsfertigern wie Hyundai Heavy Industries oder Boeing. Sie sind gekennzeichnet durch Just-in-Time-Fertigung mit hoher Transparenz und der Vermeidung von Verschwendung. Auf Ordnung und Sauberkeit (5S-Methode) basieren vier Säulen:

- Null-Fehler-Prinzip,

- Pull-Prinzip,

- Takt-Prinzip und

- Fließ-Prinzip.

Das Ziel „Null Fehler“ erfordert und sichert störungsfreie, fließende Prozesse. Wichtiges Instrument dazu ist ein Störungsmanagement, bei dem alle Störungen sofort behoben und in täglichen Zirkeln kontinuierlich alle Ursachen auftretender Störungen systematisch beseitigt werden.

Das „Pull-Prinzip“ (ziehende Fertigung) bedeutet, dass der jeweils nachgelagerte Prozess Aufträge und Material zieht. Ausgang ist der konkrete Kundenauftrag. Teile werden, wenn überhaupt, beim vorhergehenden Prozess gelagert. Effekte der konsequenten Bedarfsorientierung sind niedrige Bestände, Flächeneinsparung und verbesserte Termintreue.

Beim „Takt-Prinzip“ bestimmt die durchschnittliche Nachfrage des Kunden den Rhythmus der Produktion. Voraussetzungen sind ein verbesserter Forecast des Vertriebs für eine treffsichere Programmplanung und eine effektive Produktionssteuerung. Ziel ist der One-Piece-Flow, der Puffer eliminiert und die Durchlaufzeiten drastisch reduziert. Begleitend müssen dazu erhebliche Anstrengungen zur Verringerung der Rüstzeiten unternommen werden.

Automatisierung und moderne Montagesysteme

Die Frage, ob Automatisierung ein Produktionssystem behindert oder seine Prinzipien unterstützt, ist klar zu beantworten: Automatisierung sichert eindeutig das Null-Fehler-Prinzip, unterstützt das Pull-Prinzip und ist die beste Voraussetzung und Absicherung des Takt- sowie des Fließ-Prinzips.

Wichtig dabei ist, dass die Kapazitätsauslastung der Einrichtungen sichergestellt ist und Umlaufbestände, Transportwege sowie Umrüstaufwände minimiert sind.

Wie sieht nun die wirtschaftlichste Lösung für eine Montageaufgabe aus, und welches ist der richtige Automatisierungsgrad? Die Auslegung eines Montagesystems hängt primär von folgenden Faktoren ab: Produktionsvolumen, Produktlebenszeit, Typen- und Variantenvielfalt, Teilegewicht und -größe sowie Teilekomplexität.

Früher wurden Montagesysteme anhand fest geplanter Stückzahlverläufe und Variantenbäume ausgelegt. Die festgelegten Planzahlen treffen heute aber immer weniger den späteren, tatsächlichen Verlauf. Die Planungen sind entweder zu optimistisch - mit der Folge unausgelasteter Kapazitäten und zu hoher Herstellkosten - oder zu pessimistisch - was Lieferprobleme und den Verlust von Marktanteilen nach sich zieht.

Basis moderner Systemauslegungen ist deshalb die Prognosesicherheit, das heißt: Wie sicher kommt eine bestimmte Produktions-Stückzahl und wie lange lebt das Produkt mit Sicherheit.

Der wirtschaftlichste Typ eines Montagesystems lässt sich anhand zweier Kriterien bestimmen und auswählen:

- sicheres und hohes Produktionsvolumen beziehungsweise unsicheres oder kleines Produktionsvolumen oder

- sichere und lange Produktlebensdauer beziehungsweise unsichere oder kurze Produktlebensdauer.

Vier unterschiedliche Montagesystemtypen

Bei unsicherem Produktionsvolumen und unsicherer Lebensdauer ist ein manuelles Produktionssystem die richtige Wahl. Wesentliche Merkmale sind Handarbeitsplätze, Anordnung in U-Form, Verkettung von Hand per Schiebestrecke oder per Rollenbahn sowie Teilebereitstellung aus dem „Supermarkt“.

Ein adaptives Produktionssystem kommt bei unsicherem Produktionsvolumen - aber sicherer Lebensdauer - zum Einsatz. Es lässt sich an den Kapazitätsbedarf durch stufenweise Investitionen ohne Vorleistungen anpassen, bietet einen breiten wirtschaftlichen Stückzahlbereich (Faktor 10), die durchgängige Nutzung von Kernprozessen und kurze Umrüstzeiten.

Bei sicherem Produktionsvolumen aber unsicherer Lebensdauer ist die flexibel automatisierte Zelle im Vorteil. Das Handhaben und Fügen ist hier automatisiert, die Teilezuführung erfolgt manuell oder aus Magazinen. Der Standardisierungsgrad ist hoch und gewährleistet ein einfaches Umstellen auf neue Produkte.

Die vollautomatisierte Linie wird bei hohem, sicherem Produktionsvolumen und sicherer Lebensdauer eingesetzt. Sie besteht aus verketteten Automatikstationen und gewährleistet kurze Taktzeiten, eine hohe Produktivität sowie die automatisierte Teilezuführung.

Allgemein gültige Zahlenwerte zur Abgrenzung dieser vier Montagesystemtypen lassen sich nicht angeben. Sie sind produktspezifisch. Die horizontale Trennlinie kann bei einem Volumen von 100.000 Teilen pro Jahr für einfache Produkte oder bei 1.000.000 Teilen pro Jahr bei komplexen Produkten liegen, die vertikale Trennlinie zwischen sechs Monaten und drei Jahren. Dabei sind die Übergänge zwischen den Systemtypen natürlich fließend - Stichwort: hybride Montage- und Produktionsanlagen. In den Übergangsbereichen und beim adaptiven Produktionssystem ist die Auswahl des geeigneten Verkettungssystems mit entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der gesamten Lösung.

Verkettungssysteme im Kostenvergleich

In jedem Montagesystem werden Werkstücke von A nach B transportiert. Dies kann manuell (in einem Hoch- oder Niedrigkostenland), per Pick-and-Place-Einheit oder mit einem Transfersystem erfolgen. Der Kostenvergleich bei einem Werkstückgewicht von zehn Kilo zeigt, dass bei Taktzeiten unter 35 Sekunden Transfersysteme im Allgemeinen die kostengünstigste Lösung darstellen. Bei Taktzeiten darüber ist nur die manuelle Weitergabe an einem kostengünstigeren Standort mit fünf Euro Stundensatz günstiger. Die Berechnungen für andere Werkstückgewichte (mit anderen Bewegungszeiten und Investitionskosten) zeigen, dass die oben genannten Aussagen allgemein gelten, das heißt unabhängig vom Werkstückgewicht sind.

Intelligent montieren

Die Antwort auf die Frage, ob die Montage morgen noch automatisiert wird, muss lauten: „Ja, aber intelligent.“ Intelligent heißt, mit wirtschaftlichen Produktionssystemen nach den Just-in-Time-Prinzipien und adaptiv in Bezug auf den Kapazitätsbedarf mit Stufeninvestitionen. Sie müssen schnell und einfach umrüstbar sein und Verschwendung, zum Beispiel durch lange Transportstrecken und große Puffer, vermeiden. Bei Taktzeiten unter 35 Sekunden erfolgt die Verkettung am wirtschaftlichsten durch Transfersysteme.

Dr.-Ing. Jörg Walther, Bosch Rexroth

FAKTEN

Der Geschäftsbereich Linear Motion and Assembly Technologies der Bosch Rexroth AG, mit Sitz in Lohr am Main, entwickelt, fertigt und vertreibt manuelle Produktionssysteme sowie diverse Transfersysteme. Zu ersteren gehören frei konfigurierbare Handarbeitsplätze und Systeme zur Materialbereitstellung, zur manuellen Arbeitsplatzverkettung sowie Arbeitsplatzzubehör. Aufgrund ihrer modularen Bauweise können die Arbeitsplätze und Regale den Anforderungen entsprechend gestaltet und gegebenenfalls umgebaut und erweitert werden. Das Transfersysteme-Programm bietet Doppelgurt- und Staurollenförderer bis maximal 250 Kilo Werkstückgewicht, das Transfersystem MTS 2 sowie das Kettenfördersystem VarioFlow.

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2006