Materialflusssysteme für wandelbare Fabrikstrukturen

Materialflusssysteme für wandelbare Fabrikstrukturen Willibald A. Günthner, Markus Heinecker und Michael Wilke, TU München Der Trend zur Mass Customization führt zu einem grundlegenden Neuaufbau der Fabrikstrukturen. Zukünftige Fabriken müssen in der Lage sein, sich schnell auf die individuellen Kundenwünsche einstellen zu können. Dies ver- langt kurze Reaktionszeiten und eine sehr hohe Flexibilität im Aufbau und in den Abläufen. Die Produktion kundenindividueller Güter führt zu einer Reduzierung der Größe der Fertigungslose, steigert damit die Zahl der abzuwickelnden Produktions- aufträge und so den gesamten materialflusstechnischen und steuerungstech- nischen Aufwand erheblich. Heute hingegen geht die Produk- tion in kleinen Losgrößen noch mit Bild 1: Status innerbetrieblicher Logistik bei kunden- erheblichen Produktions- und Lo- individueller Produktion gistikkosten einher. Automatisierte Lösungen des Materialflusses rechnen sich erst wirtschaftlich bei größeren Serien. Dazu sind die gegenwärtigen automatisierten Materialflusssysteme zu unflexibel, und bei aufwendigen Systemen ist ihre Komplexität schwer zu be- herrschen. In dynamischen Pro- duktionsstrukturen kommen des- halb heute meist manuelle Förder- systeme, wie z.B. Stapler und Hubwagen, zum Einsatz (Bild1). Neben dem Trend zur Mass Customization [1] stellen weitere Veränderungen der Marktsituation neue Herausorderungen an zu- künftige Materialflusssysteme. Zu- nehmende Verkürzungen der Pro- duktlebenszyklen in Verbindung mit einem hohen Innovationsdruck im Bereich der Produktionstechno- logien, der Trend zur Fertigung kundenindividueller Produkte und damit gekoppelt eine hohe Variantenvielfalt erfordern wandelbare Materialflusssys- teme, die eine schnelle und effiziente Anpassung der physischen Logistiksysteme hinsichtlich Größe, Funktion und Strukturen auf veränderte Rahmenbedingungen ermöglichen. Wandelbare Materialflusssysteme In Ergänzung zur Flexibilität, die als Möglichkeit zur Veränderung in vorgehaltenen Dimensionen und Szenarien bezeichnet werden kann, besitzen wandelbare Material- flusssysteme zusätzlich die Eigenschaft, auf ungeplante und nicht vorgedachte ein- tretende Ereignisse reagieren zu können. Ein wandelbares Materialflusssystem muss deshalb, um sich auf jede, auch unge- plante Veränderung einstellen zu können, folgende Flexibilitätsanforderungen erfül- len [2]: • Fördergutflexibilität: Das System muss in der Lage sein, unterschiedlichste Produkte transportieren zu können. • Layoutflexibilität: Jeder Ort in der Fabrik muss bedient werden können, bzw. das Materialfluss- system muss sich schnell auf veränderte Materialflüsse und Betriebsmittelan- ordnungen einstellen können. • Durchsatzflexibilität: Durchsatzflexible Materialflusssysteme müssen sich den Leistungs- änderungen der Produktion durch geeignete Maßnahmen anpassen können. Ein Materialflusssystem, das diese drei Anforderungen zu 100 Prozent erfüllen wür- de, wäre wandelbar, aber aufgrund der hohen Investitionskosten nicht wirtschaftlich zu betreiben und deshalb kaum zu realisieren. Aus diesem Grunde ist eine Ergän- zung des Anforderungsprofils von wandelbaren Materialflusssystemen um die Eigen- schaften Erweiterungsfähigkeit und Integrationsfähigkeit notwendig, die Vorausset- zung für einen wirtschaftlichen Betrieb darstellen. • Erweiterungsfähigkeit: Eine Erweiterung des Produktionsbereiches erfordert von Materialflusssyste- men sowohl neue Hallenbereiche als auch zusätzliche Übergabeplätze inner- halb bestehender Bereiche bedienen zu können. • Integrationsfähigkeit: Sie beschreibt nicht nur die Fähigkeit, Materialflusssysteme auf steuerungs- technischer Seite in Leit- oder PPS-Systeme zu integrieren, sondern auch die Fähigkeit technische und steuerungstechnische Verkettungen mit anderen Materialflusssystemen eingehen zu können. Darüber hinaus stellt die Fle- Bild 2: Flexibilität und Automatisierung unter Kostengesichts- xibilität des Automatisie- punkten bei heutigem Entwicklungsstand rungsgrades eine zusätzliche Eigenschaft an die Wandel- barkeit dar. In Abhängigkeit Stückkosten der durchzuführenden Mate- rialflussaufgabe soll immer eine Annäherung an den op- timalen Betriebspunkt zwi- schen Wandelbarkeitsanfor- Flexibilität derungen, Kosten und Auto- matisierungsgrad möglich sein (Bild 2). Das Materialflusssystem zu- künftiger Fabrikstrukturen lässt sich somit durch die An- forderungen Fördergutflexibili- Automatisierungsgrad tät, Layoutflexibilität, Durch- satzflexibilität, Erweiterungs- fähigkeit, Integrationsfähigkeit und Flexibilität des Automatisierungsgrades charakte- risieren (Bild3). Bild 3: Anforderungen an wandelbare Materialflusssysteme [2] Fördergut Produktmixflexibilität Flexibilität des Auto- Förderort matisierungsgrades Layoutflexibilität Materialflusssystem Integrationsfähigkeit Erweiterungsfähigkeit Förderleistung Durchsatzflexibilität Eine mögliche Ausprägungsform des Materialflusssystems für eine wandelbare Fab- rikstruktur stellt eine aus standardisierten, mechatronischen Modulen aufgebaute Fabrik dar. Mechatronische Module Eine modular aufgebaute Fabrik setzt sich, vergleichbar mit dem Baukastenprinzip in der Produktentwicklung, aus materialflusstechnischen Modulen zusammen, die ska- lierbar automatisiert sind und über standardisierte Schnittstellen verfügen. Diese ma- terialflusstechnischen Module stellen eigenständige Funktionseinheiten dar. Solche Funktionseinheiten können einzelne Fertigungsstationen, einzelne Montage- plätze aber auch komplette Montagebereiche einer Baugruppe beinhalten. Darüber hinaus wird der modulare Ansatz auch auf andere Bereiche des innerbetrieblichen Materialflusses, z.B. Lager, Kommissionierung, übertragen. Die Ausprägung der Mo- dule bzw. der Modulgrenzen richtet sich nach den Anforderungen der Flexibilität. Falls eine direkte Koppelung der Module möglich ist, wird der Materialfluss direkt zwischen den Modulen über die standardisierten Schnittstellen abgewickelt. Ist es dagegen z.B. aufgrund räumlicher Gegebenheiten nicht realisierbar, die Module mit- einander zu koppeln, übernehmen fördertechnische Module den Materialfluss. Die größte Wandelbarkeit der Fabrik erreicht man, indem die einzelnen Module für sich eine möglichst große Produktflexibilität besitzen, d.h. möglichst viele Prozess- schritte zur Verfügung stellen. Für eine kundenindividuelle Produktion würde dies bedeuten, dass diese Module, um jeden Kundenwunsch erfüllen zu können, „eierle- gende Wollmilchsäue“ darstellen müssten, die aber keinen wirtschaftlichen Einsatz ermöglichen. Genau hier greift der Vorteil der Modularisierung ein, um dieses Prob- lem zu lösen und einen wirtschaftlichen Betrieb wandelbarer Materialflusssysteme zu gewährleisten. Die Wandelbarkeit wird deshalb einerseits durch eine wirtschaftlich sinnvolle Prozessflexibilität der einzelnen Module an sich und andererseits durch die Kombination der einzelnen Module zu einem Gesamtsystem erzeugt. Für die Beschreibung solcher Module bietet sich die mechatronische Betrachtungs- weise an. Jedes automatisierte Modul, sei es ein Lager, eine Kommissionierzelle o- der ein Transportfahrzeug, besteht aus mechanischen, elektrischen und steuerungs- technischen Komponenten, die für sich ein Subsystem bilden und getrennt von den anderen Modulen implementiert und getestet werden können. Aufgrund der an jeden Modul vorhandenen standardisierten Schnittstellen ist es möglich, einzelne Module auszutauschen ohne dabei in die restlichen Prozesse eingreifen zu müssen. Module mit standardisierten mechatronischen Schnittstellen Analog zur mechatronischen Beschreibung der Module verfügen die Schnittstellen über mechanische, elektrische und informationstechnische Komponenten. Über die mechanische Schnittstelle werden Behälter physikalisch mittels entsprechender Ma- terialflusstechnik an andere Module übergeben. Die Stromversorgung und die physikalische Datenübertragung finden über die elekt- rische Schnittstelle statt. Damit das Modul mit weiteren Modulen des Gesamtsystems wie auch mit dem menschlichen Bediener kommunizieren kann, verfügt es über eine informationstechnische Schnittstelle. Diese drei Schnittstellen bilden zusammenge- fasst die mechatronische Schnittstelle des Moduls. Um eine Wandelbarkeit eines Gesamtsystems, in dem Module entfernt, bzw. verän- dert werden können, zu erreichen, muss die mechatronische Schnittstelle des Mo- duls standardisiert sein.