Prozessdesign in der Fertigung

Fertigung und Prozesse

Was kommt zuerst: das Produkt oder der Prozess? Natürlich steht das Produkt an erster Stelle. Es ist wichtig zu verstehen, was man herstellt, bevor man bestimmt, wie man es herstellt. In der Praxis ist diese Reihenfolge jedoch selten eindeutig, da die Unternehmen nicht bei Null anfangen. In der Regel beeinflussen die vorhandenen Prozessmöglichkeiten den Entwurf, und die Produktentwickler sind angehalten, sich innerhalb dieser festgelegten Grenzen zu bewegen und Entwürfe zu vermeiden, die eine umfangreiche neue Prozessentwicklung erfordern würden. In einigen Branchen wird dieser konventionelle Ansatz jedoch umgedreht. In der Halbleiterindustrie zum Beispiel kommt die Prozessentwicklung oft vor dem Produktdesign. Eine Testschaltung wird als Technologieplattform für die Entwicklung und Validierung des Herstellungsprozesses verwendet. Sobald dieser Prozess stabil ist, beginnt die Produktentwicklung unter Verwendung des verfeinerten Prozesses.

Industrielles Prozessdesign

Die Prozessgestaltung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Montageprozess den Mengenanforderungen entspricht. Unabhängig davon, ob das Ziel darin besteht, eine einzige Einheit, eine Einheit pro Tag oder Tausende von Einheiten pro Tag zu produzieren, wird das Herstellungsverfahren speziell für diese Anforderungen entwickelt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Prozess effizient ist und sich an unterschiedliche Produktionsgrößen anpassen lässt. Der Mengenbedarf ist ein wichtiger Faktor, der sich direkt auf die zu schaffende Kapazität auswirkt. Diese Information wird dem Ingenieurteam, das für die Gestaltung der Fertigungsprozesse verantwortlich ist, frühzeitig mitgeteilt.

In der Regel stellt das Entwicklungsteam Produktprototypen in begrenzter Stückzahl her, so dass die Prozessentwickler die Eigenschaften des Produkts direkt beobachten und bewerten können. Außerdem ist es von Vorteil, wenn das Produkt unter aktiver Beteiligung der Entwickler hergestellt wird und wenn die Prozessingenieure an der Produktentwicklung mitwirken. Diese Zusammenarbeit erhöht die Herstellbarkeit des Produkts und führt zu Verbesserungen im Fertigungsdesign. Der Prozessentwurf wird durch diesen integrierten Ansatz verfeinert, was zu einem effizienteren und effektiveren Produktionssystem führt.

Sieben Schritte zum Prozessdesign

Die Gestaltung eines Fertigungsprozesses ist eine komplexe Aufgabe, die eine Reihe von immer spezifischeren Entscheidungen erfordert, die jeweils zu Investitionen mit langfristigen Auswirkungen führen. Der Prozess beginnt in der Regel mit der Konzentration auf das Endprodukt und lässt sich mit dem folgenden allgemeinen Ansatz zusammenfassen:

• Legen Sie eine Abfolge von Zuständen für das Produkt fest: Beginnen Sie damit, die verschiedenen Stadien zu definieren, die das Produkt von Anfang bis Ende in der Produktionsanlage durchlaufen muss. Obwohl es kontraintuitiv erscheinen mag, vom Endprodukt ausgehend rückwärts zu arbeiten, ist dieser Ansatz tendenziell weniger fehleranfällig, als wenn man von den Rohstoffen ausgeht, insbesondere wenn das Endprodukt bereits definiert ist. Zu den wichtigsten Kriterien für die Festlegung dieser Phasen gehören die Möglichkeiten, (a) Teile und unfertige Erzeugnisse zu testen und teilweise zu validieren und (b) vorgelagerte Prozesse auszulagern.
• Identifizieren Sie mehrere Methoden für die Übergänge zwischen den Zuständen: Sobald die Stufen festgelegt sind, sollten Sie verschiedene Methoden für die Übergänge zwischen diesen Zuständen untersuchen. Während der von den Produktentwicklern vorgeschlagene Prozess als Ausgangspunkt dient, ist es wichtig, alternative Methoden in Betracht zu ziehen. Diese Methoden, die als Einheitsprozesse bekannt sind, sollten auf ihre Fähigkeit hin bewertet werden, die gewünschte Produktleistung zu erbringen. Im Idealfall sollte jedes geeignete Einzelverfahren die gleiche Qualität des Endprodukts ergeben. In der Praxis, vor allem in der High-Tech-Industrie, können jedoch Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Einzelprozessen zu einem Endprodukt führen, das nicht wie gewünscht funktioniert, selbst wenn alle Einzelmerkmale innerhalb der Toleranzgrenzen liegen.
• Integration von Einzelprozessen in einen vollständigen Fertigungsprozess: Der nächste Schritt besteht darin, die identifizierten Einzelprozesse in einen kohärenten, durchgängigen Prozess zu integrieren, der zuverlässig funktionierende Einheiten produziert. Die Komplexität dieser Integration variiert je nach Branche; in einigen Fällen kann es sich um eine einfache Verknüpfung von Einzelprozessen handeln, während in anderen Fällen ein Reengineering des gesamten Prozesses durch eine umfassende Fehleranalyse erforderlich sein kann.
• Bestimmen Sie die Anforderungen an die Ausrüstung: Ermitteln Sie die Ausrüstung, die für die Durchführung des Prozesses mit der erforderlichen Produktionsrate erforderlich ist. Dies könnte die Auswahl von Maschinen beinhalten, obwohl es in manchen Fällen wichtiger sein könnte, die geeigneten Schneidwerkzeuge und Werkstückhalterungen auszuwählen, bevor die Maschinen ausgewählt werden. Bei der spanabhebenden Bearbeitung beispielsweise ist das Kernstück des Prozesses häufig das Steuerungsprogramm, das möglicherweise bereits in der Produktentwicklungsphase existiert, es sei denn, der Prototyp wurde mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt.
• Definieren Sie die menschlichen Rollen im Prozess: Legen Sie klar die Rollen fest, die Menschen im Fertigungsprozess spielen werden. Diese können von der Ausführung von Aufgaben mit Handwerkzeugen bis zur Überwachung und Reaktion auf Alarme in einem automatisierten System reichen. Dieser Schritt umfasst auch die Bestimmung der Anzahl der benötigten Bediener und deren Qualifikationsniveau. Mit zunehmender Automatisierung kann sich der Schwerpunkt des Bedienpersonals von der Steuerung der Anlagen auf die Kontrolle des Produkts verlagern, z. B. durch die Verwendung von Gut/Schlecht-Messgeräten zwischen den automatisierten Vorgängen. Außerdem erfordern automatische Systeme Programmierer, und die Art der Wartungsarbeiten ändert sich mit zunehmendem Automatisierungsgrad.
• Anschaffung, Installation und Erlernen der Nutzung der Ausrüstung: Nach der Auswahl der Ausrüstung besteht der nächste Schritt darin, sie zu erwerben und zu installieren und gleichzeitig zu lernen, wie man sie effizient bedient. In dieser Phase müssen oft Entscheidungen über die Anordnung der Anlage getroffen werden. Für einige Prozesse sind neue Maschinen erforderlich, für andere nicht. In Montagelinien zum Beispiel können dieselben Förderbänder und Elektrowerkzeuge über mehrere Produktgenerationen hinweg verwendet werden. Bei der Herstellung von Halbleiterwafern hingegen erfordern neue Prozesse in der Regel eine neue Anlage mit strengeren Reinheitsstandards sowie eine neue Generation von Maschinen und Systemen für die Handhabung größerer Siliziumwafer.
• Aufnahme und Ausbau der Produktion: In der letzten Phase wird die Produktion aufgenommen und schrittweise auf das gewünschte Niveau hochgefahren. Der Übergang von der Produktion einer einzigen Einheit zur Herstellung von Mustern und schließlich zur Ausweitung der täglichen Produktion bringt in der Regel eine Reihe von technischen, logistischen und verwaltungstechnischen Herausforderungen mit sich, die zügig bewältigt werden müssen.

Während des gesamten Prozesses bemühen sich die Entwickler, an mehreren Schritten gleichzeitig zu arbeiten, eine Methode, die als Concurrent Engineering bekannt ist. Sie sind sich darüber im Klaren, dass nicht jeder Entwicklungsschritt genutzt werden kann, doch dieser parallele Ansatz ermöglicht eine größere Flexibilität und Effizienz. Folglich folgen diese Schritte nicht einer strikten Reihenfolge, in der ein Schritt abgeschlossen sein muss, bevor der nächste beginnt. Stattdessen werden sie oft gleichzeitig entwickelt, wobei bei Bedarf laufend Anpassungen vorgenommen werden.

Prozessdesign: Die Hayes-Wheelwright produKt-proZess matrix

Robert H. Hayes und Steven C. Wheelwright führten ein Klassifizierungssystem für Fertigungsprozesse ein, das zwischen Prozesstypen und Produkttypen unterscheidet. Der Kerngedanke hinter der Matrix von Hayes und Wheelwright ist, dass der gewählte Prozess mit den Eigenschaften des Produkts übereinstimmen muss. Ein wichtiger Punkt, der in diesem Modell hervorgehoben wird, ist, dass die Effizienz gesteigert werden kann, indem man sich innerhalb der Produkt-Prozess-Matrix nach rechts und nach unten bewegt. Diese Bewegung sollte jedoch nicht zu Lasten der Effektivität gehen. Die Matrix hebt auch hervor, dass bestimmte Prozessdesigns auf natürliche Weise mit bestimmten Produktmerkmalen übereinstimmen, was durch die diagonale „Linie der natürlichen Passung“ veranschaulicht wird. Darüber hinaus legt sie nahe, dass eine Verlagerung der Prozesse nach rechts unten die Produktivität steigern kann.

Trotz ihres Nutzens hat die Hayes-Wheelwright-Matrix einige bemerkenswerte Einschränkungen, von denen einige im Folgenden erörtert werden:

• Nachfrageschwankungen: Die Matrix berücksichtigt keine Nachfrageschwankungen. Ein einzigartiges Produkt mit geringen Stückzahlen könnte sich beispielsweise gut für die Fließbandproduktion eignen, wenn die Nachfrage stabil ist und die Anlagen geeignet sind. Solche Anlagen können älter, langsamer und weniger flexibel, aber dennoch leistungsfähig und ausreichend sein. Viele Werkstätten verfügen über solche Maschinen, die sich über Jahrzehnte angesammelt haben und die mit neuen Vorrichtungen, einer Überholung der beweglichen Teile und einer Nachrüstung des Steuerungssystems zu einem Bruchteil der Kosten für die Anschaffung neuer Maschinen wiederbelebt werden können.
• Begrenzung des Linienkonzepts: Die Matrix beschränkt das Linienkonzept auf Montageprozesse. Nicht alle Linienprozesse beinhalten jedoch eine Montage. Bei der Bearbeitung gibt es beispielsweise Transferstraßen und Zellen, die für den Durchlauf eines Stücks durch eine Abfolge von Schritten ausgelegt sind, was in der Matrix nicht vollständig berücksichtigt wird.
• Ausschluss von Produktkategorien: Die Matrix enthält Kategorien wie „standardisierte Produkte“ und „Standardprodukte“, lässt aber konfigurierbare oder anpassbare Produkte aus. Diese Produkte, die von Computern bis hin zu Autos und Flugzeugen reichen können, gehören oft zu den größten und teuersten Produkten.
• Falsche Ausrichtung des Projektprozesses: Die Matrix legt nahe, dass ein Projektprozess am besten für Produkte geeignet ist, die nur einmal oder sehr selten hergestellt werden. Projekte sind jedoch nicht notwendigerweise als Fertigung einzustufen und finden auch nicht immer in Fabriken statt. Beispiele hierfür sind der Bau von Ölplattformen, Kreuzfahrtschiffen und Brücken, die oft als Projekte und nicht als traditionelle Fertigungsprozesse geführt werden.
• Job-Shop-Merkmale: In der Matrix wird zwischen Job-Shops und Flow-Shops unterschieden, wobei zu beachten ist, dass es in Job-Shops keine festen Wege für die Werkstücke gibt. In einem Job-Shop sind die Maschinen nach Typ in „Farmen“ organisiert (z. B. alle Drehmaschinen zusammen, alle Fräsmaschinen zusammen), und ein Werkstück kann diese Farmen in einer bestimmten Reihenfolge durchlaufen und auf jeder verfügbaren Maschine innerhalb jeder Farm bearbeitet werden. Der Standort eines Werkstücks in einem Job-Shop sagt nichts über seine Position im Gesamtprozess aus, weshalb ein Laufzettel beigefügt ist. Herkömmliche Werkstätten sind häufig als Job-Shops organisiert, selbst in stabilen Produktionsumgebungen mit hohen Stückzahlen und geringem Mischungsverhältnis, wie sie in der Automobil- und Luftfahrtindustrie anzutreffen sind. Die „weiße Zone“ der Matrix für das Job-Shop-Konzept erstreckt sich auf „Standardisierte Produkte mit hohen Stückzahlen“.
• Aufkommende Technologien: Die Hayes-Wheelwright-Matrix wird auch durch Fortschritte wie die additive Fertigung, insbesondere den 3-D-Druck von Kunststoffteilen, in Frage gestellt. Die additive Fertigung verspricht, die Großserienproduktion mehrerer Produkte zu ermöglichen, die in einem einzigen Arbeitsgang am effizientesten hergestellt werden können. Diese Entwicklung stellt eine erhebliche Herausforderung für die in der Matrix dargestellten traditionellen Sichtweisen dar (siehe auch: RFID  Automation).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Produkt-Prozess-Matrix von Hayes und Wheelwright zwar einen wertvollen Rahmen für das Verständnis der Beziehung zwischen Fertigungsprozessen und Produkttypen bietet, dass sie aber auch Grenzen hat, die berücksichtigt werden müssen, insbesondere im Hinblick auf neue Technologien und die sich verändernde Natur der Fertigung.

FAQ Prozessdesign

Wie wichtig ist es, den Herstellungsprozess auf die Produkteigenschaften abzustimmen?

Die Abstimmung des Fertigungsprozesses auf die Produkteigenschaften ist von entscheidender Bedeutung, da sie sicherstellt, dass die Produktionsmethode für die spezifischen Anforderungen des Produkts geeignet ist.Diese Abstimmung führt zu höherer Effizienz, verringert das Fehlerrisiko und optimiert den Ressourceneinsatz.Durch die Auswahl des richtigen Prozesses für das Produkt können Hersteller eine höhere Qualität erzielen, den Ausschuss reduzieren und die Abläufe rationalisieren, was letztlich zu einer besseren Gesamtleistung und Rentabilität führt.

Wie kann die industrielle Prozessoptimierung die Produktivität steigern, ohne die Effektivität zu beeinträchtigen?

Die industrielle Prozessoptimierung steigert die Produktivität, indem sie die Prozesse effizienter gestaltet, indem sie häufig unnötige Schritte eliminiert, Arbeitsabläufe verbessert und fortschrittliche Technologien integriert.

Es ist jedoch wichtig, diese Verbesserungen mit der Notwendigkeit in Einklang zu bringen, die Effektivität des Prozesses zu erhalten oder zu verbessern. Dies bedeutet, dass die Qualitätsstandards eingehalten werden müssen und das Endprodukt weiterhin alle erforderlichen Spezifikationen erfüllen muss. Der Schlüssel liegt darin, Prozesse so zu optimieren, dass der Durchsatz erhöht und die Kosten gesenkt werden, während gleichzeitig die Effektivität des Produkts erhalten bleibt oder verbessert wird.

Was sind die Grenzen der Hayes-Wheelwright-Produkt-Prozess-Matrix in der modernen Fertigung?

Die Hayes-Wheelwright-Produkt-Prozess-Matrix ist zwar nützlich, hat aber in der modernen Fertigung mehrere Einschränkungen.Sie berücksichtigt keine Nachfrageschwankungen, was dazu führen kann, dass bestimmte Produktionsmethoden bei unbeständiger Nachfrage weniger geeignet sind.Außerdem beschränkt die Matrix das Konzept der Linienprozesse auf die Montage und lässt andere Arten von Linienprozessen wie die Bearbeitung außer Acht. Außerdem berücksichtigt sie keine konfigurierbaren oder anpassbaren Produkte, wie sie in Branchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie üblich sind. Und schließlich wird die Matrix durch neue Technologien wie die additive Fertigung in Frage gestellt, die eine effiziente Produktion von hochvolumigen, anpassbaren Produkten in einer Weise ermöglichen, die die traditionelle Matrix nicht angemessen berücksichtigt.

Resümee

Das Hayes-Wheelwright-Modell unterstreicht die entscheidende Notwendigkeit, die Fertigungsprozesse auf die spezifischen Merkmale des Produkts abzustimmen. Diese Abstimmung ist von grundlegender Bedeutung für die Optimierung der Produktionseffizienz und die Einhaltung hoher Qualitätsstandards. Durch die sorgfältige Auswahl von Prozessen, die für das Produkt geeignet sind, können Hersteller Fehler reduzieren, Abläufe rationalisieren und kosteneffektive Ergebnisse erzielen.

Beim Streben nach Optimierung ist es wichtig, ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Effektivität herzustellen.Das Hayes-Wheelwright-Modell legt zwar nahe, dass effizientere Prozesse die Produktivität steigern können, doch dürfen diese Verbesserungen nicht zu Lasten der Qualität oder Funktionalität des Endprodukts gehen. Eine wirksame Optimierung sollte die Produktivität steigern und gleichzeitig sicherstellen, dass das Endprodukt alle erforderlichen Spezifikationen und Normen erfüllt.

Die Halbautomatisierung, unterstützt durch Technologien zur automatischen Identifizierung und Datenerfassung (AIDC), bietet einen vielversprechenden Weg, um dieses Gleichgewicht zu erreichen. AIDC kann dazu beitragen, die Lücke zwischen manuellen und vollautomatischen Prozessen zu schließen, indem es die Datenerfassung und Prozessüberwachung in Echtzeit ermöglicht. Diese Integration ermöglicht es Herstellern, die Kontrolle über kritische Prozessvariablen zu behalten, die Rückverfolgbarkeit zu verbessern und fundierte Anpassungen vorzunehmen, was zu optimierten Produktionsabläufen führt, die sowohl effizient als auch effektiv sind.

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Quellen:

(1) Baudin M., Netland T. (2023): Introduction to Manufacturing. New York: Routledge