Grundlagen der Fertigungstechnik und Produktionssysteme

1. Fertigungssysteme

Konzept der industriellen Fertigung

Ein Prozess ist die Gesamtheit von Aktivitäten, die auf die Erreichung eines bestimmten Ziels ausgerichtet sind. Im Industrial Engineering ist dieser Begriff essenziell, da die Praxis Planung, Integration, Organisation, Leitung und Steuerung erfordert.

Diese Aktivitäten ermöglichen es Ingenieuren, ihre beruflichen Ziele zu erreichen. Produktionsprozesse dienen als Werkzeug für das Design und die Definition von Plänen, Programmen und Projekten. Dies umfasst die Optimierung der Arbeit, die Steigerung der Effizienz sowie die Festlegung von Qualitätsnormen.

Manufacturing Concept

• Manuelle oder maschinelle Arbeit: Unterstützung bei der Fertigung.
• Produktionsort: Ort, an dem alle organisierten und geplanten Aktivitäten zur Transformation von Materialien in nützliche Gegenstände oder Dienstleistungen für die Gesellschaft stattfinden.

Manufacturing und Engineering

Der Ingenieur betrachtet die Fertigung als Mechanismus zur Umwandlung von Stoffen in nützliche Güter. Es handelt sich um die Struktur und Organisation von Aktionen, die ein System zur Erfüllung einer Aufgabe befähigen.

Klassifizierung von Fertigungsprozessen

Diese werden in drei Gruppen unterteilt:

• Formänderung: Gießen, Spritzen, Kalt- und Warmumformung sowie Pulvermetallurgie.
• Stofftrennung: Umformmaschinen für spanende und nicht-konventionelle Bearbeitung.
• Oberflächenbearbeitung: Bearbeitung durch Partikel (Schleifmittel) und Beschichtung.

Für eine effiziente Prozessgestaltung sollte der Ingenieur folgende Kriterien berücksichtigen:

• Wirtschaftlichkeit: Erzielung von Gewinn und wettbewerbsfähige Kosten.
• Qualität: Erfüllung der notwendigen Standards.
• Design: Funktionales Design, das eine kontrollierte Herstellung erlaubt.
• Material: Auswahl geeigneter und wirtschaftlich tragbarer Werkstoffe.
• Menschliche Faktoren: Motivation, Schulung und Sicherheit.
• Administrative Prozesse: Planung, Integration, Organisation, Leitung und Kontrolle.

Effektivität und Effizienz

Effizienz ist das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem tatsächlich erreichten Ergebnis und dem maximal möglichen Ergebnis eines Systems. Effektivität beschreibt die Erfüllung von Zielen oder Funktionen eines Systems ohne zwingende numerische Auswertung.

2. Einführung in Herstellungsverfahren

Produktionssysteme

Das verarbeitende Gewerbe agiert in Produktionssystemen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die durch interaktive Funktionen auf die Erlangung eines festen Produkts ausgerichtet sind. Diese Elemente können in einer Fabrik oder verteilt auf verschiedene Abteilungen organisiert sein.

Organisation von Produktionssystemen

Jedes Produktionssystem besteht aus einem Eingang (Rohstoffe, Energie) und einem Ausgang (Produkte). Dazwischen liegen Materialströme, die durch Maschinen, Lagerung und Transport transformiert werden.

Ablauf

Man unterscheidet Fertigungsprozesse nach der Strömungsgeschwindigkeit der Materialien:

• Kontinuierliche Produktion: Die Route der Materialien ist unverändert. Es werden wenige Rohstoffe verwendet, die Produkte sind oft einzigartig oder standardisiert (z. B. Tonnen oder m³). Diese Systeme sind starr, hoch automatisiert und kostenintensiv.
• Diskrete Produktionssysteme: Auch als Werkstattfertigung bekannt. Sie zeichnen sich durch hohe Flexibilität der Maschinen und Organisation aus. Die Produkte werden in kleinen Stückzahlen gefertigt, was hohe Anforderungen an die Logistik stellt.
• Kombinierte Systeme: Die meisten Systeme liegen zwischen der reinen Werkstattfertigung und der kontinuierlichen Produktion.

Flexible Fertigungssysteme

Der aktuelle Trend geht weg von der Massenproduktion hin zu flexiblen Systemen. Durch computergesteuerte Geräte (CNC) und flexible Fertigungszellen wird Flexibilität mit hoher Produktivität kombiniert, um kurzfristig auf die Nachfrage zu reagieren.

Phase, Subphase und Betrieb

• Phase: Eine Reihe von Transformationen an einem Arbeitsplatz oder einer Maschinengruppe.
• Subphase: Unterteilung einer Phase, z. B. durch verschiedene Positionen des Werkstücks.
• Betrieb: Elementare Aufgabe an einer Maschine (produktiv oder nicht-produktiv, wie z. B. Werkzeugwechsel).

Verbindungen zwischen Konstruktion und Fertigung

Die Designzeit beeinflusst direkt die Kosten und die Marktposition. Beim Concurrent Engineering werden funktionale Anforderungen, Wirtschaftlichkeit und Fertigungsmethoden bereits während der Konstruktionsphase simultan betrachtet.

Herstellkosten

Die Kostenstruktur umfasst:

• Produktdesign: Funktionale Anforderungen und Lebenszyklus.
• Materialauswahl: Physikalische Eigenschaften und Versorgungssicherheit.
• Prozessdefinition: Automatisierungsgrad und Montageart.

Manufacturing Zeit

Die Gesamtzeit setzt sich zusammen aus:

• Uptime (Transformationszeit): Effektive Bearbeitung des Materials.
• Ausfallzeit: Vorbereitung der Maschinen, Platzierung und Austausch von Teilen oder Werkzeugen.

Die Summe aus Bearbeitungs- und Manöverzeiten wird als Maschinenzeit bezeichnet.