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Montagesystemgestaltung –Toleranzmanagement als Planungsbasis
3. Aachener Montage-Tagung
R. Müller, M. Esser
16. März 2011 in Aachen
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Gliederung
Einführung und Motivation – Veränderungen in der Montage1
Wandlungsfähigkeit – Freie Anpassung von Montagesystemen2
Toleranzmanagement – Wirtschaftliche Nutzung von Wandlungsfähigkeit3
Fazit und Ausblick4
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„Produktion kann Wohlstand in Deutschland langfristig sichern“ –wandlungsfähige Montage ist hierzu ein Lösungsansatz
Quelle: VDI Nachrichten 19.03.10, FAZ Sonntag 09/2010, Aachener Montagestudie
Produktions-umfeld 2010
wirtschaftliche Erholung
dennoch verschärfte Wettbewerbslage
Zukunftspotenzial
verbesserte Prozesse
engere Zusammenarbeit zwischen Wert-schöpfungs-partnern
7,7 Mio. Beschäftigte in der Produktion
Wandlungsfähige und selbstorganisierende Fabrik
Ausbau des Automatisierungs-Know-hows
Das BMBF empfiehlt folgende Zukunftsfelder & Innovationen
02002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
13012011010090
7080
Produktionsindex für das produzierende Gewerbe
2005=100
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Aufgaben der Montage und Umsetzung in einem modular aufgebauten Montagesystem
Einzelteile, Baugruppen
Produkte
Mo
nta
gep
roze
ss
Handhaben
Fügen
Inbetriebnehmen
Hilfsprozesse
Sonderoperationen
Basismodul
Prozessmodule
Transportmodul
Zuführungsmodul
ZusatzeinrichtungenBilder: Bosch Rexroth
Betriebsmittel - Modulbaukasten
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Modularität und Skalierbarkeit ermöglichen heute Flexibilität in einem vorgedachten Rahmen
Quelle: Dürr, Daimler
Änderungen im Produkt
Änderungen in der Technologie
Änderungen in der Stückzahl
mehr/weniger Takte
Anpassung Prozesstechnik
Anpassung der Taktzeit
An
zah
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SKD
CKD
Full size
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Zukünftige Anforderungen an Montageanlagen verlangen mehr als nur Flexibilität
Prozess 3
Prozess 2
Prozess 1
? Prozess 3
Prozess 2
Prozess 1
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ng
Produkt BetriebsmittelProzess
RekonfigurationWandlungs-treiber
Wandlungs-treiber
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Wandlungsfähigkeit erweitert die Reaktionsfähigkeit des Gesamtsystems Montage
Wandlungsfähigkeit ist kein neues Modewort für Flexibilität.
Zeit
Pro
du
ktio
nsu
mfe
ld
Gegenwart Zukunft
Flexibilität
Wandlungs-fähigkeit
nahe Zukunft
Investitions-entscheidung
Wandlungsfähigkeit bedeutet:
Anpassungsfähigkeit jenseits des vorgehaltenen Flexibilitätskorridors
Freiräume für unvorhersehbare Veränderungen wurden vorgedacht
Investitionskosten für Anpassungen entstehen erst bei der Durchführung der Veränderung
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Gliederung
Einführung und Motivation – Veränderungen in der Montage1
Wandlungsfähigkeit – Freie Anpassung von Montagesystemen2
Toleranzmanagement – Wirtschaftliche Nutzung von Wandlungsfähigkeit3
Fazit und Ausblick4
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Objekt
Mechatronische Ansätze werden in Montageanlagen sinnvoll genutzt
mechatronisches System
mechanische Struktur
Software
Elektrik/Elektronik
Schnitt-stellen
mechatronisches Modul 1
Mechanik Elektronik Software
modulares mechatronisches System
mechatronisches Modul 2
Mechanik Elektronik Software
mechatronisches Modul n
Mechanik Elektronik Software
separate Entwicklung
Organisationsstrukturen
komplexe Schnittstellen
starres System
rekonfigurierbares System
gekapselte Komplexität
interdisziplinäre und durchgängigeBeschreibung notwendig–
+
techn. Ausprägungz.B. mechatronisches Modul
ObjektorientierteAnalyse
Verantwortlichkeiten
Methoden
Koo
rdin
ator
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Montagesysteme werden auf modularer Basis ganzheitlich geplant
Betriebsmittel
Montageprozess
Produkt
Teil
Teil
Teil
Produkt
Die Planung von Montagesystemen folgt einer chronologischen Methodik:
– Die Produktspezifikationen hat in der Regel erste Priorität.
– Der Prozessablauf und die Einzelprozesse werden auf Basis des zu montierenden Produktes festgelegt.
– Die Montageausrüstung folgt dem Bedarf der definierten Prozesse.
Abweichungen von dieser Reihenfolge können notwendig sein für die rekursive Optimierung von:
– Produktdesign,
– Montageprozessen oder
– Betriebsmittelkonfiguration.
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Rekonfigurationsgerechte Modularisierung von Montageanlagen ist die Basis der Wandlungsfähigkeit
Verantwortlichkeiten / Methoden
Einzelteile/Baugruppen
Prozess
Montage-system/ -linie
Produkt Beeinflussung des
Montagsystems durch– Produktänderungen
– Prozessänderungen
Verantwortlichkeiten– stellen den Zusammen-
hang zwischen Produkt, Prozess und Technik/ Planung dar und
– ermöglichen Wandlungsfähigkeit.
Betriebsmittel stellen die technische Ausprägung der Methoden dar, z.B. als
– manueller Arbeitsplatz
– mechatronisches Modul
Wandlungstreiber
Kosten
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standardisierte Prozesseund Anlagenverständnis
modulare rekonfigurierbare Plattformkonzepteund Prozessverständnis
Montagesystemhersteller Montagesystemnutzer
Rekonfiguration zur Nutzung über die Produktlebensdauer hinaus
Integration eigener Prozessmodule
mechatronische Modularisierung
effiziente Konfiguration
Module für Prozesse, Zuführung und Transport
Nutzung
BewertungÜberwachung
Rekonfig
uratio
n
Die angestrebte Wandlungsfähigkeit erfordert ein gleichsinniges Verständnis zwischen Hersteller und Anwender
Nutzung von Kompatibilität
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5,8 m 57 m
Beispiele für die Notwendigkeit wandlungsfähiger Montagesysteme lassen sich in ganz unterschiedlichen Produktgrößenordnungen finden
200 mm80 mm
miniaturisierter Beschriftungslaser
Großraumpassagierflugzeug
Bild: Boeing
Für die Montage komplexer Produkte muss Wandlungsfähigkeit konsequent geplant und umgesetzt werden.
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Gliederung
Einführung und Motivation – Veränderungen in der Montage1
Wandlungsfähigkeit – Freie Anpassung von Montagesystemen2
Toleranzmanagement – Wirtschaftliche Nutzung von Wandlungsfähigkeit3
Fazit und Ausblick4
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Ausgehend von den Kundenanforderungen werden zunächst Funktionstoleranzen festgelegt
Kundenanforderung: Strahlqualität
Kristall
GrundplatteWärmefluss
Wärmesenke Pumpstrahl auf dem Kristall
Y
ZX
A
A
Z
Y
X
Der Strahl muss exakt die Mitte des Kristalls treffen.
Die Linsen müssen am Kristall ausgerichtet werden.
Funktionstoleranzen gewährleisten, dass die geforderte Qualität erreicht wird.
Betriebsmittel
Montageprozess
ProduktTeil
Teil
Teil
Produkt
Pro
du
ktan
alys
e
A - A
Linse 2
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Technische Produkte weisen in der Regel eine hohe Anzahl an Funktionstoleranzen auf
Quelle: Thornton, A. C.: Variation Risk management. Focusing Quality Improvements in Product Development and Production. Hoboken: John Wiley & Sons, 2004Whitney, D. E.: Mechanical Assemblies. Their Design, Manufacture, and Role in Product Development. New York: Oxford University Press, 2004
Methode der Key Characteristics
Kundenforderung
Key CharacteristicsFlowdown
RelevanteToleranzen
Mit Hilfe der Methode kann die Anzahl der zu berücksichtigenden Toleranzen reduziert und ein grundlegendes Verständnis für das Produkt geschaffen werden.
Markieren einer Oberfläche (Beschriftungslaser)Kundenforderung
Strahlqualität
Symmetrie der Temperatur-verteilung im
Kristall…
… ...
…
… …
Key Characteristics
Mittige Lage der Pumplinie auf dem Kristall in x-
Richtung
…
...
Position der Linse 2 in x-Richtung relativ zum Kristall
Montage-relevanteToleranzen
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
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Key Characteristics sind die entscheidenden Funktionstoleranzen
Ein “Key Characteristic” (KC) ist eine quantifizierbare Größe, die direkten Einfluss auf eine wesentliche Eigenschaft des Produktes hat.
Ein KC kann sowohl für die nächste Montagestufe entscheidend sein (“Assembly KC”) als auch für die Funktion des fertigen Produktes (“Performance KC”).
KC Sektions-durchmesser
Bild: Spirit Bild: Boeing
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Flugzeugtüren aus Aluminium
Vielzahl von Teilen
großer Montageaufwand
Flugzeugtüren aus CFK
im RTM-Verfahren hergestellt(Resin-Transfer-Moulding)
zwei bis drei Teile, verringerter Montageaufwand
Toleranzfestlegung in der RTM-Form
Betriebsmittel
Montageprozess
ProduktTeil
Teil
Teil
Produkt
Pro
du
kt-
op
tim
ieru
ng
Zur Vereinfachung der Montage kann eine Produktoptimierung sinnvoll sein
Bilder: Eurocopter
Beispiel: Flugzeugtüren
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Aus dem Montageprozess und den festgelegten KCs wird die notwendige Ausprägung der Montageanlage abgeleitet
anforderungsgerechte und wirtschaftliche Auswahl der Betriebsmittel
Jedes Glied der Toleranzkette beschreibt einen Einfluss auf die Montagetoleranz
Identifikation der Montagetoleranzen
Betriebsmittel
Montageprozess
ProduktTeil
Teil
Teil
Produkt
Pro
zess
anal
yse
Bild: Airbus
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Der Aufbau und der Ablauf der Montageanlage werden aus den Produkt- und Prozesseigenschaften bestimmt
Unterschale
Frachtboden Fußbodenrostlinke Schale
rechte Schale
Rumpfsektion
Oberschale
Bild
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miu
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21 © BRÖTJE Automation GmbH
Toleranzanalysen schärfen das Systemverständnis an einzelnen Montagestationen
KC: vertikaler Außendurchmesser der SektionMesspunktUnterschale
Präsentier-rahmenOberschale
MesspunktOberschale
WerkstückträgerUnterschale
Stationsrahmen
- Formtoleranz Bauteil- Aufnahmetoleranz Rahmen- Formtoleranz Rahmen
- Positioniertoleranz- Formtoleranz
Sationsrahmen
- FormtoleranzTräger Unterschale
- EinrichttoleranzStationsrahmen
- EinrichttoleranzTräger Unterschale
Fundament
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Qualität und Kosten müssen im Lernprozess optimiert werden
Optimierung durch:
Verkürzung von Kettengliedern
Eliminierung von Kettengliedern
Wechselseitige Veränderung der Kettenglieder
Betriebsmittel
Montageprozess
ProduktTeil
Teil
Teil
Produkt
Sys
tem
-o
pti
mie
run
g
Problemstellung:
Wenn die erreichbare Montagegenauig-keit für die Erfüllung des KC nicht ausreicht oder zu teuer ist, müssen Prozess und Anlage angepasst werden.
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Effiziente Wandlungsfähigkeit der Montageanlage wird durch durchgängiges Toleranzverständnis ermöglicht
Angetriebene Haltearme ermöglichen flexible Positionierung der Seitenschale innerhalb des Arbeitsraumes.
Systemverständnis entsteht durch Lernprozess.
Aufbau als Baukasten ermöglicht Rekonfiguration zur Anpassung an neue Produkte oder Technologien.
Systemverständnis ist für schnelle Wiederinbetriebnahme notwendig.
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Toleranzmanagement für alle Baugrößen: Das Vorgehen ist gleich!Systemverhalten
modelliertnicht modelliert
ModellinhaltModellfehler
systematisch(prinzipiell modellierbar)
stochastisch(nicht modellierbar)
Modellierung und Fehlerkompensation bieten viele Möglichkeiten der Systemoptimierung.
Bild
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Einführung und Motivation – Veränderungen in der Montage1
Wandlungsfähigkeit – Freie Anpassung von Montagesystemen2
Toleranzmanagement – Wirtschaftliche Nutzung von Wandlungsfähigkeit3
Fazit und Ausblick4
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Produkt-definition
Produktion
Nutzung
Entsorgung
Konzept
Konstruktion
Fertigung
Montage
Kräfte
Temperatur
Wartung
Reparatur
Recycling
Ein
fluss
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T
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anzm
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Pro
dukt
lebe
nszy
klus
Toleranzmanagement und Montagesystemplanung sind eng verbunden
Produkt – Definition aller Koordinaten-
systeme
– Dokumentation der KC
– Festlegung der Toleranzfelder
Montageprozess– Implementierung nominaler
Prozesse statt Best-Fit
– Akzeptieren von Lernprozessen
Montageanlage– Dokumentation und Verifikation
von Toleranzketten
– Verkürzung und Vereinfachung von Toleranzketten
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Zusammenfassung
Betriebsmittel
Montageprozess
Produkt
Teil
Teil
Teil
Produkt
Produktanalysezur Bestimmung und Reduktion der relevanten Toleranzangaben
montagegerechte Produktgestaltungzur Anpassung und Vereinfachung der Toleranzvorschriften am Produkt
Prozessanalysezur optimalen Abbildung des Montageprozesses in Betriebsmittel
Flexibilitätzur Anpassung an unterschiedliche Situationen innerhalb eines vorher definierten Rahmens
Systemoptimierungzur Prozessvereinfachung und zur Nutzung neuer Technologien
Rekonfigurationzur wandlungsfähigen Anpassung auch an Unvorhergesehenes
Wandlungsfähigkeit erfordert ein ganzheitliches Vorgehen über Produkt, Prozess und Betriebsmittel.Das Toleranzmanagement schafft die Voraussetzungen, dieses Vorgehen umzusetzen.
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Gliederung
Einführung und Motivation – Veränderungen in der Montage1
Wandlungsfähigkeit – Freie Anpassung von Montagesystemen2
Toleranzmanagement – Wirtschaftliche Nutzung von Wandlungsfähigkeit3
Fazit und Ausblick4