Optimierung der Werkszeugwechselstrategie in der spanenden Fertigung unter Berücksichtigung der Linienverfügbarkeit, Werkzeug-, Rüstkosten.

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele
• Subject Area: Production Systems, Operations Management, Quality Management and Factory Planning
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 142624354

Ausgangslage: Unsichere Bedarfsprognosen und kürzer werdende Produktlebenszyklen bei der gleichzeitigen Forderung nach hohem Nutzungsgrad der meist kapitalintensiven Anlagen und Maschinen sind heute für die spanenden Fertigung kennzeichnend. In der Produktion insbesondere in der Automobilindustrie reagieren die Anwender von Zerspanungstechnologie darauf mit neuen Fertigungskonzepten. Während noch vor einigen Jahren für große Stückzahlen vorwiegend Transferstraßen eingesetzt wurden, findet hier ein Wandel statt. Neben der Transferstrasse kommen Bearbeitungszentren in serieller oder paralleler Aufstellung, als Ergänzung oder Substitut von Transferkonzepten zum Einsatz. Darüber hinaus existieren neuen Maschinenkonzepte, wie sogenannte Fertigungsmodule (mit ortsfesten Werkzeugen und Werkstückhandling) oder Flexible Bearbeitungszentren. Durch die Ansätze der Lean-Production kommen auch Konzepte zum Einsatz, die auf einfache Bearbeitungsmaschinen setzen und diese in U-Form anordnen (Chaku-Chaku- Linien). Dies zeigt, dass der Forderung nach erhöhter Flexibilität bei gleicher Produktivität sowohl durch technische als auch organisatorische Maßnahmen begegnet wird. Diese Veränderungen führen dazu, dass neue organisatorische Probleme entstehen, die gelöst werden müssen. Dazu gehört die Wechselstrategie für spanende Werkzeuge. Diese Werkzeuge weisen einen spezifischen Nutzungsvorrat auf, die Standmenge. Während bei Bearbeitungszentren schnelle Werkzeugwechsel möglich sind, verursachen Werkzeugwechsel bei den oben genannten neueren Maschinenkonzepten erhebliche Stillstände, da die ortsfesten Werkzeuge beim Wechsel einen Eingriff in den Arbeitsraum der Maschine erfordern – verbunden mit einem meist mehrstündigen Stillstand der Maschinen. Für einfache Maschinenkonzepte deren Einsatz in der Lean-Production propagiert wird, sowie für neue Maschinenkonzepte, fehlen sowohl die technischen als auch die organisatorischen Konzepte, die eine Minimierung der werkzeugwechselbezogenen Stillstände der Linien gewährleisten. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Methodik, die die Ableitung einer kostenoptimalen Werkzeugwechselstrategie für eine Produktionslinie unter gegebenen Zerspanungsprozessen (Takzeiten, Standzeiten etc.) und Wechselzeiten ermöglicht. Gerade bei Produktionsprozessen, die sich über mehrere starr oder mit wenigen Puffern verkettete Maschinen erstrecken ist es dabei entscheidend eine effiziente Werkzeugwechselstrategie zu entwickeln. Unter Werkzeugwechselstrategie ist die Reihenfolge und Häufigkeit der Wechsel von Zerspanwerkzeugen zu verstehen. Ausgehend von den beiden Extrema von Werkzeugwechselstrategien, einer rein Standmengenbezogenen, d.h. jedes Werkzeug wird nach Erreichen seiner Standmenge gewechselt, oder einer rein intervallbezogenen Wechselstrategie, d.h. die Bündelung der Wechsel auf definierte Intervalle unter bewussten Verzicht auf Teile der Standmenge, werden die Werkzeugwechselprozesse modelliert. Die Strategien weisen verschiedenen Stärken und Schwächen auf. So ist die rein standmengenbezogene Strategie gerade bei stark unterschiedlichen Standmengen mit hohen Stillstandszeiten der Werkzeugmaschinen verbunden. Demgegenüber steht der intervallbezogene Werkzeugwechsel, der zu erhöhten Werkzeugkosten durch die Reduktion der genutzten Standmenge führt (s. Abbildung 1).

• DFG Programme: Research Grants