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Auswahl von Fertigungskonzepten für kundenspezifische Kunststoff-Metall-Bauteile durch ganzheitliche Modellbetrachtung

Pohl, Sascha

Kunststoff-Metall-Bauteile in der Kontakt- und Verbindungstechnik verzeichnen in vielen Märkten und Branchen steigende Wachstumszahlen. Die Kombination der beiden Materialien Kunststoff und Metall bieten neuen Produkten innovative Möglichkeiten bei der Designgestaltung. Typische Produkte sind umspritzte Gehäuse, Vorumspritzlinge, hybride Stecker oder Leiterplattenverbinder, die ihre Anwendung in Steuergeräten oder anderen mechatronischen Baugruppen finden. Der Wettbewerb für die Herstellung dieser Produkte ist groß und steigt international weiter an. Viele klassische Kunststoffspritz- oder Stanzbetriebe erweitern ihren Kompetenzbereich, um solche Produkte herstellen zu können. Der Qualitätsanspruch an diese Produkte ist aber vor allem in der potentialträchtigen Automobilbrache sehr hoch. Weiterhin nimmt die Variantenvielfalt zu und der Entwicklungszeitraum ab. Bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium wird nach den Kosten für den Serienzustand gefragt, bevor überhaupt die ersten Prototypen hergestellt werden. Die Verbindlichkeit von Angeboten, auch in diesem frühen Stadium, drängt die Hersteller von Kunststoff-Metall-Bauteilen dazu, möglichst alle kostenrelevanten Einflüsse zu berücksichtigen. Dazu zählen nicht nur das reine Produkt, sondern auch die Rahmenbedingungen des Kunden (wie z.B. der Kundentakt, der die Abrufzahlen im Zeitintervall darstellt oder die Dauer des Produktlebenszyklus). Für die Aufgabenstellung der Kostenkalkulation von Fertigungskonzepten liefert diese Arbeit ein anwenderorientiertes Lösungsmodell auf der Basis eines wissenschaftlichen Ansatzes. Nach der Erklärung einiger grundlegenden Begriffe wird das Verfahren der Inserttechnik vorgestellt, mit denen sich Kunststoff-Metall-Bauteile herstellen lassen, gefolgt von den Einsatzbereichen der Produkte und die auf dem Markt zur Verfügung stehenden Standard-Fertigungssystemen zur Produktion. Die zeitliche Einordnung der Planung von Fertigungskonzepten im Produktentstehungsprozess ist möglich. Weiterhin kann das Produktverhalten des Kunststoff-Metall-Bauteils (speziell Schwindung und Verzug) im Prozess mittels Simulation abgeschätzt werden, um bei der Erprobung möglichst wenige Rekursionen bis zum Serienstart zu benötigen. Hierzu sind die Kenntnisse für die Prozessgestaltungen und Automatisierungsmöglichkeiten einzelner Fertigungssysteme notwendig. Orientierend am Vorbild des Toyota Produktionssystems sind weiterführend zwei zusätzliche Methoden im Modell integriert, die Verschwendungen hervorheben sollen. Das untypische, aber absolut erforderliche, ist die proaktive Einschätzung der erwarteten Verluste. Der Net Equipment Effectiveness betrachtet die Effektivitäten einzelner Fertigungssysteme in Kombination von Maschine, Peripherie, Werkzeug und Mensch. Die Untergliederung in die Verlust-Faktoren Verfügbarkeit, Leistung und Qualität bietet eine zusätzliche Feingliederung von Verschwendungen im Sinne des Toyota-Modells. Die zweite Methode ist das Wertstromdesign, bei dem die gesamte Prozesskette vom Wareneingang bis zum Warenausgang inkl. der auftragsspezifischen Rahmenbedingungen des Kunden sichtbar werden. Alle für das Modell notwendigen Informationen sind hier zu finden. Die Fertigungssysteme inkl. Ressourcen, Rüstzeiten, Zykluszeiten, Losgrößen, etc. und auch die Verlust-Faktoren vom Net Equipment Effectiveness sind hier aufgeführt. Weiterhin sind alle Lager mit ihren Bestandsmengen aufgeschlüsselt. Da es zu diesem Zeitpunkt noch kein reales Produkt gibt, fließen einige Randbedingungen zur einheitlichen Vorgehensweise in das Modell mit ein. Diese umfassende und doch sehr einfache Darstellung erhöht das Erkennen von Verlust-Schwerpunkten und Kostentreibern manchmal schon auf den ersten Blick. Anpassungen am Fertigungskonzept sind somit möglich, wie z.B. das Optimieren der Losgröße oder das Reflektieren von Automatisierungsmaßnahmen. Auch der Vergleich von unterschiedlichen Fertigungskonzepten mit Bezug auf den gesamten Produktlebenszyklus bringen interessante Erkenntnisse für die richtige Auswahl. Unabhängig davon, welche Entscheidung auch getroffen wird, existiert derzeit kein Fertigungskonzept ohne Verschwendungen. Das Idealbild im Sinne von Toyota ist und bleibt aus heutiger Sicht ein ungreifbares Ziel. Aber das Unternehmen, welches die Gesamtkosten von zukünftigen bzw. geplanten Fertigungskonzepten kennt sowie technisch und wirtschaftlich entsprechend optimieren kann, besitzt klare Wettbewerbsvorteile gegenüber seinen Markbegleitern.

Selection of concepts for manufacturing custom plastic and metal components by integrated viewing model Plastic-metal-components in the contact and connection technology have rising growth figures in many markets and industries. The combination of the two materials plastic and metal offer new opportunities for innovative product design. Typical products are molded housings, premolded parts, hybrid or plug board connectors, which find their application in control devices or other mechatronic assemblies. The competition for the manufacture of these products is large and growing internationally. Many of the classic companies in plastic injection molding or punching extend their competences to manufacture such products. The quality requirements for these products are particularly high in the attractive automotive business. Furthermore the number of variants is increasing and the development periods become shorter. Already at a very early development phase, the questions for the serial conditions appear, even before the first prototypes are being produced. The binding character of offers, even at this early state, pushes the manufacturers of plastic-metal-components to consider all possible cost-related factors. These include not only the pure product, but also the customer conditions (such as the cycle time, which is the demand numbers in the time interval or the duration of the product life cycle). For this problem this thesis provides a user-oriented solution model based on a scientific approach. After explaining some basic terms the insert technique is presented which can be used to manufacture plastic-metal-components. Followed by the product application areas and from market available standard manufacturing systems for their production. The timing coordination for the planning of production concepts in the product development process is possible. Furthermore, the product behaviors of plastic-metal-components in the process (especially shrinkage and warping) could be estimated in simulations to require as few as possible testing recursions until the start of production. For this purpose the knowledge of process design and automation possibilities for individual production systems are required. The model contains two additional methods in style of the Toyota Production System to highlight waste. The untypical, but absolutely necessary, is the proactive estimation of expected losses. The Net Equipment Effectiveness looks at the efficiencies of individual production systems in combination of machine, peripherals, tools and personnel. The breakdown in the loss-factors availability, performance and quality provide an additional fine structure of waste as defined by Toyota. The second method is the value stream mapping, in which the entire process chain from incoming goods to outgoing goods including order specific conditions of the customer are visualized. All necessary information for the model can be found here. The manufacturing systems including resources, set-up times, cycle times, lot sizes, etc. Even the loss factors of Net Equipment Effectiveness are listed here. Furthermore, all storage areas are represented with their stock quantity. There are some boundary conditions in the model for uniform handling because at this time there is still no real product. This comprehensive but simple presentation increases the detection of loss-priorities and cost drivers sometimes even at first sight. Adjustments to the production concept are possible such as optimizing the lot size or reflecting measures of automation. A comparison of different manufacturing concepts with relation to the entire product life cycle shows interesting knowledge for the correct selection. Regardless what decision is made, there is currently no production concept without waste. From today’s point of view the ideal image as defined by Toyota is and remains an unreachable target. But the company that comes closest to this aim, has a clear competitive advantage over its competitors. But the company that knows the total costs of planned future manufacturing concepts and is be able to optimize the concepts technically and economically, has a clear competitive advantage over its competitors.

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Pohl, Sascha: Auswahl von Fertigungskonzepten für kundenspezifische Kunststoff-Metall-Bauteile durch ganzheitliche Modellbetrachtung. 2012.

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