Klaus-Dieter Thoben, Sebastian Fritz, Martin Lünemann (Eds.)

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1 Klaus-Dieter Thoben, Sebastian Fritz, Martin Lünemann (Eds.) Fit für die Massgeschneiderte Massenfertigung durch agile, rekonfigurierbare Fertigungssysteme Bremer Schriften zur integrierten Produkt- und Prozessentwicklung / Band 46 mainz Verlag, Aachen, 003 ISBN

2 Authors Ronald Angerbauer, Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH, Germany Gregor Drabow, IFW, Universität Hannover, Germany Thomas Garber, ISW, Universität Stuttgart, Germany Winfried Hils, Homag AG, Germany Martin Lünemann, IFW, Universität Hannover, Germany Stephan Scherger, IFW, Universität Hannover, Germany Klaus-Dieter Thoben, BIBA, Germany I

3 II

4 Preface of the Series The Bremen Institute of Industrial Technology and Applied Work Science at the University of Bremen (BIBA) works as an inter-disciplinary research institute in the development of technical and organisational innovations and their implementation in small, medium and large enterprises. BIBA is also involved in the development of training activities encompassing all levels of the company hierarchy for best design and implementation of innovative solutions. Innovation in this context is meant to represent only those alternatives that provide a decisive contribution for finding a solution for each individual problem-cause complex. For designing these innovations, BIBA co-operates with a variety of partners from industry and academia on a regional, national, European and transatlantic level. The technical infrastructure of the Institute is supplied by the Production- Integration-Centre (PIZ). Its production and information technology facilities as well as the integration into communication networks form the basis for fundamental scientific work and applied research with a primary focus on Production systems, communication and telematics Logistics and globally distributed production Computer-aided design, planning and manufacturing Organisation modelling and simulation Industrial engineering Human resources development and qualification Quality management Work and technology In addition, BIBA serves as a centre for demonstrations and technology transfer for local and national enterprises and supplies the basis for new ways training and education as well as work-oriented forms of human resources development and qualification. Essentially supportive for these activities is the connection of the Institute to the department of Production Engineering and various co-operations with other departments at the University of Bremen. Simultaneously, the Institute is funded and supported by the Verein zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung in der III

5 freien Hansestadt Bremen e.v., which ensures contacts to relevant institutions throughout the country. After a 10-year period, the Institute is publishing the results of its works in a series. The objective of this series is to disseminate dissertations, project reports and proceedings of Institute-hosted conferences to a larger circle of interested people. The Series Editors Prof. Dr.-Ing. Gerd Goch Prof. Dr.-Ing. Franz J. Heeg Prof. Dr.-Ing. Bernd E. Hirsch Prof. Dr.-Ing. Dieter H. Müller Prof. Dr.-Ing. Bernd Scholz-Reiter IV

6 Preface of the Volume The ARMMS - Agile Reconfigurable Manufacturing Machinery Systems - Project was a pan-european Thematic Research Network funded by the European Commission in Brussels. The aims of the programme were: To bring together key industrial and academic personnel already pro-active in agility and reconfigurability issues related to manufacturing and machinery systems, To foster co-operation and facilitate the exchange of information and technology appropriate to the advancement of agile manufacturing in Europe, To build an informed consensus view on the current state of the art in research and industrial application, To identify future technological and research needs and establish an informed base for the European Commission in manufacturing machinery systems, which are agile and re-configurable. ARMMS has brought together some 30 partners from universities, research institutes, equipment suppliers and potential end-users proactive in the field of agility and re-configurability of machinery systems. The countries represented include Belgium, Germany, Italy, Spain, Sweden, and UK. In order to harness the diverse skills brought to the network by the partners, and to afford them the maximum opportunity to contribute, much of the work was conducted in a number of focussed Working Groups. Members of respective Working Groups were encouraged to organise their own schedule of meetings as working collaborations. The venues were rotated between the sites of the different organisations and institutions - hence facilitating dissemination of current practice and expertise. One of the first responsibilities was to determine a common terminology for all partners, and subsequently a Glossary of Terms that could be used for common reference. This required familiarisation with terms, establishment of definitions where appropriate (and development of a more pragmatic understanding of usage based on examples where precise definition was too difficult) and agreement on the scope of derived definitions within the remit of the project. The partners adopted common practices for tasks to be undertaken in parallel, for example the data gathering on applications of agility and re-configurability was simultaneous with the identification of modules, facilitating tools, and enabling technologies. This data was gathered in a survey of European companies, using structured interviews and a V

7 neutral description format for the applications, to identify modules, categorise their industrial sectors, and to map the applications for each module type. From this work, it soon became apparent that support tools and methodologies for economic evaluation needed to be included, as well as structural and software interfaces. The ARMMS project was finished in 00 with a series of national workshops. This book provides a list of papers presented at the workshop Fit für die Maßgeschneiderte Massenfertigung durch agile, rekonfigurierbare Fertigungssysteme which was held at the ISW in Stuttgart, March 00. The German academic partners of the ARMMS network organized the workshop. We would like to acknowledge the European Commission for enabling this project by their strong support. We thank all authors of this booklet for their valuable contributions. Finally, we express our thanks to all ARMMS partners for bringing their competence, enthusiasm and an excellent spirit of co-operation into the project and thus making this project a success. Bremen, March 003 Prof. Dr.-Ing. Klaus-Dieter Thoben Bremer Institut für Betriebstechnik und angewandte Arbeitswissenschaft an der Universität Bremen Dipl.-Ing. Sebastian Fritz Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen, Universität Stuttgart Dipl.-Ing. Martin Lünemann Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Universität Hannover VI

8 Table of Contents 1 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation: Concepts and Challenges Considering manufacturing as a Customer Needs Fulfilment Process Customer Order Decoupling Point in Customer-driven Manufacturing Mass Customisation Levels of customisation in MC Comparing Mass Customisation and Customer-driven Manufacturing Common objectives Principles for manufacturing systems design Conclusion...14 Power line 1: Ein Lösungsansatz für die agile Fertigung in der Holzbearbeitung Die Entwicklung der Produktionsmittel in der Möbelindustrie Das EU Projekt ARMMS Gründe für den Aufbau eines Agilen Fertigungssystems....4 Funktionsweise des agilen Fertigungssystems Power line Aufwendungen für eine Losgröße 1 Fertigung Zusammenfassung HIPARMS - Highly Productive and Reconfigurable Manufacturing Systems Introduction Machine Modularity Developed machine reference architecture Accessibility of machine modularity Advantages and disadvantages of modular machines Support of machine configuration and reconfiguration Summary Baukastensystematik in der Steuerungstechnik auf Basis einer föderalen Informationsarchitektur Einleitung Baukastensysteme für die Steuerungstechnik...43 VII

9 Contents VIII 4..1 Baukastenorientierte Vorgehensweise Strategien zur Einführung von Baukastensystemen SW-Baukasten am Beispiel der Firma Nagel Föderale Informationsarchitektur Das Projekt Föderal Semantisches Netz Föderale Informations-Architektur (FIA) Stand der Arbeiten und Ausblick Zusammenfassung EUROShoE: Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Wo drückt der Schuh? Vision des Projekts Bedarf an kundenindividuellen Schuhen Eine Maschine zur Herstellung von Schuhleisten Kundenspezifische Leistenherstellung Analyse der industriellen Schuhleistenproduktion Potenziale für Kosteneinsparungen Verfügbare Maschinen und Patente Newlast SDF Teseo HLM Spannen an der Schnittfläche Besonderheiten bei individualisierten Schuhleisten Erste Spezifikationen Mögliche Architekturen Zusammenfassung und Ausblick Berechnung der Eigenschaften von Parallelkinematik-Maschinen durch Syntheseverfahren Rekonfigurierbare Maschinen Komponenten von Parallelkinematiken Eigenschaften der Basismodule Die Werkzeugplattform Synthese von Plattform und Basismodulen Jacobi-Matrix Geschwindigkeitsübersetzung... 84

10 Contents Kraftübersetzung Beschleunigungsübersetzung Genauigkeit Steifigkeit Vorwärtstransformation Singularitäten Trägheitskräfte und -momente Zusammenfassung...94 IX

11 X

12 1 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation: Concepts and Challenges Klaus-Dieter Thoben, University of Bremen Hochschulring 0, D-8359 Bremen, Germany, Tel: , Fax: , Abstract Today focusing on the individual needs of the customer has gained broad attention in industry. Accordingly, for many branches the concept of Mass customisation (MC) has been identified as a competitive strategy. Theoretical, technical as well as managerial aspects have been studied and are still studied aiming at a better understanding of this new paradigm. At the same time, there is a long tradition in various branches in designing and manufacturing customer specific products such as machinery, ships and even cars. This paper aims to identify generic principles for the design of manufacturing systems delivering a wide range of products and services that meet the specific needs of individual customers. Baseline of this paper is the analysis of various industrial cases, consultancy as well as research projects in the broader field of customer driven manufacturing. Keywords Customer-driven Manufacturing, One-of-a-Kind Production, Mass Customisation 1.1 Considering Manufacturing as a Customer Needs Fulfilment Process There is a long tradition in Europe in designing and manufacturing customer specific i.e. so called One-of a-kind products such as machinery systems, ships and even cars (Wortmann et al. 1997), (Hirsch, Thoben, 199). One of a kind products in this respect are very often a mean to manufacture and/or provide products for (end-) consumers. Mass customisation relates to the ability to provide customized products or services through flexible processes in high volumes and at reasonably low costs. The concept has emerged in the late 1980s and early 1990s and may be viewed as a natural follow up to processes that have become increasingly flexible and optimised regarding quality and costs. However, whereas the concept of One-of-a-Kind Production (OKP) addresses mainly a customer in terms of a manufacturer and/or service provider, i.e. a buyer 1

13 Klaus-Dieter Thoben of capital or investment goods, the term Mass Customisation mainly addresses customers in terms of (end-) consumers. Although starting from different perspectives both approaches are aiming at a cost efficient customisation (and personalization) of the related products and services. However, to understand the evolving concepts behind the term product, one has to look at the customer s demand from his requirements perspective and the key stages that fulfil the requirements. Based on the classical view on manufacturing systems a generic structure of a needs fulfilment process is depicted in Figure 1-1. Needs Fulfilment Process Customer Individual Needs Product Product Specification Manufacturingprocess Processplanning Transformationprocess Supply market Knowledge/ Information People Needs Fulfilment Realised Product Processexcecution Equipment Material material flow information flow Figure 1-1: Customer driven manufacturing: A Needs Fulfilment Process One can gather from Figure 1-1 that beside the customer there are three stages in the needs fulfilment process: Product: A product can be defined as an end item that will satisfy the customer s needs. Key features of a product include: It can consist of more than one physical entity. It can be a tangible entity that will be used or consumed by the customer (In addition to any physical product, a software program is also considered to be a tangible product). A Product can also be intangible, such as information, knowledge, advice, consultancy services, etc.

14 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation It can be a combination of tangible and intangible entities such as design services. A product has definable attributes that can be classified under time, cost, quality, functionality, etc. A product also has distinct life-cycle phases from initial concepts through to its final disposal. Manufacturing Process (Transformation Process): It is a process (or processes) that is (are) used/consumed in the realisation of a product. Key attribute of realisation process include: It is carried out by one or more systems (enterprises) acting to achieve a common goal that is the realisation of a specified product that is required by a customer. It will need infrastructures (e.g. buildings, utilities, etc.), resources (e.g. machinery, people, etc.) and materials for the realisation of the required product. It will behave as a customer to acquire the necessary resources and materials. It has distinct life-cycle phases with respect to the systems assembled to achieve realisation. Supply Market (resource and infrastructures): The supply market i.e. (global available) resources, equipment, information/knowledge and people constitute an enterprise, or a group/network of enterprises that devote their resources and knowhow to actually produce the product. 1. Customer Order Decoupling Point in Customer-driven Manufacturing The manufacturing systems approach adopted by an organisation influences the manner in which that organisation conducts its manufacturing, planning and control activities. In stable and evolving dynamic markets the product has been classified based on the way its demand, from the manufacturer s perspective, is generated - in other words, the point up to which a customer is involved in the final specification of the product. Based on the ratio between those parts of the manufacturing process which are driven by customer orders and those which are driven by forecasts according to Wortmann a manufacturing organisation s operation can be classified by introducing the notion of the Customer Order Decoupling Point (CODP) (Wortmann, 1997). The CODP refers to the point in the material flow from where customer-order-driven activities take place. 3

15 Klaus-Dieter Thoben Make-to-stock (MTS) typifies the manufacture of products based on a familiar and relatively predictable demand mix, where product life cycles are reasonably long and stable. Assemble-to-order (ATO) organisations maintain a stock of semi-finished products, so that following receipt of an order for a particular configuration, the relevant sub-assemblies can be assembled according to the actual demand. Make-to-order (MTO) organisations maintain a stock of standard components, so that following the receipt of an order for a particular design; the product is manufactured from these components. Interaction with the customer is extensive and is based on sales and engineering. The manufacture of machine tools and many capital goods are examples of this type of MTO manufacturing. Engineer-to-order (ETO) represents an extension of the MTO system, with the major difference being that the engineering design of the product is almost based on customer specifications. Customer interaction is greater and true one of a kind products are engineered to order. End to End (ETE) represents an extension of the ETO approach. Starting point is the analysis of the needs of the customer, goal is not to provide a specific product but to achieve customer satisfaction by fulfilling the needs of he customer. Figure 1- indicates potential customer-driven activities in order processing in the capital goods industry. The customer s influence on the product can range from the definition of some delivery-related product specifications in advanced phases in the product life-cycle (e.g. packaging, transportation) to a modification of the ultimate functions of the product in the very early phases (e.g. customer-related product specifications). 1.3 Mass Customisation Despite the increasing attention MC has been receiving in practice as well as in literature, there is no common understanding about the term MC. Literature still provides a broad spectrum of definitions. Whereas some authors give a very broad and sometimes very general definition others provide more narrow and practical definitions. In a practical sense MC can be seen as an approach that uses information technology, flexible processes, and organizational structures to deliver a wide range of products and services that meet specific needs of individual customers (often defined by a series of options), at a cost near that of mass-produced items (Hart, 1995). From an economic point of view, implementing the MC concept requests a careful determination of the range in which a product or service can be customized efficiently. The level or the levels of individualisation of the offered items seem to be critical for an appropriate definition. Pine e.g. suggests five stages of modular production: customized services (standard products are tailored by people in marketing and delivery before they reach customers), embedded customisation (standard 4

16 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation products can be altered by customers during use), point-of-delivery customisation (additional custom work can be done at the point of sale), providing quick response (short time delivery of products), and modular production (standard components can be configured in a wide variety of products and services) (see Pine, 1993). Along its lifecycle a customer specific product has to be: disposed to order Requirements Phase specified to order financed to order refurbished to order repaired to order End of Life Phase Specification Phase designed to order Maintenance Phase Realisation Phase calculated, simulated to order maintained to order operated to order delivered to order Usage Phase manufactured to order assembled to order Figure 1-: Customer specific activities along the product life-cycle Levels of customisation in MC Based on an analysis of existing frameworks to categorise the various levels of customisation of a product, Da Silveira et al. propose a set of eight generic levels of MC, ranging from pure customisation (individually designed products) to pure standardization (see Table 1-1), (see Da Silveira, 001). Design as level 8 refers to collaborative product development, manufacturing and delivery of products according to individual customer preferences. The next level (Level 7: fabrication) refers to manufacturing of customer-tailored products based on predefined designs. Assembly as level 6 deals with the arranging of modular components into different configurations according to customer orders. On levels 5 and 4, MC is achieved by simply adding custom work (e.g. Ikea furniture) or services to standard products (often at the point of delivery). In level 3, MC is provided by alternative approaches for distributing or packaging of products (e.g. different labels and/or box sizes according to specific market segments). In level two 5

17 Klaus-Dieter Thoben MC occurs only after delivery, through products that can be adapted to different functions or situations. Level 1 refers to pure standardization, a strategy that according to Da Silveira et al. can still be useful in many industrial segments. Approaches MC Approaches (Gilmore/Pine, MC Strategies (Lampel et al., Stages of MC (Pine, 1993) Types of customisation MC Generic 1997) 1996) (Spira, 1996) levels 1. Standardisation ---- Pure standardisation. Usage Adaptive Embedded ---- customisation 3. Package and distribution Cosmetic Segmented standardisation ---- Customising packaging 4. Additional services 5. Additional custom work Customised services; provdg. quick response Point of delivery customisation 6. Assembly ---- Customised standardisation 7. Fabrication ---- Tailored customisation 8. Design Collaborative, Pure Transparent customisation Modular production Table 1-1: Generic levels of Mass Customisation (according to Da Silveira et al., 001) Providing additional services Performing additional custom work Assembling stand. components into unique configurations Comparing Mass Customisation and Customer-driven Manufacturing The concept of Mass Customisation (MC) as well as the concept of Customerdriven Manufacturing (CdM) originates from traditional manufacturing paradigms. Whereas the concept of Mass Customisation originates from the Mass Production Paradigm (MPP), the concept of Customer-driven Manufacturing originates from the One-of-a-Kind Production (OKP) Paradigm (Da Silveira, 001), (Spira, 1996). However, today both underlying approaches i.e. MP as well as OKP are facing tremendous pressures: Customers are no more interested neither in buying standardised products nor in paying premium prices for customised products or even customised product features. 6

18 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation Variety of Product low high Mass- production 1-3a) high low Stability of Process Variet y of Product low high One- of- a- Kind Production 1-3b) high low Stability of Process Variety of Product low high Mass Customisation 1-3c) high low Stability of Process Figure 1-3: Product variety vs. process stability 7

19 Klaus-Dieter Thoben Figure 1-3 depicts a diagram considering product variety on the one axis and process stability on the other axis can be used to classify the various approaches. Whereas MP can be characterized by a high process stability (i.e. no changes, no modifications are needed during order processing) and a low product variety (in extreme cases there are no variants), the potential of OKP can be characterised by high product variety and low process stability (product specifications as well as process specifications are changing from order to order), (see Figure 1-3(a - b)). As the stability and the smooth operation of a production process is a prerequisite for cost efficiency the MC approach tries to keep the stability of the process but to increase the variety of products (see Figure 1-3c). To pursue these seemingly excluding goals has become possible, since modern manufacturing and information technologies offer the ability to companies to deliver a certain range of products and services that meet even the needs of individual customers at a cost near that of mass-produced items. Whereas the MC concept mainly addresses the customer in terms of a consumer the concept of Customer-driven Manufacturing addresses mainly the customer in terms of a manufacturer and/or service provider, i.e. the capital goods industry. Originating from customized production approaches CdM is aiming at an increase of process stability without a decrease in the variety of the products to be offered to the customers. Product Development Manufacturing/ Assembly Availability of Product (MTS) (ATO) (MTO) (ETO) Focus of Mass Customisation Focus of Customerdriven Manufacturing Figure 1-4: Classifying MC and CdM by using the customer order decoupling point (CODP) 8

20 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation Common objectives Starting from different perspectives both approaches do have a common objective in cost efficient customisation (and personalization) of products and services. Using the concept of the customer order decoupling point (CODP) the different starting points of both approaches become obvious (see Figure 4). As discussed above in Table 1-1 the main focus of MC so far is on ATO (Assemble-to-order) and MTO (Make-to-order). The Engineer-to-order (ETO) approach so far is not realised in practise or - if implemented - restricted to the customer driven variation of single and predefined product features. Figure 1-5 depicts a set of steps or even changes to undergo for a mass-producer as well as for a one-of-a-kind manufacturer to become a mass-customising company. By increasing the customer focus through the implementation of the proposed changes a mass producer has to take care of his cost-advantages. Losing the costadvantages and failing in achieving an increased customer focus leads to a critical situation for a company. By improving the cost focus a one-of-a-kind producer has to take care of his competitive advantages based on his customer focus. To lose the competitive advantage based on the customised offerings and to fail in achieving cost-advantages leads to a critical situation for this company as well. Mass-Customiser Goal Increased Customerfocus (Conservation of Cost-Advantages) Modularisation of Products Speeding Up of Order Processing Customer specific Final Assembly Self- Customizing Service- Individualization Product Time Process Customer Focus Service Standardisation of Components Standardisation of Processes Customer independent Premanufactg. Self- Customizing Standardization of Services Increased Customerfocus Conservation of Solution based Advantages Massproducer Startingpoint One-of-a-Kind Producer Figure 1-5: Two starting points, one ultimate goal: From Mass Production and One-of-a Kind Production to Mass Customisation (based on Reiß et al.) 9

21 Klaus-Dieter Thoben Da Silveira et al. identified six success factors for Mass Customisation most commonly emphasized in literature (Da Silveira et al., 001): Customer demand for variety and customisation must exist. Market conditions must be appropriate. Value chain should be ready. Manufacturing and information technology must be available. Products should be customisable (Products must be modularised, versatile and constantly renewed). Knowledge must be shared across the value chain. As the successful implementation of MC relies on these success factors MC cannot be seen as every company s best strategy. To summarise, a successful implementation of MC involves major aspects of operations including product configuration, value chain network, process and information technology, and the development of a knowledge-based organizational structure Principles for manufacturing systems design Customer-driven manufacturing strategies in general intend to cover the various levels of individualisation of products and processes. However, what are the basic principles companies have to apply or to follow to design efficient, customer (needs) driven manufacturing systems. In other words, what are the basic principles in designing manufacturing systems being able to deliver a wide range of products and services that meet the specific needs of individual customers. Principles for manufacturing systems design are general rules or guidelines that a company should try to obey in designing efficient customer-driven manufacturing systems. System design principles for customer-driven manufacturing systems are rules that show how customer driven-manufacturing might be put into practice. In a study various industrial cases, industrial, consultancy as well as research projects in the broader field of customer driven manufacturing (including software development) have been analysed and a set of design principles for the appropriate design of customer driven manufacturing systems have been identified by the author (Thoben, 001). Table 1- shows a selection of principles identified. 10

22 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation Pragmatism Repetition Small Interfaces Self-organisation Decentralisation Pragmatism Repetition Feedback Modularisation. Co-operation Simulation Late Commitment Late Commitment Push vs. pull Prototyping Synchronisation Parallelism. Table 1-: Selection of design principles to be applied in Customer driven Manufacturing systems design Starting point for this analysis was the specification of the generic dimensions of a customer specific order. According to decision theory various strategies are applicable in dealing with the dimensions of such problems. Problems can be anticipated, eliminated, ignored, minimized or controlled, etc. (Figure 1-6). From a problem oriented perspective order processing in customer driven manufacturing can be seen as a problem solving process conducted by a company. Analysing the various facets of this type of problems a set of so-called problem dimensions can be defined. Accordingly a customer order can be characterized by a number of dimensions such as: Cost-criticality Time-criticality Novelty Uniqueness Complexity Non-transparency Initial Dynamics (Momentum) Uncertainty of Goal 11

23 Klaus-Dieter Thoben Procedure / Strategy Description Not yet arisen Status of problem Aim to be arisen achieved To anticipate To prevent the evolution of a problem To eliminate To minimise Complete removal of a problem which has been arisen To reduce an existing problem to the lowesr degree possible To ignore Meaningful neglect of an existing problem To control Acceptance of a problem and systematic solution approach Figure 1-6: Problem solution strategies Time criticality Cost criticality Uncertain ty of goal First Time Uniqueness Initial Dynamics Non transparency Complexity Figure 1-7: Characterizing cases in Customer-driven Manufacturing A template to qualitatively characterize the concept as well as the potentials of the design principles in a standardized way has been developed (see Figure 1-7). This template includes sections like Relationships with other principles, Potential to solve a problem, Potential for application (i.e. application domain), etc. 1

24 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation Relationships with other design principles "Modularisation" "Small interfaces" supports supports application of application of "Decentralisation" Minimized Predetermination supports application of prepares application of Late Commitment supports supports application of application of supports application of supports application of supports application of "Rough vs. detailled" "Working with fuzzy data" supports application of "Pragmatism" "Value Adding" "Self-organisation" Potential to solve problem Cost-criticality Time-criticality Dimension to be considered Novelty Uniqueness Complexity In-transparency Momentum Uncertainty about goal Strategy To anticipate To eliminate To controll X X X X - X X X - Potential for Application Type of system to be considered - X Resourcerelated Processrelated Objectrelated - Figure 1-8: Characterisation of design principles in CdM (example); (Thoben, 00) 13

25 Klaus-Dieter Thoben As the principles have been identified by analysing real life cases, examples, etc. they are not independent of each other. Accordingly one principle can prepare, enable, support or even hinder the application of another or various other principles. However no research has been done so far to classify or to measure the relationship in a quantitative manner. Figure 1-8 shows the template to systematically characterize the principle Late Commitment. Some of the principles identified in the study are of generic nature, whereas others are very specific. Generic principles might be applied to the different organisational levels (strategic, tactical and operational) within a company, whereas the field of other principles is limited. First steps in analysing industrial cases, literature and research projects related to MC have shown, that design principles are applied here as well. However, as MC and CdM originates from different manufacturing paradigms (see above), there are many differences as well. Late differentiation e.g. is used as one major principle in MC. Applying this principle allows companies to have standard processes until the point of differentiation, very often a prerequisite for cost efficient process design in MC. Apart from the principle Late differentiation (synonym in CdM is Late individualisation ) in CdM the principle Late Commitment is used quiet frequently. This principle again is well known in decision theory: Make safe decisions first / dangerous decisions very late. Even in product data modelling a similar principle is being applied: Early Binding vs. Late Binding. De Vin proposed to apply the strategy called Design by least commitment" in such cases where designers have to take decisions in very unstable environments (De Vin, L.J., 1998). Similar proposals have been made as well by (Marri et al. 1998) and by (Knackfuß, 199) for decision making in process planning. 1.5 Conclusion Both approaches, Mass Customisation (MC) as well as Customer-driven Manufacturing (CdM) theoretically intend to cover the various levels of individualization of products. Whereas the MC concept originates from the Mass Production Paradigm (MPP), the CdM concept originates from the One-of-a-Kind Production (OKP) Paradigm. Accordingly the MC concept mainly addresses the customer in terms of a consumer and the CdM concept addresses mainly the customer in terms of a manufacturer and/or service provider, i.e. the capital goods industry. However, it can be stated that the more complex the products, the higher the level of customisation of the product and the more intensive the integration of the customer into the order processing the applications of MC seems to be limited. At the same 14

26 From Customer-driven Manufacturing to Mass Customisation time the the CdM concept seems to be weak when the objective is to deliver customised products at a cost near that of mass-produced items. To summarize, as it is very often the case both approaches, MC and CdM, do have strong as well as weak points. Identifying and applying generic design principles for manufacturing systems providing customized products seems to be a promising approach. References Hirsch, B.E., Thoben, K.-D., 1997, Why Customer-driven Manufacturing?, in Wortmann, J.C.; Muntslag, D.R.; Timmermanns, P.J.M., (Eds.), 1997, Customer-driven Manufacturing; Chapman & Hall, London, Weinheim, New York, pp Pine, J., 1993, Mass customizing products and services, Planning Review 1 (4) 6-13 Thoben, K.-D., 001, Kundenspezifische Produktion Anforderungen, Prinzipien, Methoden und Werkzeuge; Habilitationsschrift, University of Bremen, Germany, (To be published in 00) Wortmann, J.C.; Muntslag, D.R.; Timmermanns, P.J.M. (Eds.), 1997, Customerdriven Manufacturing; Chapman & Hall, London, Weinheim, New York Da Silveira, G., Borenstein, D., Fogliatto, F.S., 001, Mass Customisation: Literature review and research directions, Int. J. Production Economics 7/1-13 Pine, J., Victor, B., Boyton, A., 1993, Making mass customisation work, Harvard Business Review 71 (5) Hart, C., 1995, Mass customisation: Conceptual underpinnings, opportunities and limits, International Journal of Service Industry Management 6 () Gilmore, J., Pine, J., 1997, The four faces of mass customisation, Harvard Business Review 75 (1) Hart, C., 1996, Made to order, Marketing 5 () 10-3 Hirsch, B.E., Thoben, K.D., (Eds.), 199, One of a Kind Production: New Approaches, North-Holland, Amsterdam Wortmann, J.C., 1997, A typology of customer-driven manufacturing, in (Wortmann, et. al., 1997), Customer-driven Manufacturing; Chapman & Hall, London, Weinheim, New York],

27 Klaus-Dieter Thoben Lampel, J., Mintzberg, H., 1996, Customizing Customisation, Sloan Management Review 38, 1-30 Spira, J., 1996, Mass customisation through training at Lutron Electronics, Computers in Industry 30 (3) Reiß, M., Beck, T.C., 1994, Fertigung jenseits des Kosten-Flexibilitäts-Dilemmas. Mass Customisation als Strategiekonzept für Massenfertiger und Einzelfertiger, VDI-Z, 136 (11/1), 8-30 De Vin, L.J., 1998, Co-operation between Manufacturing Functions in Sheet Metal Part Manufacturing, in: Martensson, N; Mackay, R.; Björgvinsson, (Eds.): Changing the Ways We Work; Advances in Design and Manufacturing, Marri, H.B., Gunasekaran, A., Grieve, R.J., 1998, Computer Aided Process Planning: A State of the Art; International Journal of Advanced Manufacturing Technology 14, pp Knackfuß, P., 199, Ein Konzept zur merkmalsgestützten Konstruktion, Arbeitsvorbereitung und Fertigungssteuerung bei der Herstellung von Blechteilen, Dissertation, Universität Bremen, 199 About the Author: Klaus Dieter Thoben studied mechanical engineering and received his PhD in CAD applications. For years he has headed the Department of Computer Aided Design, Planning and Manufacturing at BIBA (Bremen Institute of Industrial Technology and Applied Work Science at the University of Bremen). He has been responsible for various project management and research functions in consultancy projects as well as national and international research programs on technology development for industry. He finished his Habilitation (second PhD) in the domain of manufacturing systems in 001. In 003 he became a full professor at the University of Bremen. His special interests are organizational issues and related applications of information and communication technologies in concurrent engineering, customer-driven manufacturing incl. mass customization. 16

28 Power line 1: Ein Lösungsansatz für die agile Fertigung in der Holzbearbeitung Winfried Hils, Homag AG Homagstrasse 5, D-796 Schopfloch, Germany, Tel: , Fax: , Abstract Die Möbelfertigung unterliegt einem extremen Wettbewerb. Auf der einen Seite die absolute Massenproduktion zu Billigst - Preisen und auf der anderen Seite das stark designorientierte individuelle Möbelstück. In beiden Bereichen herrscht ein starker Verdrängungswettbewerb. Es liegt also auf der Hand nach Fertigungsmethoden zu suchen, um diese zwei Bereiche mit denselben Produktionsanlagen abdecken zu können. Wer diese Flexibilität erreicht kann in beiden Marktsegmenten anbieten und sich so einen Vorsprung erarbeiten. Dieser Vortrag zeigt einen Lösungsansatz, der dieser Forderung gerecht wird und sich bereits in unterschiedlichen Sparten der Möbelbranche bewährt hat. Keywords agile Fertigung, Power line, ERP-System 17

29 Winfried Hils.1 Die Entwicklung der Produktionsmittel in der Möbelindustrie In den Jahren wurde der Möbelmarkt vorwiegend durch Standardmöbel geprägt, welche zwar in guter Qualität jedoch in Serien von mehreren Tausend pro Jahr produziert wurden. Ab Mitte der 80er Jahre wurde mehr Wert auf Individualismus gelegt und das klassische Einheitsmöbel wurde ersetzt durch Möbelsysteme die gewisse Wahlmöglichkeiten offen ließen. Man konnte nun ohne große Mehrkosten unterschiedliche Farben und Dekors auswählen. In den späten 90er Jahren kristallisierten sich unterschiedliche Trends heraus. Auf der einen Seite das absolut durchentwickelte Massenprodukt und auf der anderen Seite das sehr teure Individualmöbel, welches in Form, Stilrichtung und Materialwahl alle Möglichkeiten offen lies. Natürlich hat sich der Maschinenmarkt auf die jeweils herrschenden Trends eingestellt und versucht das entsprechend optimierte Produktionsmittel zur Verfügung zu stellen. So wurden anfangs Maschinen gebaut, welche nur das eine Ziel hatten, möglichst viele gleiche Teile pro Schicht zu produzieren. Automatisierung und die daraus resultierende schnelle Umrüstung von einer Werkstücksart zur anderen waren nicht gefragt. Es dauerte damals ca. 6 Wochen bis sicher alle Teile produziert waren, die für ein Möbelsystem (z.b. Schrankwand, Einbauküche oder Schlafzimmer) benötigt wurden. Entsprechend war die Lieferzeit bzw. die Vorhaltekosten im Bereich Logistik und Lagerbestand hoch. Die Belieferung erfolgte meist aus, im Vorfeld bestellten und im Möbelhaus zwischengelagerten Beständen, oder der Kunde mußte entsprechend lange warten. Ein individueller Kundenwunsch konnte nur durch den Schreiner Vorort gelöst werden. Transfer (DL) Maschinen für die Massenproduktion Baugleiche Teile mit eingeschränkten Konturen 8 18

30 Ein Lösungsansatz für die agile Holzbearbeitung Das Produzieren von Möbelteilen nach Kundenwunsch erfordert also eine ganz andere Fabrikorganisation und entsprechend flexible Maschinen, die sich sofort auf jedes Produkt einstellen lassen. Diese Maschinenart wurde ab 1989 entwickelt und gebaut, kam aber erst ab 1993 in größerem Stil zum Einsatz. Im Gegensatz zu Werkstücken in der Metallindustrie, gewinnen die Werkstücke in der Holz- bzw. Holzkomponenten-Industrie bei der Bearbeitung viel weniger an Wert, d.h. die Bearbeitung muß schneller vonstatten gehen oder das Möbelstück wird immens teuer. Die Zielrichtung der Maschinenentwicklung war also eindeutig auf kürzere Bearbeitungszeiten ausgelegt, außerdem war es nicht möglich ein aufwendiges CNC- Programm für jedes individuelle Werkstück zu entwickeln. Deshalb haben der Maschinenbau, die Steuerungstechnik und die werkstattorientierte Programmier-Software (WOP-Systeme) in dieser Branche in kürzester Zeit einen riesigen Aufschwung erlebt. Flexibilität = CNC BAZ Produktentwicklung seit 1989 Individuelle Teile mit komplexen Konturen und Arbeitsvorgängen in einer Aufspannung Maschinen mit Vorschubgeschwindigkeiten >100m/min, Bearbeitungsgeschwindigkeit >30M/min mit digitalen Antrieben, multikanalfähigen SoftCNC s, SoftSPS, oft sogar dezentrale Steuerungssystemen, lichtwellenbasierende Feldbusse usw. sind längst Branchenstandards. Es gibt Produktionsanlagen, die ständig Unikate erzeugen (z.b. die Arbeitsplatten einer maßgefertigten Küche). Aber trotz aller Anstrengungen im technischen Bereich ist es nicht gelungen individuelle Werkstücke zum Preis von Massenwaren herzustellen. 9 19

31 Winfried Hils Dies erklärt, warum in den 90er Jahren wieder ein eindeutiger Trend zum absoluten Massenmöbel (IKEA) eingetreten ist. Das Massenmöbel wurde zum Kult gemacht. Die Holzbearbeitungsmaschinen-Industrie hat entsprechend reagiert. Im Jahr 1999 hat z.b. die Firmengruppe Homag gruppenweit eine neue Maschinengeneration namens power line auf den Markt gebracht. Dieses Hochleistungsprogramm hat den Anspruch 50% mehr Leistung bei 0% mehr Investition zu garantieren. Produktivität = power Produktentwicklung 1999 power line Hochleistungsprogramm Power line Maschinen und Anlagen mit einer mindestens 50 % höheren Leistung als konventionelle Anlagen bei maximal 0 % höheren Anschaffungskosten Mechatronik (Koordination von Mechanik, Software und Elektronik) Zielgruppe: Industriekunden mit hohem Durchsatzvolumen 11 Es wurde also versucht, moderne Möbel mit einem gesunden Mix an Konturteilen und rechteckigen Standardteilen zu designen. Diese Möbelstücke sind jedoch dann im Preis sehr hoch, wenn vom Kunden individuelle Maße gefordert werden.. Das EU Projekt ARMMS Das Projekt ARMMS (Agile Reconfigurable Modular Machinery Systems) wurde 1999 gestartet und hat das Ziel, ein Thematic Network im Bereich des modularen Maschinenbaus zu schaffen. Ein wesentlicher Arbeitspunkt war, den Begriff Agilität zu definieren. Man einigte sich darauf im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus diesen Begriff mit Flexibilität bei gleichzeitiger Produktivität zu erklären. 0

32 Ein Lösungsansatz für die agile Holzbearbeitung Wenn nun ein Maschinen- bzw. Anlagenbauer versucht, die Agilität seiner Maschinenbaureihen in einer Kurve darzustellen, so kann eine Agilitätsmatrix, wie in diesem Beispiel aufgezeigt, hilfreich sein. Agilitätsmatrix bei Homagmaschinen Agilität der Maschinenbaureihen Individualität (1/Losgrösse) Limit of Agility Produktivität (Stückzahl/Schicht) BAZ Optimat BAZ Profiline BAZ Powerline DL Optimat DL Profiline DL Powerline DL Powerline 1 13 Die Agilitätsmatrix zeigt die Anzahl der Teile einer Charge (Losgröße) über der Gesamtstückzahl eines Zeitraumes auf. Trägt man seine Produkte in dieser Grafik ein und zeichnet um die so entstandene Punkteschar eine Hüllkurve, dann erhält man die Grenzkurve der Agilität (Limit of Agility) seiner Produkte. Es sollte die Aufgabe eines jeden Rationalisierungsmittelherstellers sein, die Neuentwicklungen außerhalb dieser Hüllekurve zu platzieren. Das absolute Ziel ist es, einen Punkt in der Ecke rechts oben zu landen. Genau dieses hat HOMAG im Jahr 001 durch die Entwicklung oder besser gesagt die Weiterentwicklung der power line Maschinenbaureihe angestrebt. Das neue Produkt heißt power line 1 und verbindet Flexibilität mit höchster Produktivität! Ziele dieser Produktreihe sind: 1

33 Winfried Hils Bestleistung ab Stückzahl 1 50% kürzere Durchlaufzeiten bei 30% geringerer Kapitalbindung Optimale Qualität durch minimales Handling Wirtschaftlich ab Losgröße 1: Nebenzeiten nahe Null Enormer Durchsatz bis individuell bearbeitete Teile / Schicht Platzersparnis: Größer 5% Just-in-time-Produktion für Möbel nach Wunsch 15.3 Gründe für den Aufbau eines Agilen Fertigungssystems Die heutige Zeit ist stark geprägt vom Individualismus: d.h. der Kunde ist König und wer es ermöglicht, die Wünsche der Kunden zu befriedigen, ist mit großer Wahrscheinlichkeit erfolgreich. Am folgenden Beispiel wird dies deutlich. Eine Kundin (Frau F.) geht mit mehr oder weniger festen Vorstellungen ins Möbelfachgeschäft und läßt sich fachgerecht beraten. Sie entscheidet sich für eine auf ihre Lebensweise abgestimmte Küchenkombination. 16

34 Ein Lösungsansatz für die agile Holzbearbeitung Mit Hilfe einer entsprechenden Branchensoftware wird interaktiv eine fotorealistische Darstellung erzeugt. Es entsteht eine Möbelstückliste und so ist es auch möglich gleichzeitig den Preis dieser Kombination zu ermitteln. Der so entstandene Auftrag wird online zum Hersteller übermittelt. Die Daten werden beim Hersteller in das ERP-System importiert. Fotorealistische Darstellung, schnelle Preisermittlung 17 Online-Übertragung zum Hersteller Datenimport in das ERP-System des Herstellers 18 3

35 Winfried Hils Anschließend werden die einzelnen Möbelstücke aus dem Auftrag von Frau F. in die Einzelteile (Werkstücke) aufgelöst und mit den entsprechenden Technologiedaten der einzelnen Fertigungsprozesse verknüpft. Zuordnung Technologie-Daten Die auf diese Weise aufbereiteten Fertigungsdaten werden per Netzwerk an die entsprechenden Fertigungslinien übertragen. Es wird im Wesentlichen keine Sortierung der Einzelteile vorgenommen. Nur zum Zwecke eines optimalen innerbetrieblichen Transports (Stapelbildung) wird innerhalb einer Kommission die Werkstücksreihenfolge verändert. Dies erfordert Fertigungslinien die ohne bzw. mit nur geringen Rüstzeiten arbeiten können. Eine solche Fertigungslinie ist darauf ausgelegt alle zwei Sekunden ein anderes Werkstück produzieren zu können. Die Herausforderung an diesen Produktionsprozess ist die Synchronisierung des Datenflusses mit dem Materialfuss. Hierfür ist es notwendig, daß alle pneumatisch gesteuerten Funktionen nun servotechnisch geregelt werden. Nur so kann eine 100%ige Reproduzierbarkeit bzgl. den unterschiedlichen Werkstücksanforderungen erzeugt werden. Da eine solche Anlage über 100 Funktionen dieser Art erfüllen muß, ist ein dezentraler Aufbau des Steuerungssystems ebenfalls unumgänglich. Dies wiederum bedingt eine Echtzeit -Datenverteilung zwischen den Systemen, d.h. es müssen ca Parameter an 40 Bearbeitungsstationen innerhalb Sekunden verteilt werden. Aber diese hohen Anforderungen sind auch eine Chance. Durch den dezentralen Aufbau entstehen mechatronische Baugruppen, die es ermöglichen, bei der Produktion der Maschinen auf vorgefertigte, ausgetestete Einheiten zurückzugreifen. Diese Einheiten weisen durch ausgeklügelte Testszenarien eine entsprechend gute Qualität auf. Eine extrem hohe Verfügbarkeit und ein 4

36 Ein Lösungsansatz für die agile Holzbearbeitung im Fehlerfall voll durchorganisierter Fernservice sind für die Just-In-Time - Produktion Grundvoraussetzung. Die Arbeit des Fernservice wird durch die vorhandenen Fertigungs-, Prüf- und Testunterlagen erleichtert. Sie sind bei Bedarf jederzeit über das zentrale Informationssystem abrufbar. Außerdem kann bzgl. dieser Einheiten eine Wissensdatenbank aufgebaut werden, die in ähnlichen Störfällen abgefragt werden kann. Nicht zuletzt bietet so ein mechatronisches Plattformsystem auch die ideale Grundlage für die Schulung aller Prozessbeteiligten (wie z.b. Anwender, Wartungs- und Servicepersonal). Durch die häufige Wiederverwendung lohnt es sich ausgereifte Schulungsunterlagen zu erarbeiten..4 Funktionsweise des agilen Fertigungssystems Power line 1 Um eine Losgröße 1 Fertigung sinnvoll aufbauen zu können, ist es notwendig, alle sich ändernden Parameter zwischen den unterschiedlichen Werkstücken ohne bzw. nur mit sehr geringer Rüstzeit aktivieren zu können. Da die bisherigen Transferlinen in der Möbelfertigung auf Massenproduktion ausgelegt waren, war die Umrüstung für die Parameter, Breite und Länge des Werkstückes sehr aufwendig. Die Rüstzeiten lagen bei mehr als einer Minute. Bei der Losgröße 1 Fertigung müssen diese Parameter im normalen Produktionszyklus, d.h. in < Sekunden, gerüstet werden. Deshalb mußte eine komplett neue Maschinenkinematik entwickelt werden. Dieses neue Prinzip erlaubt es eine Rüstung der Maße 5x5 cm bis 50x10cm innerhalb Sekunden durchzuführen. Prozessbedingt sind jedoch nicht alle Umrüstvorgänge innerhalb dieser Sekunden durchführbar. Deshalb muß die Kinematik der Maschinen während der Produktion simuliert werden, damit die auftretenden längeren Umrüstzeiten ermittelt werden können. Diese Umrüstzeiten werden auf die momentan eingestellte Vorschubgeschwindigkeit normiert. Die auf diese Weise errechnetete notwendige Rüstlücke wird jeweils generiert. Auf diese Art wird ein Verstopfen der Anlage verhindert, d.h. die Anlage wird im stetigen Fluß gehalten..5 Aufwendungen für eine Losgröße 1 Fertigung Die Leistung und die damit verbundenen Investitionskosten dieses Systems kann auf die Bedürfnisse des Betreibers angepaßt werden. Je nach Stückzahlbedarf, verfügbarem Investitionsvolumen oder vorhandener Fabrikfläche kann der Kunde seine Anlage aufbauen lassen. 5

37 Winfried Hils Power line 1 und seine Ausbaustufen KF14 bis 000 Teile / Schicht 4x KF4 bis 4000 Teile / Schicht x KF4 KF4 bis 8000 Teile / Schicht 1x Bei der Investition für eine Losgröße 1 Fertigung dürfen nicht nur die Aufwendungen für die entsprechenden Produktionsanlagen kalkuliert werden, sondern es muß das gesamte Umfeld der Fabrik, d.h. das ERP-System, die Vernetzung und die gesamte Logistik von der Bestellung bis zur Auslieferung mit betrachtet werden. Auf diese Weise stehen die Aufwendungen in Relation zu der erreichbaren Rationalisierung in einem vernünftigen Verhältnis. Natürlich kann eine vorhandene Produktion nicht oder nur schwer schlagartig von der klassischen Massen- bzw. Kleinlosproduktion auf Losgröße 1 Fertigung umgestellt werden, aber bei der Planung von Neuinvestitionen sollten Maschinen und Anlagen, welche diese Bedingungen erfüllen, mit dem Ziel einer mittelfristigen Gesamtumstellung eingerechnet werden. Außerdem lassen sich Losgröße 1 Maschinen problemlos in eine Kleinlosfertigung integrieren..6 Zusammenfassung Der moderne Maschinen- und Anlagenbau setzt auf Agilität, d.h. er versucht den Erfolg seiner Rationalisierungsgüter und damit den Erfolg seiner Kunden durch gesteigerte Flexibilität und gleichzeitig höherer Produktivität seiner Systeme zu steigern. Gelingt dies, so liegt der Nutzen der Endverbraucher darin, daß sie ein individuell zugeschnittenes Produkt annähernd zu den Kosten eines vergleichbaren Massenproduktes bekommen können. Gerade im Bereich der Möbelindustrie ist dieser Kundenwunsch zunehmend. Eine moderne Möbelfertigung sollte deshalb bei Neuinvestitionen diesen Trend berücksichtigen. Die Homag Gruppe hat mit der Produktreihe Power line 1 eine durchgängige Lösung geschaffen. 6

38 Ein Lösungsansatz für die agile Holzbearbeitung Für Agilität bei Homag steht:... verbindet Flexibilität mit höchster Produktivität! Über den Autor: 8 Winfried Hils studierte Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Elektronik in Naturwissenschaft und Medizin an der FH Furtwangen. Nach dem Abschluss im Jahre 1978 arbeitete Herr Hils in der Entwicklung Steuerungstechnik bei der Fa. Homag AG Schopfloch im Schwarzwald. Seit 1986 ist Herr Hils als Leiter der Abteilung Elektronik Entwicklung für folgende Arbeitsgebiete verantwortlich: Elektronik Hardware- und hardwarenahe Software- Entwicklung, z.b. Betriebssysteme, SPS (IEC 61131), CNC, Konfigurationsmanagementsystem für die Maschinensteuerung, sowie Feldbustechnik, Achssysteme und Mechatronik. 7

39 3 HIPARMS - Highly Productive and Reconfigurable Manufacturing Systems Gregor Drabow, IFW Schlosswender Str.5, D Hannover, Germany, Tel: , Fax: , drabow@ifw.uni-hannover.de Abstract Companies are forced to work highly productive in order to survive on the global market. At the same time customer demands are leading towards more and more customised products, resulting in shortened product life cycles and an increasing number of new variants. In extreme, innovation cycles are down to only several month as in the mobile telephone production. Hence, manufacturers are seeking for manufacturing systems providing high flexibility and high productivity. However, flexibility is hereby becoming more and more a crucial factor to withstand the turbulent environment. The article describes the work carried out in the European founded research project HIPARMS (Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems). A modular transfer line design provides high productivity and increased machine flexibility at the same time. Keywords Modular Manufacturing Systems, Reconfiguration, Computer Aided Configuration, Simulation 3.1 Introduction Global competition and a faster technological development forces manufacturing companies to increase their flexibility in order to survive on the world market. The current production situation is characterised by: Shortened product life cycles, Increased number of variants, Increased time and cost pressure, 8

40 HIPARMS - Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems Smaller batch sizes. Market analysts expect even a further increase of variants. Therefore, flexibility is, more than ever, the crucial factor for success. Generally speaking, present requirements aim at the vision of high productivity and high flexibility. Current manufacturing systems do not satisfactory meet these requirements. They are characterised by the fact that an increased system flexibility will automatically lead to decreased productivity and vice versa (see figure 3-1). In order to overcome this awkward choice between productivity and flexibility modular transfer lines are developed, which are configured from a standardised building kit. An adaptation to work piece and volume changes is thus made possible. Transferline (TL) modular TL (MTL) Flexible Transferline Productivity Special Purpose Machine Flexible Manufacturing System Flexible Manufacturing Cell Machining Centre CNC - Machine Manual Machine Flexibility Figure 3-1: Characterisation of different manufacturing systems Activities within the HIPARMS-project are divided into three main areas: focus on machine, focus on manufacturing system, and focus on machine configuration and system handling (see Figure 3-). Flexibility and productivity on higher system level is increased by the development of an intelligent shop floor control system. This system is used within flexible manufacturing systems where the scheduling is vitally important. On machine level the objectives were achieved by applying modularity to transfer lines combined with the use of high speed machining components. The system (re-)configuration process is supported by an intelligent con- 9

41 Gregor Drabow figuration system using new information technologies. Based on the modular approach a computer aided configuration tool (CAC-tool) has been developed to handle the developed modular building kit. This configuration tool incorporates new planning and simulation methods Increased machine flexibility and productivity Flexibility by mechanical modules Productivity by high speed machining components Flexibility by modular control technology Increased system flexibility and productivity optimised logistic Intelligent machine configuration and system handling Manufacturing System Configuration software (CAC-tool) shop floor control software (SFC) Figure 3- : Main activities within the European part of the HIPARMSproject 3. Machine Modularity Modularization of machines means the creation of product subsystems which can be flexibly combined to numerous configurations. Hence, a modular concept allows an extended machine flexibility. A modular design will help to reduce project specific development risks and costs as modules are pre-tested and validated. Interfaces are defined for the combination of modules. The definition and description of interfaces is obviously the key of each modularization and guarantees the success of any modular concept. Advantages from modularity are based on standardised interfaces which allow the wide variety of module combinations. However the outcome of each individual configuration has to be thoroughly analysed even if interfaces allow the combination and module properties are well known. The result of each configuration may even cause problems as a configuration forms more than the sum of its single modules. 30

42 HIPARMS - Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems 3..1 Developed machine reference architecture Within the HIPARMS-project a reference architecture for modular transfer lines has been developed. This reference architecture is based on object oriented paradigms. For this purpose the unified modelling language (UML) was used. All objects for the realisation of a computer aided configuration software (CAC) are defined. Object definitions are available for: Modules (mechanical + control), Interfaces (mechanical + control), Workpieces (technical features), Manufacturing Operations, Configuration rules and knowledge, etc. As an example a UML-class diagram for the representation of a mechanical module is shown in the following figure. Interface Slide * Name Size Type Function ConnectionRequired Drive 1 Type MaxForce MaxAcceleration 1 Guideway Type MaxNormalForce Accuracy Stroke LubricationSupply RailDistance Figure 3-3: Object oriented representation of a slide 31

43 Gregor Drabow The diagram displays the data structure for the module class "Slide" including corresponding sub-classes. Each class incorporates its definition parameters. In this case a slide is formed by a guideway (including the rails and shoes) and a drive (including the motor and the ball screw spindle). For each module the corresponding interfaces are defined as well. The UML-class models may be used directly for the realization of software. A computer aided configuration system is developed based on the UML models. Based on the reference architecture mechanical modules are instanciated for the validation of the system. An overview about the entire modular concept in a graphical representation is given in the following figure. The reference architecture for the mechanical building kit implies three main building blocks: The service systems, The transport systems, and The machine system. 1. Service Systems Swarf, Coolant Removal Unit Electric Energy Supply Unit Pneumatic Energy Supply Unit Hydraulic Energy Supply Unit Central Control. Transport System Lift & Carry Transport Overhead Transport Pallet Transport Rotary Transport 3. Station Machining Centre Unit Special Machining Unit Clamping and Location Unit Machining / Gauging Probing Unit Figure 3-4: Overview about the Mechanical Building Kit Within the mechanical building kit there are single modules and so called module concepts which themselves consist of several other sub-modules. For instance a Machining/Gauging/Probing Unit in building block 3 (Station) can be subdivided into many other sub-modules as bed, slide, spindle, etc. A machining centre on the 3

44 HIPARMS - Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems other hand is regarded as being one single module. A machining centre will normally not be reconfigured through its high basic flexibility. 3.. Accessibility of machine modularity A transfer line may be regarded as being a product. It has a manufacturer and a customer. As a result, modularity has two sides of accessibility one by the machine user (customer) and one by the machine builder (manufacturer). Modularity can thus be divided into two basic categories: internal modularity (builder-driven) and external modularity (user-driven). Modularity which is not usable for the customer has a so called "internal modularity. That means, benefits from the modular design are not directly accessible for the customer but for the builder. It is common practice to use internal modularity. Different car types basically incorporate many identical modules. However internal car modularity is actually not accessible or even visible for the customer. Therefore he can not simply exchange modules from one car into another car. The modular concept is not designed to be accessible for him as a user/customer. In contrast, external modularity is characterised by the fact that even endusers/customers can directly access the potential and benefits of a modular design. In terms of modular transfer lines modularity is mainly used for reconfiguration purposes of manufacturing systems. This external modularity is accessible for the user. By this means, the end-user is enabled to increase the manufacturing system flexibility by exchanging modules of the configuration. In the future, modular manufacturing system designs will become utterly important for manufacturing enterprises. The possibility of simply exchanging modules will strongly influence and affect the given machine characteristics and features. A reconfigurable manufacturing system can thus be adjusted to new circumstances in respect to production capacity, machine functionality and process technology. Reconfiguration of machines affects: The system size, respectively the producible volume of the system (system scalability), the system function, and the system production technology. The concept of machine scalability and machine adaptability (technological and functional) is supported by the concept of modular design. By capsulating func- 33

45 Gregor Drabow tionality and technology within single exchangeable machine modules, a system reconfiguration is easily made possible. The exchange of modules thus enables the exchange of machine functionality and machine technology without affecting the basic system structure Advantages and disadvantages of modular machines Advantages from modularity are obvious for machine builders and machine users. The machine builder may optimise his internal processes by applying modularity to his own products. That ranges over the entire process chain from purchase over design, planning, manufacturing, installation, distribution up to product service and maintenance. The amount of different variants and parts can be highly reduced and thereby the entire process complexity. Material and storage costs are reduced as well as project based planning times and costs. However, in the first step the definition of a modular building kit requires a high effort and higher investments. But having defined it once, costs will constantly drop and contribute to reduce project specific realisation costs for new manufacturing systems. Both, machine builders and machine users are merely depending on a standardisation to establish any modular machine concept. Without standardisation a modular concept can not be established at all, neither can it be successful. Standardisation and the definition of appropriate interfaces is therefore crucial. However, being forced to maintain internal standards, designers and project engineers are strictly limited in their design freedom. This restriction may lead to a new problem, the hindrance of technical evolutions. In this sense a modular concept always has to be considered as being "alive". Every modular building kit constantly has to be improved without diluting the necessary level of standardisation. Basically this tends to be an awkward process between product evolution and product standardisation. Additionally a modular concept is not only difficult to define in the first step, but also difficult to handle in daily business. Complexity results from a high number of configuration possibilities and from limitations incorporated in the building kit itself. Therefore the machine planner has to be supported by a configuration software enabling him to handle the modular concept. Especially the question of reconfiguration still causes many problems and it is currently not solved satisfactory. The reconfiguration process of machines has to be supported much more in the future. The machine user will benefit from the extended machine flexibility and adaptability. Reconfiguration highly extends the manufacturing system flexibility and also the utilisation time of modules. Machines modules may be reused within new configurations for further production. Manufacturing system changes are realizable by exchanging, adding or subtracting modules from the present configuration. Looking at different update possibilities, the user may either reconfigure a manufactur- 34

46 HIPARMS - Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems ing system or build an entirely new one. The different update possibilities are shown in figure 3-5. Costs for system update Building a new MS New MS without reuse of existing modules New MS with reuse of existing modules MS enduser will exchange modules MS = Manufacturing System MS builder will exchange modules Re-configuring an existing MS Complexity of system update Figure 3-5: Different update possibilities of a manufacturing system On the lowest level of complexity simple updates of the system can be directly realised by the end-user. However, more complex updates will always be performed by specially skilled service personal either from the machine builder or from a specialised company. A further step of update complexity is the configuration of a completely new manufacturing system. If the decision is taken to build a new system, existing modules may be reused in some cases. The frequency of machine reconfigurations depends on the reconfiguration complexity. The reconfiguration of the basic system structure will only happen rarely whereas smaller reconfigurations may happen more frequently. It is clear that a reconfiguration will only be done if the update complexity is justifiable. In the future machine reconfigurations will become more and more accustomed based on improved machine reconfiguration abilities. A machine module could be regarding as being a kind of functional container incorporating as well functional as technological characteristics. This view on modularity requires special boundaries in the way that functionality and technology has to be capsulated within module boundaries. A modular design allows the use of fully pre-tested modules. This may to reduce manufacturing system ramp-up times as modules are well known and fully tested. 35

47 Gregor Drabow Overall, modularity is a success factor for machine-builders and machine end-users to achieve flexibility and to reduce cost and time expenses in manufacturing. Therefore requirements from both sides must be combined within one single modular machine concept. The advantages of modular systems mainly depend on the definition and specification of module boundaries and interfaces. 3.3 Support of machine configuration and reconfiguration Getting closer to the optimum is a fundamental goal of all scientific effort in engineering. However, due to the large number of possible module combinations it is very difficult to find the optimum machine configuration. Thus, a Computer Aided Configuration (CAC) tool supports the planning engineer in the most efficient use of the modular concept. This software tool must be able to manage module information, selection methods, and machine assembly knowledge. To ensure a high quality of configuration results, the CAC tool provides expert knowledge for the configuration and also the reconfiguration process. A knowledge base is used for the selection of best suited modules. Very often alternative configurations are conceivable. Thus optimisation algorithms will have to determine the best solution among all. In the defined planning process customers and machine builders are working closely together (see Figure 3-6). customer 1 e-questionnaire Viewer application Product data Customer Specs CAC-tool MTL planner CAC Software Configuration Knowledge based Optimisation Simulation 3 Configuration report Virtual transfer line Figure 3-6: Configuration process supported by a Computer Aided Configuration (CAC) tool Each transfer line configuration is started by the definition of customer requirements (1). The customer/machine user runs an application that allows the capturing 36

48 HIPARMS - Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems of customer input data (e-questionnaire). These specifications are required to initially start the configuration process on machine builder/planner side. The customer will send his specifications and also 3D-CAD workpiece data to the modular transfer line planner. On planner (machine builder) side these data will automatically be imported into the CAC-tool (). Within the configuration process the CAC-tool requires knowledge/data regarding the modular building kit (module information) and knowledge concerning the configuration process (configuration knowledge). The configuration knowledge directly affects the configuration process (e.g. configuration sequence, calculation tables, decisions, rules, etc.) - this is the expert knowledge. Within the CAC-tool, knowledge based configuration steps will be supported by assistants. Each assistant performs individually pre-defined operations for the planning engineer. The planning process as a whole can be regarded as a sequence of iterative loops formed by individual configuration steps. These steps include various assistants. Each configuration step will be processed several times to determine the optimum solution. The planning engineer evaluates the results of the CAC-tool to avoid a "black box system" which only delivers an output without the possibility of verifying it. The system user may always overrule the proposal of the system. At the end of the configuration process the system has determined which manufacturing operations are performed on which station and how the stations are configured. After the configuration the planner has the possibility of a detailed simulation to evaluate the configuration result. Therefore he has three different simulation packages included in the system: Process simulation (3D-simulation of the machine). Structural simulation of the machine behaviour, and Simulation of drives (to predict the response of drives at high speed machining). For the process simulation configuration results will be transferred as a list of modules and interfaces to a 3D-simulation environment. Based on the list an automatic assembly routine will build a simulation model of the configuration. As a result the customer can virtually see and test the transfer line configuration in a simulation environment. These configuration results are sent to the customer and can be evaluated with a simple viewer application (3). In Figure 3-7 the outcome of a simple configuration is displayed. The required 3Drepresentations of the modules are stored in a library. Within the configuration process the CAC-tool follows a predefined configuration sequence. This problem solving sequence must be predefined. Even complex deci- 37

49 Gregor Drabow sions and calculations can be performed by the system. Results from one configuration step will be used in the next step as an input. Figure 3-7: Automatically assembled virtual transfer line model after the configuration process 3.4 Summary This article illustrates a new approach for the modular design of manufacturing systems. The results from the IMS project "HIPARMS" are displayed. To increase the flexibility a modular approach was applied to transfer lines. Machine modules and interfaces are defined in a standardised modular building kit. A computer aided configuration (CAC) tool supports the handling of the concept. This configuration tool uses expert knowledge represented in various different forms. Knowledge elements can be freely combined to cope even with complex configuration problems. At the end the configuration process the results will be displayed in a virtual environment. This allows the detailed simulation of the manufacturing process and the material flow inside of the transfer line. The use of this planning tool helps to shorten planning times and to increase planning quality. As a conclusion manufacturing system flexibility will be more and more the key factor in the future. At the same time system cost must be retained. Modularity will contribute to reach this goal. New planning strategies and planning tools must be developed to keep up with the pace of product development cycles. Computer 38

50 HIPARMS - Highly Productive And Reconfigurable Manufacturing Systems based tools are supporting the handling of complex modular building kits. As a result virtual planning and testing as knowledge based configuration will be increased. Prospectively virtual machines will be intensively tested in a virtual environment prior to their use in the factory. References Gausemeier, J., Ripe, B.: Komplexitaetsbeherrschung in den fruehen Phasen der Produktentwicklung, Industrie Management 16, 000,No. 5 Boutelier, R., Bratzler, M.: Produktionstechnische Trends erfragen - Inquiry of trends in manufacturing, Schweizer Maschinen Markt Nr. 8, 1998, page Okino, N., Tamura, H., Fujii, S.: A basic study on high volume flexible manufacturing system for agile manufacturing, Advances in Production Management Systems, 1996, IFIP Torvinen, S., Patkai, B., Rudas, I.J., Tar, J.K.: New Methods for the Evolutionary Improvement of JobShop Scheduling Dispatching Rules, The 000 International Conference on Artificial Intelligence, ICAI 000, Las Vegas, USA Schnülle, A.: Modularer Aufbau und kundenspezifische Konfiguration von Werkzeugmaschinen, Proceedings of the Euroforum Conference Modularization of Product and Production (Munich, Germany, Feb -3), 1999 Tönshoff, H.K., Böger, F.: Kundenspezifische Konfigurierung modularer Werkzeugmaschinen, ZWF, 91, 1996, S Mehrabi, M.G., Ulsoy, A.G., Koren, Y.: Reconfigurable Manufacturing Systems: Key to future Manufacturing, Proc. Symposium on Flexible Automation, Otsu, 1998 Tönshoff, H.K., Schnülle, A., 000, " Highly productive and reconfigurable modular manufacturing systems", International CIRP Design Seminar, Haifa, Israel, May 16-18, 000 Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritschow, G., Ulsoy, G., Van Brussel, H.: Reconfigurable Manufacturing Systems, Journal of Intelligent Manufacturing, v11, n4, Aug, 000, pp Tönshoff, H.K., Drabow, G.: Virtual planning of highly flexible and reconfigurable manufacturing systems, Proceedings of the 34th CIRP International Seminar on Manufacturing Systems, May 001, Athens, Greece 39

51 Gregor Drabow About the Author: Gregor Drabow is employed as a research engineer at the Institute of Production Engineering and Machine Tools (IFW) at the University of Hannover. Within the Division of Production Management he is working on the development of adaptive manufacturing structures. He was in charge of the European co-ordination for the international IMS-research project "HIPARMS". His current research activity is located in the area of agile factory structures and reconfigurable manufacturing systems. Within the German founded research project "WdmF" he works in the thematic field on how to apply modular approaches on higher factory levels. 40

52 4 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik auf Basis einer Föderalen Informationsarchitektur Ronald Angerbauer Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik GmbH Oberboihinger Str. 60, D-76 Nürtingen, Germany, Tel: , Fax: , Abstract Das Engineering im Werkzeugmaschinenbau ist geprägt durch Forderungen des Marktes nach immer kürzeren Auftragsdurchlaufzeiten bei gleichzeitig gesteigerter Qualität und reduzierten Kosten. Dies stellt insbesondere hohe Anforderungen an die Erstellung und Inbetriebnahme der steuerungstechnischen Komponenten einer Maschine, die zunehmend größeren Anteil am Gesamtwertschöpfungsprozess haben. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden Konzepte zur Wiederverwendung auf Basis sogenannter Baukastensysteme, die in der mechanischen Konstruktion schon seit Langem eingesetzt werden, auf die Konstruktion der gesamten Elektrokonstruktion einer Maschine von den Schaltplänen über die Software bis hin zur Dokumentation übertragen. Herkömmliche Vorgehensweisen unterstützen jedoch nicht die baukastenorientierte Entwicklung über die verschiedenen Engineering-Systeme hinweg. Hierfür wurde auf der Basis einer Föderalen Informationsarchitektur eine Lösung erarbeitet. Die Umsetzung dieser Lösung wird exemplarisch am Beispiel der Firma Nagel aufgezeigt. Stichworte Föderale Informationsarchitektur, Baukastenorientierte Konstruktion, SPS-Programmierung, Stromlaufplanerstellung, Dokumentation, Maschinenbau 4.1 Einleitung Um in die spezifischen Probleme und Randbedingungen der baukastenorientierten Steuerungstechnik einzuführen, wird zunächst beispielhaft die Firma Nagel vorgestellt. Sie ist ein mittelständisches Unternehmen aus dem Sondermaschinenbau. Das Produktspektrum umfasst die Technologien Honen, Stein- und Bandfinsh, Tiefbohren und Montage. Der Hauptkundenkreis ist die Automobilindustrie und ihre Zulieferer. Das Maschinenspektrum ist sehr weit gesteckt, von der einfachen handbeladenen Maschine bis hin zu komplexen Transferstraßen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der kundenspezifisch entwickelt und gefertigten Maschine. Ein 41

53 Ronald Angerbauer Beispiel für eine solche kundenspezifische Maschine zeigt Abbildung 4-1. Es handelt sich um eine Honmaschine mit 30 m Länge, 60 NC-Achsen, 7 Industrie-PCs, 000 Ein- und Ausgängen und über 300 KW Anschlussleistung. 4 Abbildung 4-1: Kundenspezifisch entwickelte Honmaschine Gesteuert werden die Maschinen der Firma Nagel, je nach Anforderungen der jeweiligen Applikation durch eine SPS oder NC. Für den Bereich Honen kommt eine eigenentwickelte Technologiesteuerung in Verbindung mit einer SPS zum Einsatz. Als Engineering-Werkzeuge kommen im Hause Nagel in der überwiegenden Zahl der Fälle für die Stromlaufplanerstellung EPLAN 5, für die Softwareerstellung Siemens STEP 7 in Verbindung mit dem Bedienoberflächenwerkzeug ProTool/Pro und für die Dokumentation die bereits genannten Systeme plus Redaktionssystem, Zeichenprogramme und Übersetzungsprogramme. Die informationstechnische Verknüpfung dieser Systeme untereinander und die Möglichkeit einer systemübergreifenden Wiederverwendung sind dabei unzureichend. Die dargestellten Randbedingungen führten in der Vergangenheit zu einer Vielzahl von Varianten, die in der Steuerungsprojektierung beherrscht werden müssen. Verschärfend wirkt dabei, dass Konstrukteure erfahrungsgemäß individuelle Stile entwickeln und bevorzugt eigene Vorarbeiten wiederverwenden. Damit erhöhte sich die Anzahl der zu pflegenden Varianten nochmals. Die Lösung dieser Problematik lag in der Einführung einer Baukastensystematik. Obwohl bei der Firma Nagel als Sondermaschinenbauer selten eine Maschine der

54 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik anderen gleicht, finden sich doch in den Maschinen stets gleiche Grundkomponenten, denen dann entsprechende Bausteine zugeordnet werden können. Darüber hinaus war es wichtig diese Baukastensystematik über alle Bereiche der Steuerungsentwicklung, d.h. die HW- und SW-Konstruktion bis hin zur Dokumentation durchgängig informationstechnisch zu unterstützen, um zu vermeiden, dass bereits vorhandene Informationen stets aufs Neue in den unterschiedlichen Engineering- Systemen eingegeben werden müssen. Aufbauend auf dieser informationstechnischen Verknüpfung war es dann möglich einzelne Konstruktionsabläufe zu automatisieren. Die wesentlichen Grundlagen für diese Entwicklungen liefert das vom BMBF über den Projektträger PFT geförderte Projekt Föderal zur Bereitstellung einer Föderalen Informationsarchitektur, dessen aktuelle Ergebnisse jeweils reflektiert am Anwendungsbeispiel Firma Nagel hier vorgestellt werden sollen. 4. Baukastensysteme für die Steuerungstechnik 4..1 Baukastenorientierte Vorgehensweise Die Engineering-Prozesse in den Entwicklungs- und Konstruktionsabteilungen von Maschinen- und Anlagenbauern sind oft über Jahre gewachsen. Die Wiederverwendung von Entwurfsunterlagen erfolgt i.d.r. durch das Kopieren von Dateien aus alten Projekten: alte Projekte Kopieren neues Projekt Abbildung 4-: Klassische Vorgehensweise bei der Projekterstellung Diese Vorgehensweise hat jedoch negative Auswirkungen auf die Engineering-Kosten: Mehrfachentwicklungen entstehen durch eine fehlende projektübergreifende Abstimmung. 43

55 Ronald Angerbauer die Qualität: Fehler aus alten Projekten werden in neue Projekte übernommen; Projektteile aus unterschiedlichen Projekten führen zu Inkonsistenz. die Inbetriebnahme: mangelnde Qualität und stets andere SW-Strukturen führen zu langen Inbetriebnahmezeiten. den Service: Aufgrund der fehlenden Standardisierung entstehen hohe Aufwände für das Servicepersonal. Maschinen- und Anlagenbauer sind daher bestrebt, das direkte Kopieren von Entwurfsunterlagen zu vermeiden und eine baukastenbasierte Wiederverwendung zu erreichen: Baukasten Entwickeln Projektieren Komponenten alte Projekte neues Projekt Abbildung 4-3: Baukastenorientierte Vorgehensweise der Projekterstellung Die baukastenbasierte Wiederverwendung hat gegenüber der Wiederverwendung durch Kopieren eine Reihe von Vorteilen: Aufbau eines projektneutralen Firmenstandards. Zentrale Repräsentation des Firmen-Know-hows. Arbeitsteilung der Engineering-Aufgaben in Entwicklung und Konstruktion. Reduzierung von Durchlaufzeiten durch vorgefertigte Baugruppen. Reduzierung von Fertigungskosten. 44

56 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik Systematische Erhöhung der Verfügbarkeit auf der Basis wiederverwendeter, erprobter Komponenten.... Trotz dieser Vorteile erfolgt die baukastenbasierte Wiederverwendung häufig nur in Teilbereichen, z.b. lediglich in der Softwareentwicklung. Die wesentliche Ursache hierfür liegt darin, dass große, im Maschinen und Anlagenbau wiederverwendbare Einheiten komplexe, mechatronische Komponenten sind, die nicht als abgeschlossene physische Einheit existieren. Mechatronische Komponenten bestehen im allgemeinen aus Teilkomponenten, die an unterschiedlichen Orten innerhalb von Maschinen und Anlagen (Bearbeitungseinheit, Schaltschrank, Software, Dokumentation, etc.) verteilt sind. Mechatronische Komponenten entstehen durch die Zusammenarbeit unterschiedlicher Ingenieurdisziplinen (Mechanik- und Elektrokonstruktion, Softwareentwicklung, technische Redakteure, etc.), die jeweils mit aufgabenspezifischen IT- Lösungen arbeiten. Dies führt dazu, dass Entwurfsunterlagen nicht entsprechend den Anforderungen der Wiederverwendung sondern orientiert an vorhandenen Systemlösungen abgelegt sind. mechatronische Baukastenkomponente Spindelbaugruppe Mechanik-CAD- System Elektro-CAD- System Redaktionssystem Programmier- System Abbildung 4-4: Mechatronische Basiskomponente Diese Situation führt dazu, dass Baukastensysteme zwar teilweise mental, d.h. in den Köpfen der Mitarbeiter vorhanden sind, es allerdings an einer informationstechnischen Engineeringsystem-übergreifenden Abbildung fehlt. Es sind daher zeitaufwändige, manuelle Routinetätigkeiten erforderlich, um kundenspezifische 45

57 Ronald Angerbauer Maschinen durch eine systematische, baukastenbasierte Wiederverwendung zu projektieren. 4.. Strategien zur Einführung von Baukastensystemen Die Einführung eines firmenspezifischen Baukastensystems erfordert eine abteilungsübergreifende Abstimmung bei der Definition von Begrifflichkeiten, Schnittstellen, usw. Dabei sind die in der folgenden Abbildung dargestellten Vorgehensweisen möglich: Einsatzbereich Einführungsphasen Abbildung 4-5: Strategien zur Einführung von Baukastensystemen Globalstrategie: Ein firmenspezifisches Baukastensystem wird zunächst interdisziplinär modelliert. Anschließend wird die informationstechnische Integration auf Basis der Föderalen Informationsarchitektur entworfen, implementiert und eingeführt. Keimzellenstrategie: Die Phasen der Einführung werden zunächst für einen eingeschränkten Einsatzbereich durchlaufen. Anschließend wird der Einsatzbereich schrittweise erweitert. Die Keimzellenstrategie hat gegenüber der Globalstrategie folgende Vorteile: Rasche Nutzung und damit schnelle Umsetzung von Kostenersparnissen, die wiederum als Investitionsbasis für die Erschließung weiterer Bereiche dienen können. 46

58 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik Geringeres Risiko, da rasch Erfolge sichtbar werden und wesentlich weniger Vorleistungen bis zum ersten Umsetzen der Baukastensystematik notwendig sind. Die Keimzellenstrategie hat jedoch folgenden Nachteil: Durch die nachträgliche Integration weitere Bereiche, werden u.u. Änderungen in den bereits umgesetzten Bereichen notwendig. Im Fallbeispiel der Firma Nagel fiel die Entscheidung unter Abwägung der Vorund Nachteile auf die Keimzellenstrategie, unter der Annahme, dass die notwendigen Anpassungsaufwendungen durch die erzielbaren sofortigen Einsparungen ausgeglichen werden (Angerbauer, Dreyer, Lewek, 000). Als Keimzelle dient bei der Firma Nagel der Bereich der Steuerungssoftware SW-Baukasten am Beispiel der Firma Nagel Ansatzpunkt für das Design des SW-Baukastens waren die in allen Produktbereichen vorkommenden Maschinengrundkomponenten z.b. Achsen, Hydraulikaggregate u.a. Für jede dieser Maschinengrundkomponenten wurde ein Softwarebaustein entwickelt, der mehrere mechanische bzw. elektrische Varianten der Komponente abdeckt, beispielsweise Hydraulikaggregate mit und ohne Dichtheitsprüfung des Reservoirs. Die Grundidee für den Aufbau der Softwarebausteine wurde den aus der Computertechnik bekannten Einsteckkarten entlehnt. Analog dazu definiert jeder Softwarebaustein die für seine Maschinenkomponente notwendigen Prozesssignale, Freigaben, Betriebsarten und Diagnosemeldungen. Die Kommunikation zwischen den Softwarebausteinen erfolgt über einen firmenweit standardisierten, universell von der Einzelmaschine bis zur Transfermaschine, auch über Hardwaregrenzen hinweg einsetzbaren Softwarebus. Durch den standardisierten Aufbau der Schnittstellen und die vereinheitlichten Kommunikationsmechanismen des Softwarebusses können Bausteine ohne Kenntnis von Implementierungsdetails wiederverwendet werden. Das Konzept der SW-Busse beruht auf dem Prinzip die zwischen den Bausteinen ausgetauschten Signale zu standardisieren. Erst dieser Schritt ermöglicht es die Integration der Bausteine in eine Maschinenkonfiguration nach dem Prinzip Plugand-Play auszuführen. Dabei werden zwei verschiedene SW-Busse unterschieden. Der Stationsbus synchronisiert die Bausteine einer Einheit bzw. Bearbeitungsstation. Der Anlagenbus synchronisiert alle Stationsbusse einer Anlage auch über Steuerungsgrenzen hinweg. Ein Merkmal der SW-Bauteine ist die Kapselung der Spezifika (z.b. Fehlermeldungen) der jeweiligen Steuerungsplattform in grundlegenden Diensten mit stets gleichen Schnittstellen. So ist es möglich die Bausteine unverändert auf verschie- 47

59 Ronald Angerbauer denen Steuerungsplattformen einzusetzen. Lediglich die jeweiligen Plattformfunktionen sind auszutauschen. SPS-Baustein: - enthält alle das Maschinenelement betreffenden Verknüpfungen - Funktionserweiterung und Diagnose nur an einer Stelle - Einfache Parametrierung des Bausteinaufrufs - Programmcode in AWL oder KOP Stationsbus / Anlagenbus Eingänge Ausgänge Handkommandos Diagnosemeldungen Automatikkommandos Freigaben Anzeigen 48 Abbildung 4-6: Grundaufbau der SW-Bausteine Beim Design der Bausteine wurde auf eine möglichst große Allgemeingültigkeit geachtet. Damit lies sich die Zahl der Varianten überschaubar halten. Dies erleichtert ganz wesentlich die Pflege des Baukastens. Da nun nicht mehr für jede Maschine neue Bausteine entwickelt und getestet wurden, sondern auf bereits existierende, mehrfach eingesetzte und damit fehlerarme Bausteine zurückgegriffen werden konnte, verringerte sich die zur Erstellung der Steuerungsprogramme notwendige Bearbeitungszeit. Zugleich stieg die Qualität der erstellten Programme. Die Inbetriebnahmezeiten konnten gesenkt werden durch vertraute Strukturen, das Grundprinzip der SW-Struktur alles auf einen Blick sowie durch bewährte und fehlerarme Komponenten. Probleme ergaben sich jedoch bei der informationstechnischen Umsetzung des Baukastensystems mit den Standardwerkzeugen der Steuerungshersteller, beispielsweise dem SIMATIC-Manager von Siemens für die S7-Welt. Dies liegt an der fehlenden Unterstützung baukastenorientierter Entwicklungsweisen konventioneller Engineering-Systeme im Bereich der PLC-SW. Hier sind erst durch die Einführung der Föderalen Informationsarchitektur große Fortschritte erzielt worden.

60 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik 4.3 Föderale Informationsarchitektur Das Projekt Föderal Um die in den vorangegangenen Kapiteln aufgezeigten Probleme der mangelnden Unterstützung heutiger Engineering-Systeme für die baukastenorientierte Vorgehensweise sowie die zu geringe informationstechnische Verknüpfung der Engineering-Systeme untereinander zu lösen, wurde das Föderal-Projekt Anfang 001 gestartet. Abbildung 4-7 zeigt die Projektpartner von Föderal. Maschinen- und Anlagenbauer Forschungsinstitute IT-Dienstleister weitere Partner Abbildung 4-7: Projektpartner von Föderal Die Firmen und Forschungseinrichtungen arbeiten übergreifend mit dem Ziel zusammen, den Aufwand für die Umsetzung firmenspezifischer Baukastensysteme zu reduzieren. Voraussetzung hierfür ist eine firmenneutrale IT-Lösung, die folgenden Anforderungen genügen muss: Die Einführung entsprechend einer Keimzellenstrategie bedingt, dass die Analyse und Modellierung des Baukastensystems, die Integration vorhandener Systeme und die Arbeit mit der IT-Lösung iterativ erfolgen. Es ist daher erforderlich, dass diese Phasen auf einer durchgängigen Datenbasis aufsetzen. Die IT-Lösung muss beliebig an firmenspezifische Gegebenheiten angepasst werden können. Sie muß daher modular und offen sein. 49

61 Ronald Angerbauer Um die Komplexität des Zugriffs auf Daten in unterschiedlichen, vorhandenen Systemen zu reduzieren, muss ein einheitlicher Zugriffsmechanismus definiert sein, dem eine langlebige, neutrale Schnittstelle zugrunde liegt. Routinetätigkeiten bei der Projektierung kundenspezifischer Maschinen aus dem Baukasten müssen automatisiert werden können (z.b. Generierung kundenspezifischer Entwurfsunterlagen). Die IT-Lösung muss es ermöglichen, die Konsistenz des Baukastens und kundenspezifischer Maschinen zu prüfen. Vorhandene Engineering-Systeme müssen sich in die IT-Lösung integrieren lassen. Es soll kein neues Engineering-System für die einzelnen Teilbereiche entstehen, sondern es sollen die vorhanden Engineering-Systeme informationstechnisch verknüpft werden. Eine einfache und flexible Realisierung von Baukastensystemen auf der Basis vorhandener Engineering-Systeme wird auf der Basis eines semantischen Netzes erreicht Semantisches Netz Das semantische Netz ist ein Informationsmodell, das ursprünglich aus dem Bereich der KI-Forschung und dort insbesondere der Spracherkennung kommt. Es besteht im wesentlichen aus typisierten Knoten und Kanten. Mit ihm lassen sich sehr leicht Informationszusammenhänge modellieren (Schulzki-Haddouti, Brückner, 001). Das mentale Modell der einzelnen Engineering-Disziplinen (Abbildung 4-8) wird mit Hilfe des sematischen Netzes in ein Informationsmodell umgesetzt (Abbildung 4-9). Dieses Informationsmodell steht im Rahmen der Föderalen Informationsarchitektur mit den vorhandenen Engineering-Systemen und ihren Daten in Beziehung (Abbildung 4-10). Das semantische Netz erfüllt in der Föderalen Informationsarchitektur zwei Aufgaben: Wissensmanagement: Es wird eine ausdrucksstarke Darstellung von Zusammenhängen ermöglicht (Modellierungsmethodik). Zugriffsschnittstelle: Vorhandene Daten in Dateisystemen, Datenbank, XML- Dateien, OLE-Objekten, etc. werden einheitlich im semantischen Netz repräsentiert. 50

62 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik Es definiert eine allgemeine, langlebige Schnittstelle für heterogene Datenquellen. Durch ein semantisches Netz ist es möglich, ein firmenspezifisches Baukastensystem entsprechend der Keimzellenstrategie iterativ einzuführen und dabei eine durchgängige Datenbasis schrittweise zu detaillieren und zu erweitern Mentales Modell technische Dokumentation Elektrokonstruktion Steuerungsprogrammierg. Mechanikkonstruktion Abbildung 4-8: Das mentale Modell der einzelnen Engineering-Disziplinen Informationsmodell Mentales Modell Relationstypen Semantisches Netz Abbildung 4-9: Umsetzung des mentalen Modells in ein Informationsmodell 51

63 Ronald Angerbauer Informationsmodell Relationstypen: vorhandene Engineeringsysteme Abbildung 4-10: Anbindung des Informationsmodells an vorhandene Informationssysteme - die Föderale Informationsarchitektur Föderale Informations-Architektur (FIA) Die FIA ist eine IT-Lösung zur Unterstützung baukastenbasierter Engineering- Prozesse. Vorhandene Systeme werden dazu im föderalen Sinne integriert (Busse, Kutsche, Leser, Weber, 1999). Die Daten werden in den vorhandenen Engineering- Systemen belassen, damit diese selbstständig weiterverwendet werden können. In einer übergeordneten Ebene ermöglicht die FIA die Beschreibung von Baukastenmodellen, einen integrierten Zugriff auf heterogene Daten sowie die Automatisierung von Abläufen. Die Integration vorhandener Systeme in die FIA erfolgt über Komponentenschnittstellen (Microsoft-COM, Corba,...) oder Schnittstellen der Datenquellen (SQL, XML, FTP,...). Zusammenhänge zwischen den heterogenen Datenbeständen werden zentral gespeichert. Übergreifende Aufgaben, beispielsweise die Modellierung des firmenspezifischen Baukastensystems, werden durch Anwendungskomponenten unterstützt. Von den Anwendungskomponenten wird über eine einheitliche Schnittstelle auf die heterogenen Datenbestände zugegriffen. 5

64 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik Unterstützung und Automatisierung firmenspezifischer Baukastensystematiken Durchgängige Integrationsplattform (Vermeidung von Brückenlösungen) Semantisches Netz Beibehaltung vorhandener Engineeringsysteme und Daten Abbildung 4-11: Föderale Informationsarchitektur Die FIA ist eine offene Software-Architektur, die bereits firmenübergreifend wiederverwendbare Funktionalitäten (Unterstützung der Mehrsprachlichkeit, Schnittstellen zu verbreiteten Steuerungsprodukten, E-CAD-Systemen, etc.) bereitstellt. Ihr modularer Aufbau ermöglicht spezifische Erweiterungen für die Umsetzung firmenspezifischer Prozesse. 4.4 Stand der Arbeiten und Ausblick Das Föderal-Projekt ist in drei Abschnitte untergliedert (Abbildung 4-1). Der erste Abschnitt in dessen Mittelpunkt neben der Föderalen Informationsarchitektur die Unterstützung der baukastenorientierten Entwicklung von Steuerungssoftware stand wurde bereits erfolgreich abgeschlossen (Angerbauer, 00). Die Ergebnisse wurden am in einer Informationsveranstaltung der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Interessierte Firmen wurden mit dem Ende der ersten Projektphase die Möglichkeit eröffnet, von den Ergebnissen des Föderal-Projektes schon frühzeitig zu profitieren. Dazu wurden projektbegleitend zwei Arbeitskreise mit den Themen Baukastensystematik und Föderale Informationsarchitektur ins Leben gerufen. Das Projekt konzentriert sich zur Zeit auf die Integration der baukastenorientierten Stromlaufplanerstellung. Erste Ergebnisse sollen bis zum Ende des Jahres 00 vorliegen. 53

65 Ronald Angerbauer 03/00: Steuerungssoftware 11/00: Steuerungssoftware und Elektrounterlagen 08/003: Steuerungssoftware, Elektrounterlagen Kundendokumentation Abbildung 4-1: Projektphasen von Föderal 4.5 Zusammenfassung Die bisherigen Ergebnisse des Projektes Föderal haben gezeigt, dass die Föderale Informationsarchitektur sehr gut geeignet ist, die baukastenorientierte Vorgehensweise über alle Bereiche der Steuerungsentwicklung von der Schaltplanentwicklung über die Softwareerstellung bis hin zur Dokumentation zu unterstützen. Dabei wird keinesfalls ein neues Werkzeug entwickelt, dass alle Bereiche des Entwicklungsprozesses abdeckt, sondern vielmehr die vorhandenen Engineering- Werkzeuge informationstechnisch miteinander verknüpft. Diese informationstechnische Verknüpfung und die Unterstützung der baukastenorientierten Entwicklung, die viele Engineering-Werkzeuge in dieser Form nicht mitbringen, erschließt ein großes Rationalisierungspotential. Im Fallbeispiel der Firma Nagel werden die Einsparungen im bereits umgesetzten Bereich der SW-Entwicklung mit ca. 30 % abgeschätzt. Das Einsparungspotential vergrößert sich mit jedem zusätzlich integrierten Bereich. In Zukunft sollten über das Föderal-Projekt hinaus auch die Bereiche außerhalb der Steuerungsentwicklung integriert werden, z.b. die Mechanikkonstruktion bis hin zum Vertrieb. Neben geringeren Aufwendungen ergeben sich somit auch kürzere Auftragsdurchlaufzeiten bei gleichzeitig gesteigerter Qualität. Literatur Angerbauer R.: SPS-Software aus dem Baukasten Ein Erfahrungsbericht. VDMA-Nachrichten, Nr. 1, 00, S

66 Baukastensystematik in der Steuerungstechnik Angerbauer, R.; Dreyer, J.; Lewek, J.: Software-Architektur zur flexiblen Unterstützung von baukastenorientierten Entwicklungsprozessent. Tagungsband zum IT & Automation Kongreß, Nürnberg, Busse, S.; Kutsche R.-D.; Leser, U.; Weber, H.: Federated Information Systems: Concepts, Terminology and Architecturest. Technische Universität Berlin, Fachbereich 13 Informatik CIS Einsteinufer 17, D Berlin. Schulzki-Haddouti, C.; Brückner, A.: Die Suche nach dem Sinn. c't, Magazin für Computer Technik 6/001, S Über den Autor: Ronald Angerbauer studierte Informatik mit Schwerpunkt Anwenderorientierte Informatik und Nebenfach Elektrotechnik an der Universität Stuttgart. Er promovierte 1995 im Fachbereich Maschinenwesen am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) unter Prof. Pritschow mit dem Thema Anwenderorientierte Programmierung von fahrerlosen Transportsystemen. Nach der Promotion wechselte Herr Angerbauer zur Firma Müller Weingarten als stellvertretender Leiter der Elektrokonstruktion. Seit 1997 ist er Leiter der Elektrokonstruktion bei der Firma Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik in Nürtingen. Er ist damit verantwortlich für die Stromlaufplanerstellung, Steuerungssoftwareentwicklung und die Kundendokumentation. 55

67 5 EUROShoE: Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Stephan Scherger, Martin Lünemann IFW, Universität Hannover Schlosswender Str. 5, D Hannover, Germany, Tel: , Fax: , Abstract Die Mehrzahl der Menschen in Europa und auch in den anderen Teilen der Welt trägt Schuhe aus der Massenproduktion. Auf die individuellen Fußformen oder geschmacklichen Wünsche des einzelnen Kunden wird bei der Schuhherstellung nicht eingegangen. Die Schuhmacher, die früher die Bevölkerung mit Schuhwerk versorgten, haben sich weitgehend auf die Reparatur zurückgezogen, während die industriellen Schuhhersteller die Fertigung innerhalb ihres Unternehmens immer weiter vereinheitlicht haben. Der Wunsch nach individualisierten Schuhen ist jedoch immer da gewesen und verstärkt sich in den letzten Jahren, während auch in anderen Bereichen, in denen bis dahin ebenfalls einheitliche Massengüter produziert wurden, kundenspezifische Wünsche berücksichtigt werden. Durch neuartige Entwicklungen und Tendenzen in der Produktionstechnik soll nun die Individualisierung auch in der industriellen Schuhfertigung Einzug halten. Das Ziel ist es, kundenspezifische Schuhe zu einem akzeptablen Preis herstellen zu können. In einem umfassenden Ansatz kooperieren dabei Firmen aus den Bereichen Schuhherstellung, Schuhleistenherstellung, Software, Produktionssteuerung, Zulieferindustrie, Gerätebau, Maschinenbau, Biomechanik und Forschung um die erforderlichen Verfahren, Konzepte, Geräte, Maschinen und Software-Werkzeuge zu entwickeln. Stichworte Mass Customisation, Individualisierung, Schuhleisten, E-Business, virtuelle Fabrik 56

68 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? 5.1 Wo drückt der Schuh? Schuhe kaufen ist meist eine schwierige Angelegenheit. Nicht nur wenn man mit der Ehefrau einen Einkaufsbummel macht, auch wenn die eigenen Füße von der Norm abweichen. Man steht oft vor der Situation, dass die gefälligen Schuhe nicht passen und die passenden Schuhe nicht gefallen. Einen Ausweg aus dieser Situation bieten Einzelanfertigungen, die jedoch für die meisten Käufer preislich nicht in Frage kommen. Diese und andere Problemstellungen greift das EU-Projekt EuroShoE (Extended User Oriented Shoe Enterprise) auf. Die Idee, die über dem gesamten EuroShoE-Projekt schwebt, ist die der Mass-Customisation, d.h. die Schuhe sollen zum einen kundenangepasst sein, z.b. in bezug auf modische und anatomische Aspekte, zum anderen sollen die Schuhe mit Mitteln der Massenproduktion hergestellt werden. Dreiunddreißig Firmen und Institute aus neun Ländern darunter sechs Schuhhersteller - haben im März 001 die Projektarbeit aufgenommen und werden während der dreijährigen Projektdauer die unterschiedlichen Aspekte der Schuhherstellung und des Verkaufs untersuchen. Dies sind u. a. der Web-basierte Einkauf und Vertrieb, neuartige Produktionsstrukturen, biomechanische Aspekte, Unternehmenssoftware, Transport und Logistik sowie innovative Produktionsanlagen und Produktionsmaschinen. Zum Ende des Projekts sollen die entwickelten Lösungen in einer Musterfabrik aufgebaut und zusammengeführt werden. 5. Vision des Projekts Beim heutigen Kauf von Schuhen aus der Serienproduktion wählt der Kunde im Geschäft einen Schuh aus dem Regal. Kriterien sind dabei der individuelle Geschmack und der Preis. Wenn der Schuh passt steht dem Kauf nichts mehr im Wege. Einen direkten Einfluss auf Form und Design des Schuhs hat der Käufer nicht. Im Gegensatz hierzu verfolgt das EUROShoE-Projekt einen umfassenden, den Kunden integrierenden Ansatz, s. Abb Nachdem sich der Kunde für einen Schuh entschieden hat sei es durch die Auslage im Geschäft oder ein Katalogbeispiel (auch aus dem Internet) hat er die Möglichkeit, seine Füße mit einem Scanner vermessen zu lassen. Mit einer geeigneten CAD-Software wird der Serienleisten an den Kundenfuß angepasst. Die entsprechenden CAD-Daten werden per Internet an den Leistenhersteller und den Schuhhersteller sowie eventuelle Zulieferer gesendet. Weiterhin kann der Kunde in bestimmten Grenzen Einfluss auf Material und farbliche Gestaltung des Schuhs nehmen. Die am Prozess der Schuhherstellung beteiligten Unternehmen schließen sich zu einer virtuellen Fabrik zusammen, wie sie z. B. Schuh beschreibt (Schuh 1998), und produzieren die Leisten, die Leder- und Kunststoffteile für die Schuhschäfte sowie die Sohlen und setzen den Schuh zusammen. Der unternehmensübergreifende Datenaustausch ist genauso In- 57

69 S. Scherger, M. Lünemann halt der Projektarbeit wie die Entwicklung von Maschinen, die an die Produktion kundenspezifischer Schuhe angepasst sind. Sollte die Herstellung einer individuellen Schuhform nicht möglich sein, können die Daten aus dem Fußscanner dazu genutzt werden, den Kundenfuß mit einer Datenbank der vorhandenen Schuhformen zu vergleichen. Auf diese Weise kann die Anprobe von Schuhen entfallen, bei denen von vornherein klar ist, dass sie dem Kunden nicht passen. Die beschriebenen Geräte und Software-Produkte sind zum Teil heute schon verfügbar, aber nicht für die Produktion kundenangepasster Schuhe ausgelegt, bzw. sie weisen Unzulänglichkeiten auf, die den flächendeckenden, einfachen Einsatz noch nicht gestatten. schuhspezifische Produktionsund Anlagensteuerung CAD-Software Fußscanner Marktanalyse Musterfabrik e unternehmensübergreifender Datenaustausch Maschinen und Geräte Scg/35404p IFW Abbildung 5-1: Themen des EUROShoE-Projekts Um das Potenzial kundenspezifischer Schuhe zu ermitteln und Randbedingungen für die Projektarbeit festzulegen, wurde zum Projektbeginn eine zwar nicht repräsentative aber dennoch für die Zwecke des Projekts aussagekräftige Marktanalyse zum Thema kundenspezifische Schuhe durchgeführt. 58

70 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? 5.3 Bedarf an kundenindividuellen Schuhen Die Schuhproduktion in Europa muss sich dem harten Wettbewerb aus Fernost stellen. Andere Lohn- und Kostenstrukturen dort führen zu der Situation, dass Schuhwaren trotz der nicht unerheblichen Transportkosten auf dem europäischen Markt zu einem Preis angeboten werden, der dennoch unter einem für hiesige Verhältnisse kostendeckenden Preis liegt. Von der Fähigkeit zur kundenindividuellen Massenherstellung von Schuhen verspricht man sich Wettbewerbsvorteile für die europäische Schuhindustrie, die sie aufgrund des Vorsprungs an Dienstleistung für den Kunden eindeutig aufweist. Die Entwicklung dieser Vision zu einer funktionierenden Wertschöpfungskette lohnt sich aber nur dann, wenn sie vom Endverbraucher angenommen wird. Um dies herauszufinden und auch eine Aussage über die Bereitschaft des Kunden, einen Aufpreis zu bezahlen, treffen zu können, wurde vom Lehrstuhl für Allgemeine und Industrielle Betriebswirtschaftslehre (AIB) der Technischen Universität München eine intensive Marktrecherche durchgeführt. Einige wenige, die Schuhproduktion betreffende Ergebnisse sollen hier zusammengefasst werden. Die bei der Marktrecherche angewandte Vorgehensweise wird anhand Abb. 5- deutlich. Insgesamt wurden 40 Interviews mit Experten aus der Schuhindustrie sowie 16 Zielgruppendiskussionen durchgeführt. Daran schloss sich die Befragung von 40 Einzelpersonen an. Experteninterviews Experteninterviews Zielgruppendiskussionen Zielgruppendiskussionen 40 Experteninterviews Befragung Befragung 16 Zielgruppendiskussionen Online- Onlinebefragunbefragung Datenerhebungsstrategie: Datenerhebungsstrategie: Qualitative und quantitative Untersuchung Qualitative und quantitative Untersuchung Identifikation von funktionalen Aspekten kundenindividueller Anpassung und Designvarianten Identifikation von funktionalen Aspekten kundenindividueller Anpassung und Designvarianten Identifikation der Anpassungsparameter Identifikation der Anpassungsparameter Preissensibilität und Marktpotential Preissensibilität und Marktpotential Marketing-Strategien im Bereich der kundenindividuellen Massenproduktion Marketing-Strategien im Bereich der kundenindividuellen Massenproduktion Quelle: AIB 40 befragte Personen Abbildung 5-: Struktur der Marktrecherche 59

71 S. Scherger, M. Lünemann Im Rahmen der Experteninterviews wurden Schuhhersteller, Schuhhandelsketten sowie Journalisten aus der Modebranche befragt. Die Zielgruppendiskussionen fanden in Schuhgeschäften statt, wobei sich aus der Orientierung des Geschäftes auch die entsprechende Zielgruppe ergab. Die Befragung sollte eine Abbild der Verbraucherhaltung in ganz Europa schaffen. Um den Aufwand jedoch vertreten zu können, wurde die Befragung stellvertretend für Nordeuropa in Großbritannien und Deutschland, für Südeuropa in Italien und Spanien durchgeführt. Inhaltlich gesehen konzentrierte sich die Datenerhebung auf die folgenden Punkte: Allgemeine Informationen über die Befragten Einkaufsverhalten beim Schuherwerb Meinung / Erwartungshaltung zur maßgeschneiderten Massenfertigung von Schuhen Aufpreis, den der Kunden für ein Paar individuelle Schuhe zu zahlen bereit ist Ein Ziel der Befragungen war es herauszufinden, welchen Preisaufschlag der Kunden für ein Paar maßgefertigte Schuhe akzeptiert. Es kristallisierte sich jedoch schnell heraus, dass der Erwerb von Schuhen beim Verbraucher von mehr als rein statistisch erfassbaren Größen gelenkt wird. Vielmehr spielen psychologische Faktoren eine erhebliche Rolle und bestimmen das Verhalten der Konsumenten. Vielfach wollen Verbraucher beim Kauf etwas zum Fühlen und Anfassen haben. Auch ist vielen die Möglichkeit, die Ware gleich mitnehmen zu können, sehr wichtig. Grundsätzlich ist der Kunde nicht bereit, wesentlich mehr Zeit in die Konfiguration seiner Schuhe am Computer im Schuhgeschäft zu investieren, als er beim Kauf von Schuhen aus der Serienfertigung benötigt. Davon ausgenommen sind Käufer, die auf eine Anpassung ihrer Schuhe aus anatomischen Gründen angewiesen sind. Im folgenden soll eine Auswahl von Aussagen in ungewerteter Reihenfolge widergegeben werden, die während der Erhebung aufgenommen wurden: Komfortable Schuhe tendieren zu "langweiligem" Design wohingegen modische Schuhe meist unkomfortabel sind. Interessant für eine maßgeschneiderte Massenfertigung sind bequeme Schuhe bei Frauen und Männern, deren Füße (leichte) anatomische Besonderheiten aufweisen. 60

72 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Interessant für eine maßgeschneiderte Massenfertigung sind klassische Herrenschuhe mit sportlicher Note im oberen Preissegment. Sportschuhe für junge Kunden sind interessant für eine Anpassung an die Fußform. Die Marktanalyse hat ergeben, dass sich folgende Kundenkreise bei einer Markteinführung am ehesten durch eine Maßfertigung von Schuhen ansprechen lassen: Komfort-orientierte Verbraucher im Alter von 30 bis 60 Jahren mit mittlerem bis hohem Einkommen, Individualisten, Modebewusste Frauen im Alter von 4 bis 35 Jahren mit hohem Einkommen, Junge Leute zwischen 16-5 Jahren (insbesondere bei Sportschuhen), Geschäftsleute mit hohem Einkommen. 50,0... customised formal shoes Percentage of gender (%) 40,0 30,0 0,0 10,0 male female 0,0 default more than 50% 30% - 50% 10% - 30% 10%-30% 5% - 10% 0% - 5% 0% less don't know... customised casual shoes Percentage of gender (%) 40,0 30,0 0,0 10,0 male female Quelle: AIB 0,0 default more than 50% 30% - 50% 10% - 30% 10%-30% 5% - 10% 0% - 5% 0% less don't know Abbildung 5-3: Marktrecherche 40 Kundenbefragungen 61

73 S. Scherger, M. Lünemann Zusammenfassend sind die Kunden nicht bereit, einen zeitlichen Mehraufwand zur Anpassung einzelner Designelemente in Kauf zu nehmen, wohl aber für die individuelle Anpassung eines ganzen Schuhs. Dafür würde auch einen Preisaufschlag von bis zu 30% akzeptiert (Abb. 5-3). 5.4 Eine Maschine zur Herstellung von Schuhleisten Wie bereits erwähnt wurde, werden im Verlaufe des Projektes unterschiedliche Maschinen entstehen, die für die Fertigung individueller Schuhe notwendig oder von Vorteil sind. Kernaufgabe des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover ist die Entwicklung einer Maschine zur Fertigung kundenindividueller Schuhleisten. Quelle: Molina & Bianchi Scg/35405p IFW Abbildung 5-4: Leder über den Leisten ziehen Schuhleisten sind die Formen, mit deren Hilfe das Leder der Schuhschäfte in Form gebracht und mit der Brandsohle und der Laufsohle verbunden werden. Abb. 4 zeigt, wie in einer Maschine das Leder des Schaftes über den Leisten gezogen wird. Anschließend wird die vorgefertigte Sohle angeklebt (Renno, 1979, S. 103 ff.). Bei einigen Schuhen werden die vorgefertigten Sohlen nicht angeklebt, sondern in einer Spritzgussform an den Schuh direkt angespritzt (Schröter, 1985, S. 91 f.). Das Sohlenmaterial ist dabei meist Polyurethan. Um den Leisten gegen Ende des Schuhherstellungsprozesses aus dem Schuh entfernen zu können, wird er mit einem Gelenkmechanismus versehen. Durch das Aufklappen des Mechanismus wird die Länge des Leistens verkürzt und er kann aus dem Schuh entfernt werden. Der Schuhleisten, der heutzutage aus dem Kunststoff Polyethylen (PE) besteht, nimmt also eine zentrale Rolle bei der Schuhherstellung ein. 6

74 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Das Fertigungsverfahren für Schuhleisten ist die spanende Bearbeitung. Die Schrupp- und Schlichtbearbeitung der Leisten erfolgte in der Vergangenheit und zum Teil auch noch heute in Kopierdrehfräsmaschinen. Als Kopiermodelle kommen Holzleisten zum Einsatz, die zuvor manuell hergestellt werden. Neuere CNC- Maschinen hingegen benötigen kein Kopiermodell mehr. Beiden Herstellungsarten ist jedoch gemeinsam, dass die Spannzapfen an der Ferse und der Spitze des Leistens verbleiben und von Hand entfernt werden müssen. Der Vorteil des Drehprozesses liegt in der kurzen Bearbeitungszeit, die auch in der Verwendung von speziellen Werkzeugen, den Toroidfräsern, begründet liegt. Neueste Maschinen im Prototypenstadium spannen den Leisten am sog. Kamm, s. Abb. 5-5, was eine konventionelle Fräsbearbeitung des gesamten Leistens ermöglicht. Die manuelle Nacharbeit kann dann entfallen, die Bearbeitungszeit ist allerdings wesentlich höher als auf den Kopierdrehmaschinen. Die vom IFW zu bauende Maschine soll u.a. die Vorteile beider beschriebenen Maschinentypen vereinen, um eine schnelle Herstellung des Leistens ohne manuelle Nacharbeit zu ermöglichen. Quelle: Newlast Scg/35406p IFW Abbildung 5-5: Spannen des Leistens am Kamm 5.5 Kundenspezifische Leistenherstellung Schuhleisten besitzen eine essentielle Bedeutung für die Schuhproduktion. Wenn ein Paar Schuhe dem Kunden nicht passt, so liegt dies daran, dass die Form der Leisten zu sehr von der Form seiner Füße abweicht. Die Leisten bestimmen aber nicht nur die Form des Schuhs, sondern sie sind auch der Ausgangspunkt für das Design des Schuhs. So entsteht beispielsweise das erste dreidimensionale Schuhdesign indem Plastikkappen vom Leisten abgeformt und bemalt werden. Auch wenn mittlerweile verschiedene CAD-Softwarepakete existieren, wird das erste zweidimensionale Schnittmuster für die Teile des Schuhschaftes als sogenannte Leistenkopie aus einer solchen Plastikkappe gewonnen. Die Kappe wird dabei eingeschnitten und auf eine ebene Fläche gelegt. Weiterhin werden die Leisten zur Herstellung von Spritzgussformen für die Schuhsohlen eingesetzt. Heutzutage kostet ein Paar handgefertigter Schuhe in Zentraleuropa um 700. Mit Hilfe eines vorgefertigten Paares Schuhleisten stellt der Schuhmacher damit das 63

75 S. Scherger, M. Lünemann Paar Schuhe her. Wenn der Schuhleisten kundenspezifisch angepasst werden soll, erreicht der Preis leicht 1500 oder mehr. Von den Ergebnissen der oben beschriebenen Marktstudie ist bekannt, dass die Kunden bereit sind, einen Aufpreis von bis zu 30% für ein Paar angepasster Schuhe zu zahlen. Auf die Frage, wie viele Paar Schuhe mit Hilfe eines Leistenpaares hergestellt werden können, antworten die Schuhhersteller des Projektes EUROShoE unterschiedlich. Zu verschieden sind die Leistentypen, Schuhkonstruktionen und Modezyklen. Auch dadurch, dass manche Schuhhersteller ihre verschlissenen Leisten in einem gewissen Maß reparieren können, lässt sich eine vergleichende Aussage kaum treffen. Es kann jedoch festgehalten werden, dass ein Paar Leisten zur Fertigung von mehreren Tausend bis hin zu Paar Schuhen nutzbar ist. Daher ist der Preis des Leistens in der Serienschuhfertigung von untergeordneter Bedeutung. Dies ändert sich, wenn voll individualisierte Schuhe betrachtet werden, die kundenspezifische Leisten erfordern. Abb. 5-6 zeigt einen Beispiel eines solchen Leistens einen Schuhleisten von Marlene Dietrich. Der Preis eines Paares industriell gefertigter Schuhleisten des unteren Preissegments beträgt 5 bis 30. Diese Leisten sind für eine weitgehend manuelle Schuhproduktion bestimmt. Der Begriff manuelle Schuhproduktion bedeutet dabei, dass die Handhabung während der Produktion manuell erfolgt, für die einzelnen Produktionsschritte stehen jedoch Maschinen zur Verfügung. Leisten, die zur hoch automatisierten Schuhfertigung mit maschineller Handhabung genutzt werden, sind bei weitem teurer als 30. Für einen Schuhpreis von 83 bedeutet dies bei der derzeitigen Situation der Leistenfertigung, dass der Aufpreis von 30%, den ein Kunde für einen individualisierten Schuh zu zahlen bereit ist, schon für die Kosten für des Leistenpaares aufgebracht werden muss. Die weiteren Zusatzkosten für modifizierte Schuhschäfte, Fußbetten, Sohlen, Betrieb und Anschaffung von Fußscannern, Software, Datenaustausch, Versand und Verkauf sind dabei noch nicht berücksichtigt. Wenn voll individualisierte Schuhe für einen akzeptablen Preis hergestellt werden sollen, ist es also unerlässlich, den Preis für ein Paar Leisten drastisch zu reduzieren. Daher wurde eine detaillierte Analyse des Leistenherstellungsprozesses durchgeführt, um Potenziale zur Kosteneinsparung aufzuzeigen. Die Leistenherstellung wurde dabei nicht nur aus der Perspektive der voll individualisierten Schuhleisten 64 Quelle: Fagus Abbildung 5-6: Schuhleisten der Marlene Dietrich

76 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? sondern auch unter dem Gesichtspunkte einer ökonomischeren Produktion von Leisten für die Serienfertigung betrachtet. 5.6 Analyse der industriellen Schuhleistenproduktion Die Produktion von Schuhleisten für ein neues Schuhmodell beginnt auch heutzutage mit einem handgefertigten Leisten aus Holz, dem sogenannten Urmodell. Die Leistenmodelleure sind sehr erfahrene und hochqualifizierte Arbeitskräfte, die beim Herstellen des Urmodells sehr eng mit dem Schuhhersteller zusammenarbeiten. Das Urmodell dient als Ausgangspunkt für die Serienproduktion der Leisten. Die heutigen Schuhleisten für die Schuhproduktion bestehen aus Polyethylen (PE), einem Thermoplast. Es wird als Granulat geliefert, mit einem Farbstoff versetzt und mittels eines Extruders in Gussformen gespritzt. Die entstehenden Rohlinge werden spanend bearbeitet, wobei ein Recycling der Späne im Extruder stattfindet. Bis zur Mitte des vorigen Jahrzehnts wurden Schuhleisten auf Kopierdrehmaschinen hergestellt, s. Abb Ein Holzmodell und der PE-Rohling rotieren synchron um ihre Längsachsen, während sie zwischen Spitzen gespannt sind. Dabei tastet Abbildung 5-7: Kopiermaschine eine Kopierrolle die Form des Rohlings ab. Die Bewegung der Kopierrolle wird über ein Hebelgetriebe auf das rotierende auf das Werkzeug rotierende übertragen. Werkzeug Die Abtastrolle und das Werkzeug (siehe Abbildung 5-8) werden synchron entlang der Längsachse des Leistens geführt. Genau betrachtet ist die zerspanende Fertigung von Schuhleisten also ein Drehfräsprozess. Abbildung 5-8: Toroidfräser Seit Mitte der 1990er Jahre sind CNC- Maschinen auch für den Bereich der Schuhleistenfertigung verfügbar und verdrängen mehr und mehr die Kopierdrehmaschinen. Die prinzipiellen Bewegungsabläufe innerhalb der Maschine sind jedoch gleich geblieben. Auch bei computergesteuert gefertigten Schuhleisten beginnt die Prozesskette mit einem Holzmodell. Dieses wird in speziellen Geräten digitalisiert und in ein CAD-Modell überführt. Zwei unterschiedliche Digitalisierverfahren stehen zur Verfügung: Mechanische Abtaster (Abb. 5-9), die ähnlich der 65

77 S. Scherger, M. Lünemann Quelle: Newlast Kopiervorrichtung der Kopierdrehmaschinen funktionieren, und optische Abtaster. Die gewonnenen CAD-Daten können mit entsprechender Software bearbeitet werden. Ein geeignetes CAM-System und ein Postprozessor erzeugen den NC-Code für die CNC-Maschine (Jimeno, 001, S ). 66 Scg/35407p IFW Abbildung 5-9: Mechanischer Digitalisierer Nachdem das NC-Teileprogramm für den Schuhleisten erzeugt wurde, beginnt der Herstellungsprozess. An der Seite eines PE-Rohlings, die später einmal die Fersenpartie sein wird, wird eine Planfläche gesägt, in die zwei Sackbohrungen eingebracht werden. Diese zwei Sackbohrungen finden ihr entsprechendes Gegenstück in der spindelseitigen Werkstückaufnahme während die reitstockseitige Werkstückaufnahme tatsächlich eine Spitze ist. In einer ersten CNC-Maschine findet die Schruppbearbeitung statt, d. h. es wird vom Rohling so viel Material abgenommen, dass nur noch ein geringes Aufmaß bis zur Endkontur verbleibt. In einer modernen Maschine zur Schruppbearbeitung kann ein Paar Leisten in einem Zeitraum von 1 min. inklusive Handhabung und Spannen bearbeitet werden. Quelle: Fagus Abbildung 5-10: Druckleisten Anschließend wird Abbildung 5-11: Mechanismusbauteile der Mechanismus montiert. Der Mechanismus wird benötigt, um den Leisten im fertigen Schuh öffnen zu können. Durch das Öffnen wird die Leistenlänge reduziert und der Leisten kann aus dem Schuh entfernt werden. Es existieren verschiedene Typen des Mechanismus. Der sogenannte Druckleisten ist am weitesten verbreitet (Abb. 5-10). Er besteht aus dem Steg, der Feder und drei Haltebolzen (Abb. 5-11), die Steg und Feder im Leisten an ihren Positionen halten (Abb. 5-1). Der erste Schritt der Mechanismusmontage ist das Bohren der drei Löcher, die später die Bolzen aufnehmen. Im nächsten Schritt werden diese Bohrungen genutzt, um den Leisten unter einer Bandsäge hindurchzuführen Abbildung 5-1: Positionen der Mechanismusbauteile

78 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? (Abb. 5-13). Eine Kettenfräse erzeugt den Hohlraum im Spitzenteil und im Fersenteil des Leistens, in dem sich später Steg und Feder bewegen. Im letzten Schritt werden Steg, Feder und Haltebolzen montiert. Aus technischen Gründen verlangen die meisten Schuhhersteller, dass die Bohrungen, in denen die Bolzen sitzen, wieder verschlossen werden. Daher werden die Öffnungen mit PE-Material aus einem Mini-Extruder verschlossen. Nach der Mechanismusmontage werden die Leisten in einer weiteren CNC-Maschine geschlichtet, s. Abb Das Werkstück wird wiederum zwischen Spitzen gespannt und mit einem Toroidfräser dreiachsig bearbeitet. Moderne Maschinen können zwei bis drei Paare Leisten gleichzeitig schlichten. Die Bearbeitungszeit hängt von der Länge des Werkstücks und von der verlangten Genauigkeit ab und liegt meist zwischen 5 und 8 min. Abbildung 5-13: Sägeschnitt mit der Bandsäge Quelle: Newlast Scg/35408p IFW Abbildung 5-14: Schlichtbearbeitung Nach dem Schlichten befinden sich weiterhin die Spannzapfen an der Spitze und an der Ferse des Leistens. Dieses Material wird in Handarbeit entfernt. Dabei stehen den Arbeitern Papierschablonen zur Verfügung, die die Umrisse der Sohlenflächen aufweisen. Weitere Hilfsmittel sind Profilschablonen für Ferse und Spitze (Abb. 5-15). Die manuelle Nachbearbeitung eines Leistenpaares liegt bei 5 bis 8 min. Anschließend wird die Oberseite des Leistens, die sogenannte Kammfläche, bearbeitet. In der Bearbeitung der Kammfläche gibt es Unterschiede zwischen Leisten, die zur manuellen Schuhproduktion und denen, die zur automatisierten Schuhproduktion eingesetzt werden. Quelle: Fagus Abbildung 5-15: Profilschablonen Im einfachsten Fall wird das Leistenoberteil mit einer Kreissäge abgeschnitten. Der Leisten wird dann in einer speziellen Vorrichtung gespannt und es wird eine Boh- 67

79 S. Scherger, M. Lünemann rung in die Kammfläche eingebracht. In diese Bohrung wird die Ständerhülse eingepresst. Sie wird zum einen benötigt, um beim Zwicken den Leisten in der Maschine befestigen zu können. Zum anderen wird die Ständerhülse beim Ausleisten benötigt der Entfernung des Leistens aus dem Schuh. Mit Hilfe eines Hebels, der in die Ständerhülse eingebracht wird, wird das Drehmoment erzeugt, das benötigt wird, um den Mechanismus zu öffnen. Schuhleisten für eine automatisierte Schuhproduktion werden mit einer Metallplatte am Kamm versehen, an der Spanneinrichtungen der Produktionsanlagen angreifen können. Die Kammflächen müssen daher entsprechend bearbeitet werden. Abbildung 5-16: Sohlenplatte Des weiteren werden einige Leisten mit einer dünnen, stählernen Sohlenplatte versehen (Abb. 5-16). Diese ist erforderlich für eine bestimmte Art der Schuhfertigung. Dabei wird der untere Rand des Schaft Schuhschaftes mit kleinen Nägeln (Täckse) an der Brandsohle befestigt (Kropf, Leisten 1997, S. 8). Die Täckse treffen auf die Sohlenplatte und werden verformt (s. Sohlenplatte Abb. 17). Sie erfüllen also die Funktion von Nieten. Brandsohle Quelle: Kropf Scg/35409p IFW Abbildung 5-17: Befestigen des Schaftes an der Brandsohle Tacks Zum Abschluss wird der Leisten gestempelt. Der Name des Schuhmodells, die Schuhgröße und zusätzliche Informationen werden mit Farbe aufgetragen. Durch eine Wärmebehandlung in einer speziellen Maschine ziehen die Farbpartikel in das PE-Material ein. 5.7 Potenziale für Kosteneinsparungen Bei der Analyse der industriellen Schuhleistenfertigung wurden drei Hauptaspekte identifiziert, die ein Optimierungspotenzial aufweisen: die 6-Seiten-Bearbeitung des Werkstücks, die manuelle Nacharbeit und der Verlust der Referenz. Diese Aspekte werden im Folgenden beschrieben und bezüglich ihrer Relevanz zu kundenspezifischen Schuhen bewertet. 68

80 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Betrachtet man den PE-Rohling als Quader, so müssen alle sechs Seiten bearbeitet werden. Die Sohlenfläche und die Seiten werden in einer für die Leistenherstellung ausgelegten CNC-Maschine bearbeitet. Die Materialreste an der Spitze und an der Ferse werden von Hand entfernt. Diese Handarbeit wird durch qualifizierte, erfahrene Mitarbeiter vorgenommen. Schließlich wird die Kammfläche bearbeitet. Dieser Produktionsschritt wird in einer Maschine mit einer speziellen Spannvorrichtung durchgeführt. Zur Bestimmung der Einstellung müssen für eine neue Serie umfangreiche Tests durchgeführt werden. Eine automatische Komplettbearbeitung aller Seiten in einer Maschine würde den Einsatz zweier Spannvorrichtungen erfordern, von denen mindestens eine auf der fertigen Kontur greifen müsste. Dies gestaltet sich dadurch schwierig, dass die Leistenoberfläche für jedes Modell und jede Schuhgröße unterschiedlich geformt ist. Dennoch soll die Anzahl der bisher an der Leistenproduktion beteiligten Maschinen reduziert werden, indem die zu bauende Maschine mehrere Fertigungsschritte kombiniert. Die manuelle Nacharbeit ist notwendig, um die Spannzapfen an der Ferse und an der Spitze zu entfernen, die nach der Schlichtbearbeitung am Werkstück verbleiben. Die Reduktion der manuellen Nacharbeit ist die erste Antwort, die Schuhleistenhersteller geben, wenn sie nach ihrer Einschätzung für mögliche Optimierungspotenziale gefragt werden. Dabei ist eine Fertigung individualisierter Leisten unter Beibehaltung der manuellen Nacharbeit durchaus denkbar. Zum Beispiel könnte mit Hilfe eines CAD-Systems eine Papierschablone für den kundenspezifischen Leisten ausgedruckt werden, die dann dem Mitarbeiter zur Verfügung steht. Allerdings werden durch die manuelle Nacharbeit hohe Personalkosten verursacht. Eine automatische Bearbeitung der Fersen- und der Spitzenregion hätte somit Vorteile sowohl für die Serienfertigung als auch für die kundenspezifische Leistenfertigung. Die endgültige Form des Leistens, inklusive der Positionen der Bohrungen und des Sägeschnitts, wird durch die Spannvorrichtungen von fünf unterschiedlichen Maschinen und Apparaten bestimmt: Der Maschine zum Schruppen, der Bohrmaschine und der Bandsäge für die Mechanismusmontage, der Maschine zum Schlichten und der Maschine zur Kammflächenbearbeitung. Die Spannmechanismen der Maschinen zum Schruppen und Schlichten sind identisch. Allerdings wird zwischen diesen Bearbeitungsschritten die Montage des Mechanismus durchgeführt. Durch den Materialabtrag und Unebenheiten des Sägeschnitts sind die Rotationsachsen des Werkstücks in der Schlichtmaschine und in der Schruppmaschine leicht unterschiedlich. Bei der Bearbeitung der Kammfläche weist der Leisten schon seine endgültige Form auf. Die Spannzapfen an der Ferse und Spitze sind nicht mehr vorhanden und können daher nicht mehr zum Spannen genutzt werden. Die vorhandene Spanneinrichtung muss also neu eingerichtet werden. Für die Herstellung eines neuen Leistentypen müssen zuvor Versuchsserien gefahren werden, um die Einstellungen aller am Produktionsprozess beteiligten Maschinen und Anlagen zu bestimmen. Dies bedeutet, dass für ein Paar kundenspezifische 69

81 S. Scherger, M. Lünemann Leisten mindestens ein Paar Probeleisten hergestellt werden müsste. Der individuelle Leisten wäre damit bei weitem zu teuer. Daher ist die Überwindung des Referenzverlusts während der Leistenproduktion entscheidend für die Herstellung kundenspezifischer Leisten. 5.8 Verfügbare Maschinen und Patente Einige Maschinen, die andere Spannmechanismen und Prozessstrategien nutzen als bisher beschrieben, sind verfügbar oder wurden patentiert. Fast alle dieser Maschinen beschäftigen sich mit der automatisierten Bearbeitung der Spitzen- und der Fersenpartie. Drei dieser Maschinen werden im Folgenden beschrieben Newlast SDF Die Newlast SDF (Colombo 1999) ist eine Maschine zur Herstellung von Leistenprototypen. Im Gegensatz zu konventionellen dreiachsigen Maschinen besitzt die SDF vier Achsen. Sie kann ein Werkstück aufnehmen, das nicht zwischen Spitzen sondern am sog. Kamm gespannt wird (Abb. 5-5). Das bedeutet, dass die Kammfläche vor dem Einbringen in die Maschine bearbeitet werden muss. Der Vorteil des Spannens am Kamm ist der freie Zugang zur Spitze und zur Ferse des Leistens für die automatische Bearbeitung. Der Nachteil ist, dass auf diese Weise bei manchen Leisten nur der hintere Teil gegriffen werden kann. Aufgrund der Nachgiebigkeit des Mechanismus entstehen daher Verschiebungen zwischen dem vorderem und dem hinterem Teil des Leistens. Auch in den Fällen, in denen der Vorderteil und der Hinterteil des Leistens gegriffen werden können, entstehen wegen der Nachgiebigkeit des PE-Materials Abweichungen von der Sollkontur Teseo HLM Einige Versuche zur Herstellung von Schuhleisten wurden auf konventionellen vierachsigen Maschinen mit herkömmlichen Kugelkopffräsern durchgeführt, wie sie als Schuhleistenmaschine von der Fa. Teseo angeboten wird. Drei Linearachsen wirken auf das Werkzeug während eine Rotationsachse den am Kamm gespannten Leisten bewegt. Während des Eingriffs wird die Rotationsachse festgehalten, d. h. zuerst wird die Leisteninnenseite bearbeitet, danach dreht die C-Achse um 180, und die Leistenaußenseite wird bearbeitet. Einer der EUROShoE-Partner nutzt eine solche Standardmaschine zur Herstellung von Leisten für Schuhprototypen und Verkaufsmustern. Die Nachteile einer solchen Maschine sind die gleichen wie bei der Newlast SDF. 70

82 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Spannen an der Schnittfläche Zwei Patente (Schaaf 1993 und Schaaf 1994) beschreiben Maschinen, die das Vorderteil und das Hinterteil des Leistens getrennt voneinander bearbeiten (Abb. 5-18). Dabei werden Spannsysteme verwendet, die die Leistenteile an der Sägefläche spannen. Beide Leistenteile können also komplett bearbeitet werden ohne dass Spannansätze verbleiben. Nach der Bearbeitung wird der Mechanismus montiert. Der Vorteil dieses Vorgehens ist, dass die Nachgiebigkeit des Mechanismus während der Bearbeitung keinen Einfluss hat. Der Nachteil ist, dass aufgrund von Fertigungstoleranzen der Mechanismusbauteile und der generellen Mechanismuskonstruktion die beiden Leistenteile nur mit einem Versatz montiert werden können. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Bohrungen für die Bolzen offen bleiben. Daher können diese Leisten nicht zur Produktion jeden Schuhtyps genutzt werden, da in einigen Ledern ringförmige Abdrücke zurückbleiben würden. Leistenvorderteil Quelle: Schaaf 1993 und 1994 Scg/35410p IFW Abbildung 5-18: Spannen an der Schnittfläche 5.9 Besonderheiten bei individualisierten Schuhleisten Betrachtet man den Zweck des EUROShoE-Projekts kundenindividuelle Schuhe herzustellen, müssen einige Besonderheiten berücksichtigt werden. Herrenschuhe und auch die zugehörigen Leisten werden meist in den Größen 8,5 bis 1,5 hergestellt. Der Größenbereich für Damenschuhe liegt bei 5 bis 9,5. Für Leute mit kleineren Füßen wäre es prinzipiell möglich, auch kleinere Leisten zu fertigen. Die Herstellung größerer Leisten hingegen stößt wegen des begrenzten Arbeitsraumes der Schuhleistenmaschinen an Grenzen. Daher sollte die zu bauende Maschine einen größeren Arbeitsraum besitzen als die verfügbaren Maschinen; als maximal zu 71

83 S. Scherger, M. Lünemann fertigende Größe wird die Schuhgröße 14,5 gewählt, was einer Länge von 333 mm entspricht. Auch wenn die Schuhgröße eines Kunden prinzipiell lieferbar ist, gibt es eine Reihe von Gründen, warum ein Paar Schuhe dennoch nicht passt. Die Füße können eine unterschiedliche Länge haben, oder Maße wie z.b. die Ballenweite der Füße können von denen des Serienleistens abweichen. Das bedeutet, dass ein Paar individualisierter Schuhleisten eventuell nur einmal zur Herstellung eines Paares Schuhe genutzt wird, woraus folgt, dass diese Leisten nicht zwingend einen Mechanismus ausgerüstet sein müssen. Eine wie auch immer geartete Lösung, den Leisten aus dem Schuh zu ziehen reicht aus, auch wenn der Leisten dabei zerstört werden sollte. Anfangs wurde daher die Idee einer dünnwandigen Sollbruchstelle erwogen. Dies scheitert jedoch daran, dass beim Ankleben der Sohle während der Schuhfertigung ein Druck von 7 bar auf den Leisten ausgeübt wird. Abbildung 5-19: Leisten ohne Mechanismus Ein anderer Ansatz für einen Leisten ohne Mechanismus wurde in einem Versuch getestet. Dabei wurde der Leisten in einem geraden Schnitt zersägt und die beiden Teile durch zwei Schrauben verbunden. Alternativ dazu reicht eine Schraube, wenn die Leistenteilung mit einem Absatz versehen ist (Abb. 5-19). Gegenüber einem Leisten mit Mechanismus ist zwar während der Schuhherstellung ein Mehraufwand nötig, allerdings kann der Leisten während seiner Herstellung am Kamm gespannt werden, ohne dass ein Versatz zwischen Vorderteil und Hinterteil entsteht Erste Spezifikationen Die Resultate der industriellen Leistenherstellung und die Besonderheiten bei individualisierten Schuhleisten führen zu den ersten Spezifikationen für die zu bauende Maschine. Um auch Leisten für Menschen mit großen Füßen herstellen zu können soll der Arbeitsraum der Maschine so bemessen sein, dass Werkstücke mit einer Länge von 350 mm und einem Durchmesser von 00 mm bearbeitet werden können. Wegen der möglichen unterschiedlichen Längen der rechten und linken Füße wird die Maschine zumindest im ersten Stadium nur ein einzelnes Werkstück aufnehmen. Um die Engpässe der konventionellen Leistenherstellung zu überwinden wird die Maschine die Schrupp- und Schlichtbearbeitung der gesamten Ober- 7

84 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? fläche inklusive der Spitzen- und Fersenregion durchführen können. Dies beinhaltet auch die Bearbeitung der Kammfläche und das setzen der Bohrungen. Vermutlich wird die Maschine zwei Spannvorrichtungen besitzen. In einem ersten Bearbeitungsschritt wird das Werkstück konventionell zwischen Spitzen gespannt, und alle Bohr-, Planfräs-, und Konturfräsoperationen werden durchgeführt. Dabei verbleibt am Kamm eine Schwalbenschwanzstruktur aus PE, an der das Werkstück in einer zweiten Aufspannung gegriffen wird. Danach können Spitzen- und Fersenregion bearbeitet werden. Anschließend wird mit einem letzten Schnitt unterhalb der. Spannvorrichtung der Schwalbenschwanz entfernt Mögliche Architekturen unterstützender Reitstock Leisten Werkzeug 1. Spannvorrichtung Spannvorrichtung Scg/3541p IFW Abbildung 5-1: Architektur mit zwei Spannsystemen und unterstützendem Reitstock. Spannvorrichtung Leisten Werkzeugrevolver Toroidfräser Scg/35411p IFW Abbildung 5-0: Architektur mit zwei Spannsystemen Im folgenden Abschnitt werden zwei Ansätze vorgestellt, wie die Maschine aussehen könnte. Der erste Ansatz (Abb. 5-0) verfolgt dabei die konventionelle Drehbearbeitung mit einem angetriebenen Werkzeug. Im ersten Bearbeitungsschritt wird das Werkstück zwischen Spitzen gespannt. Die notwendigen Fräs- und Bohrwerkzeuge sind in einem Werkzeugrevolver angeordnet. Eines der Fräswerkzeuge erzeugt den Schwalbenschwanz in der Kammregion, an dem dann das zweite Spannsystem angreift. Der zweite Ansatz (Abb. 5-1) kommt mit einem Spannsystem aus. Das bedeutet, dass zuerst die spätere Kammfläche des Leistens bearbeitet werden muss, um das Werkstück dort greifen zu können. Danach ist das Werkstück von allen Seiten aus zugänglich. Die beschriebene Vorgehensweise eignet sich für Leisten, die keinen Mechanismus beinhalten, 73

85 S. Scherger, M. Lünemann sondern bei denen beide Teile mit Schrauben zusammengefügt sind (siehe Kap. 5.9). Leisten, die mit einem Mechanismus ausgerüstet sein müssen, könnten an der Spitze mit einem Reitstock unterstützt werden, der für die Bearbeitung der vordersten Spitze zurückgezogen würde. Der verbleibende Materialrest würde dann mit geringerem Vorschub abgetragen werden, um den Einfluss der Nachgiebigkeit des Mechanismus zu minimieren. 5.1 Zusammenfassung und Ausblick Im vorliegenden Beitrag wurden Optimierungspotenziale für die Produktion von individuellen Schuhleisten und Leisten für die Serienschuhfertigung aufgezeigt, die es im weiteren Projektverlauf zu nutzen gilt. Vor allem ist hier die Komplettbearbeitung zu nennen. Dadurch, dass die Fräs- und Bohroperationen für die Kammfläche in derselben Maschine stattfinden wie das Fräsen der formgebenden Fläche, ist der Erhalt der Referenz des Werkstücks zu den Bearbeitungswerkzeugen gewährleistet. Die automatische Bearbeitung der Fersen- und Spitzenregion reduziert die notwendigen manuellen Nacharbeiten auf die Montage der Applikationen wie Kamm- und Sohlenplatten oder Ständerhülsen. Auf der Basis der Optimierungspotenziale und der Besonderheiten bei kundenspezifischen Leisten wurden zwei Maschinenkonzepte entworfen, von denen dasjenige mit den zwei Spannsystemen realisiert werden soll. Durch eine konstruktive Umgestaltung der fersenseitigen Spanneinrichtung kann dann auch das Maschinenkonzept mit einer Spannvorrichtung und unterstützendem Reitstock aufgebaut und untersucht werden. In zukünftigen Arbeitspaketen sind sowohl die Prozessstrategie festzulegen als auch eine Software zu entwickeln, die anhand dieser Prozessstrategie und des CAD-Modells für einen kundenspezifisch angepassten Schuhleisten das zugehörige NC- Programm generiert. Damit in Zukunft der Schuh nicht mehr drückt. Literatur Colombo, E., 1999, Machine and Method of Producing Accessories for the Shoe Industry: European Patent Application, EP A, Jimeno, A.M.; Chamizo, J.M.G.; Salas, F., 001, Shoe Last Machining Using Virtual Digitising. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, S Kropf, R., 1997, Stammbaum der Schuhfertigungsarten; Robert Kropf Verlag, S. 8 ff. Renno, D., 1979, Technologie der Schuhherstellung; VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1979, S. 103 ff. 74

86 Sind Maßschuhe bald für jeden erschwinglich? Schaaf, K.-J.; Legleitner, T., 1994, Vorrichtung zur Herstellung von Leistenteilen für Schuhleisten; Offenlegungsschrift, DE A 1, Schaaf, K.-J.; Legleitner, T., 1994, Vorrichtung zum Aufspannen von Leistenrohteilen bei der Herstellung von Schuhleisten; Offenlegungsschrift, DE A 1, Schröter, H., 1985, Grundlagen der industriellen Schuhherstellung; VEB Fachbuchverlag Leipzig, S. 91 f. Schuh, G.; Millarg, K.; Göransson, A., 1998, Virtuelle Fabrik Neue Marktchancen durch dynamische Netzwerke; Carl Hanser Verlag, München, Wien Über die Autoren: Stephan Scherger studierte Elektrotechnik mit dem Schwerpunkt Nachrichtenverarbeitung an der Universität Hannover. Nach einer kurzzeitigen Tätigkeit als Programmierer ist er seit 1998 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Universität Hannover. Dort beschäftigt sich Herr Scherger mit dem Thema Flexible Automatisierungstechnik. Martin Lünemann studierte Maschinenbau mit der Fachrichtung Konstruktionstechnik an der Technischen Universität Berlin. Seit 1998 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Universität Hannover. Schwerpunkt seiner Arbeit sind Werkstückspannsysteme für die variantenreiche Einzelteilfertigung auf modularen, rekonfigurierbaren Werkzeugmaschinen. 75

87 6 Berechnung der Eigenschaften von Parallelkinematik- Maschinen durch Syntheseverfahren Thomas Garber, ISW, Universität Stuttgart Seidenstraße 36, D Stuttgart, Germany, Tel: , Fax: , thomas.garber@isw.uni-stuttgart.de Abstract In einigen Bereichen der Produktionstechnik ist es von Vorteil, wenn sich Produktionsmaschinen an sich ändernde Aufgaben anpassen lassen. Diese Forderung nach Rekonfigurierbarkeit können insbesondere Maschinen mit parallelkinematischer Struktur (PKM) erfüllen, da sie aus Modulen zusammengesetzt sind, die sich auf verschiedene Weise anordnen lassen oder gegen Module mit anderen Eigenschaften ausgetauscht werden können. Es stellt sich jedoch das Problem, dass die Eigenschaften von PKM sehr stark von ihrer Konfiguration abhängen, dass es aber bisher kein allgemeines Verfahren gibt, um diese Eigenschaften vorab zu berechnen. In diesem Beitrag wird erstmals gezeigt, dass sich die Maschineneigenschaften wie Steifigkeit, Kraft- und Geschwindigkeits-Übersetzung in allgemeiner Weise aus den Eigenschaften der Basismodule herleiten lassen und dass sogar die bei PKM nur numerisch lösbare Vorwärtstransformation schematisch abgeleitet werden kann. Mit der Kenntnis dieser grundlegenden Zusammenhänge ist es möglich, die Eigenschaften von rekonfigurierbaren PKM schnell und automatisiert zu berechnen. Dies ist die Voraussetzung für die Auslegung und Optimierung einer Maschinenkonfiguration bei der Anpassung einer Maschine an eine neue Bearbeitungsaufgabe. Stichworte Parallelkinematik, Rekonfigurierbarkeit, flexible Fertigung, Syntheseverfahren, Maschinenauslegung 6.1 Rekonfigurierbare Maschinen In vielen Bereichen der Produktionstechnik geht der Trend seit einigen Jahren immer mehr hin zu kleineren Losgrößen und zur damit verbundenen flexiblen Fertigung. Um der Forderung nach großer Flexibilität hinsichtlich der bearbeiteten Teile nachzukommen, wäre es von großem Vorteil, wenn auch die Produktionsma- 76

88 Synthese von PKM schinen bei Bedarf an die konkrete Bearbeitungsaufgabe angepasst werden könnten. In der Praxis finden sich jedoch diese "rekonfigurierbaren" Werkzeugmaschinen nicht. Bei den üblicherweise eingesetzten Maschinen lässt sich zumindest die Kinematik nicht ändern, so dass auch die grundsätzlichen Maschineneigenschaften wie Arbeitsraum, Steifigkeit und Dynamik nicht verändert werden können. Es gibt jedoch mit den Parallelkinematik-Maschinen (PKM) eine Gruppe von Maschinen, deren Kinematiken sich relativ leicht verändern lassen. Ihr modularer Aufbau ermöglicht die Neuanordnung oder den Austausch von Komponenten, wodurch die Maschineneigenschaften in der gewünschten Form beeinflusst werden können (Wurst et al, 00). Genau diese Eigenschaften konnten jedoch bisher nicht in allgemeiner Weise vorab berechnet werden, so dass jede Anpassung einer PKM eine sehr aufwändige Berechnung erfordert hätte. Dieser Aufwand hat sich als entscheidender Nachteil bei der Entwicklung rekonfigurierbarer PKM herausgestellt. a) b) Abbildung 6-1: Beispiele für PKM; a) 3-achsiger und b) 6-achsiger Linapod Im Allgemeinen wird die Auslegung von PKM mit verschiedenen Software- Paketen wie Mehrkörper-Simulation (MKS) oder Finite-Elemente-Methoden (FEM) durchgeführt, die sich aber nur zur Berechnung einiger spezieller Eigenschaften einer Parallelkinematik eignen. Ihr Hauptnachteil ist der hohe Modellierungsaufwand, da eine Änderung der Kinematik in jedem einzelnen Kinematik- Modell durchgeführt werden muss. Weiterhin sind diese Programme sehr rechenzeitintensiv, so dass eine schnelle Berechnung aller Eigenschaften einer Kinematik im gesamten Arbeitsraum damit kaum möglich ist. Die modulare Bauweise von PKM ermöglicht es jedoch, ihre Eigenschaften analytisch (und damit sehr schnell!) zu berechnen, wenn die Eigenschaften der Basis- 77