Methode zur lebenszyklusbezogenen Optimierung von Werkzeugmaschinen

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Die Anforderungen der Anwender von Werkzeugmaschinen haben sich in den letzten Jahren gewandelt. Neben der weiterhin bestehenden Forderung nach technologisch innovativen Werkzeugmaschinenkonzepten erlangt hierbei zunehmend auch die Betrachtung der Lebenszykluskosten und -leistung von Werkzeugmaschinen Bedeutung. Verstärkt wird dies durch steigende Energiekosten, die die Frage der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen ins Bewusstsein der Anwender gerufen hat. Auch der zunehmende Wettbewerbsdruck in den produzierenden Industrien zwingt die Unternehmen dazu sich intensiver mit der Wirtschaftlichkeit der in der Produktion eingesetzten Werkzeugmaschinen zu befassen. Bezogen auf die Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen genügt es dabei nicht, die Investitionskosten der Maschine der erzielbaren Ausbringungsmenge gegenüberzustellen. Wie gezeigt werden konnte, ist die Bedeutung der Nutzungskosten mindestens gleichwertig wenn nicht sogar höher als die der Investitionskosten. Mit der vorliegenden Methode zur Lebenszyklusoptimierung von Werkzeugmaschinen wird diesem Sachverhalt Rechnung getragen. Um das Ziel einer Lebenszyklusoptimierung von Werkzeugmaschinen zu erreichen, wird die Maschine zunächst in ihre einzelnen Bau- und Hauptbaugruppen zerlegt, die in einem Maschinenstrukturmodell hierarchisch strukturiert werden. Die Analyse des Lebenszyklusverhaltens der Werkzeugmaschine erfolgt auf Ebene dieser Baugruppen. Hierfür werden die relevanten Lebenszykluskosten der Werkzeugmaschine so modelliert, dass sie verursachungsgerecht jeder einzelnen Baugruppe zugewiesen werden können. Als relevante Kosten wurden die Investitionskosten, die Instandhaltungskosten, die Energiekosten, die Flächennutzungskosten, die Kosten für das Rüsten der Maschine sowie die Kosten des Maschinenbedieners identifiziert. Ergänzend zur baugruppenbezogenen Analyse der Kosten wird die Nutzung der Werkzeugmaschine anhand elementarer Prozesse beschrieben, die ihrerseits in wertschöpfende und nicht wertschöpfende Aktivitäten unterteilt werden können. Sie ermöglichen es, vergleichbar zur Modellierung der Kosten, jeder Baugruppe ihren Beitrag zur Lebenszyklusleistung der Werkzeugmaschine, d.h. zur Ausbringungsmenge, verursachungsgerecht zuzuweisen. Auf Basis dieser Modellierung wird es dem Werkzeugmaschinenhersteller zunächst ermöglicht, das Lebenszyklusverhalten von bestehenden Werkzeugmaschinengenerationen zu analysieren. Hierfür werden verfügbare Felddaten über den Einsatz der Werkzeugmaschine sowie Kennzahlen zur Berechnung des Lebenszyklusverhaltens benötig. Die charakteristische Bearbeitungsaufgabe der zu analysierenden Werkzeugmaschinengeneration, die die Lebenszyklusleistung ebenso beeinflusst wie die integrierten Baugruppen, wird über einen Referenzprozess abgebildet, die jeweiligen Einsatzbedingungen bei den Anwenderunternehmen durch ein entsprechendes Referenzeinsatzszenario. Die Analyse der bestehenden Maschinengeneration schafft Transparenz über Kosten- und Leistungstreiber auf Baugruppenebene und bildet die Ausgangsbasis für die Definition von Optimierungsmaßnahmen. Durch parametrische Sensitivitätsanalysen wird die Beeinflussbarkeit des Lebenszyklusverhaltens durch Änderung einzelner Baugruppen untersucht sowie die Auswirkung von Wechselwirkungen zwischen den Baugruppen und den Kosten- und Leistungselementen ermittelt. Die Methode wurde zur Unterstützung parametrischer Sensitivitätsanalysen sowie zur Vereinfachung der Erprobung und Bewertung von möglichen Optimierungsmaßnahmen in einer Software umgesetzt. Diese ermöglicht es dem Werkzeugmaschinenhersteller in interdisziplinären Workshops das Lebenszyklusverhalten bestehender Maschinengenerationen zu analysieren und Ursachen von Schwachstellen zu diskutieren. Optimierungsmaßnahmen können durch einfache Parametervariationen auf Baugruppenebene "durchgespielt" werden und damit schnell hinsichtlich ihres Erfolgspotentials bewertet werden. Erfolgsversprechende Maßnahmen werden in einer detaillierteren Prognose in technisch realisierbare konstruktive Konzepte überführt und hinsichtlich ihrer Wirkungsweise bei Integration in die bestehende Werkzeugmaschinengeneration bewertet. Die Methode wurde an Beispielmaschinen erprobt, die Ergebnisse dieser Analysen sind in vorliegender Arbeit anhand eines Fallbeispiels dargestellt. Sie verdeutlichen nochmals die Bedeutung der lebenszyklusbezogenen Optimierung von Werkzeugmaschinen unter Berücksichtigung der vielfältigen Wechselwirkungen. Im Fallbeispiel konnte durch die Anwendung der Methode eine Reduzierung der Lebenszykluskosten von knapp 8 Prozent sowie der Lebenszyklusstückkosten um rund 12 Prozent erzielt werden. Hierfür muss der Maschinenanwender jedoch rund 7 Prozent höhere Investitionskosten akzeptieren.