Vorausschauende und reaktive Mehrzieloptimierung für die Produktionssteuerung einer Matrixproduktion

Ein immer vielfältigeres Produktionsprogramm mit unsicheren Stückzahlen macht es schwierig, Produktionssysteme wirtschaftlich zu betreiben. Verursacht die Produktindividualisierung unterschiedliche Bearbeitungszeiten an den Produktionsstationen, entstehen Taktzeitverluste. Schwankungen in den Anteilen der Produktvarianten können zudem zu dynamischen Engpässen führen. Das Konzept der Matrixproduktion verfolgt eine Flexibilisierung der Produktionsstruktur durch Auflösung der starren Verkettung, der Taktzeitbindung sowie durch den Einsatz redundanter Mehrzweckstationen. Diese Maßnahmen erlauben es der Produktionssteuerung, die Reihenfolge der Arbeitsvorgänge innerhalb der Grenzen des Vorranggraphs zu variieren und die Route jedes Auftrags anzupassen. Eine reaktive Mehrzielsteuerung ist erforderlich, um diese Freiheitsgrade zu nutzen und die unterschiedlichen Zielgrößen der Produktionssysteme zu erfüllen. Durch die Verwendung von Domänenwissen bei der Optimierung kann die Effizienz für spezifische Problem gesteigert werden. Aufgrund der Vielfalt der Produktionssysteme und Zielgrößen sollte sich die Produktionssteuerung jedoch selbstständig an den jeweiligen Anwendungsfall und die Zielgrößen anpassen können. Da die Dauern für Bearbeitungs-, Transport- und Rüstzeiten wichtige Eingangsgrößen für die Produktionssteuerung sind, wird eine Methode zur Ermittlung realistischer Werte benötigt. Aufgrund der Komplexität der Steuerungsentscheidung sind Heuristiken am besten geeignet. Insbesondere die Monte Carlo Tree Search (MCTS) als iteratives Suchbaumverfahren hat gute Eigenschaften für den Einsatz als reaktive Produktionssteuerung. Bisher fehlten jedoch Ansätze, die den Anforderungen an die Steuerung einer Matrixproduktion gerecht werden. In dieser Arbeit wird eine reaktive Mehrzielsteuerung auf Basis von MCTS für die Produktionssteuerung einer Matrixproduktion unter Berücksichtigung von Rüst- und Transportvorgängen entwickelt. Zusätzlich wird eine auf lokaler Suche basierende Post-Optimierung in den MCTS Ablauf integriert. Um schnell eine hohe Lösungsqualität für unterschiedliche Zielsetzungen und Produktionssysteme zu erreichen, werden zwei Methoden zur selbstständigen Anpassung der Produktionssteuerung entwickelt. Um die Genauigkeit der in der Produktionssteuerung verwendeten Dauern zu gewährleisten, wird eine Methode zur Ableitung und Aktualisierung der zugrunde liegenden Verteilungen vorgestellt. Die detaillierten Auswertungen anhand verschiedener Anwendungsfälle zeigen, dass die Produktionssteuerung in der Lage ist, verschiedene Ziele erfolgreich zu optimieren. Die Methoden zur selbstständigen Anpassung führen zudem zu einem schnelleren Anstieg der Lösungsgüte. Der Vergleich mit optimalen Referenzlösungen und mit Benchmark-Problemen aus der Literatur belegt ebenfalls die hohe Lösungsgüte. Die Anwendung auf ein reales Praxisbeispiel demonstriert das Verhalten der Produktionssteuerung bei Ausfällen und Abweichungen. Diese Arbeit untersucht detailliert das Verhalten der Produktionssteuerung und den Einfluss der entwickelten Methoden auf die Erreichbarkeit der unterschiedlichen Zielgrößen, den Anstieg der Lösungsgüte und die erreichte absolute Lösungsgüte

Entwicklung eines Verfahrensablaufes zur Herstellung von Batteriezellstapeln mit großformatigem, rechteckigem Stapelformat und kontinuierlichen Materialbahnen

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs in der Automobilindustrie und die Realisierung der Energiewende erfordern leistungsfähige Energiespeicher. Hierfür weisen elektrochemische Energiespeicher, insbesondere Li-Ionen Batterien, großes Potential auf. Eine zentrale Herausforderung bei der Herstellung von großformatigen Li-Ionen Batteriezellen ist die Stapelbildung, die wechselnde Anordnung von Anode, Separator und Kathode. Die Stapelbildung hat maßgeblichen Einfluss auf die realisierbaren Stapeldesigns und damit auf die Eigenschaften einer Batteriezelle. Ein Batteriezellstapel, welcher mit gestapelten Einzelblättern aufgebaut ist, weist die besten Eigenschaften derzeitiger großformatiger Batteriezellen auf. Nachteilig ist bei diesem Stapeldesign jedoch, dass die kontinuierlichen Ausgangsmaterialbahnen zu Einzelblättern konfektioniert werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Stapeldesign konzipiert, welches die positiven Eigenschaften einer einzelblattgestapelten Zelle aufweist und gleichzeitig aus kontinuierlichen Materialbahnen besteht, sodass eine maximale Elektrodenflächenausnutzung der Materialbahnen erzielt werden kann und keine Konfektionierung der Elektrodenflächen erforderlich ist. Kern dieser Arbeit ist die Erarbeitung eines Verfahrensablaufes für die Herstellung des Stapeldesigns. Zunächst werden die wesentlichen Anforderungen an Stapeldesign und Stapelbildung abgeleitet. Basierend auf dieser Analyse erfolgt die Konzeptionierung eines neuen Stapeldesigns. Anschließend wird ein geeigneter Produktionsablauf zur Herstellung des konzipierten Stapeldesigns entwickelt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Materialbahnformung um 180°. Für diese werden die erforderlichen Materialbahnverläufe definiert und notwendige Werkzeugkomponenten abgeleitet

Modellierung des Fügewickelprozesses zur Herstellung von leichten Fachwerkstrukturen

Changing ecological awareness and legal conditions lead to an increased use of light- weight components made of fibre composites in industrial applications. Therefore, this thesis focuses on a novel process for joining profiles made of such composite materials. First, fundamental investigations on the process with a winding ring, guided by a vertical articulated robot, were conducted in (Schädel 2014). Based on this study, the aim of this thesis is to model the wound joint and its associated kinematics to increase the flexibility and reproducibility of the process. According to the state of the art, winding for joining hollow profiles differs from existing joining techniques due to its high lightweight potential and design freedom. To fully uti- lize this potential, however, a complete modeling of winding paths as well as the move- ments in the process is necessary. Approaches for this have already been presented, though they mainly refer to the fiber winding with a rotating mandrel and to simple, rotationally symmetrical geometries. In order to compensate the existing deficits and to achieve the goal of modeling the joining process, a modular approach is presented. This consists of single modules for modelling the windings, the methodology for the simulation of mechanical load capacity, the kinematic modelling as well as model validation. First, the variables relevant for the model are identified, with the variance of winding patterns determined by manual wind- ing tests. The friction of the fibers when deposited on the profile surface is investigated as it is an important parameter in the modelling process. Modelling the winding paths requires first a mathematical description of the surfaces for both profiles. On this basis, the winding paths on the longitudinal profile are generated using a stepwise algorithm for non-geodetic curves. These curves are continued tangentially in the transition area between both profiles and modelled on the longitudinal profile using a cubic function. An iterative algorithm optimizes the curve with respect to the maximum slip angle in order to avoid fiber slippage. In addition, the methodology developed for the structure of a FEM simulation allows qualitative statements with material parameters to be deter- mined in the future about the load-bearing capacity of the joint. Modeling the move- ments during the process is based on the geometries of the robot and winding ring. Together with the points of the modelled winding pattern and the geometry parameters of the profiles, the individual joint positions and the rotor position of the winding ring can be determined for each step using inverse kinematics. An iterative algorithm for collision avoidance of the winding ring with the profiles is applied in each calculation step. The winding unit is redesigned and assembled in a prototype with a new drive and bearing concept for the rotor and a self-regulating roving pre-tensioning module. The control commands required for the movements are automatically derived from existing models. Model validation is carried out by experimental winding tests with different pro- files (DoE). The joints are evaluated by a comparison of the position of the individual windings and the nominal positions from the modelling

Systematic gripper arrangement for a handling device in lightweight production processes

Handhabungsgeräte sind ein integraler Bestandteil automatisierter Produktionsprozesse. Dennoch werden sie in der Regel als nicht wertschöpfend angesehen, weshalb ihre Planung und Projektierung mit geringem Zeit- und Personalaufwand so effektiv wie möglich sein sollte. Gleichzeitig bleiben sie ein wichtiger Teil der Prozesskette und müssen in diesem Zusammenhang bestimmte Bedingungen erfüllen. Um ihre Funktionalität zu gewährleisten und wenig Zeit in die Projektierung zu investieren, sind Handhabungsgeräte oft überdimensioniert. Insbesondere bei flachen Teilen führt dies zu schweren Handhabungslösungen, bei denen das Gewicht des Handhabungsobjekts und des Handhabungsgerätes in einem Missverhältnis zueinander stehen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Projektierung von Handhabungsgeräten so weit wie möglich zu automatisieren. Dieser Prozess wird am Beispiel der Prozesskette zur Herstellung von Leichtbauteilen mit den Verfahren „sheet molding compound“ (SMC) und „resin transfer molding“ (RTM) dargestellt. In einem ersten Schritt wird ein modulares Handhabungsgerät entwickelt und aufgebaut, das eine große Anzahl von Greiferanordnung ermöglicht. Mit diesem Handhabungsgerät kann dann die resultierende Durchbiegung von flachen Bauteilen mit verschiedenen Greiferanordnungen gemessen werden. Um sicherzustellen, dass es nicht immer notwendig ist die Durchbiegungen zu messen, wird mit ABAQUS ein Modell aufgebaut, das eine Simulation der Durchbiegung ermöglicht. Anhand dieses Simulationsmodells wird eine Designlogik für die Anordnung der Greifer entwickelt. Diese Designlogik arbeitet in zwei Schritten und basiert auf dem Ansatz des „growing neural gas“ (GNG), das durch die Implementierung zusätzlicher Regeln an das Problem angepasst wird. Zuerst wird eine erste Greiferkonfiguration basierend auf der Geometrie des Objekts erstellt, die dann durch einen iterativen Prozess aus Simulation und Anpassung verbessert wird. Da die Herstellung von Leichtbauteilen oft mehr als nur einen Zuschnitt erfordert, werden am Ende systematisch verschiedene Lösungen für die verschiedenen Zuschnitte zu einer Greiferanordnung zusammengefasst und ein Verfahren gezeigt, wie dies ,mit dem zuvor entwickelten modularen Handhabungsgerät realisiert, werden kann

Robuste Auftragsplanung in Produktionsnetzwerken – Mittelfristige Planung der variantenreichen Serienproduktion unter Unsicherheit der Kundenauftragskonfigurationen

Die Produktion variantenreicher Produkte wie Flugzeuge und Automobile in Produktionsnetzwerken stellt Unternehmen vor die Herausforderung in der mittelfristigen Produktionsplanung auch bei noch nicht vorliegenden Kundenauftragskonfigurationen optimale Entscheidungen zu treffen. Ziel der Dissertation ist daher die Entwicklung eines Lösungsansatzes zur mittelfristigen Auftragsplanung in Produktionsnetzwerken der variantenreichen Serienproduktion unter Unsicherheit der Kundenauftragskonfigurationen. Indem mittelfristig noch nicht vorliegende und somit unsichere Kundenauftragskonfigurationen antizipiert und bei der Auftragsplanung berücksichtigt werden, kann eine robuste und somit möglichst optimale Planung unter Unsicherheit erfolgen. Im Rahmen der Dissertation werden die beiden Fälle betrachtet, dass zum mittelfristigen Planungszeitpunkt entweder Kundenaufträge mit unsicheren Auftragskonfigurationen oder keine Kundenaufträge vorliegen. Im letzteren Fall wird ebenso wie im ersteren eine auftragsbasierte Planung und zwar durch Planaufträge verfolgt, um auch ohne Kundenaufträge eine zeitliche Durchgängigkeit zwischen dem mittel- und kurzfristigen Planungshorizont zu ermöglichen. Die Planungsaufgabe der Auftragsgenerierung besteht daher im Falle von Kundenaufträgen in der Generierung von Szenarien hinsichtlich deren Auftragskonfigurationen und im Falle von nicht vorliegenden Kundenaufträgen in der Generierung von Planaufträgen für Märkte. Darauf folgend werden die generierten Aufträge robust ins Produktionsnetzwerk eingeplant. Eingehende Kundenaufträge können schließlich den eingeplanten Planaufträgen robust zugeordnet werden. Zur Validierung des Lösungsansatzes im Flugzeugbau werden zur Einplanung vorliegender Kundenaufträge ins Produktionsnetzwerk der Airbus A320-Produktfamilie Szenarien hinsichtlich deren unsicheren Auftragskonfigurationen generiert. Hierbei werden auf den Auftragskonfigurationen basierende Arbeitslasten in der Endmontage repräsentativ abgebildet und ein Worst-Case-Szenario hinsichtlich der maximalen Arbeitslast generiert. Die Auftragseinplanung ins Produktionsnetzwerk erfolgt schließlich durch ein robustes Szenarienmodell. Robustheit hinsichtlich der Arbeitslasten wird einerseits durch Flexibilitätskosten und andererseits durch Wandlungskosten ermöglicht. Im Automobilbau werden Planaufträge unter Berücksichtigung von Baubarkeitsregeln und Einbauraten bezüglich Produktoptionen generiert und ins Produktionsnetzwerk optimal eingeplant. Durch den Eingang von Kundenaufträgen nach der Auftragseinplanung wird die Unsicherheit über die gewünschten Auftragskonfigurationen aufgelöst. Die Kundenauftragszuordnung zu Planaufträgen erfolgt durch ein Optimierungsmodell, das die zur Verfügung stehende Rekonfigurationsflexibilität der Materialbedarfs-, Produktions-, Distributions- und Absatzplanung berücksichtigt. Im Sinne der Robustheit wird die Flexibilität durch Minimierung entsprechender Kosten in möglichst geringem Umfang genutzt. Insgesamt leistet der entwickelte Lösungsansatz einen Beitrag zur robusten Auftragsplanung in Produktionsnetzwerken der variantenreichen Serienproduktion bei mittelfristig unsicheren Auftragskonfigurationen