Lebenszyklusplanung von Fabriksystemen

Abstract

Life cycle planning in production engineering often only addresses the life cycle of one or multiple products. However, the life cycle of the factory system to produce those products is also relevant in the context of environmental sustainability. Therefore, a sound understanding of the factory life cycle becomes increasingly important for the planning and operation of factory systems with regard to environmental targets. Decisions during factory planning predominantly predetermine the later environmental performance. The decision context is highly complex as it entails heterogeneous life cycles and manifold interactions. Existing approaches as well as methods and model-based support tools fail to provide a comprehensive understanding of the factory life cycle. Therefore, a concept for the life cycle planning of factory systems is presented in the thesis. A strong interaction between data, modeling methods and visualization techniques is proposed that facilitate deepening the knowledge about the factory life cycle and pave the way for life cycle engineering of factory systems. Particularly, the work developed a factory life cycle understanding that enables a multifaceted perspective on the involved heterogeneous life cycles and their interrelationships as well as the dynamic interrelationships between factory elements during factory operation. The presented concept extends the scope of previous approaches to the whole life cycle of a factory system. Beyond a descriptive factory system decomposition model, two modeling approaches on different abstraction levels are proposed that facilitate on the one hand the anticipation of long-term developments and on the other hand provide detailed insights into the operational and environmental performance of process chains. This combination is unique and stands out from previous work in the context of factory life cycle evaluation. The developed factory decomposition model contributes to break down the life cycle of the factory on relevant factory elements, their life cycles, interrelationships between the life cycles and environmental performance indicators. Generic modeling of the factory life cycle behavior addresses the factory life cycle on a longer time scale. The outcome is a general understanding of long-term, time-dependent interactions, e.g. the aging patterns of factory elements. In contrast, life cycle oriented process chain modeling targets the detailed representation of the operational behavior and environmental performance of process chains on a shorter planning horizon. In this respect, energy and material flows as well as the process chain-inherent dynamics are modeled in detail. This enables the quantitative evaluation of the operational and environmental performance of a process chain from factory and product perspective. The visualization and evaluation techniques embrace tailored visualizations for the analysis of life cycle related interrelationships, for the illustration of environmental impacts over the factory life cycle in a circular layer model and a break-even analysis. The concept modules were prototypically implemented as standalone software tools and as an integrated interactive dashboard. The dashboard allows for building up an enhanced life cycle understanding of the factory system by interaction with the models and visual data exploration. Two exemplary case studies demonstrate the application of the life cycle planning concept. First, a greenfield planning of a battery cell factory with a focus on the qualitative assessment and the circular layer model is presented. The second case, a brownfield planning project, focuses on the application of the generic life cycle modeling and the break-even analysis for life cycle planning of a crankshaft production line.Lebenszyklusplanung umfasste in der Produktionstechnik bisher lediglich den Lebenszyklus eines oder mehrerer Produkte. Mit Hinblick auf die ökologische Nachhaltigkeit ist jedoch auch der Lebenszyklus des Fabriksystems relevant, wo diese Produkte hergestellt werden. Ein fundiertes Verständnis des Fabriklebenszyklus wird daher in der Planung und dem Betrieb von Fabriksystemen immer wichtiger, um ökologische Zielvorgaben zu erreichen. Entscheidungen während der Fabrikplanung bestimmen maßgeblich die späteren Umweltwirkungen während der Errichtung und dem Betrieb der Fabrik. Der Entscheidungskontext ist dabei sehr komplex, da heterogene und miteinander wechselwirkende Lebenszyklen berücksichtigt werden müssen. Bestehende Ansätze sowie Methoden und modellbasierte Werkzeuge bieten kein umfassendes Verständnis des Fabriklebenszyklus. Daher wird in dieser Arbeit ein Konzept für die Lebenszyklusplanung von Fabriksystemen vorgestellt. Das Konzept sieht eine starke Interaktion zwischen Daten, Modellierungsmethoden und innovativen Visualisierungstechniken vor, die Wissen über den Fabriklebenszyklus generiert und den Rahmen für das Life Cycle Engineering von Fabriksystemen aufspannt. Insbesondere wurde in der Arbeit ein Fabriklebenszyklusverständnis entwickelt, das einen differenzierten Blick auf die heterogenen Lebenszyklen der Fabrikobjekte und deren Zusammenhänge sowie auf die dynamischen Wechselbeziehungen zwischen den Fabrikobjekten während des Fabrikbetriebs ermöglicht. Das vorgestellte Konzept erweitert den Betrachtungsrahmen bisheriger Ansätze auf den gesamten Lebenszyklus des Fabriksystems. Über ein deskriptives Fabrikdekompositionsmodell hinaus umfasst das Konzept zwei weitere Modellierungsansätze auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen, die einerseits die Antizipation langfristiger Entwicklungen ermöglicht und andererseits detaillierte Einblicke in das operative und ökologische Verhalten von Prozessketten bietet. Diese Kombination ist einzigartig und hebt sich von früheren Lebenszyklusbewertungsansätzen von Fabriken ab. Das entwickelte Fabrikdekompositionsmodell trägt dazu bei, den Lebenszyklus der Fabrik auf relevante Fabrikelemente, ihre Lebenszyklen, Wechselbeziehungen zwischen den Lebenszyklen und Umweltkennzahlen herunterzubrechen. Die generische Modellierung des Lebenszyklusverhaltens einer Fabrik strebt die Modellierung der Fabrikobjekte auf einer längeren zeitlichen Perspektive an. Das Ergebnis ist ein allgemeines Verständnis der langfristigen, zeitabhängigen Wechselwirkungen, z. B. der Alterungsmuster von Fabrikobjekten. Im Gegensatz dazu zielt die lebenszyklusorientierte Prozesskettenmodellierung auf die detaillierte Analyse des operativen Verhaltens und den Umweltwirkungen von Prozessketten auf einem kürzeren Planungshorizont ab. Dabei werden Energie- und Materialströme sowie die prozessketteninhärente Dynamik detailliert modelliert. Dies ermöglicht eine quantitative Bewertung sowohl aus Fabrik- als auch aus Produktsicht. Die Visualisierungs- und Bewertungstechniken umfassen maßgeschneiderte Visualisierungen zur Analyse lebenszyklusbezogener Zusammenhänge, zur Darstellung von Umweltwirkungen in einem Zwiebelschalenmodell und eine Break-Even-Analyse. Die Konzeptbausteine wurden prototypisch als eigenständige Softwaretools umgesetzt. Zusätzlich ist ein Dashboard konzipiert worden, das den interaktiven Aufbau von Wissen durch Kombination der einzelnen Softwaremodule ermöglicht. Zwei exemplarische Fallstudien demonstrieren die Anwendung des Konzepts. Zunächst wird eine Greenfield-Planung einer Batteriezellenfabrik mit Schwerpunkt auf der qualitativen Bewertung und dem Zwiebelschalenmodell vorgestellt. Der zweite Fall, ein Brownfield-Planungsprojekt, konzentriert sich auf die Anwendung der generischen Lebenszyklusmodellierung und der Break-even-Analyse für die Lebenszyklusplanung einer Kurbelwellenproduktionslinie