montagefreundliche Produktgestaltung - BA-Produktionstechnik.de

modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
montagefreundliche
Produktgestaltung
– früher Einstieg in die
Montageplanung
Inhalt
– Ziele der Produktgestaltung
– Zeitpunkt der Produktgestaltung
– Bewertungen
– Regelvergleich
– Zeit- und Kostenvergleich
– Bewertungshilfen ILMOTRIX und CADCE
– SvZ oder Konstruktionsergebnis
– Nachführen der Bewertung
– Nutzung der Matrix
modest Montage-Design-Studio Suhl
Allgemeine Ziele
Prof. Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
– Senkung des Montageaufwandes in Zeit und
Kosten
– Gestaltung ergonomisch günstiger Lösungen
- z.B. Körperhaltung während der Montage
– frühzeitige Festlegungen und weitere
Bearbeitungen auf Basis gut gestalteter
Produktlösungen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
1

Allgemeine Ziele
modest Montage-Design-Studio Suhl
Ergonomie im Montageprozess
modest Montage-Design-Studio Suhl
Dezember 5, 2004 Seite 5
–
– (CIM-TT München)
modest Montage-Design-Studio Suhl
– Bewegungsökonomie
– Bewegungen sind der aktive
und wesentliche Teil von
Handlungen - hier im Fertigungsund
Montageprozess.
– Für Handlungen gibt es
Einflüsse mit Auswirkungen in
BEANSPRUCHUNG, ZEIT und
KOSTEN, deshalb:
• Handlungen vermeiden
• Handlungen vereinfachen
• Handlungen gestalten, z.B.
durch Anordnung.
Nachführen der Bewertung
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
2

Zeitpunkt und Nutzen der Produktbewertung
Teilefertigung
Montage
Demontage
• 30 % FE-Aufwand ist vermeidbarer Änderungsaufwand
• ca. 7 % der Belegschaft(en) sind durch Änderungen gebunden
• ca. 20 % (Spitzenwerte ca. 50 %) der Konstrukteure sind durch Änderungen gebunden
• ca. 1 - 3 % des Umsatzes sind Änderungskosten1)
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
modest Montage-Design-Studio Suhl
1) nach Lindemann, U, Reichwald,R [1998]
in Becker, U. [1999]
Hauptaspekte zur Produktgestaltung
– AUFGABEN AUTOMATISIERUNGS-/MONTAGE-
FREUNDLICHER PRODUKTGESTALTUNG 1)
– 1.1 automatisierungs- und montagefreundliche Produktgestaltung
– 1.2 Optimierung von Montagefunktionen
– 1.3 Optimierung des Montageablaufs
– 1.4 öko-/recyclingfreundliche Konstruktion
– ZIELE AUTOMATISIERUNGS-/MONTAGE-
FREUNDLICHER PRODUKTGESTALTUNG
– einfache und zuverlässige Fertigungsmittel
– wirtschaftliche Sicherung der Produktqualität
– Seriencharakter trotz Variantenfertigung
– Kreislauf der Produkte und Rohstoffe
Hemmnisse für Effektivität in der Montage
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ja
nach IPA Stuttgart (S.18 /2002)
modest Montage-Design-Studio Suhl
1) Erläuterungen auf nächsten Folien
[ISBN 3-446-21986], S. 46ff
kurze Produktlebensdauer
Variantenvielfalt/sinkende Losgrößen
geringe Stückzahlen
mangelnde montagefreundliche Produktgestaltung
große Einzelteilabmessungen
große Einzelteiltoleranzen
Miniaturisierung von Produkten
biegeschlaffe Teile
empfindliche Oberflächen
Staubempfindlichkeit
ungenügender Ordnungsgrad
Kombination unterschiedlicher Prozesse
unangepasste Prozesstoleranzen
mangelnde Prozesssicherheit
Anzahl Einzelteile
hoher Bereitstellungsaufwand
hoher Umrüstaufwand
Produkt-Lebenszyklus
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
3

– Verfügbarkeit starr verketteter Stationen (Diagramm nach REXROTH BOSCH):
Verfügbarkeit in % Anzahl verketteter Stationen
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0,2 Fehlerhafte Teile in %
Taktz. = 6 sec., Inst.-Zeit = 60 sec.
modest Montage-Design-Studio Suhl
Dezember 5, 2004 Seite 10
Grundsatz:
modest Montage-Design-Studio Suhl
SEM\BOSCH\5-5.DS4
1
2
3
4
6
8
12
16
20
Es ist wichtig, zu wissen was man NICHT braucht, um etwas zu tun.
Grundidee Kostenursache Einflussfaktoren
James Watt
Preis der Einzelteile/Bau- Stoffkosten
gruppen bzw. Herstellkosten Losgröße
Herstellungsverfahren
Anlieferungszustand Ordnungsgrad
Was kostet ein
-
-
Schüttgut
geordnet verpackt
Teil, bis es seine
Handhabungsfähigkeit
- Magazin (Palette, Schacht)
Zubringen
Ordnen
Funktion nach
Weitergeben
Umgreifen
durchgeführter Fügefähigkeit Fügerichtung
Fügebahn
Montage erfüllt?
Fügeraum
Fügehilfen
Fügeverfahren Gruppen nach DIN 8593
Qualität AQL-Wert
Sauberkeit
Störbetriebskosten
Montagekosten Personalkostensatz
Betriebsmittelkosten
typische Handlungszyklen rund um‘s FÜGEN
HINLANGEN
LOSLASSEN
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
FÜGEN
Verfahrenszeit
GREIFEN
TRANSPORTIEREN
wertschöpfend
(produktiver Kern/Primärmontage)
nicht wertschöpfend
Sekundärmontage
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
4

Gestaltungsbewertung
modest Montage-Design-Studio Suhl
Dezember 5, 2004 Seite 13
... unser Bezug zur Konstruktion
- Konstruktionselemente der Feinmechanik
nach Werner Krause, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1993
Spielpassung
Übergangspassung
modest Montage-Design-Studio Suhl
Dezember 5, 2004 Seite 14
Presspassung
Presspassung
mit
Maschine
MTM-Verfahren
immer immer
manchmal immer Luft/Differenz Übermaß, Übermaß, Luft/Differenz,
das zwischen das durch durch Verformung
manchmal den Verformung TeilenÜbermaß,
oder oder Reibung/Abtrag Reibung/Abtrag
das durch Verformung
neutralisiert
immer wird
oder neutralisiert leichtes Reibung/Abtrag Zusammenführen wird neutralisiert der Teile wird einer Paarung
(bis erforderliche
ungewiss, jede wohin beliebige geht mit
Presskraft Passungsklasse welcher Paarung übersteigt
Kraft muss (oder 1 unter ?) manuelle
kraftfrei) Presskraft Möglichkeiten:
die realisiert exemplarische werden Paarung
Maschineneinsatz
erfolgen (wann definieren wird
vorsehen wir Passungsklasse (ab wann nutzen 3 ?) wir Passungsklasse 3+ ?)
(was umfasst Passungsklasse 2 ?)
Grundsatz:
–
Es ist wichtig, zu wissen was man NICHT braucht, um etwas zu tun.
James Watt
MONTAGEMETHODEN (aus Passungen und Toleranzen)
– VOLLSTÄNDIGER AUSTAUSCHBAU Funktions- und Fertigungstoleranzen sind abgestimmt und
immer passend
– UNVOLLSTÄNDIGER AUSTAUSCHBAU gröbere Fertigungstoleranzen werden akzeptiert, einige
Elemente sind nicht funktions- und qualitätsgerecht montierbar
– PAARUNGS-/AUSWAHLMETHODE durch Messung der Elemente und Einordnung in
Toleranzgruppen entsteht funktionsgerechter Abschluss der
Maßkette (auch selektive Methode)
– (AN)PASSUNGSMETHODE operative Arbeit an Teilen mit montagefremden Arbeiten oder
prospektive Einflussnahme auf Teilefertigung (auch adaptive
Methode)
– KOMPENSATIONSMETHODE definierte Einstellglieder
pröbelnde Justage
– Ergebnis
– funktionsfähiges Produkt bei unterschiedlichen und z.T. zusätzlichen Aufwändungen
modest Montage-Design-Studio Suhl
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
5

Grundsatz:
Es ist wichtig, zu wissen was man NICHT braucht, um etwas zu tun.
James Watt
– GRUNDSÄTZE
– TEILEZAHL reduzieren (FÜGE-Matrix)
Funktionsvereinigung in komplexen Teilen
– TEILEARTEN reduzieren
Wiederholteile und -baugruppen einsetzen
– TEILEVARIANTEN reduzieren
Einschränkung der Normteilpalette
Vermeidung von Originalteilen (Zeichenteilen)
– TECHNOLOGIEVARIANTEN reduzieren
Produktfamilien definieren
modulare Produkte definieren
– Ergebnis
– VERRINGERTER MONTAGEAUFWAND AUS REDUZIERTEM HANDLUNGSBEDARF
– SERIENERHÖHUNG FÜR EINZELTEILE UND BAUGRUPPEN
– VEREINFACHTE LOGISTIK UND LAGERWIRTSCHAFT
– ...
modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
1.1 MONTAGEFREUNDLICHE Produktgestaltung
– FORM kompakt, kein verhakendes zusammengesetztes Formteil
– FORMELEMENTE Orientierungshilfen und tastbare Merkmale an der Außenkontur
einfache Geometrie der Greifelemente/-punkte, Schwerpunkte
beachten
Schaffung körperlicher Positionierhilfen
– GEWICHT mittlerer Gewichtsbereich, Extrema vermeiden
– ABMESSUNG mittlerer Abmessungsbereich, Extrema vermeiden
Fügefreiräume erhalten/schaffen
– FESTIGKEIT starr, Vermeidung biegeschlaffer, elastischer und plastisch
verformbarer Teile
– EINZELTEILLAGE Zuführhilfen vorsehen
– SCHWERPUNKTLAGE eine stabile Lage erzwingen
– SYMMETRIE Eindeutigkeit durch Symmetrie oder klar erkennbare Asymmetrie
– PASSUNGEN funktionsgerecht, grob, günstige Maßketten
– Ergebnis
– SENKUNG DER HANDHABEANFORDERUNGEN IN DER MONTAGEHANDLUNG
1.2 OPTIMIERUNG VON MONTAGEFUNKTIONEN
– BAUGRUPPEN einstufige Produkte anstreben
Make or Buy
– VERBINDUNGSELEMENTE Verbinden ohne zusätzliche Verbindungselemente
Integration der Verbindungselemente in
Einzelteile/Baugruppen
Zusammenfassung in einem Verbindungselement
automatisches Herstellen der Verbindung
Einsatz von snap in / Clipsen
– EINZELTEILE/BAUGRUPPEN/VERBINDUNGSELEMENTE Verminderung der Anzahl,
– EINZELTEILE
der Vielfalt und der Abmessungsunterschiede
Vereinheitlichung der Schraub- und Verbindungsrichtungen
Verminderung der Formelemente
Schaffung von Orientierungshilfen
Gestaltung von Greifmöglichkeiten
Schaffung von Positionierhilfen
Vermeidung von Richtungsänderungen
– Ergebnis
– SENKUNG DES UMFANGS UND DER ANFORDERUNGEN AN
HANDHABEFUNKTIONEN
modest Montage-Design-Studio Suhl
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
6

Verbindungen und Richtungen
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
Verbindungen und Richtungen
1.3 OPTIMIERUNG DES MONTAGEABLAUFS
– PRODUKTSTRUKTUR Schicht- oder Nestbauweise eines Produktes
einheitliche Fügerichtungen
Gliederung des Produktes in funktionsfähige
Baugruppen/Abschnitte (Außenspiegel)
Schaffung prüfbarer, entkoppelter Baugruppen
Vermeidung vernetzter Baugruppen/Abschnitte
Gestaltung kurzer Verbindungen zwischen Baugruppen
Schaffung eindeutiger Produktvarianten
gleicher Einbau bei Produktvarianten
– TECHNOLOGIE eine geradlinige Montagerichtung
Richtungsänderungen vermeiden
freie Sicht auf Fügestelle
Variantenbildung erst sehr spät im Montageablauf
– VEREINHEITLICHUNG Standardisierung von Einzelteilen/Baugruppen
Modulkonstruktionen
Parameterkonstruktionen
Wiederholung in Produktfamilien, -varianten, -nachfolgern
konstruktive Ähnlichkeit erreichen
– Ergebnis
– HOHE WIEDERHOLHÄUFIGKEIT VON ABLÄUFEN TROTZ
VARIANTENVIELFALT UND INNOVATION
modest Montage-Design-Studio Suhl
Details
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
7

Demontage des Produktes
zur Wartung/Instandhaltung
und in Derivate zum Recycling
Forderungen:
•Demontierbarkeit
modest Montage-Design-Studio Suhl
HINLANGEN
LOSLASSEN
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
1.4 ÖKO-KONSTRUKTION
(Prinzipien)
Montage der Einzelteile und
Baugruppen zum Produkt
TRANSPORTIEREN
GREIFEN
Forderungen:
•Montagefreundliche Gestaltung
Ausgangspunkt für das TRENNEN in der Demontage:
typische Handlungszyklen rund um‘s TRENNEN
die Besonderheiten:
Die Demontageposition ist aus
der Montageplanung bekannt.
Die Demontagetiefe ist meist
geringer (Baustufen).
Die Materialsortierung kann
bedeutsamer sein als die
Teilegewinnung.
wertschöpfend
(produktiver Kern)
TRENNEN
Verfahrenszeit
nicht wertschöpfend
1.4 ÖKO-KONSTRUKTION
(Prinzipien)
– Werkstoffmenge vermindern
– Lebensdauer erhöhen
– Demontagefreundlichkeit sichern
– Zugang
– Lösbarkeit
– Werkstoffvielfalt verringern
– schädliche Beschichtungen, Zusätze und Verbundwerkstoffe vermeiden
– schadstoffarme Werkstoffe wählen
– Zahl der Baugruppen/-teile reduzieren
– einzelne Baugruppen/-teile weiter-/wiederverwenden
– Baugruppen/-teile für Aufarbeitung gestalten
– Baugruppen/-teile, Geräte und Werkstoffe kennzeichnen
– recyclingfreundliche Werkstoffe und Baugruppen/-teile verwenden
– Verpackungen vermeiden und recyclingfähiges bzw. biologisch abbaubares Material
verwenden
– Ergebnis
– SENKUNG DES DEMONTAGE-/RECYCLINGAUFWANDES
– SENKUNG DES RESSOURCENVERBRAUCHS
Details
– SENKUNG DER UMWELTBELASTUNG
modest Montage-Design-Studio Suhl
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
8

modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
1.4 ÖKO-KONSTRUKTION (Prinzipien)
Öko-Bewertung für die Nachgebrauchsphase
siehe ECO-Indicator report (NHO report 9523, 9524) www.pre.nl
Flanschwelle
– Technologie 1: – 2:
– NC-Drehen aus dem – Teile anfertigen
Vollen
– Cu-Löten
– Fertigdrehen
– 3:
– Teile anfertigen
– Schweißen
– NC-Drehen
Herstellkosten (WE) 55 62
51
Wertschöpfung ist wichtig
– Wertschöpfend:
Primärmontage
– planmäßige, unmittelbar zur
Erfüllung der Arbeitsaufgabe
dienende Tätigkeit:
Montagefortschritt
– Beispiele:
–Teile fügen
– Anbauteilen Einbauteile
– Befestigungen
– Schrauben
– Nieten
– Verbindung (nicht lösbar)
– Schweißen
– Löten
– Kleben
– Bearbeiten (montagefremd)
– Bohren
– Fräsen
modest Montage-Design-Studio Suhl
Dezember 5, 2004 Seite 27
– Nicht wertschöpfend:
Sekundärmontage
– planmäßige, nur mittelbar zur
Erfüllung der Arbeitsaufgabe
dienende Tätigkeit:
kein Montagefortschritt
– Beispiele:
– Laufwege
– Material bereitstellen
– Behälterwechsel
– Körperbewegungen
– technischer Mehraufwand
– Montageanweisung lesen
– ...
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
9

modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
ein komplexes Beispiel ...
Sammeln der Produktelemente
– alle Fügeteile
– Zeichenteile (3D-CAD-Modelle)
– konzipierte Teile
– Normteile
– Zusammenbauabhängigkeiten
– Werkzeuge
– Montagevorrichtung (MoVo)
Teile der Felgenbremse (siehe oben)
Nr. Teil Anzahl Bemerkung
01 Bolzen 1
02 Formfeder 1
03 Gleitscheibe 3 auch 5 und 7
04 Bremsbügel 1 1
06 Bremsbügel 2 1
08 Flachmutter M6 1
09 Hutmutter M6 3 auch 23 und 25
10 Klemmbolzen M5 1
11 Stellbolzen M5 1
12 Mutter M5 1 auch 15
13 Gelenk 1 Bohrung M5, Gewinde M5
14 U-Scheibe 5,2 2 auch 16
17 Hutmutter M5 1
18 U-Scheibe 6,3 3 auch 22 und 24
19 Sondermutter M6 1
20 Bremsklotz li. 1
21 Bremsklotz re. 1
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
10

modest Montage-Design-Studio Suhl
Fügematrix (auswerten)
– das Produkt
– Vielzahl der Fügerichtungen mit geringer Polarisierung
– mit Bolzen existiert ausgeprägtes Basisteil
– zwei Gewindegrößen
– verschiedene Muttern selbst bei gleichem Gewinde
– die Montage
– die Vielzahl von Fügerichtungen führt zu Freihandmontage ohne
unterstützende Vorrichtungen
– geringe Maßtreue der Bremsbügel erfordert Justagen/Richtarbeiten
modest Montage-Design-Studio Suhl
... eine kleine Abschweifung ...
– Hier schließt sich die Montageplanung an:
– Behälterzuordnung zu Teilen
– Behälteranordnung im Greifraum
– SvZ-Beschreibung (WFS oder MTM)
– Zeitbewertung
– Strukturierung/Taktung
– Dokumentation
modest Montage-Design-Studio Suhl
Fügematrix (auswerten)
– Zusammenfassung und Bewertung
– Zeiten und Kosten
– Wertschöpfung
– Fügerichtungen
– Bestimmung der Hauptfügerichtung
– Bestimmung der Fügefolge
– Bestimmung der Achsanzahl für Handling
– Erschwernisse
– Rationalisierungspotential
– Sicherheitsansprüche
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
11

modest Montage-Design-Studio Suhl
Anordnung und Beschreibung
– berechnete (grün) Anordnung und Interaktion (cyan)
modest Montage-Design-Studio Suhl
Ziele eines neuen Produktes
– Die aufwändige Montage soll vereinfacht werden.
– Die Zahl der Teile soll reduziert werden.
– Die Fügerichtungen sollen reduziert werden.
– Vorrichtungen sollen die Montage unterstützen.
– Die Masse soll reduziert werden.
– Es ergab sich eine spezielle Bremse für den Leistungssport im
Zeitfahren und für den Triathlon bei einer Masse von ca. 85 g.
... die prinzipielle Lösung ...
modest Montage-Design-Studio Suhl
– Die Bolzen werden
gesteckt und mit
Sicherungsscheiben
festgesetzt.
– Schenkelfedern
sorgen für die
Rückstellung
– Die Bremsgummis
werden gesnapt.
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
12

– die Einzelteile der Bremse
modest Montage-Design-Studio Suhl
... die neue Lösung ...
Nr. Teil Anzahl Bemerkung
01 Grundplatte 1
02 Schenkelfeder li. 1 nicht gezeichnet
03 Schenkelfeder re. 1 nicht gezeichnet
04 Bremsbügel 1 1
06 Bremsbügel 2 1
07 Bolzen 2
08 Sicherungsscheibe 2 nicht gezeichnet
09 Deckscheibe 2 nicht gezeichnet
10 Klemmstück kpl. 1
11 Bremsgummi 2
12 Sechskantschraube M6 1 Rahmenbefestigung
13 Mutter M6 1 Rahmenbefestigung
14 U-Scheibe 6,3 1 Rahmenbefestigung
modest Montage-Design-Studio Suhl
– hier werden
nach der
Erfassung von
Konstruktionsparametern
die
Bewertungsergebnissezusammengefasst:
... die neue Teile.dat ...
– für die neue Bremse entsteht eine Teile.dat aus Zeichnungen und aus nicht
gezeichneten Teilen.
modest Montage-Design-Studio Suhl
... zusammengefasste Bewertung ...
– Über Primär-Sekundär-Montagerelation
und Kostensatz wird Kostenvorschau
möglich.
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
13

... die Explosionsdarstellung ...
modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
... die neue Lösung ...
– Besonderer Wert wurde auf Fügefasen und
-rundungen gelegt.
– Die Bremsgummis können und sollten
vormontiert werden.
– Während der Werksmontage ist kein
Schraubvorgang notwendig.
– Die Bolzen könnten auch automatisch
zugeführt werden (nächste Folie).
– ...
... Automatisierung ermöglichen ...
– Verklemmen durch Zylinderfläche am Kopf
vermeiden ...
modest Montage-Design-Studio Suhl
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
14

Gegenüberstellung
– alte Bremse – neue Lösung
modest Montage-Design-Studio Suhl
modest Montage-Design-Studio Suhl
... das neue Produkt ...
– Die spezielle Bremse für Zeitfahren und Triathlon kann hinter den Gabelkopf gebaut werden und
verschwindet aus dem Wind. Sie ist außerordentlich leicht (P 43 28 758.1-21).
modest Montage-Design-Studio Suhl
... die erweiterte Vision ...
– neue Werkstoffe, neue Fertigungsverfahren, neue Lösungsprinzipe (DE 102 50 509.8)
planen statt ahnen
planen statt ahnen
planen statt ahnen
15

modest Montage-Design-Studio Suhl
... die erweiterte Vision ...
– neue Werkstoffe, neue Fertigungsverfahren, neue Lösungsprinzipe (DE 102 50 509.8)
Einfachheit ist konzentrierte Kraft! Amalie Schoppe, Apolda (um 1870)
Bewegungsverlauf Beispiel:
Kupplung
modest Montage-Design-Studio Suhl
Prof.Dr.-Ing.habil. Wolfgang Holle
nach Siebelist
planen statt ahnen
planen statt ahnen
16