Ressourceneffiziente Auslegung von fertigungstechnischen Prozessketten durch Simulation und numerische Optimierung Buchkatalog

Die ressourceneffiziente Auslegung von fertigungstechnischen Prozessketten gewinnt zunehmend an Bedeutung. Neben ökologischen Aspekten wird der sparsame Umgang mit Energie und Rohstoffen in der Fertigung aufgrund steigender Marktpreise zunehmend auch ein Wettbewerbsfaktor für produzierende Unternehmen. Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Arbeit eine neue Methode der Modellbildung und Simulation vor die es ermöglicht, prospektiv den in einer mehrstufigen Fertigungsprozesskette zu erwartenden Ressourcenverbrauch zu bestimmen und automatisch aus einer gegebenen Menge von alternativen Verfahrensfolgen und Prozessparametern diejenige Kombination zu identifizieren, die zum insgesamt geringsten Ressourcenverbrauch führt. Damit ist es möglich, bereits frühzeitig die konstruktive Auslegung von Bauteilen sowie ihre Herstellung nach ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten zu optimieren. Exemplarisch wird die spanende Bauteilfertigung betrachtet, wobei insbesondere die Ressourcen Werkstoff, Kühlschmierstoff und Energie sowie der Werkzeugverschleiß im Mittelpunkt stehen. Im ersten Schritt wurde ein modular-hierarchisches Modellkonzept auf Basis der diskretereignisorientierten Simulation für die Modellierung und zeitdynamische Simulation des Ressourcenverbrauches einzelner Fertigungsschritte entwickelt. Ausgangsbasis dafür war die Analyse und mathematische Beschreibung der Mechanismen und Stellgrößen, die den Verbrauch verschiedener Ressourcenarten beim Außenlängsdrehen charakterisieren. Die daraus abgeleitete Struktur der verfahrensspezifischen Basismodelle wurde anschließend auf die Fertigungsverfahren Außenrundschleifen, Außenrundschleifhärten sowie Vakuumhärten, Induktionshärten und Anlassen angewendet. Um zur Laufzeit der Simulation den spezifischen Ressourcenverbrauch in Abhängigkeit des momentanen Lastzustandes der einzelnen dazu beitragenden Komponenten einer Fertigungseinrichtung bestimmen zu können, wurden verschiedene analytische und empirische Berechnungsansätze untersucht und miteinander verglichen. Schließlich wurden verfahrens- und komponentenspezifische Funktionen zur Berechnung des momentanen Ressourcenverbrauches aufgestellt und in die Basismodelle integriert. Aus allen im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstellten Basismodellen wurde anschließend eine Modellbibliothek aufgebaut. Diese stellt eine wesentliche Grundlage für die automatische Generierung von zusammengesetzten Prozesskettenmodellen dar. Zulässige Kombinationen der einzelnen Fertigungsverfahren und somit der korrespondierenden Basismodelle wurden in einem Metamodell hinterlegt, dessen methodische Grundlage das System Entity Structure-Konzept bildet. Mittels eines Synthesealgorithmus können so automatisch aus den in der Modellbibliothek hinterlegten einzelnen Basismodellen ausführbare Prozesskettenmodelle generiert werden. Ein Konzept zur automatischen Parameter- und Strukturoptimierung von Simulationsmodellen auf Basis der numerischen Optimierung wurde aus der Informatik adaptiert, um für eine gegebene Fertigungsaufgabe die Modellstruktur respektive Prozesskettenvariante und Modellparametrierung zu finden, die gemäß einer vom Benutzer vorgegebenen multikriteriellen Zielfunktion zu einem minimalen Ressourcenverbrauch führt. Schließlich wurden verschiedene Anwendungsbeispiele erstellt und diskutiert. Der entwickelte Ansatz der Modellierung und Simulation schließt eine methodische Lücke bei der Planung und Auslegung von Fertigungsprozessen unter Berücksichtigung des zu erwartenden Ressourcenverbrauches. Das entwickelte Konzept der Basismodelle ist auf verschiedene Fertigungsverfahren und Ressourcenarten übertragbar. Somit kann die Modellbibliothek zukünftig um weitere Fertigungsverfahren und Ressourcenarten erweitert werden.