Funktionsorientierte Qualitätsregelung in Produktionsnetzwerken - Qualitätsmanagement in der Produktion hochpräziser Produkte durch netzwerkweite Datenintegration

Die Produktion hochpräziser Produkte findet an der Grenze des technisch Machbaren statt. Dennoch kann es durch ungünstige Kombinationen einzelner Komponenten zu einer Nichterfüllung der Funktion des Endproduktes kommen, obwohl sich die Komponenten innerhalb der geforderten Toleranzen befinden. Durch die Anwendung funktionsorientierter Qualitätsregelstrategien, wie bspw. der selektiven Montage, innerhalb der eigenen Werksgrenzen, kann die technologische Komplexität reduziert werden. Dies ermöglicht die wirtschaftliche Produktion hochpräziser Produkte. Standort- und unternehmensübergreifend finden derartige Qualitätsregelstrategien jedoch bisher keine Anwendung, da u.a. ... mehrkein ausreichender Informationsaustausch stattfindet. In der Unternehmenspraxis werden daher oft sehr enge Toleranzen für die zugelieferten Hochpräzisionskomponenten gesetzt, um die Qualität der Endprodukte sicherzustellen. Dies kann einen hohen Ausschuss auf Seiten des Lieferanten zur Folge haben. Langfristig sorgt diese Ineffizienz im Produktionsnetzwerk für Wettbewerbsnachteile aller beteiligten Partner. Eine weitere, besondere Herausforderung bei der verteilten Produktion in Produktionsnetzwerken besteht darin, dass Komponenten nicht als Einzelteile weitergereicht, sondern in Losen produziert und zu Transporteinheiten gebündelt auf Ladungsträgern zwischengelagert werden. Diese Lose sind individuellen Einflüssen ausgesetzt. Somit ergeben sich losspezifische Verteilungen der funktionskritischen Merkmalsausprägungen der Komponenten. Dies erhöht die Komplexität in der Produktion und wird in Qualitätsregelstrategien bisher nicht berücksichtigt.
Um diesen Defiziten zu begegnen, wird in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz zur funktionsorientierten Qualitätsregelung in Produktionsnetzwerken entwickelt. Dieser ermöglicht die unternehmensübergreifende Anwendung bestehender und neuer Qualitätsregelstrategien, welche die Logistik einbeziehen und die Autonomie externer Partner berücksichtigen. Das entwickelte Qualitätsregelungssystem ist in der Lage, auf die losspezifischen Eigenschaften der verschiedenen Komponenten durch Anpassung der Prozessparameter korrespondierender Komponenten zu reagieren, die Lose gezielt zusammenzubringen und sogar Toleranzen individuell anzupassen. Durch die Entwicklung echtzeitfähiger, interoperabler Funktionsmodelle zur Prognose der Produktfunktion, kann die Funktionsorientierung in allen Phasen des Produktentstehungsprozesses erzielt werden. Mithilfe eines simulativen Entscheidungsunterstützungssystems gelingt es, die unternehmensübergreifenden, funktionsorientierten Qualitätsregelstrategien hinsichtlich der resultierenden Qualitätsverbesserung und ihrer netzwerkweiten Wirtschaftlichkeit zu bewerten. Somit lässt sich der Mehrwert einer netzwerkweiten Datenintegration quantifizieren. Der Ansatz kann sowohl in bestehenden, als auch bei der Planung neuer Produktionsnetzwerke verwendet werden.
Der Ansatz wurde in einem Produktionsnetzwerk zur Herstellung hochpräziser Dieselinjektoren validiert. In Simulationsstudien konnte dabei, selbst unter Aufweitung sämtlicher Toleranzen, die Qualität verbessert (in Form des netzwerkweiten First Pass Yield und der Verteilungen in den End-of-Line-Funktionsprüfpunkten) sowie der Gesamtgewinn des Produktionsnetzwerkes signifikant erhöht werden. Dadurch können Ineffizien-zen im Produktionsnetzwerk abgebaut werden. Eine Erprobung in realer Produktionsumgebung konnte die Ergebnisse bestätigen. Es kann somit gezeigt werden, dass eine toleranzfreie Serienproduktion möglich ist.

Manufacturing processes within the high-tech production are reaching the limits of what is technically possible, having to fulfil tolerances of only a few μm. Even if the individual components are within specification, non-conforming finished products can result due to an unfavourable combination of its components Nonetheless, it is possible to reduce scrap and the technological complexity, by applying function-oriented quality control strategies, such as selective assembly, within the same production site. Consequently, such an approach can enable a more profitable production of high-precision products. ... mehrHowever, such quality control strategies have not yet been applied across company borders because. Among other reasons, a main hindrance such an approach faces is the insufficient cross-company exchange of data and information. As a result, it is common practice to set very narrow tolerances for externally sourced components in order to achieve a high quality of the finished product, thus resulting in high scrap rates on the supplier’s side. In the long term, this inefficiency in the production network puts all partners at a competitive disadvantage. Another particular challenge in production networks is that components are not passed on separately, but are produced in batches and are bundled into transport units to be temporarily stored on load carriers. Each of these batches is inevitably subject to individual external influences, resulting in batch-specific statistical distributions of the function-critical features of the components. This further increases the complexity within production networks and has not yet been addressed by state-of-the-art quality control strategies.
In order to resolve these challenges, the present study develops an approach for function-oriented quality control in production networks. This approach enables the cross-company application of existing and new quality control strategies, while also considering logistics and the autonomy of external partners. The developed quality control system is capable of reacting to the batch-specific features of components by adapting the process parameters of the respective counterparts, sequencing batches based and even adjusting tolerances dynamically. In order to do so, functional models for predicting the product function in real-time are developed. Thereby, function orientation can be achieved in all phases of the product development process. Using a simulative decision support system, it is possible to evaluate the cross-company, function-oriented quality control strategies with regards to the resulting quality improvement and their network-wide economic efficiency. As a result, the added value of a network-wide data integration can be quantified. The developed approach can be used in already existing production networks as well as in the planning of new ones.
The approach is validated in a production network for the manufacturing of high-precision diesel injectors. In simulation studies, the quality of the finished products as well as the total profit of the production network can be significantly increased, even with the elimination of all tolerances. Therefore, the aforementioned inefficiencies in production networks can be resolved. Field trials in the real production environment confirmed the results. It can thus be shown that tolerance-free series production is possible by applying functional quality control strategies in production networks.