2 - Theses

Ausgangssituation: Der zunehmende Fachkräftemangel, dessen Intensität durch den demografischen Wandel noch verstärkt wird, übt bereits jetzt einen maßgeblichen Einfluss auf die Produktions- und Fertigungslandschaft in Deutschland aus. Der Mangel an Fachkräften mit entsprechender Ausbildung, die zur Bedienung von Werkzeugmaschinen in der Lage sind, wird immer größer. Als Konsequenz wird vermehrt auf ungelerntes Personal zurückgegriffen. Dies führt zu einer erhöhten Nachfrage nach Maschinen, welche eine einfache und intuitive Bedienbarkeit aufweisen und somit auch durch ungelerntes Personal gehandhabt werden können. Gleichzeitig ist eine fortlaufende Intensivierung von Automatisierung und Digitalisierung auch im Bereich der Werkzeugmaschinen zu beobachten. Der Anteil integrierter Sensorik und Aktorik in Maschinen nimmt zu, sei es zur Überwachung, Steuerung oder Optimierung von Prozessen. Dadurch werden die Maschinen immer komplexer, was sich wiederum auf die Bedienbarkeit auswirkt, die ebenfalls immer anspruchsvoller wird. Einerseits wird also nach einfach bedienbaren Maschinen verlangt, andererseits stellt die Bedienung der immer komplexeren Maschinen wiederum auch höhere Anforderungen an die Nutzer:innen. Diese Entwicklung führt zu einer Diskrepanz, mit der sowohl Entwickler:innen, Nutzer:innen als auch Ausbilder:innen konfrontiert sind. Forschungsbedarf: Für die Zukunft des Fertigungsstandortes Deutschland ist es essenziell, diese Problematiken anzugehen. Dies erfordert jedoch zunächst ein umfassendes Verständnis der Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen. Trotz aktueller Forschungsarbeiten, die auf die Optimierung von Prozessen und die Steigerung der Effizienz von Werkzeugmaschinen und Produktionsprozessen abzielen, fehlt es häufig an einer ganzheitlichen Betrachtung des Phänomens. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen aus verschiedenen Perspektiven grundlegend zu untersuchen. Dabei werden die Sichtweisen von Nutzer:innen, Entwickler:innen und Ausbilder:innen einbezogen, um die Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen im Hinblick auf Mensch, Maschine und Organisation zu beleuchten. Methodologie: Im Rahmen dieser Studie wurde ein qualitativer, explorativer Forschungsansatz gewählt. Diese Vorgehensweise erweist sich insbesondere dann als zielführend, wenn Forschungsgegenstände, wie im vorliegenden Fall, von Grund auf erschlossen und erfasst werden sollen. Diese Forschungsarbeit wurde unter Anwendung der Grounded Theory Methodologie nach Glaser und Strauss konzipiert und durchgeführt. In diesem Kontext wurden semi-strukturierte Interviews mit Entwickler:innen und Ausbilder:innen von Werkzeugmaschinen sowohl aus der Industrie, als auch dem Open-Source Bereich durchgeführt. Zusätzlich wurden teilnehmende Beobachtungen bei den Anwendern:innen während der Benutzung der Werkzeugmaschinen durchgeführt. Auf diese Weise wurde eine umfangreiche Primärdatenbasis generiert, die anschließend mittels der Grounded Theory Methodologie einer systematischen Analyse unterzogen wurde. Erkenntnisse: Auf Basis dieser Analyse konnten weiterführende, holistische Erkenntnisse hinsichtlich der Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen abgeleitet werden. In einem ersten Schritt wurde das Konstrukt der Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen als mehrdimensionales Phänomen mit einer physischen, einer kognitiven und einer affektiven Dimension erarbeitet. Darauf aufbauend wurde der Regelkreis der Bedienbarkeit erarbeitet sowie ein dynamisches Modell entworfen, das Nutzer:innen in den Fokus der Betrachtung stellt. In der Folge wurden zudem praxisorientierte Handlungsfelder identifiziert und definiert, welche in einer Maßnahmensystematik, die bewusst offen gestaltet wurde, kategorisiert und systematisiert wurden. Eine zentrale Erkenntnis dieser Untersuchung ist, dass die Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen als ein Konstrukt aufgefasst wird, das sich aus verschiedenen Dimensionen zusammensetzt: der affektiven, der kognitiven und der physischen Dimension. Eine weitere grundlegende Erkenntnis ist, dass jegliche Interaktion mit der Maschine stets durch die Nutzer:innen definiert wird. Die Bedienbarkeit einer Werkzeugmaschine ist daher maßgeblich davon abhängig, ob es gelingt, die Nutzer:innen und deren Bedürfnisse hinreichend zu verstehen und sie zur Handhabung der Maschine zu befähigen. In dieser Arbeit konnte somit die Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen mit Hilfe der entwickelten grundlegenden Modelle eingehend erfasst und dargestellt werden. Ausblick: In der vorliegenden Arbeit wird die Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen grundlegend erforscht und beschrieben und trägt dazu bei, das wenig deterministische Feld der Bedienbarkeit technischer Produktionseinrichtungen greifbar und beherrschbar zu gestalten und entsprechende Modellierungsmethoden und Systematiken vorzustellen. Die präsentierten Ansätze und Modelle haben zum Ziel, das Phänomen der Bedienbarkeit von Werkzeugmaschinen in seiner Ganzheit zu erfassen. Daraus folgend werden praxisorientierte Maßnahmen erörtert, die für Fachkräfte von Nutzen sein können. Diese Arbeit bildet somit eine fundierte Grundlage für die weitere wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Thema. Eine Weiterentwicklung und Vertiefung der hier vorgestellten theoretischen Ansätze ist insbesondere im Rahmen quantitativer Forschungsdesigns zu empfehlen, um die hier vorgestellten qualitativen Ansätze zu verfeinern.

Wertschöpfung in der Industriegesellschaft wurde geprägt durch die Fabrik als Ort einer zentralisierten Produktion. Diese ermöglichte durch eine industrielle Massenfertigung die Bereitstellung einer hohen Anzahl, homogener Güter zu geringen Herstellungskosten für anonyme Märkte. Das Management strebte in dieser Epoche vorrangig die effiziente Kombination der knappen Faktoren Arbeit, Boden und Kapital im Prozess der betrieblichen Leistungserstellung an. In der Wissensgesellschaft bildeten sich neben diesen klassischen Formen der industriellen Wertschöpfung neuartige Wertschöpfungsmuster heraus (z.B. Virtuelle Fabriken, Open Innovation, Crowd Sourcing, Customer Integration, Mass Customization). Die Wertschöpfungssystematiken dieser neuen Muster unterscheiden sich substanziell von einer zentralisierten, industriellen Massenfertigung und stellen vielmehr Formen einer vernetzten Wertschöpfung dar. In der Managementlehre verschiebt sich der Fokus vom rationalen Bewirtschaften der klassischen Faktoren Arbeit, Boden und Kapital zum Management des Wertschöpfungsfaktors Wissen. Diese Forschungsarbeit untersucht die Formen der Wissensarbeit, welche Muster vernetzter Wertschöpfung in der Wissensgesellschaft etablieren, um eine effektive und effiziente Bewirtschaftung des Faktors Wissen zu erreichen. Die Untersuchungen basieren auf einem dreischrittigen Forschungsprozess. Im ersten Schritt erfolgt eine Modellbildung zur Beschreibung der Wirkzusammenhänge zwischen den Strukturen, Potenzialen, der Umsetzung und Grenzen der Wissensarbeit in Systemen vernetzter Wertschöpfung. Im zweiten Schritt werden die tatsächlichen Ausprägungsformen von Mustern vernetzter Wertschöpfung in der Wissensgesellschaft im Rahmen einer Meta-Analyse untersucht. Abschließend werden auf Grundlage des entwickelten Modells zur Wissensarbeit im dritten Schritt des Forschungsprozesses, die Formen der Wissensarbeit analysiert, welche die Grundtypen vernetzter Wertschöpfung ausbilden. Das Ziel ist die Ableitung kontextsensitiver Prinzipien zur Gestaltung der Wissensarbeit in einer vernetzten Wertschöpfung.

Die Globalisierung und die zunehmende informationelle Vernetzung führen zu völlig neuen Mustern der Wertschöpfung, die sich unter dem Begriff „Bottom-up-Ökonomie“ zusammen-fassen lassen. Diese unterscheidet sich in ihrem struktur- und prozessbezogenen Charakter wesentlich von der industriellen Produktion, da sie einer Logik der Offenheit folgt. --- Mit dieser Arbeit wird „Offenheit“ als ein Charakteristikum der Wertschöpfungssystematik untersucht und ein geeignetes Rahmenkonzept entwickelt, das produzierende Unternehmen bei der Wertschöpfungsgestaltung in einer zunehmend dynamischen Umwelt unterstützt. --- Das Forschungsziel dieser Arbeit bestand einerseits in der Entwicklung adäquater Modelle zur Beschreibung und Analyse von Wertschöpfungssystemen und andererseits in der Ableitung geeigneter Maßnahmen, um Wertschöpfungsaktivitäten und -strukturen in einer Bottom-up-Ökonomie erfolgreich gestalten zu können. Dabei sollten sowohl vorhandene eklektische An-sätze berücksichtigt, als auch neu gefundene Muster in ein gemeinsames Rahmenwerk integriert werden. --- Open Production stellt diesbezüglich ein erfolgversprechendes Gestaltungsmodell dar, das auf zwei grundlegenden Annahmen basiert. Zum einen wird davon ausgegangen, dass es sich bei Wertschöpfungssystemen um unternehmensübergeordnete und „lebensfähige“ Systeme handelt, die dementsprechend über vitale Funktionen und Strukturen verfügen, welche es zu unterstützen gilt. Zum anderen erfordert dieses Modell einen evolutionär-kybernetischen Managementansatz, der die besonderen Anforderungen eines lebensfähigen Wertschöpfungssystems berücksichtigt. --- Im Rahmen eines explorativen Forschungsansatzes wurden erste Erkenntnisse über neue Wertschöpfungsmuster gewonnen, mit deren Hilfe die neue Logik der Wertschöpfungssystematik beschreibbar gemacht werden konnte. Ein auf diesen empirischen Erkenntnissen beruhender heuristischer Bezugsrahmen verdichtet die gewonnenen Einflussfaktoren bei der Wertschöpfungsgestaltung zu einem dichotomen Kategoriensystem mit den Bedeutungspolen „Offenheit“ und „Geschlossenheit“. --- Mit der anschließenden Konzeption des Gestaltungsmodells, als eine Synthese aus Theorie und Empirie, erfolgte die Operationalisierung der gewonnenen Erkenntnisse. Dieses Modell beschreibt Wertschöpfungssysteme als Netzwerke mit einer Vielzahl von Akteuren. Jedem wird dabei eine potenziell wertschöpfende Rolle im Netzwerk zugewiesen, die durch mehr oder weniger intensive, interaktive Beziehungen zu anderen Akteuren zur Gesamtwertschöpfung des Systems beiträgt. Daraus konnten Handlungsfelder für das Management von Produktionsunternehmen abgeleitet werden, die, unter besonderer Berücksichtigung der Theorie der Offenheit, eine Vielzahl praxisbezogener Handlungsoptionen für die Gestaltung von Wertschöpfungssystemen umfassen und Orientierungshilfen für die Gestaltung von Unternehmensstrukturen und -prozessen bereitstellen.

Die Entwicklung von Produktionssystemen stellt eine komplexe und mit Unsicherheiten behaftete Aufgabe dar, die durch eine Vielzahl unternehmensinterner und -externer Faktoren beeinflusst wird. Diesen Planungsprozess gilt es, durch adäquate Methoden und Werkzeuge zu unterstützen. Zur Unterstützung von Teilaktivitäten im Bereich der Planung und Beurteilung von Produktionssystemen finden sich im Stand der Technik und Forschung unterschiedliche Ansätze. Schwachstellen dieser Ansätze sind insbesondere die Entwicklung von Montagesystemen nach dem Top-down Ansatz, eine uneinheitliche Planungs- und Beurteilungsgrundlage, eine mangelnde Berücksichtigung stochastischer und dynamischer Aspekte sowie eine geringe Automatisierung routinemäßiger Schritte. Ein wesentliches Charakteristikum dieser Ansätze ist die Betrachtung von Montagesystemen im Rahmen der Grobplanung. Da zu so frühen Entwicklungsphasen oftmals keine fundierten Informationen vorliegen, ist stets eine grobe Bewertung, die in der Regel mit ausgewählten statisch berechneten Kennwerten sowie deterministischen Annahmen durchgeführt wird, möglich. Inhalt der anschließenden Feinplanung ist bei all diesen Ansätzen lediglich noch die Ausarbeitung einer favorisierten Systemlösung. Aufbauend auf dem gegenwärtigen Handlungsbedarf wurde das PEAS-Konzept (Planning and Evaluating Assembly Systems-Konzept) zur vollständigen Planung und multikriteriellen Beurteilung von Montagesystemen entwickelt. Die Nutzung von identifizierten Befähigern erfolgt mit dem Ziel, die Planungszeiten zu verkürzen, die Planungskosten zu verringern sowie die Absicherung zu erhöhen. Das Konzept stellt keine grundlegend neue Methode zur Montagesystemplanung dar, sondern dient vielmehr als ergänzendes Hilfsmittel. Der Ansatz ist durch die Verwendung eines Wissensspeichers als Planungs- und Beurteilungsgrundlage, Erstellung von Varianten für Montagesysteme auf Basis vorentwickelter Module, Betrachtung aller auf Basis des Wissensspeichers möglicher Varianten einschließlich ihrer Beurteilung, Planungsabsicherung mittels eines integrierten stochastischen Simulationsmodells zur Berücksichtigung von Unsicherheiten und anlauf- sowie serienspezifischer Effekte und durch die Automatisierung routinemäßiger Tätigkeiten gekennzeichnet. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte PEAS-Konzept, welches aus den drei Bausteinen Wissensspeicher, Systemverarbeitung und Beurteilung besteht, ist auf luftfahrtspezifische Anforderungen ausgerichtet. Als Planungsgrundlage des neuen Ansatzes dient der Baustein „Wissensspeicher“, der die notwendigen Informationen zu den Montagemodulen, den Montageprozessen sowie zu den Bauteilen enthält. Mit Hilfe der „Systemverarbeitung“ werden für ein vorgegebenes Planungsproblem zum einen unter Anwendung eines kombinatorischen Ansatzes alle auf Basis des Wissensspeichers möglichen Varianten für Montagesysteme berechnet. Zum anderen werden mit einem stochastischen Simulationsmodell technische, ökonomische, soziale und ökologische Kennwerte unter Einbezug dynamischer Größen wie Lerneffekte berechnet. Im Baustein „Beurteilung“ werden die Ergebnisse für den Anwender aufbereitet und in Kennfeldern dargestellt. Diese Vorgehensweise erlaubt im nächsten Schritt eine detaillierte Szenario- und Einflussanalyse. Das PEAS-Konzept ist als modulare Planungsumgebung in MATLAB implementiert. Bedienoberflächen, die sowohl für die Eingabe der Randbedingungen als auch für die Darstellung der Ergebnisse verfügbar sind, stellen die Schnittstelle zum Anwender dar. Die Validierung des entwickelten Konzepts sowie der softwaretechnischen Umsetzung liefert erste Erkenntnisse über das Anwendungsfeld; das Werkzeug lässt sich für erste überschlägige Analysen bis hin zu detaillierten Szenario- und Einflussanalyse einsetzen. Die Leistungsfähigkeit wurde anhand von zwei exemplarischen Montageaufgaben aus dem Bereich der Strukturmontage nachgewiesen. Hierfür wurden die Ergebnisse aus Teilbereichen mit Ergebnissen aus Simulationsstudien, Laborapplikationen und dem konventionellen Planungsvorgehen verglichen.

Deutsch: In der modernen industriellen Fertigung lässt sich trotz hoher Stückzahlen eine zunehmende Individualisierung der Produkte beobachten. Die Digitalisierung, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0 und 5.0, bietet großes Potenzial, diesen Trend zu beschleunigen und Marktbedürfnisse zielgerichteter zu befriedigen. Digital Twins (DTs) spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie Transparenz schaffen und zuvor isolierte Unternehmensbereiche verknüpfen. Trotz intensiver Forschungsbemühungen weisen DT-Projekte in der Industrie im Jahr 2024 noch einen geringen Reifegrad auf. Diese Dissertation untersucht anhand umfangreicher empirischer Studien die Gründe für den niedrigen Reifegrad von DTs in Fertigungsunternehmen und identifiziert dabei technische, organisatorische und methodische Herausforderungen. Der Fokus liegt besonders auf organisatorischen und methodischen Faktoren wie der Kostenbewertung, der Benutzerakzeptanz und der Zielsetzung, die zentrale Hürden darstellen. Zur Bewältigung dieser Handlungsfelder wurde ein neuartiges Framework entwickelt, das die Entwicklung und Implementierung von DTs systematisiert und die Erfolgsaussichten solcher Projekte erhöht. Das Kober Digital Twin Framework (KDTF) umfasst fünf neu entwickelte Modelle: 1. Digital Twin Stakeholder Communication Model (DT-SCM): Ein ganzheitliches Modell, das die Kommunikation zwischen den Stakeholdern durch eindeutig definierte Dimensionen verbessert. 2. Digital Twin Fidelity Requirements Model (DT-FRM): Ein strukturiertes Modell zur präzisen Zielsetzung und Priorisierung von Einflussfaktoren. 3. Digital Twin Benefit Curves (DT-BC): Grafische Darstellungen der Beziehung zwischen DT-Fidelity, Mehrkosten und Einsparpotenzialen. 4. Digital Twin Fidelity Calculation Model (DT-FCM): Ein methodischer Ansatz zur Berechnung der optimalen DT-Fidelity. 5. Digital Twin Cost-Benefit Framework (DT-CBF): Ein systematisches Modell zur Identifizierung und Bewertung der Potenziale und Kosten von DTs. Es wurde mithilfe der Design Science Research (DSR) Methodik entwickelt und validiert, welche eine flexible, iterative Entwicklung und kontinuierliche Verbesserung ermöglichte. Die übergeordnete Validierung des gesamten Frameworks erfolgte anhand eines fortschrittlichen Fallbeispiels aus der industriellen Praxis eines innovativen Sägewerks. Es wurde deutlich, dass das Framework die Entwicklung und Implementierung wirtschaftlich erfolgreicher und technisch komplexer DTs ermöglicht. Fertigungsunternehmen werden dabei unterstützt, ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis bei der Entwicklung und Implementierung von DTs zu realisieren und informierte Entscheidungen der verantwortlichen Stakeholder zu fördern. Abschließend stellt das in dieser Dissertation entwickelte Framework eine wesentliche Innovation dar, die sowohl wissenschaftlich fundiert ist als auch praktische Anwendung findet. Es trägt dazu bei, die Verbreitung von DTs in der Fertigung zu fördern und sichert somit die nachhaltige Relevanz dieses Forschungsfeldes.