Wandlungsfähige Produktionskonzepte

Wandlungsfähige Produktionskonzepte in der Prozessindustrie: Ein Evaluierungsframework zur Investitionsentscheidungsunterstützung

Die Märkte der Prozessindustrie unterliegen, insbesondere im Bereich der Fein- und Spezialchemikalien, einer Änderung hin zu steigenden Produktdifferenzierungen, verkürzten Produktlebenszyklen und zunehmenden Nachfrageunsicherheiten. Um sich diesen Anforderungen zu stellen, werden neue Produktionskonzepte entwickelt, die den Eigenschaften Wandlungsfähigkeit, kurze Time-to-Market sowie Produktionseffizienz entsprechen.

Diese aufkommenden Produktionskonzepte weisen grundlegend veränderte Rahmenbedingungen bezüglich des Investitionsentscheidungsprozesses im Vergleich zu konventionellen Produktionsprozessen auf. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines Evaluierungsframeworks, welches die Möglichkeit bietet, verschiedene Produktionskonzeptalternativen zu vergleichen und auf dieser Basis eine ganzheitliche Entscheidungspräferenz aufzuzeigen.

Modulare Fabrikkonzepte halten seit zwei Dekaden Einzug in die Maschinenbau- und Automobilindustrie zusammen mit Konzepten zu schlanken und flexiblen Produktionssystemen. In der Chemie-, Verfahrens- und Pharmaindustrie, die sich den gleichen Herausforderungen des gestiegenen globalen Wettbewerbs und der Unsicherheit der Marktverläufe sowie der zunehmenden Produktdifferenzierung und kürzeren Produktlebenszyklen stellen, bilden diese Konzepte jedoch weitgehend Neuland.

Forschungsschwerpunkt stellt daher die Übertragung von Lean-Prinzipien und im Speziellen von modularen Produktionskonzepten auf die Prozessindustrie dar. Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen, das Verhalten modularer Anlagen im Produktionsverbund und innerhalb der Supply Chain sowie die Produktionsplanung und –steuerung solcher Anlagen stellen Inhalte auf diesen neuen Forschungsgebiet dar. Aus einer ganzheitlichen Betrachtung heraus werden Rückschlüsse auf optimale Entwicklungsprinzipien und Eigenschaften von modularen Chemieanlagen gezogen.

Ziel ist es, flexibler auf Marktveränderungen reagieren zu können und im gewünschten Produktmix kontinuierlich, bestandsminimal und bedarfsgetreu zu produzieren.


Projekt: LEGOLAS: Planungsassistenzsystem für modulare Industrie 4.0 Anlagen in der Prozessindustrie (Projektmitarbeit)

Viele Zweige der Prozessindustrie wie die Feinchemie- und Pharmaindustrie sehen sich derzeit einer wachsenden Unsicherheit und Dynamik von Marktverläufen, zunehmenden Anforderungen zur Produktdifferenzierung und kürzeren Produktlebenszyklen ausgesetzt. Die Einführung wandlungsfähiger Produktionskonzepte stellt für die Prozessindustrie eine Innovation und eine radikale Abkehr von den bisherigen Gestaltungsprinzipien dar. Dabei ermöglichen diese durch ihren modularen Aufbau eine verbesserte Anpassung an diese dynamischen Randbedingungen in den Dimensionen Mengenausbringung, Produktvielfalt und Herstellungsort. Zudem befähigen diese Konzepte zu einer Verkürzung der Planungs- und Entwicklungszeiten.

Um diese Systeme in eine funktionsfähige Betriebsumgebung zu integrieren und schnell (re)konfigurieren zu können, müssen sie adäquat logistisch ver- und entsorgt werden und im Sinne von Industrie 4.0 als cyper-physische Systeme „Plug & Produce“ funktionieren. Das Ziel des vom Land Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von Mitteln aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 „Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ geförderten Verbundvorhabens „Planungsassistenzsystem für modulare Industrie 4.0 Anlagen in der Prozessindustrie – LEGOLAS“ besteht daher in der Entwicklung eines simulationsbasierten Planungsassistenzsystems zur Planung und Bewertung dieser Systeme. Das Planungsassistenzsystem ermöglicht die schnelle und frequente (Re)konfiguration modularer Produktionssysteme, um kurzfristig auf veränderte Bedarfssituationen reagieren zu können. Die Bewertungsfunktion ermöglicht zusätzlich die Gegenüberstellung derart aufgebauter Systeme, um die betrachteten Fallbeispiele und Demonstrationsszenarien zu vergleichen.

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Wandlungsfähige dezentrale Produktion für lokale Wirtschaftskreisläufe mit minimiertem CO2-Fußabdruck (TransProMinC)

Die Minimierung von Treibhausgasen durch erneuerbare Ressourcen führt zu Herausforderungen in Variabilität der Art, Menge und Ortsverfügbarkeit dieser. Zeitgleich stehen wandlungsfähige, modulare Produktionskonzepte der Prozessindustrie im Forschungsfokus, welche eine verbesserte Anpassbarkeit versprechen. Deshalb verbindet dieses Vorhaben diese Konzepte mit einem Systemansatz zu lokalen Wirtschaftskreisläufen aus fünf Elementen, welche Treibhausgase minimieren: die wandlungsfähigen Produktionssysteme selbst (1), lokale biobasierte Rohstoffe (2), CO₂ als Rohstoff (3), Energiebereitstellung aus erneuerbaren Ressourcen (4) und dezentralisierte Netzwerke (5).

Struktur

Das Projekt TransProMinC ist ein Verbundprojekt zwischen dem Verbundkoordinator Fachhochschule Südwestfalen und dem Verbundpartner Ruhr-Universität Bochum, welches durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird.

Zielsetzung

Die übergeordnete Zielsetzung dieses Vorhabens ist die Machbarkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Idee zu zeigen und technologische, konzeptionelle und methodische Lücken zu schließen.

Aufgabenstellung und erwartete Ergebnisse:

Zur Erreichung der übergeordneten Zielstellung werden vier Teilziele mit entsprechenden Arbeitspaketen angestrebt:

  • Erstens werden das Potential und die Anwendungen analysiert mit Literaturüberblicken, Experteninterviews und multikriteriellen Analysen.
  • Zweitens werden wandlungsfähige Anlagen für die aus dem ersten Teilziel heraus ausgewählten Fallbeispiele geplant. Weil wandlungsfähige Trennoperationen die größte Herausforderung darstellen, wird ein modulares Absorptions- und Destillationssystem entwickelt und experimentell analysiert.
  • Drittens werden wandlungsfähige Logistiksysteme zur Ver- und Entsorgung dieser Apparate und Anlagen geplant. Die Logistikmodule werden in einem Katalog zusammen mit den Produktionsmodulen beschrieben. Aufbauend darauf werden Planungsmethoden zur (Re-)Konfiguration dieser Systeme mit Simulationsmethoden am Standort und mathematischer Optimierung im Netzwerk entwickelt.
  • Viertens werden diese Entwicklungen im Kontext des Systemansatzes bewertet. Die Wirtschaftlichkeit wird mit Total Cost of Ownership und Kapitalwertanalysen, die Flexibilität mit Realoptionsanalysen und die Nachhaltigkeit mit Fokus auf den CO2 Fußabdruck bewertet.

Laufzeit

01.10.2017 - 31.09.2021

Ansprechpartner

Projektkoordinator & Logistiksysteme:
FH Südwestfalen, Prof. Dr.-Ing. Stefan Lier

Projektpartner & Apparatesysteme:
Ruhr-Universität Bochum, Dr.-Ing. Julia Riese

Weitere Projektmitarbeiter
Logistiksysteme: Fachhochschule Südwestfalen: Marco Finkbeiner, M.Sc., Daniel Luckey, B.A., Maik Pannok, M.Sc.
Apparatesysteme: Ruhr-Universität Bochum: Henrik Fasel, M.Sc.