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17.05.1985 - 

Computer Integrated Manufacturing (CIM):

Der dornige Weg führt über CAD

Eine Produktionssteigerung von 300 Prozent meldete ein deutsches Unternehmen der Luftfahrtindustrie nach erfolgreichem Einsatz von computergestützten Entwicklungs- und Fertigungsverfahren. "100 Prozent wären auch genug" meint Arnold Vögele*). Leiter der Abteilung Büroorganisation beim Stuttgarter Fraunhofer-lnstitut IAO. Das erfordere aber, den dornigen Weg des CAD-Auswahlprozesses hinter sich zu bringen und nicht - voll Euphorie - gleich auf die ClM-Schiene einzuschwenken.

In vielen Unternehmen kam es in den letzten Jahren zu einer extremen Verschlechterung der Ergebnisse, da Absatz- und Preissteigerungen die Kostensteigerungen im Material- und Personalbereich nicht mehr auffangen beziehungsweise die Kosten nicht im Einklang mit dem Nachfragerückgang abgebaut werden konnten.

Diese Randbedingungen zwingen zu Maßnahmen der Produktivitätssteigerung. Insbesondere zwingt die Auftragsfertigung bei kleinen Losgrößen zur Steigerung der Flexibilität. Dies macht die verstärkte Nutzung rechnerorientierter Produktionsmittel für den gesamten Bereich des Auftragsdurchlaufes notwendig.

Durch die Anwendung rechnerunterstützter Konstruktions-, Arbeitsplanungs- und Fertigungssteuerungssysteme sowie durch die Nutzung rechnergeführter Fertigungseinrichtungen können Produktivität und Flexibilität gesteigert werden. Diese Steigerung ist notwendig, da nach einer Befragung von 73 Maschinenbauunternehmen im Jahre 1982

- 50 Prozent der Produkte jünger als 5 Jahre,

- 35 Prozent der Produkte jünger als 10 Jahre und nur

- 15 Prozent der Produkte älter als 1 0 Jahre waren.

Vor 10 Jahren war das Bild gerade umgekehrt

- ca. 20 Prozent der Produkte waren jünger als 5 Jahre,

- ca. 50 Prozent der Produkte waren älter als 10 Jahre.

Das Wachstum der Kundenanforderungen hat ebenfalls stark zugenommen und damit auch die zu deren Befriedigung nötige Zahl an Varianten:

- Vor 10 Jahren: Sonderanforderungen an ein Standardprodukt bei etwa 10 Prozent der Anfragen.

- Heute: Bei 90 Prozent der Anfragen sind Sonderanforderungen des Kunden zu berücksichtigen.

Beispielsweise deckte vor sieben Jahren eine Baureihe von 500 Varianten das gleiche Marktsegment ab, indem heute über 4000 Varianten erforderlich sind!

Diese Beispiele mögen genügen um aufzuzeigen, daß Produktivität und insbesondere Flexibilität eines Unternehmens entscheidenden Einfluß auf seine Zukunftssicherheit haben.

Die Entwicklung und der Einsatz moderner Produktionsmittel und -methoden für die industrielle Fertigung sind gekennzeichnet durch die Bemühungen, den Arbeitsprozeß, die Fertigungsplanung, die Fertigungssteuerung und andere Aufgaben der indirekten technischen Bereiche weiter zu automatisieren. So lassen sich die Vorteile der im Fertigungsprozeß eingesetzten flexiblen Fertigungsmethoden und leistungsfähige Arbeits- und Betriebsmittel nur dann vollständig nutzen, wenn auch in den vorgelagerten Funktionsbereichen elektronische Datenverarbeitung zum Einsatz kommt.

Kennzeichnend für die Fabrik der Zukunft ist der durchgängige Informationsfluß (CIM), bei dem Rechner alle mit der Produktion zusammenhängenden Betriebsbereiche verbinden, und zwar vom Entwurf eines Produktes über seine Herstellung bis zu übergreifenden Informationssystemen .

Die hier angesprochene Rechnerorientierung umfaßt also die folgenden Betriebsbereiche: Angebotserstellung, Auftragsverwaltung, Konstruktion, Arbeitsplanung, Materialwirtschaft, Fertigungssteuerung, Fertigung einschließlich Handhabung sowie das betriebliche Rechnungswesen. Jeder dieser Bereiche benötigt eine bestimmte Menge an Informationen, deren zeitliche und örtliche Bereitstellung gewährleistet sein muß.

Durch die genannten Entwicklungen im technischen EDV-Bereich entstanden eine Reihe neuer Begriffe und Schlagworte (Bild 1)

- CAD (Computer Aided Design) hat sich im englischen und deutschen Sprachraum für die rechnerunterstützte Bearbeitung in der Konstruktion durchgesetzt.

- CAP (Computer Aides Planning) ein Begriff, der die rechnerunterstützte Bearbeitung von Aufgaben im Bereich der Fertigungsplanung definiert.

- CAM (Computer Aided Manufacturing) beinhaltet die Automatisierung durch den Einsatz von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen sowie die Organisation von Fertigungsprozessen mit elektronischen Datenverarbeitungsanlagen, also die unmittelbar auf die Fertigungsstruktur bezogenen Aufgaben.

- CAE (Computer Aided Engineering) bezeichnet die gesamte rechnerunterstützte Ingenieurarbeit.

Wer vom Computer Integrated Manufacturing (CIM) redet, kann fast nichts falsch machen. Im Zweifelsfall gehört dazu alles, von der Zeichnungserstellung, dem flexiblen Fertigungssystem bis hin zum Hochregallager.

Im folgenden soll zunächst schwerpunktmäßig auf den CAD-Einsatz als Voraussetzung für CIM eingegangen werden. In einem zweiten Hauptabschnitt werden dann die Aspekte bei der betrieblichen EDV-Integration beschrieben.

Für viele Betriebe auf dem Weg zu CIM steht heute noch die Einführung eines CAD-Systems aus.

Bezüglich CAD besteht offensichtlich ein umgekehrtes Verhältnis zwischen der Anzahl Veröffentlichungen und dem praktischen Einsetzen im Betrieb. Immerhin: Weltweit sind bereits ca. 8500 CAD-Systeme verkauft; davon in Europa ca. 1300, in der Bundesrepublik über 500 CAD-Systeme.

Kaum Fachkräfte

Bislang bedienen sich in Deutschland allerdings noch relativ wenig Unternehmen der CAD-Methode (Bild 2). Als Gründe hierfür sind hervorzuheben:

- Für die Einführung von CAD gibt es kaum Fachkräfte, es können nur Erfahrungen über Vorgehensweisen und Lösungen vermittelt werden.

- EDV-Fachleute sind nicht ausreichend über das Konstruktionsschema informiert, Konstrukteure verfügen hingegen nicht über genügend EDV-Kenntnisse.

- Der hohe Investitionsbedarf für Mard- und Software übersteigt vor allem die Möglichkeiten von kleineren Firmen, die Entwicklung des Marktes verläuft jedoch günstig.

- Organisatorische Probleme, zum Beispiel durch das Eindringen von CAD-Gruppen in den Kompetenzbereich der Konstruktion beziehungsweise Koordinierungsbestrebungen bei unterschiedlichen Unternehmensbereichen.

- Psychologische Probleme bei der Umstellung von Konstruktionstätigkeiten auf den Rechner - so vor allem das partielle Ersetzen von Konstrukteuren oder Technischen Zeichnern durch Maschinen - gewinnen vor allem bei einer gespannten Situation des Arbeitsmarktes zunehmend an Bedeutung.

- Fehlende oder ungenügende Vorbereitung des CAD-Einsatzes, das heißt, mangelhafte Standardisierung und Schematisierung der Produkte vor dem Einsatz von Rechnern.

- Die Marketing-Methoden der CAD-Hersteller sind teilweise nicht vertrauensbildend.

Es scheint deshalb immer wieder geboten, eindringlich darauf hinzuweisen, den CAD-Auswahl- und Einführungsprozeß gründlich zu planen. Bei dem dornigen Weg des CAD-Auswahlprozesses sollte jedem der Gedanke an den erheblichen finanziellen Verlust für ein Unternehmen, der aus einem eventuellen späteren CAD-Systemwechsel resultiert, genügend Ansporn sein. Dabei ist zu bedenken, daß der "Wert" eines CAD-Systems nicht nur im Kaufpreis begründet liegt, sondern auch in den angefertigten Zeichnungen und den Eigenleistungen. Der Zeichnungsbestand kann bei einem Systemwechsel bisher mangels geeigneter Schnittstellen nur sehr unvollkommen übertragen werden.

Gefahr der Sackgasse

Die Einführung eines CAD-Systems ohne Berücksichtigung des CIM-Gedankens könnte vor allem ein mittelständisches Unternehmen in eine EDV-Sackgasse manövrieren. Viele CAD-Systeme, die derzeit auf dem Markt angeboten werden und auch schon verkauft wurden, lassen eine Integration in Richtung CIM nicht oder nur sehr schwer zu. Der CAD-Auswahlprozeß muß deshalb auch die Anforderungen an das CAD-System berücksichtigen, die aus dem CIM-Gedanken resultieren. Dabei sollten vor allem folgende Punkte Beachtung finden, die für eine Integration notwendig sind:

- funktionierende NC-Schnittstelle,

- klar definierte Datenstruktur,

- einfach zu handhabende Datenschnittstelle.

- einfache Eigenprogrammiermöglichkeit für firmenspezifische CAD-Erweiterungen,

- unkomplizierte Bedienung und leicht verständliche Bedienungsanleitungen

und nicht zu unterschätzen

- einen leistungsfähigen und -willigen Soft- und Hardwareservice.

Der Markt für CAD-Systeme unterscheidet grundsätzlich zwischen:

- leistungsfähigen 2D/3D-Systemen,

-"Low-cost" -Systemen (Bild 3).

Die leistungsfähigen Systeme unterscheiden sich von den "Low-cost" -Systemen durch ihre Komfortabilität bezüglich der geometrischen Datenverarbeitung und bezüglich der Konstruktionstechniken. Während die Kleinsysteme nur einen begrenzten Befehlsumfang haben und generell nur die zweidimensionale Geometrieverarbeitung zulassen, eignen sich die leistungsfähigen Systeme häufig zur dreidimensionalen Geometrieverarbeitung. Die Vorteile der letztgenannten Systeme liegen weiterhin in den angebotenen Schnittstellen, beispielsweise zu Datenbanksystemen, zur Finiten-Elementberechnung, zur Stücklistenerstellung und zur NC-Programmierung.

Die Kleinsysteme zeichnen sich insbesondere durch geringe Kosten (unter 200 TDM) aus. Diese Systeme werden zumeist als Stand-alone-Systeme angeboten. Dadurch sind sie auf einen begrenzten Anwendungsbereich beschränkt. Die betriebliche Integration von CAD/CAM-Anwendungen wird im allgemeinen nicht unterstützt.

Systeme auf Minicomputern (zum Beispiel DEC-VAX, Prime) bieten für mittelständische Unternehmen im allgemeinen die ideale Systemkonfiguration. Je nach System sind alle grafischen Möglichkeiten (2D/3D) vorhanden und die Systeme sind erweiterbar zum einen bezüglich der anschließbaren Arbeitsstationen und zum anderen bezüglich der betrieblichen Integration. Die Kosten beim CAD-Einstieg liegen allerdings oberhalb 500 TDM. Der Aufbau von Rechnernetzen bietet sich im allgemeinen nur für größere Unternehmen an. Die Vorteile bezüglich der CAD-Anwendungen sind die gleichen wie bei den Systemen auf Minicomputern, die Kosten jedoch wesentlich höher, bedingt durch die erheblichen Rechnerkosten.

Die rechnerunterstützte Konstruktion (CAD) steht derzeit stark im Vordergrund. Entscheidend ist jedoch nicht allein, eine Insellösung für die Zeichnungserstellung zu schaffen sondern die Integration der Datenflüsse und Verfahren wie CAD und CAP im Unternehmen zu erreichen.

Das Ziel liegt darin, zunächst die Aufgaben in Konstruktion und Fertigungsplanung miteinander zu verknüpfen. Derartige integrierte Systeme sind modulartig aufgebaut und über eine gemeinsame Datennutzung mit einer zentralen Datenbank verbunden. Dabei können die Anwendungen je nach Umfang auf mehreren oder aber auch nur auf einem

Rechner laufen. Der zukünftige Aufbau von einem integrierten System muß bereits bei der Planung für das CAD-System beachtet werden.

Das Konzept für ein integriertes System in Konstruktion und Planung ist in Bild 5 dargestellt. Während in der Konstruktion Aufgaben wie Simulation, Rechnungen und Zeichnungserstellung bearbeitet werden, liegen die Ziele des CAD/CAM-Einsatzes in der Fertigungsplanung in der Bearbeitung von Aufgaben wie NC-Programmierung, rechnerunterstützte Arbeitsplanerstellung und andere. Die Programme zur Abarbeitung der einzelnen Aufgaben sind auf Methodenbanken bereichsspezifisch abgespeichert. Die Konstruktions- und Planungsergebnisse werden auf einer Datenbank ebenfalls bereichsspezifisch abgespeichert. Dabei verbleibt die Datenverantwortung in den einzelnen Abteilungen. Der Zugriff auf die Daten ist hingegen für jeden Anwender gewährleistet. Dies wird erreicht durch eine eindeutige bereichsübergreifende Strukturierung der Daten. Der größte Rationalisierungseffekt wird dabei durch eine teilefamilienorientierte Organisation gewährleistet. Dieser Aspekt sollte beim Aufbau integrierter Lösungen im Mittelpunkt stehen, da hiermit die Bildung von Variantenprogrammen zur Zeichnungserstellung, Arbeitsplanerstellung und NC-Programmierung möglich wird.

Veränderungen bedenken

Der Aufbau eines CIM-Systems in der Produktion stellt nicht nur Anforderungen an CAD/CAM-Systeme. Darüber hinaus müssen auch organisatorische, informelle und personelle Strukturveränderungen bedacht werden. Ziel der Anstrengungen in Entwicklung und Fertigung muß es daher sein, alle wirtschaftlich durch den Rechner automatisierbaren betrieblichen Funktionen in einem einzigen Konzept zu vereinigen. Hierbei ist es sinnvoll, das Gesamtsystem CIM schrittweise in Teilsystemen zu realisieren. Der zukünftige Aufbau eines integrierten Systems muß bereits bei der Planung für ein CAD-System betrachtet werden. Durch den Aufbau von Teilsystemen wird ein schrittweiser und angepaßter Systemausbau möglich, dabei lassen sich Systemausbau und Hardwareausbau aufeinander abstimmen.

Konzept für ein CIM-System mit den Bausteinen für Entwicklung/ Konstruktion, Fertigungsplanung und Fertigung muß die informelle Schnittstelle zwischen den betrieblichen Bereichen berücksichtigen. Es wird häufig so sein, daß unterschiedliche Aufgaben auf verschiedenen Rechnern abgewickelt werden. Die Vielzahl der anfallenden Daten macht aber einen Rechnerverbund erforderlich. Dies allein deshalb, weil die Datenkonsistenz über alle betrieblichen Aufgaben hinweg gewährleistet sein muß. Daraus leitet sich die Forderung nach einer bereichsübergreifenden, einheitlichen Datenstrukturierung ab. Datenbestände, die in mehreren Abteilungen benötigt werden, sollen nur einmal abgespeichert werden. Dadurch werden Mehrfachspeicherungen und Aktualisierungsprobleme vermieden.

Zur Realisierung des CIM bedarf es über auch der technischen Seite einiger

Voraussetzungen. Grundsätzlich ist für die einzelnen Rechner eine Hardwarekopplung notwendig. Außerdem müssen alle zur Integration anstehenden Softwarepakete Datenschnittstellen aufweisen, mit denen es gelingt, auf die Daten der anderen Pakete zuzugreifen, Erschwert wird dies noch, wenn der Weg der Daten durch eine Hardwarekopplung führt, die zwei Rechner unterschiedlichen Fabrikats miteinander verbindet. Durch eine Einschränkung der Rechnermarken kann das Problem gelindert werden. Vor allem die mittelständische Industrie sollte nicht für jede neue EDV-Anwendung einen neuen Rechner anschaffen. Es ist vor allem für kleinere Unternehmen eine auch finanziell interessante Alternative, alle Anwendungen auf einem Rechner zu installieren. Unterstützt wird dieses Bestreben durch die derzeitige Entwicklung der CAD-Arbeitsplätze zu immer mehr Rechnerleistung vor Ort, wodurch die Belastung des Hauptrechners immer geringer wird.

Höhere Qualifikation

Durch die Einführung von CAD/ CAM und CIM vollzieht sich auch ein Strukturwandel bei den eingesetzten Mitarbeitern. Tätigkeiten mit niedriger Qualifikation werden abgebaut. Die Mitarbeiter müssen, bedingt durch die Veränderung des Anforderungsprofils höherqualifiziert werden. Weiterhin entstehen zusätzliche Arbeitsplätze. Dies können zum Beispiel beim CAD-Betrieb sein: CAD/CAM-Ausbilder, User-Betreuer, Systembetreue, Anwendungs- und System-Programmierer, CAD/ CAM Koordinator. Durch die Einführung von CIM verändert sich die Personalstruktur also zu höherqualifizierten Mitarbeitern hin. Der zusätzliche Bedarf an höherqualifizierten Mitarbeitern kann aber durch die Integration in Grenzen gehalten werden.

Bis heute wird die EDV als Dienstleistungseinrichtung in den Unternehmen gesehen, das mit der Durchführung von Aufgaben beauftragt wird. Die aufgezeigte Informationsstrategie, die Informationsverarbeitung durch Prozeßregelungsmechanismen eng mit der Produktion zu verknüpfen, erfordert aber, die EDV künftig als Produktionsmittel im Sinne eines Betriebsmittels zu betrachten.

Dies wirft natürlich die Frage nach den Verantwortlichkeiten und Zuständigkeiten auf. Wesentliche Veränderungen finden sinnvollerweise in Abstimmung zwischen zentralen (EDV-Abteilung) und dezentralen (Fachbereich) Organisationseinheiten statt. Die Verantwortlichkeit für so komplexe Systeme wie CAD, CAP und CAM wird sinnvollerweise immer dorthin zu verlegen sein, wo auch die entsprechende Sachkompetenz vorhanden ist. Wie die Praxis zeigt, verläuft der Aufbau und Betrieb solcher computerunterstützter Systeme dort reibungslos beziehungsweise mit vermindertem Risiko, wo Verantwortung und Zuständigkeit auch von den entsprechenden Fachbereichen wahrgenommen wird - selbstverständlich mit Unterstützung durch die EDV-Abteilung.

Zuständigkeit von Fachbereichen

Ob eine eigenständige Stelle, beispielsweise technische Datenverarbeitung oder CAD/CAM-Manager diese Aufgabe wahrnimmt, hängt von der jeweiligen Unternehmenssituation ab. Sicher ist aber, daß die Verantwortlichen über entsprechende Problemkenntnisse verfügen sollten und sich als kompetentes Bindeglied zwischen Fachbereich und EDV-Abteilung verstehen. Eine solche Verteilung der Zuständigkeiten zwischen Fachbereich und zentraler EDV wird den heute vielerorts vorhandenen Hemmschuh beseitigen, der einem sinnvoll abgestimmten und allseits akzeptierten EDV-Einsatz entgegensteht.

Der derzeit noch bescheidene Computereinsatz in technischen Unternehmensbereichen erfordert sicherlich recht umfangreiche Anstrengungen (nicht nur finanziell!) um auch nur teilintegrierte Systeme aufzubauen.

Dennoch ist die Mehrzahl der Fertigungsbetriebe aber entschlossen, den Computer-Einsatz im technischen Büro und in der Fertigung wesentlich auszubauen.

Untersuchungen zeigen, daß zum Beispiel 65 % aller Unternehmen (81 Prozent der Großbetriebe) in der Kunststoff- und Fertigungsindustrie bis 1990 Fertigungssysteme realisieren wollen, die alle wesentlichen Anwendungen in der Fertigungsplanung und -kontrolle, wesentliche Teile der Konstruktion und Entwicklung sowie den Betriebsdatenfluß einschließen.

Die Einführung von CAD/CAM im Rahmen der Unternehmensstrategie wird vor allem bestimmt durch:

- das derzeitige Leistungsprofil des Unternehmens und seiner Produktbereiche,

- die angestrebten Verbesserungen dieses Leistungsprofils aufgrund der Geschäftsstrategie,

- die einsatzfähigen Komponenten moderner Technologie und deren mögliche Beiträge zu den einzelnen Leistungskriterien,

- die für die Realisierung erforderlichen Ressourcen an Personal und Finanzen sowie

- die internen organisatorischen Voraussetzungen .

Die Zeit ist reif - die CA-Techniken lassen sich heute nicht mehr übergehen, denn

- für den sinnvollen Einsatz von CAD/CAM gibt es keine Beschränkung aus der Betriebsgröße. Es ist also keine "Mindestgröße" erforderlich.

- Maßgeblich für den sinnvollen Ansatz ist die Zahl der einem CAD/ CAM-System übertragbaren Vorgänge. Sie kann bei einem 5-Mann-Betrieb eines Ingenieurbüros ausreichen und bei einem 500-Mann-Betrieb eines spezialisierten Zulieferbetriebes zu gering sein.

- Das "richtige" CAD/CAM-System gibt es nicht. Jeder Betrieb muß sich das für ihn optimale System auswählen. Es ist ein Irrtum anzunehmen, ein Standard-CAD/CAM-System bietet bereits die höchstmögliche Effektivität. Im Gegenteil: Nur durch den Zuwachs an eigenentwikkelten Methoden kann der maximale Anwendernutzen erreicht werden. Das wesentliche Kriterium bei der Systemauswahl sollte daher sein: Mit welchem Aufwand kann das betriebliche Know-how in das CAD/CAM-System integriert werden?

Flexibilität unbestritten

Es ist unbestritten, daß die neuen CA-Techniken ganz entscheidend die Produktivität und Flexibilität und damit die Wettbewerbsfähigkeit unserer Unternehmen bestimmen werden. Ein deutsches Unternehmen der Luftfahrtindustrie bezifferte vor kurzem die Produktivitätssteigerung nach Einführung von computergestützten Entwicklungs- und Fertigungsverfahren mit "mehr als 300 Prozent".

Das klingt beinahe utopisch - mit 100 Prozent würden sich sicherlich viele Unternehmen auch zufriedengeben.