Ein Instandhalter arbeitet an einer Werkzeugmaschine - Die Instandhaltung von Werkzeugen ist ein wertvoller Beitrag zu Maschinenverfügbarkeit, OEE und Qualität der Produkte

Die Instandhaltung von Werkzeugen ist ein wertvoller Beitrag zu Maschinenverfügbarkeit, OEE und Qualität der Produkte. - Bild: zorandim75 - stock.adobe.com

| von Prof. Dr. W.Boos, C.Kelzenberg, D.Goertz, J.Boshof

Die Werkzeuginstandhaltung kann in Unternehmen aus zwei verschiedenen strategischen Perspektiven betrachtet werden. In der klassischen Denkweise wird die Instandhaltung gemäß der "Cost-Cutting"-Strategie behandelt und hierdurch nicht als langfristiges Investitionsziel der Unternehmensführung betrachtet.

Andererseits kann die Instandhaltung jedoch auch als Wettbewerbsfaktor verstanden werden. Dabei fokussieren Unternehmen langfristige Investitionen in die Instandhaltung. Diese sind ein Garant für die Verfügbarkeit von technischen Systemen wie beispielsweise industrielle Werkzeuge oder Serienproduktionsanlagen und die gleichbleibende Qualität der herzustellenden Produkte

Kostenverursacher vs. Wettbewerbsfaktor - die beiden unterschiedlichen Sichtweise der Instandhaltung von Werkzeugen.
Strategische Betrachtungsperspektiven der Werkzeuginstandhaltung. - Grafik: Werkzeugbau Akademie

Um die richtige strategische Betrachtungsperspektive für ein Unternehmen auszuwählen, muss die Instandhaltung als ganzheitliche Managementaufgabe verstanden werden. Im Rahmen des Instandhaltungsmanagements müssen eine Vielzahl von komplexen Fragen orchestriert werden.

Diese können von übergeordneten strategischen Fragestellungen wie zum Beispiel "Inwiefern kann die Instandhaltung zur Umsetzung der Unternehmensstrategie beitragen?" bis hin zu operativen Themen wie beispielsweise "Kann die Ersatzteilversorgung optimiert und nachhaltig sichergestellt werden?" reichen.

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Der idealtypische Instandhaltungszyklus im Werkzeugbau

Die Beantwortung der Fragen wird des Weiteren komplizierter, wenn es um die Instandhaltung von industriellen Werkzeugen geht. Hierbei handelt es sich oftmals um sehr komplexe technische Systeme, bestehend aus mehreren hundert Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Fertigungspräzision.

Diese hohen Instandhaltungsanforderungen an Verfügbarkeiten, Zuverlässigkeit und Flexibilität unter minimalen Kosten erfordern deshalb ein ganzheitliches Instandhaltungsmanagement zwischen Serienproduktion und Werkzeugbau.

Um die Instandhaltung von industriellen Werkzeugen als ganzheitliche Managementaufgabe durchführen zu können, wurde der idealtypische Instandhaltungszyklus für eine Zusammenarbeit zwischen Serienproduktion und Werkzeugbau entwickelt:

Der idealtypische Instandhaltungszyklus für eine Anforderungsgerechte Wartung und Instandhaltung von Werkzeugen
Der idealtypische Instandhaltungszyklus für eine Anforderungsgerechte Wartung und Instandhaltung von Werkzeugen. - Grafik: Werkzeugbau Akademie

Mit dem Instandhaltungszyklus ist eine systematische Planung von Wartungs- und Reparaturvorgängen möglich. Des Weiteren dient die angestrebte Fehleranalyse der kontinuierlichen Verbesserung der Produkt- und Prozessqualität.

Im Zuge von Schritt 1 (siehe obige Grafik) ist zunächst die Wahl des Instandhaltungsprogramms entscheidend, um das Instandhaltungsmanagement zu definieren und zu gestalten.

Das Instandhaltungsprogramm beschreibt vier verschiedene Perspektiven, wie eine Instandhaltung durchgeführt werden kann. Hierbei handelt es sich um eine

  • reaktive,
  • präventive,
  • zustandsorientierte oder
  • vorausschauende Instandhaltung.

Risiko reaktive Instandhaltung

Die Wahl einer reaktiven Instandhaltung als Instandhaltungsprogramm für industrielle Werkzeuge ist mit einem hohen Risiko verbunden. Aufgrund der hohen Komplexität der Werkzeuge und der hierfür notwendigen Prozessschritte, sind schnelle Werkzeugreparaturen oftmals nicht möglich.

Für die Werkzeugfehleranalyse, Demontage des Werkzeugs und anschließend erneute Montage nach erfolgten Bauteilneufertigungen ist oftmals eine große Zeitspanne erforderlich. Dies führt wiederum zu langen Ausfallzeiten für die Serienproduktion.

Um lange Produktionsausfälle zu vermeiden, sind für die Instandhaltung von Werkzeugen deshalb die präventive, zustandsorientierte oder vorausschauende Instandhaltung als Instandhaltungsprogramme sinnvoller. Im Zuge dessen ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine zustandsorientierte Instandhaltung einen höheren Inspektions- und Überwachungsaufwand erfordert.

Bei der vorausschauenden Instandhaltung ist ein hoher technischer Aufwand unausweichlich, weil simulationsbasierte Prognosemodelle entwickelt werden müssen, die den Ausfallzeitpunkt prognostizieren. Die Wahl der Instandhaltungsstrategie ist deshalb je nach Bedeutung und Komplexität des Werkzeugs zu wählen.

Verschiedene Möglichkeiten von Instandhaltungsprogrammen - Rwaktiv, Präventiv, zustandsorientert oder vorausschauend.
Die vier Möglichkeiten von Instandhaltungsprogrammen. - Grafik: Werkzeugbau Akademie

In Schritt 2 des Werkzeuginstandhaltungszyklus werden Durchführungsanweisungen definiert. Hierfür erfolgt eine ablaufoptimierte Beschreibung der Werkzeuginstandhaltungsmaßnahmen inklusive der zu verwendenden Tools und Materialien.

Im Zuge dessen müssen sich Unternehmen überlegen, welche Grundmaßnahmen der Instandhaltung nach DIN 31051 Verwendung finden sollen. Diese lauten

  1. Inspektion,
  2. Wartung,
  3. Instandsetzung und
  4. Verbesserung.

Eine effiziente Werkzeuginstandhaltung basiert auf der anforderungsgerechten Auswahl von Instandhaltungsmaßnahmen zur Erhöhung der Werkzeugverfügbarkeit. Dabei steigt die Komplexität zur Durchführung in der Reihenfolge der genannten Maßnahmen.

Bis auf die Inspektion erfordern alle weiteren Instandhaltungsmaßnahmen für Werkzeuge ein hohes Know-how sowie technisches Verständnis über ihre jeweilige Funktionsweise. Insbesondere die Verbesserung setzt das Verständnis von Wirkzusammenhängen zwischen Produktionsmaschine und Werkzeug voraus.

Werkzeugbau und Serienproduktion müssen sich einigen

Im Rahmen von Schritt 3 geht es um die Schnittstellenauslegung von Serienproduktion und Wartung für geplante und ad hoc Instandhaltungsmaßnahmen. Um Instandhaltungen durchzuführen, müssen eine Vielzahl diverser Aspekte für die Planung berücksichtigt werden. Die Durchführung der Termin- und Kapazitätsplanung, die Materialdisposition sowie die Kostenplanung der Instandhaltung seien hierbei nur beispielhaft genannt.

Fertigung von Werkzeugersatzteilen - diese müssen frühzeitg beschafft werden, damit die Serienproduktion bei Instandhaltungsmaßnahmen nicht lange stillsteht.
Die Lieferzeiten von Werkzeugbauteilen müssen planbar sein, um die Instandhaltung der Maschinen effektiv zu machen und die Serienproduktion nicht über Gebühr auszubremsen. - Bild: NDABCREATIVITY - stock.adobe.com

Für die Planung von Werkzeuginstandhaltungen ist es besonders wichtig, dass sich der Werkzeugbau und die Serienproduktion auf ein Regelwerk einigen, um die Instandhaltungen durchzuführen. Hierunter zählen zum Beispiel garantierte Lieferzeiten für die Herstellung von Werkzeugbauteilen.

Falls eine kurzfristige Herstellung von bestimmten Bauteilen nicht möglich ist, ist beispielsweise die frühzeitige Beschaffung von Ersatzteilen erforderlich, um die Reaktionszeit bei ad hoc Instandhaltungsmaßnahmen zu reduzieren. Aufgrund der Planungskomplexität von Werkzeuginstandhaltungen ist es sinnvoll, die Aufgaben und Prozesse des operativen Instandhaltungsmanagements durch IT-Unterstützung effizient zu realisieren.

Werkzeuge schnell wieder einsatzfähig machen

Schritt 4 des Instandhaltungszyklus repräsentiert die operative Umsetzung des Wartens und Reparierens von Werkzeugen in der Serienproduktion. Oberste Priorität bei Wartungen und Reparaturen ist, dass das Werkzeug so schnell wie möglich wieder prozesssicher einsatzfähig für die Serienproduktion ist. Dies kann nur durch eine effiziente Umsetzung der definierten Instandhaltungsmaßnahmen gelingen.

Um eine effiziente Durchführung von ungeplanten Instandhaltungen zu realisieren, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Werkzeugbau und Serienproduktion erforderlich. Handelt es sich beispielsweise um sehr bedeutende Werkzeuge für die Serienproduktion, das heißt Werkzeuge, die im Falle eines Ausfalls einen hohen wirtschaftlichen Schaden verursachen, ist es sinnvoll, Kapazitäten beim Werkzeugbau vorzuhalten beziehungsweise zu reservieren.

Eine weitere Möglichkeit ist die Erstellung von abteilungsübergreifenden Instandhaltungsteams. Sie bestehen aus Mitarbeitern mit verschiedenen Qualifikationen wie zum Beispiel Serienmaschinenbediener, Werkzeugexperte und Konstrukteur. Durch die Bündelung der benötigten Expertise für Werkzeuginstandhaltungen können auch ungeplante Werkzeugausfälle so effizient wie möglich gelöst werden.

Fehler dokumentieren und erfassen

Während der Durchführung der Instandhaltung ist es im Zuge von Schritt 5 wichtig, alle Fehler und Reparaturmaßnahmen zu erfassen. Durch die hohe Anzahl an verschiedenen Bauteilen innerhalb eines Werkzeugs, ist es besonders wichtig, die durchgeführten Instandhaltungsoperationen für die jeweiligen Werkzeugbauteile zu dokumentieren. Hierzu zählen insbesondere identifizierte beziehungsweise beseitigte Fehler.

Die genaue Identifizierung und Dokumentation ist zwingend erforderlich, um Standzeiten von Werkzeugbauteilen realitätsgetreu abzubilden. Grundvoraussetzung für eine effiziente Werkzeuginstandhaltung ist die Erfassung von Bauteilstandzeiten. Hierdurch können Werkzeuge vorab genauer kalkuliert und notwendige Instandhaltungen gemäß ihrer benötigten Ressourcen und Zeitpunkte genauer geplant werden.

Analysieren und optimieren

Um die Effizienz des Instandhaltungskonzepts kontinuierlich zu verbessern, ist es wichtig, in Schritt 6 die durchgeführten Instandhaltungsmaßnahmen sowie die erzielten Ergebnisse zu analysieren und zu optimieren.

Hierbei ist beispielsweise zu untersuchen, ob ursprünglich angenommene Standzeiten von Bauteilen eines Werkzeugs weiterhin korrekt sind oder eine Anpassung erforderlich ist. Des Weiteren sollte stets kritisch hinterfragt werden, inwiefern die Schnittstellenarbeit zwischen Serienproduktion und Werkzeugbau, wie zum Beispiel der Informationsaustausch, verbesserungswürdig ist.

Wie geht es weiter mit der Werkzeuginstandhaltung?

Die Erfahrung des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen zeigt, dass der präsentierte Instandhaltungszyklus dazu beiträgt, die Effizienz in der Instandhaltung zu erhöhen. Da es sich bei industriellen Werkzeugen jedoch um sehr komplexe technische Systeme handelt, können ungeplante Instandhaltungen in der Serienproduktion bisher meistens nicht vollständig vermieden werden. Folglich muss die Frage gestellt werden, wie sich die Werkzeuginstandhaltung zukünftig weiterentwickeln wird.

Nach der Meinung der Forscher vom WZL liegt in der Entwicklung intelligenter Werkzeuge eine große Chance
Nach der Meinung der Forscher vom WZL liegt in der Entwicklung intelligenter Werkzeuge eine große Chance.- BIld: fotomek - stock.adobe.com

Ein besonderes Potenzial liegt dabei in der Entwicklung von intelligenten Werkzeugen. Intelligente Werkzeuge beinhalten eine technische Erweiterung von traditionellen Werkzeugen in zwei Stufen. Stufe 1 beschreibt Werkzeuge, welche mit Sensorik ausgestattet sind und eine Datenverarbeitung ermöglichen. Hierdurch können Daten während des Serienproduktionsprozesses aufgenommen, analysiert und Ursache-Wirkungsbeziehungen zwischen einzelnen Produktionsparametern erkannt werden. Dies versetzt den Anwender wiederum in die Lage, Werkzeugzustände auch von formgebenden Werkzeugelementen exakt vorherzusagen und eine präventive Instandhaltung durchzuführen – allgemein bekannt als Predictive Maintenance.

Intelligente Werkzeuge der Stufe 2 beschreiben dagegen Werkzeuge, die zusätzlich zur Stufe 1 noch mit Aktorik ausgestattet sind und eine intelligente Regelung ermöglichen. Dies bedeutet, dass präventive Aktivitäten durch aktive Parameteränderungen des Werkzeugs oder der Anlage möglich sind. Das System überführt sich also eigenständig in den Sollparameterbereich bei auftretenden Problemen, um Instandhaltungszeitpunkte flexibel verschieben zu können – allgemein bekannt als Prescriptive Maintenance (siehe Grafik):

Evolution der Instandhaltung auf Basis intelligenter Werkzeuge
Evolution der Instandhaltung auf Basis intelligenter Werkzeuge. - Grafik: Werkzeugbau Akademie

Grundsätzlich handelt es sich bei der Entwicklung von intelligenten Werkzeugen um eine komplexe Aufgabe, die vom Management initiiert werden muss und in vier Schritte unterteilt werden kann:

  1. Zunächst müssen die relevanten Prozessparameter für die intelligente Regelung definiert werden.
  2. Danach ist die Auslegung der Sensorik erforderlich, mit welcher die relevanten Prozessparameter erfasst werden.
  3. In einem dritten Schritt muss die Aktorik ausgelegt werden, durch die intelligente Werkzeuge personenunabhängig die Werkzeugeinstellungen verändern können.
  4. In einem letzten Schritt wird die intelligente Regelung ausgelegt, um die ausgewählten Sensorik- und Aktoriklösungen des Werkzeugs miteinander zu verbinden.

Auch wenn die technischen Möglichkeiten für Predictive Maintenance sowie Prescriptive Maintenance existieren, bedarf es für die Umsetzung eine sehr hohe prozess- und werkzeugtechnische Expertise. Bisher befinden sich erst wenige serienproduktionsreife Lösungen von Predictive Maintenance im Einsatz. Das Themenfeld Prescriptive Maintenance befindet sich aktuell noch im Forschungsstadium, in dem erste Prototypen entwickelt werden.

Langfristig gesehen, versprechen Predictive und Prescriptive Maintenance enorme wirtschaftliche Potenziale. Während aus der Perspektive von Serienproduzenten die Produktionsprozesse dadurch robuster werden, können Werkzeughersteller neuartige Geschäftsmodelle für ihre Kunden entwickeln.

Wie die Anwendungen der einzelnen Schritte des idealtypischen Instandhaltungszyklus im Detail gestaltet werden, muss in jedem Werkzeuginstandhaltungsprojekt individuell und spezifisch erarbeitet werden. Die präsentierte Vorgehensweise hat die Abteilung Unternehmenentwicklung des WZL bereits erfolgreich in mehreren Beratungsprojekten durchgeführt. Insbesondere die Schnittstellenauslegung zwischen Serienproduktion und Werkzeugbau ist im Rahmen der Instandhaltung durch große Ineffizienzen geprägt. Die Synchronisierung dieser Schnittstelle zählt zu einer der zentralen Aufgaben der WZL-Unternehmensentwicklung.

Die Abteilung Unternehmensentwicklung des WZL hat bereits mehrere richtungsweisende Forschungsprojekte zu Predictive und Prescriptive Maintenance durchgeführt. Diese Ergebnisse, wie zum Beispiel ein Leitfaden zur Umsetzung von Predictive Maintenance, sind kostenlos in Form von Studien online erhältlich: https://studien.werkzeugbau-akademie.de/de/unsere_studien/

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