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Erst rechnen – dann auslagern Andreas Holtmann und Matthias Jusek, Universal Instruments, Bad Vilbel

Fertigung im Wettbewerb mit Niedriglohnregionen
Erst rechnen – dann auslagern Andreas Holtmann und Matthias Jusek, Universal Instruments, Bad Vilbel

Die Wettbewerbssituation von Fertigungen in westlichen Industriestaaten im Vergleich zu jenen in Niedriglohnländern, ist bezüglich der Herstellung von Elektronik und der Montage elektromechanischer Baugruppen, eine Herausforderung. Für Hersteller aus Europa gilt es, zunächst die wesentlichen Faktoren und Strategien zu untersuchen, die sie in die Lage versetzen, qualitativ hochwertige Produkte zu günstigen Kosten in unmittelbarer Nähe ihrer Kunden in Westeuropa zu produzieren. Dann wird sich zeigen, dass es in letzter Konsequenz nicht immer sinnvoll ist, Produkte für die heimischen Märkte ausschließlich in Billiglohnländern zu fertigen.

Kleine, in sehr hohen Stückzahlen gefertigte Produkte wie Konsumelektronik, sind erfahrungsgemäß die am besten geeigneten Objekte für die Herstellung in ausländischen Niedriglohnregionen. Sind jedoch die Märkte für diese Produkte dann viele Tausende Kilometer von den Fertigungsstätten entfernt, werden auch andere Faktoren als ausschließlich Lohnkosten die Kostensituation in einer insgesamt betrachteten Fertigungskette beeinflussen.

Ein Unternehmen hat einen Kostenvergleich zwischen der Fertigung eines Handheld-Computers in einem ausländischen Niedriglohnland mit manueller Montage und auf einer inländischen automatisierten Linie vorgenommen, und dabei höchst aufschlussreiche Ergebnisse erzielt. Natürlich liegen die Lohnkosten im Falle des ausländischen Fertigungsstandorts niedriger, doch setzt man die Produktionsvolumen dazu in Relation, ändert sich das Bild erheblich. Sobald die Volumina in einer manuellen Fertigung steigen, steigt natürlich auch der Bedarf an Arbeitskräften, so dass in Folge dann die Produktionskosten erheblich anwachsen. Mit einer automatisierten Linie jedoch lassen sich höhere Fertigungsvolumen mit wesentlich geringeren Kostensteigerungen beherrschen, wobei nach der Produktion von 700.000 Stück solch eine Linie voll bezahlt ist. Das Unternehmen kam in dieser Untersuchung zu dem Ergebnis, dass bereits im ersten Jahr die Einsparungen der Produktionskosten mit einer im Inland betriebenen, automatisierten Linie bei 2 Mio. US $ liegen würde bzw. dem Äquivalent in Euro (Bild 1).
Unter den nicht von der Lohnhöhe abhängigen Faktoren sind Produktqualität und die Zeit bis zur Markteinführung (Time-to-Market) am wichtigsten. Ein typischer First-Pass-Yield, der in einer manuellen Fertigung bei 95% liegt (eine sehr optimistische Annahme), steht eine Ausbeute von 99% aus der automatisierten Linie gegenüber. Das heißt, in der manuellen Fertigung sind auch noch erhebliche Investitionen in Equipment für Rework und Reparatur nötig, je höher die Fertigungszahlen, um so höher laufen auch diese Aufwendungen auf. Werden eventuelle Qualitätsprobleme nicht rechtzeitig erkannt, bevor die eigentlich fertigen Produkte zur Auslieferung gelangen – beispielsweise können in einem einzigen Schiffscontainer ca. 7000 Produkte verstaut sein – oder sie sind bereits am Zielort angekommen, dann können die Kosten für Rework sowie die zusätzlichen Aufwendungen für die nötige Fehlersuche und Beseitigung rasch erhebliche Summen verschlingen. Sollten sogar ganze Containerladungen mit Qualitätsproblemen behaftet sein, dann kann eine gesamte Saison praktisch völlig ausfallen, beispielsweise in der Konsumgüterindustrie das wichtige Weihnachtsgeschäft.
In einer Branche, in der die Gewinnsituation zumeist davon abhängt, wie rasch die Hersteller ihre Produkte in die Märkte zu den Anwendern bringen können, steckt in weit entfernten Fertigungsstandorten ein erhebliches Risikopotenzial. Die erste große Zeitverzögerung kann bereits dann entstehen, wenn Änderungen oder Modifikationen in Produktentwicklung, Schaltungsdesign oder Fertigungsvolumen zu weit entfernten Fertigungsstandorten kommuniziert werden müssen. Die zweite große Verzögerung kann entstehen, wenn die Transporte der Produkte zu den Märkten viele Wochen benötigen. Hier muss man mit einem großen potenziellen Risiko für Verzögerungen, Verlusten oder Beschädigungen des bereits gefertigten Warenbestands rechnen. Unter den vielen weiteren Faktoren, die auch noch zu berücksichtigen sind, befinden sich Kosten oder Gewinnspannen von Händlern, Zölle und andere Gebühren. Nicht vergessen werden sollte auch die schwankende Tagesform der Mitarbeiter in der manuellen Bestückung sowie die Stress- und Ermüdungsfaktoren durch ständig gleiche Arbeiten.
Per Automatisierung Kosten nachhaltig senken
Automatisierung in der Baugruppenbestückung mit Chipshootern, Pick-and-Place-Automaten sowie Finepitch-Bestückern ist ein gemeinsames Charakteristikum der modernen, kosteneffizienten Fertigung. Doch zwei wichtige Fertigungsbereiche, die sich bisher der Automatisierung weitgehend entziehen konnten, waren die Oddform- oder Exotenbestückung sowie die sogenannte End-of-Line-Montage. In beiden Bereichen haben sich im allgemeinen manuelle Arbeitsausführungen gegenüber den bisher verfügbaren, nicht optimalen Automatisierungslösungen durchgesetzt. Dies waren zumeist teure Einzellösungen oder kundenspezifische Arbeitszellen, die sich aber nur bei sehr hohen Fertigungsstückzahlen rentieren. Vor allen Dingen aber können solche Lösungen in der Regel nicht einfach und rasch an die ständig steigenden Anforderungen angepasst werden, denen moderne Fertigungen in Erfüllung der Marktanforderungen zwingend folgen müssen.
Inzwischen wurden jedoch die Automatisierungslösungen so weit fortentwickelt, dass man mit Einsatz der nun am Markt verfügbaren multifunktionalen Systeme auf kostengünstige Weise mehrere Mitarbeiter per Arbeitszelle einsparen kann, sei es in der Linie bei der Exotenbestückung oder bei den abschließenden Montagearbeiten am Ende der Linie. Automatisierte Multifunktions-Arbeitszellen sind schneller und liefern genauere sowie weitaus besser reproduzierbare Ergebnisse, als die manuelle Arbeitsausführung. Im Gegensatz zu kundenspezifischen oder Arbeitszellen, die nur für eine Aufgabe konzipiert sind, zeichnen sie sich durch höhere Flexibilität und Skalierbarkeit bei der Anpassung an die einzelnen Aufgaben aus. Wird solch eine Automatisierungszelle in eine Elektronikfertigung oder Montage elektromechanischer Baugruppen integriert, sind jedoch einige wesentliche Punkte zu beachten.
Die Basis jeglicher hoher Applikationsflexibilität in der Exotenbestückung und End-of-Line-Automatisierung ist eine standardisierte Equipment-Plattform mit universellen Schnittstellen, sei es für die Ein- und Ausgänge der Signale, die elektrischen und mechanischen Anschlüsse, Softwareoberflächen des Betriebssystems und der Programmiertools usw. Hinzu kommen Kamera- und Positioniersysteme mit höchster Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Die Standardisierung und hohe Präzision der Plattform ermöglicht, dass man mit solchen Arbeitszellen in einer Montagelinie durch das modulare Konzept alle diese Vorteile ausspielen kann.
Können Module oder Werkzeuge, die in einer multifunktionellen Automatisierungszelle für eine bestimmte Aufgabe nötig sind, leicht und schnell ausgewechselt werden, können mit solch einer Zelle eine ganze Reihe unterschiedlicher Prozessschritte vorgenommen werden. So lassen sich Oddform-Bauteile mit Hilfe einer Palette von rasch austauschbaren Bauteilzuführungen bestücken, beispielsweise Rollen für radial oder axial gegurtete Bauteile, Stangenmagazine, Schüttgutbehälter usw. sowie Greifmechanismen (Gripper). Zudem können Bauteilanschlüsse geformt werden, Barcodes gescannt und Visionsysteme für präzise Positionierungen bzw. Inspektionsaufgaben eingesetzt werden. Hinzu kommen am Linienende eine Vielzahl von abschließenden Montagearbeiten wie Dispensing, optische Verifikation und Kontrolle, Einsetzen von Abschirmungen oder Abdeckungen und Eindrehen von Schrauben, Abgleich von Einstellungen (Bild 2). Sind dafür kundenspezifische Werkzeuge nötig, lassen sich diese so entwickeln, dass sie als rasch wechselbare Module in dieser Arbeitszelle einsetzbar sind. Damit lässt sich vermeiden, dass man grundsätzlich in eine kundenspezifische, nicht flexibel einsetzbare Lösung investiert.
Ein modulares Automatisierungskonzept ermöglicht Flexibilität und Skalierbarkeit an vielen Stellen im Prozess. Werkzeuge können leicht und schnell angebaut oder ausgetauscht werden. Automatisierungszellen können auch an einer anderen Stelle in der Linie eingesetzt werden, beispielsweise um adäquat auf häufig vorkommende Änderungen in den Produktionsbedingungen reagieren zu können (Bild 3). Auch können mehrere unterschiedliche Aufgaben von einer einzigen Zelle übernommen werden. Sollten Fertigungsvolumen später noch weiter anwachsen, ist es relativ einfach möglich, weitere Automatisierungszellen zu integrieren, wobei zwischen diesen Zellen dann die Werkzeuge leicht ausgetauscht werden können. Der Ausbau des Fertigungsvolumens auf der Basis einer gemeinsamen Maschinenplattform ermöglicht eine wesentlich bessere Zuteilung der Mitarbeiterressourcen auf höher qualifizierte Aufgaben, die sowohl der menschlichen Natur angemessen sind, als auch zu höherer Wertschöpfung verhelfen. Beispiele dafür sind Fehlersuche, Reparaturen, Wartung oder Programmierung. Bei Steigerung der Fertigungsvolumen sind die Folgekosten für den schrittweisen Ausbau der Automatisierungseinrichtungen zudem niedriger als die proportional hohen Kosten für weitere Arbeitskräfte an manuellen Arbeitsplätzen.
Werden durch die Automatisierung in Fertigungslinien bisher manuelle Tätigkeiten ersetzt, lassen sich auch höhere Produktqualitäten erreichen. Bei stets wiederholten Bestückungsarbeiten liefern Maschinen bekanntlich höhere Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit bei zudem deutlich höheren Bestückraten als Fertigungsmitarbeiter, die im Tagesverlauf individueller Ermüdung, Nachlassen der Aufmerksamkeit und anderen biologischen Effekten unterliegen. Hinzu kommt, dass man auch die Länge einer Linie merklich reduzieren kann, wenn sich mehrere Arbeitsplätze durch eine standardisierte Arbeitszellen-Plattform ersetzen lassen. Zwar ist die Anfangsinvestition in solch eine flexibel einsetzbare und skalierbare Plattform höher als in eine kundenspezifische Zelle, die nur für eine Aufgabe geeignet ist, oder in einen Mitarbeiterarbeitsplatz, aber mittel- und langfristig zeigen sich erhebliche Vorteile, wobei die laufenden Betriebskosten erheblich niedriger sind. Über längere Zeit ist die Bewältigung hoher Fertigungsvolumen per weitergehender Automatisierung die einzig tragbare Lösung.
Automatisierung der Oddform-Bestückung
In typischen Fertigungslinien für Elektronik-Baugruppen wird der Arbeitsfluss oft unterbrochen durch einen oder auch mehrere manuelle Bestück- oder Arbeitsschritte, die von Automaten bisher nicht optimal ausgeführt werden konnten. Solche Schritte können vorkommen zwischen der automatischen Bestückung und dem Reflow-Löten und dann erneut vor dem Wellenlöten. Und am Ende der Linie können noch weitere manuelle Tätigkeiten für die Schlussmontage und Verpackung nötig sein.
Für die Handarbeit in Linien sind nicht nur Mitarbeiter nötig, sondern auch die dazu passenden Arbeitsplätze. Typischerweise sind ergonomisch gestaltete Arbeitsplätze etwa 1 m breit. Wenn also die Fertigungsvolumen höher werden, nehmen auch diese Arbeitsplätze zu, und beanspruchen erheblichen Mehrplatz in der Produktion. Ein häufig praktiziertes Konzept in Linien ist die Installation von Puffermodulen, um die von den schnellen Automaten in großen Stückzahlen angelieferten halbfertigen Produkte zwischenzuspeichern, und sie dann etwas langsamer an den nachfolgenden manuellen Arbeitsplätzen zu bearbeiten. Dies reduziert natürlich den Durchsatz einer Fertigungslinie erheblich.
Ersetzt man die manuelle Oddform- oder Exoten-Bestückung sowie die Arbeiten am Ende der Linie durch automatische, flexible Arbeitszellen, so sind damit mehrere Ziele realisierbar. Wird an diesen Stellen im Produktionsprozess die Zahl der Mitarbeiter reduziert, so reduziert sich dabei auch die Länge der Linie erheblich. Um die Produktivität zu erhöhen, lassen sich die automatischen Arbeitszellen optimal programmieren. Entweder damit sie mehrere Aufgaben nacheinander in einem Durchgang übernehmen können oder aber eine größere Stückzahl im gleichen Arbeitsschritt bearbeitet wird, dabei erreichen sie in der Taktgeschwindigkeit den Durchsatz von High-Speed-Bestückmaschinen. Erfahrungsgemäß sind hierbei auch die Fehlerraten deutlich niedriger als bei der manuellen Bestückung.
Automatisierung elektromechanischer Baugruppen
Noch größere Vorteile durch Automatisierung lassen sich bei elektro- und mechanischen Baugruppen erzielen, denn hier beruht die Fertigung beispielsweise von medizinischen Instrumenten, Spielen und Spielzeug aller Art, Büroartikeln oder kleineren Funktionsmodulen für Kraftfahrzeuge praktisch ausschließlich auf manuellen Tätigkeiten. Nimmt man als Beispiel ein Automobil-Funktionsmodul und analysiert die separaten Montageschritte, lässt sich letztlich jeder dieser einzelnen Schritte mit einer Mehrzweck-Arbeitszelle automatisch ausführen.
Hilfreich ist, dass sich die Einführung der Automatisierung in solch einem Montageprozess schrittweise vornehmen lässt. Dabei werden auf eine Multifunktionszelle zunächst jene Aufgaben gelegt, die eine hohe Priorität aufweisen, und anschließend dann auf den gesamten Montageprozess ausgedehnt. Letztlich lässt sich eine Linienlänge von mehr als 21 m auf rund 13 m reduzieren, die Zahl der damit befassten Fertigungsmitarbeiter sinkt von 24 auf 3. Auch die Art der Tätigkeit für diese Mitarbeiter ändert sich. Statt einer Reihe ständig wiederkehrender Handgriffe steht dann die Überwachung und die Bedienung dieser Zellen im Mittelpunkt. Betrachtet man die erzielbare Produktivität unter dem Aspekt der Taktzeit, sind die Ergebnisse ebenfalls deutlich. Eine manuelle Montage, die beispielsweise 5 s dauert, lässt sich mit der automatischen Zelle in 2,7 s vornehmen. Sollte noch der Einsatz eines Vision-Systems für die Kontrolle der Positioniergenauigkeit und der Montage nötig sein, steigt diese Taktzeit geringfügig auf 3,1 s. Wie deutlich zu sehen ist, sind mit Automatisierungszellen potenzielle Produktivitätsverbesserungen zwischen 38 bis 46% erzielbar.
Heimvorteile sichern
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich mit Investitionen in die Oddform- oder Exotenbestückung sowie die EOL-Automatisierung (End-of-Line) bemerkenswerte Ergebnisse erzielen lassen, insbesondere durch deutlich niedrigere Arbeitskosten sowie hohe Produktivität. Bevor sich also ein Hersteller der Strömung anschließt, seine Produktionskapazität in ein Billiglohnland zu verlagern, ist es nötig, alle tatsächlichen Kosten zu erfassen, die langfristig bei den Produktionen im Aus- und Inland entstehen. Aufgrund der hohen Flexibilität und Skalierbarkeit moderner Maschinengenerationen ist es absolut realistisch, dass sich die inländische Fertigung gegenüber jener in einem Billiglohnland auch in der Kostensituation als überlegen erweist, ganz zu schweigen von anderen Vorteile. Dies sind beispielsweise die Nähe zu den Märkten mit den Endverbrauchern, reduzierte Lieferzeiten, kürzere Time-to-Market oder auch rasche und direkte Reaktion auf variierende Marktbedingungen aufgrund sich ändernden Konsumentenverhaltens. Auch der Aspekt der hohen und gleichmäßigen Produktqualität ist natürlich von Bedeutung. Zweifellos kann eine überlegt automatisierte inländische Fertigung vielen Herstellern zu einem deutlichen Wettbewerbsvorteil in den heute herausfordernden Märkten verhelfen.
EPP 412

Polaris-Multi-Process-Montagezelle
Diese modular aufgebaute rekonfigurierbare Montagezelle automatisiert verschiedene Arbeitsprozesse für leichte mechanische Bauteile und Endmontage, einschließlich Dosieren, Klebepunkte auftragen, Sichtinspektion, Verschraubungen und Handhabung. Durch ihre Funktion als Plattform können unterschiedliche Prozessschritte entweder in einer einzigen Zelle ausgeführt, oder über mehrere Zellen verteilt werden, um die Produktivität zu steigern. Präzise Positionierung, kombiniert mit neuem Werkzeug-Zubehör, gestattet das Platzieren und schnelles akkurates Verifizieren einer Vielfalt von Teilen und Werkstoffen. Die Arbeitszelle verfügt über Standard-Schnittstellen für mechanische, elektrische und Software-Anschlüsse für die Werkzeugmodule. Der Durchsatz ist stufenweise zu erhöhen, indem einfach zusätzliche Zellen, von denen jede nach Beendigung eines Projektes neu konfigurierbar ist, angefügt werden. Das Plattform-Konzept erlaubt es, kurze Lieferzeiten, ausgereiftes Anwendertraining und erfahrenen Applikations-Support anzubieten.
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Doris Jetter, Redaktion EPP und Sophie Siegmund Redaktion EPP Europe sprechen einmal monatlich mit namhaften Persönlichkeiten der Elektronikfertigung über aktuelle und spannende Themen, die die Branche umtreiben.

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