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Forschung und Praxis
Band 253
Berichte aus dem
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik
und Automatisierung (IPA), Stuttgart,
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft
und Organisation (lAO), Stuttgart,
Institut fOr Industrielle Fertigung und
Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart und
Institut fOr Arbeitswissenschaft und
Technologiemanagement, Universitat Stuttgart
Herausgeber: H.-J. Warnecke und H.-J. Bullinger
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Ralf Kaun
Verfahren zur Konzeption
automatischer reinraum
tauglicher Fertigungsanlagen
und -zellen
Mit 88 Abbildungen
, Springer
Dr.-Ing. Ralf Kaun
Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. H.-J. Warnecke
o. Professor an der Universitiit Stuttgart
Priisident der Fraunhofer-Gesellschaft, MOnchen
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. H.-J. Bullinger
o. Professor an der Universitiit Stuttgart
Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO), Stuttgart
D 93
ISBN-13: 978-3-540-63447-8 e-ISBN-13: 978-3-642-46850-6
001: 10.1007/978-3-642-46850-6
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~ Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1997.
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Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Heimsheim
SPIN 10643266 6213020-54321
Geleitwort der Herausgeber
Ober den Erfolg und das Bestehen von Unternehmen in einer marktwirtschaftlichen
Ordnung entscheidet letztendlich der Absatzmarkt. Das bedeutet. moglichst frOhzeitig
absatzmarktorientierte Anforderungen sowie deren Veranderungen zu erkennen und
darauf zu reagieren.
Neue Technologien und Werkstoffe ermoglichen neue Produkte und eroffnen neue
Markte. Die neuen Produktions- und Informationstechnologien verwandeln signifikant
und nachhaltig unsere industrielle Arbeitswelt. Politische und gesellschaftliche Verande
rungen signalisieren und begleiten dabei einen Wertewandel. der auch in unseren Indu
striebetrieben deutlichen Niederschlag findet.
Die Aufgaben des Produktionsmanagements sind vielfaltiger und anspruchsvoller ge
worden. Die Integration des europaischen Marktes. die Globalisierung vieler Industrien.
die zunehmende Innovationsgeschwindigkeit. die Entwicklung zur Freizeitgesellschaft
und die Obergreifenden okologischen und sozialen Probleme. zu deren Losung die Wirt
schaft ihren Beitrag leisten muB. erfordern von den FOhrungskraften erweiterte Perspek
tiven und Antworten. die Ober den Fokus traditionellen Produktionsmanagements deut
lich hinausgehen.
Neue Formen der Arbeitsorganisation im indirekten und direkten Bereich sind heute
schon feste Bestandteile innovativer Unternehmen. Die Entkopplung der Arbeitszeit von
der Betriebszeit. integrierte Planungsansatze sowie der Aufbau dezentraler Strukturen
sind nur einige der Konzepte. welche die aktuellen Entwicklungsrichtungen kennzeich
nen. Erfreulich ist der Trend. immer mehr den Menschen in den Mittelpunkt der
Arbeitsgestaltung zu stellen - die traditionell eher technokratisch akzentuierten Ansatze
weichen einer starkeren Human- und Organisationsorientierung. Qualifizierungspro
gramme. Training und andere Formen der Mitarbeiterentwicklung gewinnen als Diffe
renzierungsmerkmal und als Zukunftsinvestition in Human Resources an strategischer
Bedeutung.
Von wissenschaftlicher Seite muB dieses BemOhen durch die Entwicklung von Methoden
und Vorgehensweisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems
Produktionsbetrieb einschlieBlich der erforderlichen Dienstleistungsfunktionen unter
stOtzt werden. Die Ingenieure sind hier gefordert. in enger Zusammenarbeit mit anderen
Disziplinen. z. B. der Informatik. der Wirtschaftswissenschaften und der Arbeitswissen
schaft. Losungen zu erarbeiten. die den veranderten Randbedingungen Rechnung
tragen.
Die von den Herausgebern langjahrig geleiteten Institute. das
- institut fOr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart (IFF).
- Institut fOr Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (lAD.
- Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA).
- Fraunhofer-Institut fOr Arbeitswirtschaft und Organisation (lAO)
arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den oben aufgezeig
ten Entwicklungen mit. Die Ausstattung der Labors und die Qualifikation der Mitarbeiter
haben bereits in der Vergangenheit zu Forschungsergebnissen gefOhrt, die fOr die Praxis
von groBem Wert waren. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriften
reihe ..IPA-IAO - Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt
diese Reihe fort. Eine Obersicht uber bisher erschienene Titel wird am SchluB dieses
Buches gegeben.
Dem Verfasser sei fOr die geleistete Arbeit gedankt, dem Springer-Verlag fOr die Auf
nahme dieser Schriftenreihe in seine Angebotspalette und der Druckerei fOr saubere und
zugige AusfUhrung. Mage das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden.
H.-J. Warnecke H.-J. Bullinger
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitar
beiter am Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung (IP A), Stuttgart.
Mein besonderer Dank gilt dem ehemaligen Leiter des IP A und derzeitigen Prasidenten der
Fraunhofer-Gesellschaft, Herm Professor Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Hans-Jiirgen Warnecke,
fur seine wohlwollende Unterstiitzung und Forderung der Arbeit.
Herm Professor Dr.-Ing. Gisbert Lechner danke ich fur die Durchsicht der Arbeit und fur
die Obemahme des Mitberichts.
Aus dem Kreis der Kollegen am Institut, die mich durch ihre Mitarbeit und anregende
Kritik unterstlitzt haben, mochte ich die Herren Dr.-Ing. Bernhard Klumpp, Prof. Dr.-Ing.
Dr. h. c. Rolf Dieter Schraft sowie Dr.-Ing. Manfred Schweizer besonders hervorheben.
Auch sollen die Hiwis, Diplomarbeiter und Praktikanten nicht unerwahnt bleiben, die mich
wahrend dieser Zeit tatkraftig unterstlitzt haben. Bei ihnen allen bedanke ich mich herzlich.
Ein ganz besonderes Dankeschon gilt meinem ehemaligen Kollegen Herm Dr.-Ing. Elmar
Degenhart, der auch in schwierigen Zeiten ermutigende Worte gefunden hat, sowie meinen
Freunden Dr.-Ing. Oliver Krockenberger und Dipl.-Ing. Jiirgen Roth fur ihre ausdauemde
Diskussionsbereitschaft wahrend der Entstehung dieses Werkes.
Stuttgart, im Mai 1997 RalfKaun
Your first attempts at writing a dissertation on a scientific problem usually end up
with a result that is just plain wrong. What you come up with is invariably sim
plistic, demonstrably incorrect, doesn't take account of known facts, and just
doesn't come together. So why even bother putting it to paper? The answer is: no
matter what its failings may be, you know the value of an early version. You
know that if you wait for a complete and perfect concept to germinate in your
mind, you will most likely be waiting forever. Perfect ideas do not germinate, they
evolve. So put your first idea down on paper, rout out its faults one by one, and
gradually distil your work into a great piece of writing. Working hard and syste
matically, as well as staying constantly on track, is the only way to get you to your
desired goal.
(frei nach Tom DeMarco in "Structured Analysis and System Specification",
Yo urdon Press, 1978)
Inhaltsverzeichnis
Abkiirzungen und Fonnelzeichen 12
1 Einleitung 15
1.1 Problemstellung IS
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 16
2 Stand der Technik 18
2.1 Definitionen der Reinraumtechnik 18
2.1.1 Reinraum und Reinraumklassen 18
2.1.2 Partikelemission und -kontamination 19
2.1.3 Partikelmel3technik 19
2.1.4 Reinraumtauglichkeit 20
2.2 Ausgangssituation 20
2.2.1 Branchen und Anwendungsgebiete der Reinraumtechnik 20
2.2.2 Typen reinraumtauglicher Fertigungsanlagen 21
2.2.3 Problemfelder und Hilfsmittel bei der Entwicklung
reinraumtauglicher Fertigungsanlagen und -zellen 23
2.2.4 Vorgehen bei der Entwicklung reinraumtauglicher
Fertigungsanlagen und -zellen 28
2.3 Analyse von Verfahren und Methoden zur Entwicklung
reinraumtauglicher Fertigungsanlagen und -zellen 31
3 Entwicklungsschwerpunkte 34
3.1 Ableitung von Entwicklungsschwerpunkten 34
3.2 Anforderungen an das Verfahren 35
3.2.1 Ubergeordnete Anforderungen an das Verfahren 35
3.2.2 Anforderungen an die Methoden 36
3.2.3 Anforderungen an die Hilfsmittel 37
4 Konzeption der Methoden und Hilfsmittel des Verfahrens 40
4.1 Konzeption der Methoden 40
4.2 Konzeption der Hilfsmittel 42
4.2.1 Konzeption des Hilfsmittels "Bildung und Optimierung von
Funktionsstrukturen" 43
4.2.2 Konzeption des Hilfsmittels "Partikelemissionsverhalten von
Materialpaarungen" 44
4.2.3 Konzeption des Hilfsmittels "MaterialfluJ3automatisierung sowie
materialflul3bezogene Strukturierung und Integration von
Fertigungsanlagen und -zellen" 45
10
4.2.4 Konzeption des Hilfsmittels "Nicht-experimentelle Bewertung der
Reinraumtauglichkeit von Fertigungsanlagen" 46
4.3 Erarbeitung eines Priifverfahrens zur Untersuchung des
Partikelemissionsverhaltens ungeschmierter gleitreibungsbeanspruchter
Materialpaarungen 47
4.3. I Ableitung der Priifbedingungen und Anforderungen an den
Priifstand 47
4.3.2 Entwicklung des Priifstands und einer geeigneten
Priifvorgehensweise 49
4.3.3 Durchfiihrung von Vorversuchen mit Materialpaarungen fur
ungeschmierte Gleitreibung 51
5 Ableitung von Methoden zur Anlagenkonzeption 54
5. I Methode zur funktionellen Analyse 54
5. I. I Ableitung der Funktionen flir automatische reinraumtaugliche
F ertigungsanlagen und -zellen 54
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5.1.1.2 Attribute von Funktionen 56
5.1.2 Einzelschritte der funktionellen Analyse 57
5.1.3 Struktur der grundsatzlichen Vorgehensweise 59
5.1.4 Anwendung der grundsatzlichen Vorgehensweise 61
5.2 Methode zur konzeptionellen Anlagengestaltung 64
5.2. I Ableitung der Module fur automatische reinraumtaugliche
Fertigungsanlagen und -zellen 64
5.2. I. I Modularten und -struktur 64
5.2.1.2 Attribute von Modulen 66
5.2.2 Einze1schritte der konzeptionellen Anlagengestaltung 67
5.2.3 Struktur der grundsatzlichen Vorgehensweise 70
5.2.4 Anwendung der grundsatzlichen Vorgehensweise 74
6 Erarbeitung von Hilfsmitteln zur Anlagenkonzeption 76
6.1 Bildung und Optimierung von Funktionsstrukturen 76
6. I. I Relevante Betrachtungsbereiche und EinfluBfaktoren 76
6.1.2 Bildung von Funktionssequenzen 77
6.1.3 Optimierung von Funktionsstrukturen 85
6.2 Partikelemissionsverhalten von Materialpaarungen 87
6.2. I Zeitliches Verhalten der Partikelemission 87
6.2.2 Abhangigkeit der Gesamtpartikelzahl und der
PartikelgroBenklassen von den Beanspruchungsbedingungen 89
6.2.3 GroBenanteile der emittierten Partike1n an der Gesamtpartike1zahl 91
6.2.4 Vergleich der Gesamtpartikelzahlen bei unterschiedlichen
Beanspruchungsbedingungen 93
6.2.5 Gesamtbeurteilung des Partikelemissionsverhaltens von
Materialpaarungen 94
