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Förderung des nachhaltigen Handelns von mittleren

Führungskräften

Zweiter Zwischenbericht

der Arbeitsgruppe »Medienentwicklung«

Berichtszeitraum 2006

Magdeburg, im März 2007

Zweiter Zwischenbericht: Förderung des nachhaltigen Handelns von mittleren Führungskräften

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Ziele der Arbeitsgruppe »Medienentwicklung« im Modellversuch Die Entwicklung computer-simulierter Produktionsszenarien in Verbindung mit multimedial aufbereiteten Materialen für die Weiterbildung von mittleren Führungskräften aus der Metallbranche ist Ziel dieses Modellversuchs. Diese werden im Rahmen von Qualifizierungsmaßnahmen für die Weiterbildungsberufe Verkehrsfachwirt/In, Fachkaufmann Einkauf und Logistik und Industriemeister/In Fachrichtung Metall erprobt und eingesetzt. Diese Lernmodule sollen fachliche Kompetenzen vertiefen und auch fachübergreifende Kompetenzen vermitteln, da diese beiden Kompetenzbereiche in besonderem Maße die Anforderungen an mittlere Führungskräfte kennzeichnen. Die Lernmodule werden in bestehende Weiterbildungsangebote für mittlere Führungskräfte systematisch und umfassend integriert und erprobt. Die folgenden Schritte wurden von der AG Medienrealisierung bearbeitet:

• Auswahl einer Technologie-Plattform für die softwaretechnische Implementierung unter Berücksichtigung der inhaltlichen Erfordernisse der abzubildenden Produktionsprozesse sowie der Anforderungen, die sich aus der angestrebten Nutzung der Lernmodule in der Ausbildung ergeben.

• Abstraktion der Prozessmodelle für die softwaretechnische Implementierung.

• Umsetzung der Modelle in Datenstrukturen und Algorithmen.

• Implementierung der Prozessmodelle.

• Implementierung der Benutzungsschnittstelle für den Lerner und den Dozenten.

• Implementierung von Analyse- und Auswertungsprozeduren: Konvertierung der Daten in Formate von Standardwerkzeugen.

• Softwaretests und Bugfixing mit Unterstützung von Pilotnutzern die die erstellten Softwaremodule testen

• Die Ergebnisse der Nutzerauswertung zeigten, dass der gewählte Ansatz zu starr ist und die Ergebnisse z.T. nicht die gewünschten Effekte zeigen.

• Diskussion der veränderten Anforderungen aus der Testphase.

• Auswahl einer veränderten Plattform und Re-Design der Kernfunktionalität.

• Entwurf eines Kommunikationsprotokolls zum Austausch der Daten zwischen Simulationskern und Nutzerinterface

• Softwaretests und Bugfixing mit Unterstützung von Pilotnutzern die die erstellten Softwaremodule testen

Nutzerdokumentation Für die Nutzung durch Dozenten und Lerner wird eine Nutzerdokumentation erstellt. Hier wurden von der AG Medienentwicklung Zuarbeiten zur didaktischen Handreichung geleistet.


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Integration der Lernmodule in die didaktische Konzeption In Zusammenarbeit mit der wissenschaftlichen Begleitung wird die Simulationsumgebung in die didaktische Konzeption integriert und für den Einsatz durch die Dozenten durch konkrete Lernaufgaben flankiert. Die aufgeführten Entwicklungsarbeiten werden in enger Abstimmung mit dem Steinbeis-Transferzentrums an der Fachhochschule Aalen und der wissenschaftlichen Begleitung durch die Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Institut für Berufs- und Betriebspädagogik durchgeführt.

Aktivitäten und Ergebnisse Aktivitäten und Ergebnisse der zweiten Arbeitsphase: Januar 2006 bis Dezember 2006 Das Fraunhofer IFF ist im Rahmen des Projektes für die Medienrealisierung verantwortlich. Nach den Beschlüssen des Projektteams wird die Realisierung des Lernmoduls Gießerei vorangetrieben. Auf Basis der Ausarbeitungen der Arbeitsgruppe »Medienkonzeption« sowie der inhaltlichen Zuarbeiten der Lehrkräfte des BZN konnte ein erster Prototyp der Gießerei-Simulation erstellt werden. Das entwickelte Lernmodul beinhaltet vier Hauptsysteme (Energielieferant, Stofflieferant, Frachtführer, Gießerei), wobei das Hauptsystem Gießerei durch weitere sieben Teilsysteme genauer dargestellt und beschrieben wurde. Durch Festlegung von Parametern kann der Lernende die Ausgangsgrößen für den anschließenden Simulationslauf bestimmen und somit die Auswirkungen auf die Simulationsergebnisse beeinflussen. Der Vergleich der Ergebnisse mehrerer Simulationsläufe sowie deren Interpretation gemeinsam mit dem Trainer werden durch die Abbildung der Ergebniskennwerte in der Standard-Software Excel ermöglicht.

Realisierung Basierend auf den Modellentwürfen des Gießprozesses wurde, der Prozess in seiner Gesamtheit in einem Datenbankmodell abgebildet. Dabei wurde der Entwurf sehr flexibel gehalten und das Modell so frei wie möglich entworfen, damit spätere Änderungen, Erweiterungen und Ergänzungen des Datenbestandes oder des Modells einfach eingepflegt werden können. Hierbei ist insbesondere der Arbeitsablauf (Workflow) des Gießereiprozesses in vereinfachter Form abgebildet worden. Der dynamische Prozess musste dafür in ein relativ statisches Modell überführt werden. Der größte Teil der Funktionalität wurde im Programmcode des Simulationssystems realisiert, da die Fähigkeiten einer Datenbank die Abbildung der Logik dieses Ablaufs nicht ermöglichen. Im Laufe des ersten Einsatzes der Software musste aus den Ergebnissen und Rückmeldungen der Lernenden und der Dozenten leider festgestellt werden, dass der gewählte Ansatz, insbesondere die Überführung des Workflows in ein relativ statisches Modell, nicht die gewünschten Effekte und Interpretationsspielräume liefern konnte. Die Programmierung des Prototypen ließ es nicht zu, das System taktbasiert zu steuern, d.h. den Arbeitstakt der einzelnen Maschinen bzw. Teilsysteme ineinander zu verzahnen und deren Wechselspiel ausreichend abzubilden. Daher wurde von der AG „Medienrealisierung“ entschieden, den Logik-Kern des Systems auszutauschen, um die nun geforderte Taktung aller Teilsysteme und Maschinen zu realisieren. Insbesondere sollte aber die Oberfläche der Applikation


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erhalten bleiben, was die Entwicklung eines Kommunikationsprotokolls zwischen dem Simulationskern und der Nutzeroberfläche nötig machte. Die folgende Tabelle dokumentiert die Entscheidungsfindung für die Wahl eines Entwicklungssystems für den Simulationskern, das die Kopplung mit einem Kommunikationsprotokoll zulässt, Standard-Entwicklungswerkzeuge nutzt, keine zusätzlichen Lizenzkosten entstehen lässt.

Scicos

Ptolemy II

Repast 3

Astro Frame

GNU Octave

Software- typ

Wiss. Software-Paket/ Sprache; hybrider dynamischer System Modeler und Simulator

Framework für heterogene, nebenläufige Simulationen

Agent modeling toolkit (OO)

Scalable Engineering Framework

Sprache für num. Berech-nungen; Matlab-Klon

Lizenz kostenlos, integrierbar, keine GPL

kostenlos, integrierbar, UC BSD Licence

kostenlos, frei, integrierbar, BSD Licence

kostenlos, frei, integrierbar, AFL

kostenlos, frei, GPL

Lizenztyp Open Source Open Source Open Source Open Source Open Source

Plattform Windows/ Linux/ Unix Java Windows/ Linux/ OS X

Windows Windows/ Linux/ Mac OS X, OS/2

Modul- ent-wicklung

C, Fortran, Scilab, Java-IF

Java; JNI-Interface to Matlab, C; Jython IF; Jacl

Java, C#, Managed C++, Visual Basic.Net, Managed Lisp, Managed Prolog, Python scripting

C# C++, C, Fortran, Octave

UI Konsole, Scilab GUI Konsole, Vergil Block Diagram GUI & weitere modulare Editoren

Repast GUI GUI & Editoren für Block Diagram, Formeln, SQL Queries

Konsole

Reifegrad, Institution

seit 1994, Scilab Konsortium

seit mind. 1999, University of California/ Berkely

seit mind. 2000; University of Chicago, ROAD

seit 2006, Ein-Mann-Projekt, Alpha-Version

seit 1988

Dokumen-tation

Online-Hilfe, 6. Bücher (engl.), Online-Manuals etc.

Online-Dokumentation, Beispiele, Papers, Präsentationen, Konferenzen

Online-Doku, 5 externe Tutorials, Papers, Beispiele, Javadoc

Tutorial 375 Seiten, Tutorials

Support Newsgroups, Bug database,

Mailing Lists, Groups, FAQ

Mailing List, Forum, Bug Tracker, FAQ

Forum, Bug Tracker

Mailing Lists, Archiv, FAQ, Bug list & database

Simulation CT, DT, Hybrid CT, DE (exp.) u.v.m

agent-based modeling services or functions; DE scheduler

ODE, stat. Methoden, Rekursion

-

Solvers ODE, DAE DE solvers via Klasse CEquation

ODE ODE, DAE

Daten-austausch

File I/O; externe Programme

„Load/Save Model“ als MoML XML

„Load/Save Model“

„Load/Save Model“ (serialisiert)

File I/O: binary, ASCII usw.; externe Module

Datenbank Database and datagrid toolbox

via Java via Programmier-

ODBC compatible, Sql

Utilities: Password


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v0.12: dBase, Paradox, FoxPro and ASCII; Oracle, MySQL via TCL/TK Evtl. problematisch!

sprache Server, Oracle Database, Group Database…

Visuali- sierung

via Scicos Graphiktools eingebaut in GUI; auch live

eingebaut; auch live

2D Graph via Octviz, Octplot

Logging Data Recorder to Tetxt & Movies

Konsole

Debugging Compiling compiles block

diagrams Java Modelle, Jython Actor

C#-Modelle/ Adaptors via IDE

URL http:// scilabsoft.inria.fr/

http:// ptolemy.eecs.berkeley.edu/ ptolemyII/

http://repast.sourceforge.net

http://www.codeproject.com/ cs/library/ UniversalEnggFrmwork.asp

http://www.gnu.org/ software/octave/

Alle aufgeführten Systeme sind frei verfügbar und unter diesem Aspekt für die Zwecke des Modellversuches nutzbar. Es folgt eine kurze Bewertung der wichtigsten Aspekte der Systeme.

Scilab/ Scicos Pro

• ausdrücklich als hybrides Simulationssystem ausgewiesen (hoher Entwicklungsstand, seit 1994)

• Visualisierungsfunktionen vorhanden • als DLL in C# einbindbar • „Ptolemy Classic und Ptolemy II sind ausgereifte Umgebungen zur Simulation

und Visualisierung jedes erdenklichen physikalisch, technischen Vorganges“, Dipl.-Inf. Marco Günther (TU Chemnitz), 2003

• Umfangreiche Dokumentation vorhanden Contra

• Low-Level System (kein grafischer Blockeditor) • kein C#-Quelltext, nur extern nutzbar • eigene Programmiersprache muss gelernt werden

Risiken: • höherer Entwicklungsaufwand als Ptolemy II • evtl. Probleme in der Programmkommunikation (Datenübergabe)

Ptolemy II Pro

• Hoher Entwicklungsstand, seit 1999 • Grafischer Blockeditor verfügbar • Visualisierungsfunktionen • XML-Datenspeicherung • umfangreiche Dokumentation

Contra • Quelltext liegt in Java vor • Zusammenspiel Java mit C# muss geklärt werden


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Risiken: • Programmkommunikation (Datenübergabe) muss zusätzlich realisiert werden • Access-Datenbankzugriff via JDBC/ODBC muss zusätzlich realisiert werden

Repast 3 Pro

• C#-Quelltext liegt vor • High-Level-System • Load/ Save Model existiert • umfangreiche Dokumentation

Contra • Einbau von ODEs nicht dokumentiert • Simulationsschrittweite nicht frei wählbar

Risiken: • Umsetzung der Regressionsgleichungen für Motivation usw. nicht einfach

möglich • Zeitaufwand für Umbau des Repast-GUI sehr hoch

Astro Frame Pro

• C#-Quelltext liegt vor • Beherrscht ODEs • GUI leicht anpassbar

Contra • Ein-Mann-Projekt, wenig professionell (aber sicher nutzbar), seit 2006 • Fehlfunktion des Programms nicht auszuschließen • Model Import/ Export serialisiert: Nachbesserung erforderlich • wenig Dokumentation

Risiken: • Fehlfunktion am Astro Frame

Octave Pro

• weit verbreitet, hoher Entwicklungsstand, seit 1988 • beherrscht ODE • DT programmgesteuert einbaubar • umfangreiche Dokumentation

Contra • Low-Level System • Konsole • Ähnlich Scilab, aber keine Visualisierungs-Funktionalität

Lizenz: • Nicht-kommerzieller Einsatz in Forschung & Lehre ist erlaubt


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Was das Framework zusätzlich können muss • Modelle importieren (z.B. XML) • Modellparameter importieren (z.B. aus Access) • Zwischenergebnisse loggen • Ergebnisse visualisieren

- Zwischenergebnisse - Endergebnisse

Zur Visualisierung der Ergebnisse wir die „Charting Library“ für .NET in das System integriert:

Die Darstellung ist in verschiedenen Visualisierungsformen denkbar, da die Simulation in bestimmten Zeitschritten Zustandswerte des Systems berechnet ist die Ausgabe als Graph am Anschaulichsten. Weiter Informationen zur „Charting Library“ sind abzurufen unter: http://www.codeproject.com/csharp/zedgraph.asp

Systemarchitektur Die Entscheidung für das Entwicklungswerkzeug fiel auf „Ptolemy“ auf Grund der gut beschriebenen und flexibel gestaltbaren Schnittstellen, der Möglichkeit, sowohl kontinuierliche zeitgesteuerte (CT) und diskrete Ereignissimulation (DE) zu ermöglichen. Die folgende Abbildung visualisiert den Aufbau des Systems:


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SimGiess – Materialfluss & Parameter Dies ist eine Aufstellung der Materialien, der Maschinen und der Maschinenparameter der überarbeiteten Gießereisimulation, die nach v.1.4.7. folgt. Die Angaben und Indices wurden der Datenbank von Version 1.4.7 entnommen und mit den Planungen der neuen Version abgeglichen. Eng verbunden mit diesem Dokument ist das Dokument „Grundlagen der Computersimulation von „SimGieß““ in seiner jeweils aktuellen Fassung, das von Herrn Fletcher erarbeitet wurde und im Bericht der AG Medienkonzeption enthalten ist.

Gesamtsystem Zur Verdeutlichung des Gesamtsystems werden im Folgenden die vereinfachten Blockschaltbilder der Gießerei dargestellt.

Hauptsystem

Hauptsysteme Gießerei

1 Energielieferant 2 Stofflieferant 3 Frachtführer 4 Gießerei

SimGiess (C#)

hhh ●

fgt ☻

12_lll ●

jtrre

Interne Tabelle

Excel-Tabelle

ZGraphen

Baum-ansicht

DB Access

Ptolemy II Simulator

SimulGiess

(XML)

Custom Classes

Logging

NH Messenger

(C#, Java)


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Abbildung: Hauptsysteme der Gießerei anhand der GUI-Grafik „Hauptsysteme“

Subsysteme

Subsysteme Gießerei

4.1 Abfallsandaufbereitung 4.2 Kernmacherei 4.3 Grundstofflager 4.4 Kernlager 4.5 Schmelzbetrieb 4.6 Kokillengießplatz 4.7 Nachbehandlung 4.8 Prüfen

Abbildung: Materialfluss von SimGiess anhand der GUI-Grafik „Subsysteme 4.1 – 4.7“. Subsystem 4.8 wird in der kommenden Version Subsystem 4.7 nachgeschaltet.


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(Bitte beachten: das neu vorgesehene Subsystem 4.8 existiert in Version 1.4.7 nicht und ist daher in der Grafik nicht aufgeführt.)

Maschinen

Definition der Maschinenkategorien und Darstellung ihrer Ausprägungen [1] Cold-Box Kernschießmaschine incl. Filteranlage

Cold-Box Kernschießmaschine 1-3

[2] Hot-Box Kernschießmaschine Hot-Box Kernschießmaschine 1-3

[3] Croning Kernschießmaschine [4] Schmelzofen

Induktionsrinnenofen 1-3 Induktionstiegelofen 1-3

[5] Warmhalteofen

[6] Entkernmaschine incl. Filteranlage Entkernmaschine 1-3

[7] Bandsäge incl. Filteranlage Bandsäge 1-3

[8] Sandstrahlanlage Sandstrahlanlage 1-3

[9] Bandschleifer [10] Prüfplatz

Ultraschallprüfplatz Röntgenprüfplatz

[11] Gießmaschine Gießmaschine 1-3

[12] Abfallsandaufbereitung Abfallsandaufbereitung 1-3

[13] Lagerung Kernlager [14] Lagerung Grundstofflager (Bitte beachten: durchgestrichene Einträge [3], [5], [9] sind in der Software Version 1.4.7 noch enthalten, entfallen aber in der zukünftigen Simulation. Bitte beachten: die Zuordnungen basieren auf denen der Software Version 1.4.7. In der kommenden Version kann sich u.U. die Zuordnung der Maschinen zu Maschinenkategorien noch ändern, da die Unterteilung vom gewählten Simulationssystem abhängt und daher implementationsabhängige Änderungen nötig werden könnten.)


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Maschinenbeschreibungen

Zuordnung von Maschinenkategorien zu Subsystemen

Tabelle 1: Maschinenkategorien pro Subsystem. Zuordnung der Subsysteme 1-8 zu oben definierten Maschinenkategorien über deren Indices.

Maschine/ Subsystem

[1] [2] [4] [6] [7] [8] [10] [11] [12] [13] [14]

Subsystem 4.1 Abfallsandaufbereitung

- - - - - - - - x - -

Subsystem 4.2 Kernmacherei

x x - - - - - - - - -

Subsystem 4.3 Grundstofflager

- - - - - - - - - - x

Subsystem 4.4 Kernlager

- - - - - - - - - x -

Subsystem 4.5 Schmelzbetrieb

- - x - - - - - - - -

Subsystem 4.6 Kokillengießplatz

- - - - - - - x - - -

Subsystem 4.7 Nachbehandlung Putzen

- - - x x x - - - - -

Subsystem 4.8

Nachbehandlung Prüfen

- - - - - - x - - - -

Materialien

Definition der Materialien (1) Altsand (2) Formsand (3) kontaminierter Altsand (4) Binder (5) - (6) Abgase (7) Kerne (8) AL-Rohmetall (9) AL-Schrott (10) Wasser (11) Gießgut


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(12) Abwasser (13) Schlacke (14) Gussstücke roh oder teilbearbeitet (15) Gussstücke endbearbeitet (16) Staub (17) Energie (Bitte beachten: ein Material (5) existiert nicht.)

Zuordnung von Materialien zu Maschinenkategorien

Materialverbrauch

Tabelle 2: Eingangsmaterialien pro Maschinenkategorie. Zuordnung der oben definierten Materialien zu oben definierten Maschinenkategorien über ihre Indices.

Maschine/ Material

[1] [2] [4] [6] [7] [8] [10] [11] [12] [13] [14]

(1) - - - - - - - - x - -

(2) x x - - - - - - x - x

(3) - - - - - - - - - - -

(4) x x - - - - - - - - x

(6) - - - - - - - - - - -

(7) - - - - - - - x - x -

(8) - - x - - - - - - - x

(9) - - x - - - - - - - x

(10) - - x - - - - x - - -

(11) - - - - - - - x - - -

(12) - - - - - - - - - - -

(13) - - - - - - - - - - -

(14) - - - x x x x - - - -

(15) - - - - - - - - - - -

(16) - - - - - - - - - - -

(17) - - - - - - - - - - -

Materialabgabe

Tabelle 3: Ausgangsmaterialien pro Maschinenkategorie. Zuordnung der oben definierten Materialien zu oben definierten Maschinenkategorien über ihre Indices.


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Maschine/ Material

[1] [2] [4] [6] [7] [8] [10] [11] [12] [13] [14]

(1) x x - x - - - - - - -

(2) - - - - - - - - x - x

(3) - - - - - - - - x - -

(4) - - - - - - - - - - x

(6) x x - - - - - - x x -

(7) x x - - - - - - - x -

(8) - - - - - - - - - - x

(9) - - - - x - - - - - x

(10) - - - - - - - - - - -

(11) - - x - - - - - - - -

(12) - - x - - - - x - - -

(13) - - x - - - - - - - -

(14) - - - x x x - x - - -

(15) - - - - - - x - - - -

(16) - - - - - x - - - - -

(17) - - - - - - - - - - -

Eingangsparameter Parameter wirken sich direkt auf die Simulation aus, indem sie z.B. die Produktivität von Subsystemen bzw. Maschinen beeinflussen. Die unterstrichenen Parameter stellen Fixwerte dar, die der Lernende nicht explizit ändern kann, sondern deren Einstellungen in der Datenbank hinterlegt sind oder die sich indirekt ergeben. Auf ihre Belegung hat nur der Administrator bzw. Lehrer Zugriff bzw. sie ergeben sich erst im Laufe der Simulation. Der Schüler kann den Einfluss der Parameter nur implizit geltend machen, indem er eine Entität als Auswahl einer Kategorie trifft. Die Parameterbelegung dieser Entität wird dann in der Simulation angewandt.

Initiale Produktauswahl Der Lernende entscheidet sich für die Produktion eines beispielhaften Gießereiproduktes und legt damit verschiedene Parameter fest, die eine Grundlage der späteren Simulation sind. Zur Auswahl stehen drei Produkte mit unterschiedlichen Kennwerten.


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Abbildung: Beispielhaftes Gussprodukt

Gussstückdefinition (aus initialer Produktauswahl): • Volumen [dm^3] • Masse [kg] • Anzahl Speiser • Größe Oberfläche [cm^2]

Kerne (aus initialer Produktauswahl): • Volumen [dm^3] , Masse [kg]

Arbeitskräfte Die Arbeitskräfte werden den Maschinen schichtweise zugeordnet und haben durch ihre Qualifikation, ihre Fortbildungen, ihre Motivation, ihre Erfahrung und ihre Entlohnung entscheidenden Anteil an der Produktivität der jeweiligen Maschine und am Gesamtergebnis der Gießerei.

• Vorname, Nachname • Lohn [EURO/Monat] • Alter [Jahre] • Betriebszugehörigkeit [Monate] • Produktivitätsfaktor, errechnet sich aus

o Formale Qualifikation (Qualifikationsparameter) Ungelernte Arbeitskraft (0.0) Angelernte Arbeitskraft (0.5) Facharbeiter ohne Berufserfahrung (0.75) Facharbeiter mit Berufserfahrung (1.0)

o Motivation ändert sich im Laufe der Simulation

• negativ durch Routine • positiv durch motivierende Ereignisse (spätere Ausbaustufe!)


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o Fortbildungen Arbeitssicherheit

• Allgemeine Kenntnisse der Arbeitssicherheit

Formsandaufbereitung • Aufbereitungsseminar zum Thema

Formsandaufbereitung Gabelstaplerführerschein

• Kenntnisse im Umgang mit Gabelstaplern

Umgang mit Gefahrstoffen • Hier wird der Umgang mit chemischen

Gefahrstoffen vermittelt. o Erfahrung

steigt pro Schicht um gewissen Wert bis zu einem Maximum (Lernkurve).

Die detaillierte Darstellung der Herleitung sowie Abbildung der Erfahrung wurde von der AG Medienkonzeption entwickelt und ist in deren Darstellung im Zwischenbericht nachzulesen.

o Physische Arbeitsbelastung siehe dazu: Maschinenkategorien -> alle Maschinen

• Arbeitseinsatz o Zuweisung einer oder mehrerer Arbeitskräfte zu einer Maschine o Schichtbelegung Früh/Spät/Nacht

Hauptsystem Dies sind die Zulieferer des Hauptsystems und ihre Parameter.

Energielieferant • Name • Kosten

o Hauptzeit [Cent/kWh] o Nebenzeit [Cent/kWh]

• Beschreibungen o Energielieferant 1: „Setzt auf Ökostrom“ o Energielieferant 2: „Setzt auf Ökostrom“ o Energielieferant 3: „Setzt auf Importstrom aus Frankreich“

Stofflieferant

• Name • Kosten [Euro/t] • Beschreibungen

o Stofflieferant 1: „Bezieht Material aus dem Umland“ o Stofflieferant 2: „Bezieht Material aus dem Ausland“


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o Stofflieferant 3: „Bezieht Material aus Übersee“

Frachtführer • Name • Kosten [Euro/t] • Beschreibungen

o Frachtführer 1: „Spedition aus dem Umland“ o Frachtführer 2: „Spedition aus einem Nachbarbundesland“ o Frachtführer 3: „Spedition aus dem Ausland“

Maschinenkategorien Alle Maschinen haben einen festgelegten Materialfluss mit „Eingangsmaterialien“ und „Ausgangsmaterialien“. Dieser ist weder vom Ausbilder noch vom Lernenden veränderbar. Als Material werden in diesem Zusammenhang auch Energie, Abwärme und Abgase betrachtet. Im Folgenden sind Maschinenkategorien aufgeführt, da jeweils alle Maschinen einer Kategorie dieselben Parameter aufweisen, die dann mit jeweils unterschiedlichen Werten belegt sind. Unterschiede existieren zwischen den Maschinen einer Kategorie in Bezug auf interne Parameterwerte wie bspw. maximaler Durchsatz, Energieaufnahme usw. Inputs sind Materialien wie z.B. Binder oder Formsand. Outputs sind Produkte wie z.B. Kerne oder Gussstücke und zusätzliche Materialien wie Abgase oder kontaminierter Altsand. Alle Maschinen führen potentiell zu einer Belastung des Arbeiters eines Teilsystems durch Hitze und Abgase und führen zur Demotivierung.

[1-14] Alle Maschinen • Anzahl der Arbeitskräfte/ Schicht • Produktivitätsfaktor

o Qualifikation der Arbeitskräfte o Motivation der Arbeitskräfte o Erfahrungen der Arbeitskräfte o Physische Arbeitsbelastung der Arbeitskräfte

Die Belastung entsteht durch verschiedene Expositionen der Maschinen und beeinträchtigt die Leistungsfähigkeit der Arbeitskräfte.

• Belastung durch Stäube (Grenzwert) • Belastung durch Gase (Grenzwert) • Belastung durch Lärm (Grenzwert) • Belastung durch Wärme (Grenzwert)

o Fortbildungen der Arbeitskräfte

[1] Cold-Box Kernschießmaschine incl. Filteranlage • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Volumen & Masse eines Kerns [dm^3],[kg] (aus initialer Produktauswahl)


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• Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Beschreibungen

o Cold-Box Kernschießmaschine 1-3: Dieses Verfahren zählt zu den kaltaushärtenden Begasungsverfahren. Es ermöglicht eine schnelle, maschinelle Kernherstellung bei Raumtemperatur. Die Aushärtung erfolgt dabei durch eine Polyadditionsreaktion. Dafür werden zwei Komponenten verwendet: Harz (z.B. Phenolharz) und Polyisocyanatkomponente in Lösungsmitteln. In der Verwendung dieser Katalysatoren liegt allerdings auch der größte Nachteil des Verfahrens. Durch die Begasung mit Aminen kommt es z.T. zu starken Geruchsbelästigungen am Arbeitsplatz, aber auch in der direkten Nachbarschaft der Gießerei. Um dies zu vermeiden, müssen die Amine vollständig abgesaugt und einem speziellen Gießereiabgaswäscher zugeführt werden. Auch beim Gießen kommt es beim Einsatz von Cold-Box-Kernen zu Emissionen, die zusätzliche Geruchsbelästigungen nach sich ziehen. Weiterhin wird die Umwelt aufgrund der aufwendigen Regenerierung der Gießereialtsande belastet. Diese werden deshalb auf Deponien entsorgt, was sich zudem nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens niederschlägt.

• Binderviskosität (evtl. weglassen!) • Menge Formsand [kg] (über Volumen/Masse der Kerne) • Ideale Taktzeit pro Kern [sec] • Energie-Aufnahmeleistung Filteranlage [kW]

[2] Hot-Box Kernschießmaschine • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Volumen & Masse eines Kerns [dm^3], [kg] (aus initialer Produktauswahl) • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Beschreibungen

o Hot-Box Kernschießmaschine 1-3: Das Hot-Box-Verfahren ist ein heißaushärtendes Kernherstellungsverfahren. Dabei sind die Sandkörner mit einem dünnflüssigen Kunstharzbinder (Phenolharz oder Furanharz) umhüllt. Die Aushärtung der Kerne findet im heißen Kernkasten bei 150 – 300°C statt. Es handelt sich um eine Polykondensationsreaktion, bei dem eine dem Kernsand beigemischte Säure (wässerige Lösung aus Ammoniumsalzen) aufgrund der Erwärmung frei wird und eine Aushärtung der Randschicht binnen kurzer Zeit ermöglicht. Der Kern kann dann entnommen werden und härtet aufgrund der exothermen Härtereaktion an der Luft vollständig aus. Mit Hot-Box-Kernen sind gute Gussergebnisse, mit hoher Maßgenauigkeit, erzielbar. Die Zerfallseigenschaften nach dem Gießen sind sehr gut. Nachteilig an dem Verfahren ist die geringe Sofortfestigkeit der Kerne. Es


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entstehen außerdem hohe Energie-, Werkzeug- und Rüstkosten bei mittleren Taktzeiten. Um glatte Oberflächen zu erzielen müssen die Kerne geschlichtet werden. Hohe Emissionen von Schadstoffen (Formaldehyd, Phenol, Ammoniak) werden bei der Kernherstellung freigesetzt. Diese müssen erfasst und in einem Gießereiabgas-wäscher neutralisiert werden. Eine weitere Arbeitsplatzbelastung entsteht durch die Hitze der Werkzeuge. Das Hot-Box-Verfahren wird gegenwärtig weiterhin Verwendung finden. Der Trend ist allerdings, wie bei allen heißaushärtenden Kernherstellungsverfahren, rückläufig.

• Menge Formsand [kg] (über Volumen/ Masse der Kerne) • Ideale Taktzeit pro Kern [sec]

[4] Schmelzofen • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Energiegrundverbrauch [kW/h] (um Schmelzsumpf warm zu halten) • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Beschreibungen

o Induktionsrinnenofen 1-3: Induktionsrinnenöfen werden für das Schmelzen und das Warmhalten von Aluminium- und Kupfergusslegierungen eingesetzt, bei Gusseisenwerkstoffen dienen sie dem Analysen- und Temperaturausgleich, als Wärmehalteöfen sowie als Schmelzdosiereinrichtungen beim Gießen. Bei Induktionsrinnenöfen wird ein Wechselstrom in der in einer Rinne fließenden Schmelze erzeugt und die induzierte Leistung in Wärme umgewandelt. Die in der Rinne befindliche wärmere Schmelze strömt durch den thermischen Auftrieb in den oberen Ofenraum, während die kältere Schmelze aus dem Ofenraum der Rinne zufließt. Typisch ist für die Induktionsrinnenöfen der Sumpfbetrieb. D.h., es ist für das Funktionieren der Öfen erforderlich, dass sich stets Schmelze in der Rinne (Sumpf) befindet. Demzufolge darf auch beim Abstechen (Entnahme des Metalls) nicht die gesamte Schmelze aus dem Schmelzofen entfernt werden.

o Induktionstiegelofen 1-3: Der Induktionstiegelofen ist ein Schmelzofen. Verwendung findet er vor allem bei der Herstellung von Gusseisen sowie beim Schmelzen von Stahlguss, Aluminium- und Kupfergusslegierungen. Induktionstiegelöfen bestehen aus einem Tiegel mit Feuerfestauskleidung und seitlich oder am Boden angeordnetem Induktor. Das angelegte Wechselmagnetfeld erzeugt in der Schmelze einen Wechselstrom, wodurch sich die Schmelze erwärmt. Die Eindringtiefe des induzierten Stromes in die Schmelze ist gering und von der Frequenz abhängig. Von der äußeren Randschicht aus wird die Wärme durch Konvektion übertragen, was zu einer intensiven Schmelzbadbewegung sowie zu einer


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Schmelzüberhöhung führt. Da die Schmelzbadbewegung mit zunehmender Ofenleistung steigt, ist die Ofenleistung begrenzt.

• Menge Al-Rohmetall • Menge Al-Schrott

[6] Entkernmaschine incl. Filteranlage • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Anzahl Kerne • Volumen Kerne [dm^3] (aus initialer Produktauswahl) • Anzahl Gusstücke roh • Beschreibungen

o Entkernmaschine 1-3: Entkernen beschreibt den Prozess des Zerstörens der verlorenen Kerne und des Entfernens der Kernreste einschließlich Kerneisen aus dem Gussstück. Die Arbeit wird von einer Entkernmaschine ausgeführt. Durch Drehbewegungen in bestimmte Positionen und gleichzeitiger Einleitung von Schlagenergie wird ein optimales Ausrieseln des thermisch belasteten Kernsandes erreicht. Zur optimalen Säuberung wird zusätzlich Druckluft in die Gussteilinnenräume geblasen. Derartige Anlagen sind nach gültigen Normen schallgeschützt ausgeführt, die Beschickung der Anlage kann per Hand oder automatisch erfolgen.

• Filteranlage an/aus • Energie-Aufnahmeleistung Filteranlage [kW]

[7] Bandsäge incl. Filteranlage • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Anzahl Gusstücke roh • Anzahl Speiser (aus initialer Produktauswahl) • Beschreibungen

o Bandsäge 1-3: Werkzeugmaschine mit umlaufendem Sägeband, im Gießereibetrieb verwendet zum Trennen der Gussstücke vom Kreislaufmetall, besonders beim Leichtmetallguss sowie zur Modellherstellung.

• Filteranlage an/aus • Energie-Aufnahmeleistung Filteranlage [kW]

[8] Sandstrahlanlage • Betriebskosten [Euro/Schicht]


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• Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Anzahl Gusstücke roh • Oberfläche Gussstücke [cm^2] (aus initialer Produktauswahl) • Beschreibungen

o Strahlanlage 1-3: „Die Oberflächen von Gussteilen, die mit Sandformen hergestellt worden sind, müssen mit Strahlanlagen von Sandresten gereinigt werden. Hinsichtlich der dazu notwendigen Einrichtungen wird zwischen Druckstrahlanlagen und Schleuderstrahlanlagen unterschieden. Beide Anlagenformen verwenden heute fast ausschließlich metallische Strahlmittel (Gussschrot, Drahtkorn). Die Oberflächenreinigung mit Schleuderstrahlanlagen erfolgt durch Beschleunigung des Strahlmittels mit Schleuderrädern, wobei das Strahlmittel auf die Gussteiloberfläche gerichtet ist. Druckstrahlanlagen arbeiten mit Strahlmittel im Druckluftstrom.“

[10] Prüfplatz

• Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Anzahl Gusstücke roh • Beschreibungen

o Prüfplatz 1-3: Am Prüfplatz wird festgestellt, ob ein Prüfgegenstand eine oder mehrere vereinbarte oder vorgeschriebene oder erwartete Bedingungen erfüllt, insbesondere, ob vorgegebene Fehlergrenzen oder Toleranzen eingehalten werden. Mit dem Prüfen ist somit immer eine Entscheidung verbunden. Das Prüfen kann subjektiv durch Sinneswahrnehmung oder objektiv mit Mess- oder Prüfgeräten geschehen.

[11] Gießmaschine • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Beschreibungen

o Gießmaschine 1-3: Maschine oder maschinelle Einrichtung zum Gießen nach bestimmten Verfahren, z. B. Kokillengießmaschine, Druckgießmaschine. Beim Gießen leicht oxidierbarer und zu Einschlüssen neigender Gusswerkstoffe in Kokillen kommt es darauf an, dass beim Einfüllen der Schmelze eine möglichst laminare Strömung erreicht wird.


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Dafür ist es notwendig, die Kokille beim Angießen leicht anzukippen um sie im Laufe der Formfüllung wieder in die Endlage aufzurichten. Die elektronische Steuerung heutiger Kokillengießmaschinen ermöglicht eine frei wählbare Gießgeschwindigkeit und frei wählbare Kippwinkel, so dass die Ausströmungsgeschwindigkeit aus der Pfanne und die Kokillenbewegung genau aufeinander abgestimmt werden können.

• Anzahl Kerne • Gussstückdefinition (aus initialer Produktauswahl):

o Volumen [dm^3] o Masse [kg] o Anzahl Speiser o Größe Oberfläche [cm^2]

• Menge Al-Schmelze [kg]

[12] Abfallsandaufbereitung • Abfallsandaufbereitung an/aus • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Menge Abfallsand • Menge Neusand • Beschreibungen

o Abfallsandaufbereitung 1-3: Abfallsand, auch genannt Restsand, ist aus der Formstoffaufbereitung ausgeschiedener Sand. Er wird durch Zusatz von Neusand aufgefrischt und steht dann wieder z.B. zur Kernherstellung zur Verfügung. Die Sandaufbereitung ist die Herstellung eines Fertigsandes für die Sand- oder Maskenformerei oder für die Kernmacherei. Die Formstoffeigenschaften müssen auf die in den nachfolgenden Prozessstufen auftretenden Beanspruchungen abgestimmt sein. Dies muss unter Berücksichtigung der verfügbaren Rohstoffqualitäten, der vorhandenen Ausrüstungen und der spezifischen Besonderheiten des Fertigungsprozesses erfolgen. Es wird zwischen Formsandaufbereitung und Kernsandaufbereitung unterschieden.

• Betriebskosten [Euro/Schicht]

[13] Lagerung Kernlager • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Beschreibung

o Ein Kern ist in diesem Zusammenhang eine verlorene Gießform aus Formsand & Binder, die dazu dient, Hohlräume im Inneren von Gussteilen


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zu ermöglichen. Der Kern wird nach dem Guss z.B. durch Schlagenergie und Druckluft zerstört und der Formsand steht nach seiner Aufbereitung erneut zur Kernherstellung zur Verfügung. Um einen reibungslosen Ablauf des Gussprozesses zu ermöglichen, werden Kerne in großer Stückzahl vorproduziert und im Kernlager bis zu ihrem Verbrauch zwischengelagert.

[14] Lagerung Grundstofflager • Betriebskosten [Euro/Schicht] • Max. Durchsatz [Stk/h] • Energie-Aufnahmeleistung [kW] • Anzahl Arbeiter [1/Schicht] • Schichtart Früh/Spät/Nacht • Beschreibung

o Die Grundstoffe zur Gussteilherstellung sind Aluminium-Rohmetall, Aluminium-Schrott, Sand & Binder. Sie werden im Grundstofflager bereitgestellt.


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Beispiel-Datenbankeintrag Diese Datenbanktabelle zeigt zu Illustrationszwecken die Betriebskosten „Prod_costs“, den maximalen Durchsatz „Throughput“ und die Energie-Aufnahmeleistung „energy“ (Verwendung s.o.). Diese Werte können in Zukunft noch so verändert werden, dass sie einerseits plausibel sind, andererseits zu den gewünschten aussagekräftigen Ergebnissen führen.


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Literatur Giessereitechnik kompakt. Werkstoffe, Verfahren, Anwendungen. Giesserei-Verlag GmbH, Düsseldorf, 2003. Schiele & Schön: Giesserei Lexikon. Berlin, 17. Auflage, 1997.

Förderung des nachhaltigen Handelns von mittleren ... · dynamische Prozess musste dafür in ein...

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