Trends, Methoden und Grundsätze moderner Fabrik- und Produktionsplanung

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einführung

2 Herausforderungen und Entwicklungstendenzen der Fabrik der Zukunft
2.1 Schneller und fehlerarmer Produktionsanlauf
2.2 Rechnergestützte Planung
2.3 Integrierte Fabrikplanung
2.4 Veränderungsfähige Fabriksysteme

3 Grundsätze der modernen Fabrik- u. Produktionsplanung
3.1 Begriff und Umfang der Fabrik- und Produktionsplanung
3.2 Kooperation und Integration als Kernelemente von Planungsansätzen
3.3 Standardisierung als Planungsgrundsatz
3.4 Wertstromorientierung als Basis für die Auslegung von Fabriken
3.5 Wandlungsfähigkeit durch innere und äußere Mobilität

4 Digitale Fabrik - Bindeglied zwischen Planung und Fabrikkonzepten
4.1 Digitale Fabrikplanung
4.2 Moderne Werkzeuge der digitalen Fabrikplanung

5 Modelle und Konzepte der zeitgemäßen Fabrik- und Produktionsplanung
5.1 Systemeigenschaft wandlungsfähiger Fabriksysteme
5.1.1 Grundlagen
5.1.2 Design for Changeablility
5.1.3 Bewertungsverfahren zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit wandlungsfähiger Fabriksysteme
5.2 Anpassungsfähigkeit durch mobile Fabriken
5.2.1 Grundlagen
5.2.2 Ausgestaltung modularer Strukturen
5.2.3 Anwendung der mobilen Fabrik
5.3 Die Minifabrik als Zukunft effizienter Produktion
5.3.1 Wesen und Einsatzfelder der Minifabrik
5.3.2 Anforderungen und Aufbau einer Minifabrik
5.4 Die Virtuelle Fabrik als Beispiel für kollaborative Produktion

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Turbulentes Umfeld von Produktionsunternehmen

Abbildung 2: Spannungsfeld der Fabrikplanung

Abbildung 3: Veränderungstypen der Fabrik aus Systemsicht

Abbildung 4: Arten und zeitliche Dimensionen fabrikplanerischer Wandlungsfähigkeit

Abbildung 5: Ansatzpunkte zur Gestaltung der Wandlungsfähigkeit

Abbildung 6: Vorgehensweise der Doppelhelix-Fabrikplanung

Abbildung 7: Digitale Fabrik schließt die Lücke zwischen PDM- und ERP-Systemen

Abbildung 8: Planungstisch zur Anordnungsplanung

Abbildung 9: 3D-Laserscanner

Abbildung 10: Modulare Baukastenstruktur

Abbildung 11: Beispiel einer Produktionsstrukturmatrix

Abbildung 12: Chancen der mobilen Fabrik

Abbildung 13: Nutzen der mobilen Fabrik

Abbildung 14: Der Ansatz der mobilen Fabrik

Abbildung 15: Anforderungen an das Konzept der Minifabrik

Abbildung 16: Vor- und Nachteile der Minifabrik gegenüber einem Serienfertiger

Abbildung 17: Mobile Fügezelle

Abbildung 18: Die Factory on Demand im Kollaborationsnetzwerk der Virtuellen Fabrik

Wenn man sich nicht um die Zukunft kümmert, wird man die Gegenwart stets bedauern

(Chinesisches Sprichwort)

1 Einführung

Unternehmen sind in der heutigen Zeit einem turbulenten Umfeld ausgesetzt (vgl. Abb. 1). Der Wandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt hat zur Folge, dass die Zahl der Produktvari- anten relativ zur Anzahl der insgesamt abgesetzten Einheiten stark zunimmt. Gleichzeitig unterliegen die Preise den Folgen eines Überangebots. Der hohe Wettbewerbsdruck führt dazu, dass die Marktreife („Time-to-Market“) der Produkte immer schneller erreicht werden muss. Weitere sich dynamisch ändernde Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die Glo- balisierung der Waren- und Informationsflüsse, die rasanten Entwicklungen in der Logistik- und der Kommunikationstechnik und der Einfluss von Standorten mit unterschiedlichen Markt- und Kostenstrukturen führen zu einer Intensivierung des Wettbewerbs in einer zuvor nie erlebten Geschwindigkeit. Dies verstärkt die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Anpas- sungsfähigkeit der Fabrik- und Produktionsstruktur an das gegebene Unternehmensumfeld und die Beherrschung der zunehmenden Variantenkomplexität bei gleichzeitiger Optimierung von Kosten und Qualität.

Je nach Veränderungshäufigkeit sind die Organisations- und Produktionsstrukturen des Un- ternehmens auf deren Wettbewerbsfähigkeit zu prüfen und gegebenenfalls anzupassen. Da- bei stellt sich die Frage wie die zukünftige Fabrik gestaltet werden kann, um den gegenwärti- gen und künftigen Anforderungen zu entsprechen. Parolen wie kontinuierliche Verbesserung, Konzentration auf die Kernkompetenzen und Reduzierung der Fertigungstiefe durch kollabo- rative Zusammenarbeit mit den Wertschöpfungspartnern sind gegenwärtig in aller Munde. Diese Anstöße reichen jedoch allein nicht aus, um langfristig eine wirtschaftliche Produkti- onsstruktur aufzubauen. Vielmehr müssen diese Ansätze durch weitere fabrik- und produkti- onsspezifische Inhalte erweitert werden. Die neuste Delphi-Studie und die aktuellsten Er- gebnissen deutscher Forschungsinstitute haben aufgezeigt, wie die zukunftsfähige Fabrik auszusehen hat: kleine, flexible und schnell wandlungsfähige Produktionseinheiten auf mo- dularer Basis, die über „temporäre Netzwerke“ verbunden sind und teilweise nur für eine be- grenzte Zeit mit einem bestimmten Produkt einen bestimmten Markt bedienen.¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Turbulentes Umfeld von Produktionsunternehmen.

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Baumeister (2003), S.2.

2 Herausforderungen und Entwicklungstendenzen der Fab- rik der Zukunft

2.1 Schneller und fehlerarmer Produktionsanlauf

Der stetig zunehmende Grad der Produktdiversifikation sowie die immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen haben zur Folge, dass immer mehr Serienanläufe in kürzeren Zeitperi- oden realisiert werden müssen. Entsprechend erhöhen sich die Planungsfrequenz und die -geschwindigkeit. Durch die zunehmende Vergabe von Entwicklungs- und Wertschöpfungs- anteilen an externe Partner, als auch durch eine Mixproduktion mehrerer Baureihen auf einer Fertigungslinie, steigt die Komplexität der Anlaufphase. Einem wichtigen Erfolgsfaktor stellt daher ein schneller und fehlerarmer Produktionsanlauf (Ramp-up) dar, da vor allem die frühe Phase des Produktlebenszyklus entscheidend für eine positive Gesamtrendite des Erzeug- nisses ist. Das Anlaufmanagement muss daher als Kernkompetenz des Herstellers verstan- den werden und von seinem projekthaften Charakter in einen systematisierten Prozess transformiert werden.²

2.2 Rechnergestützte Planung

Die Berücksichtigung aller Einfluss- und Störgrößen im Rahmen eines Produktanlaufs, wäre ineffizient und zugleich unmöglich. Um sich den teilweise sehr dynamisch verändernden Rahmenbedingungen bzw. Planungsgrundlagen aktiv zu begegnen, ist vielmehr eine Ver- besserung der Reaktionsfähigkeit vor und während des Anlaufs notwendig. Mit Hilfe compu- tergestützter Methoden und Modelle, wie beispielsweise der Digitalisierung der Fabrik bzw. Produktion und der Simulation, können anlaufkritische Einflussgrößen im Vorfeld identifiziert und entsprechende Reaktionsstrategien entwickelt werden, um im Bedarfsfall reagibel han- deln zu können. Ziel ist es, ein anlaufrobustes Produktionssystem zu entwickeln.³

Um die Potenziale, die sich aus einer Optimierung des magischen Vierecks⁴ im Planungsablauf ergeben, zu realisieren ist es notwendig eine durchgängige und integrierte Plattform für alle Planungsbereiche zu schaffen, die sowohl über eine gemeinsame Datenbasis als auch über integrierte Werkzeuge, Methoden und Standards verfügt. Dies schließt eine Integration der CAD- und ERP-Systeme, der Produktentwicklung und der Produktionssteuerung sowie des Wissensmanagements mit ein.⁵

2.3 Integrierte Fabrikplanung

Da die Halbierung der „Time-To-Market“ unmittelbaren Einfluss auf den zur Verfügung ste- henden Planungszeitraum der Fabrik- und Produktionsplanung hat, sind neue Planungskon- zepte erforderlich um diesem Zeitdruck entgegenzutreten - ohne dabei die Qualität bzw. den Kostenrahmen der Planungen zu beeinträchtigen (vgl. Abb. 2). In diesem Zusammenhang sind die Ansätze der Parallelisierung der Planungsaufgaben, vergleichbar mit dem Simulta- neous Engineering in der Produktentwicklung, durch weitere kooperative und integrative An- sätze zu ergänzen. Diese werden durch eine effektive fach- oder funktionsübergreifende Zu- sammenarbeit aller am Planungsprozess beteiligten Disziplinen realisiert.⁶ Entsprechend gilt es die externen Partner in den Planungsprozess zu integrieren, um durch eine kontinuierli- che Synchronisation der Abläufe zwischen den extern beauftragten Unternehmen und dem auftraggebenden Unternehmen schnell auf sich ergebende Veränderungen im Planungsprozess reagieren zu können.⁷

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Spannungsfeld der Fabrikplanung.

Quelle: Jung (2003), S. 7-6.

Um nachhaltige und damit zukunftsrobuste Planungsergebnisse realisieren zu können, müssen die einzelnen Teilaufgaben der Fabrikplanung prozessorientiert und ebenfalls integriert betrachtet werden und Material-, Informations-, Personal-, Arbeits-, Energie-, Medien- und Kapitalflüsse simultan geplant werden.⁸

2.4 Veränderungsfähige Fabriksysteme

Um in einem turbulenten Unternehmensumfeld die betrieblichen Strukturen schnell und flexibel an die dynamischen Rahmenbedingungen anpassen zu können, ist eine entsprechende Veränderungsfähigkeit des Fabriksystems notwendig.

Strukturkoppelung und Transformation sind die zwei Arten der Veränderung mit denen eine langfristig erfolgreiche Fabrik- und Produktionsstruktur reagieren kann. Bei einer Modifikation des Material- oder Informationsflusses der Fabrik in einem vorgegebenen Regelmechanis- mus und Freiheitsgrad liegt eine flexible Reaktion vor. Bei einer Transformation wird die Sys- temstruktur der Fabrik und des Produktionsprozesses grundlegend verändert (Transformati- onsprozess). Er bedingt eine völlige Neubildung der Systeme, Subsysteme und Strukturen des Fabrikkonzeptes (vgl. Abb. 3). Die Basis für eine Transformation ist die Wandlungsfä- higkeit der Fabrik, die aus den Systemeigenschaften Dynamik, Komplexität und Vernetztheit bestimmt wird.⁹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Veränderungstypen der Fabrik aus Systemsicht.

Quelle: Hernández (2003), S. 8-3.

Der Begriff der Wandlungsfähigkeit eines Fabriksystems, geht über den Begriff der Flexibilität hinaus und erweitert diesen um die Determinante der Zukunftsrobustheit. Die Wandlungsfähigkeit ist damit die Fähigkeit, sowohl proaktiv (langfristig) als auch reaktiv (kurzfristig) auf geplante und ungeplante bzw. unvorhersehbare Entwicklungen in allen Fabrikstrukturebenen¹⁰ effektiv und effizient zu reagieren.¹¹ Notwendige Eingriffe in die Struktur der Produktions- und Logistikabläufe, sowie der Gebäudestruktur erfolgen entsprechend mit minimalem Ressourcenaufwand (vgl. Abb. 4).¹² Diese Entwicklungen können sowohl durch unternehmensexterne als auch durch -interne Ereignisse induziert sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Arten und zeitliche Dimensionen fabrikplanerischer Wandlungsfähigkeit.

Quelle: Wiendahl/Hernández (2002), S. 137.

Die Wandlungsfähigkeit der Fabrik- bzw. Produktionsstruktur ist ein entscheidender Wettbe- werbsfaktor für Unternehmen mit einem komplexen Produktportfolio (u.a. Automobilherstel- ler/-zulieferer)¹³, da die Planungsfähigkeit aufgrund des sich dynamisch ändernden Unter- nehmensumfelds reduziert ist und gleichzeitig die Schere zwischen der Produktlebensdauer und der Lebensdauer des Produktionssystems immer weiter aufgeht.¹⁴ Die Wandlungsfähig- keit des Fabriksystems wird daher in den kommenden Jahren eine Schlüsselrolle im Bereich der Fabrikplanung einnehmen.

Das Ziel ist es, die vorhandene Produktionsstruktur an das gegebene Produkt, den Prozess und die Entwicklungen des Marktes entsprechend anzupassen. Dabei gilt es, den Aufwand für die flexible Nutzung und die Verlagerung von Produktionskapazitäten zu minimieren. Fab- riksysteme, die aus einzelnen flexiblen, mobilen und modularen Fabrikkomponenten aufge- baut sind, dienen der physisch technischen Umsetzung der Wandlungsfähigkeit.¹⁵

Zwar wird heutzutage einerseits durch Standardisierung und Modularisierung der Produkt- komponenten in großen und variantenarmen Großserien produziert. Andererseits wird das Produktportfolio laufend durch neue und gegebenenfalls stark individualisierte Produkte bzw. -gruppen in Kleinserienproduktion erweitert, sodass eine Integration in die bereits bestehenden Fertigungssysteme notwendig ist. Die Fabrik muss in der Lage sein, kurzfristige Absatzschwankungen zu kompensieren.¹⁶

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Ansatzpunkte zur Gestaltung der Wandlungsfähigkeit.

Quelle: Westkämper/Zahn/Balve/Tilebein (2000), S. 26.

Zusammenfassend ergeben sich für eine Fabrik sechs Wandlungsbefähiger:

- Mobilität: örtliche und vorbehaltlose Beweglichkeiten von Fabrikobjekten
- Modularität. standardisierte und vorgeprüfte Elemente bzw. technische Einrichtungen der Fabrik
- Ausdehnungs- und Schrumpfungsfähigkeit. entsprechende Freiheitsgrade zur Erwei- terung bzw. Verkleinerung der Fabrik
- Integrations- und Desintegrationsfähigkeit. für die Ein- bzw. Ausgliederung von Pro- dukten, Fertigungsprozessen oder Betriebsmitteln in vorhandene Strukturen und Ab- läufe
- Funktions- und Nutzungsneutralität. durch Komponenten; die in ihrer Art auf unter- schiedliche Anforderungen, Aufgaben und Funktionen ausgelegt sind
- Vernetzungsfähigkeit, für einen kontinuierlichen Informationsaustausch zwischen ein- zelnen Objekten.¹⁷

Nur das erfolgreiche Zusammenspiel der drei Dimensionen Wandlungsfähigkeit, -kompetenz, und -sicherheit schaffen die Basis für erfolgreiche Wandlungsprozesse einer Fabrik.¹⁸

3 Grundsätze der modernen Fabrik- u. Produktionsplanung

3.1 Begriff und Umfang der Fabrik- und Produktionsplanung

In der Literatur gibt es unterschiedliche Definitionen für den Begriff der Fabrik- und Produktionsplanung. Spur definiert die Planung in der Fabrik als einen „systematischen Prozess der Erkenntnis und der Lösung von Anforderungen und Problemen der zukünftigen Entwicklung in der industriellen Produktion“¹⁹ und somit

- die langfristige Ausrichtung einer Fabrik auf zukünftige Entwicklungen,
- das Erstellen eines Fabrikkonzeptes mit den Planungsphasen der Vor-, Grob, Ideal-, Real- und Feinplanung,
- die Ausführungsplanung,
- die Unterstützung der Realisierungsphase und des Anlaufs bis zur Informationsge- winnung aus dem laufenden Fabrikbetrieb,
- die Planung der Fabriksteuerung und
- das permanente Projektmanagement,²⁰

bei Neubau, Um- bzw. Neugestaltung, Erweiterung, Rückbau und Revitalisierung einer Produktionsstätte.

Die Fabrik- und Produktionsplanung stellt die unmittelbare Basis für eine spätere wirtschaftliche Produktion von Erzeugnissen. Im Mittelpunkt stehen die Standortwahl, die Planung der Gebäude, der Produktion (Fertigung und Montage), der Logistik, der Produktionsorganisation sowie die Berücksichtigung von Mitarbeiterbedürfnissen.²¹

3.2 Kooperation und Integration als Kernelemente von Planungs- ansätzen

Aufgrund des turbulenten Umfelds sind Unternehmen gefordert, ihre Produktionsstrukturen laufend, dynamisch und schnell zu reorganisieren, um weiterhin wettbewerbsfähig zu sein. Diese Notwendigkeit erfordert zwar zum einen geeignete technische Konzepte, andererseits müssen jedoch auch die Methoden des Planungsablaufs selbst optimiert werden, um schnelle und effiziente Planungsergebnisse erarbeiten zu können.

Auch im Fabrik- und Produktionsplanungsprozess verkörpert die Wandlungsfähigkeit einen ausschlaggebenden Erfolgsfaktor für Industrieunternehmen, da durch sie die schnelle An- passung an eine sich ändernde Marktnachfrage realisiert werden kann.²² Das in der Theorie erarbeitete Wissen über die Systematik der Wandlungsfähigkeit einer Fabrik muss im Weite- ren in den Planungsablauf implementiert werden, um diese praktisch umzusetzen. Die ge- wünschte Wandlungsfähigkeit und Zukunftssicherheit des Fabrikkonzeptes sowie der kun- dengerechte Produktionsbetrieb können nur realisiert werden, wenn schon in der frühen Pla- nungsphase entsprechende Grundsteine hierfür gelegt werden. Durch die zeitgleiche und integrierte Planung der räumlichen und der organisatorischen Fabrikstruktur (Fabrikstruktu- rierung), sowie der Festlegung von zukünftigen Material- und Informationsflüssen (Logistik- konzeption), wird die Planungsqualität verbessert und der Planungszeitraum deutlich redu- ziert.

Die Verzahnung zwischen der Erstellung der Fabrikstruktur und der Logistikkonzeption in- nerhalb des Fabrikplanungsprojekts, kann durch alternierende Perioden der Konzentration und Kommunikation optimal realisiert werden. Eine Konzentrationsphase zeichnet sich durch ein getrenntes Arbeiten der Fabrikstrukturierungs- und Logistikteams aus.

[...]

---

¹ Vgl. Wiendahl (2003), S. 226.

² Vgl. Schneider/Lücke (2002), S. 514ff.

³ Vgl. Wiesiger/Housein (2002), S. 505ff.

⁴ Qualitätserhöhung, Flexibilitätserhöhung, Zeiteinsparung, Kostensenkung.

⁵ Vgl. Wiendahl/Hernández (2002), S. 134f.

⁶ Vgl. Wiendahl/Hernández (2002), S. 134f.

⁷ Vgl. Zäh/Cisek/Sudhoff (2003), S. 9-3f.

⁸ Vgl. Wiendahl/Reichhardt/Hernández (2001), S. 186f.

⁹ Vgl. Hernández (2003), S. 8-3ff.

¹⁰ U.a. Fabrikbereich, Produktion-/Logistikbereich, Fertigungs-, Montage-, Logistiksysteme, Arbeitsstation.

¹¹ Vgl. Baumeister (2003), S. 14.

¹² Vgl. Wiendahl (2002), S. 122.

¹³ Vgl. Schuh/Harre/Gottschalk/Kamper (2004), S. 104.

¹⁴ Vgl. Cisek/Habicht/Neise (2002), S. 442.

¹⁵ Vgl. Wiendahl/Hernández (2002), S. 134f.

¹⁶ Vgl. Zäh/Cisek/Sudhoff (2003), S. 9-3ff.

¹⁷ Vgl. Hernández (2003), S. 8-7.

¹⁸ Vgl. Wiendahl/Hernández (2002), S. 137.

¹⁹ Vgl. Spur (1994), S. 5.

²⁰ Vgl. Sauer (2004), S. 31.

²¹ Vgl. Wunderlich (2003), S. 100ff.

²² Vgl. Harms/Lopitzsch/Nickel (2003), S. 232.