Schrittweise Optimierung und Simulation eines produzierenden Unternehmens nach den Grundsätzen der Lean Production durch die Methode Wertstromdesign

Studienarbeit von Matthias Stadler

Einleitung:

Die Globalisierung der Angebots- und Nachfragemärkte führt zu einem immer stärkeren internationalen Wettbewerb von Industrieunternehmen.

Firmen in Industrienationen mit sehr hohen Standortkosten können ihre Wettbewerbsfähigkeit nur dann langfristig halten, wenn sie den Leistungserstellungsprozess sehr effizient gestalten, Güter von sehr hoher Qualität produzieren und permanent auf den sich schnell ändernden Markt reagieren können.

Diese Situation erfordert in den meisten Unternehmen ein Umdenken. Durch den zukünftig noch weiter zunehmenden Innovationswettbewerb kommt der Einführung neuer Produkt- und Produktionstechnologien ein strategischer Stellenwert zu. Die Produktionstechnologien haben dabei nicht nur die Aufgabe, die Produkttechnologien zu ermöglichen, sondern besitzen ein eigenes Potenzial zur Wettbewerbsbeeinflussung. Eine Vernachlässigung der Entwicklung von Produktionsstrategien kann sogar dazu führen, dass die Möglichkeiten und Potenziale der Produktion in der Produktentwicklung nicht ausreichend genutzt werden und technologische Synergien zu spät erkannt werden. Eine schnelle, flexible und kostengünstige Prozessbewältigung muss angestrebt werden, die den Kunden, und die Erfüllung seiner Ansprüche, zum höchsten Ziel erhebt.

Dazu werden die hergestellten Produkte gezielt auf die Befriedigung von Kundenanforderungen hin ausgerichtet und bei Veränderungen schnell daran angepasst. Dies führt zu einer steigenden Zahl von Produktvarianten und kleiner werdenden Losgrößen. Neben der Variabilität des Produktes führt dies zu einem Anstieg der Variabilität des Produktionsprozesses und somit zu einem steigenden Bedarf an Anpassung der zugehörigen Produktionssysteme.

Zur Bewältigung der dargestellten Herausforderungen nutzen Unternehmen hierzu vermehrt die von der Toyota Motor Company entwickelten Prinzipien und Methoden, der ‘Lean’-Philosophie.

Der Blick auf notwendige Prozesse, um Produkte zu erstellen und dem Kunden zur Verfügung zu stellen, ist konzeptcharakteristisch. Ziel des Ansatzes ist eine Unternehmenssteuerung aus einer Perspektive der Prozesse heraus, um darüber für flexible Wertströme zu sorgen und so Nachfrage maßgeschneidert, kostengünstig und schnell entsprechen zu können.

Ausgangssituation und Problemstellung:

Aus Entwicklungen in der industriellen Praxis ist bekannt, dass die Strategien der Gestaltung von Fabrik- und Produktionssystemen besonders in der neueren Zeit erheblichen Veränderungen unterliegen. Zur Bewältigung der Herausforderungen wurden viele verschiedene Strategien propagiert, die oftmals ältere, bewährte Gedanken aufgreifen und modifizieren. Zu nennen sind:

- die Dezentralisierung von Produktionsstrukturen.

- die ‘fraktale Fabrik’.

- die Fertigungssegmentierung.

- die Einführung der Gruppenarbeit.

- die Bildung von Prozessketten.

- die Konzentration von Unternehmen auf ihre Kernkompetenzen.

- die Einrichtung von Fertigungsinseln.

- die ‘schlanke Fabrik’.

- die ‘atmende Fabrik’.

- die Reduzierung von Fertigungstiefe.

- die Minimierung des logistischen Aufwandes.

- die Kundenorientierung.

- die Orientierung an der Wertschöpfungskette.

- die Re-Integration des Humankapitals (‘Mitarbeiterorientierung’).

- die Minderung von Komplexität.

- die Konzentration oder Delegation von Verantwortung.

Diese Strategien wirken auf alle Objektbereiche der Fabrikplanung, d. h. sie führen zu modifizierten oder neuartigen Gestaltungs- und Organisationslösungen der Produktionskonzepte. Zum Teil herrscht über die Umsetzbarkeit der Konzepte geteilte Meinung. Das Ziel innovativer marktflexibler Produktionskonzepte ist der Aufbau durchgängiger, dezentral strukturierter, autonom agierender und kooperativ vernetzter, flexibler Produktionssysteme bei ausgeprägter Markt- bzw. Kundenorientierung.

Das Wertstromdesign eignet sich als Werkzeug zur Entwicklung eines solchen Produktionssystems und vereint viele der o.g. Strategien in sich. Jedoch basieren Aussagen bsw. zur Verringerung von Leerzeiten oder monetären Vorteilen von Verbesserungen aus Erfahrungen im Anwendungsfall und spiegeln selten das Potenzial der 100%igen Umsetzung wider.

Zielsetzung und Aufbau der Arbeit:

Eine detaillierte Untersuchung vorherrschender Produktionszustände in einer Fabrik mit den Methoden des Wertstromdesigns und die anschließende schrittweise Optimierung dieser Zustände nach den Grundsätzen der Lean Production bilden den Kern dieser Arbeit. Dabei soll jede Veränderungsstufe im Wertstromdiagramm simulativ nachgebildet und die genauen Auswirkungen durch diesen Verbesserungsschritt offen gelegt werden. Hierdurch soll veranschaulicht werden, in welchem Maße die Produktion Verschwendung ‘erzeugt’ und wie hoch der Optimierungseffekt einzuordnen ist.

Im Grundlagenteil der Arbeit wird die notwendige theoretische Basis der Arbeit gelegt und folgende Fragestellungen beantwortet:

Welche wesentlichen Prinzipien verfolgt der Leanansatz und wodurch ist er entstanden?

Was ist die Wertstrommethode und wie ist ihre genaue Vorgehensweise?

Kapitel 2 erläutert die Entstehung und die wichtigsten Punkte der Methode Lean Production. Es werden Bezüge zum Toyota Produktionssystem und der Verschwendungsphilosophie hergestellt. Verschwendung wird näher klassifiziert, um zwischen den Arten der Verschwendung unterscheiden zu können. Darüber hinaus werden auch Probleme, welche bei der Umsetzung des Leanansatzes außerhalb der Toyota Motor Company entstehen können, behandelt.

Kapitel 3 baut auf Kapitel 2 auf und befasst sich mit der Methode ‘Wertstromdesign’. Beginnend mit der Erläuterung der Wertstromanalyse (Erstellung des Wertstromdiagramms) wird die Vorgehensweise bei der Optimierung einer Wertschöpfungskette durch das Wertstromdesign erläutert.

In Kapitel 4 finden Kap. 2 und Kap. 3 praktische Anwendung. Das Wertstromdiagramm einer Beispielfabrik wird erstellt und es werden die Potenziale einer Optimierung aufgezeigt. Anschließend wird das Wertstromdesign durchgeführt und anhand einer Fertigungssimulation nachgewiesen, in welcher Höhe und in welchen Bereichen in der betrachteten Firma Verschwendung vorherrscht. Es wird aufgezeigt, wie sich die Simulation, aber auch das Layout und der Wertstrom bei der schrittweisen Optimierung nach vorgestelltem Muster auswirken und in Beziehung zum Ausgangszustand gesetzt. Darauf folgend werden alle Optimierungsmaßnahmen gemeinsam durchgeführt (Sollzustand) und auch dieser Zustand mit der Ausgangssituation verglichen.

Kapitel 5 fasst die Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt einen weiteren Ausblick. Es werden offene Punkte umschrieben und ein Vorschlag für weiterführende Untersuchungen basierend auf dieser Studienarbeit gemacht.

Im Anschluss an die Anlage, in der wichtige Zusatzinformationen zusammengefasst werden, erläutert das Glossar wichtige Begriffe der Arbeit und soll einen tieferen Einblick in die Materie ermöglichen.

Inhaltsverzeichnis:

	Vorwort	i
	Inhaltsverzeichnis	ii
	Abkürzungsverzeichnis	iv
	Abbildungsverzeichnis	v
	Tabellenverzeichnis	vi
1.	Einleitung	1
1.1	Ausgangssituation und Problemstellung	2
1.2	Zielsetzung und Aufbau der Arbeit	3
2.	Lean Management und Lean Production	6
2.1	Entstehung der Lean Production und des Toyota Produktionssystem	6
2.2	Die Probleme bei der Umsetzung von Lean Production außerhalb Toyotas	10
2.3	Das Verständnis der Verschwendung nach Lean-Gesichtspunkten	11
2.4	Leitgedanke der Lean Philosophie	16
2.4.1	Fokussierung auf den Kunden	16
2.4.2	Identifikation des Wertstroms	17
2.4.3	Realisierung des Fließprinzips	19
2.4.4	Umsetzung des Ziehprinzips	20
2.4.5	Streben nach Perfektion	23
3.	Wertstromdesign als Umsetzung des Lean Production-Gedanken	26
3.1	Die Wertstromanalyse als Grundlage des Wertstromdesigns	26
3.1.1	Fokussierung auf Produktfamilien	29
3.1.2	Kundenbedarf, Material-, Informationsfluss und Zeitlinie ermitteln	31
3.1.3	Produktionskennzahlen ermitteln	36
3.1.4	Potenziale erkennen	39
3.2	Vom Ist zum Soll mit den Methoden des Wertstromdesigns	40
3.2.1	Einführung der kontinuierlichen Fließfertigung	42
3.2.2	Produzieren im Kundentakt	44
3.2.3	Ausrichtung am Pull-Prinzip	46
3.2.4	Produktionsnivellierung	51
3.2.5	Konzeption und Umsetzung der gefundenen Lösung	57
4.	Anwendung der Wertstrommethode am Beispiel der Firma GLC	59
4.1	Wertstromanalyse	59
4.1.1	Auswahl der Produktfamilie	60
4.1.2	Kundenbedarf, Material-, Informationsfluss und Zeitlinie ermitteln	60
4.1.3	Produktionskennzahlen ermitteln	61
4.1.4	Verbesserungspotenziale aufzeigen	63
4.1.5	Umsetzungsplan erstellen und weiteres Vorgehen festlegen	65
4.2	Durchführung der Optimierung	69
4.2.1	Fertigung vor der Optimierung	69
4.2.2	Optimierung durch Anpassung der Losgröße	76
4.2.3	Optimierung durch Verringerung der Zykluszeiten und Verzicht auf zweite Spülmaschine	80
4.2.4	Optimierung durch Einführung einer ziehenden Steuerung	84
4.2.5	Optimierung durch Integration der Prüfung in das Montageteam	87
4.2.6	Optimierung durch Einführung der Verkettung	91
4.2.7	Gemeinsame Durchführung aller Optimierungsmaßnahmen	95
5.	Zusammenfassung der Ergebnisse	101
5.1	Ausblick	102
5.2	Möglichkeiten der weiteren Untersuchung	104
	Anhang	106
	Literaturverzeichnis	123

Textprobe:

Potenziale erkennen:

Die bisher beschriebenen Schritte der Wertstromaufnahme dienen der Erfassung eines neutralen Ist-Zustands. Kundeninformationen werden bestimmt, quantifizierte Material- und Informationsflüsse aufgenommen und die Zeitlinie zur Bestimmung des Schlankheitsgrads abgebildet. Von dieser Grundlage ausgehend kann der letzte Schritt der Wertstromaufnahme, die kritische Betrachtung des aktuellen Zustands erfolgen. Der Wertstrom wird unter schlanken Gesichtspunkten untersucht und entstehende Potenziale in den Prozessen durch Kaizen-Blitzen verdeutlicht.

Sie definieren Ansatzpunkte, die es durch gezielte Verbesserungsaktivitäten umzusetzen gilt (Umsetzungsplan).

Ziel ist die Aufdeckung der nicht-wertschöpfenden Abläufe im gesamten Wertstrom und damit die Schaffung einer Grundlage für das anschließende Wertstromdesign. Um die systematische Suche nach Verschwendung zu ermöglichen, bedarf es des klaren Verständnisses des Begriffs. Verschwendung kann somit greifbar gemacht und proaktive Verbesserung zur dauerhaften Vermeidung eingeleitet werden.

Vom Ist zum Soll mit den Methoden des Wertstromdesigns:

Das Wertstromdesign wendet die Prinzipien der schlanken Produktion an und richtet diese an den Unternehmenszielen aus.

In der idealen Fertigung existieren keine Bestandspuffer zwischen Stationen, keine nicht-wertschöpfenden Prozesse, keine Nacharbeit und kein Ausschuss. Überproduktion wird durch Einsatz von Pull-Kreisläufen vermieden, indem Erzeugnisse erst produziert oder bestellt werden, wenn ein entsprechender Bedarf in der Lieferkette vorliegt. Zusätzlich verhindert die nach dem Fließprinzip ausgelegte Produktion, dass falsche Erzeugnisse zu früh oder in zu großen Mengen an benachbarte Prozesse weitergegeben werden.

Das Zielkonzept sieht den optimalen Fluss mit minimalen Beständen und Durchlaufzeiten vor, der durch kleine Weitergabemengen erzielt wird. Im Idealfall wird dabei jedes durchlaufende Teil direkt an den nächsten Arbeitsschritt weiter gegeben (One-piece-flow).

Voraussetzungen dazu sind schnelle Rüstzeiten, flexible Mitarbeiter und prozessorientierte, auf Kundentakt basierende Strukturen.

Darüber hinaus erfordert es ein angepasstes Layout, das sich am Materialfluss orientiert und derart gestaltet ist, dass weite Wege, große Flächen und hohe Durchlaufzeiten verhindert werden (z.B. U-Zelle).

Schließlich muss der Transport der Materialien verlässlich geregelt werden. Hierzu sind in der schlanken Produktion standardisierte Transportrouten vorgesehen, die das Material zu definierten Abhol- und Versorgungszeitpunkten an bestimmte Lagerplätze befördern.

Die effiziente Form der Gütererzeugung zeichnet sich durch gleichmäßige Produktionsauslastung aus.

Eingehende Bedarfsschwankungen werden nivelliert, indem die Produktionsmenge gleichmäßig über einen Zeitraum verteilt wird. Für die Steuerung der Variantenfertigung werden Produktionspläne mit regelmäßigen Produktionsintervallen erstellt, die Fertigung kleiner Losgrößen mit möglichst häufigen Rüstwechseln zwischen Varianten vorsehen.

Das System wirkt sich somit im Wesentlichen auf Liefererfüllung und Umlaufbestände aus. Sie werden gemeinsam mit anderen Kennzahlen visualisiert und für alle Mitarbeiter sichtbar gemacht. Die Erkennung von Abweichungen wird ermöglicht und die Grundlage der schrittweisen Abarbeitung der Probleme geschaffen.

Die Definition des geeigneten Wertstromdesigns ist die schwierigste Phase der Wertstrommethode und setzt große Erfahrung voraus. Um den optimalen Zustand für das Wertstromdesign ableiten zu können, ist ein Verständnis der wesentlichen Konzepte des schlanken Wertstroms erforderlich.

Der Zweck der Wertstrommethode besteht in der Erkennung der Schwachstellen des Ist-Zustands und Definition der Ansatzpunkte für das verschwendungsarme Gesamtsystem. Auf Basis der Prinzipien und Merkmale der schlanken Produktion definiert das Wertstromdesign den optimalen Zustand, der als Zwischenschritt zum Idealzustand, kontinuierlich zu verfeinern und an aktuelle Gegebenheiten anzupassen ist.

Einführung der kontinuierlichen Fließfertigung:

Der kontinuierliche Fluss beschreibt die Teilefertigung auf Basis einzelner Werkstücke, die ungebündelt von einer Produktionsstufe zur nächsten weitergereicht werden und ohne Zwischenlagerung oder Puffer auskommen.

Die Einsteuerung von Kundenaufträgen erfolgt über einen zentralen Prozess im Wertstrom.

Die Voraussetzung des idealen Fertigungsflusses ist eine optimale Gestaltung der Linien, die lange Materialströme und hohe Transportzeiten zwischen Prozessen vermeidet und Arbeitsschritte direkt verknüpft.

Erst die effektive Anordnung der Stationen und Ausrichtung der Aktivitäten setzen die Vorteile der Fließfertigung um, womit verdeutlicht wird, warum dieses System zur effizientesten Art der Produktion gehört.

Folgende Merkmale sind charakteristisch für die Fließfertigung:

- Geringe Bestände und Lagerflächen.

- Niedrigere Kosten (Lagerflächen und Kapitalkosten).

- Geringerer Aufwand für Materialhandling.

- Hohe Flexibilität bezüglich Varianten und Produktionsschwankungen.

- Höhere Liquidität und Kapitalverzinsung.

- Schnelle Fehlererkennung und höhere Qualität durch kurze Regelkreise.

- Minimale Durchlaufzeiten.

Die Vorteile werden durch strikte Abhängigkeit der Prozesse erkauft. Eine Störung eines Arbeitsganges, die nicht sofort behoben werden kann, führt zwangsläufig zur Unterbrechung der gesamten Linie.

Die Abhängigkeit sollte jedoch weniger als Nachteil gesehen werden, denn sie beschreibt das Erfolgsgeheimnis des kontinuierlichen Flusses. Stabile und fehlerfreie Prozesse sind die notwendigen Voraussetzungen dafür. Vor diesem Hintergrund ist es erforderlich nach einer ständigen Verbesserung der Prozesssicherheit zu streben und eine effiziente Materialversorgung einzurichten, die die Mitarbeiter in der Linie zum richtigen Zeitpunkt, mit den benötigten Mengen und mit dem richtigen Material versorgt.