Product Wheel: Produktionsnivellierung in der Prozessindustrie - Vorgehensmodell, Erfolgsfaktoren und Case Study

Christopher Borgmann und Carsten Feldmann

Auslastungsschwankungen führen zu temporären Über- und Unterlastungen in der Fertigung sowie zu Beständen. Nivellierung (jap. Heijunka) als Methode des Lean Managements entkoppelt Fertigungssysteme von der volatilen Kundennachfrage, um diese Verschwendung zu vermeiden. Die Glättung erzielt eine gleichmäßig hohe Auslastung der Fertigungskapazitäten bei kurzen Durchlaufzeiten und niedrigen Umlaufbeständen. Während für die Fertigungsindustrie empirisch bewährte Nivellierungsmethoden zur Verfügung stehen, besteht in Bezug auf die Prozessindustrie eine Forschungslücke. Dieser Beitrag beschreibt das Product Wheel und dessen Validierung bei einem Dämmstoffhersteller, um diese Lücke zu schließen.

Die Prozessindustrie erzielt ihre Wertschöpfung in der Produktion durch Mixen, Separieren, Umformen oder chemische Reaktionen [1, 2]. Diese Wertschöpfung ist durch einen kontinuierlichen Herstellungsprozess ohne Unterbrechungen in der Produktionsfolge gekennzeichnet. Beispiele sind die Chemie-, Pharma-, Öl- und Gasindustrie. Charakteristisch für die Produktion sind lange Rüst- und Reinigungszeiten, große Lose und unflexible Anlagen. Zudem liegen vielfach divergierende Produktionsstrukturen vor, die zu einer großen Variantenvielfalt im Produktportfolio führen können [3]. Die rüstkostenoptimale Sequenzierung des Produktionsprogramms und technisch bedingte Losgrößen erschweren die Planung und Steuerung der Produktion. Bei sukzessiver Produktionsplanung auf Basis zentraler Absatzprognosen schlagen kurzfristige Nachfrageschwankungen auf die Produktion durch. Daraus resultieren häufig instabile Produktionspläne, Fehlbestände, Überproduktion und stark schwankende Kapazitätsbedarfe in den Produktionsprozessen [6-8]. Eine schwer prognostizierbare Kundennachfrage begünstigt Verschwendung.

Produktionsnivellierung in der Prozessindustrie

Ziel der Produktionsnivellierung ist es, Produktionsvolumen und Produktmix über einen längeren Zeitraum gleichmäßig zu verteilen [8-10]. Die Gesamtvolumina eines Produkts sind dabei z. B. auf die Tagesabsatzmengen aufzuteilen bzw. zu glätten, um die Produktion an die schwankende Nachfrage anzupassen – ohne dabei die Marktvolatilität in die Produktion zu übernehmen. In der klassischen Fertigungsindustrie lässt sich eine Nivellierung beispielsweise mit einem Heijunka-Board realisieren. Die o. g. Restriktionen der Prozessindustrie stellen hierfür jedoch ein Hindernis dar [11]. Die Produktionsnivellierung in der Prozessindustrie bedarf eines Ansatzes, welcher diese Nebenbedingungen berücksichtigt. Neben Bestandsreduzierung und geglätteter, idealerweise selbststeuernder Nachschubproduktion mittels Pull-Logik ist eine kostenoptimale Losgröße anzustreben [12]. Ein Werkzeug für die Umsetzung in der Prozessindustrie ist das Product Wheel.


Bild 1: Beispielhafter Product-Wheel-Zyklus
(Quelle: Eigene Darstellung, in Anlehnung an King [13]).

Produktionsnivellierung mit dem Product Wheel

Ziel der Produktionsnivellierung mit dem Product Wheel ist es, Produktionsvolumen und Produktmix über einen längeren Zeitraum gleichmäßig zu verteilen bzw. zu glätten [3]. Damit unterscheidet sich die Zielsetzung nicht von der Heijunka-Methode. Jedoch berücksichtigen Product Wheels die Restriktionen der Prozessindustrie systematisch beim Nivellierungsdesign, um eine Produktionsglättung gemäß der Pull-Methodik zu erzielen. Bei der klassischen Heijunka Methode wird mittels Heijunka Board das Nivellierungsmuster über eine Kanban-Steuerung und zugewiesene Produktionskapazitäten (Pitches) definiert. Insbesondere ein diskreter Materialfluss in der Fertigungsindustrie stellt eine wichtige Rahmenbedingung für eine Kanban-gestützte Produktionsnivellierung dar. Dieser Teilefluss ermöglicht eine flexible Verlinkung mit der tatsächlichen Kundennachfrage. Divergierende Produktionsstrukturen in der Prozessindustrie mit hoher Variantenvielfalt, unflexibles Equipment, komplexe Rüstvorgänge und kontinuierliche Produktionsprozesse erschweren dieses Vorgehen [3-5]. Dadurch werden Adaptionen hinsichtlich der Gestaltung des Nivellierungsvorgehens nötig. Da kein diskreter Teilefluss vorliegt, werden anstelle von Kanban-Steuerung und zugeteilten Produktionskapazitäten kostenoptimale Losgrößen zur Steuerung der Produktionsmengen und -kapazitäten ermittelt. Das Nivellierungsmuster muss in Abhängigkeit von optimierten Rüstreihenfolgen und unter Beachtung der zu produzierenden Variantenvielfalt angepasst werden. Das zu gestaltende Nivellierungsmuster umfasst dadurch oftmals einen längerfristigen Zeithorizont von bis zu mehreren Produktionswochen.

Der Begriff Product Wheel bezeichnet ein sich regelmäßig wiederholendes Produktionsprogramm mit rüstkostenoptimaler Produktionssequenz und einer fest definierten Zykluslänge [13]. Dabei werden Produkte oder Produktgruppen in einem vorbestimmten und gleichbleibenden Rhythmus produziert. Das Nivellierungsmuster basiert auf durchschnittlichen Verbräuchen. Die Nachschubsteuerung erfolgt idealerweise über Pull-Prinzip. Dabei werden nur die Produkte nachproduziert, die im letzten Zyklus verbraucht wurden, um Überproduktion bzw. Verschwendung zu vermeiden. Klassische Planungsansätze basieren oftmals auf zentralen Absatzprognosen (Push-Fertigung). Die Produktionsnivellierung mit dem Product Wheel ermöglicht eine Beruhigung der Prozesse und gleichmäßige Auslastung der Produktionskapazitäten, da die Marktvolatilität nicht in die Produktionsprozesse übernommen wird.

Ein Zyklus des Product Wheels definiert sich aus der Gesamtheit der zu produzierenden Produkte unter Beachtung von Kapazitätsrestriktionen [13]. Um eine gleichmäßige Auslastung der Kapazität zu gewährleisten, sind Zielproduktionsmengen (Losgrößen) der einzelnen Produkte zu definieren und den geplanten Produktionskapazitäten zuzuordnen („Speichen“ des Product Wheels, Bild 1). Dadurch lässt sich das Produktionsprogramm sukzessive aufbauen. Vergangenheitsbezogene Durchschnittsverbräuche dienen der Reservierung der Produktionszeit für die jeweiligen Produkte in einem Wheel-Zyklus. Produkte mit höherer Nachfrage erhalten eine höhere Produktionsfrequenz. Demgegenüber werden Produkte mit geringerer Nachfrage in weniger Zyklen eingesteuert, wobei immer ein gleichbleibendes Produktionsmuster gewährleistet bleiben sollte. Angesichts der Restriktionen der Prozessindustrie ist es wichtig, die Wirtschaftlichkeit der Produktionslose zu beachten, um ein Gesamtoptimum der Rüst- und Lagerkosten zu erzielen. Da die tatsächlichen Verbräuche innerhalb des Produktionszyklus schwanken können, sind systematisch definierte Freikapazitäten im Product Wheel einzuplanen. Mit diesen Freikapazitäten kann auf Verbrauchsschwankungen flexibel reagiert und das Risiko von Fehlmengen reduziert werden.

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