Untersuchung der Schnittstellen zwischen Lean und Smart Manufacturing

Eine nutzenorientierte Betrachtung der Ergänzungsmöglichkeiten einer schlanken Produktion durch die Industrie 4.0

Masterarbeit , 2016 , 90 Seiten , Note: 1,0

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Smart Manufacturing soll die Flexibilität und Produktivität steigern, die Ressourceneffizienz erhöhen und dabei gleichzeitig Stückkosten senken. Doch der Weg dahin ist mit hohen Investitionskosten verbunden und birgt viele Risiken. Währenddessen ist unklar, welchen Nutzen die vernetzte und intelligente Produktion gegenüber etablierten Management-Ansätzen bringt, mit denen die gleichen Ziele verfolgt werden. In dieser Arbeit wird daher untersucht, in welchen Bereichen Schnittstellen zwischen Lean und Smart Manufacturing bestehen und inwiefern schlanke Methoden dadurch ergänzt werden können.

Aus der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung resultieren neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Wertschöpfungsketten. Diese lassen sich zehn unterschiedlichen Handlungsfeldern zuordnen. Ein Großteil dieser Handlungsfelder weist Schnittstellen zu Lean Manufacturing auf. Während bei einigen Schnittstellen die Methoden und Prinzipien von Lean und Smart Manufacturing kollidieren, wirken die meisten Schnittstellen ergänzend. Inwiefern dies zutrifft, wird in dieser Arbeit anhand jedes Handlungsfeldes einzeln erörtert und durch bereits umgesetzte Anwendungsbeispiele aus der Praxis verifiziert. Dabei rückt insbesondere die Frage in den Fokus, welchen Mehrwert Smart Manufacturing für eine nach Lean-Grundsätzen gestaltete Fertigung bietet.

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Problemstellung
1.2 Offene Fragen
1.3 Arbeitshypothese
1.4 Vorgehensweise

2 Grundlagen
2.1 Lean Manufacturing
2.1.1 Wertschöpfung
2.1.2 Wertstrom
2.1.3 Fließende Fertigung
2.1.4 Ziehende Fertigung .
2.1.5 Perfektion
2.2 Smart Manufacturing
2.2.1 Begriff
2.2.2 Ziele
2.2.3 Technologien
2.3 Herleitung der Handlungsfelder für Smart Manufacturing

3 Schnittstellen der Handlungsfelder mit Lean Manufacturing
3.1 Funktionalitätserweiterung
3.2 Vernetzte Dienste
3.3 Authentifizierung
3.4 Automatisches Generieren von Anforderungen
3.5 Materialflusssteuerung
3.6 Betriebsdatenerfassung
3.7 Produktoptimierung
3.8 Fernwartung
3.9 Assistenzsysteme
3.10 Mobile Information und Kommunikation

4 Verifikation
4.1 Schnittstellen mit umgesetzten Lösungen
4.1.1 Betriebsdatenerfassung am Beispiel von Bosch
4.1.2 Assistenzsysteme am Beispiel von Volkswagen
4.1.3 Anforderungsgenerierung und mobile Information und Kommu- nikation am Beispiel von Wittenstein
4.1.4 Fernwartung am Beispiel von Pepperl+Fuchs
4.1.5 Vernetzte Dienste am Beispiel von TX Logistik
4.1.6 Materialflusssteuerung am Beispiel von Dematic
4.2 Zusammenfassung der Ergebnisse aus der Verifikation der Schnittstellen

5 Fazit

Kurzfassung

Smart Manufacturing soll die Flexibilität und Produktivität steigern, die Ressourceneffizi- enz erhöhen und dabei gleichzeitig Stückkosten senken. Doch der Weg dahin ist mit hohen Investitionskosten verbunden und birgt viele Risiken. Währenddessen ist unklar, welchen Nutzen die vernetzte und intelligente Produktion gegenüber etablierten Management- Ansätzen bringt, mit denen die gleichen Ziele verfolgt werden. In dieser Arbeit wird daher untersucht, in welchen Bereichen Schnittstellen zwischen Lean und Smart Manufacturing bestehen und inwiefern schlanke Methoden dadurch ergänzt werden können

Aus der zunehmenden Vernetzung und Digitalisierung resultieren neue Möglichkeiten zur Gestaltung von Wertschöpfungsketten. Diese lassen sich zehn unterschiedlichen Handlungsfeldern zuordnen. Ein Großteil dieser Handlungsfelder weist Schnittstellen zu Lean Manufacturing auf. Während bei einigen Schnittstellen die Methoden und Prinzipien von Lean und Smart Manufacturing kollidieren, wirken die meisten Schnittstellen ergänzend. Inwiefern dies zutrifft, wird in dieser Arbeit anhand jedes Handlungsfeldes einzeln erörtert und durch bereits umgesetzte Anwendungsbeispiele aus der Praxis verifiziert. Dabei rückt insbesondere die Frage in den Fokus, welchen Mehrwert Smart Manufacturing für eine nach Lean-Grundsätzen gestaltete Fertigung bietet

Abbildungsverzeichnis

1.1 Einordnung der Industrie 4.0 im Gartner Hype Cycle im Jahr 2015

1.2 Relevante Aspekte eines cyber-physischen Produktionssystems

2.1 Aufbau und Struktur eines ganzheitlichen Produktionssystems

2.2 Die vier Stufen der Industriellen Revolution

2.3 Häufig genutzte Begriffe zur Beschreibung einer stark digitalisierten und vernetzten Produktion

2.4 Äußere gegenüber innere Komplexität

3.1 Automatisierungspyramide

3.2 Auflösung der Automatisierungspyramide

3.3 Aufgabenteilung beim TPM-Konzept

3.4 Maßnahmen der Instandhaltung nach DIN 31051

3.5 Auswirkungen der Instandhaltungskonzepte auf die Kosten für die In- standhaltung

3.6 Entwicklung der Prozesskomplexität und -robustheit in der Fertigung .

3.7 Beherrschung von Komplexität

3.8 Schematischer Aufbau einer herkömmlichen Anlagenbedienung

3.9 Schematischer Aufbau einer vernetzten Anlagenbedienung

5.1 Verhältnis des Aufwandes zur Erreichung des Ziels Perfektion

Tabellenverzeichnis

3.1 Arten von Betriebsdaten

4.1 Handlungsfelder und Schnittstellen

5.1 Ergebnis der Untersuchung

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Begriffe und Definitionen

Augmented Reality

Computerunterstützte Wahrnehmung bzw. Darstellung, welche die reale Welt um virtuelle Aspekte erweitert. Mit der Integration von Kameras in immer mehr mobile Geräte können zusätzliche Informationen oder Objekte direkt in ein aktuell erfasstes Abbild der realen Welt eingearbeitet werden.

Big Data

Große Mengen an Daten die mit speziellen Lösungen gespeichert, verarbeitet und ausgewertet werden.

Bluetooth

Übertragungsstandard für die Funkkommunikation über geringe Reichweite.

Cash Flow

Überschuss der Einzahlungen über die Auszahlungen einer Unternehmung.

Cloud Computing

Bereitstellung von IT-Ressourcen über ein Netzwerk.

Complex Event Processing

Sammelbegriff für Methoden, Techniken und Werkzeuge, um Ereignisse informationstechnisch in Echtzeit zu verarbeiten.

Computer Integrated Manufacturing

Integrationskonzept für die Informationsverarbeitung in Produktionsunternehmen.

Cyber-physisches System

Systeme, bei denen informations- und softwaretechnische mit mechanischen bzw. elektronischen Komponenten verbunden sind, wobei Datentransfer und -austausch sowie Kontrolle bzw. Steuerung über eine Infrastruktur wie das Internet in Echtzeit erfolgen.

Data Matrix Code

Zweidimensionales Codefeld, das ähnlich wie ein Strichcode ausgelesen wird.

Data Mining

Anwendung von Methoden und Algorithmen zur möglichst automatischen Extraktion empirischer Zusammenhänge zwischen Planungsobjekten, deren Daten in einer hierfür aufgebauten Datenbasis bereitgestellt werden.

Demingkreis

Auch PDCA-Zklus genannt. Iterativer Problemlösungsprozess, bestehend aus den vier Phasen Planen-Tun-Überprüfen-Umsetzen.

Downstream

Kundenbezogener Teil des Wertstroms, in dem nach Kundenauftrag gefertigt wird.

Eingebetette Systeme

Elektronische Rechner oder auch Computer, die in einen technischen Kontext eingebunden sind.

Electronic Data Interchange

Papierloser, z.T. automatisierter, auf elektronischem Weg erfolgender Datenaus- tausch zwischen verschiedenen Unternehmen bzw. einzelnen Unternehmensteilen.

Enterprise Ressource Planning System

System zur Unterstützung sämtlicher in einem Unternehmen ablaufenden Geschäftsprozesse. Es enthält Module für die Bereiche Beschaffung, Produktion, Vertrieb, Anlagenwirtschaft, Personalwesen, Finanz- und Rechnungswesen usw., die über eine gemeinsame Datenbasis miteinander verbunden sind.

Human Machine Interface

Auch Benutzerschnittstelle genannt. Stelle oder Handlung, mit der ein Mensch mit einer Maschine in Kontakt tritt.

Hype

Meist kurzlebige, in den Medien aufgebauschte oder übertriebene Nachrichten, die gezielt von Interessensträgern zur Werbung für bestimmte Ideen oder Produkte lan- ciert werden.

Internet der Dinge

Vernetzung von Gegenständen mit dem Internet, was es diesen Gegenständen erlaubt, selbstständig über das Internet kommunizieren und so verschiedene Aufgaben autonom erledigen zu können.

Just-in-Sequence

Die sequenzgenaue Anlieferung der für die Fertigung einer Produktvariante benötigten Teile an das Montageband.

Just-in-Time

Die Bereitstellung des richtigen Materials zur richtigen Zeit, zur richtigen Qualität, in der richtigen Mengen und am richtigen Ort.

Kanban

System zur flexiblen, dezentralen Produktionsprozesssteuerung. Die Steuerung erfolgt über Karten, physische Gebinde, oder den Labeln darauf. Ist an der Verbrauchsstelle das Material aus einem Behälter verbraucht, wandert der Behälter oder die Kanban-Karte an die Nachschubstelle zurück, wo ein Behälter wiederbefüllt wird und zum Verbraucher geschickt wird.

Kundenentkopplungspunkt

Der Punkt an dem Up- und Downstream in einer Fertigung aufeinander treffen.

Manufacturing Execution System

Die prozessnah operierende Ebene eines mehrschichtigen Fertigungsmanagement- systems.

Milkrun

Konzept der Beschaffungslogistik und Distributionslogistik, um Material bedarfs- gerecht innerbetrieblich und überbetrieblich bereitzustellen. Auf Grundlage beste- hender Verbrauchswerte wird ein logistischer Versorgungskreislauf definiert, in dem auf festgelegten Routen zu bestimmten Zeiten geliefert und auch gleichzeitig Ware oder Leergut entgegengenommen wird.

Near Field Communication

Ein auf der RFID-Technologie basierender Übertragungsstandard zum kontaktlosen Austausch von Daten per Funktechnik über geringe Reichweite.

One-Piece-Flow

Reduzierung der Durchlaufzeit durch flussoptimierte Fertigung. In einem nach dem One-Piece-Flow ausgerichteten Produktionsprozess werden die Teile von jedem Arbeitsschritt zum nächsten ohne Zwischenablage weitergegeben. Als Teilmenge wird immer nur ein Teil weitergegeben.

Overall Equipment Effectiveness

Kennzahl zur Messung der Gesamtanlageneffektivität.

Paretoprinzip

Besagt, dass 80 % der Ergebnisse mit 20 % des Gesamtaufwandes erreicht werden. Die verbleibenden 20 % der Ergebnisse benötigen mit 80 % die meiste Arbeit.

Predictive Maintenance

Vorausschauende Instandhaltung. Durch die von Sensoren erfassten Messwerte werden Rückschlüsse auf definierte Fehlertypen gezogen und anhand von Korrelationen, Vergleichsmodellen und Algorithmen die zukünftige Funktionsbereitschaft und der voraussichtliche Ausfall von Bauteilen abgeleitet.

Pull-Produktion

Auch ziehende Fertigung genannt. Bezeichnet den Zustand, dass in keiner vorgelagerten Stufe ein Produkt hergestellt oder eine Dienstleistung erbracht wird, bevor es der nachgelagerte Kunde nachfragt.

Push-Produktion

Auch drückende Fertigung genannt. Bezeichnet de Zustand, dass Aufträge, die kei- nem konkreten Kundenauftrag zugeordnet sind, in die Produktion gedrückt werden.

Quelle

Ursprungs- oder Entstehungsort eines Güter- oder Materialflusses.

Radio Frequency Identification

Technologie für Sender-Empfänger-Systeme zum automatischen und berührungslo- sen Identifizieren und Lokalisieren von Objekten und Lebewesen mit Radiowellen.

Remote Support Maintenance

Wartung von räumlich entfernten Anlagen oder Maschinen über eine vorübergehende Datenverbindung.

Senke

Verbrauchsort oder Zielort eines Güteraufkommens oder Materialflusses.

Shopfloor

Bezeichnet den Bereich der Fertigung.

Single Minute Exchange of Dies

Methode zur Optimierung der Rüstzeiten von Prozessen. Durch den Einsatz von einfachen Mechanismen und Befestigungssystemen sollen Rüstzeiten auf ein Minimum reduziert werden.

Smart Factory

Fabrik, deren Integrationsgrad eine Tiefe erreicht hat, die Selbstorganisationsfunk- tionen in der Produktion und in allen die Produktion betreffenden Geschäftsprozes- sen ermöglicht. Das virtuelle Abbild der Fabrik ermöglicht intelligente Entschei- dungen. Ziel ist die Steigerung von Effizienz, Effektivität, Flexibilität und/oder Wandlungsfähigkeit.

Speicherprogrammierbare Steuerung

Gerät, das zur Steuerung oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt und auf digitaler Basis programmiert wird.

Supervisory Control and Data Acquisition

Überwachen und Steuern technischer Prozesse mittels eines Computersystems.

Total Productive Maintenance

Konzept zur optimalen Nutzung der Produktionsanlagen. Die Instandhaltung ist dabei Teil der alltäglichen Produktionsarbeit: Maschinen und Anlagen werden nicht allein durch das Instandhaltungspersonal, sondern auch durch die Bediener kontinuierlich instand gehalten.

Upstream

Kundenanonymer Teil des Wertstroms, in dem meist Standardkomponenten ohne vorliegenden Kundenauftrag gefertigt werden.

1 Einführung

1.1 Problemstellung

Die Industrie 4.0 wird, wie durch die Namensgebung bewusst impliziert, von der deut- schen Politik und Wirtschaft verheißungsvoll als vierte industrielle Revolution angesehen. Sie soll die Flexibilität und Produktivität steigern, die Ressourceneffizienz erhöhen und dabei gleichzeitig Stückkosten senken. Erreichbar sein soll dies durch das Verschmel- zen von Informationstechnologien mit Produktionstechnologien. Menschen, Maschinen, Produktionsmittel und Produkte sollen in der intelligenten und vernetzten Fabrik in Zu- kunft direkt miteinander kommunizieren. Doch der Weg zur Industrie 4.0 ist mit hohen Kosten verbunden und birgt viele Risiken. Dabei ist fraglich, inwiefern die Nutzung ei- ner vernetzten und intelligenten Fabrik überhaupt einen Nutzen bringt und inwieweit die Ziele auch durch andere Ansätze, zum Beispiel durch Lean Manufacturing zu erreichen sind. Lean Manufacturing hat sich als Produktionsphilosophie, mit der die gleichen Zie- le verfolgt werden, vielerorts bewährt, während sich die Praxistauglichkeit von Industrie 4.0, die von Politik und Medien als Allheilmittel gegen den Wettbewerbsdruck propagiert wird, noch nicht erwiesen hat.

Die Euphorie für die Industrie 4.0 rührt aus Sicht von Syska daher, dass nach vielen Jahren, in denen sich Ingenieure innerhalb der Fertigung mit althergebrachten Themen wie Lean Manufacturing, Shopfloor Management sowie Kommunikation und Coaching auseinandersetzen mussten, wieder ein ingenieurswissenschaftlicher Gegenstand von Re- levanz ist. Darüber hinaus wird das Thema von verschiedenen Interessengruppen aus der Wirtschaft vorangetrieben. Darunter fallen allem voran Anbieter von Fabrikautomation wie Sensoren, Robotik, Steuerungstechnik und Verkabelungen, aber auch Softwarehäu- ser und Unternehmensberatungen, die sich durch den Absatz von neuen Produkten und Dienstleistungen hohe Umsätze versprechen.¹ Um die Euphorie für die Industrie 4.0 bes- ser verstehen zu können, hilft eine Einordnung im Gartner Hype Cycle (siehe Abbil- dung 1.1). Dieser beschreibt, wie sich neue Technologien am Markt entwickeln. Wäh- rend zu Beginn noch hohe und teilweise überzogene Erwartungen in eine Technologie gesetzt werden, schwindet die positive Wahrnehmung häufig ebenso schnell wieder, weil die Technologie nicht alle Erwartungen erfüllt. Nachfolgend nehmen diese oft erneut zu, wenn Technologien in der darauf folgenden Phase weiter verbessert und erfolgreich auf einem produktiven Niveau in der Praxis umgesetzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Einordnung der Industrie 4.0 im Gartner Hype Cycle im Jahr 2015²

Industrie 4.0 stellt in sich keine Technologie dar, der Begriff steht jedoch für das Zu- sammenspiel verschiedener Technologiekomponenten, die sich im Gartner Hype Cycle einordnen lassen: Mehrere wesentliche Komponenten von Industrie 4.0, darunter das In- ternet der Dinge, Big Data, Augmented Reality und Machine-to-Machine Communicati- on, haben gerade den Höhepunkt eines Hypes erreicht, bzw. bereits überschritten und sind noch nicht ausgereift. Solange die Komponenten eines Systems nicht die nötige Reife er- reicht haben, ist das System selbst daher in seiner Reife unterlegen. Kaufmann ordnet die Industrie 4.0 folglich zwischen den beiden ersten Phasen ein: Die Erwartungen an das Technologiekonzept sind überzogen, steigen noch immer stark an und ein baldiger Wen- depunkt ist anzunehmen. Die bisherigen Vorstellungen einer Industrie 4.0 bewegen sich auf keinem produktiven Niveau. Es ist daher notwendig, einen Ansatz zu finden, nach dem die vernetzte Produktion einfacher und pragmatischer umgesetzt werden kann.

Die Erwartungen an die Industrie 4.0 bewegen sich auf einer Höhe, die deutlich über dem im Gartner Hype Cycle beschriebenen produktiven Niveau liegt. Dies mag vor al- lem dadurch mitverschuldet sein, dass Politik und Medien als Haupttreiber für das Thema Industrie 4.0 agieren. Der Ansatz ist Push -getrieben: Es kommt dazu, dass unreife Tech- nologien in den Markt «gedrückt» werden, für die es keine sinnvolle Verwendung gibt. Betrachtet man parallel die frühe Entwicklung des Lean Manufacturing, so erkennt man, dass die Adaption der Prinzipien und Methoden von den Industrieunternehmen selbst ausging, also Pull -getrieben war. Auf diese Art und Weise konnten sich Prinzipien und Methoden nachhaltig zur Reife entwickeln. Lean Manufacturing ist auf diesem Wege zu einer bewährten Produktionsphilosphie geworden. Deutschlandweit hat die Mehrheit der Industrieunternehmen bereits Lean Methoden in ihrer Fertigung umgesetzt³, das Konzept ist weit verbreitet und stößt bei Mitarbeitern im Allgemeinen auf Akzeptanz.

1.2 Offene Fragen

Bei der Betrachtung der unterschiedlichen Entwicklung beider Ansätze stellt sich die Fra- ge, welche Voraussetzungen nötig sind, um die Adaption der Industrie 4.0 zu begünsti- gen. Die intelligente und vernetzte Produktion, die außerhalb des deutschen Sprachraums Smart Manufacturing bezeichnet wird, wird in Hochlohnländern als Notwendigkeit ange- sehen, um im zukünftigen Wettbewerb bestehen zu können. Doch offen bleibt, welchen Nutzen sie den Unternehmen selbst bietet: Lean Manufacturing und Industrie 4.0 teilen gemeinsame Ziele, doch mit schlanken Methoden lassen sich viele der Ziele mit weitaus geringerem Investitionsaufwand in ähnlichen oder gleichen Maßen erreichen. Es gilt da- her zu klären, ob und wie sich die Konzepte ergänzen und wie dadurch der Nutzen der intelligenten und vernetzten Produktion maximiert werden kann.

1.3 Arbeitshypothese

Es gilt als unbestritten, dass Lean Manufacturing die notwendigen Voraussetzungen für Smart Manufacturing schafft, denn erst durch standardisierte, vordefinierte und beständi- ge Strukturen kann die Vision Industrie 4.0 ermöglicht werden⁴. Mit Smart Manufactu- ring könnte wiederum Lean Manufacturing dort ergänzt werden, wo schlanke Methoden aufgrund einer kontinuierlich steigenden nachgefragten Produktvielfalt und einer immer stärker werdenden Komplexität an ihre Leistungsgrenzen stoßen.

Informationstechnologien begannen ihren Einzug in die Industrie schon lange vor der Schöpfung der Begriffe Industrie 4.0 oder Smart Manufacturing. Was neu ist, ist die auf humane Aspekte abgestimmte und gesamtheitliche Nutzung intelligenter und vernetz- ter Technologien. Das Bestreben danach geht soweit, dass vollständige cyber-physische Produktionssysteme als konzeptionelle technologische Basis für den Betrieb in industri- ellen Unternehmen entwickelt werden. Cyber-physische Produktionssysteme konzentrie- ren sich dabei auf Technologien, während Methoden und Prinzipien in den Hintergrund rücken. Allein durch Betrachtung der technischen Seite kann ein Produktionssystem je- doch nicht nachhaltig funktionieren, denn Technologien bilden nur einen Teil eines ganz- heitlichen Produktionssystems. Einen ähnlichen Versuch, technisch orientierte ganzheitli- che Produktionssysteme durchzusetzen, unternahmen viele Industrieunternehmen in den 1980er Jahren. Unter dem Ansatz des Computer Integrated Manufacturing (CIM) verfolg- ten sie bereits damals eine vollständige Vernetzung durch Nutzung von Informationstech- nologien und eine Produktion in der menschenleeren Fabrik. Die systematische Integrati- on und gemeinsame Anwendung von Softwarelösungen für die Produktionsplanung und -steuerung zielte „auf die Steigerung der Produktionsflexibilität bei gleichzeitiger Ver- ringerung der Durchlaufzeiten sowie die Zusammenführung aller Unternehmensbereiche durch Informationsbündelung auf einer gemeinsamen Datenbasis“⁵ ab. Die angestreb- ten Ziele konnten jedoch nur bedingt erreicht werden. Ursache hierfür bildete dabei vor allem die unzureichende Berücksichtigung des Menschen, die mit der Rationalisierung von Arbeitsplätzen einher ging⁶. Lean Manufacturing hingegen, das seit Anfang der 90er Jahre begann, die Industrie zu durchdringen⁷, bildet im Kontrast zu CIM einen organisati- onszentrierten Ansatz, der die Mitarbeiter als Teil des Produktionssystems fest integriert. Die bis heute anhaltende wachsende Verbreitung des Lean Manufacturing Ansatzes, mit dem Unternehmen deutliche Fortschritte in der Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit erlangen konnten, untermauert die Wichtigkeit der beiden Bausteine Mensch und Orga- nisation für die Umsetzung eines ganzheitlichen Produktionssystems. Ein ganzheitliches Produktionssystem, das sich allein auf Technologien fokussiert, erscheint hingegen we- nig sinnvoll: Technologien verändern sich und werden obsolet. Sie verfügen - anders als der Mensch - nicht über die Fähigkeit, kreativ zu denken. Demgegenüber benötigen Computer oder Maschinen für die Verrichtung ihrer Arbeit Logarithmen, die nach einem gewissen Organisations- und Ordnungsmuster programmiert werden müssen.

Die erfolgreiche Durchdringung von Smart Manufacturing in der Industrie hängt folglich im Wesentlichen davon ab, ob es gelingt, die Technologien, die Smart Manufacturing zusammenfasst, auf organisatorische und humane Aspekte abzustimmen. Lean Manufacturing deckt beiderlei Aspekte ab und stellt daher eine geeignete Basis für die Einbindung intelligenter und vernetzter Technologien dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Relevante Aspekte eines cyber-physischen Produktionssystems⁸

Grundgedanke dieser Arbeit ist daher, dass das Konzept des Smart Manufacturing zu- nächst dort sinnvoll ist, wo die Methoden des Lean Manufacturing zur Erreichung der Ziele Flexibilität, Produktivität, Ressourceneffizienz und Kostensenkung an ihre Grenzen stoßen. Das Konzept Smart Manufacturing sollte dort realisiert werden, wo ein Bedarf nach den entsprechenden Technologien besteht, nicht umgekehrt. Diese Arbeit widmet sich daher der Aufgabe, die Komponenten von Smart Manufacturing den Prinzipien und Methoden des Lean Manufacturing gegenüberzustellen und dabei herauszuarbeiten, an welcher Stelle Smart Manufacturing aus Unternehmenssicht einen Mehrwert generiert.

1.4 Vorgehensweise

In dieser Untersuchung werden einleitend zunächst die Ansätze Lean Manufacturing und Smart Manufacturing erläutert, um dem Leser die benötigten Kenntnisse zu vermitteln und einen Bezugsrahmen zu setzen. Darauffolgend werden im theoretischen Teil dieser Arbeit Handlungsfelder, die sich aus den Technologien des Smart Manufacturing erschließen, identifiziert. Die einzelnen Handlungsfelder werden, sofern Schnittstellen zu Lean Manufacturing bestehen, auf Grundlage einer Literaturrecherche hinsichtlich der Grenzen von Lean Manufacturing und Potenziale von Smart Manufacturing analysiert. Im praktischen Teil werden abschließend die aus der Arbeit gewonnenen Erkenntnisse anhand von in der Praxis umgesetzten Anwendungsbeispielen verifiziert.

2 Grundlagen

2.1 Lean Manufacturing

Der Begriff der schlanken Produktion, auch bekannt unter den englischsprachigen Begrif- fen Lean Production oder Lean Manufacturing, wurde erstmals in einer Studie über die Automobilindustrie von Womak und Jones erwähnt. Diese Studie hatte das Ziel zu zei- gen, wie es möglich ist, die Organisation und das Management der Kundenbeziehungen, der Zulieferkette, der Produktentwicklung und der Herstellung so zu gestalten, dass eine möglichst hohe Wertschöpfung realisiert und Verschwendung vermieden werden kann. Das Konzept lehnt dabei an das maßgeblich von Taiichi Ohno entwickelte Toyota Pro- duktionssystem (TPS) an, mit welchem der japanische Automobilhersteller nach dem En- de des 2. Weltkriegs seine Wettbewerbsfähigkeit erlangt hat.⁹ Japan litt zu dieser Zeit unter einer Rohstoffknappheit und erhielt keinerlei wirtschaftliche Hilfe der USA. Japa- nische Unternehmen mussten sich beim Wiederaufbau ihrer Industrie auf ihre eigenen, begrenzten Ressourcen und Mittel beschränken. Toyota stand dabei mit einer rückständi- gen Fertigung, kleinen Stückzahlen und einer geringen Nachfrage der Massenproduktion des Wettbewerbs aus Europa und den USA gegenüber. Aus dieser Notwendigkeit heraus entstand das Toyota Produktionssystem, das zum Ziel hatte, die Wirtschaftlichkeit der Produktion durch konsequente und gründliche Beseitigung jeglicher Verschwendung zu erhöhen. Dieses System wurde bei Toyota in den Folgejahren nach und nach eingeführt und zog erst nach der ersten Ölkrise in 1973 die Aufmerksamkeit anderer japanischer Unternehmen auf sich.¹⁰

Aufgrund der stark begrenzten Ressourcen und Mittel, die dem Unternehmen zur Ver- fügung standen, fokussierte sich Ohno bei der Entwicklung und Umsetzung des Toyota Produktionssystems auf die Verbesserung der organisatorischen Abläufe. Hierbei wurde eine Reihe von Prinzipien, Methoden und Werkzeuge entwickelt, die es erlaubten, viele Modelle in kleiner Stückzahl wirtschaftlich herzustellen. Gestützt wird das System durch zwei Säulen: Einerseits durch das Just-in-Time Konzept, nach dessen Prinzipien die Be- reitstellung des richtigen Materials zur richtigen Zeit, in der richtigen Mengen und am richtigen Ort, ausgehend vom Bedarf des Kunden erfolgt. Andererseits wird das Toyota Produktionssystem durch die autonome Autonomation gestützt, die eine frühzeitige Feh- lererkennung und -beseitigung sicherstellt. Das Fundament des Toyota Produktionssys- tems bilden unter anderem die Beseitigung von Verschwendung, die Einbeziehung der Lieferanten, standardisierte Prozesse und ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess.¹¹ Neben der technischen Seite war für die Verwirklichung von Ohnos Vision des «Toyo- ta spirit of making things» gleichsam die menschliche Seite von zentraler Bedeutung. Das Revolutionäre des Toyota Produktionssystems ist und war „die Geisteshaltung, mit der ein Unternehmen geführt wird, und dessen Denken und Handeln prägt, und zwar von Führungskräften und Mitarbeitern gleichermaßen“¹². Hierbei steht die Beteilugung und Verantwortung aller Mitarbeiter, vor allem aber das Lernen durch eigene Anschauung vor Ort, ein offener Umgang mit Problemen und Fehlern und die Visualisierung dessen im Vordergrund.¹³

Unter dem Begriff der schlanken Produktion wurden die originären Prinzipien, Methoden und Werkzeuge des Toyota Produktionsystems Anfang der 90er Jahre auch in den USA und Europa bekannt. Bis heute unterliegt die Lean Philosophie weltweit wachsender Ver- breitung. Analog zu Toyota ist der Lean Manufacturing Gedanke in vielen Unternehmen in den Grundzügen eines Produktionssystems verankert. Ein derartiges System beschreibt ein „unternehmensspezifisches, methodisches Regelwerk zur umfassenden und durchgän- gigen Gestaltung der Unternehmensprozesse“¹⁴. Es besteht aus Teilsystemen und Prinzi- pien, die wiederum verschiedenste Bausteine in Form von Methoden und Werkzeugen beinhalten, mit deren Anwendung im Unternehmen sich die Produktion effizienter und schlanker gestalten lässt.

Ein Produktionssystem strukturiert als Ordnungsmuster die Kontinuität und die zielge- richtete Vorgehensweise aller Optimierungskonzepte innerhalb eines Unternehmens ab. Die Durchgängigkeit dieser Verfahrensweise, von der Shopfloor -Ebene bis hin zur Werks- leitung, schafft die Voraussetzung für eine systematische Verfolgung der Ziele und den Erfolg des Gesamtsystems. In einem Produktionssystem finden erprobte, einheitliche und sich gegenseitig unterstützende sowie aufeinander abgestimmte Werkzeuge, Verfahrens- weisen und Standards platz, die bei jedem neuen Optimierungsprojekt angewendet wer- den. Das Zusammenspiel und die Vernetzung aller Maßnahmen dient dazu, alle Arten der

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Aufbau und Struktur eines Ganzheitlichen Produktionssystems¹⁵

Verschwendung zu eliminieren und folglich die Produktivität und Flexibilität zu erhöhen. Festgelegte Kennzahlen ermöglichen dabei, den Grad der Zielerreichung und die Güte des Einführungs- und Umsetzungsprozesses zu messen. Regelmäßige Audits, durch die je- weils übergeordnete Organisationsebene, stellen die Einhaltung der geplanten Aktivitäten und die Anwendung vereinbarter Methoden und Standards sicher. Im Mittelpunkt eines Produktionssystems stehen dabei besonders die in Gruppen organisierten Mitarbeiter vor Ort im Shopfloor, von deren Akzeptanz das Funktionieren des Systems und die Reali- sierung der gesetzten Ziele abhängig sind. Dabei ist die Durchdringung sämtlicher hier- archischer Ebenen ein entscheidender Erfolgsfaktor. Hierfür sind konsequentes Training, Sensibilisierung und systematische Unterstützung durch Führungskräfte unerlässlich.¹⁶

Lean Manufacturing konzentriert sich, wie auch das von Toyota aufgestellte Produkti- onsprogramm, auf die Wertschöpfung und die Vermeidung jeglicher Verschwendung. Bei der Suche nach letzteren bedient sich die Lean Philosophie den sieben von Taichi Ohno identifizierten Arten der Verschwendung¹⁷, die nachstehend beschrieben werden.

1. Transportwege

Der Transport von Material, Zwischen- und Endprodukten zur Weiterverarbeitung oder zwischen verschiedenen Lagern und Prozessen, selbst über kurze Entfernun- gen.

2. Bestände

Überhänge an Rohmaterialien, Zwischen- und Endprodukten.

3. Unnötige Bewegung

Überflüssige durchgeführte Bewegungen

4. Wartezeit

Warten auf Materialnachschub, Teile, Werkzeuge oder den nächsten Schritt der Weiterverarbeitung und der Einsatz von Personal nur zur Überwachung von Ma- schinen.

5. Prozessineffizienzen

Unnötige Prozesschritte und ineffiziente Prozesse aufgrund ungeeigneter Werkzeuge oder schlechten Produktdesigns.

6. Überproduktion

Die Produktion von Gütern, für die es keinen Bedarf bzw. keine Verwendung gibt.

7. Fehler

Die Produktion fehlerhafter Teile, Nachbesserungen, Reparaturen, Abfall, Neuproduktion und Überprüfung.

Die Überproduktion gilt weitestgehend als die gravierendste Art jeglicher Verschwen- dung, da sie die meisten anderen Formen auslöst. Ursache hierfür ist, dass zu früh oder zu viel produzierte Teile bei den nachgelagerten Prozessschritten zu einem Lagerstau führen und das Material ungenutzt auf dessen Weiterverarbeitung wartet. Eine Überproduktion und Zwischenbestände verschleiern bestehende Probleme, Prozessineffizienzen oder Feh- ler. Eine Reduzierung der Verschwendung macht Probleme hingegen sichtbar und zwingt zu sofortigem Handeln, um diese zu lösen.¹⁸ Lean Manufacturing fasst dazu die notwen- digen Prinzipien, Methoden und Werkzeuge zusammen, mit denen die sieben Arten der Verschwendung eliminierbar sind.

Womack und Jones führen fünf Prinzipien an, die für das Lean Manufacturing eine zentrale Bedeutung einnehmen¹⁹. Diese können wie folgt charakterisiert werden:

- Definiere den Wert aus Kundensicht.
- Identifiziere den Wertstrom.
- Bringe den Wert zum fließen.
- Produziere nur das, was benötigt wird.
- Strebe nach Perfektion.

In den folgenden Kapiteln werden die Prinzipien genauer erläutert und prägnante Methoden zur Umsetzung aufgezeigt.

2.1.1 Wertschöpfung

Ausgangspunkt für die schlanke Produktion ist der Wert. Dieser wird vom Kunden definiert und entspricht einem Produkt (oder einer Dienstleistung bzw. beidem), das den Bedarf des Kunden befriedigt. Hierzu ist der Kunde bereit, einen bestimmten Preis zu zahlen. Diesen zahlt er, weil ihm das Produkt einen Nutzen bringt. Folglich ist jener Wert, den der Hersteller des Produkts, bzw. der Anbieter einer Dienstleistung erzeugt, mit dem Kundennutzen gleichzusetzen. Im Lean Manufacturing ist es daher notwendig, den Wert aus Sicht des Kunden exakt zu definieren.²⁰

Bei der Definition der Wertschöpfung gilt es, Wertschöpfung und Verschwendung klar voneinander zu trennen. Womack und Jones unterscheiden hier zwischen drei Tätigkeitenstypen, die bei der Herstellung eines Produkts auftreten können²¹:

Eindeutige Wertschöpfung

Tätigkeiten, durch die ein Produkt einen Mehrwert erhält und für die der Kunde bereit ist, zu zahlen.

Unvermeidbare Verschwendung

Tätigkeiten, die keinen Wertzuwachs bringen, aber notwendig sind und den Wertschöpfungsprozess unterstützen.

Vermeidbare Verschwendung

Tätigkeiten, die nicht notwendig sind, um einem Produkt einen Mehrwert hinzuzu- fügen.

[...]

---

¹ Vgl. Syska 2015.

² Eigene Darstellung in Anlehnung an Gartner 2015; Kaufmann 2015, S. 9 f.

³ Vgl. Goschy 2015.

⁴ ifp Institut für Produktivität 2014.

⁵ Deuse et al. 2015, S. 101.

⁶ Vgl. Bauernhansl 2013, S. 573 f.

⁷ Siehe Kapitel 2.1

⁸ Vgl. Deuse et al. 2015, S. 102.

⁹ Vgl. Womack und Jones 2004, S. 15 ff.

¹⁰ Vgl. Ohno 2009, S. 26.

¹¹ Vgl. ebd., S. 35 ff.

¹² Stotko 2009, S. 9.

¹³ Vgl. ebd., S. 9 ff.

¹⁴ VDI 2012.

¹⁵ Vgl. ebd.

¹⁶ Vgl. Dombrowski 2015, 18 ff.

¹⁷ Vgl. Liker und Meier 2013, S. 66 f.

¹⁸ Vgl. ebd., S. 67 f.

¹⁹ Vgl. Womack und Jones 2004, S. 23 ff.

²⁰ Vgl. ebd., S. 24 ff.

²¹ Vgl. ebd., S. 28 f.

• Hochschule: Hochschule Offenburg
• Note: 1,0
• Autor: Emanuel Szabo (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2016
• Seiten: 90
• Katalognummer: V336182
• ISBN (eBook): 9783668261037
• ISBN (Buch): 9783668261044
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Industrie 4.0, Lean Manufacturing, Lean Production, Smart Manufacturing, Smart Factory, CPS, Cyber-physische Systeme, Internet der Dinge, Internet of Things, Industrial Internet, Smart Production