Von der Lean Production zum nachhaltigen Produktionssystem der Zukunft |
Eine Innovationsfabrik als mehrstufige Lernfabrik
| Zeitschrift | Industry 4.0 Science |
| Ausgabe | 40. Jahrgang, 2024, Ausgabe 4, Seite 78-84 |
| Open Access | https://doi.org/10.30844/I4SD.24.4.78 |
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Abstract
Keywords
Artikel
Die Entwicklung der Innovationsfabrik vollzog sich in verschiedenen Entwicklungsstufen, die in Bild 1 dargestellt sind.
Die Lernfabrik ermöglicht, wie für Lernfabriken üblich, eine praxisnahe und anschauliche Einführung sowie die Möglichkeit erfahrungsbasierten Lernens, hier in die Grundlagen schlanker Produktionssysteme [1]. Sie schafft die Voraussetzung dafür, dass die Lean-Prinzipien konsequent angewendet und verschwendungsarme und effiziente Prozesse gestaltet werden können – meist mit einem Minimum an Technikeinsatz. Die Musterfabrik und insbesondere die Innovationsfabrik zeigen darauf aufbauend technologiegetriebene und zukunftsfähige Lösungen. Hierfür ist ein breiter Überblick über Automatisierungstechnologien wie autonome mobile Roboter (AMR), fahrerlose Transportfahrzeuge (FTF oder englisch AGV), Robotik usw. notwendig. Die umfangreiche Ausstattung der Muster- und Innovationsfabrik dient dazu, neue Technologien zu verstehen und deren Anwendung auf eigene Problemstellungen zu übertragen.
Ferner können einfachere Prototypen im Musterbau erstellt werden. Für komplexere und umfangreichere Systeme stehen im Kreativlabor verschiedene Tools zur Visualisierung und Simulation zur Verfügung. Bild 2 zeigt die Aufteilung des Fabriklayouts und den parallelen Aufbau der zentralen Evolutionsstufen von Lern- über Muster- bis hin zur Innovationsfabrik. Die unterstützenden Bereiche am rechten Rand sollen bis 2029 zum Process Innovation Center zusammengeschlossen werden. Nachfolgend werden die einzelnen Stufen der Entwicklung hin zu einer Innovationsfabrik beschrieben.
Lean-Lernfabrik
Um die Grundlagen des Lean Thinking sowohl an Studierende als auch an regionale Unternehmen zu vermitteln, wurde ab 2010 eine 180 m² große ‚Lean-Lernfabrik‘ aufgebaut. Das Alleinstellungsmerkmal zu diesem Zeitpunkt war die Integration von fünf Planspielen in das durchgängige Konzept eines fiktiven Beispielunternehmens, der ‚Bayerischen Bodenroller Werke (BBW) GmbH‘. Heute erstreckt sich die Lean-Lernfabrik über eine Fläche von 300 m² und bildet die gesamte Wertschöpfungskette ab – vom Wareneingang über zwei Vormontagen, einen Supermarkt und drei Routenzüge bis hin zur Endmontage in Form einer U-Zelle. Theoretisch können in der Lernfabrik 185 000 Bodenroller pro Jahr in sechs Varianten gefertigt werden. Im entsprechenden Planspiel wird dabei mit 10 Mitarbeitenden eine Schicht simuliert, in der entsprechend dem Auftragsprogramm Bodenroller tatsächlich montiert und in den Versand gegeben werden.
In einem der angesprochenen fünf Planspiele besteht die Möglichkeit, diesen Teil der Gesamtfabrik umzustellen und zu einer ‚Werkstattfertigung‘ zurückbauen. Diese kann dann von den Schulungsteilnehmenden betrieben werden. Um die Nachteile und Verschwendungen einer Werkstattfertigung klar herauszuarbeiten, wird eine Kennzahlen- und Videoanalyse durchgeführt. Dies wird im Lean-Umfeld als ‚Sehen lernen‘ bezeichnet. Anschließend wird nach einem Theorieteil die Lernfabrik gemeinsam zu einer Fließfertigung mit einer U-Zelle umgebaut. So können die Vorteile dieses Aufbaus ‚selbst erfahren‘ und auch mit Kennzahlen gemessen werden.
Die Lean-Prinzipien werden in diesem ersten der fünf Planspiele an einem praxisnahen Beispiel greifbar gemacht. Obwohl sich die anderen Planspiele mit beispielweise Rüstzeitoptimierung oder Lean Leadership beschäftigen, teilen sie alle das durchgängige Szenario der BBW GmbH. Dies hat zur Folge, dass, wie in der Lean Production üblich, Teilprobleme nicht isoliert, sondern immer im Kontext eines Gesamtsystems gelöst werden [2]. Dies ist besonders hier relevant im realistischen Anwendungsfall eines produzierenden mittleren Unternehmens.
Den Unternehmen soll vermittelt werden, wie sie mit wenig Technologie, nur durch organisatorische und infrastrukturelle Maßnahmen ihre Prozesse erheblich verbessern und stabiler gestalten können. Die Idee dieser ‚Lean-Lernfabrik‘ ist es bis heute, Unternehmen, die aus Prozesssicht noch nicht effizient genug arbeiten, dort abzuholen, wo sie stehen. Es wird ihnen anschaulich dargelegt, dass aus Lean-Sicht der Einsatz von Technik immer erst eine Beschäftigung mit Prozessen und den Lean-Prinzipien voraussetzt.
State-of-the-Art-Musterfabrik
Ab 2014 lag der Fokus auf dem Aufbau einer parallelen ‚State-of-the-Art-Musterfabrik‘ mit modernsten am Markt verfügbaren, Lean-kompatiblen Technologien. Ziel ist es, Unternehmen zu zeigen, wie sie nach der Schaffung schlanker und stabiler Lean-Prozesse durch den Einsatz von Technologie unterstützt werden können, um diese noch effizienter zu gestalten. Während Musterfabriken häufig eher eine mehr oder weniger losgelöste Sammlung von Technologien und Einzellösungen darstellen, wird hier der gesamte Wertschöpfungsprozess für ein reales Produkt abgebildet. Dabei erweitert sie das aus der Lernfabrik bekannte Unternehmens-Szenario vom Wareneingang bis zum Arbeitsplatz um technische Lösungen.
Darauf aufbauend wird dann vermittelt, dass auch dieser Entwicklungsschritt noch Schwächen aufweist. Ähnlich wie beim ‚Sehen lernen‘ im klassischen Lean-Kontext zur Aufdeckung von Verschwendung auf dem Weg von der Werkstattfertigung zur bereits sehr produktiven Lean-Lernfabrik, die durchwegs dem Stand der Technik in der Wirtschaft entspricht, wird hier z. B. auf die Vielzahl der Materialschnittstellen der U-Zelle hingewiesen, die von außen durch den Routenzug o. Ä. bedient werden müssen.
Zudem findet die Wertschöpfung nur in einer Höhe von 0,9-1,6 m statt. Alles darüber und darunter ist ‚nur zum Heizen da‘. Auch der Routenzug benötigt durch die Fahrwege sehr viel Fläche. 25-45 % der Werksfläche sind Logistikwege. [3] In diesem Zusammenhang wird von ‚Sehen lernen 2.0‘ gesprochen. (Bild 3; grüne Pfeile deuten die Fläche der Wertschöpfung, rote Pfeile die Fläche der Verschwendung an).
Innovationsfabrik mit der Smart-Multi-Layer-Produktion
Angesichts der Notwendigkeit, bestehende Produktionssysteme weiterzuentwickeln, wurde mit dem vom bayerischen Wissenschaftsministerium finanzierten Projekt ‚PRocess INnovation CEnter (kurz PR|IN|CE)‘ der Schwerpunkt auf die Entwicklung eigener Innovationen verlagert.
Auf Basis des übergeordneten Prinzips ‚Smart-Multi-Layer-Produktion mit vertikalem Materialfluss (SML)‘ wurden seit 2020 neun Erfindungsmeldungen eingereicht. Diese einzigartigen technischen und methodischen Innovationen ermöglichen es, logistische Prozesse vollständig neu zu denken. In einer speziell hierfür parallel zur Lern- und Musterfabrik aufgebauten Innovationsfabrik werden diese als Proof-of-Concept präsentiert (Bild 4).
Zunächst wird auf die O-Zelle eingegangen, die bereits aus der Innovationsfabrik in die wirtschaftliche Verwertung überführt wurde. Sie ist ein zentraler Bestandteil der SML.
Die O-Zelle ist ein ideales Beispiel für das ‚radikal neu denken‘ durch das ‚Sehen lernen 2.0‘. Die bisher meist übliche Form einer U-Zelle ist aufgrund der vielen Schnittstellen nach außen sehr schwierig zu automatisieren. Durch eine Invertierung der Anordnung wird der Einsatz einer fixierten Robotereinheit ermöglicht, die wesentlich effizienter arbeitet als beispielsweise ein AMR.
Durch die inverse Anordnung sind diese Bereiche für die zentrale Automatisierungskomponente uneingeschränkt zugänglich. Somit kann die Fläche unterhalb des Arbeitsplatzes zur vollständigen oder teilweisen Integration vorgelagerter Nachschublagerstufen verwendet werden. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Gesamt-Flächenproduktivität und zu einer Reduzierung der innerbetrieblichen Transportaufwände. Darüber hinaus ist das Montagesystem so in der Lage, auf gesteigerte Varianzanforderungen besser zu reagieren. Die zusätzliche Lagerkapazität in Verbindung mit der zentralen Automatisierungskomponente ermöglicht eine auftragsbezogene Kommissionierung von Bauteilvarianten, die aus Platzgründen nicht mehr im unmittelbaren Zugriffsbereich des Mitarbeiters gelagert werden können [4].
Die O-Zelle hat bereits alle Innovationsschritte bis hin zur kommerziellen Nutzung durchlaufen. Sie wurde von einem Fabrikausrüster lizenziert und im Jahr 2023 wurde die erste kommerzielle Produktionsanlage bei einem Kunden errichtet.
Dieser Ansatz, ein System in verschiedenen Layern zu denken, wurde in der Folge auch auf die gesamte Innovationsfabrik übertragen [5]. Die ‚Smart-Multi-Layer-Produktion mit vertikalem Materialfluss‘ repräsentiert einen neuen Typ Montagefabrik. In der Literatur ist zwar gerade bei Lean-Production oft auf die Trennung von Wertschöpfung und Verschwendung hingewiesen worden [6], die Umsetzung beschränkte sich jedoch meistens auf die Trennung von Produktionsstufen wie Vorfertigung, Endfertigung und Lager. Die Innovation der SML besteht darin, dass die Trennung in diesem Produktionssystem der Ebenen nicht auf Basis der Produktionsstufen erfolgt, sondern auf Grundlage der Funktion.
Angestrebt wird eine Verringerung der erforderlichen Grundfläche einer Produktionsstätte um 40–60 %. Dies soll durch die Unterscheidung und konsequente Trennung von Flächen in wertschöpfende und nicht wertschöpfende Bereiche erreicht werden. Tätigkeiten werden in den drei Layern neu angeordnet, daher der Name ‚Multi Layer‘ (Bild 4).
Im ‚Wertschöpfungs-Layer‘ werden nur die wertschöpfenden Tätigkeiten ausgeübt. Nicht wertschöpfende oder automatisierte Tätigkeiten werden entlang der z-Achse nach unten oder oben verschoben. Die Lagerung und das Handling von Großladungsträgern (GLT) findet im ‚GLT-Layer‘ unterhalb des ‚Wertschöpfungs-Layers‘ statt. Handling und Lagerung von Kleinladungsträgern (KLT) werden hingegen in den ‚KLT- Layer‘ nach oben verschoben.
Das Alleinstellungsmerkmal der Innovationsfabrik besteht darin, dass ein ‚Öko-System‘ aus neun verschiedenen Erfindungsmeldungen entlang der logistischen Wertschöpfungskette und ein entsprechendes Unternehmensnetzwerk aufgebaut wurden. Nachfolgend wird kurz dargestellt, wieso sich die SML in der Innovationsfabrik zugleich als eine mögliche Interpretation des nachhaltigen Produktionssystems der Zukunft darstellt.
Das nachhaltige Produktionssystem der Zukunft
Die typischen Probleme eines mittelständischen Unternehmens, wie der Mangel an neuen Flächen sowie der zunehmende Engpass beim Personal, sind repräsentativ für die in den letzten Jahren aufgekommenen zentralen Herausforderungen des Fachkräftemangels und der erhöhten Anforderungen an die Nachhaltigkeit, die mittlerweile die gesamte Wirtschaft betreffen [7, 8]. Hinzu kommen häufig steigende Variantenvielfalt und die Notwendigkeit, Wachstum zu ermöglichen. All diesen Problemen kann das Produktionssystem der Innovationsfabrik begegnen: Dort wird – zusätzlich zu untenstehenden innovativen Ansätzen – auf der gleichen Fläche und mit dem gleichen Personal der Output gegenüber der Lean Lernfabrik verdoppelt und die Varianz auf 36 erhöht, also versechsfacht.
Automatisierte Intralogistik
Die Automatisierung der Intralogistik wird als zentraler Aspekt bei der Gestaltung zukunftsfähiger Produktionssysteme angesehen [9]. Dabei wird in der Innovationsfabrik das Ziel der vollständigen Automatisierung der internen Logistikkette vom Wareneingang bis zum Werker verfolgt. Den Unternehmen sollen innovative und von den konventionellen Vorgehensweisen abweichende Wege in eine effiziente und effektive Automatisierung der Logistik aufgezeigt werden.
In zahlreichen Praxisprojekten und im Rahmen eigener Automatisierungsbemühungen wurde die Erkenntnis gewonnen, dass häufig der Denkfehler begangen wird, vorhandene, im Normalfall für Menschen geschaffene, Prozesse und Strukturen eins zu eins automatisieren zu wollen. Dies muss aus wissenschaftlicher Sicht hinterfragt werden, da häufig diese für Menschen optimierten Prozesse nur äußerst aufwendig zu automatisieren sind und vielmehr aus Sicht der Stärken der Technologie und der Maschinen komplett neu gedacht werden sollten.
Hierfür ist eine strukturierte, wissenschaftliche Vorgehensweise in frühen Projektphasen notwendig. Durch die konsequente Trennung von Mensch und Maschine können völlig neue Möglichkeiten zur Erhöhung der Betriebsmittelproduktivität und der Flexibilität der Materialbereitstellung in Betracht gezogen werden. Die Rückmeldung vieler Unternehmen stützt diesen Ansatz.
Nachhaltige Produktion
Eine erfolgreiche Steigerung der Nachhaltigkeit setzt erfahrungsgemäß einen multikriteriellen Ansatz voraus [10]. Ausgehend von der Annahme begrenzter Mittel und Ressourcen für Nachhaltigkeit müssen für die Bereiche Produktion und Logistik die wirksamsten Maßnahmen ausgewählt werden. Neben dem breit gefächerten Ansatz wird in der Innovationsfabrik folgender Ansatz untersucht: Flächenproduktivität ist ein valides Maß für Nachhaltigkeit und eine geeignete Kennzahl zur Beeinflussung des operativen Verhaltens im Hinblick auf Ziele und Strategien der Nachhaltigkeit [11]. Eine Reduzierung des Flächenverbrauchs korreliert stark mit einer steigenden Nachhaltigkeit.
Mit dem Aufbau in der Innovationsfabrik kann nicht nur die Betriebsmittelproduktivität gesteigert, sondern auch der Flächenverbrauch signifikant reduziert werden (in ersten Praxisuntersuchungen um 40-60 %). Somit bietet dieser Ansatz die einmalige Chance, ökonomische und ökologische Aspekte in Einklang zu bringen.
Evolutionäre Fortentwicklung von Produktion und Logistik
Die kontinuierliche Weiterentwicklung von der prozesszentrierten Lernfabrik zur Musterfabrik mit modernsten Techniklösungen für die Intralogistik und schließlich zur Innovationsfabrik mit entwickelten Innovationen rund um die Herzstücke der O-Zelle und der Smart-Multi-Layer-Produktion zeigt eine evolutionäre Fortentwicklung von Produktion und Logistik, die auf dem Szenario der Bodenrollerfertigung eines fiktiven Unternehmens basiert.
Das Alleinstellungsmerkmal liegt nicht nur in der Umsetzung eines durchgängigen Szenarios in verschiedenen Entwicklungsstufen mit zunehmendem Einsatz von Technik und Innovationen, sondern auch in dem parallelen Aufbau aller Entwicklungsstufen. Dadurch sind die Evolutionsstufen für Besucher deutlich sichtbar, und Unternehmen können gezielt dort ansetzen, wo sie sich aktuell im Entwicklungsprozess befinden. Die vorgestellte Muster- und Innovationsfabrik bildet sämtliche Produktionssysteme ab, von der Werkstattfertigung über Lean Production bis hin zum nachhaltigen Produktionssystem der Zukunft.
Literatur
[1] Steffen, M.; Frye, S.; Deuse, J.: Vielfalt Lernfabrik. In: Werkstattstechnik Online 103 (2013), S. 233-239. DOI: doi.org/10.37544/1436-4980-2013-3-233.[2] Womack, J. P.; Jones, D. T.; Roos, D.: Die zweite Revolution in der Autoindustrie. Konsequenzen aus der weltweiten Studie des Massachusetts Institute of Technology. 7. Auflage, Frankfurt am Main 1992.
[3] Grundig, C.-G.: Fabrikplanung. Planungssystematik – Methoden – Anwendungen. München 2012.
[4] Schneider, M.; Büttner, K.; Ettengruber, T.: Eine automatisierungsgerechte Anordnungsform von Montagesystemen. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb Band 116 (2021) 1-2, S. 25-28.
[5] Schneider, M.: Z-Production – Ein revolutionäres Produktionsparadigma. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 117 (2022) 1-2, S. 4-8.
[6] Hänggi, R.; Fimpel, A.; Siegenthaler, R.: LEAN Production – einfach und umfassend: Ein praxisorientierter Leitfaden zu schlanken Prozessen mit Bildern erklärt. Berlin Heidelberg 2021. DOI: doi.org/10.1007/978-3-662-62702-0.
[7] Harnoss, J.; Kugel, J.: Arbeitskräftemangel. Boston Consulting Group. 2022.
[8] Ahrend, K.: Geschäftsmodell Nachhaltigkeit: Ökologische und soziale Innovationen als unternehmerische Chance. In: Leal Filho, W. (Hrsg): Aktuelle Ansätze zur Umsetzung der UN-Nachhaltigkeitsziele. Berlin 2019.
[9] Schneider, J. u. a.: Arbeitswelten der Logistik im Wandel: Automatisierungstechnik und Ergonomieunterstützung für eine innovative Arbeitsplatzgestaltung in der Intralogistik. In: Hermeier, B.; Heupel, T.; Fichtner-Rosada, S. (Hrsg): Arbeitswelten der Zukunft: Wie die Digitalisierung unsere Arbeitsplätze und Arbeitsweisen verändert, S. 51-66. DOI: doi.org/10.1007/978-3-658-23397-6_4.
[10] Andes, L.: Methodensammlung zur Nachhaltigkeitsbewertung – Grundlagen, Indikatoren, Hilfsmittel. Karlsruher Institut für Technologie. 2019.
[11] Schneider, M.; Müller, C.; Schnabel, S.: Flächenproduktivität – Die neue Kennzahl für Nachhaltigkeit? In: ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 118 (2023) 12, S. 872-877.
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