Der Kundentakt bestimmt die Montage - Vorgehen zur optimierten Gestaltung der Montage von variantenreichen Instrumenten

Alban Maier, Klaus Erlach, Matthias Ehrat

Die Konzipierung und Dimensionierung von Produktionssystemen hat sich stets nach dem Kundentakt zu richten. Dadurch wird eine höchstmögliche Effizienz und Kundenorientierung erreicht. Ist die Absatzmenge einem saisonalen Verkaufsmuster unterworfen und weist das Produkt eine große Variantenvielfalt auf, muss der Kundentakt richtig interpretiert und das Produktionslayout entsprechend ausgelegt werden.

Kundenorientierung ist heutzutage wohl der wichtigste Grundsatz eines jeden Unternehmens, das am Markt erfolgreich agiert. Dieser Trend, in Kombination mit steigendem Wettbewerbsdruck, verlangt von den Unternehmen Produkte auch in steigender Variantenvielfalt mit immer höherer Produktivität zu montieren. Um in diesem Umfeld effizient und wirtschaftlich produzieren zu können, muss die Montage kapazitiv möglichst exakt auf die Kundenbedürfnisse und -nachfrage ausgelegt und der Ressourceneinsatz in der variantenreichen Serienfertigung abgeglichen werden. Zur Erreichung einer hohen Produktivität und kurzer Durchlaufzeiten setzten Unternehmen dabei heute auf die Methoden der schlanken Produktion. Dabei stehen die Eliminierung von Verschwendungen sowie Volumen-Glättung und Produktionsmix-Ausgleich der variantenreichen Serienfertigung im Mittelpunkt.

Rotationsverdampfungssysteme werden in Labors für die Forschung und Entwicklung sowie für die Qualitätskontrolle in verschiedenen Branchen, unter anderem in der Chemie-, Pharma- und Nahrungsmittelindustrie eingesetzt. Ein Rotationsverdampfungssystem besteht aus einer Rotationseinheit sowie einem Heizbad. Die Rotationseinheit wird in zwei Ausbaustufen angeboten. Diese Ausbaustufen setzen sich aus vormontierten Baugruppen zusammen. Das Montagevolumen dieser Baugruppen und der daraus resultierende effektive Montageaufwand variieren in Abhängigkeit von den Ausbaustufen. Das Heizbad wird in vier Varianten angeboten. Dabei sind die Unterschiede in Bezug auf die Montageaufwände unter diesen vier Varianten gering. Die Variantenvielfalt der in beschränkter Stückzahl hergestellten Rotationsverdampfungssysteme vervielfacht sich zusätzlich durch umfangreiches Zubehör. Dieses Zubehör wird bei der Verpackung der Rotationsverdampfungssysteme auftragsspezifisch beigestellt.


 

Bild 1: Rotationsverdampfer mit Glasaufbau bestehend aus Rotationeinheit und Heizbad

Der Exportanteil beträgt rund 95 %, wobei sich der Absatz laufend zugunsten der boomenden asiatischen Märkte verschiebt. Eine große Herausforderung stellt das zunehmend saisonale Verkaufsmuster dar. Um vom Werkplatz Schweiz aus unter diesen Entwicklungen in einem globalen Umfeld wirtschaftlich agieren zu können, muss die Montage hinsichtlich Qualität, Produktivität und Kundenbedürfnissen perfekt austariert und auf die Nachfrage abgestimmt sein.

Der Kunde bestimmt den Takt
Die Leistung einer Fabrik wird durch eine Ausrichtung an den jeweiligen Fabrikzielen bestimmt. Dies erfolgt im Idealfall durch eine klare Positionierung innerhalb der vier teilweise in ihren Anforderungen an die Produktion einander widersprechenden Zieldimensionen Variabilität, Qualität, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit [1]. Die Erfolgsfaktoren der Produkte am Markt spiegeln sich entsprechend dieser vier Zieldimensionen in den Marktzielen Lieferbarkeit und Lieferfähigkeit, Liefertreue sowie Preis wider.

Die Leistungsvorgabe für die Produktion wird durch den Kundentakt ausgedrückt, welcher zudem den Rhythmus im Produktionsablauf bestimmen sollte. Der Kundentakt berechnet sich aus dem durchschnittlichen Stückbedarf in einer bestimmten Geschäftsperiode und der dafür zur Verfügung stehenden Produktionszeit. Er bestimmt damit die ideale Taktzeit, in welcher ein Produkt alle zugehörigen Montageschritte durchlaufen muss, um die schwankende Kundennachfrage termingerecht – just in time – zu befriedigen. Liegt eine konstante Nachfrage über die gesamte Geschäftsperiode vor, sorgt eine am Kundentakt ausgerichtete Produktion für eine gleichmäßige Auslastung und eine effiziente Nutzung der Betriebsmittel. In der Realität ist der Stückbedarf jedoch häufig einem ausgeprägten saisonalen Verkaufsmuster unterworfen. Diese Kundennachfrageschwankungen machen einen Flexibilitätskorridor erforderlich, der durch die Produktion abgedeckt werden muss. Die Einhaltung des Flexibilitätskorridors wird durch Erhöhung oder Abbau der Lagerhaltung, durch das Verschieben der Liefertermine, durch Mehr- oder Minderzeit der Mitarbeiteranwesenheit oder durch flexible Anpassung der Kapazität erreicht. Für die variantenreiche Produktion empfiehlt sich eine Lagerhaltung zur Glättung der Kundenbedarfsschwankungen nur ausnahmsweise für einzelne Varianten mit stetiger und hoher Nachfrage, da andernfalls ein hohes Verwertungsrisiko besteht. Eine Verschiebung der Liefertermine ist nur bei sehr geduldigen Kunden, die ungern auf etwaige Konkurrenten zurückgreifen, möglich.


 

Bild 2: Durchschnittliches Verkaufsmuster der letzten vier Geschäftsperioden

Bei den Rotationsverdampfungssystemen zeigt sich über mehrere Geschäftsjahre hinweg ein starkes saisonales Verkaufsmuster mit einem Bedarfsmaximum im vierten Quartal (Bild 2). Die kapazitative Auslegung der Montage orientiert sich dabei optimalerweise am Kundentakt der ersten drei Quartale mit geringerer Nachfrage. So kann eine stetig hohe Auslastung und Nutzung der Betriebsmittel erreicht werden. Für das absatzstärkste vierte Quartal würde dies im vorliegenden Fall jedoch bedeuten, dass in der Produktion Mehrzeit geleistet wird, der Kundenbedarf aber trotzdem nicht termingerecht produziert werden kann. Ein Lösungsansatz bietet die systematische Auslegung der Produktion und der Produktionskapazität nach einem periodenweisen angepassten Kundentakt, der je nach Ausprägung des saisonalenVerkaufsmusters auf Quartals- oder Monatsbasis bestimmt wird. Aufgrund der Ausprägung der Kundenbedarfsschwankungen für Rotationsverdampfungssysteme wird der Kundentakt auf Quartalsbasis ermittelt. Zur Abstimmung der Produktion auf den Kundentakt muss die Zykluszeit der Produktionslinie, auch Produktionstakt genannt, möglichst exakt an den Kundentakt angeglichen werden. Da der Kundentakt eine aus dem Kundenbedarf abgeleitete Zielvorgabe darstellt, muss der Abgleich der Produktion durch Anpassung der Zykluszeit erfolgen. Die Zykluszeit einer Produktionslinie hängt vom aufsummierten Arbeitsinhalt und den zur Verfügung stehenden Betriebsmitteln resp. der Mitarbeiterzahl ab (Gleichung 1). Die Verfügbarkeit der Mitarbeiter wird dabei abzüglich der Verteilzeiten auf 95 % beschränkt.

(1) ZZ Zykluszeit [Zeiteinheit]
#MA Anzahl Mitarbeiter in einer Linie
BZi Bearbeitungszeit der einzelnen Prozessschritte in der Linie [Zeiteinheit]
#Res Ressourcenbedarf – Anzahl parallele Linien

Der Ressourcenbedarf bestimmt, wie viele parallele Montagelinien benötigt werden und wird sprungfix skaliert. Da dadurch leicht Überkapazitäten oder Mindernutzungen entstehen können, wird durch die Bestimmung des Ressourcenbedarfs nur eine erste Grobabstimmung der Produktion erreicht. Die Feinabstimmung der Zykluszeit an den Kundentakt erfolgt durch die Mitarbeiterzahl in der einzelnen Montagelinie.

Die Voraussetzungen zur hier erforderlichen flexiblen Reaktion auf saisonale Kundenbedarfsschwankungen wird durch eine geeignete Umsetzung des Flussprinzips erreicht, welche eine Anpassung des Mitarbeitereinsatzes in der Montagelinie erlaubt.  

Für einen kontinuierlichen Fluss in der Montage sorgen
Das Prinzip des Einzelstückflusses oder auch One-Piece-Flow beruht darauf, dass die mehrstufige Bearbeitung eines montierten Produktes in einem ununterbrochenen Fluss vorgenommen werden soll [2]. Die durchzuführenden Arbeitsschritte erfolgen sequentiell und ohne Zwischenpufferung bis zur Fertigstellung der Montageeinheit. Im Produktionsfluss befindet sich dabei jeweils je Mitarbeiter nur eine Montageeinheit. Zur optimalen Umsetzung des Fluss-Prinzips sind die Arbeitsstationen einer Produktionslinie U-förmig anzuordnen. Dies bietet die Möglichkeit, die Montage im Staffellauf- oder Karawanenprinzip zu betreiben. Beim Staffellauf werden den Mitarbeitern jeweils mehrere Arbeitsstationen fix zugewiesen. Eine flexible Anpassung der Mitarbeiterzahl zur Abstimmung der Zykluszeit auf den Kundentakt ist durch diese fixe Zuweisung nur eingeschränkt durch eine veränderte Zuordnung realisierbar. Beim Karawanenprinzip hingegen durchlaufen die Mitarbeiter alle Arbeitsstationen in Folge und montieren eine komplette Montageeinheit in Eigenregie. Durch die Anordnung in U-Form liegen der Endpunkt der abgeschlossenen und der Startpunkt der nachfolgenden Montage nebeneinander. Dadurch kann der Kundentakt durch eine flexible Anpassung der Mitarbeiteranzahl in mehreren Stufen eingehalten werden.

Aufgrund der fehlenden Puffer innerhalb einer One-Piece-Flow Linie hat jeder aufgetretene Ausschuss einen negativen Einfluss auf die Produktivität und somit auf das Erreichen des Kundentakts. Dem wird durch Standardisierung und hundertprozentige Kontrollen an den Arbeitsstationen entgegengesteuert. Die Standardisierung der Arbeitsschritte leistet einen entscheidenden Beitrag zur Glättung der Produktion und resultiert in systematisch organisierten Arbeitsplätzen und stabilen Bearbeitungszeiten. Der Mitarbeiterbedarf der U-Linie wird anhand der standardisierten Bearbeitungszeiten an den einzelnen Arbeitsstationen bestimmt. In der Praxis hat es sich bewährt, die Mitarbeiterzahl in einer U-Linie auf drei bis vier Personen zu beschränken. Werden mehr Mitarbeiter eingesetzt, entstehen häufig Stockungen an den einzelnen Arbeitsstationen. Zudem erschwert sich dadurch das Arbeiten in kompakt angelegten U-Linien.

Dimensionierung der Montagelinien
Weist die Zykluszeit aufgrund einer hohen Produktionsdurchlaufzeit sowie der empfohlenen Limitierung des Mitarbeitereinsatzes auf einer U-Linie weiterhin eine große Abweichung zum Kundentakt auf, sind einzelne Arbeitsinhalte von der auf den Kundentakt abzugleichenden Hauptlinie zu entkoppeln. Dazu sind die Arbeitsinhalte der Hauptlinie soweit zu reduzieren, dass die Zykluszeit mit einem maximalen Mitarbeitereinsatz von vier Personen an den kürzesten Kundentakt angeglichen werden kann. Der auf Quartalsbasis bestimmte Kundentakt für Rotationsverdampfungssysteme kann beim derzeitigen Arbeitsinhalt nicht auf einer einzelnen U-Linie erreicht werden, weshalb die Montage des Heizbades sowie einer Baugruppe der Rotationeinheit aus der U-Linie entkoppelt werden. Die Montage dieser entkoppelten Baugruppen wird als Vorprozess in einer zweiten U-Linie betrieben. Die Entkopplung des Heizbades aus der ersten U-Linie ist ohnehin sinnvoll, da diese nicht direkt in den Montageprozess der Rotationseinheit miteingebunden werden kann.

Durch die Reduktion der Arbeitsinhalte auf der ersten U-Linie konnte die Zykluszeit soweit gekürzt werden, dass der im vierten Quartal erforderliche Kundentakt mit vier Mitarbeitern erreichbar ist. Für die ersten drei Quartale des Jahres wird der Mitarbeiterbestand auf drei reduziert, wodurch der für diesen Zeitraum spezifische Kundentakt bei einer hohen Mitarbeiterauslastung ebenfalls erreicht wird. Die Vorprozesse auf der zweiten U-Linie sollten eine annährend gleiche Zykluszeit wie der Hauptprozess aufweisen, da ansonsten bei der Anbindung hohe Synchronisationsverluste entstehen, die entweder durch Bestände oder durch Mitarbeiterwartezeiten abzupuffern wären. Während in den ersten drei Quartalen ein entsprechender Synchronisationspuffer eingeplant werden muss, fällt dieser im vierten Quartal durch den sehr geringen Zykluszeitunterschied gering aus.

Die Einhaltung des Kundentaktes während der ersten drei Quartale wird durch einen Mitarbeitereinsatz von Hauptlinie zu Vorprozessen im Verhältnis 3 MA : 2 MA erreicht. Um die für das vierte Quartal erforderliche Produktivitätssteigerung von gut 30 % zu erreichen, ergibt sich für diesen Zeitraum eine Aufteilung des Mitarbeitereinsatzes auf der Hauptlinie und auf den Vorprozessen im Verhältnis 4 MA : 3 MA. Bild 3 zeigt die aufgrund der Anpassung des Mitarbeitereinsatzes resultierenden, auf den Kundentakt abgestimmten Zykluszeiten der beiden U-Linien.


​Bild 3: Taktabstimmungsdiagramm der U-Linien unter Miteinbezug des quartalsweisen Kundentakts

Kopplung der Vorprozesse mit der Hauptlinie
Die Kopplung der Baugruppe aus der Rotationeinheit, welche einen variantenunabhängigen Charakter aufweist, erfolgt aufgrund geringer Taktzeitunterschiede und optimaler organisatorischer Anordnung mittels Reihenfertigung mit Bestandsobergrenze auf einer FIFO-Bahn. Das Akronym FIFO steht für „First In – First Out“. Dies bedeutet, dass eine Baugruppe, welche den Vorprozess zuerst verlässt, im Folgeprozess auf der Hauptlinie zuerst eintrifft und verbaut wird. Zur Überbrückung von Taktzeitunterschieden ist ein Synchronisationsbestand erforderlich. Soll dieser auf ein Minimum reduziert werden, muss der Vorprozess ebenfalls möglichst genau im Kundentakt betrieben werden. Für einen konstanten Mindestbestand auf der FIFO-Bahn sorgt ein Freigabesignal, mit welchem eine Entnahme aus dem Bestand der FIFO-Bahn dem entkoppelten Vorprozess signalisiert wird. Diese FIFO-Verkopplung wird auch ConWIP-Regelkreis genannt, wobei das Akronym für „Constant Work in Progress“ steht. Bei variantenreichen Baugruppen ist dabei eine geeignete Synchronisation erforderlich, da auf der FIFO-Bahn jeweils genau die entsprechende zum jeweiligen Zeitpunkt in der Hauptlinie benötigte Variante vorliegen muss.

Die Anbindung des variantenreichen Heizbades erfolgt daher mittels Behälter-Kanban. Bei diesem Verfahren werden von allen Produktvarianten je zwei Behälter mit jeweils identischer Füllmenge bereitgestellt. Die Füllmenge wird anhand der Taktzeitdifferenz zwischen den Linien ermittelt. Je mehr die Zykluszeit in den Vorprozessen von der massgebenden Zykluszeit der Hauptlinie abweicht, desto größer muss der Füllmengenbestand gewählt werden. Aufgrund der geringen Zykluszeitunterschiede kommt für das Heizbad ein Behälter-Kanban mit Füllmenge 1 zum Einsatz. In der Hauptlinie wird dann die passende Variante des Heizbades aus dem Behälter entnommen. Dieser Behälter geht sofort zurück an den Vorprozess und generiert dort eine Bestellung für die Produktion eines weiteren Heizbades der gleichen Variante. Während der Dauer für die Montage dieses Heizbades wird die Montage in der Hauptlinie durch den zweiten Behälter abgedeckt. Ist auch das Heizbad in diesem Behälter entnommen worden, beginnt der Ablauf von neuem. Die Synchronisation der Behälter-Kanban Füllmenge wird durch Vor- oder Nacharbeit in den Vorprozessen erreicht. Für die Anbindung des Heizbades in die Hauptlinie werden für alle vier Produktvarianten je zwei Behälter eingesetzt.


 

Bild 4: Fabriklayout zur effizienten und kundenorientierten Fertigung von Rotationsverdampfungssystemen

Umsetzung bei der Firma Büchi AG
Die wesentliche Herausforderung in der Realisierung dieses Montagekonzepts bestand in der Ermittlung und Zuordnung der Bearbeitungszeiten auf die zehn Arbeitsstationen und deren Aufteilung auf die beiden U-Linien. Als Ergebnis entstand ein Produktionslayout (Bild 4), welches hinsichtlich der Ausrichtung auf den Kundenbedarf und der Erfüllung der Produktivitätsvorgaben überzeugt.

Literatur:

[1] Erlach, K. (2010). Wertstromdesign. Der Weg zur schlanken Fabrik. 2. Auflage. Berlin Heidelberg: Springer.
[2] Scharf, P., Kissing, A. (2007). One-Piece-Flow. Ein vielseitiges Konzept für die industrielle Serienmontage. Industrie Management, 23(3). S. 35-38.