Der Modulare Produktionsbaukasten - Teil 1

Hubert Waltl und Horst Wildemann

Die Modularisierung der Produktion beschreibt die standortübergreifende Standardisierung von Organisationselementen, Produktionsprozessen und Ressourcen. Dabei wird die Modularisierung der Produktion von der Modulstruktur des zu fertigenden Produktes abhängig. Auf diese Weise können Produktionsprozesse und -anlagen für die Fertigung anderer Produkte wiederverwendet und einheitliche Best-Practice-Lösungen werksübergreifend implementiert werden. Modul- und Produktionsstruktur sind hierbei eng miteinander zu verknüpfen, da erst durch eine integrierte Betrachtung die vollständige Erschließung der Standardisierungspotenziale ermöglicht wird.

Der Kerngedanke der Produktion ist es, durch den wirtschaftlich sinnvollen Einsatz der verfügbaren Ressourcen wie Material, Kapital, Personal und Energie einen möglichst hohen Output an Produkten und Dienstleistungen zu erzeugen. Dabei entsteht ein Produktionssystem durch die ziel-orientierte Verknüpfung, Standardisierung und kontinuierliche Verbesserung bekannter Prinzipien und Methoden. Dadurch ergibt sich eine systematische Grundordnung für das Produktionssystem. Um diese sicherzustellen, gibt es Beschreibungen für Abläufe, Methoden und Regeln. Ein Produktionssystem wird etabliert, um auf die neuen Herausforderungen durch schnellere und tiefgreifende technologische Veränderungen wie Automatisierungstechniken, Informations- und Kommunikationstechnologien, neuartige Werkstoffe und stärkere Veränderungen auf Absatz- und Beschaffungsmärkten reagieren zu können. Ziel ist es, Sachverhalte einmal optimal zu gestalten und diesen Standard ständig zu verbessern. Auf Seiten der Produkte wird dies bereits in vielen Branchen durch die Modulstrategie erreicht, die es ermöglicht, Individualisierung nach außen – zum Kunden hin – und Standardisierung nach innen zu erzielen. Die Produktmodularisierung bietet einen Ansatz, der auf der einen Seite die Individualisierungsanforderungen der Kunden erfüllt und auf der anderen Seite die steigende Komplexität und vor allem die Produktentwicklungskosten beherrschbar macht. Die Volatilität der Märkte in Verbindung mit der Variantenvielfalt erfordert eine Flexibilität in der Produktion. Analog zur Standardisierung von Produkten bietet sich auch für die Produktion die Modularisierung als Lösungsstrategie an. Die Modularisierung bezeichnet die Untergliederung von ganzen Teilen, die aus einzelnen Elementen bestehen und über Schnittstellen interagieren. Die Idee ist es, die Fabrik in einzelne Module zu segmentieren und in diesen die notwendige Flexibilität zu realisieren (vgl. Bild 1).

 

Bild 1: Modularisierungsansatz in
der Automobilproduktion

Modularer Produktionsbaukasten

Die Produktion der Zukunft muss gleichzeitig flexibel und kosteneffizient produzieren. Als Lösungsweg hierzu bietet sich die Modularisierung der Produktion an. Als Basisvoraussetzung bedarf es auch einer entsprechenden Produktgestaltung, die die Produktionsmodularisierung unterstützt. Erst wenn sich einzelne Produktmodule auch mit gleichen oder ähnlichen Strukturen und Prozessen fertigen lassen, kann eine Produktionsmodularisierung die vollen Potenziale entfalten. Die Segmentierung der Produktion erfolgt dabei gemäß der Systemtheorie nach dem funktionalen, dem strukturalen und dem hierarchischen Konzept. Das Modell baut auf der Modular Plant Architecture auf und klassifiziert die Produktion nach den drei Dimensionen Produktionsebenen, Produktionsfunktionen und Planungsbereiche. Die Modularisierung der Produktion kann entsprechend der Dimensionen in einer modularen Fabrikarchitektur dargestellt werden (vgl. Bild 2). 

Die Hierarchie der Produktionsebenen ermöglicht eine strukturelle Dekomposition der Produktion von der Markenebene über die Bereichs- und Linienebene bis hinunter zum Arbeitsplatz. Weiterhin werden die Planungsbereiche Anlagen, Prozesse und Organisation unterschieden. Die Produktionsfunktionen des Modells geben die Funktionen eines Produktionselementes in der Produktion an. Dabei wird nach den Funktionen Fertigung und Montage, Logistik, IT und Unterstützung unterschieden. Die dreidimensionale Struktur des Modells ermöglicht eine anwenderfreundliche Benutzung der modularen Fabrikarchitektur.


Fallbeispiel Volkswagen: Modularer Fahrwerkrahmen 

Der Fahrwerkrahmen wird als mitlaufende Vorrichtung für den Aufbau des Fahrwerks, von Motor und Getriebe, der Abgasanlage und des Tanks genutzt. Nach diesen Montageschritten dient er bei der „Hochzeit“ mit der Karosserie als Positionierungsbasis. Die Präzision bei diesem Fügevorgang ist von großer Bedeutung für die Verbauqualität von Karosserie und Komponenten. In der Vergangenheit war der Fahrwerkrahmen fahrzeug- und standortspezifisch konstruiert und bestand im Wesentlichen aus einem Bauteil. Beispielsweise unterschieden sich die Rahmen für VW Golf, VW Tiguan und VW Passat und selbst zwischen VW Golf mit Frontantrieb- und Allrad. Mit Einführung des Modularen Querbaukastens und dem Anspruch, wesentlich mehr Fahrzeugvarianten produzieren zu wollen, wäre die Beherrschung der Komplexität mit dem damaligen Betriebsmittelkonzept nur mit hohem Aufwand möglich gewesen. Gleichzeitig bot der Modulare Querbaukasten aufgrund der Produktmodularisierung und -standardisierung die Chance, den Fahrwerkrahmen als konzernweit nutzbares, modulares Betriebsmittel zu entwickeln. Es entstand ein Betriebsmittel, das eine hohe Flexibilität aufweist. Die Fabrikflexibilität wird durch den standardisierten Grund-
rahmen bewirkt, der keine Abhängigkeit vom Produktdesign aufweist. Die Produktflexibilität im Hinblick auf die zu verbauenden Teile wird durch die Entwicklung der Module sichergestellt, die als Schnittstelle zum Produkt dienen und deshalb produktdesign- und produktvarianzabhängige Eigenschaften aufweisen.

Für die Montage der einzelnen Bauteile werden ein Vorderwagenmodul sowie Module für den Tunnel und den Hinterwagen auf den Grundrahmen gesetzt. Neben der Modularisierung des gesamten Betriebsmittels konnte durch die Vereinheitlichung der Aufnahmepunkte für die einzelnen Komponenten die Flexibilität innerhalb einer Anlage deutlich erhöht werden. Beispielsweise können mit nur einem Vorderwagenmodul 60 unterschiedliche Triebwerke montiert werden, sowohl reine Verbrennungsmotoren als auch Gasantrieb, Plug-in-Hybrid-Varianten und die Batterie-Elektrofahrzeugvarianten. Eine weitere Besonderheit am modularen Fahrwerkrahmen besteht darin, dass die Module innerhalb eines Taktes ausgewechselt werden und somit verschiedene Fahrzeugtypen über eine Linie laufen können. Mit dem modularen Fahrwerkrahmen ist es gelungen, die Konzernstandardisierung für Produkt, Prozess und Betriebsmittel konsequent umzusetzen. Das ermöglicht weitreichende Vorteile und Einspareffekte für alle Marken und Standorte, die eine Fahrzeugfertigung mit dem Modularen Querbaukasten betreiben. Die hohe Umstiegs- und Typenflexibilität zeigt sich derzeit an 16 Standorten mit 21 Montagelinien. Durch die Integration der alternativen Antriebe Gas, Plug-in-Hybrid und Batterie-Elektrofahrzeuge ist eine zukunftssichere Auslegung gewährleistet. In der Entwicklungsphase wurden und werden Reduzierungen des Planungsaufwands realisiert. Durch die zentrale konzernweite Beschaffung über Systemlieferanten ergeben sich signifikante Einsparungen. Der frühzeitige und parallele Erprobungsstart für Produkt, Prozess und Betriebsmittel sowie das einmalige Freifahren bewirkten, dass die Folgestandorte eine weitere Erhöhung der Anlaufqualität und eine Reduzierung der Anlaufkosten erzielten. 

 

Bild 2: Modulare Fabrikarchitektur

Nutzen in der Automobilproduktion

Die Ausweitung der Idee der Modularisierung auf die Produktion folgt dem Ziel, Lernkurveneffekte jenseits von Stückzahlen zu realisieren, also auch kleinste Stückzahlen zu wettbewerbsfähigen Kosten zu erzeugen. Um dies zu erreichen, musste die Konzentration auf die Produktivität um die Aspekte der Flexibilität und Wandlungsfähigkeit ergänzt werden. Das Augenmerk in der Automobilindustrie richtete sich damit verstärkt auf die Verkürzung der Anlaufkurven bei steigender Anzahl neuer Produkte und Derivate. Hinzu kommt der alles bestimmende Faktor der gleichbleibenden Qualität und zwar an jedem Standort im globalen Produktionsnetzwerk. Die Vielzahl an Modellen und variierenden Stückzahlen erfordert eine Veränderung der Betriebsmittel und Vorrichtungen, um das notwendige Investitionsvolumen zu reduzieren. Bei den Investitionen steht aufgrund gleichbleibender Herstellungsverfahren und Montagefolgen durch die Standardisierung und Modularisierung am Produkt und Prozess die Mehrfachnutzung der Anlagen- und Betriebsmittel im Vordergrund. Zusätzlich steht eine gestiegene Flexibilität bei der Produktvarianz und Menge im Mittelpunkt. Im Automobilbau können produktunabhängig konstruierte Anlagen und Betriebsmittel zu einem hohen Prozentsatz weiter- oder wiederverwendet werden. Zudem können auch Anlagen und Betriebsmittel für produktdesign-individuelle Bauteile weiterverwendet werden. Die Ergebnisverbesserung bei den Fabrikkosten zielt auf die Optimierung des Materialaufwandes, des Personalaufwandes sowie der Aufwendungen für Logistik, Qualität, Instandhaltung, Wartung, Ersatzteile und Energiebedarfe ab. Während in der Vergangenheit viele Produktionssteuerungskonzepte auf der Bündelung von Aufträgen bei gegebenen Auftragswechselzeiten basierten, erreichen neue Konzepte Minimalkombinationen durch Umsetzung des Fluss-Prinzips, der Losgröße 1 und des Null-Bestände-Konzeptes. Dies hat zur Folge, dass sich Umlaufbestände, Kapitalbindungskosten sowie der Flächenbedarf reduzieren. 
 

Konformitätskosten beinhalten sämtliche Kosten für Maßnahmen, die das Erreichen der Qualitätsziele absichern (Lieferantenqualifizierungsprogramme, präventive Qualitätsmaßnahmen, Prüfplanung) und unterstehen ständigen Optimierungsaktivitäten. Nonkonformitätskosten hingegen subsumieren Kosten, die durch extern und intern festgestellte Fehler induziert werden (Ausschuss, Nacharbeit, Haftung bei unmittelbaren Mangelschäden). Zu den Nonkonformitätskosten zählen auch indirekte Effekte infolge von Qualitätsproblemen, durch die eine Beschädigung des Unternehmens-
images und der Verlust von Marktanteilen hervorgerufen werden können. Problemanalysen und Produktrückrufe zählen ebenfalls zu den Kosten der Nonkonformität. Die Aufstellung der Automobilindustrie erfordert eine Vernetzung der global verteilten Standorte und ihrer Zulieferketten. Solche vernetzten Systeme führen zu Rückkopplungsschleifen und dadurch zu einer Erhöhung der Nonkonformitätskosten. Die wertschöpfungsorientierte Qualitätskostengliederung, die zwischen Konformitäts- und Nonkonformitätskosten differenziert, zielt auf hundertprozentige Fehlerfreiheit. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von präventiven Qualitätssicherungsmaßnahmen. Modulare Produktionsstrukturen unterstützen diese Maßnahmen. In Fallstudien konnten Reduktionen der Nonkonformitätskosten von 50 % erreicht werden.
 

Ohne IT-Verknüpfung ist eine industrielle Produktion undenkbar. Dies gilt sowohl für Maschinen als auch für die Prozesse. Zu Recht wurde vermutet, dass eine höhere IT-Integration zu höherer Produktivität führt. Die Beherrschung der Integration wird aber immer schwieriger. Hier greift ebenfalls die Modularisierung auf Betriebsmittel-, Segment-, Fabrik- und Vernetzungsebene. Zur Umsetzung eines präventiven Qualitätsmanagements im Rahmen der Modularisierung werden Daten aus allen Bereichen der Wertschöpfungskette benötigt. Module werden mit Lösungen zur Erfassung und Speicherung von unterschiedlichsten Parametern ausgestattet. So können während der gesamten Betriebsphase kontinuierlich Daten erhoben werden, die über herkömmliche Fehlercodes hinaus auch Leistungsdaten beinhalten. Neben den direkt in den Modulen integrierten Sensoren werden unterschiedliche Arten von Sensoren entlang der gesamten Wertschöpfungskette genutzt, um den Durchlauf eines Produkts möglichst vollumfänglich quantitativ zu erfassen. Sie interagieren bereits im Herstellungsprozess mit Produktionsmitteln, liefern Steuerungsinformationen für die kundenspezifische Fertigung und protokollieren die Prozessparameter. Sie steuern logistische Einheiten durch den gesamten Produktionsprozess. Neben der Transparenz zur Vermeidung der Fehlerfortpflanzung gilt es, Produktionsmodule für die jeweiligen Fertigungs- oder Bandabschnitte robuster zu gestalten. Dies erfordert auch eine frühzeitige Einbindung der Produktion in die Produktentwicklung, um parallel Maschinen, Anlagen und Betriebsmittel für die veränderten Produkte zu entwickeln. Durch die Auswertung der gewonnenen Daten lassen sich Risiken der Fehlerfortpflanzung aus vergangenen Anläufen vermeiden oder zielorientiert überwachen, die Anlaufzeiten verkürzen und die Robustheit des Anlaufes steigern. 

Die Module in der Produktion werden nach neuesten ergonomischen Erkenntnissen ausgelegt. So ist konsequent daran zu arbeiten, ein Arbeitsumfeld an den Standorten zu schaffen, in dem jeder Mitarbeiter, unabhängig von Alter, seine Aufgaben erfüllen kann. Dabei gehen die Verbesserungen in der Ergonomie Hand in Hand mit der Verbesserung der Produktivität. So können mit Manipulatoren beispielsweise in der Bremsscheibenfertigung bis zu zwanzig Kilogramm schwere Bremsscheiben nahezu lastfrei geprüft und ergonomisch verbaut werden. Ebenso können schwere Teppiche mit Hilfe von Manipulatoren in den Innenraum gelegt und müssen  nicht mehr getragen werden. Auch im Presswerk werden Manipulatoren eingesetzt, um mit Hilfe von Vakuumhebern das Stapeln der Dächer durch die Mitarbeiter ergonomisch zu erleichtern. So lassen sich die Arbeitsbedingungen an den Menschen anpassen, um ein ausgewogenes Maß an Beanspruchung zu erhalten. Weiterhin lässt sich mit der Ausbildung an einem Manipulator und dessen Einsatz für verschiedene Montagearbeiten die Qualifikation der Mitarbeiter mehrfach nutzen. Ebenso ist es notwendig, eine einfache Bedienbarkeit für die Maschinen, Anlagen und Betriebsmittel sicherzustellen. Die Grundlage hierfür liegt zum einen an ausreichenden Schulungen für die Mitarbeiter und zum anderen gilt es, einen einheitlichen Aufbau für die Bedienung je Modul zu entwickeln. So werden durch die Standardisierung identische Bedienelemente in der gleichen Position über alle Manipulatoren entwickelt. Dabei kann eine optimale und einheitliche ergonomische Bedienung über alle Manipulatoren entlang der verschiedenen Produktlinien und über alle Standorte etabliert werden. Die rollierende Abfrage von Veränderungsbedarfen bei Mitarbeitern unterstützt eine ständige Verbesserung und sorgt für eine höhere Motivation.
 

Module unterliegen einem geplanten Wartungsrhythmus. Reparaturmöglichkeiten, der Austausch von Verschleißteilen sowie das Hochfahren der Module nach der Instandhaltung werden optimiert. Das Instandhaltungsteam kann an den Modulen trainiert und mit Diagnosetools ausgerüstet werden. Die Kombinierbarkeit der Module ermöglicht den Austausch ganzer Module und deren Instandhaltung außerhalb des laufenden Produktionsprozesses. Durch die Module lassen sich Schulungen für Mitarbeiter, Vorhalt von verschiedenen Ersatzteilen sowie höhere Aufwände für spezifische Lösungen reduzieren. Zusätzlich fließen die Instandhaltungserkenntnisse je Werk in dem Modulkatalog ein. Die gewonnenen Erfahrungen ermöglichen es Instandhaltern in anderen Werken, aus Fehlern schneller zu lernen. Die weitgehende Standardisierung von Modulen erhöht das horizontale und vertikale Zusammenwirken der Instandhaltung und damit dem gesamten Fertigungsnetzwerk. Die Kombination von Modulen ist über genormte Schnittstellen zu sichern. Auf Basis dieser Schnittstellenstandards lassen sich ungewünschte Modulkombinationen einfacher ausschließen. Die Kosten für Ersatzteilbedarf, Schulung sowie Instandhaltung lassen sich mit der Modularisierung um bis zu 35 % senken. Im Serienbetrieb wirkt sich die Vereinheitlichung der Betriebsmittel vor allem positiv auf die Beschaffung und Bevorratung von Ersatzteilen sowie die Verfügbarkeit der Anlagen aus. Auch lassen sich Ersatzteile mit Bündelungsvorteilen zu verbesserten Konditionen beschaffen. Mit der Vereinheitlichung der Betriebsmittel reduziert sich auch die Komplexität der Instandhaltungslogistik.

Titelfoto: frank peters/fotolia.com
 

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Schlüsselwörter:

Schlüsselwörter: Modularisierung, Automobilproduktion, Prozessverbesserung, Flexibilisierung