Methodik zur Entwicklung der Lean Production in Fabriken

Tim Klemke, Candy Patrick Schulze, Jens Lübkemann, Peter Nyhuis

Zur Kostenreduzierung setzen Unternehmen vermehrt die Lean Production ein. Bisher bestand aber keine Möglichkeit den Einsatz der Lean Production zu beurteilen. Dieser Beitrag beschreibt daher eine Methodik zur Bewertung und Gestaltung von Fabriken bzgl. der Anforderungen der Lean Production.

Zur Kostenreduzierung setzen Unternehmen vermehrt die Lean Production ein. Bisher bestand aber keine Möglichkeit den Einsatz der Lean Production zu beurteilen. Dieser Beitrag beschreibt daher eine Methodik zur Bewertung und Gestaltung von Fabriken bzgl. der Anforderungen der Lean Production.

Einführung
Produktionsunternehmen sind heutzutage einem zunehmenden Wettbewerbsdruck ausgesetzt. Dies ist u.a. auf die Globalisierung und eine damit steigende Anzahl von insbesondere internationalen Konkurrenten zurückzuführen. Um zu möglichst niedrigen und somit konkurrenzfähigen Preisen produzieren zu können, müssen Unternehmen ihre Kosten stetig reduzieren. Des Weiteren fordert der Markt eine immer größere Variantenvielfalt und eine hohe Produktqualität [1]. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, setzen Unternehmen seit Jahren auf die Methoden der Lean Production. Diese beziehen sich bisher größtenteils auf die Arbeitsstationsebene einer Fabrik, d.h. es werden Verbesserungen und Potenziale nur auf der untersten Fabrikebene angestrebt und durchgeführt. Um Kosten und damit Ressourcen in der gesamten Fabrik einzusparen, ist es aber notwendig, die Methoden und Ziele der Lean Production auf die ganze Fabrik auszuweiten. Zudem ist es Unternehmen nicht möglich den Umsetzungsgrad der Lean Production in einer Fabrik zu messen. Dieser Umsetzungsgrad kann auch als Lean-Integration bezeichnet werden. Um diese Lücke zu schließen, wurde am Institut für Fabrikanlagen und Logistik (IFA) der Leibniz Universität Hannover ein Ansatz entwickelt, der es Unternehmen ermöglicht, Fabriken bzgl. der Anforderungen der Lean Production zu bewerten und Handlungsempfehlungen zur Gestaltung oder Umgestaltung von Fabriken abzuleiten. Hierdurch können Kosten in der gesamten Fabrik gesenkt und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen gestärkt werden.

Fabrikplanung
Um die Lean-Integration in einer Fabrik im Rahmen der Fabrikplanung bestimmen zu können, müssen zunächst Anforderungen aus der Lean Production an eine Fabrik ermittelt werden. Die Fabrik als Ort der Leistungserstellung eines Unternehmens stellt ein soziotechnisch hochkomplexes System dar und entzieht sich somit einer pauschalen Betrachtung [2]. Um eine systematische Bewertung zu ermöglichen, wird die Fabrik in so genannte Fabrikfelder, -ebenen und -objekte unterteilt (Bild 1).


Bild 1: Fabrikfelder und -ebenen sowie exemplarische Fabrikobjekte“

Die Fabrik kann vertikal nach dem hierarchischen Konzept der Systemtheorie in Ebenen von Werk über Fabrik und Bereich/System bis zur Arbeitsstation differenziert werden [3], [4]. Der Detaillierungsgrad steigt von der Werks- zur Arbeitsstationsebene an. Die horizontale Unterteilung erfolgt in die Fabrikfelder Mittel, Organisation und Raum. Zu den Mitteln zählen dabei neben den Produktions-, Lager- und Transportmittel die Gebäudeausrüstung und Informationstechnik. In den Bereich Organisation fallen u.a. die Aufbau- und Ablauforganisation. Aspekte wie das Grundstück oder das Layout gehören zur räumlichen Betrachtung [5]. Die Gegenüberstellung der Fabrikfelder zu den Fabrikebenen führt zu einer Matrix, anhand derer die Fabrikobjekte definiert werden können [6], [7].

Grundlagen der Lean Production
Lean Production basiert auf den Grundlagen des Toyota Production System, das von den Ingenieuren Ejji Toyoda und Taiichi Ohno maßgeblich gestaltet wurde [8]. Das Hauptziel der schlanken Produktion ist die Eliminierung jeglicher Verschwendung. Dadurch soll die Fertigung von Produkten zu möglichst niedrigen Preisen gewährleistet werden [9], [10]. Unter Verschwendung werden alle Prozesse verstanden, die nicht direkt zur Wertschöpfung eines Produkts beitragen [11]. Dazu zählen Überproduktion, Wartezeiten, unnötiger Transport, suboptimale Herstellungsprozesse, hohe Bestände, unnötige Körperbewegungen sowie die Herstellung fehlerhafter Teile [12]. Aus der Forderung der Verschwendungsvermeidung ergeben sich u.a. die Notwendigkeit eines kontinuierlichen Produktionsflusses und die zielgerichtete Einbindung der Mitarbeiter in den Prozess [13].
Um die genannten Ziele zu erreichen, stellt die Lean Production eine Vielzahl von Gestaltungsmethoden zur Verfügung. Zu diesen Methoden zählen u.a. 5S, Kaizen, Standardisierung und der One-Piece-Flow sowie das Konzept des Single Minute Exchange of Die (SMED) [14], [15]. Das Zusammenspiel der Lean Production-Methoden hat einen entscheidenden Einfluss auf deren Erfolg und das Erreichen der angestrebten Ziele. Daher dürfen die Methoden nicht unabhängig voneinander betrachtet werden, sondern müssen im Zusammenspiel untersucht werden.


Bild 2: Anforderungen an eine Fabrik auf
Arbeitsstationsebene aus Sicht der Lean Production

Anforderungen der Lean Production an Fabriken
Um eine Methodik zu entwickeln, die es erlaubt, die Lean-Integration in Fabriken zu ermitteln, mussten Anforderungen identifiziert werden, die aus Sicht der Lean Production an Fabriken entstehen. Daher wurden die Fabrikobjekte hinsichtlich der Vermeidung jeglicher Verschwendung untersucht und für die einzelnen Fabrikobjekte Anforderungen bestimmt. Dazu erfolgte eine Gegenüberstellung der Methoden der Lean Production und deren Ziele zu den Fabrikebenen, sortiert nach den Fabrikfeldern. Mögliche Anforderungen an eine Fabrik werden im Folgenden exemplarisch anhand der Ebene „Arbeitsstation“erläutert (Bild 2).
Aus Sicht der Technik sollten bspw. die Produktionstechnologien leicht verständlich sein. Zudem ist es nötig, dass eingesetzte Produktionsmittel einfach erlern- und bedienbar sind. Je leichter Mitarbeiter die Maschinen, an denen sie arbeiten, verstehen, desto weniger Fehler resultieren hieraus. Beide Anforderungen entstehen aus dem Ziel der Fehlervermeidung. Zudem sollten Maschinen einfach umrüstbar sein, um Rüstzeiten zu verringern und Wartezeiten bei Werkzeugwechseln zu minimieren. Dies ist das Ziel der SMED-Methode. Dadurch können unterschiedliche Varianten gefertigt werden. Zudem ist es möglich, die verschiedenen Kundenwünsche in kurzer Zeit zu erfüllen. So kann das Ziel des One-Piece-Flow erreicht werden.
Zur organisatorischen Verbesserung der Abläufe und Prozesse sollten Arbeitsschritte vorliegen, die leicht verständlich sind. Dies unterstützt eine fehlerarme Fertigung. Um dieses Ziel zu erreichen, ist weiterhin ein anforderungsgerechtes Qualitätssicherungskonzept erforderlich.
Bei Betrachtung der Fabrikebene „Raum“sollten aus Sicht der Lean-Production u.a. einheitliche, saubere und ergonomische Arbeitsplätze vorliegen oder geschaffen werden können. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt, kann die Methode des 5S nicht erfolgreich eingesetzt werden. Durch einheitliche und saubere Arbeitsplätze wird Übersichtlichkeit im Arbeitsbereich geschaffen, die Arbeit erleichtert und die Fehleranzahl bei der Produkterstellung reduziert. Eine moderne, funktionsorientierte Ausstattung kann weiterhin die Motivation der Mitarbeiter erhöhen [16].
Zusätzlich zu den erläuterten Fabrikfeldern hat die Beteiligung der Mitarbeiter einen großen Einfluss auf die erfolgreiche Umsetzung der schlanken Produktion. Das Know-How der Mitarbeiter, deren Kommunikationsbereitschaft sowie Motivation zur Umsetzung der Maßnahmen sind für die Realisierung der Lean-Philosophie entscheidend [13], [14].


Bild 3: Vorgehen zur Bewertung und Ausgestaltung von
Fabriken bzgl. der Anforderungen der Lean Production

Methodik zur Entwicklung der Lean-Integration
Das entwickelte Vorgehen besteht aus fünf Schritten: Fabrikanalyse, Ermittlung der Ist-Lean-Integration, Ermittlung der Soll-Lean-Integration, einem Soll-Ist-Vergleich bzw. der Ermittlung von Handlungsbedarfen sowie der Ableitung von Handlungsempfehlungen (Bild 3).

Fabrikanalyse
Während der Fabrikanalyse werden die Fabrik und deren Fabrikobjekte beschrieben. Zudem werden das Umfeld des Unternehmens (u.a. Wettbewerber, Kunden, Produkte) sowie dessen zukünftige Entwicklungen aufgenommen und analysiert. Entscheidend im Rahmen dieser Analyse ist zudem die Festlegung von Zielen des Unternehmens, damit die Entwicklung der Lean Production systematisch durchgeführt werden kann. Die erzielten Ergebnisse werden in Schritt 3 zur Entwicklung und Validierung von zukünftigen Unternehmensentwicklungen herangezogen.

Ermittlung des Ist-Zustands der Fabrikobjekte
Um eine detaillierte Ermittlung zu gewährleisten, wurden am IFA Merkmale definiert, mit denen die Fabrikobjekte beschrieben werden können. Den Merkmalen wurden Skalen zugeordnet, die es erlauben, die einzelnen Fabrikobjekte bzgl. der Lean Production-Anforderungen zu bewerten. Die Bewertungsmerkmale können entweder in qualitativer oder quantitativer Form erfasst werden. Zur Vereinfachung der entwickelten Bewertung werden sowohl die qualitativen als auch die quantitativen Merkmalswerte in eine einheitliche Größe transformiert. Hierfür wurde die Angabe in Form eines Prozentsatzes gewählt.
Die Ermittlung beginnt mit der Auswahl der Fabrikobjekte, die untersucht werden sollen. Diese Auswahl ist abhängig vom Planungsfall [17]. Die Werte der einzelnen Fabrikobjekt-Merkmale werden vom Planungsteam gemeinsam bestimmt, wodurch eine fundierte Ermittlung sichergestellt ist.
Als Beispiel eines qualitativ bewertbaren Merkmals der Lean-Integration dient der Standardisierungsgrad des Fabrikobjekts „Lagermittel“(Bild 4, links). Eine Standardisierung von Lagermitteln ist für die Lean Production entscheidend. Die Standardisierung hat im Rahmen der Lean Production, wie oben beschrieben, das Ziel, Fehler nachvollziehbar und somit vermeidbar zu machen. Je standardisierter ein Lagermittel also ist, desto schlanker ist es ausgeprägt. In dem dargestellten Beispiel sind alle Lagermittel standardisiert und können untereinander ausgetauscht werden. Dies ergibt einen Prozentwert der Lean-Integration (LI) von 100 %.
Im zweiten Beispiel eines quantitativ bewertbaren Merkmals werden die „Wachstumsflächen“des Fabrikobjekts „Layout“betrachtet (Bild 4, rechts). Wie oben beschrieben, ist es das Ziel der Lean Production, dass keine Ressourcen verschwendet werden. Dies bedeutet, dass Wachstumsflächen bzw. resultierende Leerflächen nicht vorgehalten werden sollten, weil dadurch Kapital gebunden sowie Flächen nicht effizient genutzt werden. Im Beispielfall liegt ein Anteil der Wachstumsflächen an der gesamten Fläche des Layouts von 4,3 Prozent vor. Aus Sicht der Lean Production stellt dieser Anteil einen geringen Grad an Verschwendung und somit eine angemessene Lean-Integration im Unternehmen dar (75 % Lean-Integration).
Nachdem alle Merkmale der Fabrikobjekte bewertet wurden, werden diese für ein Fabrikobjekt aggregiert, um den Lean-Integrationswert eines Objekts abzubilden.


Bild 4: Beispiele für die Ermittlung der Ist-Lean-Integration“

Ermittlung des Soll-Zustands der Fabrikobjekte
Nachdem der Ist-Zustand aufgenommen wurde, muss im folgenden Schritt die notwendige Lean-Integration bzw. der Soll-Zustand der Fabrikobjekte aus Sicht der Lean-Production bestimmt werden. Der gewünschte Soll-Zustand kann dabei aus einem bestehenden Problem abgeleitet werden. Zur reaktiven Beseitigung eines Problems kann es z.B. erforderlich sein, ein Fabrikobjekt aufgrund der im Unternehmen gewonnen Kenntnisse umzugestalten. Darüber hinaus ist es möglich eine Anpassung der Fabrikobjekte proaktiv vorzunehmen. Ziel ist es dabei, mögliche Probleme und Chancen durch zukünftige Einflüsse oder Tendenzen im Vorfeld zu antizipieren. Um diese Entwicklungen zu identifizieren, werden unternehmensspezifische Szenarien erstellt [18]. Dazu werden auch die während der Fabrikanalyse aufgenommen möglichen Entwicklungen des Unternehmens herangezogen.

Ermittlung von Handlungsbedarfen (Soll-Ist-Vergleich)
Durch den Vergleich der ermittelten Ist- und Soll-Werte der Lean-Integration können die Fabrikobjekte identifiziert werden, bei denen der größte Handlungsbedarf bzgl. der Lean Production besteht. Dieser Soll-Ist-Vergleich wird softwaretechnisch mithilfe eines Spinnennetzdiagramms visuell unterstützt. Daran wird deutlich, welche Fabrikobjekte bei der Umgestaltung Priorität haben, sodass Verschwendungen vermieden bzw. Kosten reduziert werden.

Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Anpassung der Fabrikobjekte an den gewünschten Zustand
Nachdem bekannt ist, bei welchen Fabrikobjekten die größten Handlungsbedarfe vorliegen, müssen die Fabrikobjekte im letzten Schritt so angepasst werden, dass die Fabriken im optimierten Zustand den notwendigen Soll-Lean-Grad besitzen.
Die Anpassung der Fabrikobjekte an den erforderlichen Zustand erfolgt unternehmensspezifisch über die Methoden der Lean Production. Allen Fabrikobjekten wurden dazu entsprechende Methoden zugeordnet, die am besten geeignet sind, um ein Fabrikobjekt zu beeinflussen. Dabei wurde deutlich, dass Kaizen und Standardisierung den größten Einfluss auf die Fabrikobjekte besitzen und in fast allen Bereichen wirkungsvolle Methoden zur Gestaltung schlanker Fabriken sind.
Die Maßnahmen zur Anpassung der Fabrikobjekte können in zwei Fälle eingeteilt werden: Maßnahmen im laufenden Betrieb und Maßnahmen, die nur während einer Produktionsunterbrechung möglich sind. Der erste Fall wird anhand des Fabrikobjekts „Lagermittel“erläutert. Lagermittel können nacheinander im laufenden Betrieb ausgetauscht oder standardisiert werden. Dadurch kann die Übersichtlichkeit in der Fabrik erhöht und somit Suchzeiten reduziert werden. In den meisten Fällen ist die kontinuierliche Standardisierung der Lagermittel möglich, während produziert wird. Den zweiten Fall von Maßnahmen repräsentiert die Reduzierung von Rüstzeiten. Häufig ist es notwendig, die Produktion zu unterbrechen, wenn Rüstzeiten reduziert werden sollen und dafür Modifikationen am Produktionsmittel, bspw. an den verwendeten Matrizen oder deren Fixierung vorzunehmen sind.

Zusammenfassung und Ausblick
Produktionsunternehmen sind in der heutigen Zeit einem immer größeren Wettbewerb ausgesetzt. Dies erfordert u.a. in zunehmendem Maße eine Kostenreduzierung, um marktgerecht produzieren zu können. Um dieser Herausforderung zu begegnen, setzen Unternehmen seit Jahren auf das Konzept der Lean Production. Es fehlte bisher aber eine umfassende Methodik, die es Unternehmen ermöglicht den Umsetzungsgrad der Lean Production in Fabriken, auch Lean-Integration genannt, zu bestimmen. Daher wurde am IFA eine fünfstufige Methodik entwickelt, die es erlaubt, Fabriken bzgl. der Anforderungen der Lean Production zu bewerten und Handlungsempfehlungen zur Umgestaltung der Fabriken abzuleiten. Die Methodik ist aufgrund der softwaretechnischen Unterstützung und der Beschreibung von Merkmalswerten einfach handhabbar und mit verhältnismäßig geringem Aufwand durchführbar. Zudem ist eine fallspezifische Anwendbarkeit in unterschiedlichen Planungsfällen gewährleistet. Damit können auch kleinere Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen diese Methodik nutzen und ihre Fabriken nach den Grundsätzen der Lean Production gestalten.

 

Schlüsselwörter:

Lean Production, Fabrikplanung, Kostenreduzierung

Literatur:

[1] Korge, A.: Ganzheitliche Produktionssysteme auch für den Mittelstand.
In: Zäh, M. F.; Reinhart, G. (Hrsg.): Produktionsmanagement 05 –Effiziente Produktion für sich wandelnde Märkte. Seminarberichte 79. Herbert Utz Verlag Wissenschaft, München, 2005.
[2] Ropohl, G.: Allgemeine Technologie - Eine Systemtheorie der Technik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag , München, Wien, 1999.
[3] Schenk, M.; Wirth, S.: Fabrikplanung und Fabrikbetrieb - Methoden für die wandlungsfähige und vernetzte Fabrik. Springer Verlag, Berlin u. a., 2004.
[4] Eversheim, W.; Schuh, G. (Hrsg.): Betriebshütte - Produktion und Management. Band 1 und 2, 7. Auflage, Springer Verlag, Berlin u. a., 1996.
[5] Heger, C.: Bewertung der Wandlungsfähigkeit von Fabrikobjekten. Dissertation an der Leibniz Universität Hannover, 2007.
[6] Nyhuis, P.; Kolakowski, M.; Heger, C. L.: Evaluation of Factory Transformability. In: Tagungsband 3rd International CIRP Conference on Reconfigurable Manufacturing, University of Michigan, Ann Arbor, USA, 11.05.2005.
[7] Wiendahl, H.-P.: Die wandlungsfähige Fabrik: Konzept und Beispiel. In: Engel, K. H. (Hrsg.): Betriebsleiter. Ausgabe-Nr. III/2005, 5.9, WEKA MEDIA, Kissing, 2005, S. 1 - 16.
[8] Womack, J. P.; Jones, D. T.; Ross, D.: Die zweite Revolution in der Automobilindustrie. 8. Auflage, Frankfurt, 1994.
[9] Liker, J. K.: The Toyota Way - 14 Management Principles from the World´s Greatest Manufacturer. McGraw-Hill, New York, et al, 2004.
[10] Womack, J. P.; Jones, D. T.: Lean Thinking. Simon & Schuster, New York, 2003.
[11] Carreira, B.: Lean Manufacturing that works. AMACON, New York, 2005.
[12] Ohno, T., Toyota Production System - beyond large-scale production. Productivity Press, Portland, Oregon, 1988.
[13] Allen, J.; Robinson, C.; Stewart, D.: Lean Manufacturing: A plant floor guide. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Michigan, 2001.
[14] Imai, M.: Gemba Kaizen - A commonsense, low-cost approach to management. 20. Auflage, Verlag McGraw-Hill, New York u. a., 1997.
[15] Zäh, M. F.; Aull, F.: Lean-Production Methoden und Interdependenzen. In: wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 96, Nr. 9, 2006, S. 683 - 687.
[16] Schulze, C. P.; Klemke, T.; Doroudian, S.; Nyhuis, P.: Wandlungsfähig und schlank - Anforderungen an zukunftsrobuste Produktionssysteme. ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Jhrg. 103 (2008) 9, 2008, S. 580 - 584.
[17] Blohm, H.; Lüder, K.: Investition. 8. Auflage, Verlag Franz Vahlen, München, 1995.
[18] Gausemeier, G.; Fink, A.; Schlake, O.: Szenariomanagement: Planen und Führen mit Szenarien. 2. bearbeitete Ausgabe, Hanser Verlag, München, Wien, 1996.