Lean Produktion versus Industrie 4.0: Gegner oder Verbündete?

Heiko Frank

Die Prinzipien der sogenannten schlanken Produktion sind in der modernen Produktionslandschaft sowohl bei Konzernen als auch beim Mittelstand weit verbreitet und etabliert. Der Nutzen für die produzierende Industrie ist unbestritten und trägt maßgeblich zur Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen bei.


Die derzeit geführte Diskussion rund um Industrie 4.0 erfolgt meist auf akademischer Basis. Beispiele sind oftmals theoretischer Natur, konkrete Anschauungsbeispiele sind unter Laborbedingungen ohne ausreichende Betriebsstabilität realisiert. Durch ihren zielgerichteten Einsatz in der Produktion und ihre Fähigkeiten stellen Cyber-Physische Systeme jedoch eine vielversprechende Möglichkeit dar, die Potenziale etablierter Lean-Methoden weiter zu steigern.
Ganzheitliche Produktionssysteme und ihre Prinzipien der schlanken Produktion (Lean-Production) sind in der produzierenden Industrie weit verbreitet und etabliert. Ihr Nutzen, vor allem in der variantenreichen Serienproduktion, ist unbestritten und die Philosophie des Lean Manufacturing ist längst auf dem Shop Floor angekommen und akzeptiert.


Bild 1: Der Wirkraum von Lean-Prinzipien kann durch
Industrie 4.0-Ansätze ergänzt und erweitert werden.“

Das Konzept einer Industrie 4.0 und ihre Prinzipien und Technologien sind in aller Munde. Insbesondere die zugehörigen Cyber-Physischen Systeme (CPS) werden als Mittel zur Komplexitätsbeherrschung gesehen und versprechen gleichzeitig die Steigerung von Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Produktivität trotz der gegenwärtigen turbulenten Situation produzierender Unternehmen.
Für die produzierende Industrie ist es jedoch bisher nur schwer möglich aus der allgemeinen Berichterstattung zum Thema Industrie 4.0 Potenziale und einen Mehrwert im eigenen Betrieb zu generieren. Insbesondere Verantwortliche und Mitarbeiter in der Produktion, die mit den Prinzipien der schlanken Produktion längst vertraut sind, müssen daher in einem nächsten Schritt vom Nutzen und von den Möglichkeiten Cyber-Physischer Systeme überzeugt und befähigt werden, diese in der eigenen Produktion nutzbringend zu implementieren [1].

Industrie 4.0 und Lean: Zwei Ansätze –ein Ziel
Bei genauer Betrachtung verfolgen ganzheitliche Produktionssysteme nach dem Lean-Prinzip im Grundgedanken dieselben übergeordneten Ziele wie die Industrie 4.0. Das erklärte Ziel von ganzheitlichen Produktionssystemen nach dem Lean-Ansatz ist die Vermeidung von Verschwendung mit daraus resultierender Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung. Das propagierte Ziel von Cyber-Physischen Produktionssystemen (CPPS) nach der Vision Industrie 4.0 ist die Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung [2]. Das logische Resultat ist die Vermeidung von Verschwendung.
Die gemeinsame Basis von Industrie 4.0 und Lean Production sind dezentrale Steuerungskonzepte, die keine zentrale Steuerungsinstanz benötigen [3].
Wie in Bildفdargestellt, kann durch die gezielte Ergänzung und Erweiterung von Lean-Methoden mit den Ansätzen von Industrie 4.0 der durch das Produktspektrum definierte Wirkraum singifikant vergrößert werden und somit ein Leistungshub dort erzielt werden, wo heute etablierte Methoden an ihre logischen Grenzen stoßen.
Durch die aktive Vernetzung dezentraler, intelligenter Systeme hin zu Cyber-Physischen Produktionssystemem können mitunter komplexe Steuerungslogiken über Wertschöpfungspartner hinweg verknüpft werden.


Bild 2: CyProS – Projektübersicht.

CyProS bringt Industrie 4.0 auf den Hallenboden
Mit einer progressiven Sichtweise auf Industrie 4.0 [4] wird im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreuten Verbundvorhaben CyProS (Cyber-Physische Produktionssysteme) die Vision von Industrie 4.0 in das reale Produktionsumfeld überführt.
Von führenden Industriepartnern aus unterschiedlichen Branchen sowie Forschungseinrichtungen wird basierend auf einer zu entwickelnden Referenzarchitektur ein repräsentatives Spektrum Cyber-Physischer Systemmodule entwickelt und eine konzeptionelle und methodische Basis für deren Betrieb in realen Produktionsumgebungen geschaffen.
Um Cyber-Physische Systeme und Produktionssysteme innerhalb der industriellen Praxis effizient umzusetzen, wird in CyProS eine dreistufige Zielsetzung (Bildق) verfolgt:

  • Stufe 1: Entwicklung einer Referenz-architektur und eines repräsentativen Spektrums Cyber-Physischer Systemmodule für Produktions- und Logistiksysteme.
  • Stufe 2: Bereitstellung von universellen Vorgehensweisen, Hilfsmitteln und Plattformen zur Einführung von Cyber-Physischen Produktionssystemen.
  • Stufe 3: Schaffung der technischen und methodischen Basis für den wirtschaftlichen Betrieb Cyber-Physischer Produktionssysteme und deren Umsetzung in realen Produktionsumgebungen.

Die im Jahr 2011 errichtete ‚Urbane Produktion der Zukunft‘der WITTENSTEIN bastian GmbH am Standort Fellbach (Bildك) bildet im Projekt CyProS die reale Produktionsumgebung, in der die im Projekt entwickelten Cyber-Physischen Produktionssysteme (CPPS) in nutzbringende Anwendungen überführt werden sollen.
In dieser ‚Schaufensterfabrik‘erfolgen die praktische Umsetzung von CPPS sowie die Evaluation des damit einhergehenden Produktivitäts- und Flexibilitätssprungs [5].
Die Auswahl und Implementierung der Use Cases erfolgt unter der Prämisse der betriebswirtschaftlichen Rentabilität. Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsgebiete und der mannigfaltigen Rahmenbedingungen beim Einsatz Cyber-Physischer Produktionssysteme ist eine pauschale Nutzenaussage für CPPS nicht seriös darstellbar. Die Nutzenpotenziale werden für jeden Use Case separat dargestellt und nach dem Prinzip des ‚Best Practice‘als Handlungsempfehlung beschrieben.
Die Fertigung am Standort Fellbach hat damit für das Projekt CyProS sowie durch die Demonstration der nutzbringenden Anwendbarkeit von Industrie 4.0 einen maßgeblichen Effekt an der Realisierung von Industrie 4.0, insbesondere für mittelständische Unternehmen [5].


Bild 3: Impression der Schaufensterfabrik,
WITTENSTEIN bastian GmbH, Fellbach.

Optimierung der Intralogistik mit CPPS
Die Produktionsabläufe in der ‚Schaufensterfabrik‘sind nach den Grundsätzen der Lean Production strukturiert. Die Steuerung des Materialflusses erfolgt durch einen klassischen Kanban-Ansatz; der Materialtransport erfolgt durch einen sogenannten Milkrun, welcher in festgelegten Zyklen auf einer fest definierten Route den Materialtransport bewerkstelligt.
Besonders in einer variantenreichen Produktion oder bei einem stark volatilen Auftragseingang ist eine kontinuierliche Taktung der Produktionsanlagen sowie die Synchronisation mit dem Intralogistiksystem nur schwer realisierbar. Die Leistungsfähigkeit des Milkruns zur bedarfs- und termingerechten Versorgung der Produktionsanlagen stößt an seine Grenzen, mit dem Effekt von erhöhten Liegezeiten oder erhöhtem Fahraufwand des Transportsystems aufgrund einer Erhöhung des Fahrtakts. Durch die Erweiterung des vorliegenden ganzheitlichen Produktionssystems in ein Cyber-Physisches Produktionssystem war es möglich, diese identifizierten Verschwendungen signifikant zu reduzieren.
Durch die intelligente Vernetzung einzelner Produktionsressourcen kann in der Produktion eine bedarfsorientierte Steuerung des Milkruns erfolgen. Hierdurch ist insgesamt eine bessere Abstimmung des Milkruns auf die Produktionsprozesse möglich, was insbesondere in der vorliegenden variantenreichen Produktion zu einer deutlichen Reduzierung des Fahraufwands führt [6].
Vor jeder Produktionseinheit befindet sich eine Anliefer- bzw. eine Abholfläche. Diese Kanban-Flächen sind für einen sogenannten Bodenroller (Transporteinheit für mehrere Werkstückträger) für genau einen Fertigungsauftrag ausgelegt. Hierbei ist zu beachten, dass ein Fertigungsauftrag auf mehrere Werkstückträger aufgeteilt sein kann, diese in aller Regel jedoch auf einem Bodenroller transportiert werden. Ein Mitarbeiter aus dem Logistikbereich versorgt in einer stündlichen Regelfahrt mit einem Logistikzug (Bildل) die Produktionseinheiten mit Rohmaterial bzw. Halbzeug und transportiert gleichzeitig die bearbeiteten Produktionsaufträge zur nächsten Arbeitsstation bzw. in den Kanban-Puffer. Das Fabriklayout ist so angelegt, dass der Logistikzug auf einer vordefinierten Route alle Arbeitsstationen erreicht. Zusätzlich sind Schnittstellen festgelegt, sodass bei Bedarf Wareneingang und -ausgang in die Route einbezogen werden können.
Da die Intralogistik bisher unter der Prämisse organisiert wurde, keine Software zu verwenden, fährt der Mitarbeiter mit dem Elektrozug zu jeder vollen Stunde sämtliche Teilrunden ab, lädt fertige Aufträge ein, verteilt diese und notiert sich, welche Anlieferflächen frei sind. Diese freien Flächen bestückt er im darauf folgenden Zyklus mit Aufträgen aus dem Pufferlager. Insgesamt gilt die Regel, dass fertige Aufträge direkt weitertransportiert werden sollen, um die Bestände gering zu halten [7].


Bild 4: Logistikzug und Materialbereitstellflächen.“

Eine durchgeführte Simulation auf Basis realer Daten (Datenbasis zwei repräsentative Tage) verdeutlicht, dass eine intelligente Vernetzung zur bedarfs-orientierten Materialversorgung zu einer Reduzierung der gefahrenen Teilrunden und einer deutlichen Reduzierung der gefahrenen Zyklen führt. Bei der aktuellen Kapazität des Elektrozugs von 4 Bodenrollern kann die Anzahl der Zyklen um ca. 68 % von 34 auf 11 reduziert werden. Die Anzahl der gefahrenen Teilrunden kann in den Zyklen um ca. 27 % von 153 auf 111 verringert werden [5].
Die Umsetzung erfolgt in einzelnen Stufen. In der ersten Stufe werden die herkömmlichen Transportsysteme verwendet. Der hierdurch transportierte Fertigungsauftrag kann über einen QR-Code, der auf dem Arbeitsplan aufgedruckt ist, identifiziert werden. Die Mitarbeiter aus der Intralogistik sind mit Tablet-PCs und Pocket-Scanner ausgestattet. Mit dem Pocket-Scanner identifizieren die Mitarbeiter alle Aufträge, die sie bewegen. Hierdurch entsteht ein virtuelles Abbild des Materialflusses. Auf einem Tablet-PC werden den Logistikmitarbeitern die aktuellen Bedarfe angezeigt, der stündliche Rhythmus bleibt in der ersten Ausbaustufe bestehen.
Anhand der umfangreichen Datenbasis werden zunächst belastbare Untersuchungen hinsichtlich der optimalen Abfahrtzeitpunkte durchgeführt. In der zweiten Stufe wird ein virtueller Dienst zur Berechnung der Abfahrtzeitpunkte eingesetzt, welche von einem Partner aus dem Projektkonsortium auf Basis der Simulationsergebnisse entwickelt wird. Den Mitarbeitern wird hiermit auf dem Tablet-PC der nächste Abfahrtzeitpunkt vorgeschlagen sowie die zugehörige Tour angezeigt [5].
Die durch die bedarfsorientierte Optimierung des Milkruns frei gewordene Mitarbeiterkapazität wird in Engpassbereichen im Bereich des Wareneingangs eingesetzt. Aus den aufgelaufenen Gesamtinvestitionen und den Einsparungen durch die freie Mitarbeiterkapazität ergibt sich ein primärer ROI von < 2 Jahren.


Bild 5:Potenzialermittlung durch die Erweiterung zum CPPS.“

Fazit
Das dargestellte Praxisbeispiel zeigt eindrucksvoll, dass durch die Schaffung von Informationstransparenz und Generierung eines Echtzeitabbilds der aktuellen Transportbedarfe bereits mit verhältnismäßig einfachen technischen Maßnahmen ein signifikanter wirtschaftlicher Nutzen durch Industrie 4.0 dargestellt werden kann.
Die gezielte Potenzialanalyse von Lean-Produktionssystemen bzw. deren Grenzen und die systematische Erweiterung dieser Systeme zu Cyber-Physischen Produktionssystemen durch Vermeidung von Medienbrüchen und einer zeitlich optimierten Bereitstellung relevanter Produktionsinformationen durch die Vernetzung von Einzelsystemen stellt einen weiteren Baustein zur Sicherung des Produktionsstandorts Deutschland dar.

Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Forschungsprojekts „Cyber-Physische Produktionssysteme –Produktivitäts- und Flexibilitätssteigerung durch die Vernetzung intelligenter Systeme in der Fabrik (CyProS)“. Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“(Förderkennzeichen 02PJ2461) gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreut.
Besonderer Dank geht an die Experten aus dem Projektteam Dr. Peter Stephan, Philipp Engelhardt, Dennis Lappe, Marius Veigt und Joachim Michniewicz, die die fachlichen Inhalte des Beitrags erarbeitet und zur Verfügung gestellt haben.

Schlüsselwörter:

CyProS, Cyber-Physische Produktionssysteme, Lean-Production, Milkrun, Intralogistik

Literatur:

[1] Engelhardt, P.: Lean Manufacturing in der Industrie 4.0. Fortschrittsdokumentation im Verbundprojekt CyProS. 2013.
[2] Michniewicz, J.: Lean Manufacturing in der Industrie 4.0. Sachstandsbericht im Verbundprojekt CyProS. 2013.
[3] Patron, C.: Lean Manufacturing in der Industrie 4.0. Fortschrittsdokumentation im Verbundprojekt CyProS. 2013.
[4] Stephan, P.: Industrie 4.0 @ WITTENSTEIN bastian GmbH. Vortrag Wirtschaftsförderung Region Stuttgart. 2014.
[5] Stephan, P.: Projektcluster Schaufensterfabrik. Fortschrittsdokumentation im Verbundprojekt CyProS. 2013.
[6] Lappe, D.; Schlick, J.; Stephan, P.: Industrie 4.0 in der praktischen Anwendung. In: Bauernhansl, T.; Hompel, M.; Vogel-Heuser, B. (Hrsg): Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik. München 2003, S. 63-68.
[7] Lappe, D.; Veigt, M.; Franke, M.; Kolberg, D.; Schlick, J.; Stephan, P.; Guth, P.; Zimmerling, R.: Vernetzte Steuerung einer schlanken Intralogis-tik –Simulationsbasierte Potentialanalyse einer bedarfsorientierten Materialversorgung in der Fertigung. In: wt Werkstattstechnik online 104 (2014) 3, S. 112-117.