Strategischer Ansatz zur Umsetzung der Losgröße 1
Stufenweises Vorgehen zur Implementierung dezentraler Steuerungssysteme in Kombination mit additiven Fertigungsverfahren

Patrick Stanula, Joachim Metternich, Thimo Keller, TU Darmstadt und Thomas Glockseisen, WEZAG GmbH

Das Projekt „CrimpProd-S“ untersucht die Integration dezentraler, selbstlernender Produktionssteuerungssysteme im Kontext der Industrie 4.0 unter Einbeziehung additiver Fertigungsverfahren. Das Ziel ist die wirtschaftliche Umsetzung kleiner Losgrößen hin zur kundenindividuellen Stückzahl 1 bei bestehenden Produktionsstrukturen. Der Fokus ist hierbei die stufenweise, evolutionäre Transformation der bestehenden Produktion. Durch die Entwicklung einer allgemeingültigen und übertragbaren Methode kann für verschiedene Produktionssysteme der Nutzen der Losgröße 1 identifiziert werden. Dabei wird im Einklang mit der strategischen Ausrichtung eine angepasste, mitarbeitergerechte und risikoarme Integration der Technologien angestrebt.

Vor dem Hintergrund des internationalen Wettbewerbs wird die Fähigkeit, individuelle Produkte mit kurzen Lieferzeiten zu konkurrenzfähigen Preisen anzubieten, für das Hochlohnland Deutschland von essenzieller Bedeutung sein. Um in diesem Umfeld Wettbewerbsvorteile zu halten bzw. auszubauen, ist eine stetige Optimierung der Wertschöpfung im Sinne von Qualität, Kosten, Zeit und insbesondere Flexibilität nötig [1, 2]. Technologische Möglichkeiten im Kontext der Industrie 4.0 und innovative Fertigungstechnologien, wie etwa additive Fertigungsverfahren, öffnen neue Möglichkeiten zur Flexibilisierung der Produktion sowie den Aufbau innovativer Geschäftsmodelle [3]. Der Maschinen- und Anlagenbau in Deutschland nimmt bei dem Thema Losgröße 1 durch Industrie 4.0 eine Vorreiterrolle ein. Oft hat die Steigerung der internen Effizienz der Wertschöpfungsprozesse jedoch eine höhere Priorität als innovative, langfristige Marktziele [4]. Ein strategischer Ansatz, der das bestehende Produktionssystem stufenweise und reibungsarm von der variantenreichen Serienfertigung zur Losgröße 1 überführt, ist für eine erfolgreiche Transformation notwendig. Hierfür sind die Potenziale zur Effizienzsteigerung – über klassische Zielgrößen der Produktion hinaus – gezielt zur Wertsteigerung für den Kunden zu analysieren und zu nutzen. Die Fertigung in Losgröße 1, speziell im Zusammenhang mit der additiven Fertigung, kann bspw. neue Geschäftsfelder und Produkte ermöglichen, aber auch die Zusammenarbeit mit dem Kunden grundsätzlich verändern [5]. Um eine zielgerichtete, risikoarme Integration zu ermöglichen, sind die Vorteile für die eigene Produktion ganzheitlich zu analysieren.

 

Bild 1: Schaffung von Wettbewerbsvorteilen
durch die Stellhebel Wertkette und Produkt.


Additive Fertigung und dezentrale PPS 

Im Dickicht der neuen technologischen Möglichkeiten diejenigen heraussuchen, welche die eigenen strategischen Ziele unterstützen. Eine Anpassung des Produktionsumfelds ist nicht trivial und die Einführungsentscheidung hängt maßgeblich von einer wirtschaftlich abgesicherten Umsetzungsplanung ab. Das Projekt „CrimpProd-S“ untersucht exemplarisch die additive Fertigung in Kombination mit der dezentralen, digitalen Produktionssteuerung, da beide das Potenzial einer wirtschaftlichen Produktion der Losgröße 1 ermöglichen. Als Losgröße 1 wird in diesem Zusammenhang ein kundenindividuell konstruiertes Produkt definiert, welches entweder auf einer vorhandenen Grundkonstruktion basiert oder vollkommen neu entwickelt wird. Wie in Bild 1 dargestellt, werden die Stellhebel Wertkette (interne Effizienzsteigerung) und Produkt (neue Produkte und Leistungen) hinsichtlich des Einsatzes dezentraler PPS und additiver Fertigung untersucht. Im Besonderen kann die additive Fertigung zu einem erweiterten Produkt- und Serviceangebot und damit einem Mehrwert für den Kunden führen. 

Durch additive Fertigungsverfahren werden Bauteile durch schichtweises Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen hergestellt. Diese werden direkt aus einem 3D-CAD-Datensatz generiert [6]. In der metallbearbeitenden Industrie wird aktuell das Verfahren des Selektiven Laserschmelzen (SLM) am häufigsten verwendet [7]. Aus dem Nischendasein zur Fertigung von Prototypen über die Fertigung von Werkzeugen finden generative Technologien verstärkt Einzug in die Serienproduktion, dem sogenannten Rapid Manufacturing [8]. Die additive Fertigung zeichnet sich besonders durch die effiziente Herstellung von kleinen Losgrößen bis zur Stückzahl 1 aus, bietet jedoch auch die Möglichkeit, neue Leistungen bzw. einen Mehrwert für den Kunden zu generieren [7]. Solche Veränderungen haben nicht nur Einfluss auf die internen Prozesse, sondern auch auf die unternehmensübergreifende Wertschöpfung. In Bezug auf das Produkt bietet sich die Chance, neue, komplexe, vom Fertigungsprozess unabhängige, Geometrien zu fertigen sowie Funktionalitäten zu integrieren [9]. Zudem bietet die Technologie großes Einsparpotenzial bei der Gesamtauftragsabwicklungsdauer vom Auftragseingang über die Konstruktion bis hin zur Produktion. Die wirtschaftliche Fertigung kleiner Lose kann den Produktentstehungsprozess außerdem maßgeblich unterstützen, etwa durch die schnellere Entwicklung von Prototypen.

Die dezentrale Produktionsplanung und -steuerung (PPS) bietet hinsichtlich einer wirtschaftlichen Produktion kleiner Stückzahlen zur Planung, Steuerung und Kontrolle sämtlicher Produktionsabläufe Vorteile gegenüber zentralen Steuerungskonzepten [10]. Bei zentralen Konzepten werden alle Entscheidungen durch eine zentrale Instanz getroffen, in der dezentralen PPS werden diese auf mehrere Organisationseinheiten aufgeteilt [11]. In der Praxis werden meist Mischformen, sogenannte hybride Systeme, angewendet. In diesen hybriden Systemen kann beispielsweise die Programmplanung zentral, die Reihenfolgenplanung hingegen dezentral durchgeführt werden [12]. Methoden aus dem Toyota Produktionssystem, wie etwa Heijunka zur Produktionsnivellierung, können in einer hybriden Steuerung integriert werden. Abgrenzend hierzu ist die autonome Steuerung zu nennen, welche heterarchisch geprägt ist und der eine zentrale Instanz gänzlich fehlt. Die Idee der dezentralen Steuerung ist nicht neu, jedoch rückt sie durch die fortschreitende Digitalisierung wieder in den Fokus, da durch die Vernetzung der Produktion die notwendige Kommunikation und Abstimmung zwischen Mitarbeitern und Maschinen erleichtert wird und ein Informationsaustausch zwischen Produktion und PPS quasi in Echtzeit stattfinden kann [13]. Je inhomogener der Auftragseingang ist bzw. je höher die Anforderungen an die Flexibilität der Produktion sind, desto eher eignen sich dezentrale bzw. hybride Systeme. Im Vergleich zu zentralen Systemen sind eine hohe Verfügbarkeit, schnelle Reaktion auf Störungen und eine verstärkte Einbeziehung des Mitarbeiters durch eigenverantwortliche Entscheidungen von Vorteil [14]. Nachteilig kann bei sehr dezentralen bzw. autonomen Systemen das Erzeugen von lokalen Optima statt dem globalen Optimum sein [15]. 

Durch den Einsatz der additiven Fertigung wird die Losgröße 1 technologisch ermöglicht. Es ist die Aufgabe der dezentralen Steuerung, die dadurch entstandene Komplexität und Dynamik der Prozesse zu beherrschen. Ziel ist das Ausschöpfen der Fertigungsmöglichkeiten im Sinne der Wertkette (niedrige Bestände, flexible Termin- und Ressourcenplanung) und des Kunden (Termintreue, Individualität). Im Folgenden wird das im Projekt verwendete Vorgehen der strategischen Systemanalyse vorgestellt.    

 

Bild 2: Prozess der strategischen Systemanalyse.


Strategische Systemanalyse 

Um die betrachteten Technologien der additiven Fertigung und dezentralen PPS zielführend zu implementieren, wird im Projekt wie folgt vorgegangen (Bild 2): Zunächst werden die Ziele herausgearbeitet, die ein Unternehmen mit „Stückzahl 1“ verfolgt. Außerdem werden die Anforderungen daraus an das Wertschöpfungssystem definiert. Dem folgen im zweiten Schritt die Analyse des bestehenden Wertschöpfungssystems und die Definition eines Umsetzungsszenarios als Basis der stufenweisen Roadmap in Schritt 3. 

Im ersten Schritt der strategischen Analyse werden aus dem Leitbild des Unternehmens die strategischen Ziele abgeleitet. Mittels der Umweltanalyse werden relevante politische, ökonomische, soziokulturelle und technologische Trends für das Unternehmen untersucht, um Chancen sowie Risiken abzuleiten. Auf dieser Basis werden durch eine Marktanalyse relevante Marktsegmente identifiziert. In diesen Marktsegmenten wird ein Benchmark mit den wichtigsten Konkurrenten durchgeführt, um Stärken und Schwächen zu identifizieren. In Kombination mit der Identifikation und Analyse weiterer interner sowie externer Stakeholder werden potenzielle Risiken identifiziert. Die Chancen und Risiken werden den Stärken und Schwächen mittels einer SWOT-Analyse gegenübergestellt, um für das Marktsegment Strategien und Maßnahmen zu definieren. Hierbei sollen mittels der identifizierten Technologien Risiken vermieden und Chancen genutzt werden. 

Beim Einsatz der Methode im Projekt „CrimpProd-S“ wurde die Herstellung qualitativ hochwertiger, innovativer und zuverlässiger Spezialwerkzeuge als das strategische Ziel definiert. Dies wird durch einen flexiblen Entwicklungsprozess mit sehr enger Kundenrücksprache gewährleistet. In der Umweltanalyse wurden technologisch insbesondere die oben genannten Technologien identifiziert als auch marktseitig der steigende Digitalisierungsgrad in der Mobilität als Chance erkannt. Als Risiko wird für den Mittelständler ein potenzieller Fachkräftemangel identifiziert. Das relevante Marktsegment ist im Besonderen der Automotive-Bereich, in welchem das Unternehmen bereits eine Pionierstrategie verfolgt und kleine Lose von höchster Relevanz sind. Als Stärke konnte der Technologievorsprung, als Schwäche die Produktionskosten festgehalten werden. Als Maßnahme kann beispielhaft die relative Stärke des Technologievorsprungs weiter ausgebaut werden, indem additive Fertigungsverfahren eingesetzt werden, um die Chancen im wachsenden Automotive-Markt kundenindividuell zu bedienen. Ergebnis der strategischen Analyse sind Technologieanforderungen und definierte Kundensegmente. Diese bilden den Rahmen für das weitere Vorgehen.

 

Analyse des Wertschöpfungssystems

Im zweiten Schritt des Vorgehens wird das vorhandene Wertschöpfungssystem analysiert. Hierbei konkretisiert das Geschäftsmodell die Strategie und bildet das Bindeglied zwischen der strategischen Maßnahmenplanung und der konkreten Umsetzung im Wertstrom [16]. Es beschreibt die Art und Weise, wie ein Unternehmen einen Wert für den Kunden generiert, überbringt und die Leistung verrechnet [17]. Wie in Bild 2 auf der rechten Seite zu erkennen, kann das Geschäftsmodell anhand des Business Model Canvas in neun Dimensionen untergliedert werden [18], welche zum einen den Fokus auf die Effizienz der Wertschöpfung (Stellhebel Wertkette) und zum anderen auf die Generierung von Nutzen (Stellhebel Produkt) für den Kunden setzen. Bezüglich der additiven Fertigung bestehen bereits Typologien von Geschäftsmodellen, welche als Muster für das eigene Unternehmen nutzbar sind [19]. Durch das Geschäftsmodell werden die Anforderungen des durch die strategische Analyse festgelegten Kundensegments, etwa hinsichtlich der Produktqualität, mit dem Wertangebot des Unternehmens in Verbindung gesetzt. Aus dem Wertangebot leiten sich die hierzu notwendigen Schlüsselaktivitäten und -ressourcen bzw. -technologien ab. Durch das Fertigen im SLM-Verfahren werden beispielsweise neue Anforderungen auf die Schlüsselressource „Konstrukteur“ zukommen, insbesondere zum Ausschöpfen der geometrischen Potenziale der Technologie. Die Technologien werden hinsichtlich ihres potenziellen Beitrags einer Wertsteigerung für den Kunden untersucht. 

 

Bild 3: Stufenweise Roadmap am Beispiel des Geschäftsmodells.

Über das Geschäftsmodell werden zudem Anforderungen an das Wertschöpfungssystem definiert. In diesem Fall ist das Wertangebot die Herstellung von individuellen Produkten in minimaler Zeit. Dazu werden der Auftragsabwicklungs- und der Produktentstehungsprozess genauer betrachtet. Der Status quo des Wertstroms der im Rahmen der Marktsegmentierung identifizierten Produkte wird mittels der Wertstromanalyse 4.0 aufgenommen [20]. Hierbei sind insbesondere die Informationsflüsse und -medien von Interesse. Die additive Fertigung verändert den bestehenden Wertstrom, beispielsweise werden Fräsprozesse ersetzt und Informationsflüsse umstrukturiert. Von daher werden insbesondere die organisatorischen und technologischen Anforderungen durch die Losgröße 1 an die dezentrale PPS untersucht [21]. Beispielhaft wird hierbei die Aufgabenverteilung im hybriden Steuerungssystem betrachtet. 


Umsetzungsstrategie und -planung

Sind die Anforderungen an die Technologie und den Wertstrom erfüllt, können erste Szenarien im Einklang mit dem Geschäftsmodell in Schritt 2 entwickelt werden. Ein Szenario ist hierbei die Erweiterung des Wertstromdesigns auf die Ebene des Geschäftsmodells, in welchem neben der unternehmensübergreifenden Wertschöpfung (nötige Schlüsselpartner, -ressourcen etc.) auch die Kanäle, Kundenbeziehungen, Einnahmequellen und Kostenstrukturen ausgestaltet werden. Ausgehend von den Stellhebeln aus Bild 1 wird ein solches Szenario in drei Ausbaustufen untergliedert, welche die Roadmap der Umsetzung definieren. Wie in Bild 3 dargestellt, wird in der ersten Ausbaustufe der Fokus auf die Konzeptionierung der internen Prozesse zur Effizienzsteigerung gelegt. Insbesondere sind die neuen Anforderungen bezüglich der Schlüsselaktivitäten und -ressourcen stabil umzusetzen. In der zweiten Ausbaustufe werden Potenziale hinsichtlich einer Mehrwertgenerierung, etwa durch konstruktive Anpassung des Produkts, betrachtet. Hierbei wird auf den stabilen Prozessen aus Stufe 1 aufgebaut. Beispielhalft werden in Stufe 1 die neuen Konstruktionsprozesse erlernt und stabilisiert, bevor in Stufe 2 gänzlich neue Geometrien umgesetzt werden können. In der dritten Ausbaustufe werden die weiteren Dimensionen des Geschäftsmodells konzeptioniert. Eine solche Roadmap erlaubt die stufenweise, evolutionäre Umsetzung der Integration in ein bestehendes Produktionssystem. Hierbei wird zudem die störungsminimale Integration der Technologien in den laufenden Betrieb angestrebt, um Risiken und Kosten zu vermeiden. Ist ein Szenario inklusive des Wertstromdesigns definiert, kann darauf aufbauend eine detaillierte Umsetzungsstrategie erfolgen, in welcher die Dimensionen Mensch, Maschine und Informationsflüsse als Bausteine der internen Wertschöpfung genauer betrachtet werden. 


Zusammenfassung

Die wirtschaftliche Produktion der Losgröße 1 zur Realisierung individualisierter Produkte wird durch die Möglichkeiten der Digitalisierung und der Marktreife neuer Fertigungstechnologien, etwa dem SLM-Verfahren, immer realistischer. Jedoch eignen sich solche Technologien nicht für jedes Unternehmen. In diesem Beitrag wird das im Projekt „CrimpProd-S“ verwendete Vorgehen zur zielgerichteten, wirtschaftlichen und risikoarmen Integration in den ersten Phasen der Analyse vorgestellt. Dabei ist ersichtlich, dass die Kombination der Potenziale aus den beispielhaften Technologien der additiver Fertigung und dezentrale PPS zur Schaffung von Wettbewerbsvorteilen strategisch zu betrachten sind, um eine ganzheitliche Optimierung der Wertschöpfung auf Basis des Geschäftsmodells zu ermöglichen. Hierbei definieren die Stellhebel der Effizienzsteigerung der Wertkette und die Mehrwertgenerierung durch neue Produkte die Ausbaustufen der Roadmap. Im nächsten Schritt des Projekts ist die evolutionäre Umsetzungsstrategie und die Umsetzungsplanung zur Integration der Technologien hinsichtlich des Menschen, der Maschineninfrastruktur und der Informationsflüsse genauer zu planen, um den Anforderungen der Kundenwünsche zu genügen. Ein erstes Systemdesign mit dem Fokus auf der Effizienzsteigerung (Stufe 1 der Roadmap) ist bereits definiert und wird hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit bewertet. Die beiden weiteren Stufen werden in die Designphase mit einbezogen und zukünftig genauer ausgestaltet.

Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 511/16-23) wird im Rahmen von Hessen ModellProjekte aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert. Weitere Informationen unter:  http://www.ptw.tu-darmstadt.de/landingpage_ptw/forschung_ptw_2/gruppen_p...

Schlüsselwörter:

Selective Laser Melting (SLM), dezentrale Produktionssteuerung, Losgröße 1, strategischer Ansatz

Literatur:

[1] Abele, E.; Reinhart, G.: Zukunft der Produktion. Herausforderungen, Forschungsfelder, Chancen. München 2011.
[2] BITKOM; VDMA; ZVEI: Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 – Ergebnisbericht der Plattform Industrie 4.0. URL: https://www.bitkom.org/noindex/Publikationen/
2015/Leitfaden/Umsetzungsstrategie-Industrie-40/150410-Umsetzungsstrategie-0.pdf, Abrufdatum 04.12.2017.
[3] Uhlmann, E.; Hohwieler, E.; Kraft, M.: Selbstorganisierende Produktion. Agenten intelligenter Objekte koordinieren und steuern den Produktionsablauf. In: Industrie Management 29 (2013) 1, S. 57-61.
[4] Staufen AG; Staufen Digital Neonex GmbH: DEUTSCHER INDUSTRIE 4.0 INDEX 2016. URL: http://www.staufen.ag/fileadmin/HQ/02-Company/05-Media/2-Studies/STAUFEN..., Abrufdatum 04.12.2017.
[5] Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren: Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. München 2016.
[6] Srivatsan, T. S.; Sudarshan, T. S.: Additive Manufacturing. Innovations, Advances, and Applications. Boca Raton 2015.
[7] Gebhardt, A.: 3D-Drucken. Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM). München 2014.
[8] Abele, E.; Kniepkamp, M.: Einordnung und Ausblick von Additiven Fertigungsverfahren aus produktionstechnischer Sicht. URL: https://www.hessen-nanotech.de/mm/mm001/3D_Additive_Manufacturing_Abele_..., Abrufdatum 01.05.2017.
[9] Lindemann, U. (Hrsg): Handbuch Produktentwicklung. München 2016.
[10] Reuter, B.: Direkte und indirekte Wirkungen rechnerunterstützter Fertigungssysteme. Formalisierte Netzstrukturen zur Darstellung und Analyse der Unternehmung. Heidelberg 1995.
[11] Zäpfel, G.: Grundlagen und Möglichkeiten der Gestaltung dezentraler PPS-Systeme. In: Corsten, H.; Gössinger, R. (Hrsg): Dezentrale Produktionsplanungs- und -steuerungssysteme. Eine Einführung in zehn Lektionen. Stuttgart 1998, S. 11-54.
[12] Ramsauer, C.: Dezentrale PPS-Systeme. Neue Strukturen bei hoher Innovationsdynamik. Wiesbaden 1997.
[13] Härdler, J.; Gonschorek, T.: Betriebswirtschaftslehre für Ingenieure. München 2016.
[14] Brockerhoff, G.; Kemmner, G.-A.: Ziele und Mittel bei der Dezentralisierung von PPS-Funktionen. In: fir + iaw mitteilungen, Berichte aus dem Forschungsinstitut für Rationalisierung an der RWTH Aachen und dem Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaften der RWTH Aachen 22 (1991) 1, S. 3 ff.
[15] Dombrowski, U.; Mielke, T.: Ganzheitliche Produktionssysteme - Aktueller Stand und zukünftige Entwicklungen. Berlin 2015.
[16] Schallmo, D.: Geschäftsmodell-Innovation – Grundlagen, bestehende Ansätze, methodisches Vorgehen und B2B-Geschäftsmodelle. Wiesbaden 2013.
[17] Osterwalder, A.; Pigneur, Y.: Business model generation. New Jersey 2010.
[18] Osterwalder, A.; Pigneur, Y.: Business model generation. A handbook for visionaries, game changers, and challengers. New York 2013.
[19] Lutter-Günther M.; Seidel, C.; Kamps, T.; Reinhart, G.: Implementation of Additive Manufacturing Business Models, Applied Mechanics and Materials. Zürich 2015.
[20] Meudt, T.; Rößler, M.-P.; Böllhoff, J.; Metternich, J.: Wertstromanalyse 4.0. Ganzheitliche Betrachtung von Wertstrom und Informationslogistik in der Produktion. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 111 (2016) 6, S. 319-323.
[21] Möhrle, M.; Emmelmann, C.: Fabrikstrukturen für die additive Fertigung. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 111 (2016) 9, S. 505-509.