Pull-System für Halbfabrikate in der Prozessindustrie - Ein Produktions- und Logistikkonzept für die Nachschubsteuerung in internationalen Produktionsnetzwerken

Christopher Borgmann, Carsten Feldmann, Linus Hahn

Die Prinzipien und Werkzeuge der Lean Production haben aus wissenschaftlicher Perspektive einen hohen Reifegrad erreicht. Insbesondere Unternehmen der Fertigungsindustrie nutzen pull-gesteuerte Produktionssysteme zur Nachschubsteuerung, um den Anforderungen eines Käufermarkts wettbewerbsadäquat zu begegnen. In der Prozessindustrie hingegen ist der Durchdringungsgrad vergleichsweise gering. Dies ist nicht zuletzt den spezifischen Eigenschaften und Rahmenbedingungen der Produktionsprozesse geschuldet. Jedoch weisen auch Produktionsnetzwerke in der Prozessindustrie große Potenziale für eine Optimierung der Bestände und des Service-Levels mittels Pull-Steuerung auf.

Produktionsnetzwerke bestehen aus geografisch verteilten Standorten eines Unternehmens oder mehrerer Unternehmen, in denen Fertigungs-, Montage- oder Entwicklungsaktivitäten räumlich getrennt durchgeführt werden [1]. Verteilte Produktionsstandorte eines Unternehmens haben ihre Ursache vielfach in der Akquisition von Unternehmen, deren bestehende Produktionsstandorte in das Netzwerk integriert wurden. Zudem werden im Rahmen einer Internationalisierungs- bzw. Regionalisierungsstrategie neue Werke in anderen geographischen Regionen errichtet, um von der Nähe zu Absatz- oder Beschaffungsmärkten (Transportkosten und -zeit), Lohnkostenvorteilen sowie dem Zugang zu Know-how oder Ressourcen zu profitieren [2-4]. Auch in der Prozessindustrie stellen (internationale) Produktionsnetzwerke einen wichtigen Wettbewerbsvorteil dar. Im Folgenden werden standortübergreifende Produktionsnetzwerke eines Unternehmens oder einer Unternehmensgruppe fokussiert.

Charakteristika der Prozessindustrie

Die Prozessindustrie wird auch als grundstoffverarbeitende Industrie bezeichnet. Merkmal ist die sogenannte Prozessherstellung, welche Wertschöpfung in der Produktion durch Mixen, Separieren, Umformen oder chemische Reaktionen erzielt. Die Wertschöpfungsprozesse sind durch einen kontinuierlichen Herstellungsprozess charakterisiert, in dem Produktionsschritte aufeinander folgen und ohne Unterbrechungen durchgeführt werden. Typische Beispiele sind die chemische, pharmazeutische, Öl- oder Gasindustrie. Die Prozessindustrie stellt damit das klassische Gegenstück zur Fertigungsindustrie dar [5, 6]: Lange Rüst- und Reinigungszeiten, Produktion in großen Losen und unflexibles Equipment sind dabei ebenso charakteristisch wie stark divergierende Produktionsstrukturen, die zu einer hohen Anzahl zu produzierender Halb- und Fertigfabrikate führen [7]. Dies nimmt einen signifikanten Einfluss auf die Planung und Steuerung der Produktion und Logistik im Netzwerk.
Verschwendung in den Produktionsabläufen wird begünstigt durch reihenfolgeabhängige Reinigungsvorgänge, schwer prognostizierbare Kundennachfrage und die oft große Variantenvielfalt der Produktpalette. Durch eine sukzessive Produktionsplanung auf Basis des Push- bzw. Schiebe-Prinzips dringen Nachfrageschwankungen in die Produktion und führen zu instabilen Plänen, Fehlbeständen, Überproduktion und stark schwankenden Kapazitätsbedarfen [8-10].
 


Bild 1: Modellbildungsprozess (Eigene Darstellung in Anlehnung an [14]).

Produktionssteuerung auf Basis des Pull-Prinzips

Bei der Produktionssteuerung wird generell zwischen der Push- und der Pull-Steuerung unterschieden. Dabei findet zumeist das Push-Prinzip in vielen Unternehmen Anwendung. Dieses basiert auf einer Schiebelogik, indem Aufträge oder Prozessschritte auf Basis zentraler Absatz- und Fertigungsprognosen die Produktionskette durchlaufen. Die Folge sind häufig hohe Bestände und lange Durchlaufzeiten, da der tatsächliche Kundenbedarf außer Acht gelassen wird [9-11]. Die Pull-Steuerung hingegen beruht auf einer Ziehlogik. Dabei wird nur entsprechend des tatsächlichen Kundenbedarf (nach-)produziert (z. B. über KANBAN), wenn ein tatsächlicher Auftrag oder Verbrauch vorliegt. Die entscheidenden Vorteile der Pull-Steuerung liegen in der Beruhigung der Prozesse, Vermeidung von Überproduktion und dadurch reduzierten Lagerbeständen [12, 13].
Während für die Pull-Steuerung der innerbetrieblichen Produktion in der mechanisch-technologischen Industrie (Fertigungsindustrie) empirisch bewährte Methoden zur Verfügung stehen, stellt die Adaption für standortübergreifende Produktionsnetzwerke der Prozessindustrie eine Forschungslücke dar. Für die Adaption des Pull-Prinzips auf den o. g. Kontext sind die spezifischen Rahmenbedingungen der Prozessindustrie zu berücksichtigen. Weiterhin ist für eine erfolgreiche Implementierung eine unternehmensindividuelle Anpassung bestehender Konzepte erforderlich. Ziel ist die Entwicklung eines Vorgehensmodells zur Konzeption und Implementierung eines standortübergreifenden Pull-Systems. Dafür ist zunächst der zugrunde liegende Modellbildungsprozess zu erläutern.
 


Bild 2: Vorgehensmodell.

Modellbildungsprozess zur Entwicklung eines Vorgehensmodells

Modelle werden genutzt, um Erkenntnisse über Zusammenhänge und Sachverhalte realer Probleme zu erlangen. Aufgrund des in der Realität jedoch oftmals hohen Komplexitätsgrads werden in Modellen nur die für eine Problemstellung wesentlichen Merkmale abgebildet. Von anderen Elementen wird abstrahiert. Dieses Vorgehen ist ebenso für die Entwicklung eines Vorgehensmodells zur Pull-Einführung geeignet. Bei der Modellentwicklung wurde der idealtypische Modellbildungsprozess von Adam [14] zugrunde gelegt, der sich in zahlreichen anwendungsorientierten Forschungsprojekten bewährt hat. Dieser vollzieht sich über die präzise Definition abgegrenzter Phasen mit spezifizierten Ergebnissen, um eine systematische und umfassende Modellentwicklung zu gewährleisten. Über eine Analyse der identifizierten Symptome und anschließender Problemformulierung werden die relevanten Merkmale der Modellelemente identifiziert. Dies bildet die Grundlage für die Formulierung der Zielsetzungen und Restriktionen für die Modellierung. Im letzten Schritt erfolgt die Verifikation des Modells. Im konkreten Anwendungsfall sind die Symptome hohe werksübergreifende Lagerbestände und lange Durchlaufzeiten. Diese Symptome resultieren vor allem aus der Push-Logik der Nachschubsteuerung innerhalb des Produktionsnetzwerks sowie den vorgenannten Restriktionen der Prozessindustrie. Anschließend erfolgt eine Identifikation und Analyse der Beziehungen abzubildender Modellelemente, wodurch die für das Vorgehensmodell wesentlichen Gestaltungsaufgaben identifiziert und deren Abfolge bestimmt werden können. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird anschließend das Vorgehensmodell unter Beachtung relevanter Restriktionen abgeleitet. In der letzten Stufe der Modellbildung erfolgt die praktische Erprobung des Vorgehensmodells, um die Praxistauglichkeit zu gewährleisten.

Vorgehensmodell zur Konzeption und Implementierung eines standortübergreifenden Pull-Systems

Ein Vorgehensmodell ist die modellhafte Darstellung der im Rahmen einer Gesamtaufgabe durchzuführenden Aktivitäten. Die Gesamtaufgabe – in diesem Fall die Analyse, Planung und Umsetzung der Pull-Steuerung eines standortübergreifenden Herstellungsprozesses – wird in hierarchisch aufeinander aufbauende Teilaufgaben gegliedert und der Hierarchie folgend systematisch abgearbeitet. Insofern hat ein Vorgehensmodell die Aufgabe, die wesentlichen Elemente eines Prozesses abzubilden und Beziehungen der Elemente untereinander abzubilden. Im Gegensatz zu einer Methode, die beschreibt, wie etwas zu tun ist, strukturiert ein Vorgehensmodell in Form eines Ordnungsrahmens, was zu tun ist.
Die Entwicklung eines Vorgehensmodells ist sinnvoll, wenn sich eine Gesamtaufgabe im Zeitablauf wiederholt und somit ein Standardvorgehen als Leitfaden definierbar ist. Auf Basis eines Vorgehensmodells verläuft die Erfüllung der Gesamtaufgabe strukturiert und der Fortschritt lässt sich nachvollziehen bzw. dokumentieren. Ein standardisiertes Vorgehen fördert ein gemeinsames Prozessverständnis und die funktionsübergreifende Zusammenarbeit der Fachabteilungen. Zudem schafft das Vorgehensmodell die Voraussetzung, die Pull-Implementierung nicht nur als einmaliges Projekt durchzuführen, sondern in einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess zu überführen.


Bild 3: Restriktionen der Prozessindustrie und Maßnahmen zur Berücksichtigung in einem Pull-System
(Eigene Darstellung in Anlehnung an [17, 18]).

Zur Einführung eines standortübergreifenden Pull-Systems in einem Produktionsnetzwerk bedarf es eines Ansatzes, welcher die Nebenbedingungen der Prozessindustrie berücksichtigt. Neben dem Ziel einer Bestandsreduzierung und Erzielung einer selbststeuernden Nachschubproduktion ist zudem eine mindestens transportkostenneutrale Umsetzung sicherzustellen. Dies ist von hoher Relevanz, um die Kostenreduktion durch verringerte Bestände nicht durch eine Steigerung der Transportkosten bei einer nachfragesynchronen Anlieferfrequenz zu kompensieren. Das in fünf Phasen gegliederte Vorgehensmodell unterstützt systematisch die strukturierte Konzeption und Einführung des Pull-Systems. Bild 2 bietet einen Überblick über das Vorgehensmodell, welches je Phase die Gestaltungsaufgabe, Input, Output und anzuwendende Werkzeuge beschreibt.
In einem ersten Schritt bedarf es der Analyse bestehender Rahmenbedingungen sowie der Aufnahme des Ist-Zustands. Ein in der Praxis anerkanntes Werkzeug ist die Wertstromanalyse. Diese visualisiert den gesamten Wertstrom ausgehend vom Rohstoff bis hin zum Endkunden und ermöglicht einen hinreichend präzisen Detaillierungsgrad [15, 16]. Im konkreten Anwendungsfall verdeutlicht die Wertstromanalyse den Material- und Informationsfluss zwischen den beteiligten Werken innerhalb des Produktionsnetzwerks. Dadurch werden Verschwendungen der bisherigen Push-Steuerung transparent und Ansatzpunkte für eine Optimierung mittels Pull-Steuerung im Soll-Zustand identifiziert. Weiterhin bietet die Wertstromanalyse die Möglichkeit, die o. g. Restriktionen der Prozessindustrie netzwerkspezifisch zu identifizieren und beim Design berücksichtigen zu können. Ein Fokus liegt dabei u. a. auf der Identifizierung von Divergierungspunkten der Halbfabrikate, da insbesondere Punkte mit einer geringen Variantenvielfalt Potenziale für Pull-Steuerung im Wertstrom bieten [7]. Die Ergebnisse bilden anschließend den Bezugsrahmen für das spätere Design des Soll-Zustands. Bei mehreren Empfängerwerken, die in das Pull-System zu integrieren sind, bietet sich die Auswahl eines Pilotprojekts an, um das Risiko und die hohe Ressourcenbindung, die mit einem hohen Komplexitätsgrad bei einer simultanen Implementierung in mehreren Werken einhergehen, zu reduzieren. Aufgrund der erhöhten Transportwege und -zeiten sollte die Auswahl des Pilotprojekts unter dem Kriterium der Versorgungssicherheit (bzw. kurze Transportzeit) erfolgen.
Konnte in einem ersten Schritt der Bezugsrahmen identifiziert und analysiert werden, fokussiert die zweite Phase explizit die Restriktionen der Prozessindustrie. Über eine Prüfung gegebener Rahmenbedingungen sowie möglicher Adaptionen können Maßnahmen ergriffen werden, um eine Pull-Steuerung in der Prozessindustrie zu ermöglichen (Bild 3).


Bild 4: Kontinuierlicher Materialfluss der Prozessindustrie versus diskreter Materialfluss der
Fertigungsindustrie (Eigene Darstellung in Anlehnung an [21]).

Produktionsprozesse der Prozessindustrie sind zumeist durch divergierende Produktionsstrukturen geprägt. Charakteristisch ist eine geringe Anzahl an Rohstoffen in Kombination mit einer im Produktionsverlauf zunehmenden Anzahl an End- oder Halbfabrikaten. Über das Pareto-Verfahren (80/20-Regel) kann dabei der Fokus auf die wesentlichen Materialien gelegt werden, da auch in der Prozessindustrie ein Großteil des Produktions- und Nachfragevolumens durch eine verhältnismäßig geringe Anzahl an Halbfabrikaten abgedeckt wird. Entstehen maßgebliche Divergierungspunkte erst im Prozess der Endfertigung, so können vorgelagerte Prozesse mit weniger Varianten eine gute Pull-Eignung aufweisen. Der Restriktion des unflexiblen Equipments (insbesondere Start/Stopp-Fähigkeiten) kann durch eine Ausrichtung an prozessbedingten Mindestlosgrößen und Push-Pull Schnittstellen begegnet werden. Dabei werden vorgelagerte Prozesse push-gesteuert, nachgelagerte Prozesse oftmals pull-gesteuert (Entkopplung) [7]. Zudem sind SMED-Aktivitäten („Single-Minute- Exchange-of-Dies“ bezeichnet das Ziel einer Rüstzeit unter zehn Minuten) entscheidend, um Rüstzeitreduzierungen zu erzielen. Dies wird vor allem durch die Verlagerung interner Rüsttätigkeiten (Produktionsstopp nötig) in externe Rüsttätigkeiten (kein Produktionsstopp nötig) erreicht [19].

Diskreter Materialfluss für die Implementierung eines Pull-Systems

Ein zentrales Hindernis für ein Pull-System in der Prozessindustrie stellt der kontinuierliche und unterbrechungsfreie Produktionsprozess dar. Dieser verhindert eine flexible Kopplung der Produktion mit der tatsächlichen Kundennachfrage, da die zu durchlaufenden Produktionsschritte auf der kontinuierlichen Zugabe von Rohstoffen basieren. Jedoch lässt sich vielfach ein Punkt im Materialfluss identifizieren, an dem sich die typische kontinuierliche Produktion in einen diskreten Teilefluss wandelt. Dies stellt eine entscheidende Rahmenbedingung für eine Pull-Steuerung dar [20]. Dieser Punkt ist bei Lieferungen und Transporten (wie z. B. der Versand von Halbfabrikaten auf Paletten, Behältern und Containern) charakteristisch, wodurch auch in Produktionsnetzwerken der Prozessindustrie Rahmenbedingungen für eine Pull-Steuerung entstehen können.
In Phase drei wird der angestrebte Soll-Zustand definiert. Dies geschieht über die Auswahl und Konzeption des zukünftigen Pull-Systems, der Materialauswahl sowie der Milkrun-Gestaltung. Eine Nutzung des nachschubgesteuerten Pull-Systems mittels KANBAN und Supermärkten zur Entkopplung bietet sich an, da bei größeren Transportdistanzen Supermärkte mit KANBAN-Steuerung eine Puffer- und Entkopplungsfunktion wahrnehmen können. Als Transport- und Bereitstellungskonzept lässt sich über einen externen Milkrun zwischen Versand- und Empfängerwerk ein sich selbststeuernder Regelkreis etablieren. Die Transporte des Regelkreises verkehren mit einer kontinuierlichen Frequenz zwischen den beiden Produktionsstandorten und haben die Aufgabe, dem Empfängerwerk die bedarfsgerechten Mengen bereitzustellen. Leere Behälter fungieren als KANBAN bzw. als direkter Fertigungsauftrag und werden über den Milkrun zur Nachproduktion an das abgebende Werk zurückgeführt. Zur Reduzierung der Wiederbeschaffungszeit können physische KANBAN-Karten bzw. Behälter durch elektronische Aufträge ersetzt werden. Um Verschwendung durch kostspielige und zeitintensive Zwischenlagerung zu vermeiden und Lagerbestände zu reduzieren, wird eine Direktverladung auf den Transport-LKW genutzt. Dadurch kann dieser nach der vollständigen Beladung direkt das Produktionswerk verlassen. Um eine Umsetzung ohne zusätzliche Transportkosten zu realisieren, erfolgt eine KANBAN-Sammlung und Lieferung auf Basis der bereits bestehenden Lieferfrequenzen. In Phase Vier erfolgt anschließend die Dimensionierung der Zielgrößen. Diese umfasst die individuell zu wählenden Sicherheitsbestände und die Kalkulation der im Umlauf befindlichen KANBAN-Karten.


Bild 5: Kanban-Kreislauf zwischen den Produktionsstandorten.

Die fünfte und letzte Phase umfasst die konkrete Einführung des Konzepts. Mittels einer Simulation auf Basis repräsentativer Vergangenheitswerte sind die Effekte, insbesondere mit Hinblick auf zu erzielende Bestandreduzierungen und die Versorgungssicherheit, bereits vor der tatsächlichen Umsetzung zu testen. Ggf. können daraus Änderungen der Parametereinstellungen resultieren [22]. Dies geschieht in einem iterativen Prozess, bis die gewünschten Effekte erzielt werden. Erst dann folgt die konkrete Umsetzung in der Praxis.

Validierung in der Praxis beim Dämmstoffhersteller Armacell GmbH

Das beschriebene Konzept wurde bei der Armacell GmbH entwickelt. Armacell ist ein weltweit führender Hersteller von flexiblen Dämmstoffen im Bereich der Anlagenisolierung und technischen Schäume [23]. Als Produzent und Distributor von Halbfabrikaten nimmt die Armacell GmbH mit Sitz in Münster, Westfalen eine zentrale Rolle im eigenen innereuropäischen Produktionsnetzwerk ein. Hier zeigte die Analyse des Wertstroms mit den Arbeitsstationen Portionieren, Mixen, Walzen, Kühlen, Granulieren, Palettieren, Versand und Endfertigung die Potenziale einer Pull-Steuerung mit Hinblick auf zu erzielende Bestandseffekte auf. Ein erster erfolgreicher Roll-out erfolgte mit einem Pilot-Empfängerwerk. Es wurden Reduzierungen der Lagerbestände im Produktions- und Empfängerwerk von über 50 % erzielt, ohne die Versorgungssicherheit bzw. das Service-Level negativ zu beeinträchtigen. Insofern scheint das Vorgehensmodell für den beabsichtigten Zweck geeignet. Ein umfassender Roll-out der Systematik ist aktuell in der Umsetzung.

Schlüsselwörter:

Lean Management, Lean Production, Toyota Produktionssystem, Pull-, Zieh-Prinzip, Produktionsnetzwerk, Produktionssteuerung, Prozessindustrie

Literatur:

[1] Thomas, S.: Produktionsnetzwerksysteme – Ein Weg zu effizienten Produktionsnetzwerken. Bamberg 2013.
[2] Feldmann, C.: Produktionsverlagerungen im Kontext internationaler Logistik. In: Göpfert, I.; Braun, D. (Hrsg): Internationale Logistik in und zwischen unterschiedlichen Weltregionen. Wiesbaden 2013, S. 23-33.
[3] Kinkel, S.; Maloca, S.: Produktionsverlagerung und Rückverlagerung in Zeiten der Krise. Entwicklungen und Treiber von Produktionsverlagerungen und Rückverlagerungen im deutschen Verarbeitenden Gewerbe. Karlsruhe 2009.
[4] Zentes, J.; Swoboda, B.; Schramm- Klein, H.: Internationales Marketing, 3. Auflage. München 2013.
[5] Schönsleben, P.: Integrales Logistikmanagement. Operations und Supply Chain Management innerhalb des Unternehmens und unternehmensübergreifend, 6., bearbeitete und erweiterte Auflage. Heidelberg 2011.
[6] Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA: Prozessindustrie. URL: http://www. ipa.fraunhofer.de/prozessindustrie. html, Abrufdatum 01.12.2016.
[7] King, P. L.: Lean for the process industries. Dealing with complexity. Boca Raton u. a. 2009.
[8] Brunner, F. J.: Japanische Erfolgskonzepte. KAIZEN, KVP, Lean Production Management, Total Productive Maintenance, Shopfloor Management, Toyota Production System, GD3, Lean Development, 2. Auflage. München 2011.
[9] Wildemann, H.: KANBAN-Produktionssteuerung. Einsatz von Karten und elektronischem KANBAN zur Einführung des Hol-Prinzips, 21. Auflage. München 2013.
[10] Liker, J. K.: Der Toyota Weg. 14 Managementprinzipien des weltweit erfolgreichsten Automobilkonzerns, 6., leicht veränderte Auflage. München 2009.
[11] Thonemann, U.: Operations Management: Konzepte, Methoden und Anwendungen, 2., aktualisierte Auflage. München 2010.
[12] Regber, H.; Zimmermann, K.: Changemanagement in der Produktion: Prozesse effizient verbessern im Team. München 2013
[13] Ohno, T.: Das Toyota-Produktionssystem, 2., überarbeitete Auflage. Frankfurt/Main 2009.
[14] Adam, D.: Planung und Entscheidung. Modelle – Ziele – Methoden; mit Fallstudien und Lösungen, 4. Auflage. Wiesbaden 1996.
[15] Kletti, J.; Schumacher, J.: Die Bausteine der perfekten Produktion. In: Kletti, J.; Schumacher, J. (Hrsg): Die perfekte Produktion. Berlin u. a. 2014, S. 63-138.
[16] Erlach, K.: Wertstromdesign. Der Weg zur schlanken Fabrik. Berlin u. a. 2007.
[17] King, P. L: Lean for the process industries. Dealing with complexity. Boca Raton u. a. 2009; Pool, A.; Wijngaard, J.; van der Zee D.-J.: Lean planning in the semi-process industry, a case study. In: International Journal of Production Economics 131(2011)1, S. 194-203.
[18] Abdulmalek, F. A:; Rajgopal, J.; Needy, K.: A Classification Scheme for the Process Industry to Guide the Implementation of Lean. In: Engineering Management Journal 18 (2006) 2, S. 15-25.
[19] Shingo, S.: A revolution in Manufacturing: The SMED System. Cambridge 1985.
[20] Abdulmalek, F. A.; Rajgopal, J.; Needy, K.: A Classification Scheme for the Process Industry to Guide the Implementation of Lean. In: Engineering Management Journal 18 (2006) 2, S. 15-25.
[21] Abdulmalek, F. A.; Rajgopal, J.; Needy, K. L.: A Classification Scheme for the Process Industry to Guide the Implementation of Lean. In: Engineering Management Journal 18 (2006) 2, S. 15-25.
[22] Klevers, T.: Mit System zur optimalen Lieferkette. München 2009.
[23] Armacell: Armacell – vom Pionier zum globalen Marktführer. URL: http://corporate. armacell.com/de/ueber-armacell/ ueber-uns/, Abrufdatum 26.04.2017.