Werkzeugmaschinenlabor der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

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1 Werkzeugmaschinenlabor der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen Lehrstuhl für Produktionssystematik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. G. Schuh Fabrikplanung Production Systems I Prozess und Ressourcenplanung Vorlesungsverantwortlicher: Dipl.-Ing. Tobias Welter Steinbachstr. 53B Raum 518 Tel.: T.Welter@wzl.rwth-aachen.de Production Systems I M 4 S. 0

2 Inhaltsverzeichnis: Inhaltsverzeichnis Seite 1 Musterlösung Prozessplanung in der Montage Seite 2 Selbstrechenübung 1: Kundentakt Seite 3 Selbstrechenübung 2: Vorranggraph des Windkraft- Seite 6 getriebes Selbstrechenübung 3: Leistungsabstimmung Seite 11 Selbstrechenübung 4: Kennzahlen der Montage- Seite 19 planung Ressourcenplanung in der Fertigung Seite 23 Selbstrechenübung 5: Berechnung der Anzahl der Seite 24 Maschinen Selbstrechenübung 6: Berechnung der Anzahl der Seite 27 Mitarbeiterzahl Production Systems I M 4 S. 1

3 Production Systems I Prozess und Ressourcenplanung (Lösung) 1 Prozessplanung in der Montage 2 Ressourcenplanung in der Fertigung Seite 2 Production Systems I M 4 S. 2

4 Aufgabe 1: Kundentakt Aufgabenstellung Grundlage für die Auslegung der Montagelinie ist das Absatzprogramm für das Produktspektrum. Zusammen mit dem geplanten Kapazitätsangebot lässt sich daraus der Kundentakt als Basis für die weitere Planung ableiten. Der Kundentakt wird folgendermaßen bestimmt: Arbeitszeit Jahr Taktzeit t = T Stückzahl Jahr Bestimmen Sie den Kundentakt für die zu planende Montagelinie. Seite 3 Production Systems I M 4 S. 3

5 Aufgabe 1: Daten zur Ermittlung des Kundentaktes Geplante Stückzahlen aus der Absatzplanung für die folgenden Jahre Stückzahl pro Jahr: 600 Geplantes Kapazitätsangebot im Bereich Montage: Anzahl Schichten/ Tag 2 Dauer einer Schicht 7,5 h Arbeitstage im Jahr 250 Seite 4 Production Systems I M 4 S. 4

6 Lösung Aufgabe 1: Kundentakt Arbeitszeit Jahr 2 Schichten 7,5 h 250 Tage Kundentakt tt = = = 6,25 h Stückzahl Jahr 600 Getriebe Kundentakt tt=6,25 h Seite 5 Production Systems I M 4 S. 5

7 Aufgabe 2: Vorrangfolgegraph Aufgabenstellung Aus dem Kundentakt können Sie ablesen, in welcher Genauigkeit die Daten für die Auslegung der Montagelinie aufgenommen werden müssen. Um genügend Freiheitsgrade für die Zuordnung zu Stationen offen zu halten, versuchen Sie, die Teilverrichtungen in mindesten halb so große Zeitblöcke wie die Taktzeit zusammenzufassen. Sie stellen jedoch bei der Zeitaufnahme fest, dass die Unterteilung in kleinere Teilverrichtungen oft nicht sinnvoll möglich ist. Die Produktstruktur lässt eine feinere Unterteilung nicht zu. Das Ergebnis der Zeitaufnahme sehen Sie in Tabelle 2.1. Neben den Montagezeiten haben sie auch die Anzahl der Mitarbeiter und die Vorgänger der jeweiligen Teilverrichtung aufgenommen. Für die folgende Leistungsabstimmung der Stationen benötigen Sie eine graphische Darstellung der Vorgänger-Nachfolger-Beziehungen, die auch Vorrangfolgegraph genannt wird. a) Erstellen Sie aus den Daten, die Sie aufgenommen haben den Vorrangfolgegraphen. b) Bei der Analyse der Montagestruktur kann sich herausstellen, dass sich die Teilverrichtungen nicht in ausreichend kurze Zeitabschnitte zerteilen lassen. Welchen Gestaltungsspielraum haben Sie beim Kundentakt um dies auszugleichen? Seite 6 Production Systems I M 4 S. 6

8 Aufgabe 2: Tabelle 2.1 Teilverrichtung direkte Vorgänger Montagezeit in Stunden [h] Anzahl Mitarbeiter 1-1, , , , , , , ,4 1 Seite 7 Production Systems I M 4 S. 7

9 Ausgleichsmechanismen mit Einfluss auf den Kundentakt Mechanismus 1: Mengenteilung oder Parallelisierung von Stationen bzw. Linien Eine Linie Mechanismus 2: Paketbildung, Montageinhalte von zwei Produkten werden in einen Takt zusammengefasst Montageinhalt Produkt 4 Produkt 3 Parallele Linien Linie 1 Produkt 2 Produkt 1 Linie 2 Durch die Aufteilung des Produktspektrums in zwei parallele Linien verdoppelt sich die Taktzeit und die Anzahl der Stationen pro Linie kann reduziert werden. Station 1 Station 2 Station 3 Die Produkte werden so zusammengefasst, dass sie jeweils als Pakete gleichzeitig in einer Station montiert werden können. Dadurch kann die Taktzeit verlängert werden. Nur bei starken Schwankungen der Stationszeiten möglich. Seite 8 Production Systems I M 4 S. 8

10 Lösung Aufgabe 2a: Vorrangfolgegraph des Windkraftgetriebes 1 1,5 h (1MA) 4 3 h (2MA) 2 1 h (1MA) 10 6,1 h (1 MA) 5 2,5 h (2MA) 8 3,4 h (2MA) 9 2,8 h (2MA) 12 3,4 h (1MA) 3 6 h (1MA) 6 3,5 h (2MA) 7 5 h (2MA) 11 5,5 h (3MA) Seite 9 Production Systems I M 4 S. 9

11 Lösung Aufgabe 2b: Vorrangfolgegraph des Windkraftgetriebes Der Kundentakt kann verlängert werden durch: Eine Mengenteilung (Parallelisierung von Stationen oder Linien) Eine Paketbildung Seite 10 Production Systems I M 4 S. 10

12 Aufgabe 3: Leistungsabstimmung Aufgabenstellung Mit dem Vorrangfolgegraphen und dem Kundentakt können sie nun die Leistungsabstimmung beginnen. Dabei sollen die Teilverrichtungen so zusammengefasst werden, dass sich möglichst ausgelastete Stationen ergeben. a) Fassen Sie die Teilverrichtung sinnvoll zu Stationen zusammen, so dass eine Montagelinie entsteht. b) Bei einem variantenreichen Produktspektrum werden die Taktausgleichszeiten im allgemeinen sehr hoch. Wie kann dem bei der Leistungsabstimmung entgegengewirkt werden und wie können die dadurch entstehenden Verlustzeiten verringert werden? Seite 11 Production Systems I M 4 S. 11

13 Aufgabe 3: Leistungsabstimmung 1,5 h 1 1 h 2 3 h 4 6,1 h 10 Taktzeit: 6,25 h 2,5 h 5 h 3,4 h 2,8 h 3,4 h h 3 3,5 h 6 5,5 h 11 Seite 12 Production Systems I M 4 S. 12

14 Stationsauslegung bei stark schwankenden Stationszeiten Alternative 1: Starre Fließ-/ Taktlinie ohne Ausgleichsmechanismen Stationen Takt Alternative 2: Auslegung nach der mittleren Belastung der Stationen Stationen Takt Stationszeit Stationszeit Montagezeitangebot der Station (Takt) Montagezeitangebot der Station (Takt) Produktvarianten Die Stationen werden jeweils auf das Produkt mit der höchsten Stationszeit ausgelegt, so dass keine Überlastungen auftreten, da diese nicht wieder ausgeglichen werden können. Produktvarianten Ausgleich der Taktüberschreitungen durch Ausgleichsmechanismen oder eine erhöhte Taktzeit, die die Produktivitätsverluste ausgleicht. Seite 13 Production Systems I M 4 S. 13

15 Ausgleichsmechanismen für Belastungsspitzen bei der Auslegung einer Fließlinie I Mechanismus 1: Reihenfolgeplanung Mechanismus 2: Ausgleich von Belastungsspitzen durch Springer Belastungsprofil einer Montagestation Mittelwert der Bearbeitungszeiten Überlast Zeit Leerzeit Durch eine Reihenfolgeplanung können ungünstige Produktfolgen vermieden werden. In den Stationen können so Überlasten durch geringere Arbeitsinhalte im Folgetakt ausgeglichen werden. Die Reihenfolgeplanung zeigt jedoch erst in Verbindung mit weiteren Mechanismen seine Wirkung. Bei geschlossenen Stationen und keinen Taktzeitüberschreitungen macht eine Reihenfolgeplanung keinen Sinn. Taktzeit Station i-1 Taktzeit Station i Belastungsspitzen werden durch Springer, die kurzfristig das Kapazitätsangebot in der Station erhöhen ausgeglichen. Voraussetzung ist, dass die Überlastungen weit genug im Voraus absehbar sind und nicht zu häufig auftreten. Seite 14 Production Systems I M 4 S. 14

16 Ausgleichsmechanismen für Belastungsspitzen bei der Auslegung einer Fließlinie II Mechanismus 3: selbstorganisierte Montagegruppe Mechanismus 4: Stationsübergreifende Montage Stationen Produkte Produkte Stationen Takt Takt Takt Takt Takt Takt Die Montagemitarbeiter organisieren die Arbeitsinhalte im Montagebereich selbst und helfen sich gegenseitig bei Engpässen aus. Der Montagemitarbeiter montiert über mehrere Stationen (bzw. Takte) und kann so Stationsüberlastungen eines Produktes ausgleichen. Seite 15 Production Systems I M 4 S. 15

17 Ausgleichsmechanismen für Belastungsspitzen bei der Auslegung einer Fließlinie III Mechanismus 5: Entkopplung durch Puffer Puffer Stationen Puffer Linie Mechanismus 6: Entkopplung durch Schwimmen Stationszeiten der Typicals Stationszeiten der Produkte Pufferbereich Die Entkopplung der Montagelinie durch Puffer führt zu einer Glättung der Kapazitätsauslastung. Taktüberlastungen von Stationen können im Pufferbereich ausgeglichen werden. Belastungsspitzen einzelner Produkte können über Driftbereiche der Stationen aufgefangen werden. Die starre Taktzeitbindung kann so in gewissem Maße aufgehoben werden. Vorraussetzung ist, dass nachfolgende Produkte den Zeitverlust durch eine geringere Stationszeit kompensieren. Seite 16 Production Systems I M 4 S. 16

18 Lösung Aufgabe 3a: Leistungsabstimmung 1,5 h 1 1 h 2 3 h 4 6,1 h 10 Taktzeit: 6,25 h 2,5 h 5 h 3,4 h 2,8 h 3,4 h h 3 3,5 h 6 5,5 h 11 1,5 h 1 Station 1 St. 2 Station 3 St. 4 Station 5 St.6 St. 7 St. 8 1 h 3 h 6 h 2,5 h 3,5 h 5 h 3,4 h 2,8 h 6,1 h 5,5 h 3,4 h Seite 17 Production Systems I M 4 S. 17

19 Lösung Aufgabe 3b: Leistungsabstimmung Die Stationen werden nicht nach der maximalen Stationszeit sondern nach der mittleren Stationszeit ausgelegt. Dadurch entstehen Taktüberschreitungen, die durch eine Reihenfolgeplanung und durch Ausgleichsmechanismen ausgeglichen werden können. Ausgleichsmechanismen sind: Selbstorganisierte Montagegruppen Stationsübergreifende Montage Entkopplung durch Puffer Entkopplung durch Schwimmen Einsatz von Springern Seite 18 Production Systems I M 4 S. 18

20 Aufgabe 4: Kennzahlen der Montageplanung Aufgabenstellung Die Leistungsabstimmung wird durchgeführt, um den Taktausgleich so klein wie möglich zu halten. Eine Montagelinie ist vollkommen abgeglichen, wenn der Linienwirkungsgrad E=100% ist. a) Benutzen Sie die folgenden Formeln, um den Linienwirkungsgrad E aus Aufgabe 3 auszurechnen: M Si i= E = M t 1 T 100 M: Anzahl benötigter Arbeitsstationen t T : die vorgegebene Taktzeit S i : die sich an der Arbeitsstation i ergebende Vorgabezeit b) Berechnen Sie analog zu Aufgabenteil a die Auslastung der Mitarbeiter. Die Stationszeiten der Mitarbeiter können Sie der Tabelle 4.1 entnehmen. c) Welche weiteren Kennzahlen sind für die Bewertung der Montagelinie sinnvoll? Seite 19 Production Systems I M 4 S. 19

21 Aufgabe 4: Tabelle 4.1 Mitarbeiterzeiten in h Station Stationszeit Taktausgleichszeit # Mitarbeiter MA 1 MA 2 MA 2 1 5,5 0,75 2 5,5 2, , , , ,6 5 6,2 0,05 2 6,2 3,1 6 6,1 0,15 1 6,1 7 5,5 0,75 3 4,4 4,4 5,5 8 3,4 2,85 1 3,4 Alle Zeitangaben in Stunden [h] Seite 20 Production Systems I M 4 S. 20

22 Lösung Aufgabe 4a&b: Kennzahlen der Montageplanung Mitarbeiterzeiten in h Station Stationszeit Taktausgleichszeit # Mitarbeiter MA 1 MA 2 MA 2 1 5,5 0,75 2 5,5 2, , , , ,6 5 6,2 0,05 2 6,2 3,1 6 6,1 0,15 1 6,1 M Si i= E = M t 1 T ,5 0,75 3 4,4 4,4 5,5 8 3,4 2,85 1 3,4 Alle Zeitangaben in Stunden [h] Linienwirkungsgrad 87,40% Mitarbeiterauslastung 77,03% Seite 21 Production Systems I M 4 S. 21

23 Lösung Aufgabe 4c: Kennzahlen der Montageplanung Durchlaufzeit (DLZ) Work in Progress (WIP) Flächenproduktivität Beispiel für die Umstellung von der Standplatzmontage zur Fließmontage bei der Fa. Trumpf: Quelle: Fa Trumpf Seite 22 Production Systems I M 4 S. 22

25 Aufgabe 5: Berechnung der Anzahl der Maschinen Aufgabenstellung Für den Bereich der Außenverzahnungen muss die Anzahl der jeweiligen Maschinentypen berechnet werden. Berechnen Sie die Anzahl der Profilschleifmaschinen. Seite 24 Production Systems I M 4 S. 24

26 Aufgabe 5: Berechnung der Anzahl der Maschinen WELLE RITZELWELLE DREHSTABRITZEL DREHSTABRITZEL Stückzahl/Jahr # z Losgröße # z L Rüstzeit/Los min t r Stückzeiten min t e Legende: t T r K = z ( z + t e ) L T K = T K T K * T V m T S k N Z G z da z S : notwendige Maschinenkapazität [h/a] : korrigierte notwendige M.-kapazität [h/a] : verfügbare Maschinenkapazität [h/a] : erforderliche Maschinenanzahl : Arbeitszeit/Schicht 7,5 h : Nutzungsgrad 0,89 : Zeitgrad 1,05 : Arbeitstage/Jahr 250 : Schichten/Tag 2 T K * = T K 1 z G k N T V = T S z S z da m = T K * TV T K * = T V = m = Maschinenzahl = Seite 25 Production Systems I M 4 S. 25

27 Lösung Aufgabe 5: Berechnung der Anzahl der Maschinen WELLE RITZELWELLE DREHSTABRITZEL DREHSTABRITZEL Stückzahl/Jahr # z Losgröße # z L Rüstzeit/Los min t r Stückzeiten min t e Legende: t T r K = z ( z + t e ) L T K = ,31 h T K T K * T V m T S k N Z G z da z S : notwendige Maschinenkapazität [h/a] : korrigierte notwendige M.-kapazität [h/a] : verfügbare Maschinenkapazität [h/a] : erforderliche Maschinenanzahl : Arbeitszeit/Schicht 7,5 h : Nutzungsgrad 0,89 : Zeitgrad 1,05 : Arbeitstage/Jahr 250 : Schichten/Tag 2 1 T K * = T K m = T K T * z G k V = T S z S z da N TV T K * = ,29 h T V = 3750 h m = 4,56 Maschinenzahl = 5 Seite 26 Production Systems I M 4 S. 26

28 Aufgabe 6: Berechnung der Anzahl der Mitarbeiterzahl Aufgabenstellung Aufbauend auf den Ergebnissen der Fertigungsmittelplanung wird das Personal geplant. Ermitteln Sie den Personalbedarf für den Bereich Profilschleifen in der Außenverzahnung. Seite 27 Production Systems I M 4 S. 27

29 Aufgabe 6: Berechnung der Anzahl der Mitarbeiter Legende: T = Z Z M S da AZ T (AZ - AZM + AZA) T = T P M AZ TP (1 + FA ) (1 + FN ) P = (1 + F ) Z T G E S = = = Personalbedarf Arbeiter Meister 250 z da d/a Arbeitstage/Jahr 7,5 T s h Arbeitszeit/Schicht [h] 2 z s # Schichten/Tag 5 AZ # Anzahl Maschinen 5 AZM # Anzahl Maschinen mit Mehrmaschinenbedienung 3 AZA # Anzahl Arbeitskräfte für Maschinen mit Mehrmaschinenbedienung 1875 T E h/a Personaleinsatzzeit 2,00% F A % Ausschussfaktor 7,00% F N % Nacharbeitsfaktor 2,00% F F % Fehlzeitfaktor für Personal 1,05 Z G - Zeitgrad Seite 28 Production Systems I M 4 S. 28

30 Lösung Aufgabe 6: Berechnung der Anzahl der Mitarbeiter Legende: T = Z Z M S da AZ T (AZ - AZM + AZA) T = T P M AZ TP (1 + FA ) (1 + FN ) P = (1 + F ) Z T G E S = h/a = h/a = 6,36 Personalbedarf 7 1 Arbeiter Meister 250 z da d/a Arbeitstage/Jahr 7,5 T s h Arbeitszeit/Schicht [h] 2 z s # Schichten/Tag 5 AZ # Anzahl Maschinen 5 AZM # Anzahl Maschinen mit Mehrmaschinenbedienung 3 AZA # Anzahl Arbeitskräfte für Maschinen mit Mehrmaschinenbedienung 1875 T E h/a Personaleinsatzzeit 2,00% F A % Ausschussfaktor 7,00% F N % Nacharbeitsfaktor 2,00% F F % Fehlzeitfaktor für Personal 1,05 Z G - Zeitgrad Seite 29 Production Systems I M 4 S. 29