Digitales Wertstromdesign

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1 Advances in Simulation for Production and Logistics Applications Markus Rabe (ed.) Stuttgart, Fraunhofer IRB Verlag 2008 Digitales Wertstromdesign Digital Value Stream Mapping Holger Brüggemann, Patrick Müller, Institut für Produktionstechnik, FH Braunschweig/ Wolfenbüttel, Wolfenbüttel (Germany) Abstract: Value Stream Mapping is a standardized method to visualize and optimize manufacturing processes. This article shows, how it is possible to build up and optimize a value stream mapping with the simulation software Plant Simulation by Siemens PLM Solutions GmbH without simulation experience. 1 Einleitung Produktionsunternehmen müssen ihre Produktionsstrukturen und ihre logistischen Abläufe ständig weiterentwickeln, um im globalen Konkurrenzkampf ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten. Ansätze zur Verbesserung der Produktionsabläufe bietet das seit der 1990 erschienenen Studie The Machine that changed the World bekannte Konzept Lean Production. Nach Jahren etwas geringerer Wertschätzung erlebt das Thema seit ein paar Jahren in Deutschland eine Renaissance. Ein Faktor, der dazu beigetragen hat, ist die Verbreitung der Methode des Wertstromdesigns. Das Wertstromdesign ist eine Methode zur Optimierung von Produktionsabläufen. Diese Methode wurde ursprünglich von Toyota entwickelt. Basis der Methode ist die Visualisierung des Wertstromes (Darstellung des Wertschöpfungsprozesses) eines Produktionsbetriebes auf Papier. Unter Nutzung dieser Methode konnte eine Reihe von Unternehmen große Erfolge in der Verbesserung ihrer Produktion erzielen. Diese Darstellung lässt sich jedoch im Produktionsplanungsprozess nicht weiter verwenden. Erforderlich ist dazu ist eine Übertragung auf EDV-Systeme. Darüber hinaus lassen sich Varianten für einen geplanten Sollzustand des Wertschöpfungsprozesses ohne Kopplung mit Simulationsprogrammen nur schwer vergleichen. 2 Wertstromdesign Das Wertstromdesign ist eine von Toyota entwickelte Methode zur Optimierung von Produktionsabläufen. In Deutschland wurde die Methode u. a. durch Mike Rother

2 576 Brüggemann, Holger; Müller, Patrick populär gemacht (Rother und Shook 2000; Rother und Harris 2001). Grundlage des Wertstromdesigns ist die Darstellung und Bewertung von Material- und Informationsflüssen. Der Wertstrom stellt den Fluss aller wertschöpfenden und nicht wertschöpfenden Tätigkeiten eines Produktes dar (Abb. 1). Abbildung 1: Wertstromanalyse Das Wertstromdesign hat sich seit dem Jahr 2000 in Deutschland weit verbreitet (Rother und Bischoff 2001; Mittelhuber und Kallmeyer 2002; Vollmer und Schlörke 2005; Fimpel und Dürr 2005; Kapp et al. 2003; Halmosi und Vollmer2003). Zahlreiche Unternehmen weisen durch den Einsatz dieser Methode große Erfolge in der Verbesserung ihrer Produktionsbereiche aus (Aulinger et al. 2003, Eickhoff 2005). In der Automobilindustrie entwickelt sich die Methode zum Standardwerkzeug zur Optimierung von Produktionsbereichen. Die Basis des Wertstromdesigns liegt in der Visualisierung des Ist-Zustandes und des angestrebten Soll-Zustandes mit einfachen Symbolen und Hilfsmitteln. Die Erstellung der Wertströme soll dabei von Hand mit einem Bleistift erfolgen. Das Zeichnen von Hand bedeutet, dass Sie es selbst machen können. Dieser Vorgang ist entscheidend für das Verständnis von Material- und Informationsfluss (Rother und Shook2000, S. 15). Der Nachteil dieser Darstellung ist, dass sie im weiteren Planungsprozess nicht weiter verwendbar ist. Gegebenfalls muss der gesamte Materialfluss ein weiteres Mal erstellt werden, um Simulationen durchzuführen. Dieses Defizit wurde in zwei Forschungsprojekten aufgegriffen. Im von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geförderten Vorhaben Nr Prozessklinik, Bereichsübergreifende Optimierung von Prozessabläufen in Unternehmen wurde ein Softwaretool (ProVSM) zur Analyse und Simulation von Prozessen entwickelt, welches auch eine Wertstromsichtweise ermöglicht (Wildemann 2005). Im Sonderforschungsbereich 467 Wandlungsfähige Unternehmensstrukturen für die variantenreiche Serienproduktion wurde ein Auftragsmanagementprüfstand zur

3 Digitales Wertstromdesign 577 Verbesserung von Wandlungsprozessen im Auftragsmanagement auf Basis eines generischen Simulationsmodells entwickelt. Die Ergebnisse dieses Projektes wurden durch ein Spin-Off-Unternehmen in Form des Softwaretools ValueStream- Designer weiterverwertet (Erlach et al. 2003). Eine Bewertung beider Programme findet in Kapitel 4 statt. 3 Forschungsprojekt DIGIPRO Grundgedanke des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojektes DIGIPRO (Produktionsoptimierung in der digitalen Fabrik) ist, einen erfolgreichen methodischen Ansatz aus dem Bereich Lean Produktion mit dem innovativen Ansatz der Digitalen Fabrik zu kombinieren (Abb. 2). Abgeleitet von diesem Grundgedanken ist das Ziel dieses Forschungsprojektes, die erfolgreiche Methode Wertstromdesign mit einem Simulationstool zu verknüpfen und in einen durchgängigen digitalen Planungsprozess zu integrieren. Wertstromdesign Integration des Wertstromdesigns in den Planungsablauf der Digitalen Fabrik Digitale Fabrik Abbildung 2: Gesamtziel des Projektes Projektpartner sind die Fachhochschule Braunschweig/ Wolfenbüttel, die Maschinenfabrik Kurt Neubauer GmbH & Co., die Voith Turbo Scharfenberg GmbH & Co. KG, die Siemens PLM Solutions GmbH sowie das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Braunschweig. Die Projektleitung liegt beim Institut für Produktionstechnik der FH Braunschweig/ Wolfenbüttel (IPT). Angebunden an das IPT ist der Verein Netzwerk Digitale Fabrik e.v. (Digifab). Ziel dieses Vereins ist der Erfahrungsaustausch zwischen Hochschule und Industrie im Bereich des Einsatzes von Systemen und Methoden der Digitalen Fabrik. Durch die Einbindung des Netzwerkes Digitale Fabrik e.v. werden die Verbreitung und der Transfer der Projektergebnisse zu weiteren Unternehmen unterstützt. Die drei Hauptphasen des Projektes werden in Abbildung 3 dargestellt. 1. Die Methode des Wertstromdesigns wird auf ein Softwaretool übertragen. 2. Zur Verbesserung des Wertstromes werden Optimierungskomponenten entwickelt, die den Anwender unterstützen, seine Produktionsabläufe zu verbessern.

4 578 Brüggemann, Holger; Müller, Patrick 3. Das digitale Wertstromdesign wird in den Planungsablauf der digitalen Fabrik integriert. Abbildung 3: Vorgehen im Projekt 4 Ist-Analyse Im Rahmen einer Marktrecherche wurden für das Wertstromdesign einsetzbare Softwaretools analysiert (Tabelle 1). Nr. Produkt Firma 1 MS Visio Microsoft 2 Gepro WST Gepro 3 igrafx Flowcharter igrafx 4 SYCAT Process Designer Dr. Binner Consulting & Software 5 ProVSM TCW GmbH 6 ValueStreamDesigner Traleon GmbH 7 em-plant Siemens PLM Solutions GmbH 8 Quest Delmia 9 Dosimis SDZ GmbH Tabelle 1: Übersicht über Softwareprogramme für das Wertstromdesign Die Softwaretools lassen sich in unterschiedliche Kategorien unterteilen. Kategorie 1 sind Programme, die nur eine Visualisierung des Wertstroms ermöglichen (Programme 1-3). Eine Reihe von Anbietern, wie beispielsweise Gepro (2), bauen dabei auf der Flussdarstellung von MS Visio auf. Mit diesen Programmen lässt sich der Wertstrom einfach und übersichtlich darstellen. Für eine dynamische Abbildung von Prozessen, der Optimierung von Materialflüssen oder eine Integration in den Ablauf einer digitalen Fabrik sind diese Programme nicht geeignet.

5 Digitales Wertstromdesign 579 Zur Kategorie 2 gehören Programme, die aus dem Bereich der Prozessanalyse stammen. Zwei dieser Programme haben auch eine Erweiterung für das Wertstromdesign integriert. Dazu zählen der Sycat Process Designer (Binner 2007) und ProVSM (Wildemann2005). Beide Programme stellen eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Verfügung mit denen Wertströme einfach abgebildet werden können. Beide bieten auch die Möglichkeit, Prozesse zu simulieren. Es fehlt bei beiden Programmen die Möglichkeit, Materialflüsse weiter zu optimieren. Eine Einbindung in einen digitalen Produktionsplanungsablauf ist nicht gegeben. Kategorie 3 sind Programme, die speziell für das Aufstellen und die Simulation von Wertströmen entwickelt wurden. Dazu zählt das Programm ValueStreamDesigner (Erlach et al. 2003). Mit diesem Programm können Wertströme benutzerfreundlich erstellt werden. Das Programm bietet Ansätze zur Aufstellung von Soll-Konzepten und stellt auch eine diskrete ereignisorientierte Simulation zur Verfügung. Es fehlt dem Programm die Möglichkeit, Materialflüsse weiter zu optimieren. Eine Einbindung in einen digitalen Ablauf ist nicht ohne größeren Aufwand möglich. Zu Kategorie 4 zählen klassische Programme der Materialflusssimulation. Drei der in der Industrie am häufigsten eingesetzten Programme sind em-plant (heute: Plant Simulation; Tecnomatix 2005), Quest (Delmia 2007) und Dosimis (SDZ 2007). Jedes dieser drei Programme bietet umfangreiche Möglichkeiten zur Unterstützung der Materialflussoptimierung. em-plant und Quest sind Ansatzweise auch in einen digitalen Planungsablauf eingebunden. Allen Programmen fehlt die Möglichkeit, Wertströme einfach zu erstellen. Die Programme lassen sich nur mit umfangreichen Simulationskenntnissen anwenden. Auch das Aufstellen von Soll-Konzepten wird nur sehr begrenzt unterstützt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass eine Integration der Vorgehensweise des Wertstromdesigns in ein Simulationstool, das Materialflussoptimierungen unterstützt und welches sich in einen im Sinne der digitalen Fabrik durchgängigen Informationsfluss integrieren lässt, nicht existiert. 5 Erstellung des digitalen Wertstroms Da die Software Plant Simulation insbesondere in der Automobilindustrie weit verbreitet ist und standardmäßig Möglichkeiten zur Unterstützung der Materialflussoptimierung bietet, wird mit diesem Programm der digitale Wertstrom erstellt. Dazu wird Plant Simulation ergänzt um ein spezifisches Modul für das Wertstromdesign. Mit diesem Modul ist es möglich, dass auch Anwender, die über keine Simulationskenntnisse verfügen, einen Wertstrom digital abbilden und optimieren können. Im folgenden Abschnitt wird der Ablauf in dem Modul Wertstrom beschrieben. In den folgenden Abbildungen wird die Menüoberfläche des Wertstrommoduls dargestellt. In der Werkzeugleiste Wertstrom befinden sich die standardisierten Wertstromsymbole, welche per Drag and Drop in die Modelloberfläche gezogen werden können (Abb. 4). Per Doppelklick können nun die Objekte geöffnet werden und nötige Einstellungen vorgenommen werden. Als Beispiel wird hier das Objekt Prozess gewählt. Direkt

6 580 Brüggemann, Holger; Müller, Patrick im zugehörigen Fenster des Objektes Prozess können alle wesentlichen Daten eingegeben werden (Abb. 5). Abbildung 4: Einfügen der Symbole Abbildung 5: Dateneingabe für das Objekt Prozess

7 Digitales Wertstromdesign 581 Abbildung 6: Wertstrommodell Des Weiteren können Angaben zu einer Rüstmatrix, zu den zu bearbeitenden Artikeln und zu einem Schichtkalender gemacht werden. Im Wertstromdesign kommt dem Schrittmacherprozess eine wichtige Rolle zur Steuerung des Produktionsprozesses zu. Dieser kann in dem Fenster einem Prozess zugewiesen werden. Unter Nutzung der standardisierten Wertstromsymbole gelingt es schnell, ein Wertstrommodell zu erstellen (Abb. 6). 6 Analysemöglichkeiten Um Anwender, die über keine Simulationskenntnisse verfügen, bei der Optimierung des abgebildeten Wertstroms zu unterstützen, bietet das Modul Wertstrom zusätzliche Analysefunktionen (Abb. 7). Abbildung 7: Analysewerkzeuge

8 582 Brüggemann, Holger; Müller, Patrick Mit dem Button Statische Ausbringung wird unter Berücksichtigung der Taktzeit, der Verfügbarkeit und des Ausschusses bzw. der Nacharbeitsrate die Ausbringung einer (unverketteten) Station bestimmt (Abb. 8). Mit dieser statischen Analyse lässt sich schnell die Engpassstation im gesamten Wertstrom aufzeigen. Abbildung 8: Darstellung der statischen Ausbringung über alle Stationen Mit dem Button Durchlaufzeit werden die Bearbeitungszeit und die gesamte Durchlaufzeit bestimmt. In die Durchlaufzeitberechnung fließt dabei die mittlere Pufferbelegung ein. Die statische Ausbringung und die Durchlaufzeit können ohne Simulationslauf berechnet werden. Die Pufferbelegung zeigt dynamisch die Belegung der einzelnen Puffer während eines Simulationslaufes an. Mit dieser graphischen Unterstützung lassen sich gut die Pufferkapazitäten im Prozess festlegen. 7 Umstellen eines Push-Systems auf ein Pull-System Um Produktionsabläufe mit der Methode des Wertstromdesigns zu optimieren, werden häufig Produktionsprozesse von einem Push-Prozess auf einen Pull-Prozess umgestellt. Im folgenden Abschnitt wird dargestellt, wie dieses Vorgehen mit dem Modul Wertstromdesign unterstützt wird. Zunächst wird der Prozess ausgewählt, der auf eine Pull-Steuerung umgestellt werden soll. Wie in Abbildung 9 dargestellt, wird der Kanban_Ausgang ausgewählt und mit dem Objekt, welches die Kanban-Information erhalten soll, verbunden. Im Beispiel wird das Eingangslager gewählt. Durch diese Verknüpfung ändert sich automatisch das Bestands-Symbol in ein Supermarkt-Symbol. Dieser Supermarkt versendet die Teile, wenn diese durch eine Kanban-Karte bestellt werden. Der auf eine Kanban-Steuerung umgestellte Wertstrom ist in Abbildung 10 dargestellt.

9 Digitales Wertstromdesign 583 Abbildung 9: Umstellung auf ein Kanban-System Abbildung 10: Wertstrom mit Kanban-Steuerung 8 Zusammenfassung und Ausblick In dem Artikel wird gezeigt, wie es gelingt, einen Wertstrom einfach, benutzerfreundlich und ohne Programmierkenntnisse mit dem Softwaretool em-plant aufzunehmen. Durch neue Analysefunktionen und Optimierungstools ist es dazu möglich, einen Wertstrom bezüglich der Engpässe zu analysieren und durch die Einführung einer Kanban-Steuerung zu optimieren. Die Ziele der weiteren Projektphasen sind die Weiterentwicklung der Optimierungstools sowie die Integration der Wertstromanalyse in den Planungsablauf der Digitalen Fabrik. Dazu soll auf Basis des Wertstrommodells direkt eine Layoutplanung und Materialbereitstellungsplanung oder 3D-Visualisierung einer Fabrik durchgeführt werden.

10 584 Brüggemann, Holger; Müller, Patrick Literatur Aulinger, G.; Rist, T; Rother, M. (2003) Wertstromdesign erhöht die Produktivität Traktorengetriebemontage deutlich optimiert. VDI-Z 145 (2003) 1/2, S Binner (2007) Sycat Produktportfolio. Dr. Binner Consulting & Software, Hannover Delmia (2007) Quest, resource modelling and simulation. Delmia, Suresnes Eickhoff, A. (2005) Wertströme lückenlos optimieren. VDI-Z 147 (2005) 7/8, S Erlach, K.; Halmosi, H.; Löffler, B. (2003) Wertströme elektronisch erfassen und visualisieren. wt Werkstattstechnik online 93 (2003) 3, S Fimpel, A.; Dürr, M. (2005) Teambasierte Optimierung eines Wertstrom-Layouts. wt Werkstattstechnik online 95 (2005) 5, S Halmosi, H.; Vollmer, L. (2003) Lean Production auch für den Mittelstand. MM Maschinenmarkt (2003) 44, S Kapp, R.; Löffler, B.; Wiendahl, H.-H.; Westkämper, E. (2003) Der Logistik-Prüfstand. wt Werkstattstechnik online 93 (2003) 1/2, S Mittelhuber, B.; Kallmeyer, O. (2002) Wertstromdesign Ein Werkzeug des Toyota-Production-Systems. wt Werkstattstechnik online 92 (2002) 3, S Rother, M.; Bischoff, J. (2001) Toyota: Erfolgsgeheimnis Wertstrom, Produktion (2001) 7, S. 5 Rother, M.; Harris, R. (2001) Creating continuous flow, an action guide for managers. Engineer production associates, Brookline, Massachusetts Rother, M.; Shook, J. (2000) Sehen Lernen, mit Wertstromdesign der Wertschöpfung erhöhen und Verschwendung beseitigen. LOG_X Verlag GmbH, Stuttgart SDZ (2007) Dosimis-3. SimulationsDienstleistungsZentrum GmbH, Dortmund Tecnomatix (2005) em-plant Benutzerhandbuch. Tecnomatix, Stuttgart Vollmer, L.; Schlörke, S. (2005) Zielgerichtete Umsetzung von Variantenwertströmen. wt Werkstattstechnik online 95 (2005) 4, S Wildemann, Horst (2005) Prozessklinik, Bereichsübergreifende Optimierung von Prozessabläufen in Unternehmen. AIF-Vorhaben Nr , Abschlussbericht, TU München

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