Planungszeit Halbe * Titelthema Aufsatz. Ansätze zur Stabilisierung und Beschleunigung der Fabrikplanung

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1 Fabrikplanung, Produktionsmanagement, Produktionstechnik Planungszeit Halbe * Ansätze zur Stabilisierung und Beschleunigung der Fabrikplanung A. Kampker, P. Burggräf, M. Krunke, M. Backs, H. Voet Aufgrund einer stetig steigenden Dynamik und interdisziplinären Vernetzung erreichen Fabrikplanungsprojekte zwar überwiegend ihre inhaltlichen Ziele, überschreiten das ursprünglich geplante Budget und die Terminziele aber oft deutlich. Als Reaktion darauf wurde am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen der Ordnungsrahmen des Aachener Fabrikplanungsvorgehens entwickelt. Der Fachartikel stellt drei Methoden hieraus im Detail vor: Reifegradmanagement, Fabrikstandards und Heuristiken. Half the amount of planning time Due to continuously increasing dynamics and interdisciplinary networking, factory planning projects indeed meet their content-related goals but fail to achieve the cost and timescale targets. In response to these challenges, the Aachen Factory Planning Methodology has been developed at the WZL of RWTH Aachen University. This article will present three specific methods: maturity level management, factory standards, and heuristics. 1 Einleitung Aufgrund stetig sinkender Produktlebenszyklen bei gleichzeitig steigender Innovationsdynamik verkürzen sich die Bauund Planungszeiten in der Fabrikplanung. Gleichzeitig nimmt die Anzahl der Planungsprojekte insgesamt zu und innerhalb der Einzelprojekte ist eine immer größere Planungskomplexität in zunehmend interdisziplinären Planungsteams zu bewältigen [1]. Während die Vielzahl der aktuellen Fabrikplanungsprojekte zwar ihre inhaltlichen Ziele erreicht, werden Termin- und Kostenziele häufig verfehlt [2]. Die Zeit- und Kostenaufwände zu reduzieren ist eine Kernherausforderung für eine erfolgreiche Fabrikplanungssystematik. Dieser Handlungsbedarf wurde auch in der Studie Exzellente Fabrikplanung bestätigt, welche das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen University in 2014 durchgeführt hat [3]. 2 Aachener Fabrikplanungsvorgehen: Ordnungs - rahmen für eine beschleunigte Fabrikplanung Bei genauerer Betrachtung der Herausforderungen in der Fabrikplanung zeigen sich Ähnlichkeiten zu den Problemen mit denen die Produktion konfrontiert ist. Getrieben durch die Globalisierung stieg die Anzahl der Konkurrenten sprunghaft an, sodass hohe Produktvielfalt bei hoher Qualität und geringen Kosten ein entscheidender Wettbewerbsfaktor wurde [4]. Um die Herausforderungen in der Produktion zu adressieren, wurde Anfang der 1990er Jahre von Womack et. al. das Prinzip der Lean Production eingeführt [5]. Motiviert durch den Erfolg der Lean Gedanken wurden die Prinzipien am WZL der RWTH Aachen auf die Fabrikplanung übertragen und das Aachener Fabrik - planungsvorgehen entwickelt [6]. Mit dem Ziel, die Planungszeit zu halbieren und gleichzeitig das Kostenziel nicht zu verfehlen, werden im Ordnungsrahmen des Aachener Fabrikplanungsvorgehens am WZL Ansätze ent - wickelt. Drei davon werden im Folgenden vorgestellt: Reife - gradmanagement, Fabrikstandards und Heuristiken. 3 Systematische Parallelisierung durch Reifegradmanagement Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker, Dr.-Ing. Peter Burggräf, Dipl.-Wirt.-Ing. Moritz Krunke, Dipl.-Wirt.-Ing. Matthias Backs, Hanno Voet, M. Sc. RWTH Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Steinbachstr. 19, D Aachen Tel. +49 (0)241 / , Fax +49 (0)241 / a.kampker@wzl.rwth-aachen.de Internet: Dank Die Autoren möchten sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bedanken, durch deren Förderung der Projekte heuristischer Gestaltungsregeln in der Fabrikplanung zur Reduktion des Planungsaufwands und des Exzellenzclusters Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer ein Teil der hier vorgestellten Ergebnisse erarbeitet werden konnte. * Bei den mit einem Stern gekennzeichneten Beiträgen handelt es sich um Fachaufsätze, die von Experten auf diesem Gebiet wissenschaftlich begutachtet und freigegeben wurden (peer- reviewed). Der zunehmende Zeitdruck in Fabrikplanungsprojekten hat dazu geführt, dass Planungsaufgaben nicht mehr sequenziell, sondern zunehmend parallel ausgeführt werden [7]. Möglich wird die Parallelisierung von inhaltlich abhängigen Aufgaben dadurch, dass unscharfe Informationen zwischen den Planern frühzeitig ausgetauscht werden. 3.1 Herausforderungen beim Planen mit unscharfen Informationen Wesentliche Herausforderung im Umgang mit unscharfen Informationen ist, dass das Sprachbild des Menschen im Alltag von unscharfen Begriffen geprägt ist so ist die Aussage die Qualität ist hoch ein Beispiel für sprachliche Unschärfe. Dies wird jedoch nicht bewusst wahrgenommen, da die Gesprächspartner besonders bei Bezug der Aussage auf einen bestimmten Sachverhalt ein ähnliches Begriffsverständnis haben [8]. In der Fabrikplanung ist die sprachliche Unsicherheit bei der Beschreibung von Planungsinformationen eine Quelle der Unschärfe, da sie Interpretationsspielraum für die Information 162

2 Planungszeit Am WZL wird ein Reifegradmanagement für die Fabrik - planung entwickelt, um die parallele Planung mit unscharfen Daten zu systematisieren. Der Planer wird dabei unterstützt, die richtige Planungsinformation zum richtigen Zeitpunkt sowie in der richtigen Unschärfe zur Verfügung zu stellen und so einen höheren Grad der Parallelisierung bei geringerem Anstieg des Koordinationsaufwands zu ermöglichen. Grundlage des Reifegradmanagements ist die Konfiguration und Steuerung des Planungsprozesses anhand reifegrad - basierter Planungsinformationen zu definierten Reifestufen. Der Reifegrad einer Planungsinformation ist das Mittel zur Quantifizierung der Unschärfe einer Information und setzt sich aus Genauigkeit und Sicherheit zusammen. Die Genauigkeit definiert den inhaltlichen Gehalt [8] der Information und beschreibt eindeutig welche Aspekte die Planungsinformation enthält. Das zweite Element des Reifegrads, die Sicherheit, erfasst den kontextuellen Gehalt [8] der Planungsinformation, das heißt es sammelt Zusatzinformationen über mögliche zukünftige Änderungen. Eine Reifestufe ist ein über alle rele - vanten Planungsmodule hinweg definierter zeitlicher Synchronisationspunkt im Planungsprozess, für den die Reifegrade der Planungsinformationen definiert sind und an dem ein Soll-Ist- Koordinationsaufwand Reduzierter Koordinationsaufwand 0% Grad der Parallelisierung in der Planung 100% Bild 1. Steigender Koordinationsaufwand durch Parallelisierung zulässt [9]. So ist die Planungsinformation Blocklayout kein eindeutig definierter Begriff, sondern die Interpretation vom Planer abhängig. Verstärkt wird diese Problematik durch die Parallelisierung, die einen Austausch unscharfer Planungs - informationen erfordert, das heißt, die Planungsinformation Blocklayout muss neben dem inhaltlichen Aspekt auch die Unschärfe der Information enthalten. Die zunehmende Parallelisierung führt dazu, dass Planungsinformationen kleinteiliger und häufiger ausgetauscht werden müssen. Der damit verbundene Anstieg des Koordinationsaufwandes wird insbesondere durch das Auftreten unscharfer Daten verstärkt, wodurch der Koordinationsaufwand mit dem Grad der Parallelisierung überproportional ansteigt und das Zielsystem des Planungsprojekts hinsichtlich Zeit und Kosten negativ beeinflusst (Bild 1). 3.2 Ansätze zur Unterstützung der Planung mit unscharfen Daten Für die Suche nach Lösungsansätzen zur beschleunigten Planung mit unscharfen Daten bietet sich die Betrachtung des Produktentwicklungsprozesses an, da sich zwischen der Fabrikplanung und Produktentwicklung zahlreiche Parallelen finden lassen [10]. In der Produktentwicklung wird der Lösungsansatz zur Beschleunigung in einer Ablösung des sequenziellen Vor - gehens durch simultane Ansätze zur Parallelisierung gesehen [11]. Diese werden bereits in der Fabrikplanung angewendet, betrachten jedoch nicht explizit den Umgang mit unscharfen Daten [12]. Die in der Produktentwicklung dominierende Methodik zur Synchronisierung des Planungsprozesses mit unscharfen Informationen ist das Reifegradmanagement [13, 14], bei dem frühzeitig Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Zustand erkannt werden. 3.3 Reifegrad und Reifestufen der Fabrikplanung Potenziale von Fabrikstandards innerhalb der Zielkategorien Kosten und Zeit 16% 23% 14% 12% Kostenziel Zeitziel Kostenziel Zeitziel Greenfield Brownfield Befragte n = 14 Bild 2. Studienergebnisse Exzellente Fabrikplanung von Fabrikstandards 163

3 Planungsergebnis? Standard-Gebäudetyp Rückgriff auf Standards Individuelle Planung? Planungsaufwand/ -dauer Standard-Werksstruktur Bild 3. Anwendung von Fabrikstandards im Planungsprozess Abgleich stattfindet. Reifestufen orientieren sich an wichtigen Entscheidungspunkten im Planungsprozess, beispielsweise der Standortplanung, können jedoch projektspezifisch definiert werden. Die Einführung von Reifegrad und Reifestufen als Grundlage des Reifegradmanagements in der Fabrikplanung ermöglicht es dem Planer, unscharfe Planungsdaten systematisch und proaktiv im Planungsprozess zu berücksichtigen und so die Effizienz der Parallelisierung zu steigern. 4 Potenziale des es von Fabrikstandards Als weiterer Baustein im Aachener Fabrikplanungsvorgehen wurde der von Fabrikstandards im Planungsprozess identifiziert. Die Studie Exzellente Fabrikplanung zeigt, dass sich die Fabrikstandardisierung insbesondere zur Verbesserung der Zeit- und Kosteneffizienz in Fabrikplanungsprojekten als Lösungsmöglichkeit anbietet. Für den von Fabrik - standards ermittelten die Teilnehmer der Studie ein Potenzial, welches sich in Abhängigkeit der Art des Projektes (Green- oder Brownfield) kostenseitig bei etwa 15 % und terminlich bei 12 % bis 23 % befindet (Bild 2). 4.1 Herausforderungen beim von Fabrikstandards Die genannten Potenziale werden in der Anwendung vor allem durch ein Springen in der Planungskurve erschlossen (Bild 3) [15]. Bei individueller Planung ohne den Rückgriff auf Standards im Unternehmen werden zwar kontinuierlich Planungsergebnisse in Form spezifizierter Fabrikelemente erzeugt, jedoch verläuft die Kurve flach. Durch die Nutzung von Standards kann an speziellen Stellen im Planungsprozess dieser Planungsaufwand minimiert werden, indem auf Konzepte aus der Schublade zurückgegriffen wird. Falls es beispielsweise im Unternehmen bereits vorausgewählte Standard-Werksstrukturen (zum Beispiel T-Struktur, Struktur mit zentraler Achse, Blockstruktur, Linienstruktur) oder definierte Gebäudetypen (zum Beispiel Runddach, mehrgeschossiger Bau, Flachbau) gibt, müssen diese nicht nochmals aufwendig im Projekt erarbeitet werden. Es entsteht ein unmittelbares Planungs ergebnis ohne größeren Planungsaufwand. Ziel der Entwicklung von Fabrikstandards im Unternehmen ist es, die Standards möglichst modular in Form eines Baukastens aufzubauen. In diesem Fall können die einzelnen Bestandteile der Fabrik nach Gewerken standardisiert und im Planungsprozess entsprechend zur Gesamtfabrik kombiniert werden. Nur so kann man den individuellen Eigenheiten des spezifischen Planungsprojektes (zum Beispiel länderspezifische Gegeben - heiten oder spezifische gesetzliche Anforderungen) bei gleichzeitig maximalem Standardisierungsgrad zur Erreichung von Zeit- und Kostenvorteilen entsprechen. 4.2 Ansätze zur Entwicklung modularer Fabrikbaukästen In Zusammenhang mit der Entwicklung des Aachener Fabrikplanungsvorgehens wurde eine dreiphasige Vorgehensweise zur Ableitung von unternehmensspezifischen, modularen Fabrikbaukästen für Unternehmen entwickelt [15]. Der Ansatz der Modularisierung geht dabei über die reine Standardisierung der Fabrik hinaus, indem er insbesondere die Schnittstellen zwischen den Fabrikelementen vereinheitlicht. In der ersten Phase der Dekomposition der Fabrik wird die gesamte aktuelle und zukünftige Varianz in Bezug auf implementierte Fabrikplanungslösungen abgebildet. Hierbei werden die Fabrikbestandteile umfassend entlang verschiedener Handlungsfelder wie Gebäude, Produktion, Logistik, Organisation und Betriebsmittel analysiert. Zur Prognose zukünftiger Entwicklungen werden Techniken des Szenariomanagements angewandt [16, 17]. In der Synthesephase werden anschließend die Fabrik - elemente identifiziert, welche sich für eine Standardisierung anbieten. Diese werden dann unternehmensweit einheitlich spezifiziert und zu übergeordneten Modulen zusammengefasst. Hierbei können sich alternative Modulkonzepte gegenüber - stehen, die entsprechend bewertet werden müssen. Das Modulkonzept wird dabei eng um konstituierende Merkmale der Fabrik herum gestaltet. Bei diesen Merkmalen handelt es sich um wesentliche Grundeinheiten der Fabrik, welche im Unternehmen von Werk zu Werk nicht variieren, sondern einheitlich ge staltet werden. Dies könnten im konkreten Anwendungsfall etwa das Rastermaß der Hallenstützen oder auch Standard- Anlagen sein. Im letzten Schritt der Manifestationsphase erfolgt die Kommunikation und planung des Fabrikbaukastens. Hierzu werden die entwickelten Lösungen in entsprechender Form zunächst dokumentiert (etwa Aktenform, Intranet, App), um eine optimale Einsetzbarkeit und folglich eine weite Verbreitung im Unternehmen sicherzustellen. 164

4 Heuristiken in der praktischen Fabrikplanung Potenziale von Heuristiken innerhalb der Zielkategorien Kosten und Zeit Befragte n = 14 Sehr gute Systematischer Sehr hohes Potential 3,67 3,89 2,08 2,38 Keine Unsystematischer Kein Potential Planungsheuristiken Systematik im Zeit Kosten Bild 4. und Potenzial von Heuristiken in der Fabrikplanung 5 Planungsaufwand mit dem systematischen von Heuristiken senken Ein weiteres Mittel, den Planungsaufwand zu reduzieren und die Planung zu beschleunigen, ist der von Heuristiken. In der Literatur ist der Terminus nicht einheitlich definiert. Heuristiken oder heuristische Methoden können aber als Herangehensweisen beschrieben werden, welche durch die Nichtbeachtung bestimmter Einflussvariablen den Aufwand zur Lösung eines Problems deutlich reduzieren [18, 19]. Die Ergebnisse der Studie Exzellente Fabrikplanung zeigen, dass in der Fabrik - planung eine hohe Unkenntnis hinsichtlich Heuristiken besteht und der in der Praxis unsystematisch geschieht. Aus diesem Grund beschäftigen sich aktuelle Forschungsarbeiten am WZL damit, ein Vorgehen für den von Heuristiken in der Fabrikplanung zu entwickeln. Der Fokus liegt dabei auf der Systematisierung des es, da hier großes Potenzial zur Aufwandsreduktion und Beschleunigung des Planungsprozesses gesehen wird (Bild 4). 5.1 Grundlagen für den systematischen von Heuristiken Grundlage für das Vorgehen bilden die zustandsbasierte Fabrikplanung [20] sowie die wertorientierte Fabrikplanung [21], die dem Aufwand eines Planungsprojekts den Nutzen gegenüberstellt, um vorteilhafte Projekte zu identifizieren. Der Ansatz der wertorientierten Fabrikplanung wird auf Aufgabenebene übertragen, wobei unter einer Aufgabe die Erzeugung einer Planungsinformation im Sinne der zustandsbasierten Fabrikplanung verstanden wird. Auf Aufgabenebene ist dabei der Aufwand der Lösungserarbeitung dem Nutzen im Gesamtkontext des Projekts gegenüberzustellen. Notwendige Voraussetzung zum eines heuristischen Ansatzes ist, dass die Ergebnisse die geforderte Genauigkeit erfüllen, weshalb diese als dritte Größe für einen optimierten von Heuristiken eingeführt wird. Die Genauigkeit orientiert sich dabei an den in diesem Artikel bereits vorgestellten Reifegraden. Als Grundlage für den systematischen heuristischer Verfahren ergibt sich somit ein System aus Kosten, Nutzen und geforderter Genauigkeit. 5.2 Praxisbeispiel: Lineare Optimierung in der Kapazitätsplanung Erste Untersuchungen belegen die Wirksamkeit des Ein - satzes von Heuristiken. In einem Projekt zur Auslegung einer Fabrik titanbasierter Produkte für die Luftfahrtindustrie wurde analysiert, inwieweit Heuristiken in den frühen Phasen des Projekts eingesetzt werden können. Als bereich wurde die Kapazitätsplanung gewählt. In Anlehnung an die determinierenden Kategorien Aufwand und Nutzen wurden ein Aufwands- und ein Nutzenindex mit einer Skala von 0 % bis 100 % definiert, anhand derer unterschiedliche Methoden verglichen wurden. In diesem Anwendungsfall wurde auf die Definition eines Genauigkeitsindizes verzichtet, da kein objektives Maß feststellbar war. Der Aufwand setzte sich vor allem aus den notwendigen Mannstunden zur Datenrecherche und für Berechnungen zusammen, hinzu kam die anteilige Nutzung von Software. Zur Berechnung des Nutzenindexes wurden verschiedene Unterkategorien definiert (etwa errechnete Anzahl benötigter Maschinen oder die wirtschaftliche Auslastung) und in einem paarweisen Vergleich auf Basis der Anforderungen in der gegenwärtigen Projektphase gegeneinander gewichtet. In der Folge wurden verschiedene Methoden identifiziert, die sich prinzipiell zur Lösung der Aufgabe eignen. Untersucht wurden im Einzelnen eine erfahrungsbasierte, manuelle Berechnung, eine lineare Optimierung und die Berechnung durch eine Optimierungssoftware. Zunächst wurde die Aufgabe mit den beiden erstgenannten Berechnungsmethoden gelöst und die Ergebnisse dokumentiert. Parallel dazu wurde die software-basierte Optimierung durchgeführt und die sich ergebenden Werte als 100 % der Indizes definiert, da diese durch das Unternehmen auf Basis der Erfahrungen vergangener Projekte für diese Aufgabe als exakteste Methode eingeschätzt 165

5 Methode Nutzenindex (N) Aufwandsindex (A) Quotient (N/A) Simulation Lineare Optimierung Manuelle Berechnung , ,15 Bild 5. Ergebnis des Methodenvergleichs wurde. Der Aufwandsindex der beiden anderen Methoden wurde durch die Division des jeweiligen Aufwandswertes durch den der Simulation gebildet. Der jeweilige Nutzen wurde durch eine Bewertung des Erfüllungsgrades in der Nutzwertanalyse im Vergleich zur Simulation ermittelt und relativ zum Maximalwert berechnet (Bild 5). Ermittelt man für jede Methode den Quotienten aus Nutzen und Aufwand, so zeigt sich, dass die heuristischen Methoden ein besseres Verhältnis im Vergleich zur Simulation aufweisen und somit gemäß dem Return on Planning in diesem Projektstadium eine Aufwandsreduktion und Beschleunigung der Planung herbeiführen konnten. 6 Fazit Der Blick in die Fabrikplanungspraxis zeigt, dass klassische Planungsansätze den Anforderungen nicht mehr gerecht werden und zu Zeit- und Kostenüberschreitungen führen. Um diese Anforderungen anzugehen, werden am WZL der RWTH Aachen im Ordnungsrahmen des Aachener Fabrikplanungsvorgehens Lösungsansätze entwickelt, um die Planungszeit zu halbieren. Der vorliegende Artikel stellt drei Ansätze Reifegradmanagement, Fabrikstandards und Heuristiken vor, die zur Erreichung des Ziels beitragen. * Literatur [1] Kampker, A.; Meckelnborg, A;, Burggräf, P.; Netz, T.: Factory Planning Scrum: Integrative Factory Planning with Agile Project Management. Proceedings of the 2013 International Conference on Competitive Manufacturing COMA, Stellenbosch/ South Africa, , Stellenbosch/ Südafrika: Stellenbosch University Publishing 2013, pp [2] Reinema, C.; Pompe, A.; Nyhuis, P.: Agiles Projektmanagement potenziale und Handlungsbedarfe im Rahmen von Fabrikplanungsprojekten. ZWF 108 (2013) Nr. 3, S [3] Backs, M. et al.: Studie Exzellente Fabrikplanung. Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen. Internet: Stand: Zuletzt aufgerufen am [4] Bracht, U.; Geckler, D.; Wenzel, S.: Digitale Fabrik. Berlin: Springer-Verlag 2010 [5] Womack, J. P.; Jones, D. T.; Roos, D.: The Machine That Changed The World. New York/USA: Simon & Schuster 1990 [6] Kampker, A.: Das Aachener Fabrikplanungsvorgehen. wt Werkstattstechnik online 104 (2014) Nr. 4. S Internet: Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag [7] Felix, H.: Unternehmens- und Fabrikplanung. Leipzig: Fachbuchverlag Leipzig 1998 [8] Forte, F.: Unschärfe in Geschäftsprozessen. Berlin: Weißensee Verlag 2002 [9] Derichs, T.: Informationsmanagement im Simultaneous Engineering. Aachen: Shaker-Verlag 1997 [10] Hilchner, R.: Typenorientiertes Lösungsraummanagement in der Fabrikplanung. Aachen: Apprimus-Verlag 2012 [11] Spur, G.: Das virtuelle Produkt. Leipzig: Fachbuchverlag Leipzig 1997 [12] Nyhuis, P.; Elscher, A;, Kolakowski, M.: Prozessmodell der synergetischen Fabrikplanung. wt Werkstattstechnik online 94 (2004) Nr. 4, S , Internet: Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag [13] Wißler, F.: Reife Produkte durch effiziente Qualitätslenkung in Entwicklungsprojekten. Tagung Erfolgreiche Produktentwicklung, Stuttgart, 2000 [14] Gonzalez, N.: Measuring project maturity. International Conference on Engineering Design ICED 07, Paris, August 2007, pp [15] Kampker, A.; Voet, H.; Burggräf, P.; Krunke, M.; Kreisköther, K.: Methodology for the Development of Modular Factory Systems. FAIM Conference Proceedings, San Antonio/Texas/USA, May 2014 [16] Gausemeier, J.; Fink, A.; Schlake, O.: Szenario-Management. Planen und Führen mit Szenarien. München: Hanser-Verlag 1996 [17] Hernández Morales, R.: Systematik der Wandlungsfähigkeit in der Fabrikplanung. Düsseldorf: VDI-Verlag 2003 [18] Wiest, J. D.: Heuristic programs for Decision making. Harvard business review 44 (1966), p. 130 [19] Gigerenzer, G.: Heuristic Decision Making. Annual Review of Psychology 62 (2011), p. 453 [20] Nöcker, J. C.: Zustandsbasierte Fabrikplanung. Aachen: Apprimus-Verlag 2012 [21] Burggräf, P.: Wertorientierte Fabrikplanung. Aachen: Apprimus-Verlag