Produktionswirtschaft : Planung, Steuerung und Industrie 4.0 [2. Aufl.] 9783662614457, 9783662614464

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XXI
Grundlagen der Produktionswirtschaft (Florian Kellner, Bernhard Lienland, Maximilian Lukesch)....Pages 1-30
Produktionsfaktoren (Florian Kellner, Bernhard Lienland, Maximilian Lukesch)....Pages 31-159
Produktionsplanung und -steuerung (PPS) (Florian Kellner, Bernhard Lienland, Maximilian Lukesch)....Pages 161-343
Einführung in das Konzept Industrie 4.0 (Florian Kellner, Bernhard Lienland, Maximilian Lukesch)....Pages 345-377
Back Matter ....Pages 379-401

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Florian Kellner Bernhard Lienland Maximilian Lukesch

Produktionswirtschaft Planung, Steuerung und Industrie 4.0 2. Auflage Inklusive SN Flashcards Lern-App

Produktionswirtschaft

Florian Kellner • Bernhard Lienland Maximilian Lukesch

Produktionswirtschaft Planung, Steuerung und Industrie 4.0 2., aktualisierte und erweiterte Auflage

Florian Kellner Universität Regensburg Regensburg, Deutschland

Bernhard Lienland Universität Regensburg Regensburg, Deutschland

Maximilian Lukesch Universität Regensburg Regensburg, Deutschland

ISBN 978-3-662-61445-7    ISBN 978-3-662-61446-4 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-61446-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Gabler © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018, 2020 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Springer Gabler ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

Vorwort zur 2. Auflage

Dieses Buch bietet eine Einführung in den Aufgabenbereich der Produktionswirtschaft. Der Fokus liegt dabei auf dem operativen Produktionsmanagement. Hierzu gehören die erfolgswirksame Bewirtschaftung der Produktionsfaktoren Mensch, Betriebsmittel und Material, der zielgerichtete Einsatz von Information sowie die Planung und Steuerung der industriellen Produktion. In der 2. Auflage wurden umfangreiche Überarbeitungen vorgenommen. Um dem Ziel einer einsteigerfreundlichen Einführung noch näher zu kommen, wurden nicht nur Sprache und Aufbau überarbeitet, sondern auch Beispielaufgaben, neue Unternehmensbeispiele und hilfreiche Hintergrunderklärungen hinzugefügt. Kap. 1 vermittelt die Grundlagen der Produktionswirtschaft. Es wird auf die übergeordneten Unternehmensziele eingegangen und wie das operative Produktionsmanagement zu diesen beiträgt. Daraufhin werden definitorische Grundlagen zu Begriffen wie Produktion, Produktionswirtschaft und Produktionssystem gelegt und eine Übersicht zu unterschiedlichen Produktionstypologien gegeben. Abschließend erfolgt ein Abschnitt zur kybernetischen Sichtweise von Produktionssystemen. Kap. 2 betrachtet die industrielle Produktion als einen Transformationsprozess, durch den aus der Kombination mehrerer Input-Faktoren der gewünschte Produkt-Output erzeugt wird. Die maßgeblichen Input-Faktoren Mensch, Betriebsmittel, Material und Information stehen im Mittelpunkt. Besonderer Fokus dieses Kapitels liegt auf der Frage, wie diese Faktoren effektiv und effizient bewirtschaftet werden können, um zu den übergeordneten Unternehmenszielen beizutragen. Kap. 3 behandelt die Produktionsplanung und -steuerung (PPS). Die Durchführung der PPS zählt zu den zentralen Gegenständen der Produktionswirtschaft. Zunächst werden Aufgaben und Ziele der PPS geklärt und ihr Gesamtablauf beschrieben. Daraufhin werden die Inhalte der einzelnen PPS-Module Schritt für Schritt im Detail betrachtet. Diese Ausführungen verdeutlichen, dass die Planung und Steuerung der industriellen Produktion aus verschiedenen Gründen eine komplexe Aufgabe darstellen. Um mit der planerischen Komplexität umgehen zu können, wurden in den vergangenen Jahren verschiedene ergänzende PPS-Konzepte entwickelt. Ein exemplarischer Auszug aus diesen ergänzenden Konzepten wird am Ende des Kapitels vorgestellt.

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Vorwort zur 2. Auflage

In Kap. 4 wird eine Einführung in die aktuelle Diskussion zum Thema „Industrie 4.0“ geboten. Das Kapitel beginnt mit einer Einordnung der Industrie 4.0 in den Kontext aktuell zu beobachtender Trends, um daraufhin die theoretischen Grundlagen zur Industrie 4.0 darzustellen. Im weiteren Verlauf werden cyber-physische Systeme als Kernelement der Industrie 4.0 erläutert und ihre Auswirkung auf den Einsatz der vorgestellten Produktionsfaktoren sowie der „klassischen“ PPS besprochen. Gemeinsam mit dem begleitenden „Übungsbuch Produktionswirtschaft“ (Maximilian Lukesch, Florian Kellner, 2019, erschienen bei Springer Gabler) und der Springer-­ Flashcards-­Trainingsapp hoffen wir, dass Ihnen dieses Buch in seiner 2. Auflage hilft, einen erfolgreichen Einstieg in die spannende Materie der Produktionswirtschaft zu schaffen  – und sich sowohl für Klausuren als auch für die Arbeit in der Praxis gründlich vorzubereiten. Regensburg, Deutschland  

Florian Kellner Bernhard Lienland Maximilian Lukesch

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen der Produktionswirtschaft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  1 1.1 Ausgangspunkt: Das ökonomische Prinzip��������������������������������������������������   1 1.2 Begrifflichkeiten: Produktion und Produktionssystem ��������������������������������   3 1.3 Produktionstypologien����������������������������������������������������������������������������������   7 1.4 Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen Produktionsmanagements ����������������������������������������������������������������������������  13 1.4.1 Begriffliche Grundlagen��������������������������������������������������������������������  13 1.4.2 Grundlegende Kennzahlen zur Messung des Unternehmenserfolgs������������������������������������������������������������������������  15 1.4.3 Die Lenkung von Produktionssystemen ������������������������������������������  17 1.4.4 Vom Produktionsmanagement zu den Aufgaben des operativen Produktionsmanagements ����������������������������������������������������������������  22 1.4.5 Ziele und Kennzahlen des operativen Produktionsmanagements��������  24 2 Produktionsfaktoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1 Systematisierung von Produktionsfaktoren��������������������������������������������������  31 2.2 Produktionsfaktor Mensch����������������������������������������������������������������������������  33 2.2.1 Menschliche Arbeitsleistung: Leistungsfähigkeit und -bereitschaft�������������������������������������������������������������������������������  33 2.2.2 Arbeitsrahmenbedingungen��������������������������������������������������������������  38 2.2.3 Berechnung des Arbeitsentgelts��������������������������������������������������������  59 2.3 Produktionsfaktor Betriebsmittel������������������������������������������������������������������  70 2.3.1 Zusammenhang zwischen Produktionstyp und Fertigungsorganisation����������������������������������������������������������������������  70 2.3.2 Organisationstypen der Fertigung����������������������������������������������������  73 2.3.3 Planung der Fertigungsorganisation: Detailprobleme����������������������  84 2.4 Produktionsfaktor Material �������������������������������������������������������������������������� 126 2.4.1 Objekte und Gestaltungsziel ������������������������������������������������������������ 126 2.4.2 Standardisierung ������������������������������������������������������������������������������ 128 2.4.3 Materialklassifikation������������������������������������������������������������������������ 135

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Inhaltsverzeichnis

2.5 Grundlage des dispositiven Faktors: Information ���������������������������������������� 146 2.5.1 Eine typische industrielle IT-Systemlandschaft�������������������������������� 146 2.5.2 Fokus: IT-Anwendungen für das operative Produktionsmanagement������������������������������������������������������������������ 148 2.5.3 Stücklisten und Arbeitspläne������������������������������������������������������������ 151 3 Produktionsplanung und -steuerung (PPS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 3.1 Aufgaben und Ziele der PPS������������������������������������������������������������������������ 161 3.2 Von der Unternehmensstrategie zum Maschinenbelegungsplan������������������ 164 3.2.1 Die PPS in der Entscheidungshierarchie des Unternehmens������������ 164 3.2.2 Ablaufschema der PPS: Planungs- und Steuerungsschritte�������������� 166 3.2.3 Bewertung des Sukzessivplanungsansatzes�������������������������������������� 169 3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail ������������������������������������ 170 3.3.1 Aggregierte Produktionsplanung������������������������������������������������������ 170 3.3.2 Produktionshauptprogrammplanung������������������������������������������������ 200 3.3.3 Planung des Kapazitätsbedarfs �������������������������������������������������������� 206 3.3.4 Bedarfsrechnung ������������������������������������������������������������������������������ 213 3.3.5 Materialbedarfsplanung�������������������������������������������������������������������� 252 3.3.6 Auftragsterminierung������������������������������������������������������������������������ 288 3.3.7 Auftragsfreigabe ������������������������������������������������������������������������������ 299 3.3.8 Produktionssteuerung������������������������������������������������������������������������ 300 3.4 Ergänzende Konzepte der PPS���������������������������������������������������������������������� 313 3.4.1 Rückblick: Komplexität der Planungs- und Steuerungsaufgabe������ 313 3.4.2 Probleme in der Praxis – trotz (und wegen) Planung und Steuerung ���������������������������������������������������������������������������������� 314 3.4.3 Advanced-Planning-and-Scheduling-Systeme��������������������������������� 317 3.4.4 Kanban und Pull-Steuerung�������������������������������������������������������������� 321 3.4.5 Belastungsorientierte Auftragsfreigabe�������������������������������������������� 330 3.4.6 Optimized Production Technology �������������������������������������������������� 337 4 Einführung in das Konzept Industrie 4.0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 4.1 Veränderungen auf dem Absatzmarkt als Treiber der Entwicklung neuer produktionswirtschaftlicher Konzepte������������������������������������������������ 345 4.2 Das Konzept Industrie 4.0���������������������������������������������������������������������������� 348 4.2.1 Ausgangspunkt: Anforderungen des Absatzmarkts und politisches Umfeld���������������������������������������������������������������������������� 348 4.2.2 Gestaltungsfelder������������������������������������������������������������������������������ 350 4.2.3 Überlegungen zum Effekt von Industrie-4.0-Anwendungen������������ 352 4.3 Cyber-physische Systeme: Kernelement der Industrie 4.0 �������������������������� 358 4.3.1 Cyber-physische Systeme als neue Sub-Systeme des Produktionssystems�������������������������������������������������������������������������� 358

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4.3.2 Technologische Themenfelder und Anwendungen cyber-physischer Systeme���������������������������������������������������������������� 361 4.3.3 Voraussetzungen für den Einsatz cyber-physischer Systeme����������� 364 4.4 Auswirkungen von Industrie 4.0 auf Produktionsfaktoren und PPS������������ 367 4.4.1 Auswirkungen auf Produktionsfaktoren ������������������������������������������ 368 4.4.2 Auswirkungen auf die Produktionsplanung und -steuerung������������ 375 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

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Abb. 1.1 Input, Throughput, Output in der Elementarstruktur des Betriebs (eigene Darstellung nach Raffée 1974, S. 166) ������������������������������������������������������������ 4 Abb. 1.2 Ein exemplarisches Produktionssystem (eigene Darstellung nach Reichwald und ­Dietel 1991) ���������������������������������������������������������������������������� 6 Abb. 1.3 Der Order-to-Payment-Prozess (Klaus 2002, S. 88)���������������������������������������� 9 Abb. 1.4 Typische Positionen des Order Penetration Points (eigene Darstellung nach Olhager 2003)������������������������������������������������������������������������������������������ 9 Abb. 1.5 Du-Pont-Schema (Horváth et al. 2015, S. 292)���������������������������������������������� 17 Abb. 1.6 Du-Pont-Schema: Beispielhafte Wirkung einer Bestandsreduktion auf die Profitabilität eines Unternehmens (eigene Darstellung) �������������������������������� 18 Abb. 1.7 Kybernetik: Steuerung (nach Ulrich 1970, S. 124)���������������������������������������� 19 Abb. 1.8 Kybernetik: Regelung (nach Ulrich 1970, S. 123) ���������������������������������������� 20 Abb. 1.9 Kybernetik: Anpassung (nach Ulrich 1970, S. 126) �������������������������������������� 20 Abb. 1.10 Kybernetische Darstellung des Zusammenhangs von Produktionssystem und -management (Zäpfel 2000b, S. 2)�������������������������� 22 Abb. 1.11 Aufgaben des Produktionsmanagements (Zäpfel 2001, S. 49)���������������������� 23 Abb. 1.12 Rechenbeispiel zur Ermittlung von Kapitalbindungskosten (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������������������������������� 28 Abb. 1.13 Das Du-Pont-Schema im operativen Produktionsmanagement (in Anlehnung an Horváth et al. 2015, S. 292; Otto 2010) ���������������������������� 29 Abb. 2.1 Gliederung der Produktionsfaktoren (nach Corsten und Gössinger 2016, S. 7; Otto 2010; Zäpfel 1982, S. 3)���������������������������������������������������������������� 32 Abb. 2.2 Lernkurve: Zusammenhang von Stückkosten und kumulierter Produktionsmenge (Pfeiffer et al. 1977, S. 29)���������������������������������������������� 34 Abb. 2.3 Idealisierte Tagesrhythmikkurve (nach Graf 1954)���������������������������������������� 37 Abb. 2.4 Die Maslow‘sche Bedürfnispyramide (Maslow 1943) ���������������������������������� 43 Abb. 2.5 Variablen der sozialen Arbeitsumgebung (Pfeiffer et al. 1977, S. 84)������������ 52 Abb. 2.6 Verlauf des Halsey-Lohns bei Variation des Teilungsfaktors (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������������������������������������������� 57 Abb. 2.7 Vergleich der Lohnkurvenverläufe (eigene Darstellung)�������������������������������� 59 XI

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Abb. 2.8 Analytisches Rangreihenverfahren: Bewertung der einzelnen Anforderungen (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������� 64 Abb. 2.9 Analytisches Rangreihenverfahren: Umwandlung der Rangfolgezahlen in Prozentzahlen (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������� 64 Abb. 2.10 Analytisches Rangreihenverfahren: Errechnung des Arbeitswerts (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������������������������������� 65 Abb. 2.11 Analytisches Stufenwertzahlenverfahren (eigene Darstellung)���������������������� 65 Abb. 2.12 Zusammensetzung von Vorgabezeiten (REFA Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e. V. 1987, S. 42)���������������������������������������������������� 67 Abb. 2.13 Berechnung auftragsbezogener Vorgabezeiten (Wiendahl 2014, S. 214) ������ 69 Abb. 2.14 Der Zusammenhang von Produktionstyp und Komplexität/Variabilität des Leistungsprogramms (Reichwald und Dietel 1991, S. 405)�������������������������� 73 Abb. 2.15 Systematik der Fertigungsorganisationstypen (Kiener et al. 2012, S. 61)������ 75 Abb. 2.16 Ein nach dem Funktionsprinzip gegliedertes Produktionssystem (Werkstattfertigung) (eigene Darstellung nach Reichwald und Dietel 1991, S. 433)���������������������������������������������������������������������������������������� 75 Abb. 2.17 Ein exemplarisches Layout einer Fließbandfertigung (eigene Darstellung nach Reichwald und Dietel 1991, S. 435)���������������������������������� 79 Abb. 2.18 Ein exemplarisches Layout einer Transferstraße (eigene Darstellung nach Reichwald und Dietel 1991, S. 435)������������������������������������������������������ 81 Abb. 2.19 Ein exemplarisches Layout einer Reihenfertigung (eigene Darstellung) ������ 81 Abb. 2.20 Ein exemplarisches Layout zweier Fertigungsinseln (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������������������������������� 82 Abb. 2.21 Eignung der Fertigungsorganisationstypen nach Komplexität/Variabilität des Leistungsprogramms (Reichwald und Dietel 1991, S. 442, 466)������������ 85 Abb. 2.22 Eignung der Fertigungsorganisationstypen gemäß dem Basis-Trade-Off Effizienz/Flexibilität (Zäpfel 2000b, S. 162 und Martin 1989, S. 21)������������ 85 Abb. 2.23 Detailprobleme der Fertigungsorganisationstypen (eigene Darstellung) ������ 85 Abb. 2.24 Ablauf des Eröffnungsverfahrens nach Gilmore 1962 (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������������������������������� 90 Abb. 2.25 Ablauf des CRAFT-Verfahrens (eigene Darstellung nach Buffa et al. 1964, S. 142)������������������������������������������������������������������������������������������ 95 Abb. 2.26 Fließbandabstimmung: Zwei exemplarische Vorranggraphen (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������������������������������������������� 99 Abb. 2.27 Fließbandabstimmung: Bildung von Arbeitsstationen, linearer Vorranggraph (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������� 100 Abb. 2.28 Fließbandabstimmung: Bildung von Arbeitsstationen, verzweigter Vorranggraph (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������� 101 Abb. 2.29 Fließbandabstimmung: Unzulässige Zusammenfassung (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������������������� 102 Abb. 2.30 Ablauf der Fließbandabstimmung (Zäpfel 2000b, S. 211) �������������������������� 107

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Abb. 2.31 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME- und MP-Regel (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 108 Abb. 2.32 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, Rangierung nach Elementzeiten (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������ 109 Abb. 2.33 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, 1. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 110 Abb. 2.34 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, 2. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 111 Abb. 2.35 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, 3. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 112 Abb. 2.36 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, Ergebnis (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 112 Abb. 2.37 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: MP-Regel, Rangierung nach Positionsgewichten (eigenes Beispiel)���������������������������������������������������������� 113 Abb. 2.38 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: MP-Regel, 1. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 114 Abb. 2.39 Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: MP-Regel, Ergebnis (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 115 Abb. 2.40 Reihenfertigung: Warteschlangen (eigene Darstellung) ������������������������������ 116 Abb. 2.41 Warteschlangen: Leistungskennzahlen (eigene Darstellung) ���������������������� 118 Abb. 2.42 Fertigungsinselkonfiguration: Ausgangssituation (eigene Darstellung) ������ 122 Abb. 2.43 Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Ausgangssituation (eigene Darstellung) ������������������������������������������������������ 123 Abb. 2.44 Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Zeilenorientierte Binärwerterzeugung (eigene Darstellung)������������������������ 124 Abb. 2.45 Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Absteigende Sortierung der Zeilen (eigene Darstellung)�������������������������������������������������� 124 Abb. 2.46 Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Spaltenorientierte Binärwerterzeugung (eigene Darstellung)���������������������� 125 Abb. 2.47 Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Absteigende Sortierung der Spalten (eigene Darstellung)������������������������������������������������ 125 Abb. 2.48 Verfahren der binärwertbasierten Fertigungsinselkonfiguration (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������������������� 126 Abb. 2.49 Standardisierung mittels Normung und Typung (eigene Darstellung) �������� 128 Abb. 2.50 Du-Pont-Schema: Beispielhafte Wirkung von Normung und Typung auf die Profitabilität eines Unternehmens (eigene Darstellung) ������������������ 133 Abb. 2.51 ABC-Analyse: Tabellarische Berechnung (eigene Darstellung)������������������ 139 Abb. 2.52 ABC-Analyse: Lorenzkurve (eigene Darstellung) �������������������������������������� 140 Abb. 2.53 Beispielhafter Bedarfsverlauf von X-, Y- und Z-Gütern (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������������������� 141 Abb. 2.54 XYZ-Analyse: Tabellarische Berechnung (eigene Darstellung)������������������ 142

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Abb. 2.55 Beschaffungsstrategien gemäß den Ergebnissen der ABC- und XYZ-Analyse (Kiener et al. 2012, S. 87) ���������������������������������������������������� 143 Abb. 2.56 Managementempfehlungen in Abhängigkeit von der ABC-XYZ-Analyse (Wildemann 1992, S. 194)���������������������������������������������������������������������������� 145 Abb. 2.57 IT-Systemlandschaft eines Industriebetriebs (Otto 2010)���������������������������� 147 Abb. 2.58 IT-Anwendungen für das operative Produktionsmanagement (Otto 2010)���������������������������������������������������������������������������������������������������� 149 Abb. 2.59 Verschiedene Varianten der Stücklistendarstellung (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������������������� 152 Abb. 2.60 Exemplarischer Erzeugnisbaum nach dem Fertigungsstufenverfahren (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 153 Abb. 2.61 Exemplarischer Erzeugnisbaum nach dem Dispositionsstufenverfahren (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 154 Abb. 2.62 Exemplarischer Gozinto-Graph nach dem Dispositionsstufenverfahren (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 155 Abb. 2.63 Rechenbeispiel zur Bedarfsmatrizenrechnung: Ausgangssituation (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 156 Abb. 2.64 Rechenbeispiel zur Bedarfsmatrizenrechnung: Matrizenmultiplikation (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 157 Abb. 2.65 Exemplarischer Arbeitsplan (eigene Darstellung)���������������������������������������� 158 Abb. 3.1 Ziele der Produktionsplanung und -steuerung (eigene Darstellung)������������ 163 Abb. 3.2 Ablaufschema der Produktionsplanung und -steuerung (eigene Darstellung nach Vollmann et al. 1997, S. 5)���������������������������������� 164 Abb. 3.3 Aggregierte Produktionsplanung: Level-Strategie (Otto 2010)�������������������� 174 Abb. 3.4 Aggregierte Produktionsplanung: Chase-Strategie (Otto 2010) ������������������ 174 Abb. 3.5 Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Ausgangssituation (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)������������������������������������ 176 Abb. 3.6 Rechenbeispiel: Durchschnittsprozentmethode zur aggregierten Produktionsplanung: Chase-Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)�������������������������������������������������������������������������� 177 Abb. 3.7 Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Level-Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)������������������������������������ 178 Abb. 3.8 Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Mixed-Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)������������������������������������ 179 Abb. 3.9 Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Optimale Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133) �������������������� 181 Abb. 3.10 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Grafische Lösung, Schritt 1 (eigene Darstellung) ���������������������������������������������������������������������� 186 Abb. 3.11 Konvexe (links) und konkave Menge (rechts) (eigene Darstellung)������������ 188 Abb. 3.12 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Isoquantenverschiebung in der grafischen Lösung (eigene Darstellung) �������������������������������������������� 188 Abb. 3.13 Aufbau des Simplex-Tableaus (eigene Darstellung)������������������������������������ 190

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Abb. 3.14 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Start-Tableau des Simplex-­Algorithmus (eigene Darstellung)�������������������������������������������������� 191 Abb. 3.15 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Bestimmung des Pivot-Elements im Simplex-Algorithmus (eigene Darstellung) ������������������ 192 Abb. 3.16 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Variablentausch im Simplex-­Algorithmus (eigene Darstellung)�������������������������������������������������� 192 Abb. 3.17 Umformung des Simplex-Tableaus (eigene Darstellung)���������������������������� 193 Abb. 3.18 Beispiele: Rechtecksregel (eigene Darstellung) ������������������������������������������ 194 Abb. 3.19 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Restliche Eckenaustauschschritte (eigene Darstellung) ���������������������������������������������� 195 Abb. 3.20 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Excel-Solver (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 197 Abb. 3.21 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Antwortbericht des Excel-Solvers (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������� 197 Abb. 3.22 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Sensitivitätsbericht des Excel-Solvers (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������� 198 Abb. 3.23 Produktionshauptprogramm-Gestaltungsoptionen (eigene Darstellung nach Otto 2010, Angaben in Mengeneinheiten) ������������������������������������������ 204 Abb. 3.24 Kapazitätsrechnungen innerhalb der PPS (eigene Darstellung nach Vollmann et al. 1997, S. 122)������������������������������������������������������������������������ 206 Abb. 3.25 Kapazitätsrechnungen mit Belastungsfaktoren (eigenes Beispiel nach Vollmann et al. 2005, S. 282–284)���������������������������������������������������������������� 209 Abb. 3.26 Kapazitätsrechnung mit Arbeitsplandaten (eigenes Beispiel nach Vollmann et al. 2005, S. 284–286)���������������������������������������������������������������� 211 Abb. 3.27 Kapazitätsrechnung mit Vorlaufverschiebung (eigenes Beispiel nach Vollmann et al. 2005, S. 286–288)���������������������������������������������������������������� 212 Abb. 3.28 Bedarfsrechnung: Ablauf der Delphi-Methode (eigene Darstellung)���������� 220 Abb. 3.29 Lineare Regression: Punktewolke (eigene Darstellung)������������������������������ 222 Abb. 3.30 Rechenbeispiel zur linearen Kausalprognose: Grafische Abbildung (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 224 Abb. 3.31 Nicht-lineare Regressionsfunktionen (eigene Darstellung)�������������������������� 225 Abb. 3.32 Nicht-lineare Regression: Beispiel Potenzfunktion (Ausgangsdaten)���������� 226 Abb. 3.33 Nicht-lineare Regression: Beispiel Potenzfunktion (Schritt 2)�������������������� 227 Abb. 3.34 Nicht-lineare Regression: Beispiel Potenzfunktion (Schritt 4)�������������������� 228 Abb. 3.35 Typische Bedarfsverläufe (eigene Darstellung)�������������������������������������������� 229 Abb. 3.36 Gleitender Durchschnitt: Effekt der Steigerung des T-Werts (eigene Darstellung)�������������������������������������������������������������������������������������� 231 Abb. 3.37 Einfache exponentielle Glättung: Effekt der Steigerung des Alpha-Werts (eigene Darstellung)���������������������������������������������������������������� 233 Abb. 3.38 Doppelte exponentielle Glättung: Effekt der Steigerung des Beta-Werts (eigene Darstellung)������������������������������������������������������������������ 235

XVI

Abbildungsverzeichnis

Abb. 3.39 Dreifache exponentielle Glättung: Effekt der Steigerung des Gamma-Werts (eigene Darstellung) ������������������������������������������������������������ 243 Abb. 3.40 Beispielrechnung: Tracking Signal (eigene Darstellung) ���������������������������� 252 Abb. 3.41 Materialbedarfsarten (Hartmann 2002, S. 278)�������������������������������������������� 253 Abb. 3.42 Elemente der Materialbedarfsplanung (nach Thonemann 2015, S. 309)����� 254 Abb. 3.43 Vorlaufverschobener Nettobedarf (Thonemann 2015, S. 310) �������������������� 257 Abb. 3.44 Materialbedarfsplanung: Beispiel 1 (in Anlehnung an Otto 2010)�������������� 259 Abb. 3.45 Materialbedarfsplanung: Beispiel 2 – Gozinto-Graph (in Anlehnung an Otto 2010) ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 260 Abb. 3.46 MRP-Rechnung: Beispiel 2 – MRP-Schema (in Anlehnung an Otto 2010) ���������������������������������������������������������������������������������������������������� 261 Abb. 3.47 Materialbedarfsplanung: Beispiel 3 (in Anlehnung an Otto 2010)�������������� 263 Abb. 3.48 Alternativen der Losgrößenplanung (Zäpfel 1982, S. 194)�������������������������� 265 Abb. 3.49 Verlauf des Lagerbestandes im klassischen Losgrößenmodell (Gutenberg 1973, S. 197)������������������������������������������������������������������������������������������������ 267 Abb. 3.50 Grafische Ermittlung der optimalen Losgröße (Gutenberg 1973, S. 207)������������������������������������������������������������������������������ 269 Abb. 3.51 Wagner-Whitin-Algorithmus: Leeres Tableau (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 282 Abb. 3.52 Rechenbeispiel zum Wagner-Whitin-Algorithmus: Leeres Tableau (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 285 Abb. 3.53 Rechenbeispiel zum Wagner-Whitin-Algorithmus: Ausgefülltes Tableau und Rechenschritte (eigenes Beispiel)���������������������������������������������������������� 286 Abb. 3.54 Rechenbeispiel zum Wagner-Whitin-Algorithmus: Ermittlung der optimalen Lospolitik (eigenes Beispiel) ������������������������������������������������������ 287 Abb. 3.55 Ablauf der Auftragsterminierung (eigene Darstellung nach Mertens 2013, S. 193)���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 289 Abb. 3.56 Aufteilung der Durchlaufzeit (Stommel und Kunz 1973, S. 12)������������������ 292 Abb. 3.57 Methoden der Terminierung (eigene Darstellung)���������������������������������������� 293 Abb. 3.58 Das Durchlaufzeitsyndrom (Wiendahl 1987, S. 22)������������������������������������ 295 Abb. 3.59 Methoden der Durchlaufzeitverkürzung (Schuh und Schmidt 2014, S. 215)������ 296 Abb. 3.60 Technischer (links) und zeitlicher (rechts) Kapazitätsausgleich (eigene Darstellung nach Günther und Tempelmeier 2012, S. 228)�������������������������� 297 Abb. 3.61 Kombination von technischem und zeitlichem Kapazitätsausgleich (eigene Darstellung nach Günther und Tempelmeier 2012, S. 228)������������ 298 Abb. 3.62 Exemplarisches Gantt-Diagramm (eigene Darstellung) ������������������������������ 302 Abb. 3.63 Ablauf des Johnson-Algorithmus (eigene Darstellung)������������������������������� 306 Abb. 3.64 Rechenbeispiel zum Johnson-Algorithmus: Gantt-Diagramm (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 309 Abb. 3.65 Ablauf des Jackson-Algorithmus (eigene Darstellung)�������������������������������� 310 Abb. 3.66 Rechenbeispiel zum Jackson-Algorithmus: Gantt-Diagramm (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 312

Abbildungsverzeichnis

XVII

Abb. 3.67 Idealtypischer Aufbau eines APS-Systems (Meyr et al. 2015, S. 100)�������� 319 Abb. 3.68 Prinzip der Push- und Pull-Steuerung (eigene Darstellung)������������������������ 322 Abb. 3.69 Exemplarische Kanbankarte (eigene Darstellung) �������������������������������������� 323 Abb. 3.70 Exemplarisches Kanbansystem (eigene Darstellung)���������������������������������� 324 Abb. 3.71 Einsatz von Push- und Pull-Steuerung in Abhängigkeit von Datensicherheit und Datendynamik (Lackes 1995, S. 403)�������������������������� 328 Abb. 3.72 Belastungsorientierte Auftragsfreigabe (Wiendahl 1987, S. 166)���������������� 334 Abb. 3.73 Belastungsorientierte Auftragsfreigabe: Durchlaufdiagramm (Blohm et al. 2016, S. 428)�������������������������������������������������������������������������� 335 Abb. 3.74 Belastungsorientierte Auftragsfreigabe: Analogie zum IOC-Trichter-Modell (Wiendahl 2014, S. 256)�������������������������������������������� 335 Abb. 3.75 OPT: Wertschöpfungsnetz (Corsten und Gössinger 2016, S. 632) �������������� 339 Abb. 3.76 OPT: Aufteilung des Produktionsnetzes (Corsten und Gössinger 2016, S. 633–634)�������������������������������������������������������������������������������������������������� 342 Abb. 4.1 Veränderungen auf dem Absatzmarkt als Treiber für die Entwicklung neuer produktionswirtschaftlicher Konzepte (Koren 2010, S. 34) �������������� 346 Abb. 4.2 Verdichtung des Informationsnetzes (Fleisch et al. 2005, S. 16)������������������ 355 Abb. 4.3 Manufacturing Execution Systeme (Obermaier et al. 2010)������������������������ 375

Tabellenverzeichnis

Tab. 2.1 Tab. 2.2 Tab. 2.3 Tab. 2.4 Tab. 2.5 Tab. 2.6 Tab. 2.7 Tab. 2.8 Tab. 2.9 Tab. 2.10 Tab. 2.11 Tab. 2.12 Tab. 2.13 Tab. 2.14

Vergleich von Zeit-, Akkord- und Prämienlohn���������������������������������������������� 60 Das Genfer Schema (Beispiel)������������������������������������������������������������������������ 62 Summarisches Rangfolgeverfahren (Beispiel)����������������������������������������������� 63 Summarisches Lohngruppenverfahren (Beispiel)������������������������������������������ 63 Methods-Time-­Measurement-Verfahren: Grundbewegungen (Pfeiffer et al. 1977, S. 229)���������������������������������������������������������������������������� 68 Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Distanzmatrix (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������� 91 Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Materialflussmatrix (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������� 91 Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Ermittlung der Zentralität (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������� 93 Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Ermittlung der Materialflussintensität (eigenes Beispiel) ������������������������������������������������������ 93 Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Neuordnung der Distanzmatrix (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������� 94 Rechenbeispiel zum CRAFT-Verfahren: Distanzmatrix (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������� 95 Rechenbeispiel zum CRAFT-Verfahren: Materialflussmatrix (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������� 96 Prioritätsregeln zur Fließbandabstimmung (Zäpfel 2000b, S. 210)�������������� 107 Kennzahlen der Warteschlangenanalyse ������������������������������������������������������ 120

Tab. 3.1 Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Ausgangsdaten (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 183 Tab. 3.2 Qualitative und quantitative Prognoseverfahren ������������������������������������������ 218 Tab. 3.3 Rechenbeispiel zur linearen Kausalprognose: Historische Daten (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 223

XIX

XX

Tabellenverzeichnis

Tab. 3.4 Rechenbeispiel zum gleitenden Durchschnitt: Historische Daten (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 231 Tab. 3.5 Rechenbeispiel zur einfachen exponentiellen Glättung: Historische Daten (eigenes Beispiel) ������������������������������������������������������������������������������ 234 Tab. 3.6 Rechenbeispiel zur einfachen exponentiellen Glättung: Prognose (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 234 Tab. 3.7 Rechenbeispiel zur doppelten exponentiellen Glättung: Historische Werte (eigenes Beispiel) ������������������������������������������������������������������������������ 236 Tab. 3.8 Rechenbeispiel zur doppelten exponentiellen Glättung: Ergebnisse (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 237 Tab. 3.9 Rechenbeispiel zur linearen Zeitreihenprognose: Historische Werte (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 238 Tab. 3.10 Rechenbeispiel zur Durchschnittsprozentmethode: Historische Werte (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 240 Tab. 3.11 Rechenbeispiel zur Durchschnittsprozentmethode: Saisonwerte (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 241 Tab. 3.12 Rechenbeispiel zur dreifachen exponentiellen Glättung: Historische Werte (eigenes Beispiel) ������������������������������������������������������������������������������ 244 Tab. 3.13 Rechenbeispiel zur dreifachen exponentiellen Glättung: Ergebnisse (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 246 Tab. 3.14 Rechenbeispiel zum Mean Squared Error: Ausgangswerte (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 247 Tab. 3.15 Rechenbeispiel zur Mean Absolute Deviation: Ausgangswerte (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 248 Tab. 3.16 Rechenbeispiel zum Mean Absolute Percentage Error: Ausgangswerte (eigenes Beispiel)������������������������������������������������������������������������������������������ 249 Tab. 3.17 Berechnung des Nettobedarfs (Wiendahl 2014, S. 300)������������������������������ 255 Tab. 3.18 Abkürzungen im klassischen Losgrößenmodell ������������������������������������������ 266 Tab. 3.19 Rechenbeispiel zum Stückkostenverfahren: Lösung (eigenes Beispiel)������ 274 Tab. 3.20 Rechenbeispiel zum Kostenausgleichsverfahren: Lösung (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 277 Tab. 3.21 Rechenbeispiel zum Silver-Meal-Verfahren: Lösung (eigenes Beispiel)�������� 280 Tab. 3.22 Klassifikationsschema für Reihenfolgeprobleme ���������������������������������������� 303 Tab. 3.23 Reihenfolgeplanung: Prioritätsregeln ���������������������������������������������������������� 305 Tab. 3.24 Bewertung verschiedener Prioritätsregeln hinsichtlich unterschiedlicher Zielfunktionen (Hoss 1965, S. 168) �������������������������������� 305 Tab. 3.25 Rechenbeispiel zum Johnson-Algorithmus: Ausgangsdaten (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 307 Tab. 3.26 Rechenbeispiel zum Jackson-Algorithmus: Ausgangsdaten (eigenes Beispiel)�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 310

Tabellenverzeichnis

XXI

Tab. 3.27 Gegenüberstellung: Konventionelle PPS und Kanbansteuerung (Lackes 1995, S. 422) ���������������������������������������������������������������������������������� 327 Tab. 4.1 Produktionswirtschaftliche Auswirkungen sich verändernder Absatzmarktbedingungen (angepasst aus Sydow und Möllering 2015, S. 70)������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 347

1

Grundlagen der Produktionswirtschaft

1.1

Ausgangspunkt: Das ökonomische Prinzip

Von der Bedürfnisbefriedigung zum ökonomischen Prinzip Viele unserer Bedürfnisse werden durch den Konsum materieller und immaterieller Güter befriedigt. Materielle Güter sind Sachgüter wie bspw. Lebensmittel, Kleidung, Elektronikprodukte. Immaterielle Güter sind Dienstleistungen, die z. B. beim Friseur, im Restaurant oder im öffentlichen Verkehr erbracht werden. Wir können materielle Güter konsumieren, da sie von Betrieben erzeugt und über den Markt angeboten werden. Zur Herstellung dieser Güter benötigt ein Betrieb Ressourcen (z. B. Geld, Rohstoffe, Arbeitskraft). Angesichts dessen, dass Ressourcen typischerweise nicht in unendlicher Menge vorhanden sind und mehr oder weniger Geld kosten, entsteht die betriebliche Notwendigkeit, wirtschaftlich zu analysieren und zu entscheiden. Der Vorgang des „Wirtschaftens“ folgt dem ökonomischen Prinzip. Es ist in zwei Gedanken gegliedert: Das Maximal- und das Minimalprinzip. Beim Maximalprinzip soll eine Ausbringungsmenge (auch: Output) bei gleichbleibender Einsatzmenge maximiert werden (Ergiebigkeit). Beim Minimalprinzip hingegen soll eine fest definierte Ausbringungsmenge mit möglichst geringer Einsatzmenge erreicht werden (Sparsamkeit, Vermeidung von Verschwendung). Beide Prinzipien werden mit dem Begriff der Effizienz beschrieben, die die Einsatz- und Ausbringungsmenge in Verhältnis zueinander setzt. Auf den Begriff der Effizienz werden wir in Abschn. 1.4.5 wieder stoßen. Gemäß dem ökonomischen Prinzip sind Handlungen also effizient, wenn sie entweder …

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 F. Kellner et al., Produktionswirtschaft, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61446-4_1

1

2

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

• bei gleichbleibender Einsatzmenge die Ausbringungsmenge maximieren oder • bei gleichbleibender Ausbringungsmenge die Einsatzmenge minimieren. Ein Beispiel zum ökonomischen Prinzip

Entweder kann ein Schreiner versuchen, mit einer gegebenen Einsatzmenge, z. B. Arbeitszeit oder Holz, möglichst viele Stühle herzustellen (Maximalprinzip), oder er kann versuchen, eine bestimmte Anzahl an Stühlen mit einer möglichst geringen Einsatzmenge zu fertigen (Minimalprinzip). Die Vorstellung einer gleichzeitigen Verfolgung von Maximal- und Minimalprinzip – wie sie gerne in Alltagsgesprächen geäußert wird („in minimaler Zeit eine maximale Anzahl von Stühlen produzieren“) – ist logisch nicht möglich.

Vom ökonomischen Prinzip zur Produktionswirtschaft Ein großer Teil der materiellen Güter, die der Bedürfnisbefriedigung dienen, wird in Industriebetrieben produziert. Diese spezielle Ausprägung des Wirtschaftsbetriebs ist eine Folge des Strebens nach der Erhöhung der Effizienz in der Herstellung von Sachgütern. Das Streben nach größtmöglicher Effizienz ist dabei eine notwendige Konsequenz des typischen langfristigen Gewinnerzielungsstrebens im marktwirtschaftlichen Umfeld (Kirsch 1997, S. 10–14; Mellerowicz 1968, S. 31–34, 79; Hammer 1977, S. 30–32). Ausgehend vom übergeordneten Unternehmensziel der Gewinnerzielung wird in diesem Buch dargestellt, wie Industriebetriebe die Produktion materieller Güter gestalten. Mit diesem thematischen Fokus wird der Bereich der Produktionswirtschaft (engl. Operations Management) umrissen. Die Produktionswirtschaft setzt sich mit allen kaufmännischen Aufgaben der Produktion auseinander. Ziel der Produktionswirtschaft ist es, die Planung, Steuerung und Überwachung der Produktion unter ökonomischen und mitarbeiterbezogenen Gesichtspunkten zu betrachten und zu gestalten. Technische Aspekte der Produktion sind weniger relevant. Diese sind Gegenstand der Ingenieurwissenschaften. Der Produktionswirtschaft lassen sich insbesondere die folgenden Aufgabenfelder zuordnen (Corsten und Gössinger 2016, S. 23–25; Kern 1996; Zäpfel 1982, S. 21): • die Produktions- und Kostentheorie, • die Planung und Steuerung des Produktionsprogramms und des Produktionsprozesses (Produktionsplanung und -steuerung = PPS), • die Wahl des oder der Produktionsverfahren, • die Organisation der Produktion sowie • die Gestaltung der Produktionspotenziale (Produktionsfaktoren).

Die folgenden Kapitel Ebenso wie ein Fußballtrainer zuerst Konzepte wie Abseits, Raumdeckung und Pressing in ihrer Bedeutung und in ihren Varianten „auf dem Papier“ durchdringen muss, bevor er

1.2  Begrifflichkeiten: Produktion und Produktionssystem

3

seine Mannschaft darauf trainieren kann, so müssen auch wir in Abschn. 1.2 und 1.3 zunächst eine Reihe von Begriffen erarbeiten, bevor wir in die Gestaltung der Produktion einsteigen können (Kap. 2, 3, und 4). Auf diesen Begriffen aufbauend können wir uns auch der Frage zuwenden, in welcher Form die Produktionswirtschaft auf die Gewinnerzielung eines Unternehmens einwirkt – dies zeigt dann auch, welche Stellhebel hierbei zur Verfügung stehen (Abschn. 1.4).

1.2

Begrifflichkeiten: Produktion und Produktionssystem

Produktion Unter dem Begriff Produktion (lat. producere: etwas hervorbringen, erzeugen) wird die Erzeugung von Gütern durch die Kombination von Produktionsfaktoren (Kap. 2: Mensch, Betriebsmittel, Material, Information als Dispositionsgrundlage) verstanden. Die erzeugten Güter werden als Produkte oder, je nach Kombinationsfortschritt, auch als Halbfertigprodukte oder Fertigprodukte/Endprodukte bezeichnet. Produktion ist somit ein transformierender Prozess. Dieser Prozess lässt sich in die Elemente Input (Produktionsfaktoren), Throughput (Kombination und Erzeugung) und Output (Güter) gliedern. Im Gegensatz zu Dienstleistungsunternehmen sind die Produkte eines Industriebetriebs typischerweise Sachgüter, d. h. physische tangible Gegenstände (Gutenberg 1973, S. 1–5; Zäpfel 1982, S. 1–9). Für einen Industriebetrieb stellen die erzeugten Güter den wesentlichen Bestandteil seines Leistungsprogrammes dar. Der Produktionsprozess ist daher dem allgemeinen Begriff der (betrieblichen) Leistungserstellung zuzuordnen. Andere Teilbereiche der Leistungserstellung umfassen bspw. das Angebot von produktbegleitenden Dienstleistungen wie Reparatur und Wartung. Zur begrifflichen Genauigkeit muss darüber hinaus auf den Unterschied zwischen Produktion und Wertschöpfung hingewiesen werden. Als Wertschöpfung wird der um sämtliche Vorleistungen geminderte Gesamtwert bezeichnet, den ein Unternehmen für seine Kunden schafft (Heinen 1991, S. 51). Dieser Wert entsteht schrittweise durch eine Menge sogenannter primärer und sekundärer Aktivitäten entlang der Wertschöpfungskette (Porter 1985; Heinen 1991, S. 51): • Primäre Aktivitäten bezeichnen alle physischen und raum-zeitlichen Veränderungen eines Gutes (z. B. Produktion, Lagerhaltung, Transport, Vertrieb), • Sekundäre Aktivitäten sind Unterstützungsfunktionen (z. B. Finanz-, Personal-, Informationswirtschaft) Soll der Begriff der Produktion ins Verhältnis zum Begriff Wertschöpfung gebracht werden, so gilt: Produktion ist eine einzelne zentrale primäre Aktivität in der Wertschöpfungskette eines Industriebetriebs – jedoch nicht die einzige. Ihrer elementaren Bedeutung nach ist es jedoch nicht verwunderlich, wenn die Begriffe „Produktion“ und „Wertschöpfung“ häufig synonym verwendet werden.

4

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Die oben genannte Dreiteilung in Input-Throughput-Output deutet auch auf die Elementarstruktur eines Betriebs im Allgemeinen hin (Raffée 1974, S. 166–214): • Die Beschaffung versorgt den Produktionsbereich mit Input. Dies umfasst Produktionsfaktoren wie Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, aber auch Betriebsmittel und Dienstleistungen wie bspw. Beratung, Wartung und Prüfung. Im weitesten Sinne wird auch menschliche Arbeitskraft „beschafft“ – dies wird jedoch üblicherweise dem Aufgabenbereich der Personalwirtschaft zugeordnet. • Der beschaffte Input wird vom Produktionsbereich kombiniert und als Throughput zu Output transformiert. Mit dem Produktionsprozess ist das Feld der innerbetrieblichen Logistik verbunden, die die Aufgabe hat, die Verfügbarkeit von Material über den Produktionsprozess hinweg mithilfe von Transport-, Umschlag- und Lagertätigkeiten in wirtschaftlicher Weise sicherzustellen (Pachow-Frauenhofer 2008). • Die Absatzwirtschaft strebt danach, die Abgabe (Verkauf, Vermietung, Leasing etc.) des erzeugten Outputs in den Markt herbeizuführen. Um dies zu bewirken, beschäftigt sich die Absatzwirtschaft mit dem sogenannten Marketing-Mix, der sich aus den Elementen Produkt-, Preis-, Kommunikations- und Distributionspolitik zusammensetzt. Andere Bereiche wie die Finanz-, Personal- und Informationswirtschaft sind der Elementarstruktur Beschaffung-Produktion-Absatz übergeordnet. Ihr Tätigkeitsbereich beeinflusst gleichermaßen alle Teilbereiche der Elementarstruktur (Raffée 1974, S.  166). Abb. 1.1 zeigt den Zusammenhang von Input, Throughput und Output in der Elementarstruktur des Betriebs.

Finanzwirtschaft Personalwirtschaft Informationswirtschaft Beschaffung

Leistungserstellung Input

Throughput

Absatz Output

Abb. 1.1  Input, Throughput, Output in der Elementarstruktur des Betriebs (eigene Darstellung nach Raffée 1974, S. 166)

1.2  Begrifflichkeiten: Produktion und Produktionssystem

5

Produktionssystem Nähern wir uns einem Industriebetrieb, so sehen wir viele Dinge: Menschen, Maschinen, Materialien, Informationstechnologie, Fahrzeuge, Lagerplätze, Gebäude etc. All diese Dinge können aus produktionswirtschaftlicher Sicht Gegenstand unserer Gestaltung sein. Um sie gedanklich zu sortieren und in einen verständlichen Zusammenhang zu bringen, ist es sinnvoll, den Begriff des Produktionssystems zu benutzen. Beispielsweise kann eine große Werkshalle eines Automobilherstellers als ein Produktionssystem bezeichnet werden. Als System wird im Allgemeinen eine geordnete Menge von Elementen bezeichnet, die in Beziehung zueinanderstehen (können). Systeme haben eine Funktion, eine Struktur und führen zur Erfüllung ihrer Funktion verschiedene Prozesse durch (Schwaninger 1996; Ulrich 1970, S. 105–118): • In einem Produktionssystem befinden sich Systemelemente wie bspw. Fabrikhallen, Maschinen, Arbeiter, Förderanlagen, Lagerplätze, Bestände, Ladehilfsmittel, Werkzeuge etc. Diese Elemente können auch zu Subsystemen zusammengefasst werden. Ein Beispiel hierfür, das wir im Rest des Buches noch häufiger verwenden werden, sind sogenannte Arbeitssysteme (auch: Produktiveinheiten). Arbeitssysteme bestehen bspw. aus einer Maschine, einem Standort in der Werkshalle, einem Rohstoffbestand, einem Fertigbestand sowie einem Mitarbeiter. In Arbeitssystemen werden einzelne Tätigkeiten an den Werkstücken durchgeführt (bspw. schneiden, löten, waschen, lackieren, lagern, transportieren etc., Günther und Tempelmeier 2012, S. 13). Bis zu seiner Fertigstellung durchläuft ein Gut typischerweise mehrere Arbeitssysteme. • Die Funktion des Produktionssystems ist es, durch die Kombination der Systemelemente bestimmte Güter zu erzeugen. Die Struktur eines Produktionssystems besteht in der für die Fertigstellung eines oder mehrerer Güter notwendigen Anordnung von Systemelementen (daher auch die Definition als geordnete Menge). So werden Mitarbeiter einer Maschine, eine Maschine einem Ort, ein Material einem Lagerstandort, ein Ladehilfsmittel einem Material etc. zugeordnet. • Die Prozesse des Produktionssystems bestehen in all denjenigen Aktivitäten, die die Fertigstellung des Gutes vorantreiben. Dazu gehören sowohl die direkt wertschöpfenden Aktivitäten, wie Arbeitsvorgänge, als auch die nicht-wertschöpfenden Tätigkeiten wie der innerbetriebliche Transport oder die Qualitätskontrolle (Heinen 1991, S. 57–58). Abb. 1.2 stellt ein beispielhaftes Produktionssystem dar. Die systemtheoretische Betrachtung eines Produktionsbereichs hilft, indem sie zeigt, über welche Gestaltungsmöglichkeiten wir verfügen. Die folgenden Gedanken verdeutlichen dies: • Wir können Elemente zum Produktionssystem hinzufügen oder sie daraus entfernen (z. B. Einführen von Normteilen in der Materialwirtschaft, siehe Abschn. 2.4.2.1, oder neuer Maschinensysteme, siehe Abschn. 2.3).

6

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Entgraten Lagerplätze Lackieren

Verpacken Warenausgang

Fließband mit mehreren Arbeitsstationen Wareneingang

Montage

Arbeiter

Maschinelle Anlage

Produkt

Fördersystem

Abb. 1.2 Ein exemplarisches Produktionssystem (eigene Darstellung nach Reichwald und ­Dietel 1991)

• Wir können die Beziehungen zwischen den Elementen ändern (z. B. Sortierung mehrerer Maschinen zu einem Fließfertigungssystem, siehe Abschn. 2.3.3.2). • Wir können die Funktion des Produktionssystems anpassen (z. B. Änderung des Leistungsprogramms, siehe strategisches Produktionsmanagement in Abschn. 1.4.4).

1.3 Produktionstypologien

7

• Wir können die Prozesse zur Erfüllung der Funktion gestalten (z. B. Auswahl eines geeigneten Prognoseverfahrens zur Bedarfsrechnung, siehe Abschn. 3.3.4).

1.3

Produktionstypologien

Ausgangsüberlegung Mit dem vorangegangenen Kapitel haben wir ein grundsätzliches und noch recht abstraktes Verständnis dessen gewonnen, was einen Industriebetrieb im Allgemeinen ausmacht. In der Praxis sind Betriebe jedoch sehr unterschiedlich: Eine Molkerei „tut“ etwas anderes als ein Automobilhersteller und etwas anderes als ein Textilhersteller. Die produktionswirtschaftlichen Aufgaben und Probleme werden sich dementsprechend zwischen unterschiedlichen Typen von Industriebetrieben in gewisser Weise unterscheiden. Um diese Unterschiede zu kategorisieren, werden in der Literatur verschiedene Vorschläge zur Typologisierung von Produktionssystemen beschrieben. Diese Typologien fokussieren auf die elementaren Merkmale eines Produktionssystems (im Folgenden: Krycha 1996; Zäpfel 1982, S. 15–20). Güterform Ein offensichtlicher Unterschied zwischen Industriebetrieben besteht in der Form ihrer Güter. In einer Fließgüterproduktion werden flüssige Produkte verarbeitet und erzeugt, in einer Stückgüterproduktion hingegen feste Produkte. Diese Unterscheidung hat bspw. Auswirkungen auf die innerbetriebliche Logistik: Fließgüter benötigen spezialisierte Transport- und Lagersysteme (Rohre, Fässer, Wannen, Flaschen etc.). Stückgüterproduktionssysteme operieren hingegen bspw. mit Fließbändern (siehe hierzu Abschn. 2.3.2.1), Robotergreifern und Ladehilfsmitteln (Paletten, Boxen etc.). Mechanisierung Mit dem Begriff der Mechanisierung wird der Grad beschrieben, zu dem die Mitarbeiter eines Betriebs bei ihrer Arbeit durch Maschinen und technische Hilfsmittel unterstützt werden. Je nachdem, wie viel „Technik“ sich im Produktionsbereich befindet, wird zwischen manuellen, mechanischen und automatischen Produktionssystemen unterschieden. Mit steigender Mechanisierung sinkt in einem Produktionssystem der Bedarf an „Muskelkraft“ als Teil des physischen Transformationsprozesses. Stattdessen werden „Manager“ der Arbeitssysteme nötig. Dies stellt besondere Anforderungen an die geistigen Fähigkeiten der Mitarbeiter (siehe hierzu das Genfer Schema in Abschn. 2.2.3.1). Materialflusstyp In einer zerlegenden Produktion (auch: divergierende Produktion) werden aus einem einzelnen Inputfaktor (z. B. Zellstoff) viele verschiedene Produkte erzeugt (z. B. Papier unterschiedlicher Stärken, Notizblöcke, Kartonagen). Industriesektoren, in denen man typischerweise eine divergierende Produktion vorfindet, sind die Textilindustrie und die

8

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

­ etallverarbeitende Industrie. Dort werden aus Baumwolle bzw. aus Eisenerz zahlreiche m Endprodukte gefertigt: Hosen, Hemden, Jacken bzw. Rohre, Werkzeuge, Maschinen. In einer zusammenfassenden Produktion (auch: konvergierende Produktion) werden hingegen aus vielen Inputfaktoren (z. B. Motor, Sitze, Räder etc.) einzelne Produkte hergestellt (z. B. Autos). Zur bildlichen Vorstellung werden Unternehmen auch V-­Unternehmen (zerlegend, divergierend) bzw. A-Unternehmen (zusammenfassend, konvergierend) genannt. Die Form der Buchstaben deutet den Produktionstyp an (Umble und Srikanth 1996, S. 210–239). Des Weiteren existieren auch die durchlaufende Produktion, bei der ein einzelner Inputfaktor zu einem Produkt umgeformt oder veredelt wird (z. B. gewalzter Stahl, raffiniertes Öl), sowie die austauschende Produktion, eine Mischform aus zerlegender und zusammenfassender Produktion (Hammer 1977, S. 39). Organisationstyp der Fertigung Die im Produktionssystem befindlichen Arbeitssysteme können auf unterschiedliche Weise angeordnet werden (siehe hierzu Abschn. 2.3.2). Für manche Unternehmen ist es sinnvoll, Arbeitssysteme gemäß dem Verrichtungsprinzip anzuordnen: Hier werden Maschinen und Mitarbeiter gemäß ihrer Funktion zusammengefasst (z. B. je eine Werkstatt für die Funktionen Bohren, Drehen und Stanzen). Für andere Unternehmen ist eine Strukturierung der Arbeitssysteme gemäß dem Objektprinzip angemessener: Die Fließbandproduktion und Reihenfertigung fallen in diese Kategorie. Prozessbindung Je nachdem, ob die Produktion eines Gutes Auswirkungen auf die Produktion eines anderen Gutes hat, kann zwischen verbundener und unverbundener Produktion unterschieden werden. In einer unverbundenen Produktion werden mehrere Güter ohne gegenseitige Beeinflussung erzeugt. Dem gegenüber entstehen bspw. im Prozess einer verbundenen Kuppelproduktion neben dem Zielprodukt entweder aufgrund naturgesetzlicher oder technologischer Bedingungen weitere Nebenprodukte, so etwa Treber, der in einer Brauerei anfällt (Hammer 1977, S. 38) oder Apfeltrester, der bei der Saftproduktion als Restprodukt verbleibt. Diese Kuppelprodukte können dann ebenfalls absatztechnische Ver­ wertung finden. Andere Kuppelprodukte (z.  B.  Abfallstoffe) können kostentechnische Konsequenzen haben und müssen bei der Planung der Produktion antizipiert werden. Quantitätswiederholung Produktionssysteme können für die Erzeugung unterschiedlich hoher Mengen eines Gutes ausgelegt sein (Reichwald und Dietel 1991, S. 404–408). In einer Einzelfertigung werden Einzelstücke gefertigt (z. B. exklusiver Schreinerbetrieb). Eine Serienfertigung umfasst die Erzeugung einer begrenzten Anzahl desselben Gutes, entweder in vergleichsweise kleiner (Kleinserienfertigung) oder großer (Großserienfertigung) Stückzahl (z. B. mittelständischer Anlagenbauer). Ein für die Massenfertigung ausgelegtes Produktionssystem

1.3 Produktionstypologien

9

soll über einen längeren Zeitraum eine quasi unendlich hohe Vervielfältigung desselben Gutes erbringen (z. B. Getränkehersteller). Lage des Order Penetration Points Der Order-to-Payment-Prozess Die Funktion von Produktionssystemen – „Güter herstellen“ (Abschn. 1.2) – ist ein elementarer Bestandteil des Order-to-Payment-Prozesses eines Unternehmens (Abb. 1.3). Dieser Prozess beschreibt diejenigen Aktivitäten, die im Unternehmen stattfinden, um einen Kundenauftrag (Order) zu erfüllen und somit Umsatz (Payment) zu erzielen. Hierbei hat das Produktionssystem die Aufgabe, die im Kundenauftrag spezifizierten Bestellpositionen herzustellen (Klaus 2002, S. 87). Der Order Penetration Point Der Order-to-Payment-Prozess verschiedener Unternehmen sowie verschiedener Produkte innerhalb desselben Unternehmens unterscheidet sich in der Lage des Order Penetration Points (auch: Entkopplungspunkt, Decoupling Point, Abb. 1.4). Dieser Punkt bezeichnet den Übergang von kundenanonymer zu kundenindividueller Produktion (Olhager 2003). In Abb.  1.3 stellt sich der Order Penetration Point als derjenige Punkt dar, in dem der obenliegende Prozesspfeil (Kundenauftrag) in den mittig liegenden Prozesspfeil

Materialwirtschaft

Produktion

Distribution

Kunden

Lieferanten

Auftragsannahme

Auftragserfüllung Geldfluss

Abb. 1.3  Der Order-to-Payment-Prozess (Klaus 2002, S. 88)

Konstruktion

Fertigung

Montage

Versand

Assemble-to-Order

Konstruktion

Fertigung

Montage

Versand

Make-to-Order

Konstruktion

Fertigung

Montage

Versand

Engineer-to-Order

Konstruktion

Fertigung

Montage

Versand

Kunde

Make-to-Stock

Order Penetration Point (OPP)

Prognosegetriebene Prozesse (Push)

Auftragsgetriebene Prozesse (Pull)

Abb. 1.4  Typische Positionen des Order Penetration Points (eigene Darstellung nach Olhager 2003)

10

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

(Produktion) übergeht. Er kann somit auch als derjenige Punkt umschrieben werden, an welchem der Kundenauftrag die unternehmensinterne Wertschöpfungskette „berührt“. Der Order Penetration Point ist u. a. für die Bedarfsrechnung (Abschn. 3.3.4) von Bedeutung: Der kundenanonyme Teil der Produktion wird auf Basis historischer Daten prognosegesteuert geplant („Push“), der kundenindividuelle Teil hingegen auf Basis konkreter Kundenaufträge („Pull“) (Pfohl 2016, S. 112–115). Order-Penetration-Point-Typen Je nach Lage des Order Penetration Points werden Betriebe bzw. Produktionssysteme folgendermaßen klassifiziert: • Make-to-Stock-Unternehmen (MTS) produzieren prognosegetrieben für einen anonymen Markt. Erst die physische Distribution geschieht auftragsgetrieben (z. B. Süßwarenhersteller). • Assemble-to-Order-Unternehmen (ATO) produzieren Teile und Module verschiedener Produkte auf Prognosebasis. Auf den konkreten Kundenauftrag hin werden diese Teile dann montiert und distribuiert (z. B. Computerhersteller). • Make-to-Order-Unternehmen (MTO) beginnen erst auf einen Kundenauftrag hin mit der Fertigung von Teilen (z. B. Automobilhersteller). • In Engineer-to-Order-Unternehmen (ETO) greift der Kunde sehr früh in den Wertschöpfungsprozess ein, nämlich bereits im Planungs- und Konstruktionsstadium des Produkts (z. B. Großanlagenbau). Zur Lage des Order Penetration Points Die Lage des Order Penetration Points (OPP) eines Produkts hängt von einer Vielzahl an Faktoren ab, von denen im Folgenden einige angesprochen werden sollen (Olhager 2003). Individualisierung Ein maßgeblicher Faktor ist der vom Kunden gewünschte Grad der Individualisierung des Produkts. Je stärker der Kunde auf die Spezifikation seines Produkts einwirken möchte/ soll, desto weiter „upstream“ liegt der OPP: • Für den Bau von Großanlagen, Schiffen oder Flugzeugen werden Kunden bereits sehr früh in den Wertschöpfungsprozess einbezogen, da eine Vielzahl von teils sehr speziellen Kundenanforderungen erfüllt werden muss. Diese Anforderungen werden bereits bei der Planung und Konstruktion des Produkts und seiner Bestandteile berücksichtigt (Engineer-to-Order, ETO). Das einzelne Produkt ist somit von Beginn an einem einzelnen Kunden zuzuordnen – es handelt sich um ein „Einzelstück“. Weitere Beispiele für ETO-Unternehmen sind bspw. exklusive Handwerksbetriebe, in denen Produkte exakt nach den Wünschen des Kunden designt und gefertigt werden (z. B. Premium-Möbel, Haute Couture).

1.3 Produktionstypologien

11

• Handelt es sich um teil-individualisierte Produkte, so wird der Order Penetration Point „mittiger“ liegen. Möchte ein Kunde bspw. sein Auto mit speziellen, nicht auf Lager vorhandenen Ledersitzen ausstatten, so müssen diese zunächst gefertigt werden, bevor das Auto montiert und geliefert werden kann (Make-to-Order, MTO). Das Produkt ist hier also ab dem Prozess der Fertigung dem einzelnen Kunden zuordenbar. Ein weiteres Beispiel für ein MTO-Unternehmen sind Restaurants: Hier wird z.  B. das rohe Steak erst auf konkrete Kundenbestellung hin „rare“, „medium“ oder „well done“ gebraten und ist erst ab dem Punkt des Bratens dem einzelnen Kunden zuzuordnen. • In der Computerbranche ist das Assemble-to-Order-Prinzip (ATO) weit verbreitet: Aus einer vorgegebenen, auf Lager vorhandenen Menge von Teilen können sich Kunden individuelle Computerkonfigurationen montieren lassen. Der Wertschöpfungsprozess wechselt also erst ab der Teile-Montage von einem kundenanonymen in einen kundenindividuellen Zustand. Der Hersteller hat die benötigten Teile hingegen bereits gegen eine anonyme Nachfrage vorweg produziert bzw. beschafft. Weitere Beispiele für ATO-Unternehmen sind all diejenigen Unternehmen, die auf Basis eines Baukastens Produkte zusammenstellen: Beispielsweise wird das Produkt vieler Fast-Food-Ketten (z. B. Sandwich, Döner) vor den Augen des Kunden auf dessen Wünsche hin zusammengestellt  – die Saladette stellt den Baukasten dar. Auch Autos, Jadgwaffen und Sportschuhe werden von manchen Herstellern auf modularisierter Ebene angeboten, um trotz der Gleichheit der einzelnen Teile untereinander kundenindividuelle Produktkombinationen anbieten zu können (siehe hierzu Abschn. 2.4.2). • Handelt es sich um nicht-individualisierte Produkte, so liegt der Order Penetration Point am Ende des Wertschöpfungsprozesses. Das einzige, was die Kunden hier näher spezifizieren, ist der Ort des Kaufs und/oder der Übergabe des Produkts. Das Unternehmen produziert hier ein Standardprodukt „gegen die anonyme Nachfrage“. Das Produkt ist erst dann dem Kunden zuordenbar, wenn dieser es erworben hat und in seinen Händen hält. Als Beispiele für MTS-Unternehmen können Konsumgüterhersteller (sogenannte „fast moving consumer goods“, kurz FMCG, z. B. Süßwaren, Papiertaschentücher, Mehl, Seife etc., vgl. z. B. Ahlert 1985, S. 44) genannt werden. Auch Bäckereien oder Uni-Cafeterien sind üblicherweise MTS-Unternehmen: Hier werden vorgefertigte Produkte für den unmittelbaren Konsum angeboten – eine Veränderung des Produkts ist nicht mehr vorgesehen. Üblicherweise lassen sich in einem Unternehmen für verschiedene Produkte verschieden gelagerte Order Penetration Points identifizieren, denn nicht jedes Produkt muss individualisiert werden. So bieten Automobilhersteller häufig einerseits vorproduzierte Autos mit Standardausstattung (MTS) an, geben ihren Kunden jedoch auch die Möglichkeit, ihre eigene Fahrzeugkonfiguration aus einer Menge bereits vorhandener Teile (ATO) oder extra zu fertigender Teile (MTO) zu erstellen. Auch Fast-Food-Ketten bieten häufig sowohl MTS-Produkte (z.  B. bereits fertiggestellte, warmgestellte Hamburger) als auch ATO-­ Produkte (Berücksichtigung von Sonderwünschen) an.

12

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Akzeptierte Lieferzeit Die vom Kunden akzeptierte Dauer der Lieferzeit ist eng mit der Lage des Order Penetration Points verbunden. Möchte ein Kunde bspw. eine Packung Taschentücher kaufen, so würde er es nicht akzeptieren, wenn seine „Bestellung“ zuerst an den Hersteller weitergeleitet werden muss, der daraufhin auf den genauen Kundenwunsch – der im Falle der Taschentücher vermutlich nicht allzu speziell sein wird  – zunächst entsprechende Taschentücher designen, fertigen und ausliefern muss. Die Taschentücher sollen bereits im Moment der Kaufentscheidung im Kaufregal vorhanden sein. Bei der Bestellung komplexerer Produkte, z. B. eines Autos mit speziellen Ledersitzen oder eines eigens konfigurierten Computers, wird hingegen eine längere Lieferzeit akzeptiert. Produktwert Auch der Wert des Produkts kann zur Erklärung der Lage des Order Penetration Points herangezogen werden. Ein eigens designter und gefertigter Anzug ist wesentlich teurer als ein Modell von der Stange. Da sich im Regelfall der Modegeschmack und die körperliche Statur von Kunde zu Kunde unterscheidet, wäre es riskant, auf Verdacht hin Anzüge in speziellen Designs und bestimmten Größen zu fertigen  – verkaufen sich diese Anzüge nicht, so bleibt der Schneider auf ihnen sitzen. Intuitiv ist dieser Gedanke auch im Falle eines Steak-Hauses: Würde der Koch bereits vor Eintreffen der Bestellungen beginnen, Steaks in verschiedenerlei Garungsgraden vorzubereiten, so wird er zwar manchen Kunden eine hervorragend kurze Lieferzeit bieten können, jedoch auch Gefahr laufen, dass manche dieser (teuren) Steaks nicht verkauft werden und letztlich weggeworfen werden müssen  – ganz davon abgesehen, dass ein Steak seinen Garungsgrad nicht über lange Zeit hinweg halten kann und/oder auskühlt. Betriebswirtschaftlich sinnvoller ist es daher, eine etwas längere Lieferzeit zur Vermeidung des hohen Wegwerfrisikos in Kauf zu nehmen. Umfang der Nachfrage Es lassen sich auch Zusammenhänge zwischen dem Umfang der Nachfrage und der Lage des Order Penetration Points aufzeigen. So haben MTS-Unternehmen wesentlich höhere Stückverkaufszahlen als ETO-Unternehmen zu bedienen: Exemplarisch sei auf die Nachfragemenge an maßgeschneiderten Anzügen versus der Nachfragemenge von Prêt-à-­ Porter-­ Anzügen hingewiesen. Daher kommt es, dass Produktionssysteme in MTS-­ Unternehmen häufig hochautomatisiert und auf Basis standardisierter Prozesse arbeiten, während in ETO-Unternehmen wesentlich mehr Handarbeit geleistet wird.

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

1.4

13

 om Ziel des Unternehmens zu den Zielen des V operativen Produktionsmanagements

1.4.1 Begriffliche Grundlagen Der Begriff des „Ziels“ Auch wenn wir in Abschn. 1.3 gesehen haben, dass sich Industriebetriebe in vielerlei Hinsicht unterscheiden, so verfolgen sie in der Regel dennoch sehr ähnliche Ziele. In Abschn. 1.1 wurde hierzu bereits erwähnt, dass Industriebetriebe typischerweise danach streben, Gewinne zu erzielen und eine höchstmögliche Kapitalverzinsung zu erreichen. Um zu erklären, wie das Produktionsmanagement zur Erreichung dieser Ziele beiträgt, ist es zunächst sinnvoll, den Begriff des Ziels näher zu beschreiben.

Zur Gewinnerzielung

Die Annahme, dass Unternehmen lediglich nach Gewinnerzielung bzw. Kapitalverzinsung streben, ist in ihrer Schlichtheit freilich nicht vollständig anzunehmen (siehe hierzu bspw. Ulrich 1970, S.  187–190). Beispielsweise ist die Kapitalverzinsung zwar durchaus im Interesse der Shareholder (z. B. Aktionäre) – es sei denn, dass auf Kosten des langfristigen Gewinns lediglich der kurzfristige Gewinn maximiert wird –, sie muss aber nicht im Interesse jedes Stakeholders (z. B. Umweltschutzverbände) liegen (siehe hierzu Wöhe et al. 2016, S. 50–52). Da es in diesem Buch jedoch nicht darum geht, eine Diskussion über die allgemeine Zielfindung eines Unternehmens zu führen, ist es für den weiteren Verlauf ausreichend, anzunehmen, dass ein Industriebetrieb grundlegend nach größtmöglicher  stabiler Gewinnerzielung bzw. Kapitalverzinsung strebt.

Der Begriff „Ziel“ beschreibt einen wünschenswerten künftigen Zustand, der durch geeignete betriebswirtschaftliche Entscheidungen erreicht werden soll. Ziele bestehen aus drei formalen Elementen (Raffée 1974, S. 121–122; Heinen 1991, S. 14): • Der Zielinhalt beschreibt die angestrebte Größe. Diese kann bspw. der Gewinn, die Menge abzusetzender Produkte oder der zu erreichende Marktanteil sein. • Das Zielausmaß bestimmt den Zielerreichungsgrad, entweder in absoluter (bspw. Ziel-Jahresüberschuss: 10  Millionen  Euro) oder in relativer Form (bspw. Steigerung des Umsatzes um 20  %). Häufig werden Zielausmaße in Form einer Maximierung, Minimierung oder Fixierung des Zielinhalts angegeben. • Schließlich beziehen sich Ziele immer auf einen Zeitraum, innerhalb dessen das Ziel erreicht werden soll.

14

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Zielsysteme und -beziehungen Unternehmen verfolgen in der Regel viele verschiedene Ziele, die sich zu Zielsystemen zusammenfassen lassen. Innerhalb dieser Systeme können einzelne Ziele komplementäre, konkurrierende oder indifferente Beziehungen aufweisen (Raffée 1974, S.  124; Heinen 1991, S. 14–15): • Liegt Komplementarität vor, so dient die Verfolgung des einen Ziels auch der Verfolgung des anderen Ziels. Beispielsweise kann ein umweltorientiertes Produktportfolio sowohl zur Schonung natürlicher Ressourcen als auch zu einer Verbesserung des Unternehmensimages beitragen. • Bei Konkurrenz steht sich die Verfolgung zweier Ziele unvereinbar gegenüber (z. B. Steigern der Produktqualität durch hochwertigere Inputs vs. Senken der Beschaffungskosten). • Bei Indifferenz besteht keine Relation der Ziele. Dem Management obliegt die Bewertung und Verwaltung dieser Zielbeziehungen. Häufig werden zur formalisierten Beschreibung eines Ziels sogenannte Zielfunktionen gebildet. Diese kombinieren Zielinhalt, Zielausmaß, Entscheidungsvariablen und Nebenbedingungen (Heinen 1991, S. 33–34). In Abschn. 3.3.1.4 lernen wir, wie sich typische produktionswirtschaftliche Probleme in der Form von Zielfunktionen modellieren und lösen lassen. Sach- und Formalziele Eine weitere grundsätzliche Einteilung von Zielen ist die Unterscheidung nach Formalund Sachzielen (Raffée 1974, S. 123; Hahn 1994, S. 28–29): • Formalziele beziehen sich auf übergeordnete Unternehmensziele wie bspw. die Erzielung eines bestimmten Gewinns oder einer bestimmten Verzinsung des eingesetzten Kapitals. • Sachziele beziehen sich auf die Formalziele und geben konkrete Handlungen bezüglich des Produktionsprogramms vor, z. B. Menge, Qualität und Fertigstellungstermin der zum Verkauf bestimmten Produkte. Das dem Unternehmen übergeordnete Formalziel der Erhöhung des Unternehmenserfolgs legt den Spielraum innerbetrieblicher Entscheidungen fest. Die Entscheidungen jedes Funktionalbereichs – darunter auch die Produktion – sollen dazu beitragen, die Formalziele zu erreichen. In Abschn.  1.4.2,  1.4.3,  1.4.4 und  1.4.5 sollen die konkreten Zielsetzungen und Aufgabenbereiche des Produktionsmanagements schrittweise mit Bezug zum Unternehmenserfolg abgeleitet und dargestellt werden.

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

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1.4.2 G  rundlegende Kennzahlen zur Messung des Unternehmenserfolgs Economic Value Added Wenn es darum geht, den Erfolg eines Unternehmens zu quantifizieren, so wird man typischerweise als erstes den Gewinn als bedeutendste Zahl nennen. Der Gewinn gibt uns Auskunft darüber, wie stark die Einnahmen einer Geschäftsperiode die Ausgaben übersteigen. Für unsere Zwecke wollen wir jedoch eine „schlauere“ Kennzahl verwenden, nämlich den Economic Value Added (EVA) (Stewart 2010; Horváth et al. 2015, S. 215). Im Gegensatz zur klassischen Gewinn- und Verlustrechnung berücksichtigt der EVA neben dem Gewinn auch die Opportunitätskosten. Opportunitätskosten sind, vereinfacht gesagt, die entgangenen Gewinne anderer Einsatzmöglichkeiten des verfügbaren Kapitals (Coenenberg et al. 2009, S. 346–347). Sie werden berücksichtigt, um die Profitabilität des eingesetzten Kapitals im Verhältnis zu anderen Investitionsmöglichkeiten bewerten zu können (siehe Zusatzinformation „Opportunitätskosten“). Opportunitätskosten

Klarer wird das Konzept der Opportunitätskosten anhand eines simplen Beispiels: Ein produzierendes Unternehmen erwirtschaftet in der aktuellen Geschäftsperiode einen Gewinn von 1000 Geldeinheiten. Grundsätzlich würde man also sagen, dass das Unternehmen gut gewirtschaftet hat. Alternativ hätte das im Unternehmen gebundene Kapital (Gebäude, Maschinen, Rohstoffe etc.) auch in ein Investitionsprojekt investiert werden können, das einen Gewinn von 800 Geldeinheiten abgeworfen hätte. Die Opportunitätskosten betragen dann 800 Geldeinheiten – das wäre der Gewinn der anderen Einsatzmöglichkeit gewesen. Der erwirtschaftete Gewinn von 1000 Geldeinheiten ist somit „nur“ mit einem Wertzuwachs von 200 Geldeinheiten gleichzusetzen. Diese 200 Geldeinheiten drücken die Vorteilhaftigkeit der Investition in die Produktion gegenüber der Investition in das Projekt aus. Hätte das alternative Investitionsprojekt hingegen einen Gewinn von 1200 Geldeinheiten abgeworfen, so wäre der durch die Produktion erwirtschaftete Gewinn von 1000 Geldeinheiten offensichtlich die schlechtere Alternative gewesen. Auch wenn er nach wie vor positiv ist: Aus Sicht der Shareholder wäre es besser gewesen, man hätte in das lukrativere Investitionsprojekt investiert. Man hat somit eigentlich 200 Geldeinheiten Wert „vernichtet“.

Als Formel ergibt sich der EVA folgendermaßen: EVA = Operativer Gewinn nach Steuern − (1.1) ( gewichteter Mittelwert von Fremd- und Eigenkapitalkosten × investiertes Kapital )

16

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Der EVA zeigt an, dass es grundsätzlich zwei Ansatzpunkte gibt, den Erfolg eines Unternehmens ceteris paribus zu steigern: (1) Steigern des Gewinns bei gleichbleibendem ­Kapitaleinsatz und (2) Reduzieren des investierten Kapitals bei gleichbleibendem Gewinnniveau. Wie wir in den folgenden Abschnitten noch sehen werden, kann das operative Produktionsmanagement in unterschiedlicher Weise auf diese beiden Stellhebel einwirken.

Weighted Average Cost of Capital

Zur Quantifizierung der Opportunitätskosten werden die Höhe des gebundenen Kapitals sowie ein gewichteter Zinssatz verwendet. Das benötigte Kapital ergibt sich aus der Menge und dem Wert der gebundenen Vermögensgegenstände sowie der Bindungsdauer. Der Zinssatz kann mithilfe des Ansatzes Weighted Average Cost of Capital (WACC) ermittelt werden. Hierbei werden die Kosten der Fremdfinanzierung und die Kosten der Eigenfinanzierung dem Verhältnis von Fremd- und Eigenfinanzierung nach gewichtet. Quellen: Horváth et al. 2015, S. 211–212; Markowitz 1952; Kilger et al. 2007, S. 319–324

Return on Investment Eine weitere häufig verwendete Unternehmenskennzahl ist der Return on Investment (ROI). Er ergibt sich aus dem Quotienten der absoluten Größen „Gewinn“ und „Gesamtkapital“ (Horváth et al. 2015, S. 291–292). Der ROI ist eine relative Erfolgsgröße. Er zeigt die Rentabilität des eingesetzten Kapitals. Ein ROI von 7 % eines produzierenden Unternehmens ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass ein Aktiendepot Zinsen in Höhe von 7 % abgeworfen hat.  = Rentabilitat Return on Investment =

Ist − Output ( € )

Ist − Input ( € ) Gewinn ( € )

Eingesetztes Kapital ( € )

(1.2) (1.3)

Im Gegensatz zu einer absoluten Wertgröße wie dem Gewinn ermöglicht es der ROI, die Verzinsung verschiedener Unternehmungen zu vergleichen. Im Gegensatz zum wertorientierten EVA werden beim ROI jedoch keine Opportunitätskosten berücksichtigt (Weber und Schäffer 2014, S. 177–185; Mellerowicz 1968, S. 84–85). Aufgrund seiner leichten Verständlichkeit und seiner weiten Verbreitung wird der ROI im Folgenden als die grundlegende Kennzahl herangezogen. Diese Kennzahl gilt es, durch „richtige“ Entscheidungen des Produktionsmanagements zu erhöhen.

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

17

Menge

x

Leistung Gewinn Gewinn in % des Umsatzes

: Umsatz

Gewinn in % des invest. Kapitals

Materialeinzelkosten

Preis bzw. Wert

Kosten

Materialgemeinkosten

=

Vertriebs- und Verwaltungskosten

+

Fertigungseinzelkosten

Herstellkosten

Fertigungsgemeinkosten

x

Rohmaterial

Umsatz Kapitalumschlag

: Investiertes Kapital

Umlaufvermögen

=

Zahlungsmittel

+

Forderungen

=

Immobiles Anlagevermögen

+

Mobiles Anlagevermögen

+ Anlagevermögen

+

Bestände

Halbfertigprodukte

Fertigprodukte

Abb. 1.5  Du-Pont-Schema (Horváth et al. 2015, S. 292)

Visualisierung des Entstehungswegs des ROI: Das Du-Pont-Schema Mit dem Du-Pont-Schema (Abb. 1.5) kann die Verbindung der Handlungsspielräume jedes Funktionalbereichs, darunter auch das Produktionsmanagement, mit der Entstehung des ROI visualisiert werden. Auf diese Weise zeigt sich in übersichtlicher Form, wie ­einzelne Entscheidungen zum übergeordneten Ziel der Maximierung der Rentabilität des Unternehmens beitragen. Hier lässt sich auch der Einfluss der produktionswirtschaftlichen Ziele auf den ROI abbilden (Heinen 1991, S. 20; Corsten und Gössinger 2016, S. 48–50; Zäpfel 1982, S. 26–28). Anhand von Abb.  1.6 kann bspw. der Effekt einer Reduzierung der Rohmaterialbestände auf den ROI nachvollzogen werden: Sinkt die Menge an Rohmaterialbeständen, bspw. durch die Implementierung einer effizienteren Fertigungsweise, so sinkt der Wert des Umlaufvermögens. Das investierte Kapital, das zur Berechnung des Kapitalumschlags herangezogen wird, reduziert sich, der Kapitalumschlag und somit der ROI steigen.

1.4.3 Die Lenkung von Produktionssystemen Überblick Die vorangegangenen Abschnitte haben einen ersten Einblick in die Wirkungswege produktionsrelevanter Entscheidungen auf den Unternehmenserfolg gezeigt. Der Produktionsmanager soll durch seine leitende Tätigkeit dazu beitragen, dass sein Produktionssystem im Sinne der Erhöhung des Unternehmenserfolgs arbeitet. Dies kann mithilfe des EVA und des ROI quantifiziert und mithilfe des Du-Pont-Schemas in einfacher Weise visualisiert werden. Bevor wir in Kap. 2 damit beginnen, konkrete Gestaltungsformen vorzustellen, ist es noch einmal sinnvoll, das Produktionssystem als solches zu betrachten.

18

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Menge

x

Leistung Gewinn Gewinn in % des Umsatzes

-

: Umsatz

Gewinn in % des invest. Kapitals

Materialeinzelkosten

Preis bzw. Wert

Kosten

Materialgemeinkosten

=

Vertriebs- und Verwaltungskosten

+

Fertigungseinzelkosten

Herstellkosten

Fertigungsgemeinkosten

x

Rohmaterial



Umsatz Kapitalumschlag

:





Investiertes Kapital

Umlaufvermögen

=

+ Anlagevermögen

=

Zahlungsmittel

+

Forderungen

Immobiles Anlagevermögen

+

Mobiles Anlagevermögen

+

Bestände





Halbfertigprodukte

Fertigprodukte

Abb. 1.6  Du-Pont-Schema: Beispielhafte Wirkung einer Bestandsreduktion auf die Profitabilität eines Unternehmens (eigene Darstellung)

In Abschn.  1.2 haben wir bereits gelernt, dass ein Produktionsmanager sein System gestalten kann, indem er Systemelemente hinzufügt bzw. entfernt und/oder die Funktion, die Struktur und die Prozesse des Systems verändert. Eine weitere Form der Gestaltung liegt in der Frage der Systemlenkung. Was soll bspw. passieren, wenn sich die ­Kundennachfrage nach einem bestimmten Produkt ändert? Was soll passieren, wenn eine Maschine ausfällt? Wollen wir in diesen Fällen, dass sich das System selbst lenken, d. h. eigenständig Entscheidungen zu seiner Tätigkeit treffen kann? Oder sollen die Entscheidungen immer aktiv vom Management getroffen werden? Für beide Gestaltungsrichtungen gibt es Argumente. Wir fragen uns im Folgenden also, wie der Produktionsmanager das System dazu bewegt, zielorientiert zu arbeiten. Der kybernetische Blick auf das Produktionssystem Ein Produktionssystem ist ein nach außen hin offenes und dynamisches System, das sich seiner Umwelt anpassen muss (Heinen 1991, S. 58): Beispielsweise ändern sich Kundenvorlieben, Maschinen fallen aus, Mitarbeiter erkranken, saisonale Nachfrageschwankungen treten auf etc. Grundsätzlich besteht also die Notwendigkeit, das Produktionssystem so einzustellen, dass es sich möglichst flexibel, d. h. unter Wahrung der anfallenden Stückkosten (Upton 1994), an äußere Einflüsse anpassen kann, um zum Unternehmenserfolgsziel beizutragen. Die der Systemtheorie entsprungene Kybernetik kann mithilfe ihrer formalisierten Sprache helfen, dieses Problem und seine Lösungsformen in allgemeiner Form zu veranschaulichen. Die folgenden Ausführungen basieren maßgeblich auf dem systemtheoretischen Verständnis nach Ulrich 1970, S. 105–137. Für einen weiteren Überblick sei auf folgende Beiträge verwiesen: Kirsch 1997, S. 42–49; Heinen 1991, S. 57–62; Schwaninger 1996; Raffée 1974, S. 79–94; Wiendahl 2014, S. 22–25.

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

19

Lenkungsprinzip „Steuerung“ Stellen wir uns im Folgenden anstatt eines komplexen Produktionssystems eine Heizung vor, die ein Zimmer zu einer bestimmten Soll-Temperatur warmhalten soll. Diese Heizung arbeitet als Subsystem im übergeordneten System der Wohnung und erfüllt die Funktion der Temperaturregulierung. Die einfachste Möglichkeit, dieses Subsystem zur Zielerreichung zu bewegen, besteht darin, das Drehventil der Heizung so lange hoch- beziehungsweise runterzudrehen, bis die Soll-Temperatur erreicht wird. Dieses Vorgehen wird als Steuerung bezeichnet (Abb. 1.7). Sie ist die einfachste Form der Lenkung: Die Lenkungsinstanz gibt Ziel und Methode vor. Sobald Ereignisse wie bspw. das Öffnen eines Fensters auftreten, muss die Lenkungsinstanz erneut eingreifen und das Drehventil hochdrehen, um den Wärmeverlust auszugleichen. Lenkungsprinzip „Regelung“ Eine intelligentere Form der Systemlenkung besteht in der Regelung (Abb. 1.8). Mit einem Temperaturregler wird es möglich, der Heizung die Soll-Temperatur vorzugeben. Des Weiteren benötigt die Heizung einen Temperaturfühler, mit dem sie die aktuelle Ist-­ Temperatur messen kann. Der Temperaturregler verändert die Wärmeabgabe der Heizung dann in Abhängigkeit der Ist-Temperatur so lange, bis die Soll-Temperatur erreicht wurde. Die Lenkungsinstanz gibt diesem System also das Ziel vor und überlässt ihm die Wahl der Methode zur Zielerreichung. Eine sich selbst regulierende Heizung kann dann auch mit dem Öffnen eines Fensters umgehen: Sie misst einen Temperaturabfall und dreht daraufhin selbstständig das Ventil auf. Lenkungsprinzip „Anpassung“ Die fortgeschrittenste Möglichkeit der Systemlenkung ist die Anpassung (Abb. 1.9): Hier werden sowohl Zielerreichung als auch Methodenwahl dem System überlassen. Kann der Temperaturfühler die Ist-Temperaturen aufzeichnen und verarbeiten, so könnte es ihm möglich sein, zu „lernen“, dass der Vorgang „Fensteröffnen“ immer nur kurzzeitig Auswirkungen auf die Ist-Temperatur hat und eine starke Hochregulierung mit dem damit verbundenen Energieaufwand nicht nötig ist. Ein anderes Beispiel für das Prinzip der Anpassung wäre bspw. eine Internetverbindung, mit der der Temperaturregler auf den Wetterbericht des kommenden Tages zugreifen

Sollwert

Input

Lenkungsinstanz

Störungen

Abb. 1.7  Kybernetik: Steuerung (nach Ulrich 1970, S. 124)

Aktivität

Output

20

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Lenkungsinstanz

Vorgabe

Entscheidungsinstanz

Regler (Soll-Ist-Vergleich)

Sollwert

Ist-Wert-Erfasser

Input

Aktivität

Output / Istwert

Störungen

Abb. 1.8  Kybernetik: Regelung (nach Ulrich 1970, S. 123) Rückmeldung

Entscheidungsinstanz

Regler (Soll-Ist-Vergleich)

Ist-Wert-Erfasser

Input

Aktivität

Output / Istwert

Störungen

Abb. 1.9  Kybernetik: Anpassung (nach Ulrich 1970, S. 126)

Lenkungsinstanz

Anpassung

Sollwert

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

21

kann. So könnte der Temperaturregler je nach Außentemperatur eine neue Soll-­Temperatur festlegen: An warmen Tagen etwas niedriger, an kalten Tagen etwas höher. Die Heizungsmetapher verdeutlicht, dass es drei unterschiedliche Herangehensweisen an die Lenkung von Systemen gibt. Während Steuerung eine von außen herangetragene Änderung des Systemverhaltens darstellt, sind Regelung und Anpassung Formen der Selbstregulierung. Die kybernetische Sicht auf das Produktionssystem Produktionssystem und Produktionsmanagement stehen in einer ähnlichen Beziehung wie Heizung und Bewohner bzw. Temperaturregler. Ein Beispiel verdeutlicht dies (Heinen 1991, S. 59): Das Produktionsmanagement formuliert einen zu erfüllenden Produktionsplan, der Produkte, Mengen, Zeitraum, Soll-Kosten etc. umfasst. Die auf Basis dieses Plans vom Produktionssystem erzeugten Güter und verursachten Kosten werden in der Kosten- und Leistungsrechnung des Unternehmens erfasst. Treten Umwelteinflüsse wie bspw. Maschinenausfall, Streik, Rohstoffpreisänderungen oder starke Nachfrageschwankungen auf, so weichen die Ist-Kosten von den auf dem Produktionsplan basierenden Soll-Kosten ab. Diese Abweichungen werden von der Kostenund Leistungsrechnung erkannt und daraufhin dem Produktionsmanagement mitgeteilt. Das Produktionsmanagement greift daraufhin mittels der Veränderung von Stellgrößen (z. B. Produktionsplanänderung) in das Produktionssystem ein. Kann das Produktionsmanagement bestimmte Störungen, wie z. B. eine Nachfrageschwankung, durch die Auswertung von Marktdaten antizipieren, so wird es vorausschauend-­steuernd in das Produktionssystem eingreifen. Die Elemente eines Regelsystems im Produktionsbereich können unterschiedliche Ausprägungen annehmen. Beispielsweise können Qualitätsprüfungen und Kunden als reaktive Rezeptoren dienen. Antizipative Rezeptoren umfassen neben der Auswertung von Marktdaten auch die Intuition des Unternehmers. Die kybernetische Darstellung deutet somit auch auf das Verhältnis von Planung und Kontrolle hin. Planung ohne Kontrolle macht den Planprozess überflüssig, während Kontrolle ohne Planung die Aktivität gegen keinen Soll-Maßstab hin überprüfen kann (Wild 1974, S. 44). Mithilfe der kybernetischen Darstellung des Produktionssystems können wir also sagen, dass das Produktionsmanagement neben der Veränderung der Systemelemente, der Funktion, der Struktur und der Prozesse im System (Abschn. 1.2) auch über die folgenden Gestaltungsmöglichkeiten verfügt (Zäpfel 2000b, S. 2, Abb. 1.10): • • • •

Auswahl und Aufbau von Rezeptoren Festlegung von Regel- und Führungsgrößen Festlegung von Stellgrößen Durchführung von stellgrößengerichteten Eingriffen

22

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft Führungsgrößen

Produktionsmanagement

Stellgrößen: Produktionsziele, Planvorgaben

Input

Regelgrößen: Rückmeldeinformationen

Produktionssystem (Throughput)

Output

Störgrößen

Abb. 1.10  Kybernetische Darstellung des Zusammenhangs von Produktionssystem und -management (Zäpfel 2000b, S. 2)

1.4.4 V  om Produktionsmanagement zu den Aufgaben des operativen Produktionsmanagements Mithilfe des Du-Pont-Schemas (Abschn.  1.4.2) und der kybernetischen Darstellung (Abschn. 1.4.3) haben wir gesehen, dass das Produktionsmanagement mithilfe verschiedener Stell- und Regelgrößen und auf verschiedenen Wirkungswegen auf den Unternehmenserfolg einwirkt. Erneut müssen wir aber feststellen, dass es im Produktionsbereich eine Vielzahl von Stell-, Führungs- und Regelgrößen gibt, die wir gestalten können. Da sich diese Größen in ihrem sachlichen und zeitlichen Ausmaß stark unterscheiden, ist es zweckmäßig, sie gemäß ihrem Komplexitätsgrad in eine Hierarchie zu bringen. Diese Hierarchie gliedert das Produktionsmanagement in einen strategischen, taktischen und operativen Bereich (Abb. 1.11). Diese sollen im Folgenden näher umrissen werden (Heinen 1991, S. 64–67; Corsten und Gössinger 2016, S. 25–30; Zäpfel 2001, S. 49). Mit sinkender Hierarchiehöhe konkretisieren sich die Planungsprobleme von wenig-­ strukturierten, komplexen Fragen (z. B. „Welche Technologien werden für unser Produktionssystem im kommenden Jahrzehnt relevant?“) bis hin zu gut-strukturierten, konkreten Fragen (z. B. „Wie viele Maschinenstunden benötigen wir für die heutigen Fertigungsaufträge?“) (Koch 1982, S. 32–39).

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

23

Strategisches Produktionsmanagement Stellgrößen: - Produktionskonzept - Ressourcenkonzept - …

Führungs-/Regelgrößen: Ökonomische und soziale Wirkungen von Produktionsstrategien

Taktisches Produktionsmanagement Stellgrößen: - Produktionsprogramm - Personal- und Maschinenkapazität - Logistikstrukturen - …

Führungs-/Regelgrößen: Ökonomische und soziale Wirkungen der taktischen Entscheidungen

Operatives Produktionsmanagement Führungs-/Regelgrößen: - Lieferservice - Durchlaufzeiten - Bestände - Kapazitätsauslastung - …

Stellgrößen: - Menge an zu produzierenden Enderzeugnissen - Menge an zu produzierenden Komponenten - … Produktionssystem

Abb. 1.11  Aufgaben des Produktionsmanagements (Zäpfel 2001, S. 49)

Das strategische Produktionsmanagement befasst sich mit Frage, wie das Produktionssystem gestaltet werden muss, um unter Berücksichtigung einer komplexen Unternehmensumwelt auf lange Frist einen Beitrag zur unternehmerischen Wettbewerbsfähigkeit zu leisten. Der Größe der Frage folgend sind auch die angewandten Stell- und Regelgrößen komplexer Natur (Zäpfel 2000a; Zahn 1994): • Als Stellgrößen kommen bspw. Inhalte und Struktur des Produktportfolios, die zu verwendenden Ressourcen und Technologien, der Auf- und Abbau von Produktionsstandorten oder die Veränderung des Order Penetration Points in Frage. • Als Führungsgrößen zieht das strategische Produktionsmanagement die Ergebnisse von Unternehmens-, Umwelt- und Portfolioanalysen heran, auf deren Basis das Produktionssystem bspw. gemäß seiner Stärken und Schwächen sowie der sich ihm bietenden Chancen und Risiken im Vergleich zu den Produktionssystemen konkurrierender Unternehmen bewertet werden kann.

24

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Das taktische Produktionsmanagement ist mittelfristiger Natur und setzt den durch die Produktionsstrategie vorgegebenen Plan in Maßnahmenkataloge für die einzelnen Produktionsstandorte und -bereiche um (Zäpfel 2000b): • Als Stellgrößen kommen somit unter anderem das konkrete Produktprogramm, die Dimensionierung von Personal- und Maschinenkapazitäten, die Wahl von Logistikkonzepten (Beschaffung, Produktion, Distribution) und die Auswahl der zu beschaffenden Produktionsfaktoren in Frage. • Als Führungsgrößen werden die Wirkungen der taktischen Stellgrößen herangezogen: Die Effektivität des Produktprogramms, die durchschnittliche Auslastung der Kapazität, der Lieferservice der Logistikkonzepte etc. Das operative Produktionsmanagement basiert auf den Maßnahmenkatalogen des taktischen Produktionsmanagements und befasst sich mit der kurzfristigen Planung und Durchführung des Produktionsprogramms. Es ist auf den Vollzug der taktischen Pläne ausgerichtet. Unter der Maßgabe der in der Taktik festgelegten Leistungsprogramme, Kapazitäten und Konzepte sind konkrete Handlungsanweisungen für das Produktionssystem zu erarbeiten (Zäpfel 1982): • Als Stellgrößen kommen bspw. die erzeugte Menge an Endprodukten, die Menge bereitzustellender Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe sowie die Start- und Endtermine der Produktionsaufträge in Frage. • Typische operative Führungsgrößen sind die Kapazitätsauslastung, die Effizienz, Bestandshöhe etc.

1.4.5 Z  iele und Kennzahlen des operativen Produktionsmanagements Kennzahlen des operativen Produktionsmanagements Einführung Im weiteren Verlauf des Buches wird der Fokus auf das operative Produktionsmanagement gelegt: Aus operativer Sicht trägt ein Produktionssystem dem Unternehmenserfolgsziel vornehmlich durch die Erzeugung von Gütern bei, die daraufhin am Markt abgesetzt werden. Es stellt somit die Objekte der absatzwirtschaftlichen Tätigkeit bereit. Hierzu erzeugt das operative Produktionsmanagement Produktionspläne, in denen die Erzeugung von Gütern in einer bestimmten Menge, Art, Qualität und zu einem bestimmten Zeitpunkt festgelegt werden, und überwacht deren Ausführung. Diese beiden Elemente – Planung und Steuerung – werden uns in Kap. 3 noch intensiv beschäftigen.

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

25

Zunächst soll aber erst ein näherer Blick auf die Bewertung der Güte von Produktionsplänen geworfen werden. Die in Abschn. 1.4.2 besprochenen Kennzahlen haben gezeigt, wie der Unternehmenserfolg im Allgemeinen gemessen werden kann. Nun stellt sich die Frage, wie der Beitrag des operativen Produktionsmanagements gemessen werden kann. Wie wir sehen werden, wirken die Ziele auf operativer Ebene auf den Unternehmenserfolg ein (im Folgenden: Heinen 1991, S.  18; Zäpfel 1982, S.  23–25; Mellerowicz 1968, S. 81–84; Reichwald und Dietel 1991, S. 411; Hahn 1994, S. 29–30). Effektivität Die Erfüllung eines Produktionsplans ist ein Sachziel (Abschn. 1.4.1). Die erste relevante Kennzahl zur Erfüllung dieses Sachziels ist die Effektivität der Produktion (Heinen 1991, S. 18):  der Produktion = Effektivitat

Ist − Output ( Menge )

Plan − Output ( Menge )

(1.4)

Mithilfe der Effektivität stellen wir die Frage, ob es unser Produktionssystem schafft, die veranschlagten Pläne zu erfüllen. Damit haben wir noch keine Aussage dazu getroffen, ob das Produktionssystem besonders sparsam ist – das kommt erst im nächsten Schritt. Mithilfe der Effektivität lässt sich als erster Schluss ziehen, dass das operative Produktionsmanagement dann dem Unternehmenserfolg beiträgt, wenn es seine Produktionspläne effektiv umsetzt (doing the right things, Drucker 1963). Effizienz Der Beitrag der Erfüllung eines Produktionsplans zum Unternehmenserfolgsziel wird von der Effizienz des Produktionssystems beschränkt (doing the things right, Drucker 1963). Da mit der Vorgabe eines Produktionsplans der geforderte Output des Produktionssystems typischerweise vorgegeben ist (z.  B.  Produktionsmenge Mai: 10.000 Stück), kann auf die Erfüllung des Minimalprinzips (Sparsamkeit, Vermeidung von Verschwendung, siehe ­ Abschn. 1.1) fokussiert werden: Das operative Produktionsmanagement trägt dem Unternehmenserfolg also bei, wenn es dafür sorgt, dass das Produktionssystem den geforderten Output mit dem dafür minimal nötigen Input erzeugt (siehe Zusatzinformation „Effektivität und Effizienz“). Dieses Streben – „mache das System so effizient als möglich“ – wird in allgemeiner Form auch mit dem Begriff der Rationalisierung umschrieben (Schneider 1996). Zur Messung der Effizienz (häufig auch: Produktivität) wird der erreichte Output (z. B. Stück) in das Verhältnis zum dafür benötigten Input (z. B. Stück, Liter, Kilogramm, Maschinenstunden, Mannstunden etc.) gesetzt. Je größer das Verhältnis, desto weniger Input wurde für die Erzeugung des Outputs benötigt. Effizienz =

Ist − Output ( Menge )

Ist − Input ( Menge )

(1.5)

26

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Effektivität und Effizienz

Ein Produktionssystem, das einen Produktionsplan erfüllt und dabei die minimal nötige Inputmenge (z. B. Rohstoffe, Arbeitsstunden, Maschinenstunden) benötigt, ist sowohl effektiv als auch effizient. Ein Produktionssystem, das seinen Produktionsplan erfüllt, dabei jedoch übermäßig viel Input verbraucht, ist zwar effektiv, aber nicht effizient. Dieser übermäßig hohe Verbrauch kann bspw. auf Verschwendung (von Material, Arbeitsstunden, Energie etc.) zurückgeführt werden. Dies schränkt die Rentabilität des Produktionssystems ein: Die Stückkosten des erzeugten Outputs steigen, die Gewinnmarge wird dadurch eingeschränkt. Ein Produktionssystem, das zwar mit der minimal nötigen Inputmenge arbeitet, aber seinen Produktionsplan nicht erfüllt, ist effizient, aber nicht effektiv. Als Beispiel hierfür mag ein Produktionssystem gelten, das sehr wenige, aber dafür hocheffizient arbeitende Maschinen besitzt (bspw. sehr niedriger Grad an Verschnitt). Auch wenn die hergestellte Outputmenge ohne Verschwendung erzeugt wurde, so genügt sie nicht, um den Plan zu erfüllen. Auch dies schränkt die Rentabilität des Produktionssystems ein: Die Stückkosten des erzeugten Outputs sind zwar niedrig, es hätten jedoch mehr Stück abgesetzt werden können – es ist Umsatz verloren gegangen. Ein Produktionssystem, das weder effektiv noch effizient arbeitet, erfüllt nicht die Mengenvorgaben und verschwendet überdies noch Inputmengen. Die Rentabilität des Produktionssystems wird somit sowohl absatzmengen- als auch stückkostenmäßig eingeschränkt. Weitere typische Zielgrößen Wenngleich mit der Effektivität und Effizienz die grundlegenden Kennzahlen beschrieben sind, so finden wir im operativen Produktionsmanagement eine Reihe von weiteren Kennzahlen. Diese Kennzahlen könnten unter Effektivität und Effizienz subsumiert werden. Da sie aber typische Gestaltungsrichtungen in der Praxis abbilden, haben sie sich als quasi eigenständige Zielgrößen etabliert (Kahle 1996). Im Verlauf von Kap. 2 und 3 werden wir des Öfteren auf diese Größen stoßen. Rüstkosten Rüstkosten sind diejenigen Kosten, die dadurch entstehen, dass ein Arbeitssystem für die Produktion eines Fertigungsauftrages vorbereitet wird. Dies umfasst bspw. Tätigkeiten wie die Grundeinstellung der Maschine für den Auftrag, das Anbringen von Werkzeugen und Vorrichtungen, die Reinigung und den maschinellen Anlauf (Wiendahl 2014, S. 213). Günstig ist es, wenn Maschinen so selten als möglich umgerüstet werden müssen. Dies, so werden wir in Abschn. 3.3.5.3 sehen, ist unter anderem eine Frage guter Losgrößenplanung. Bestände Als Bestand wird der Vorrat an Rohstoffen, Halbfertigprodukten, Hilfsstoffen etc. beschrieben, der zu einem bestimmten Zeitpunkt im Unternehmen vorhanden ist. Vorräte

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

27

sichern gegen Schwankungen (z. B. saisonale Nachfrageschwankungen oder Lieferengpässe), erzeugen jedoch auch Bestandskosten. Eine typische Zielrichtung des Produktionsmanagements ist es daher, Bestände auf einem geringen Niveau zu halten. Diese Bestandskosten bestehen zum einen aus den Kosten, die für die physischen Lagerbestände aufgebracht werden müssen (z. B. Kosten für Ein- und Auslagerungsaktivitäten, Versicherungen, Lagerhallen, Energie). Zum anderen umfassen sie Opportunitätskosten (Abschn. 1.4.2), da für die Beschaffung bzw. Produktion der Bestände Material und Arbeitskraft aufgewandt wurde, die nicht mehr anderweitig „investiert“ werden kann (siehe Zusatzinformation „Kapitalbindungskosten in der Produktion“).

Kapitalbindungskosten in der Produktion

In Ergänzung zur Erklärung von Opportunitätskosten in Abschn. 1.4.2 soll an dieser Stelle noch einmal dezidiert auf den Begriff der Kapitalbindung eingegangen werden. Inhaltlich überschneidet sich dieser mit dem Begriff der Opportunitätskosten. In einem Unternehmen ist Kapital in Anlage- und Umlaufvermögen gebunden. Zum Anlagevermögen zählen z. B. Gebäude, Maschinen, Grundstücke, langfristige Finanzanlagen etc. Zum Umlaufvermögen gehören unter anderem eingelagerte Roh-/Hilfs-/Betriebsstoffe, Halbfertigprodukte, das sich momentan in Bearbeitung befindende Material (Work-In-Process) und Fertigprodukte. Wird im operativen Produktionsmanagement das Ziel verfolgt, eine geringe Kapitalbindung zur Vermeidung von Opportunitätskosten zu erreichen, so liegt der Fokus insbesondere auf der Reduktion des Umlaufvermögens, da über die Zusammensetzung des Anlagevermögens auf lange Frist im Rahmen des strategischen und taktischen Produktionsmanagements entschieden wird. Am Beispiel der Bestandskosten von Fertigprodukten (hier: „MyPhones“) soll gezeigt werden, wie Kapitalbindungskosten berechnet werden können (Abb. 1.12). Angenommen, es werden zehn fertiggestellte MyPhones für zwei Monate auf Lager genommen, bevor sie ausgeliefert werden. Wird weiterhin angenommen, dass ein monatsbezogener ZinsWACC von 2  % und ein Produktwert zu Herstellkosten von 100 Euro pro Stück gelten, dann ergeben sich Kapitalbindungskosten in Höhe von 40 Euro (vgl. Abb. 1.12). Um diese Kosten zu senken, kann das operative Produktionsmanagement an den einzelnen Kostentreibern Bestandsmenge/-dauer/-wert ansetzen: • Ein Absenken der Höhe der Bestände kann bspw. durch eine Reduktion der Losgröße herbeigeführt werden (siehe hierzu dann später Abschn. 3.3.5.3). • Zur Verkürzung der Bestandsdauer kann bspw. versucht werden, den Fertigungstermin später zu legen (siehe hierzu dann später Abschn. 3.3.6). • Die Reduzierung des Bestandswerts kann bspw. durch den Versuch der Materialstandardisierung herbeigeführt werden (siehe hierzu dann später Abschn. 2.4.2.1).

28

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Kapitalbindung

Anlagevermögen

Umlaufvermögen Roh-/Hilfs/Betriebsstoffe Halbfertigprodukte Work-inProcess Fertigprodukte (Beispiel: „Myphones“) …

Bestandskostentreiber

Beispielrechnung für „Fertigprodukte“

Bestandsmenge

10 Stück

Bestandsdauer

2 Monate auf Lager

Bestandswert

100 € HK / Stück ZinsWacc von 2 % / Monat

BestandkostenFertigprodukte= = 10 Stk * 2 Monate * 100 €/Stk * 2 % / Monat = = 2000 € * 2 % = = 40 €

Abb. 1.12  Rechenbeispiel zur Ermittlung von Kapitalbindungskosten (eigene Darstellung)

Durchlaufzeiten Die Durchlaufzeit ist die Zeit, die zwischen dem Erhalt und der Fertigstellung eines Produktionsauftrages vergeht (Stommel und Kunz 1973, S. 6; Reichwald und Sachenbacher 1996; Zäpfel 1982, S. 222). Geringe Durchlaufzeiten machen (1) das Unternehmen aus Kundensicht attraktiver – dies kann einen Einfluss auf die zukünftige Nachfrage haben. Sie sorgen (2) auch dafür, Bestandskosten zu senken, da das Material schneller durch das Unternehmen „wandert“ und es wieder „verlässt“. Auf den Begriff der Durchlaufzeiten wird in Abschn. 3.3.6.2 noch näher eingegangen. Das operative Produktionsmanagement im Du-Pont-Schema Ausgangsüberlegung Die Wirkung von Maßnahmen im operativen Produktionsmanagement können über das Du-Pont-Schema (Abschn. 1.4.2) visualisiert werden. Dadurch wird ihr Wirkungsweg in anschaulicher Weise klar. Im Folgenden werden wir im Vergleich zu Abb. 1.5 eine kleine Anpassung des Du-Pont-Schemas vornehmen. Diese Anpassung ist nötig, da das operative Produktionsmanagement – verglichen mit dem strategischen und taktischen Produktionsmanagement – in seinem Handlungsfeld vergleichsweise eingeschränkt ist. Dies wurde in Abschn. 1.4.4 gezeigt: Das operative Produktionsmanagement führt das aus, was vorher

1.4  Vom Ziel des Unternehmens zu den Zielen des operativen…

29 Materialeinzelkosten / Stück Materialgemeinkosten / Stück

Menge Deckungsbeitrag

x

Gewinn in % des Umsatzes

: Umsatz

Gewinn in % des invest. Kapitals

Fixe Kosten

-

Deckungsbeitrag / Stück

Gewinn

=

Produktfixe Kosten

Fertigungseinzelkosten / Stück

Erlös / Stück

Fertigungsgemeinkosten / Stück

Variable Kosten / Stück

+

Bereichsfixe Kosten

+

Unternehmensfixe Kosten

x Rohmaterial

Umsatz Kapitalumschlag

: Investiertes Kapital

Umlaufvermögen

=

Zahlungsmittel

+

Forderungen

=

Immobiles Anlagevermögen

+

Mobiles Anlagevermögen

+ Anlagevermögen

+

Bestände

Halbfertigprodukte

Fertigprodukte

Abb. 1.13  Das Du-Pont-Schema im operativen Produktionsmanagement (in Anlehnung an Horváth et al. 2015, S. 292; Otto 2010)

im strategischen und taktischen Produktionsmanagement festgelegt worden ist. Um eine realitätsnähere visuelle Darstellung der Wirkung des operativen Produktionsmanagements auf den Unternehmenserfolg herzustellen, muss das Du-Pont-Schema daher angepasst werden (Abb. 1.13, Otto 2010). Einfluss auf den Deckungsbeitrag Im oberen Ast des Du-Pont-Schemas konzentriert sich das operative Produktionsmanagement auf den erzielten Deckungsbeitrag, da die fixen Kosten (bspw. Kosten für Werke, Manager, Anlagen etc.) von ihm weitestgehend nicht beeinflussbar sind. Beispielsweise kann der Einfluss einer kleineren Losgröße auf den ROI untersucht werden: Reduziert sich die Losgröße, d. h. die Anzahl der Produkte, die zwischen zwei Maschinenrüstvorgängen gemeinsam produziert werden, dann müssen die Maschinen häufiger umgerüstet werden. Dies hat höhere Rüstkosten und damit höhere Fertigungsgemeinkosten zur Folge. Diese verringern wiederum den Deckungsbeitrag pro Stück und somit den Gewinn und den ROI. Einfluss auf Bestände Im unteren Ast des Du-Pont-Schemas beschränkt sich der Wirkungsbereich des operativen Produktionsmanagements maßgeblich auf die Höhe der vorhandenen Bestände: Werden bspw. weniger Rohstoffe auf Lager genommen, so sinkt die Höhe des Umlaufvermögens. Ceteris paribus führt dies zu einem geringeren Niveau an eingesetztem Kapital  – der ROI steigt.

30

1  Grundlagen der Produktionswirtschaft

Bewertung einzelner Maßnahmen des operativen Produktionsmanagements

Mithilfe des angepassten Du-Pont-Schemas (Abb.  1.13), der Kybernetik (Abschn. 1.4.3) und dem Verständnis um Effektivität und Effizienz (Abschn. 1.4.5) können alle im weiteren Verlauf des Buches beschriebenen Konzepte hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Unternehmenserfolgsziel (Abschn. 1.4.2) verstanden und beschrieben werden. Während der Lektüre wird daher empfohlen, immer wieder die folgenden Fragen zu stellen und zu beantworten: • Welche Stellgrößen werden im aktuell gelesenen Abschnitt beschrieben? Welche Ausprägungen können diese Stellgröße annehmen? • Beeinflusst die Stellgröße die Effizienz und/oder die Effektivität des Produktionssystems? Wie und in welchem Umfang? • Welche Regelgrößen melden die Güte der Entscheidung über die Ausprägung einer Stellgröße? • Über welche Wirkungszusammenhänge (Du-Pont-Schema) beeinflusst die Entscheidung über die Ausprägung der Stellgröße die Rentabilität des Unternehmens?

2

Produktionsfaktoren

2.1

Systematisierung von Produktionsfaktoren

In einem industriellen Betrieb werden Produktionsfaktoren kombiniert, um Güter zu erzeugen. Im Folgenden werden diese Produktionsfaktoren wie folgt klassifiziert und beschrieben (Abb. 2.1, Gutenberg 1973, S. 2–5; Beuermann 1996): • Mensch: Menschliche Arbeitsleistung, d. h. körperliche und geistige Arbeit pro Zeiteinheit. • Betriebsmittel: All diejenigen Mittel, die die Funktion des Produktionssystems ermöglichen, bspw. Maschinen, Werkzeuge und Vorrichtungen, aber auch Grundstücke, Gebäude, Büroeinrichtungen etc. • Material (auch: Werkstoffe): All diejenigen Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, wie bspw. Holz, Metall, Draht, Schrauben, Strom und Reinigungsmittel, die im Rahmen des Transformationsprozesses verarbeitet werden. • Dispositiver Faktor (auch: Geschäfts- und Betriebsleitung): Diejenige Instanz im Betrieb, die auf Basis vielfältiger Informationen und Informationssystemen die Planung und Steuerung der Kombination der anderen Produktionsfaktoren vornimmt. Es ist offensichtlich, dass diese Faktoren höchst unterschiedlicher Natur sind. Beispielsweise fließt der dispositive Faktor nicht direkt in das produzierte Gut ein – er ist jedoch nötig, um eine planvolle Durchführung der Produktion zu ermöglichen. Ziel dieser Planung ist die Verfolgung verschiedener Ziele sowie ihrer Kennzahlen, wie es in Abschn. 1.4 besprochen wurde. Im Verlauf von Kap. 3 werden wir sehr genau sehen, welche Aufgaben die Geschäfts- und Betriebsleitung im operativen Produktionsmanagement zu bewältigen hat (Produktionsplanung und -steuerung).

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 F. Kellner et al., Produktionswirtschaft, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61446-4_2

31

32

2 Produktionsfaktoren

Produktionsfaktoren

Elementarfaktoren

Dispositiver Faktor Information

Potenzialfaktoren

Mensch

Betriebsmittel

Durchführung der Produktion

Repetierfaktoren

Material

Planung und Steuerung der Produktion

Abb. 2.1  Gliederung der Produktionsfaktoren (nach Corsten und Gössinger 2016, S. 7; Otto 2010; Zäpfel 1982, S. 3)

In diesem Kapitel werden wir für die Diskussion des dispositiven Faktors daher nicht auf die Tätigkeit des Planens und Steuerns eingehen, sondern uns stattdessen fragen, welche Informationen (bspw. Leistungs-, Personal-, Produkt-, Maschinendaten etc.) für ein planvolles Vorgehen nötig sind und wie diese in Industriebetrieben gespeichert werden (zu diesem Fokus sei auf Otto 2010 verwiesen). Abschn. 2.5 bietet hierfür einen Einblick (vgl. auch Mellerowicz 1968, S. 307–310). Im Gegensatz zum dispositiven Faktor sowie der ihm hier zugewiesenen Grundlage „Information“ sind Menschen, Betriebsmittel und Werkstoffe die Elementarfaktoren der Produktion. Aus der Kombination menschlicher Arbeitskraft, den zur Verfügung stehenden Betriebsmitteln sowie den nötigen Materialien geht das physische Erzeugnis hervor. Dies gilt sowohl für das vergleichsweise einfache Arbeitssystem eines Lehrlings, der mit Handwerkzeugen an einer Werkbank arbeitet, als auch für eine hochmoderne robotisierte Transferstraße, in welcher Autokarosserien zusammengefügt werden. Mit etwas genauerem Blick wird innerhalb der Elementarfaktoren eine weitere Unterscheidung sichtbar: Während der Faktor Material über einen einzelnen Produktionsprozess hinweg aufgezehrt wird – bspw. gehen Holzlatten und Nägel in das fertige Möbelstück ein und sind danach nicht mehr verfügbar –, werden die menschliche Arbeitsleistung sowie die verwendeten Betriebsmittel für viele Wiederholungen eines Produktionsprozesses eingesetzt. Ihr Produktionspotenzial bleibt durch gegensteuernde Maßnahmen (bspw. Pausen, Erholungszeiten, Urlaub bei Mitarbeitern sowie Wartung bei Betriebsmitteln) über eine lange Zeit und über viele Produktionsprozesse hinweg erhalten. Der Produktionsfaktor „Material“ ist somit ein sogenannter Repetierfaktor (auch: Verbrauchsfaktor), die menschliche Arbeitsleistung und die Betriebsmittel hingegen Potenzialfaktoren (auch: Bestandsfaktoren). Bevor in Kap. 3 die Planung und Steuerung der Produktion, d. h. die Kombinationsprozesse dieser Faktoren, besprochen wird, ist es lohnenswert, die Produktionsfaktoren im

2.2  Produktionsfaktor Mensch

33

Einzelnen näher zu beleuchten. Jeder Faktor kann nämlich per se „bewirtschaftet“ werden, um die Effizienz seines Einsatzes zu gewährleisten. Abschn. 2.2, 2.3, 2.4 und 2.5 sind somit mit der Intention verfasst, dem Leser verschiedene Möglichkeiten des „Managements“ der Produktionsfaktoren Mensch, Betriebsmittel, Material und Information aufzuzeigen.

2.2

Produktionsfaktor Mensch

2.2.1 M  enschliche Arbeitsleistung: Leistungsfähigkeit und -bereitschaft 2.2.1.1 Der Mensch im Industriebetrieb Die menschliche Tätigkeit bei der Erzeugung von Gütern für den Eigen- und Fremdbedarf ist ein grundlegender Bestandteil von Produktionssystemen, industriellen Betrieben und ganzen Gesellschaften. Der Umfang und Inhalt der Tätigkeiten, die der Mensch in einem Produktionssystem im Einzelnen ausführt, sowie die Arbeitsrahmenbedingungen (Arbeitszeiten, Pausen, Urlaub, Versicherungen, Löhne etc.) haben sich seit Beginn der Industrialisierung stark geändert. In den früheren industriellen Betrieben waren vor allem körperliche Ausdauer, Kraft und Geschick nötig, um die notwendigen Arbeitsgänge in der verlangten Menge in der vorgegebenen Arbeitszeit durchzuführen. Fabrikarbeiter wurden bezahlt, um größtenteils handwerkliche Vorgänge in hoher Wiederholungszahl über lange Arbeitszeiten hinweg zu tätigen. Mit der Verbesserung von Produktionstechnologien im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden mehr und mehr der redundanten, „geistlosen“, manuellen und schweren Arbeiten von Maschinen übernommen. Die Tätigkeiten des Menschen wandelten sich dahin, als „geistvoller“ Mensch „mit“ den Maschinen zu arbeiten. Um ein wettbewerbsfähiges Produktionssystem zu erhalten, hat das strategische Personalmanagement (im Rahmen der Personalwirtschaft, vgl. Abschn. 1.2), d. h. die Auswahl und Weiterbildung von Mitarbeitern, eine hohe Bedeutung erlangt (Becker 1996; Weber 1996; Kupsch und Marr 1991). Für die Zwecke dieses Buches nehmen wir eine vereinfachte Sichtweise an: Im operativen Produktionsmanagement sind wir daran interessiert, die Arbeitsleistung unserer Mitarbeiter, d. h. die Menge bestimmter Arbeitstätigkeiten pro Zeiteinheit, zu erhöhen. Hierfür fokussieren wir auf die dafür maßgeblichen intrapersonellen Determinanten: Die Leistungsfähigkeit und die Leistungsbereitschaft der Mitarbeiter (Pfeiffer et al. 1977, S. 19). 2.2.1.2 Leistungsfähigkeit Allgemeines Die Leistungsfähigkeit umfasst das Können eines Mitarbeiters, d. h. das theoretisch maximale Potenzial seiner Fähigkeiten (Luczak 1998, S. 193–194; Pfeiffer et  al. 1977, S. 19–21). Die Leistungsfähigkeit ist dem Unternehmen zunächst durch zwei Faktoren vorgegeben, d. h. generell nicht beeinflussbar:

34

2 Produktionsfaktoren

1. Veranlagung des Mitarbeiters (Luczak 1998, S. 255–266): Ein athletischer Mensch wird weniger Probleme mit körperlicher Arbeit haben als ein körperlich schwach veranlagter Mensch. 2. Berufliche Ausbildung des Mitarbeiters: Ein ausgelernter Zerspanungstechniker wird ein anderes fertigungsbezogenes Wissen vorweisen können als ein Abiturient. Die Leistungsfähigkeit wird im Laufe der Anstellung durch tätigkeitsbezogenes Lernen und Übung sowie durch betriebliche Schulung erweitert (Weiß und Zedler 1996; Pfeiffer et al. 1977, S. 21–33). Je häufiger ein Mitarbeiter eine bestimmte Tätigkeit durchführt, desto geschickter wird er darin (siehe Zusatzinformation „Tätigkeitsbezogenes Lernen“). Stellen wir uns aus produktionswirtschaftlicher Sicht also die Frage, was wir tun können, um die Arbeitsleistung der Mitarbeiter zu steigern, so könnte unsere erste Schlussfolgerung lauten: „Kümmere dich darum, dass du (1) die richtigen Mitarbeiter (Veranlagung, Ausbildung) einstellst und (2) sie im Betrieb ordentlich ausbildest und schulst.“ Tätigkeitsbezogenes Lernen

Die sogenannte Lernkurve formalisiert den Effekt von Wiederholung und Übung auf die Leistungsfähigkeit: Mit steigender Anzahl der Durchführung sinken Fertigungszeiten/-kosten, Fehlerquoten, die Wahrscheinlichkeit von Qualitätsmängeln etc. (Abb. 2.2). Üblicherweise wird davon ausgegangen, dass mit jeder Verdoppelung der kumulierten Produktionsmenge die Stückkosten um einen konstanten Prozentsatz abnehmen. Der Lerneffekt hat zu Beginn der Aufnahme einer neuen Tätigkeit, der sogenannten Anlaufphase, seine stärkste Ausprägung – danach nimmt er stetig ab (Mochty 1996; Pfeiffer et al. 1977, S. 28–29; Reichwald und Dietel 1991, S. 415–416). Kosten

Stückkosten Kumulierte Produktionsmenge Anlaufphase

Abb. 2.2  Lernkurve: Zusammenhang von Stückkosten und kumulierter Produktionsmenge (Pfeiffer et al. 1977, S. 29)

2.2  Produktionsfaktor Mensch

35

Höchst- und Dauerleistungsfähigkeit Eine etwas feinere Unterscheidung der Leistungsfähigkeit erhalten wir, wenn wir die Begriffe Höchst- und Dauerleistungsfähigkeit einführen (Günther und Tempelmeier 2012, S. 123; Hammer 1977, S. 257): Die Höchstleistungsfähigkeit beschreibt das Höchstmaß an Arbeitsleistung, das ein Mitarbeiter für kurze Zeit erbringen kann, während die Dauerleistungsfähigkeit die Leistung beschreibt, die ein Mitarbeiter unter Berücksichtigung von Pausen über einen Arbeitstag hinweg erbringen kann (siehe Zusatzinformation „Steinkühlerpause“). Müssen bspw. kurzfristig mehrere Eilaufträge abgearbeitet werden, so wird ein Mitarbeiter für diese Zeit seine Höchstleistungsfähigkeit abrufen müssen  – eine andauernde Belastung auf Höchstniveau wäre aufgrund des dadurch verursachten Stresses und der körperlichen Belastung jedoch gesundheitsschädigend. Muss ein Mitarbeiter hingegen ein angemessenes Maß an Arbeit über den Tag hinweg verrichten, so greift er dabei auf seine Dauerleistungsfähigkeit zurück. Aus Sicht des operativen Produktionsmanagements sind beide Fähigkeiten wichtig: An „normalen“ Tagen soll dafür gesorgt werden, dass der Mitarbeiter seine Dauerleistungsfähigkeit abrufen kann. Hierfür werden bspw. angemessene Pausen- und Urlaubszeiten eingerichtet. Da es jedoch immer dazu kommen kann, dass Schwankungen im Produktionssystem auftreten (bspw. Nachfrageschwankung, Maschinenausfall), sollten Mitarbeiter auch Höchstleistungsfähigkeit entwickeln. Diese befähigt sie dann, die Schwankungen durch intensiveres Arbeiten auszugleichen. Steinkühlerpause

Fließband- und Akkordarbeiter haben in Baden-Württemberg seit 1973 das Recht, pro Arbeitsstunde fünf Minuten Pause zu machen. Mit der immer weiter fortschreitenden Aufteilung von Arbeitsvorgängen in kleinere Einheiten, der Rationalisierung des Arbeitsablaufs sowie der konsequenten Arbeitsüberwachung sollte die Einführung dieser Pause im Rahmen des Lohnrahmentarifvertrags II einen Beitrag zur Humanisierung des Arbeitslebens leisten. Benannt wurde die Pause nach dem damaligen IG-Metall-Vorsitzenden Franz Steinkühler. Steinkühler selbst begründet das Recht auf die fünfminütige Pause rückblickend folgendermaßen: „Wenn ein Arbeitnehmer eine teure Maschine ständig auf Verschleiß fährt, handelt er sich eine Verwarnung oder gar eine Entlassung ein. Aber die Maschine kann man ersetzen und die Kosten sogar von der Steuer absetzen. Menschen sind keine Maschinen und doch wurden sie damals im Leistungslohn am Fließband unter hohem Leistungsdruck verschlissen.“ (IG Metall-Vorstand 2006, S. 3)

Nach den Ausführungen der IG Metall helfen Kurzpausen, die Risiken für Muskel- und Skeletterkrankungen, Herz-Kreislauf-Beschwerden und psychische Erkrankungen zu verringern und die Produktivität des einzelnen Arbeiters über den Tag hinweg aufrechtzuerhalten. Langfristig sollten also auch die Unternehmen von

36

2 Produktionsfaktoren

dieser Regelung profitieren. Dieser Meinung wird jedoch von Unternehmensseite seit Anfang der 2000er-Jahre häufig entgegengesetzt, dass die Steinkühler-Pause mit dem Rückgang der klassischen Akkordarbeit nicht mehr zeitgemäß und der Produktivitätseffekt zu gering sei. Verschiedene Unternehmen schlagen daher immer wieder vor, sie im Rahmen von Sparmaßnahmen zu streichen – und treffen damit auf den Widerstand ihrer Betriebsräte. Die Steinkühler-Pause, die ihrerseits einem Konflikt entsprang, und seither immer wieder zu neuen Debatten über ihre Effekte geführt, zeigt, dass die Lenkung eines Produktionssystems immer den Spagat zwischen den unternehmensübergreifenden Zielen und den Bedürfnissen der Arbeiterschaft versuchen muss. Quellen: IG Metall-Vorstand (2006); Deutsche Presse-Agentur (dpa) (2014); manager magazin (2014); Doll (2014); ntv (2014)

2.2.1.3 Leistungsbereitschaft Allgemeines Im Gegensatz zur Leistungsfähigkeit umfasst die Leistungsbereitschaft das Wollen eines Mitarbeiters, Leistungen zu erbringen. Sie kann ihrerseits in die physische, d. h. körperbezogene Bereitschaft und die psychische, d. h. geistige Bereitschaft unterteilt werden (Pfeiffer et al. 1977, S. 38–55; Hammer 1977, S. 257). Physische Leistungsbereitschaft Die physische Bereitschaft beschreibt alle physiologisch-bedingten Faktoren, die die Arbeitsleistung eines Menschen verändern. Sie umfasst zunächst die Tagesrhythmik eines Mitarbeiters (Abb. 2.3): Die Arbeitsleistung eines Mitarbeiters schwankt aufgrund der physiologischen Gesetzmäßigkeiten der Energiezufuhr und -abgabe. Die in Abb. 2.3 abgebildete Leistungsbereitschaft kann sich dann bspw. auf das Qualitätsniveau, den Mengenoutput, die Fehleranzahl etc. beziehen. Der in der Tagesrhythmikkurve abgebildete Abfall nach 12 Uhr bezieht sich bspw. auf den Effekt, den eine Mittagspause auf die Leistungsbereitschaft hat. Wenn ein Mensch Nahrung zu sich nimmt, so muss sein Körper diese erst verarbeiten, bevor er wieder Energie für äußere Arbeit aufwenden kann – ist der Körper nach einer reichhaltigen Mahlzeit damit beschäftigt, Stoffwechselarbeit zu betreiben, so sinkt das Leistungsniveau für äußere Arbeit (Pfeiffer et  al. 1977, S. 38–40; Luczak 1998, S. 231–236; Hammer 1977, S. 258). Neben der natürlichen Tagesrhythmik bemisst sich die physische Leistungsbereitschaft zum anderen auch am Grad der Ermüdung. Ermüdung kann in verschiedener Form auftreten (im Folgenden: Pfeiffer et al. 1977, S. 40–43; Luczak 1998, S. 280). Die biologische Ermüdung tritt leistungsunabhängig nach einer gewissen Zeit des „Wach-Seins“ auf – da die meisten Menschen tagsüber wach sind und in der Nacht schlafen, steigt der Grad der Ermüdung bis in die späten Abendstunden: Die Leistung nimmt ab.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

37

Arbeitsleistung

Normalleistung

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

2

4

6

Uhr

Abb. 2.3  Idealisierte Tagesrhythmikkurve (nach Graf 1954)

Die arbeitsbedingte Ermüdung entsteht hingegen aufgrund des während der Arbeit erhöhten Energieverbrauchs. Häufig fallen biologische und arbeitsbedingte Ermüdung zusammen: Steht bspw. ein Schichtarbeiter um 8:00 Uhr in der Früh auf und muss zur Spätschicht um 14:00 Uhr erscheinen, um daraufhin bis 22:00 Uhr schwere Arbeiten zu verrichten, so wird er bis zum Ende des Tages einen hohen Grad der Ermüdung verspüren. Ermüdungsphasen, die noch in der Arbeit auftreten, senken die Leistung: Die Konzentration sinkt, Arbeitsgänge werden langsamer, Handgriffe werden schwerfälliger und ungenauer, die Frequenz von Pausen zum „Durchschnaufen“ erhöht sich, die Schwierigkeit, die Augen offen zu halten, steigt etc. Die Antriebsermüdung ist eng mit der im nächsten Abschnitt thematisierten psychischen Leistungsbereitschaft verbunden. Auch ihr Auftreten senkt die Leistung: Sie äußert sich im Empfinden von Langeweile, Überdruss und in einem nachlassenden Willen, sich mit der Arbeit zu beschäftigen. Typische Resultate der Antriebsermüdung sind das Plaudern mit den Kollegen, die Suche nach Ablenkung oder das „Vor-sich-hin-träumen“. Die physische Leistungsbereitschaft lässt sich bspw. mit einer geeigneten Pausen- und Erholzeitregelung (Pfeiffer et al. 1977, S. 126–137; Luczak 1998, S. 285–288) sowie arbeitsbereichernden Maßnahmen – es sei auf die in Abschn. 2.2.2 thematisierten Konzepte des Job Enlargements, Job Enrichments und der Job Rotation verwiesen  – aufrechterhalten. Psychische Leistungsbereitschaft Die psychische Leistungsbereitschaft hängt vom Leistungswillen eines Mitarbeiters ab (Pfeiffer et  al. 1977, S. 43). Die psychische Leistungsbereitschaft kann daher auch mit dem Begriff der Motivation gleichgesetzt werden. Motivation ist ein aktivierender Prozess, der zur Bereitschaft führt, ein unbefriedigtes Bedürfnis durch die Äußerung geeigneter Handlungen zu stillen (Wiswede et al. 2004, S. 388).

38

2 Produktionsfaktoren

Dieser Definition folgend wird ein Mitarbeiter dann Leistung erbringen, wenn ihm dies hilft, seine Bedürfnisse zu befriedigen. Diese Bedürfnisse können vielfältiger Natur sein. Beispielsweise können wir physiologische Bedürfnisse, soziale Bedürfnisse, monetäre Bedürfnisse etc. stillen wollen. Ist es einem Mitarbeiter nicht möglich, sein individuelles „Bedürfnis-Set“ durch Handlungen im Rahmen seiner Arbeit zu stillen, so wird seine Arbeitsleistung sinken – er ist dann nicht motiviert, Leistung zu erbringen. Intuitiv ist dieser Gedanke, wenn man sich vorstellt, welche Konsequenzen eine Lohnsenkung oder gar -streichung auf den Leistungswillen von Mitarbeitern hätte. Aber auch die Nicht-Erfüllung sozialer Bedürfnisse kann Einfluss auf den Leistungswillen eines Mitarbeiters nehmen: Muss bspw. ein extrovertierter und geselliger Mensch den Großteil seiner Arbeitszeit in stiller Einzelarbeit verbringen, so mag es sein, dass er seiner Anstellung über die Zeit hinweg eine immer negativere affektive Komponente zuordnen wird  – er verbleibt dann vielleicht nur aufgrund der Erfüllung seiner monetären Bedürfnisse. Seiner Leistung ist die Einzelarbeit jedenfalls nicht zuträglich. Das Zusammenspiel von Bedürfnissen, Antrieb und Handlungen erzeugt die Notwendigkeit für das operative Produktionsmanagement, die Bedürfnisse der Mitarbeiter aktiv zu ermitteln und zu berücksichtigen.

2.2.2 Arbeitsrahmenbedingungen Abschn. 2.2.1 hat gezeigt, dass aus Sichtweise des Managements die Aufgabe besteht, solche Arbeitsrahmenbedingungen zu schaffen, die die Leistungsfähigkeit sowie die physische und psychische Leistungsbereitschaft der Mitarbeiter aufrechterhalten und gegebenenfalls erhöhen. Dieses Streben wird in der Literatur auch als Arbeitsgestaltung bezeichnet (Hammer 1977, S. 253). Wie sich die Arbeitsgestaltung über die Zeit hinweg entwickelt hat und welche Methoden dem operativen Produktionsmanagement zur Verfügung stehen, ist Inhalt der folgenden Abschnitte (zur inhaltlichen Einteilung im Folgenden vgl. Otto 2010).

2.2.2.1 Vom mechanistischen Grundmodell zu modernen Arbeitswissenschaften Scientific Management Einführung Schon seit der Frühzeit der Menschheit und besonders seit dem Zeitalter der Industrialisierung haben sich Menschen Gedanken darüber gemacht, wie Organisationen und Betriebe i. w. S. zu organisieren und zu führen sind. Eine äußerst lesenswerte Darstellung der historischen Entwicklung hierzu gibt Kieser (2019), auf den für die folgenden Abschnitte auch verwiesen werden soll. Als Geburtsstunde moderner Managementpraktik und systematischer Arbeitsgestaltung gilt die Herangehensweise des US-amerikanischen Ingenieurs und Unternehmers Frederick W.  Taylor (1856–1915). Neben verschiedenen ingenieurwissenschaftlichen

2.2  Produktionsfaktor Mensch

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Leistungen war Taylor der erste Unternehmer, der explizit das Ziel verfolgte, den indus­ triellen Betrieb auf Basis wissenschaftlicher Beobachtungen zu leiten. Diese Herangehensweise wird als Scientific Management bezeichnet (oft auch synonym: Taylorismus). Der taylor'sche Manager ist der erste Managertypus, der durch eine analytische Betrachtung „seines“ Produktionssystems versucht, arbeitsgestaltende Maßnahmen zur Erhöhung der Produktivität zu entwickeln („Arbeiter und Maschine müssen ihre höchste Ergiebigkeit, ihren höchsten Nutzeffekt (erreichen)“, Taylor 1917, S. 10). Zuvor gab es lediglich erfahrungsbasierte „Lehren guter Praxis“ in der Betriebsführung (Kieser 2019). Zwei Eigenschaften beschreiben die Denkweise des Scientific Management recht anschaulich (Pfeiffer et al. 1977, S. 44; Corsten und Gössinger 2016, S. 293): • Arbeiter sollen lediglich physische Tätigkeiten durchführen. Manager i. w. S. sollen lediglich die Durchführung der Arbeit planen und gestalten. • Arbeiter werden lediglich durch das Streben nach Entlohnung motiviert („Homo oeconomicus“). Die Reduzierung des Arbeiters auf dessen monetäre Bedürfnisse sowie auf dessen physische Tätigkeit wird als mechanistische Sichtweise bezeichnet (Kupsch und Marr 1991, S. 731–733). Diese Sichtweise galt bis in die 1940er-Jahre als die dominante Sichtweise auf die Managementpraktik. Erst mit dem Aufkommen der Human-Relations-Bewegung, der wir uns später noch zuwenden, der Rezeption von Motivationstheorien und der Entwicklung moderner Arbeitswissenschaften, wurde diese Sichtweise angepasst und stellenweise ersetzt. Indes muss klar darauf hingewiesen werden, dass die grundsätzlichen Ideen des Taylorismus, wie sie im Folgenden noch besprochen werden, sich heute noch wiederfinden lassen. Arbeitsgestaltung im Scientific Management In akribischen Zeit- und Arbeitsstudien nahm Taylor die Bewegungen und Tätigkeiten von Mitarbeitern auf, änderte sie experimentell und beobachtete den Effekt. Bei diesen Untersuchungen wurde unter anderem der Suche nach der besten Arbeitsmethode große Beachtung geschenkt. Hier  formulierte Taylor die These, dass es für jeden Arbeitsgang die Arbeits-­Best-Methode gäbe, die der Manager zu ermitteln und zu implementieren hätte. Dies führte auf operativer Ebene zu einem hohen Detailgrad der Beobachtung und des Experimentierens: Beispielsweise  suchte Taylor nach der optimalen Schaufelblattgröße für die Durchführung von Schipparbeiten (Taylor 1917, S. 68–71). Zwei weitere Elemente des Taylorismus stellen gegenüber der davor maßgeblich handwerklich geprägten Arbeitstradition eine große Änderung dar: • Es wurde nach größtmöglicher Zergliederung der Arbeitsschritte gestrebt (sinngemäß: „Mitarbeiter 1 fertigt Komponente A, Mitarbeiter 2 fertigt Komponente B, Mitarbeiter 3 montiert A und B“). Wo früher der einzelne Mitarbeiter das gesamte Produkt gefertigt hat, sollten sich nun die Mitarbeiter durch Fokussierung und Übung auf kleine

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2 Produktionsfaktoren

Arbeitsschritte spezialisieren. Damit wird an den Gedanken der tätigkeitsbezogenen Übung angeknüpft, den wir bereits in Abschn. 2.2.1.2 kennengelernt hatten. Die Atomisierung von Arbeitsschritten wird auch mit dem Begriff der Artenteilung beschrieben. In Abschn. 2.2.2.2 gehen wir erneut auf sie ein. • Auch die Einführung von Einzelarbeitsplätzen war eine bedeutende Neuerung. Zuvor galt es als selbstverständlich, dass Mitarbeiter während der Arbeit viel miteinander gesprochen haben. Diese Unterhaltungen waren jedoch laut Taylor produktivitätssenkend und wurden durch Einzelarbeitsplätze verhindert. Hinsichtlich der Gestaltung der psychischen Leistungsbereitschaft der Mitarbeiter gilt im taylor'schen Scientific Management die Sichtweise „Je mehr Leistung, desto mehr Lohn“. Diese Orientierung kam dann durch den dadurch erstmalig populär werdenden Einsatz des klassischen Akkordlohns zur Geltung: Mitarbeiter erhielten pro erzeugtem Stück eine bestimmte Lohnmenge – wer viel produzierte, bekam dementsprechend auch mehr Lohn. Langsame, faule und ungeschickte Mitarbeiter wurden durch einen geringeren Lohn „bestraft“. Würde laut Taylor kein leistungsbezogener Lohn gezahlt werden, so würde der Arbeiter  einen natürlichen Hang zum „Sich-drücken-vor-der-Arbeit“ zeigen (Taylor 1917, S. 18). Dabei betonte Taylor jedoch, dass der Manager dem Arbeiter einen angemessenen hohen Akkordlohn zahlen sollte und die Arbeitsdurchführung so zu planen hatte, dass der Arbeiter seine Arbeit auf lange Sicht ohne gesundheitliche Beeinträchtigungen erfüllen kann: „Wäre es (dem Arbeiter) erlaubt worden, (seine Arbeit) ohne Anweisung und Anleitung eines der Methode Kundigen in Angriff zu nehmen, er hätte in seiner Gier, den in Aussicht gestellten Lohn zu verdienen, ohne seinen Muskeln die zu ihrer Wiederherstellung absolut notwendigen Ruhepausen zu gönnen, so ununterbrochen und angestrengt gearbeitet, dass er wahrscheinlich schon um 11 oder 12 Uhr völlig erschöpft gewesen wäre. Doch da ein Mann, der (das Gesetz der Ruhepausen) kannte, ihn tagtäglich überwachte und bei seiner Arbeit anleitete, […] war es ihm möglich, den ganzen Tag in gleichmäßigem und ruhigem Tempo ohne Übermüdung zu arbeiten.“ (Taylor 1917, S. 62).

Dieses Zitat verdeutlicht auch die taylor'sche Sichtweise auf die Trennung von körperlicher und geistiger Arbeit: Der Vorgesetzte lenkt, der Mitarbeiter führt aus. Dies führt zwangsläufig zur Anforderung, dass Mitarbeiter instruiert werden müssen, ihren Vorgesetzten strikt und ohne Widerrede zu folgen. Anschaulich wird diese Sichtweise in einem fiktiven Gespräch Taylors mit einem Arbeiter geschildert. Er stellt ihm eine höhere Entlohnung in Aussicht, wenn er den Aufforderungen des Vorgesetzten Folge leistet  – aus heutiger Sicht mag auch der Tonfall der damaligen Zeit aufschlussreich sein: „‚Wenn Sie nun eine erste Kraft sind, dann werden Sie morgen genau tun, was (der Vorgesetzte) Ihnen sagt, und zwar morgens bis abends. Wenn er sagt, Sie sollen einen Roheisenbarren aufheben und damit weitergehen, dann heben Sie ihn auf und gehen damit weiter! Wenn er sagt, Sie sollen sich niedersetzen und ausruhen, dann setzen Sie sich! Das tun Sie

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ordentlich den ganzen Tag über. Und was noch dazu kommt, keine Widerrede! ‚Eine erste Kraft‘ ist ein Arbeiter, der genau das tut, was ihm gesagt wird, und nicht widerspricht. Verstehen Sie mich?‘ […] Das scheint wohl eine etwas rauhe Art, mit jemandem zu sprechen […]. Jedoch bei einem Mann von der geistigen Unbeholfenheit unseres Freundes ist es vollständig angebracht und durchaus nicht unfreundlich, da es seinen Zweck erreichte, sein Augenmerk auf die hohen Löhne zu lenken […].“ (Taylor 1917, S. 48–49).

Mit seinen Ideen legte Taylor viele Grundsteine für die Entwicklung der modernen Betriebsführung, die auch von anderen zeitgenössischen Unternehmen schnell aufgegriffen wurden, so z. B. von Henry Ford, der Prinzipien des Taylorismus auf das Fließband übertrug (Fordismus). Kritik am Taylorismus

Durch seine klar auf Effizienz gerichtete Sichtweise der Betriebsführung und sein Verständnis des Arbeiters als „menschliche Maschine“ erntete Taylor auch Kritik aus Gesellschaft und Politik (Spitzley 1980, S. 60–99). Der Begriff des Taylorismus, der von frühen Bewunderern der wissenschaftlichen Betriebsführung als revolutionäre und positive Gestaltungsrichtung angesehen wurde, wurde daher bisweilen auch negativ konnotiert – obwohl Taylor die explizite Absicht formulierte, durch die wissenschaftliche Betriebsführung „gleichzeitig die größte Prosperität des Arbeitgebers und des Arbeitnehmers herbeizuführen und so beider Interessen zu vereinen“ (Taylor 1917, S. 7). Auch an der Wissenschaftlichkeit des Scientific Management wurde breite Kritik geäußert (Kieser 2019, S. 97–101).

Human-Relations-Bewegung Einführung Auch wenn sich der Taylorismus über lange Zeit – und bis heute noch – in der Managementdenkweise industrieller Betriebe festgesetzt hatte, so wuchs bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Erkenntnis, dass Motivation nicht allein durch das monetäre Bedürfnis, sondern durch ein vielfältiges Bündel an Bedürfnissen entsteht. Da zu diesen Bedürfnissen auch soziale Bedürfnisse gehören, wird diese Weiterentwicklung des Managementverständnisses der sogenannten Human-Relations-Bewegung zugeschrieben. Erstmals fiel die Bedeutung sozialer Bedürfnisse für die Arbeitsleistung in größerem Maße im Rahmen der sogenannten Hawthorne-Experimente auf, in denen sich zeigte, dass die Arbeitsleistung nicht nur von objektiven äußeren Arbeitsbedingungen, sondern auch in maßgeblicher Weise durch soziale Faktoren, maßgeblich die informelle Gruppenbildung im Rahmen der Arbeitstätigkeit, beeinflusst wird (im Folgenden: Kieser 2019, S. 102–118; Roethlisberger et al. 1961; Pfeiffer et al. 1977, S. 44–45; Corsten und Gössinger 2016, S. 293–294; Kupsch und Marr 1991, S. 733–734).

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2 Produktionsfaktoren

Die Hawthorne-Experimente In den Jahren 1924 bis 1933 wurden von Wissenschaftlern der Harvard Business School (F. J. Roethlisberger, William J. Dickson und, ab 1928, Elton Mayo) verschiedene Experimente in den Hawthorne-Werken der Western Electric Company in Chicago durchgeführt. Ziel dieser Experimente war es, den Einfluss unterschiedlicher Arbeitsbedingungen auf die Produktivität der Mitarbeiter zu untersuchen. Eine Reihe dieser Experimente war ursprünglich dafür gedacht, den Einfluss der Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz auf die Leistung von zufällig ausgewählten Mitarbeiterinnen aufzuzeigen – ein typisch tayloristisch geprägtes Vorhaben. Es zeigte sich, dass sowohl bei der Gruppe, deren Lichtverhältnisse verbessert wurden, als auch bei der Kontrollgruppe, d. h. der Gruppe mit unveränderten Lichtverhältnissen, eine Steigerung der Arbeitsleistung erreicht wurde. Und auch nach der Rückkehr zur ursprünglichen Lichtstärke blieb die gesteigerte Leistung bei der Test- und der Kontrollgruppe bestehen. Erklärt wurde dies dadurch, dass alleine die Anwesenheit der Forscher und der Wettbewerb der Gruppen die Leistung der Untersuchungsgruppen gesteigert hatte. Dieser ergebnisverzerrende Effekt wird seither in der Psychologie als Hawthorne-Effekt beschrieben. Auch eine zweite Versuchsreihe führte zu neuen Erkenntnissen. Dazu wurden einige wenige Arbeiter zusammen mit einem Vorarbeiter in einen separaten Raum gebracht, in dem sie ihre Arbeit fortan verrichteten. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die Einführung eines besseren Arbeitslohns, günstigerer Arbeitszeiten, unterschiedlicher Pausengestaltung etc. zu einer Produktivitätssteigerung führte. Erstaunlicherweise wurde von den Wissenschaftlern aber auch dann noch eine Produktivitätssteigerung wahrgenommen, nachdem alle Maßnahmen wieder rückgängig gemacht wurden. Erklärt wurde dies dadurch, dass alleine das Entstehen eines Gruppengefühls innerhalb der Kleingruppe maßgeblich zur Verbesserung der Arbeitsleistung beigetragen hatte: Im Gegensatz zum Rest der Arbeiterschaft begannen die Testpersonen während der Arbeit zu plaudern, einander auszuhelfen, sich gegenseitig neue Techniken zu zeigen etc. Die Wissenschaftler folgerten daraus, dass die richtige mentale Einstellung, eine Veränderung des Grads an Überwachung und das Entstehen-Lassen eines informellen Gruppengefüges maßgebliche Faktoren von Arbeitsleistung und -zufriedenheit darstellen. Klassische Motivationstheorien Neben der Beschäftigung mit dem Einfluss sozialer Faktoren auf die menschliche Arbeitsbereitschaft und -leistung wurde im Laufe der 1940er- und 1950er-Jahre damit begonnen, neue Theorien der Motivation zu entwickeln. Diese sollten nicht nur das Bedürfnis nach Geld oder nach sozialer Bindung, sondern die kombinierte Vielzahl menschlicher Bedürfnisse berücksichtigen. Aus diesem seit damals stark gewachsenen Forschungsfeld werden im Folgenden zwei der bekanntesten Motivationstheorien vorgestellt: Die Bedürfnishierarchie nach Maslow sowie die Zwei-Faktoren-Theorie nach Herzberg.

2.2  Produktionsfaktor Mensch Abb. 2.4  Die Maslow'sche Bedürfnispyramide (Maslow 1943)

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Selbstverwirklichung Wertschätzung Soziale Einbindung Sicherheitsbedürfnisse Physiologische Grundbedürfnisse

Motivationstheorie nach Maslow Die Bedürfnispyramide in der klassischen Motivationstheorie nach Abraham H. Maslow zeigt die Vielfältigkeit und den Zusammenhang menschlicher Bedürfnisse in einer reduktionistischen und anschaulichen Form (Abb. 2.4). Diese Pyramide trägt zwei bedeutende Aussagen (Maslow 1943): 1. Bedürfnisse lassen sich kategorisieren und bauen gemäß ihrer Bedeutung aufei­ nander auf: –– Physiologische Grundbedürfnisse: Die Befriedigung der physiologischen Grundbedürfnisse dient der Selbsterhaltung des Menschen. Diese Bedürfnisse umfassen die Elementarbedürfnisse des Menschen (Nahrung, Wasser, Schlaf, Wärme etc.) und sind instinkthafter Natur. –– Sicherheitsbedürfnisse: Sicherheitsbedürfnisse umfassen all diejenigen Bedürfnisse zur Abwendung von mittelbaren oder unmittelbaren Gefahren im weitesten Sinne. Hierzu zählen bspw. monetäre Bedürfnisse zur Absicherung des Lebensunterhalts, das Bedürfnis nach einer vertraglichen Absicherung der Anstellung, das Bedürfnis nach einer sicheren Arbeitsumgebung und das Bedürfnis nach einer Altersversorgung. –– Soziale Bedürfnisse: Diese beziehen sich auf das Verlangen nach einem Miteinander mit anderen Personen, d. h. soziale Eingebundenheit, Gruppengefühl, Unterhaltungen, Freundschaften und kollegiales Verhalten. –– Wertschätzungsbedürfnisse: Diese umfassen das Verlangen nach Lob, Anerkennung, Prestige und Achtung durch andere Personen aufgrund der eigenen Leistungen. –– Selbstverwirklichungsbedürfnis: Das Bedürfnis nach Selbstverwirklichung drückt sich durch das Verlangen aus, das eigene Leistungspotenzial auszuschöpfen: Sind alle anderen Bedürfnisse befriedigt, so befindet sich der Mensch auf einem hohen Niveau der Zufriedenheit – er wird dann bspw. danach streben, durch sein eigenes Wirken seinem idealen Selbstbild näher zu kommen.

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2. Die Maslow'sche Bedürfnishierarchie geht davon aus, dass Bedürfnisse einer Kategorie erst dann verhaltensrelevant werden, wenn die Bedürfnisse der darunterliegenden Kategorien erfüllt sind. Es herrscht eine „Dringlichkeitsordnung der Bedürfnisse“ vor (Pfeiffer et  al. 1977, S. 47; Kupsch und Marr 1991, S. 739). Findet ein Mitarbeiter bspw. großes Lob für seine Arbeit, so wird dies vermutlich weniger motivierend wirken, wenn gleichzeitig seine sozialen Bedürfnisse nicht befriedigt werden. Die Maslow'sche Bedürfnishierarchie ist eine vereinfachende Darstellung der Komplexität menschlichen Handelns – sie wurde vielfach in Forschung und Praxis diskutiert, rezipiert, kritisiert, erweitert und verändert. Sie trägt jedoch dazu bei, die vielfältigen Bedürfnisse und ihre Zusammenhänge zu ordnen und somit einen sinnvollen Handlungsspielraum des Managements vorzugeben. In der Mitarbeiterführung eines industriellen Betriebs kann die Bedürfnispyramide dahingehend interpretiert werden, dass es zur gezielten Motivationssteigerung der Mitarbeiter zunächst nötig ist, den aktuellen Bedürfniszustand seiner Mitarbeiter zu ermitteln. Darauf aufbauend können dann Maßnahmen entwickelt werden, die die nicht erfüllten Bedürfnisse von „unten nach oben“ erfüllen (Pfeiffer et al. 1977, S. 47–48). Klar ist, dass manche Maßnahmen mehrere Bedürfnisse befriedigen werden: Beispielsweise kann die Einrichtung von Pausenzeiten sowohl physiologische als auch soziale Bedürfnisse befriedigen. Auch die Erhöhung des Arbeitslohns kann aufgrund der nicht-­ partikularen Eigenschaft von Geld sowohl physiologische Bedürfnisse als auch Sicherheits- und Anerkennungsbedürfnisse erfüllen. Zwei-Faktoren-Theorie nach Herzberg Eine andere Sichtweise der menschlichen Motivation, die jedoch in Einklang mit der maslow'schen Theorie steht, wurde von Frederick Herzberg vorgeschlagen. Seine Zwei-­ Faktoren-­Theorie postuliert, dass das menschliche Verhalten grundsätzlich durch sogenannte Motivatoren und Hygienefaktoren beeinflusst wird (im Folgenden: Herzberg et al. 1959; Herzberg 1968). Motivatoren sind diejenigen intrinsisch wirkenden Faktoren, die dazu führen, dass Mitarbeiter erhöhte Leistungsbereitschaft zeigen. Zu ihnen gehören das auch von Maslow formulierte Stillen des Verlangens nach Anerkennung, das Übernehmen von Verantwortung, persönliche Entwicklungsmöglichkeiten und der konkrete Arbeitsinhalt. Motivatoren erzeugen jedoch nur dann eine effektive Verhaltensänderung, solange die extrinsisch wirkenden Hygienefaktoren erfüllt sind. Hygienefaktoren sind arbeitsumfeldbezogene Faktoren, wie bspw. ein sicherer Arbeitsplatz, eine angemessene Entlohnung, das Verhältnis zu Vorgesetzten und Kollegen sowie eine angemessene Arbeitszeit. Die Erfüllung von Hygienefaktoren führt somit per se zu keiner Motivation, sie stellt jedoch die notwendige Voraussetzung zur Wirksamkeit von Motivatoren dar. Sobald Hygienefaktoren nicht erfüllt sind, sind auch Motivatoren unwirksam und die Zufriedenheit sinkt.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

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Resümee Die Motivationstheorien von Maslow und Herzberg zeigen ein wesentlich differenzierteres Bild der Funktionsweise menschlicher Motivation gegenüber dem davor dominanten Bild der „menschlichen Maschine“, die lediglich durch das „Einwerfen“ von Lohn angetrieben wird. Das Bewusstsein der Bedeutung verschiedener Bedürfnisse erlaubt der Unternehmensleitung eine differenziertere Betrachtung von Maßnahmen, die sich positiv auf die Steigerung der Leistungsbereitschaft auswirken sollen (siehe Beispiel „Mitarbeitermotivation bei Google“). Dabei sollte auch klar werden, dass eine intensive und unvoreingenommene Auseinandersetzung mit den Bedürfnissen der Mitarbeiterschaft für eine gute Personalführung im Produktionsmanagement unerlässlich ist. Mitarbeitermotivation bei Google

Das Technologieunternehmen Google hat bereits mehrere Male den ersten Platz in der Forbes-Liste „The 100 Best Companies to Work for“ erreicht und findet sich regelmäßig in anderen ähnlichen Bestenlisten. Um die Gründe hierfür herauszufinden, kann man bspw. in der Art und Weise nachforschen, wie Mitarbeiter bei Google motiviert werden sollen. Neben vergleichsweise typischen extrinisischen Anreizen wie hohem Gehalt, Kranken- und Rentenversicherung, Zahnersatz, regelmäßigem Urlaub und Weiterbildungen finden sich u. a. folgende untypische Motivatoren: • Rechtsschutzversicherung • Bezahlter Mutterschaftsurlaub bis 18 Wochen und ein dreimonatiges „Taschengeld“ von 500 US-Dollar, um auswärts Essen zu kaufen („Take-Out Benefits“) • Witwenrente bis zu 10 Jahre • Kinderbetreuung • Finanzielle Unterstützung bei der Adoption eines Kindes • Gratis Mittag- und Abendessen • Auf dem Firmengelände finden sich eine Autowäsche, Fahrradreparatur, Fitnessstudio, Friseur, Wäscherei und Massagesalon • Angebot von Treffpunkten (Cafes, Lounges, Arbeitsräume etc.) und Freizeitaktivitäten für Mitarbeitergruppen (Volleyball, Bowling, Billard etc.) • Weitreichende Möglichkeiten zur Feedback-Abgabe (Jour Fixe, Umfragen, soziale Medien etc.) und Aufforderung zum aktiven Formulieren und Weitergeben von Feedback und Ideen sowie öffentliche Besprechung von Konsequenzen, die aus den Feedbacks abgeleitet werden • Regelmäßige Informationen zur Produktpolitik und zur Abteilungsleistung • Vergleichsweise lockere Arbeitszeiteinteilung sowie ein Arbeitstag pro Woche, in dem eigene Projekte verfolgt werden können • Möglichkeit zum Home-Office

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Einige dieser Anreize sind prima facie durchaus ungewöhnlich. Sie scheinen aber Wirkung zu zeigen: Über 80 % der Google-Mitarbeiter sollen mit ihrer Arbeit zufrieden bzw. sehr zufrieden sein; über 70 % sollen finden, dass ihre Arbeit einen Sinn hat (Gillett 2016). Ein Rückblick auf die bisherige Darstellung der Bedeutung von Leistungsfähigkeit und -bereitschaft sowie auf die Motivationstheorien hilft einzuordnen, welche Maßnahme auf welche Leistungsdeterminante einwirken soll. Quellen: Cleverism (2014); Gillett (2016); Vozza (2018)

Stand heute: Arbeitswissenschaften Die Entwicklung, Verfeinerung und Anwendung der Erkenntnisse zur Verbesserung von Leistungsfähigkeit und -bereitschaft halten bis in die heutige Zeit an. Die menschliche Arbeit und ihre Rahmenbedingungen sind mittlerweile ein Untersuchungsgegenstand etlicher wissenschaftlicher Teildisziplinen geworden. Sie lassen sich mit dem Oberbegriff der Arbeitswissenschaften zusammenfassen. Ziel der Arbeitswissenschaften ist es, durch interdisziplinäre Forschung Erkenntnisse zur Verbesserung der industriellen Arbeit zu gewinnen (Luczak 1996, 1998, S. 11–17). Auf die Gestaltungsbereiche der Arbeitswissenschaften wird im folgenden Abschnitt eingegangen.

2.2.2.2 Gestaltungsbereiche der Arbeitswissenschaften Die modernen Arbeitswissenschaften umfassen ein weites Feld an Disziplinen und Einsatzfeldern. Im Folgenden seien ihre maßgeblichen Gestaltungsbereiche vorgestellt: Arbeitsaufgabe, -methode, -platz, -umgebung, -zeit und -entgelt (Günther und Tempelmeier 2012, S. 124–131). Die Planung und Gestaltung dieser Bereiche soll dazu beitragen, die Arbeitsrahmenbedingungen und damit die Leistungsbereitschaft – und teilweise auch die Leistungsfähigkeit – der Mitarbeiter und somit ihre Arbeitsleistung zu erhöhen. Arbeitsaufgabe Allgemeines Die Arbeitsaufgabe ist eine Menge von Arbeitstätigkeiten, für deren effektive Bewältigung ein Mitarbeiter ein bestimmtes Anforderungsprofil, d. h. eine Kombination aus fachlichen Kenntnissen, Geschick, Belastungsfähigkeit etc. erfüllen muss. Arbeitsaufgaben werden bspw. mit Stellenbeschreibungen umrissen. Elemente der Arbeitsaufgabe Eine Arbeitsaufgabe ist dann motivierend, wenn sie dem Eignungsprofil, d. h. der Leistungsfähigkeit des Mitarbeiters entspricht. Über- und Unterforderung wirken langfristig demotivierend. Es besteht somit die Aufgabe, Arbeitsaufgaben so zu gestalten und einzuteilen, dass sie den Fähigkeiten der aktuellen bzw. zukünftigen Belegschaft entspre-

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chen. Hierzu müssen verschiedene Elemente spezifiziert werden (Pfeiffer et  al. 1977, S. 56–61; Günther und Tempelmeier 2012, S. 124–125; Corsten und Gössinger 2016, S. 312–322): • Art und Anzahl der Aufgaben: Die Arbeitsschwierigkeit hängt davon ab, welcher Art die zu beherrschenden Arbeitstätigkeiten und Produktionsverfahren sind und in welcher Anzahl diese auftreten. • Aufgabenumfang: Der Aufgabenumfang bemisst sich daran, wie viele einzelne Tätigkeitsschritte in der Aufgabe enthalten sind und wie viele Verrichtungsobjekte zu bearbeiten sind. • Grad der Mechanisierung/Automatisierung: Es ist zu berücksichtigen, in welchem Maße Werkzeuge, Maschinen und Vorrichtungen eingesetzt werden  (können). Dies kann vor allem hinsichtlich der körperlichen Anstrengung zu einer Arbeitserleichterung führen, erhöht typischerweise aber auch die Ansprüche an die Ausbildung der Mitarbeiter. • Komplexität der Aufgabe: Hier ist insbesondere der Grad der Arbeitsteilung relevant, auf die im Folgenden näher eingegangen wird.

Arbeitsteilung Der Grad der Arbeitsteilung nimmt im Management von Produktionssystemen eine besondere Stellung ein, da er – wie wir in Abschn. 2.2.2.1 gesehen haben – bereits früh mit dem Taylorismus diskutiert wurde. Grundsätzlich ist bei der Arbeitsteilung zwischen der Mengen- und der Artenteilung zu unterscheiden. Je nachdem für welche Art der Arbeitsteilung sich das Management entscheidet, wird die Komplexität der Arbeitsaufgabe reduziert oder nicht (Pfeiffer et al. 1977, S. 61–63; Corsten und Gössinger 2016, S. 321–322): • Eine Mengenteilung liegt dann vor, wenn die Anzahl zu bewältigender Arbeitsaufgaben auf mehrere Personen verteilt wird (quantitative Aufteilung). • Eine Artenteilung liegt hingegen vor, wenn die einzelnen Bestandteile der Arbeitsaufgaben auf mehrere Personen verteilt werden (qualitative Aufteilung). Sollen bspw. zehn Tische von fünf Arbeitern montiert werden, wird eine Mengenteilung dazu führen, dass bspw. die fünf Arbeiter jeweils zwei vollständige Tische montieren. Entscheidet sich der Produktionsmanager hingegen für eine Artenteilung, so wird der Vorgang der Tischmontage bspw. in fünf Einzelschritte zerlegt, die den Arbeitern dann zugewiesen werden: Die Arbeiter führen dann zehnmal denselben Einzelarbeitsgang durch. Vor- und Nachteile der Artenteilung Während die Mengenteilung lediglich eine Verteilung der Produktionsmenge darstellt, hat die Frage nach dem „optimalen“ Grad der Artenteilung eine lange Historie. Dies liegt an

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ihrer komplexitätsreduzierenden Wirkung (Reichwald und Dietel 1991, S. 439; Pfeiffer et al. 1977, S. 65–66; Kupsch und Marr 1991, S. 803): • Wird eine Arbeitsaufgabe nach den einzeln auszuführenden Schritten aufgeteilt, so können diese den jeweils bestgeeigneten Mitarbeitern zugewiesen werden, die somit dann auch im richtigen Umfang gefordert werden. Geschickte Mitarbeiter übernehmen dann bspw. feinteilige Aufgaben, während körperlich starke Mitarbeiter diejenigen Aufgaben übernehmen, für die erhöhte Muskelkraft nötig ist. • Mit der Atomisierung der Arbeitsschritte und der Steigerung der Frequenz der Durchführungen steigt der Arbeitsbeherrschungsgrad: Mitarbeiter spezialisieren sich auf ihren Arbeitsschritt. Dies führt typischerweise zu einer Erhöhung der Ausbringungsmenge und Qualität und  geht auch mit einer kürzeren Ausbildungs- und An­ lernphase einher. • Die Arbeitsteilung kommt der begrenzten Aufnahmefähigkeit des Menschen entgegen: Auch wenn ein Mitarbeiter tendenziell das Anforderungsprofil für verschiedene Arbeiten erfüllen kann, ist es ihm meist nicht möglich, alle Tätigkeiten in gleicher Qualität zu beherrschen. Diese Faktoren führen zu einer grundsätzlich positiven Wirkung der Artenteilung auf die Arbeitsleistung. Die durch die Artenteilung entstehenden „Einzweck“-Arbeitsplätze können mit einer niedrigeren Betriebsmittelausstattung ausgerüstet werden und erreichen somit auch eine höhere Auslastung der Betriebsmittel (Pfeiffer et al. 1977, S. 65; Kupsch und Marr 1991, S. 803). Es zeigt sich aber, dass ein zunehmender Grad der Artenteilung ab einem gewissen Punkt auch negative Begleiterscheinungen mit sich bringt (Reichwald und Dietel 1991, S. 439; Pfeiffer et al. 1977, S. 66–67; Kupsch und Marr 1991, S. 803–804): • Allzu stark sinkende Arbeitskomplexität und steigende Wiederholungszahlen desselben atomisierten Arbeitsschritts führen zu einem Gefühl der Monotonie, einem Ansteigen der Antriebsermüdung („Langeweile“) und der – von Karl Marx beschriebenen – Entfremdung des Mitarbeiters von seiner Arbeit. Letztere zeichnet sich in einem Gefühl aus, keine Verbindung mehr mit dem erzeugten Produkt zu verspüren. Im Gegensatz zur handwerklichen Tradition der Vor-Industrialisierung, in der ein Mitarbeiter das vollständige Produkt gefertigt hat, nimmt der Mitarbeiter im artenteilenden Industriebetrieb lediglich einen kleinen Handgriff vor. Die daraus entstehende Gleichgültigkeit gegenüber dem Produkt und der Arbeit selbst bereitet den Grund für das Empfinden von Frust. Dieser Frust wirkt sich wiederum auf die psychische Leistungsbereitschaft aus. • Die durch die Artenteilung herbeigeführte Einseitigkeit der Arbeitsgänge kann sich auch in einer einseitigen körperlichen Beanspruchung der Mitarbeiter äußern und damit auf die physische Leistungsbereitschaft wirken (z. B. übermäßige Beanspruchung

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der rechten Oberkörperhälfte bei ständiger Wiederholung desselben Montagevorgangs). Im Gegensatz zu einer abwechslungsreichen Menge an Arbeitsbewegungen bei Vollbearbeitung kann eine starke Artenteilung also dazu führen, dass Mitarbeiter schneller ermüden und das Verletzungsrisiko steigt. • Die Kleinteiligkeit der Arbeitsschritte erzeugt die Notwendigkeit zusätzlicher Greif-, Transport- und Lagervorgänge. Wo bei einer geringen Artenteilung mehrere Arbeitsvorgänge am selben Werkstück am selben Ort durchgeführt werden, muss das bei hoher Artenteilung bearbeitete Stück von Arbeitsstation zu Arbeitsstation bewegt werden. Dies führt auch zu einem erhöhten Koordinationsaufwand innerhalb des Produktionssystems. Der positive Effekt steigender Artenteilung wird somit ab einem gewissen Punkt von den negativen Effekten überlagert. Für die Gestaltung der Arbeitsaufgabe stellt sich daher die Frage, „wie viel“ Arbeitsteilung betrieben werden soll, um den optimalen Punkt der Arbeitsteilung zu erreichen. Ergänzende Maßnahmen zur Artenteilung Heutzutage wird durch verschiedene Maßnahmen versucht, die positiven Effekte der Arbeitsteilung wahrzunehmen und die negativen Effekte so klein als möglich zu halten. Diese Maßnahmen konzentrieren sich im Wesentlichen auf eine Variabilisierung der Arbeitsaufgaben. Trotz der vorgenommenen Artenteilung soll Abwechslung in die Durchführung der Tätigkeiten gebracht und Monotonieeffekte sowie Überbeanspruchung verhindert werden. Einige dieser Maßnahmen sind die folgenden (Pfeiffer et  al. 1977, S. 70–82; Günther und Tempelmeier 2012, S. 124–125; Kupsch und Marr 1991, S. 804–806; Corsten und Gössinger 2016, S. 323–326): • Job Enrichment: Mit dieser Maßnahme wird versucht, die Arbeitsaufgabe „anzureichern“. Sie wird auch als vertikale Erweiterung der Arbeitsaufgabe durch Ausweitung des mitarbeiterspezifischen Entscheidungsspielraums bei der Arbeit bezeichnet. Maßnahmen des Job Enrichment bestehen bspw. in der Übertragung von Planungsaufgaben an den Mitarbeiter, in der Einrichtung selbstständiger Qualitätskontrollen am Arbeitsplatz etc. • Job Enlargement: Diese Maßnahme stellt das Gegenstück zum Job Enrichment dar. Sie beschreibt die horizontale Erweiterung der Arbeitsaufgabe durch Ausweitung des Aufgabenbereichs. Hier werden dem Mitarbeiter neue, andersartige Arbeitstätigkeiten zugewiesen. Beispielsweise könnte einem Mitarbeiter, der bisher lediglich an Maschine A gearbeitet hat, auch Aufgaben an Maschine B übertragen werden. • Job Rotation: Wird davon ausgegangen, dass die Artenteilung auf Dauer zu „Langeweile“ mit der Arbeitstätigkeit führt, so ist die Einführung regelmäßiger wechselseitiger Aufgabentausche eine intuitive Lösung. Job Rotation kann sich bspw. in einer Fertigung durch einen wochenweise ablaufenden Wechsel der Arbeitsstationen auszeichnen.

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• Einrichtung teilautonomer Gruppen: Inhaltlich ähnlich zum Job Enrichment geht es bei der Einrichtung teilautonomer Gruppen darum, größere Aufgabenkomplexe sowie die dazugehörige Arbeitsverantwortung an eine Arbeitsgruppe zu vergeben. • Vermeidung taktgebundener Arbeitsprozesse: Werden Arbeitsaufgaben gemäß Artenteilung in viele kleine Schritte zerlegt, so steigt der Koordinationsaufwand des Produktionssystems. Wie wir später noch in Abschn. 2.3.2 und 2.3.3.2 erfahren werden, ist eine typische Steuerungsmaßnahme eines solchen Systems das Einrichten eines Produktionstaktes. Der Takt gibt die Frequenz vor, in der ein Werkstück wie bspw. an einem Fließband von Station zu Station „wandern“ soll. Die Einrichtung eines Taktes soll dazu führen, dass jede Arbeitsstation so gut als möglich ausgelastet ist und keine Leerzeiten aufweist. Es ist aber klar, dass das Arbeiten nach Takt auf Dauer mental ermüdend und belastend wirken kann. Daher kann  als Gegenmaßnahme darüber nachgedacht werden, den Takt bisweilen wegzulassen und stattdessen häufiger auf ungetaktete Produktionslinien zu setzen (= Reihenfertigung, Abschn. 2.3.3.3). • Automatisierung monotoner und physisch belastender Arbeitsaufgaben: Durch die Abgabe von besonders mental oder physisch belastenden Arbeitsaufgaben verbleibt dem Menschen in der Produktion die restliche, weniger belastende Arbeit.

Arbeitsmethode Die Arbeitsmethode beschreibt das planvoll gestaltete Vorgehen bei der Durchführung der zu erfüllenden Arbeitsaufgaben (im Folgenden: Günther und Tempelmeier 2012, S. 125–126; Pfeiffer et al. 1977, S. 156–170; Corsten und Gössinger 2016, S. 342–344). Die Gestaltung der Arbeitsmethode verfolgt das Ziel, den Prozess der einzelnen Arbeitsschritte durch systematische Beobachtung und Verbesserung der zur Verrichtung nötigen Bewegungen und Arbeitsgeräte effizienter zu gestalten. Dies folgt klar der schon von Taylor formulierten Notwendigkeit zur Suche nach der Arbeits-Best-Methode (Abschn. 2.2.2.1). Denken wir an Abschn. 2.2.1.2 zurück, so könnte man auch sagen, dass eine gute Arbeitsmethode dazu beiträgt, dass der Mitarbeiter seine Dauerleistungsfähigkeit abrufen kann. Typische Mittel der Arbeitsmethodengestaltung sind: • Vereinfachung von Bewegungen: Z.  B. arbeitsvorgangstützende Konstruktion der Werkzeuge, griffunterstützende Gestaltung von Behältern, Bereitstellung von Greifwerkzeugen, Reduktion von Überkopfarbeit, Vermeidung längerer Haltearbeiten etc. • Verdichtung von Bewegungen: Z. B. Beseitigung unnötiger Bewegungsschritte, Ermöglichung von Beidhandarbeit und Verknüpfung von Bewegungen. • Mechanisierung und Automation von Arbeitsschritten: Siehe hierzu auch die ergänzenden Maßnahmen zur Artenteilung (Kupsch und Marr 1991, S. 806–808; Luczak 1998, S. 491). Zur Identifizierung von Verbesserungsmöglichkeiten der Arbeitsmethode werden in der Praxis sogenannte Bewegungsstudien durchgeführt. Zur Durchsetzung der besten Arbeits-

2.2  Produktionsfaktor Mensch

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methoden werden Mitarbeiter geschult sowie Arbeitsplätze entsprechend umgestaltet und mit technischen Hilfsmitteln ausgestattet. Arbeitsplatz Die Gestaltung des Arbeitsplatzes beschäftigt sich mit der Einrichtung eines geeigneten Orts zur Verrichtung der Arbeitsaufgaben. Der Arbeitsplatz soll dazu beitragen, das Leistungspotenzial der Kombination aus Mensch und Betriebsmittel langfristig zu erhalten und bestmöglich auszuschöpfen (im Folgenden: Pfeiffer et al. 1977, S. 100–124; Günther und Tempelmeier 2012, S. 125; Zülch 1996; Corsten und Gössinger 2016, S. 338–339; Hammer 1977, S. 263–268). Ein typisches Gestaltungsfeld sind die Wahl und Anordnung gesundheitsschützender und leistungsunterstützender Arbeitsmöbel (Form, Höhe, Sichtwinkel von Tischen, Stühlen, Regalen), Arbeitsgeräte, Werkzeuge und Materialien am Arbeitsplatz. Der Arbeitsplatz soll dabei nach ergonomischen bzw. anthropometrischen Gesichtspunkten gestaltet werden. Des Weiteren sind Fragen bezüglich der unmittelbaren physischen Arbeitsumgebung, d. h. Temperatur, Lichtverhältnisse, Belüftung, Lärmdämmung, Schwingung, Staub etc. zu klären. Hier gilt die Maßgabe, typischen Berufskrankheiten (z. B.  Schwerhörigkeit, Asbestose, Hauterkrankungen, Rückenschäden etc.) vorzubeugen (Verband Deutscher Betriebs- und Werksärzte e. V. 2011). Letztlich sind sichere Arbeitsrahmenbedingungen zu schaffen, z. B. durch das Anbringen von Schutz- und Sicherheitsvorrichtungen, die sicherheitsorientierte Konstruktion von Arbeitsmitteln und -objekten, eine sicherheitsstützende Arbeitsorganisation (z. B.  Aufsichten, Regeln, Vermeidung von Überforderung, Einsatz ausgebildeter Mitarbeiter) sowie einen geeigneten Einsatz von Farben (z. B. Rot als Warnfarbe). Arbeitsumgebung Die Arbeitsumgebung bezieht sich auf die sozialen Rahmenbedingungen der Arbeit. Dabei spielen der Aufbau der Arbeitsgruppen (z. B. Abteilungen, Teams, Stationen), die in den Gruppen stattfindenden Prozesse, die Integration der Gruppe in das Unternehmenssystem sowie der Führungsstil eine maßgebliche Rolle (Pfeiffer et al. 1977, S. 83–92; Günther und Tempelmeier 2012, S. 127–128; Corsten und Gössinger 2016, S. 326–338). Eine arbeitsleistungsfördernde Arbeitsumgebung entsteht durch eine Vielzahl operativer, taktischer und strategischer Entscheidungen, die in enger Wechselwirkung miteinander stehen: Beispielsweise hängt die Eignung eines Führungsstils maßgeblich von der Struktur, der inneren Dynamik und der Eingliederung der im Betrieb vorzufindenden Gruppen ab. In manchen Unternehmenskulturen wird bspw. ein demokratischer Führungsstil mehr Akzeptanz finden als ein autoritärer Führungsstil. Sind die Inhalte der Rahmenbedingungen nicht aufeinander abgestimmt, so entstehen innerbetriebliche Konflikte. Da die Inhalte zur Schaffung einer geeigneten Arbeitsumgebung zu großen Teilen dem Aufgabengebiet der Personalwirtschaft zufallen, sei an dieser Stelle in Abb. 2.5 lediglich

52

2 Produktionsfaktoren

Variablen der Arbeitsumgebung

Gruppenstruktur − Gruppengröße − Gruppenzusammensetzung − Formale Gruppenbeziehungen

Gruppendynamische Grundprozesse − Informelle Gruppenbeziehungen − Gruppennormen − Gruppenkohäsion

Integration der Gruppe in das unternehmerische Gesamtsystem − Hierarchische Integration der Gruppen − Beziehungen der Gruppen untereinander

Führung sozialer Interaktionsprozesse − Führungsstile − Führungsgrundsätze − Mitbeteiligungsrechte

Abb. 2.5  Variablen der sozialen Arbeitsumgebung (Pfeiffer et al. 1977, S. 84)

auf die wichtigsten Gestaltungselemente der genannten Faktoren verwiesen – sie und ihre Wechselwirkungen zu beachten, steht im Mittelpunkt der Schaffung einer guten Arbeitsumgebung. Arbeitszeit Die Gestaltung der Arbeitszeit beinhaltet sowohl die Arbeitszeit i. e. S. als auch Pausenund Freizeiten. Sie kann gemäß der Dauer (chronometrisch) und der Lage (chronologisch) erfolgen. Dabei werden Pausen- und Freizeitregelung auch in hohem Maße vom Gesetzgeber beeinflusst (Pfeiffer et al. 1977, S. 126–137, 1977, S. 152–155; Kupsch und Marr 1991, S. 811). Auch hier können wir an die tayloristische Einsicht denken, dass das bewusste Berücksichtigen der körperlichen Leistungsfähigkeit des Menschen langfristig dazu führen soll, die Arbeitskraft zu erhalten (Abschn. 2.2.2.1). Für die maßgeblich vom Betrieb zu definierende Arbeitszeitenregelung lassen sich in der Praxis verschiedene Ausprägungen finden (Pfeiffer et al. 1977, S. 140–149; Marr 1996): • Starre Arbeitszeit: Bei starren Arbeitszeiten gilt für alle Mitarbeiter ein einheitlicher Arbeitszeitbeginn/-ende. • Gestaffelte Arbeitszeit: Gestaffelte Arbeitszeitmodelle zeichnen sich durch eine einheitliche Arbeitsdauer, aber unterschiedliche Beginn-Zeitpunkte aus. • Gleitende Arbeitszeit: Gleitende Arbeitszeitmodelle geben eine Abfolge von zwei Gleitzeiten und einer Kernzeit vor. Auch werden typischerweise Mehr- oder Minderarbeiten in ab- bzw. aufzubauenden Zeitkonten geregelt. • Variable Arbeitszeit: Bei der variablen Arbeitszeit existiert nur eine Gleitzeit, die Kernarbeitszeit entfällt komplett. Hierbei ist jedoch ein gewisses Maß an Selbstabstimmung notwendig. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, kapazitätsorientierte variable Arbeitszeiten zu implementieren. Dies bedeutet, dass Mitarbeiter nur arbeiten, „wenn Arbeit da ist“. Hinsichtlich der Gestaltung der Arbeitszeit ist in den letzten Jahrzehnten ein Trend zur Flexibilisierung von Tages- und Wochenarbeitszeiten erkennbar (siehe hierzu auch das Beispiel „Kurzarbeit“ in Abschn. 3.3.1.3). Für diese Veränderung können zwei Gründe

2.2  Produktionsfaktor Mensch

53

genannt werden: Zum einen wird dem Wunsch des Mitarbeiters nach mehr Individualisierung nachgegangen. Mit flexiblen Arbeitszeiten lassen sich Leben, Familie und Arbeit besser abstimmen, was die Zufriedenheit und damit die Motivation der Mitarbeit langfristig erhöhen kann. Zum anderen erfolgt die Flexibilisierung der Arbeitszeit marktgetrieben. Unternehmen orientieren sich am (schwankenden) Markt und wollen Leer- und Anpassungskosten reduzieren (Abschn. 3.3.1). Beide Ursachen führen dazu, dass in industriellen Betrieben üblicherweise Schichtmodelle angewandt werden. Arbeitsentgelt Allgemeines Aufgrund ihres hohen Einflusses auf die Leistungsbereitschaft nimmt die Gestaltung des Arbeitsentgelts eine besondere Stellung innerhalb der Arbeitswissenschaften ein. Ein von den Mitarbeitern als gerecht empfundenes Entlohnungssystem berücksichtigt sowohl den Anforderungsgrad der Tätigkeit (s. Arbeitsaufgabe), als auch die vom Mitarbeiter erbrachte Leistung (z. B. Menge, Qualität, Termineinhaltung). Unter Maßgabe dieser Faktoren wird ein Lohn bei der subjektiven Gerechtigkeitsabschätzung gemäß seiner absoluten und relativen Höhe bewertet. Unter relativer Höhe wird die Orientierung des eigenen Lohns zum Lohn anderer Mitarbeiter im eigenen und in anderen Unternehmen verstanden (Pfeiffer et al. 1977, S. 170–181, S. 202; Kupsch und Marr 1991, S. 816–819, S. 826–829; Günther und Tempelmeier 2012, S. 128–129; Corsten und Gössinger 2016, S. 344–346). Normalleistung und Vorgabezeiten Lohngerechtigkeit lässt sich generell durch Lohnsatzdifferenzierung und durch die Einrichtung unterschiedlicher Lohnformen erreichen (Pfeiffer et al. 1977, S. 181). Für viele dieser Lohnformen ist es nötig, die sogenannte Normalleistung zu definieren. Diese bezeichnet die von einem geeigneten Mitarbeiter unter normalen Umständen ohne gesundheitliche Beeinträchtigungen zu erreichende Leistung – bspw. in Stück – pro Zeiteinheit, bspw. Minuten oder Stunden (Pfeiffer et al. 1977, S. 205–206). Vorgabezeiten stellen die für die Bearbeitung eines Stücks notwendige Zeit dar, um die Normalleistung zu erreichen (Pfeiffer et al. 1977, S. 211; Hammer 1977, S. 268). Die Schätzung dieser Vorgabezeiten erfolgt im Rahmen sogenannter Zeitstudien und wird im nächsten Abschnitt genauer besprochen (Abschn. 2.2.3). Typische Lohnformen Im Folgenden soll eine Reihe gängiger Lohnformen erklärt werden (im Folgenden: Pfeiffer et al. 1977, S. 243–259; Kupsch und Marr 1991, S. 829–833; Kosiol 1962, S. 55–193; Hammer 1977, S. 299–312). Zeitlohn Zeitlöhne richten sich allein nach der geleisteten Arbeitszeit. Eine Leistungsdifferenzierung geschieht bei der Implementierung eines Zeitlohnsystems lediglich über die Festlegung der Lohnsatzhöhe. Der Lohnsatz pro Zeiteinheit ist konstant, unabhängig von der Leistung eines Mitarbeiters. Da der Zeitlohn somit keine Mehrleistung honoriert, wird er

54

2 Produktionsfaktoren

gerne schwer quantitativ messbaren (z. B. Forschung, Überwachung) sowie bei unregelmäßigen und sich häufig ändernden Tätigkeiten eingesetzt, bei welchen der Mitarbeiter das Ergebnis nur geringfügig beeinflussen kann. Die Berechnung des Zeitlohns erfolgt anhand der folgenden Formel:



æ Geldeinheit ö Lohn Zeit = Lohnsatz ´ Zeit = ç ÷ ´ Zeit è Zeiteinheit ø

(Gl. 2.1)

Akkordlohn Der Akkordlohn bemisst sich nach dem mengenmäßigen Ergebnis der Arbeit. Je mehr Leistung erbracht wird, desto mehr Lohn wird ausgezahlt und vice versa (siehe hierzu erneut das tayloristische Denken aus Abschn. 2.2.2.1). Aufgrund des steigenden Grads an Automatisierung und der Verlagerung von Muskel- zu Kopfarbeit nimmt die Bedeutung des Akkordlohns jedoch insgesamt ab (Luczak 1998, S. 682). Die Basis für den Akkordlohn ist der Akkordrichtsatz. Dieser kann als Lohnsatz eines Mitarbeiters bei Normalleistung verstanden werden. Er setzt sich aus dem arbeitsschwierigkeitsorientierten Stundenlohnsatz und einem Akkordzuschlag zusammen. Der Akkordlohn kann in zwei Formen ausformuliert werden, wobei darauf hinzuweisen ist, dass beide Formen zum selben Ergebnis führen: 1. Beim Geldakkordlohn wird für jede erbrachte Leistungseinheit ein bestimmter Geldbetrag vergütet. Der Verdienst (Geldeinheit/Stunde) ergibt sich aus Menge (Stück/ Stunde) multipliziert mit dem Stückfaktor (Geldeinheit/Stück). Der Stückfaktor bezieht sich seinerseits auf den Akkordrichtsatz: Er ergibt sich aus Akkordrichtsatz (€/ Stunde) geteilt durch Normalleistung (Stück/Stunde).



æ Geldeinheit ö    Lohn GA = Stuckzahl ´ Stuckfaktor = Stuckzahl ´ç ÷  ø è Stuck æ Akkordrichtsatz ö ç Normalleistung ÷ ÷  = Stuckzahl ´ç St uck ÷ ç ÷ ç ø è

(Gl. 2.2)

2. Beim Zeitakkordlohn wird die für eine Arbeit vorher festgelegte Vorgabezeit vergütet: Der Verdienst (Geldeinheit/Stunde) ergibt sich aus Menge (Stück/Stunde) multipliziert mit der Vorgabezeit (Minute/Stück) und dem Minutenfaktor (Geldeinheit/Minute). Der Minutenfaktor bezieht sich auf den Akkordrichtsatz: Er ergibt sich aus Akkordrichtsatz (Geldeinheit/Stunde) geteilt durch 60.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

Minute ´ Minutenfaktor  Stuck Minute Akkordrichtsatz  ´ ´ = Stuckzahl  Stuck 60 Minuten

 Lohn ZA = Stuckzahl ´



55

(Gl. 2.3)

Um das Risiko für den Arbeitnehmer zu senken, wird meist eine Verdienstuntergrenze zwischen Arbeitnehmer und Arbeitgeber vereinbart. Diese richtet sich nach dem tariflich garantierten Mindestlohn. Neben der gängigen Verwendung eines Einzelakkordlohns besteht auch die Möglichkeit, einen Gruppenakkordlohn für mehrere Gruppenmitglieder gemeinsam zu implementieren. Hierbei muss jedoch das zusätzliche Problem gelöst werden, wie die Lohnsumme auf die Gruppenmitglieder gerecht aufgeteilt werden soll. Prämienlohn Der Prämienlohn setzt sich aus einem Grundlohn (Geldeinheit/Stunde) und einer Prämie (Geldeinheit/prämierter Faktor) zusammen. Man spricht deshalb auch von einer zusammengesetzten Lohnform – im Unterschied zu den beiden „reinen“ Lohnformen Zeit- und Akkordlohn. Die Mehrleistung des Mitarbeiters wird mithilfe der Prämie belohnt. Die Art der Mehrleistung ist hierbei variabel: So können bspw. übertroffene Ziele im Bereich der produzierten Menge, Qualität, Materialersparnis oder Termineinhaltungen prämiert werden. Für die Einrichtung eines Prämienlohnsystems sind somit der prämienpflichtige Bereich (Prämienanfangs- und Endpunkt) und die Prämienspannweite festzulegen. Dabei kann der Grundlohn als Zeitlohn (Prämienzeitlohn) oder als Akkordlohn (Prämienakkordlohn) ausgestaltet sein: • Beim Prämienzeitlohn wird der reine Zeitlohn um eine leistungsanreizende Komponente erweitert  – bspw. könnte eine Mengenprämie pro produziertes Stück über der Normalleistung ausgezahlt werden. Durch die Zahlung des Grundlohns ist der Mitarbeiter „nach unten abgesichert“, er hat allerdings weiterhin einen Anreiz, die Normalleistung zu übererfüllen. Eine Kombination mit Qualitätszielen schützt dann bspw. vor dem Absinken der Arbeitsqualität. • Beim Prämienakkordlohn wird der durch die Akkordarbeit verdiente Lohn durch zusätzliche Leistungsanreize angereichert: Beispielsweise kann ein durch den mengenbezogenen Akkordlohn bedingtes unachtsames, ungenaues oder verschwenderisches Arbeiten durch die Wahl einer leistungsmengenunabhängigen Bezugsgröße gemildert werden. So bietet sich zum Beispiel die Möglichkeit an, die geringe Ausschussquote oder hohe Materialersparnis des Mitarbeiters zusätzlich zum Akkordlohn zu prämieren. Ein typischer, in der Industrie aufzufindender Prämienbezugspunkt ist die Produktionsmenge. Dies wird dann auch einfach als Mengenprämienlohn bezeichnet. Wird diese Form eines Prämienzeitlohns implementiert, so berechnet sich der Lohn (Geldeinheit/

56

2 Produktionsfaktoren

Stunde), indem zusätzlich zum Prämiengrundlohn eine Mengenprämie ausgezahlt wird, die sich daran bemisst, ob es dem Mitarbeiter gelingt, eine Produktionsmenge (tatsächliche Leistung = TL) größer als die definierte Normalleistung (NL) zu erzielen. Gelingt es ihm nicht, so wird Gl. 2.4 als Lohnfunktion angesetzt. Gelingt es ihm, so wird Gl. 2.5 angesetzt.



æ Geldeinheit ö Lohn Pr amie , TL < NL = Pr  amiengrundlohn ´ Zeit = ç ÷ ´ Zeit (Gl. 2.4) è Zeiteinheit ø  Mengenpramie * ( TL-NL ) (Gl. 2.5) Lohn Pr amie , TL > NL = Pr  amiengrundlohn ´ Zeit + uck Stt

Teilungslöhne Zeit-, Akkord- und Prämienlohn sind Lohnformen, die weithin in der Praxis eingesetzt werden. Neben diesen wurde in Theorie und Praxis auch eine Vielzahl speziellerer Lohnformvarianten entwickelt, die versuchen, die Vor- und Nachteile der klassischen Lohnformen auszubalancieren. Zwei Sonderformen der Prämienentlohnung, der Halsey- sowie der Rowan-Lohn, sollen im Folgenden vorgestellt werden. Bei diesen Lohnformen handelt es sich um sogenannte Teilungslöhne, da eine Mehr-/Minderleistung des Arbeiters zwischen ihm und dem Betrieb aufgeteilt wird. Halsey- und Rowan-Lohn können somit auch als Sonderformen des Prämienlohns angesehen werden (Pfeiffer et al. 1977, S. 259–262; Kosiol 1962, S. 94–124). Halsey-Lohn Der Halsey-Lohn setzt sich aus einem Grund-Zeitlohn (Geldeinheit/Stunde) und einer Prämierung anhand des Grund-Zeitlohns zusammen. Diese Prämierung wird angesetzt, indem der Grund-Zeitlohn mit dem Halsey-Prämienfaktor und dem sogenannten Teilungsfaktor multipliziert wird. Der Prämienfaktor besteht aus der Differenz von tatsächlicher Leistung (Stück) und Normalleistung (Stück), geteilt durch die Normalleistung (Stück). Der Teilungsfaktor ist ein vom Unternehmen festzulegender Wert zwischen 0 und 1.

Lohn Halsey = Grund-Zeitlohn + Grund-Zeitlohn ´ Pr  amienfaktor ´ Teilungsfaktor (Gl. 2.6)

mit :

Pr  amienfaktor =

 Leistung-Normalleistung ) ( tatsachliche Normalleistung



(Gl. 2.7)

Der Aufbau mit Prämien- und Teilungsfaktor führt zu folgenden Effekten: • Je nach Höhe der tatsächlichen Leistung wirkt der Prämienfaktor belohnend oder bestrafend. Übersteigt die tatsächliche Leistung die Normalleistung, so wird der Unterschiedsbetrag in Vergleich zur Normalleistung gesetzt – der Prämienfaktor beschreibt somit das relative „Mehr“ oder „Weniger“ der Prämierung.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

57

• Der Teilungsfaktor gibt dem Unternehmen die Möglichkeit, die Stärke der Prämierung zu beeinflussen (Abb. 2.6). Je höher er gesetzt wird, desto mehr wird die Belohnung/ Bestrafung des Prämienfaktors auf den Mitarbeiter überwälzt. Je niedriger er ist, desto weniger Belohnung/Bestrafung wird dem Mitarbeiter zugewiesen. Auf diese Weise lässt sich die Arbeitsbereitschaft steuern. • Über die Festlegung des Teilungsfaktors lassen sich sowohl der Zeitlohn (Teilungsfaktor 0) als auch der Akkordlohn (Teilungsfaktor 1) umsetzen. Ein Teilungsfaktor von 0,5 bietet somit die Möglichkeit, eine „mittlere“ Anreizwirkung zur Mehrarbeit für die Mitarbeiter festzulegen.

Ausgangsdaten Normalleistung (Stück / Stunde) Vorgabezeit (Minute / Stück) Grundlohn pro Stunde (GE / Stunde)

20 3 8,00

Lohn pro Stunde (GE / Stunde)

Normalleistung

Erhöhung des Teilungsfaktors

20.00 15.00 10.00 5.00 0.00

0

10

Teilungsfaktor 0

20

30 Produzierte Stück pro Stunde

Teilungsfaktor 0,25

Teilungsfaktor 0,5

40

Teilungsfaktor 0,75

50

60

Teilungsfaktor 1

Normalleistung

Lohn pro Stück (GE / Stück)

2.00 Erhöhung des Teilungsfaktors

1.00

0.00

0

10

Teilungsfaktor 0

20

Teilungsfaktor 0,25

30 Produzierte Stück pro Stunde Teilungsfaktor 0,5

40

Teilungsfaktor 0,75

50

Teilungsfaktor 1

Abb. 2.6  Verlauf des Halsey-Lohns bei Variation des Teilungsfaktors (eigene Darstellung)

60

58

2 Produktionsfaktoren

Rowan-Lohn Der Rowan-Lohn ähnelt dem Halsey-Lohn insoweit, als dass auch er sich aus einem Grund-Zeitlohn (Geldeinheit/Stunde) und einer Prämierung auf Basis des Grund-­Zeitlohns zusammensetzt. Diese Prämierung besteht jedoch lediglich in der Multiplikation des Grund-Zeitlohns mit dem Rowan-Prämienfaktor – ein Teilungsfaktor wird hier nicht angewandt. Der Prämienfaktor unterscheidet sich ebenfalls zum Halsey-Lohn: Er besteht aus der Differenz von tatsächlicher Leistung (Stück) und Normalleistung (Stück), jedoch geteilt durch die tatsächliche Leistung (Stück).

Lohn Rowan = Grund-Zeitlohn + Grund-Zeitlohn ´ Pr  amienfaktor mit :

Pr  amienfaktor =

(Gl. 2.8)

 Leistung-Normalleistung ) ( tatsachliche  tatsachliche Leistung



(Gl. 2.9)

Zum Rowan-Lohn sind folgende Bemerkungen zu machen: • Erneut wirkt der Prämienfaktor in Abhängigkeit von Normalleistung und tatsächlicher Leistung belohnend oder bestrafend. Im Gegensatz zum Halsey-Lohn verläuft die Verdienstkurve jedoch nicht linear, sondern hyperbolisch. • Durch die Division mit der tatsächlichen Leistung wird der Prämienfaktor auf 100 % begrenzt. Dies kann durch ein einfaches gedankliches Einsetzen einer unendlichen hohen Zahl für die tatsächliche Leistung geprüft werden – der Abzug der Normalleistung im Zähler des Prämienfaktors macht dann nur einen marginalen Unterschied. Hierdurch wird eine Deckelung des Rowan-Lohns auf 200 % des Grund-Zeitlohns erreicht. • Der Rowan-Lohn eignet sich insbesondere in Fällen, in denen der Arbeitgeber zwar einen Anreiz zur Mehrarbeit geben möchte, aber nicht in unbegrenztem Maße. Denn der Anreiz zur Mehrarbeit nimmt mit jeder zusätzlich produzierten Einheit ab, so dass die Gefahren der eignen Überbeanspruchung der Mitarbeiter und der Produktion mangelhafter Qualität reduziert werden. • Auf der anderen Seite „bestraft“ der Rowan-Lohn eine negative Abweichung von der Normalleistung stärker als der Halsey-Lohn.

Vergleich der Lohnformen Die im Vorangegangenen besprochenen Lohnformen unterscheiden sich einerseits hinsichtlich ihrer Lohnkurvenverläufe in Abhängig zur Produktionsmenge und andererseits in ihren spezifischen Einsatzgebieten. Abb. 2.7 vergleicht die Lohnkurvenverläufe für ein gegebenes Set an Ausgangsdaten. Des Weiteren ist keine Lohnform per se für jede Situation geeignet (Pfeiffer et al. 1977, S. 243–265; Luczak 1998, S. 677–681). Bei der Wahl müssen verschiedene Vor- und Nachteile berücksichtigt werden (Tab. 2.1). Dabei können die Vor- und Nachteile von Zeitund Akkordlohn als Umkehrung des jeweils anderen gesehen werden. Rowan- und Halsey-­ Lohn können als Mittelweg zwischen Zeit- und Akkordlohn angesehen werden.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

59 Ausgangsdaten

Normalleistung (Stück / Stunde)

20

Vorgabezeit (Minute / Stück)

3

Zeitlohn

Akkordlohn

Mengenprämienlohn

Grundlohn pro Stunde Arbeitsschwierigkeitsorientierter 10,00 (Geldeinheiten / Stunde) Lohn pro Stunde (GE / Stunde)

Grundlohn pro Stunde (GE / Stunde)

8,00

Akkordzuschlag (%)

Prämie 0,25 (GE / Stück über Normalleistung)

Akkordrichtsatz (GE / Stunde)

10,00

Stückfaktor (GE / Stück)

0,50

Minutenfaktor (GE / Minute)

0,17

8,00

Halsey-Lohn Grundlohn pro Stunde (GE / Stunde)

0,20 Teilungsfaktor

Rowan-Lohn 8,00

Grundlohn pro Stunde (GE / Stunde)

8,00

0,50

Lohn pro Stunde (GE / Stunde)

Normalleistung 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00

0

10

Zeitlohn

20

Akkordlohn

30 Produzierte Stück pro Stunde Mengenprämienlohn

40

Halsey-Lohn

50

60

Rowan-Lohn

Normalleistung

Lohn pro Stück (GE / Stück)

2.00

1.00

0.00

0

10

Zeitlohn

20

Akkordlohn

30 Produzierte Stück pro Stunde Mengenprämienlohn

40

Halsey-Lohn

50

60

Rowan-Lohn

Abb. 2.7  Vergleich der Lohnkurvenverläufe (eigene Darstellung)

2.2.3 Berechnung des Arbeitsentgelts Mit den im vorigen Abschnitt dargestellten Ansatzpunkten der Arbeitsgestaltung ist dem Produktionsmanager ein reichhaltiger Fundus zur Verbesserung der Arbeitsrahmenbedingungen und damit der Steigerung der Arbeitsleistung gegeben. In diesem Abschnitt soll – aufgrund der gehobenen Bedeutung für die Motivation der Mitarbeiter – ein erneuter Fokus auf das Arbeitsentgelt gelegt werden. Nach der Festlegung eines Arbeitszeitmodells und einer Lohnform verbleibt zur Ermittlung des letztlich

60

2 Produktionsfaktoren

Tab. 2.1  Vergleich von Zeit-, Akkord- und Prämienlohn Bezugspunkt/ Lohnform Leistungsanreiz

Qualitätseffekt

Weitere Effekte

Administrativer Aufwand

Angemessener Anwendungs-­ bereich

Zeitlohn Gering: Der Betrieb trägt das Risiko der Minderleistung. - Kontinuierliche Leistungsabgabe -S  icherung von Qualität -K  eine Gefahr der Überbeanspruchung von Mensch und Maschine Gleichmäßiger Verdienst erfüllt Sicherheitsbedürfnis

Gering aufgrund der einfachen Berechnung, dafür erschwerte Vorkalkulation -L  eistungen, die nicht oder nur schwer quantitativ gemessen werden können - Tätigkeiten, bei welchen der Mitarbeiter die Leistung nicht beeinflussen kann -S  icherheits- oder gesundheitsgefährdende Tätigkeiten

Akkordlohn Hoch: Der Mitarbeiter erhält eine direkte Vergütung seiner Mehrleistung. - Eile reduziert Qualität - Erhöhte Unfallgefahr - Gefahr der Überbeanspruchung von Mensch und Maschine

Prämienlohn Abhängig von der Ausgestaltung, da eine Vielzahl verschiedener Bezugsgrößen prämiert werden kann

- Eingeschränkte Erfüllung des Sicherheitsbedürfnisses, sollten Vorgaben nicht erreicht werden können - Potenzielle Probleme bei Gruppenarbeiten - Verbesserte Ausnutzung der Betriebsmittelkapazitäten -M  isstrauen gegenüber der Ermittlung von Akkordsätzen Hoch, dafür aber einfachere Kostenplanung und Vorkalkulation - Eindeutig quantitativ messbare Leistungen, v. a. regelmäßig wiederkehrende mechanische Tätigkeiten - Tätigkeiten, bei welchen der Mitarbeiter die Leistung klar beeinflussen kann - Keine sicherheits- oder gesundheitsgefährdenden Tätigkeiten

auszuzahlenden Lohnes noch die Aufgabe, die individuellen Arbeitsaufgaben eines Mitarbeiters gemäß ihrer Schwierigkeit zu bewerten sowie die arbeitsgangbezogenen Vorgabezeiten zu ermitteln. Auf Basis dieser Informationen kann dann ein gerechter Lohn berechnet und ausgezahlt werden. cc

Im Übungsbuch Produktionswirtschaft finden Sie in Kap. 1 eine Auswahl an Übungsaufgaben zu Fragestellungen der Arbeitsschwierigkeitsbestimmung, der Arbeitszeitberechnung und der Arbeitsentgeltbestimmung.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

61

Maximilian Lukesch und Florian Kellner, Übungsbuch Produktionswirtschaft, 2019, erschienen bei Springer Gabler, 2019; eBook ISBN: 978-3-662-57689-2, Softcover ISBN: 978-3-662-57688-5.

2.2.3.1 Bewertung der Arbeitsschwierigkeit Überblick Um eine gerechte Entlohnung sicherzustellen, ist bei der Arbeitsbewertung eine möglichst personenunabhängige, vergleichende Bewertung von Arbeitsschwierigkeiten zu erstellen. Die Bewertung der Schwierigkeit einer Tätigkeit erfolgt in der Praxis üblicherweise in drei Schritten (Hamel 1996; Pfeiffer et al. 1977, S. 181–201): 1. Arbeits-/Stellenbeschreibung: Bei der Arbeits- bzw. Stellenbeschreibung wird zunächst der Inhalt der auszuführenden Tätigkeit ermittelt. Hierunter fallen unter anderem die Art und Komplexität der Arbeitsaufgabe, die Arbeitsmethodik sowie die vorhandenen Arbeitsrahmenbedingungen (Abschn. 2.2.2.2). Trotz der bestehenden Vielfalt an zu beschreibenden Tätigkeiten sollte versucht werden, alle Größen zu erfassen, die einen Einfluss auf die Anforderungen an den Mitarbeiter haben. 2. Anforderungsanalyse: Im zweiten Schritt erfolgt die Anforderungsanalyse. Mit ihrer Hilfe sollen Art und Umfang der Anforderungen an den Mitarbeiter ermittelt werden. Aufgrund der Vielfalt an Tätigkeiten sind die Anforderungen an den Mitarbeiter fallspezifisch zu beurteilen. Um dennoch Vergleichbarkeit zu schaffen, wird versucht, die einzelnen Anforderungen zu kategorisieren. Das 1950 vorgestellte Genfer Schema hat sich als Grundlage für die Anforderungsanalyse als hilfreich erwiesen. Das Genfer Schema beruht auf vier Anforderungsgruppen, die jeweils noch den Oberbereichen „Können“ und „Belastung“ zugeordnet werden. Können entspricht der maximalen ­Beanspruchung der benötigten Fähigkeiten, Belastung entspricht der durchschnittlichen Beanspruchung und der Dauer der Beanspruchung der benötigen Fähigkeiten (Pfeiffer et al. 1977, S. 186). Tab. 2.2 zeigt ein beispielhaft ausgefülltes Schema (Kupsch und Marr 1991, S. 820–821; REFA – Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation (REFA) 1987, S. 43; Luczak 1998, S. 682–683). 3. Bewertung der Arbeitsanforderungen: Bei der Bewertung der Arbeitsanforderungen wird versucht, die unterschiedlichen qualitativen Anforderungen durch Quantifizierung vergleichbar zu machen: Wie schwierig ist bspw. die Arbeit an einer Fräse im Vergleich zur Arbeit an einer Universaldrehmaschine? Ist bspw. der Grad an körperlicher Geschicklichkeit und Kraft bei der Montagearbeit höher oder niedriger als bei der Lagerarbeit? Die Beantwortung solcher Fragen ist zum Teil schwierig. Hierzu steht eine Reihe von Verfahren zur Verfügung, die in summarische und analytische Verfahren differenziert werden können. Die Unterscheidung resultiert aus der Bewertungsart: Summarische Verfahren analysieren eine Tätigkeit als Ganzes, wohingegen analytische Verfahren Tätigkeiten nach den einzelnen Anforderungsarten analysieren (Kupsch und Marr 1991, S. 822–823; Pfeiffer et al. 1977, S. 191; Hammer 1977, S. 290; Corsten und Gössinger 2016, S. 347–348). Die zuvor genannte Anforderungsanalyse ist demnach auch nur für die analytischen Verfahren anzuwenden.

62

2 Produktionsfaktoren

Tab. 2.2  Das Genfer Schema (Beispiel) Anforderungen Geistige Anforderungen (u. a. Ausbildung, Erfahrung, Aufmerksamkeit, Wissen, Konzentration) Körperliche Anforderungen (u. a. Geschicklichkeit, Ausdauer, Muskelkraft, Gewandtheit, Sinnesbelastungen) Verantwortung (u. a. Verantwortung für die eigene Person, andere Personen, Betriebsmittel, Material) Umgebungseinflüsse (u. a. Lärm, Schwingung, Staub, Nässe, Kälte, Schmutz, Gase, Öl)

Können X (Grund: Maschinenbedienung)

Belastung X (Grund: Konzentration)

X (Grund: Geschicklichkeit)

–

X (Grund: Ablaufplanung)

–

–

X (Grund: Lärm, Schwingung)

Methoden der Arbeitsschwierigkeitsermittlung Zur Veranschaulichung der Bewertung der Arbeitsanforderungen sollen im Folgenden jeweils zwei Verfahren der summarischen und analytischen Verfahren vorgestellt werden. Die Erläuterung dieser Verfahren wird durch ein fiktives Beispiel begleitet, bei dem die Tätigkeiten Lagerarbeit, Montage, Qualitätskontrolle und Anlagenrüstung exemplarisch zu bewerten sind. Die Beschreibung dieser Verfahren basiert dabei inhaltlich auf folgenden Beiträgen: Kupsch und Marr 1991, S. 824; Pfeiffer et al. 1977, S. 192–201; Luczak 1998, S. 682–689; Hammer 1977, S. 291–297; Corsten und Gössinger 2016, S. 348–352; Hamel 1996. Summarische Verfahren Beim summarischen Rangfolgeverfahren werden die zu bewertenden Tätigkeiten paarweise als Ganzes verglichen und gemäß ihrer Schwierigkeit in eine Rangfolge gebracht. Dieses einfache und verständliche Verfahren kann ohne großen Erhebungsaufwand durchgeführt werden. Es eignet sich insbesondere für die Anwendung in kleineren Betrieben. Das Verfahren stellt allerdings hohe Ansprüche an den Entscheider, der die einzelnen Tätigkeiten mittels eines Gesamturteils in eine Rangfolge bringen muss, denn es beinhaltet das Risiko des Fehlurteils und der Nicht-Berücksichtigung potenziell bedeutender Anforderungsumstände. Um solche Risiken zu reduzieren und eine möglichst rationale Rangordnung gewährleisten zu können, sollten Entscheider auf bekannte Unterstützungsverfahren (z. B. Paarvergleich, Analytic Hierarchy Process) zurückgreifen. Auch sollten die Meinungen von Mitarbeitern und Gruppenleitern zur genaueren Abschätzung der Arbeitsschwierigkeit hinzugezogen werden. Letztlich besteht beim summarischen Rangfolgeverfahren das Problem, dass der Entscheider zusätzliche Bezugsgrößen für die Ermittlung der konkreten, absoluten Lohnsätze heranziehen muss, da von der Rangfolge der Tätigkeiten nicht auf die Schwierigkeitsintervalle zwischen den Rängen geschlossen werden kann.

2.2  Produktionsfaktor Mensch

63

Tab. 2.3 zeigt ein Anwendungsbeispiel für das summarische Rangfolgeverfahren. Hier wurde entschieden, dass von den vier verglichenen Tätigkeit die Lagerarbeit die leichteste, die Anlagenrüstung die schwierigste Arbeit ist. Beim summarischen Lohngruppenverfahren werden Tätigkeiten in vordefinierte Lohngruppen eingeordnet. Die zur Erreichung einer Lohngruppe nötigen Anforderungen werden mithilfe von Definitionstabellen auf abstrakter Ebene möglichst genau beschrieben. Je nach Grad der Genauigkeit werden typischerweise sechs bis zwölf Lohngruppen verwendet. Die einzelnen Lohngruppen können ihrerseits noch mit entsprechenden Prozentwerten versehen werden, die als spätere Bezugsgrößen für die Ermittlung der absoluten Lohnsätze herangezogen werden (Tab. 2.4). Der grundsätzliche Vorteil des summarischen Lohngruppenverfahrens liegt, wie auch beim summarischen Rangfolgeverfahren, in seiner Einfachheit, da Tätigkeiten als Ganzes beurteilt werden. Bei steigender Spezifizität der Tätigkeiten wird es jedoch immer schwieriger, eine Beurteilung und Einteilung dieser vorzunehmen. Auch bei standortübergreifender Anwendung des Verfahrens muss die Frage gestellt werden, ob nicht standortspezifische Definitionstabellen geeigneter wären.

Tab. 2.3  Summarisches Rangfolgeverfahren (Beispiel) Tätigkeit Qualitätskontrolle Anlagenrüstung Lagerarbeit Montage

Arbeitsschwierigkeit (Minimum: 1, Maximum: 4) 3 4 1 2

Tab. 2.4  Summarisches Lohngruppenverfahren (Beispiel) Lohngruppe Beschreibung Lohngruppe 1 Arbeiten mit geringer körperlicher Belastung ohne Vorkenntnisse und nach kurzer Anweisung möglich Lohngruppe 2 Arbeiten mit mittlerer körperlicher Belastung ohne Vorkenntnisse und nach kurzer Anweisung möglich Lohngruppe 3 Arbeiten mit geringer oder mittlerer körperlicher Belastung nur mit gewissen Vorkenntnissen und nach 3-monatiger Anweisung möglich Lohngruppe 4 Facharbeiten, die neben dem fachlichen Können weitere Anforderungen sowie eine mehrjährige Ausbildungszeit voraussetzen Lohngruppe 5 Facharbeiten, die neben dem fachlichen Können weitere Anforderungen wie z. B. Spezialwissen sowie eine mehrjährige Ausbildungszeit und Berufserfahrung voraussetzen Lohngruppe 6 Facharbeiten, die hervorragendes Können, Verantwortungsbewusstsein sowie eine mehrjährige Ausbildungszeit sowie Berufserfahrung voraussetzen

Gewichtung 75 % 82 % 90 % 100 %

115 %

130 %

64

2 Produktionsfaktoren

Für das genannte Beispiel könnte die Tätigkeit „Anlagenrüstung“ bspw. der Lohngruppe 5 zugeordnet werden, sofern sie sich bspw. auch auf Spezialmaschinen erstreckt, während die einfache Lagerarbeit der Lohngruppe 2 zugeordnet werden könnte. ­Ausgehend von einem Basislohn von 40 € pro Stunde für 100 % des Arbeitswerts würde die Anlagenrüstung dann mit 46 € pro Stunde und die Lagerarbeit mit 32,80 € pro Stunde vergütet werden. Analytische Verfahren Beim analytischen Rangreihenverfahren wird versucht, die potenziell auftretende Schwierigkeit der Gesamtbewertung einer Tätigkeit durch die Bewertung von einzelnen Anforderungen und deren Summierung zu beheben. Gegenüber den summarischen Verfahren soll dadurch eine detailliertere Bewertung der Schwierigkeit einzelner Tätigkeiten vorgenommen werden. Hierzu werden zunächst die einzelnen Anforderungen der Tätigkeiten – nicht mehr die Tätigkeiten als Gesamtes – in eine individuelle Rangordnung gebracht (Abb. 2.8). Der Rang „1“ beschreibt dabei die höchste Schwierigkeitsstufe. Im nächsten Schritt müssen die Rangfolgezahlen in addierbare Zahlenwerte umgewandelt werden. Dabei wird an dieser Stelle aus Gründen der Vereinfachung von einer Äquidistanz der Schwierigkeit der Anforderungsarten zueinander ausgegangen. Die höchste Anforderungsziffer erhält den Wert 100 %. Die anderen Ziffern werden in Relation zu dieser Ziffer gesetzt. Daraufhin wird für jede Anforderungsart ein Gewichtungsfaktor bestimmt, der das Verhältnis der einzelnen Anforderungsart zur Gesamtanforderung beschreibt. Die Summe der Gewichtungsfaktoren muss 100 % ergeben (Abb. 2.9). Eine mögliche Kritik am analytischen Rangreihenverfahren kann darin gesehen werden, dass die Gewichtung der Anforderungsarten nach wie vor subjektiven Maßstäben folgen kann.

Lagerarbeit Montage Qualitätskontrolle Anlagenrüstung

Geistiges Können 4 3 2 1

Geistige Belastung 4 3 1 2

Anforderungsarten / Rangfolge Körperliches Körperliche Können Belastung 2 1 3 2 4 4 1 3

Verantwortung 4 3 1 2

Umgebungseinflüsse 1 2 4 3

Abb. 2.8  Analytisches Rangreihenverfahren: Bewertung der einzelnen Anforderungen (eigene Darstellung)

Lagerarbeit Montage Qualitätskontrolle Anlagenrüstung Gewichtete Anforderungsart

Geistiges Können 25 % 50 % 75 % 100 %

Geistige Belastung 25 % 50 % 100 % 75 %

20 %

15 %

Anforderungsarten / in Prozent Körperliches Körperliche Können Belastung 75 % 100 % 50 % 75 % 25 % 25 % 100 % 50 % 15 %

15 %

25 % 50 % 100 % 75 %

Umgebungseinflüsse 100 % 75 % 25 % 50 %

30 %

5%

Verantwortung

Abb. 2.9  Analytisches Rangreihenverfahren: Umwandlung der Rangfolgezahlen in Prozentzahlen (eigene Darstellung)

2.2  Produktionsfaktor Mensch

Lagerarbeit Montage Qualitätskontrolle Anlagenrüstung Gewichtete Anforderungsart

Geistiges Können 25 % 50 % 75 % 100 %

Geistige Belastung 25 % 50 % 100 % 75 %

20 %

15 %

65 Anforderungsarten / in Prozent Körperliches Körperliche Können Belastung 75 % 100 % 50 % 75 % 25 % 25 % 100 % 50 % 15 %

15 %

25 % 50 % 100 % 75 %

Umgebungseinflüsse 100 % 75 % 25 % 50 %

30 %

5%

Verantwortung

Arbeitswert 47,50 % 55,00 % 68,75 % 78,75 %

Abb. 2.10  Analytisches Rangreihenverfahren: Errechnung des Arbeitswerts (eigene Darstellung) Punktezahl je detaillierter Anforderungsstufe 0 Geistiges Können

Geistige Belastung Körperliches Können Körperliche Belastung

1

2

3

Ausbildung

4

Erfahrung 4

Aufmerksamkeit

4

Denkttätigkeit

8

9

6

Körpergewandheit

4

Dynamische Muskelarbeit

3

Statische Muskelarbeit

3

Einseitige Muskelarbeit

2 5

Für andere Personen

4 6

Klima Lärm

7

5

Handfertigkeit

Für Betriebsmittel

Umgebungseinflüsse

6

5

Denkfähigkeit

Für die eigene Person Verantwortung

5

4

2 1

Staub

1

Beleuchtung

1 Summe

60

Abb. 2.11  Analytisches Stufenwertzahlenverfahren (eigene Darstellung)

Das Summenprodukt der Einzelbewertungen und der Gewichtungen über alle Anforderungen hinweg ergibt die Gesamtbewertung der Tätigkeit, den sogenannten Arbeitswert (Abb. 2.10). Dieser Wert kann daraufhin wieder mit einem Basislohn multipliziert werden. Das analytische Stufenwertzahlverfahren lässt einen weiteren Detailgrad zu: Für jede Tätigkeit werden für jede Anforderungsart Punkte vergeben. Die in Abb. 2.11 abgebildete Balkenlänge je Anforderungsart drückt den unterstellten, maximal möglichen Beitrag der einzelnen Anforderungsarten zum gesamtmöglichen Arbeitswert aus. Wichtigere Merkmale erhalten einen längeren Balken als unwichtigere. Da auch diese Vergabe von Maximalwerten häufig einer subjektiven Einschätzung folgt, ist auch dieses Verfahren letztlich nicht frei von Kritik. Für die Tätigkeit Lagerarbeit würde sich bspw. ein Punkteschema wie in Abb. 2.11 ergeben. Die detaillierten Anforderungswerte werden daraufhin ihrerseits je Anforderungsart summiert und zu einem Arbeitswert aggregiert. Die unterschiedlichen Tätigkeiten können auf Basis dieser Arbeitswerte in Vergleich zueinander gesetzt werden (Lagerarbeit ist weniger schwierig als Anlagenrüstung etc.). Die Bepunktung der detaillierten Anforderungsstufen sowie die Gewichtung der Gesamtanforderungswerte stellen die größte Schwierigkeit dieses Verfahrens dar. Beispielsweise könnte der Kritikpunkt vorgebracht werden, dass die Schwierigkeit einer detaillierten Anforderungsstufe (z. B.  Aufmerksamkeit) nicht linear, sondern progressiv steigt.

66

2 Produktionsfaktoren

Dem Entscheider stellt sich also vor der Anwendung des analytischen Stufenwertzahlverfahrens die Aufgabe, den Verlauf der Bepunktung sowie die Gewichtung der Gesamtanforderungswerte mit den betroffenen Mitarbeitern und erfahrenen Gruppenleitern in transparenter Weise zu klären. Bezogen auf das Beispiel würde die Tätigkeit Lagerarbeit mit 60 von maximal 80 Punkten bewertet werden. Ausgehend von einem Basislohn von 40 € pro Stunde könnte daraus gefolgert werden, dass die Tätigkeit Lagerarbeit mit 60/80 × 40 = 30 € pro Stunde vergütet werden soll.

2.2.3.2 Ermittlung von Vorgabezeiten Zusammensetzung der Vorgabezeit Neben der Bewertung der Arbeitsschwierigkeit gilt es, für die zu bewertenden Arbeitsgänge Vorgabezeiten zu ermitteln. Auf Basis der Vorgabezeit kann daraufhin die zu erwartende Normalleistung eines Mitarbeiters berechnet werden. Die Normalleistung ist ihrerseits der Maßstab dafür, ob ein Mitarbeiter sein Soll erfüllt oder eine Mehr- bzw. Minderleistung erbringt. Die tatsächliche Leistung wirkt sich dementsprechend dann auf die Höhe des letztlich ausbezahlten Lohns aus. Vielfältige Verwendung von Vorgabezeiten

Neben ihrer Anwendung im Rahmen der Berechnung des Arbeitsentgelts finden Vorgabezeiten im Rahmen der Produktionsplanung und -steuerung (Kap. 3) mehrfache Anwendung, so bspw. bei der Materialbedarfsplanung (Abschn. 3.3.5), Durchlaufterminierung (Abschn. 3.3.6) und Reihenfolgeplanung (Abschn. 3.3.8).

Die Vorgabezeit kann mithilfe des REFA-Schemas zur Gliederung der Auftragszeit in ihre einzelnen Bestandteile bzw. Zeitarten unterteilt werden (Abb. 2.12) (REFA – Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation (REFA) 1987, S. 42; Pfeiffer et  al. 1977, S. 212–213; Hammer 1977, S. 268–271). Die Vorgabezeit besteht aus drei Hauptkomponenten (Pfeiffer et al. 1977, S. 212; Hammer 1977, S. 269–271): • Die Grundzeit ist die regelmäßig anfallende Soll-Zeit zur Ausführung der Tätigkeit. Sie stellt typischerweise den Hauptbestandteil der Vorgabezeit dar. • Erholungszeiten sind diejenigen Soll-Zeiten, die für die Erholung im Lauf des Arbeitsprozesses festgelegt sind. Sie sollen der Arbeitsermüdung vorbeugen und sind von der Höhe und Dauer der Arbeitsbelastung abhängig. • Verteilzeiten sind diejenigen Zeiten, die nicht unmittelbar zur Verrichtung der Aufgaben gehören. Dazu gehören sachliche Verteilzeiten wie bspw. Maschinenstörungen, Telefongespräche, Starten des Computers, Anlegen von Schutzkleidung etc. und persönliche Verteilzeiten, die von den individuellen Bedürfnissen des Mitarbeiters abhängen (z. B. Trinkpause, Toilettengang, Händewaschen).

2.2  Produktionsfaktor Mensch

67

Rüstgrundzeit

Rüstverteilzeit

Rüstzeit

Auftragszeit

Rüsterholungszeit Tätigkeitszeit Grundzeit Wartezeit Erholungszeit

Vorgabezeit (Zeit je Einheit)

Ausführungszeit des Auftrags

Sachliche Verteilzeit Verteilzeit Persönliche Verteilzeit

Abb. 2.12  Zusammensetzung von Vorgabezeiten (REFA Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e. V. 1987, S. 42)

Verfahren zur Vorgabezeitermittlung: Zeitstudien Überblick Für die Ermittlung von Vorgabezeiten werden im Folgenden verschiedene Verfahren vorgestellt. Diese Verfahren lassen sich unter dem Oberbegriff der sogenannten Zeitstudien zusammenfassen (Heinz 1996; Pfeiffer et al. 1977, S. 214) – alternative Verfahren wie das Zusammensetz-, Interpolations- und Schätzverfahren werden an dieser Stelle nicht näher thematisiert, da Zeitstudien in der Praxis am häufigsten angewandt werden. Der Grund hierfür liegt in ihrer systematischen Methodik und dem transparenten Ablauf. Messende Verfahren Bei messenden Verfahren wird eine Zeitmessung am Arbeitsplatz selbst durchgeführt. Die Messung kann durch eine Person mit Stoppuhr – man denke an den taylor'schen Manager (Abschn. 2.2.2.1) –, aber auch mithilfe technischer Geräte (bspw. einer Videoaufzeichnung oder einem Stückzähler) durchgeführt werden. Um einen durchschnittlichen Zeitwert für die Durchführung von Arbeitsgängen zu erhalten, wird die Messung mehrfach wiederholt und eventuell auftretende Ausreißer entfernt. Daraufhin wird der Mittelwert der Zeiten für entsprechende Arbeitsschritte gebildet. Da die Ausführungszeit eines Arbeitsschrittes jedoch (1) vom ausführenden Menschen und (2) von dessen Tagesform abhängt, wird die beobachtete Zeit üblicherweise um einen Korrekturfaktor (auch: Leistungsgrad) angepasst (Pfeiffer et al. 1977, S. 216–225; Corsten und Gössinger 2016, S. 355). Rechnende Verfahren Bei rechnenden Zeitstudien werden die einzelnen Arbeitsvorgänge zunächst in kleinstmögliche elementare Schritte zerlegt: Tab. 2.5 zeigt eine Auswahl verschiedener Grund-

68 Tab. 2.5 Methods-Time-­ Measurement-­Verfahren: Grundbewegungen (Pfeiffer et al. 1977, S. 229)

2 Produktionsfaktoren Bewegung Hinlangen, Reichen Mitnehmen, Bewegen, Bringen Drehen Kurbelbewegung Druck ausüben Greifen In-Lage-Bringen, Ausrichten, Fügen Loslassen Lösen, Trennen Augenrichtungszeit, Augenbewegungszeit Körper-, Bein-, Fußbewegungen

Englische Bezeichnung Reach Move Turn Crank Apply pressure Grasp Position Release Disengage Eye focus/travel time Diverse Bezeichnungen

bewegungen für das rechnende Methods-Time-Measurement-Verfahren (MTM-­ Verfahren). Die Dauer dieser elementaren Schritte wird einer normierten Zeittabelle entnommen. Diese Zeittabellen sind das Ergebnis aus einer Vielzahl von Zeitmessungen dieser elementaren Arbeitsschritte. Der Vorteil rechnender Verfahren ist, dass auch für Tätigkeiten, die sich noch in Planung befinden, Vorgabezeiten geschätzt werden können. In den MTM-Zeittabellen werden für jede MTM-Grundbewegung – für verschiedene äußere Bedingungen (z. B. Bewegungslänge und -gefälle) sowie Bewegungszusammensetzungen (z. B. aufeinanderfolgende oder simultane Bewegungen) – konstante Zeitwerte aufgelistet, die in normalen Situationen und bei normaler Leistung gültig sind. Die kleinste Zeiteinheit stellt dabei die Time Measurement Unit dar, die 0,036 Sekunden umfasst. Es ist zu beachten, dass im MTM-Verfahren lediglich die Grundzeit geschätzt wird und eine Berücksichtigung der Erhol- und Verteilzeit nicht vorgesehen ist. Hierbei können in der Praxis gegebenenfalls Abstimmungsunterschiede auftreten (Pfeiffer et  al. 1977, S. 227–239; Luczak 1998, S. 669; Corsten und Gössinger 2016, S. 355–356). Orientierende Verfahren: Multimoment-Verfahren Im Gegensatz zu den messenden Verfahren, bei denen einzelne Tätigkeitszeiten des Mitarbeiters gemessen werden, wird bei den orientierenden Verfahren versucht, die Zeiten „indirekt“ über statistische Analysen zu ermitteln. Hierfür wird über stichprobenartige Erhebungen der prozentuale Anteil der verschiedenen Tätigkeitszeiten am Gesamtzeitverbrauch ermittelt. Durch Verrechnung mit dem Gesamtzeitverbrauch ergibt sich die Vorgabezeit eines Vorgangs: Die Zeitermittlung orientiert sich somit an der tatsächlichen ­Verteilung der Tätigkeitszeiten (Corsten und Gössinger 2016, S. 356). Beispielhaft soll das Multimoment-Verfahren beschrieben werden (REFA – Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation (REFA) 1987; Luczak 1998, S. 670–674; Pfeiffer et al. 1977, S. 239–243). Zur Zeitmessung im Multimoment-Verfahren wird eine Reihe von Begehungen der Arbeitsstationen gemacht. Ziel dieser Begehungen ist es, Daten über die Häufigkeit gerade ausgeführter Tätigkeiten der Mitarbeiter zu erheben:

2.2  Produktionsfaktor Mensch

69

• Beim Häufigkeitszählverfahren wird auf Basis regelmäßiger Begehungen eine Strichliste darüber geführt, welche Tätigkeit der Mitarbeiter im Augenblick der Begehungen durchführt. • Beim Zeitmessverfahren werden auf Basis unregelmäßiger Begehungen genaue Daten zu der Tätigkeitsart und dem Zeitpunkt der Beobachtung notiert. Auf diese Weise ergibt sich eine Datenmenge zu den typischen Anfangs- und Endzeitpunkten der verschiedenen Tätigkeiten. Bei beiden Verfahren, dem Häufigkeitszählverfahren und dem Zeitmessverfahren, werden nach Ermittlung der entsprechenden Daten statistische Verfahren angewendet, um die benötigten Grundzeiten zu ermitteln. Klar ist, dass die Genauigkeit des Multimoment-­ Verfahrens von der Anzahl der Begehungen abhängt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass orientierende Verfahren gerade bei der Ermittlung der Verteilzeiten Anwendung finden. Grund dafür ist die fehlende Beobachtbarkeit der Verteilzeiten (Pfeiffer et al. 1977, S. 240). Bestimmung von auftragsbezogenen Vorgabezeiten

Die oben genannten Zeitelemente (Grund-, Erhol- und Verteilzeiten) und Zeitstudien werden nicht nur zur Beschreibung und Analyse des Arbeitsablaufs des Menschen eingesetzt, sondern auch zur Bestimmung von auftragsbezogenen Vorgabezeiten. Abb. 2.13 zeigt, dass für die Berechnung der Vorgabezeit für einen Auftrag nach mengenunabhängigen und mengenabhängigen Bestandteilen unterschieden wird. Zeitkomponenten

Rüstgrundzeit + Rüstverteilzeit

Tätigkeitsinhalte

Vorgehen und Hilfsmittel zur Zeitermittlung

Vorbereitung der Betriebsmittel, z. B. Werkzeugbeschaffung, Auf- und Abrüsten

Maschinenspezifische Tabellen

Unregelmäßig auftretende Zeiten, z. B. Anlaufzeit der Maschinen

Zuschlag (ca. 5-15 %) zur Rüstgrundzeit (Verteilzeitstudie)

Zeit für das Erholen des Menschen

Zuschlag, abhängig von Höhe und Dauer der Beanspruchung

Zeit mit unmittelbarem Fortschritt im Sinne des Fertigungsauftrages

Berechnen (z. B. Richtwerte für Zerspanungsdaten), Messen, Vergleichen

Regelmäßige, nur mittelbar zum Arbeitsfortschritt beitragende Zeiten

Maschinenspezifische Tabellen

Unregelmäßig auftretende Zeiten, z. B. Vorbereiten bei Schichtbeginn

Zuschlag (ca. 5-15 %) zur Grundzeit

Zeit für Erholung

Zuschlag, abhängig von Höhe u. Dauer der Beanspruchung

+ Rüsterholungszeit Rüstzeit

=

Tätigkeitszeit + Wartezeit

Grundzeit

+ Verteilzeit + Erholungszeit = Zeit je Einheit * Anzahl Einheiten = Ausführungszeit Auftragszeit

Abb. 2.13  Berechnung auftragsbezogener Vorgabezeiten (Wiendahl 2014, S. 214)

70

2 Produktionsfaktoren

Die mengenunabhängigen Bestandteile werden als Rüstzeiten bezeichnet. Sie umfassen die einmaligen Vorbereitungsarbeiten zur Durchführung eines Auftrages. Dazu zählen bspw. der Aufbau spezieller Vorrichtungen und die Bereitstellung von Werkzeugen, die Konfiguration der Maschinen, Reinigung etc. Die mengenabhängige Zeit bezeichnet die Ausführungszeit. Diese errechnet sich aus der Vorgabezeit je Einheit multipliziert mit der den Auftrag umfassenden Stückzahl. Die Auftragszeit ist die Summe aus Rüstzeit und Ausführungszeit (Wiendahl 2014, S. 213–214).

2.3

Produktionsfaktor Betriebsmittel

2.3.1 Z  usammenhang zwischen Produktionstyp und Fertigungsorganisation Betriebsmittel sind Potenzialfaktoren, die den Transformationsprozess ermöglichen (Abschn. 1.2). Ihre Aufgabe im Produktionsprozess wird daher in der Literatur mit der langfristigen Bereitstellung von Leistungspotenzialen beschrieben. Grundsätzlich zählen alle Güter, die den Produktionsprozess ermöglichen, zu den Betriebsmitteln: Neben den intuitiven Betriebsmitteln wie Arbeitsmaschinen, Werkzeuge oder Vorrichtungen gehören somit auch Grundstücke, Gebäude und EDV-Anlagen zu Betriebsmitteln. Im Gegensatz zu Repetierfaktoren wie bspw. einem Rohstoff werden Betriebsmittel nicht in einzelnen Transformationsprozessen, sondern erst über sehr viele Transformationsprozesse hinweg „verzehrt“ (z. B. durch Abnutzung, Abschreibung oder technische Obsoleszenz). Wird im Folgenden von Betriebsmitteln gesprochen, so werden damit die intuitiven Betriebsmittel gemeint, die direkt im Transformationsprozess Einsatz finden: Maschinen, Anlagen, Werkzeuge, Vorrichtungen etc. Betriebsmittel werden zur Durchführung des Herstellungsprozesses zu Arbeitssystemen kombiniert (Abschn. 1.2). Arbeitssysteme sind einzelne arbeitsfähige Elemente im gesamten Produktionssystem. Ein Produkt durchläuft im Rahmen seiner Herstellung in der Regel mehrere Arbeitssysteme. Innerhalb jedes Arbeitssystems werden verschiedene Arbeitsgänge an ihm bis zu seiner Fertigstellung durchgeführt. Häufig wird mit der Bildung von Arbeitssystemen die Zuordnung eines Mitarbeiters zu einem Betriebsmittel, bspw. einer Maschine, beschrieben. Es können aber auch Maschinensysteme, die ohne Mitarbeiterbeteiligung durch einen Rechner gesteuert werden, als Arbeitssystem bezeichnet werden. Ein Beispiel hierfür sind die in der industriellen Produktion weit verbreiteten NC-Maschinen (siehe Zusatzinformation „NC-Maschinen“).

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

71

NC-Maschinen

NC-Maschinen (Numerical Control, dt. Numerische Steuerung) sind numerisch durch Computer gesteuerte Maschinen. Die Steuerung erfolgt über sogenannte NC-Programme. Diese Programme beschreiben alle Arbeitsschritte, die die Maschine zusammenhängend ausführen soll. Dazu zählen auch automatische Werkzeugwechsel. NC-Maschinen lassen sich nach dem Umfang der Rechnerunterstützung in einfache NC-Maschinen, CNC- und DNC-Maschinen unterscheiden (Kurbel 2016a, S. 390): • Einfache NC-Maschinen werden mittels Computer gesteuert. Das Steuerungsprogramm enthält die notwendigen Informationen bezüglich der Bearbeitung und der Art des Werkstücks. Einfache NC-Programme lassen sich an der Maschine selber nicht verändern. • CNC-Maschinen (Computerized Numeric Control) enthalten einen Mikrocomputer. Die Programme können daher an der Maschine selbst modifiziert werden. Eine automatische Abstimmung zwischen mehreren Maschinen ist aber nicht möglich, da die Maschinen im Prinzip isolierte Einheiten sind. • Bei DNC-Maschinen (Direct Numeric Control) existiert ein übergeordneter Steuerungsrechner für mehrere Maschinen. Dieser überwacht und steuert die zeitliche Abstimmung zwischen den einzelnen Maschinen. Die NC-Programme werden in der Regel über ein Netzwerk an die Maschinen geschickt. Die Bewegung der Produkte durch die Arbeitssysteme hindurch wird als Materialfluss bezeichnet (Schmidt und Schneider 2008, S. 371–373). Für die Sicherstellung eines „guten“ Materialflusses muss neben der komplexen Auswahl und Planung geeigneter Fördersysteme (siehe hierzu bspw. Schulze 1996; Arnold und Furmans 2009) eine geeignete Organisation der Arbeitssysteme erfolgen. Wir stehen also vor der Frage: Wie sollen wir die Arbeitssysteme in unserem Produktionssystem anordnen? Diese Frage betrifft die physische Struktur des Produktionssystems (Abschn. 1.2) – welche Maschinen werden welchen Plätzen zugeordnet? Da es unterschiedliche Herangehensweisen zur Arbeitssystemanordnung gibt, wurden diese als sogenannte Fertigungsorganisationstypen kategorisiert. Zur Beurteilung der Güte eines Fertigungsorganisationstyps können viele Kennzahlen herangezogen werden. Im Folgenden konzentrieren wir uns darauf, inwieweit sie dazu beiträgt, die unternehmensindividuellen Erfordernisse im produktionswirtschaftlichen Basis-­Trade-Off zwischen Effizienz und Flexibilität zu bewältigen (Zäpfel 2000b, S. 162): • Der Begriff der Effizienz wurde bereits in Abschn. 1.1 besprochen: Trägt die Arbeitssystemanordnung dazu bei, die Produktionsaufgaben zu möglichst geringen Kosten zu erfüllen?

72

2 Produktionsfaktoren

• Der Begriff der Flexibilität beschreibt hingegen den Einfluss der Arbeitssystemanordnung auf die Fähigkeit eines Produktionssystems, auf Veränderungen der Produktionsanforderungen (z. B. Produkttypen, Mengen, Termine, Qualität) mit gleichbleibenden Stückkosten reagieren zu können (Upton 1994). Wie in diesem Kapitel gezeigt werden wird, stehen diese beiden Ziele typischerweise in konfliktärer Beziehung zueinander. Besonders effiziente Organisationstypen sind typischerweise in ihrer Struktur starr und können nur unter hohem Aufwand geändert werden. Besonders flexible Organisationstypen erreichen hingegen typischerweise nicht das maximale Effizienzniveau. Für den Planer gilt es somit, sich vorab Gedanken zu machen, welche möglichen Fertigungsorganisationstypen existieren und wie sich diese im Basis-­ Trade-­Off „Effizienz vs. Flexibilität“ bewähren. Darauf aufbauend kann er Überlegungen anstellen, welche Anforderungen „sein“ Produktionssystem erfüllen muss und dementsprechend einen geeigneten Fertigungsorganisationstyp wählen. Grundsätzlich stehen dem Planer verschiedene Fertigungsorganisationstypen zur Verfügung. Hierzu zählen bspw. die Fließbandfertigung, die Werkstattfertigung oder die Inselfertigung. Diese Organisationstypen werden im Folgenden noch näher besprochen. Sie unterscheiden sich in einer Reihe von Merkmalen. Hierzu zählen bspw. die Gerichtetheit des Materialflusses, die materialflusstechnischen Kopplung der Produkte oder die ­zeitliche Bindung der Arbeitsschritte (Reichwald und Dietel 1991, S. 431–436; Zäpfel 2000b, S. 157–164). Die Wahl eines Organisationstyps ist auch eine vergleichsweise langfristige Entscheidung. Sie ist Bestandteil der taktischen Planung des Produktionssystems (Zäpfel 2000a, b). Als grundsätzliche Entscheidungskriterien können die Komplexität und die Variabilität des Leistungsangebots des Unternehmens herangezogen werden (Reichwald und Dietel 1991, S. 404–408; Zäpfel 2000b, S. 161): • Die Komplexität bezeichnet hierbei die Anzahl und Verschiedenartigkeit der herzustellenden Produkte. • Die Variabilität beschreibt die Spannweite an unterschiedlichen Anforderungen (z. B. Produkttypen, Mengen, Termine, Qualität), die das Produktionssystem handhaben muss, sowie die Unregelmäßigkeit ihres Auftretens. Anhand dieser zwei Kriterien lassen sich vier produktionswirtschaftliche Idealtypen (Produktionstypen) in einer Vierfeldermatrix abbilden (Reichwald und Dietel 1991, S. 404–408; Hammer 1977, S. 47–48, Abb. 2.14): • In der Massenfertigung werden standardisierte Produkte in hoher Stückzahl für einen anonymen Markt hergestellt. Eine Massenfertigung kann auch als Großserienfertigung gekennzeichnet sein. Der Wechsel der Großserie wird z. B. durch veränderte Kundenwünsche oder technologische Neuerungen bedingt.

niedrig

Variabilität

hoch

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

73

Auftragsorientierte Serienfertigung teilweise standardisierte Produkte nach Kundenauftrag in Serienfertigung

Auftragsorientierte Einzelfertigung nicht-standardisierte Produkte nach Kundenauftrag in Einzelfertigung

z. B. Bekleidungsindustrie

z. B. Großanlagenbau

Marktorientierte Massenfertigung standardisierte Produkte für anonyme Abnehmer in Großserienfertigung

-

z. B. Nahrungsmittelindustrie

Marktorientierte Serienfertigung teilweise standardisierte Produkte für anonyme Abnehmer in Serienfertigung z. B. EDV-Hardware

niedrig

hoch Komplexität

Abb. 2.14  Der Zusammenhang von Produktionstyp und Komplexität/Variabilität des Leistungsprogramms (Reichwald und Dietel 1991, S. 405)

• Die Einzelfertigung ist das Gegenstück zur Massenfertigung: Hier werden Individualprodukte auf Auftrag des Kunden hin in kleiner Stückzahl gefertigt. Die Produktgestaltung erfolgt in der Regel in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden. • Die Serienfertigung kann als Mischform von Massen- und Einzelfertigung verstanden werden. Sie kann entweder auf Auftrag eines einzelnen Kunden hin oder für einen anonymen Markt in unterschiedlich hoher Stückzahl geschehen. Für jeden dieser Produktionstypen sind hinsichtlich des Basis-Trade-Offs „Effizienz vs. Flexibilität“ unterschiedliche Fertigungsorganisationstypen geeignet. Natürlich können in einem Unternehmen auch mehrere Organisationstypen parallel aufzufinden sein, bspw. wenn ein Teil des Leistungsangebots in Einzelfertigung und ein anderer Teil in Großserienfertigung erfolgt (Zäpfel 2000b, S. 161). Nach der Festlegung auf einen Organisationstyp müssen anschließend auf operativer Ebene typspezifische Detailprobleme (z. B. Layoutplanung, Fließbandabstimmung) sowie Fragen der optimalen Bewirtschaftung der Betriebsmittel gelöst werden (Bedarfsrechnung, Verwaltung, Erneuerung, Ausmusterung etc., siehe bspw. Kuhn 1996). In diesem Kapitel werden zunächst die verfügbaren Organisationstypen vorgestellt (Abschn. 2.3.2.1) und ihre Eignung für die genannten Produktionstypen besprochen (Abschn. 2.3.2.2). Daraufhin erfolgt eine Darstellung von Inhalt und Lösungsansätzen ihrer spezifischen operativen Detailprobleme (Abschn. 2.3.3).

2.3.2 Organisationstypen der Fertigung 2.3.2.1 Beschreibung und Vergleich von Fertigungsorganisationstypen Fertigungsorganisationstypen werden in funktionsorientierte und objektorientierte Organisationstypen untergliedert (Zäpfel 2000b, S. 158–159; Günther und Tempelmeier 2012, S. 12–19; Hammer 1977, S. 55):

74

2 Produktionsfaktoren

• In funktionsorientierten (alternativ: verrichtungsorientierten) Organisationstypen werden Arbeitssysteme, die gleichartige Arbeitsgänge (Funktionen) durchführen, räum­ lich zusammengefasst (z. B. Dreherei, Stanzerei, Lackiererei). In einer Werkhalle, in der die Fertigung nach funktionsorientierter Organisation durchgeführt wird, müssen ­Produkte zu ihrer Herstellung in unterschiedlicher Reihenfolge sogenannte Werkstätten durchlaufen  – die funktionsorientierte Organisation der Fertigung wird daher mit der Werkstattfertigung gleichgesetzt. Im Englischen wird dies daher auch als „process layout“ beschrieben. • In objektorientierten (alternativ: prozessfolgeorientierten) Organisationstypen werden Arbeitssysteme gemäß den Arbeitsplänen der herzustellenden Produkte (Objekte) angeordnet. Dies wird auch als „product layout“ bezeichnet. Hierbei kann es sich z. B. um ein Fließband handeln, über dessen Verlauf Arbeitssysteme gemäß der Arbeitsschrittreihenfolge eines Produkts verteilt wurden, oder um eine Fertigungsinsel, an der alle Arbeitssysteme gebündelt wurden, die zur Bearbeitung eines Produkts notwendig sind. Zu den objektorientierten Organisationstypen zählen die Fließbandfertigung, Transferstraßen, Reihenfertigung, Fertigungsinseln, flexible Fertigungssysteme und die Baustellenfertigung. Neben diesen übergeordneten Merkmalen lassen sich Fertigungsorganisationstypen nach weiteren Gesichtspunkten unterteilen (Abb. 2.15). Diese werden im Folgenden schrittweise erklärt. Funktionsprinzip: Werkstattfertigung Überblick In einer Werkstattfertigung (engl. job shop) werden Arbeitssysteme mit gleichartigen Funktionen räumlich zu Werkstätten zusammengelegt. Die Werkstätten werden üblicherweise nach ihrer Funktion benannt (Dreherei, Stanzerei, …). Eine Halle, die wie in Abb. 2.16 in verschiedene Bereiche eingeteilt ist, steht beispielhaft für eine Werkstattfertigung. In der Werkstattfertigung durchlaufen Produkte gemäß den in ihrem Arbeitsplan vorgegebenen Bearbeitungsschritten verschiedene Werkstätten. Der physische Weg, den ein Produkt in seiner Bearbeitung gehen muss, ist daher durch die Standorte der Werkstätten vorgegeben. Es ist nicht unüblich, dass ein Produkt im Laufe seiner Herstellung manche Werkstätten mehrere Male, andere Werkstätten hingegen gar nicht durchlaufen muss (Zäpfel 2000b, S. 164–165; Reichwald und Dietel 1991, S. 432; Hammer 1977, S. 56–58). Dies wird salopp auch als „Materialtourismus“ bezeichnet. Typische Produkte, die in Werkstattfertigung produziert werden, sind Möbel und Maschinenkomponenten. Überlegungen zum Einsatz der Werkstattfertigung Durch die funktionale Aufteilung der Werkstätten können verschiedene Vorteile realisiert werden (Zäpfel 2000b, S. 165–166; Reichwald und Dietel 1991, S. 432–434, S. 437; Hammer 1977, S. 57):

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

75

Organisationstypen der Fertigung

Funktionsprinzip

Objektprinzip

Zentrenfertigung

Fließfertigung

getakteter Materialfluss mit zeitlicher Bindung

Werkstattfertigung

nicht getakteter Materialfluss ohne zeitliche Bindung

nicht gekoppelter Materialfluss

gekoppelter Materialfluss

Fließbandfertigung

Transferstraße

Reihenfertigung

Nichtautomatisierte Fertigung

Automatisierte Fertigung

Fertigungsinsel

Flexible Fertigungssysteme

Abb. 2.15  Systematik der Fertigungsorganisationstypen (Kiener et al. 2012, S. 61) Abb. 2.16  Ein nach dem Funktionsprinzip gegliedertes Produktionssystem (Werkstattfertigung) (eigene Darstellung nach Reichwald und Dietel 1991, S. 433)

Materiallager Bohren

Fräsen

Polieren

Pressen

Schneiden

Formen

Entgraten

Lackieren

Montage

Schweißen

Werkstattsteuerung und- kontrolle

76

2 Produktionsfaktoren

• In einer Werkstattfertigung ist es vergleichsweise leicht, neue Produkte in das Produktionssystem einzuspeisen. Der Materialfluss des neuen Produkts wird dem Materialflussnetz hinzugefügt, ohne dass eine Anpassung der Werkstattstandorte notwendig wird. In einer Fließbandfertigung, in der Arbeitssysteme starr hintereinandergeschaltet sind, ist dies kaum möglich. Die Werkstattfertigung weist also hohe Produktionsflexibilität auf. • Aufgrund der gegenseitigen Unabhängigkeit der Werkstätten können Störungen im Produktionsablauf (z. B. Maschinenausfall, Werkzeugbruch), Materialengpässe (z. B. Lieferverspätung), Personalengpässe (z. B.  Krankheit, Urlaub) durch kurzfristige Umdisposition (z. B.  Stationswechsel, Re-Allokation der Mitarbeiter) kompensiert werden. • Die Unabhängigkeit der Werkstätten ermöglicht es dem Mitarbeiter zudem, seine Arbeitsgeschwindigkeit gemäß seiner persönlichen Leistungsfähigkeit und -bereitschaft anzupassen. • Schließlich erfordert die Einrichtung einer Werkstattfertigung in der Regel geringere Investitionen als funktionsorientierte Fertigungsorganisationstypen wie z. B. die Fließfertigung. Die funktionale Aufteilung birgt jedoch auch planerische Herausforderungen (Zäpfel 2000b, S. 166; Reichwald und Dietel 1991, S. 432–434, S. 437; Hammer 1977, S. 57–58): • In einer Werkstattfertigung ist es schwierig, die Bearbeitungsreihenfolge und Werkstattabstimmung zu optimieren, vor allem dann, wenn viele unterschiedliche Einzelaufträge bearbeitet werden sollen: Die operative Koordination des Materialflusses ist das Grundproblem der Werkstattfertigung. Dabei stehen sich die Ziele der Auslastungserhöhung und der Durchlaufzeitminimierung unvereinbar gegenüber („Dilemma der Ablaufplanung“, Hoss 1965, S. 19–22; Gutenberg 1973, S. 215–217; Reichwald und Dietel 1991, S. 537). • Werkstattfertigungen sind typischerweise durch hohen Transportaufwand charakterisiert, da Produkte nach jedem Bearbeitungsschritt von Werkstatt zu Werkstatt bewegt werden müssen (erneut: „Materialtourismus“). Eine wichtige Voraussetzung für die Planung einer effizienten Werkstattfertigung ist die Ermittlung eines transportkostenminimalen Layouts der Werkstätten auf operativer Ebene (Abschn. 2.3.3.1). Hinzu kommen Fragen bezüglich der Reihenfolgeplanung der einzelnen Aufträge  – diese werden in Abschn. 3.3.8 besprochen. • Sobald eine Werkstatt mit Arbeitsaufträgen überlastet ist, müssen Aufträge, die ebenfalls diese Werkstatt ansteuern, auf ihre weitergehende Bearbeitung warten  – Zwischenlagerbestände entstehen, die Durchlaufzeit der Produkte steigt. –– Zur Abarbeitung der Zwischenlagerbestände werden Überstunden und Zusatzschichten nötig. –– Je nachdem, wie weit der Wertschöpfungsprozess bereits fortgeschritten ist, führt dies zu einer hohen Kapitalbindung durch Lagerbestände.

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

77

–– Das Warten führt in anderen Werkstätten zu Leerzeiten: Sie „hungern“ (starving), weil der nächste Auftrag vor einer anderen Werkstatt wartet, gerade noch in einer anderen Werkstatt bearbeitet wird oder noch herbeibewegt werden muss. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden Planung und Steuerung einer Werkstattfertigung üblicherweise in Teiloptimierungsprobleme zerlegt und diese separat optimiert (z. B. Losgrößenwahl, Maschinenbelegung, Reihenfolgeplanung, Durchlaufzeitoptimierung, Transportkostenminimierung).

Objektprinzip: Fließfertigung und Zentrenfertigung Überblick Im Gegensatz zur funktionsorientierten Organisation werden in objektorientierten Organisationen die Arbeitssysteme nicht räumlich nach ihrer Funktion zusammengefasst, sondern gemäß den Arbeitsplänen der herzustellenden Produkte angeordnet. Diese arbeitsgangfolgende Anordnung kann in Fließ- und Zentrenfertigung erfolgen (Krycha 1996, S. 1621; Zäpfel 2000b, S. 159–160; Kaluza 1996): • In der Fließfertigung (engl. flow shop) werden Arbeitssysteme gemäß ihrer Position im Arbeitsplan der herzustellenden Produkte linear hintereinander angeordnet, so dass ein Produkt schrittweise durch das Produktionssystem „fließt“. Der Materialfluss ist in Fließfertigungssystemen somit gerichtet und einheitlich. Zur Fließfertigung werden die Organisationstypen Fließbandfertigung (auch: Taktfertigung), Transferstraße und Reihenfertigung gezählt. • Auch in der Zentrenfertigung (auch: Gruppenfertigung oder Inselfertigung) werden Arbeitssysteme räumlich so zusammengefasst, dass die komplette Bearbeitung eines Produkts an einem Ort erfolgt. Im Gegensatz zur Fließfertigung kann ein Produkt die Arbeitssysteme an diesem Ort in beliebiger Reihenfolge durchlaufen, der Materialfluss ist ungerichtet. Die Zentrenfertigung kann daher als eine Mischform der Werkstatt- und der Fließfertigung verstanden werden. Typische Vertreter der Zentrenfertigung sind Fertigungsinseln und flexible Fertigungssysteme. Baustellen- und Wanderfertigung

Spezialfälle der Zentrenfertigung stellen die Baustellen- und Wanderfertigung dar. Sie werden aufgrund ihrer Sonderstellung im Rest des Kapitels nicht näher beleuchtet. Baustellen- und Wanderfertigung sind grundsätzlich dem Objektprinzip zuzuordnen, unterscheiden sich jedoch in verschiedener Weise von der Fließ- und Zentrenfertigung (Zäpfel 2000b, S. 160; Reichwald und Dietel 1991, S. 436; Hammer 1977, S. 67–68). In der Baustellenfertigung werden alle zur Fertigung nötigen Produktionsfaktoren, d. h. neben den Produktivmaterialien auch die nötigen Arbeitssysteme, zu einem

78

2 Produktionsfaktoren

festgelegten Ort hinbewegt, an welchem der komplette Fertigungsprozess durchgeführt wird. Das herzustellende Produkt ist also an einen festen Ort gebunden, die nötigen Arbeitssysteme und Materialien müssen ihm folgen. Dies ist z. B. bei der Errichtung von Industrieanlagen (Großanlagen, Fabriken) und im Flugzeug-/Schiffsbau der Fall. Auch in der Wanderfertigung werden die nötigen Produktionsfaktoren zum Herstellungsort des Produkts hinbewegt, sie bewegen sich jedoch im Gegensatz zur Baustellenfertigung mit dem Fertigungsfortschritt entlang des entstehenden Produkts mit. Der Straßen- und Gleisbau sowie der Untertagebau sind typische Beispiele einer Wanderfertigung. Aufgrund des Umfangs und der Komplexität des herzustellenden Produkts werden Baustellen- und Wanderfertigung üblicherweise mit Methoden der Projektplanung (z. B. Netzplantechnik, siehe hierzu Schwarze 1996) koordiniert.

Fließfertigung Fließbandfertigung In der Fließbandfertigung durchlaufen Produkte einen gerichteten Materialfluss entlang mehrerer Arbeitssysteme. Technisch wird dies in der Regel mit Förderbändern erreicht, die einen stetigen Produktionsfluss ermöglichen (Abb. 2.17). Die Abfolge der ­Arbeitssysteme entlang des Förderbands folgt der im Arbeitsplan vorgegebenen Arbeitsgangabfolge. Dabei kann jedes einzelne Produkt unabhängig voneinander am Band bewegt werden, der Materialfluss ist also ungekoppelt (Reichwald und Dietel 1991, S. 432; Zäpfel 2000b, S. 184–188; Hammer 1977, S. 61–66). Die Fließbandfertigung wird bspw. in der Endmontage von Automobilen und der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt. Üblicherweise werden in jedem Arbeitssystem entlang des Fließbands wenige Arbeitsvorgänge durchgeführt. Dies führt zu der Notwendigkeit, die Arbeitssysteme zeitlich aufeinander abzustimmen. Zu bestimmen ist der Takt des Fließbands: In welchem zeitlichen Rhythmus bewegt sich ein Produkt von Station zu Station entlang des Fließbands? Die Frage nach der Bestimmung eines „guten“ Takts ist Teil des operativen Detailproblems der Fließbandabstimmung und wird in Abschn. 2.3.3.2 besprochen. Ziel der Taktbestimmung ist ein Materialfluss, in dem jede Arbeitsstation möglichst hohe Auslastung (Bandwirkungsgrad) erfährt. Dabei muss auch die Frage gestellt werden, welche Arbeitsschritte zu Arbeitsstationen zusammengefasst werden sollen. Dies führt dann auch zur Ermittlung einer platz- und mitarbeitereffizienten Fließbandfertigung (Steffen 1996). Die Einrichtung einer Fließbandfertigung birgt Vor- und Nachteile (Zäpfel 2000b, S. 186–191; Reichwald und Dietel 1991, S. 434–435, 437; Hahn 1972, S. 15–16; Hammer 1977, S. 66):

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

79

15 s

15 s

Fördersystem

Arbeitsplatz

Taktvorgabe

Produkt

Maschinelle Anlage

Abb. 2.17  Ein exemplarisches Layout einer Fließbandfertigung (eigene Darstellung nach Reichwald und Dietel 1991, S. 435)

• Grundsätzlich ist die Einrichtung einer Fließbandfertigung mit hohen Startinvestitionen verbunden, da sie sehr anlagenintensiv ist. • In einer Fließbandfertigung bestehen aufgrund der Taktgebundenheit der Arbeitssysteme keine Zwischenlagerbestände. Das Taktprinzip führt zudem zu einer Vereinfachung der Produktionskoordination zwischen den Arbeitssystemen. • Im Gegensatz zur Werkstattfertigung wird der Transportweg des herzustellenden Produktes geringgehalten, da die Arbeitssysteme „ordentlich nacheinander“ angeordnet sind. Dies führt zu einem Absinken von Durchlaufzeiten und Raumkosten. • Eine Fließbandfertigung ist jedoch aufgrund der fixen Anordnung der Arbeitssysteme und aufgrund des Taktprinzips kaum produktions- oder volumenflexibel. Das bedeutet, dass auf Marktveränderungen (neue Produkte, Bedarfsschwankungen) nur mit aufwändiger Um-/Aufrüstung des Fließbands reagiert werden kann.

80

2 Produktionsfaktoren

• Des Weiteren muss beachtet werden, dass bei Maschinenausfällen, Personal- oder Materialengpässen das Band steht. Dies bedeutet, dass die nachfolgenden Arbeitssysteme nicht weiterarbeiten können. Es entstehen Leerkosten. • Schließlich kann in einer Fließbandfertigung mit steigender Spezialisierung der Mitarbeiter gerechnet werden, da jedes Arbeitssystem nur wenige einzelne Arbeitsgänge entlang des Fließbands durchführen muss (Abschn. 2.2.2). Die Spezialisierung führt zu einer Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit (und damit des Outputs), einer steigenden Bearbeitungsqualität und einem Sinken der Ausschussquote. Die Spezialisierung der Mitarbeiter auf wenige Arbeitsschritte trägt indes das Risiko der Monotonie: Je spezialisierter und kleiner die Arbeitsgänge, desto eher werden Mitarbeiter Langeweile und Motivationsprobleme empfinden. Transferstraßen Transferstraßen ähneln der Fließbandfertigung. Auch hier liegt ein zur Kapazitätsabstimmung getakteter Materialfluss mit hintereinander geschalteten Arbeitssystemen gemäß Arbeitsplan vor. Im Gegensatz zur Fließbandfertigung sind die zu bearbeitenden Produkte sowie die zur Bearbeitung nötigen Arbeitssysteme fest mit der Fördereinrichtung verbunden. Die Produkte fließen also als gemeinsame Kette in einem gekoppelten Materialfluss durch das System (Abb. 2.18). Transferstraßen finden sich bspw. im Roh- und Karosseriebau von Automobilen. Die Bearbeitung der Produkte erfolgt in der Regel ohne den direkten Einfluss des Menschen. Arbeitssysteme einer Transferstraße bestehen häufig aus Industrierobotern, die über einen zentralen Rechner gesteuert gemäß Takt die Bearbeitung vornehmen. Dabei wird ein Produkt auf jeder Station der Transferstraße häufig gleichzeitig von mehreren Maschinen bearbeitet. Nach Abschluss der Bearbeitung bewegt das Fördersystem die Produkte dann taktgemäß zum nächsten Arbeitssystem (Zäpfel 2000b, S. 187–188; Tempelmeier 1996, S. 508). Die Vor- und Nachteile von Transferstraßen ähneln denjenigen der Fließbandfertigung. Des Weiteren werden auch für Transferstraßen Fließbandabstimmungen vorgenommen, um einen effizienten Materialfluss zu gewährleisten. Reihenfertigung Auch in einer Reihenfertigung (auch: Straßen- oder Linienfertigung) durchlaufen Produkte einen gerichteten Materialfluss gemäß der Arbeitsgangabfolge ihres Arbeitsplans. Der Hauptunterschied zur Fließbandfertigung und Transferstraße besteht in der zeitlichen Ungebundenheit der Reihenfertigung: Die einzelnen Arbeitssysteme leiten das bearbeitete Werkstück dann weiter, wenn der Arbeitsgang abgeschlossen ist – es wird kein Takt vorgegeben (Abb. 2.19, Zäpfel 2000b, S. 186; Reichwald und Dietel 1991, S. 434; Hammer 1977, S. 60–61). Typische Produkte, die in Reihenfertigung produziert werden, sind bspw. Küchenmesser und Sportartikel wie Ski und Snowboards.

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

81

15 s

Fördersystem 15 s

Taktvorgabe

Roboter Produkt

Maschinelle Anlage Arbeiter

Abb. 2.18  Ein exemplarisches Layout einer Transferstraße (eigene Darstellung nach Reichwald und Dietel 1991, S. 435)

Materialfluss

Arbeiter

Maschinelle Anlage

Produkt

Abb. 2.19  Ein exemplarisches Layout einer Reihenfertigung (eigene Darstellung)

82

2 Produktionsfaktoren

Die Reihenfertigung ähnelt in ihren Vor- und Nachteilen weitgehend der Fließbandfertigung. Sie weist nur wenige Unterschiede zu ihr auf: Zum Ausgleich der unterschiedlichen Arbeitszeiten und zur Absicherung gegen Störungen müssen in der Reihenfertigung Pufferbestände aufgebaut werden. Diese schlagen sich als Kapitalbindungskosten nieder. Die Reihenfertigung ist dafür aufgrund ihrer zeitlichen Ungebundenheit etwas weniger störanfällig als Fließbandfertigung und Transferstraße. Fehlerhafte Produkte können aus dem Produktionsprozess entfernt werden, ohne dass der Fertigungsfluss anhalten muss. Auf operativer Ebene muss der kostenoptimale Grad an Pufferbestand ermittelt werden. Hierbei handelt es sich um ein komplexes stochastisches Optimierungsproblem, das in der Praxis üblicherweise durch Simulationsstudien gelöst wird (zum Begriff der Simulation siehe Milling 1996). Bevor eine Simulation aufgesetzt wird, ist es zunächst ratsam, Leistungskennzahlen zur Effizienz der Reihenfertigung zu ermitteln. Diese Tätigkeit wird als Warteschlangenanalyse bezeichnet (Abschn. 2.3.3.3). Zentrenfertigung Fertigungsinsel Als Fertigungsinsel werden räumlich zusammengefasste Gruppen von Arbeitssystemen verstanden, an denen die vollständige Fertigung von Produkten erfolgt (Abb. 2.20). Hierzu müssen im Voraus Teilefamilien definiert werden: Die im Leistungsangebot des Unternehmens enthaltenen Produkte werden anhand verschiedener Ähnlichkeitskriterien (z. B. Form, Bearbeitung, Ablauf) zusammengefasst. Einander ähnliche Produkte können dann an einer Insel bearbeitet werden (Habenicht 1996). Auf das Beispiel eines Möbelproduzenten bezogen könnten „Betten“ und „Schränke“ eigenständige Teilefamilien darstellen. Neben der Komplettbearbeitung werden auch die Organisation und Koordination der Arbeitsgänge, die Materialdisposition, der Fertigteiletransport und kleinere Wartungsaufgaben durch die Mitarbeiter der Fertigungsinsel erbracht. Man spricht daher in diesem Zusammenhang von teilautonomen Arbeitsgruppen (Martin 1989; Kaluza 1996).

Abb. 2.20 Ein exemplarisches Layout zweier Fertigungsinseln (eigene Darstellung)

Fertigung Holzmöbel

Fertigung Metallmöbel

Sägen

Bohren

Bördeln

Stanzen

Fräsen

Lackieren

Schneiden

Entgraten

Leimen

Verpacken

Montieren

Verpacken

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

83

Gemeinsam mit der vollständigen Bearbeitung der Produkte, d. h. dem Rüsten der Betriebsmittel und der Fertigung, kombinieren Fertigungsinseln somit Elemente der Arbeitsfelderweiterung (Job Enlargement) und der Arbeitsfeldbereicherung (Job Enrichment). Im Rahmen der selbstständigen Arbeitsorganisation können auch Arbeitsplatzwechsel (Job Rotation) durch die Mitarbeiter an der Insel vereinbart werden (Abschn. 2.2.2). Die Vo­ raussetzung hierfür ist, dass die Mitarbeiter in der Lage sind, alle Arbeitsgänge an der Insel durchführen zu können. Fertigungsinseln verfolgen das Ziel, die Vorteile von Werkstattfertigung und Fließbandfertigung zu vereinen (Kaluza 1996, S. 617–620; Reichwald und Dietel 1991, S. 436–437): • Durch die räumliche Zusammenfassung aller nötigen Arbeitssysteme an der Insel sind Transportaufwand und Zwischenlagerbestände im Vergleich zur Werkstattproduktion niedriger. Die räumliche Nähe der Arbeitssysteme zueinander vereinfacht darüber hi­ naus die Produktionssteuerung an der Insel. • Eine Fertigungsinsel ist im Vergleich zur Fließproduktion produkt- und volumenflexi­ bler. Hinzu kommt eine bessere Motivationswirkung der Arbeit: Einerseits können sich die Mitarbeiter an der Insel aufgrund der Komplettbearbeitung eines Produkts mehr mit diesem identifizieren, andererseits wird durch die Selbststeuerung wieder Verantwortung „in die Halle getragen“ und eine abwechslungsreiche Arbeit ermöglicht – die Motivation steigt. Auf operativer Ebene stellt sich das Detailproblem der Arbeitssystemkonfiguration der Fertigungsinseln (Inselkonfiguration). Ein wesentliches Ziel ist hierbei die Minimierung der Anzahl redundanter Arbeitssysteme an verschiedenen Inseln. Flexible Fertigungssysteme Flexible Fertigungssysteme können als hochautomatisierte Fertigungsinsel angesehen werden. Produkte durchlaufen hier über ein räumlich zusammengefasstes, automatisches Materialflusssystem verschiedene miteinander verbundene und numerisch gesteuerte Arbeitssysteme. Häufig befinden sich dabei Produkte mit unterschiedlichen Arbeitsplänen in gleichzeitiger Bearbeitung. Dabei nimmt das System neben der Bewegung der Produkte auch die Vorbereitung und Rüstung der nötigen Werkzeuge selbstständig vor. Der Rechner des flexiblen Fertigungssystems ist eng in die Rechnerhierarchie des Produktionsplanungs- und -steuerungssystem eingebunden. Analog zur Fertigungsinsel ist in einem flexiblen Fertigungssystem keine strikte Abfolge der Bearbeitungsschritte vorgegeben – das Fertigungssystem steuert den Materialfluss gemäß den zur vollständigen Bearbeitung nötigen Arbeitsgängen im Arbeitsplan des Produkts in selbstständiger Weise. Hierfür ist üblicherweise der Einsatz spezieller Werkstückträger nötig. Lagereinrichtungen innerhalb des flexiblen Fertigungssystems sorgen für einen Pufferbestand an Material zum Ausgleich der unterschiedlichen Bearbeitungszeiten innerhalb des Systems (Martin 1989, S. 27; Tempelmeier 1996, S. 503–504; Gün-

84

2 Produktionsfaktoren

ther und Tempelmeier 2012, S. 17–19; Kuhn 2008a, S. 131–135). Flexible Fertigungssysteme werden bspw. im Maschinenbau eingesetzt. Flexible Fertigungssysteme ermöglichen deutliche Reduzierungen von Durchlaufzeiten, Beständen und Personalkosten – sie können bspw. auch über Nacht ohne das Zutun eines Mitarbeiters arbeiten –, sind jedoch in der Regel mit hohen Anschaffungskosten verbunden. Auch ihre Konfiguration ist aufwändig (Tempelmeier 1996, S. 504–508).

2.3.2.2 Wahl eines geeigneten Fertigungsorganisationstyps Die im vorigen Abschnitt dargestellten Vor- und Nachteile der einzelnen Fertigungsorganisationstypen wirken sich auf ihre Vorteilhaftigkeit bezüglich der drei Produktionstypen (Einzel-, Serien- und Massenfertigung) aus. Verallgemeinernd kann gesagt werden, dass … • bei niedriger Komplexität und Variabilität (Massenfertigung, d. h. hohes Auftragsvolumen und hoher Standardisierungsgrad) eine Fließfertigung • bei hoher Komplexität und Variabilität (Einzelfertigung, d. h. niedriges Auftragsvolumen und niedriger Standardisierungsgrad) eine Werkstattfertigung … geeignet ist. Die Zentrenfertigung eignet sich durch ihren Mischcharakter für Produktionstypen von mittelhoher Komplexität und Variabilität (Serienfertigung). Diese Empfehlungen sind als idealisierte Zuordnungen zu verstehen. Je nach konkreter Unternehmenssituation und technischer Ausstattung können Fließ- und Werkstattfertigung auch für Situationen mittlerer Komplexität (d. h. größere und kleinere Serienfertigung) geeignet sein (Hahn 1972, S. 16–17; Reichwald und Dietel 1991, S. 442, S. 466; Zäpfel 2000b, S. 191–192). Abb. 2.21 und 2.22 fassen die Eignung der Fertigungsorganisationstypen zusammen. Neben diesen fundamentalen Kriterien lassen sich die einzelnen Organisationtypen noch anhand weiterer Kriterien bewerten, so z. B. hinsichtlich der Kriterien Zeit, Wirtschaftlichkeit, Materialbestände/Kapitalbindungskosten, Termintreue, Maschinenauslastung, Durchlaufzeiten, Rüstkosten, Transportleistung/-kosten, Motivation und Verantwortung der Mitarbeiter und Ablaufkomplexität/Steuerungsaufwand/Übersichtlichkeit der Produktion (vgl. Kummer 2013, S. 238).

2.3.3 Planung der Fertigungsorganisation: Detailprobleme Nach der Festlegung eines Fertigungsorganisationstyps müssen auf operativer Ebene verschiedene typspezifische Detailprobleme gelöst werden. Ziel der Lösung dieser Detailprobleme ist generell immer die Sicherstellung eines effizienten Materialflusses. Im Einzelnen werden folgende Detailprobleme betrachtet (Abb. 2.23):

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

85

Auftragsorientierte Einzelfertigung (hohe Komplexität und Variabilität)

Serienfertigung (mittlere Komplexität und Variabilität)

Marktorientierte Massenfertigung (niedrige Komplexität und Variabilität)

Werkstattfertigung

Zentrenfertigung

Fließfertigung

Einzelfertigung

Serienfertigung

Massenfertigung

Flexibilitätsbedarf

sehr hoch

mittel

Abstimmungsbedarf

sehr hoch

mittel

niedrig

Standardisierbarkeit des Ablaufs

niedrig

mittel

sehr hoch

Produktionstyp Merkmale Organisationstypen

Prozesstypen

Abb. 2.21  Eignung der Fertigungsorganisationstypen nach Komplexität/Variabilität des Leistungsprogramms (Reichwald und Dietel 1991, S. 442, 466)

Transferstraße

höher

Produktivität

Fließbandfertigung

Flexibles Fertigungssystem

Fertigungsinseln

niedriger

Werkstattfertigung

Flexibilität höher

niedriger

Abb. 2.22  Eignung der Fertigungsorganisationstypen gemäß dem Basis-Trade-Off Effizienz/Flexibilität (Zäpfel 2000b, S. 162 und Martin 1989, S. 21)

Werkstattfertigung

Fließfertigung

Fließbandfertigung

Layoutplanung

Transferstraße

Fließbandabstimmung

Zentrenfertigung

Reihenfertigung

Fertigungsinsel

Flexible Fertigungssysteme

Warteschlangenanalyse

Inselkonfiguration

Mischform der links genannten Probleme

Abb. 2.23  Detailprobleme der Fertigungsorganisationstypen (eigene Darstellung)

86

2 Produktionsfaktoren

• Werkstattfertigung: Suche nach einem transportkostenminimalen Layout aller Werkstätten auf den verfügbaren Standorten (Layoutplanung). • Fließbandfertigung/Transferstraße: Festlegung von Arbeitsstationen und Takt zur Erreichung eines möglichst hohen Bandwirkungsgrads (Fließbandabstimmung). • Reihenfertigung: Erhebung verschiedener Kennzahlen zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit des Reihenfertigungssystems unter stochastischen Bedingungen (Warteschlangenanalyse). • Fertigungsinsel: Bestimmung einer Arbeitssystemkonfiguration, die die Zahl redundanter Arbeitssysteme minimiert (Inselkonfiguration). Detailprobleme flexibler Fertigungssysteme

Die Planung flexibler Fertigungssysteme stellt eine Mischform und Erweiterung der genannten Detailprobleme dar: Es müssen u. a. eine Ermittlung und Konfiguration der benötigten Arbeitssysteme (vgl. Fertigungsinsel) und eine systembezogene Fließbandabstimmung (vgl. Fließbandfertigung) vorgenommen werden. Warteschlangenanalysen (vgl. Reihenfertigung) unterstützen die Leistungsbewertung des flexiblen Fertigungssystems. Auch technische Fragen wie die Behandlung fehlerhafter Produkte im System oder die Wahl geeigneter Werkstückträger müssen gelöst werden (Tempelmeier 1996, S. 509–511; Günther und Tempelmeier 2012, S, 107–113).

cc

Im Übungsbuch Produktionswirtschaft finden Sie in Kap. 2 eine Auswahl an Übungsaufgaben zu Fragestellungen der Layoutplanung, Fließbandabstimmung und Warteschlangenanalyse. Maximilian Lukesch und Florian Kellner, Übungsbuch Produktionswirtschaft, 2019, erschienen bei Springer Gabler, 2019; eBook ISBN: 978-3-662-57689-2, Softcover ISBN: 978-3-662-57688-5.

2.3.3.1 Werkstattfertigung: Layoutplanung Allgemeine Problembeschreibung In einer Werkstattfertigung müssen Produkte gemäß ihren Arbeitsplänen verschiedene Werkstätten durchlaufen. Je nachdem, in welcher räumlichen Anordnung die Werkstätten zueinanderstehen, entsteht dabei ein kleinerer oder größerer Transportaufwand. Mit der Layoutplanung wird versucht, die räumliche Anordnung der Werkstätten zu finden – oder ihr zumindest nahezukommen –, die einen transportkostenminimalen Materialfluss herbeiführt. Anstatt der Transportkostenminimierung kann auch eine Transportzeitminimierung oder eine Minimierung der von Menschen zurückzulegenden Wege angestrebt werden (Arnold und Furmans 2009, S. 289–300; Reichwald und Dietel 1991, S. 445–452; Günther und Tempelmeier 2012, S. 84–91; Zäpfel 2000b, S. 166–184).

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

87

Ebenen der Layoutplanung

Bei der Planung eines Produktionswerks wird die Layoutplanung typischerweise auf zwei Planungsebenen durchgeführt: 1. Festlegung der Standorte der Produktionssegmente innerhalb des Werks („Wo sollen die Werkstätten platziert werden und wo die Fließbänder?“) 2. Festlegung der Standorte der einzelnen Werkstätten innerhalb des Produktionssegments „Werkstatt“ („Wo sollen die Bohrmaschinen platziert werden und wo die Fräsmaschinen?“) Im Voraus zur Durchführung der Layoutplanung müssen ein Transportkostensatz, die zwischen den Werkstätten zu transportierenden Mengen und die Distanzen der verfügbaren Werkstattstandorte quantifiziert werden. • Als Transportkosten wird im Folgenden das Produkt der folgenden Elemente verstanden: –– Transportkosten pro Mengen- und Distanzeinheit (z. B. 0,50 € für eine Mengeneinheit pro 100 m) –– Transportmenge (z. B. 100 Mengeneinheiten) –– Transportdistanz (z. B. 50 m) –– Die Transportkosten pro Mengen- und Distanzeinheit bemessen sich z. B. am nötigen Personal- (z. B. Lohnkosten des Lastenzugfahrers) bzw. Förderaufwand (z. B. Energieaufwand Hängeförderer) für die Bewegung einer einzelnen Mengeneinheit sowie an anderen Posten (z. B. Abschreibung, Verwaltung). • Die Höhe der zu bewegenden Transportmengen ergeben sich aus der typischen Auftragsstruktur der einzurichtenden Werkstätten. Dabei werden die Transportmengen in Matrixform von jeder Werkstatt zu jeder Werkstatt dargestellt („Von Werkstatt A fließen 10 Mengeneinheiten zu Werkstatt B“). Auch Distanzen werden üblicherweise in Form von Matrizen abgebildet. Diese Matrizen müssen aufgrund innerbetrieblicher Verkehrsführung oder technisch bedingter Förderlinienführung nicht zwingend symmetrisch sein. Distanzermittlung

Die Distanzen zwischen den verfügbaren Werkstattstandorten können in unterschiedlicher Weise ermittelt werden. Am besten geeignet ist die Erhebung der konkreten Entfernungen vor Ort (z. B. Vermessung von Werkverkehrsstraßen und Fußwegen)  – alternativ können euklidische Distanzen oder Manhattan-Distanzen herangezogen werden (Zäpfel 2000b, S. 172–173):

d euklidisch = kl

( xk – xl ) + ( yk – yl ) 2

2



(Gl. 2.10)

88

2 Produktionsfaktoren

d Manhattan = xk - xl + yk - yl kl

(Gl. 2.11)



mit:

= Euklidische Distanz zwischen den Standorten k und l d euklidisch kl Manhattan = Manhattan-Distanz zwischen den Standorten k und l d kl xk, xl = x-Koordinate des Standorts k bzw. l yk, yl = y-Koordinate des Standorts k bzw. l

In der Praxis müssen bei der Layoutplanung zahlreiche Restriktionen berücksichtigt werden, z. B. der Gebäudegrundriss, die verfügbare Flächengröße und -form, freizuhaltende Sperrflächen, die produktionstechnisch notwendige Nachbarschaft von Werkstätten etc. (Corsten und Gössinger 2016, S. 519). Da im Folgenden nur das Grundmodell der Layoutplanung besprochen werden soll, wird auf die Berücksichtigung solcher Restriktionen verzichtet. Formale Problembeschreibung Das Optimierungsmodell der Layoutplanung lautet folgendermaßen (Zäpfel 2000b, S. 167; Günther und Tempelmeier 2012, S. 88; Corsten und Gössinger 2016, S. 521): Zielfunktion: min! å i =1å j=1å K =1å l =1m ij ´ c ´ d kl ´ u ik ´ u jl I

I

j¹i



J

J

l¹k

(Gl. 2.12)

unter den Nebenbedingungen:

å



å



I

u =1

"k = 1¼ J

(Gl. 2.13)

u =1

"i = 1¼ I

(Gl. 2.14)

"i = 1¼ I; "k = 1¼ J

(Gl. 2.15)

i =1 ik

j

K =1 ik

u ik Î {0; 1}

mit: mij = Transportmenge zwischen den Werkstätten i und j (in Mengeneinheiten) c = Einheitlicher Transportkostensatz pro Mengen- und Distanzeinheit (in Geldeinheiten) dkl = Distanz zwischen Standort k und l (in Distanzeinheiten) uik = Binärvariable: 1, wenn Werkstatt i dem Standort k zugeordnet wird, sonst 0 I, J = Anzahl der Werkstätten bzw. Standorte (I = J)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

89

Gl. 2.13 und 2.14 stellen sicher, dass jedem Standort genau eine Werkstatt zugewiesen wird bzw. dass sich jede Werkstatt an genau einem Standort befindet. Lösungsverfahren Überblick Für die Ermittlung eines günstigen Layouts wurden exakte und heuristische Verfahren entwickelt (siehe Definition „Heuristik“). Da es sich insbesondere bei einer steigenden Anzahl von Werkstätten bei der Layoutplanung um ein komplexes Problem handelt – bereits für eine Vollenumeration eines Layoutproblems mit 10 Standorten müssen 10! = 3.628.800 Konfigurationen durchgerechnet werden – wird in der Regel auf heuristische Verfahren zurückgegriffen, die im Regelfall gute Näherungslösungen bei geringeren Rechenzeiten erzeugen (Günther und Tempelmeier 2012, S. 89; Arnold und Furmans 2009, S. 294). Innerhalb dieser heuristischen Verfahren wird zwischen Konstruktionsverfahren und Verbesserungsverfahren unterschieden. Eine detaillierte Übersicht hierzu bietet Zäpfel 2000b, S. 180. Heuristik

Als heuristische Verfahren werden solche bezeichnet, die auf Basis „intelligenter“ Regeln eine Lösung erzeugen. Die Intelligenz dieser Regeln bemisst sich daran, wie viele potenzielle gute und schlechte Lösungen vom Suchprozess ausgeschlossen werden. Heuristische Verfahren finden daher nicht zwangsläufig optimale, aber typischerweise gute Ergebnisse (Streim 1975, S. 143–162; Domschke et  al. 2015, S. 135).

Konstruktionsverfahren und Verbesserungsverfahren Konstruktionsverfahren bauen im Verlauf ihrer Durchführung durch die Anwendung intelligenter Regelsets eine Werkstätten-Standort-Zuordnung. Sie benötigen keine vorher definierte Ausgangslösung, sondern arbeiten „vom leeren Blatt weg“. Verbesserungsverfahren arbeiten darauf hin, eine vorgegebene Startlösung durch gezieltes Vertauschen der Werkstättenplätze hinsichtlich des Transportaufwands zu verbessern. Verbesserungsverfahren wurden entwickelt, da heuristische Startlösungen, wie sie z. B. in Konstruktionsverfahren erzeugt werden, im Regelfall keine optimale Lösung darstellen. Die verfügbaren konstruktiven und verbessernden Verfahren unterscheiden sich in ihrer Anordnungs-/Vertauschungsreihenfolge sowie den berücksichtigten Randbedingungen (Arnold und Furmans 2009, S. 289–297; Dangelmaier 1996, S. 431–443). Im Folgenden werden repräsentativ zwei typische und weithin bekannte Verfahren vorgestellt: Das einfache konstruktive Eröffnungsverfahren nach Gilmore 1962 und das verbessernde CRAFT-Verfahren (Computerized Relative Allocation of Facilities Technique) nach Buffa et al. 1964.

90

2 Produktionsfaktoren

Vertreter der Konstruktionsverfahren: Das Eröffnungsverfahren nach Gilmore Das Eröffnungsverfahren nach Gilmore sucht nach denjenigen Werkstätten, die den größten Transportaufwand erzeugen, und ordnet diese denjenigen Standorten zu, die den höchsten Grad an örtlicher Zentralität aufweisen. Vereinfacht gesagt werden die hochfrequentierten Werkstätten in die Mitte der verfügbaren Fläche gestellt, die weniger frequentierten Werkstätten an deren Rand. Durch dieses Vorgehen werden den intensivsten Materialflussbeziehungen möglichst kurze Wege zugeteilt. In Abb. 2.24 wird der Ablauf des Verfahrens genau beschrieben (Gilmore 1962; Domschke und Drexl 1996, S. 207–209; Reichwald und Dietel 1991, S. 449–450).

Addiere für jeden Standort i alle Entfernungen von Standort i zu jedem anderen Standort j sowie alle Entfernungen von jedem Standort j zum Standort i, bspw. über Kreuztabellierung.

Bilde die Summe aller eben berechneten Entfernungen je Standort. Sortiere die Standorte aufsteigend nach der Summe aller Entfernungen. Addiere für jede Werkstatt k den Materialflussaufwand von Werkstatt k zu jeder anderen Werkstatt l sowie jeden Materialflussaufwand von jeder Werkstatt l zur Werkstatt k, bspw. über Kreuztabellierung. Bilde die Summe aller eben berechneten Materialflüsse je Werkstatt k. Sortiere die Werkstätten absteigend nach der Summe des Materialflussaufwands. Ordne die Werkstatt mit dem höchsten Materialflussaufwand dem Standort mit der niedrigsten Entfernungssumme zu. Ordne die Werkstatt mit dem nächstniedrigeren Materialflussaufwand dem Standort mit der nächsthöheren Entfernungssumme zu usw. Wiederhole diesen Schritt, bis alle Werkstätten einem Standort zugeordnet sind. Berechne den Transportaufwand je Werkstatt durch Multiplikation ihrer Materialflüsse mit den jeweiligen Standort-StandortEntfernungen und dem Transportkostensatz.

Abb. 2.24  Ablauf des Eröffnungsverfahrens nach Gilmore 1962 (eigene Darstellung)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

91

Rechenbeispiel: Verfahren nach Gilmore

In der Werkhalle eines Maschinenbauunternehmens wird über eine neue räumliche Anordnung von vier Werkstätten W1–4 nachgedacht. Zur Verfügung stehen vier potenzielle Standorte A–D, für die eine asymmetrische Distanzmatrix (in Distanzeinheiten = DE) vorliegt (Tab. 2.6). Des Weiteren liegen die Materialflussbeziehungen zwischen den zu verteilenden Werkstätten vor (in Mengeneinheiten = ME, Tab. 2.7) Es wird vermutet, dass sich durch eine Neuanordnung der Werkstätten Transportkosten einsparen lassen können. Folgende Hinweise sind dazu gegeben: • Die Neuanordnung soll mithilfe des Verfahrens nach Gilmore vorgenommen werden. • Die aktuelle Zuordnung der Werkstätten auf die Standorte ist simpel: W1 liegt auf Standort A, W2 auf B, W3 auf C und W4 auf D. • Als Transportkostensatz pro Distanz- und Mengeneinheit seien 2 Geldeinheiten (GE) vorgegeben. • Es soll ein Vergleich zwischen den Kosten in der Ausgangssituation und den Kosten aus der Gilmore-Lösung vorgenommen werden. Im ersten Schritt sollen die Transportkosten der Ausgangssituation ermittelt werden. Hierfür müssen wir uns zunächst bewusst machen, was durch Distanz- und Materialflussmatrix sowie der Ausgangslösung ausgedrückt wird: • Wenn wir bspw. die Standorte A und B betrachten, so erfahren wir aus Tab. 2.6, dass die Distanz „von A nach B“ 5 Distanzeinheiten beträgt. Die Distanz „von B nach A“ beträgt ebenfalls 5 Distanzeinheiten. Da es sich um eine asymmetrische Distanzmatrix handelt, muss uns bewusst sein, dass die Distanz zwischen zwei Standorten je nach Richtung unterschiedlich hoch sein kann. Ein Grund hierfür mag bspw. eine besondere Straßenführung für Gabelstapler sein (Einbahnstraßenführung). „Von A Tab. 2.6  Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Distanzmatrix (eigenes Beispiel) Standorte A B C D

A 0 5 8 10

B 5 0 10 5

C 12 10 0 12

D 10 5 8 0

Angaben in Distanzeinheiten = DE Tab. 2.7  Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Materialflussmatrix (eigenes Beispiel) Werkstätten W1 W2 W3 W4

W1 0 30 20 50

Angaben in Mengeneinheiten = ME

W2 45 0 20 30

W3 30 40 0 55

W4 0 40 45 0

92

2 Produktionsfaktoren

nach C“ sind es bspw. 12 Distanzeinheiten. „Von C nach A“ sind es hingegen nur 8 Distanzeinheiten. • Wenn wir die Werkstattpaarung W1–W2 betrachten, so erfahren wir aus Tab. 2.7, dass „von W1 nach W2“ 45 Mengeneinheiten fließen. „Von W2 zu W1“ fließen hingegen 30 Mengeneinheiten. Wir lesen die Materialflussmatrix somit ebenso wie die Distanzmatrix aus. So fließen dann auch bspw. „von W3 zu W4“ 45 Mengeneinheiten und „von W2 zu W3“ 40 Mengeneinheiten. • Kombinieren wir Distanz- und Materialflussmatrix sowie die in der Ausgangssituation gegebene Zuordnung, so können wir Aussagen zum aktuellen „Gewicht“ der Kanten im Materialflussnetz treffen. Klarer wird dies, wenn wir bspw. die Aussage treffen, dass von W1 zu W2 insgesamt 45 Mengeneinheiten über 5 Distanzeinheiten (Distanz A-B) fließen. Andersrum fließen von W2 zu W1 insgesamt 30 Mengeneinheiten über 5 Distanzeinheiten (Distanz B-A). Mit diesen Informationen im Hinterkopf können wir nun die Transportkosten in der Ausgangssituation berechnen. Da die Werkstätten aufsteigend nach ihrer Nummer auf die Standorte A-D verteilt sind, können wir die Transportkosten einfach ermitteln, indem wir jede Zelle der Distanzmatrix mit der korrespondierenden Zelle der Materialflussmatrix und mit dem Transportkostensatz multiplizieren: 2

GE * ( 0 DE * 0 ME + 5 DE * 30 ME + 8 DE * 20 ME + ¼) = 6730 GE DE * ME

(Gl. 2.16)

Im nächsten Schritt soll das Verfahren nach Gilmore angewandt werden, um eine sinnvolle neue Zuordnung der Werkstätten zu ermitteln. Der erste Schritt besteht in der Ermittlung der Zentralität aller verfügbaren Standorte. Sinngemäß fragen wir „Welcher der Standorte liegt ‚am meisten‘ in der Mitte?“. Hierfür summieren wir spalten- und zeilenweise die Distanzen in der Distanzmatrix und sortieren die Standorte schließlich in aufsteigender Reihenfolge (Bedenke: Würde es sich um eine symmetrische Distanzmatrix handeln, so müssten wir lediglich spalten- oder zeilenweise summieren). Tab. 2.8 zeigt diesen Vorgang: Standort B ist der Standort, der die niedrigste Gesamtdistanz zu allen anderen Standorten aufweist. Standort C ist derjenige, der die höchste Gesamtdistanz zu allen anderen Standorten aufweist. Analog ermitteln wir, welche Materialflüsse die intensivsten sind und nehmen eine absteigende Rangierung vor. Tab. 2.9 zeigt, dass Werkstatt W1 den schwächsten Materialfluss zu allen anderen Werkstätten unterhält, während W4 den intensivsten Materialfluss aufweist. Nun kann die Neuanordnung vorgenommen werden. Die Werkstätten mit den intensivsten Materialflussbeziehungen werden den Orten mit dem höchsten Zentralitätsgrad zugewiesen. Es ergibt sich die folgende Neuanordnung: • • • •

W1 wird auf Standort C gelegt. W2 wird auf Standort D gelegt. W3 wird auf Standort A gelegt. W4 wird auf Standort B gelegt.

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

93

Tab. 2.8  Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Ermittlung der Zentralität (eigenes Beispiel) Standorte A B C D SUMME Standort A B C D

A 0 5 8 10 23 Gesamtdistanz 50 40 62 52

B 5 0 10 5 20 Rang 2 1 4 3

C 12 10 0 14 36

D 10 5 8 0 23

SUMME 27 20 26 29

Angaben in Distanzeinheiten = DE Tab. 2.9  Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Ermittlung der Materialflussintensität (eigenes Beispiel) Werkstätten W1 W2 W3 W4 SUMME Werkstätten W1 W2 W3 W4

W1 0 30 20 50 100 Gesamtmenge 175 205 210 220

W2 45 0 20 30 95 Rang 4 3 2 1

W3 30 40 0 55 125

W4 0 40 45 0 85

SUMME 75 110 85 135

Angaben in Distanzeinheiten = DE

Um herauszufinden, um wie viele Geldeinheiten das neu ermittelte Layout günstiger als das Ausgangslayout ist, müssen erneut die anfallenden Transportkosten berechnet werden. Im Gegensatz zur Ausgangslösung können wir nun jedoch nicht mehr einfach Distanz- und Materialflussmatrix „übereinanderlegen“ und miteinander multiplizieren. Wir müssen uns stattdessen schrittweise durch die Neuanordnung hindurcharbeiten: • Von der Werkstatt W1 fließt ein Materialfluss zu W2, wobei die Distanz zwischen den Standorten C und D zurückgelegt werden muss. • Von der Werkstatt W1 fließt ein Materialfluss zu W3, wobei die Distanz zwischen den Standorten C und A zurückgelegt werden muss. • Usw. Zum leichteren Nachrechnen kann es hilfreich sein, die Distanzmatrix gemäß der neuen Werkstattzuordnung neu zu sortieren. Dies wurde in Tab. 2.10 getan. In dieser Tabelle kann nun bspw. ausgelesen werden, dass vom Standort der Werkstatt W1 zum Standort der Werkstatt W4 10 Distanzeinheiten überwunden werden müssen. Inhaltlich

94

2 Produktionsfaktoren

Tab. 2.10  Rechenbeispiel zum Verfahren nach Gilmore: Neuordnung der Distanzmatrix (eigenes Beispiel)

W1 W2 W3 W4

C D A B

W1 C 0 12 12 10

W2 D 8 0 10 5

W3 A 8 10 0 5

W4 B 10 5 5 0

Angaben in Distanzeinheiten = DE

ist Tab. 2.10 gleichbedeutend mit der Distanzmatrix aus Tab. 2.6 – lediglich die Sortierung der Standorte unterscheidet sich. Mit der neu geordneten Distanzmatrix können nun die Transportkosten berechnet werden, indem sie erneut mit der Materialflussmengenmatrix und dem Transportkostensatz multipliziert werden: 2

GE * ( 0 DE * 0 ME + 12 DE * 30 ME + 12 DE * 20 ME +¼) = 6300 GE DE * ME

(Gl. 2.17)

Im Vergleich zur Ausgangslösung können durch die Anwendung des Verfahrens nach Gilmore somit (6730 – 6300 =) 430 Geldeinheiten Transportaufwand eingespart werden. Dies entspricht einer prozentualen Reduktion von 6,39 %.

Vertreter der Verbesserungsverfahren: Das CRAFT-Verfahren Auf eine zuvor ermittelte Startlösung (bspw. Verfahren nach Gilmore, Zufallslösung, „educated guess“) können Verbesserungsverfahren angewendet werden. Eine bekanntes Verbesserungsverfahren ist das CRAFT-Verfahren. Seine Vorgehensweise basiert auf einem einfachen Gedanken: Erzeuge eine Startlösung für das Layout und versuche dann durch systematisches Durchtauschen der Werkstätten eine Kostenverbesserung des Layouts herbeizuführen – versuche dies so lange, bis kein Tausch mehr zu einer Verbesserung führt. Seine Vorgehensweise hat dazu geführt, dass das CRAFT-Verfahren auch als Zweieraustauschverfahren bezeichnet wird. Ausgehend von der Startlösung nimmt das CRAFT-Verfahren in iterativer Weise alle möglichen Standorttausche der Werkstätten vor und berechnet die sich ergebenden Transportkosten. Bei einer Verbesserung des Layouts wird die neue Konfiguration abgespeichert und erneut ein Tauschdurchgang durchgeführt. Ergeben sich keine Verbesserungen des Layouts, endet das Verfahren. In Abb. 2.25 wird der Ablauf des Verfahrens im Einzelnen beschrieben (Buffa et al. 1964; Reichwald und Dietel 1991, S. 450–452; Günther und Tempelmeier 2012, S. 90–91; Zäpfel 2000b, S. 181). Rechenbeispiel: CRAFT-Verfahren

In einem Sägewerk wurde eine Werkstatt-Standort-Zuordnung mit folgendem Ergebnis vorgenommen:

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

95

• Werkstatt W1 befindet sich auf Standort B. • Werkstatt W2 befindet sich auf Standort C. • Werkstatt W3 befindet sich auf Standort A. Auf Basis eines angenommenen Transportkostensatzes von 0,25 Geldeinheiten (GE) pro Distanz- (DE) und Mengeneinheit (ME) sowie der Distanz- (Tab. 2.11) und Materialflussmatrix (Tab. 2.12) ergeben sich somit Transportkosten von 196,48 GE. Der Fertigungsleiter vermutet, dass das gefundene Layout noch verbessert werden kann. Um seine Vermutung zu überprüfen, soll das CRAFT-Verfahren angewandt werden. Das CRAFT-Verfahren geht iterativ vor. In jeder Iteration werden auf Basis des Ausgangslayouts (s. o.) alle möglichen Tausche durchgeführt und jeweils die im neuen Layout entstehenden Transportkosten berechnet (siehe hierzu das Beispiel zum Verfahren nach Gilmore). Tab. 2.11  Rechenbeispiel zum CRAFT-Verfahren: Distanzmatrix (eigenes Beispiel) Standorte A B C

A 0 2,5 7,5

B 2,5 0 3,75

C 5 3,75 0

Angaben in Distanzeinheiten = DE

Erzeuge eine Startlösung (z. B. nach dem Eröffnungsverfahren nach Gilmore oder durch Zufallsallokation). Berechne den in der Startlösung anfallenden Transportaufwand je Werkstatt durch Multiplikation ihrer Materialflüsse mit den jeweiligen Standort-Standort-Entfernungen und dem Transportkostensatz. Erzeuge auf Basis der aktuellen Lösung eine Liste aller möglichen Layouts, die sich durch einen systematischen paarweisen Standortaustausch aller Werkstätten des Layouts der aktuellen Lösung ergeben. Berechne den Transportaufwand jedes Layouts auf der zuvor erstellten Liste (s. o.).

Wurde in einem Layout eine Verringerung des Transportkostenaufwands gegenüber der aktuellen Lösung erreicht?

Ja

Speichere das Layout mit der größten Verringerung als neue aktuelle Lösung.

Nein Speichere die aktuelle Lösung als Endergebnis und beende das Verfahren.

Abb. 2.25  Ablauf des CRAFT-Verfahrens (eigene Darstellung nach Buffa et al. 1964, S. 142)

96

2 Produktionsfaktoren

Tab. 2.12  Rechenbeispiel zum CRAFT-Verfahren: Materialflussmatrix (eigenes Beispiel) Werkstätten W1 W2 W3

W1 0 36,25 50

W2 25 0 20

W3 12,5 40 0

Angaben in Mengeneinheiten = ME

Das bedeutet konkret in jeder Iteration des vorliegenden Problems: • Die Werkstatt auf Standort A wird mit der Werkstatt auf Standort B vertauscht. • Die Werkstatt auf Standort A wird mit der Werkstatt auf Standort C vertauscht. • Die Werkstatt auf Standort B wird mit der Werkstatt auf Standort C vertauscht. Es werden somit immer alle Standorttupel für die Tauschvorgänge gebildet. Bei einem Standortproblem mit vier Standorten A-D würden bspw. folgende Tauschvorgänge durchgeführt: {A,B}, {A,C}, {A,D}, {B,C}, {B,D}, {C,D}. In der ersten Iteration für das vorliegende Problem werden also folgende Layouts geprüft: • Das Ausgangslayout lautet: A-W3, B-W1, C-W2. Nun wird die Werkstatt auf Standort A mit der Werkstatt auf Standort B vertauscht. Das zu prüfende Layout lautet nun: A-W1, B-W3, C-W2. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 194,53 Geldeinheiten. Gegenüber der Ausgangslösung wurde somit eine Verbesserung von (196,48 − 194,53 =) 1,95 Geldeinheiten erzielt. • Das Ausgangslayout lautet: A-W3, B-W1, C-W2. Nun wird die Werkstatt auf Standort A mit der Werkstatt auf Standort C vertauscht. Das zu prüfende Layout lautet nun: A-W2, B-W1, C-W3. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 184,38 Geldeinheiten. Gegenüber der Ausgangslösung wurde somit eine Verbesserung von (196,48 − 184,38 =) 12,11 Geldeinheiten erzielt. • Das Ausgangslayout lautet: A-W3, B-W1, C-W2. Nun wird die Werkstatt auf Standort B mit der Werkstatt auf Standort C vertauscht. Das zu prüfende Layout lautet nun: A-W3, B-W2, C-W1. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 180,86 Geldeinheiten. Gegenüber der Ausgangslösung wurde somit eine Verbesserung von (196,48 − 180,86 =) 15,63 Geldeinheiten erzielt. In allen drei Tauschvorgängen wurden Verbesserungen erzielt. Das CRAFT-­ Verfahren wählt nun dasjenige Layout, das zur größten Einsparung geführt hat und setzt es für die folgende Iteration als neue Ausgangslösung. Im vorliegenden Fall war dies das Layout A-W3, B-W2, C-W1, das zu Transportkosten von 180,86 Geldeinheiten geführt hat. In der zweiten Iteration werden folgende Layouts geprüft:

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

97

• Das Ausgangslayout lautet: A-W3, B-W2, C-W1. Nun wird die Werkstatt auf Standort A mit der Werkstatt auf Standort B vertauscht. Das zu prüfende Layout lautet nun: A-W2, B-W3, C-W1. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 188,28 Geldeinheiten. Gegenüber der Ausgangslösung wurde somit eine Verschlechterung von (180,86 − 188,28 =) −7,42 Geldeinheiten erzielt. • Das Ausgangslayout lautet: A-W3, B-W2, C-W1. Nun wird die Werkstatt auf Standort A mit der Werkstatt auf Standort C vertauscht. Das zu prüfende Layout lautet nun: A-W1, B-W2, C-W3. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 203,91 Geldeinheiten. Gegenüber der Ausgangslösung wurde somit eine Verschlechterung von (180,86 − 203,91 =) −23,45 Geldeinheiten erzielt. • Das Ausgangslayout lautet: A-W3, B-W2, C-W1. Nun wird die Werkstatt auf Standort B mit der Werkstatt auf Standort C vertauscht. Das zu prüfende Layout lautet nun: A-W3, B-W1, C-W2. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 196,48 Geldeinheiten. Gegenüber der Ausgangslösung wurde somit eine Verschlechterung von (180,86 − 196,48 =) −15,63 Geldeinheiten erzielt. In der zweiten Iteration wurden keine Verbesserungen erzielt. Das CRAFT-­Verfahren wird somit beendet. Das Ergebnis des CRAFT-Verfahrens lautet somit: A-W3, B-W2, C-W1. In diesem Layout entstehen Transportkosten von 180,86 Geldeinheiten. Wäre in der zweiten Iteration erneut eine Verbesserung aufgetreten, so wäre das Augangslayout der zweiten Iteration durch das gefundene bessere Layout ersetzt und eine dritte Iteration gestartet worden. Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Anwendung des CRAFT-Verfahrens für die Größe dieses Beispiels als ungewöhnlich anmutet – schließlich kann es bei drei verfügbaren Standorten und drei zu verteilenden Werkstätten lediglich sechs Lösungen geben. Mit der Durchführung des CRAFT-Verfahrens wurden hier nolens volens alle sechs Lösungen berechnet. In einem komplexeren Beispiel mit mehr als drei Standorten würde die Anwendung des CRAFT-Verfahrens nicht zwangsläufig dazu führen, dass alle Layouts durchprobiert werden würden.

2.3.3.2 Fließbandfertigung/Transferstraße: Fließbandabstimmung Ausgangsüberlegungen und allgemeine Problembeschreibung Aufgabe und Ziel In der Fließbandfertigung und der Transferstraßenfertigung durchläuft ein Produkt mehrere Arbeitsstationen (Abschn. 2.3.2.1). Wenn das Produkt alle Arbeitsstationen passiert hat, „rollt es vom Band“. Die Frequenz, mit der ein Produkt von Station zu Station fließen bzw. „vom Band rollen“ soll, wird als Takt bezeichnet. Diese Frequenz können wir frei wählen und somit den Output unseres Produktionssystems bestimmen. Grundsätzlich gilt dabei: Je schneller das Band läuft, desto höher ist der Output – aber es ist intuitiv, dass die Geschwindigkeit des Bands nicht unendlich hoch gesetzt werden kann. Die Frage, was der „richtige“ Takt für unser Fließbandsystem ist, hängt von der Arbeitsverteilung entlang des Bandes ab. Wir ziehen daher als erstes den Arbeitsplan des herzustellenden Produkts heran, denn hier sind alle seine durchzuführenden Arbeits-

98

2 Produktionsfaktoren

schritte aufgeführt (Abschn. 2.5.3.3). Bspw. könnten im Arbeitsplan folgende Arbeitsschritte festgehalten sein: • • • • • •

Drehen – 5 Minuten Fräsen – 3 Minuten Bohren – 6 Minuten Schweißen – 5 Minuten Entgraten – 3 Minuten Lackieren – 10 Minuten

Die Frage besteht nun darin, wie viele Arbeitsstationen wir für die Durchführung dieser Arbeitsschritte entlang des Fließbands definieren. Wir könnten bspw. sechs Arbeitsstationen definieren, an denen jeweils einer der genannten Arbeitsschritte durchgeführt wird. Alternativ könnten aber auch nur eine, zwei, drei, vier oder fünf Arbeitsstationen definieren, an denen mehrere Arbeitsschritte vorgenommen werden. Gehen wir im Folgenden davon aus, dass das Produkt die genannten Arbeitsschritte in der angegebenen Reihenfolge durchlaufen muss. Würden wir drei Arbeitsstationen für je zwei aufeinanderfolgende Arbeitsschritte definieren, so würde Arbeitsstation 1 insgesamt (5 + 3 =) 8 Minuten für die Bearbeitung des Produkts benötigen, Arbeitsstation 2 (6 + 5 =) 11 Minuten und Arbeitsstation 3 (3 + 10 =) 13 Minuten. Für die Festlegung des Arbeitstaktes ergibt sich dann: • Würde ein Takt von 10 Minuten festgelegt werden, so würde das dazu führen, dass Arbeitsstation 1 jedes Produkt 2 Minuten „zu früh“ fertigstellt und bis zur Weitergabe an Arbeitsstation 2 warten muss. Die Arbeitstationen 2 und 3 wären hingegen mit dem Takt überfordert, da ihre Bearbeitungszeiten von 11 und 13 Minuten die Taktzeit übersteigen. Somit würde sich bei ihnen über die Zeit hinweg Material anstauen, das sie nicht schnell genug abarbeiten können. • Würde hingegen ein Takt von 13 Minuten festgelegt werden, so wäre Arbeitsstation 3 perfekt ausgelastet, die Arbeitsstationen 1 und 2 würden je 5 und 2 Minuten „zu früh“ fertigstellen und müssten warten. Das Ziel der Bildung von Arbeitsstationen  – und damit der Fließbandabstimmung  – wird somit klar: Am besten wäre es, wenn wir die Arbeitsschritte so zusammenfassen, dass jede Station dieselbe Bearbeitungszeit aufweist. In einem solchen Fall könnten wir als Takt die gemeinsame Bearbeitungszeit auswählen. So wäre jede Arbeitsstation zu 100 % ausgelastet und würde keine Leerzeiten aufweisen. Auch würde sich kein Material an den Stationen aufstauen. Der Fachbegriff für die Auslastung des gesamten Fließbands lautet Bandwirkungsgrad. Das Ziel der Fließbandabstimmung lautet also, durch eine möglichst geschickte Zusammenfassung der Arbeitsschritte zu Arbeitsstationen und durch die Wahl eines geeigneten Takts dafür zu sorgen, dass ein möglichst hoher Bandwirkungsgrad erreicht wird (Hahn 1972, S. 31–32; Steffen 1996, S. 28–29; Günther und Tempelmeier 2012, S. 93).

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

99

Vom Vorranggraphen zur Arbeitsstation Im Regelfall ist die Durchführung einer Fließbandabstimmung ein komplexer Vorgang: . Ein Produkt muss eine Vielzahl von Arbeitsschritten durchlaufen. 1 2. Jeder Arbeitsschritt lässt sich typischerweise in eine größere Menge kleinerer Tätigkeiten aufspalten (Bearbeitungstätigkeiten, Bewegungen, Montagetätigkeiten, …). 3. Arbeitsschritte können in verschachtelter Reihenfolge ablaufen. Sogenannte Vorranggraphen bilden diese Reihenfolgen ab. In Abb. 2.26 ist im oberen Vorranggraphen eine einfache lineare Abfolge der Arbeitsschritte vorgegeben. Bevor der nächste Schritt starten kann, muss der vorhergehende abgeschlossen sein. Im unteren Vorranggraph ist hingegen eine verzweigte Reihenfolge abgebildet. Es müssen hier bspw. für Schritt 5 sowohl Schritt 2 als auch Schritt 3 abgeschlossen sein. Für die Durchführung von Schritt 4 muss hingegen lediglich Schritt 2 abgeschlossen sein. Vor allem in Montagelinien sind derartige Verzweigungen üblich (Hahn 1972, S. 28). Was passiert nun, wenn wir Arbeitsstationen bilden? Eine Vorstellung für lineare Arbeitsschrittfolgen erhalten wir in Abb. 2.27: Die im obenstehenden Vorranggraph abgebildeten Arbeitsschritte wurden hier auf zwei Arbeitsstationen aufgeteilt. Diese Arbeitssta­ tionen könnten dann bspw. von je einem Mitarbeiter (in der Abbildung: Kreise mit Halbkreisen) bemannt werden, die jeweils die Arbeitsschritte 1–2 und 3–5 ausführen. Das Werkstück (in der Abbildung: Würfel) läuft dann von links nach rechts auf dem Fließband durch und passiert beide Stationen. Freilich wird hierbei angenommen, dass die Fertigungsreihenfolge innerhalb der einzelnen Arbeitsstationen berücksichtigt wird.

Abb. 2.26 Fließbandabstimmung: Zwei exemplarische Vorranggraphen (eigene Darstellung)

1

2

3

4

4

1

2

3

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6

5

100

2 Produktionsfaktoren

1

2

3

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2

1 1

2

3

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5

Abb. 2.27  Fließbandabstimmung: Bildung von Arbeitsstationen, linearer Vorranggraph (eigene Darstellung)

Was passiert, wenn wir einen verzweigten Vorranggraphen zusammenfassen? Abb. 2.28 zeigt, dass der Vorranggraph in drei Arbeitsstationen aufgegliedert wurde. Jede dieser Arbeitsstationen wird erneut einem Mitarbeiter zugewiesen. An der ersten Station führt der Mitarbeiter die Schritte 1–3 durch. Der zweite Mitarbeiter führt dann die Schritte 4 und 5 durch. Mitarbeiter 3 schließt das Fließband mit Schritt 6 ab. Die Vorrangbeziehungen wurden hier also berücksichtigt. Wir sehen, dass Arbeitsstationen also nicht „wahllos“ gebildet werden können. In Abb. 2.29 wird dies noch deutlicher. Würde die Arbeitsstation 1 die Schritte 1 und 3, aber nicht Schritt 2 beinhalten, so müsste der Mitarbeiter sich am Fließband ständig auf und ab bewegen – denn er kann Schritt 3 erst beginnen, wenn der Mitarbeiter an Station 2 seine Tätigkeit abgeschlossen hat. Wir können somit als Restriktion festhalten, dass die Fertigungsreihenfolge bei der Arbeitsstationsbildung nicht missachtet werden darf. Stehen wir vor dem Prüfschritt, zwei Tätigkeiten zu einer Station zusammenzulegen, so müssen wir uns fragen: „Wird die Fertigungsreihenfolge durch diese Zusammenlegung befolgt?“ In einem Fließband mit ausschließlich linearen Vorgängerbeziehungen bedeutet dies, dass Arbeitsstationen lediglich sequenziell benachbarte Arbeitselemente beinhalten können – das Überspringen eines Arbeitselements ist technisch nicht möglich. In einem Fließband mit verzweigten Vorgängerbeziehungen muss berücksichtigt werden, dass keine Arbeitselemente zusammengefasst werden, für deren Ansteuerung der Abschluss eines oder mehrerer Vorgänger nötig ist. Dies schließt jedoch nicht die Möglich-

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

101

4

1

2

5

6

3

2 4

1 1

2

5

6

3 3

Abb. 2.28  Fließbandabstimmung: Bildung von Arbeitsstationen, verzweigter Vorranggraph (eigene Darstellung)

102

2 Produktionsfaktoren

1 3

2 1

2

3

4

5

Abb. 2.29  Fließbandabstimmung: Unzulässige Zusammenfassung (eigene Darstellung)

keit aus, dass parallel liegende Arbeitselemente zusammengefügt werden können  – in diesem Fall muss lediglich mit Abschluss der Fließbandabstimmung eine sequenzielle Anordnung der Arbeitsstationen erfolgen. Beispielhaft ist dies in Abb. 2.28 dargestellt: Arbeitsstation 2 bearbeitet hier zwei nicht miteinander zusammenhängende, aber parallel zueinander liegende Arbeitsschritte. Dies ist in Ordnung, da die für die Ansteuerung nötigen Arbeitsschritte 1–3 bereits mit der ersten Arbeitsstation abgeschlossen wurden.

Atomisierung der Arbeitsschritte: Arbeitselemente

Eingangs zu diesem Abschnitt wurde angemerkt, dass die Aufgliederung der Arbeitsschritte in einzelne kleinere Tätigkeiten den Vorranggraphen komplexer macht. Diese atomisierten Vorgänge werden als Arbeitselemente bezeichnet. Die Atomisierung größerer Arbeitsschritte mag mit der tayloristischen Denkweise der Artenteilung in Verbindung gebracht werden (Abschn. 2.2.2.1): „Gliedere einen Arbeitsvorgang in immer kleinere Schritte auf und lasse sie von Spezialisten durchführen!“ Um das Ziel der Fließbandabstimmung  – ein möglichst hoher Bandwirkungsgrad – zu erreichen, ist die Atomisierung der Arbeitsschritte jedoch hilfreich. Denn gilt das Ziel, Arbeitsstationen mit möglichst gleich langen Bearbeitungszeiten zu bilden, so ist es besser, wenn wir sehr viele kleine Arbeitsschritte vorliegen haben als wenige große. Viele kleine Arbeitsschritte erlauben eine größere Flexibilität der Lösung und verbessern somit das Ergebnis (Hahn 1972, S. 29).

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

103

Bestimmung des Takts und des Bandwirkungsgrads Ist die Fließbandabstimmung abgeschlossen, so haben wir ein Ergebnis wie in Abb. 2.27 oder Abb. 2.28 vorliegen. Die Bearbeitungszeiten der Arbeitsstationen können wir ermitteln, indem wir die Bearbeitungszeiten der in ihnen zusammengefassten Arbeitselemente summieren. Im nächsten Schritt muss eine gemeinsame Taktzeit über das Fließband gelegt werden. Klar ist, dass wir keine Taktzeit wählen werden, die unter der Bearbeitungszeit der langsamsten Station liegt. Würden bspw. die Stationen 1–2 und 4–5 jeweils eine Minute, Station 3 jedoch zwei Minuten Bearbeitungszeit benötigen und würde ein Takt von einer Minute gewählt werden, so würde Station 3 nicht nachkommen: Es würde sich Material stauen. Die Stationen 4 und 5 „hungern“ hingegen und erzeugen Leerkosten. Hieraus können wir folgern, dass der Takt wenigstens so langsam sein muss wie die Bearbeitungsdauer an der langsamsten Arbeitsstation. Auf diese Weise verhindern wir Materialstaus, wenn auch die schnelleren Stationen eigentlich mehr Durchsatz erzeugen könnten. Auf Basis dieser Überlegungen kann die Formel für den Bandwirkungsgrad eingeführt werden:



Summe der Bearbeitungszeiten aller Arbeitsstationen  Anzahl der Arbeitsstationen ´ Gewahlte Taktzeit

(Gl. 2.18)

Der Zähler des Bruchs zeigt an, wieviel Zeit die Stationen für die Bearbeitung des Werkstücks tatsächlich benötigen. Der Nenner zeigt hingegen an, wieviel Zeit ihnen für die Bearbeitung eines Werkstücks gemäß Taktzeit „gegeben“ wird. Das Ziel der Maximierung des Bandwirkungsgrades kann somit auch als Minimierung der ungenutzten Zeiten der Stationen verstanden werden (Domschke et al. 1993, S. 173). Betragen bspw. die Bearbeitungszeiten für die Stationen 1–2 und 4–5 jeweils eine Minute und für Station 3 zwei Minuten, so wird wenigstens eine Taktzeit von zwei Minuten gewählt werden. Der Bandwirkungsgrad beträgt dann 60 %:

(1 + 1 + 2 + 1 + 1) min = 60 % ( 5 * 2 ) min



(Gl. 2.19)

Neben der Bestimmung der Auslastung des Fließbands kann der Bandwirkungsgrad auch als Vergleichskriterium für unterschiedliche Fließbandabstimmungsmethoden herangezogen werden. Werden auf dasselbe Problem mehrere Fließbandabstimmungsverfahren angewandt, so wird jeweils der Bandwirkungsgrad berechnet und das Ergebnis gewählt, das den höchsten Bandwirkungsgrad herbeiführt. Taktzeit und Puffer

Im Bestfall wurde in der Fließbandabstimmung eine Zusammenfassung ermittelt, in der alle Stationen dieselbe Bearbeitungszeit aufweisen. Wird in einem solchen Fall die Taktzeit auf die Länge der Bearbeitungszeit gesetzt, so ist jede Station und damit auch das gesamte Fließband zu 100 % ausgelastet.

104

2 Produktionsfaktoren

Das bedeutet aber auch, dass im Falle einer Störung an einer Arbeitsstation keine Pufferzeit vorhanden ist, um die Störung zu beheben – vor der betroffenen Station staut sich dann unweigerlich Material an. Die nachfolgenden Stationen „hungern“ und laufen leer. Eventuell mag daher auch im „besten“ Ergebnis eine Taktzeit gewählt werden, die über der Bearbeitungszeit liegt: Damit entsteht zwar an jeder Arbeitsstation etwas Leerlauf, dafür wurde aber Pufferzeit für Störungen geschaffen.

Formale Problembeschreibung In formaler Form wird die Aufgabe der Fließbandabstimmung folgendermaßen abgebildet (= Simple-Assembly Line Balancing Problem, Günther und Tempelmeier 2012, S. 95–96): Zielfunktion: min! å m =1 y m M



(Gl. 2.20)

unter den Nebenbedingungen: t ´ x im £ C ´ y m

m = 1, 2,¼, M

(Gl. 2.21)

x im = 1

i = 1, 2,¼, I

(Gl. 2.22)

i = 1, 2,¼, I; j Î N i

(Gl. 2.23)



å

i =1 i



å

m =1



å

m =1



x im Î {0; 1}

i = 1, 2,¼, I; m = 1, 2,¼, M (Gl. 2.24)



y m Î {0; 1}

m = 1, 2,¼, M

I

M

M

m ´ x im £ å m =1 m ´ x jm M

(Gl. 2.25)

mit: C = Taktzeit I = Anzahl der Arbeitselemente i = 1, 2, …, I M = Maximale Anzahl der Stationen m = 1, 2, …, M Ni = Indexmenge der direkten Nachfolger des Arbeitselements i im Voranggraphen ti = Elementzeit des Arbeitselements i xim = Binärvariable, die den Wert 1 annimmt, wenn Arbeitselement i der Station m zugeordnet wird ym = Binärvariable, die den Wert 1 annimmt, wenn Station m errichtet wird

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

105

Lösungsverfahren Vorbereitung Mit den vorangegangenen Erklärungen wurden die Aufgabe und das Ziel der Fließbandabstimmung hinreichend genau erklärt. Im Folgenden soll ihr Ablauf in allgemeiner Form beschrieben werden (im Folgenden: Steffen 1996, S. 29; Becker und Scholl 2006; Günther und Tempelmeier 2012, S. 93–94; Domschke et al. 1993, S. 171). Die Fließbandabstimmung beginnt mit der Festlegung einer Planzeit (z. B. eine Schicht à 8 Stunden = 480 Minuten) sowie der in der Planzeit herzustellenden Produktionsmenge (z. B. 3000 Stück). Diese Produktionsmenge wird auch Planleistung genannt. Auf Basis von Planzeit und -leistung kann die maximale Taktzeit bestimmt werden. Diese ergibt sich, indem die Planzeit durch die Planleistung dividiert wird. Die maximale Taktzeit sagt aus, in welcher Mindestgeschwindigkeit das jeweils zu bearbeitende Produkt von Arbeitsstation zu Arbeitsstation weitergegeben werden muss, um die geplante Produktionsmenge herzustellen (z. B. 0,16 Minuten pro Stück). Mithilfe der Beispielzahlen von 480 Minuten und 3000 Stück ergäbe sich, dass alle 0,16 Minuten ein Stück fertiggestellt bzw. von Station zu Station weitergereicht werden muss, um die Planleistung zu erfüllen. Als nächstes werden die für die Bearbeitung des Produkts notwendigen Arbeitselemente und ihre Elementzeiten in einem Vorranggraphen festgehalten. Mithilfe der den Arbeitselementen zugeordneten Elementzeiten kann die minimale Taktzeit bestimmt werden. Diese entspricht im Folgenden der Dauer des am längsten dauernden Arbeitselements. Das Fließband sollte nicht schneller als diese Elementzeit getaktet werden. Würde ein Fließband mit einem Takt geleitet werden, der die Bearbeitungsdauer des langsamsten Bearbeitungsschritts unterschreitet, würde dies zu Materialstau an der langsamen Bearbeitungsstation führen. Implikationen der Taktzeit

Zur Wahl der Taktzeit nach der Zusammenfassung von Arbeitsstationen können einige Überlegungen angestellt werden: • Die Taktzeit bewegt sich zunächst grundsätzlich zwischen der maximalen und minimalen Taktzeit. Klar ist jedoch, dass je nachdem, welche Bearbeitungszeiten an den zusammengefassten Arbeitsstationen auftreten, die Taktzeit auch oberhalb der zuvor ermittelten minimalen Taktzeit liegen kann. Sie bewegt sich dann zwischen der maximalen Taktzeit und der Bearbeitungsdauer der langsamsten Arbeitsstation. • Tritt der Fall auf, dass die gewählte Taktzeit unterhalb der maximalen Taktzeit liegt, so bedeutet dies, dass das Fließband „schneller als benötigt“ arbeitet, um die Planleistung zu erfüllen. Dies wird offensichtlich, wenn man bspw. eine maximale Taktzeit von 1 Minute pro Stück ermittelt hat und nach der Fließbandabstimmung jedoch einen Takt von 0,8 Minuten pro Stück wählen kann. Ein der-

106

2 Produktionsfaktoren

artiges Unterbieten der maximalen Taktzeit kann dann in betriebswirtschaftlicher Hinsicht bedeuten, dass entweder die Planzeit gesenkt oder die Planleistung erhöht werden kann. Wird die Planzeit gesenkt, so sinken die Kosten der Produktion der Planleistung. Wird hingegen die Planleistung erhöht, so werden in derselben Zeit mehr Stück produziert als gefordert. Wir erinnern uns an dieser Stelle an das ökonomische Prinzip aus Abschn. 1.1. • Schließlich kann man sich fragen, wie man mit unausgelasteten Arbeitsstationen umgehen soll. Eine Möglichkeit wäre, dass man diesen Stationen neue, arbeitsgangunabhängige Tätigkeiten zuweist (z. B. Reinigung, Qualitätsprüfung).

Lösungsverfahren Für die Fließbandabstimmung existieren exakte sowie heuristische Verfahren, wobei Heuristiken aufgrund der Komplexität des Fließbandabstimmungsproblems in der Regel bevorzugt werden (Scholl und Becker 2006; Steffen 1996, S. 29). Die Heuristiken zur Fließbandabstimmung können ihrerseits in heuristische Enumerationsverfahren sowie Prioritätsregelverfahren eingeteilt werden (Zäpfel 2000b, S. 207–212). Heuristische Enumerationsverfahren Diese Verfahren führen zunächst eine regelbasiert-sinnvolle Gruppierung von Arbeitselementen und daraufhin eine vollständige Enumeration der Möglichkeiten durch. Die vorher stattgefundene Gruppierung reduziert dabei den nötigen Rechenaufwand der Enumeration. Prioritätsregelverfahren Diese Verfahren arbeiten sukzessiv-konstruktiv: Zunächst werden die Arbeitselemente auf Basis einer zuvor festgelegten Regel in eine Rangfolge gebracht (Zäpfel 2000b, S. 210; Domschke et al. 1993, S. 187–188). Tab. 2.13 zeigt eine Auswahl und Beschreibung typischer Regeln. Daraufhin wird der Rangfolge folgend geprüft, ob die Arbeitselemente zu Arbeitsstationen zusammengefügt werden können. Dabei wird einerseits darauf geachtet, dass die im Vorranggraphen abgebildete Fertigungsreihenfolge beachtet wird, und andererseits, dass die Bearbeitungszeiten der gebildeten Arbeitsstationen nicht die maximale Taktzeit überschreiten. Abb. 2.30 fasst die in Priorirätsregelverfahren zu befolgenden Schritte zusammen (Zäpfel 2000b, S. 211; Domschke et al. 1993, S. 187). Ein typische Herangehensweise ist es, mehrere Prioritätsregeln auf dasselbe Planungsproblem anzuwenden. Die Ergebnisgüte der einzelnen Regeln kann daraufhin auf Basis des Bandwirkungsgrads verglichen werden: Das Ergebnis der „besten“ Regel wird daraufhin gewählt.

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

107

Tab. 2.13  Prioritätsregeln zur Fließbandabstimmung (Zäpfel 2000b, S. 210) Name MD-Regel (Tonge 1960) MP-Regel (Helgeson und Birnie 1961) ME-Regel (Moodie und Young 1961) MR-Regel (Hahn 1972, S. 44–51) MN-Regel (Talbot und Patterson 1984)

Rangfolgekriterium Maximale Anzahl direkter Nachfolger Maximales Positionsgewicht

Maximale Elementzeit

Maximaler Rangwert

Maximale Anzahl aller Nachfolger

Vorgehensweise der Rangfolgebildung Arbeitselemente werden gemäß ihrer Anzahl direkter Nachfolger absteigend sortiert. Arbeitselemente werden gemäß ihrem Positionsgewicht, d. h. der Summe ihrer eigenen und der Elementzeiten aller ihnen nachfolgenden Arbeitselemente, absteigend sortiert. Arbeitselemente werden gemäß ihrer Elementzeit absteigend sortiert. Arbeitselemente werden gemäß ihrem Rangwert, d. h. der Summe ihrer eigenen und der Elementzeiten aller ihnen direkt nachfolgenden Arbeitselemente, absteigend sortiert. Arbeitselemente werden gemäß der Zahl ihrer Nachfolger absteigend sortiert.

Bestimme die maximale und minimale Taktzeit des Fließbands sowie die Prioritätswerte und Rangfolge der Arbeitselemente gemäß der gewählten Prioritätsregel.

Setze den Index der ersten Arbeitsstation m = 1. Speichere die zugeteilten Arbeitselemente als Arbeitsstation ab und beginne eine neue Arbeitsstation (m: = m+1).

Setze die maximale Taktzeit als maximal verfügbare Leerzeit der aktuell betrachteten Arbeitsstation. Nein Wähle dasjenige noch nicht einer Arbeitsstation zugeteilte und noch nicht geprüfte Arbeitselement mit dem höchsten Rang.

Wurden alle Arbeitselemente aus der Menge der noch nicht zugeteilten Arbeitselemente geprüft?

Nein

Ist es aufgrund der technischen Vorrangbedingungen möglich, das aktuell gewählte Arbeitselement der Arbeitsstation zuzuteilen? Ja

Nein

Ist genügend Leerzeit verfügbar, um das aktuell gewählte Arbeitselement der Arbeitsstation zuzuteilen?

Ja

Ja Ist noch Leerzeit verfügbar?

Teile das aktuell gewählte Arbeitselement der betrachteten Arbeitsstation m zu. Streiche das aktuell gewählte Arbeitselement aus der Menge der noch nicht zugeteilten Arbeitselemente. Nein Wurden alle Arbeitselemente einer Arbeitsstation zugeteilt? Ja

Ja

Aktualisiere die vorhandene Leerzeit durch Abziehen der Elementzeiten aller bisher der aktuell betrachteten Arbeitsstation zugeteilten Arbeitselementen von der vorhandenen Leerzeit.

Speichere die Lösung als Endergebnis ab und beende das Verfahren.

Abb. 2.30  Ablauf der Fließbandabstimmung (Zäpfel 2000b, S. 211)

Nein

108

2 Produktionsfaktoren

Rechenbeispiel: Fließbandabstimmung anhand der ME- und MP-Regel

An einer Montagelinie soll eine Fließbandabstimmung durchgeführt werden: Für das betrachtete Produkt müssen die in Abb. 2.31 abgebildeten Arbeitselemente AE 1–7 durchgeführt werden. Der Vorranggraph gibt zudem die Elementzeiten in Minuten an. Die Montageleitung möchte sowohl die ME- (Maximale Elementzeit) als auch die MP-Regel (Maximales Positionsgewicht) auf das Problem anwenden und die beste Lösung implementieren. Als zusätzliche Information sei gegeben, dass die Planleistung 500 Stück und die Planzeit 300 Minuten beträgt. Bevor mit der Anwendung der beiden Prioritätsregeln begonnen wird, werden die maximale und die minimale Taktzeit bestimmt. Die minimale Taktzeit kann aus dem Vorranggraphen abgelesen werden: Da die am längsten dauernden Arbeitselemente 0,3 Minuten benötigen, beträgt die minimale Taktzeit 0,3 Minuten je Stück. Die maximale Taktzeit beträgt 0,6 Minuten je Stück: 300 Minuten Minuten = 0, 6 500 St uck uck St



(Gl. 2.26)

ME-Regel Die ME-Regel gibt vor, dass die Arbeitselemente gemäß ihrer Elementzeit in absteigende Reihenfolge gebracht werden sollen. Dies wurde in Abb. 2.32 getan. Da AE 1 und 2 sowie AE 4 und 6 jeweils gleiche Elementzeiten aufweisen, wurden konventionshalber diejenigen Elemente höher rangiert, die einen niedrigeren Index aufweisen (1 < 2, 4 < 6).

AE 6 0,15 min

AE 3 0,2 min

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

AE 7 0,3 min

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

Abb. 2.31  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME- und MP-Regel (eigenes Beispiel)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

109

6 4 1

7

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

AE 6 0,15 min

AE 3 0,2 min

2

5

3

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

AE 7 0,3 min

Abb. 2.32  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, Rangierung nach Elementzeiten (eigenes Beispiel)

Nun werden, der Reihenfolge folgend, Prüfungen zur Zusammenlegung von Arbeitselementen durchgeführt. Dabei wird jeweils zunächst auf Beachtung der Bearbeitungsreihenfolge geprüft, dann auf Einhaltung der maximalen Taktzeit (hier: 0,6 Minuten). Als Basis eines Prüfdurchgangs ist immer dasjenige Arbeitselement heranzuziehen, das den höchsten Rang aufweist und das noch nicht in einer Arbeitsstation zusammengefasst wurde: 1. Als Basis wird AE 1 (Rang 1) gewählt. –– Zunächst wird geprüft, ob AE 1 mit AE 7 (Rang 2) zusammengefasst werden kann. Dies ist hinsichtlich der Bearbeitungsreihenfolge nicht möglich. –– Nun wird geprüft, ob AE 1 mit AE 5 (Rang 3) zusammengefasst werden kann. Dies ist erneut hinsichtlich der Bearbeitungsreihenfolge nicht möglich. Die folgenden Schritte laufen analog. –– Prüfung: AE 1 und AE 3 (Rang 4) → keine Zusammenfassung möglich. –– Prüfung: AE 1 und AE 4 (Rang 5) → keine Zusammenfassung möglich. –– Die Zusammenlegung von AE 1 und AE 6 (Rang 6) ist aus technischer Sicht möglich  – sie verlaufen parallel. Auch die Prüfung hinsichtlich der maximal erlaubten Taktzeit gibt ein positives Ergebnis aus: Werden AE 1 und AE 6 zusammengefasst, weisen sie eine Bearbeitungszeit von (0,3 + 0,15 =) 0,45 Minuten auf. Da beide Prüfschritte positiv verlaufen sind, werden AE 1 und AE 6 zu einer gemeinsamen Arbeitsstation zusammengefasst. Die Arbeitsstation beinhaltet somit aktuell {AE1, AE6}.

110

2 Produktionsfaktoren

–– E  s wird geprüft, ob AE 1 mit AE 2 (Rang 7) zusammengefasst werden kann – dabei darf nicht vergessen werden, dass sich AE 1 bereits in einer Gruppe mit AE 6 befindet. Aus technischer Sicht ist eine Hinzufügung von AE 2 möglich. Aus zeitlicher Sicht würde sich eine Stationszeit von (0,3 + 0,15 + 0,1 =) 0,55 Minuten ergeben. Da beide Prüfschritte positiv verlaufen sind, wird AE 2 in die Arbeitsstation mit aufgenommen. Die Arbeitsstation beinhaltet somit {AE1, AE2, AE6}. –– Mit dem Durchlauf aller Ränge ist der erste Prüfungsdurchgang abgeschlossen. AE 1, 2 und 6 müssen für das weitere Vorgehen nicht mehr beachtet werden (Abb. 2.33). 2. Als Basis wird AE 7 (Rang 2) gewählt. –– Es wird geprüft, ob AE 7 mit AE 5 (Rang 3) verknüpft werden kann. Aus technischer Sicht ist das möglich, da beide AE direkte Nachbarn im Vorranggraphen sind. Auch hinsichtlich der maximalen Taktzeit ist eine Zusammenfassung möglich: Gemeinsam würden AE 7 und AE 5 (0,3 + 0,25 =) 0,55 Minuten benötigen. Es werden die beiden Elemente somit zu einer gemeinsamen Arbeitsstation zusammengefasst. –– Es müssen keine weiteren Prüfungen vorgenommen werden, da für die Aufnahme weiterer Arbeitselemente lediglich (0,6 − 0,55 =) 0,05 Minuten übrigbleiben. Da alle verbleibenden Arbeitselemente länger als 0,05 Minuten dauern, können keine weiteren Elemente aufgenommen werden. –– Die gebildete Arbeitsstation beinhaltet somit {AE7, AE5} (Abb. 2.34).

Station I 0,55 min

6 4

1

7

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

AE 6 0,15 min

AE 3 0,2 min

2

5

3

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

AE 7 0,3 min

Abb. 2.33  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, 1. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

111

Station I 0,55 min

6 4

1

7

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

AE 6 0,15 min

AE 3 0,2 min

2

5

3

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

AE 7 0,3 min

Station II 0,55 min Abb. 2.34  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, 2. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)

3. Nun wird AE 3 (Rang 4) zur Basis gemacht. –– Es wird geprüft, ob AE 3 mit AE 4 (Rang 5) zusammengefasst werden kann. Aus technischer Sicht ist das möglich, da sie parallel zueinander liegen. Auch hinsichtlich der maximalen Taktzeit ist eine Zusammenfassung möglich: Gemeinsam würden AE 3 und AE 4 (0,2 + 0,15 =) 0,35 Minuten benötigen. Somit werden die beiden Elemente zu einer gemeinsamen Arbeitsstation zusammengefasst. Die gebildete Arbeitsstation beinhaltet {AE3, AE4} (Abb. 2.35). 4. Es müssen keine weiteren Prüfungen vorgenommen werden, da alle Arbeitselemente einer Arbeitsstation zugewiesen wurden. Abb. 2.36 zeigt das Ergebnis und den Vorranggraph in einer etwas angepassten Variante. 5. Als Taktzeit werden 0,55 Minuten pro Stück festgelegt. Als Bandwirkungsgrad ergibt sich somit nach Anwendung der ME-Regel: (0,55 + 0,35+0,55)min/(3∗0,55) min = 87,88 % MP-Regel Die Anwendung der MP-Regel erfolgt grundsätzlich analog zum soeben dargestellten Verfahren. Der einzige Unterschied besteht in der Bildung der Elementreihenfolge. Anstatt nach der Elementzeit wird nach dem sogenannten maximalen Positionsgewicht sortiert. Das Positionsgewicht eines Arbeitselements ergibt sich, indem die Summe ihrer eigenen und der Elementzeiten aller ihnen nachfolgenden Arbeitselemente gebildet wird.

112

2 Produktionsfaktoren

Station I 0,55 min

6 AE 6 0,15 min

4 1

7

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

AE 3 0,2 min

2

5

3

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

Station III 0,35 min

AE 7 0,3 min

Station II 0,55 min

Abb. 2.35  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, 3. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)

AE 6 0,15 min

AE 1 0,3 min

Station I 0,55 min

AE 3 0,2 min

AE 2 0,1 min

AE 5 0,25 min

AE 4 0,15 min

AE 7 0,3 min

Station II 0,55 min

Station III 0,35 min

Abb. 2.36  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: ME-Regel, Ergebnis (eigenes Beispiel)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

113

5 7 1

2

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

PG = 1,3

PG = 1,2

AE 3 0,2 min

AE 6 0,15 min PG = 0,45 PG = 0,2

3

4

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

PG = 0,7

6 AE 7 0,3 min PG = 0,3

PG = 0,55

Abb. 2.37  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: MP-Regel, Rangierung nach Positionsgewichten (eigenes Beispiel)

Für AE 1 bedeutet das bspw. (0,3 + 0,1 + 0,2 + 0,15 + 0,25 + 0,3 =) 1,3 Minuten. Da AE 6 dem AE 1 nicht nachfolgt, wird es nicht hinzugezählt. Abb. 2.37 zeigt die Rangfolge. 1. Als erste Basis wird AE 1 (Rang 1) gewählt. –– Es wird geprüft, ob AE 1 mit AE 2 (Rang 2) verknüpft werden kann. Gemäß technischer Reihenfolge ist dies möglich. Auch hinsichtlich der Taktzeit ist eine Zusammenfassung erlaubt: Gemeinsam weisen sie eine Bearbeitungszeit von (0,3 + 0,1 =) 0,4 Minuten auf. Da beide Prüfschritte positiv verlaufen sind, werden die Elemente zu einer gemeinsamen Arbeitsstation zusammengefasst. Die Arbeitsstation beinhaltet somit im aktuellen Prüfschritt {AE1, AE2}. –– Es wird geprüft, ob AE 4 (Rang 3) mit AE 1 zusammengefasst werden kann – dabei darf nicht vergessen werden, dass sich AE 1 bereits in einer Gruppe mit AE 2 befindet. Aus technischer Sicht ist eine Hinzufügung von AE 4 möglich. Aus zeitlicher Sicht würde sich eine Stationszeit von (0,3 + 0,1 + 0,15 =) 0,55 Minuten ergeben. Da beide Prüfschritte positiv verlaufen sind, wird AE 4 in die Arbeitsstation mit aufgenommen. –– Es müssen keine weiteren Prüfungen vorgenommen werden, da für die Aufnahme weiterer Arbeitselemente lediglich (0,6 − 0,55 =) 0,05 Minuten verbleiben. Da alle übrigen Arbeitselemente länger als 0,05 Minuten dauern, können keine weiteren Elemente aufgenommen werden. Die erste gebildete Arbeitsstation beinhaltet somit {AE1, AE2, AE4} (Abb. 2.38). AE 1, 2 und 4 müssen für das weitere Vorgehen nicht mehr beachtet werden.

114

2 Produktionsfaktoren

5 7 1

2

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

Station I 0,55 min

AE 6 0,15 min

AE 3 0,2 min

6

3

4

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

AE 7 0,3 min

Abb. 2.38  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: MP-Regel, 1. Prüfdurchgang (eigenes Beispiel)

2. AE 5 (Rang 4) wird als neue Basis gewählt. –– Es wird geprüft, ob AE 5 mit AE 6 (Rang 5) verknüpft werden kann. Aus technischer Sicht ist das möglich, da beide Elemente parallel zueinander liegen. Gemeinsam weisen sie eine Bearbeitungszeit von (0,25 + 0,15 =) 0,4 Minuten auf. Da beide Prüfschritte positiv verlaufen sind, werden sie zu einer gemeinsamen Arbeitsstation zusammengefasst. Die gebildete Arbeitsstation beinhaltet somit im aktuellen Prüfschritt {AE5, AE6}. –– Als nächstes wird geprüft, ob AE 5 mit AE 7 (Rang 6) verknüpft werden kann. Aus technischer Sicht ergeben sich hierbei keine Probleme. Gemeinsam würde die gebildete Arbeitsstation {AE5, AE6, AE7} jedoch insgesamt (0,25 + 0,15 + 0,3 =) 0,7 Minuten benötigen – dies übersteigt die maximal erlaubte Taktzeit von 0,6 Minuten. AE 7 wird also nicht in die Arbeitsstation aufgenommen. –– Schließlich wird geprüft, ob AE 5 mit AE 3 (Rang 7) verknüpft werden kann. Erneut ergeben sich aus technischer und auch aus zeitlicher Hinsicht keine Einwände. Die Arbeitsstation {AE5, AE6, AE3} weist eine Stationszeit von 0,6 Minuten auf. AE 3 wird daher in die Arbeitsstation aufgenommen: {AE5, AE6, AE3}. 3. Schließlich verbleibt noch AE 7 als letztes Element und bildet eine eigene Arbeitsstation mit einer Bearbeitungszeit von 0,3 Minuten (Abb. 2.39). 4. Als Taktzeit werden in der gefundenen Lösung 0,6 Minuten festgelegt. Somit ergibt sich ein Bandwirkungsgrad von (0,55 + 0,6 + 0,3)min/(3∗0,6)min = 80,56 %.

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

115

5 7 1

2

AE 1 0,3 min

AE 2 0,1 min

Station I 0,55 min

AE 6 0,15 min

AE 3 0,2 min

6

3

4

AE 4 0,15 min

AE 5 0,25 min

AE 7 0,3 min

Station III 0,3 min

Station II 0,6 min Abb. 2.39  Rechenbeispiel zur Fließbandabstimmung: MP-Regel, Ergebnis (eigenes Beispiel)

Vergleich Im direkten Vergleich zeigt der Bandwirkungsgrad, dass das Ergebnis nach der ME-Regel eine höhere Auslastung herbeiführt. Es würde somit das Ergebnis nach der ME-Regel implementiert werden.

2.3.3.3 Reihenfertigung: Warteschlangenanalyse Allgemeine Problembeschreibung Auch in einer Reihenfertigung durchlaufen die Produkte eine Fließfertigung in einem arbeitsplangeordneten Materiafluss. Im Gegensatz zur Fließbandfertigung erfolgt die Produktion jedoch ungekoppelt und zeitlich ungebunden. Das bedeutet, dass die Stationen in ihrer eigenen Geschwindigkeit arbeiten und kein Takt beachtet wird. Dabei wird auch angenommen, dass stochastische Schwankungen in den Bearbeitungszeiten auftreten können – manchmal arbeiten Stationen schneller, mal langsamer. Gründe sind bspw. die tagesformabhängige Arbeitsgeschwindigkeit des Mitarbeiters, die Aussteuerung fehlerhafter Produkte sowie Maschinen- oder Personalausfall. Um trotz unterschiedlicher Bearbeitungszeiten der Arbeitsstationen eine hohe Stationsauslastung zu erreichen und um eventuell auftretende stochastische Schwankungen in den Bearbeitungszeiten auszugleichen, werden in der Reihenfertigung zwischen den Arbeitsstationen bewusst Pufferbestände aufgebaut. Denn, erneut: Gibt es keine Pufferbestände, so wächst das Risiko des „starving“ (engl. für „hungern“, d. h., die Station muss auf Material warten) und des „blocking“ (d. h., die Station kann Material nicht annehmen, da

116

2 Produktionsfaktoren

sie schon ausgelastet ist). Aufgrund der arbeitstechnischen Verkettung der Stationen beeinträchtigen diese Problemzustände die Leistung der gesamten Reihenfertigung – „starving“ und „blocking“ pflanzen sich durch die Kette hindurch fort (Verkettungsverluste). Sind hingegen die Pufferbestände zu groß, so steigen Kapitalbindungskosten und Durchlaufzeiten der Produkte (Günther und Tempelmeier 2012, S. 100–101). Aus Sicht des Produktionsmanagements besteht somit die Frage, wie groß der Pufferbestand zwischen den einzelnen Arbeitsstationen sein soll. Da Pufferbestände als Warteschlangen vor den Arbeitssystemen interpretiert werden können, kann diese Gestaltungsfrage mit Methoden der Warteschlangentheorie bearbeitet werden. Als Basis der Optimierung wird zunächst eine Leistungsanalyse des Reihenfertigungssystems vorgenommen, die auch als Warteschlangenanalyse bezeichnet wird. Die zu erhebenden Kennzahlen beschreiben die Effizienz eines Systems, das aus einer einzelnen Arbeitsstation und der vor ihr befindlichen Warteschlange an zu bearbeitenden Produkten besteht (Abb. 2.40). Die Warteschlangenanalyse zeigt dem Produktionsmanager für verschiedene Parameterkonfigurationen, wie stark die einzelnen Arbeitsstationen ausgelastet werden und welche Pufferbestände daraus resultieren. Annahmen der Warteschlangenanalyse Die folgenden Ausführungen zur Wartschlangenanalyse basieren auf verschiedenen vereinfachenden Annahmen. Diese Annahmen ermöglichen es, Leistungskennzahlen des Reihenfertigungssystems exakt zu berechnen. Diese Annahmen sind im Einzelnen (Günther und Tempelmeier 2012, S. 102; Arnold und Furmans 2009, S. 115–123): • Das Reihenfertigungssystem kann in einzelne Arbeitsstationen zerlegt werden (Dekompositionsansatz). • Jede Station kann für sich genommen als sogenannte M/M/1-Warteschlange charakterisiert werden (siehe Zusatzinformation „M/M/1-Warteschlangen“). • Vor jeder Arbeitsstation befindet sich ein unbegrenzt großer physischer Bereich zur Lagerung des Pufferbestands. Abb. 2.40 Reihenfertigung: Warteschlangen (eigene Darstellung)

Arbeitsstation

Warteschlange (Puffer) Materialfluss Produkt

Arbeiter Maschinelle Anlage

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

117

Auch wenn die getroffenen Annahmen die Realität nicht perfekt abbilden – Bearbeitungszeiten schwanken selten gemäß einer exponentiellen Verteilung (Günther und Tempelmeier 2012, S. 104) –, hilft eine Warteschlangenanalyse, die Leistung des Reihenfertigungssystems besser einzuschätzen, da Schwankungen der Zwischenankunfts- und Abfertigungszeit mit berücksichtigt werden. Neben dem Basismodell der M/M/1-Warteschlangen kann auch die Leistung komplexerer Warteschlangennetzwerke approximativ bestimmt werden (Arnold und Furmans 2009, S. 111–172; Thonemann 2015, S. 165–178; Günther und Tempelmeier 2012, S. 104).

M/M/1-Warteschlangen (Thonemann 2015, S. 602–603)

M/M/1-Wartschlangen basieren auf den Prinzipien der Wahrscheinlichkeitstheorie. Das bedeutet, dass die Ankunfts- und Abfertigungszeiten von Objekten (z. B. Produkten) in Warteschlangensystemen stochastisch sind. Die genauen Zeiten sind also nicht bekannt, die Verteilung der Zeiten aber schon. Die beiden „M“ sagen aus, dass das unterstellte Warteschlangenmodell die Markov-­Eigenschaft besitzt. Diese besagt, dass die Wahrscheinlichkeit eines Systems, einen zukünftigen Zustand zu erreichen, unabhängig von den historischen Zuständen ist, die das System bereits angenommen hat – die Wahrscheinlichkeit hängt lediglich vom aktuellen Systemzustand ab. Wenn bspw. die Anzahl der Halbfertigprodukte im System n ist, ist es gemäß der Markov-Eigenschaft irrelevant, ob zuvor n + 3, n + 2, n + 1, n, n−1, n−2 oder n−3 Halbfertigprodukte im System waren. Für die Analyse von Warteschlangensystemen wird die Markov-Eigenschaft oft angenommen, da sie die Systemanalyse sehr erleichtert. Das erste „M“ bezieht sich auf die Zeit, die zwischen der Ankunft von zwei Objekten (Produkten, Personen etc.) vor der Maschine vergeht. Bei einer M/M/1-­ Warteschlange wird die Zwischenankunftszeit als exponentialverteilt angenommen, mit dem Mittelwert 1/λ. Das zweite „M“ steht für die Abfertigungszeit der Maschine. Auch diese wird beim M/M/1-Modell als exponentialverteilt angenommen, diesmal mit dem Mittelwert 1/μ. Die „1“ bedeutet, dass das System eine Bearbeitungsstation umfasst. Die im Rahmen der Warteschlangenanalyse häufig eingesetzte Exponentialverteilung ist eine stetige Wahrscheinlichkeitsverteilung, die allgemein zur Beantwortung der Frage nach der Dauer von zufälligen Zeitintervallen benutzt wird. Beispiele sind die Zeit zwischen zwei Anrufen im Call-Center, die Lebensdauer von Maschinen und Geräten sowie die Ankunft von Kunden an einem Bearbeitungsschalter (z. B. Post). Die Exponentialverteilung wird deshalb gerne verwendet, da sie es erlaubt, das Warteschlangensystem mit einfachen Formeln zu beschreiben.

118

2 Produktionsfaktoren

Lösungsverfahren: Analyse von Kennzahlen der Warteschlangenanalyse Überblick Für die Analyse einer Warteschlange sind vor allem die folgenden Kennzahlen von Interesse: • • • • •

erwartete Anzahl an Produkten in der Warteschlange erwartete Wartezeit eines Produkts in der Warteschlange erwartete Anzahl von Produkten im System erwartete Zeit eines Produkts im System Wahrscheinlichkeit, n Produkte im System zu haben

Mithilfe dieser Kennzahlen kann sowohl die Warteschlange für sich als auch das gesamte System inklusive Arbeitsstation beschrieben werden (Abb. 2.41): • So ist bspw. bei großvolumigen Gütern die tatsächliche Anzahl von Produkten in Warteschlange und System von besonderem Interesse. • Für manche Produkte kann eine bestimmte Mindestwartezeit in der Warteschlange aus technischen Gründen (z. B. Abkühlung) von Interesse sein, für andere soll die Zeit in der Warteschlange im Sinne der Durchlaufzeitminimierung kurzgehalten werden. Auslastungsgrad p Leerzeit Zwischenankunftszeit A Arbeitsstation Ankunftsrate λ

Warteschlange (Puffer)

Abfertigungsrate μ Abfertigungszeit S

Length of Queue (Stück) Wait in Queue (Zeit) Length of System (Stück) Wait in System (Zeit)

Materialfluss

Arbeiter

Maschinelle Anlage

Produkt

Abb. 2.41  Warteschlangen: Leistungskennzahlen (eigene Darstellung)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

119

• Mit der erwarteten Zeit eines Produkts im System kann die stationsindividuelle Durchlaufzeit beschrieben werden. • Die Wahrscheinlichkeit für eine bestimmte Anzahl an Produkten ist indes (1) ein Indikator für das Risiko von Materialstau an der Station und (2) eine notwendige Grundkenntnis zur Bestimmung einer angemessenen Puffergröße. Die folgenden Berechnungen basieren auf den Rechenwegen nach Thonemann 2015, S. 165–171; Domschke et al. 2015, S. 219–232. Ausgangsdaten Bevor die eingangs genannten Kennzahlen berechnet werden können, müssen verschiedene Ausgangsdaten erhoben werden. Die Erhebung beginnt mit der Ermittlung der Ankunftsrate λ der Produkte an der Arbeitsstation. Die Ankunftsrate beschreibt, welche Produktmenge in einem bestimmten zeitlichen Rahmen an der Arbeitsstation ankommt (z. B. 10 Stück/Stunde). Die Ankunftsrate kann bspw. ermittelt werden, indem das typische tägliche Bearbeitungsvolumen der Arbeitsstation (z. B. auf Basis von ERP-Daten) durch ihre tägliche Arbeitszeit (z. B. Schichtzeit) geteilt wird. Auf Basis der Ankunftsrate kann die erwartete Zwischenankunftszeit A berechnet werden. Sie stellt lediglich eine Umformung der Ankunftsrate dar und sagt aus, in welchem zeitlichen Abstand im Durchschnitt ein Produkt an der Arbeitsstation ankommt (z. B. alle 6 Minuten ein Stück):

A=

1 l

(Gl. 2.27)

Eine weitere grundlegende Einheit ist die durchschnittliche Abfertigungsrate μ. Sie sagt aus, wie viele Produkte die Arbeitsstation in einem bestimmten zeitlichen Rahmen bearbeiten kann (z. B. 20 Stück/Stunde). Zur Ermittlung der Abfertigungsrate kann bspw. auf Erfahrungswerte (z. B. des Mitarbeiters), Arbeitspläne, Messungen oder die technische Soll-Leistung (z. B. Maschinendaten) zurückgegriffen werden. Die Abfertigungszeit S ist das Gegenstück zur Zwischenankunftszeit. Sie ist eine Umformung der durchschnittlichen Abfertigungsrate und gibt an, wie lange es dauert, bis die Arbeitsstation ein Produkt fertig bearbeitet hat (z. B. 3 Minuten pro Stück): S=

1 m

(Gl. 2.28)

Der Auslastungsgrad p der Arbeitsstation ergibt sich aus Ankunftsrate und Abfertigungsrate: p=

l m

(Gl. 2.29)

120

2 Produktionsfaktoren

Das Gegenstück zur Auslastung ist die Leerzeit der Station, sie ergibt sich durch Subtraktion des Auslastungsgrads von 100 %. Weitere Leistungskennzahlen Mithilfe von Ankunftsrate, Zwischenankunftszeit, Abfertigungsrate, Abfertigungszeit, Auslastungsgrad und Leerzeit können die eingangs genannten Kennzahlen ermittelt werden. Tab. 2.14 zeigt ihre Berechnung. Rechenbeispiel: Warteschlangenanalyse

In der Werkhalle eines Messer-Herstellers soll die Arbeitsstation „Griffmontage“ analysiert werden. Da dieser Arbeitsschritt bereits stark automatisiert wurde, erreicht die Station eine Abfertigungsrate von 120 Stück pro Stunde. Die Ankunftsrate von Halbfertigprodukten beträgt 100 Stück pro Stunde. Von besonderem Interesse für das Produktionsmanagement sind die Kennzahlen für Auslastung sowie der gesamten Dauer eines Werkstücks im System „Warteschlange und Arbeitsstation“. Des Weiteren soll ermittelt werden, wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass sich zu einem gegebenen Zeitpunkt genau 10 Werkstücke im System befinden. Alle geforderten Kennzahlen lassen sich schrittweise ermitteln: A= S=

1 100 Stk

1 120 Stk

= 0, 01 h h

Stk

= 0, 0083 h h

= 0, 6 min

Stk

Stk

= 0, 5 min

(Gl. 2.30)

Stk

(Gl. 2.31)

Tab. 2.14  Kennzahlen der Warteschlangenanalyse Kennzahl Erwartete Anzahl an Produkten in der Warteschlange

Kürzel Formel Length of Queue ~ LQ p2 LQ = 1– p

Erwartete Wartezeit eines Produkts in Wait in Queue ~ WQ LQ p2 WQ = = der Warteschlange („Little’s Law“, l l ´ (1 – p ) Little 1961) Erwartete Anzahl von Produkten Length of System ~ LS p2 LS = LQ + p = +p im System 1– p Erwartete Zeit eines Produkts im System

Wait in System ~ WS

Wahrscheinlichkeit, n Produkte im System zu haben

Probability of n Customers ~ Pn

WS = WQ +

1 p2 1 = + m l ´ (1 – p ) m

Pn = pn × (1 – p)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

p=

100 Stk 120 Stk

h = 83, 33 % ® Leerzeit = 16, 67 % h

WQ =

(Gl. 2.32)

0, 83332 = 4,1667 Stk 1 - 0, 8333

(Gl. 2.33)

4,1667 Stk = 0, 0417 h = 2, 5 min 100 Stk h

(Gl. 2.34)

LQ =

121



LS = 4,1667 Stk + 0, 8333 Stk = 5 Stk

(Gl. 2.35)



WS = 0, 0417 h + 0, 0083 h = 0, 05 h = 3 min

(Gl. 2.36)



pLS =10 = 0, 833310 * (1 - 0,8333 ) = 2, 69 %

(Gl. 2.37)

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht können die ermittelten Kennzahlen in verschiedenerlei Weise interpretiert werden. Bspw. könnte die Leerzeit von 16,67 % mit dem Maschinenkostensatz pro Stunde multipliziert werden, um herauszufinden, wieviel Geld pro Stunde durch ungenügende Auslastung „verschwendet“ wird. Die im System vorzufindende Kapitalbindung kann beispielhaft quantifiziert werden, indem die Länge der Warteschlange von 4,1667 Stück mit dem Produktwert sowie einem Opportunitätszinssatz multipliziert wird. Würde man nun bspw. dafür sorgen, dass die Ankunftsrate A auf 110 Stück pro Stunde steigt, so nähme die Auslastung auf 91,67 % zu – gleichzeitig würden aber die durchschnittlichen Bestände in der Warteschlange ansteigen (LQ = 10,0833 Stück). Dieser Gedanke verdeutlicht den Trade-Off, der sich hier ergibt: Auslastung vs. Kapitalbindung. Die Warteschlangenanalyse ermöglicht es, diesen Trade-Off für verschiedene Zustände des Systems zu simulieren.

2.3.3.4 Fertigungsinsel: Inselkonfiguration Allgemeine Problembeschreibung Als Fertigungsinsel werden räumlich zusammengefasste Gruppen von Arbeitssystemen verstanden, an denen die vollständige Fertigung von Produkten erfolgt (Abb. 2.20). Wie in Abschn. 2.3.2.1 beschrieben wurde, müssen hierzu im Voraus Teilefamilien definiert werden.

122

2 Produktionsfaktoren

Stehen wir vor der Aufgabe, Inseln zu definieren und die notwendigen Arbeitssysteme räumlich zu bündeln, so haben wir unterschiedliche Möglichkeiten. Benötigen bspw. die Erzeugnisse A und B die Maschinen 1, 2, 3 und die Erzeugnisse C und D die Maschinen 1, 4, 5, so haben wir grundsätzlich zwei Möglichkeiten (Abb. 2.42): • Definieren wir für beide Teilefamilien A/B und C/D separate Fertigungsinseln, so muss für die Komplettbearbeitung beider Teilefamilien an diesen Fertigungsinseln die ­Maschine 1 doppelt beschafft werden – es entstehen Redundanzen. Neben der Berücksichtigung der nötigen Investitionskosten müssen wir auch an die voraussichtliche Auslastung der beiden Maschinen 1 denken: Kann an beiden Inseln gewährleistet werden, dass die Maschinen voll ausgelastet sind? • Alternativ könnten wir eine große Fertigungsinsel mit allen fünf Maschinen definieren. Dies widerspricht jedoch dem Grundgedanken, dass pro Teilefamilie eine Insel definiert werden soll. Werden beide Teilefamilien an derselben Insel bearbeitet, so erschwert dies die inselbezogene Planung und Steuerung des Produktionsprozesses. Hinzu kommt, dass die Mitarbeiter für die Fertigung zweier, eventuell sehr unterschiedlicher Teilefamilien ausgebildet werden müssen.

Produkte

Benötigte Maschinen

A

B

1

2

KonfigurationsMöglichkeit 2

1

3

D

1

4

3 A

KonfigurationsMöglichkeit 1

C

Teilefamilie II

Teilefamilie I

5 B

C

2

1

A

B

C

D

1 5

2

D

5

4

3 4

Abb. 2.42  Fertigungsinselkonfiguration: Ausgangssituation (eigene Darstellung)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

123

Lösungsverfahren Überblick Das Problem der Inselkonfiguration hat viel Aufmerksamkeit in der Forschung ­erfahren. Die entwickelten Lösungsverfahren können in Klassifizierungssysteme, Maschinen-­ Erzeugnis-Matrix-Analysen, clusteranalytische Verfahren, lineare/nicht-lineare Pro­ gramme und spezialisierte Ansätze eingeteilt werden. Innerhalb jeder dieser Klassi­ fikationen finden sich eine große Anzahl unterschiedlicher Herangehensweisen (Kuhn 2008b, S. 127). Im Folgenden wird eine leicht verständliche Analysemethode vorgestellt: Die binärwertbasierte Sortierung der Maschinen-Erzeugnis-Matrix (Kuhn 2008b, S. 128–129; Günther und Tempelmeier 2012, S. 117–118). Sie zeigt in anschaulicher Weise, wie das Inselkonfigurationsproblem abgebildet und gelöst werden kann. Binärwertbasierte Inselkonfiguration Ausgangsüberlegungen Die binärwertbasierte Inselkonfiguration beginnt mit dem Aufstellen einer Matrix, in der die zu bearbeitenden Erzeugnisse in die Zeilen und die zur Bearbeitung nötigen Maschinen in die Spalten abgetragen werden. Welche Maschinen die einzelnen Erzeugnisse zur Bearbeitung benötigen, kann bspw. den Arbeitsplänen entnommen werden (Abschn. 2.5.3). Die Matrix wird dann gemäß der für die Erzeugnisbearbeitung nötigen Maschinen mit „1en“ befüllt, die restlichen Zellen werden mit „0en“ versehen (Abb. 2.43). Diese Maschinen-Erzeugnis-Matrix liegt zunächst in unsortierter Form vor – auf den ersten Blick lässt sich keine Struktur darin erkennen. Inselkonfigurationsmethoden, die auf Basis von Maschinen-Erzeugnis-Matrizen arbeiten, versuchen, durch die Anwendung intelligenter Regelsets eine Sortierung der Spalten und Zeilen vorzunehmen, so dass möglichst eindeutige Blockstrukturen (hier: „1er“- und „0er“-Blöcke) erkennbar werden: • 1er-Blöcke deuten dann darauf hin, dass eine Fertigungsinsel mit der angezeigten Maschinen-­Erzeugnis-Konfiguration gebildet werden kann. Die Ziele der Sortierung sind, dass ein Block möglichst vollständig ist (d. h. keine Leerstellen innerhalb des

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10

E1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1

E2 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0

Maschinen-Erzeugnis-Matrix E3 E4 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0

E5 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0

E6 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1

E7 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0

Abb. 2.43  Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Ausgangssituation (eigene Darstellung)

124

2 Produktionsfaktoren

Blocks) und dass möglichst wenige Ausreißer (d. h. alleinstehende „1en“ in der Matrix) auftreten. • Die Leerstellen innerhalb eines Blocks können als auslastungssenkend (z. B. „Erzeugnisse 1,2,3 benötigen Maschine 1, aber nur Erzeugnis 3 benötigt Maschine 2“) und Ausreißer als redundanzerzeugend („Die Maschine 1 wird an mehreren Inseln benötigt“) interpretiert werden. Schritt 1: Sortierung der Zeilen Die binärwertbasierte Sortierung interpretiert die Zeilen und Spalten der Maschinen-­ Erzeugnis-­Matrix als Binärwerte und sortiert sie schrittweise nach deren Höhe. Das Verfahren beginnt mit der Sortierung der Zeilen: Hierfür werden die Zelleninhalte jeder Zeile miteinander verkettet – der sich ergebende Wert stellt einen Wert im Binärsystem dar, der daraufhin in das Dezimalsystem übertragen wird (Abb. 2.44). Auf Basis dieser Dezimalwerte wird die Matrix daraufhin zeilenweise absteigend sortiert (Abb. 2.45). Schritt 2: Sortierung der Spalten Ausgehend von der sortierten Matrix wird im nächsten Schritt die Binärwertinterpretation für alle Spalten durchgeführt. Erneut werden die Zelleninhalte verkettet, als Binärwert umgedeutet und in das Dezimalsystem übertragen (Abb. 2.46). Stehen die Werte für alle

Maschinen-Erzeugnis-Matrix

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10

E1

E2

E3

E4

E5

E6

E7

1 0 1 0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 1 1 0 0 1 0 0

0 1 0 1 1 0 0 0 0 0

1 0 1 0 0 1 1 0 0 0

0 1 0 1 0 0 0 1 1 0

0 0 1 0 0 1 0 0 0 1

1 0 0 0 0 1 1 0 0 0

Verkettung der Zeilenwerte (= Binärwert) 1001001 0110100 1001010 0110100 0110000 1001011 1001001 0100100 0000100 1000010

Übertragung des Binärwerts in das Dezimalsystem 73 52 74 52 48 75 73 36 4 66

Abb. 2.44  Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Zeilenorientierte Binärwerterzeugung (eigene Darstellung)

Maschinen-Erzeugnis-Matrix

M6 M3 M1 M7 M10 M2 M4 M5 M8 M9

E1

E2

E3

E4

E5

E6

E7

1 1 1 1 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 1 1 1 0

0 0 0 0 0 1 1 1 0 0

1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 1 1 0 1 1

1 1 0 0 1 0 0 0 0 0

1 0 1 1 0 0 0 0 0 0

Verkettung der Zeilenwerte (= Binärwert) 1001011 1001010 1001001 1001001 1000010 0110100 0110100 0110000 0100100 0000100

Sortierung der Zeilen nach absteigendem Binärwert 75 74 73 73 66 52 52 48 36 4

Abb. 2.45  Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Absteigende Sortierung der Zeilen (eigene Darstellung)

2.3  Produktionsfaktor Betriebsmittel

M6 M3 M1 M7 M10 M2 M4 M5 M8 M9 Verkettung der Spaltenwerte (= Binärwert) Übertragung des Binärwerts in das Dezimalsystem

E1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0

125

Maschinen-Erzeugnis-Matrix E2 E3 E4 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0

E5 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1

E6 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0

E7 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0

1111100000

0000011110

0000011100

1111000000

0000011011

1100100000

1011000000

-32

30

28

-64

27

-224

-320

Abb. 2.46  Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Spaltenorientierte Binärwerterzeugung (eigene Darstellung)

M6 M3 M1 M7 M10 M2 M4 M5 M8 M9 Verkettung der Spaltenwerte (= Binärwert) Sortierung der Spalten nach absteigendem Binärwert

E2 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0

Maschinen-Erzeugnis-Matrix E3 E5 E1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0

E4 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

E6 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0

E7 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0

0000011110

0000011100

0000011011

1111100000

1111000000

1100100000

1011000000

30

28

27

-32

-64

-224

-320

Abb. 2.47  Binärwertbasierte Fertigungsinselkonfiguration (Beispiel): Absteigende Sortierung der Spalten (eigene Darstellung)

Spalten fest, werden auch die Spalten absteigend nach der Größe der Dezimalwerte sortiert (Abb. 2.47). Ergebnis und Methodenzusammenfassung Da es im Ergebnis (Abb. 2.47) keinen Ausreißer in der Matrixstruktur gibt, kann der Planer zwei Fertigungsinseln definieren. Fertigungsinsel 1 fertigt die Erzeugnisse 2, 3 und 5 mit den Maschinen 2, 4, 5, 8 und 9. Fertigungsinsel 2 fertigt die Erzeugnisse 1, 4, 6 und 7 mit den Maschinen 6, 3, 1, 7 und 10. Zusammenfassend kann die Methodik der binärwertbasierten Inselkonfiguration wie in Abb. 2.48 dargestellt beschrieben werden. Perfekte Ergebnisse?

In der Praxis sind „perfekte“ Blockmuster wie im gezeigten Beispiel nicht die Regel. Gerade in Produktionssystemen mit mehreren hunderten Maschinen und Erzeugnissen muss der Einsatz einer Binärwertanalyse nicht zwangsläufig zu einer erkennbaren Struktur führen. Findet der Planer eine Struktur mit Ausreißern und

126

2 Produktionsfaktoren

Leerstellen, muss er den eingangs besprochenen Trade-Off zwischen Maschinenredundanz und Auslastung für den vorliegenden Fall bewerten (Günther und Tempelmeier 2012, S. 117–118). Die Systematik der Maschinen-Erzeugnis-Matrix-­Analyse hilft jedoch, das Detailproblem besser zu verstehen, und bietet eine im Vergleich zu anderen Lösungsansätzen einfache Lösungsstruktur.

2.4

Produktionsfaktor Material

2.4.1 Objekte und Gestaltungsziel Objekte Unter dem Produktionsfaktor Material sind alle Werkstoffe zu verstehen, die als Ausgangs- und Grundstoffe für die Herstellung von Produkten dienen (Gutenberg 1979, S. 122). Sie beziehen sich somit auf die Inputseite des Produktions-/Transformationsprozesses (Abschn. 1.2). Dabei kann das verwendete Material auch den Output eines zuvor erfolgten Produktionsprozesses darstellen (Halbfertig-/Fertigprodukt). Auch Dienstleistungen, die im Rahmen der Herstellung von Produkten bezogen werden (z. B. Montage, Erzeuge eine Maschinen-Erzeugnis-Matrix. Befülle die Zellen mit „1“, wenn das Erzeugnis auf der Maschine bearbeitet wird, sonst mit „0“.

Verkette die Zelleninhalte je Zeile. Die Ergebnisse stellen Werte im Binärsystem dar.

Übersetze die eben berechneten Binärwerte in das Dezimalsystem und sortiere die Zeilen absteigend nach ihrem Dezimalwert.

Verkette die Zelleninhalte je Spalte. Die Ergebnisse stellen Werte im Binärsystem dar.

Übersetze die eben berechneten Binärwerte in das Dezimalsystem und sortiere die Spalten absteigend nach ihrem Dezimalwert.

Identifiziere Möglichkeiten zur Fertigungsinselbildung durch Analyse des sich ergebenden Bildes an „1“- und „0“-Blöcken.

Abb. 2.48  Verfahren der binärwertbasierten Fertigungsinselkonfiguration (eigene Darstellung)

2.4  Produktionsfaktor Material

127

Transportleistung, Reinigung und Instandhaltung von Maschinen), können zum Produktionsfaktor „Material“ gezählt werden (Hummel 1996, S. 1160; Hammer 1977, S. 138–140). Im Gegensatz zu den Potenzialfaktoren Mensch und Betriebsmittel werden Werkstoffe während des Produktionsprozesses verbraucht und stehen dem Unternehmen danach nicht mehr zur Verfügung – entweder weil sie Bestandteil des Produktes werden (z. B. Holz in einem Möbelstück) oder weil sie durch ihren Verbrauch den Produktionsprozess erst ermöglichen (z. B. Elektrizität und Schmierstoffe). Aus diesem Grund werden Werkstoffe als Repetierfaktoren bezeichnet (Abschn. 2.1). Sie können generell in Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe (RHB) unterteilt werden. Hinzu kommen fremdbezogene Fertigteile bzw. Handelswaren. Sie werden folgendermaßen unterschieden: • Rohstoffe (auch: Fertigungsstoffe) sind Werkstoffe, die als Hauptbestandteil in ein Produkt eingehen und dessen „materiellen Grundcharakter“ bestimmen (z. B. Holz bei einem Holztisch). Sie unterliegen der Be- oder Verarbeitung und bilden den wert- und/ oder mengenmäßigen Hauptbestandteil eines Erzeugnisses. • Auch Hilfsstoffe gehen als Bestandteil in das Fertigprodukt ein, sind jedoch wert- und mengenmäßige Nebenfaktoren. Sie haben „akzessorischen Charakter“ (z. B. Leim und Schrauben bei einem Holztisch). • Betriebsstoffe werden hingegen für die Durchführung des Produktionsprozesses benötigt und gehen nicht unmittelbar als Bestandteil in das Endprodukt ein (z. B. Treibstoff, Schmiermittel, Energie, Wasser). • Handelswaren werden von einem Unternehmen ohne zusätzliche Bearbeitung weiterverkauft (z. B. Accessoires, die eine Möbelfabrik zusätzlich zu den von ihr erstellten Möbeln verkauft, wie etwa Zierkissen). An ihnen werden insbesondere logistische Aktivitäten (Transport-, Lager- und Umschlagstätigkeiten) vollzogen. Eine Gütertransformation findet nicht statt. Gestaltungsziel Da die Materialkosten in produzierenden Unternehmen oft einen großen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen, lohnt es sich, über eine Rationalisierung  der verwendeten Materialien nachzudenken. Im Folgenden werden zwei Ansätze hierzu vorgestellt: In Abschn. 2.4.2 wird die Profitabilitätswirkung, die von der Standardisierung von Werkstoffen, Baugruppen, Zwischen- und Endprodukten ausgeht, dargestellt. In Abschn. 2.4.3 wird gezeigt, wie Werkstoffe anhand materialbezogener Kriterien klassifiziert werden können, um von dieser Materialklassifikation ausgehend Beschaffungsstrategien abzuleiten und Managementaufmerksamkeit zu lenken.

128

2 Produktionsfaktoren

2.4.2 Standardisierung Durch die Standardisierung von Werkstoffen, Baugruppen, Zwischen- und Endprodukten kann die Profitabilität des Produktionsprozesses gesteigert werden. Dabei kann sich die Standardisierung sowohl auf die Input- als auch auf die Outputseite der Produktion beziehen (Abb. 2.49). Normung bezeichnet die Standardisierung von Einzelteilen und Baugruppen (Inputseite), Typung die Standardisierung von Endprodukten (Outputseite) (Wiese und Geisler 1996, S. 1897).

2.4.2.1 Normung Unter Normung wird die Vereinheitlichung von Eigenschaften der Werkstoffe auf der Input-­Seite des Produktionsprozesses verstanden. Gegenstand dieser Vereinheitlichung sind bspw. Abmessungen (Größe, Gewicht, Form), Farben oder die Qualität der weiterzuverarbeitenden Materialien (siehe Beispiel „Standardisierung bei VW“; Mellerowicz 1968, S. 111; Zäpfel 2000b, S. 66). Es gibt mehrere Gründe, weshalb die Normung von Werkstoffen betriebswirtschaftlich sinnvoll sein kann (im Folgenden: Hammer 1977, S. 106–108; Wiese und Geisler 1996, S. 1898–1900; vgl. Corsten und Gössinger 2016, S. 170; Zäpfel 2000b, S. 66–69; Mellerowicz 1968, S. 113–116, 119–120). Als erstes Argument kann die Sicherung einer höheren Inputqualität genannt werden: Üblicherweise sind die Qualitätseigenschaften genormter Teile bekannt, da sie sich in zahlreichen Produktionsprozessen in einer oder mehreren Branchen bereits bewährt haben. Ein weiterer Vorteil der Normung sind Rationalisierungspotenziale in der Beschaffung, Produktion, Verwendung und Entsorgung der Materialien. Diese Rationalisierungspotenziale beziehen sich bspw. auf folgende Sachverhalte: • Materialverbrauch: –– Genormte Teile gehen häufig in mehrere Endprodukte ein. Daher ist das Obsoleszenz-­ Risiko für genormte Teile i.d.R. geringer als für spezifische. Denn wird ein bestimmtes Endprodukt nicht mehr hergestellt, können die Materialien für andere Produkte verwendet werden.

Normung Beschaffung

Typung Leistungserstellung

Input

Throughput

Absatz Output

Abb. 2.49  Standardisierung mittels Normung und Typung (eigene Darstellung)

2.4  Produktionsfaktor Material

129

–– Sicherheitsbestände werden aufgebaut, um Schwankungen im Bedarf und in der Lieferzeit von Teilen ausgleichen zu können. Werden mehrere nicht-genormte Teile durch ein Normteil ersetzt, so sinken aufgrund des Risk-Pooling-Effekts die für dieses Teil notwendig vorzuhaltenden Sicherheitsbestände (siehe Zusatzinformation „Risk Pooling Effekt“). Dies führt zu geringeren Kapitalbindungskosten sowie zu geringeren Lagerhaltungskosten. –– Werden mehrere nicht-genormte Teile durch ein Normteil ersetzt, so können aufgrund der größeren Bestellmengen Bestellrabatte erlangt werden (siehe Zusatzinformation „Economies of Scale“). • Arbeitszeiten: –– Werden mehrere nicht-genormte Teile durch ein Normteil ersetzt, so stellen sich schneller Lernkurveneffekte bei den Mitarbeitern ein, da sie häufiger dieselben Materialien verbauen (Abschn. 2.2.1). –– Werden immer wieder die gleichen, genormten Teile verwendet, dann kann auf bereits vorhandene NC-Programme zurückgegriffen werden, die angeben, wie die Teile zu verbauen sind. • Organisations- und Kontrollkosten: –– Werden statt mehreren unterschiedlichen nicht-genormten Teilen Normteile beschafft, so erleichtert dies aufgrund der fest definierten Materialeigenschaften den Bestellvorgang und die Kommunikation mit den Lieferanten. –– Auch sind weniger Qualitätskontrollen notwendig.

Risk Pooling Effekt (vgl. Chopra und Meindl 2014, S. 426–428)

Unternehmen halten Sicherheitsbestände, um Unsicherheiten der Nachfrage nach bestimmten Materialien auszugleichen („abzupuffern“). Nutzt ein Unternehmen viele verschiedene Materialien für seine Produktion, dann muss für jedes Material ein gewisser Sicherheitsbestand gehalten werden. Setzt ein Unternehmen hingegen dasselbe Material in mehreren Endprodukten ein, dann – so zeigt eine stochastische Berechnung – ist der insgesamt vorzuhaltende Sicherheitsbestand geringer als wenn für jedes Material einzeln ein Sicherheitsbestand gehalten wird – und das bei gleicher Wahrscheinlichkeit, dass das Material nicht ausreichen wird. Diese Gesetzmäßigkeit bezeichnet man als den Risk Pooling Effekt. Der Risk Pooling Effekt kann damit begründet werden, dass sich mehrere Nachfrageschwankungen nach ein und denselben Materialien in der Regel ausgleichen.

130

2 Produktionsfaktoren

Economies of Scale

Von (positiven) Economies of Scale (deutsch: Skaleneffekte; auch Skalenerträge) spricht man, wenn die Herstellstückkosten bei steigender Produktionsmenge abnehmen (Bohr 1996). Je größer folglich die Produktionsmenge eines Gutes ist, desto höher ist die Gewinnmarge bzw. desto billiger kann es am Markt angeboten werden. Economies of Scale können unter anderem auf die folgenden Ursachen zurückgeführt werden: • Die für die Produktion anfallenden Fixkosten (z. B. Maschinenbereitschaftskosten, Verwaltungskosten, Reinigungskosten) werden über eine steigende Stückzahl verteilt. Werden bspw. 100 statt 10 Stück bei einem gleichbleibenden Fixkostenniveau produziert, so betragen die Fixkosten pro Produkt dementsprechend lediglich ein Zehntel der Stückkosten. • Es können Erfahrungs-/Lernvorteile ausgeschöpft werden (vgl. Abschn. 2.2): Je mehr von einem Produkt hergestellt wird, desto mehr Erfahrung bauen die Mitarbeiter auf. Dies kann bspw. zu einer sinkenden Bearbeitungszeit pro Stück oder zu einer sinkenden Fehlerrate führen. • Steigen die Produktionsmengen, so können mehrere kleine Betriebsmittel (Maschinen, Transportmittel etc.) durch wenige große Betriebsmittel ersetzt werden. Das Fixkostenniveau pro Stück sinkt dann typischerweise. • Losgrößenbezogene Ersprarnisse: Steigen bspw. die Beschaffungslose, so können typischerweise Rabatte auf Bestell- und/oder Stückkosten ausgehandelt werden.

Aufgrund ihrer Bedeutung für die industrielle Produktion werden Normen auf unterschiedlichen Ebenen verfasst: Nationale Normen werden vom Deutschen Institut für Normung (DIN) herausgegeben, internationale Normen von der International Organization for Standardization (ISO). Darüber hinaus werden betriebliche Normen als Werksnorm oder als Verbandsnormen (z. B. die Norm des Verbands der Elektrotechniker) formuliert (Zäpfel 2000b, S. 66–67; Hammer 1977, S. 108–115).

2.4.2.2 Typung Unter Typung wird die Vereinheitlichung des Endprodukts verstanden. Somit handelt es sich bei der Typung um eine Standardisierung auf der Outputseite des Produktionsprozesses (Hammer 1977, S. 115; Mellerowicz 1968, S. 111; Zäpfel 1982, S. 57). Durch Typung wird die Produktvielfalt – insbesondere mit Bezug auf die verbauten Zwischenprodukte/ Produktkomponenten – beschränkt. Dies reduziert folglich die Komplexität des Produktionsprozesses. Man spricht auch häufig vom Baukastenprinzip (siehe Beispiel „Standardisierung bei VW“). Auch wenn die Bauteile standardisiert werden, ist es immer noch

2.4  Produktionsfaktor Material

131

möglich, eine hohe Anzahl an Halb- und Fertigprodukten zu erzeugen (Corsten und Gössinger 2016, S. 170; Hammer 1977, S. 121–124). Der Vorteil des Baukastenprinzips besteht darin, dass sich produktionswirtschaftliche und absatzwirtschaftliche Ziele gleichzeitig realisieren lassen (Zäpfel 2000b, S. 69–72; Mellerowicz 1968, S. 113–14, 119–120): • Aus produktionswirtschaftlicher Sicht profitiert das Unternehmen bspw. davon, dass aufgrund der begrenzten Anzahl an Halb- und Fertigprodukten … –– sich schneller Lernkurveneffekte (Abschn. 2.2.1) bei den Mitarbeitern einstellen. –– weniger Teile/Komponenten verwaltet und eingelagert werden müssen. –– sich größere Produktionslose ergeben (Fixkostendegression). –– Kostenvorkalkulationen für Kundenaufträge schneller erfolgen können, da die Kosten für Produktmodule bereits aus vorherigen Kalkluationen bekannt sind. • Aus absatzwirtschaftlicher Sicht profitiert das Unternehmen bspw. davon, dass aufgrund der vielfältigen Kombinierbarkeit der Komponenten ein breites Spektrum unterschiedlicher Endprodukte auf dem Markt angeboten werden kann. Weitere Vorteile ­ergeben sich dadurch, dass durch die Komplexitätsreduktion des Produktionsprozesses Auftragsdurchlaufzeiten, Arbeitsvorbereitungszeiten sowie der Prozess der Angebotserstellung verkürzt werden können. Schließlich kann argumentiert werden, dass sich die einstellenden Lernkurveneffekte positiv auf die Qualität des Fertigprodukts aus­wirken. Nachteilig an der Einführung des Baukastensystems ist der anfänglich große Aufwand, der mit der Umstrukturierung einhergeht, da viele Teilnehmer der Supply Chain in die Entwicklung und Einführung eines Baukastensystems einbezogen werden müssen. Zudem besteht nach der Einführung eines Baukastensystems die Gefahr, den technischen Fortschritt zu verpassen, da – anstelle einer Neu- oder Weiterentwicklung der Produkte – nach Möglichkeit auf die bereits vorgefertigten und vorhandenen Komponenten des Baukastens zurückgegriffen wird, um Produktvielfalt zu erzeugen (Zäpfel 2000b, S. 72; Mellerowicz 1968, S. 116–119).

Standardisierung bei VW

Mit der zunehmenden Anzahl an angebotenen Auto-Modellen geht eine steigende Anzahl an nötigen Teilen zur Produktion einher. Als Reaktion auf die anwachsende Komplexität führte die Volkswagen AG 2012 den sogenannten „modularen Querbaukasten“ (MQB) ein. Dieser stellt ein Baukastensystem für Autos mit quer eingebauten Motoren und Getrieben dar. Er umfasst ein weites Spektrum von Funktionsgruppen, darunter Aggregate (Motor, Getriebe nebst Lagerung), Vorderachse, Lenkung und Lenksäule, Schaltung, Fußhebelwerk, Hinterachse, Bremsanlage, Kraftstoffbehälter, Abgasanlage, Räder (Größen), Reifen, Vorderwagen (Längsträger, Radhäuser), Stirnwand (inklusive Heizung und Klimaanlage), Mittelboden, Hinterwagen, Sitzgestelle und die Verkabelung der genannten Komponenten.

132

2 Produktionsfaktoren

Mit der Einführung des MQB wurde eine starke Reduzierung der Teilekomplexität erreicht: Beispielsweise verringerte sich die Anzahl der angebotenen Motor-­ Getriebe-­Varianten von 300 auf 36. Statt 102 unterschiedlichen Klimaanlagen-­ Modulen werden nur noch 28 angeboten. Aktuell werden über 40 Modelle mit den verschiedenen Vorder- und Hinterwagenmodulen hergestellt. Dabei lassen die Module auch Kombinationen unterschiedlicher Radstände, Dachhöhen, Sitzpositionen, Spurbreiten etc. zu. Seit 2015 wird der MQB mit dem Modularen E-Antriebs-Baukasten (MEB), einem Baukastensystem für Elektroautos, ergänzt. Er soll dazu beitragen, die Produktionskosten von Elektroautos auf Massenmarkt-Niveau zu senken. Hierfür plant das Unternehmen auch, den MEB als Produktionsplattform für Elektroautos auch Wettbewerbern anzubieten – auf diese Weise soll er als Industriestandard etabliert werden. Mit dem MEB werden Antriebskomponenten wie Batterie und Elektromotor in einem flachen „Skateboard“ verbaut, an das auch das Fahrwerk befestigt wird. Die einzelnen Untersätze unterscheiden sich dann bspw. in ihrer Leistung und Batteriekapazität. Auf das „Skateboard“ wird dann die Karosserie aufgesetzt. So können auf denselben Unterbau verschiedene Autotypen aufmontiert werden. „Dies ist eine Plattform, um Volumen zu erzeugen, indem dieselben Teile in einer Vielzahl von Modellen verwendet werden“, kommentiert Tino Fuhrmann, Projektleiter und Leiter der MEB-Modellreihe, „wir haben weniger Abweichungen als beim MQB.“ Quellen: Grundhoff (2019); heise (2011); Hentschel k. A.; Pander (2012); Preiss (2012); Schaal (2019)

2.4.2.3 Wirkung von Normung und Typung auf die Profitabilität eines Unternehmens Du-Pont-Schema Um die Wirkung von Normung und Typung auf die Profitabilität eines Unternehmens zu zeigen, bietet sich das in Abschn. 1.4.2 beschriebene Du-Pont-Schema an. Anhand des Du-Pont-Schemas (Abb. 2.50) lässt sich bspw. argumentieren, dass durch Normung größere Einkaufslose bezogen werden können, so dass der Einkauf von Mengenrabatten profitieren kann. Folglich sinken die Materialeinzelkosten. Des Weiteren können durch Normung auch die Fertigungseinzelkosten reduziert werden, da die Mitarbeiter mit der Verarbeitung des genormten Teils schneller als bei nicht-genormten Teilen vertraut sind (Lernkurveneffekt). Auch die einmaligen Kosten der Konstruktion und der Arbeitsplanung lassen sich durch Normung reduzieren, da die Mitarbeiter auf vorgefertigte Arbeitspläne, Stücklisten etc. zurückgreifen können. Die Reduktion der Material- und der Fertigungseinzelkosten führen ceteris paribus zu geringeren Herstellkosten, d. h. zu gerin-

2.4  Produktionsfaktor Material

133 Materialeinzelkosten / Stück Materialgemeinkosten / Stück

Menge Deckungsbeitrag

x

Gewinn in % des Umsatzes

: Umsatz

Gewinn in % des invest. Kapitals

Fixe Kosten

-

Deckungsbeitrag / Stück

Gewinn

=

Produktfixe Kosten

Fertigungseinzelkosten / Stück

Erlös / Stück

Fertigungsgemeinkosten / Stück

Variable Kosten / Stück

+

Bereichsfixe Kosten

+

Unternehmensfixe Kosten

x Rohmaterial

Umsatz Kapitalumschlag

: Investiertes Kapital

Umlaufvermögen

=

Zahlungsmittel

+

Forderungen

=

Immobiles Anlagevermögen

+

Mobiles Anlagevermögen

+ Anlagevermögen

+

Bestände

Halbfertigprodukte

Fertigprodukte

Abb. 2.50  Du-Pont-Schema: Beispielhafte Wirkung von Normung und Typung auf die Profitabilität eines Unternehmens (eigene Darstellung)

geren variablen Kosten. Dies führt zu insgesamt geringeren Kosten und zu einem gesteigerten Gewinn. Der Return on Investment steigt. Auch der Profitabilitätseffekt der Typung kann im Du-Pont-Schema gezeigt werden: Typung kann bspw. dazu führen, dass weniger unterschiedliche Zwischenprodukte auf Lager genommen werden müssen, was zu einer Reduktion an Halbfertigprodukten führt. Dies hat ceteris paribus zur Folge, dass weniger Umlaufvermögen im Unternehmen gebunden ist, was mit einem geringeren Kapitaleinsatz gleichzusetzen ist. Bei einem unveränderten Gewinn steigt der Return on Investment. Transaktionskosten In einer über das Du-Pont-Schema hinausgehenden Betrachtung kann auch argumentiert werden, dass Normung und Typung zur Senkung der sogenannten Transaktionskosten (siehe Zusatzinformation „Transaktionskosten“) beitragen: • Informationsbeschaffungskosten, z. B. für die Informationssuche für das zu beschaffende Material. • Vereinbarungskosten, z. B. bei Verhandlungen mit Lieferanten und der Verständigung über das zu liefernde Material, weil das Material allen Verhandelnden gut bekannt ist. • Änderungskosten/Anpassungskosten und Kontrollkosten, z. B. weil weniger Qualitätskontrollen für das gut bekannte Material nötig sind.

134

2 Produktionsfaktoren

Transaktionskosten

Die Transaktionskostentheorie geht auf Ronald Coase (1937) zurück. Coase stellte sich Anfang der 1930er-Jahre die Frage, wieso es „Unternehmen“ gibt. Warum werden bspw. Tätigkeiten wie Sekretariatsarbeiten nicht über den Markt mit Kaufverträgen geregelt? Warum gliedern sich Mitarbeiter freiwillig in eine Hierarchie in einem Unternehmen anstatt als Selbstanbieter ihre Leistung über den Markt zu vertreiben? Coase erklärt, dass die Nutzung eines Marktes Geld kostet und Aufwand erzeugt. Wer z. B. Handys produzieren und verkaufen will, muss die Handys zuvor entwickeln, Vorprodukte beschaffen, Fabrikgebäude einrichten, Produktionsmitarbeiter engagieren, die Qualität der fertigen Produkte kontrollieren und die Handys versenden. Für all diese Tätigkeiten müssen viele Informationen zusammengetragen und Verträge mit Mitarbeitern, Lieferanten etc. ausgehandelt werden. Eine Vielzahl von ökonomischen Transaktionen ist also nötig. Transaktionen erzeugen Aufwand – sowohl im Sinne von monetärem Aufwand als auch im Sinne von Arbeitsaufwand. Dieser Aufwand wurde von Coase vereinfacht als Transaktionskosten bezeichnet. Hierzu zählen insbesondere: • Informationsbeschaffungskosten, z. B. im Rahmen der Informationssuche zu potenziellen Lieferanten sowie für das zu beschaffende Material. • Anbahnungskosten, z. B. für die Kontaktaufnahme mit dem Lieferanten. • Vereinbarungskosten, z. B. Kosten, die durch Verhandlungen und Vertragsformulierung mit dem Lieferanten entstehen. • Abwicklungskosten, z. B. für den Transport von Personen und Material. • Änderungskosten/Anpassungskosten, z. B. bei Termin-, Qualitäts-, Mengen- und Preisänderungen. • Kontrollkosten, etwa zur Sicherstellung der Einhaltung von Termin-, Qualitäts-, Mengen- und Preisabsprachen und zur Qualitätskontrolle bei der Abnahme der Lieferung. Transaktionskosten sind demnach alle Kosten, die im Zusammenhang mit einem Geschäftsabschluss anfallen. Coase folgerte daher, dass Unternehmen deswegen existieren, weil durch ihren Aufbau bestimmte Transaktionskosten niedrig gehalten werden können. Dies gilt vor allem für die auf Dauer angelegten Tätigkeiten, die innerhalb des Betriebs anfallen. Es wäre wesentlich aufwändiger, jeden Tag/Woche/ Monat eine neue Sekretärin für Büroarbeiten anzustellen als diese auf lange Zeit in die Unternehmenshierarchie einzugliedern. Der Betriebsleiter müsste dann jedes mal, wenn er Büroarbeiten erledigt haben möchte, das Branchenbuch öffnen, nach verfügbaren Sekretärinnen suchen, ihre Preise vergleichen, mit ihnen verhandeln und sie daraufhin engagieren. Quellen: Coase (1937); Williamson (1975); Williamson (1985)

2.4  Produktionsfaktor Material

135

2.4.3 Materialklassifikation 2.4.3.1 Wahl der Beschaffungsstrategie: Überblick Ziel der Materialwirtschaft ist es, die für die Produktion notwendigen Werkstoffe in ausreichender Menge und Qualität zum erforderlichen Zeitpunkt am richtigen Ort zu möglichst geringen Kosten zur Verfügung zu stellen (Corsten und Gössinger 2016, S. 448; Kilger 1986, S. 285). Die Erreichung dieses Ziels ist maßgeblich von der Wahl der Beschaffungsstrategie (auch: Dispositionsstrategie) abhängig. Dabei müssen zunächst folgende grundlegende Fragen beantwortet werden: • Sollen die benötigen Materialien von einem einzelnen Lieferanten oder von mehreren bezogen werden? • Welche Mengen sind zu beziehen? • Wie lange vor dem Fertigungstermin sollen die Materialien bereitstehen? Hinsichtlich der ersten Frage können bspw. Überlegungen zur Verlässlichkeit eines Lieferanten angestellt werden. Durch den Rückgriff auf mehrere Lieferanten können eventuelle Schwankungen in der Lieferzeit eines Lieferanten ausgeglichen werden. Die Frage, welche Mengen zu beschaffen sind, wird schrittweise im Rahmen der Produktionsplanung beantwortet und wird in den folgenden Kapiteln näher besprochen: Die Bedarfsrechnung (Abschn. 3.3.4) ermittelt, wie viele Endprodukte für eine Planperiode herzustellen sind. Die Produktionshauptprogrammplanung (Abschn. 3.3.2) stellt die Entscheidung dar, wie viele Produkte herzustellen sind. Die Materialbedarfsrechnung (Abschn. 3.3.5) berechnet daraufhin, wie viel Material beschafft bzw. gefertigt werden muss. Dabei werden eventuell Lose gebildet (Abschn. 3.3.5.3). Zur Beantwortung der dritten Frage lassen sich grundsätzlich drei Prinzipien der Materialbereitstellung unterscheiden (Corsten und Gössinger 2016, S. 450; Kilger 1986, S. 284–287; Hammer 1977, S. 146–148): 1. Bereitstellung mit Lagerhaltung: Hier erfolgt die Beschaffung der Materialien auf Vorrat (Vorratsbeschaffung). Die Beschaffungsmengen und -termine stehen nicht in direktem Zusammenhang mit dem Produktionsprogramm. 2. Einzelbeschaffung im Bedarfsfall: Hier werden die Materialien nur im Bedarfsfall beschafft. Dieses Materialbereitstellungsprinzip lohnt sich insbesondere für Werkstoffe, die nur sehr selten benötigt werden (Obsoleszenzrisiko). 3. Bedarfssynchrone Beschaffung (Just-in-Time, Just-in-Sequence): Hier erfolgt die Materialbereitstellung stets zu dem Zeitpunkt und in den Mengen, in denen die Werkstoffe zur Fertigung benötigt werden (Just-in-Time-Belieferung). Bei der Just-in-­ Sequence-­Beschaffung werden die Materialien zusätzlich in der benötigten Reihenfolge ihres Verbaus angeliefert (z. B. Sitze mit unterschiedlichen Bezügen, die in einer Transferstraße eines Autoherstellers montiert werden).

136

2 Produktionsfaktoren

Just-in-Time-Produktion in der Automobilindustrie

Die BMW Group, die wie viele Unternehmen der Automobilindustrie Just in Time produziert, musste im Frühjahr 2017 die Produktion für die BMW 1er-, 2er-, 3erund 4er-Reihe in mehreren Werken weltweit stoppen. Grund für den Produktionsstillstand in München, Leipzig, Tiexi (China) und Rosslyn (Südafrika) war ein Lieferengpass bei elektrischen Lenkgetrieben. Die Verantwortung hierfür lag bei dem Zulieferer Bosch Automotive Steering, der sich seinerseits mit Lieferschwierigkeiten eines italienischen Zulieferers konfrontiert sah. Da auch die Teile in der Regel Just in Time geliefert werden, gab es kaum Lagerbestände, um den Engpass ausgleichen zu können. Auch Ersatzlieferungen von anderen Herstellern reichten nicht aus. Um den Schaden durch den Produktionsstopp zu begrenzen, reagierte BMW mit Flexibilität: So wurden im Werk Rosslyn für den Herbst geplante Wartungsarbeiten vorgezogen. Außerdem nutzten die betroffenen Mitarbeiter Gleitzeitkonten oder nahmen Urlaubstage. Trotz dieser Gegenmaßnahmen entstanden dem Automobilhersteller durch den Produktionsausfall ein Schaden in Höhe eines „mittleren zweistelligen Millionenbetrag(s)“ sowie ein Einbruch des Absatzes um 15 % im Juni 2017, da mehrere tausend Fahrzeuge nicht wie geplant produziert werden konnten. Der Fall zeigt, „wie abhängig Autokonzerne und Zulieferer heutzutage voneinander sind“ (Wirtschaftswoche 2017): Durch die JIT-Produktion kann selbst ein einzelnes fehlendes Teil die Produktion über Landesgrenzen hinweg unterbrechen. Quellen: Handelsblatt (2017); Schmale (2017); Wirtschaftswoche (2017)

Um eine geeignete Beschaffungsstrategie für einen Werkstoff zu wählen, lohnt es sich, die einzelnen Materialpositionen zunächst nach materialbezogenen Eigenschaften zu klassifizieren. In der Praxis werden hierzu insbesondere der Verbrauchswert und der Bedarfsverlauf (Vorhersagegenauigkeit und Verbrauchskonstanz) der einzelnen Materialien herangezogen (Corsten und Gössinger 2016, S. 450). Weitere typische materialbezogene Kriterien sind bspw. die Verderblichkeit, die Zerbrechlichkeit, die Lager- und Bestellkosten, die Wiederbeschaffungszeit, die Komplexität ihres Beschaffungsprozesses und das Fehlmengenrisiko (Hammer 1977, S. 138). Aufgrund der erhöhten Bedeutung von Verbrauchswert und Bedarfsverlauf hat sich in der Praxis die Kombination der ABC- und XYZ-Analyse für die Materialklassifikation bewährt. Während die ABC-Analyse die einzelnen Materialpositionen gemäß ihrem Verbrauchswert einteilt, untersucht die XYZ-Analyse ihren Bedarfsverlauf. Im Folgenden werden beide Analysemethoden sowie die Implikationen der Kombination ihrer Ergebnisse in Bezug auf die Wahl einer geeigneten Beschaffungsstrategie besprochen.

2.4  Produktionsfaktor Material

cc

137

Im Übungsbuch Produktionswirtschaft finden Sie in Kap. 3 eine Auswahl an Übungsaufgaben zur ABC- und XYZ-Analyse. Maximilian Lukesch und Florian Kellner, Übungsbuch Produktionswirtschaft, 2019, erschienen bei Springer Gabler, 2019; eBook ISBN: 978-3-662-57689-2, Softcover ISBN: 978-3-662-57688-5.

2.4.3.2 ABC-Analyse Konzept Mithilfe der ABC-Analyse wird eine Einteilung der Werkstoffe nach ihrem relativen Anteil am Gesamtverbrauchswert vorgenommen. Die Einteilung erfolgt daraufhin namensgebend in A-, B- und C-Güter. Ganz allgemein ist die ABC-Analyse ein Verfahren der Konzentrationsmessung, das zur Analyse unterschiedlicher Objekte verwendet werden kann, darunter bspw. zur Klassifikation von Lagerbeständen, Artikeln, Kunden, Debitoren und Lieferanten. A-Objekte haben einen höheren Anteil am Materialverbrauch, am Umsatz, am Absatz etc. als B-­ Objekte. B-Objekte haben wiederum einen höheren Anteil als C-Objekte. Da Manageraufmerksamkeit nicht in unbegrenztem Maße vorhanden ist, sollte deshalb A-Objekten eine höhere Beachtung geschenkt werden als B- und C-Objekten. Im Zusammenhang mit der Materialbedarfsplanung zeigen ABC-Analysen häufig, dass ein relativ kleiner Teil der zu beschaffenden Materialien den Hauptanteil am gesamten Verbrauchswert repräsentiert (siehe Zusatzinformation „Paretoprinzip“). Dabei weist die Wert-Menge-Verteilung zwischen den einzelnen Materialpositionen in der Praxis typischerweise die folgende Struktur auf: • 15–20 % der benötigten Materialpositionen repräsentieren 70–80 % des Gesamtverbrauchswerts. Güter dieser Klasse werden als A-Güter bezeichnet. • Der Anteil der B-Materialien beträgt etwa 15 % des Verbrauchswerts und 30–40 % der Beschaffungspositionen. • C-Güter haben einen Verbrauchswertanteil von 5–15 % bei einem Anteil an der Menge der Beschaffungspositionen von 40–55 %. Für eine grafische Darstellung dieses Zusammenhangs werden auf der Ordinate die absteigend prozentual kumulierten Verbrauchswerte und auf der Abszisse die entsprechenden prozentual kumulierten Mengenanteile der Materialien abgebildet. Die sich ergebende nach oben gewölbte, aus der Statistik bekannte Lorenzkurve misst die Konzentration des Materialverbrauchs: Eine starke Wölbung weist auf eine starke Konzentration des Wertanteils auf wenige Materialpositionen hin. Würden hingegen alle Materialien in gleicher Weise zum Gesamtverbrauchswert beitragen, würde sich eine 45-Grad-Kurve ergeben. Abb. 2.52 zeigt eine typische Verteilung des Gesamtbeschaffungswertes.

138

2 Produktionsfaktoren

Paretoprinzip

Das Paretoprinzip (auch: 80-20-Regel) beschreibt die in vielen Sachverhalten zutreffende Beobachtung, dass mit 20 % des Gesamtaufwandes bereits 80 % der Ergebnisse erreicht werden. Die verbleibenden 20 % der Ergebnisse erfordern hingegen 80 % des Gesamtaufwandes. Der Namensgeber des Paretoprinzips ist der italienische Ökonom Vilfredo Pareto (1848–1923). In seinen Untersuchungen zur Verteilung des Grundbesitzes in Italien fand er heraus, dass ca. 20 % der Bevölkerung ca. 80 % des Bodens besitzen. Auch wenn das Paretoprinzip als „Prinzip“ bezeichnet wird, so ist es jedoch nicht als normativ, sondern als deskriptiv zu verstehen. Das Paretoprinzip kann mit dem volkswirtschaftlichen Begriff der positiven, jedoch abnehmenden Grenzerträge in Verbindung gebracht werden – während der Ergebniszuwachs einer weiteren „Aufwandseinheit“ zu Beginn groß ist, nimmt er mit wachsendem Aufwand hin immer mehr ab. Einleuchtender wird diese Beobachtung mit einem alltäglichen Beispiel: Es ist wesentlich einfacher, einen normalen untrainierten Menschen durch regelmäßigen Sport auf ein überdurchschnittliches Trainingsniveau zu bringen als einen überdurchschnittlich trainierten Menschen auf Weltmeisterniveau. Durchführung einer ABC-Analyse Zur Durchführung einer ABC-Analyse wird zunächst für jede Materialposition die entsprechende Periodenverbrauchsmenge mit dem Wert bzw. den Kosten pro Stück (z. B. durchschnittliche Einstandspreise je Einheit) multipliziert, um so den Beitrag zum absoluten Verbrauchswert zu berechnen. Jede Materialposition erhält eine Rangziffer gemäß ihrem wertmäßigen Periodenverbrauch: Die höchste Rangziffer wird für die Materialposition mit dem größten Verbrauchswert vergeben, die zweithöchste Rangziffer wird für die Materialposition mit dem zweitgrößten Verbrauchswert vergeben usw. Anschließend werden die Materialien nach ihrer Rangziffer in absteigender Reihenfolge geordnet. Daraufhin wird der relative Verbrauchswert für jede Materialposition bestimmt, indem der jeweilige Materialverbrauchswert durch die Summe aller Verbrauchswerte geteilt wird. Schließlich werden die Materialpositionen anhand des kumulierten relativen Verbrauchswerts den Klassen zugeteilt. Die Abgrenzung der drei Klassen A, B und C erfolgt zweckmäßig an Stellen markanter Änderungen des Kurvenverlaufs. Eine typische Abgrenzungssregel sieht folgendermaßen aus: • Alle Materialien, die bis zu 80 % des kumulierten relativen Verbrauchswerts ausmachen, werden der Gruppe der A-Güter zugerechnet. • Alle Materialien, die bis zu 95 % des kumulierten relativen Verbrauchswerts ausmachen, werden der Gruppe der B-Güter zugeordnet. • Alle restlichen Materialien werden der Gruppe der C-Güter zugewiesen.

2.4  Produktionsfaktor Material

139

Abb. 2.51 und 2.52 zeigen eine exemplarische Durchführung der ABC-Analyse. Konsequenzen für die Beschaffung A-Materialien sollte wegen ihres großen Beitrags zum Gesamtverbrauchswert erhöhte Managementaufmerksamkeit zukommen. Solche Aufmerksamkeit äußert sich bspw. darin, dass die Planung und Durchführung der Beschaffung von A-Materialien durch eigens zuständige Disponenten durchgeführt werden. Dabei greifen die Disponenten häufig auf aufwändige Dispositionsverfahren wie die Just-in-Time/Sequence-Beschaffung zurück, um einen möglichst geringen durchschnittlichen Bestand des teuren Materials vorhalten zu müssen (Kapitalbindungskosten, Abschn. 1.4.5). Ebenso erfolgen im Gegensatz zu Bund C-Materialien eine genauere und zeitlich feinere Bestandsüberwachung und Beschaffungsplanung (z. B. tages- oder stundenbasierte Planung). C-Materialien werden wegen ihres geringen Wertes hinsichtlich des Beschaffungsprogramms, der Lagerhaltung und der Bestandsüberwachung wesentlich „großzügiger“ gehandhabt: Sie werden üblicherweise auf Vorrat beschafft und in größeren, gröber geschätzten Mengen disponiert. Des Weiteren findet die Lagerkontrolle in größeren Zeitabständen statt und der Sicherheitsbestand wird aufgrund des niedrigen Materialwerts größer dimensioniert (Kiener et al. 2012, S. 82–87; Reichwald und Dietel 1991, S. 500–503; Hammer 1977, S 159–162). gegeben

Materialnummer

Verbrauchsmenge

4001 4005 4003 4002 4004 4013 4019 4006 4008 4017 4009 4007 4020 4018 4010 4011 4012 4016 4014 4015

120 230 180 105 30 50 100 25 49 55 20 70 70 26 39 30 20 22 26 16

Wert / Stück

3.700,00 € 1.850,00 € 2.300,00 € 600,00 € 1.980,00 € 830,00 € 360,00 € 1.430,00 € 480,00 € 390,00 € 1.040,00 € 285,00 € 210,00 € 520,00 € 300,00 € 325,00 € 390,00 € 260,00 € 195,00 € 300,00 € Summe

ABC-Analyse Verbrauchswert Relativer Anteil an der Verbrauchswertsumme 1 2 444.000,00 € 425.500,00 € 414.000,00 € 63.000,00 € 59.400,00 € 41.500,00 € 36.000,00 € 35.750,00 € 23.520,00 € 21.450,00 € 20.800,00 € 19.950,00 € 14.700,00 € 13.520,00 € 11.700,00 € 9.750,00 € 7.800,00 € 5.720,00 € 5.070,00 € 4.800,00 € 1.677.930,00 €

Kumulierter relativer Klassifikation Verbrauchswert 3

26,46 % 25,36 % 24,67 % 3,75 % 3,54 % 2,47 % 2,15 % 2,13 % 1,40 % 1,28 % 1,24 % 1,19 % 0,88 % 0,81 % 0,70 % 0,58 % 0,46 % 0,34 % 0,30 % 0,29 %

26,46 % 51,82 % 76,49 % 80,24 % 83,78 % 86,25 % 88,40 % 90,53 % 91,93 % 93,21 % 94,45 % 95,64 % 96,52 % 97,33 % 98,03 % 98,61 % 99,07 % 99,41 % 99,71 % 100,00 %

A A A B B B B B B C C C C C C C C C C C

Nebenrechnungen = 120 * 3.700 = 444.000 = 230 * 1.850 =425.500 …

1

= 444.000 / 1.677.930 = 0,2646 = 425.500 / 1.677.930 = 0,2536 …

2

= 0 + 0,2646 = 0,2646 = 0,2646 + 0,2536 = 0,5182 = 0,5182 + 0,2467 = 0,7649 …

Abb. 2.51  ABC-Analyse: Tabellarische Berechnung (eigene Darstellung)

3

70 %

100.00 %

99.07 %

98.61 %

98.03 %

97.33 %

96.52 %

95.64 %

94.45 %

93.21 %

91.93 %

90.53 %

88.40 %

86.25 %

80.24 %

76.49 %

80 %

60 % 51.82 %

50 % 40 %

4015

4014

4016

4012

4011

4010

4018

4020

4007

4009

4017

C 4008

4006

4019

4013

4004

B 4002

0%

A 4003

10 %

4005

20 %

26.46 %

30 %

4001

Kumulierter relativer Verbrauchswert

90 %

83.78 %

100 %

99.71 %

2 Produktionsfaktoren

99.41 %

140

Materialnummer

Abb. 2.52  ABC-Analyse: Lorenzkurve (eigene Darstellung)

Die Handhabung von B-Materialien steht zwischen den beiden Extrema der A- und C-Materialien – hier werden typischerweise fallweise Entscheidungen getroffen.

2.4.3.3 XYZ-Analyse Konzept der XYZ-Analyse Bei der XYZ-Analyse (auch: RSU-Analyse) erfolgt die Materialklassifikation anhand des Bedarfsverlaufs und der Verbrauchskonstanz der Werksstoffe (Witte 1996, S. 1173–1174). Die Einteilung erfolgt in X-, Y- und Z-Güter (Abb. 2.53): • X-Güter (auch: R-Güter = „regelmäßig“) zeichnen sich durch einen regelmäßigen und gleichförmigen Bedarfsverlauf aus, der nur wenige Schwankungen aufweist. Sie besitzen daher eine hohe Vorhersagegenauigkeit. • Bei (saisonalen) Schwankungen des Bedarfs werden die Materialien als Y-Güter (auch: S-Güter = „schwankend“) bezeichnet. Eventuell unterliegt der Bedarfsverlauf zusätzlich einem steigenden oder fallenden Trend. Die Vorhersagegenauigkeit ist somit relativ gesehen niedriger als bei X-Gütern. • Bei Z-Gütern (auch: U-Güter = „unregelmäßig“) ist die Vorhersagegenauigkeit sehr niedrig. Sie zeichnen sich durch eine unregelmäßig, oft zufällig verlaufende Nachfrage aus.

2.4  Produktionsfaktor Material

141

4001 (X/R-Teil)

160

4002 (Y/S-Teil)

4003 (Z/U-Teil)

Bedarfsmenge (in Stück)

140 120 100 80 60 40 20 0

0

5

10

15

20 Periode

25

30

35

40

Abb. 2.53  Beispielhafter Bedarfsverlauf von X-, Y- und Z-Gütern (eigene Darstellung)

Durchführung einer XYZ-Analyse Die XYZ-Materialklassifikation orientiert sich an statistischen Streuungsmaßen (Abb.  2.54). Im ersten Schritt werden die Z-Güter identifiziert: Hierzu wird bspw. der ­Nullperiodenanteil (NPA) je Materialposition ermittelt. Dieser ergibt sich durch die Division der Anzahl der Perioden, in denen der Bedarf eines Guts gleich null war, durch die Anzahl aller Perioden. Eine Zuordnung zur Klasse der Z-Güter kann bspw. bei Materialien vorgenommen werden, die einen NPA größer als 0,3 aufweisen (Kiener et  al. 2012, S. 85–87). Im nächsten Schritt wird für alle weiteren Materialpositionen der Störpegel ermittelt. Der Störpegel einer Materialposition wird durch Dividieren der mittleren absoluten Abweichung (Mean Absolute Deviation, kurz MAD) durch den zugehörigen Mittelwert bestimmt. Er gibt an, wie stark der Materialverbrauch um den Mittelwert schwankt. Ist der Störpegel größer als 0,5, so wird eine Zuordnung zu den Y-Gütern erfolgen, andernfalls wird das Material den X-Gütern zugeordnet. Als Alternative zum Störpegel kann der Variationskoeffizient eingesetzt werden. Gl. 2.38 und 2.39 zeigen die Berechnung der beiden statistischen Kennzahlen.



 Storpegel ( SP )

SP ( x ) =

MAD ( x ) x



(Gl. 2.38)

˜



Variationskoeffizient ( VK )

s VK ( x ) = x

(Gl. 2.39)

142

2 Produktionsfaktoren

Periode 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Mittelwert MAD Standardabweichung NPA SP Variationskoeffizient Einteilung

XYZ-Analyse Bedarfsmengen (in Stück) 4001 4002 4003 (X/R-Teil) (Y/S-Teil) (Z/U-Teil) 146 118 0 145 100 0 146 83 0 142 106 17 146 104 46 145 109 0 143 112 0 146 106 48 144 119 25 145 113 31 147 110 12 146 111 0 144 102 65 146 116 7 147 93 72 147 122 44 145 103 6 142 95 3 142 106 0 147 116 0 147 123 54 143 121 57 142 103 0 146 114 3 146 97 0 143 99 3 143 90 25 146 103 31 145 120 16 145 105 3 144 100 44 144 120 0 145 103 22 143 105 0 146 117 0 147 94 50 145 110 62 142 109 0 143 89 0 146 95 28 144,8 106,525 19,35 1,4 8,1275 19,72 1,6517 9,9974 22,9174 0 0 0,375 0,0097 0,0763 1,0191 0,0114 0,0939 1,1844 X Y Z

gegeben

zu berechnen

Nebenrechnungen für Teil 4001

Mittelwert MAD Standardabweichung NPA SP Variationskoeffizient

144,80 = 1/40 * (146 + 145 + 146 + …)

1,40 = 1/40 * (|146 - 144,80| + |145 - 144,80| + …) 1,6517 = WURZEL(1/40 * (146 - 144,80)² + (145 - 144,80)² + …) 0 Teil 4001 weist keine Nullbedarfsperioden auf. Teil 4003 weist hingegen 15 Nullbedarfsperioden auf, woraus folgt NPA4003 = 15/40 = 0,375. 0,0097 = 1,40 = 144,80 0,0114 = 1,6517 = 144,80

Abb. 2.54  XYZ-Analyse: Tabellarische Berechnung (eigene Darstellung)

2.4  Produktionsfaktor Material

143

mit : Mean Absolute Deviation ( MAD ) MAD ( x ) =



Mittelwert x



Standardabweichung s



x=

1 T ´ å t =1 x t - x (Gl. 2.40) T

1 T ´ å t =1 x t T

s =

(Gl. 2.41)

2 1 T ( xt - x ) å t =1 T

(Gl. 2.42)

Konsequenzen für die Beschaffung X-Materialien eignen sich für eine bedarfssynchrone Disposition: Da die Nachfrage gut prognostizierbar ist und nur wenigen Schwankungen unterliegt, können bspw. Dispositionsverfahren wie Just-in-Time und Just-in-Sequence implementiert werden. Im Gegensatz dazu ist es aufgrund ihres stark schwankenden und unregelmäßigen Verbrauchs bei Z-­Gütern nicht sinnvoll, sie auf Vorrat oder bedarfssynchron zu beschaffen. Sie sind daher nur im konkreten Bedarfsfall zu disponieren (fallweise Einzelbeschaffung). Y-Güter werden überwiegend auf Lager genommen (Vorratsbeschaffung) (Corsten und Gössinger 2016, S. 454).

2.4.3.4 ABC-XYZ-Analyse: Handlungsempfehlungen für die Materialwirtschaft Wahl der Beschaffungsstrategie Die Kombination von ABC- und XYZ-Analyse erlaubt es, verschiedene Handlungsempfehlungen für die Materialwirtschaft abzuleiten (Abb. 2.55, im Folgenden: Kiener et al. 2012, S. 87; Reichwald und Dietel 1991, S. 515). So bietet es sich für Materialien mit hohem Verbrauchswert (A) und einer hohen Vorhersagegenauigkeit/Verbrauchskonstanz (X) an, diese bedarfssynchron, d. h. Just-in-­ Time (JIT) bzw. Just-in-Sequence (JIS), zu beschaffen. Dabei sollte stets eine strenge Kontrolle des Beschaffungsvorgangs und der Bestände erfolgen. Hierdurch wird weniger Kapital in teuren und risikoreichen Stoffen gebunden. Auch hohe Lagerkosten lassen sich Verbrauchswert Vorhersagegenauigkeit Verbrauchskonstanz

A X

C Verbrauchsgesteuerte Beschaffung

Fallbetrachtung nötig

Y Z

B

Just-In-Time-Beschaffung Just-in-Sequence-Beschaffung

Bedarfsgesteuerte Beschaffung

Versuch der Eliminierung des Teils aus dem Produktionsprogramm

Abb. 2.55  Beschaffungsstrategien gemäß den Ergebnissen der ABC- und XYZ-Analyse (Kiener et al. 2012, S. 87)

144

2 Produktionsfaktoren

hierdurch vermeiden. Dabei muss jedoch auf das Risiko von Lieferengpässen und Fehlmengen hingewiesen werden, wenn bspw. unerwartet hohe Bedarfe auftreten oder die Materialien nicht rechtzeitig geliefert werden. Schwankt der Bedarf eines Materials mit hohem Wertanteil (A) stark (Z), sollte es bedarfsgesteuert (auch: programmgesteuert) disponiert werden. Dies bedeutet, dass die Beschaffungsmengen und -zeitpunkte dieses Materials vom Produktionsprogramm  – dem Bedarf – abgeleitet werden. Ausgehend von der Menge herzustellender Endprodukte wird der Bedarf des AZ-Materials mithilfe von Stücklisten ermittelt (= Bruttobedarf) und da­ raufhin mit dem vorhandenen Materialbestand abgeglichen, um den Nettobedarf zu ermit­ teln. Die strenge Bindung der Materialbeschaffung an das Produktionsprogramm ist mit dem hohen Verbrauchswert des Materials zu begründen. Eine Fehlplanung wird insb. bei den A-Materialien hohe Bestands- bzw. Fehlmengenkosten (entgangene Gewinne, Konventionalstrafen, Kundenverluste) nach sich ziehen. Handelt es sich hingegen um Materialien mit geringem Verbrauchswert (C) und hoher Vorhersagegenauigkeit (X), so sollte eine verbrauchsgesteuerte Beschaffungsstrategie angewandt werden. Der Begriff Verbrauchssteuerung soll darauf hinweisen, dass die zu beschaffenden Mengen des Materials von dessen historischem Verbrauch abgeleitet werden. Dies geschieht anhand von vergangenheitswertbasierten Prognosen (Abschn. 3.3.4): Aufgrund ihrer Verbrauchskonstanz lässt sich ihr künftiger Verbrauch gut vorhersagen. Da diese Materialen einen relativ geringen Anteil am Gesamtverbrauchswert haben, wirkt sich selbst eine mengenmäßig gröbere Materialplanung nicht stark auf Bestands- oder Fehlmengenkosten aus. Für Materialien mit kleinem Wertanteil (C) werden generell vereinfachte Kontroll- und Beschaffungsmaßnahmen angewandt, da kein übermäßiger Arbeitsaufwand für wertmäßig unbedeutende Materialpositionen erbracht werden soll. Sollte der Bedarf eines C-Guts zusätzlich noch hohen Schwankungen unterliegen (Z), sollte überlegt werden, ob dieses Material im Sinne einer „aufgeräumten“ Materialwirtschaft nicht grundsätzlich aus dem Produktionsprogramm eliminiert werden kann. Alle anderen möglichen Kombinationen von Verbrauchswert und Vorhersagegenauigkeit (BX, AY, BY, CY, BZ) stellen Bereiche der fallweisen Entscheidung dar. Weitere Implikationen Die Kombination von ABC- und XYZ-Analyse erlaubt es nicht nur, Beschaffungsstrategien für einzelne Materialien abzuleiten, sondern auch weitergehende Empfehlungen für das Beschaffungsmanagement im weiteren Sinne auszusprechen (Wiendahl 2014, S. 294; Kiener et  al. 2012, S. 87; Wildemann 1992, S. 194). Sie werden in Abb. 2.56 zusammengefasst:

2.4  Produktionsfaktor Material

145

Verbrauchswert

Vorhersagegenauigkeit Verbrauchskonstanz

A X

Überwachung/Eingriff durch Planer

Y

Just-In-Time, Just-In-Sequence Integration der Zulieferer Kein Sicherheitsbestand Überwachung/Eingriff durch Planer

Z

Verbessern der Prognosequalität Integration der Zulieferer Flexibilisierung der Prozesse

B

C

Bestandsführung geschieht automatisch (durch Computer) Höhe des Sicherheitsbestands abhängig von: - Zuverlässigkeit der Zulieferer - Schwankung der Nachfrage - Eigenschaften des Produktes

Abb. 2.56  Managementempfehlungen in Abhängigkeit von der ABC-XYZ-Analyse (Wildemann 1992, S. 194)

• Die Disposition von A-Gütern sollte von eigens zuständigen Mitarbeitern geplant, durchgeführt und kontrolliert und nicht einer computergestützten Automatik übergeben werden. Besonders sorgfältig sind dabei die Klassen AX und AY zu disponieren und zu kontrollieren, da diese Materialien aufgrund ihres hohen Verbrauchswerts weniger für die Lagerhaltung geeignet sind, ihr Bedarf sich aber relativ gut prognostizieren lässt. • Für die Disposition der JIT- und JIS-geeigneten AX-Güter sind enge Beziehungen zwischen dem Unternehmen und den Zulieferern aufzubauen. Dies beinhaltet auch die Integration der Zulieferer in den Produktionsprozess und in die Lagerbestandsplanung. • Bei AZ-Gütern sollte ein Fokus auf die Verbesserung der Prognosequalität und der Flexibilisierung der Prozesse in Einkauf, Produktion, Lagerhaltung etc. gelegt werden, um schnell auf Bedarfsschwankungen reagieren zu können. • Die Bestandsführung von B- und C-Gütern kann häufig automatisiert von Computern besorgt werden. Aufgrund ihres geringen Verbrauchswerts werden B- und C-­Materialien tendenziell auf Lager beschafft. Der Sicherheitsbestand hängt dabei von der Zuverlässigkeit der Zulieferer und dem damit einhergehenden Risiko eines Lieferengpasses, von den Schwankungen der Nachfrage und den Eigenschaften des Produktes (z. B. Verderblichkeit) ab. • Für die Klassen CX, CY und CZ reichen vereinfachte Beschaffungs-, Dispositions- und Kontrollverfahren aus. • X- und Y-Güter lassen sich vergleichsweise gut prognostizieren, weshalb nur ein geringer – oder eventuell gar kein – Sicherheitsbestand auf Lager gehalten werden muss. Auch kann eine vereinfachte, automatische Bestellabwicklung implementiert werden, wohingegen für die Z-Klassen i. d. R. eine „manuelle Bearbeitung“ sinnvoll ist, weil sie sich schwer prognostizieren lassen.

146

2.5

2 Produktionsfaktoren

Grundlage des dispositiven Faktors: Information

Um einen Betrieb sinnvoll i. S. d. typischen Unternehmensziele (Abschn. 1.4) leiten zu können, werden viele Informationen benötigt. Informationen werden über Informations­ technologie-­Systeme (IT-Systeme) abgespeichert, weitergegeben, verändert, verarbeitet und verwaltet. Der erste Teil dieses Abschnitts gibt eine Übersicht über die typische ­industrielle IT-Systemlandschaft. Ein besonderer Fokus wird dabei auf diejenigen Systeme gelegt, die für das operative Produktionsmanagement von erhöhter Bedeutung sind. Daran anschließend werden die Informationsträger Stückliste und Arbeitsplan vorgestellt. Sie stellen eine wesentliche Grundlage für die Durchführung der Produktionsplanung und -steuerung in Industriebetrieben dar (Ziegler 1996, S. 118).

2.5.1 Eine typische industrielle IT-Systemlandschaft Überblick Abb. 2.57 zeigt eine typische industrielle IT-Systemlandschaft. Unter einer Systemlandschaft ist die Gesamtheit aller in einem Unternehmen verwendeten Anwendungssysteme und ihr Zusammenspiel zu verstehen. In einer typischen industriellen Systemlandschaft wird die Wertschöpfungskette Zulieferer-Unternehmen-Kunde durch mehrere IT-Systeme unterstützt: Dabei wird zwischen Systemen, die für die taktisch-strategische Planung und Steuerung der Supply Chain herangezogen werden und Systemen, die dem operativen Supply Chain Management dienen (Tagesgeschäft), unterschieden (Otto 2010). Supplier Relationship Management und Customer Relationship Management Taktisch-strategische Systeme dienen der langfristigen betriebsübergreifenden Koordination, Pflege und Weiterentwicklung der Beziehung zwischen einem Unternehmen und seinen Marktpartnern. Dabei können die Systeme gemäß ihrer Richtung – Input- oder Outputseite – unterschieden werden. Das Supplier Relationship Managment (SRM) umfasst die Planung und Steuerung der Beziehungen eines Unternehmens zu seinen Lieferanten (Inputseite). Um den unternehmensübergreifenden „Durchlauf“ von Material (Roh-, Hilfs-, Betriebsstoffe und Handelswaren) und Prozessen (z. B. Planung und Durchführung von Einkauf, Lieferung, gemeinsame Produktgestaltung etc.) besser zu gestalten, wird üblicherweise eine enge Bindung von Unternehmen und Lieferanten verfolgt. In SRM-Systemen wird die Informationsgrundlage dieser Bindung verwaltet: Hierzu gehören alle relevanten Informationen bzgl. Bezugsquellen und -prozessen (z. B. Lieferantenadressen, -angebote, -konditionen, verantwortliche Mitarbeiter, Einkaufshistorie etc.) sowie Einkaufsdaten (z. B.  Material, Preise, Mengen, Losgrößen, Rabatte etc.). Auf diese Weise unterstützen SRM-Systeme die Bewertung und die Auswahl von Lieferanten, die Zuteilung und Vergabe von Beschaffungsaufträgen sowie Maßnahmen zur Entwicklung der bestehenden Lieferanten.

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information

147

Das Customer Relationship Management (CRM) konzentriert sich auf die Pflege der Beziehungen des Unternehmens zu seinen Kunden (Outputseite). In Abstimmung mit den Marketingzielen des Unternehmens wird mit diesen Systemen versucht, die Vielzahl der Kundenbeziehungen eines Unternehmens systematisch zu entwickeln und auszubauen. Ziel ist das möglichst vollständige Ausschöpfen des langfristigen Kundenwerts (Customer Value). In CRM-Systemen werden die für das Erreichen dieses Ziels nötigen Informationen abgelegt und verwaltet, darunter unter anderem Kundenkontakte, Kundendetails (Branche, Größe, Standort etc.), Einkaufshistorien, Korrespondenzen etc. Diese Informationen werden von der Marketingabteilung des Unternehmens im Detail analysiert und für die Entwicklung gezielter Kundenansprachen und Marketingmaßnahmen herangezogen werden (Koch und Strahringer 2008, S. 116–119; Kurbel 2016a, S. 5–8; Schuh und Schmidt 2014, S. 284). Product Lifecycle Management Mithilfe des Product Lifecycle Managements (PLM) wird versucht, alle Daten eines Produkts (z. B.  Konstruktionszeichnungen, Produktionsinformationen etc.) unternehmensweit über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu verwalten. So begleiten PLM-Systeme Produkte von Beginn an, angefangen bei der Entwicklung über die Produktion und den Vertrieb bis hin zur Wartung. PLM-Systeme haben ihren Ursprung im ingenieurwissenschaftlichen Bereich. Ziel des Einsatzes von PLM-Systemen ist es, den Produktentstehungs- und Marktverwertungsprozess durch Datenverwaltung zu unterstützen (bspw. durch eine stetige Dokumentation der Produktentwicklung und der Abspeicherung von Konstruktionszeichnungen) und die Produktentwicklungszyklen zu verkürzen (Kurbel 2016a, S. 8; Schuh und Schmidt 2014, S. 285–286).

Customer Relationship Management

Supplier Relationship Management

Operativ

Lieferant

Unternehmen Supply Chain Management

Financial Management

Abb. 2.57  IT-Systemlandschaft eines Industriebetriebs (Otto 2010)

Kunde

Product Lifecycle Management

Taktisch, Strategisch

Supply-Chain-Management-Systeme Der Gruppe der operativen Systeme können sowohl Supply-Chain-Management-Systeme im engeren Sinne sowie Financial-Management-Systeme zugeordnet werden. Supply-Chain-Management-Systeme (SCM-Systeme) im engeren Sinne dienen der Abwicklung, Überwachung und Optimierung des Tagesgeschäfts und somit des operativen Produktionsmanagements – sie sind daher in Abb. 2.57 hervorgehoben. SCM-Systeme

148

2 Produktionsfaktoren

stellen unternehmensweit und bereichsübergreifend Funktionen zur Verfügung, um die im Güterstrom der Supply Chain stattfindenden Prozesse zu unterstützen (z. B. Verwaltung des Material-, Artikel- und Kundenstamms). Ein beispielhafter Prozess, der durch SCM-Systeme unterstützt wird, ist die Kundenauftragsabwicklung: Hier wird der gesamte Prozess, begonnen von der Auftragsannahme bis zur Beschaffungs-, Fertigungs- und Distributionsplanung, mit Daten „versorgt“. Während SCM-Systeme im engeren Sinne den Güterstrom der Supply Chain begleiten, unterstützen Financial-Management-Systeme alle Zahlungsströme, die mit dem Güterstrom einhergehen. Hier ist insbesondere die vollständige Dokumentation (Buchhaltung, Rechnungslegung und -prüfung, Verwaltung von Forderungen und Verbindlichkeiten etc.) der Zahlungsströme zu nennen (Kurbel 2016a, S. 3–4; Meyr et al. 2015, S. 104–105). Anschaulich wird dieser wechselseitige Strom von Gütern und Zahlungsmitteln im Order-­To-­ Payment-Prozess ausgedrückt, der bereits in Abschn. 1.3 besprochen wurde.

2.5.2 F  okus: IT-Anwendungen für das operative Produktionsmanagement Aufgrund ihrer erhöhten Bedeutung für das operative Produktionsmanagement soll im Folgenden ein Fokus auf die Gruppe der Supply-Chain-Management-Systeme im engeren Sinne gelegt werden. Innerhalb dieser Systeme lassen sich mehrere Systemklassen unterscheiden (Otto 2010, Abb. 2.58): • Supply-Chain-Execution-Systeme: Es handelt sich dabei um IT-Systeme, die der Abwicklung des operativen Tagesgeschäfts dienen. Hierzu zählen insbesondere Enterprise-­ Resource-­Planning-Systeme. • Supply-Chain-Planning-Systeme: Diese Systeme werden für die Planung und Optimierung der Wertschöpfungskette eingesetzt. Gemeint sind hiermit vor allem Advanced-­ Planning-­and-Scheduling-Systeme. • Supply-Chain-Monitoring-Systeme: Diese Systeme dienen der Überwachung und Kontrolle von Supply-Chain-Aktivitäten. Supply-Chain-Execution-Systeme: Enterprise-Resource-Planning-Systeme Enterprise-Resource-Planning-Systeme (ERP-Systeme) nehmen in der industriellen Systemlandschaft eine besondere Stellung ein, da sie die im Unternehmen stattfindenden Geschäftsprozesse informationstechnisch abbilden und in einer zentralen Datenbank abspeichern. Hierzu gehören auch Informationen zu den Ressourcen des Unternehmens wie bspw. der Produktionsfaktoren Mensch (Personaldaten), Betriebsmittel (Maschinendaten), Material (Roh-/Hilfs-/Betriebsstoff-Daten) und Information (z. B.  Stücklisten und Arbeitspläne) sowie Informationen zu Lieferanten und Kunden.

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information

149

Für die Abwicklung von Geschäftsprozessen werden die benötigten Daten dem Anwender bereichsübergreifend und funktionsspezifisch zur Verfügung gestellt. Funktionsspezifische Dialoge (sogenannte Transaktionen) ermöglichen es dem Anwender, die zur Abwicklung der Geschäftsprozesse notwendigen Daten einzusehen und zu aktualisieren. Beispielsweise hat die Personalabteilung die Möglichkeit, Schulungen und Gehaltsinformationen von Mitarbeitern einzusehen. Auch der Produktionsleiter hat über das ERP-­ System Zugang zu Mitarbeiterdaten. Ihm werden aber bspw. nur Informationen zu geleisteten Überstunden angezeigt. ERP-Systeme sind somit ein essenzieller Baustein der Abwicklung des operativen Tagesgeschäfts (Supply Chain Execution) und verdeutlichen die Bedeutung des Faktors Information für die Leitung von Produktionssystemen und Industriebetrieben (Schuh und Schmidt 2014, S. 284; Kurbel 2016a, S. 203; Corsten und Gössinger 2016, S. 603–604; Hansen et al. 2015, S. 136–139). Supply-Chain-Planning-Systeme: Advanced-Planning-and-Scheduling-Systeme Während ERP-Systeme „nur“ Daten abbilden und verwalten, sollen Advanced-­Planning-­ and-Scheduling-Systeme (APS-Systeme) Entscheidungsträger durch den Einsatz planender und optimierender Algorithmen eine Entscheidungsunterstützung zur Verfügung zu stellen. Da APS-Systeme komplexe IT-Anwendungen beinhalten, soll an dieser Stelle nur ein Überblick gegeben werden. In Abschn. 3.4.3 werden sie erneut aufgegriffen und en détail besprochen. Das Objekt der Optimierung und Planung von APS-Systemen ist die Wertschöpfungskette als Ganzes: Das bedeutet, dass die Aktivitäten mehrerer Betriebe auf der Supply Chain zur Optimierung einbezogen werden. Die These des Einsatzes von APS-Systemen Supply Chain Monitoring Supply Chain Performance Management

Demand Planning

Supply Chain Event Management

Supply Planning

Production Planning

Transportation Planning

Supply Chain Planning

APS

Order Management

Materials Management

Warehouse Management

Production Management

Transportation Management

Supply Chain Execution

ERP

Abb. 2.58  IT-Anwendungen für das operative Produktionsmanagement (Otto 2010)

150

2 Produktionsfaktoren

ist es, dass eine unternehmensübergreifende Optimierung und Planung den Erfolg aller einbezogenen Unternehmen steigert („Nicht-Nullsummenspiel“). Dazu greifen APS-­ Systeme typischerweise auf die ERP-Daten der beteiligten Unternehmen zurück. Die in der Planung und Optimierung ermittelten Ergebnisse werden anschließend wieder an die ERP-Systeme zurückgeleitet, um die Durchführung und Steuerung des Geschäftsprozesses zu stützen. Ein typisches Einsatzgebiet von APS-Systemen ist bspw. die Bedarfsrechnung: Mithilfe verschiedener Prognose- und Optimierungsverfahren werden die Nachfrageplanung/ Bedarfsprognose, Lieferplanung, Produktionsplanung und Transportationsplanung standort- und institutionenübergreifend unterstützt – dabei werden unter anderem Informationen aus den ERP-Systemen von Lieferanten und Kunden kombiniert: Beispielsweise können in die Materialplanung Lagerbestände anderer Unternehmensstandorte miteinbezogen werden, wenn aus den Datenbanken der Lieferanten Lieferengpässe ersichtlich sind (Corsten und Gössinger 2016, S. 604–609; Günther und Tempelmeier 2012, S. 359–373; Kurbel 2016a, S. 438–440; Stadtler 2015, S. 12; Fleischmann et al. 2015, S. 74). Supply-Chain-Monitoring-Systeme Supply-Chain-Monitoring-Systeme dienen im Allgemeinen der Überwachung und Kontrolle von Supply-Chain-Aktivitäten. Supply-Chain-Event-Management-Systeme sind Systeme, die eingesetzt werden, um bspw. Bestände, Aufträge und Warenlieferungen entlang der Lieferkette zu überwachen. Sie arbeiten ereignisbasiert („Events“) und identifizieren erwartete Ereignisse sowie ungeplante, kritische Störungen. Sie dienen damit der Verbesserung der Reagibilität eines Unternehmens: Beispielsweise ermöglichen sie die konstante Überwachung (Tracking) eines Wertschöpfungsprozesses (Wo und in welchem Zustand befindet sich Produkt A gerade?), um genauere Zeitangaben zu Lieferterminen machen zu können. Sollten bspw. unvorhergesehene Störungen der Wertschöpfungskette (z. B. Verspätung des Lkw aufgrund einer Panne) eintreten, so kann dies dem Kunden frühzeitig gemeldet werden. Diese frühzeitige Meldung erlaubt es ihm dann, Gegenmaßnahmen einzuleiten (z. B. Nachbestellung bei einem alternativen Lieferanten, Verschieben von Produktionsaufträgen etc.). Gleichzeitig kann das Unternehmen Maßnahmen in die Wege leiten, um den Prozess zu „reparieren“ (z. B. durch Hinzuziehen eines Pannendienstes, Nachlieferung etc.) (Otto 2003). Supply-Chain-Performance-Measurement-Systeme sollen die Effektivität und Effizienz der Supply-Chain-Performanz bewerten. Der Vergleich der ermittelten Performanz mit Plan- oder Vergangenheitsdaten erlaubt die Ableitung von Verbesserungsmaßnahmen. Als Datengrundlage dienen Ist-Daten aus ERP-Systemen oder Plan-Daten aus APS-­ Systemen (Kurbel 2016a, S. 436–438; Reuter und Rohde 2015, S. 254–255). An dieser Stelle ist ein Verweis auf Abschn. 1.4.3 angemessen: Supply-Chain-Performance-­ Measurement-Systeme erlauben eine zielgerichtete Lenkung der Supply Chain.

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information

151

2.5.3 Stücklisten und Arbeitspläne 2.5.3.1 Überblick Stücklisten und Arbeitsplandaten werden im Rahmen der Produktionsplanung und -steuerung an unterschiedlichen Stellen benötigt. Stücklisten ermöglichen es bspw., die Materialbedarfsplanung durchzuführen. Arbeitsplandaten werden benötigt, um Durchlaufzeiten und Kapazitätsbelastungen abzuschätzen. Stücklisten und Arbeitspläne leiten sich in industriellen Unternehmen typischerweise von den Konstruktionszeichnungen der Endprodukte ab. Den Ausgangspunkt bilden die in der Marketingabteilung durchgeführten Marktstudien. Diese sind die Grundlage für die Erstellung eines Produktkonzepts (Produktidee, -gestaltung). Nachdem das Produktkonzept spezifiziert wurde, kümmern sich Ingenieure/Konstrukteure (z. B.  Automobilbranche) bzw. Designer (z. B. Textilbranche) um die technische Umsetzung des spezifizierten Produktkonzeptes. Bei der Produktentwicklung werden die Bestandteile eines Erzeugnisses und die einzelnen Arbeitsschritte in Konstruktionszeichnungen bzw. CAD-Datenbanken (Computer-­ Aided-­Design) festgehalten. Aus diesen Plänen und Zeichnungen lassen sich Stücklisten (Aus welchen Teilen und Materialien besteht das Produkt?) und Arbeitspläne (In welchen Schritten muss vorgegangen werden, um das Produkt zu erstellen?) ableiten (Schuh und Schmidt 2014, S. 285–286; Ziegler 1996, S. 119; Reichwald und Dietel 1991, S. 541–542). 2.5.3.2 Stücklisten und Erzeugnisstrukturen Analytische und synthetische Perspektive Erzeugnisstrukturen beschreiben den Aufbau eines Erzeugnisses in seinen Einzelteilen und Baugruppen. Zwei Betrachtungsweisen lassen sich hierbei unterscheiden: Die analytische und die synthetische Perspektive. • Die analytische Betrachtungsweise fokussiert auf das einzelne Produkt und fragt danach, aus welchen Einzelteilen und Baugruppen das Produkt besteht. Die Beschreibung der mengenmäßigen Zusammensetzung eines Produktes aus seinen Einzelteilen wird Stückliste (engl. Bill Of Materials, BOM) genannt. • Dagegen entspricht der Verwendungsnachweis der synthetischen Betrachtungsweise. Der Verwendungsnachweis zeigt an, in welchen Mengen ein bestimmtes Einzelteil oder eine bestimmte Baugruppe in anderen Baugruppen und Erzeugnissen Verwendung findet. Die analytische Sichtweise ist bspw. dann relevant, wenn eine Kundenbestellung vorliegt und die Produktionsabteilung Rückmeldung geben soll, ob die nötigen Materialien zur Verfügung stehen, um den Kundenauftrag zu bedienen. Die synthetische Sichtweise hilft hingegen bspw. dann, wenn ein Lieferant ausfällt und festgestellt werden soll, welche Produkte nun nicht mehr gefertigt werden können, weil das benötigte Material nicht mehr zur Verfügung steht (Corsten und Gössinger 2016, S. 476; Reichwald und Dietel 1991,

152

2 Produktionsfaktoren

S. 504–506; Kilger 1986, S. 308; Wiendahl 2014, S. 162–168). Im Folgenden wird auf die analytische Betrachtungsweise fokussiert. cc

Im Übungsbuch Produktionswirtschaft finden Sie in Kap. 4 eine Auswahl an Übungsaufgaben zu Stücklisten und zur Bedarfsmatrizenrechnung. Maximilian Lukesch und Florian Kellner, Übungsbuch Produktionswirtschaft, 2019, erschienen bei Springer Gabler, 2019; eBook ISBN: 978-3-662-57689-2, Softcover ISBN: 978-3-662-57688-5.

Varianten von Stücklisten Für die Beschreibung der mengenmäßigen Zusammensetzung eines Produktes aus seinen Einzelteilen existieren mehrere Varianten von Stücklisten. Im Folgenden werden verschiedene gängige Varianten von Stücklistendarstellungen beschrieben (Abb. 2.59, im Folgenden: Zäpfel 1982, S. 77–79; Preßmar 1996, S. 1923–1926; Kilger 1986, S. 308–309). In einer Mengenübersichtsstückliste werden die Gesamtmengen aller in ein Erzeugnis einfließender Komponenten aufgelistet, ohne Auskunft darüber zu geben, in welcher Beziehung die einzelnen Teile zueinander stehen. Aus der Strukturstückliste ist die vollständige Erzeugnisstruktur eines Produktes ersichtlich. Sie zeigt die Zusammensetzung eines Erzeugnisses über alle Fertigungsstufen in tabellarischer Form. Die Materialien stehen dabei auf der Fertigungsstufe, in der sie im Produktionsprozess verarbeitet werden. Ein Nachteil der Strukturstückliste ist es, dass Redundanzen entstehen, sobald Baugruppen mehrfach in das Endprodukt einfließen, da jede mehrfach verwendete Baugruppe auch jedes Mal „komplett aufgelöst“ wird. Eine weitere Variante ist die Baukastenstückliste. Bei dieser Form wird der Erzeugniszusammenhang nur bis zur nächsttieferen Fertigungsstufe dargestellt. Das heißt, dass die Baukastenstückliste jeweils nur eine Ebene der Produktstruktur zeigt. Für jede Baugruppe wird eine eigene Stückliste erstellt. In der Praxis ist die Baukastenstückliste weit

Mengenübersichtsstückliste Produkt X Komponente Menge A 1 B 1 C 3 D 6 E 1 F 6 G 6 H 20 I 6 J 6 K 6

Strukturstückliste

Baukastenstückliste Produkt X

Produkt X Komponente Auflösungsstufe A

1

D E B C

Komponente

Menge

1

A B C H

1 1 3 2

2

2

2

1

1

D

Menge

1 2

4

1

3

F

2

G

2

2 3

3

I

3

1

J

4

1

K

4

1

1

2

Baugruppe B

Menge

Komponente

Menge

D E

2 1

D

4

Baugruppe C

2

H

H

Baugruppe A Komponente

Komponente F G

Menge 2 2

Baugruppe G

Baugruppe I

Komponente

Menge

Komponente

Menge

H I

3 1

E J K

2 1 1

Abb. 2.59  Verschiedene Varianten der Stücklistendarstellung (eigene Darstellung)

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information

153

verbreitet, da sie sich maschinell leicht verarbeiten lässt. Zudem ist sie speichereffizient, da im Gegensatz zur Strukturstückliste Datenredundanzen vermieden werden. Wenn mehrere Endprodukte einen hohen Anteil an identischen Bauteilen haben, bietet es sich an, die Strukturen in einer Variantenstückliste zusammenzufassen. Durch die Zusammenfassung der einzelnen Stücklisten können die Erzeugnisse gemeinsam beschrieben werden. Gleichzeitig wird jede spezielle Erzeugnisvariante mit allen Baugruppen und Komponenten abgebildet. Auch die Mehrfachstückliste fasst Stücklisten zusammen, dies jedoch zu einem anderen Zweck. Ziel ist es hier, Erzeugnisse in verschiedenen Materialzusammensetzungen für unterschiedliche Produktionsverfahren, z. B. eine gemeinsame Losgröße, beschreiben zu können. Erzeugnisbäume und Gozinto-Graphen Überblick Grafisch lässt sich eine Stückliste in einem Erzeugnisbaum darstellen (Kilger 1986, S. 309–311; Reichwald und Dietel 1991, S. 504–505). Ein Erzeugnisbaum zeigt im Allgemeinen die Mengen an, die benötigt werden, um eine einzelne Einheit des Endprodukts herzustellen. Die Knoten symbolisieren die verschiedenen Komponenten (Rohstoffe, Einzelteile, Baugruppe, Zwischenprodukte, Enderzeugnis). Durch die Ziffern auf den Kanten, den Direktbedarfskoeffizienten, sind die Mengen ersichtlich, in denen die untergeordneten Komponenten in die übergeordneten eingehen. Abb. 2.60 und 2.61 stellen den Erzeugnisbaum des Produkts X aus Abb. 2.59 dar.

Abb. 2.60 Exemplarischer Erzeugnisbaum nach dem Fertigungsstufenverfahren (eigene Darstellung)

X

1

1 A

B

2 D

3

1 E

C

H 2

2

4 D

2

F

G

3 H

I

2 E

1

1 J

1 K

154

2 Produktionsfaktoren

Abb. 2.61 Exemplarischer Erzeugnisbaum nach dem Dispositionsstufenverfahren (eigene Darstellung)

X 1

1 A

3

B

2

C

D

D

2

2

4 F

G 3 H

1 E

2

I 2

E

1 H 1 J

1 K

Fertigungsstufen und Dispositionsstufen Ein Erzeugnisbaum kann gemäß dem Fertigungsstufenverfahren oder dem Dispositions­ stufen-­Verfahren dargestellt werden: • In beiden Verfahren wird dem Endprodukt die höchste Fertigungs- bzw. Dispositionsstufe zugeordnet. • Beim Fertigungsstufenverfahren (Abb. 2.60) sind die Komponenten der Stufe zuzuordnen, in der sie in den Produktionsprozess einfließen. Es wird sozusagen die „Verbau-­ Reihenfolge“ abgebildet. Weil der Materialbedarf für jede Komponente auf jeder Fertigungsstufe separat berechnet werden muss, erfolgt für Teile, die in mehreren Fertigungsstufen in das Endprodukt einfließen, auch die Bedarfsermittlung mehrfach. • Beim Dispositionsstufenverfahren Abb. 2.61) sind die Komponenten der Stufe zuzuordnen, auf der sie zum ersten Mal verbaut werden (Reichwald und Dietel 1991, S. 504–505; Kiener et  al. 2012, S. 206–207). Durch diese Herabstufung wird es erreicht, dass die Bedarfsermittlung pro Komponente nur einmal erfolgen muss. Wenn Rohstoffe und Zwischenprodukte im Produktionsprozess mehrfach verarbeitet werden, entstehen in einem Erzeugnisbaum – wie am Beispiel der Strukturstückliste ersichtlich – Redundanzen. Um diese zu vermeiden, können die Bedarfsstrukturen zu einem Gozinto-Graph transformiert werden (Abb. 2.62 führt das Beispiel aus den vorangegangenen Abbildungen fort). In dieser Darstellung wird jedes Material nur ein einziges Mal abgebildet (Zäpfel 1982, S. 74). Die einzelnen Rohstoffe und Zwischenprodukte werden

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information

155

Abb. 2.62 Exemplarischer Gozinto-Graph nach dem Dispositionsstufenverfahren (eigene Darstellung)

X 1

1

A

3

B 2

C 4

D

2

2 F

G

2 3

1 I

1

2 E

1 J

H

1 K

ausschließlich über ihre Direktbedarfe miteinander verbunden. Auf diese Weise können auch die Erzeugnisbäume für mehrere Endprodukte übersichtlich in einem gemeinsamen Schema zusammengefasst werden. Ein Gozinto-Graph stellt somit eine geeignete Ausgangsbasis für die Bedarfsermittlung über Produktions-/Bedarfsmatrizen dar. Ebenso eignet sich ein Gozinto-Graph für die Materialsekundärbedarfsrechnung im Rahmen der Materialbedarfsplanung (Abschn. 3.3.5). Bedarfsermittlung über Bedarfsmatrizen Überblick Die Gesamtmengen der benötigten Rohstoffe und Zwischenprodukte für ein gegebenes Produktionsprogramm können über Bedarfsmatrizen (auch Produktionsmatrizen) berechnet werden (im Folgenden: Tysiak 1998). Dieses Verfahren eignet sich vor allem für komplexe Endprodukte, bei denen die Mengen nicht mehr einfach aus dem Gozinto-Graph oder aus Stücklisten abgelesen werden können. Bedarfsmatrizen sind häufig der Ausgangspunkt für die maschinelle Berechnung des Materialgesamtbedarfs, der sich aus einem Produktionsprogramm ergibt. Im Folgenden soll die Vorgehensweise der Bedarfsermittlung über Bedarfsmatrizen beschrieben werden. Abb. 2.63 und 2.64 dienen als exemplarisches Rechenbeispiel.

156

2 Produktionsfaktoren

X

Ausgangssituation Für die folgende Produktionsperiode werden folgende Mengen benötigt: 50 Einheiten X 80 Einheiten Y 50 Einheiten P2 (Ersatzteilbedarf) 100 Einheiten P3 (Ersatzteilbedarf)

Y

1

2

2

P3

2

P2

Diese Bedarfsstruktur kann als Vektor dargestellt werden:

2

P1

2

1 M1

1

3 M2

2 M3

1

4 M4

Primärbedarfsvektor X 50 Y 80 P1 0 P2 50 P3 100 M1 0 M2 0 M3 0 M4 0

Abb. 2.63  Rechenbeispiel zur Bedarfsmatrizenrechnung: Ausgangssituation (eigene Darstellung)

Rechenverfahren Ausgangspunkt für die Rechnung mit Bedarfsmatrizen ist ein vorgegebenes Produktionsprogramm sowie ein die Erzeugnisstruktur abbildender Gozinto-Graph. Als erstes wird aus den Vorgaben der zu erstellenden Zwischen- und Endprodukte der Primärbedarfsvektor gebildet (Abb. 2.63). Dieser Vektor wird üblicherweise als Nx1-Matrix dargestellt, wobei N für die Anzahl der Komponenten im Gozinto-Graph steht. Anschließend wird aus dem Gozinto-Graph die Direktbedarfsmatrix D abgeleitet. Die NxN dimensionierte Direktbedarfsmatrix enthält jede Komponente und jedes Endprodukt aus dem Gozinto-­Graph. Die Zellen der Direktbedarfsmatrix D werden mit den Direktbedarfskoeffizienten aus dem Gozinto-Graph befüllt. Nicht vorhandene Verbindungen zwischen Komponenten werden mit den Matrixelementen „0“ abgebildet. Zeilenweise lässt sich aus der Direktbedarfsmatrix ablesen, in welche nachfolgenden Zwischen- und Endprodukte die ­einzelnen Komponenten eingehen (= synthetische Betrachtungsweise, vgl. Kapitelanfang). Spaltenweise lässt sich entnehmen, aus welchen Materialien eine Komponente besteht (= analytische Betrachtungsweise). Die Berechnung des Gesamtbedarfs erfolgt ausgehend von der Direktbedarfsmatrix iterativ: Es werden so lange Matrizenmultiplikationen durchgeführt, bis der Bereich der Zeilen, die die Zwischenprodukte repräsentieren, ausschließlich aus Nullen besteht. Ist dies erreicht, bestehen keine indirekten Bedarfe mehr und der Einfluss der Rohstoffe auf die Produkte ist bekannt. Ein alternatives Abbruchkriterium ist der Fall, wenn die letzte Matrizenmultiplikation zu einer Matrix führt, die nur Nullen aufweist.

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information Direktbedarfsmatrix D P2 P3 0 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0 2 3 0 2 0 1 0

X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

X 0 0 0 2 1 0 0 0 0

Y 0 0 0 2 0 0 0 0 4

P1 0 0 0 0 0 1 1 0 0

X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

X 0 0 6 0 0 2 6 4 2

Y 0 0 4 0 0 0 6 4 2

P1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

D² P2 0 0 0 0 0 2 2 0 0

X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

X 0 0 0 0 0 6 6 0 0

Y 0 0 0 0 0 4 4 0 0

P1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

D³ P2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

X 1 0 0 0 0 0 0 0 0

Y 0 1 0 0 0 0 0 0 0

P1 0 0 1 0 0 0 0 0 0

X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

X 1 0 6 2 1 8 12 4 2

Y 0 1 4 2 0 4 10 4 6

P1 0 0 1 0 0 1 1 0 0

Primärbedarfsvektor X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

50 80 0 50 100 0 0 0 0

157

M1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M3 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M4 0 0 0 0 0 0 0 0 0

P3 0 0 0 0 0 2 2 0 0

M1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M3 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M4 0 0 0 0 0 0 0 0 0

P3 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M2 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M3 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M4 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Einheitsmatrix P2 P3 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0

M1 0 0 0 0 0 1 0 0 0

M2 0 0 0 0 0 0 1 0 0

M3 0 0 0 0 0 0 0 1 0

M4 0 0 0 0 0 0 0 0 1

M1 0 0 0 0 0 1 0 0 0

M2 0 0 0 0 0 0 1 0 0

M3 0 0 0 0 0 0 0 1 0

M4 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Gesamtbedarfsmatrix P2 P3 0 0 0 0 2 2 1 0 0 1 2 4 5 2 2 0 1 0

Multiplikation des Primärbedarfsvektors mit der Gesamtbedarfsmatrix 50 * 1 + 80 * 0 + 0 * 0 + … 50 * 0 + 80 * 1 + 0 * 0 + … 50 * 6 + 80 * 4 + 0 * 1 + … 50 * 2 + 80 * 2 + 0 * 0 + … 50 * 1 + 80 * 0 + 0 * 0 + … 50 * 5 + 80 * 4 + 0 * 1 + … 50 * 12 + 80 * 10 + 0 * 1 + … 50 * 4 + 80 * 3 + 0 * 0 + … 50 * 2 + 80 * 6 + 0 * 0 + …

Gesamtbedarfsvektor = = = = = = = = =

50 80 920 310 150 1220 1850 620 630

X Y P1 P2 P3 M1 M2 M3 M4

Abb. 2.64  Rechenbeispiel zur Bedarfsmatrizenrechnung: Matrizenmultiplikation (eigene Darstellung)

158

2 Produktionsfaktoren

Für die Berechnung des Gesamtbedarfs wird D iterativ mit der zuletzt berechneten Matrix multipliziert. In der ersten Iteration wird die Direktbedarfsmatrix mit sich selbst multipliziert. Dadurch entsteht die indirekte Bedarfsmatrix D2. Die Zahl im Exponenten gibt die Anzahl der Kanten an, über die die Bedarfe betrachtet werden. Aus D2 lassen sich bspw. die Bedarfe ablesen, die sich im Gozinto-Graphen über zwei Kanten ergeben. Sollte eine weitere Iteration nötig sein, wird D mit D2 multipliziert, dann D mit D³, dann D mit D4 usw. Ist das Abbruchkriterium erreicht, wird die Gesamtbedarfsmatrix G durch Addition aller bisher erstellten Matrizen (D + D2 + D3 + …) plus die Einheitsmatrix E berechnet. Die Einheitsmatrix E umfasst dieselbe Dimension wie die Bedarfsmatrizen (NxN), hat in der Hauptdiagonalen aber lediglich den Wert „1“ und ansonsten den Wert „0“ stehen. Die Multiplikation von G mit dem zuvor erstellten Primärbedarfsvektor führt zum Gesamtbedarfsvektor. Dieser repräsentiert den Bedarf aller Komponenten, der sich aus einem Produktionsprogramm bzw. dem Primärbedarfsvektor ergibt. Abb. 2.64 veranschaulicht die Vorgehensweise im Rahmen eines Rechenbeispiels.

2.5.3.3 Arbeitspläne: Aufbau und Bedeutung Arbeitspläne (engl. routing files) geben Auskunft darüber, welche Arbeitsgänge in welcher Reihenfolge mit welchen Betriebsmitteln in welcher Zeit und unter Einsatz welchen Materials durchzuführen sind. Zusammen mit Stücklisten stellen sie eine wensetliche Grundlage der Produktionsplanung und -steuerung dar. Sie sind u. a. ein wichtiges Instrument für die Vor- und Nachkalkulationen von Kosten, für die Planung von Produktions-

Arbeitsplan: Antriebswelle Blatt:

Benennung:

1

Antriebswelle

Auftrags-Nr.: 2017-0173

Zeichnungs-Nr.:

Werkstoff: C46

Form- und Abmessung: Rundmaterial 60 mm

967-331

Ident.Nr.:

Datum: 01.07.2017

8756.831

Stückzahl/Menge: 5

Bearbeiter: M. Meier

Rohgewicht:

Fertiggewicht: 4,2 kg

5,9 kg FH

LG

tr

te

210

-

04

5

5,3

05

8

9,4

Nr.

Prozessbeschreibung/Arbeitsgang

KS

MG

01

Sägen auf 155 mm

300

02

Auf Maß bringen 150 mm

330

350

1001, 1015

03

Welle komplett drehen

360

280

1101, 1103

08

20

6,4

04

Gewindeloch bohren

360

320

1203

06

10

12,7

05

Gewinde schneiden

390

380

1005

08

10

14,8

…

…

…

…

…

…

…

…

KS: Kostenstelle; MG: Maschinengruppe; FH: Fertigungshilfsmittel; LG: Lohngruppe; tr: Rüstzeit; te: Elementzeit

Abb. 2.65  Exemplarischer Arbeitsplan (eigene Darstellung)

2.5  Grundlage des dispositiven Faktors: Information

159

zeiten von Produkten, für die Termin- und Kapazitätsplanung (Abschn. 3.3.3 und 3.3.6), für die Fertigungs- und Montageabwicklung sowie für die Leistungsabrechnung bzw. Entlohnung (insbesondere im Fall des Akkordlohns, Abschn. 2.2.2). Im Gegensatz zur Stückliste, die „lediglich“ dokumentiert, woraus eine Baugruppe besteht, listet der Arbeitsplan die einzelnen Arbeitsschritte auf, die zur Fertigung eines Einzelteils, einer Baugruppe, eines Zwischenprodukts oder eines Fertigerzeugnisses nötig sind. Arbeitsplan und Stückliste sind in dem Sinne gekoppelt, als dass für jeden Arbeitsvorgang des Arbeitsplans auf die Menge der benötigten Rohmaterialien, Baugruppen und Zwischenprodukte, die in den Stücklisten näher spezifiziert sind, verwiesen wird (Hammer 1977, S. 191–193). Arbeitspläne bestehen typischerweise aus einem Arbeitsplankopf und mehreren Zeilen, in denen die einzelnen Arbeitsvorgänge (Arbeitsschritte) aufgelistet sind (Abb. 2.65): • Der Arbeitsplankopf beschreibt, was gefertigt werden soll (Benennung des zu fertigenden Werkstücks, Zeichnungs-Nr. etc.) sowie das Ausgangsmaterial (Werkstoff/Rohmaterial, Abmessungen). Im Beispiel Abb. 2.65 ist eine Antriebswelle zu produzieren. Das Ausgangsmaterial ist ein Rundmaterial mit einer Abmessung von 60 Millimeter. • In den Zeilen des Arbeitsplanes stehen die nacheinander durchzuführenden Arbeitsschritte (Fertigungs- und Montageschritte) mit ihrer Beschreibung (z. B. Sägen, Drehen, Fräsen). Außerdem wird für jeden Arbeitsvorgang spezifiziert, wo er durchzuführen ist (Arbeitsplatz, Betriebsmittel, Maschinengruppe), welche Werkzeuge benötigt werden und welche Stück- und Rüstzeiten zu veranschlagen sind. Informationen zu Fertigungszeiten werden u. a. über Zeitstudien gewonnen (Abschn. 2.2.3). Weiterhin finden sich Informationen zur Fertigungskostenstelle und zur Lohngruppe, in der die Tätigkeit eingruppiert ist. Von letzterer kann auf die Arbeitsschwierigkeit geschlossen werden sowie auf die Höhe der arbeitsplatzbezogenen Leistungsentlohnung (Abschn. 2.2.3) (Zäpfel 1982, S. 79–83; Wiendahl 2014, S. 198–200).

3

Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

3.1

Aufgaben und Ziele der PPS

Aufgaben Kap. 3 stellt die Planung und Steuerung der industriellen Produktion, auch Produktionsplanung und -steuerung (kurz: PPS) genannt, in den Mittelpunkt der Betrachtung. Die Durchführung der PPS gehört zu den zentralen Aufgaben der Produktionswirtschaft, insbesondere des operativen Produktionsmanagements. Die Aufgabe der Produktionsplanung und -steuerung ist es (vgl. Kiener et al. 2012, S. 154; Vollmann et al. 1997, S. 4–7), … • ausgehend von einer erwarteten oder bekannten Kundennachfrage und • unter Berücksichtigung zur Verfügung stehender Kapazitäten und Ressourcen sowie • unter Berücksichtigung der Unternehmensstrategie und der Vorgaben und Entscheidungen des strategischen und taktischen Produktionsmanagements • den mengenmäßigen und zeitlichen Produktionsablauf zu planen, freizugeben und zu steuern (und eventuell Korrekturmaßnahmen vorzunehmen), • und das in einer Weise, dass die produktionswirtschaftlichen Sach- und Formalziele des Unternehmens möglichst effektiv und effizient erreicht werden. Komplexität des Aufgabenumfelds Aufgrund der Vielzahl an zu berücksichtigenden Planungsobjekten (Rohstoffe, Zwischenund End produkte, Maschinen, Personal …) und der zahlreichen, teilweise schwer überschaubaren Interdependenzen zwischen den Entscheidungen (Produktionsprogrammentscheidungen, Losgrößenentscheidungen, Maschinenbelegungspläne …) ist es in der

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2020 F. Kellner et al., Produktionswirtschaft, https://doi.org/10.1007/978-3-662-61446-4_3

161

162

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Praxis kaum möglich, den Produktionsablauf so zu planen und zu steuern, dass die ­Profitabilität des Unternehmens im mathematischen Sinne maximiert wird. Die Realität ist hierfür schlicht zu komplex (siehe hierzu auch Abschn. 3.2.3). Ziele der PPS Aufgrund der hohen Komplexität des Aufgabenumfelds orientiert man sich in der Praxis bei der Durchführung der Produktionsplanung und -steuerung an Zwischenzielen (vgl. Wiendahl 1997, S. 252; Zäpfel 1982, S. 186–192). So ist man insbesondere bemüht, solche Produktionspläne aufzustellen und umzusetzen, die mit den folgenden Zielen einhergehen: • • • •

Möglichst hohe Kapazitätsauslastung Möglichst geringe Kapitalbindung Möglichst niedrige Beschaffungskosten Möglichst hohe Termintreue und Lieferbereitschaft

Mit Rückblick auf die in Abschn. 1.4 gemachten Beschreibungen zum Thema „Effizienz“ kann die Bedeutung der einzelnen Zwischenziele folgendermaßen umrissen werden: • Eine möglichst hohe Kapazitätsauslastung (z.  B. hohe Stückzahlen pro Maschinenstunde/Mannstunde bzw. geringe Maschinen-/Mitarbeiter-„Leerzeit“) ist anzustreben, da ungenutzte Kapazitäten die Stückkosten von Produkten ansteigen lassen. Dies lässt sich mit dem Fixkostendegressionseffekt erklären (Economies of Scale): Durch ein Ansteigen der Kapazitätsauslastung werden die Fixkosten der Kapazitätsbereithaltung auf eine steigende Anzahl von Stück verteilt, während hingegen bei gering ausgelasteten Kapazitäten die gleichbleibende Menge an Fixkosten auf eine geringe Anzahl von Stück verteilt werden müssen. • Eine geringe Kapitalbindung (z. B. geringe Bestände; s. Info-Box „Kapitalbindungskosten“ in Abschn. 1.4.5) ist vorteilhaft, da das gebundene Kapital eventuell an anderer Stelle in einer profitableren Weise (z. B. als Anlage am Kapitalmarkt oder als Maschineninvestition) eingesetzt werden kann. • Geringe Beschaffungskosten stehen für das Streben nach der Rationalisierung des Beschaffungsprozesses. Diese Rationalisierung kann bspw. durch eine Verringerung der Anzahl der nötigen Beschaffungsprozesse (z. B. durch größere Beschaffungslose) erreicht werden oder durch eine Reduktion der Kosten für die Durchführung eines einzelnen Beschaffungsprozesses (z. B. durch Übergang zu einem automatisierten, elektronisch unterstützten Bestellsystem). • Schließlich sollen eine möglichst hohe Termintreue und Lieferbereitschaft die Zufriedenheit der Kunden steigern und die Wettbewerbsposition des Unternehmens sichern.

3.1 Aufgaben und Ziele der PPS

163

Optimale Kapazitätsauslastung

Hohe Termintreue / Lieferbereitschaft

Ziele der Produktionsplanung und -steuerung

Minimale Kapitalbindung

Geringe Beschaffungskosten

Abb. 3.1  Ziele der Produktionsplanung und -steuerung (eigene Darstellung)

Zielbeziehungen in der PPS Das Zielsystem der PPS weist eine Reihe konfliktärer Zielbeziehungen auf (in Abb. 3.1 sind diese mit Pfeilen dargestellt, vgl. hierzu auch Abschn. 1.1). Die folgenden Beispiele sollen dies verdeutlichen: • Eine hohe Kapazitätsauslastung der Betriebsmittel kann dann erreicht werden, wenn eine hohe Anzahl an Halbfertigprodukten als Arbeitsvorrat vor den Arbeitsstationen bereitsteht  – auf diese Weise wird sichergestellt, dass kein Leerlauf entsteht. Diese wartenden Halbfertigprodukte repräsentieren allerdings gebundenes Kapital (Work-­ in-­Process). • Beschaffungskosten können durch eine Reduzierung der Beschaffungsvorgänge verringert werden, was jedoch zur Folge haben muss, dass das durchschnittliche Beschaffungslos größer wird. Größere Beschaffungslose erhöhen das im Unternehmen gebundene Kapital, da Teile des großen Beschaffungsloses zunächst auf Lager genommen werden müssen, bevor die Verarbeitung der Materialien beginnt. • Durch große Produktions- bzw. Beschaffungslose können eine höhere Kapazitätsauslastung und geringere Beschaffungskosten erreicht werden. Große Lose bedingen jedoch, dass Kunden so lange auf „ihre“ Produkte warten müssen, bis das Produktionslos fertiggestellt ist bzw. die Materialien des Beschaffungsloses eingetroffen sind. • Eine hohe Lieferbereitschaft kann dann erreicht werden, wenn sich eine große Anzahl an Fertigprodukten im Warenausgangslager des Unternehmens befindet. Die eingelagerten Fertigprodukte erhöhen allerdings das gebundene Kapital. Diese Beispiele zeigen, dass sich Entscheidungen im operativen Produktionsmanagement immer in einem komplexen Feld von Nutzenabwägungen (Trade-Offs) bewegen. Die

164

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

im Rest dieses Kapitels dargestellten Planungs- und Steuerungsmodule sowie Verbesserungsansätze sind ein Versuch, einen sinnvollen „Weg“ durch dieses konfliktäre Zielsystem zu bahnen.

3.2

Von der Unternehmensstrategie zum Maschinenbelegungsplan

3.2.1 Die PPS in der Entscheidungshierarchie des Unternehmens Produktionsrelevante Entscheidungen industrieller Unternehmen folgen typischerweise einem sukzessiven Planungsprozess. Abb. 3.2 zeigt die in einem Unternehmen (äußerer Rahmen) produktionsrelevanten Entscheidungsmodule (vgl. Kiener et  al. 2012, S. 145–153; Vollmann et al. 1997, S. 269–275; Zäpfel 1996, S. 45–54). An oberster Position des Planungsprozesses sitzt die Geschäftsleitung. Sie hat die Aufgabe, das Produkt-Markt-Konzept des Unternehmens festzulegen und die

Unternehmen Produktion

Strategisches Produktionsmanagement Geschäftsleitung Taktisches Produktionsmanagement

Marketing Finanzierung

PPS

Produktionsprogrammplanung

Material- und Kapazitätsplanung

Resource Planning

Aggregierte Produktionsplanung

Rough-cut Capacity Planning

Produktionshauptprogramm

Detailed Capacity Planning

Materialbedarfsplanung

Arbeitspläne Auftragsfreigabe Produktionssteuerung

Auftragsterminierung

Bedarfsrechnung

Stücklisten

Bestände

Auftragsfreigabe

Bestellaufträge

Produktionssteuerung und -überwachung

Abb. 3.2  Ablaufschema der Produktionsplanung und -steuerung (eigene Darstellung nach Vollmann et al. 1997, S. 5)

3.2 Von der Unternehmensstrategie zum Maschinenbelegungsplan

165

­ ettbewerbsfähigkeit des Unternehmens durch geeignete strategische Entscheidungen W langfristig zu sichern. Mögliche produktionsrelevante Fragen, die auf dieser Planungs­ ebene zu beantworten sind, lauten: • • • •

Welche Technologien werden für unseren Geschäftsbereich in Zukunft relevant sein? Welche Produkte sollen in Zukunft angeboten werden? Welche Märkte sollen bearbeitet werden? Wie möchte sich das Unternehmen etablieren: durch Kostenführerschaft, durch Differenzierung oder als Nischenanbieter?

Gemäß der von der Geschäftsleitung formulierten Strategie sind die einzelnen Funktionalbereiche (hier: Produktion, Marketing, Finanzierung etc.) des Unternehmens auszurichten und aufeinander abzustimmen. Das strategische Produktionsmanagement (Abschn. 1.4.3) ist Teil der strategischen Unternehmensplanung. Es verfolgt das Ziel, produktionsbezogene Erfolgspotenziale langfristig zu sichern und weiterzuentwickeln. Entscheidungen, die im Rahmen der strategischen Produktionsplanung getroffen werden, betreffen die zu bearbeitenden Produktfelder, die verwendeten Produktionstechnologien, die Art und den Umfang von Kapazitäten im Unternehmen, die Fertigungstiefe, die Lage des Order Penetration Points (Abschn. 1.3), die Anzahl und die geografische Verteilung der Produktionsstätten/-kapazitäten etc. Die Aufgabe des taktischen Produktionsmanagements (Abschn. 1.4.3) ist es, die im Rahmen der strategischen Produktionsplanung festgelegten Vorgaben hinsichtlich der zu bearbeitenden Produktfelder und des angestrebten Produktionssystems zu konkretisieren. Im Detail geht es hierbei um … • die Konkretisierung des Produktionsprogramms und der zu bearbeitenden Produktfelder. Hier wird somit die Frage beantwortet, welche Produkte und Produktgruppen nach Art und Qualität hergestellt werden sollen. Die Antwort auf diese Frage soll dabei auch Fragen der Produktinnovation, -variation und -elimination abdecken. • die Konkretisierung des Produktionssystems: Nachdem im Rahmen der strategischen Produktionsplanung festgelegt wurde, wo und wie viele Produktionsstätten aufgebaut werden sollen, geht es hier um die Frage der Ausstattung der einzelnen Produktionsstätten mit Arbeitssystemen. So ist zu bestimmen, welche Arbeitssysteme mit welchen Technologien und welchen Kapazitäten welchen Standorten zugewiesen werden. Zudem wird festgelegt, wie der Materialfluss zwischen den einzelnen Produktionsstätten sowie zwischen den einzelnen Arbeitssystemen innerhalb einer Produktionsstätte erfolgen soll. Letzterer Aspekt bestimmt den Organisationstyp der Fertigung (Abschn. 2.3.2). Entscheidungen, die auf den Ebenen der Geschäftsleitung, der strategischen und der taktischen Produktionsplanung getroffen wurden, legen den Rahmen für das operative Produktionsmanagement und damit der Produktionsplanung und -steuerung fest. Aus Sicht des operativen Produktionsmanagements sind diese Entscheidungen als „vorgege-

166

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

ben“ ­anzusehen. Dazu gehören insbesondere die folgenden Entscheidungen, wobei die Entscheidungen auf Ebene der Geschäftsleitung und des strategischen Produktionsmanagements ineinander übergehen: • Entscheidungen auf der Ebene der Geschäftsleitung: –– das Produkt-Markt-Konzept. • Entscheidungen des strategischen Produktionsmanagements: –– die bearbeiteten Produktfelder und Märkte, –– die eingesetzten Produktionstechnologien, –– die durch das Unternehmen bereitgestellten Produktionskapazitäten, –– die Fertigungstiefe bzw. der Anteil der Eigenfertigung, –– die Lage des Order Penetration Points, –– die Anzahl und Lage der Produktionsstätten. • Entscheidungen des taktischen Produktionsmanagements: –– die anzubietenden Produktgruppen, –– die Ausstattung der Produktionsstätten mit Arbeitssystemen, im Sinne von Kapazitäten und Technologien, –– der Materialfluss zwischen den Produktionsstätten, –– der Materialfluss innerhalb der Produktionsstätten bzw. der Fertigungsorganisationstyp.

3.2.2 Ablaufschema der PPS: Planungs- und Steuerungsschritte Die Aufgabe des operativen Produktionsmanagements ist es, die Vorgaben der strategischen und taktischen Produktionsplanung zu konkretisieren und die Produktion derart zu planen und zu steuern, dass die Ziele des Unternehmens erreicht werden. Auf Basis der vorgegebenen Produktionskapazitäten und -ressourcen versucht das operative Produktionsmanagement im Besonderen, machbare und betriebswirtschaftlich sinnvolle Produktionspläne aufzustellen und durchzuführen (Abschn.  1.2). Die PPS läuft schrittweise ab (Sukkzessivplanungsansatz) (im Folgenden: Corsten und Gössinger 2016, S.  585–590, 598–602; Hansmann 2006, S.  251–259; Kiener et  al. 2012, S.  153–159; Reichwald und Dietel 1991, S. 582–585; Vollmann et al. 1997, S. 4–7; Wiendahl 2014, S. 278–285): • Schritte 1 und 2 (Produktionsprogrammplanung, Material- und Kapazitätsplanung) gehören zur Produktionsplanung. • Die Aufteilungsplanung, Reihenfolgeplanung und die Auftragsüberwachung gehören zur Produktionssteuerung (Schritt 4). • Die Auftragsfreigabe (Schritt 3) trennt die Produktionsplanung von der Pro­ duktionssteuerung.

3.2 Von der Unternehmensstrategie zum Maschinenbelegungsplan

167

Schritt 1: Produktionsprogrammplanung Im ersten Schritt erfolgt die Produktionsprogrammplanung. Ihr Ergebnis ist das Produktionsprogramm. Das Produktionsprogramm gibt vor, zu welchem Zeitpunkt welche Menge von welchem Endprodukt produziert werden soll. Das Produktionsprogramm wird typischerweise in zwei aufeinanderfolgenden Schritten festgelegt: (1) Die Aggregierte Produktionsplanung und (2) die Produktionshauptprogrammplanung. Aggregierte Produktionsplanung Im Rahmen der Aggregierten Produktionsplanung (engl. production planning, Abschn. 3.3.1) wird festgelegt, welche Mengen von welchen Produktgruppen in welchen Planperioden produziert werden sollen. Als Planperiode dient häufig ein Monat oder ein Quartal, der Planungshorizont liegt zwischen 6 und 18 Monaten. Das Ergebnis dieser Festlegung ist der Aggregierte Produktionsplan. Dieser bildet die Schnittstelle zum taktischen Produktionsmanagement, konkretisiert es und berücksichtigt neben der Unternehmensstrategie die Vorgaben zu vorhandenen Ressourcen sowie Nachfrageinformationen (Bedarfsrechnung, Abschn.  3.3.4). Wurden im Rahmen des taktischen Produktionsmanagements also die zu bearbeitenden Produktgruppen festgelegt, wird nun entschieden, auf welchen Produktgruppen in den kommenden Monaten der Schwerpunkt liegen soll. Produktionshauptprogrammplanung Im zweiten Schritt erfolgt die Produktionshauptprogrammplanung (engl. Master Production Scheduling, Abschn. 3.3.2). Hier wird der Aggregierte Produktionsplan zeitlich und sachlich disaggregiert (siehe Zusatzinformation „Produktionshauptprogrammplanung“). Das Ergebnis ist das Produktionshauptprogramm (engl. Master Production Schedule, kurz MPS). Dieses gibt unter Berücksichtigung der Ressourcen-/Kapazitätssituation und der aktuellen und künftigen Produktnachfrage an, in welcher Woche welche Menge von welchem konkreten Endprodukt zu fertigen ist.

Produktionshauptprogrammplanung

Die Zweiteilung der Produktionsprogrammplanung dient dazu, den Planungsprozess schrittweise bis zum Beginn der tatsächlichen, physischen Produktion zu verfeinern. Häufig ist es nicht sinnvoll, die Produktionsmengen einzelner Produkte über mehrere Monate auf Tages- oder Wochenbasis zu planen, da zu viel Unsicherheit bzgl. der Nachfragelage und der Verfügbarkeit der Produktionskapazitäten (Menschen, Betriebsmittel, Material) besteht. Darüber hinaus können die Informationen, die für eine wochen- oder tagesgenaue Planung nötig wären, in der Regel nicht mit angemessenem Aufwand erhoben werden  – außerdem würde sich für eine detaillierte Planung über mehrere Monate ein Rechenaufwand ergeben, der auch mit modernen Computern nicht mehr beherrschbar ist. Aus diesen Gründen gibt die Aggre-

168

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

gierte Produktionsplanung zunächst vor, auf welchen Produktgruppen in den kommenden Monaten der Schwerpunkt liegen soll. Wann die einzelnen Produkte dann tatsächlich zu produzieren sind, wird im Rahmen der Produktionshauptprogrammplanung entschieden. Als Beispiel mag ein Hersteller von Elektronikprodukten dienen, der im Rahmen der Aggregierten Produktionsplanung entscheidet, dass in den kommenden sechs Monaten die Produktgruppe „MyPad“ (Tabletcomputer) 60  % der Produktionsmenge und die Produktgruppe „MyPhone“ (Smartphones) 40 % der Produktionsmenge ausmachen soll. In den darauffolgenden zwölf Monaten soll der Schwerpunkt dann mit 80 % des Outputs auf der Produktgruppe der Smartphones und mit 20 % des Outputs auf der Gruppe der Tablets liegen. Welche Stückzahlen der exemplarischen Produkte „MyPad 1“, „MyPad 2“ und „MyPad 3“ bzw. „MyPhone 1“, „MyPhone 2“ und „MyPhone 3“ in den einzelnen Wochen zu produzieren sind, legt die Produktionshauptprogrammplanung fest.

Schritt 2: Material- und Kapazitätsplanung Nachdem das Produktionsprogramm auf Endprodukt- und Wochenbasis festgelegt wurde, geht es im Rahmen der Material- und Kapazitätsplanung darum, die dafür erforderlichen Materialien und Kapazitäten (Material und Zeit) zu bestimmen. Materialbedarfsplanung Im Rahmen der Materialbedarfsplanung (auch: Materials Requirement Planning, kurz MRP, Abschn.  3.3.5) wird ermittelt, wann welche Mengen welcher Vorprodukte und Komponenten bereitstehen müssen, damit das Produktionsprogramm erfüllt wer­ den kann. Hierzu werden Stücklisteninformationen (Abschn.  2.5.3), Arbeitsplandaten (Abschn.  2.5.3), Bestandsinformationen (Abschn.  3.3.5) und Losgrößenentscheidungen (Abschn. 3.3.5) verarbeitet. Somit wird durch die Materielbedarfsplanung auch bestimmt, wann eventuelle Fertigungs- und Montageaufträge für die einzelnen Vor- und Endprodukte abgeschlossen sein müssen. Kapazitätsplanung Im Rahmen der Auftragsterminierung (Abschn.  3.3.6) wird anschließend festgelegt, wann die einzelnen Fertigungsaufträge begonnen werden sollen. Die Auftragsterminierung besteht ihrerseits aus zwei sukzessiven Planungsschritten, der Durchlauf- und der Kapazitätsterminierung (Abschn. 3.3.6). Im Ablauf dieser beiden Schritte werden mögliche Start-/Endtermine von Aufträgen anhand der konkret vorhandenen Kapazitäten (Personal, Maschinen, Material etc.) sowie geschätzten arbeitsgangbezogenen Durchlaufzeiten ermittelt. Mit dem Abschluss der Auftragsterminierung endet der planerische Teil der Produktionsplanung und -steuerung. Es steht nun – in der Regel im Wochenrhythmus – fest, wann welcher Produktionsauftrag begonnen werden soll.

3.2 Von der Unternehmensstrategie zum Maschinenbelegungsplan

169

Schritt 3: Auftragsfreigabe Im Rahmen der Auftragsfreigabe (Abschn. 3.3.7) wird im Wochenrhythmus entschieden, welche der für die kommende Woche eingeplanten Produktionsaufträge freigegeben und somit produziert werden sollen. Eine Entscheidung gegen die Durchführung bzw. für die terminliche oder kapazitive Verschiebung eines Produktionsauftrags kann durch das Fehlen der benötigten Inputfaktoren begründet sein (Krankheit eines Mitarbeiters, Maschinenausfall, fehlende Rohstoffe aufgrund eines kurzfristigen Lieferengpasses) oder durch eine ungewünscht hohe Belastung der Arbeitssysteme in der betrachteten Woche. Schritt 4: Produktionssteuerung und -überwachung Für die freigegebenen Produktionsaufträge wird schließlich im Rahmen der Produktionssteuerung (Abschn. 3.3.8) zunächst die Aufteilungsplanung (konkrete Zuordnung eines Auftrags an ein Arbeitssystem), daraufhin die Reihenfolgeplanung (Reihenfolge der Bearbeitung der einzelnen Produktionsaufträge an den einzelnen Arbeitsstationen) vorgenommen. Die Durchführung des Auftrags wird dabei stets überwacht, um bei Störungen des Produktionsprozesses korrigierend eingreifen zu können. Die in Abb. 3.2 dargestellte Unterteilung in Produktionssteuerung und -überwachung sowie Bestellaufträge trägt der Tatsache Rechnung, dass Aufträge auch an externe Lieferanten gegeben werden können. Da diese Form der Fremdvergabe Teil der Beschaffung und nicht Teil der innerbetrieblichen Produktion ist, wird sie im Folgenden nicht näher betrachtet.

3.2.3 Bewertung des Sukzessivplanungsansatzes Wie in Abschn. 3.2.2 dargestellt wurde, folgt die Produktionsplanung und -steuerung einem Sukzessivplanungsansatz. Das bedeutet, dass die PPS-Entscheidungen in den einzelnen Modulen nacheinander getroffen werden, begonnen mit der Aggregierten Produktionsplanung bis hin zur Reihenfolgeplanung. Klar ist, dass mit einer derartigen Vorgehensweise das Ziel der Maximierung des Gewinns, des Return on Investment oder des Gesamtdeckungsbeitrages nicht erreicht werden kann: Die Maximierung des Gewinns oder des Return on Investments kann im Rahmen des operativen Produktionsmanagements und damit der sukzessiven Planung nicht erreicht werden, da viele Fixkostenelemente des Unternehmens (z.  B.  Produktionskapazitäten) von der strategischen und taktischen Produktionsplanung vorgegeben wurden. Somit muss zunächst eine Einschränkung auf die Maximierung des Gesamtdeckungsbeitrages hingenommen werden. Da jedoch der Gesamtdeckungsbeitrag unter anderem von der Auslastung jeder einzelnen (!) Maschine abhängt, müsste zur Maximierung des Gesamtdeckungsbeitrags bereits im Rahmen der Aggregierten Produktionsplanung bestimmt werden, welcher Produktionsauftrag auf welcher Maschine zu fertigen ist  – und das bis zu anderthalb Jahre im Voraus.

170

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Das heißt, dass aus der unendlichen Anzahl an möglichen Entscheidungsalternativen entlang der PPS (Entscheidung über das Produktionshauptprogramm, Losgrößenentscheidungen, Kapazitätsauslastungen der Betriebsmittel etc.) die deckungsbeitragsmaximale Kombination identifiziert werden müsste. Eine solch detaillierte Planung und Optimierung über einen Planungszeitraum von mehreren Monaten ist in der Realität nicht möglich: • Die Daten, die für eine solche Optimal-Planung über alle Planungsmodule hinweg notwendig sind, können nicht mit vernünftigem Aufwand erhoben werden. • Die Datenlage kann sich schnell ändern, so dass zahlreiche Daten laufend überprüft und neu erhoben werden müssten. • Selbst leistungsfähige Rechner können die mathematischen Optimierungsmodelle nicht lösen, die ein Produktionssystem nur annähernd realitätsnah abbilden. • Eine ständige Anpassung des Produktionsprogramms an die aktuelle Datenlage, d. h. eine ständige Umplanung, würde sehr viel Unruhe in die Produktion bringen. Auch wenn der in Abschn. 3.2.2 vorgestellte Sukzessivplanungsansatz keine mathematisch optimale Lösung zur Erreichung des Gesamtdeckungsbeitrags, des Gewinns oder des Return on Investments herbeiführen kann, so führt er zu machbaren und vergleichsweise sinnvollen Produktionsplänen. Aus diesen Gründen stellt er in der Praxis den Standard-­ Ansatz dar (vgl. Corsten und Gössinger 2016, S. 575–583; Kiener et al. 2012, S. 153–164, 200–203). Eine Alternative zum Sukzessivplanungsansatz wäre der Simultanplanungsansatz, wie er bspw. in APS-Systemen verwirklicht werden soll (Abschn. 2.5.2 und 3.4.3).

3.3

PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

3.3.1 Aggregierte Produktionsplanung 3.3.1.1  Überblick Die Aggregierte Produktionsplanung (engl. production planning) bildet die Schnittstelle zwischen dem taktischen und dem operativen Produktionsmanagement (im Folgenden: Vollmann et  al. 1997, S.  269–275; vgl. Chopra und Meindl 2014, S.  262–264; Nahmias 2005, S.  108–114). Nachdem im Rahmen der taktischen Produktionsplanung mittelfristig festgelegt wurde, welche Produkte und Produktgruppen nach Art und Qualität hergestellt werden sollen, bestimmt die Aggregierte Produktionsplanung, wann welche Menge von welcher Produktgruppe unter Beachtung von Nachfrageinformationen und Kapazitätsrestriktionen hergestellt werden soll. Es wird also über den Anteil der einzelnen Produktgruppen am Gesamtproduktionsprogramm im Zeitverlauf entschieden. In Bezug auf die Zeit dienen typischerweise ein Monat oder ein Quartal als Planungseinheit. Der Planungshorizont liegt in der Regel zwischen 6 und 18 Monaten. Im Rahmen der Aggregierten Produktionsplanung wird also nicht festgelegt, wann welche Stückzahl von welchem Endprodukt und von welcher Produktvariante fertiggestellt

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

171

sein soll, sondern auf welchen Produktgruppen der Schwerpunkt liegen soll. Dabei werden insbesondere saisonale Nachfrageinformationen berücksichtigt. Beispielsweise ist vor dem Oster- oder Weihnachtsfest die Nachfrage nach Schokohasen und -weihnachtsmännern besonders groß (siehe Beispiel „Lebkuchen: Ein typisch saisonales Produkt“). Weiterhin wird in der Aggregierten Produktionsplanung die Ressourcen- und Kapazitätssituation des Unternehmens berücksichtigt, um nicht Gefahr zu laufen, Produktionspläne aufzustellen, die sich angesichts der Ressourcen-/Kapazitätsausstattung des Produktionssystems nicht umsetzen lassen. Da im Rahmen der Aggregierten Produktionsplanung nicht auf Endproduktebene, sondern auf Produktgruppenbasis geplant wird, kann noch keine detaillierte Kapazitätsabschätzung erfolgen. Dementsprechend erfolgt zunächst eine grobe Kapazitätsabschätzung, die mit dem Aggregierten Produktionsplan einhergeht. Typische Plangrößen dieser Kapazitätsabschätzung sind Maschinen- und Mitarbeiterstunden bzw. sogenannte Full-TimeEquivalents (kurz FTE, deutsch: Anzahl an Mitarbeitern bzw. Maschinen, die in Vollzeit arbeiten). Das Ergebnis der Aggregierten Produktionsplanung – also die Information, in welchen Monaten welche Mengen von welchen Produktgruppen fertiggestellt werden soll – stellt eine Vorgabe für die Produktionshauptprogrammplanung dar. Diese disaggregiert den Aggregierten Produktionsplan sachlich und zeitlich.

3.3.1.2  Planungsproblem Da im Rahmen der taktischen Produktionsplanung die für die Produktion in Frage kommenden Produktgruppen und die zur Verfügung stehenden Kapazitäten bereits festgelegt worden sind, kann ein Aggregierter Produktionsplan als die – unter Berücksichtigung der in Frage kommenden Produktgruppen und der zur Verfügung stehenden Kapazitäten – Art und Weise verstanden werden, wie mit einer bekannten oder erwarteten künftigen Nachfrage umgegangen werden soll. Es ist dabei jedoch zu betonen, dass es nicht die Aufgabe der Produktionsplanung ist, die bekannte oder erwartete Nachfrage direkt in Produktionsaufträge zu übersetzen. Es geht vielmehr darum, einen sinnvollen, kostenoptimalen Produktionsplan aufzustellen, der die bekannte bzw. erwartete Nachfrage bedienen kann. Als Kostenkomponenten werden dabei insbesondere die folgenden berücksichtigt (Chopra und Meindl 2014, S. 265–266; Kiener et al. 2012, S. 181–183; Nahmias 2005, S. 114–17): • • • • •

Produktionskosten, Fehlmengenkosten, Bestandskosten, Kapazitätsanpassungskosten sowie Kosten der möglichen Fremdvergabe der Produktionsaufträge.

Der Produktionsplan ist somit keine Bedarfsprognose, sondern die Entscheidung eines Unternehmens, in bestimmten Perioden bestimmte Mengen bestimmter Produktgruppen

172

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

zu produzieren, Kapazitäten und Bestände auf- bzw. abzubauen sowie Teile und Komponenten zuzukaufen. Fragen, die in diesem Zusammenhang zu beantworten sind, sind u. a. die folgenden: • • • •

Wie soll mit Bedarfsschwankungen umgegangen werden? Soll die gesamte erwartete Nachfrage bedient werden? In welchen Monaten sollen Bestände auf-/abgebaut werden? In welchen Monaten sollen welche Mengen zugekauft werden?

3.3.1.3  G  estaltungsoptionen und Lösungsansätze der Produktionsprogrammplanung Die für die Fertigung in Frage kommenden Produktgruppen, die zur Verfügung stehenden Ressourcen und Kapazitäten sowie der bekannte oder erwartete Nachfrageverlauf bilden die Ausgangslage für die Aggregierte Produktionsplanung. Es stehen mehrere Optionen zur Verfügung, wie auf einen gegebenen Nachfrageverlauf reagiert werden kann (im ­Folgenden: Vollmann et al. 1997, S. 278–282; Kiener et al. 2012, S. 181–184; vgl. Chopra und Meindl 2014, S. 267–269; Nahmias 2005, S. 117–125; Otto 2010). Option 1: Die Produktion reagiert nicht auf Nachfrageveränderungen Die einfachste  – und in der Praxis eher unwahrscheinliche  – Option besteht darin, das Produktionslevel nicht an veränderte Nachfragelevel anzupassen: • Bei steigender Nachfrage führt dies dazu, dass das Unternehmen weniger Produkte liefert, als es absetzen könnte: Der Service-Level sinkt. Hinzu kommen Kosten, die mit den „Lost Sales“ einhergehen: entgangene Deckungsbeiträge, eventuelle Konventionalstrafen bei Vertrags-Nichterfüllung, Kosten in Verbindung mit Nachlieferungen, möglicher (dauerhafter) Kundenverlust, Verlust an Goodwill etc. • Bei sinkender Nachfrage müssen Überbestandskosten in Kauf genommen werden. Um den Nachfrageverlauf an das unveränderte Produktionsniveau „anzupassen“, kann darüber nachgedacht werden, eine eventuelle kurzfristige Anpassung des Verkaufspreises vorzunehmen. Diese Möglichkeit ist jedoch mit der Marketingabteilung abzustimmen. Sie kann jedoch aus Sicht des Produktionsmanagements sinnvoll sein, bspw. wenn die Anpassung des Produktionslevels sehr kostenintensiv ist. Option 2: Die Produktion reagiert auf Nachfrageveränderungen Allgemein In der Praxis ist eher unüblich, dass eine Veränderung der Nachfrage keinen Einfluss auf Produktionsentscheidungen hat. Deshalb gilt es zu bestimmen, wie auf den sich ändernden Nachfrageverlauf reagiert werden soll (siehe Beispiel „Lebkuchen: Ein typisch saisonales Produkt“). Dabei geht es insbesondere um die Frage, ob und wie sich das mittel- bis kurzfristige Kapazitätsniveau des Produktionssystems ändern soll. Auf das mittel-

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

173

bis kurzfristige Kapazitätsniveau kann bspw. durch die Anpassung der Mitarbeiterzahl, der Arbeitszeit oder durch Fremdvergabe von Produktionsaufträgen Einfluss genommen werden. Zu beachten ist dabei, dass sich Änderungen am Kapazitätsniveau des Produktionssystems insbesondere auf die Höhe von Materialbeständen im Unternehmen und die damit verbundenen Kosten auswirken. Lebkuchen: Ein typisch saisonales Produkt

Für viele Süßwarenhersteller beginnt das Weihnachtsgeschäft schon lange vor den Feiertagen. Statistisch liegt der durchschnittliche Pro-Kopf-Verbrauch der sogenannten Herbstgebäcke wie Lebkuchen, Spekulatius, Zimtsterne etc. in Deutschland seit mehreren Jahren konstant pro Jahr bei ca. 1.000 Gramm. Am beliebtesten sind dabei die klassischen Lebkuchen mit einem Anteil von 39 %. Im Jahr 2018 wurden allein in Deutschland ca. 82.500 Tonnen Leb- und Honigkuchen hergestellt – ein Großteil davon für den inländischen Markt. Auch Schokoladennikoläuse erfreuen sich großer Beliebtheit: 2019 wurden rund 151 Millionen Stück hergestellt. Um der hohen saisonalen Nachfrage zu begegnen, fahren große Süßwarenhersteller die Produktion teilweise bereits ab Mai hoch und bauen Lagerbestände auf. Der Hersteller Lebkuchen Schmidt stellt hierfür seinen Betrieb auf Drei-Schicht-­ Betrieb um und produziert an sechs Tagen in der Woche rund um die Uhr. Auch beim Hersteller Lambertz wird das Produktionsvolumen erhöht. Die beiden Unternehmen produzieren dann jeweils bis zu vier Millionen Lebkuchen am Tag. Anfang September stehen die ersten Lebkuchen in den Supermarktregalen. Ab Dezember wird die Produktion der Herbstgebäcke dann wieder heruntergefahren – nach Weihnachten werden kaum noch Lebkuchen gegessen. Stattdessen wird dann mit den Vorbereitungen für das Ostergeschäft begonnen. Quellen: Bundesverband der Deutschen Süßwarenindustrie e. V. 2019a, b; Dierig 2019; dpa 2015; Handelsblatt 2016; Handl 2019

Level-Strategie Bei der Level-Strategie (dt. Emanzipierte Fertigung, Abb. 3.3) wird einmalig ein bestimmtes Kapazitätsniveau, bspw. im Sinne der Mitarbeiterzahl, festgelegt. Diese Strategie hat den Vorteil, dass keine weiteren Kapazitätsanpassungen mehr vorgenommen werden müssen (z. B. Einstellung und Entlassung von Mitarbeitern) und die damit verbundenen Kosten vermieden werden. Nachteilig an dieser Strategie ist, dass sich in Zeiten geringer Nachfrage Bestände und damit auch Bestandskosten aufbauen. Chase-Strategie Die Chase-Strategie (dt. Synchronfertigung, Abb. 3.4) kann als das Gegenteil der Level-­ Strategie bezeichnet werden: Hier wird der Nachfrage durch die konstante Anpassung der Kapazität „nachgejagt“ (Hire-and-Fire-Mentalität). Der Vorteil dieser Strategie ist, dass

174

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Kapazität Nachfrage

Lagerbestand Zeit Abb. 3.3  Aggregierte Produktionsplanung: Level-Strategie (Otto 2010)

Hire Hire Fire

Kapazität Nachfrage

Zeit Abb. 3.4  Aggregierte Produktionsplanung: Chase-Strategie (Otto 2010)

die Produktionskapazität immer gerade so groß dimensioniert wird, um die Nachfrage bedienen zu können – es werden somit keine Bestände aufgebaut und die damit verbundenen Kosten vermieden. Nachteilig sind die bei dieser Strategie vergleichsweise hohen Kosten für die Kapazitätsanpassung (z. B. Kosten für Einstellungen und Entlassungen). Vergleich und Zwischenlösungen Wann eine Level- und wann eine Chase-Strategie vorteilhafter ist, hängt vom Niveau der Bestands- und Kapazitätsanpassungskosten ab: Bei hohen Bestands- und niedrigen Kapazitätsanpassungskosten ist die Chase-Strategie vorteilhaft. Bei niedrigen Bestands- und hohen Kapazitätsanpassungskosten ist die Level-Strategie vorteilhaft.

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

175

Zwischen den beiden Extremstrategien Level und Chase existiert eine große Anzahl an Zwischenlösungen. So ist bspw. denkbar, in der ersten Hälfte des Planungszeitraums die Kapazität auf einem bestimmten Niveau zu halten und in der zweiten Hälfte des Planungszeitraums ein anderes Niveau zu wählen. Diese Strategie wird auch als Partielle Emanzipation bezeichnet (Kiener et al. 2012, S. 184). Um aus der Vielzahl an Lösungsmöglichkeiten eine aus Kostensicht sinnvolle oder gar die optimale zu identifizieren, werden in der Praxis insbesondere drei Ansätze verwendet: die grafische Simulation, die numerische Simulation und die Technik der Linearen Optimierung (Kiener et al. 2012, S. 181, 185; Chopra und Meindl 2014, S. 269; Nahmias 2005, S. 117). Lösungsansatz 1: Simulation Wenn im Folgenden von Simulation gesprochen wird, dann ist damit eine „Was-wäre-­ wenn-Analyse“ gemeint: Es werden unterschiedliche Parameterkombinationen festgelegt und die daraus entstehenden relevanten Kosten berechnet (z. B. „Mit welchen Kosten ist zu rechnen, wenn eine Level-Strategie gewählt werden würde?“). Aus der Menge an Parameterkonfigurationen wird dann diejenige gewählt, die zu einem Gesamtkostenminimum führt. Ausgangssituation Die Vorgehensweise der numerischen Simulation soll anhand eines Beispiels (vgl. Nahmias 2005, S. 117–133) veranschaulicht werden. Im Beispielfall wird ein Planungszeitraum von sechs Monaten betrachtet. Für diesen Zeitraum liegen Nachfragezahlen und die verfügbaren Arbeitstage pro Monat vor. Unter Kenntnis der Produktionsrate – d. h. der Anzahl an Fertigprodukten, die ein Full-Time-Equivalent (FTE, bspw. ein in Vollzeit beschäftigter Mitarbeiter) pro Tag produziert  – kann auf die Anzahl an Mitarbeitern geschlossen werden, die nötig ist, um die jeweilige Monatsnachfrage zu produzieren (Abb. 3.5). Chase-Strategie Würde eine Chase-Strategie (Abb. 3.6) gewählt werden, dann würden gemäß der Anzahl vorhandener Mitarbeiter und der benötigten Menge an FTEs von Monat zu Monat Einstellungen und Entlassungen vorgenommen werden. Die Kapazitätsanpassungskosten sind in diesem Fall sehr hoch. Im Hinblick auf die Bestandskosten ist die Chase-Strategie jedoch vorteilhaft, da stets die dem Nachfrageniveau angemessene Menge an FTEs vorhanden ist und somit keine Bestände aufgebaut werden. Level-Strategie Bei der Level-Strategie (Abb. 3.7) wird zunächst so vorgegangen, dass die Nachfrage der kommenden sechs Monate summiert wird. Dann wird ermittelt, wie viele Mitarbeiter durchschnittlich nötig sind, um diese Nachfragesumme zu produzieren  – das ermittelte Durchschnittsniveau der benötigten Mitarbeiter stellt das herzustellende Kapazitätslevel

176

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Produktionsrate Einstellung Entlassung Bestandskosten / Stk / Monat Bestand FTE im Dez.

Monat Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Summe

Informationen

0,5 Stk / FTE / Tag 2.000 Geldeinheiten (GE) 4.000 GE 100 GE 400 Mengeneinheiten (ME)

Ausgangssituation Arbeitstage Bedarf / # / FTE / Monat Benötigte FTE pro Monat (= AT) Monat 400 22 800 11,0 73 20 700 10,0 70 21 950 10,5 91 20 1.500 10,0 150 19 2.500 9,5 264 21 2.500 10,5 239 123 8.950

gegeben

= 0,5 * 22 = 11,0 = 0,5 * 20 = 10,0 = 0,5 * 21 = 10,5 …

= 800 / 11,0 = 73 = 700 / 10,0 = 70 = 950 / 10,5 = 91 …

Berechnung der obenstehenden Spalten

Abb. 3.5  Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Ausgangssituation (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)

dar, das über die kommenden sechs Monate beibehalten wird. Diese Vorgehensweise setzt natürlich voraus, dass die kumulierte Nachfrage vor allem in den ersten Monaten nicht die Produktionskapazität übersteigt. Im Beispielfall werden pro Monat durchschnittlich 146 Mitarbeiter benötigt, um das gesamte Nachfragevolumen von 8950 Stück zu produzieren. Dementsprechend erfolgt ein Ausstellungsvorgang, bei dem die Mitarbeiterzahl von 400 Mitarbeitern im Dezember auf 146 Mitarbeiter im Januar reduziert wird. Dadurch, dass die Kapazitäten lediglich dieses einzige Mal angepasst werden, sind die gesamten Kapazitätsanpassungskosten gering. Die Bestandskosten fallen jedoch hoch aus, da in Monaten mit niedriger Nachfrage mehr produziert als nachgefragt wird. Mixed Strategie Eine Zwischenstrategie (Mixed-Strategie, Abb. 3.8) könnte folgendermaßen gestaltet werden: Da es gut zu erkennen ist, dass die Nachfrage in den beiden letzten Monaten deutlich höher ist als in den ersten Monaten, erscheint es sinnvoll, die ersten vier Monate mit einem niedrigeren und die letzten beiden Monate mit einem höheren Kapazitätsniveau zu bearbeiten. Das heißt, dass eine zweimalige Kapazitätsanpassung erfolgt. Im Vergleich zu den

3

2

800 700 950 1.500 2.500 2.500 8.950

11 10 10,5 10 9,5 10,50

#/FTE/ Monat

6

5

= 73 * 11 = 803 = 70 * 10 = 700 … = 0 + 803 = 803 = 803 + 700 = 1.503 = 1.503 + 955,50 = 2.458,50 …

4

800 1.500 2.450 3.950 6.450 8.950

9

7

803 700 956 1.500 2.508 2.510

Leistung

5

= 388.000 + 1.420.000 + 6.550 = 1.814.550

= 0 + 803 - 800 = 3 = 3 + 700 - 700 = 3 = 3 + 955,50 - 950 = 8,50 …

400 73 70 91 150 264 239

Bestand FTE Bedarf kum.

4

8

3

327 3 0 0 0 25 355 1.420.000

Fire

2

= 65,50 * 100 = 6.550

0 0 21 59 114 0 194 388.000

Hire

Nebenrechnungen = 0 + 800 = 800 = 800 + 700 = 1.500 …

Summe Kosten (GE)

400 73 70 91 150 264 239

Benötigte FTE im Monat

1

803 1.503 2.459 3.959 6.467 8.976 Summe Kosten (GE)

Lstg. Kum.

6

8

3 3 9 9 17 26 65,50 6.550

Bestand

7

9

1.814.550

Summe

Abb. 3.6  Rechenbeispiel: Durchschnittsprozentmethode zur aggregierten Produktionsplanung: Chase-Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)

= 194 * 2.000 = 388.000 = 355 * 4.000 = 1.420.000 …

= 400 - 327 = 73 = 73 - 3 = 70 …

1

22 20 21 20 19 21 123

Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Summe

= 400 - 73 = 327 = 73 - 70 = 3 = 70 - 91 = -21 …

AT

Monat

Bedarf Monat

Chase-Strategie

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail 177

3

2

800 700 950 1.500 2.500 2.500 8.950

11 10 10,5 10 9,5 10,50

8.950 / 123 / 0,5 = Bedarf #/FTE/ Monat Monat

= 0 + 1.606 = 1.606 = 1.606 + 1.460 = 3.066 = 3.066 + 1.533 = 4.599 …

Nebenrechnungen = 146 * 11 = 1.606 = 146 * 10 = 1.460 = 146 * 10,5 = 1.533 …

Summe Kosten (GE)

400 73 70 91 150 264 239

5

4

0 0 0 0 0 0

Hire

Level-Strategie

Benötigte FTE pro Monat

146

1

3

2

800 1.500 2.450 3.950 6.450 8.950

8

= 1.016.000 + 765.500 = 1.781.500

6

1.606 1.460 1.533 1.460 1.387 1.533

1.606 3.066 4.599 6.059 7.446 8.979 Summe Kosten (GE)

5 Lstg. Kum.

4 Leistung

7

= 0 + 1.606 - 800 = 806 = 806 + 1.460 - 700 = 1.566 = 1.566 + 1.533 - 950 = 2.149 …

400 146 146 146 146 146 146

Bestand FTE Bedarf kum.

= 7.655 * 100 = 765.500

254 0 0 0 0 0 254 1.016.000

Fire

6

7

806 1.566 2.149 2.109 996 29 7.655 765.500

Bestand

Abb. 3.7  Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Level-Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)

= 0 + 800 = 800 = 800 + 700 = 1.500 = 1.500 + 950 = 2.450 …

= 400 -254 = 146

1

22 20 21 20 19 21 123

Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Summe

= 254 * 4000 = 1.016.000

AT

Monat

Insgesamt benötigte FTE =

8

1.781.500

Summe

178 3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

3

= 560 * 2.000 = 312.000 = 304 * 4.000 = 1.216.000

800 700 950 1.500 2.500 2.500 8.950

Bedarf Monat 11 10 10,5 10 9,5 10,50

#/FTE/ Monat

= 0 + 1.056 = 1.056 = 1.056 + 960 = 2.016 = 2.016 + 1.008 = 3.024 …

6

5

Hire

3

1 2

4

5

400 96 96 96 96 252 252

= 1.382 * 100 = 138.200

9

8

7

800 1.500 2.450 3.950 6.450 8.950

1.056 960 1.008 960 2.394 2.646

Bestand FTE Bedarf kum. Leistung

= 0 + 1.056 - 800 = 256 = 256 + 960 -700 = 516 = 516 + 1008 - 950 = 574 …

304 0 0 0 0 0 304 1.216.000

Fire

= 312.000 + 1.216.000 + 138.200 = 1.666.200

96

Durchschnitt 0 0 0 0 156 252 0 Summe 156 Kosten (GE) 312.000

Nebenrechnungen = 96 * 11 = 1.056 = 96 * 10 = 960 = 96 * 10,5 = 1.008 …

400 73 70 91 150 264 239

Benötigte FTE im Monat

6

1.056 2.016 3.024 3.984 6.378 9.024 Summe Kosten (GE)

Lstg. Kum.

7

8

256 516 574 34 -72 74 1.382 138.200

Bestand

Abb. 3.8  Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Mixed-Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)

4

2

= 400 - 304 = 96 = 96 + 156 = 252

= 0 + 800 = 800 = 800 + 700 = 1.500 …

1

22 20 21 20 19 21 123

Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Summe

= 400 - 96 = 304 = 252 - 96 = 156

AT

Monat

Strategie: Mixed

9

1.666.200

Summe

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail 179

180

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Extremstrategien Level und Chase fällt die Summe der Kapazitätsanpassungs- und Bestandskosten deutlich niedriger aus (siehe hierzu auch das Beispiel „Kurzarbeit“). Kurzarbeit

Auftragslagen können sich ändern, Produktionskapazitäten sind hingegen vergleichsweise „unflexibel“. Eine immer häufige eingesetzte Methode, um Mitarbeiterkapazitäten vorübergehend zu reduzieren und gleichzeitig Kündigungen zu vermeiden, ist der Einsatz von Kurzarbeit. Hierbei reduziert das Unternehmen die regelmäßige Arbeitszeit des Mitarbeiters vorübergehend, der Arbeitsplatz bleibt jedoch erhalten. Um den Verdienstausfall während der Kurzarbeitszeit ausgleichen zu können, können Mitarbeiter bei der Bundesagentur für Arbeit das sogenannte Kurzarbeitergeld beantragen – eine Ersatzleistung, die typischerweise 60 % des ausgefallenen Nettoeinkommens beträgt. Im Dezember 2019 stieg der Anteil an Industrieunternehmen, die Kurzarbeit einsetzen, laut einer Ifo-Umfrage mit 8,3  % auf den höchsten Stand seit 2010. Geschätzt waren damit über 100.000 Arbeitnehmer in Deutschland von Kurzarbeit betroffen. Zum Vergleich: Während der Finanzkrise 2009 waren bis zu 1,5 Millionen Arbeitnehmer in Kurzarbeit (Groß 2019). Ein beispielhaftes Unternehmen, das in den Jahren 2019/2020 Kurzarbeit eingesetzt hat, ist das Industrieunternehmen Bosch Rexroth, ein Hersteller für Antriebsund Steuerungstechnik. Aufgrund der im Vergleich zum Vorjahr wesentlich schwächeren Auftragslage hat sich das Unternehmen entschieden, neben den Standorten in Schweinfurt und Erbach auch am Standort Lohr am Main Kurzarbeit einzuführen – zunächst, um Mitarbeiterüberstunden abzubauen. In Schweinfurt und Erbach wurde die Kurzarbeit bereits im August eingeführt. Bis zum Januar 2020 waren damit 620 der 3200 Mitarbeiter in Lohr am Main von Kurzarbeit betroffen. „In den nächsten sechs Monaten werde jeweils monatlich darüber entschieden, ob es zwischen drei bis zwölf Tagen pro Monat Kurzarbeit geben wird, so ein Vertreter aus dem Betriebsrat von Rexroth Guss. Wie der stellvertretende Betriebsratsvorsitzende Thomas Nischalke berichtet, reicht die Arbeit in manchen Bereichen noch für Wochen und sogar für Monate, doch die Aufträge seien massiv zurückgegangen.“ (Schubart-­ Arand 2019)

Quellen: Groß 2019; Schubart-Arand 2019, 2020; Ungemach 2019

Lösungsansatz 2: Einsatz der Linearen Programmierung Zum Vergleich der Vorteilhaftigkeit von Chase-, Level- und Mixed-Strategie ist in Abb. 3.9 die optimale Lösung mithilfe der Linearen Programmierung berechnet, auf die im folgenden Kapitel näher eingegangen wird. Sie führt zum Kosten-Minimum aus Kapazitätsan-

3

2

800 700 950 1.500 2.500 2.500 8.950

Bedarf Monat 11 10 10,5 10 9,5 10,50

#/FTE/ Monat

= 0 + 880 = 880 = 880 + 800 = 1.680 = 1.680 + 840 = 2.520 …

Nebenrechnungen = 80 * 11 = 880 = 80 * 10 = 800 = 80 * 10,5 = 840 …

Summe Kosten (GE)

400 73 70 91 150 264 239

Benötigte FTE im Monat

5

4

2

320 0 0 0 0 0 320 1.280.000

1

3

800 1.500 2.450 3.950 6.450 8.950

= 571 * 100 = 57.100

= 0 + 880 - 800 = 80 = 80 + 800 - 700 = 180 = 180 + 840 - 950 = 70 …

400 80 80 80 167 238 238

Bestand FTE Bedarf kum.

= 316.000 + 1.280.000 + 57.100 = 1.653.100

0 0 0 87 71 0 158 316.000

Fire

LP-Ergebnis Hire

4

8

7

6

880 800 840 1.670 2.261 2.499

Leistung

5

880 1.680 2.520 4.190 6.451 8.950 Summe Kosten (GE)

Lstg. Kum.

6

7

80 180 70 240 1 0 571 57.100

Bestand

Abb. 3.9  Rechenbeispiel zur aggregierten Produktionsplanung: Optimale Strategie (eigenes Beispiel nach Nahmias 2005, S. 117–133)

= 0 + 800 = 800 = 800 + 700 = 1.500 …

= 158 * 2.000 = 316.000 = 320 * 4.000 = 1.280.000

1

22 20 21 20 19 21 123

Dez Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Summe

= 400 - 320 = 80 = 80 + 87 = 167 = 167 + 71 = 238

AT

Monat

Strategie: LP

8

1.653.100

Summe

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail 181

182

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

passungs- und Bestandskosten. Die optimale Lösung zeigt, dass die intuitiv gewählte Mixed-­Strategie eine relativ gute Lösung darstellt.

3.3.1.4  L  ineare Programmierung: Einführung und Einsatz in der Produktionsplanung Überblick Die Lineare Programmierung (kurz: LP, auch Lineare Optimierung) ist ein wichtiges Verfahren des Operations Research. Unter einem Linearen Optimierungs-/Programmierungsproblem versteht man die Aufgabe, eine lineare Zielfunktion unter Beachtung von linearen Nebenbedingungen (Gleichungen und Ungleichungen) und – zumeist – unter Berücksichtigung von Nichtnegativitätsbedingungen zu maximieren oder zu minimieren (Domschke et al. 2015, S. 17–18). Die Lineare Programmierung eignet sich besonders gut für Problemstellungen der Produktionsprogrammplanung, da es häufig darum geht, lineare Zielfunktionen (Produktionskostenfunktionen, Deckungsbeitragsfunktionen etc.) zu optimieren (Maximierung bzw. Minimierung), wobei Ressourcen, Kapazitäten, Kundennachfragen etc. den Handlungsraum (Lösungsraum) begrenzen. Der Einsatz der Linearen Programmierung zur Unterstützung von Entscheidungen der Produktionsprogrammplanung soll anhand eines Beispiels erklärt werden (siehe Zusatzinformation „,Standardfall‘ der Linearen Programmierung“). Für eine Darstellung weiterführender Aspekte (Dualität, Nicht-lineare Optimierung, Ganzzahlige Optimierung etc.) wird auf die Ausführungen von Domschke et al. (2015) verwiesen.

„Standardfall“ der Linearen Programmierung

Die folgenden Erklärungen beschränken sich auf den „Standardfall“ der Linearen Programmierung. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass … a. sämtliche Entscheidungsvariablen und Modell-Parameter kontinuierlich sind. Das bedeutet, dass Problemstellungen, bei denen die Ganzzahligkeit der Entscheidungsvariablen gefordert wird, hier nicht weiter betrachtet werden. b. sämtliche Gleichungen des Modells lineare Funktionen darstellen. Das bedeutet, dass die Entscheidungsvariablen nur additiv miteinander verknüpft sein dürfen bzw. dass sie keine Exponenten ungleich 1 oder 0 haben. Auch wenn diese Forderungen die Möglichkeiten der Linearen Programmierung einschränken, so kann damit dennoch eine sehr große Anzahl realer Problemstellungen abgebildet und gelöst werden.

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

cc

183

Im Übungsbuch Produktionswirtschaft finden Sie in Kap. 5 eine Auswahl an Übungsaufgaben zur linearen Programmierung und zur Auswertung von Antwort- und Sensitivitätsberichten. Maximilian Lukesch und Florian Kellner, Übungsbuch Produktionswirtschaft, 2019, erschienen bei Springer Gabler, 2019; eBook ISBN: 9783-662-57689-2, Softcover ISBN: 978-3-662-57688-5.

Einsatz der Linearen Programmierung in der Produktionsplanung: Rechenbeispiel Ausgangssituation Um die Vorgehensweise der Linearen Programmierung kennenzulernen, ist es sinnvoll, ein Beispiel zu betrachten. Das Beispielunternehmen produziert und verkauft zwei Produkte: Mobiltelefone (Handys) und Tablet-Computer (Tablets). Den Stücklisten und Arbeitsplänen können folgende Informationen entnommen werden: • Für die Herstellung eines Handys werden 100 Mengeneinheiten (ME) Kunststoff und 80 ME Metall benötigt. Für ein Tablet müssen 220 ME Kunststoff und 80 ME Metall zur Verfügung stehen. • Die Produktion eines Handys dauert 40 Minuten, die Herstellung eines Tablets nur 15 Minuten. • Der Verkauf eines Handys führt zu einem Stückdeckungsbeitrag (DB) von 240 Euro, ein Tablet zu einem Stückdeckungsbeitrag von 270 Euro. • Die Produktionsressourcen Kunststoff, Metall und die verfügbaren Arbeitsstunden sind im Planungszeitraum beschränkt: Es stehen insgesamt 12.000 ME Kunststoff, 5000 ME Metall und 30 Arbeitsstunden (= 1800 Minuten) zur Verfügung. Tab. 3.1 fasst die Ausgangsdaten des Rechenbeispiels zusammen. Zielfunktion und Nebenbedingungen Wird von einer unbegrenzt hohen Nachfrage nach Mobiltelefonen und Tablet-Computern ausgegangen, so lautet die Frage nach dem deckungsbeitragsmaximalen ProduktionsproTab. 3.1  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Ausgangsdaten (eigenes Beispiel)

Kunststoff (ME) Metall (ME) Arbeitsminuten Stückdeckungsbeitrag (Euro)

Verbrauch pro 1 ME Handy (Produkt 1) 100 80 40 240

Verbrauch pro 1 ME Tablet (Produkt 2) 220 80 15 270

Im Planungszeitraum verfügbare Menge 12.000 5000 1800

184

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

gramm: Wie viele Handys (Produkt 1) und Tablets (Produkt 2) sollten – angesichts der Ressourcensituation, angesichts der Faktorverbräuche und angesichts der Stückdeckungsbeiträge – hergestellt werden, damit der Gesamtdeckungsbeitrag maximiert wird? Um diese Frage zu beantworten, werden zwei Schritte vollzogen: 1. Der betriebswirtschaftliche Sachverhalt wird in ein mathematisches Gleichungssystem, bestehend aus einer oder mehreren linearen Zielfunktionen und einer oder mehreren linearen Gleichungen und Ungleichungen, die den Lösungsraum einschränken, überführt. 2.  Das formal dargestellte Problem wird mithilfe eines geeigneten Lösungsverfahrens gelöst. Der erste Schritt bei der Lösung eines Linearen Optimierungsproblems besteht also in der formalen Darstellung des Optimierungsproblems. Im Beispielfall soll der Gesamtdeckungsbeitrag maximiert werden. Die Zielfunktion lautet daher folgendermaßen:

Zielfunktion

max → 240 × x1 + 270 × x 2

(Gl. 3.1)

Dabei steht x1 für die Menge, die von Produkt 1 (Handys) hergestellt wird, und x2 für die Produktionsmenge von Produkt 2 (Tablets). Das heißt, ohne zu wissen, wie hoch der Gesamtdeckungsbeitrag im Optimum sein wird, wird zunächst die Funktion aufgestellt, die den Deckungsbeitrag errechnet. Dasselbe wird für den Ressourceneinsatz gemacht: 100 × x1 + 220 × x 2

(Gl. 3.2)

Metall

80 × x1 + 80 × x 2

(Gl. 3.3)

Arbeitsminuten

40 × x1 + 15 × x 2

(Gl. 3.4)



Kunststoff



Die Gleichungen Gl. 3.2, Gl. 3.3 und Gl. 3.4 berechnen den Faktorverbrauch der einzelnen Ressourcen. Der Faktorverbrauch im deckungsbeitragsmaximalen Produktionsprogramm ist zu diesem Zeitpunkt noch unbekannt. Wie hoch dieser in Abhängigkeit des gewählten Produktionsprogramms sein wird, kann jedoch durch die Gleichungen Gl. 3.2, Gl. 3.3 und Gl. 3.4 ausgedrückt werden. Als nächstes werden die Faktorverbräuche „Kunststoff“, „Metall“ und „Arbeitsstunden“ um die Ressourcenbeschränkungen ergänzt. Diese stellen die Nebenbedingungen des Optimierungsproblems dar: 100 × x1 + 220 × x 2 ≤ 12.000

(Gl. 3.5)

Metall

80 × x1 + 80 × x 2 ≤ 5000

(Gl. 3.6)

Arbeitsminuten

40 × x1 + 15 × x 2 ≤ 1800

(Gl. 3.7)



Kunststoff



3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

185

In den Nebenbedingungen wird die linke Seite der (Un-)Gleichung als die Linke-Hand-­ Seite (LHS) und die rechte Seite der (Un-)Gleichung als die Rechte-Hand-Seite (RHS) bezeichnet. Die LHS berechnet den Faktorverbrauch. Die RHS schränkt die (Un-)Gleichung auf einen bestimmten Wertebereich ein. Schließlich wird das Modell noch um den Wertebereich der Entscheidungsvariablen ergänzt. Da nur eine positive Anzahl an Mobiltelefonen und Tablet-Computern produziert werden kann und nur mit kontinuierlichen Entscheidungsvariablen gerechnet werden soll, ergeben sich die folgenden zusätzlichen Nebenbedingungen:

Wertebereich x1

x1 ≥ 0

(Gl. 3.8)



Wertebereich x 2

x2 ≥ 0

(Gl. 3.9)

Damit ist das Modell vollständig spezifiziert: Zielfunktion

Maximiere DB

max → 240 × x1 + 270 × x 2

(Gl. 3.10)

Unter den Nebenbedingungen

Kunststoff

100 × x1 + 220 × x 2 ≤ 12.000

(Gl. 3.11)



Metall

80 × x1 + 80 × x 2 ≤ 5000

(Gl. 3.12)



Arbeitsminuten

40 × x1 + 15 × x 2 ≤ 1800

(Gl. 3.13)



Wertebereich x1

x1 ≥ 0

(Gl. 3.14)



Wertebereich x 2

x2 ≥ 0

(Gl. 3.15)

Lösungsverfahren Nach der mathematischen Darstellung des betriebswirtschaftlichen Sachverhalts besteht der zweite Teil der Bearbeitung eines Linearen Optimierungsproblems in der Lösung der formal dargestellten Problemstellung mittels eines geeigneten Lösungsverfahrens. Hierfür kann auf mehrere Verfahren zurückgegriffen werden (vgl. Domschke et al. 2015, S. 17–70). Im Folgenden werden drei typische Ansätze vorgestellt: 1. Grafische Lösung: Dieses Verfahren ist zwar nur unter eingeschränkten Voraussetzungen einsetzbar, eignet sich aber gut zur Veranschaulichung der mathematischen Pro­ blemstellung und ihrer Lösung. 2. Simplex-Algorithmus: Der Simplex-Algorithmus zählt zu den Standardverfahren zur Lösung Linearer Optimierungsprobleme. 3. Die Lösung mittels Standard-Software und die Interpretation der Lösungsberichte.

186

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Grafische Lösung von Linearen Optimierungsproblemen Überblick Die grafische Lösung zeigt die Vorgehensweise zur Lösung linearer Optimierungsprobleme in anschaulicher Weise (Nahmias 2005, S. 159–165; Thonemann 2015, S. 611–616; s. auch Domschke et al. 2015, S. 18–20). Ihr größter Nachteil ist es, dass sie nur für Pro­ blemstellungen mit zwei Entscheidungsvariablen (bspw. zwei Produkte) eingesetzt werden kann. In realen Problemstellungen müssen aber oftmals mehrere tausend Entscheidungsvariablen verarbeitet werden. Die Idee der grafischen Lösung ist es, zunächst den Lösungsraum, d. h. die Menge an Lösungen, in der alle Nebenbedingungen berücksichtigt werden, zu bestimmen. In einem zweiten Schritt wird dann aus der Menge der zulässigen Lösungen die optimale identifiziert. Der Ausgangspunkt zur Beschreibung des Lösungsraums ist ein zweidimensionales Koordinatensystem. Auf der Abszisse wird die Menge abgetragen, die von Produkt 1 produziert wird. Auf der Ordinate wird die Menge abgetragen, die von Produkt 2 hergestellt wird (Abb. 3.10). Es ist nur der erste Quadrant des Koordinatensystems relevant, da lediglich positive Mengen von Mobiltelefonen und Tablet-Computern produziert werden können. Schritt 1: Nebenbedingungen Im ersten Schritt werden die Nebenbedingungen nacheinander in das Koordinatensystem eingezeichnet. Dazu werden die Ungleichheitszeichen (≤, ≥) der einzelnen Nebenbedingungen gedanklich durch ein Gleichheitszeichen (=) ersetzt. Die Entscheidungsvariablen werden dann nacheinander auf 0 gesetzt und nach der jeweils anderen Entscheidungsvariable aufgelöst: Dieser Schritt ergibt die Menge von Produkt 1 bzw. Produkt 2, die hinsichtlich der gerade betrachteten Nebenbedingung maximal produziert werden kann. Kunststoff

Metall

Arbeitsminuten

140 120 100 80 x2

Lösungsraum

60 40 20 0 0

20

40

60

80

100

120

140

x1

Abb. 3.10  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Grafische Lösung, Schritt 1 (eigene Darstellung)

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

187

Wird im obigen Beispiel nur die Nebenbedingung „Kunststoff“ berücksichtigt, können maximal 120 Handys produziert werden – nämlich genau dann, wenn 0 Tablets in Produktion gehen (12.000/100).

100 × x1 + 220 × 0 = 12.000

→

x1 =

12.000 = 120 100

(Gl. 3.16)

Andersrum können maximal 54,55 Tablets hergestellt werden (12.000/220). Dies ist aber nur dann der Fall, wenn 0 Handys hergestellt werden.

100 × 0 + 220 × x 2 = 12.000

→

x2 =

12.000 = 54, 55 (Gl. 3.17) 220

Durch die Verbindung der beiden Punkte (120; 0) und (0; 54,55) werden alle Produktionsprogramme auf einer Linie dargestellt, die mit einem Faktorverbrauch an Kunststoff von genau 12.000 ME einhergehen. Da aber nicht nur Produktionsprogramme gültig sind, die zu einem Faktorverbrauch von 12.000  ME führen, sondern auch Programme gültig sind, die weniger als 12.000  ME Kunststoff verbrauchen, befindet sich der zulässige ­Bereich links unterhalb der eingezeichneten Geraden. Mit den anderen beiden Nebenbedingungen „Metall“ und „Arbeitsminuten“ wird analog verfahren. Nach dem Einzeichnen aller Nebenbedingungen befindet sich der zulässige Bereich links unterhalb aller Nebenbedingungsgeraden (siehe Zusatzinformation „Konvexes Lösungspolytop“). Dieser beinhaltet alle Kombinationen der Entscheidungsvariablen, durch die keine Restriktion verletzt wird. In Abb. 3.10 ist der zulässige Bereich schraffiert gekennzeichnet.

Konvexes Lösungspolytop

Der sich aus den Nebenbedingungen ergebende Raum hat die Form eines konvexen Polytops, d.  h. eines durchgehend nach außen gebeulten Vielecks. Das bedeutet, dass innerhalb dieses Raums jeder Punkt mit jedem anderen Punkt auf einer direkten Verbindungslinie erreicht werden kann, ohne dass dabei der Raum verlassen wird (Abb. 3.11). Die konvexe Form des Lösungsraums ist für viele Lösungsverfahren eine notwendige Voraussetzung, das globale Optimum mit Sicherheit finden zu können, und sich nicht in einem lokalen Optimum festzusetzen.

Schritt 2: Isoquantenverschiebung Innerhalb des identifizierten Lösungsraums ist nun derjenige Punkt zu identifizieren, der die Zielfunktion maximiert. Dabei kann die Suche auf die Eckpunkte des Lösungsraums beschränkt werden, da sich die Optimallösung immer in einer der Ecken des Lösungsraums befindet (Domschke et al. 2015, S. 24; Dantzig 1966; Dantzig und Jaeger 2013). Auf dieser Erkenntnis basiert u. a. die Vorgehensweise des Simplex-Algorithmus.

188

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

x

x

y

y

Abb. 3.11  Konvexe (links) und konkave Menge (rechts) (eigene Darstellung) Kunststoff

Metall

Arbeitsminuten

Isoquanten

130 110

Isoquantenverschiebung

90 70 x2

Zielwert 16.438 (= Optimum) bei x1 = 14,58, x2 = 47,91

50 30 10 -10 -10

10

30

50

70

90

110

130

x1

Abb. 3.12  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Isoquantenverschiebung in der grafischen Lösung (eigene Darstellung)

Bei der grafischen Lösung wird der optimale Punkt durch das Verschieben der Zielfunktionsgeraden ermittelt. Die Zielfunktionsgerade ist eine Gerade durch den Koordinatenursprung, die als Steigung das Verhältnis der beiden Entscheidungsvariablen aufweist. Im vorliegenden Beispiel würde es sich hierbei um die Steigung (−240/270) handeln. Zum Auffinden der deckungsbeitragsmaximalen Kombination wird diese Gerade vom Koordinatenursprung nun so lange parallel nach „rechts oben“ verschoben, bis sie den zulässigen Bereich gerade noch berührt (Tangente). Dieser Schritt wird als Isoquantenverschiebung bezeichnet (Abb. 3.12). Die sich in dieser Ecke ergebenden Mengen von Produkt 1 und Produkt 2 stellen das deckungsbeitragsmaximale Produktionsprogramm dar, das alle vorgegebenen Nebenbedingungen erfüllt. Im vorliegenden Beispiel wären dies x1 = 14,58 Einheiten und x2 = 47,91 Einheiten bei einem Zielwert von (14,58 * 240 + 47,91 * 270 =) 16.438 Euro.

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

189

Würde es sich bei dem vorliegenden Problem um ein Minimierungsproblem handeln, würde die Gerade so lange parallel nach „links unten“ verschoben, bis sie den zulässigen Bereich gerade noch berührt. Simplex-Algorithmus (kurze Darstellung) Überblick Beinhaltet das Optimierungsproblem mehr als zwei Entscheidungsvariablen, kann es grafisch nicht mehr gelöst werden. Es muss dann auf andere Lösungsverfahren zurückgegriffen werden. Eines der meist eingesetzten Verfahren zur Lösung Linearer Optimierungsprobleme ist der Simplex-Algorithmus. Im Folgenden wird die verkürzte Darstellung dieses Lösungsverfahrens beschrieben (vgl. Homburg 2013, S.  525–552; Zäpfel 1982, S.  335–343), die sich von der klassischen Variante (vgl. Domschke et  al. 2015, S. 26–36) durch den verkürzten Aufbau des Simplex-Tableaus unterscheidet. Der Simplex-Algorithmus ist ein iteratives Verfahren, das die Erkenntnis nutzt, dass sich die optimale Lösung eines Linearen Optimierungsproblems immer in einer Ecke des konvexen Lösungsraums befindet (siehe Zusatzinformation „Lokales Optimum“). Dabei prüft das Verfahren iterativ eine Lösungsraumecke nach der anderen. Ausgehend von der aktuell betrachteten Ecke wird immer zu einer benachbarten übergegangen. Dieses Vorgehen wird so lange fortgesetzt, bis sich beim Übergang von einer Ecke zur nächsten keine Verbesserung des Zielfunktionswertes mehr ergibt.

Lokales Optimum

Würden die Nebenbedingungen einen nicht-konvexen Lösungsraum beschreiben, könnte es zu einer Situation kommen, in der sich der Zielfunktionswert erst verschlechtern muss, bevor das globale Optimum erreicht wird. Man spricht dann auch von einem lokalen Optimum. In einem solchen Fall wird der Simplex-Algorithmus das globale Optimum nicht finden. Das bedeutet, dass der Simplex-Algorithmus nur zur Lösung von Optimierungsproblemen mit konvexen Lösungsräumen eingesetzt werden kann.

In der Regel identifiziert der Simplex-Algorithmus die optimale Ecke relativ schnell, d.  h., es muss typischerweise nur eine geringe Anzahl der vorhandenen Ecken des Lösungsraums geprüft werden. Der Übergang von einer Ecke zur nächsten wird als (Ecken-) Austauschschritt bezeichnet. Allgemeiner Ablauf Der Simplex-Algorithmus beginnt mit der Überführung eines gegebenen Optimierungsproblems in die sogenannte Standardform. Die Standardform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfunktion eine Minimierungsfunktion ist und dass sämtliche Nebenbedingungen als Gleichungen dargestellt werden.

190

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

• Ist das Ursprungsproblem ein Maximierungsproblem, so kann es in ein Minimierungsproblem überführt werden, indem die Zielfunktion mit −1 multipliziert wird. Ist das Ausgangsproblem bereits ein Minimierungsproblem, so muss an der Zielfunktion nichts verändert werden. • Die Ungleichungen der Nebenbedingungen können in Gleichungen überführt werden, indem für jede Nebenbedingung eine Schlupfvariable eingeführt wird, die mathematisch den Ausgleich von der Ungleichung zur Gleichung bringt. Im Kontext der Produktionsplanung werden sie interpretiert als „ungenutzte Kapazitäten“ oder „Puffer“. Schlupfvariablen werden im Folgenden mit dem Buchstaben y gekennzeichnet. Für den obigen Beispielfall bedeutet das Folgendes: Ursprungsform Zielfunktion max → 240x1 + 270x2 Unter den Nebenbedingungen Kunststoff 100x1 + 220x2 ≤ 12.000 Metall      80x1 + 80x2 ≤ 5000 Arbeitsminuten 40x1 + 15x2 ≤ 1800 Wertebereich x1 x1 ≥ 0 Wertebereich x2 x2 ≥ 0

Standardform Zielfunktion min →  − 240x1 − 270x2 Unter den Nebenbedingungen Kunststoff 100x1 + 220x2 + y1 = 12.000 Metall      80x1 + 80x2 + y3 = 5000 Arbeitsminuten 40x1 + 15x2 + y2 = 1800 Wertebereich x1 x1 ≥ 0 Wertebereich x2 x2 ≥ 0

Aufbau des Simplex-Start-Tableaus Das in Standardform gebrachte Optimierungsproblem kann anschließend in das Simplex-­ Tableau übertragen werden. Der Aufbau des Simplex-Tableaus ist in Abb.  3.13 beschrieben. Die Bedeutung der einzelnen Felder in Abb.  3.13 kann folgendermaßen beschrieben werden:

(2) Nicht-Basis-Variablen

(1) BasisVar.

(3) Koeffizienten der Basis-Variablen der Nebenbedingungen

(4) Akt. Größen der BasisVar.

(5) Reduzierte Zielfunktionskoeffizienten (Zielfunktion = ZF)

(6) Akt. ZFWert

Abb. 3.13  Aufbau des Simplex-Tableaus (eigene Darstellung)

(7) Hilfsspalte

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

191

• In Feld 1  in befinden sich die sogenannten Basisvariablen. Auf den Ausprägungen dieser Variablen basiert der aktuelle Zielfunktionswert. Für das Simplex-Start-Tableau werden hier die Schlupfvariablen y1, y2 … yn eingetragen. Die Ausprägungen der Basisvariablen stehen in Feld 4. Im Start-Tableau sind das die Werte der RHS der Nebenbedingungen. • In Feld 2 befinden sich die Nicht-Basisvariablen. Findet sich eine Variable in diesem Feld, so nimmt sie für die aktuelle Iteration den Wert 0 an. Im Start-Tableau stehen hier die Entscheidungsvariablen x1, x2 … xn. Da Nicht-Basisvariablen mit 0 gleichzusetzen sind, befindet sich der Simplex-Algorithmus im Start-Tableau im Punkt x1 = 0, x2 = 0 … xn = 0. Dementsprechend hat auch der Zielfunktionswert, der in Feld 6 eingetragen ist, im Start-Tableau den Wert 0 („Es wird nichts produziert“). • Feld 3 beinhaltet im Start-Tableau die Ressourcenverbräuche der Ausprägungen der Entscheidungsvariablen hinsichtlich der einzelnen Nebenbedingungen. • In Feld 5 werden die Zielfunktionskoeffizienten eingetragen. • Schließlich hat jedes Simplex-Tableau noch eine Hilfsspalte (Feld 7), die in den einzelnen Iterationsschritten dazu dient, die Ecke zu bestimmen, zu der im nächsten Schritt übergegangen wird. Für das Rechenbeispiel ergibt sich das Start-Tableau in Abb. 3.14. Iterationen Ausgehend vom Start-Tableau werden die nachfolgenden Schritte iterativ durchgeführt, bis die optimale Ecke identifiziert ist. 1. Prüfung auf Optimalität Es wird geprüft, ob die aktuelle Ecke die optimale ist. Dies ist daran zu erkennen, dass sich in Feld 5 keine negativen Zahlen mehr befinden. Ist die optimale Ecke identifiziert, endet das Verfahren und es kann mit der Interpretation des End-Tableaus begonnen werden. Das Start-Tableau im Beispielfall entspricht noch nicht der optimalen Lösung, da sich zwei negative Werte in Feld 5 befinden. 2. Prüfung auf Lösbarkeit Nun ist zu prüfen, ob das Optimierungsproblem lösbar ist. Ein Lineares Optimierungsproblem ist bspw. dann nicht lösbar, wenn sich Nebenbedingungen gegenseitig ausschließen oder wenn es unendlich viele optimale Lösungen gibt. Dass ein Problem nicht lösbar ist, kann daran erkannt werden, dass in Feld 5 eine negative Zahl steht und in allen Zellen derselben Spalte in Feld 3 ebenfalls nur negative Zahlen stehen. Das Beispielproblem ist lösbar. Abb. 3.14  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Start-Tableau des Simplex-­ Algorithmus (eigene Darstellung)

Starttableau

x1

x2

RHS

y1

100,00

220,00

12000,00

y2

80,00

80,00

5000,00

y3

40,00

15,00

1800,00

-240,00

-270,00

0,00

Hilfsspalte

192

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

3. Eckenaustauschschritt Ist die optimale Ecke noch nicht gefunden und ist das Problem lösbar, wird ein Eckenaustauschschritt vorgenommen. Das bedeutet, dass ausgehend von der aktuellen Ecke zu einer der angrenzenden Ecken übergegangen wird. Dabei wird die Ecke gewählt, die die stärkste Verbesserung des Zielfunktionswertes verspricht (es handelt sich um ein sogenanntes „Greedy“-Verfahren, d. h. ein „gieriges“ Verfahren). Der Übergang von einer Ecke zur nächsten wird im Simplex-Tableau durch den Tausch einer Basis- gegen eine Nicht-Basisvariable repräsentiert. Es wird also bestimmt, welche aktuelle Basisvariable die Basis verlässt und welche aktuelle Nicht-Basisvariable in die Basis kommen soll. Welche Nicht-Basis- mit welcher Basisvariablen vertauscht wird, bestimmt das Pivot-Element (franz. „pivoter“ = „sich drehen“). Wurden die beiden Variablen vertauscht, wird das aktuelle Simplex-Tableau transformiert, d.  h., alle Werte des Simplex-­Tableaus werden an die neue Ecke angepasst: 1. Bestimmung des Pivot-Elements (Abb. 3.15): • Zunächst wird die Pivotspalte bestimmt. Die Pivotspalte ist diejenige mit der kleinsten negativen Zahl in Feld 5. Idee ist es, diejenige Nicht-Basisvariable in die Basis aufzunehmen, die pro realisierter Mengeneinheit die größte Verbesserung des Zielfunktionswertes bewirkt. • Daran anschließend wird die Pivotzeile bestimmt. Die Pivotzeile ist diejenige Zeile, bei der der Quotient aus dem Wert in Feld 4 und dem entsprechenden Wert in der Pivotspalte den kleinsten positiven Wert aufweist. Die Quotienten werden in die Hilfsspalte eingetragen. Die Idee ist es, zu bestimmen, wie viele Einheiten von der aktuellen Nicht-Basisvariablen maximal in die Basis aufgenommen werden können, damit sich die Lösung noch im zulässigen Bereich befindet. • Das Pivot-Element befindet sich im Schnittpunkt von Pivotzeile und -spalte. 2. Nun wird die der Pivotzeile bzw. -spalte korrespondierende Nicht-Basisvariable gegen die entsprechende Basisvariable getauscht (Abb. 3.16). Bestimme Pivot-Element

x1

x2

RHS

Hilfsspalte

y1

100,00

220,00

12000,00

54,55

y2

80,00

80,00

5000,00

62,50

y3

40,00

15,00

1800,00

120,00

-240,00

-270,00

0,00

Abb. 3.15  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Bestimmung des Pivot-Elements im Simplex-Algorithmus (eigene Darstellung) Abb. 3.16  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Variablentausch im Simplex-­ Algorithmus (eigene Darstellung)

x1

y1

RHS

Hilfsspalte

x2

100,00

220,00

12000,00

54,55

y2

80,00

80,00

5000,00

62,50

y3

40,00

15,00

1800,00

120,00

-240,00

-270,00

0,00

Variablentausch

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail Schritt s

Hilfsspalte

193

x1

y1

RHS

x2

b

a

b

Schritt s+1

x1

y1

RHS

x2

b/a

1/a

b/a

y2

d

c

d

y2

y3

d

c

d

y3

d

c

d

Hilfsspalte

d-bc/a -c/a d-bc/a d-bc/a -c/a d-bc/a d-bc/a -c/a d-bc/a

Abb. 3.17  Umformung des Simplex-Tableaus (eigene Darstellung)

3. Die Transformation des Simplex-Tableaus schließt den Ecken-Austauschschritt ab. Die Transformation des Simplex-Tableaus erfolgt nach einem festgelegten Schema (Abb. 3.17): • Das Pivot-Element a wird mit 1/a ersetzt. • Alle Elemente der Pivotzeile b werden mit b/a ersetzt. • Alle Elemente der Pivotspalte c werden mit −c/a ersetzt. • Alle übrigen Elemente d werden gemäß der „Rechtecksregel“ ersetzt (siehe Zusatz­ information „Rechtecksregel“): d−[(b×c)/a]. Dabei sind für b und c immer die Werte aus der Pivotzeile und -spalte zu nehmen, die zusammen mit dem Pivot-­ Element und d ein Rechteck bilden.

Rechtecksregel

Erfahrungsgemäß ist die Rechtecksregel vielen Studierenden nicht sofort eingängig. Deshalb soll sie im Folgenden am Übergang vom Starttableau des vorangegangenen Beispiels zum nächsten Tableau erklärt werden. Die Anwendung der Rechtecksregel wird für zwei Zellen durchgeführt (Abb. 3.18). In der oberen Hälfte von Abb. 3.18 wird die Rechtecksregel für die dunkelgrau hinterlegte Zelle mit dem Wert 0,00 angewandt, denn diese Zelle befindet sich weder in der Pivot-Zeile noch in der Pivot-Spalte (das Pivot-Element ist die hellgrau hinterlegte Zelle mit dem Wert 220,00). Nach dem Ecken-Austauschschritt ergibt sich für die dunkelgrau hinterlegte Zelle der Wert 14.272,27. Um diesen Wert zu berechnen wird die Formel d−[(b×c)/a] angewendet: • d ist der ursprüngliche Wert der Zelle (0,00, dunkelgrau hinterlegt). • a ist das Pivot-Element (220,00, hellgrau hinterlegt). • b ist der Wert aus der Pivotzeile, der benötigt wird, um aus d und a ein Rechteck zu bilden. Im Beispiel ist das die dick umrandete Zelle mit dem Wert 12.000,00. • c ist der Wert aus der Pivotspalte, der benötigt wird, um aus d und a ein Rechteck zu bilden. Im Beispiel ist das die dick umrandete Zelle mit dem Wert −270,00. • So ergibt sich für die Formel 0 − (12.000 * (−270))/220 = 14.727,27. In der unteren Hälfte von Abb. 3.18 wird die Rechtecksregel für die dunkelgrau hinterlegte Zelle mit dem Wert 80,00 angewandt, denn auch diese Zelle befindet sich weder in der Pivot-Zeile noch in der Pivot-Spalte. Nach dem Ecken-­Austauschschritt ergibt sich für die dunkelgrau hinterlegte Zelle der Wert 43,64.

194

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Variablentausch Beispielrechnung 1

Hilfsspalte

Schritt Start +1

x1

y1

RHS

Hilfsspalte

x2

100,00

x1

220,00 12000,00

y1

54,55

x2

0,45

0,005

54,55

120,00

y2

80,00

80,00

5000,00

62,50

y2

43,64

-0,36

636,36

14,58

y3

40,00

15,00

1800,00

120,00

y3

33,18

-0,07

981,82

29,59

-240,00 -270,00

Beispielrechnung 2

0,00

14727,27

Hilfsspalte

Schritt Start +1

x1

y1

RHS

Hilfsspalte

100,00

220,00 12000,00

54,55

x2

0,45

0,005

54,55

120,00

y2

80,00

80,00

5000,00

62,50

y2

43,64

-0,36

636,36

14,58

y3

40,00

15,00

1800,00

120,00

y3

33,18

-0,07

981,82

29,59

x1

-240,00 -270,00

RHS

-117,27 1,23

x2

Variablentausch

y1

RHS

0,00

-117,27 1,23

14727,27

Abb. 3.18  Beispiele: Rechtecksregel (eigene Darstellung)

• In diesem Fall hat d den Wert 80,00. • a ist wieder das Pivot-Element (220,00, hellgrau hinterlegt). • b ist der Wert aus der Pivotzeile, der benötigt wird, um aus d und a ein Rechteck zu bilden. Im Beispiel ist das die dick umrandete Zelle mit dem Wert 100,00. • c ist der Wert aus der Pivotspalte, der benötigt wird, um aus d und a ein Rechteck zu bilden. Im Beispiel ist das die dick umrandete Zelle mit dem Wert 80,00. • So ergibt sich für die Formel 80 − (100 * 80)/220 = 43,64.

In Abb.  3.19 werden die restlichen Eckenaustauschschritte für das Rechenbeispiel gezeigt. Aufbau und Interpretation des Simplex-End-Tablaus Das Simplex-Tableau „Start +2“ ist das End-Tableau (Abb. 3.19). Das ist daran zu erkennen, dass sich in Feld 5 nur noch Werte befinden, die größer oder gleich null sind. Das End-Tableau kann daraufhin betriebswirtschaftlich interpretiert werden. Dabei sind die Randzeilen und -spalten von besonderer Relevanz. Zielfunktionswert In Feld 6 steht der Zielfunktionswert im Optimum. Im Beispielfall werden 16.437,50 Euro Deckungsbeitrag generiert. Mehr ist angesichts der Ressourcenausstattung, der Faktorverbräuche und der Stückdeckungsbeiträge der Handys und Tablets nicht möglich. Basisvariablen Bei der Interpretation der Basisvariablen ist zu unterscheiden, ob es sich um Entscheidungsvariablen oder Schlupfvariablen handelt.

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail Schritt Start +1

x1

y1

x2

0,45

y2

43,64 33,18 -117,27

y3

Schritt Start +2

195 RHS

Hilfsspalte

0,005

54,55

120,00

-0,36

636,36

14,58

-0,07

981,82

29,59

1,23

14727,27

y2

y1

RHS

-0,01

0,01

47,92

x1

0,02

-0,01

14,58

y3

-0,76

0,21

497,92

2,69

0,25

16437,50

x2

Hilfsspalte

Abb. 3.19  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Restliche Eckenaustauschschritte (eigene Darstellung)

• Handelt es sich um Entscheidungsvariablen, so wird das Produktionsprogramm mit den Werten in Feld 4 interpretiert. Im Beispielfall ist das Produktionsprogramm x1 = 14,58 und x2 = 47,92 deckungsbeitragsoptimal. • Handelt es sich um Schlupfvariablen, so können die korrespondierenden Werte in Feld 4 als „Puffer“ oder „ungenutzte Kapazitäten“ gedeutet werden. Für das Beispiel bedeutet das, dass 497,92 Arbeitsminuten im deckungsbeitragsmaximalen Produktions­ programm nicht verwendet werden und „übrig bleiben“. In der grafischen Lösung (Abb.  3.10) ist dies daran zu erkennen, dass die entsprechende Nebenbedingung im Optimum nicht bindend ist, d. h., es gibt einen Puffer zwischen der optimalen Ecke und der Nebenbedingungsgeraden, die den Arbeitsminuten-Verbrauch repräsentiert. Nicht-Basisvariablen Bei der Interpretation der Nicht-Basisvariablen muss ebenso wie bei den Basisvariablen unterschieden werden, ob es sich um Entscheidungs- oder um Schlupfvariablen handelt. Alle Variablen, die sich im Simplex-End-Tableau nicht in der Basis befinden, werden mit 0 interpretiert: • Sollte im End-Tableau eine Entscheidungsvariable Nicht-Basisvariable sein, so ist es deckungsbeitragsoptimal, 0 ME von dem entsprechenden Produkt zu produzieren. Der entsprechende Wert in Feld 5 kann als reduzierte Kosten gedeutet werden. Reduzierte Kosten geben an, um wie viel der Zielfunktionskoeffizient (d. h. der aktuelle Stückdeckungsbeitrag des Produktes) zu gering ist, als dass es aus Sicht des Gesamtdeckungsbeitrages sinnvoll ist, dieses Produkt zu produzieren. Anders ausgedrückt: Wäre der Stückdeckungsbeitrag des Produkts, das sich im End-Tableau nicht in der Basis befindet, um mindestens x Geldeinheiten höher, würden im optimalen Produktionsprogramm mehr als 0 ME von ihm produziert.

196

3  Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

• Sollte im End-Tableau eine Schlupfvariable Nicht-Basisvariable sein, so zeigt dies an, dass im Optimum die vorhandene Menge der entsprechenden Ressource verbraucht wird. Das heißt, dass kein Puffer mehr zwischen der optimalen Ecke und der Nebenbedingungsgeraden besteht. Die Nebenbedingung ist im Optimum also bindend. Die zur Nebenbedingung gehörende Gerade ist dann eine Tangente zur optimalen Ecke des Lösungsraums. Auch im Fall von Schlupfvariablen in der Nicht-Basis kann eine Interpretation von Feld 5 erfolgen: Die hier stehenden Werte repräsentieren sogenannte Schattenpreise. Schattenpreise geben an, um wie viel der Zielfunktionswert (d. h. der Gesamtdeckungsbeitrag) ansteigen/abfallen würde, wenn eine ME der entsprechenden Ressource mehr/ weniger zur Verfügung stehen würde. Diese Interpretation ist bspw. dann relevant, wenn in Erwägung gezogen wird, zusätzliche ME dieser begrenzenden Ressource einzukaufen. Es ist somit nur dann vorteilhaft, zusätzliche Ressourcen zu beziehen, wenn ihr Einkaufspreis unter dem Schattenpreis liegt.

Einsatz von Standard-Software zur Lösung Linearer Optimierungsprobleme Überblick Zur Lösung mathematischer Optimierungsprobleme kann auf Standard-Software zurückgegriffen werden. Bekannte Produkte sind hier bspw. AMPL, GAMS, IBM ILog CPLEX und LINGO. Für kleinere Probleme mit bis zu 200 Entscheidungsvariablen kann auch auf den in MS Excel integrierten Solver zurückgegriffen werden. Dieser implementiert u. a. den Simplex-Algorithmus. Neben der Optimallösung generieren alle Standard-­ Solver sogenannte Antwortberichte und Sensitivitätsberichte, die für die Produktionsprogrammplanung wertvolle Informationen bereitstellen. Aufgrund der leichten Zugänglichkeit des MS-Excel-Solvers soll die Struktur der von ihm ausgegebenen Berichte im Folgenden vorgestellt werden (Thonemann 2015, S.  616–634; vgl. Nahmias 2005, S. 166–181). Beispieldarstellung Abb.  3.20 zeigt eine Möglichkeit, wie das beispielhafte Optimierungsproblem in MS Excel dargestellt werden kann und wie der MS-Excel-Solver zu parametrieren ist, um die Optimallösung für den Beispielfall zu berechnen. Nach Drücken des Knopfs „Lösen“ im MS-Excel-Solver-Dialog werden die veränderbaren Zellen, die die Entscheidungsvariablen beinhalten, auf die Optimal-Konfiguration gesetzt. In der Zelle, in der der Zielfunktionswert steht, steht dann der im Optimum erreichte Zielfunktionswert. Des Weiteren werden der Antwort- und der Sensitivitätsbericht generiert.

3.3 PPS: Planungs- und Steuerungsaufgaben im Detail

197

Abb. 3.20  Rechenbeispiel zur Linearen Programmierung: Excel-Solver (eigene Darstellung) Zielzelle (Max.) Zelle Name $E$81 Deckungsbeitrag Gesamt

Ursprünglicher Wert Lösungswert 0 16438

Variablenzellen Zelle Name $C$78 Produktionsmenge Handy $D$78 Produktionsmenge Tablet

Ursprünglicher Wert Lösungswert Integer 0 15 Fortlaufend 0 48 Fortlaufend

Nebenbedingungen Zelle Name $E$84 Kunststoff Verbrauch $E$85 Metall Verbrauch $E$86 Arbeitsminuten Verbrauch

Zellwert

Formel Status 12000 $E$84