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Intelligentes Produktionslayout

Layout

Intelligentes Produktionslayout

In der modernen Industrieproduktion versteht man unter dem englischen Begriff Layout die technische Planung der Anordnung verschiedenster Fabriken, Gebäude, Anlagen, Maschinen und Equipment.
Fabriklayout, Produktionslayout und Fertigungslayout als unverzichtbare Planungs-Tools in der modernen Industrie

Das Fabriklayout – die räumliche Planung von Fabrikanlagen

Demnach ist mit dem Begriff Fabriklayout die Planung der Anordnung von Objekten wie Maschinen, Arbeitsplätzen, Lüftungsanlagen, Kühlanlagen, Heizungen, Transportstraßen usw. in einer Fabrik oder einem Fabrikgebäude gemeint. Fabriklayout ist ein Anwendungsfall der Layout Optimierung unter Einbeziehung besonders spezieller Charakteristika.
Bei der Erstellung des Fabriklayout sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, abgesehen von den räumlichen Dimensionen der anzuordnenden Maschinen und technischen Anlagen:

  • Raumnutzung
  • Produktionsablauf
  • Transportwege
  • Materialfluss
  • Sicherheitsvorkehrungen für Produktion und Arbeitsplätze
  • einfache Umsetzbarkeit von zukünftigen Änderungen im Produktionsablauf

Vereinfacht gesagt soll das Fabriklayout die günstigste Raumnutzung bei optimalen Produktionsabläufen, Materialfluss und möglichst kurzen Transportwegen gewährleisten.

Dem Planer stellen sich dabei aber auch Hindernisse in den Weg. So können die spezifischen technischen Gegebenheiten einer Maschine unter Umständen einen etwas größeren Transportaufwand rechtfertigen. Gesetzliche Auflagen können unter Umständen größere räumliche Abstände erfordern oder die Planung zusätzlicher Sicherheitsvorkehrungen für die Arbeiter, die die Maschine später bedienen sollen. Und dann sind auch noch die örtlichen Besonderheiten des Betriebsgeländes und des Industriestandortes beim Fabriklayout zu berücksichtigen.

Höchstes Ziel ist es jedoch immer, alle Maschinen, technischen Anlagen, Arbeitsplätze usw. so anzuordnen, dass sie in der Produktion optimal genutzt werden können.
Um wettbewerbsfähig zu bleiben, sollen die Materialnutzung, die Produktion und der Transport von Material und Produkten sollen unter größtmöglicher Effizienz erfolgen.

Planung auch für die Zukunft – die vielfältigen Gesichtspunkte des Fabriklayout!

 

Daher ist beim Fabriklayout zunächst von den geometrischen Abmessungen der einzelnen Maschinen und technischen Anlagen auszugehen. Länge, Breite und Höhe der Maschinen , Arbeitsradius beweglicher Teile und die dreidimensionale Anordnung von Kühlung, Abluft, Abgasen, Heizung usw. geben den Grundriss vor.
Daneben sind auch die momentanen und künftigen Produktions- und Arbeitsabläufe bei der Anordnung der Produktionsmaschinen zu berücksichtigen. Maschinen, zwischen denen ein intensiver innerbetrieblicher Transport stattfindet oder die in der Produktionskette eng zusammenhängen, sollen natürlich auch räumlich nahe beieinander sein.

 

Werden von einem Unternehmen unterschiedliche Produkte hergestellt, wie etwa in Kunststofffabriken, Reedereien, Maschinenfabriken, etc., kann es vielleicht erforderlich sein, ganze Maschinen später wieder anders anzuordnen. Oder es ändert sich der Produktionsablauf und somit werden wieder andere Transportwege notwendig und ein anderer Materialfluss. Manchmal müssen mit der Annahme eines neuen Auftrages auch wieder neue Maschinen angeschafft werden. Diese müssen natürlich in den vorhandenen Maschinen-Pool integriert werden.
Dann müssen die vorhandenen Maschinen unter Umständen verschoben oder angepasst werden.

 

Auch solche “Zukunftsmusik” muss aber im ursprünglichen Fabriklayout bereits berückstichtigt werden. Der Planer muss sich also nicht Gedanken machen, wie er Maschinen, Kühlung, Abluft, Abfallentsorgung, Arbeitsplätze, Transportbänder, Lager und was sonst noch alles zur zukünftigen Fabrik gehört, jetzt anordnet.
Im Fabriklayout muss auch schon vorausgeplant werden, wie sich diese Anordnung in Zukunft wieder ändern lässt!
Daher ist das Fabriklayout kein statischer Plan, der einmal ausgearbeitet wird und dann eine Anordnung für den Rest ihres industriellen Lebens quasi zementiert. Vielmehr ist es wie ein Spielplan, auf dem die Spielfiguren (in diesem Fall die technischen Anlagen und Maschinen) je nach Spielverlauf ihre Position ändern können. Und diese Positionsänderungen muss das Fabriklayout ermöglichen, indem es den Raum für Veränderungen schafft oder offen lässt, Maschinen gleich am Beginn so anordnet, dass sie in ihrer Ausrichtung verändert werden können oder neue Maschinen dazu gestellt werden können. Vielleicht werden auch schon Anschlüsse für spätere Kühlsysteme oder Transportbänder eingeplant. Oder im Hochregallager werden bereits Möglichkeiten für einen vollautomatisierten Materialtransport geschaffen, obwohl dieser von den Betreibern zu Beginn noch nicht gefordert wird.

Die möglichen Änderungen in der Zukunft sind vielfältig und natürlich können nicht alle Möglichkeiten vorhergesehen und berücksichtigt werden. Solche späteren, nicht vorhergesehenen Änderungen können später in einem neuen Fertigungslayout geplant werden. Aber nichtsdestotrotz spielt die zukünftige Entwicklung im gegenwärtigen Fabriklayout eine wichtige Rolle.
Daher ist das Fabriklayout schon seiner Natur nach nicht nur auf räumliche und zeitliche Abläufe der momentanen Produktion in dieser Fabrik und die bloßen geometrischen Maße von Maschinen und Anlagen beschränkt, wie vielleicht ein reiner Gebäudeplan.

Planungsablauf im Fabriklayout

Den Beginn der Planung machen dabei die festen Bereiche der Fabrik, für die es keine Möglichkeit zur räumlichen Verschiebung oder Veränderung der Ausrichtung gibt, wie also tragende Wände, feste Kanäle, fest installierte technische Anlagen und Produktionsmaschinen. Dabei müssen auch Versorgungsleitungen wie Strom, Treibstoff, Kühlung, Zu- und Abluft etc. eingebunden werden sowie die Anbindung der einzelnen Facilities daran.
Darauf aufbauend werden die beweglichen oder in ihrer Ausrichtung veränderbaren Facilities eingeplant. Gleichzeitig werden auch bereits die Transportwege und der Materialfluss visualisiert.
Dem Planer steht für das Fabriklayout inzwischen natürlich eine eigene, hoch spezialisierte Software zur Verfügung, die es ermöglicht, umfangreiche Berechnungen anzustellen und die künftige Fabrik bereits in 3-D darzustellen. Mit diversen Analysetools können so künftige Arbeits- und Produktionsabläufe am Computer in einem realistischen “Was-wäre-wenn-Szenario dreidimensional visualisiert werden, um Planungsfehler frühzeitig zu erkennen und zu korrigieren.
Den Materialfluss und den Produktionsablauf in der bereits fertig gebauten und in Betrieb genommenen Fabrik zu steuern, ist dagegen Aufgabe der Produktionslogistik. Auch hier erfolgt zunächst eine Layout-Planung am PC, um Materialfluss, Produktions- und Transportwege und Produktionsablauf zu optimieren.
Mittels spezialisierter Software wird in diesem Fall ein Produktionslayout erstellt.

Das Produktionslayout als zentraler Teil der Produktionslogistik und Produktionswirtschaft.

Das Produktionslayout oder die Layout Planung befasst sich mit der Anordnung der einzelnen Produktionssegmente und innerbetrieblichen Abläufe bei der Herstellung innerhalb der Fabrik und ist Teil der Produktionslogistik.
Im Fokus stehen hier die Effizienzsteigerung und die Optimierung der Produktion, des Materialeinsatzes, des Arbeitseinsatzes und der Transportleistung.
Ziel ist es, die einzelnen Produktionssegmente so auszurichten, dass der Materialfluss optimiert und die Transportleistung minimiert werden.

Unter dem Materialfluss versteht man alle Vorgänge und deren Verkettung bei der Gewinnung, Bearbeitung, Verarbeitung und Verteilung stofflicher Güter innerhalb eines festgelegten Produktionsbereiches in der Fabrik.

Die Transportleistung ist dagegen das Produkt aus Transportaufkommen und Transportweg.

Zielsetzungen und Ablauf im Produktionslayout

Das Produktionslayout soll also die Produktionsschritte so anordnen, dass der Materialfluss möglichst geradlinig verläuft, ohne Rückflüsse oder Überschneidungen zwischen einzelnen Produktionsabschnitten.
So soll eine stabile, effiziente und möglichst wenig störanfällige Produktionskette geschaffen werden.
Damit einhergehend sollen auch die Transportzeiten, Raumkosten, Zwischenlagerkosten und Standortwechselkosten für die Produktionsmittel auf ein Minimum reduziert werden.

Damit der Materialfluss zwischen den einzelnen Produktionssegmenten überhaupt sichtbar wird, wird er meist in einem sogenannten Sankey-Diagramm visuell dargestellt.
Alle Produktionsmittel werden in Pfeilen dargestellt, deren Stärke dem Mengenanteil des jeweiligen Produktionsmittels in der gesamten Produktion entspricht. Die Ausrichtung der Pfeile lässt dann schnell erkennen, ob der Materialfluss geordnet verläuft, also möglichst geradlinig. Oder ob die Pfeile kreuz und quer über den Plan verlaufen, was bedeuten kann, dass es im praktischen Ablauf der Produktion oft zu Stockungen kommt.
Allerdings kann sich auch das Produktionslayout nicht allein auf den Materialfluss und die Transportleistung konzentrieren. Auch im Produktionslayout werden wieder Besonderheiten am jeweiligen Betriebsstandort einbezogen, wie etwa die Größe und Bauart der Gebäude, Straßenanbindungen, Verlauf von Versorgungsleitungen, Entsorgungsmöglichkeiten und -wege, usw. Auch gesetzliche Vorgaben zum Arbeitnehmerschutz, Emissionsschutz, Umweltschutz und dergleichen müssen im Produktionslayout umgesetzt werden.
Produktionstechnische Besonderheiten, die auch eingeplant werden müssen, ergeben sich dabei aus der Produktart. So erfordert ein Massenprodukt ganz andere Abläufe als die Herstellung von Serienprodukten oder gar eines Individualproduktes.
Unterschiedliche Produkte, Rohstoffe und Betriebsmittel stellen andere Anforderungen an die Lagerung, Produktionsfläche und -abläufe.
All diese Faktoren müssen vom Planer bedacht und umgesetzt werden, damit eine optimale und effiziente Produktionskette entsteht.

Das Produktionslayout ein zentrales Element in der Produktionslogistik. Inzwischen gibt es an verschiedenen Universitäten eigene Institute und Lehrstühle für Informations- und Produktionsmanagement, die in eigenen Vorlesungen und Seminaren das Produktionslayout und wie es erstellt wird, behandeln.

Um dem Planer die Arbeit zu erleichtern und vor allem auch, um das Produktionslayout selbst effizienter zu gestalten, gibt es inzwischen auch eine ganze Reihe von Software-Programmen. Damit lassen sich nicht nur Sankey-Diagramme erstellen und Materialflüsse analysieren. Inzwischen kann mit der Software das Produkt, das in einem Betrieb hergestellt werden soll, vom ersten bis zum letzten Arbeitsschritt virtuell herstellen (Simulationssoftware).
Gute Software erlaubt eine vollständige Produktentwicklung inklusiver Produktionslayout am Computer. So macht bereits das virtuelle Produktionslayout Schwächen in der Produktionskette sofort sichtbar, lange bevor auch nur ein Gramm Rohmaterial und nur eine Kilowattstunde Strom zum Einsatz gekommen sind.

Bereits im Fabriklayout und auch später im Produktionslayout kommt der Anordnung von Produktionsmaschinen und Produktionsabläufen zentrale Bedeutung zu, wird hier doch der Grundstein für eine effiziente, wettbewerbsorientierte und ressourcenoptimierte Fertigung in der späteren Fabrik gelegt.
Während aber das Fabriklayout aber schon bei der Planung einer erst zu errichtenden Fabrik ansetzt und das Produktionslayout den Produktionsablauf ordnet, wird ein Fertigungslayout meist in bestehenden Anlagen erstellt, wenn sich Produktion oder Maschinen ändern, neue Materialien verarbeitet werden oder andere, wesentliche Dinge geändert wurden.
Das ursprüngliche Produktionslayout funktioniert dann nicht mehr effizient und bedarf einer Überarbeitung.
Im sogenannten Fertigungslayout wird auf solcherart veränderte Bedingungen eingegangen und eine neue Anordnung für Maschinen, Produktions- und Transportwege erstellt.

Die Produktionsanordnung im Fertigungslayout

Die einzelnen Bearbeitungsschritte im Produktionsablauf, Transportwege, Lagerzeiten etc. werden im Fertigungslayout dargestellt und so transparent und kontrollierbar.
Grob gesprochen ist das Fertigungslayout also der Ablaufplan in einer Produktionshalle oder Produktionseinheit.

In historischen Fertigungslayouts war man oft den betrieblichen Notwendigkeiten und Gegebenheiten gefolgt und hatte Maschinen einfach dort montiert, wo eben gerade Platz war. Lange Zeit vertrat man auch die Auffassung, dass es zeit- und kostensparend sei, Maschinen, die ähnliche Fertigungsschritte ausführen oder mit gleichen oder ähnlichen Ausgangsstoffen bestückt werden, nebeneinander aufzustellen, weil man sie so mit weniger Personalaufwand betreiben und überwachen könne.

Dadurch war allerdings letztendlich der Materialfluss kaum noch erkennbar und es ergaben sich mitunter trotz der räumlichen Nähe der Maschinen nicht mehr nachvollziehbare, überlange Transportwege. “Tote Zeiten” in der Fertigung, Ressourcenverschwendung und höhere Kosten waren so oft die Folge.

Transportwege wie beim Transport über Land

Nur ein Beispiel: Das mittelständische Maschinenbauunternehmen XY hatte seine Fertigungsmaschinen nach den betrieblichen Gegebenheiten dort aufgestellt, wo für eine neue Maschine gerade Platz anfiel. Einige Maschinen hatte man in einer Halle gruppiert, weil sie so von wenigen Arbeitern bestückt und überwacht werden konnten und man sich durch die eingesparten Personalkosten einen Wettbewerbsvorteil erhoffte. Trotzdem ging die Rechnung nicht auf.
Nachdem nun eine Materialfluss-Analyse und eine Analyse der Transportwege erstellt worden war, zeigte sich, dass für einzelne Produktionsschritte Transportwege von bis zu 15 Kilometern (!) erforderlich waren, und dies auf einem Betriebsgelände von 800 x 400 Metern!

Daher können die bessere Maschinenbedienbarkeit durch weniger Personal und Maschinenauslastung nicht die einzigen Parameter im Fertigungslayout sein.
Wesentliche Parameter bei der Erstellung eines Fertigungslayouts sind:

  • Anzahl der Produktionsschritte
  • Anzahl der Transporte zwischen den Produktionsschritten
  • Transportwege
  • Durchlaufzeit des Produktes
  • Materialfluss
  • Reihenfolge der Fertigungsschritte
  • Umlaufbestand

Aus logistischer Sicht ist das Fertigungslayout wann immer möglich nach dem Objektprinzip zu gestalten. Die Produktion wird in ihre Teilbereiche zerlegt und für jeweils gleichartige Fertigungsschritte in einer organisatorischen Einheit zusammengefasst. Da nun Maschinen, die aufeinanderfolgende Fertigungsschritte ausführen, auch räumlich zusammengefasst sind, funktioniert der Materialfluss besser und übersichtlicher, die Transportwege werden minimiert und die Kommunikation zwischen den Mitarbeitern den einzelnen Fertigungsschritten wird erleichtert.
Ein sinnvolles Fertigungslayout ist somit an den Materialfluss angepasst und nicht umgekehrt!

Und nach dem Materialfluss, den technischen Gegebenheiten und den Produktionsschritten entscheidet sich auch, wie das Fertigungslayout in der Praxis aussieht:

  • Inselfertigung
  • Fließfertigung
  • Fertigungsstraße
  • U-Fertigung

So ist es auch nur auf den ersten Blick ein Nachteil, dass unter Umständen mehr Personal für die Maschinenbedienung eingesetzt werden muss oder dass das bestehende Personal nun umfassender geschult werden muss, da jeder Arbeiter nun mehrere Maschinen und Abläufe bedienen können muss. Diese zunächst höheren Kosten werden durch den verbesserten Materialfluss, die minimierten Transportwege und -zeiten und die dadurch höhere Produktionskapazität schnell kompensiert.

Fertigungsanalyse und Fertigungslayout – ein eigener Wirtschaftszweig

Mit der Erstellung von Fertigungsanalysen und daraus folgender Fertigungslayouts befasst sich inzwischen ein ganzer Wirtschaftszweig aus Ingenieurbüros und Consulting-Firmen.
Eigene Softwaremodelle ermöglichen es den Planern, das jeweilige Produkt zunächst virtuell zu erzeugen.

Die erforderlichen Maschinen werden virtuell aufgestellt und getestet, Produktionsschritte, Logistik und Beschaffung werden simuliert. So lässt sich bereits frühzeitig erkennen, wo Handlungsbedarf besteht, wo der Materialfluss nicht optimal ist oder der Transportaufwand zu hoch ist.

Fabriklayout, Produktionslayout und Fertigungslayout sind aus der modernen Industrieanlagenplanung und industriellen Produktion nicht mehr wegzudenken. Aber auch mittelständische Unternehmen können es sich im Hinblick auf ihre globale Wettbewerbsfähigkeit und die Standortsicherung nicht mehr leisten, auf diese wichtigen Planungs-Tools zu verzichten.