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Fertigungsplanung und Produktionssteuerung – Eine Serienfertigung ganzheitlich verbessern

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Fertigungsplanung und Produktionssteuerung – Eine Serienfertigung ganzheitlich verbessern

Kurzbeschreibung: Du verbesserst eine fiktive Serienfertigung gleichzeitig bei Material, Energie, Terminen und Prozessstabilität. Der Kurs ist für die Ausbildung in industrieller Fertigung und Montage gedacht. Du arbeitest mit kurzen Lerneinheiten, Bildern, Ablaufanimationen und einer sicheren Papier-/Tabellensimulation.

Wichtig: Alle Betriebs- und Messdaten sind fiktiv. Die Simulation verändert keine reale Maschine. Einstellungen an realen Anlagen dürfen nur nach betrieblicher Freigabe, Gefährdungsbeurteilung, Arbeitsanweisung und unter Anleitung vorgenommen werden. Für die Aufgaben sind weder Uploads noch externe KI-Dienste erforderlich.

Datei:Assembly line.webm

Einleitung

Serienfertigung bedeutet, dass eine begrenzte Anzahl gleichartiger Produkte wiederholt hergestellt wird. Produktionsplanung und -steuerung verbindet dabei Planung und Ausführung: Aufträge werden mengen- und termingerecht vorbereitet, freigegeben, überwacht und bei Abweichungen nachgesteuert.

Im Kurs verbesserst Du nicht nur die Stückzahl. Eine gute Lösung hält Materialverbrauch, Energiebedarf, Liefertermin, Qualität und Prozessstabilität gemeinsam im Blick.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

Taktzeit aus verfügbarer Zeit und Bedarf bestimmen.
Engpässe aus Bearbeitungszeiten und Kapazitäten erkennen.
Materialeffizienz und Ausschuss unterscheiden und berechnen.
Energie je Gutteil als Kennzahl verwenden.
Terminrisiken aus Kapazität, Qualität und Auftragsmenge ableiten.
Prozessstabilität von bloßer Toleranzeinhaltung unterscheiden.
OEE als Produkt aus Verfügbarkeit, Leistung und Qualität berechnen.
Verbesserungen so begründen, dass keine Zielgröße isoliert optimiert wird.

Ausbildungsfall: Lernwerk Süd GmbH

Du bist Auszubildende oder Auszubildender in der fiktiven Lernwerk Süd GmbH. Gefertigt wird der Montagehalter MH-40 in Serie.

Vorgabe	Fiktiver Wert
Kundenbedarf je Schicht	480 Gutteile
Schichtdauer	480 min
Pausen und geplante Wartung	50 min
Verfügbare Produktionszeit	430 min
Rohteilmasse	0,420 kg
Gutteilmasse	0,350 kg
Kundenauftrag	960 Gutteile in zwei Schichten

Arbeitsfolge MH-40

Station	Tätigkeit	Bearbeitungszeit je Teil
A	Sägen	40 s
B	CNC-Bohren und Fräsen	58 s
C	Entgraten und Reinigen	44 s
D	Prüfen und Montieren	50 s

Lerneinheit 1: Materialfluss, Takt und Engpass

Taktzeit = verfügbare Produktionszeit / Kundenbedarf.

Für MH-40: 430 min × 60 / 480 = 53,75 s je Gutteil.

Station B benötigt 58 s. Sie ist im Ausgangsfall der Engpass, weil ihre Bearbeitungszeit über dem Kundentakt liegt. Ein wachsender Bestand vor Station B wäre ein typisches Warnsignal.

Datei:CopyMapFactory.webm

Merke: Mehr Teile freizugeben löst einen Engpass nicht. Es kann lediglich den Umlaufbestand erhöhen.

Lerneinheit 2: Werkzeuge und qualitätsgerechte Arbeit

Werkzeuge und Prüfmittel unterstützen stabile Abläufe. Ein Werkzeugbild ersetzt aber keine betriebliche Unterweisung.

Arbeitsauftrag am Bild: Ordne Fräswerkzeug, Messschieber und Drehmomentschlüssel den Funktionen Bearbeiten – Prüfen – definiert Montieren zu. Begründe jeweils, welche Fehlerart durch falsche Auswahl oder falsche Anwendung entstehen könnte.

Lerneinheit 3: Material ganzheitlich bewerten

In einer Lernserie werden 100 Rohteile eingesetzt.

Größe	Wert
Materialeinsatz	42,0 kg
Gutteile	98 Stück
Gutteilmasse gesamt	34,3 kg
Späne	7,0 kg
Ausschussteile nach Bearbeitung	0,7 kg

Materialausbeute zu Gutteilen = 34,3 kg / 42,0 kg = 81,7 %.

Späne und Ausschuss sind nicht dasselbe: Späne können fertigungstechnisch unvermeidbar sein und eventuell stofflich verwertet werden; Ausschuss ist ein Produktverlust. Die beste Maßnahme senkt Materialverluste, ohne Funktion, Sicherheit oder Qualität des Bauteils zu verschlechtern.

Lerneinheit 4: Energie je Gutteil

Die fiktive Linie benötigt in einer Schicht 111 kWh für 480 Gutteile. Davon entfallen 15 kWh auf vermeidbare Leerlaufphasen.

Energie je Gutteil = 111 kWh / 480 = 0,231 kWh/Gutteil.

Werden die Leerlaufverluste im Modell von 15 kWh auf 6 kWh reduziert, sinkt der Schichtverbrauch auf 102 kWh. Dann werden 0,213 kWh/Gutteil benötigt – rund 8,1 % weniger.

Praxisregel: Reale Abschalt-, Standby- oder Druckluftmaßnahmen nur nach Freigabe und betrieblicher Sicherheitsregel umsetzen.

Lerneinheit 5: Termine und Kapazität

Der Auftrag umfasst 960 Gutteile in zwei Schichten. Für Station B gilt im vereinfachten Modell:

Theoretische Menge je Schicht = 430 min × 60 / 58 s = rund 445 Teile.

Bei 98 % Gutteilrate wären das nur rund 436 Gutteile je Schicht. Zwei Schichten ergeben etwa 872 Gutteile. Der Auftrag wäre also gefährdet.

Wird in einer reinen Planungssimulation die Bearbeitungszeit der Engpassstation durch Arbeitsverteilung oder einen geeigneten, freigegebenen Prozessschritt auf 52 s reduziert, ergibt sich theoretisch:

430 min × 60 / 52 s = rund 496 Teile; bei 98 % Gutteilrate rund 486 Gutteile je Schicht. Zwei Schichten ergeben rund 972 Gutteile.

Wichtig: Das ist eine Modellrechnung. Reale Störungen, Rüstzeiten und weitere Verluste müssen zusätzlich berücksichtigt werden.

Lerneinheit 6: Prozessstabilität

Toleranz und Prozessstabilität sind verschieden. Ein Teil kann noch innerhalb der Spezifikation liegen, während der Prozess bereits ein statistisches Warnsignal zeigt.

Fiktive Spezifikation: 19,90 mm bis 20,10 mm. Aus historischen, stabilen Daten seien für das Lernbeispiel Regelgrenzen von 19,95 mm bis 20,05 mm vorgegeben.

Neue Messfolge in mm: 20,00 – 20,01 – 20,02 – 20,03 – 20,04 – 20,05 – 20,06 – 20,07.

Die letzten beiden Werte liegen noch innerhalb der Toleranz, aber außerhalb der vorgegebenen oberen Regelgrenze. Das ist ein Signal, die Ursache zu untersuchen. Regelgrenzen sind keine Toleranzgrenzen.

Lerneinheit 7: OEE als Verlustsicht

Die OEE verbindet drei Faktoren:

OEE = Verfügbarkeit × Leistung × Qualität

Fiktive Schichtdaten:

Ladezeit: 430 min
Betriebszeit: 400 min
Ideale Zykluszeit: 50 s
Gesamtmenge: 450 Teile
Gutmenge: 441 Teile

Verfügbarkeit = 400 / 430 = 93,0 %

Leistung = 50 × 450 / 24.000 = 93,75 %

Qualität = 441 / 450 = 98,0 %

OEE = 0,930 × 0,9375 × 0,98 = rund 85,5 %

Achtung: Eine OEE-Zahl allein sagt nicht, ob der Kundenauftrag termingerecht, materialeffizient oder energieeffizient erfüllt wird. Deshalb wird sie hier gemeinsam mit den anderen Kennzahlen bewertet.

Sichere Fertigungssimulation

Die Simulation findet ausschließlich mit Papier, Tabellenblatt oder Taschenrechner statt. Es werden keine Maschinen angesteuert und keine realen Produktionsparameter verändert.

Simulationsregel: Pro simulierte Stunde werden 70 Rohteile freigegeben. Die maximale Stundenkapazität wird aus 3600 s / Bearbeitungszeit berechnet.

Station	Modellkapazität pro Stunde
A	90 Teile
B	62 Teile
C	81 Teile
D	72 Teile

Arbeitsauftrag S1: Simuliere sechs Stunden. Station B kann je Stunde höchstens 62 der 70 freigegebenen Teile weitergeben. Ermittle den Bestand vor B nach jeder Stunde.

Sollbild: 8 – 16 – 24 – 32 – 40 – 48 wartende Teile. Der Bestand wächst, weil Freigabe und Engpasskapazität nicht zusammenpassen.

Arbeitsauftrag S2: Begrenze im Modell die Freigabe auf 62 Teile je Stunde. Beschreibe die Wirkung auf Bestand und Lieferfähigkeit.

Begründetes Feedback: Der Bestand vor B wächst nicht weiter. Die Linie wird dadurch aber nicht automatisch termingerecht, weil 62 Teile/h unter dem benötigten Durchschnitt von rund 67 Gutteilen/h liegen.

Arbeitsauftrag S3: Simuliere eine zulässige Planungsverbesserung mit 52 s an Station B. Die Modellkapazität steigt auf rund 69 Teile/h. Prüfe, ob ein Freigabewert von 67 Teilen/h stabiler zum Bedarf passt.

Begründetes Feedback: 69 Teile/h schaffen rechnerisch Reserve gegenüber 67 Teilen/h. Die Reserve ist sinnvoll, weil reale Verluste auftreten können. Ob sie genügt, muss mit Qualitäts- und Verfügbarkeitsdaten geprüft werden.

Gestufte Hilfen

Aufgabe	Hilfe 1	Hilfe 2	Hilfe 3
Takt	Nutze nur verfügbare Zeit.	Wandle Minuten in Sekunden um.	430 × 60 / 480.
Engpass	Vergleiche Bearbeitungszeiten.	Suche die längste Zeit.	58 s liegt über 53,75 s.
Material	Gutmasse durch Einsatz.	98 × 0,350 kg bestimmen.	34,3 / 42,0.
Energie	Verbrauch auf Gutteile beziehen.	111 durch 480 teilen.	Danach 102 durch 480 vergleichen.
Termin	Erst Bruttokapazität, dann Gutteilrate.	430 × 60 / Zykluszeit.	Ergebnis mit 0,98 multiplizieren.
Stabilität	Toleranz und Regelgrenze trennen.	Suche Werte über 20,05 mm.	20,06 und 20,07 sind Regelsignale.
OEE	Drei Faktoren getrennt rechnen.	Verfügbarkeit, Leistung, Qualität.	Faktoren als Dezimalzahlen multiplizieren.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgaben

Taktzeit: Berechne die Taktzeit für 480 Gutteile bei 430 min verfügbarer Zeit. Feedback: 53,75 s/Gutteil ist richtig, weil nur die tatsächlich verfügbare Produktionszeit auf den Kundenbedarf verteilt wird.
Materialeffizienz: Berechne die Materialausbeute aus 42,0 kg Einsatz und 34,3 kg Gutteilmasse. Feedback: 81,7 % ist richtig. Die Kennzahl betrachtet die Masse der Gutteile, nicht die Zahl der gestarteten Rohteile.
Energieeffizienz: Berechne 111 kWh / 480 Gutteile. Feedback: 0,231 kWh/Gutteil ermöglicht einen faireren Vergleich als der reine Schichtverbrauch, weil die Ausbringung berücksichtigt wird.
OEE: Berechne die Qualitätsrate aus 441 Gutteilen und 450 Gesamtteilen. Feedback: 98,0 % ist richtig. Für die Qualitätsrate zählt der Anteil der Gutteile an der Gesamtmenge.

Anwendungsaufgaben

Engpassanalyse: Begründe, warum Station B der Engpass ist. Feedback: B hat mit 58 s die längste Bearbeitungszeit und überschreitet den Kundentakt von 53,75 s; deshalb begrenzt sie die Linienleistung.
Terminplanung: Prüfe, ob zwei Schichten mit 58 s Zykluszeit an B und 98 % Gutteilrate für 960 Gutteile reichen. Feedback: Rechnerisch entstehen nur rund 872 Gutteile. Der Auftrag ist ohne weitere Maßnahmen gefährdet.
Prozessstabilität: Beurteile die Werte 20,06 mm und 20,07 mm. Feedback: Beide sind noch innerhalb der Produkttoleranz, liegen aber über der Regelgrenze. Deshalb ist Ursachenanalyse nötig, obwohl nicht automatisch Ausschuss vorliegt.
Energieanalyse: Vergleiche 0,231 mit 0,213 kWh/Gutteil. Feedback: Die Verbesserung beträgt etwa 8,1 %. Die Begründung ist stark, weil derselbe Gutteilbezug verwendet wird.

Transferaufgaben

Produktionsoptimierung: Entwickle zwei Maßnahmen, die den Engpass entlasten, ohne einfach die Maschine schneller einzustellen. Feedback: Gute Lösungen verlagern geeignete Arbeitsschritte, reduzieren unnötige Nebenzeiten oder verbessern die Materialbereitstellung. Sie vermeiden unfreigegebene Parameteränderungen.
Ressourceneffizienz: Beurteile eine Maßnahme, die zwar Energie spart, aber den Ausschuss erhöht. Feedback: Sie ist nicht ganzheitlich, weil eingesparte Energie durch zusätzliche Material- und Qualitätsverluste überkompensiert werden kann.
Lieferfähigkeit: Erkläre, warum eine hohe OEE allein keine Termingarantie ist. Feedback: OEE misst Anlagenverluste, aber nicht automatisch Auftragsprioritäten, Kundenbedarf, Materialverfügbarkeit oder den konkreten Liefertermin.
Qualitätsmanagement: Formuliere eine Reaktion auf einen Regelkartentrend, ohne sofort alle Teile zu sperren. Feedback: Sinnvoll sind Datenprüfung, Ursachenanalyse und betrieblich definierte Reaktionsregeln. Ein Regelsignal ist ein Prozesshinweis und nicht automatisch ein Toleranzverstoß.

Ganzheitliche Entscheidungsmatrix

Bewerte jede Idee vor der Umsetzung in der Simulation.

Maßnahme	Material	Energie	Termin	Stabilität	Sicherheitsfreigabe nötig?
Freigabemenge an Engpass anpassen	+	0/+	+	+	Nein, wenn nur Planungssimulation
Leerlaufverluste organisatorisch reduzieren	0	+	0/+	0	Ja, sobald reale Anlage betroffen ist
Zusätzliche Prüfung am Engpass	0/-	-	-	+	Betriebliche Regel beachten
Arbeitsschritte neu verteilen	0/+	0/+	+	+	Ja bei realer Prozessänderung

Dein Entscheidungsprinzip: Wähle nicht die Maßnahme mit dem größten Einzelplus, sondern die mit dem besten begründeten Gesamtbild.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Wie groß ist die Taktzeit im Ausbildungsfall? (53,75 Sekunden je Gutteil) (!58 Sekunden je Gutteil) (!62 Sekunden je Gutteil) (!67 Sekunden je Gutteil)

Welche Station ist im Ausgangsfall der Engpass? (Station B) (!Station A) (!Station C) (!Station D)

Was beschreibt die Materialausbeute im Lernfall am besten? (Gutteilmasse im Verhältnis zum Materialeinsatz) (!Energieverbrauch im Verhältnis zur Schichtzeit) (!Gutteile im Verhältnis zur Lieferzeit) (!Stillstand im Verhältnis zur Betriebszeit)

Welche Kennzahl eignet sich für den Vergleich des Energieeinsatzes bei unterschiedlicher Ausbringung? (Energie je Gutteil) (!Gesamtenergie ohne Stückbezug) (!Schichtdauer allein) (!Anzahl der Arbeitsplätze)

Was bedeutet ein Messwert außerhalb einer Regelgrenze aber innerhalb der Toleranz? (Der Prozess zeigt ein statistisches Signal) (!Das Teil ist automatisch Ausschuss) (!Die Toleranz ist bedeutungslos) (!Der Prozess ist sicher stabil)

Welche drei Faktoren werden bei OEE multipliziert? (Verfügbarkeit Leistung Qualität) (!Material Energie Termin) (!Takt Bestand Rüstzeit) (!Kosten Personal Fläche)

Was passiert typischerweise wenn dauerhaft mehr Teile freigegeben werden als der Engpass verarbeiten kann? (Der Bestand vor dem Engpass wächst) (!Der Engpass verschwindet) (!Die Taktzeit des Kunden wird größer) (!Die Ausschussrate wird automatisch null)

Warum reicht eine hohe OEE nicht als alleinige Zielgröße? (Sie bildet Material Energie und Liefertermin nicht vollständig ab) (!Sie enthält überhaupt keine Qualitätsgröße) (!Sie kann nur bei Handarbeit verwendet werden) (!Sie ist immer größer als hundert Prozent)

Welche Maßnahme ist in diesem Kurs ohne reale Maschinenänderung sicher durchführbar? (Eine Papier und Tabellensimulation) (!Das Erhöhen einer Maschinendrehzahl) (!Das Umgehen einer Schutzeinrichtung) (!Das Ändern eines SPS Programms)

Was ist bei einer ganzheitlichen Verbesserung entscheidend? (Mehrere Zielgrößen gemeinsam bewerten) (!Nur die Stückzahl maximieren) (!Nur den Energieverbrauch minimieren) (!Nur den Bestand vergrößern)

Memory

Taktzeit	Kundenbedarf
Engpass	geringste Kapazität
Regelkarte	Prozessstabilität
OEE	Anlagenverluste
Kanban	Verbrauchssignal
Ausschuss	Qualitätsverlust
Messschieber	Maßprüfung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Taktzeit	Bedarf und verfügbare Zeit
Engpass	begrenzende Station
Energie je Gutteil	ressourcenbezogene Kennzahl
Regelkarte	zeitliche Prozessüberwachung
OEE	Verfügbarkeit Leistung Qualität

Kreuzworträtsel

Taktzeit	Welche Zeit ergibt sich aus verfügbarer Produktionszeit geteilt durch Kundenbedarf?
Engpass	Wie heißt die Station mit der begrenzenden Kapazität?
Kanban	Welches Prinzip kann Materialnachschub durch Verbrauchssignale auslösen?
Regelkarte	Welches Werkzeug zeigt Prozesswerte über die Zeit mit statistischen Grenzen?
Ausschuss	Wie heißt ein nicht verwendbares fehlerhaftes Produkt?
Messschieber	Welches Prüfmittel kann Längen und Durchmesser messen?

LearningApps

Lückentext

Die Taktzeit ergibt sich aus verfügbarer Produktionszeit und

. Die Station mit der geringsten wirksamen Kapazität ist der

. Materialeffizienz wird hier auf die Masse der

bezogen. Der Energievergleich erfolgt sinnvoll als Energie je

. Ein wachsender Puffer vor einer Station kann auf einen

hinweisen. Regelgrenzen dienen der Beurteilung der

. Produkttoleranzen beschreiben dagegen die zulässigen

. OEE setzt sich aus Verfügbarkeit Leistung und

zusammen. Eine hohe OEE garantiert nicht automatisch die

. Ganzheitliche Verbesserung bewertet mehrere

gemeinsam.

Offene Aufgaben

Leicht

Prozessskizze: Zeichne den Materialfluss A bis D und markiere den Engpass.
Werkzeugzuordnung: Erstelle drei Bildkarten zu Fräswerkzeug, Messschieber und Drehmomentschlüssel und notiere je eine typische Funktion.
Kennzahlenkarte: Gestalte eine Lernkarte mit Taktzeit, Energie je Gutteil und Materialausbeute.
Fehlerbeobachtung: Erfinde fünf ungefährliche, rein organisatorische Ursachen für Wartezeit in einer Lernfertigung.

Standard

Kapazitätsvergleich: Rechne die Stundenkapazität aller vier Stationen aus und stelle sie in einem Balkendiagramm dar.
Materialflussanalyse: Simuliere sechs Stunden mit 70 freigegebenen Teilen je Stunde und dokumentiere den Puffer vor Station B.
Energieanalyse: Entwickle drei organisatorische Ideen zur Reduktion von Leerlaufenergie und bewerte mögliche Nebenwirkungen.
Qualitätsanalyse: Erstelle für die vorgegebenen Messwerte eine einfache Zeitreihe und markiere Regelgrenze und Toleranz getrennt.

Schwer

Produktionskonzept: Entwirf zwei alternative Verbesserungspläne für MH-40 und vergleiche Material Energie Termin und Stabilität.
Versuchsplanung: Formuliere einen sicheren Offline-Versuchsplan für die Papier-/Tabellensimulation mit Ausgangszustand Maßnahme Kennzahl und Abbruchkriterium.
Entscheidungsvorlage: Erstelle eine einseitige Empfehlung an die Ausbildungsleitung mit mindestens drei Kennzahlen und einer begründeten Priorität.
Transferprojekt: Übertrage die Methode auf einen anderen fiktiven Serienartikel und erkläre, welche Kennzahlen gleich bleiben und welche neu festgelegt werden müssen.

Lernkontrolle

Zielkonflikt: Eine Maßnahme senkt die Zykluszeit um 8 %, erhöht aber den Ausschuss von 2 % auf 6 %. Beurteile sie mit mindestens drei Zielgrößen.
Kapazität und Termin: Entwickle aus Kundenbedarf, Takt und Engpasskapazität eine begründete Aussage zur Lieferfähigkeit und nenne mindestens eine Unsicherheit der Rechnung.
Prozessstabilität und Toleranz: Erkläre anhand eines eigenen Zahlenbeispiels, warum ein toleranzkonformer Prozess trotzdem instabil sein kann.
Ressourcenentscheidung: Vergleiche zwei fiktive Verbesserungsmaßnahmen anhand von Material je Gutteil, Energie je Gutteil und Terminwirkung und entscheide begründet.
OEE im Kontext: Zeige an einem selbst gewählten Szenario, warum eine OEE-Steigerung nicht zwingend eine bessere Gesamtleistung für den Kunden bedeutet.
Steuerungsregel: Formuliere eine einfache Regel für Auftragsfreigabe, Pufferbeobachtung und Reaktion auf Engpassabweichungen in der Papier-/Tabellensimulation.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:

Taktzeit, Kapazität, Gutteilrate, Energie je Gutteil, Materialausbeute und OEE korrekt berechnen kannst.
Engpass, Pufferbildung und Terminrisiko aus Prozessdaten nachvollziehbar ableitest.
Toleranzgrenzen und statistische Regelgrenzen fachlich unterscheidest.
mindestens zwei Verbesserungsmaßnahmen vergleichst und Zielkonflikte begründest.
Sicherheitsgrenzen einer Simulation benennst und reale Prozessänderungen nicht ohne Freigabe empfiehlst.
Deine Entscheidung mit fiktiven Daten transparent dokumentierst.

Fachliche Quellen und Medienrechte

Fachliche Quellen

Geprüfte Commons-Medien

Assembly line.webm – CC BY 4.0.
CopyMapFactory.webm – CC0.
AssemblyLine.jpg – gemeinfrei.
Kanban principles.svg – CC BY-SA 2.5.
CNC milling machine.jpg – CC BY-SA 4.0.
MillingCuttersWithCuttingInserts.jpg – CC BY-SA 3.0/GFDL.
Vernier caliper.png – u. a. CC BY 2.5 und CC BY-SA 3.0.
Torque Wrench Collection.jpg – CC BY-SA 4.0.
C control chart.svg – CC BY-SA 3.0/GFDL.
Pareto Chart Example.png – CC BY-SA 4.0.

YouTube

VDI ZRE: Industrie 4.0 am Beispiel – Ressourceneffizienz durch Digitalisierung – offizieller VDI-ZRE-Kanal; hier nur eingebettet.
VDI ZRE: Material und Energie sparen in der Industrie – offizieller VDI-ZRE-Kanal; hier nur eingebettet.

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