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Fertigungsplanung und Produktionssteuerung – Maschinenkapazitäten überschlägig planen

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Fertigungsplanung und Produktionssteuerung – Maschinenkapazitäten überschlägig planen

Einleitung

Du arbeitest als Auszubildende oder Auszubildender in der fiktiven Lernwerk Süd GmbH. Zwei Kundenaufträge sollen auf einer CNC-Fräsmaschine eingeplant werden. Deine Aufgabe: Prüfe überschlägig, ob die verfügbare Maschinenzeit für den auftragsbezogenen Zeitbedarf reicht.

Kurzbeschreibung: Verfügbare Zeit und auftragsbezogener Bedarf vergleichen, Auslastung und Reserve bestimmen und bei Engpässen sicher reagieren.

Zielgruppe: Ausbildung in Metalltechnik, Produktionstechnik, Arbeitsvorbereitung und Industriekaufleute.

Wichtig: Alle Betriebs- und Auftragsdaten in diesem Kurs sind fiktiv. Die Simulationen funktionieren ohne Upload, ohne persönliche Daten und ohne externe KI-Dienste.

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du:

verfügbare Maschinenzeit überschlägig bestimmen.
auftragsbezogenen Zeitbedarf aus Rüstzeit, Stückzahl und Stückzeit berechnen.
Auslastung, Reserve und Überlast erkennen.
bei einem Engpass fachlich begründete und sichere Maßnahmen vorschlagen.
einen einfachen Maschinenbelegungsplan aus fiktiven Daten erstellen.

Lernfall: CNC-Fräse F-20

Die Lernwerk Süd GmbH plant eine Tagschicht. Für die CNC-Fräse F-20 sind von 480 Minuten Schichtdauer insgesamt 420 Minuten verplanbar. 60 Minuten sind als geplante Nichtproduktionszeit für Kontrolle, Reinigung und organisatorische Tätigkeiten reserviert. Rüstzeiten der Aufträge werden nicht noch einmal von der Kapazität abgezogen, sondern gehören zum Auftragsbedarf.

Größe	Wert	Bedeutung
Schichtdauer	480 min	gesamte Zeitspanne
geplante Nichtproduktionszeit	60 min	nicht für Aufträge verplanbar
verfügbare Maschinenzeit	420 min	Kapazität für Aufträge

Merksatz: Verfügbare Zeit ist das Zeitangebot. Auftragsbedarf ist die Zeitnachfrage.

Medienimpuls: Maschine und Werkzeuge

Beobachtungsauftrag: Welche Betriebsmittel müssen verfügbar sein, bevor die reine Bearbeitungszeit überhaupt beginnen kann? Notiere drei Beispiele, etwa Werkzeug, Spannmittel oder NC-Programm.

Lerneinheit 1: Verfügbare Zeit bestimmen

Dauer: etwa 5 Minuten

Für eine überschlägige Planung gilt:

Verfügbare Maschinenzeit = geplante Maschinenzeit − geplante Nichtverfügbarkeit

Im Lernfall:

480 min − 60 min = 420 min

Bei mehreren gleichartigen Maschinen kann zusätzlich mit der Zahl der verfügbaren Maschinen multipliziert werden. Für eine grobe Tagesplanung müssen die verwendeten Annahmen immer sichtbar bleiben.

Mini-Aufgabe Basis

Eine Maschine ist 450 Minuten eingeplant. 30 Minuten sind für eine geplante Prüfung gesperrt. Wie viel Zeit bleibt verplanbar?

Hilfe 1: Suche Zeitangebot und geplante Sperrzeit.

Hilfe 2: Ziehe die Sperrzeit ab.

Hilfe 3: 450 min − 30 min.

Begründetes Feedback: Richtig sind 420 Minuten. Die geplante Sperrzeit gehört nicht zur frei verplanbaren Maschinenkapazität. Würdest Du sie ignorieren, würdest Du die Kapazität zu hoch ansetzen.

Lerneinheit 2: Auftragsbezogenen Bedarf berechnen

Dauer: etwa 7 Minuten

Für einen einfachen Fertigungsauftrag:

Zeitbedarf = Rüstzeit + Stückzahl × Stückzeit

Auftrag	Produkt	Stückzahl	Rüstzeit	Stückzeit	Bedarf
A	Flansch	12	20 min	18 min	236 min
B	Montageplatte	8	15 min	17 min	151 min

Rechnung Auftrag A: 20 + 12 × 18 = 236 min

Rechnung Auftrag B: 15 + 8 × 17 = 151 min

Gesamtbedarf: 236 + 151 = 387 min

Ablauf beobachten: Bearbeitung erzeugt Maschinenzeit

Arbeitsauftrag: Beobachte nur den Ablauf. Ordne anschließend die Begriffe Rüsten, Bearbeiten und Prüfen zeitlich ein. Das Video ist kein Ersatz für betriebliche Unterweisung oder Maschinenfreigabe.

Medienauftrag: Achte im Video auf vorbereitende und eigentliche Bearbeitungsschritte. Welche davon würden in einer realen Zeitaufnahme als Rüst- oder Ausführungsanteil erfasst?

Lerneinheit 3: Kapazität und Bedarf vergleichen

Dauer: etwa 8 Minuten

Verfügbar: 420 min

Bedarf A + B: 387 min

Reserve: 420 − 387 = 33 min

Auslastung = Bedarf ÷ verfügbare Zeit × 100

387 ÷ 420 × 100 ≈ 92,1 Prozent

Kennzahl	Ergebnis	Aussage
Auslastung	92,1 Prozent	hoher, aber noch passender Belegungsgrad
Reserve	33 min	kleiner Zeitpuffer
Überlast	0 min	Aufträge A und B passen überschlägig

Planungsentscheidung: Die beiden Aufträge passen rechnerisch in die verfügbare Zeit. Die Reserve ist jedoch klein. Störungen können den Plan schnell kippen.

Mini-Aufgabe Anwendung

Ein zusätzlicher Auftrag C benötigt 10 Minuten Rüstzeit und 4 Stück zu je 12 Minuten.

Berechne den neuen Gesamtbedarf und entscheide, ob die Kapazität reicht.

Hilfe 1: Berechne zuerst nur Auftrag C.

Hilfe 2: 10 + 4 × 12.

Hilfe 3: Addiere den Bedarf von C zu 387 min und vergleiche mit 420 min.

Begründetes Feedback: Auftrag C benötigt 58 Minuten. Der neue Gesamtbedarf beträgt 445 Minuten. Damit fehlen 25 Minuten. Eine Freigabe aller drei Aufträge auf F-20 ohne weitere Maßnahme wäre nicht plausibel, weil der Bedarf das Zeitangebot übersteigt.

Lerneinheit 4: Störung und Engpass

Dauer: etwa 8 Minuten

Angenommen, F-20 fällt ungeplant 40 Minuten aus. Dann sinkt die tatsächlich verfügbare Zeit von 420 auf 380 Minuten.

Für A und B werden weiterhin 387 Minuten benötigt.

Kapazitätslücke: 387 − 380 = 7 Minuten

Mögliche Reaktionen sind zum Beispiel Auftrag verschieben, eine freigegebene Alternativmaschine nutzen, Los teilen oder zusätzliche zulässige Kapazität organisieren. Nicht zulässig ist es, Sicherheitsgrenzen oder freigegebene Prozessparameter nur wegen Termindrucks zu umgehen.

Animationsauftrag: Beobachte den wiederkehrenden Bewegungsablauf. Übertrage die Idee auf eine Fertigungsmaschine: Wo entstehen wiederkehrende Zykluszeiten, und warum summieren sie sich bei vielen Werkstücken?

Sichere Reaktion auf Termindruck

Die reale Arbeit an Werkzeugmaschinen erfolgt nur nach betrieblicher Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung und den Vorgaben des Herstellers. Schutzeinrichtungen dürfen nicht manipuliert werden. In diesem Kurs wird deshalb nur mit Zeitkarten, Tabellen und fiktiven Aufträgen simuliert.

Merksatz: Kapazitätsprobleme werden organisatorisch gelöst, nicht durch das Umgehen von Schutzmaßnahmen.

Lerneinheit 5: Sichere Fertigungssimulation

Dauer: etwa 15 Minuten

Du simulierst die Belegung der CNC-Fräse ausschließlich auf Papier, Tafel oder in einer lokalen Tabellenkalkulation.

Material: 42 Zeitfelder zu je 10 Minuten, Auftragskarten A, B und C sowie eine Störungskarte.

Arbeitsaufträge:

Runde 1: Plane A und B in 420 verfügbaren Minuten. Markiere die Restkapazität.
Runde 2: Ziehe die Störungskarte „40 Minuten Ausfall“. Berechne die neue Bilanz.
Runde 3: Füge Auftrag C hinzu. Begründe eine sichere Planungsmaßnahme.
Runde 4: Vergleiche zwei Varianten und entscheide, welche Terminrisiken geringer sind.

Sicherheitsregel: Die Simulation verändert keine reale Maschine, keine Steuerungsparameter und keine Schutzfunktionen.

Ablaufanimation Qualitätssicherung

Transferfrage: Warum kann eine Prüfoperation die verfügbare Fertigungskapazität beeinflussen, obwohl sie nicht immer auf derselben Maschine stattfindet? Denke an Freigaben, Wartezeiten und gekoppelte Prozessschritte.

Lerneinheit 6: Ausbildungsfall mit Planungsentscheidung

Die Fertigungsleitung meldet: Auftrag A ist heute fällig. Auftrag B darf einen Arbeitstag später fertig werden. Auftrag C ist ein Eilauftrag, aber nicht sicherheitskritisch.

Dein Auftrag: Erstelle eine Reihenfolge und begründe sie mit Kapazität, Termin und Risiko.

Auftrag	Bedarf	Priorität im Fall	mögliche Entscheidung
A	236 min	heute fällig	zuerst absichern
B	151 min	verschiebbar	bei Engpass verlagern
C	58 min	eilig	nur bei verfügbarer Kapazität freigeben

Begründetes Feedback: Eine fachlich gute Lösung schützt zuerst den zwingenden Liefertermin von A. Wenn A, B und C zusammen 445 Minuten benötigen, muss mindestens eine Maßnahme zur Kapazitätsanpassung oder Terminverschiebung erfolgen. Alle drei Aufträge einfach freizugeben würde den bekannten Engpass nur in die Fertigung verschieben.

Gestufte Hilfen für den Ausbildungsfall

Hilfe 1 – Daten finden: Markiere verfügbare Zeit, Bedarf und Terminpriorität getrennt.

Hilfe 2 – Rechnen: Vergleiche 420 min mit 236 min, 151 min und 58 min.

Hilfe 3 – Entscheiden: Frage bei jeder Variante: Wird ein Auftrag verspätet, entsteht Überlast oder steigt das Betriebsrisiko?

Hilfe 4 – Begründen: Eine gute Begründung nennt mindestens eine Kennzahl und eine betriebliche Folge.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben

Basisaufgabe

Berechne für einen fiktiven Auftrag D mit 25 Minuten Rüstzeit, 10 Stück und 14 Minuten Stückzeit den Bedarf.

Feedback: 25 + 10 × 14 = 165 Minuten. Die Rüstzeit fällt einmal an, die Stückzeit zehnmal.

Anwendungsaufgabe

F-20 hat an einem anderen Tag 400 Minuten verfügbare Zeit. Auftrag D benötigt 165 Minuten, Auftrag E 210 Minuten. Bestimme Reserve und Auslastung.

Feedback: Gesamtbedarf 375 Minuten, Reserve 25 Minuten, Auslastung 93,75 Prozent. Der Plan passt rechnerisch, besitzt aber nur einen kleinen Puffer.

Transferaufgabe

Ein Team schlägt vor, wegen 20 Minuten Überlast die Maschinenparameter oberhalb der betrieblich freigegebenen Werte zu erhöhen. Bewerte den Vorschlag und nenne zwei Alternativen.

Feedback: Der Vorschlag ist abzulehnen. Terminprobleme rechtfertigen keine Abweichung von freigegebenen sicheren Prozess- und Betriebsgrenzen. Geeignete Alternativen sind zum Beispiel eine freigegebene Alternativmaschine, eine Terminverschiebung, Losaufteilung oder zusätzliche regulär genehmigte Kapazität.

Produktionssteuerung im Überblick

Produktionsplanung und -steuerung verbindet Mengen, Termine und Kapazitäten. In der Kapazitätsterminierung wird geprüft, ob geplante Arbeitsvorgänge mit den verfügbaren Kapazitäten zusammenpassen. Kurzfristige Störungen oder Eilaufträge können eine neue Reihenfolge oder Kapazitätsanpassung nötig machen.

Beobachtungsauftrag: Die Smart Button Factory zeigt einen verketteten Produktionsablauf. Notiere, welche Station zum Engpass werden könnte und welche Daten für eine überschlägige Kapazitätsbetrachtung nötig wären.

Datenschutz und sichere Lernumgebung

Für alle Aufgaben genügen die hier angegebenen fiktiven Daten. Du musst keine betrieblichen Auftragslisten, Kundendaten, NC-Programme oder Fotos hochladen. Verwende für Übungen keine vertraulichen Echtzeitdaten aus Deinem Ausbildungsbetrieb. Externe KI-Dienste sind für diesen Kurs nicht erforderlich.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die verfügbare Maschinenzeit? (Die für Aufträge verplanbare Zeit) (!Die Summe aller Kundenwünsche) (!Nur die Rüstzeit eines Auftrags) (!Nur die Stückzeit eines Werkstücks)

Wie wird der einfache Zeitbedarf eines Auftrags berechnet? (Rüstzeit plus Stückzahl mal Stückzeit) (!Rüstzeit minus Stückzeit) (!Stückzahl plus verfügbare Zeit) (!Schichtzeit mal Rüstzeit)

Wie groß ist der Bedarf von Auftrag A im Lernfall? (236 Minuten) (!216 Minuten) (!256 Minuten) (!420 Minuten)

Wie groß ist der Bedarf von Auftrag B im Lernfall? (151 Minuten) (!136 Minuten) (!168 Minuten) (!236 Minuten)

Wie groß ist der gemeinsame Bedarf von Auftrag A und B? (387 Minuten) (!420 Minuten) (!445 Minuten) (!371 Minuten)

Wie hoch ist die Auslastung bei 387 Minuten Bedarf und 420 Minuten Kapazität ungefähr? (92 Prozent) (!78 Prozent) (!100 Prozent) (!109 Prozent)

Wie groß ist die Reserve bei Auftrag A und B? (33 Minuten) (!7 Minuten) (!25 Minuten) (!58 Minuten)

Wie groß ist der Gesamtbedarf nach Aufnahme von Auftrag C? (445 Minuten) (!420 Minuten) (!387 Minuten) (!478 Minuten)

Wie groß ist die Überlast mit Auftrag A B und C? (25 Minuten) (!33 Minuten) (!40 Minuten) (!58 Minuten)

Welche Reaktion ist bei einem Kapazitätsengpass fachlich und sicher? (Aufträge neu planen oder zulässige Kapazität anpassen) (!Schutzeinrichtungen überbrücken) (!Freigegebene Prozessgrenzen überschreiten) (!Bekannte Überlast ignorieren)

Memory

Verfügbare Zeit	verplanbares Zeitangebot
Rüstzeit	einmaliger Vorbereitungsanteil
Stückzeit	Bearbeitungsanteil je Teil
Kapazitätsbedarf	Zeitnachfrage der Aufträge
Reserve	positiver Rest nach dem Vergleich
Engpass	Bedarf größer als Angebot
Maschinenbelegung	zeitliche Zuordnung von Aufträgen

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Zeitangebot	verfügbare Maschinenzeit
Zeitnachfrage	auftragsbezogener Bedarf
Vorbereitung	Rüsten
Restkapazität	Reserve
Überlast	Kapazitätsengpass

Kreuzworträtsel

Kapazität	Wie heißt das verfügbare Leistungsvermögen einer Maschine?
Rüstzeit	Wie heißt die Zeit zum Vorbereiten eines Auftrags?
Auftrag	Was löst einen konkreten Fertigungsbedarf aus?
Reserve	Wie heißt die positive Restzeit nach der Belegung?
Engpass	Wie heißt eine Situation mit zu wenig verfügbarer Kapazität?
Steuerung	Welcher Begriff bezeichnet das kurzfristige Lenken der Fertigung?

LearningApps

Lückentext

Die für Aufträge nutzbare Zeit heißt verfügbare

.

Der einmalige Vorbereitungsanteil eines Fertigungsauftrags heißt

.

Der Bearbeitungsanteil für jedes einzelne Teil heißt

.

Der gesamte Zeitbedarf entsteht aus Rüstzeit und mengenabhängiger

.

Im Lernfall stehen für F-20 insgesamt

Minuten zur Verfügung.

Die Aufträge A und B benötigen zusammen

Minuten.

Die verbleibende Restkapazität beträgt

Minuten.

Mit Auftrag C entsteht eine Überlast von

Minuten.

Ein Kapazitätsproblem muss durch eine sichere

gelöst werden.

Offene Aufgaben

Leicht

Zeitangebot markieren: Übertrage den Lernfall auf eine Karte und markiere verfügbare Zeit, Nichtproduktionszeit und Reserve mit drei selbst gewählten Symbolen.
Auftragskarte gestalten: Erstelle eine Auftragskarte für einen fiktiven Auftrag mit Stückzahl, Rüstzeit und Stückzeit.
Werkzeugbild beschriften: Wähle eines der eingebetteten freien Werkzeugbilder und benenne drei sichtbare Merkmale, die für die Arbeitsvorbereitung relevant sein können.
Mini-Belegungsplan: Zeichne A und B als Zeitbalken auf einer 420-Minuten-Leiste.

Standard

Varianten rechnen: Verändere die Stückzahl von Auftrag B und bestimme, ab welcher Menge die Kapazität überschritten wird.
Störung simulieren: Ziehe fiktiv 20, 40 und 60 Minuten Ausfallzeit ab und vergleiche die Folgen.
Prioritäten begründen: Formuliere eine kurze Entscheidung, welcher Auftrag bei knapper Kapazität verschoben werden soll und warum.
Interview vorbereiten: Entwickle fünf Fragen für eine Fachkraft aus der Arbeitsvorbereitung zu Kapazitätsengpässen. Verwende keine vertraulichen Betriebsdaten.

Schwer

Drei Szenarien entwickeln: Erstelle Best Case, Normalfall und Störfall mit jeweils eigener verfügbarer Zeit und begründe die Unterschiede.
Losaufteilung prüfen: Untersuche, wann eine Aufteilung eines Auftrags sinnvoll sein könnte und welche zusätzliche Rüstzeit dadurch entstehen kann.
Entscheidungsmatrix erstellen: Vergleiche Terminverschiebung, Alternativmaschine, Zusatzschicht und Losaufteilung anhand von Termin, Kosten, Risiko und Umsetzbarkeit.
Erklärvideo planen: Entwirf ein 60-Sekunden-Storyboard, das Zeitangebot, Zeitbedarf und Engpass mit fiktiven Zahlen erklärt. Keine Personen- oder Betriebsdaten verwenden.

Lernkontrolle

Abweichung erklären: Ein Plan zeigt 95 Prozent Auslastung, trotzdem wird der Auftrag verspätet fertig. Nenne drei plausible Ursachen und ordne sie Planung oder Steuerung zu.
Maßnahmen bewerten: Vergleiche Alternativmaschine und Terminverschiebung für einen Eilauftrag. Begründe, welche Zusatzinformationen Du vor der Entscheidung brauchst.
Rüstwirkung übertragen: Erkläre, warum zwei kleine Lose mehr Kapazität beanspruchen können als ein großes Los, obwohl die Stückzahl gleich bleibt.
Puffer beurteilen: Beurteile, ob eine rechnerische Auslastung von 100 Prozent in einer störungsanfälligen Fertigung automatisch ein guter Plan ist.
Reihenfolge entwickeln: Leite eine Reihenfolge für drei Aufträge mit unterschiedlichen Lieferterminen und Bearbeitungszeiten ab und begründe sie.
Termindruck reflektieren: Erkläre, warum Sicherheitsgrenzen bei Kapazitätsproblemen unverändert gelten und welche organisatorischen Alternativen bestehen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können:

die verfügbare Maschinenzeit aus einer einfachen Schichtvorgabe herzuleiten.
den Zeitbedarf eines Auftrags aus Rüstzeit, Stückzahl und Stückzeit zu berechnen.
Auslastung, Reserve und Überlast korrekt zu interpretieren.
einen einfachen Maschinenbelegungsplan zu erstellen.
mindestens zwei fachlich sinnvolle Maßnahmen bei einem Kapazitätsengpass zu vergleichen.
eine Entscheidung mit Zahlen, Terminwirkung und Sicherheitsaspekten zu begründen.
zwischen fiktiven Lerndaten und schutzbedürftigen betrieblichen Echt-Daten zu unterscheiden.

Fachquellen und Medienrechte

Fachquellen

Wikipedia: Produktionsplanung und -steuerung: Überblick zu Produktionsplanung, Termin- und Kapazitätsplanung sowie Produktionssteuerung.
Wikipedia: Kapazitätsterminierung: Terminierung unter Berücksichtigung verfügbarer Kapazitäten.
IHK Schwarzwald-Baar-Heuberg: Produktionstechnologe/-technologin: Ausbildungsbezug zu Produktionsanlagen, Simulation und Produktionsplanung.
DGUV Akademie: Metallwerkstatt: sichere Gestaltung von Metallbearbeitung und Produktionsabläufen.
BGHM: CNC-Oberfräsmaschinen: Schutzvorrichtungen und Hinweise zum sicheren Betrieb.
Allianz Industrie 4.0 Baden-Württemberg: Beispiele für Lernfabriken, Simulationen und digitale Ausbildungsprojekte.