Produktionssteuerung bei hoher Variantenvielfalt in der Elektronikfertigung

Ein kontinuierlicher Anstieg der Variantenvielfalt, lange Durchlaufzeiten und hohe Bedarfsschwankungen prägen viele Wertströme in der Elektronikindustrie. Die Implementierung von Nivellierung und Ziehprinzip soll dabei helfen, Regelabläufe und standardisierte Arbeit in der Fertigung zu ermöglichen. Als Lösungsansatz wird in diesem Artikel an einem Praxisbeispiel die Umsetzung einer hybriden Conwip-Steuerung vereinigt mit dem Baustein Nivellierung vorgestellt.Der fortschreitende Prozess der Globalisierung und der damit verbundene ansteigende Preis- und Wettbewerbsdruck zwingt weltweit Unternehmen nach Möglichkeiten zu suchen, die Konkurrenzfähigkeit auf den jeweiligen Märkten zu sichern beziehungsweise zu verbessern. Der Verkäufermarkt wurde zum Käufermarkt [1]. Individuelle und qualitative Produktanforderungen steigen und werden von den Kunden immer mehr vorausgesetzt [2]. Hierbei ergeben sich durch die Tendenz zu kleinen Abrufmengen und kurzen Lieferzeiten weitere Herausforderungen an Unternehmen.

Das japanische Unternehmen Toyota meistert seit Jahren diese Herausforderungen mit großem Erfolg. Bis heute gilt das dort entwickelte Toyota Production System als Benchmark für produzierende Unternehmen [3]. Zwei wesentliche Elemente sind die Produktionsnivellierung (jap.: Heijunka) sowie das Ziehprinzip. Bei der Nivellierung werden Fertigungsaufträge von den Kundenabrufen entkoppelt, um ein sich wiederholendes und beruhigtes Produktionsprogramm zu ermöglichen. Der Gesamtbedarf für einen bestimmten Zeitraum wird optimalerweise so aufgeteilt, dass täglich die gleiche Stückzahl und der gleiche Produktionsmix hergestellt werden. Die Steuerung erfolgt dezentral am Schrittmacherprozess (taktgebender Prozess) über Heijunka-Boards. Das Zieh- oder Pull-Prinzip löst die Produktion erst nach einem tatsächlichen Verbrauch aus und vermeidet somit Überproduktion. Beide Verfahren unterstützen den Verbesserungsprozess, indem sie Transparenz und Standards schaffen und somit Abweichungen vom definierten Zielzustand [4] aufzeigen. Zahlreiche europäische Unternehmen haben das Verbesserungspotential erkannt und beschäftigen sich mit der Implementierung des Toyota Production System. Hierbei sind individuelle Lösungen zu entwickeln, um den unterschiedlichen Rahmenbedingungen verschiedener Wertströme zu begegnen.

Ziel des im Folgenden vorgestellten Ansatzes war die Erarbeitung eines Fertigungssteuerungskonzeptes, welches den beschriebenen Prinzipien des Toyota Production System entspricht.

Ausgangslage & Analyse

Der Ablauf der Elektronikfertigung in Leiterplattentechnologie ist in allen Wertströmen – von geringfügigen Unterschieden abgesehen – grundsätzlich gleich. Als Grundstruktur elektronischer Steuergeräte werden Leiterplatten verwendet, die mit Bauteilen bestückt, kontaktiert und anschließend in einem Gehäuse montiert und mit Außenkontakten versehen werden.

Im hier beschriebenen Beispiel (vgl. Bild 1) versorgt eine Bestücklinie, in der Lötofen und Qualitätskontrollen integriert sind, eine alleinstehende Fräse, die die im Nutzen bestückten Schaltungen vereinzelt. Anschließend folgen zwei identische Endmontagen, bei denen das Gehäuse des Steuergerätes montiert und mit Dichtstoff verschlossen wird. Nach Funktions- und Qualitätsprüfungen werden die Erzeugnisse am Ende der Linie in Kundengebinde verpackt. Die Varianten werden durch das Auflegen der Leiterplatte (Erzeugnisfamilie), die Bestückung mit Bauteilen (bestückte Leiterplatte), die Endmontage (Enderzeugnis) sowie die Verpackung erzeugt.

Bei dem betrachteten Elektronik-Wertstrom (vgl. Bild 1) hat die mangelnde Flächenverfügbarkeit bereits zu Auslagerung aller Fertigerzeugnisse zu Logistikdienstleistern geführt. Die Produktionsteuerung verläuft mit hohem manuellen Aufwand, da es durch die angewandte Push-Systematik oft dazu kommt, dass Engpässe und Durchlaufzeitschwankungen auftreten, woraufhin die Produktion in der Endmontage immer wieder nachgesteuert und korrigiert werden muss. Zusätzlich häufen sich, typisch für ein Push-System, zwischen den einzelnen Stationen Bestände an. Rohstoff- sowie Halbfertigerzeugnisbestände sind undefiniert und unterliegen starken Schwankungen. Nicht selten kommt es zu ungeplanten Rüstvorgängen, da ein dringender Auftrag durchgeschleust werden muss. Es gibt keine Nivellierung beziehungsweise kein Planungsmuster und eine abstimmende Kommunikation zwischen Fertigung und Logistik findet nur gelegentlich statt. Ein Abweichungsmanagment mit geschlossenem Regelkreis ist nicht existent. Weiterhin sind die verschiedenen Erzeugnistypen den beiden Endmontagelinien nicht fest zugeordnet. Bei auftretenden Problemen wird spontan die andere Endmontage benutzt, was einem Ausweichen der Probleme gleichkommt.

Eine typische ABC-Verteilung des Produktspektrums liegt nicht vor. Die Renner-/Exoten-Verteilung liegt, bei mehr als 100 aktiven Varianten pro Monat, bei unter 60 Prozent Renneranteil. Der Großteil der Exoten wird nur sporadisch und in geringer Stückzahl abgerufen. Hinzu kommt, dass die Abrufmengen auch bei den Rennertypen deutlich schwanken. Eine durchgeführte XYZ-Analyse, die den Variationskoeffizient bezüglich des Verbrauchs jeder Sachnummer ermittelt, ergab, dass ein Großteil der Produkte starken Verbrauchs- und Vorhersageschwankungen ausgesetzt ist. Erschwerend kommt hinzu, dass kundenseitig regelmäßig erzeugnisspezifische Softwareanpassungen durchgeführt werden, was wiederum zu einem ständigen Anwachsen der Variantenanzahl führt.

Die Prozesse innerhalb der Wertstromsegmente laufen relativ stabil mit OEE-Werten (Overall Equipment Effectiveness) [5] von größer als 70 Prozent.Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass die Einsteuerung über den ersten Prozessschritt unzureichend funktioniert und ein dauerndes Einschreiten in die laufende Produktion erfordert. Die Steuerung zum Kunden ist auf kurzfristiger Basis nicht auf ein Ziehprinzip umzustellen, da erstens keine Fläche für notwendige Fertigerzeugnis-Supermärkte (definierte Bestandspuffer)  zur Verfügung steht und zweitens durch die Anzahl der Sachnummern ein erheblicher Anstieg der Bestandskosten die Folge wäre. Vor einer Umstellung müssten deutliche Veränderungen im Wertstrom erfolgen, die wenn, nur mittel- bis langfristig zu stemmen sind.Zu klären bleiben der Ort der Einsteuerung sowie die Verknüpfung zwischen Bestückung und Endmontage.Lösungsalternativen & EntscheidungDie zu erarbeitende Steuerungslogik muss den beschriebenen Wertstrom unter gegebenen Rahmenbedingungen selbstregelnd steuern können. Das zu wählende Verfahren sollte aus diesem Grund die folgenden Kriterien erfüllen:

• Eignung für die Steuerung hoher Variantenvielfalt
• Umsetzung der Nivellierung mit einer dezentralen Steuerung über Heijunka-Boards an der Endmontage und besonders
• die Umsetzung des Ziehprinzips

Um die Analyse einzugrenzen, werden nur bekannte und in der Praxis relevante Steuerungsverfahren untersucht. Zusätzlich werden diese nach den definierten Hauptkriterien Steuerungsprinzip und Variantenanzahl gruppiert (vgl. Bild 2). Ein Verfahren ist dem Steuerungsprinzip Pull zugeordnet, wenn der Anteil des Informationsflusses überwiegt, der entgegengerichtet dem Materialfluss fließt, sowie der Steuerimpuls vom Ende oder aus der Fertigung heraus ausgelöst wird (in Anl. [6]).

Die Verfahren Polca, MRP II und die Engpass Steuerung [7] sind durch ihre Anstoß- bzw. Steuerungslogiken dem Push-Prinzip zuzuordnen und empfehlen sich somit nicht.

Die Fortschrittszahlensteuerung kann unterschiedliche Steuerungsverfahren abbilden und ist sowohl dem Push-Prinzip als auch dem Pull-Prinzip beizuordnen, wird aber mit steigender Variantenanzahl schwierig zu steuern und fordert besondere Betreuung durch den Anwender [8].

Das Basestock Vefahren [7] hingegen gehört dem Ziehprinzip an, da nach Verbrauch aus den variantenspezifischen Puffern ein Signal zum zugehörigen Arbeitssystem ausgesendet wird. Nachteilig jedoch ist die zentrale Steuerung über ein IT-System und die benötigten Bestandspuffer, die mit steigender Variantenanzahl immer unwirtschaftlicher werden.

Kanban ist das klassische Beispiel für das Ziehprinzip. Sobald es zu einem Verbrauch kommt, autorisiert die zurücklaufende Kanban Karte die Nachfertigung der verbrauchten Variante im vorgelagerten Arbeitssystem. Die manuelle, dezentrale Kartensteuerung stellt die Ist-Situation übersichtlich dar und ermöglicht einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess, da Abweichungen sofort offensichtlich werden. Die benötigte Supermarktfläche zwischen Bestückung (Vorprozess) und Endmontage und die darin enthaltenen Bestände für die Renner sind hier allerdings als negativ einzustufen.

Die BOA (Belastungsorientierte Auftragsfreigabe) [7] Steuerung wird auch dem Ziehprinzip zugeordnet. Dabei terminiert ein zentrales System Aufträge rückwärts. Diese werden aber nur freigegeben, wenn an keinem Arbeitssystem die Belastungsschranke überschritten ist. Durch die integrierte Terminschranke sind Reihenfolgevertauschungen möglich, abträglich ist auch die zentrale Steuerung.

Conwip (engl.: Constant work in process) [6] bedeutet zu Deutsch etwa gleichmäßiger Bestand in Arbeit. Ähnlich wie Kanban arbeitet Conwip auch im Ziehprinzip. Dennoch gibt es Unterschiede: Eine Kanban-Karte steht für eine spezifische Sachnummer, die Conwip-Karte hingegen ist Typ-unspezifisch und steuert viele Sachnummern. Die Karten sind nicht einem bestimmten Produkt zugeordnet, sondern dem Bereich des Wertstroms, den der Conwip-Regelkreis umfasst. Das System autorisiert die variantenunspezifische Nachproduktion für ein Wertstromsegment. Ein Auftrag darf daher erst dann für die Fertigung freigegeben werden, wenn ein anderer Auftrag die Fertigung verlassen hat. Anders als bei einem Push-Prinzip können sich bei Conwip keine undefinierten Bestände zwischen den Prozessen aufhäufen, weil die Bestände durch die zuvor berechneten Conwip-Karten im Umlauf festgelegt werden. Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass auch eine dezentrale Steuerung und Kombination mit anderen Steuerungsverfahren (Hybrid) möglich ist. Die Umsetzung im Detail ermöglicht mehrere Einsteuerungsvarianten, die abhängig vom jeweiligen Wertstrom und der jeweiligen Zielsetzung zur Anwendung kommen.

Aufgrund der oben aufgeführten Argumente wurde eine Conwip Variante in Kombination  mit dem bestehenden MRP II-System gewählt. In Anlehnung an Kanban werden nun Produktionskarten wöchentlich aus dem MRP II-System generiert und dezentral in die Heijunka Boards an den Endmontagen eingepflegt. Das gewählte Muster orientiert sich an den Hauptvariantenbildungspunkten und der Rüstzeitanalyse. So werden täglich Zeitspannen für Produktfamilien mit gleich bestückter Leiterplatte eingeplant, sodass eine Beruhigung des Wertstroms und Standardisierung von Arbeits- und Rüstabläufen gewährleistet sind. Durch die Optimierung kann ein EPEI (Every part every intervall) für die bestückte Leiterplatte von < 2 gefahren werden ([9], [10]).

Konfiguration & Informationsfluss

Über jeweils ein Heijunka-Board wird das Produktionsmuster in die beiden Endmontagen eingesteuert. Sobald eine Endmontage einen Auftrag gemäß dem nivellierten Produktionsmuster fertig stellt, wird die nächste zu produzierende Produktionskarte für die Vorprozesse freigesetzt und über den standardisierten Milkrun (interne Materialversorgung) zum Steuerungsboard der Bestückung zurücktransportiert. Parallel dazu werden in der Endmontage durch Verbrauch Kapazitätskarten ausgelöst. Diesen ist ein fester Wert an Stückzahlen (Losen) zugeordnet. Nach deren Freisetzung werden auch die Kapazitätskarten an das Steuerungsboard übermittelt. Dort werden sie zunächst gesammelt bis für den an erster Stelle stehenden Auftrag auch die dafür erforderliche Anzahl an Kapazitätskarten vorliegt. Die vorliegenden Karten werden nun „verheiratet“. Erst dann ist die Produktion in der Bestückung freigegeben (vgl. Bild 3).

Zwischen den beiden Prozessen werden zwei dimensionierte FIFO (First-In-First-Out) Spuren aufgeführt, die je einer Endmontage fest zugeordnet sind. Dieser Bestand ist erforderlich, damit dem Endprozess die für einen Auftrag erforderlichen Erzeugnisse zur Verfügung stehen.

Der Planungsablauf wurde wie folgend vereinbart: Am Anfang jedes Monats wird anhand der Kundenbedarfe das Nivellierungsmuster festgelegt und mit anderen indirekten Bereichen abgestimmt. Bei der wöchentlichen Abstimmung (Nivellierungsperiode) wird dieses Muster nur noch im Detail verfeinert und sonst nicht mehr verändert. An der Endmontage ist der Wochenplan an den Heijunka-Boards sowie über die gesteckten Produktionskarten für alle Mitarbeiter ersichtlich dargestellt. Bei einer täglichen Regelkommunikation wird vor Ort der Nivellierungsplan bestätigt. Alle aufgetretenen Abweichungen vom Wochenmuster werden über eine standardisierte Problemlösungsmethodik bearbeitet und analysiert. Die Fehlerverfolgung unterteilt sich in Logistik- und Fertigungsabweichungen. Die Güte der Nivellierung und deren Niveau kann am Heijunka Board über visualisierte Kennzahlen eingesehen werden. Der aktuelle Zustand der Fertigung ist direkt ersichtlich.

Zusammenfassung und Fazit

Die Analyse des Wertstroms war die wichtigste Entscheidungsgrundlage, um das passende Steuerungsverfahren auszuwählen. Hierdurch konnte das Ziel eine selbststeuernde Fertigung aufzubauen, die sowohl transparent als auch verbesserungsfähig ist, erreicht werden. Die schwankende Nachfrage, die hohe Variantenvielfalt und die mangelnde Fertigungsfläche waren ausschlaggebend für die Wahl der Conwip Steuerung, da diese der klassischen Kanban-Steuerung hier messbar überlegen war. Ferner ermöglichten eine Variantenbaum- und Rüstzeitenanalyse, das richtige Nivellierungsmuster zu wählen. Die Umstellung lief durch rechtzeitige Mitarbeitereinbindung und Schulung reibungslos. Von nun an können Abweichungen sofort aufgegriffen und bearbeitet werden. Täglich findet eine Besprechung vor Ort mit Fertigung und Logistik statt, an der die Ergebnisse gegenüber dem definierten Zielzustand gemessen werden. Weiterhin wird täglich eine Logistik-Prozessbestätigung durchgeführt, in die auch Führungskräfte regelmäßig eingebunden werden. Die logistischen Kennwerte konnten sich deutlich verbessern: Die Bestände an Rohstoffen sind um circa 20 Prozent gesunken, die der Halbfertigerzeugnisse um 25 Prozent. Fertigerzeugnisse sind auf einem definierten Niveau geblieben. Auch der EPEI und Losgrößen sind rückläufig, die interne Liefererfüllung beträgt nach Einführung des Systems nahezu 100 Prozent. Des Weiteren konnten durch die stabilere Steuerung Ausbringungsschwankungen reduziert werden.