Einzelfertigung und Serie unter einem Dach

Ein Werk, das Sondermaschinen baut und zugleich Serie fertigt, lässt zwei verschiedene Mathematiken im selben ERP laufen. Die eine ist ein Projekt mit kritischem Pfad, die andere ein Fluss mit einer Warteschlange. Beide mit einer Methode zu planen ist der Grund, warum die Maschine zu spät kommt und die Serienlieferung unvollständig — und die Formeln sagen, an welchem Hebel zu ziehen ist.

Unser eigenes Werk hat genau das Problem, um das es hier geht, und nur deshalb sind wir qualifiziert, darüber zu schreiben. Ein Teil des Gebäudes konstruiert und baut Maschinen, die es vorher nicht gab. Ein anderer Teil fertigt Schaltschränke und Kabelbäume in wiederkehrenden Stückzahlen nach eingefrorener Dokumentation. Beide teilen sich ein Gebäude, ein Qualitätssystem, einen Einkauf und, am unangenehmsten, mehrere derselben Personen. Eine Planungsmethode teilen sie nicht, und die Versuche, die wir gesehen haben, ihnen eine gemeinsame zu geben, sind alle gleich gescheitert: Das Projekt zieht die gemeinsamen Ressourcen an sich, sobald ein Meilenstein näher rückt, die Serienaufträge warten, dann eskaliert der Serienkunde, und stattdessen rutscht das Projekt.

Der Grund dafür ist mathematisch und nicht organisatorisch. Serienfertigung ist ein Flussproblem, bestimmt von Warteschlangenverhalten und Losgrößen. Eine auftragsbezogen konstruierte Maschine ist ein Projekt, bestimmt von einem Netz abhängiger Vorgänge ohne Wiederholung, aus der man lernen könnte. Beide haben unterschiedliche Zielgrößen, unterschiedliche Maßeinheiten und unterschiedliche Versagensmuster, und die Formeln sagen deutlich, dass eine für das eine richtige Regel für das andere falsch ist.

Was klassisches MRP annimmt und was nicht

Die Materialbedarfsplanung kann eine Sache ausgezeichnet. Sie nimmt einen Bedarf an einem Endprodukt, löst ihn Ebene für Ebene über die Stückliste auf, verrechnet jeden Bedarf gegen Lagerbestand und bereits erteilte Bestellungen und verschiebt das Ergebnis um die geplante Durchlaufzeit nach hinten, um zu sagen, wann jeder Auftrag freizugeben ist. Für ein wiederkehrendes Produkt mit stabiler Struktur ist das kaum zu verbessern, und Tabellen, die sie ersetzen, sind fast immer schlechter.

Was sie nicht tut, ist Kapazität berücksichtigen. Klassisches MRP plant Material gegen unendliche Kapazität und überlässt die Frage, ob die Arbeitsplätze die Arbeit überhaupt leisten können, einem nachgelagerten Kapazitätsabgleich, der eine Überlast meldet, statt sie aufzulösen. In einer Werkstatt mit ähnlichen Arbeitsplänen, in der sich die Last ausmittelt, ist diese Trennung vertretbar. Sie ist nicht vertretbar, wenn einer der Aufträge im Plan ein Maschinenbau ist, dessen Vorgänge einmalig sind, dessen Vorgangsnetz tief ist und dessen Konstruktionsstand sich ändert, während der Plan läuft.

Die Serienseite: drei Formeln, die man kennen sollte

In der Losgröße wird der größte Teil des Bestands eines Werks entschieden. Der Lehrbuchstart ist die optimale Bestellmenge, die Bestellkosten gegen Lagerkosten abwägt. Für einen Artikel mit 12.000 Stück Jahresbedarf, 120 Euro Bestell- oder Rüstkosten, 8 Euro Stückkosten und 20 Prozent Lagerkostensatz je Jahr betragen die Lagerkosten 1,60 Euro je Stück und Jahr, und die Menge ist die Wurzel aus zwei mal Bedarf mal Bestellkosten geteilt durch Lagerkosten: die Wurzel aus 1.800.000, also rund 1.340 Stück oder neun Bestellungen im Jahr.

Die Zahl ist nützlich, und ihre Annahmen gehören dazugesagt, denn sie werden regelmäßig verletzt: konstanter Bedarf, sofortige Wiederbeschaffung, keine Mengenrabatte, keine Kapazitätsgrenze. Bei dem sprunghaften Bedarf, den ein Maschinenbauer tatsächlich sieht, sind die ehrlichen Werkzeuge die dynamischen — die Silver-Meal-Heuristik, die einem Los so lange Perioden hinzufügt, wie die Kosten je Periode weiter fallen, und das Wagner-Whitin-Verfahren, das den deterministischen Einprodukt-Fall mit dynamischer Programmierung optimal löst. Beide brauchen einen Bedarfsverlauf statt einer Jahressumme, und genau die Information hat ein MRP-Lauf bereits.

Der Sicherheitsbestand ist die zweite Formel, und die Fassung, die die meisten Werke benutzen, ist die falsche. Bei zuverlässiger Wiederbeschaffungszeit und schwankendem Bedarf ist die nötige Deckung der Servicefaktor mal die Standardabweichung des Bedarfs mal die Wurzel aus der Wiederbeschaffungszeit. Bei 95 Prozent Servicegrad ist der Faktor 1,645; bei einer wöchentlichen Bedarfsstandardabweichung von 60 Stück und vier Wochen Wiederbeschaffungszeit sind das 1,645 mal 60 mal 2, also rund 197 Stück.

Nun lassen wir die Wiederbeschaffungszeit selbst schwanken, was bei einem Lieferanten tatsächlich der Fall ist. Die Deckung wird zum Servicefaktor mal der Wurzel aus Wiederbeschaffungszeit mal Bedarfsvarianz plus mittlerem Bedarf zum Quadrat mal Varianz der Wiederbeschaffungszeit. Bei 500 Stück mittlerem Wochenbedarf und einer Standardabweichung der Wiederbeschaffungszeit von einer Woche steht unter der Wurzel 14.400 plus 250.000, und der Sicherheitsbestand liegt bei rund 846 Stück — mehr als das Vierfache dessen, was die Bedarfsschwankung allein ergab. Das sollte man zweimal lesen, bevor das nächste Prognoseprojekt genehmigt wird. Eine Lieferzeit zu stabilisieren ist ein Mehrfaches dessen wert, die Prognose zu verbessern, denn der mittlere Bedarf geht quadratisch in den Lieferzeitterm ein und die Bedarfsschwankung nicht.

Die dritte ist die einfachste und die am meisten ignorierte. Das Gesetz von Little besagt, dass der Umlaufbestand gleich Durchsatz mal Durchlaufzeit ist. Eine Zelle mit 48 Gutteilen pro Stunde und sechs Stunden Durchlaufzeit hält 288 Teile irgendwo zwischen ihrem ersten und ihrem letzten Arbeitsgang. Die Beziehung ist eine Identität und kein Modell, sie schneidet also in beide Richtungen: Bei gleichem Durchsatz halbiert ein halbierter Umlaufbestand die Durchlaufzeit, und die einzige Möglichkeit, eine Durchlaufzeit ohne zusätzliche Kapazität zu verkürzen, ist, weniger hineinzugeben. Jedes Werk, das auf einen verspäteten Auftrag mit mehr Freigaben reagiert, hat die Identität gegen sich.

Warum der gemeinsame Arbeitsplatz das ganze Problem ist

Die Formel, die die meisten Terminversäumnisse in einem gemischten Werk erklärt, ist die Warteschlangennäherung, die üblicherweise Kingman zugeschrieben wird. Die Wartezeit an einem Arbeitsplatz ist etwa der Mittelwert der Streuungsterme für Ankunft und Bedienung, multipliziert mit dem Auslastungsterm, multipliziert mit der effektiven Bearbeitungszeit. Der Auslastungsterm ist die Auslastung geteilt durch eins minus die Auslastung, und er ist der Grund, warum die Intuition versagt.

Bei 80 Prozent Auslastung beträgt dieser Term 4. Bei 90 Prozent sind es 9. Bei 95 Prozent sind es 19. Eine gemeinsam genutzte Ressource von 80 auf 95 Prozent zu treiben macht sie nicht in einer für den Kunden spürbaren Weise um 19 Prozent beschäftigter; es multipliziert die Warteschlange davor um fast das Fünffache. Der Streuungsterm wiegt genauso schwer: Ein Arbeitsplatz, der mit einer Mischung aus 200er-Serienlosen und Einzelteilen für den Maschinenbau beschickt wird, hat konstruktionsbedingt eine hohe Ankunftsstreuung, seine Warteschlange ist also schon bei Auslastungen lang, bei denen eine dedizierte Zelle entspannt bliebe.

Diese eine Beziehung ist das stärkste Argument dagegen, eine Zerspanung, einen Verdrahtungsplatz oder ein Konstruktionsteam als Topf zu behandeln, den man auffüllt. Sie erklärt auch, warum Werke, die Auslastung messen, schlecht liefern: Wer dafür belohnt wird, einen Arbeitsplatz bei 95 Prozent zu halten, wird dafür belohnt, eine Warteschlange aufzubauen.

Die Projektseite gehorcht anderen Regeln

Eine Sondermaschine ist kein Los. Sie ist ein Netz von Vorgängen mit Anordnungsbeziehungen und gemeinsamen, begrenzten Ressourcen, im allgemeinen Fall also ein ressourcenbeschränktes Projektplanungsproblem — nachweislich schwer optimal zu lösen und, wichtiger noch, etwas, das ein MRP-Lauf gar nicht erst versucht. Ihr kritischer Pfad ist eine Kette aus Konstruktionsentscheidungen, langlaufenden Komponenten und Integrationsschritten, und was den Liefertermin bestimmt, ist meist nicht Kapazität, sondern eine Entscheidung, die jemand noch nicht getroffen hat.

Daraus folgen drei Dinge. Erstens gehören Puffer ans Ende der Kette und nicht auf jeden Vorgang, was der nützliche Kern des Critical-Chain-Denkens ist: Polstert man jeden Vorgang einzeln, verbraucht garantiert jeder Vorgang sein Polster, während ein einziger Projektpuffer die Streuung aufnimmt, die tatsächlich auftritt. Zweitens müssen langlaufende Positionen gegen eine bewusst gestufte Konstruktionsfreigabe bestellt werden, damit ein Antrieb, ein Roboter oder ein zugekaufter Rundschalttisch festgelegt werden kann, während die Verkleidung noch gezeichnet wird. Drittens sind Konstruktionsänderungen im laufenden Projekt keine Störungen, die man wegoptimiert; sie sind der Normalzustand von Losgröße eins, und der Plan muss einen Ort haben, an den sie gehen können.

Nervosität und der Zaun, der sie stoppt

Ein MRP, das jede Woche auf einem rollierenden Horizont neu läuft, terminiert Aufträge um, die keine Umterminierung brauchten. Eine kleine Prognoseänderung mehrere Ebenen weiter oben, eine Losgröße, die anders rundet, ein einziger verspäteter Wareneingang — und der Lauf erzeugt einen frischen Satz Freigabetermine für Teile, deren reale Lage sich überhaupt nicht geändert hat. Die Planungsliteratur hat das in den 1970er Jahren Systemnervosität genannt, und das Gegenmittel ist seither unverändert: ein Planungshorizont, innerhalb dessen das System nicht neu planen darf, Planaufträge, die ein Planer und nicht der Algorithmus fixiert, und Losgrößen, die nicht in jedem Zyklus neu gerechnet werden.

In einem gemischten Werk hat die Nervosität eine zweite Quelle, nämlich das Projekt. Jede Konstruktionsänderung an einem Maschinenbau tritt als neuer oder entfallener Bedarf in den Materialplan ein, und ohne Zaun wirbeln diese Änderungen die Freigabetermine der Serienarbeit durcheinander, die sich dieselben Bauteile und dieselben Menschen teilt. Das praktische Gegenmittel ist unglamourös: das Projekt außerhalb des MRP-Horizonts planen und reservierte Kapazität verbrauchen lassen, statt es im selben Verrechnungslauf mitkonkurrieren zu lassen.

Wie wir es tatsächlich trennen

Was bei uns funktioniert, ist eine bewusste Trennung mit genau einem gemeinsamen Objekt. Die Serienseite wird per MRP geplant, mit einem eingefrorenen Fenster von zwei Wochen, darüber hinaus fixierten Planaufträgen, quartalsweise statt wöchentlich überprüften Losgrößen und Arbeitsplanzeiten aus Messung statt aus Vorgabe. Die Projektseite wird als Projekt geplant, mit Projektstrukturplan, kritischer Kette und einem einzigen Projektpuffer, und ihr langlaufendes Material wird gegen gestufte Konstruktionsfreigaben disponiert.

Das Einzige, was an beiden Stellen geplant wird, sind Menschen. Eine namentliche Kapazitätsreservierung — so viele Konstruktions- und so viele Verdrahtungsstunden je Woche fest für das Projekt, für den Serienplaner sichtbar als nicht verfügbar — ist der einzige Mechanismus, den wir gefunden haben, der die beiden Regime davon abhält, sich still gegenseitig zu bestehlen. Es ist eine unangenehme Zahl, denn sie zwingt jemanden, im Voraus zu entscheiden, wie viel der Woche der Maschine und wie viel den Schaltschränken gehört — und genau diese Entscheidung trifft sonst jeden Morgen derjenige, der am lautesten ruft.

Was zu messen ist

Auslastung ist für ein gemischtes Werk die falsche Leitkennzahl, aus dem Grund, den der Warteschlangenterm nennt. Das Paar, das wir stattdessen beobachten, ist Termintreue auf der Serienseite — der Anteil der Aufträge, die in der geplanten Periode fertig wurden, ohne Gutschrift für zu früh — und Pufferverbrauch gegen Fortschritt auf der Projektseite, was lange vor einem verpassten Meilenstein zeigt, ob eine Maschine in Schwierigkeiten ist. Beide sind schwerer schönzurechnen als Auslastung, und genau darum geht es.

Unter beiden liegt dieselbe Voraussetzung wie immer: gemessene Arbeitsplanzeiten, Stücklisten, die dem entsprechen, was gebaut wird, und eine Aufzeichnung je Teil von der Fläche, die die Planungsannahmen des nächsten Quartals in Messwerte dieses Quartals verwandelt. Kein Regime lässt sich gut auf Daten planen, die einmal bei der Systemeinführung erfasst und seither nie gegen einen Schichtbericht geprüft wurden.

— Engineering-Team GANI Manufacturing