A simulation-based method for improving material efficiency within the constraints of existing production systems

Abstract

With increasing material and labor costs, manufacturers seek to increase material yield in existing production systems without sacrificing logistical performance. However due to a lack of understanding of the material waste causality and its interdependencies, localized and isolated material efficiency efforts are commonplace. To enable manufacturers to select the best-suited instruments for holistic material efficiency, this thesis presents a simulation-based method, modelling the causality of material waste parallel to manufacturing performance. An Ishikawa analysis of twelve material waste forms addresses the need for deeper understanding of material waste causation. Through abstraction, four types of causes are identified: those setting the frequency and duration of waste-linked activities, those determining the amount of waste per activity, or unnecessarily linking waste to an activity. Based on this finding, the author adapts existing resource consumption modelling structures, e.g. machine operating states, to industrial waste. A model of the factory is developed to illustrate the mechanisms for controlling material waste. The developed procedure begins with a current state survey to examine the relation between material waste and activities of the factory. A systematic method allows the user to generate a list of improvement scenarios. The effectiveness of the improvement measures is investigated in dynamic production simulation (system dynamics).

Mit steigenden Material- und Lohnkosten, erstrebt die produzierende Industrie eine Steigerung der Materialausbeute ohne die Beeinträchtigung logistischer Ziele in bestehenden Produktionssystemen. Aufgrund des unvollständigen Verständnisses der vielfältigen Ursachen der Materialabfälle bleiben jedoch lokale und isolierte Optimierungen die Regel. Um Produktionszuständige zu befähigen geeignete Instrumente für ganzheitliche Materialeffizienz zu selektieren, präsentiert diese Arbeit eine simulationsbasierte Lösung zur parallelen Modellierung der Abfallkausalität und der Leistung eines Produktionssystems. Eine Ishikawa-Analyse zwölf üblicher Abfallarten adressiert den Bedarf für ein tiefgreifendes Verständnis der Materialflüsse und ihrer Ursachen. Die Konsolidierung und Zusammenfassung der Ursachen ergibt vier Mechanismen zur Beeinflussung der Menge und Wert der Materialabfälle in bestehenden Produktionssystemen: Steigerung der Häufigkeit oder der Dauer materialverbrauchender Aktivitäten, Steigerung der Abfallmenge je Aktivität und die unnötige Verkopplung von Abfällen mit Aktivitäten. Mit dieser Kenntnis adaptiert der Autor die bestehenden Modellstrukturen, z.B. die Betriebszustandsmodellierung zur Entstehung der Materialabfälle in der Fabrik. Anhand des Materialeffizienzmodells der Fabrik lassen sich die Stellhebel zur Steigerung der Materialeffizienz auf Fabrikebene darstellen. Die entwickelte Methode beginnt mit einer Ist-Aufnahme, um den Zusammenhang zwischen Materialabfällen und relevanter Aktivitäten festzustellen. Verbesserungsszenarien lassen sich in einem zweiten Schritt anhand einer systematischen Vorgehensweise ableiten. Eine System Dynamics basierte dynamische Produktionssimulation untersucht die Effektivität der Verbesserungsmaßnahmen.