Framework zur strategischen Kapazitätsplanung hybrider Leistungsbündel

Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur

der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum

von Christian Krug aus Bochum

Bochum 2009

Dissertation eingereicht am:

28.10.2009

Tag der mündlichen Prüfung: 18.12.2009

Erster Referent:

Prof. Dr.-Ing. Horst Meier

Zweiter Referent:

Prof. Dr.-Ing. Günther Seliger

Schriftenreihe des Lehrstuhls für Produktionssysteme Band 5/2009

Christian Krug

Framework zur strategischen Kapazitätsplanung hybrider Leistungsbündel

Shaker Verlag Aachen 2010

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2009

Copyright Shaker Verlag 2010 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 978-3-8322-9351-2 ISSN 1430-7324 Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected]

VORWORT Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktionssysteme (LPS) der Ruhr-Universität Bochum und wurde von der Fakultät für Maschinenbau als Dissertationsschrift angenommen. Ich danke Herrn Prof. Dr.-Ing. Horst Meier, Inhaber des Lehrstuhls für Produktionssysteme, für die wissenschaftliche Anleitung und Förderung meiner Arbeit und für die Übernahme des Referats dieser Dissertation. Großer Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. Günther Seliger, dem Leiter des Fachgebietes für Montagetechnik und Fabrikbetrieb am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin, für das Interesse an meiner Arbeit und die freundliche Übernahme des Koreferats. Besonderer Dank gilt dem LPS-Oberingenieur Herrn Dr.-Ing. Dieter Kreimeier für die angenehmen fachlichen Diskussionen innerhalb der Projekte und seine umsichtige, menschliche Art, den LPS zusammenzuhalten sowie sein unermüdliches Engagement auch auf persönlicher Ebene. Ich danke meinen Kollegen am Lehrstuhl für das gute Betriebsklima, aus dem ein Netzwerk erwachsen ist, das nach der Zeit am Lehrstuhl weiter bestehen wird. Frau Dr.-Ing. Nicole Quade, Herr Oliver Völker sowie Herr Robin Krings haben durch wertvolle Diskussionen und ihre aufmunternde Worte zum erfolgreichen Gelingen dieser Dissertation beigetragen, vielen Dank dafür! Ich danke meinen Berliner Kollegen Herrn Christian Stelzer, Herrn Claudio Geisert, Herrn Patrick Müller und Herrn Bo Höge, die die Projektreffen in Berlin von rein beruflichen Meetings zu einem Treffen von Freunden machten. Weiterhin bedanke ich mich bei Herrn Dr.-Ing. Michael Kroll und Herrn Dr.-Ing. Rongxing Gu für die sehr schöne gemeinsame Doktorfeier. Für die Unterstützung im operativen Bereich danke ich meinen studentischen Hilfskräften. Ich danke meinen Eltern Maria und Hans-Walter sowie meinem Bruder Sebastian für Ihre Unterstützung während meines gesamten Lebensweges. Ohne sie wäre diese Arbeit nicht entstanden. Ebenso danke ich meinen Schwiegereltern Renate und Bernhard Zander, die mich auf vielfältige Weise von Beginn an unterstütz haben. Mein besonderer Dank gilt meiner Frau Melanie, die mich liebevoll auf meinem Weg zur Promotion begleitet hat und mich dabei stets davor bewahrte, mein Ziel aus den Augen zu verlieren. Bochum, im Dezember 2009

Christian Krug

KURZFASSUNG Die Integration von Sach- und Dienstleistungen ist in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus der Wissenschaft gerückt. Dies ist nicht zuletzt durch das große Interesse der Industrie an der Steigerung des Kundennutzens durch die Erbringung von Dienstleistungen als integralem Bestandteil ihrer Produkte, bei gleichzeitigem Mangel an Methoden zur Entwicklung und Erbringung dieser hybriden Leistungsbündel (HLB) bedingt. Der aus hybriden Leistungsbündeln erwachsende Wettbewerbsvorsprung soll zur Differenzierung von Mitbewerbern dienen und gleichzeitig die langfristige Kundenbindung bei hohen Margen durch die Erbringung von Dienstleistungen sichern. Neben den Entwicklungsmethoden, von der Ideengenerierung bis hin zur Ausgestaltung, werden vor allem Methoden und Konzepte zur effizienten Erbringung hybrider Leistungsbündel benötigt. Die effiziente Erbringung hybrider Leistungsbündel kann nur auf Basis einer HLB-spezifischen Kapazitätsplanung erfolgen. Besonders im Hinblick auf kundenspezifische hybride Leistungsbündel ist von einer großen Vielfalt der bereitzustellenden Ressourcen und damit der Notwendigkeit zur Bemessung der entsprechenden Kapazitäten auszugehen. Die notwendige Planungsintensität der Ressourcen variiert vor dem Hintergrund des gewählten Nutzenmodells, daher muss der Planer hinsichtlich seiner Fokussierung auf die planungskritischen Ressourcen unterstützt werden. Bei Kenntnis dieser kritischen Ressourcen müssen die Bedarfe und Bedarfszeitpunkte durch eine entsprechende technische Beschreibung des hybriden Leistungsbündels in der Betriebsphase nachgeführt werden. Diese Eckdaten werden in die Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes zum Abgleich mit den bestehenden Kapazitäten übergeben. Bei dieser Aggregation reicht eine simple Addition nicht aus; vielmehr muss unter Nutzung der HLB-spezifischen Optimierungspotenziale ein effizienter Erbringungsplan erzeugt werden, der zudem die Änderungen des Bedarfes durch den Anlauf der Dienstleistungsanteile berücksichtigt. Diese zu entwickelnden Teilmethoden bilden im Rahmen der vorliegenden Arbeit das Framework zur strategischen Kapazitätsplanung hybrider Leistungsbündel ab. Schlüsselworte: Hybride Leistungsbündel, Kapazitätsplanung, Dienstleistungsanlauf, Notation hybrider Leistungsbündel, Prognose der Kapazitätsbedarfe, Einsatzplanung

ABSTRACT In recent years the integration of product and service is more and more focused by research activities. This is caused by the lack of methods to design und to deliver this Industrial Product-Service-Systems (IPS2) and, coevally, the increasing interest of industries in offering these IPS2 as an enriched customer value. The IPS2 leads to a competitive advantage by distinguishing from the competitors and, due to the delivery of services, ensures the long term customer retention by high margins. Beside the methods for developing, ranging from the idea generation to the design, mainly methods and concepts for an efficient delivery of IPS2 are needed. This delivery of IPS2 in an efficient way is only possible by an IPS2 specific capacity planning. Against the background of customized IPS2 a huge variety of resources and with this the design of the accordant capacities has to be taken into account. The necessary planning intensity of each resource, depending e.g. on the chosen use model, has to be determined. Therefore the planner, who coordinates the delivery of the IPS2 and has to concentrate on the critical resources, needs a special support. Due to the knowledge of the critical resources the resource demands as well as the delivery times have to be quantified and determined by an adequate technical notation in the delivery phase. These data are used for the aggregation of the overall resource demands in order to align them with the existing capacities. Within this aggregation the simple addition is not sufficient. For that purpose it is necessary to use the IPS2 specific optimization potentials for generating an efficient delivery schedule. This schedule has to consider the modifications of demands during the ramp up of the service delivery processes as well. The lack of the mentioned methods is remedied in this doctor thesis by developing necessary parts of methods which aggregate to a framework for strategic capacity planning of IPS2. Keywords: Industrial Product-Service-Systems, capacity planning, ramp up of service delivery, notation of IPS2 in the delivery phase, forecast of capacity requirements, resource planning/scheduling.

INHALTSVERZEICHNIS 1

Einleitung ........................................................................................................... 1 1.1

Ausgangssituation und Forschungsansatz ................................................... 1

1.2

Klärung des Bezugssystems ........................................................................ 3

1.2.1 Definition hybrider Leistungsbündel .......................................................... 4 1.2.2 Systemzusammenhang hybrider Leistungsbündel und Ressourcenbedarf..................................................................................... 4 1.2.3 Nutzenmodelle hybrider Leistungsbündel ................................................. 7 1.3

Planerischer Vorteil der HLB-Nutzenmodelle: Von der Ungewissheit zur Sicherheit.............................................................................................. 11

1.4

Abgrenzung der strategischen Kapazitätsplanung von der operativen Ressourceneinsatzplanung ........................................................................ 14

1.5 2

3

Aufbau der Arbeit........................................................................................ 15

Zielsetzung und konzeptionelles Vorgehen .................................................. 17 2.1

Zielsetzung ................................................................................................. 17

2.2

Konzeptionelles Vorgehen.......................................................................... 17

2.3

Begrifflichkeiten im Kontext der vorliegenden Arbeit .................................. 19

Stand der Forschung und Technik ................................................................ 21 3.1

Kapazitätsplanung und Ressourceneinsatzplanung im Industrial Engineering ................................................................................................ 21

3.2

Anlaufmanagement in der Serienfertigung von Sachleistungen ................. 26

3.3

Kapazitätsplanung und Ressourceneinsatzplanung im Service Engineering ................................................................................................ 29

3.4

Notation der Ein- und Ausgangsgrößenbeziehungen technischer Systeme ..................................................................................................... 34

3.4.1 Strukturierung der relevanten Forschungsfelder ..................................... 34 Wirtschaftswissenschaftliche Ansätze ................................................. 35 Betriebswirtschaftliche/Ingenieurwissenschaftliche Ansätze ............... 37 Ingenieurwissenschaftliche Ansätze .................................................... 37

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INHALTSVERZEICHNIS 3.4.2 Untersuchung relevanter Methoden hinsichtlich ihrer Eignung zur adäquaten Beschreibung der Ein- und Ausgangsgrößenzusammenhänge hybrider Leistungsbündel ........................................... 38 Ökobilanz und (Environmental) Life Cycle Assessment (LCA) ............ 38 Kumulierter Energieaufwand (KEA) und energieflussorientierte Konzepte ............................................................................................. 40 Stoffflussmethode: ............................................................................... 41 Stoffstromanalyse ................................................................................ 42 Feste Verteilungskoeffizienten ............................................................ 43 Regressionsanalyse ............................................................................ 43 Material Intensity per Service Unit Concept (MIPS-Konzept) .............. 44 Auswirkungsorientierte Klassifizierung ................................................ 45 Prozesssimulation ............................................................................... 46 3.4.3 Exkurs Definition und Klassifizierung von Nebenprodukte in der konventionellen Produktion ..................................................................... 47 Begriffsdefinitionen .............................................................................. 47 Input/Output-Prozess im Produktionssystem ....................................... 47 3.4.4 Einteilung der Objektkategorien im Input/Output-Prozess ...................... 48 3.4.5 Eigenschaften des Outputs ..................................................................... 49 4

Handlungsbedarf ............................................................................................. 51 4.1

Defizite existierender Servicemanagementsysteme ................................... 53

4.1.1 Relevanz der Ressourcen - Feststellung der notwendigen Ressourcenplanungsintensität ................................................................ 53 4.1.2 Defizite bestehender Notationsformen zur Abbildung hybrider Leistungsbündel in der Betriebsphase .................................................... 55 4.1.3 Anlaufverhalten der Dienstleistungsprozesse in hybriden Leistungsbündeln .................................................................................... 57 4.1.4 Erstellung eines effizienten initialen Erbringungsplanes durch die Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes ......................................... 59 4.1.5 Fazit ........................................................................................................ 59 

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INHALTSVERZEICHNIS 5

Framework zur strategischen Kapazitätsplanung hybrider Leistungsbündel .............................................................................................. 61 5.1

Bestimmung der notwendigen Ressourcenplanungsintensität in Abhängigkeit des gewählten Nutzenmodells und weiterer Einflussgrößen............................................................................................ 67

5.1.1 Identifikation der Einflussfaktoren ........................................................... 68 5.1.2 Zusammenführung der identifizierten Einflussfaktoren ........................... 71 5.1.3 Auswertung der Einflussfaktoren ............................................................ 74 5.1.4 Bestimmung der Planungsintensität........................................................ 78 5.1.5 Prototypische Anwendung der Bestimmung der notwendigen Planungsintensität .................................................................................. 79 5.1.6 Zusammenfassung der Bestimmung der notwendigen Ressourcenplanungsintensität ................................................................ 81 5.2

Notation hybrider Leistungsbündel in der Erbringungsphase Nachführung der Ressourcenbedarfe mit Hilfe eines Prognosemodells..... 82

5.2.1 Notwendige Eigenschaften der Module innerhalb der Notation .............. 82 Schnittstellen ....................................................................................... 86 5.2.2 Systembeschreibung auf Basis des Notationsansatzes.......................... 87 Abbildung hybrider Leistungsbündel mit dem vorgestellten Ansatz ..... 88 Strukturierung der Nebenprodukte ...................................................... 90 5.2.3 Zusammenhänge zwischen Ein- und Ausgangsgrößen .......................... 92 Lineare Zusammenhänge .................................................................... 92 Nicht lineare Zusammenhänge ............................................................ 92 5.2.4 Ansätze zur Analyse eines bestehenden Systems ................................. 93 Analytischer Ansatz ............................................................................. 94 Empirischer Ansatz.............................................................................. 96 Standard Komponenten....................................................................... 96 Beschreibung ausgewählter Systemelemente ..................................... 97 5.2.5 Modellbildung .......................................................................................... 99 Synthese des Gesamtsystems ............................................................ 99

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INHALTSVERZEICHNIS 5.2.6 Prototypische Anwendung der Notationsform im Rahmen des technischen Demonstrators des SFB/TR 29 ......................................... 101 Aufbau des hybriden Leistungsbündels „Portalfräsmaschine“ ........... 101 Funktionsprinzip des Sachleistungsanteils des hybriden Leistungsbündels............................................................................... 103 Notation des hybriden Leistungsbündels in der Erbringungsphase ... 103 Einbindung der Belastung des Lagers A in die Notation der hybriden Leistungsbündel ................................................................................ 117 Initialisierung der integrierten Dienstleistung ..................................... 119 5.2.7 Zusammenfassung zur Notation der hybriden Leistungsbündel in der Erbringungsphase ................................................................................. 122 5.3

Anlaufverhalten von Dienstleistungsprozessen in hybriden Leistungsbündeln ..................................................................................... 123

5.3.1 Bezugsgrößen der Erbringungsprozesse hybrider Leistungsbündel ..... 123 5.3.2 Einflussfaktoren der Bezugsgrößen hybrider Leistungsbündel ............. 126 5.3.3 Problemfelder des Anlaufes in der Sachleistungsproduktion ................ 127 Problemfeld „Produkt und Fertigungsprozess“ .................................. 127 Problemfeld „Information und Kommunikation“ ................................. 127 Problemfeld „Human Resources“ ...................................................... 127 Problemfeld „Organisation“ ................................................................ 128 Problemfeld „Netzwerk“ ..................................................................... 128 5.3.4 Übertragung der Problemfelder auf den Dienstleistungsbereich ........... 128 Übertragung des Problemfeldes „Produkt und Fertigungsprozess“ ... 129 Übertragung des Problemfeldes „Information und Kommunikation“ .. 129 Übertragung des Problemfeldes „Human Resources“ ....................... 130 Übertragung des Problemfeldes „Organisation“ ................................ 130 Übertragung des Problemfeldes „Netzwerk“ ...................................... 130 Problemfeld: „Dienstleistungskultur im Unternehmen“....................... 131 5.3.5 Ableitung eines Konzeptes zur Prognose des Anlaufverhaltens der verschiedenen Bezugsgrößen .............................................................. 133 Überführung der Handlungsfelder in ein Kennzahlensystem durch die Anwendung der Nutzwertanalyse ................................................ 134 5.3.6 Beispielhafte Gewichtungsprofile der Dienstleistungsarten .................. 136 Seite | iv

INHALTSVERZEICHNIS Schulende Dienstleistungen .............................................................. 137 Funktionserhaltende Dienstleistungen............................................... 138 5.3.7 Einbringung der Erwartungshaltung der Kunden in die Gewichtungen . 139 5.3.8 Zusammenfassung zum Anlaufverhalten von Dienstleistungsprozessen in hybriden Leistungsbündel ................................................ 140 5.4

Erstellung eines effizienten initialen Erbringungsplanes durch die Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes .......................................... 142

5.4.1 Grundlagen der Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes ............. 142 5.4.2 Optimierungspotenziale hybrider Leistungsbündel ............................... 143 Partielle Substitution der Sach- und Dienstleistungsanteile............... 144 Zeitvarianz ......................................................................................... 144 Alternativressourcen .......................................................................... 145 Alternativprozesse ............................................................................. 145 Variation der Bereitstellungsgeschwindigkeit .................................... 145 Einbeziehung der Kundenressourcen................................................ 145 Fremdvergabe von Erbringungsprozessen ........................................ 145 5.4.3 Bezug der Planungsaufgabe zum Traveling Salesman Problem (TSP) 146 Beschreibung des Planungszenarios ................................................ 147 5.4.4 Vier-Schritt-Methode zur Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes 149 Auflösung .......................................................................................... 149 Notation ............................................................................................. 151 Optimierung ....................................................................................... 153 Inkraftsetzung .................................................................................... 159 5.4.5 Zusammenfassung der Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes . 160 5.5

Prototypische Anwendung aller Teilmethoden zur Validierierung deren Zusammenwirkens. .................................................................................. 161

5.5.1 Beschreibung des Validierungsszenarios ............................................. 161 5.5.2 Einstufung der Planungsintensität ........................................................ 166 5.5.3 Berücksichtigung des Anlaufes der Erbringungsprozesse .................... 168 Bewertung der Handlungsfelder in dem Validierungsszenario .......... 168 Gewichtung der Handlungsfelder in dem Validierungsszenario ........ 170

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INHALTSVERZEICHNIS 5.5.4 Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes - Feinplanung der Erbringungsprozesse ............................................................................ 173 5.5.5 Anwendung der Notation des hybriden Leistungsbündels in der Erbringungsphase ................................................................................. 182 5.5.6 Zusammenfassung der prototypischen Anwendung der Aggregation des Gesamtressourcenbedarfes im Kontext aller Teilmethoden ........... 182 6

Zusammenfassung und Ausblick ................................................................ 183 6.1

Zusammenfassung ................................................................................... 183

6.2

Ausblick .................................................................................................... 185

Anhang A............................................................................................................... 187 Anhang B............................................................................................................... 189 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 190 Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ 204 Tabellenverzeichnis ............................................................................................. 209 Schriftenreihe des Lehrstuhls für Produktionssysteme ................................... 210

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