MRP zur Materialplanung fur Kreislaufprozesse: Optimierung von Absicherungsstrategien gegen Bedarfs- und Versorgungsrisiken

Christian Gotzel MRP zur Materialplanung für Kreislaufprozesse

GABLER RESEARCH Produktion und Logistik Herausgegeben von Professor Dr. Wolfgang Domschke, Technische Universität Darmstadt, Professor Dr. Andreas Drexl, Universität Kiel, Professor Dr. Bernhard Fleischmann, Universität Augsburg, Professor Dr. Hans-Otto Günther, Technische Universität Berlin, Professor Dr. Karl Inderfurth, Universität Magdeburg, Professor Dr. Stefan Helber, Universität Hannover, Professor Dr. Thomas Spengler, Universität Braunschweig, Professor Dr. Hartmut Stadtler, Technische Universität Darmstadt, Professor Dr. Horst Tempelmeier, Universität zu Köln, Professor Dr. Gerhard Wäscher, Universität Magdeburg Kontakt: Professor Dr. Hans-Otto Günther, Technische Universität Berlin, H 95, Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin

Diese Reihe dient der Veröffentlichung neuer Forschungsergebnisse auf den Gebieten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden vor allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilitationsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beiträge zur Lösung praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und Logistik unter Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informationstechnologie.

Christian Gotzel

MRP zur Materialplanung für Kreislaufprozesse Optimierung von Absicherungsstrategien gegen Bedarfs- und Versorgungsrisiken Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Karl Inderfurth

RESEARCH

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

Dissertation Universität Magdeburg, 2008 Zugleich: an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaft der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg unter dem Titel »Optimierung von Absicherungsstrategien gegen Bedarfsund Versorgungsrisiken beim Einsatz von MRP zur Materialplanung unter Einbeziehung von Recycling« vorgelegte und angenommene Inauguraldissertation. Datum der Disputation: 28.10.2008

1. Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten © Gabler | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Ute Wrasmann | Nicole Schweitzer Gabler ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.gabler.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Printed in Germany ISBN 978-3-8349-1805-5

Für Ruth Gotzel

VII

Geleitwort Standardkonzepte der Materialplanung in mehrstufigen Fertigungssystemen wie das MRP-Konzept sind nicht auf kreislaufwirtschaftliche Materialprozesse ausgelegt und bedürfen einer Ergänzung um Regeln zur Steuerung von Aufarbeitungs- und eventuell auch von Beseitigungsentscheidungen für Recyclinggüter. Diese Entscheidungen zur Integration von Materialrückflüssen stellen sich in einem sehr unterschiedlichen Kontext dar, je nachdem, ob es sich beim Materialrücklauf um interne Rückflüsse von fehlerhaften Produkten aus dem Fertigungsprozess handelt oder ob ein externer Rücklauf von Altprodukten zu einem Rückfluss an wiederverwendbaren Teilen und Komponenten führt. Eine zusätzliche Herausforderung für die planerische Integration von vorwärts- und rückwärtsgerichteten Materialströmen besteht darin, dass neben den klassischen Unsicherheiten auf der Bedarfsseite nunmehr auch Unsicherheiten auf der Zugangsseite von Materialrückflüssen berücksichtigt werden müssen, weil der zeitliche und mengenmäßige Zugang an aufarbeitbaren Recyclinggütern in aller Regel starken und schwer prognostizierbaren Schwankungen unterliegt.

Mit dieser Problembeschreibung ist im Wesentlichen der Rahmen gespannt, innerhalb dessen die Materialkoordination in Kreislaufprozessen mit produkt- oder prozessbedingten Materialrückflüssen zu erfolgen hat. In dem vorliegenden Buch wird in einem innovativen Ansatz untersucht, inwieweit einfache MRP-Verfahren zu erweitern sind, um diese komplexe Koordinationsaufgabe bei externen wie bei internen Rückflüssen zu bewältigen. Damit wird eine Thematik aus dem Bereich der Produktionsplanung angeschnitten, die aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Recyclingaktivitäten und ihrer Integration in die regulären Produktionsprozesse neue Herausforderungen an betriebliche Planungskonzepte stellt. Hierbei wird besonders intensiv der Frage nachgegangen, wie in diesem Rahmen auf die gemeinsam auftretenden Unsicherheiten auf der Bedarfs- und Zugangsseite durch einen problemadäquaten Einsatz von Sicherheitsbeständen bzw. anderen Absicherungsmaßnahmen reagiert werden kann. Die Untersuchung konzentriert sich auf die Analyse des MRP-Schemas für solche Materialien in einer Fertigungsstruktur, bei denen aufgrund von Produktrückflüssen die Integration

von

Neuproduktions-

und

Aufarbeitungsentscheidung

unmittelbar

erforderlich ist. Damit wird die Betrachtung auf einstufige stochastische Probleme der Materialkoordination unter Einbeziehung von Materialrückflüssen eingegrenzt, für die

VIII nach (näherungsweise) optimalen Entscheidungsregeln gesucht wird, um auf deren Grundlage

möglichst

wirksame

erweiterte

MRP-Kalküle

unter

Verwendung

problemadäquater Sicherheitsbestände zu entwickeln. Auf dieser Basis werden sehr effektive Heuristiken entworfen, mit denen einfache Erweiterungen MRP-bezogener Rechenkalküle unter Einsatz spezifischer Sicherheitsbestandsparameter möglich sind. Dabei wird die Bedeutung der Prozessdurchlaufzeiten sowohl für die Komplexität der Politikstrukturen als auch für Vorgehensweise bei der Parameterermittlung sehr klar herausgearbeitet. In umfassenden Simulationsstudien wird die hohe Lösungsgüte der innovativ konzipierten Heuristiken zur Parameterfestlegung nachgewiesen. Insgesamt werden also neue, erfolgversprechende Wege aufgezeigt, wie das schwierige Problem der koordinierten Materialplanung bei Produktrückflüssen auch mit dem traditionellen MRP-Ansatz im Rahmen vergleichsweise einfacher Erweiterungen äußerst wirkungsvoll gelöst werden kann.

Insgesamt leistet dieses Buch einen sehr bedeutsamen Forschungsbeitrag, der ein immer wichtiger werdendes Planungsproblem der industriellen Recyclingplanung aufgreift, das bisher unter Einschluss seiner stochastischen Aspekte wissenschaftlich so gut wie gar nicht behandelt wurde. Es wird demonstriert, wie sich mit einer theoretisch fundierten Analyse auch für komplexe Probleme der Materialkoordination bei Kreislaufprozessen einfach konzipierte MRP-Regeln mit problemspezifischen Dispositionsparametern entwickeln lassen, die eine sehr hohe Problemlösungsgüte aufweisen. Damit wird erstmals gezeigt, dass und wie einfache, praxistaugliche Konzepte zur Materialplanung auch dem wesentlich höheren Komplexitätsgrad einer Integration von Materialrecycling gerecht werden können.

Karl Inderfurth

IX

Vorwort An dieser Stelle möchte ich meinen Dank all jenen aussprechen, die mich während der Arbeit der vergangenen Jahre begleitet und unterstützt haben. Mein besonderer Dank gebührt meinem Doktorvater, Prof. Dr. Karl Inderfurth, der mein Interesse am Forschungsgegenstand dieser Arbeit geweckt und mich in den lehrreichen Jahren ihrer Verwirklichung in großartiger Weise betreut hat. Seine stete Bereitschaft zur fachlichen Diskussion aber auch seine Geduld und Nachsicht haben mir die Bewältigung dieser Aufgabe erst möglich gemacht. Danken möchte ich weiterhin Prof. Dr. Gerhard Wäscher für die freundliche Bereitschaft zur Übernahme des Zweitgutachtens und die wertvollen Hinweise, die ich aus der Diskussion meiner Arbeit mitnehmen konnte. Als Doktorand war ich zeitweilig auch wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktion und Logistik meines Betreuers. Gern erinnere ich mich an diese Zeit, die gute Zusammenarbeit und die vielen heiteren Momente im Kreis meiner Kollegen. Stellvertretend möchte ich hier Dr. Ian Langella nennen, mit dem ich neben gemeinsam bewältigten Projektarbeiten auch meine Begeisterung für die Fliegerei teile. Undenkbar wäre die Entstehung dieser Arbeit ohne den Rückhalt meiner Familie. Vor allem danke ich meiner lieben Oma, Ruth Gotzel, für ihre liebevolle und großzügige Unterstützung. Aufopfernd hat sie ihr ganzes Leben für ihre Familie gesorgt. Ihr widme ich diese Arbeit in tiefer Dankbarkeit.

Christian Gotzel

XI

Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

XV XVII XXI XXIII

1

Einführung

1

1.1

Kreislaufwirtschaft als Herausforderung an die Produktions-

1

planung 1.2

Materialplanung bei kreislaufgeführter Produktion

5

1.3

Gliederung der Arbeit

6

Materialplanung bei konventioneller und kreislaufgeführter

9

2

Produktion 2.1

Konzepte der Materialbedarfsplanung bei konventioneller

9

2.1.1

Verbrauchsorientiertes Konzept

10

2.1.2

Programmorientiertes Konzept – MRP

11

2.1.3

Weitere Konzepte der Materialplanung

14

2.2

Unsicherheiten und Absicherungsstrategien

16

2.2.1

Unsicherheiten im Rahmen der Bedarfsplanung

16

2.2.2

Absicherungsstrategien im Rahmen der Bedarfsplanung

17

2.2.3

Diskussion verschiedener Absicherungskonzepte

24

2.3

Materialplanung unter den Bedingungen kreislaufgeführter

28

Produktion

Produktion

3

Materialplanung bei externen Produktkreisläufen

33

3.1

Annahmen

33

3.2

Modell und optimale Dispositionspolitik

34

3.3

MRP zur Materialplanung bei externen Produktkreisläufen

41

3.3.1

MRP mit Beseitigungsoption

41

3.3.1.1

Identische Durchlaufzeiten

43

3.3.1.2

Nichtidentische Durchlaufzeiten

51

XII 3.3.2

MRP ohne Beseitigungsoption

59

3.3.2.1

Identische Durchlaufzeiten

60

3.3.2.2

Nichtidentische Durchlaufzeiten

61

3.4

Stochastische Kontrollpolitiken

64

3.4.1

Identische Durchlaufzeiten

65

3.4.2

Nichtidentische Durchlaufzeiten

66

3.5

Heuristische Bestimmung der Dispositionsparameter

68

3.5.1

Identische Durchlaufzeiten

70

3.5.2

Nichtidentische Durchlaufzeiten

73

3.6

Berücksichtigung stochastischer Durchlaufzeiten

79

3.7

Untersuchung zur Performance der Heuristiken

82

4

Materialplanung bei internen Produktkreisläufen

101

4.1

Das Produktionsausbeuteproblem als Ausgangspunkt

104

4.1.1

Optimierungsmodell

106

4.1.2

Lineare Approximation

109

4.1.3

Lineare Heuristiken bei Produktionsdurchlaufzeit

113

4.1.3.1

MRP unter den Bedingungen der Ausbeutesituation

113

4.1.3.2

Heuristische Bestimmung des Dispositionsparameters

117

4.1.4

Numerische Untersuchung zur Performance der linearen

123

4.2

Das Produktionsausbeute- und Aufarbeitungsproblem

138

4.2.1

Entscheidungsproblem und Optimierungsmodell

140

4.2.2

Heuristische Ansätze

143

4.2.2.1

Heuristik I - MRP-Ansatz

145

Heuristik

4.2.2.1.1

Identische Durchlaufzeiten

146

4.2.2.1.2

Nichtidentische Durchlaufzeiten

152

4.2.2.1.3

Stochastische Kontrollpolitik

159

4.2.2.1.4

Bestimmung der Dispositionsparameter

164

4.2.2.1.5

Diskussion der Heuristik

178

4.2.2.2

Heuristik II

182

4.2.2.2.1

Stochastische Kontrollpolitik

185

4.2.2.2.2

Bestimmung der Dispositionsparameter

187

4.2.2.2.2.1

Overage- und Underage-Kosten

188

XIII 4.2.2.2.2.2

Bestimmung des Produktionsparameters

189

4.2.2.2.2.3

Bestimmung des Aufarbeitungsparameters

196

4.2.2.3

Heuristik III

199

4.2.2.3.1

Stochastische Kontrollpolitik

200

4.2.2.3.2

Bestimmung der Dispositionsparameter

203

4.2.3

Numerische Untersuchung zur Performance der

209

Heuristiken

5

Schlussbetrachtung

5.1

Zusammenfassung der Ergebnisse

235

5.2

Ausblick

238

Literatur

235

239

Anhang A Grundlagen der Simulationsuntersuchung

249

A.1

Grundlagen der Simulation

249

A.1.1

Erzeugung U(0,1)-verteilter Pseudozufallszahlen

249

A.1.2

Erzeugung von Zufallszahlen für andere Verteilungsmodelle

250

A.1.3

Güte der erzeugten Zufallszahlen

254

A.2

Aufbau eines Simulationslaufs

256

A.3

Referenzlösungen

260

Anhang B Analyse der MRP-Politik bei externen Rückflüssen

263

B.1

Identische Durchlaufzeiten =R=P

263

B.2

Nichtidentische Durchlaufzeiten RP (mit Entsorgungsoption)

272

B.4

Nichtidentische Durchlaufzeiten R0,7 werden die Auswirkungen positiver Nettorückflüsse erkennbar, wenn auch in geringem Maße, da die Variabilität der Rückflüsse relativ gering ist. Die Anpassung des Produktionsparameters an diesen Effekt zeigt Teilgraphik d). Der von
unabhängige Aufarbeitungsparameter der heuristischen Lösung ist in Teilgraphik e) dargestellt. Für die Referenzlösung sind nur für

0,8 endliche Werte von M* zu ermitteln, die mit der heuristischen Lösung identisch sind. Als Ergebnis dieser Konstellation zwischen S und M ist ein Aufbau von

88 RT-Beständen nur andeutungsweise erkennbar. In dem betrachteten Intervall von
übersteigen die mittleren Periodenkosten der heuristischen Lösung das Referenzniveau um maximal 0,4%.

a) FT-Bestand

b) Fehlmenge

c) RT-Bestand

d) Produktionsparameter

e) Aufarbeitungsparameter

f) Kostenperformance

Abb. 3.8: Einfluss der Rückführungsquote

89 Durchlaufzeiten

Weiterhin soll untersucht werden, welcher Einfluss von der Durchlaufzeit beider Prozesse ausgeht. Zunächst wird die Dauer einer für beide Prozesse identischen Durchlaufzeit =R=P betrachtet. Dazu werden beide Durchlaufzeiten im Intervall [0;10] variiert. Die Ergebnisse der Simulationsläufe hinsichtlich des FT-Bestandes, der Fehlmengen und der heuristischen Kostenperformance sind in Abb. 3.9 dargestellt. Die Durchlaufzeit (zuzüglich der Kontrollperiode) bestimmt den Risikozeitraum und damit das Ausmaß der bei den Dispositionsentscheidungen zu berücksichtigenden Bedarfsunsicherheit. Die Varianz des Bedarfsrisikos steigt linear in , die Entwicklung des Bestandspuffers ist in Teilgraphik a) angegeben. Zu beachten ist, dass auch für =0 ein Sicherheitsbestand benötigt wird, um der zum Zeitpunkt der Entscheidung unsicheren Ausprägung des Periodenbedarfs entgegenzuwirken.

a) FT-Bestand

b) Fehlmenge

c) Kostenperformance Abb. 3.9: Einfluss der Durchlaufzeit (=P=R)

Die bei Anwendung der Heuristik generierten Bestände und Fehlmengen sind für 6 mit der Referenzlösung fast identisch, so dass die Lösung nahezu optimal ist. Für >7

90 erhält man geringe Abweichungen, wobei die Kostenabweichung gegenüber der Referenzlösung weniger als 0,4% beträgt. In einem weiteren Szenario sollen Fälle betrachtet werden, in denen die Durchlaufzeit des Aufarbeitungsprozesses geringer ist als die der regulären Produktion. Dazu wurden Simulationsläufe mit P=10 bei Variation von R im Intervall [0;10] durchgeführt. Bei der Beurteilung der Ergebnisse ist zu beachten, dass die angegebene Referenzlösung für R
P nicht die Optimallösung wiedergibt115. In der graphischen Darstellung kann lediglich am rechten Intervallende (für R=P=10) eine optimale Referenzlösung angegeben werden. Graphik a) in Abb. 3.10 zeigt den Einfluss von R auf die mittlere Höhe des FT-Bestands.

a) FT-Bestand

b) Fehlmenge

c) RT-Bestand

d) Kostenperformance

Abb. 3.10 a) bis d): Einfluss der Durchlaufzeit ( R