Quelle: Fraunhofer IPA
Wie Materialflusssimulationen innovative Fabrikkonzepte absichern
Investitionen in Produktion und Logistik sind teuer und oft schwer durchschaubar. Digitale Simulationen machen Abläufe sichtbar, noch bevor umgebaut, automatisiert oder erweitert wird. Materialflusssimulationen helfen, hochflexible Fabriken mit vielfältigen Varianten und komplexen Abhängigkeiten gezielt zu planen und sicher zu gestalten.
Von Alexander Kronschnabl und Axel Bruns
Fabrikplanung im Wandel
Märkte, Produktprogramme und Lieferketten ändern sich heute schneller denn je. Volatile Nachfrage, steigende Variantenvielfalt und zunehmende Automatisierung mit Robotern, fahrerlosen Transportsystemen und vernetzter IT erhöhen die Komplexität in Produktion und Logistik erheblich. Diese Treiber zwingen Unternehmen, ihre Fertigungsstrukturen grundlegend zu überdenken. Neue, flexiblere Organisationsformen wie das Matrix-Produktionssystem rücken in den Fokus. Doch je flexibler und dynamischer ein Produktionssystem wird, desto größer wird seine Komplexität und desto anspruchsvoller wird seine Steuerung. Eine Umsetzung ohne digitale Absicherung ist für viele Unternehmen schlicht zu risikoreich.
Grundlagen
Unter dem Begriff »Simulation« im Kontext der Fabrik- und Produktionsplanung fallen verschiedene Ansätze wie Fertigungs- oder Ergonomiesimulationen (ein Beispiel ist die Konzeptionierung eines flexiblen Getriebe-Montagesystems bei der BMW Group). Die am weitesten verbreitete Form ist jedoch die diskrete Ereignissimulation, auch bekannt als Materialflusssimulation. Sie betrachtet einzelne Ereignisse wie »Bauteil kommt an«, »Maschine startet Bearbeitung« oder »Transportfahrzeug fährt ab«. Dazwischen vergeht Zeit, in der Ressourcen arbeiten oder warten. Ein Digitaler Zwilling ist ein besonders detailreiches Modell, das laufend mit aktuellen Daten versorgt wird und den Zustand der realen Fabrik möglichst genau widerspiegelt.
Die Materialflusssimulation fokussiert auf den Materialfluss, also den Weg vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt, und auf die dafür benötigten Ressourcen. Ressourcen sind etwa Maschinen, Pufferflächen, Mitarbeitende und Transportmittel. Auch verschiedene Steuerungsstrategien, also Regeln zur Reihenfolge und Priorität von Aufträgen, lassen sich im Modell abbilden. Damit wird die Simulation zu einem quantitativen Analyse‑ und Entscheidungswerkzeug.
Seminar »Fabrik- und Erweiterungsplanung«
Eine Fabrik muss auf kurzfristige Bedarfsschwankungen und technologische Veränderungen gleichermaßen reagieren können. Doch wechselnde strategische Vorgaben und zahlreiche Restriktionen erschweren es, eine zukunftsfähige Fabrik mit einem schlanken und wandlungsfähigen Layout zu gestalten. Im zweitägigen Seminar »Fabrik- und Erweiterungsplanung« erfahren Sie aus erster Hand, welche Möglichkeiten Sie in komplexen Situationen haben und wie Sie verhindern, dass Optionen für die Zukunft buchstäblich verbaut werden.
10.–11. November 2026
08:30–17:00 Uhr
Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart
Nicht jede Planungsfrage erfordert unmittelbar eine dynamische Simulation. Wenn jedoch statische Methoden an ihre Grenzen stoßen, stellt sich die zentrale Frage, ob die Folgen einer möglichen Fehlentscheidung und der Aufwand ihrer Korrektur den Einsatz einer Materialflusssimulation rechtfertigen. In den folgenden Fällen kann sich ein Einsatz besonders lohnen:
- Sprungfixe Entscheidungen mit hohen Auswirkungen auf Kosten und/oder Fläche, insbesondere in Grenzfällen (zum Beispiel die Entscheidung über drei oder vier Großanlagen)
- Dimensionierung nicht erweiterbarer Ressourcen (»Monumente«) mit hohem Kosteneffekt (zum Beispiel Lackieranlagen)
- Dynamische, stochastische Fragestellungen, bei denen eine statische (Mittelwert-)Betrachtung mit hoher Komplexität oder Unsicherheit verbunden wäre
- Anwendungsfälle mit regelmäßiger Folgenutzung des Modells (zum Beispiel gute Übertragbarkeit auf andere Standorte durch wiederverwendbare Module)
Das Matrix-Produktionssystem – und warum es Simulation braucht
Ein besonders vielversprechender Ansatz für die wandlungsfähige Fabrik ist das Matrix-Produktionssystem. Anders als in klassischen Linienfertigungen nutzen hier verschiedene Produktvarianten eine gemeinsame, nicht fest verkettete Produktionsstruktur. Jede Variante folgt ihrem eigenen, dynamisch zugewiesenen Pfad durch frei kombinierbare Prozessmodule.
Die Vorteile sind weitreichend: Stückzahlschwankungen lassen sich zwischen Varianten ausgleichen, die Ausbringung kann kleinskalig durch Hinzufügen einzelner Module skaliert werden und Produktionsressourcen werden durch die gemeinsame Nutzung verschiedener Varianten deutlich effektiver ausgelastet. Neue Varianten und Technologien lassen sich aufwandsarm integrieren, ebenso wie ein kontrollierter Anlauf oder das gezielte Herunterfahren einzelner Produkte innerhalb desselben Systems.
Genau diese Flexibilität erzeugt jedoch eine Steuerungskomplexität, die mit statischen Planungsmethoden kaum beherrschbar ist. Die Materialflusssimulation dient hier als Schlüsselwerkzeug: Sie bildet die Steuerungslogik des Matrix-Systems in einem parametrierten Modell ab und ermöglicht die systematische Durchführung von Experimenten mit verschiedenen Gestaltungsalternativen. Auf diese Weise lassen sich Kennzahlen zu Durchsatz, Auslastung und Beständen ermitteln und das vielversprechendste Gesamtkonzept digital validieren, noch bevor die Fabrik gebaut oder die erste Anlage verschoben wird.
Der Nutzen
Zentrales Ziel ist es, Risiken zu reduzieren, die Leistungsfähigkeit nachzuweisen und fundierte Entscheidungen über Fabriklayout und Produktionslogistik zu treffen.
- Dimensionierung absichern: Engpässe, überdimensionierte Anlagen und unrealistische Leistungsannahmen werden bereits im virtuellen Modell identifiziert.
- Investitionssicherheit erhöhen: Varianten lassen sich anhand von KPIs wie Durchsatz, Auslastung, Wartezeiten und Beständen objektiv vergleichen. Neuartige und innovative Konzepte werden in der Simulation modelliert und als Gesamtsystem getestet.
- Kommunikation verbessern: Grafische Modelle und animierte Abläufe machen komplexe Zusammenhänge für Planung, Produktion, Logistik und Management gleichermaßen verständlich.
- Langfristig nutzen: Ein validiertes Modell kann als wiederverwendbare Entscheidungsgrundlage im laufenden Betrieb dienen. So können beispielsweise die Auswirkungen eines Eilauftrags auf laufende Aufträge vorab bewertet werden.
Literaturquellen
VDI-Richtlinie 3633 Blatt 1: Simulation von Logistik-, Materialfluss und Produktionssystemen – Grundlagen. VDI Verlag, Düsseldorf, 2010.
VDI-Richtlinie 5200 Blatt 1: Fabrikplanung – Planungsvorgehen, Beuth Verlag, Berlin, 2011.
Bauernhansl T., Dombrowski U. (Hrsg.): Einfluss von Industrie 4.0 auf unsere Fabriken und die Fabrikplanung, Broschüre des Fachbeirats Deutscher Fachkongress Fabrikplanung, Ludwigsburg, 2016.
VDI 4499 Blatt 1: Digitale Fabrik – Grundlagen. Beuth Verlag, Berlin, 2008 (Rahmen für Methoden und Modelle der Digitalen Fabrik, gut als Ergänzung zu VDI 5200 und VDI 3633).
Wiendahl, H.-P.; Reichardt, J.; Nyhuis, P.: Handbuch Fabrikplanung. Konzept, Gestaltung und Umsetzung wandlungsfähiger Produktionsstätten. Springer Vieweg, Berlin, 2014 (Standardwerk zur ganzheitlichen Fabrikplanung).
Neben den oben vorgestellten Fragestellungen empfiehlt es sich vor der Entscheidung über eine Materialflusssimulation zusätzlich, die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes zu bewerten: die Kosten der Simulation der relevanten Investitionssumme gegenüberzustellen, die Folgen einer Fehlentscheidung abzuschätzen und über eine interne oder externe Bearbeitung zu entscheiden.
Überlegen Sie, ein simulationsbasiertes Fabrikplanungsprojekt zu starten und möchten wissen, wo Sie ansetzen sollten? Sprechen Sie uns an. Wir begleiten Sie vom ersten Szenario bis zur umgesetzten Lösung.
Serie »Digitale Planungswerkzeuge«
In mehreren Serien von interaktiv-Beiträgen gibt das Forschungsteam Fabrikplanung und Wertstromdesign Einblicke in verschiedene Themenschwerpunkte. Erschienen ist in dieser Serie bereits:
Ihre Ansprechpartner
Christian Kaucher
Forschungsteamleiter Fabrikplanung und Wertstromdesign
Telefon: +49 711 970-1865
Axel Bruns
Mitarbeiter im Forschungsteam Fabrikplanung und Wertstromdesign
Telefon: +49 711 970-1883