MRP zur Materialplanung für Kreislaufprozesse: Optimierung von Absicherungsstrategien gegen Bedarfs- und Versorgungsrisiken PDF
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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 heraus- ragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilitationsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beiträge zur Lösung praktischer Anwendungs- probleme 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 <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. Dissertation Universität Magdeburg, 2008 Zugleich: an der Fakultät für Wirtschaftswissenschaft der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg unter dem Titel »Optimierung von Absicherungsstrategien gegen Bedarfs- und 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 Einspei- cherung 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 Rück- lauf von Altprodukten zu einem Rückfluss an wiederverwendbaren Teilen und Kompo- nenten 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 prozess- bedingten 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 wirkungs- voll 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 Bereit- schaft 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 XV Symbolverzeichnis XVII Abbildungsverzeichnis XXI Tabellenverzeichnis 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 2 Materialplanung bei konventioneller und kreislaufgeführter 9 Produktion 2.1 Konzepte der Materialbedarfsplanung bei konventioneller 9 Produktion 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 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 Heuristik 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 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
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