Optimierung geschlossener Wertschöpfungskreisläufe bei beschränkten Kapazitäten

Abstract

Heutzutage stehen produzierende Unternehmen vor dem Zielkonflikt zwischen Kostenminimierung durch Massenherstellung standardisierter Produkte und der Fertigung individualisierter Produkte zu hohen Kosten. Eine flexibilisierte Massenfertigung mit modular gestalteten Produkten, Komponentengemeinschaft und auftragsbezogener Fertigung soll die Lösung für dieses Dilemma sein. Zudem werden produzierende Unternehmen durch gesellschaftliche und gesetzliche Vorgaben, aber auch aus ökonomischen Gründen angehalten, ihre gebrauchten Produkte zurückzunehmen und wiederaufzubereiten. Modular gestaltete Produkte eignen sich für Refabrikation. In dieser Arbeit wird ein geschlossener Wertschöpfungskreislauf mit Refabrikation untersucht: Produkte werden von Kunden nach der Nutzung zurückgegeben und können so bearbeitet werden, dass ihre enthaltenen Komponenten wieder einen neuwertigen Zustand erreichen und an Stelle von extern beschafften Komponenten zur auftragsbezogenen Herstellung neuwertiger modularer Produkte genutzt werden können. Zur Planung dieses Wertschöpfungskreislaufs wird ein mathematisches Modell entwickelt. Als erstes werden Wertschöpfungsketten mit rückwärtsgerichteten Produktflüssen systematisch analysiert, um die besonderen Planungsanforderungen und damit Vorgaben an die mathematische Modellierung des in dieser Arbeit untersuchten Entscheidungsproblems herauszuarbeiten. Quantitative Methoden zur Entscheidungsunterstützung werden präsentiert. Diese Methoden sind jedoch nicht für das Entscheidungsproblem dieser Arbeit geeignet, da sie die speziellen Planungsanforderungen in der Modellierung vernachlässigen. Das diskrete Standortplanungsmodell ist eine solche Methode; dieses Modell und die Planung von Wertschöpfungskreisläufen mittels dieses Modells werden kritisch diskutiert. Ein diskretes Standortplanungsmodell für die Planung geschlossener Wertschöpfungskreisläufe aus der Literatur wird korrigiert vorgestellt und für ein Anwendungsbeispiel aus der Kopiergeräte-Industrie gelöst. Die Lösungen zeigen, welche Probleme durch die unzureichende mathematische Abbildung entstehen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird das diskrete Standortplanungsmodell schrittweise erweitert. Durch diese Vorgehensweise wird aufgezeigt, welche neuen Erkenntnisse und Verbesserungen durch die weiterentwickelte Modellierung des Entscheidungsproblems erreicht werden. Zunächst wird das diskrete Standortplanungsmodell um Produktionsplanung mit Refabrikation erweitert. Die Lösungen für das Anwendungsbeispiel aus der Kopiergeräte-Industrie zeigen, dass dadurch die wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen Standort-, Transport- und Produktionsplanung im Wertschöpfungskreislauf erfasst werden. Außerdem werden nun Zulieferer-Standorte und -Mengen in die Planung miteinbezogen. Danach wird der Modellierungsansatz um (Volumen-)Kapazitätsplanung erweitert und auf einen mehrperiodigen Planungshorizont unterteilt. Nun wird die Kapazität gemeinsam mit Standorten sowie Transport-, Beschaffungs- und Bearbeitungsmengen optimal bestimmt. Die Lösungen belegen, dass so hohe Überkapazitäten verhindert werden und der Zusammenhang zwischen Transport- und Lagermengen mit Standort-Kapazitäten abgebildet wird. Weiterhin kann nun der Einfluss von Produktlebenszyklen, Kunden-Nutzungsdauern von Produkten und des Produkt-Designs untersucht werden. Zudem kann beobachtet werden, dass Umverteilung von Produktionsinput unter bestimmten Bedingungen optimal ist. Da die Produktion mit Refabrikation arbeitsintensiv ist, muss auch die Personalbestandsplanung in die Modellierung miteinbezogen werden. Damit werden Lohnkosten, Bearbeitungszeiten und die Arbeitsstunden des im Standort verfügbaren Personals bei der Optimierung berücksichtigt. Diese Planung wird noch durch eine differenzierte Modellierung der Entscheidungs-zeitpunkte verbessert. Daraus resultiert ein mathematisches Modell, dass die Standort-, Kapazitäts-, Transport-, Produktions- und Personalbestandsplanung des geschlossenen Wertschöpfungskreislaufs kombiniert mit ihren jeweiligen mittel- und langfristigen Entscheidungszeitpunkten durchführt. So kann auch der Einfluss saisonal schwankender Nachfrage auf den Wertschöpfungskreislauf, insbesondere auf die Kapazitäten untersucht werden. Durch diese detaillierte Modellierung kann der Kapazitätsbedarf im Wertschöpfungskreislauf genauer bestimmt werden und die Kostenerfassung gegenüber dem diskreten Standortplanungsmodell ist verbessert. Folglich ist eine detaillierte mathematische Abbildung des Entscheidungsproblems erforderlich, sodass daraus ökonomisch sinnvolle Handlungsempfehlungen resultieren.