Lean-Methoden: Gestaltung einer effizienten Wertschöpfungskette am Beispiel Batteriefertigung in der Elektroauto-Industrie

Lean beschreibt eine Unternehmensphilosophie, die auf die effiziente Gestaltung von Prozessen durch Vermeidung von Verschwendung abzielt. Die Wurzeln des Lean-Konzepts liegen in der Produktion und wurden im Toyota-Produktionssystem der 1950er Jahre in Japan entwickelt.

Lean Production entstand, um Kosten zu senken und gleichzeitig Qualität und Kundennutzen sicherzustellen. Lean Management erweitert dieses Optimierungsprinzip über Verschwendungsvermeidung auf sämtliche Unternehmensbereiche, einschließlich Verwaltung sowie Produktentwicklung, und zielt auf eine durchgängige Optimierung der gesamten Wertschöpfungskette ab.

Lean-Methoden stellen ein praktisches Werkzeugset dar, das die Prinzipien von Lean Production und Lean Management in der operativen und strategischen Umsetzung verankert.

Das übergeordnete Ziel aller Lean-Methoden ist die Schaffung einer verschwendungsfreien, kundenorientierten Wertschöpfungskette. Gemeinsam ist ihnen der Fokus auf kontinuierliche Verbesserung (Kaizen), Ressourceneffizienz und die konsequente Ausrichtung an Kundenbedürfnissen.

Die Vielzahl unterschiedlicher Lean-Methoden ergibt sich aus der Notwendigkeit, spezifische Herausforderungen, beispielsweise in Abhängigkeit von Branche oder Fertigungsprodukt, gezielt anzugehen. Lean-Methoden wie zum Beispiel 5S schaffen strukturierte und saubere Arbeitsumgebungen, während Kanban die Steuerung von Produktions- und Logistikprozessen verbessert und Fluss sicherstellt.

Eine Kategorisierung oder gar strikte Zuordnung einzelner Methoden zur Lean Production oder dem Lean Management ergibt keinen Sinn. Alle Methoden sind universell einsetzbar und unterstützen gleichermaßen physische Produktionsprozesse sowie strategisch-administrative Abläufe.

Lean-Methoden beschreiben das operative Vorgehen für die Schaffung einer Lean Production (schlanke Produktion). Die strategische Planung der schlanken Produktion manifestiert sich durch das Lean Management.

Die einzelnen Lean-Stationen zur Umsetzung einer Lean Production können als Lean-Prinzipien bezeichnet werden und umfassen:

• Herausforderungen
• Verschwendung
• Stabilisierung
• Fluss
• Takt
• Pull
• Wertstrom
• Perfektion
• Standardisierung
• Kontinuierliche Verbesserung

Das Prinzip der Herausforderungen bezieht sich auf die Fähigkeit, bestehende Probleme und Ineffizienzen in Prozessen systematisch zu erkennen und anzugehen. Ziel ist es, ein Bewusstsein für Verbesserungspotenziale zu schaffen und gezielt Maßnahmen zu ergreifen, die den gesamten Wertschöpfungsprozess optimieren. Herausforderungen sind der Ausgangspunkt aller weiteren Lean-Aktivitäten und erfordern eine präzise Analyse der Ist-Situation.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Prozessanalyse
  Die Prozessanalyse dient der detaillierten Untersuchung von Arbeitsabläufen, um Schwachstellen, Engpässe und ineffiziente Schritte zu identifizieren. Sie bildet die Grundlage für eine gezielte Prozessoptimierung.
  
  
• Spaghetti-Diagramm
  Diese Methode visualisiert die Bewegungsabläufe von Menschen oder Materialien in einem Arbeitsprozess. Das Ziel ist es, unnötige Wege oder redundante Abläufe zu eliminieren und die Effizienz des Arbeitslayouts zu verbessern.
  
  
• Momentaufnahme
  Eine Momentaufnahme beschreibt den Zustand eines Prozesses zu einem spezifischen Zeitpunkt. Sie wird genutzt, um Abweichungen von Standardprozessen oder geplanten Abläufen zu dokumentieren und Verbesserungspotenziale aufzuzeigen.
  
  
• Problemlösungsmethoden (z. B. 5W-Methode)
  Die 5W-Methode hilft dabei, die Kernursache eines Problems zu ermitteln, indem fünfmal hinterfragt wird, warum eine bestimmte Abweichung aufgetreten ist. Dies ermöglicht nachhaltige Lösungen.

Das Prinzip der Verschwendung (japanisch: Muda) im Lean-Management bezieht sich auf alle Aktivitäten, die Ressourcen verbrauchen, aber keinen Mehrwert für den Kunden schaffen. Verschwendung ist eine der Hauptursachen für Ineffizienz in Prozessen und muss systematisch identifiziert und eliminiert werden. Dabei werden die sieben klassischen Verschwendungsarten, ergänzt um eine achte, differenziert:

1. Überproduktion:
   Herstellung von mehr Produkten als benötigt, was zu Lagerkosten und möglichen Verlusten führt
   
   
2. Bestände:
   Lagerung von Rohmaterialien oder unfertigen Produkten, die Kapital binden und Flächen belegen
   
   
3. Transport:
   Unnötige Bewegungen von Materialien oder Produkten ohne Wertschöpfung
   
   
4. Wartezeiten:
   Stillstand von Maschinen oder Menschen aufgrund fehlender Materialien, Informationen oder Kapazitäten
   
   
5. Überflüssige Bewegung:
   Nicht ergonomische oder ineffiziente Bewegungsabläufe von Mitarbeitern
   
   
6. Prozessübererfüllung:
   Durchführung von Arbeitsschritten, die nicht benötigt oder vom Kunden nicht gewünscht werden
   
   
7. Fehler und Nacharbeit:
   Korrektur von fehlerhaften Produkten oder Prozessen
   
   
8. Ungenutztes Mitarbeiterpotenzial:
   Fehlende Einbindung von Mitarbeitern und deren Ideen in Verbesserungsprozesse​​

Zugehörige Lean-Methoden:

• Wertstromanalyse:
  Eine visuelle Darstellung des Material- und Informationsflusses in einem Prozess, um Verschwendungen zu identifizieren und die Durchlaufzeit zu reduzieren​
  
  
• Muda-Safari:
  Eine gezielte Beobachtung von Prozessen vor Ort, um Verschwendungen systematisch zu erkennen. Diese Methode betont die Bedeutung der direkten Analyse am Ort der Wertschöpfung (Gemba)​​
  
  
• Kreidekreis:
  Führungskräfte oder Prozessanalysten werden in einen Bereich gestellt, um über längere Zeiträume die Prozesse zu beobachten und Verbesserungsmöglichkeiten zu erkennen​
  
  
• 5S:
  Diese Methode hilft dabei, Arbeitsplätze so zu organisieren, dass unnötige Bewegungen und Suchzeiten eliminiert werden​
  
  
• Spaghetti-Diagramm:
  Visualisiert die Bewegungswege von Mitarbeitern oder Materialien, um ineffiziente Wege zu identifizieren und zu optimieren​

Das Prinzip der Stabilisierung zielt darauf ab, die Voraussetzungen für eine fehlerfreie und effiziente Produktion zu schaffen, indem Prozesse standardisiert und Schwankungen minimiert werden. Anders als spezifische Lean-Methoden stellt Stabilisierung einen kontinuierlichen Prozess dar, der als Basis für alle weiteren Lean-Prinzipien wie Fluss, Takt oder Perfektion dient.

Zentrale Elemente der Stabilisierung wie die Reduktion von Verlustfaktoren, die 3 Mu (Muda, Mura, Muri), die Kontrolle von Beständen, die Verkürzung von Durchlaufzeiten sowie die Nivellierung und Glättung der Produktion sind keine eigenständigen Methoden. Vielmehr sind sie eng miteinander verzahnte Aufgaben, die gemeinsam dazu beitragen, stabile Prozessbedingungen zu schaffen. Diese Aufgaben richten sich darauf aus, Schwankungen und Überlastungen zu vermeiden, Ressourcen effizient einzusetzen und Flexibilität sicherzustellen, um auf veränderte Anforderungen reagieren zu können.

Das Prinzip des Flusses im Lean-Management beschreibt die kontinuierliche Bewegung von Produkten, Informationen und Mitarbeitern durch den Produktionsprozess, ohne Unterbrechungen oder Verzögerungen. Der Fokus liegt auf der Vermeidung von Engpässen, übermäßigen Beständen und Wartezeiten, um kurze Durchlaufzeiten und eine effiziente Wertschöpfung zu gewährleisten​​.

Ein zentraler Bestandteil des Flussprinzips ist der Ein-Stück-Fluss (One-Piece-Flow), bei dem Produkte einzeln und direkt von einem Bearbeitungsschritt zum nächsten weitergeleitet werden. Dies steht im Gegensatz zur klassischen Losgrößenfertigung, die häufig durch hohe Bestände, Qualitätsprobleme und lange Durchlaufzeiten gekennzeichnet ist​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Losgrößenreduzierung:
  Ziel ist es, die Produktionsmengen so zu gestalten, dass die Materialien im kontinuierlichen Fluss verarbeitet werden können. Dies reduziert Bestände und Durchlaufzeiten erheblich​​.
  
  
• Prozesskopplung:
  Prozesse werden so angeordnet, dass Materialien ohne Zwischenlagerung oder Transporte direkt in den nächsten Arbeitsschritt übergehen. Dies erhöht die Transparenz und senkt die Produktionskosten​​.
  
  
• Layoutoptimierung:
  Die physische Anordnung der Maschinen und Arbeitsplätze wird so gestaltet, dass kurze Wege und klare Materialflüsse entstehen. Beispiele sind U-förmige oder lineare Layouts, die Verschwendung durch Transport minimieren und die Übersichtlichkeit erhöhen​​.
  
  
• Visualisierung von Materialflüssen:
  Flussvisualisierungen wie Wertstromkarten oder Materialflussdiagramme helfen, Engpässe zu identifizieren und Prozesse entsprechend anzupassen​​.
  
  
• SMED:
  SMED (Single Minute Exchange of Dies) ist eine Lean-Methode, die darauf abzielt, Rüstzeiten zu minimieren und Prozesse dadurch stabiler und flexibler zu machen. Das Ziel ist es, Umrüstvorgänge in weniger als zehn Minuten zu realisieren, indem interne und externe Rüstprozesse klar definiert und optimiert werden.

Das Prinzip des Taktes im Lean-Management beschreibt die Synchronisierung von Produktionsprozessen mit der Kundennachfrage. Es handelt sich dabei um den „Herzschlag“ der Produktion, der vorgibt, wie schnell ein Produkt hergestellt werden muss, um den Kundenbedarf zu decken. Die Berechnung des Kundentaktes erfolgt durch die Division der verfügbaren Produktionszeit durch die benötigte Menge an Produkten​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Taktzeitberechnung:
  Ermittelt die benötigte Geschwindigkeit jedes Prozessschrittes basierend auf der Kundenanforderung. Beispiel: Ein Kundentakt von 80 Sekunden bedeutet, dass alle 80 Sekunden ein Produkt fertiggestellt werden muss​.
  
  
• Visualisierung:
  Werkzeuge wie Andon-Boards oder Taktanzeigen machen den Produktionsfortschritt sichtbar und helfen, Abweichungen sofort zu erkennen​​.
  
  
• Prozessharmonisierung:
  Anpassung der Arbeitsinhalte an den Kundentakt, um eine gleichmäßige Auslastung aller Prozessstationen zu gewährleisten. Dies kann durch Standardisierung oder Arbeitsumverteilung erfolgen​.

Das Pull-Prinzip im Lean-Management bedeutet, dass Produkte oder Komponenten nur dann gefertigt oder geliefert werden, wenn ein tatsächlicher Bedarf vorliegt. Im Gegensatz zum Push-Prinzip, bei dem auf Basis von Prognosen produziert wird, wird beim Pull-System nur das nachproduziert, was tatsächlich verbraucht wurde. Ziel ist es, Bestände zu minimieren und die Produktion eng mit der Nachfrage zu synchronisieren​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Kanban:
  Kanban ist ein visuelles Steuerungssystem, das den Informationsfluss innerhalb des Pull-Systems regelt. Es arbeitet mit Karten oder Behältern, die als Signale für die Nachproduktion oder Materialanforderung dienen. Beispiele sind Sicht-Kanban, Behälter-Kanban oder E-Kanban​​.
  
  
• Just-in-Time (JIT):
  JIT sorgt dafür, dass Materialien in der richtigen Menge und Qualität genau dann verfügbar sind, wenn sie benötigt werden. Es reduziert Bestände und erhöht die Reaktionsfähigkeit auf Kundenanforderungen​​.
  
  
• FIFO (First-In-First-Out):
  Diese Methode stellt sicher, dass die zuerst gefertigten oder angelieferten Teile zuerst weiterverarbeitet werden. Es minimiert das Risiko von veralteten Materialien und gewährleistet eine gleichmäßige Nutzung der Ressourcen​.

Das Wertstromprinzip im Lean-Management fokussiert auf die Optimierung des gesamten Material- und Informationsflusses durch eine systematische Analyse und Gestaltung. Ziel ist es, die Wertschöpfung vom Rohmaterial bis zur Auslieferung an den Kunden zu maximieren, während Verschwendung, Variabilität und Inflexibilität minimiert werden. Der Wertstrom ermöglicht es, den Zusammenhang zwischen allen Prozessen zu visualisieren und Verbesserungsmöglichkeiten entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu identifizieren​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Wertstromanalyse (VSM):
  Eine visuelle Methode, um die Prozesskette ganzheitlich zu analysieren. Symbole verdeutlichen den Material- und Informationsfluss sowie Schwachstellen, die optimiert werden können​​.
  
  
• Kaizen-Blitze:
  Markierungen im Wertstrom, die Verbesserungspotenziale hervorheben. Diese Blitze werden verwendet, um konkrete Problembereiche schnell anzugehen​​.
  
  
• Kennzahlen-Festlegung im Wertstrom:
  Kundentakt, Prozesszeit und Durchlaufzeit sind zentrale Kennzahlen. Sie quantifizieren die Wertstromleistung und zeigen Optimierungsmöglichkeiten auf. Ein Flussgrad von unter 1 % in herkömmlichen Prozessen kann durch einen optimierten Wertstrom auf bis zu 50 % gesteigert werden​​.

Das Prinzip der Perfektion im Lean-Management verfolgt das Ziel, eine fehlerfreie Produktion zu gewährleisten und die Qualität nicht erst durch Prüfungen, sondern direkt im Prozess zu erzeugen. Perfektion ist das langfristige Streben nach kontinuierlicher Verbesserung, bei dem Prozesse stabil, robust und effizient gestaltet werden, um das Null-Fehler-Ziel zu erreichen. Dieses Ziel ist insbesondere in Branchen wie der Elektronikindustrie entscheidend, da minimale Fehlerquoten notwendig sind, um Qualitätsanforderungen zu erfüllen​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Poka Yoke:
  Poka Yoke (jap. „Fehler vermeiden“) verhindert unbeabsichtigte Fehler im Prozess. Das Konzept umfasst drei Prinzipien:
  
  
  • Kontaktprinzip: Fehler werden durch physikalische Eigenschaften von Bauteilen erkannt (z. B. USB-Stecker, die nur in einer Richtung passen).
  • Festwertprinzip: Abweichungen von Parametern wie Gewicht oder Menge werden erkannt (z. B. bei der Kommissionierung von Teilen).
  • Prozessschrittprinzip: Der Prozessfluss wird überwacht, sodass Abweichungen in der Reihenfolge oder fehlende Schritte Fehler auslösen und verhindern, dass der Prozess weiterläuft​​.
    
    
• Jidoka:
  Diese Methode, auch als „Automation mit menschlichem Verstand“ bezeichnet, gewährleistet, dass die Produktion sofort angehalten wird, wenn ein Fehler erkannt wird. Andon-Boards oder akustische Signale informieren das Team über die Fehlerquelle, und die Fehlerbeseitigung erfolgt unmittelbar. Dadurch wird die Arbeitsproduktivität gesteigert und die Qualität sichergestellt​​.
  
  
• Qualitätskennzahlen-Festlegung:
  Kennzahlen wie First Time Through (FTT), First Time Right (FTR) und First Pass Yield (FPY) quantifizieren die Fehlerfreiheit der Produktion. Ziel ist es, eine fehlerfreie Produktion ohne Nacharbeit zu erreichen​​.

Das Prinzip der Standardisierung im Lean-Management bildet die Grundlage für stabile und vorhersehbare Prozesse. Standards beschreiben die zum jeweiligen Zeitpunkt sicherste und effizienteste Art, eine Tätigkeit auszuführen. Sie gewährleisten Einheitlichkeit und Wiederholbarkeit und bieten eine Basis für systematische Verbesserungen. Im Gegensatz zu starren Normen sind Standards dynamisch und werden kontinuierlich weiterentwickelt, um Optimierungen abzusichern​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• Standardarbeitsblatt (SAB):
  Das SAB beschreibt jeden Arbeitsschritt und die dafür benötigten Ressourcen detailliert. Es dient als Referenzdokument für Schulungen und Audits und unterstützt die Einhaltung der Standards​​.
  
  
• Visualisierung:
  Werkzeuge wie Shadow-Boards oder Arbeitsplatzgestaltungen erleichtern die Einhaltung der Standards. Visuelle Signale minimieren die Notwendigkeit mündlicher Kommunikation und fördern die Autonomie der Mitarbeiter​.
  
  
• 5S-Methode:
  Diese Methode unterstützt die Einführung und Einhaltung von Standards, indem sie Ordnung und Sauberkeit sicherstellt. 5S umfasst die Schritte Aussortieren, Aufräumen, Arbeitsplatz sauber halten, Anordnung als Regel und alle Schritte wiederholen​​.

Das Prinzip der kontinuierlichen Verbesserung (Kaizen) ist ein zentraler Bestandteil des Lean-Managements und beschreibt die systematische, schrittweise Optimierung von Prozessen. Ziel ist es, durch regelmäßige Anpassungen Verschwendung zu reduzieren und die Effizienz zu steigern. Im Gegensatz zu radikalen Umgestaltungen (Kaikaku) basiert Kaizen auf kleinen, inkrementellen Schritten, die in die tägliche Arbeit integriert werden​​.

Zugehörige Lean-Methoden:

• PDCA-Zyklus (Plan, Do, Check, Act):
  Der PDCA-Zyklus ist die Standardmethode zur Umsetzung von Verbesserungen.
  
  
  • Plan: Problemanalyse, Zielsetzung und Hypothesenbildung.
  • Do: Umsetzung von Maßnahmen und Sammlung von Ergebnissen.
  • Check: Vergleich von Soll- und Ist-Zustand sowie Überprüfung der Ergebnisse.
  • Act: Implementierung erfolgreicher Lösungen als neuer Standard und erneute Iteration​​.
    
    
• Kata-Verbesserungsroutine:
  Eine Methode, die Mitarbeiter durch gezielte Fragestellungen zum eigenständigen Problemlösen und Experimentieren anregt. Dies fördert eine lernende Organisation und stärkt die Eigenverantwortung​​.
  
  
• Kaizen-Workshops:
  Diese Form des kollaborativen Arbeitens bringt Teams zusammen, um spezifische Probleme zu analysieren und Verbesserungen in kurzer Zeit umzusetzen​​.
  
  
• Vorschlagswesen:
  Ein strukturiertes System, das es Mitarbeitern ermöglicht, Verbesserungsideen einzubringen und deren Umsetzung zu fördern. Dies steigert die Innovationskraft und erhöht die Motivation​​.
  
  
• Problemlösungstechniken:
  Techniken wie die 5W-Methode oder Ishikawa-Diagramme helfen dabei, die Ursachen von Problemen systematisch zu identifizieren und effektive Lösungen zu entwickeln​​.

Die Industrieproduktion sieht sich weltweit wachsenden Anforderungen gegenüber, darunter die Optimierung von Ressourcennutzung, Kostensenkung und Nachhaltigkeit. In der Batterieproduktion, die für die Elektromobilität eine Schlüsselrolle spielt, sind diese Herausforderungen besonders ausgeprägt. Laut dem „Faktencheck-Batterien für E-Autos“ des Öko-Instituts aus dem Jahr 2020 wird die globale Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien bis 2030 auf bis zu 4.000 GWh steigen – eine Verdreifachung des heutigen Bedarfs​​.

Gleichzeitig verschärfen sich die gesetzlichen und regulatorischen Anforderungen. So fordert die überarbeitete EU-Batterierichtlinie (EU Directive 2006/66/EC), dass Batterieproduzenten Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und zum Recycling umsetzen müssen, um den ökologischen Fußabdruck zu reduzieren​. Hinzu kommen nationale Klimagesetze, wie das deutsche Bundes-Klimaschutzgesetz, das bis 2030 eine 65-prozentige Reduktion der CO₂-Emissionen im Vergleich zu 1990 vorsieht​.

Kundenanforderungen ergänzen diese regulatorischen Vorgaben: Sie verlangen Batterien mit einer Energiedichte von mindestens 350 Wh/kg, um größere Reichweiten zu ermöglichen, und eine Reduktion der Zellkosten auf unter 100 USD/kWh, um Elektrofahrzeuge wettbewerbsfähiger zu machen​​. Lean-Methoden wie SMED zur Verkürzung von Rüstzeiten, Poka Yoke zur Fehlervermeidung und Kanban zur Produktionssteuerung bieten dabei effektive Ansätze, um diesen komplexen Anforderungen gerecht zu werden.

Im folgenden Abschnitt zeigen wir, wie GREIF-VELOX mit der Entwicklung der Anlage Velovac und Orientierung an Lean-Prinzipien und Lean-Methoden Effizienz und Nachhaltigkeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette in der Batterieproduktion für die Elektromobilität verbessert.

GREIF-VELOX hat sich der Herausforderung gestellt, die komplexe Verarbeitung von Carbon Black – einem essenziellen Rohstoff für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien – durch innovative Abfüll- bzw. Absacktechnik zu optimieren. Die Anwendung von Lean-Methoden spielte dabei eine zentrale Rolle, um Effizienz, Nachhaltigkeit und Arbeitssicherheit in diesem Prozess zu gewährleisten.

Carbon Black ist ein ultrafeines Pulver mit einem Korndurchmesser von 60 bis 110 nm, das aufgrund seiner Stoffeigenschaften schwer zu verpacken und transportieren ist.

Herkömmliche Absackverfahren führten regelmäßig zu Verstaubung, hohen Reinigungskosten und Gesundheitsrisiken für Mitarbeiter. Darüber hinaus verursachten unförmige Säcke mit Lufteinschlüssen ineffiziente Logistik und Qualitätsverluste durch Produktkontamination​​.