Materialflusssimulation

In der ausgereiften Industrie der Wellpappenverpackungen spielt die Materialflusssimulation eine zentrale Rolle. Durch präzise, ereignisorientierte Vorhersagen des Warenflusses ermöglicht sie die belastbare Planung von Produktionslinien, Puffer- und Transportkapazitäten sowie die Abstimmung zwischen Herstellung, Weiterverarbeitung und Versand. So lassen sich Durchsatz, Liefertreue, Bestände und Ressourceneinsatz gezielt steuern und Engpässe bereits in der Planungsphase identifizieren. Die Simulation fungiert als digitales Abbild der realen Fabrik, auf dessen Basis Varianten verglichen, Risiken bewertet und Entscheidungen abgesichert werden. Gerade in Wellpappenwerken mit komplexen Prozessketten – vom Wellpappenhersteller (Korrugator) über Querschneider, Druck- und Stanzprozesse bis hin zu Klebemaschinen, Palettierung und Versand – schafft ein modellbasiertes Vorgehen Nachvollziehbarkeit, reduziert Unsicherheiten und unterstützt die taktische wie operative Planung. Ergänzend lassen sich saisonale Schwankungen, Kampagnenfertigung, Formatwechsel, Wellenspezifikationen und Packmuster realitätsnah abbilden, um die Wechselwirkungen zwischen Kapazitäten, Reihenfolgen und Pufferstrategien transparent zu machen.

Definition: Was versteht man unter Materialflusssimulation?

Unter Materialflusssimulation versteht man die computergestützte Nachbildung und Analyse von Produktions- und Logistikprozessen innerhalb einer Fabrik oder eines Lagers. Dies betrifft insbesondere die Bewegung von Gütern, hier speziell der Wellpappen. Modelliert werden dabei Materialeinheiten (z. B. Rohpapierrollen, Halbfabrikate, Zuschnitte, Bogen, Stapel) sowie Ressourcen wie Maschinen, Fördertechnik, Pufferbereiche, Kommissionierzonen und Übergabepunkte. Steuerungslogiken (Reihenfolgen, Prioritäten, Losbildung, Sperr- und Freigaberegeln), zeitliche Einflüsse (Schichtmodelle, Rüst- und Taktzeiten, Stör- und Wartungsprofile) und räumliche Aspekte (Wege, Kapazitäten, Layout) werden in ein digitales Modell überführt. Ergebnisgrößen sind u. a. Durchsatz, Auslastungen, Warteschlangen, Bestände, Durchlauf- und Wartezeiten sowie die Robustheit gegenüber Schwankungen. In der Praxis handelt es sich überwiegend um ereignisdiskrete Modelle (Discrete-Event-Simulation), die optional um agentenbasierte Logiken für autonome Transporte ergänzt werden; der resultierende digitale Zwilling bildet die operative Realität in geeigneter Detailtiefe ab und ermöglicht belastbare Schlussfolgerungen.

Anwendungsgebiete der Materialflusssimulation in der Wellpappenindustrie

Die Materialflusssimulation ermöglicht die präzise Planung von Fabrikeinrichtungen, die Optimierung von Arbeitsabläufen und die Effizienzsteigerung der Produktion. Besonderer Fokus liegt auf der Minimierung von Engpässen, Reduzierung von Stillstandzeiten und Erhöhung der Produktivität. Sie wird sowohl in der Konzeptphase (Greenfield) als auch bei der Optimierung bestehender Standorte (Brownfield) eingesetzt, um Kapazitäten abzusichern, Layoutvarianten zu vergleichen und Steuerungsstrategien zu testen. Darüber hinaus lassen sich Fragen der Auftragsfreigabe, der Reihenfolgeplanung, der Kopplung von Korrugator und Weiterverarbeitung sowie der Synchronisation mit dem Versand in konsistenten Szenarien beantworten. Auch die Einbindung von Qualitätsprüfungen, Nacharbeitsrouten und Packmustern kann systematisch bewertet werden.

• Layout- und Kapazitätsplanung: Dimensionierung von Pufferbahnen, Zwischenlagern, Förderstrecken und Konsolidierungszonen; Bewertung alternativer Materialflusswege.
• Reihenfolge- und Rüstoptimierung: Untersuchung von Losbildungsregeln, Bündelung nach Wellenspezifikation, Rüststrategien und deren Einfluss auf Durchlaufzeiten und Auslastung.
• Puffer- und Steuerungskonzepte: Freigaberegeln, Pull-/Push-Varianten, Priorisierungslogiken und deren Wirkung auf WIP-Bestände und Termintreue.
• Personaleinsatz und Materialhandling: Abgleich von Personal-/Schichtplänen mit Transport- und Bearbeitungsbedarf, ergonomische Taktgestaltung.
• Intralogistik und Schnittstellen: Synchronisation von Herstellung, Weiterverarbeitung, Konsolidierung und Versand; Prüfung alternativer Übergabepunkte.
• Robustheit: Sensitivitätsanalysen für Nachfrageschwankungen, Störungen und Rüstzeitvariabilität.
• Palletierung und Ladungsträger: Bewertung von Packmustern, Palettenwechselstrategien, Ladungsträgerumlauf und Wickelprozessen unter realistischen Taktvorgaben.
• Qualität und Nacharbeit: Einbindung von Prüfstationen, Stichprobenplänen und Nacharbeitsflüssen inklusive Rückführungen in Vorstufen.
• Nachhaltigkeit und Ausschuss: Analyse von Makulaturtreibern, Leerlaufanteilen und energiebezogenen Stillständen im Kontext von Rüst- und Formatwechseln.

Verfahren und Softwarelösungen in der Materialflusssimulation

Zur Darstellung und Analyse der Materialflüsse im Wellpappen-Prozess werden verschiedene Softwarelösungen eingesetzt. Diese bieten detaillierte visuelle Darstellungen, ermöglichen die Durchführung von "Was-wäre-wenn"-Szenarien und liefern wertvolle Daten für Entscheidungsprozesse. Technisch dominieren ereignisdiskrete Ansätze, die Prozesse als zeitlich diskrete Ereignisse (Start/Ende von Bearbeitungen, Ankunft/Abgang an Pufferpunkten) abbilden. Ergänzend kommen agentenbasierte Modelle für autonome Transporte und Monte-Carlo-Methoden zur Berücksichtigung von Streuungen zum Einsatz. Für statistisch belastbare Aussagen werden Warm-up-Phasen, Replikationen mit unterschiedlichen Zufallszahlensaaten und Konfidenzintervalle berücksichtigt; so können Varianz und Effektsicherheit eingeordnet werden. Über Schnittstellen (z. B. ERP/MES/WMS) ist zudem eine automatisierte Datenversorgung sowie die konsistente Parametrisierung der Modelle möglich.

• Modellbildung: Definition von Entitäten, Ressourcen, Kapazitäten, Steuerungslogiken und Störprofilen; Abbildung des Layouts in 2D/3D.
• Datengrundlage: Nutzung historischer Messwerte, Stammdaten, Schichtkalender, Rüsttabellen und Transportzeiten; Verknüpfung mit ERP/MES-Datenquellen.
• Szenarioarbeit: Systematische Vergleichbarkeit über Versuchspläne (DoE) und definierte Kennzahlen; Variantenbildung für Layout, Steuerung und Reihenfolge.
• Validierung und Verifikation: Abgleich mit Ist-Daten, Plausibilitätsprüfungen, Extremtests; iterative Verfeinerung bis zur Zielgenauigkeit.
• Auswertung: Dashboards für Durchsatz, Auslastungen, Warteschlangen, WIP, Termintreue und Durchlaufzeiten; automatisierte Reportings.
• Experimentdesign: Festlegung von Aufwärmzeit, Laufzeit und Anzahl der Replikationen; Verwaltung der Zufallszahlen und Definition von Vergleichsmetriken.
• Integration: Kopplung zu APS/Feinplanung, WMS/TMS und Prozessdatenquellen; optionaler Rückfluss von Simulationsergebnissen zur Entscheidungsunterstützung.

Vor- und Nachteile von Materialflusssimulation

Die Vorteile der Materialflusssimulation liegen in ihrer Fähigkeit, produktive und kosteneffiziente Lösungen für die Herstellung und den Transport von Wellpappen zu liefern. Sie ermöglicht es, Änderungen voranzutreiben, bevor sie in der realen Produktionsumgebung umgesetzt werden. Dennoch birgt sie auch Nachteile: Die Erstellung akkurater Modelle erfordert tiefe Kenntnisse und Erfahrung, und die Software kann kostspielig sein. Wichtig ist eine klare Zieldefinition, ein angemessenes Detaillierungsniveau und eine konsequente Validierung, damit Ergebnisse zielgerichtet, interpretierbar und reproduzierbar sind.

• Vorteile: Risikominimierung vor Investitionen, Transparenz über Engpassursachen, abgestützte Entscheidungen, belastbare Kapazitätsnachweise, Training von Abläufen.
• Herausforderungen: Datenqualität und -verfügbarkeit, Modellierungsaufwand, Annahmen- und Parametereinflüsse, Pflege bei Prozessänderungen.
• Wirtschaftlichkeit: Nutzen entsteht insbesondere bei komplexen Layouts, multiplen Produktvarianten, wechselnden Nachfragen und hohen Rüst- bzw. Störanteilen.
• Grenzen: Abstraktion notwendiger Details, begrenzte Vorhersagekraft bei unzureichender Datenlage, Gefahr der Überinterpretation einzelner Kennzahlen.
• Erfolgsvoraussetzungen: Klare Fragestellungen, abgestimmte KPIs, interdisziplinäre Zusammenarbeit und regelmäßige Reviews mit Fachbereichen.

Zusätzliche Elemente der Materialflusssimulation

Zu den zusätzlichen Elementen der Materialflusssimulation gehören unter anderem die Berücksichtigung von Mitarbeiterbewegungen, Materialhandhabung und Lagerbedingungen. Detaillierte Analysen dieser Faktoren können bei der optimalen Gestaltung der Produktionsprozesse helfen. Ergänzend werden Wartungsfenster, Reinigungszyklen, Qualitätsprüfungen und Rückmeldungen aus der Prozessdatenerfassung integriert, um realistische Abläufe abzubilden. Ebenso fließen ergonomische Aspekte, Sicherheitsabstände, Wegeführungen, Anfahr- und Bereitstellzeiten sowie die Synchronisation von Übergaben zwischen Prozessschritten in das Modell ein. Auch der Umlauf von Ladungsträgern, die Verfügbarkeit von Gabelstaplern oder Fahrerlosen Transportsystemen (FTS/AGV) und deren Ladezyklen werden berücksichtigt, um Wartezeiten und Umlaufbestände realitätsnah zu dimensionieren.

• Dynamik: Abbildung von Störungen, Nacharbeitsrouten, Umrüstlogiken und kurzfristigen Planänderungen.
• Skalierung: Modellgrenzen und Aggregationsebenen (Detailtiefe je nach Fragestellung), Kopplung mehrerer Teilmodelle.
• Interpretation: Einordnung der Ergebnisse unter Unsicherheit, Sensitivitäten und Robustheit gegenüber Variabilität.
• Sicherheit und Compliance: Sicherheitsabstände, Verkehrsregeln in der Intralogistik, Brandschutz- und Sperrzonen im Layout.
• Bestandssteuerung: Definition von Sicherheitsbeständen und Freigabepunkten, dynamische Anpassung an Nachfrage- und Mixänderungen.

Datenbasis und Kennzahlen in der Materialflusssimulation

Eine belastbare Simulation fußt auf konsistenten Stammdaten und Messwerten: Bearbeitungs-, Rüst- und Transportzeiten, Stör- und Wiederanlaufverhalten, Schicht- und Pausenzeiten, Materialeigenschaften und Zielgrößen. Zu den Ausgabekennzahlen zählen Durchsatz, Auslastungen, WIP, Warte- und Durchlaufzeiten, Termintreue und Pufferfüllgrade. Für geometrische und logistische Betrachtungen sind exakte Maße erforderlich; siehe hierzu weiterführende Erläuterungen zu Abmessungen in Produktionsabläufen. Zusätzlich sind Normmaße, Toleranzen, Packmuster, Palettenkonfigurationen, Stapelfähigkeit und Gewichtsgrenzen zu berücksichtigen, um Transport, Konsolidierung und Versand realitätsnah zu bewerten. Für die Ergebnisinterpretation sind Konfidenzintervalle und Replikationsvergleiche hilfreich, um statistische Unsicherheit sichtbar zu machen.

• Eingangsdaten: Stammdaten, Kalender, Prozesszeiten, Rüstmatrizen, Störprofile, Transport- und Wegezeiten.
• Ergebnisse: Bottleneck-Identifikation, Zeitanteile je Zustand, Belegungen, Warteschlangenlängen, Liefertreue und Variantenvergleich.
• Qualitätssicherung: Datenbereinigung, Ausreißeranalyse und kontinuierliche Aktualisierung der Parameter.
• Zusatzkennzahlen: OEE/OLE-Beiträge, Makulaturquoten, First-Pass-Yield, OTIF und Servicelevel je Segment oder Produktfamilie.
• Reporting: Standardisierte Dashboards mit Drill-down-Funktion, Vergleich von Basis- und Zielszenarien, visualisierte Ganglinien.

Vorgehensmodell: von der Zieldefinition bis zur Validierung

1. Ziele und Messgrößen festlegen: Welche KPIs sollen verbessert oder nachgewiesen werden?
2. System abgrenzen: Relevante Prozessschritte, Ressourcen und Steuerungsregeln definieren.
3. Daten erheben und aufbereiten: Zeitstudien, Logs, Stammdaten, Kalender und Störereignisse.
4. Modell erstellen und verifizieren: Struktur, Logiken und Layout implementieren; technische Prüfung.
5. Validieren: Ergebnisse mit Ist-Zustand abgleichen und Parametrisierung verfeinern.
6. Szenarien entwickeln: Varianten sauber definieren und vergleichbar machen.
7. Auswerten und entscheiden: Ergebnisse interpretieren, Sensitivität und Risiken bewerten.
8. Umsetzen und nachhalten: Maßnahmen einführen und Effekte mit der Realität abgleichen.
9. Dokumentieren: Annahmen, Datenquellen, Modellversionen und Gültigkeitsbereiche nachvollziehbar festhalten.
10. Kontinuierlich verbessern: Regelmäßige Aktualisierung von Daten, Parametern und Steuerungslogiken auf Basis neuer Erkenntnisse.

Beispielhafte Szenarien in der Wellpappenproduktion

• Optimierung der Reihenfolgeplanung zur Reduktion von Rüstzeiten bei wechselnden Spezifikationen.
• Dimensionierung eines Zwischenpuffers zwischen Herstellung und Weiterverarbeitung zur Glättung von Taktunterschieden.
• Vergleich alternativer Transportkonzepte bei steigender Variantenvielfalt und schwankender Nachfrage.
• Bewertung zusätzlicher Arbeitsplätze in Spitzenzeiten im Vergleich zu geänderten Freigaberegeln.
• Untersuchung der Auswirkungen geänderter Qualitätsprüfungen auf Durchlaufzeiten und Termintreue.
• Analyse des Einflusses von Korrugator-Geschwindigkeiten und Querschneider-Strategien auf nachgelagerte Engpässe.
• Simulation des Ladungsträgerumlaufs und der Palettierlogik inklusive Verpackungswechsel, Wickelzeiten und Rampenkapazitäten.
• Bewertung alternativer Schichtmodelle und Personalumverteilungen im Materialhandling und an kritischen Stationen.

Best Practices und Hinweise zur Ergebnisinterpretation

Für belastbare Resultate empfiehlt sich ein iteratives Vorgehen mit enger Einbindung der Fachbereiche. Ein angemessener Detaillierungsgrad, abgestimmte KPIs und transparente Annahmen sind entscheidend, um Maßnahmen zielgerichtet abzuleiten. Ergebnisse sollten stets mit Sensitivitätsanalysen flankiert werden, um die Stabilität gegenüber Schwankungen von Nachfrage, Störungen und Rüstzeiten zu bewerten. Visualisierungen (z. B. Gantt- und Ganglinien, Wärmekarten der Auslastung) erleichtern die Kommunikation und fördern das gemeinsame Verständnis über Engpassursachen und wirksame Stellhebel.

• Schrittweise Verfeinerung: Von der groben Kapazitätsabschätzung zur detailreichen Steuerungslogik.
• Reproduzierbarkeit: Einheitliche Versuchspläne, dokumentierte Zufallssaaten und konsistente Laufzeiten.
• Transparenz: Klare Trennung von Messwerten, Schätzungen und Annahmen; Versionierung der Modelle.
• Plausibilisierung: Cross-Checks mit Erfahrungswerten, Kaizen-Workshops und Shopfloor-Rückmeldungen.

Abgrenzung zu verwandten Methoden

Die Materialflusssimulation ergänzt Verfahren wie Wertstromanalyse, Kapazitätsrechnung und Linienbalancierung. Während diese Methoden häufig statisch oder deterministisch arbeiten, bildet die Simulation stochastische Effekte, Reihenfolgen und Interdependenzen dynamisch ab. Dadurch lassen sich operative Fragestellungen wie Auftragsfreigabe, Puffersteuerung und Reihenfolgeplanung unter realistischen Randbedingungen untersuchen und mit alternativen Vorgehensweisen vergleichen.

Zusammenfassung:

• Die Materialflusssimulation ist eine bedeutende Methode zur Visualisierung und Optimierung der Abläufe in der Produktion und Logistik, insbesondere bei der Gestaltung von Verpackungsprozessen aus Wellpappe.
• Mit einem Simulationstool können komplexe Prozesse der Materialströme in Echtzeit simuliert und analysiert werden, dadurch ermöglicht es Unternehmen, mögliche Verzögerungen und Kosten bei der Wellpapp-Verpackungsherstellung zu reduzieren.
• Letztendlich hilft die Materialflusssimulation dabei, flexible und effiziente Verpackungslösungen aus Wellpappe zu entwickeln und diese in der Supply Chain zu integrieren, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.
• Entscheidungen zu Layout, Steuerung und Kapazität lassen sich belastbar vergleichen; Engpässe und Puffergrößen werden transparent.
• Datenqualität und angemessene Detailtiefe sind für valide Ergebnisse entscheidend; Validierung und Sensitivitätsanalysen sichern die Aussagekraft.
• Der Nutzen zeigt sich besonders bei komplexen Prozessketten, hoher Variantenvielfalt und dynamischen Nachfragesituationen.
• Die Einbindung von Qualitäts-, Logistik- und Personaldaten steigert die Realitätsnähe der Modelle und verbessert die Übertragbarkeit auf den Alltag.