Forschungsaktivitäten im Gebiet der Fabrikplanung

Ausgangssituation und Problemstellung

Das produzierende Gewerbe bildet ein zentrales Fundament des industriellen Wirtschaftssektors der deutschen Volkswirtschaft und trägt maßgeblich zu Wirtschaftswachstum und Beschäftigung bei [1, 2, 3, 4]. Unternehmen stehen seit jeher im Spannungsfeld zwischen ökonomischen Zielsetzungen und wechselnden Anforderungen aus Markt, Gesellschaft und Technologie [5, 6, 7, 8]. Ursachen dieser Anforderungen können eine zunehmende Marktdynamik, steigender Kostendruck, verkürzte Produkt- und Technologiezyklen, globale Megatrends wie die Digitalisierung, Nachhaltigkeit in ökonomischer, ökologischer und sozialer Hinsicht, demografischer Wandel oder der Fachkräftemangel sein [3, 5, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]. Globale Ereignisse der jüngeren Vergangenheit (z. B. die COVID-19-Pandemie, Unterbrechungen internationaler Lieferketten infolge geopolitischer Spannungen oder logistische Engpässe) verdeutlichen die Notwendigkeit strategischer Initiativen, um den Herausforderungen einer zunehmend digitalisierten, volatilen und vernetzten Produktionslandschaft zu begegnen [17, 18, 19]. In diesem Kontext kommt der Fabrikplanung eine zentrale Rolle zu [9]: Sie schafft die Grundlage für sämtliche zukünftige Produktionsaktivitäten. Als kontinuierlicher Prozess ist sie darauf ausgerichtet, Unternehmensstrategien operativ umzusetzen, indem Strukturen und Systeme produzierender Unternehmen fortlaufend an das wandelnde Unternehmensumfeld angepasst werden [5, 6, 8, 9, 14, 20]. Ziel ist es, Fabriken zu gestalten, die zukünftige Veränderungen des Marktumfelds stets wirtschaftlich bewältigen können [5, 6, 8]. Die beschriebenen Herausforderungen erhöhen die Anforderungen jedoch erheblich und führen zu einer wachsenden Komplexität der Planungsaufgaben [5, 6, 8]. Besonders Unternehmen, die mit begrenzten Ressourcen agieren, stehen vor der Herausforderung, effiziente, zuverlässige und zugleich kostengünstige Prozessabläufe zu gestalten und dabei eine steigende Variantenvielfalt, kurzzyklischere Einführung neuer Produkte sowie volatile Nachfragestrukturen zu bewältigen [3, 8, 10, 21].

Vor diesem Hintergrund gewinnt die Forschung im Bereich der industriellen Produktion und insbesondere der Fabrikplanung zunehmend an Bedeutung. Die genannten Herausforderungen werden adressiert, indem innovative, methodische und anwendungsorientierte Ansätze entwickelt werden. Ziel der Forschung auf dem Gebiet der Fabrikplanung ist es, Unternehmen durch wissenschaftlich fundierte Konzepte, Werkzeuge und Rahmenwerke zu unterstützen, die über fragmentierte Einzelbetrachtungen hinausgehen und eine ganzheitliche Bewältigung der Komplexität ermöglichen. Von besonderer Bedeutung ist dabei die enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft, um praxisnahe Lösungen zu entwickeln, die Unternehmen bei der effizienten Nutzung ihrer begrenzten Ressourcen unterstützen.

Trotz intensiver Forschungsaktivitäten und einer Vielzahl existierender Ansätze mangelt es in der Literatur bislang an einer systematischen, literaturbasierten Identifizierung und Analyse der dominierenden Forschungsaktivitäten und Themenfelder der jüngeren Vergangenheit. Eine solche Übersicht ist von großem wissenschaftlichem und praktischem Wert, um bestehende Lücken zu erkennen und zukünftige Forschungsinitiativen gezielt auszurichten. Ziel dieses Beitrags ist es daher, auf Basis einer systematischen Analyse der aktuellen wissenschaftlichen Literatur im Bereich der Fabrikplanung der letzten fünf Jahre einen umfassenden Überblick über die zentralen Forschungsaktivitäten und -themen zu geben.

Das Gebiet der Fabrikplanung ist von einer hohen Veränderungsdynamik geprägt. Planungsziele, Methoden und Forschungsschwerpunkte verändern sich kontinuierlich. Die Beschränkung des Untersuchungszeitraums auf die letzten fünf Jahre gewährleistet eine aktuelle Analyse des dynamischen Forschungsfeldes, da ältere Forschungsaktivitäten aufgrund des schnellen Wandels nur noch eingeschränkt relevant und übertragbar sind. Im Fokus stehen die Identifikation dominanter Themenfelder und deren Relevanz im aktuellen Forschungsdiskurs. Abschließend werden Implikationen für die Praxis abgeleitet.

Zielsetzung

Wie in der Einleitung dargelegt, besteht ein weitgehend einheitliches Verständnis hinsichtlich der Problemstellungen produzierender Unternehmen sowie der daraus resultierenden Herausforderungen für die Fabrikplanung. Die Auffassungen verschiedener Autoren, u. a. von Bauernhansl, Bracht, Burggräf, Grundig, Lanza, Nyhuis, Pawellek, Schuh, Westkämper, Wiendahl und Zäh zeigen hierbei eine hohe Übereinstimmung. Dennoch unterscheiden sich die Lösungsansätze deutlich in ihrer Schwerpunktsetzung, was in divergierenden forschungsleitenden Fragestellungen und Zielsetzungen resultiert. Das Ziel dieses Beitrags besteht darin, auf Basis einer systematischen Analyse der wissenschaftlichen Literatur im Bereich der Fabrikplanung der letzten fünf Jahre einen umfassenden Überblick über die zentralen Forschungsaktivitäten und -themen zu geben. Im Mittelpunkt steht die Identifikation dominanter Themenfelder. Darüber hinaus werden Implikationen für die Praxis abgeleitet. Ziel ist es, durch eine strukturierte Darstellung bestehender Forschungsaktivitäten bestehende Lücken zu erkennen und gezielt Ansatzpunkte für zukünftige Forschungsinitiativen aufzuzeigen. Damit leistet der Beitrag einen wissenschaftlichen und praktischen Mehrwert, indem er Unternehmen und Forschenden systematisch den Status quo sowie Entwicklungsperspektiven im Forschungsgebiet der Fabrikplanung bietet.

Methodik

Zur systematischen Analyse der wissenschaftlichen Forschungsaktivitäten in der Fabrikplanung wurde ein mehrstufiges Vorgehen gewählt. Ziel ist es, eine belastbare Analyse der thematischen Schwerpunkte der vergangenen fünf Jahre zu erhalten. Die Methodik gliedert sich in drei aufeinander aufbauende Schritte:

1. Datenbeschaffung

   Auswahl einer relevanten Datenbank und Definition eines geeigneten Suchstrings zur systematischen Identifikation von wissenschaftlichen Publikationen der letzten fünf Jahre im Themenfeld der Fabrikplanung.

2. Datenbereinigung

   Eliminierung von Dubletten und Sicherstellung der Datenqualität als Grundlage für eine valide und konsistente Analyse.

3. Datenauswertung und -interpretation

   Kategorisierung und bibliometrische Analyse der bereinigten Daten zur Identifikation zentraler Themenfelder und Forschungsschwerpunkte sowie eine Visualisierung und inhaltliche Interpretation der Analyseergebnisse zur Ableitung wissenschaftlich relevanter Erkenntnisse.

Analyse der Forschungsaktivitäten der letzten fünf Jahre

Zur systematischen Analyse der wissenschaftlichen Forschungsaktivitäten im Bereich der Fabrikplanung wurde ein mehrstufiges Vorgehen gewählt. Dieses gliedert sich in die Schritte Datenbeschaffung, Datenbereinigung sowie Datenauswertung und -interpretation, um eine belastbare Identifikation thematischer Schwerpunkte der vergangenen fünf Jahre (2020–2024) zu ermöglichen.

Datenauswertung und -interpretation

Im nächsten Schritt wurden die Top 500 Keywords einer hierarchischen Kategorisierung unterzogen. In der ersten Ebene erfolgte die Zuordnung zu übergeordneten Themenfeldern, wie beispielsweise „industry 4.0“ oder „digitalization“. In den nachfolgenden Ebenen wurden diese Hauptthemen weiter differenziert und in spezifische Subthemen untergliedert. So konnte etwa das Themenfeld „industry 4.0“ auf der nächsten Ebene in Bereiche wie „AI“ oder „automatization“ weiter aufgeschlüsselt werden. Die mehrstufige Kategorisierung ermöglicht eine differenzierte Analyse der Forschungslandschaft (vgl. Bild 1). Auf der ersten Ebene werden die Hauptthemen identifiziert. Die zweite Ebene dient der weiteren Differenzierung nach relevanten Subthemen für eine feingranulare Analyse spezifischer Forschungsaspekte. Dieses Vorgehen erlaubt es, sowohl übergeordnete Trends als auch detaillierte Forschungsschwerpunkte sichtbar zu machen. Das Ergebnis dieses mehrstufigen Kategorisierungsprozesses ist eine Liste der 500 am häufigsten genannten Keywords inkl. Kategorien 1. und 2. Ebene. Ein Auszug aus dieser Liste ist in Bild 1 dargestellt.

Bild 1

Auszug der Top 500 Keywords inkl. Kategorisierung und Häufigkeit

Insgesamt konnten in der ersten Kategorie vier dominierende Forschungsthemen identifiziert werden: „digitalization“, „factory“, „transformability“ und „sustainability“. Ergänzend die fünfte Kategorie „others“ eingeführt, um die Themenbereiche abzudecken, die sich keinem der vier Hauptthemen eindeutig zuordnen lassen (Bild 2).

Bild 2

Sunburst-Diagramm über alle Keywords

Digitalization

Die Auswertung der Publikationen zeigt, dass Digitalisierung eines der zentralen Forschungsthemen in den letzten fünf Jahren der Fabrikplanung war. Dabei standen insbesondere Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen im Fokus. Begriffe wie „artificial intelligence“, „machine learning“, „deep learning“ und „reinforcement learning“ werden häufig genannt. Sie verdeutlichen, dass Methoden der KI mittlerweile ein integraler Bestandteil der Fabrikplanung sind und insbesondere zur Optimierung und Automatisierung von Prozessen eingesetzt werden. Die hohe Nennung von „digital twin“ zeigt, dass virtuelle Abbilder realer Fabriken in der Forschung eine hohe Bedeutung haben, etwa für Simulation, Überwachung und Optimierung von Produktionssystemen. „Industry 4.0“ ist das am häufigsten genannte Einzel-Keyword. Auch „internet of things“, „smart factory“ und „intelligent manufacturing“ sind zentrale Begriffe. Diese verdeutlichen, die hohe Relevanz des Themengebiets Industrie 4.0, IoT und smarte Systeme und unterstreichen die Relevanz cyber-physischer Systeme und vernetzter, intelligenter Produktionsumgebungen. Die Themenfelder Automatisierung, Robotik und Simulation sind durch Keywords wie „robotics“, „automated guided vehicle“, „human-robot collaboration“ und weitere identifizierte Schwerpunkte. Die Forschung adressiert autonome Systeme, Mensch-Roboter-Kollaboration und Simulationsmethoden. Datenbasierte und neue Technologien werden durch Begriffe wie „big data“, „data analytics“, „cloud computing“, „blockchain“, „augmented reality“ und „virtual reality“ vertreten und zeigen, dass datengetriebene und immersive Technologien zunehmend in die Fabrikplanung integriert werden (vgl. Bild 3).

Bild 3

Sunburst-Diagramm – Digitalization

Fazit: Die Digitalisierung der Fabrikplanung wird von KI, digitalen Abbildern, Industrie-4.0-Konzepten, Automatisierung und datengetriebenen Technologien geprägt. Diese Schwerpunkte spiegeln die Trends wider und verdeutlichen, dass ohne digitale Ansätze moderne Fabrikplanung kaum mehr handhabbar ist.

Factory

Die Analyse zeigt, dass klassische Themen der Fabrikplanung eine zentrale Rolle in der Forschung spielen. Besonders häufig genannt werden Begriffe wie „factory planning“, „layout planning“, „facility layout“, „plant layout“ und „factory operation“. Dies verdeutlicht, dass die Gestaltung und Optimierung von Fabriklayouts, Materialflüssen und Produktionsprozessen nach wie vor im Fokus der Forschung stehen. Weitere Schwerpunkte sind „assembly planning“, „logistics planning“, „capacity planning“ sowie Methoden zur systematischen Planung und Revitalisierung von Fabriken. Die hohe Nennung von „factory planning“ und verwandten Begriffen unterstreicht die Bedeutung einer strukturierten, ganzheitlichen Planung für Effizienz, Flexibilität und Zukunftsfähigkeit industrieller Produktionsstätten (vgl. Bild 4).

Bild 4

Sunburst-Diagramm – Factory

Fazit: Die klassische Fabrikplanung bleibt ein zentrales Forschungsfeld, wobei die Optimierung von Layouts, Materialflüssen und Planungsprozessen im Vordergrund steht. Die Forschung adressiert sowohl neue als auch bestehende Fabriken und legt dabei Wert auf Effizienz, Anpassungsfähigkeit und nachhaltige Nutzung von Ressourcen.

Sustainability

Im Themenfeld Nachhaltigkeit stehen „energy“, „carbon emissions“, „circularity“, „climate change“ und „sustainable production“ im Mittelpunkt. Besonders häufig werden Begriffe wie „energy efficiency“, „renewable energy“, „pollution“, „green factory“ und „sustainable supply chain“ genannt. Die Forschung legt einen starken Fokus auf Maßnahmen zur Reduktion von Energieverbrauch und Emissionen, die Nutzung erneuerbarer Energien sowie auf Kreislaufwirtschaftskonzepte. Auch Themen wie „urban regeneration“ und „social sustainability“ werden adressiert, was die ganzheitliche Betrachtung ökologischer, ökonomischer und sozialer Aspekte unterstreicht (vgl. Bild 5).

Bild 5

Sunburst-Diagramm – Sustainability

Fazit: Nachhaltigkeit ist ein zentrales Querschnittsthema der Fabrikplanung. Die Integration ökologischer und sozialer Ziele in die Fabrikplanung gewinnt weiter an Bedeutung.

Transformability

Das Themenfeld Veränderungsfähigkeit adressiert die Fähigkeit, flexibel und schnell auf Veränderungen zu reagieren. Häufig genannte Begriffe sind „flexibility“, „changeability“, „resilience“, „uncertainty“ und „adaptability“. Die Forschung fokussiert sich auf Methoden und Konzepte, die eine schnelle Anpassung an neue Marktanforderungen, Technologien oder Störungen ermöglichen. Schwerpunkte sind unter anderem die Planung wandlungsfähiger Layouts und modulare Fabrikstrukturen (vgl. Bild 6).

Bild 6

Sunburst-Diagramm – Transformability

Fazit: Veränderungsfähigkeit wird zunehmend als Schlüsselkompetenz für zukunftsfähige Fabriken erkannt. Die Forschung legt Wert auf Flexibilität, Anpassungsfähigkeit und Resilienz, um Fabriken auf unsichere und dynamische Rahmenbedingungen vorzubereiten.

Other

Das Themenfeld „Other“ umfasst eine breite Vielfalt an Forschungsaspekten, die sich nicht eindeutig den Hauptthemenfeldern zuordnen lassen. Hierzu zählen u. a. „decision making“, „human factors“, „production management“, „quality“, „supply chain“, „risk management“, „urbanization“ und „innovation“. Besonders häufig erscheinen Begriffe wie „production management“, „supply chain“, „strategy“ und „quality management“. Dies zeigt, dass strategische Planung, regulatorische Aspekte und urbane Einflüsse sowie weitere Rand- und Querschnittsthemen im Zusammenhang mit der Fabrikplanung erforscht werden. Die Fabrikplanung steht in enger Wechselwirkung mit zahlreichen anderen Planungsdisziplinen, etwa der Produkt- oder Raumplanung. Integrative Ansätze sind daher unerlässlich, da Entscheidungen im Bereich der Fabrikplanung weitreichende Auswirkungen auf andere Bereiche haben. Zudem ist es notwendig, die verschiedenen Planungen zu synchronisieren, um im Wettbewerb bestehen zu können, insbesondere angesichts immer kürzerer „Time-to-Market“-Anforderungen. Die Vielfalt der Themen und angrenzenden Fachdisziplinen spiegelt die Komplexität moderner Fabrikplanung wider und verdeutlicht die Notwendigkeit der Entwicklung interdisziplinärer Planungsansätze (Bild 7).

Bild 7

Sunburst-Diagramm – Other

Fazit: Das Cluster „Other“ verdeutlicht die Breite des Forschungsfelds Fabrikplanung.

Weitere Erkenntnisse aus dem Datensatz

Aus dem Datensatz lassen sich weitere Erkenntnisse ableiten. Die Forschungsaktivitäten im Bereich der Fabrikplanung haben im Untersuchungszeitraum deutlich zugenommen. Während im Jahr 2020 noch 401 Publikationen verzeichnet wurden, stieg die Zahl im Jahr 2024 auf 457. Zu den am häufigsten publizierenden Autoren zählen Nyhuis, Burggräf, Adlon, Herrmann und Erlach. Die Forschungslandschaft wird von Publikationen aus Deutschland dominiert, gefolgt von China und den Vereinigten Staaten. Bezüglich der Publikationsarten entfallen etwa 48 Prozent auf Fachartikel und 42 Prozent auf Konferenzbeiträge. Zu den führenden Förderinstitutionen zählen die National Natural Science Foundation of China sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

Implikationen für die Praxis

Die vorliegende Analyse der Forschungsaktivitäten im Bereich der Fabrikplanung der letzten fünf Jahre verdeutlicht, dass die Praxis vor erheblichen Herausforderungen steht, die durch Digitalisierung, Nachhaltigkeit, Veränderungsfähigkeit und zunehmende Komplexität geprägt sind. Für Unternehmen ergeben sich daraus mehrere zentrale Implikationen:

1. Digitale Transformation als Grundvoraussetzung

   Die Integration digitaler Technologien wie KI, dem Digitalen Zwilling, Internet of Things und datengetriebene Methoden ist heute essenziell, um Fabrikplanungsprozesse effizient, flexibel und zukunftsfähig zu gestalten. Unternehmen sollten gezielt in digitale Kompetenzen investieren und entsprechende Technologien in ihre Planungsprozesse integrieren, um von Automatisierung, Simulation und datenbasierter Entscheidungsfindung zu profitieren.

2. Ganzheitliche Nachhaltigkeitsstrategien Die Forschung zeigt, dass ökologische und soziale Nachhaltigkeit in der Fabrikplanung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Unternehmen sind gefordert, Energieeffizienz, Emissionsreduktion und Kreislaufwirtschaftskonzepte aktiv in ihre Planungs- und Umsetzungsprozesse einzubinden, um sowohl regulatorischen Anforderungen als auch gesellschaftlichen Erwartungen gerecht zu werden.

3. V eränderungsfähigkeit

   Flexibilität, Wandlungsfähigkeit und Resilienz sind Schlüsselfaktoren für die Bewältigung volatiler Märkte und unsicherer Rahmenbedingungen. Unternehmen sollten modulare Fabrikstrukturen, flexible Layouts und adaptive Organisationsformen fördern, um schnell auf neue Anforderungen reagieren zu können.

4. Frühzeitige Identifikation und Adressierung von Trends

   Die Ergebnisse unterstreichen, dass Unternehmen proaktiv Trends erkennen und entsprechende Innovations- und Forschungsprojekte initiieren sollten, um langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben. Förderer und Multiplikatoren spielen hierbei eine zentrale Rolle, indem sie den Wissenstransfer und die Umsetzung neuer Erkenntnisse in die Praxis unterstützen.

Um Fabrikplanung auch in Zukunft als effizienzsteigerndes Instrument zu nutzen, sind kontinuierliche und richtungsweisende Forschungsaktivitäten notwendig. Dabei ist das aktive Mitwirken von Unternehmen unerlässlich. Nur wenn Bedarfe und Herausforderungen frühzeitig identifiziert und in wissenschaftliche Fragestellungen überführt werden, können praxisnahe und zukunftsfähige Lösungen entstehen. Forschungskooperationen und Verbundprojekte bieten Unternehmen die Möglichkeit, sich gezielt an wissenschaftlichen Aktivitäten zu beteiligen und eigene Herausforderungen in den Forschungsfokus zu rücken. Durch eine stärkere Verzahnung von Praxis und Wissenschaft können Unternehmen nicht nur ihre eigenen Problemstellungen adressieren, sondern auch die Zukunft der Fabrikplanung aktiv mitgestalten und ihre Wettbewerbsfähigkeit langfristig sichern.

Limitationen und Fazit

Trotz der systematischen Herangehensweise weist der vorliegende Beitrag einige Limitationen auf, die bei der Interpretation der Ergebnisse zu berücksichtigen sind. Im Rahmen der Datenbereinigung wurden mehr als 1.500 Keywords ausgeschlossen, um die Analyse auf die dominierenden Themenfelder zu fokussieren. Dadurch besteht das Risiko, dass Nischenthemen oder innovative Einzelaspekte unterrepräsentiert sind, was die Breite des Forschungsfelds nur eingeschränkt abbildet aber unterstreicht, dass das Themengebiet der Fabrikplanung breit aufgestellt ist und im Zusammenhang mit vielen Querschnittsthemen erforscht wird. Die inhaltliche Zuordnung der Keywords erfolgte mithilfe von maschinellen Lernverfahren (Sentence Embeddings) und einem Schwellenwert (0,8) für die Ähnlichkeitsbewertung. Trotz manueller Validierung können dabei semantisch ähnliche Begriffe falsch gruppiert oder nicht berücksichtigt worden sein. Die Untersuchung beschränkt sich zudem auf Publikationen der Jahre 2020 bis 2024. Entwicklungen, die sich erst kürzlich abzeichnen oder außerhalb dieses Zeitraums liegen, werden nicht erfasst. Es ist außerdem wichtig zu betonen, dass die reine Anzahl an Keywords nicht die Bedeutung eines Themas widerspiegelt. Auch Themen, die bislang weniger häufig behandelt wurden, können von großer Relevanz sein und auf bestehende Forschungslücken hinweisen.

Die systematische Analyse der wissenschaftlichen Aktivitäten im Bereich der Fabrikplanung der letzten fünf Jahre zeigt, dass Digitalisierung, Nachhaltigkeit, Veränderungsfähigkeit und Fabriksysteme sowie Interdisziplinarität die dominierenden Themen sind. Für die Praxis bedeutet dies, dass Unternehmen gezielt in digitale Technologien, nachhaltige Prozesse und adaptive Strukturen investieren sollten, um den Herausforderungen produzierender Unternehmen zu begegnen. Die enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie ist dabei ein zentraler Erfolgsfaktor, um praxisnahe und zukunftsfähige Lösungen zu entwickeln. Trotz methodischer Limitationen liefert dieser Beitrag eine wertvolle Orientierung für die Ausrichtung zukünftiger Forschungsaktivitäten und unterstreicht die Bedeutung kontinuierlicher, kooperativer und richtungsweisender Forschung im Bereich der Fabrikplanung.