Produktionssysteme

Konstruktionsbegleitende Kostenkalkulation

Dr. Thomas Straßmann Universität Duisburg-Essen Institut für Produkt Engineering

Rund 70 Prozent der beeinflussbaren Produkt- und Herstellkosten werden schon bei der Konstruktion festgelegt. Deshalb ist es sinnvoll, dem Konstrukteur entsprechende Werkzeuge und Methoden zur Kosten- analyse zur Verfügung zu stellen. Neue Software-Lösungen und Verfahren versetzen den Konstrukteur in die Lage, direkt Informationen darüber zu erhalten, welche Kosten durch die Konstruktion verursacht werden, wo die Kosten entstehen und wie sie reduziert werden können.

Der Kernprozess innerhalb des Maschinenbaus ist die Produktentwicklung. Hier werden die Produkteigenschaften und -merkmale definiert und konstruiert, die das Produkt auszeichnen und somit zum Erfolg des Unternehmens führen. Während der Konstruktionsphase werden rund 70 Prozent der beeinflussbaren Produkt- und Herstellkosten festgelegt (Bild 1). Deshalb ist ein Großteil der Kostenverantwortung in der Konstruktion verankert. Damit diese Kostenbetrachtungen auch in der Designphase Berücksichtigung finden, benötigen Konstrukteure Methoden und Werkzeuge zur – gegebenenfalls auch nur überschlägigen – Kosteninformation. Hierzu müssen die Entwickler wissen, wie und welche Kosten im betrieblichen Ablauf der anderen Unternehmensbereiche entstehen, zum Beispiel im Einkauf oder bei der Fertigung und Montage.

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Die ersten Entscheidungen beim Konzipieren bieten die größten Chancen zur Kostenbeeinflussung. Leider ist zu diesem Zeitpunkt die Möglichkeit der Kostenbeurteilung am geringsten, da nur grobe – zumeist funktional fokussierte – Entwürfe vorhanden sind. Meist bleibt in der Phase des Konzipierens nur die Möglichkeit, die einzelnen alternativen Konzepte mit entsprechend großem Aufwand so lange auszudetaillieren, bis sich die Kosten berechnen lassen. Alternativ kann trotz Unsicherheit frühzeitig eine Entscheidung für ein Konzept fallen, das dem Konstrukteur am kostengünstigsten erscheint. Hier verlässt sich der Konstrukteur jedoch auf sein Gefühl beziehungsweise seine Erfahrungen. Messbare Kriterien und objektive Entscheidungshilfen fehlen zumeist.

Daher sind für eine reproduzierbare und objektive Kostenprognose schon frühzeitig Mechanismen bereit zu stellen, die dem Konstrukteur im angemessenen Rahmen Hilfestellungen geben. Diese unter dem Begriff »konstruktionsbegleitende Kalkulation« zusammengefassten Methoden sind in den meisten Unternehmen noch nicht durchgängig etabliert. Dies hat vielschichtige Gründe. Eines der häufigsten Hemmnisse ist die fehlende Transparenz der eigentlichen Kostenermittlung. Durch Organisationsstrukturen gegebene Informationsbarrieren zwischen den einzelnen Abteilungen eines Unternehmens verhindern, dass Kosteninformationen durchgängig nutzbar sind.

Die weit verbreitete und traditionelle Meinung: »Kosten sind Sache der Kaufleute und Technik ist das alleinige Thema der Ingenieure« ist nicht nur falsch, sondern auch unternehmensschädlich! Kosteninformationen werden häufig als Verschlusssachen gehandhabt und sind daher nicht offen zugänglich. Hierzu gehören auch die »Kennzahlen« für die unterschiedlichen Materialien und Fertigungsverfahren. Diese Daten sind zumeist im den kaufmännischen Systemen des Unternehmens hinterlegt und den Kalkulatoren und dem Controlling verfügbar. Was fehlt, ist die die Verbindung zur Entwicklung und die Möglichkeit, diese Informationen in einfacher Form im Konstruktionsprozess verfügbar zu haben.

Der kalkulierte Verkaufspreis eines Produktes hängt von vielen Faktoren ab. Nach einer vom VDMA veröffentlichten Erhebung auf der Basis der differenzierten Zuschlagskalkulation wird davon ausgegangen, dass sich rund zwei Drittel der Selbstkosten auf die Herstellkosten verteilen. Diese teilen sich wiederum primär in die Material- und Fertigungskosten auf, deren Anteile je nach Produkt fast gleichgewichtet sind (Bild 2). Durch eine geeignete Materialwahl und Festlegung des Fertigungsverfahrens hat der Konstrukteur einen maßgeblichen Einfluss auf die Produktkosten. Somit sind Kenntnisse über die anfallenden Kosten im Verbund mit der geplanten Losgröße wichtige Informationen für den Konstrukteur. Jeder Konstrukteur kennt die Tatsache, dass durch eine geschickte Wahl des Materials bestimmte Produkteigenschaften festgelegt werden. Zusätzlich ist hier auch eine massive Kostenbeeinflussung gegeben. Sind die mit der Materialwahl verbundenen Kostenkennwerte bekannt, so kann der Konstrukteur schon in einer frühen Phase der Entwicklung unter Beachtung der konstruktiven Anforderungen festlegen, welches kostengünstige Material zum Einsatz kommen soll.

Mit der Festlegung des Materials ist in Abhängigkeit von den Stückzahlen für eine Kostenanalyse auch das Fertigungsverfahren zu beachten. Hohe Losgrößen erlauben es, die – einmalig anfallenden – Sonderkosten auf eine große Anzahl zu verteilen und somit den Einzelkostenblock zu reduzieren. Beachtet werden muss ebenfalls die Tatsache, dass wachsende Routine bei der Herstellung zusätzlich die Fertigungsgeschwindigkeit und Produktqualität steigert. Beispielsweise haben Untersuchungen des VDMA gezeigt, dass eine Verdopplung der Stückzahl eine 15 bis 30 prozentige Kostenreduktion ermöglicht. Die Wahl des Fertigungsverfahrens ist hierbei nicht nur in Abhängigkeit vom Material und der Stückzahl zu sehen. Auch die Teilegröße hat einen entscheidenden Einfluss auf die Auswahl. So wird bei Kleinteilen der Rüstzeitanteil im Vergleich zu den Materialkosten überwiegen. Demgegenüber haben Großteile eine andere Kostenstruktur. Da das Volumen mit der dritten Potenz der Abmessungen wächst, sind hier unter Umständen ganz andere Zusatzkosten wie zum Beispiel die Oberflächenbehandlungskosten als Kostentreiber zu identifizieren. Zusätzlich sind weitere Aspekte der Kostenkontrolle nicht zu vernachlässigen. Da eine Konstruktionsmaxime die Wirtschaftlichkeit ist, sollten teure Sonderwünsche vermieden werden. Aus Konstruktionssicht ist der Einsatz von Standardteilen anzustreben und darauf zu achten, dass die Teilevielzahl so gering wie möglich gehalten wird. Ebenso muss schon frühzeitig die Frage »make or buy« geklärt werden, die Antworten darauf gibt, in welcher Form die Teilebereitstellung kostengerecht erfolgen kann. Auch hier helfen Teile- und Kosteninformationssysteme bei der Entscheidungsfindung (Bild 3).

Diese konstruktions- und unternehmensspezifischen Randwerte finden jedoch zu wenig Beachtung. In vielen Fällen werden in der Konstruktion die Fertigungsverfahren aus der Kostensicht ebenso wenig betrachtet wie die zusätzlichen Kostenblöcke »Rüstzeiten« und »Maschinenstundensätze«. Erst durch die Verfügbarkeit dieser Informationen in einem schon frühen Stadium der Entwicklung können wertsteigernde Optimierungsstrategien entworfen und getestet werden. Jedoch ist hierbei darauf zu achten, dass aus den Konstrukteuren keine Kalkulatoren werden. Deshalb müssen die Kennwerte aufbereitet und in einfacher Form im der Entwicklungsumgebung verfügbar sein. Der Lösungsvorschlag, dass sich die Konstrukteure direkt aus den kaufmännischen Systemen die benötigten Informationen beschaffen, ist somit nicht nur unpraktikabel, sondern behindert den eigentlichen Konstruktionsprozess.

Anderseits zeigen die Kostenbetrachtungen, dass es ratsam ist, die Festlegung der Eigenschaften eines Produktes und auch die Betrachtung der damit verbundenen Kosten durch die Konstruktion vorzunehmen. Hierbei ist die »Verhältnismäßigkeit der Mittel« zu beachten. Eine einfache Methode bieten Kurzkalkulationsverfahren, bei denen über Analogien und Ähnlichkeitsbeziehungen allgemeine Kostenaussagen getroffen werden können. Sind entsprechende Erfahrungen und Kennzahlen aus der Vor- und Nachkalkulation verfügbar, lässt sich durch Betrachtung der Gewichts- und Funktionsunterschiede eine erste Kostenaussage ermitteln. Zum Beispiel kennt jeder die Methode, über das Gesamtgewicht und durch Multiplikation des Materialwertes mit einer unternehmensspezifischen Kennzahl eine überschlägige Kostenaussage zu treffen. Diese Multiplikatoren besitzen eine große Unschärfe, deshalb sind andere und genauere Unterstützungen für den Konstrukteur gefordert.

Da die Beachtung der Kostenstrukturen parallel zur eigentlichen Entwicklungstätigkeit erfolgen soll, ist hierbei als eine Hauptforderung die einfache Handhabung entsprechender Informationssysteme anzusehen. Diese sollen es dem Konstrukteur ermöglichen, sich eine Übersicht darüber zu verschafft, welche Kosten am oder mit dem Produkt nach der Konstruktionstätigkeit entstehen. Nur der Rückfluss von Kenntnissen aus den der Konstruktion nachfolgenden Aktivitäten und die systematische Verwertung dieser Erfahrungen ermöglichen es, einen auch im Hinblick auf die Kosten optimalen Entwurf anzufertigen.

Für die Bereitstellung der benötigten Kosteninformationen sind die relevanten Werte aus den unterschiedlichsten Quellen aufbereitet zur Verfügung zu stellen. Im ERP-System sind neben den Materialeinkaufswerten und den Lieferanteninformationen über Kaufteile und Halbzeuge auch die Fertigungsinformationen gespeichert. Zusätzlich können zumeist Kennwerte aus Kostenanalysen von bereits gefertigten Produkten durch den Vergleich der Vor- und Nachkalkulationsergebnisse gewonnen werden. Diese Aufgabe übernimmt in den meisten Unternehmen eine prozesstechnisch nachgeschaltete Organisationseinheit.

Klassischerweise ist dies eine Aufgabe der Arbeitsvorbereitung (AV), die nach der Festlegung der Fertigungsprozesse auch eine Kalkulation durchführt. Sollten die dort ermittelten Kosten zu hoch sein, erfolgt eine Rückführung zur Entwicklung. Dann muss der Konstrukteur die Modelle ändern und sie nochmals in die Fertigungsvorbereitung und Kalkulation geben. Dieses wiederholte Überarbeiten eines Produktes ist oftmals nur in der Serienfertigung zu finden. In der Einzel- und Kleinserienfertigung erfolgt dagegen oft nicht einmal die Rückmeldung der Kosten. Der notwendige Regelkreis zwischen dem Finden von Lösungen und deren Kostenanalyse entfällt. Hierdurch werden häufig Optimierungspotenziale »verschenkt«.

Damit zeitnahe Aussagen über die Produktkosten direkt während der Produktentwicklung getroffen werden können, sind die Mechanismen zur überschlägigen Kostenermittlung unmittelbar in der Entwicklung bereitzustellen. Durch diese direkte Rückführung ist der als langer Regelkreis bekannte Prozess und somit das Antwortzeitverhalten drastisch zu verkürzen (Bild 4).

In den meisten Untenehmen erfolgt die Fertigungsplanung über Arbeitspläne. Alle Operationen der Teilerstellung, die während der Fertigung und Montage ausgeführt werden, sind hier mit den entsprechenden Maschinen, Werkzeugen und Betriebsmitteln verknüpft. Zusätzlich wird die Arbeitsdauer eines jeden Produktionsschrittes kalkuliert. Aus diesen Daten lassen sich dann durch die Multiplikation der Arbeitszeiten mit den passenden Stundensätzen für Maschinen und Lohn die Kosten berechnen. Hierbei ist diese detaillierte Kostenrechnung die typische Vorgehensweise der betrieblichen Vorkalkulation, die wiederum Teil der Arbeitsvorbereitung ist. Der Prozess durchläuft hierbei die folgenden Schritte (Bild 5):

Wahl der Fertigungsverfahren in Abhängigkeit von den Konstruktionsvorgaben,

Wahl der passenden Maschinen für jeden Fertigungsschritt,

Wahl der Fertigungsoperationen für jeden Fertigungsprozess,

Berechung der Fertigungszeiten und

Umrechnung der Zeit in Kosten.

Für jede Arbeitssequenz sind Haupt-, Neben- und Rüstzeiten zu berechnen. Die Algorithmen stützen sich hierbei auf betriebsindividuelle Kennzahlen, die in entsprechenden Kalkulations- und Arbeitsplanungssystemen verfügbar sind.

Erst nach der Berechnung der Fertigungszeiten ist eine Kostenaussage abzuleiten. Zu jedem Fertigungsverfahren sowie zu jeder Maschine existieren Kostensätze mit der jeweiligen Zuordnung zu einer Kostenstelle. Über Formeln, Regeln und Tabellen werden diese Kostensätze mit den errechneten Fertigungszeiten kombiniert und dazu herangezogen, den Fertigungskostenblock zu definieren. Zusätzlich sind als weiterer Kostenblock die Materialkosten eines Teiles aus den dem Unternehmen bekannten Kennwerten zu bestimmen.

Diese Vorgehensweise ist auch bei der konstruktionsbegleitenden Kalkulation zu nutzen. Um eine quantitative Kostenrechnung anwenden zu können, sind daher ebenfalls Arbeitspläne zu erstellen. Für diese Art der – impliziten, nicht im Dialog erfolgenden – Arbeitsplanerstellung ist es sinnvoll, gegenüber der realen Arbeitsplanung einige Vereinfachungen zu treffen. Unter anderem sind die Arbeitsschrittreihenfolgen und fertigungstechnischen Restriktionen nur grob abzubilden, da im Nachgang eine produktionsgerechte Fertigungsplanung durch die AV erfolgt. Außerdem reichen Grobarbeitspläne aus, die im Sinne einer Analogiebetrachtung eine ausreichende Genauigkeit für die Kostenkalkulation bieten. Diese vereinfachte Arbeitsplanung muss aus Konstruktionssicht jedoch vollautomatisch und schnell ablaufen.

Lösungen zur konstruktionsbegleitenden Kalkulation sehen daher vor, durch zusätzliche Angaben wie Fertigungsverfahren, Werkzeug und Losgröße eine Grobarbeitsplanerstellung zu starten. Diese Eingaben werden sinnvollerweise direkt während des Konstruktionsprozesses durch den Konstrukteur im CAD-System vorgenommen. Daher müssen bestehende Applikationen durch entsprechende Module erweitert werden. Zusätzlich sind die an dieser Stelle eingegebenen Daten mit den zumeist aus der ERP-Software kommenden Kalkulationswerten zu verknüpfen, damit auf einfachste Art und Weise eine Aussage über die Kosten getroffen werden kann. Für diese Kopplungen werden zumeist PDM-Systeme genutzt. Durch eine entsprechende Erweiterung der im Einsatz befindlichen Produktdaten-Managementsysteme ist es zusätzlich möglich, die einmal getroffenen kostenbezogenen Auswahlen und Festlegungen gemeinsam mit dem Geometriemodell zu verwalten.

Die dafür benötigten Kostenkalkulationsprogramme sind als Applikationserweiterungen in den meisten Fällen nicht als Standardlösungen verfügbar. Kundenspezifische Lösungen, die systembedingt stark von den Konstruktions- und Fertigungsprozessen abhängen, werden deshalb zumeist in Dienstleistung erstellt. Da sich dies in vielen Fällen nur größere Unternehmen leisten können, sind die Hersteller heutiger Entwicklungswerkzeuge gefordert, entsprechende Module bereit zu stellen. Hiermit müssen schon während des Konstruktionsprozesses die Herstellkosten sowohl für Einzelteile als auch für Baugruppen berechenbar sein. Im Rahmen einer kostenorientierten Konstruktion können dann iterativ die Fertigungskosten reduziert werden und eine zielkostenbewusste Vorgehensweise wird unterstützt.
Zusammenfassend ist festzustellen: Um die Kosten für ein Produkt zu einem möglichst frühen Zeitpunkt transparent zu machen, benötigt der Konstrukteur ein Hilfsmittel zur Kostenfrüherkennung. Ein solches, einfach zu handhabendes Werkzeug nutzt die produkt- und firmenspezifischen Kostendaten. Das Ziel besteht darin, dem Konstrukteur während seiner Arbeit Informationen darüber zu geben, welche Kosten durch eine jeweilige Konstruktion verursacht werden, wo genau diese Kosten entstehen und wie sie zu reduzieren sind.

Durch die Anwendung der systemgestützten Kalkulation kann eine qualitative Aussage über die Herstellkosten getroffen werden. Die Berechnung der Herstellkosten muss sich hierbei reibungslos in den Prozess integrieren und direkt im Arbeitsumfeld verfügbar sein. Heutige Systeme bieten hierbei erste Ansätze zur Beurteilung der Kosten für ein einzelnes Bauteil. Aus Konstruktionssicht bietet erst die Betrachtung der Gesamtheit aller Teile einer kompletten Baugruppe zusätzliche Möglichkeiten für kostentechnische Verbesserungen und Optimierungen. Daher wird es notwendig, die konstruktionsbegleitende Kalkulation auf die Berechnung ganzer Baugruppen auszurichten, da hier oft ein enormes Potenzial für Kostenreduzierungen vorhanden ist. -fr-


Literatur:
VDI2235 – Wirtschaftliche Entscheidungen beim Konstruieren, Methoden und Hilfen; Beuth-Verlag.

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