Produktionssysteme

Kundenindividuell geht auch wirtschaftlich

Henning Bitter, Gehrden

Warum dauert die auftragsspezifische Individualisierung von Produkten eigentlich so lange und wie können der Vertriebs- und Konstruktionsprozess durch Produktkonfiguration und CAD-Automation massiv beschleunigt werden? Diese Frage stellen sich viele produzierende Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbau, die kundenindividuelle Produkte konstruieren und in Losgröße 1 oder in Serie fertigen und/oder montieren. Dieser Artikel gibt nicht nur hierauf eine Antwort, sondern beschreibt auch den Mehrwert einer möglichen Lösung.

Viele Unternehmen haben ihre Produktion hoch automatisiert. Es stehen modernste Maschinen und Anlagen zur Verfügung. Alles ist vernetzt. Aber wann wurde das letzte Mal in die Entwicklung und Konstruktion investiert? Vor einigen Jahren wurde zwar 3D-CAD eingeführt und viele Manager glauben deshalb, dass auch die Konstruktion stark automatisiert ist – doch dies ist nur ein Teilaspekt.

In der Konstruktion werden zunächst alle Komponenten im 3D modelliert um sie dann wieder auf einer Zeichnung quasi »platt zu klopfen« – wenn man keine 3D-Prozesskette hat. Und das ist bei der Mehrzahl der Unternehmen der Fall. Der Konstrukteur kann heute recht zügig individuelle Produkte modellieren, das ist die Kür und das macht ihm auch viel Spaß. Je mehr neu gemacht wird, desto kreativer kann er sein. Die Probleme beginnen, sobald er etwas suchen muss, das so ähnlich ist, um es als Kopiervorlage zu verwenden. Kann er in dieser Situation auf ein (gepflegtes) Klassensystem zugreifen, wird er wahrscheinlich auch etwas finden. Klassischerweise checkt er dazu die Daten anschließend aus einem PLM/PDM-System aus und passt sie dann an die aktuelle Kundenspezifikation an. Dafür muss er anschließend die notwendigen, neuen Zeichnungen ableiten. Das wird dann schon mal als lästige Pflicht empfunden. Im nächsten Schritt benötigen alle Objekte, die sich verändert haben oder die neu sind, eine neue Nummer. Bei Produkten mit vielen Komponenten ist das mit sehr viel Arbeit verbunden – so richtig nach Automation klingt das noch nicht.

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Der Vertrieb hat in vielen Unternehmen die Möglichkeit, elegant Angebote zur erzeugen und mit CRM-Systemen zu verwalten. Meist hat er auch – mehr oder weniger aktuelle – Papier-Kataloge dabei, die das Produktspektrum und die potentiellen Möglichkeiten darstellen. Erstaunlicherweise wird bei vielen Unternehmen dann nicht aus diesem Katalog bestellt (deren Produkte und Baureihen ja von der Konstruktion bereits aufwändig vorgedacht wurden), sondern die Kunden verlangen darüber hinaus gehende Merkmale. Verfügt das Unternehmen im Internet über ein Portal zum Download von CAD-Daten, hat der Kunde sich vielleicht schon selbst etwas zusammengebaut, mit dem er den Vertrieb konfrontiert. Da diese Teile aber ohne jede Vorschrift zur Verwendung bereitgestellt werden, kann er sich hier auch (aus Sicht des Anbieters) unsinnige Produkte zusammenbauen.

Minimal verfügt der Vertrieb über Spezifikationsblätter (auch im Internet) mit denen sich der Kundenwunsch erfassen lässt. Er ist aber immer auf die Hilfe der Konstruktion angewiesen, die ihm die individuellen Daten begleitend zum Angebot generiert.

Der Produktbeschreibungsgrad individueller Produkte ist in frühen Projektphasen eher gering. Unternehmen trauen sich aber, wenn noch weniger als 50 Prozent aller Fakten bekannt sind, eine Auftragsbestätigung zu schreiben. Schließlich hat man etwas ähnliches schon oft gemacht, das Personal hat die Erfahrung, die Prozesse sind organisiert, Methoden, Werkzeuge und Maschinen sind vorhanden. Die Konstruktion wird die restlichen 50 Prozent schon bereitstellen. Und tatsächlich – so funktioniert es auch. Nur, es dauert alles sehr lange und die Qualität der generierten Daten und Dokumente schwankt erheblich.

In diesem Zusammenhang ist manchmal zu beobachten, dass bei gleicher Aufgabenstellung doch recht unterschiedliche Lösungswege von den verschiedenen Konstrukteuren beschritten werden. Muss jetzt ein anderer Konstrukteur daran etwas verändern oder darauf aufbauen, tut er sich schwer. Die meisten Baugruppen und Komponenten werden dadurch immer weiter verunstaltet und reagieren immer unkontrollierbarer auf robuste Änderungen.

Fakt ist, die Konstrukteure sind heute die Prügelknaben der Individualisierung. In der Auftragsgewinnung dreht man Schleifen mit dem Vertrieb und den Kunden. Es wird (für den Nachfrager kostenlos) konstruiert, obwohl man noch gar nicht weiß ob es zum Auftrag kommt. Schade um die Zeit, wo doch im Schnitt nur ein Auftrag aus fünf Anfragen generiert wird.

Doch es kommt oft noch schlimmer, denn an einem Tag ist der Konstrukteur Entwickler von auftragsneutralen Standards, zum Beispiel für einen modularen Baukasten, am nächsten Tag betreibt er wieder auftragsspezifische Konstruktion. Seine Funktion lässt sich am Auftragseingang ablesen. Je mehr zu tun ist, desto stärker ist er gezwungen sich Kundenaufträgen zu widmen und die Schaffung von auftragsneutralen Innovationen zu vernachlässigen. Oft markiert dann die letzte kundenindividuelle Konstruktion den »Standard«, der dann wieder, mit allen seinen Unzulänglichkeiten, als Kopiervorlage für neue Aufträge verwendet wird.

Betrachtet man die für die Prozesse notwendigen CAD-Daten, so lässt sich feststellen, dass diese gewisse Unzulänglichkeiten aufweisen und diese die Bearbeitungszeiten verlängern. Dies ist natürlich keine böse Absicht der Konstrukteure, sondern dem Projektdruck und der herrschenden Arbeitsweise geschuldet.

Moderne 3D-CAD-Systeme bieten viele Möglichkeiten um CAD-Daten mit einer gewissen Intelligenz zu versehen. Zu nennen sind da insbesondere Teilefamilien, benutzerdefinierte Konstruktionselemente, Methoden zur Steuerung der Sichtbarkeit von Konstruktionselementen und Komponenten, Methoden zum Zusammenbau von Baugruppen, Abhängigkeiten zwischen Maßen durch Relationen und externe Referenzen. Prinzipiell sind all dies hervorragende Funktionen – wenn sie denn sinnvoll eingesetzt werden. Im Wege steht auch eine Arbeitsweise ohne optimale CAD-Startmodelle und die Platzierung von Komponenten direkt aufeinander – ohne die Verwendung von so genannten Skelett-Modellen. Deutlich macht dies das Beispiel einer Baugruppe: Wird diese im CAD-System geladen, so ist – wie bei einem Eisberg – meist nur ein Bruchteil der Geometrie auf dem Bildschirm zu sehen, der Rest ist verborgen. Baugruppen und deren Komponenten können aus Teilefamilien bestehen. In den Komponenten können Konstruktionselemente oder Unterkomponenten, die aktuell nicht benötigt werden, unterdrückt sein. Werden diese Techniken stark verwendet, so blähen sich Baugruppen enorm auf – die Ladezeiten werden schlecht und die Bedienperformance leidet.

Solche Baugruppen werden auch »Monsterbaugruppen« genannt. Sie können nur von versierten Anwendern bedient werden und fliegen sogar dem Spezialisten schon mal um die Ohren. Das heißt Feature und Komponenten gehen unkontrolliert verloren und müssen repariert werden.

Weitere Einschränkungen, insbesondere beim Suchen von Komponenten, ergeben sich durch die nicht einheitliche Verwendung von Nummerierungen und Bezeichnungen.

Die Automation im Vertrieb und Konstruktion wird in vielen Unternehmen sehr stark durch die Verwendung von Excel unterstützt. Beziehungswissen wird hier gern in Form von Formeln, Grenzwerten und Wertetabellen abgelegt. Dies ist ein sehr pragmatischer Ansatz und hat sich vielfach bewährt. Allerdings lässt sich dieses Regelwerk meist nur recht schwer ohne Medienbrüche in die Prozesse integrieren.
Produktfinder kommen dort Einsatz, wo aus dem verfügbaren Produktspektrum das optimale Produkt für den Kunden gefunden werden soll. Alle zum Einsatz kommenden Komponenten sind bekannt, der Vorfertigungsgrad ist sehr hoch. Man spricht hier von »Select to Order« (STO). Der Vertrieb kann hier vollständig ohne die Hilfe der Konstruktion anbieten, die Produkte sind Serienentwicklungen. Alle notwendigen Unterlagen für die Produktion stehen unmittelbar zur Verfügung. Produkte werden durch Standardteile und Standardbaugruppen beschrieben.

Vertriebskonfiguratoren sind ebenfalls immer öfter anzutreffen. Allerdings bevorzugt dort, wo Produkte im Wesentlichen vollständig durchkonstruiert sind und ein modularer Baukasten existiert. Auch hier sind alle Komponenten bereits bekannt. Individuelle Produktvarianten entstehen durch die Kombination von existierenden Komponenten in neuen Zusammenstellungen. Man spricht hier von »Assemble to order« (ATO). Der Vertrieb kann sehr schnell ein Angebot erstellen und durch die Integration in eine betriebswirtschaftliche Lösung (ERP-System) auch schnell einen Auftrag anlegen. Was auf die Konstruktion zukommt ist relativ gut vorhersehbar. Alle notwendigen Unterlagen für die Produktion von Einzelteilen stehen unmittelbar zur Verfügung. Gleiche Komponenten werden (wenn sie denn gefunden werden) wiederholt in unterschiedlichen Aufträgen verwendet. Die Konstruktion hat hier die Aufgabe, neue Baugruppen zu erstellen. Produkte werden durch Standardteile und Standardbaugruppen, sowie regelbasiert änderbare Baugruppen beschrieben.
Je kundenindividueller ein Produkt ist, desto mehr ist die Konstruktion gefordert. Beim so genannten »Make to order« (MTO) kommen gegenüber dem ATO noch neue, regelbasiert änderbare Einzelteile hinzu. Generell ist aber das Nachfrageverhalten noch gut vorhersehbar. Dadurch kann auch hier durch Automationswerkzeuge ein schneller, vollautomatischer Durchlauf durch die Prozessketten ermöglicht werden. Allerdings kann ein Vertriebskonfigurator das nicht leisten – es fehlt die Integration ins CAD. Ist diese Integration vorhanden, sind alle Konfigurator-Hersteller auf Maximalmodelle und Maximalstrukturen im CAD angewiesen.

Kommen jetzt in einem individuellen Produkt unvorhersehbare Kundenanforderungen hinzu, so handelt es sich um »Engineer to order« (ETO). Zusätzlich muss die Konstruktion hier Konstruktions-Teile und -Baugruppen schaffen, für die es keine Vorlage gibt – also bei null anfangen. Auch hier lässt sich mit CAD-Konfiguratoren wie beim ATO ein sehr hoher Automationsgrad erreichen. So können beispielsweise 80 Prozent eines Produktes automatisch erzeugt werden, die restlichen 20 Prozent sind quasi »zu Fuß« zu konstruieren.

Ein schönes Beispiel ist eine Tischplatte mit variabler Breite und Tiefe. Nun werden viele sagen – ja, eine Tischplatte ist ein einfaches Produkt, bei uns ist alles viel komplizierter! Ein Hersteller von individuellen Büromöbeln sieht dies erfahrungsgemäß ganz anders. Und er geht an den Lösungsraum sehr strukturiert heran. Zum Einen definiert die Normung für Tische eine Grenze potentieller Kombinationen von Breite und Tiefe (Merkmale). Technisch sinnvoll ist es zum Beispiel, eine Tischplatte immer nur so groß zu machen, dass sie noch durch eine Tür passt oder mit Standard-Transportmitteln transportiert werden kann. Und, natürlich muss man sich auch an den Fähigkeiten der eigenen Produktion orientieren.

Will man jetzt einen Konfigurator implementieren, so wird mach nicht den gesamten Lösungsraum abbilden – das wäre viel zu aufwändig, sondern sich zunächst innerhalb von Clustern (der nachgefragten Merkmalskombinationen) bewegen. Diese markieren das aktuelle Nachfrageverhalten innerhalb des Lösungsraumes. Alles was aus den Clustern herausfällt kann als exotisch deklariert werden. Häufen sich die Exoten, so hat sich das Nachfrageverhalten geändert und das Cluster erweitert oder verschiebt sich. Der Baukasten und der Konfigurator leben und müssen stetig dem geänderten Nachfrageverhalten angepasst werden. Das heißt aber nicht, dass alle notwendigen Ausprägungen und Möglichkeiten vorab existieren müssen. In den Unternehmen führt diese vermeintliche Notwendigkeit oft zur Konstruktion von Komponenten auf Abruf und zu den bereits mehrfach erwähnten Monstermodellen. Um einen Konfigurator einfach und schnell zu implementieren zu können, sind innovative Technologien und Arbeitsweisen notwendig. Die Anwendung so genannter objektorientierter Mastermodelle wird dieser Forderung in alle höchste Masse gerecht. Mastermodelle sind auftragsneutrale Kopiervorlagen, in denen die minimal notwendigen Modell-Informationen enthalten sind. In der zitierten Tischplatte sind die Maße für die Breite und Tiefe innerhalb der entsprechenden Grenzen des Clusters veränderbar und eine notwendige Merkmalsausprägung sowie eine neue Nummer und Bezeichnung der Tischplatte werden zur Laufzeit vollautomatisch generiert.

Für ein Einzelteil bedeutet dies zum Beispiel auch, dass alle wichtigen Konstruktionselemente (Feature) vorhanden und nicht unterdrückt sind. Soll jetzt ein anderes Feature verwendet werden, so wird nicht ein Feature unterdrückt und ein anderes zurückgeholt, sonder das Feature wird getauscht. So lassen sich Feature-Bibliotheken unabhängig von Teilen anlegen und erweitern. In den Teilen können diese Feature dann automatisch eingebaut werden, obwohl sie dort vorher noch niemals verwendet wurden. Was das Feature für das Einzelteil ist, ist die Komponente für die Baugruppe. Das Verfahren kann hier analog angewendet werden.

Mit Hilfe einer Master-Technologie mit auftragsneutralen Vorlagen lassen sich sehr elegant CAD-Daten für komplexe Produkte vollautomatisch erzeugen. Gleiche Eingaben in einem Konfigurator führen immer zum gleichen, qualitativ sehr hochwertigen, Ergebnis – unabhängig vom Anwender. Die so vollautomatisch erzeugten Teile und Baugruppen können dann übrigens auch, wenn erforderlich, manuell im CAD-System nach- bearbeitet werden.

Die Wiederverwendung von bereits vorhandenen Komponenten kann durch ein Klassensystem sichergestellt werden. Wurde zum Beispiel bereits eine Tischplatte mit einer Breite von 1.245 mm und einer Tiefe von 700 mm erzeugt, so wird der Konfigurator (wenn gefordert) nicht eine neue Tischplatte mit diesen Massen generieren, sondern das bereits vorhandene Teil verwenden und es in der Tischbaugruppe automatisch gegen die auftragsneutrale Master-Tischplatte tauschen.

An Master-Einzelteile und Master-Baugruppen lassen sich jeweils auch Master-Zeichnungen assoziieren. Ändert sich das Teil oder die Baugruppe, ändert sich auch die Zeichnung. Eine Herausforderung ist dies dann, wenn in einem Teil ein Feature oder in einer Baugruppe eine Komponente getauscht wurde. Die für die assoziative Zeichnungsableitung notwendigen Referenzen fehlen dann. Auch hierfür gibt es eine sehr praktikable Lösung mit der Hilfe von Referenzgeometrie. An jedes Master kann auch ein Dialog und ein Regelwerk angebunden werden. Das bedeutet, dass ein Konfigurator damit dynamisch gestaltet werden kann und die Benutzeroberfläche entsprechend der verwendeten Master variiert. Wird in der Tischplatte etwa eine Bohrung gegen eine andere Bohrung getauscht, so ändert sich die Benutzeroberfläche und fragt die besonderen Merkmale der aktuell verbauten Bohrung ab.

Master können auch so aufgebaut werden, dass auf Knopfdruck alle Informationen, die das Firmen-Know-how angehen, aus den CAD-Modellen automatisch entfernt werden. Anschließend können diese vereinfachten CAD-Daten Kunden für Einbauuntersuchungen zur Verfügung gestellt werden.

Der Aufbau und die Pflege von Konfiguratoren mit CAD-Automation kann mit einem Autorensystem sehr schnell und einfach erreicht werden. Sinnvollerweise sind die dabei anfallenden Aufgaben durch entsprechende Module umzusetzen, die auch eine stark arbeitsteilige Implementierung ermöglichen:

Aufbau des Regelwerkes => Vertrieb, Konstruktion

Einlesen und Aufbereitung der Produktstruktur und der Objekte (CAD), Definition von CAD-Mastern => Konstruktion

Definition des Corporate Designs => Marketing

Aufbau der Benutzeroberfläche => Vertrieb, Konstruktion, Marketing
Definition der Angebotserstellung und der Angebots-Master => Vertrieb

Einstellung verschiedener Betriebsarten für verschiedene Benutzergruppen => IT / DV

Integration in die Unternehmens-DV (PLM, ERP, CRM, Office etc.) => IT / DV

Anwender von CAD-Konfiguratoren sind der Vertrieb, die Konstruktion und Kunden. Der Vertrieb kann Kunden unabhängig von der Konstruktion Angebote und CAD-Daten liefern. Der Konfigurator läuft hier zum Beispiel lokal auf einem Notebook. Die CAD-Daten werden auf einer zentralen CAD-Workstation im Firmennetzwerk erzeugt. Die Konstruktion konfiguriert direkt auf ihren CAD-Workstations. Kunden konfigurieren im Internet im Webbrowser – die CAD-Daten werden auch hier im Firmennetzwerk auf einer CAD-Workstation erzeugt. Die Ergebnisdaten können anschließend über ein Portal oder über E-Mails zur Verfügung gestellt werden.

Der Mehrwert einer solchen Lösung liegt in der extrem viel schnelleren Befriedigung individueller Kundenwünsche. Der Auftragsgewinnungsprozess und der Auftragserfüllungsprozess werden um Faktoren beschleunigt. Kunden der Acatec berichten hier beispielsweise von Faktoren zwischen 5 und 60. Im Extremfall heißt das, wo früher ein Arbeitstag mit acht Stunden benötigt wurde, kommt man heute mit circa acht Minuten aus. Nun wird einem diese Zeitersparnis nicht geschenkt. Der zu treibende Aufwand sollte nicht unterschätzt werden. In ihrem Wettbewerbsumfeld müssen deutsche Unternehmen jetzt weitergehende Potentiale ausschöpfen um schneller und günstiger anbieten zu können. Nachdem die Produktion auf einen hohen Wirkungsgrad getrimmt ist, bieten sich nun die Konstruktion und der Vertrieb für Produktivitätssteigerungen an.

Der Einstieg erfolgt am besten über eine Amortisationsprognose. Das setzt allerdings voraus, dass aktuelle Zahlen verfügbar sind oder ermittelt werden können. Auch das zu erreichende Ziel sollte klar formuliert werden, zum Beispiel die kundenindividuelle Konstruktion soll um den Faktor zehn schneller werden. Welche Zahlen sind das? Zum einen die Dauer, die der Vertrieb heute durchschnittlich benötigt, um ein qualifiziertes Angebots zu erstellen und die Zeit, die die Konstruktion durchschnittlich benötigt, um die notwendigen individuellen CAD-Daten dafür bereitzustellen. Kommt es zum Auftrag, stellt sich die Frage, wie lange die Konstruktion damit beschäftigt ist, die notwendigen Daten für die Produktion zu generieren. Je häufiger das im Jahr passiert und je mehr Personen involviert sind, desto mehr wird sich die Investition in einen Konfigurator mit CAD-Automation rechnen.

Bei Acatec-Projekten amortisieren sich die Aufwendungen der Unternehmen innerhalb von zwölf Monaten ab Inbetriebnahme. Die Implementierung dauert initial circa drei bis sechs Monate. Bei der Implementierung sollte sich auch nicht zu viel vornehmen. Die Integration in die gesamte Unternehmens-DV ist enorm wichtig und selbstverständlich. Der Flaschenhals liegt aber in der CAD-Datenerzeugung. Deshalb sollte hier im ersten Schritt das Augenmerk hierauf gerichtet werden. Schließlich werden ja auch schon heute individuelle Produkte produziert und die Medienbrüche werden in Kauf genommen. Also – zuerst CAD-Automation und Angebotserstellung, dann alles andere nachziehen. Mit dem ersten Schritt das Geld für den zweiten verdienen.

Weitere interessante Informationen zum Thema Produktkonfigurator sind auch unter http://de.wikipedia.org/wiki/Produktkonfi- gurator verfügbar. -sg-

Acatec Software GmbH, Gehrden Tel. 05108/9159-0, http://www.acatec.de

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