Produktionssysteme

Methodische Variantendefinition in der frühen Produktentwicklungsphase

VPE: Prof. Dr.-Ing. Martin Eigner, Dipl.-Ing. Torsten Gilz, Dipl.-Ing. Krisztina Szeghö, ILC: Dr.-Ing. Oliver Quirmbach, Dipl.-Ing. Ansgar Villis

Die effiziente Wiederverwendung von Wissen in den frühen Entwicklungsphasen erfordert eine modellgestützte, ganzheitliche, strukturierte und konsistente Erfassung aller Anforderungen, Funktionen, Prozesse und Erfahrungswissen, die bei der Entwicklung neuer oder bei der Modifikation bestehender Produkte über den gesamten Produktlebenszyklus erzeugt werden. Grundlage hierfür ist der Einsatz von PDM-Systemen, um alle Produktdaten beziehungsweise die komplexen Abhängigkeiten zwischen Produktelementen zu implementieren und implizite Aspekte der Entwurfmodelle explizit zu machen. Vorgeschlagen wird ein Konzept mit zwei Zweigen zur Produktplanung. Ein Zweig dient der Unterstützung der Produktdefinition auf Basis der ausgeprägten Anforderungen für variantenorientierte Produkte. Der weitere, optionale Zweig erweitert die Anwendbarkeit des Konzeptes auf komplexe innovationsgetriebenen Produkte.

Das Erreichen der ökonomischen Ziele stellt hohe Anforderungen an die Produktentwicklung eines Unternehmens und die zu generierenden innovativen Prozesse. Um den Anforderungen des Marktes durch Differenzierung von Produkten zu entsprechen, muss die Produktentwicklung eine Fokussierung auf den Innovationsgrad des Produktes vornehmen. Ökonomisch sinnvoll ist insbesondere ein hoher Innovationsgrad bei geringen Kosten und ausgezeichneter Qualität.

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Innovation bedeutet, dass das neue Produkt eine neue Funktion erfüllt oder eine bekannte Funktion in neuer Qualität erreicht wird [GRL96]. Die daraus resultierenden Anforderungen sind meist interdisziplinärer Natur und fordern die Einbeziehung mehrerer Wissensbereiche. Der Entwicklungsprozess erfordert die Bereitstellung und Verknüpfung unterschiedlicher Wissensquellen und die Adaption an neue Gegebenheiten.

Insbesondere in der frühen Phase der Entwicklung, in der die Festlegung des Produktes, sowie der produktionsrelevanten Größen und somit die größte Kostenverantwortung zur Schaffung des neuen Produktes liegt, ist die Bereitstellung der relevanten Informationen unzureichend (Bild 2).

Als Bindeglied zur Entwicklung neuer innovativer Lösungen und einer im oben genannten Sinne verwertbaren Dokumentation von konstruktiven Zusammenhängen kann die Produktfunktion genutzt werden. Durch eine funktionale Produktmodellierung ist eine lösungsunabhängige und abstrakte Repräsentation der zu erstellenden konstruktiven Aufgabe darstellbar. Diese Abstraktion der konstruktiven Aufgabe und die Beschreibung von Grundkonzepten unter Nutzung der Produktfunktion werden in vielen Bereichen (Elektrik-, Elektronik-, Hydraulik-, Pneumatik-, Softwareentwicklung) angewendet.

Die Anforderungsmodellierung, als einer der ersten Schritte innerhalb des Produktentwicklungsprozesses, dient als Grundlage für den weiteren Verlauf. Leider wird der Aufwand der Anforderungsmodellierung fälschlicherweise oft unterschätzt.

Die Modellierung der Produktfunktion beinhaltet im Wesentlichen ihre Beschreibung mit den Funktionsparametern, Parameterzusammenhängen und Parameterflüssen, als auch die Beschreibung der Abhängigkeiten von der Produktfunktion zu den anderen an der Produktentwicklung beteiligten Größen, wie Anforderungen, Produktgestalt. Hier fehlt eine ganzheitliche Systemunterstützung schon zu Beginn des Produktentwicklungspro- zesses, die die Repräsentation der Abhängigkeiten der Produktfunktionen im Entwicklungsprozess darstellt.

Die Produktdaten müssen über den gesamten Produktentwicklungsprozess betrachtet werden. Sie verfeinern und ändern sich ständig (iterativer Prozess) und können nicht durch ein festes, losgelöstes Modell betrachtet werden. Die Zuordnung der Anforderungen zur Lösung ist schwierig. Für eine vollständige Erfassung der Produktanforderungen und Produktfunktionen müssen alle Entstehungs- und Lebensphasen des Produktes durchdacht werden. Hierzu muss auf ein komplexes, umfassendes Wissen zurückgegriffen werden. Dies wird durch heutige Systeme kaum unterstützt.

Entwicklungsprozess aus neuer Perspektive

Um die Integration zu ermöglichen und das Verknüpfungsmodell zu erstellen wird zuerst ein Konzept vorgestellt, mit dem die Produktanforderungen und Produktfunktionen systematisch erfasst und verwaltet werden können. Der Schwerpunkt liegt einerseits auf der Erfassung von funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen, sowie der Erfassung von Funktionen des Produktes, die vom Benutzer in textueller Form beschrieben werden, anderseits auf der Merkmalausprägungen, die ein Basis für den darauf folgenden Variantenplan bieten. Betrachtet man die unterschiedlichen Anforderungen und Funktionen an ein Produkt, so können Abhängigkeiten zwischen diesen erkannt werden. Ziel ist die Darstellung aller Abhängigkeiten in einem so genannten semantischen Datennetz.
Es wird in Unternehmen oft verwechselt, dass die Ausprägung der Anforderung und die funktionale Anforderung nicht gleichbedeutend sind. Das YO-Konzept stellt diesen wichtigen Unterschied zwischen Produkteigenschaften (linker Ast), als Treiber für die Anpassungsentwicklung variantenorientierter Produkte und Produktfunktionen, Entwicklung komplexer innovationsgetriebenen Produkten (rechter Ast) dar (Bild 3).

In einem ersten Schritt werden aus dem gesammelten Wissen die Anforderungen auf die entsprechende, technische Sprache übersetzt. Dazu sollen zunächst alle Anforderungen in ungeordneter Reihenfolge verbal beschrieben werden. Wichtig ist bei diesem Schritt, dass eine vollständige Liste der Anforderungen entsteht (vollständige technische Merkmalliste), da diese Liste die Basis für das weitere Vorgehen darstellt. Die möglichst vollständige Liste kann durch mehrere Iterationsschritte durch Kunden und Experten erarbeitet werden.

Variantendefiniton im Kontext zum YO-Konzept

Nach diesem Schritt ist es möglich, zwei verschiedene Richtungen zu verfolgen. Im Vordergrund steht einerseits der Zusammenhang zwischen den Merkmalwerten und Varianten (linker Ast), anderseits die Produktfunktion, die eine Verknüpfung zwischen den Anforderungen und Produktstruktur bildet (rechter Ast), siehe hierzu Bild 3.

Der variantenorientierte Entwicklungsprozess im Sinne einer Anpassungsentwicklung wird über den linken Ast des in Bild 3 illustrierten Konzepts unterstützt. Anhand der vollständigen Merkmalliste kann herausgefunden werden, ob es sich um eine Anforderung handelt, die nur von einer existierenden Produktvariante erfüllt werden soll, oder ob es sich um eine Anforderung handelt, die eine neue Produktvariante erzeugen soll. Im Zentrum dieses Schrittes befindet sich die Beziehungs- oder Korrelationsmatrix. Dies dient zur Ermittlung der Beziehungen der Produktmerkmale untereinander. Die jeweiligen Beziehungen der Merkmale zueinander werden durch Relationen oder Regeln definiert (Merkmal-Matrix, Regeln definieren).

Der rechte Ast des Konzepts unterstützt die Entwicklung komplexer innovationsgetriebenen Produkten. Nach dem funktionsorientierten Entwicklungsprozess wird der Produktentwicklungsprozess methodisch von einer abstrakten Lösung hin zu einer konkreten Lösung entwickelt. Es entstehen zunächst Funktionsstrukturen, die aus den funktionalen Anforderungen abgeleitet werden. Im Zuge dieser abgeleiteten Funktionselemente erfolgt die Beschreibung der Funktionsweise eines Produkts in Form einer hierarchischen Funktionsstruktur. Deren Strukturierung muss hierbei die Möglichkeit bieten, verschiedene Abstraktionsstufen sowie die verschiedenen Sichtweisen unterschiedlicher Benutzer auf das Produkt darzustellen. Die Funktionen sind zu gliedern und in der untersten Ebene mit den Komponenten zuzuordnen, so dass sie nach Möglichkeit nur auf einer Ebene verknüpft sind. Für die prototypische Umsetzung der Verknüpfungsrelationen der Funktionsstruktur wurde das Softwaretool Metus [Tre08] der Firma ID Systems zur Visualisierung eingesetzt. Das YO-Konzept wurde im Rahmen der Validierung zunächst in vier aufeinanderfolgende Schritte aufgeteilt (Bild 4). Diese stellen eine Strukturierung des Prozesses dar, welche in der Validierung des Konzeptes übernommen wurde.

Die Business Suite PEP der ILC-Prostep bildet die Anforderungen in einem Anforderungscockpit ab (Bild 5). Dieses Anforderungscockpit ist dem Konfigurationsstand eines Projektes zugeordnet, so dass Änderungen oder Varianten des Projektes beziehungsweise der Anforderungen als Versionen oder auch Kopien eines Konfigurationsstandes abgebildet werden können. Im Anforderungscockpit repräsentiert jede Zeile des Cockpits eine Anforderung. Die Anforderungen lassen sich quantifizieren (Min / Max), klassifizieren und können einem Status zugeordnet werden. Mit dem Anforderungscockpit ist es also möglich, die Kundenanforderungen – welche meist in Form von Lastenheften vorliegen – als strukturierte Anforderungszeilen darzustellen. Die Darstellung in einem Cockpit wird analog dem Anforderungscockpit auch zur Darstellung der Spezifikationen, Funktionen oder Varianten genutzt. Ein weiteres Feature der Business Suite PEP ist das Matrix-Cockpit. Mit Hilfe der Matrizen lassen sich Beziehungen zwischen den Elementen beliebiger Cockpits abbilden. Die Matrix enthält als Zeilen die Elemente des einen Cockpit und als Spalten die Elemente des anderen Cockpit. Im Schnittpunkt der entsprechenden Zeilen und Spalten können Beziehungen beziehungsweise Regeln hinterlegt werden. Bild 6 stellt in diesem Zusammenhang dar, welche Anforderungen mit welcher Funktionseinheit des Produktes verknüpft sind (Anforderungs-Funktions-Matrix). Das Matrix Cockpit stellt ein universell verwendbares Feature dar. Mit Ihrer Hilfe lassen sich Anforderungen auf Funktionen mappen, Funktionen auf Baugruppen. Somit stellen diese Matrizen genau die Funktionalität zur Verfügung um unterschiedliche Strukturen in der Produktentwicklung miteinander in Beziehung zu setzen. Die Varianten, welche sich aus der Anwendung des YO-Konzepts ergeben, werden im Variantencockpit abgebildet. Jede Zeile des Cockpits repräsentiert an dieser Stelle eine Variante, die mittels der Spalten in Ihren Kern Merkmalen und Ausprägungen beschrieben ist. Zu den einzelnen Varianten lassen sich die Beziehungen als Popup darstellen.

Zusammenfassung und Ausblick

Es gibt keine etablierten Lösungen für die einheitliche Verwaltung des Wissens, die in den Entwicklungsprozess benötigt werden. Die Abhängigkeiten zwischen unterschiedlichen Informationen (Produktanforderungen, Normen und Richtlinien), die alle aus verschiedenen Quellen abstammen können, sind nicht dokumentiert und daher auch sehr schwer zu verwalten. Das in diesem Artikel beschriebene YO-Konzept stellt einen verbesserten Entwicklungsprozess dar, mit sowohl einer methodischen wie auch eine softwareseitigen Tool-Unterstützung, der auf Basis eines integrierten Produktdatenmodell bessere und qualifizierte Informationen dem Konstrukteur während des Entwicklungsprozesses zur Verfügung stellt, im Bezug auf Anpassungsentwicklung variantenreicher, wie auch komplexerer innovationsgetriebenen Produkte. Der durch das Konzept definierte Prozess wurde in Teilen in SAP umgesetzt, siehe linken Ast des Konzeptes. Die Umsetzung des funktionsorientierten rechten Astes wird in darauffolgenden Aktivitäten untersucht. -sg-

Referenzen:
[Eig05] Prof. Dr.-Ing. Eigner, Martin: Frontloading – Ein Potential für die Optimierung des Produktentwicklungsprozesses, Universität Kaiserslautern, 2005.

[EKL05] K. Ehrlenspiel, A Kiewert, U. Lindemann: Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren, Springer-Verlag 2005.

[Gau09] Gausemeier, J.; Plass, C.; Wenzelmann, C.: Zukunftsorientierte Unternehmensgestaltung – Strategien, Geschäftsprozesse und IT-Systeme für die Produktion von morgen, München, Hanser, 2009, ISBN: 978-3-446-41055-8

[GRL96] Grabowski, H.; Rude, S.; Langlotz, G.: Die Funktionsmodellierung auf dem Weg zur Wissensverarbeitung in CAD-Systemen. Tagungsband: CAD ´96 – Verteilte und Intelligente Systeme, 1996

[Jör05] Jörg, M. A. J.: Ein Beitrag zur ganzheitlichen Erfassung und Integration von Produktanforderungen mit Hilfe linguistischer Methoden. Univ. Karlsruhe Diss., Shaker Verlag, Aachen, 2005.

[KRJ92] Krause, F.-L; Ruland, D.; Jansen, H. (Hrsg.): CAD ’92 – Neue Konzepte zur Realisierung anwendungsorientierter CAD-Systeme, Tagungsband der GIFachtagung, Berlin 14./15. Mai 1992, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1992, S. 30-65.

[Tre08] Tretow G.; Göpfert, J.; Heese, C.: In sieben Schritten systematisch entwickeln, CAD-CAM Report Nr. 8, Hoppenstedt, 2008

Technische Universität, Kaiserslautern, Tel. 0631/205-3871, http://www.mv.uni-kl.de

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