Produktionssysteme

Nur ein reifes Produkt ist ein gutes Produkt

Dr. Thomas Friedmann Matthias Degen Mainz

Eigentlich war nichts anderes zu erwarten: Eine enorm gewachsene Produktkomplexität und Variantenvielfalt, gepaart mit einer immer deutlicher verkürzten Time-to-Market – das musste beinahe zwangsläufig zu großen Problemen bei der Produktqualität und natürlich insbesondere beim Serienanlauf in der Produktion führen.

Zumindest dann, wenn Entwicklungsprojekte immer noch nach den gleichen Grundprinzipien gesteuert und verfolgt werden wie früher. Die Auswirkungen sind, am Beispiel der Automobilindustrie, an der jährlich steigenden Zahl teurer Rückrufaktionen abzulesen, von 55 Fällen im Jahr 1998 auf 157 Aktionen in 2007 (Bild 1). Vergleichbare Herausforderungen bestehen aktuell natürlich auch in anderen Branchen, insbesondere überall dort, wo komplexe Produkte entwickelt und produziert werden. Wäre man in der Lage, die Reife dieser neuen Produkte in jedem Entwicklungsstadium zuverlässig festzustellen, um bei Planabweichungen gezielt die richtigen Korrekturmaßnahmen einleiten zu können, ließen sich die Probleme definitiv vermeiden, wie der folgende Beitrag zeigt.

Im ersten Teil wird ein neu entwickeltes und bereits praxiserprobtes Verfahren zur objektiven und präzisen Bestimmung der Produktreife vorgestellt. Dieses basiert auf einem funktionalen Ansatz und ist deshalb nicht nur unabhängig von den im Produkt eingesetzten Technologien und Werkstoffen, sondern eignet sich insbesondere auch für die bisher oft mangelhafte Integration der verschiedenen Entwicklungsdisziplinen Mechanik-, Elektronik- und Software-Entwicklung. Ein besonders lohnendes Anwendungsfeld ist daher die Entwicklung von Mechatronik-Produkten, wo klassische Steuerungsverfahren an den Schnittstellen der Entwicklungsbereiche regel- mäßig versagen.

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Produktreife bedeutet Funktionserfüllung

Im zweiten Teil wird die Einbettung der Methode in den Entwicklungsablauf diskutiert. Wiederum anhand von Beispielen wird verdeutlicht, wie ein unternehmens- oder produktspezifischer Soll-Reifegradverlauf festgelegt und angewandt werden kann. Hierzu werden entsprechende Prozesselemente beschrieben, zum Beispiel Design-Reviews. Der Aufbau einer »Reifegradsteuerung« für Entwicklungs- und Kundenprojekte in enger Verknüpfung mit den klassischen Methoden und Verfahren des Projektmanagements wird erläutert.

Ein Ausblick zeigt das darüber hinausgehende Potenzial dieses Ansatzes für tiefgreifende Verbesserungen in der Produktentwicklung, die sowohl durch eine erweiterte und konsistente Nutzung des funktionalen Produktmodells in weiteren Methoden – wie QFD und FMEA – und Prozessen, als auch mit einer durchgängigen Systemunterstützung (PLM) auf dieser neuen Basis mittelfristig erreichbar sind.

Die heute im Unternehmen mehr oder weniger durchgängig eingesetzten Methoden und Werkzeuge zur Planung und Steuerung von Entwicklungsprojekten konzentrieren sich vorrangig auf das Ressourcen-, Kosten- und Terminmanagement. Die Begründung dafür ist ebenso einfach wie einleuchtend: Controlling-Prozesse, wie sie in den letzten Jahren insbesondere in größeren Unternehmen durchgängig installiert wurden, verlangen exakt nach diesen Ergebnistypen.

Neben einer gewissen Standardisierung und Professionalisierung im Umgang mit Projekten im Unternehmen wurden damit die Voraussetzungen geschaffen, um auch in komplexeren Multiprojekt-Umgebungen die Planungsqualität und -sicherheit zu verbessern und Ressourcen-Engpässe zuverlässiger zu vermeiden. In Verbindung mit dem vielerorts ebenfalls deutlich verstärkten Qualitätsmanagement in Projekten wurden darüber hinaus viele Projektmanagementprozesse und deren Ergebnisdokumente harmonisiert und ein einheitliches Maßnahmenmanagement eingeführt.

Ausgestattet mit diesen Voraussetzungen und Randbedingungen dürfte eigentlich kein Produktentwicklungsprojekt mehr derart in Schieflage geraten, dass Serienanläufe kaum gehalten werden können, Projektkosten völlig aus dem Ruder laufen oder die erwähnten Rückrufaktionen zu einem Mehrfachen der geplanten Gewährleistungskosten führen. Dennoch ist das Gegenteil der Fall! Wird den Ursachen auf den Grund gegangen, ergibt sich in überraschend vielen Fällen ein übereinstimmendes Bild: Fehlentscheidungen im Projektverlauf, die letztlich zu gravierenden Problemen führen, basieren fast immer auf einer fehlerhaften Einschätzung des bisher erzielten Projektfortschritts.

Der Zusammenhang ist eigentlich trivial: Erst wenn im Detail bekannt ist, wo die Produktentwicklung aktuell steht, bezogen auf die Zielerreichung aller im Lastenheft geforderter Funktionen und Eigenschaften des Produktes, können zu diesem Zeitpunkt die richtigen Maßnahmen zur Fortführung des Projektes mit der notwendigen Kapazität, Priorität und Reihenfolge beschlossen und eingeleitet werden. Nicht trivial ist hingegen die präzise und objektive Messung dieser Zielerreichung, also des inhaltlichen Projektfortschritts. In der Regel wird an dieser Stelle auf die (subjektive) Einschätzung des Projektleiters und seines Teams vertraut, manchmal unterstützt durch ein Projekt- oder Design-Review, um die Einschätzung zu validieren.

Wenn es sich dabei um wenig komplexe Produkte handelt, die beispielsweise nur aus mechanischen Komponenten bestehen und die mit bekannten und beherrschten Fertigungstechnologien hergestellt werden, lässt sich mit Erfahrung und Sorgfalt ein hinreichend präzises Ergebnis erreichen. Im Falle komplexer Produkte oder Anlagen, insbesondere mit mechatronischen Komponenten, sind Erfahrungswerte aber nur bedingt übertragbar, denn:

Wie lässt sich der Entwicklungsstand einer Mechatronik-Baugruppe mit der Projektplanung abgleichen, wenn zum Planungszeitpunkt noch nicht bekannt war, welche Funktionen in Hardware und welche in Software abgebildet werden?

Wie werden die Aussagen eines Software-Entwicklers zum Fertigstellungsgrad seiner Arbeiten bewertet, wenn der zugehörige Baustein seines Elektronik-Kollegen nach einem anderen Vorgehensmodell entwickelt und beurteilt wird? (…und die noch zu erwartenden Änderungen in der Mechanik das Ergebnis von beiden massiv beeinflussen werden?)

Wie groß ist die resultierende Gesamtunsicherheit in der Bewertung des Entwicklungsstandes eines komplexen Produktes als Summe derartig unscharfer Einzelbewertungen?

Besonders im stark wachsenden Segment der mechatronischen Produkte wird daher die Zielsetzung verfolgt, die Reife eines Produktes an definierten Punkten im Entwicklungsprozess möglichst präzise festzustellen, um auf Abweichungen zur Soll-Reife frühestmöglich und gezielt reagieren zu können. Das inhaltliche Projektziel in diesem Denkmodell ist die Erreichung der Soll-Reife – etwa die Serienreife – zum Projektabschluss. Ausgehend von diesen Grundgedanken wurde bei Life Cycle Engineers in Zusammenarbeit mit Kunden der folgende Ansatz zur Reifegradsteuerung in Entwicklungsprojekten erarbeitet.

Die Reife eines Produktes lässt sich grundsätzlich beschreiben als »das Maß für die Erfüllung der Funktionen und Eigenschaften, die der Kunde von diesem Produkt erwartet«. Im Vertrieb ist diese Funktionssicht üblich: Welche Leistung will und bezahlt der Kunde? Welche Funktionen und Eigenschaften erwartet er? In welcher Ausprägung? Diese Informationen sind Bestandteil des Lastenheftes.

Und auch im Service wird in Funktionen gedacht: Welche Produktfunktion ist ausgefallen? Welche Teile sind für eine Fehlfunktion verantwortlich oder von ihr betroffen? Wie kann die Leistung (einer Produktfunktion) optimiert werden? Demgegenüber arbeiten Fertigung und Einkauf in der Regel teileorientiert.

Methodische Basis ist das Funktionale Produktmodell

In der Entwicklung und Konstruktion sind beide Sichten anzutreffen: Während in der Auslegungs- und Konzeptphase funktionsorientiert vorgegangen wird, werden naturgemäß wesentliche Zeitanteile im Projektverlauf für die konstruktive Fertigstellung von Einzelteilen und Baugruppen verwendet, und daran wird meist auch der Fertigstellungsgrad des jeweiligen Projektteiles bemessen.

Soll dagegen der Entwicklungsstand auf der Basis der oben definierten Produktreife gemessen, beurteilt und im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der einzelnen Komponenten gezielt beeinflusst werden, ist eine durchgängig funktionsorientierte Betrachtung – ein Funktionales Produktmodell – erforderlich, die Folgendes leistet:

vollständige Beschreibung der zu realisierenden Produktfunktionen und -eigenschaften,

Spezifikation der zu erreichenden Zielwerte für diese Funktionen und Eigenschaften,

Gewichtung der Funktionen zur Abbildung von Prioritäten im Entwicklungsprozess sowie

Verknüpfung der Funktionen mit den physischen Komponenten des Produktes.

Zur Erläuterung dienen einige Praxisbeispiele:

a) Bild 2 zeigt am Beispiel eines Abgas-Turboladers, welche unterschiedlichen Kategorien von Funktionen und Eigenschaften im funktionalen Produktmodell abgebildet werden. Dies sind zunächst alle Kernfunktionen des Produktes, ergänzt um wichtige Eigenschaften, unter anderem das Produktgewicht. Darüber hinaus müssen Funktionen beschrieben werden, die der Integration des Produktes beim Kunden dienen, beispielsweise am Motor (Versorgungsanschlüsse) und im Fahrzeug (Bauraum). Weitere Funktionskategorien bilden zusätzliche, spezifische Anforderungen des Kunden (zum Beispiel Lieferumfang, Lebensdauer und Effizienz) und generelle Anforderungen (wie die Sicherheit und die Erfüllung gesetzlicher Vorschriften) an das zu liefernde Produkt ab.

b) Zur Beurteilung der Funktionserfüllung (und damit der erreichten Reife dieser Funktionen) sind messbare Zielwerte erforderlich. Ein Beispiel aus dem Bereich Mechatronik verdeutlicht die Vorgehensweise: Ein Fahrzeug-Scheinwerfer der neuen Generation soll die zusätzliche Funktion »Kurvenlicht verstellen« realisieren. Fährt das Fahrzeug in eine Kurve, wird in Abhängigkeit der Geschwindigkeit und des Lenkwinkels das Projektionsmodul des Scheinwerfers verstellt, um eine bessere Ausleuchtung zu erzielen. Dieses Zusammenspiel von:

Sensoren/Elektronik zur Messung von Lenkwinkel und Geschwindigkeit,

Software zur Ansteuerung der Verstellung und Dämpfung,

Sensoren/Gebern zur Messung der vorgenommenen Verstellung,

Motoren und Mechanik zur Durchführung der Verstellung und

mechanischen Komponenten für den Verstellanschlag

gilt es – quer über die Disziplinen Mechanik, Elektronik und Software – abzustimmen (Bild 3).
Als Zielwerte für diese Funktion »Kurvenlicht verstellen« kommen daher folgende Merkmale in Betracht:

maximale Zeit zur Verstellung des Schwenkmoduls bis zum Erreichen des Anschlags, gemessen von neutraler Position,

Verzögerungszeit, bis zu der das Schwenkmodul nicht bewegt wird, um »Wackler« des Lenkrads ausgleichen zu können (Dämpfungseffekt),

maximaler Anpressdruck des Schwenkmoduls am mechanischen Anschlag,

minimale Geschwindigkeit, mit der sich das Schwenkmodul bewegt,

maximale Geschwindigkeit, mit der sich das Schwenkmodul bewegt sowie

Relation der Fahrzeuggeschwindigkeit zur Geschwindigkeit des Schwenkmoduls.

c) Formal betrachtet muss das fertige (reife) Produkt alle spezifizierten Funktionen (gleichwertig) abbilden und jeden einzelnen Zielwert erreichen. Für das angestrebte Ziel einer wirksameren, präziseren Entwicklungs- und Projektsteuerung ist jedoch eine Gewichtung der Funktionen sinnvoll und notwendig, denn:

nicht alle Funktionen und Eigenschaften sind für die Erreichung des Entwicklungsziels oder aus Sicht des Kunden gleich wichtig,

über Abhängigkeiten und konkurrierende oder sogar gegenläufige Ziele beeinflussen sich manche Funktionen gegenseitig,

die effektiven Auswirkungen von Projektentscheidungen und Maßnahmen auf die Entwicklung der Produktreife können zuverlässiger beurteilt werden.

Die Gewichtung unterstützt somit die Beherrschung der Komplexität in der Projektsteuerung. Eine praktikable und einfache Vorgehensweise zum Aufbau der Gewichtung ist die Methode des paarweisen Vergleichs der Funktionen und Eigenschaften.

d) Produktfunktionen werden durch jeweils eine oder mehrere physische Komponenten (Mechanik, Elektronik, Software) realisiert. Umgekehrt kann ein Bauteil (oder ein Software-Baustein) eine oder mehrere Funktionen beeinflussen. Die daraus resultierende n:m-Beziehungsmatrix (Bild 4) ist daher zur Beurteilung der Auswirkungen von Bauteiländerungen und anderen Projektmaßnahmen enorm wichtig. In Verbindung mit der oben genannten Funktionsgewichtung wird transparent, »wie wichtig« eine bestimmte Komponente für die Funktion und damit natürlich auch für die Reife des Gesamtproduktes ist, was die Qualität und Wirksamkeit von Optimierungsmaßnahmen deutlich verbessern kann.

Weitere Methoden nutzen das Funktionale Produktmodell

Erste Projektergebnisse in der Automobilzulieferindustrie und im Maschinenbau zeigen: Der Aufwand zur Erstellung des skizzierten Funktionalen Produktmodells ist, gemessen am möglichen Nutzeffekt für den gesamten Produktentstehungsprozess, eher gering. Dies gilt insbesondere dann, wenn neben der im zweiten Teil vorgestellten Reifegradsteuerung (Bild 5) noch weitere Entwicklungsmethoden die Struktur und Inhalte des Modells für deren spezifischen Aufgabenstellungen nutzen.

Beispiel: In dem von Life Cycle Engineers entwickelten Vorgehensmodell erfolgt der Aufbau des Funktionalen Produktmodells im Rahmen der QFD (Quality Function Deployment) bereits in einer Vorphase des betreffenden Entwicklungs- oder Kundenprojektes und wird im weiteren Verlauf sukzessive detailliert. Innovative Modifikationen der DVP&R- (Design Verification Plan & Report) sowie der Design-FMEA-Methode (Failure Mode and Effect Analysis) befähigen diese Verfahren, direkt auf dem Modell aufzusetzen und ermöglichen dadurch eine neue und verbesserte Qualität der Ergebnisse. -fr-

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