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Produktentwicklung

Der Trend zu globalen Märkten mit steigendem internationalem Wettbewerb hält ungebrochen an. Marktdruck und Kundenerwartungen erfordern immer kürzere Innovationszyklen mit designorientierten, höchst anspruchsvollen und individualisierten Produkten – bei möglichst geringen Anschaffungs- und Betriebskosten. Auch die Bedeutung mechatronischer Produkte mit signifikanten Elektronik- und Softwareanteilen nimmt kontinuierlich zu.

Bereits in frühen Produktentwicklungsphasen werden die Herstell- und Wartungskosten eines Endproduktes auf Basis von Anforderungen und Spezifikationen massgeblich festgeschrieben. Diese für den Produkterfolg so wesentlichen Entscheidungen sollten daher auf Basis von fundierten und allumfassenden Informationen abgeleitet werden, die sämtliche Phasen des Produktlebenszyklus berücksichtigen. Das gezielte Wissensmanagement und die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten im Unternehmen, angefangen bei Marketing und Vertrieb über Einkauf, Produktion, Inbetriebnahme bis hin zur Wartung sowie die Einbindung externer Partner und Lieferanten, stellt heute einen wesentlichen Erfolgsfaktor für produzierende Unternehmen dar.

Die Komplexitätsfalle

Die geforderte Individualisierung und Variantenvielfalt des Sortiments, neue Märkte, umfangreiche gesetzliche Vorschriften sowie der steigende Innovation- und Kostendruck führen zu einer kontinuierlich wachsenden Komplexität im Unternehmen, die immer schwerer zu beherrschen ist. Eine wesentliche Herausforderung stellt daher die Vermeidung, Reduzierung bzw. Beherrschung von Komplexität in den Produkten und Prozessen der Unternehmen dar.

Mit Portfolio- und Anforderungs-Management, einer internen Standardisierung durch Modul- und Plattformstrategien sowie durch aktives Teile- und Lieferantenmanagement bieten sich Unternehmen aller Branchen sinnvolle Ansätze aus der Komplexitätsfalle. Dabei sind alle Bereiche im Unternehmen gleichermassen zu mehr interdisziplinärer Zusammenarbeit und zum Hinterfragen bestehender Prozesse, Methoden und Werkzeuge angehalten.

    • Die Planung des zukünftigen Produktportfolios und die Identifikation neuer Geschäftschancen sollte nicht der Blick in die Kristallkugel sein, sondern auf der Bewertung aller verfügbaren Informationen zu Technologie, Markttrends, Wettbewerb, Alleinstellungsmerkmalen, Kundenwünschen, Produktionstechnik sowie der bestehenden Produkte, Prozesse und Verfahren im Unternehmen basieren.

      • Produkt Portfolio Management: Die transparente Sicht auf das aktuelle und geplante Produktportfolio sowie aller aktuellen Entwicklungsprojekte, die immer um knappe finanzielle und personelle Ressourcen konkurrieren, gibt dem Management fundierte Entscheidungsgrundlagen an die Hand.
      • Anforderungsmanagement: Nur die gezielte Erfassung, Klassifizierung und Organisation aller relevanten Anforderungen wie Kundenlastenheft, gesetzliche und ökologische Regularien, Standards, technologische Erfordernisse, Vorgaben aus Fertigung und Montage u.s.w. machen die ständig wachsende Komplexität beherrschbar.
      • Wissensmanagement: Die intelligente Zusammenführung und Strukturierung von sehr grossen Informationsmengen aus heterogenen Datenquellen, wie beispielsweise CRM, ERP, SCM, PLM, Internet, Mail, … mittels Exalead Search-Based Applications ermöglicht schnelle und fundierte Entscheidungen.
      • Reporting: Die übersichtliche Auswertung aller im PLM System dokumentierten Daten und Prozesse, wie Reparatur- und Reklamationsfälle oder Änderungsaufträge, steigert die Prozessqualität und liefert wertvolle Hinweise zur Optimierung zukünftiger Produkte.
    • Nach der prinzipiellen Formulierung des Entwicklungsauftrags wird in der Konzeptphase das beste Realisierungskonzept für das neue Produkt gesucht. Dazu werden von den Entwicklungsteams unterschiedliche Lösungsprinzipien in Form von physikalischen Effekte und Wirkstrukturen beschrieben, dann technologisch und ökonomisch bewertet und daraus die besten Ansätze weiter verfolgt. Um das gesammelte Expertenwissen und die Arbeitsergebnisse auch für Folgeprojekte nutzbar zu machen, ist die nachhaltige Verwaltung aller Dokumente, Meetings und Entscheidungen des Projekts schon in dieser frühen Entwicklungsphase äusserst sinnvoll.

      • Projektmanagement bei Entwicklungsprojekten: Effiziente und erprobte Prozessvorlagen zum Produktmanagement, wie beispielsweise das "New Product Introduction" (NPI) Template sichern kürzere und risikoärmere Entwicklungsprojekte und basieren auf anerkannten Projektmanagement-Standards. Damit stehen Projektleitern vorgedachte Meilensteinpläne, Projektstrukturen und Dokumentvorlagen beim Projektstart zur Verfügung.
      • Disziplinübergreifende Konstruktionsstückliste: Der Aufbau von generischen, multidisziplinären Produktstrukturen über verschiedene Produktlinien hinweg trägt zur Standardisierung und Wiederverwendung von Knowhow, Komponenten und Prozessen bei, um so der stetig steigenden Komplexität durch grössere Produktvielfalt und Varianz zu begegnen. Die Konstruktionsstückliste gliedert dazu das Produkt aus funktionaler Sicht und ermöglicht die disziplinübergreifende Zusammenarbeit und Organisation aller Informationen.
      • Funktionales Design: Die funktionale Beschreibung der Systemarchitektur anhand der abstrakten Produkt-Funktion und deren Teil-Funktionen erleichtert die Kommunikation und Zusammenarbeit der unterschiedlichen Engineering-Disziplinen, liefert klare Schnittstellen-Definitionen und gliedert so für alle nachvollziehbar in einer hierarchischen Struktur alle relevanten Funktionseinheiten.
      • Produktvarianten: Aufgrund des Trends zu individuelleren Produkten stellt die Planung und Verwaltung aller möglichen Produktvarianten, sowie deren logischer Abhängigkeiten über den gesamten Produktlebenszyklus eine besondere Herausforderung für Serienfertiger dar. Die Nutzung von Plattformstrategien und Baukastensystemen ist ohne den Einsatz eines durchgängigen Varianten- und Konfigurationsmanagements heute nicht mehr denkbar.
    • Nach der Konzeptionsphase folgt die Entwurfsphase, in der das Produkt seine geometrische und gestalterische Form erhält. Aus den Funktionsbausteinen werden passende Baugruppen abgeleitet, die ihre geometrische Form und Dimension erhalten. Um die geforderten Eigenschaften sicherzustellen werden umfangreiche Festigkeits- und Funktionsmodelle aufgebaut und simuliert.

      • Produktdesign: Erfolgreiche Produkte besitzen eine in sich schlüssige Formensprache, um die markentypische Wiedererkennung zu gewährleisten. Um den Prozess vom ersten Designentwurf bis zum fertigungsgerechten Bauteil zu verkürzen, müssen alternative Designvarianten möglichst schnell und in hoher Flächenqualität skizziert und bewertet werden können. Im Idealfall findet der gesamte Prozess, von der ersten Designidee über die Class-A Flächenmodellierung (link ICEM), photorealistische Visualisierung bis hin zur Bauteil- und Werkzeugkonstruktion durchgängig in einem Autorensystem und mit einem Datenmodell statt. So kann das Entwicklungsteam durch Parallelisieren von Aufgaben schneller zum endgültigen Design kommen, Schnittstellenprobleme vermeiden, sowie zeit- und kostenintensive physikalische Prototypen vermeiden.
      • Systemdesign: Frei nach Aristoteles, „das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“, werden an die Modellierung und Simulation von mechatronischen Systemen aufgrund der Wechselwirkungen verschiedener Ingenieurdisziplinen besondere Anforderungen gestellt. Zur Modellbildung, Simulation und Bewertung des Gesamtsystems eignen sich disziplinübergreifende, objektorientierte Beschreibungssprachen, wie bspw. Modelica®, da sie Expertenwissen und Firmen-Knowhow in formaler Notation dokumentieren und mittels Bibliotheken wiederverwendbar machen.
      • Entwurfskonstruktion: Beim Entwurf von mechanischen Komponenten kommt es unter anderem darauf an:

        • Auf bestehenden Konzepten und gespeicherten Wissens-Vorlagen (Knowledge-Templates) aufzusetzen, um die geforderte Funktion möglichst effektiv und auf Best Practices basierend umzusetzen.
        • Bestehende Konzepte, Komponenten und Bauteile möglichst wiederzuverwenden, statt Neue zu kreieren.
        • Im Team simultan und ohne organisatorische oder softwaretechnische Einschränkungen an umfangreichen Produktstrukturen arbeiten zu können.
        • Durch wirklichkeitsnahe Simulation der Produktfunktionen und des Digital Mockups frühzeitig die geometrische Auslegung des Produktes zu optimieren und zu validieren.
        • Die Ergonomie und Alltagstauglichkeit des Produktes durch den Einsatz von anthroposophischen Menschmodellen virtuell zu überprüfen und so optimal auf die vorgesehene Nutzergruppe abzustimmen.

      • Festigkeitsberechnung: Angesichts des Trends zum Leichtbau bei gleichzeitig verschärfter Produkthaftung kommt der korrekten Auslegung der Produkte und Komponenten eine unternehmenskritische Bedeutung zu. Trotz geforderter Gewichts- und Materialersparnis sowie neuer Verbundwerkstoffe muss jederzeit ein Nachweis der Funktionssicherheit erbracht werden können. Angesichts neuer Fertigungsverfahren und technologisch ausgereizter Bauteile ist oft eine multiphysikalische Simulation der Fertigungsprozesse erforderlich, um eine stabile Serienfertigung sicherzustellen.
      • Toleranzplanung: Bereits in der Entwurfsphase ist eine funktions- und fertigungsgerechte Dimensionierung der Baugruppen notwendig, da sie Produktqualität, Anmutung und Kosten des Produktes massgeblich beeinflusst. Eine ungenügende Planung der Toleranzen führt häufig zu kostspieligen, späten Änderungen an Bauteilen, Füge- und Montageprozessen, bis hin zu erhöhtem Ausschuss in der Produktion – andererseits treiben Angsttoleranzen die Kosten eines Produktes unnötig in die Höhe.
    • Nachdem das Produkt spezifiziert wurde, ist in dieser Phase sicherzustellen, dass alle definierten Anforderungen erfüllt sind. Auch die Planung und Absicherung des Herstellprozesses, die Beauftragung externer Lieferanten sowie die rechtzeitige Verfügbarkeit aller Betriebsmittel spielt eine wichtige Rolle.

      • Um Gewissheit zu erhalten, dass ein Produkt die Anforderungen und Spezifikationen erfüllt, werden die einzelnen Systemkomponenten sowie deren Zusammenspiel intensiven Systemtests unterzogen. Die Planung aller relevanten Testszenarien mit den zugrundeliegenden Anforderungen wird durch ein integriertes Anforderungs- und Testmanagement sichergestellt.
      • Um die Absicherung von Steuergeräten und mechatronischen Komponenten zu beschleunigen und reproduzierbare Testszenarien sicherzustellen, wird häufig die Hardware-in-the-Loop Simulation (HILS) eingesetzt. Bei dieser Simulationstechnik wird ein Teil des physischen Systems durch ein Simulationsmodell auf einem echtzeitfähigen HiL-Simulator ersetzt.
      • Zur virtuellen Planung und Auslegung der Produktionsprozesse und Betriebsmittel liefert DELMIA das komplette Funktionsspektrum der Digitalen Fertigung. In einer durchgängigen 3D-Umgebung werden Fertigungsprozesse und Ressourcen geplant, Werkzeuge entwickelt und gleich virtuell erprobt, Montageprozesse simuliert sowie das Anlagenlayout optimiert.
      • Um Qualitätsprobleme frühzeitig zu erkennen, leistet die Toleranzsimulation von Füge- und Montageprozessen, unter Berücksichtigung statistischer Bauteil- und Prozesstoleranzen, einen wichtigen Beitrag. Die Prozessfähigkeit der Fertigung und der rechtzeitige Serienanlauf sind damit sichergestellt.
      • In der Validierungsphase wird das Produkt und der Herstellprozess intensiv getestet und mittels Nullserie abgesichert. Tauchen jetzt noch Fehler oder Optimierungspotentiale auf, ist angesichts der vielen involvierten Abteilungen und oft komplexen Wechselwirkungen zwischen Produkt, Produktionsmitteln und Herstellprozess ein strukturiertes und unternehmensweites Änderungsmanagement unabdingbar.
    • Wenn bisher alles strukturiert und koordiniert ablief, dann steht der erfolgreichen Markteinführung nichts mehr im Wege. Im Tagesgeschäft entstehen nun durch viele Angebotsanfragen und Auftragskonstruktionen sowie die kontinuierliche Weiterentwicklung und Verbesserung des Produktes und dessen Herstellung weiterhin enorme Aufwände, die letztlich bei neuen Innovationen fehlen.

      • Die Variantenkonfiguration beschleunigt für varianten-reiche und komplexe Produkte sowohl die Angebotserstellung als auch die Auftragsabwicklung und sorgt so für "kundenindividuelle Standardlösungen". Das setzt jedoch eine immer aktuelle Variantenstückliste mit zugehörigen Konfigurationsregeln voraus, die ohne integriertes Konfigurationsmanagement nicht über längere Zeit sicherzustellen ist.
      • Eine mehrsprachige, vollständige und dem Auslieferungszustand entsprechende technische Dokumentation zu erstellen, ist zeitintensiv und stellt viele Unternehmen vor Herausforderungen. Bei variantenreichen Produkten ist daher die individuell gebaute Konfiguration oft nicht vollständig dokumentiert. Mit 3D als universeller Sprache lassen sich im CATIA Composer Montage-, Inbetriebnahme- und Wartungsabläufe in Form von Animationen verständlich und präzise darstellen.
      • Das Konfigurationsmanagement spielt auch bei Wartung, Reparatur und Überholung (MRO) von ausgelieferten Produkten eine wichtige Rolle, um über den gesamten Produktlebenszyklus eine jederzeit gültige Produktdokumentation sowie passende Ersatzteile und Wartungsanleitungen bereitzustellen.
      • Das Geschäft mit den Ersatzteilen wird in vielen Branchen immer wichtiger und damit die einfache Erstellung und Pflege von Ersatzteilkatalogen sowie deren multimediale Bereitstellung.
      • Für die Zufriedenheit der Kunden ist auch ein effektives Garantie- und Fehlermanagement wichtig. Nebenbei liefert die lückenlose Dokumentation aller Probleme und deren Behebung eine bedeutende Informationsquelle zur kontinuierlichen Produktverbesserung.
  • Mit CATIA können wir komplexe Freiformflächen und komplizierte Teile mit vielen Innenkernen realisieren, die jederzeit reproduzierbar sind.
    Dr. Anton Rechsteiner, Leiter Engineering / Technologie bei vonRoll casting