konstruktionslehre ii vorlesung 4 – rationalisierung des...

Konstruktionslehre II – V3

Rationalisierung des Entwicklungs-

und Konstruktionsprozesses

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

30. April 2014

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

• Sie können den Zwang zur Rationalisierung im E/K-Prozess

begründen.

• Sie kennen die Hauptansätze zur Prozessrationalisierung.

• Sie kennen die beiden Hauptansätze zur Rationalisierung in E/K.

• Sie können die Wirkung der Rationalisierungsansätze in E/K

begründen.

• Sie können das Wesen von SE erklären.

• Sie können den Top-Down-Prozess und seine Wirkung für die

Rationalisierung von E/K erklären.

• Sie kennen die Produktarten für eine Rationalisierung in E/K.

• Sie können den Begriff „Baureihe“ erläutern.

• Sie können die Bestimmung des Stufensprungs erläutern.

Lernziele dieser Vorlesung

2



1. Notwendigkeiten zur Rationalisierung in E/K

2. Ansätze zur Rationalisierung

3. Einfluss des Neuheitsgrades

4. Einflussmöglichkeiten der Rationalisierung

1. Einfluss auf die Prozessgestaltung

2. Einfluss auf die Organisation

3. Einfluss auf die Produkte

5. Baureihen

1. Wahl des Stufensprungs

2. Wachstumsgesetz

Rationalisierung in E/K

3



Das Ziel eines Unternehmens ist die Gewinnerzielung.

Der Gewinn ergib sich aus:

also aus der Differenz zwischen erzieltem Preis und entstandenen Kosten.

Der erzielbare Preis hängt von vielen Faktoren ab, im Wesentlichen aber von der

Art des Marktes.

Soll-Kosten-Ermittlung

Wertschöpfung = Ergebnis des Gütereinsatzes

entstandene Kosten > 1

4



Beim Verkäufermarkt kann der Lieferant seine Vorstellungen vom Preis

durchsetzen:

• wenig Konkurrenz

• große Nachfrage

Beim Käufermarkt muss der Lieferant den Preis den Vorstellungen des Marktes

anpassen:

• viel Konkurrenz

• wenig Nachfrage

Beziehungen: Markttyp - Kosten

Kosten nach Anfall, Preis nach angestrebtem Gewinn

Preis nach Möglichkeiten des Marktes, Kosten nach

angestrebtem Gewinn

5



Der erzielbare Gewinn hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Einflussfaktor: beeinflusst von:

1. Kosten der Produktentstehungsphase:

- Dauer

- Ressourceneinsatz

Entwicklung / Konstruktion

Konstruktion / Fertigung 2. Herstellkosten

Markttyp 3. erzielbarer Preis

Konkurrenzsituation, Produkttyp

(innovatives / konservatives

Marktsegment)

4. Dauer der Marktpräsenzphase,

insbesondere der Wachstumsphase

Entwicklung / Konstruktion 5. Zeitpunkt der Markteinführung

Produktlebenszyklus und Gewinn

6



Mit immer weniger Menschen in immer kürzerer Zeit immer

mehr Produkte entwickeln.

Hauptziele der Rationalisierung

„In möglichst kurzer Zeit (Time to Market) muss mit möglichst wenigen

Ressourcen (Projektkosten) ein kostengünstig zu produzierendes

Produkt (Design for X) entwickelt und konstruiert werden“

weniger Zeit

7

weniger Ressourcen










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


8



Aus dem VDI 2221 Modellprozess lernen wir:

• Wo der größte Aufwand (Ressourcen) steckt

• Wo unsere Zeit bleibt

• Wo das größte Risiko steckt

Ansätze zur Rationalisierung

9



Konstruktionsprozess nach VDI 2221

Aufgabe

Klären und präzisieren der Aufgabenstellung 1

Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen 2

Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen 3

Gliedern in realisierbare Module 4

Gestalten der maßgebenden Module 5

Gestalten des gesamten Produkts 6

Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben 7

Weitere Realisierung

Arbeitsergebnisse

Funktions- strukturen

Prinzipielle Lösungen

Modulare Strukturen

Vorentwürfe

Gesamt- entwurf

Produkt- dokumentation

Phase I

Anforderungs- liste

Phasen

Phase II

Phase III

Phase IV Itera

tives

Vo

r- o

der

Rü

cksp

rin

gen

zu

ein

em

od

er

meh

rere

n A

rbeit

sab

sch

nit

ten

Erf

üll

en

un

d A

np

ass

en

der

An

ford

eru

ng

en

Risiko

Zeit Aufwand

10



Im Wesentlichen sind dies:

• der Neuheitsgrad

• der Dokumentationsaufwand

(Wird bei „Prozess- und Datenmanagement“ behandelt)

Komplexität und Umfang des technischen Gebildes, Terminvorgaben, … spielen

ebenfalls eine Rolle

Welches sind die Ursachen für

• den Aufwand (Ressourcen)?

• den Zeitverbrauch?

• die Risiken?

Ansätze zur Rationalisierung

11










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


12



Daten und Modelle im Konstruktionsprozess

13

An

ford

eru

ng

en

An

ford

eru

ng

slis

te

Fu

nkti

on

szu

sam

men

han

g

Fu

nkti

on

sstr

uktu

r

Wir

kzu

sam

men

han

g

Ph

ysi

kal.

Eff

ekte

Geo

metr

isch

e u

. st

off

lich

e

Merk

male

Pri

nzi

plö

sun

g

Ko

nze

pt

Bau

zusa

mm

en

han

g

Gro

bg

est

alt

Fein

gest

alt

En

twu

rf

Au

sfü

hru

ng

sun

terl

ag

en

Daten: Konkretisierungsgrad

Modelle: Abstraktionsgrad

Geometrie,

Kinematik, Kräfte,

Energie, Stoff,

Signal, Sicherheit,

Ergonomie,

Kontrolle,

Fertigung,…

Funktionsart,

Verknüpfungsart

Hauptfluss:

Energie, Stoff,

Signal

Energieart,

Stoffart, Signalart

Wirkgeometrie

(prinzipiell): Art,

Form, Lage

Wirkbewegung

(prinz.): Art, Form,

Richtung Stoffart

(prinz.): Zustand…

Funktions-

bestimmende Ein-

und

Ausgangsgrößen

an der

Systemgrenze

Wirkgeometrie:

Hauptform,

Komplexität;

Hauptabmess-

ungen; Anord-

nung der Füge-

stellen; Werk-

stoffgruppen.

Wirkgeometrie:

Detailfestlegun,

Fügeverfahren.

Sonstige Geo-

metrie:Detail-

festlegungen

Systemgrenze:

Anschlussmaße,

Anschlussbelast-

ungen,

Gebrauchsdaten

Einzelteile: Ab-

messungen mit

Qualitätsangaben,

Werkstoff mit

Behandlungs-

zustand, Halb-

zeuge, Rohteile,

Normdaten



Konstruktionsarbeitsschritt n

Der Konstruktionsprozess

14

Modellebene

Produktdaten

n

Produktdaten

n+1 Datenebene

Methodenebene

Produkt-

modell n+1

Produkt-

modell n

Methode /

Arbeits-

schritt n

Methode /

Arbeits-

schritt n+1



Vermeide iteratives Zurückspringen

in vorgelagerte Prozessschritte

Durch die Wahl der richtigen/geeigneten

• Modelle

• Daten

• Methoden

Sie beeinflusst die Dauer des Entwicklungs-/ Konstruktionsprozesses

stark (Iteration)

Ansätze zur Rationalisierung 1

Erkenntnis I

15



Ersetze nicht planbare Denkarbeit durch

planbare Routinearbeit!

1. Routinearbeiten dauern prinzipiell kürzer als ständig neu

auszuführende Tätigkeiten (Denkarbeit)

2. Routinearbeiten können geplant werden


Erkenntnis II

16




17

Entwicklung

(Denkarbeit) Abwicklung (Routinearbeit)

Entwicklung

(Denkarbeit) Abwicklung (Routinearbeit)

Rationalisierungs-

potenzial

Risiko Aufwand

• Nimm nur, was Du kennst

• Tue nur, was Du kannst










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


18



Wiederholung von

Arbeitsschritten

vermeiden:

(äußere Iteration)

Aufgabe

Arbeitsschritt 1

Arbeitsschritt 2

Arbeitsschritt 3

Iteration innerhalb

eines Arbeitsschritts

vermeiden:

(innere Iteration)

Arbeitsschritt

weglassen

Rationalisierung des Konstruktionsprozesses

19



Effizienzsteigerungen eines Prozesses

20



Aufgrund entsprechender Maßnahmen kann einer oder mehrere Arbeitsschritte entfallen.

Beispiel:

Bei Produkten einer Baureihen sind keine Arbeitsschritte zum Konzipieren erforderlich.

Weglassen von Arbeitsschritten

Durchlaufzeitverkürzung: prinzipieller Ansatz

Die iterative Wiederholung von Arbeitsschritten innerhalb eines Hauptarbeitsschritts wird

vermieden.

Beispiel:

Optimierende Auslegung und Gestaltung eines Bauteils erfolgt iterativ

Vermeidung der inneren Iteration

21



Durch entsprechende Produktgestaltung und Definition der Systemschnittstellen wird eine

parallele Bearbeitung der Aufgaben möglich.

Beispiel:

Bei Produkten, die aus Modulen gebildet werden, können die einzelnen Module parallel

bearbeitet werden, wenn die Module untereinander jeweils eindeutige Schnittstellen

haben und die Funktionen und zulässigen Bauräume eindeutig festgelegt sind.

Der Rücksprung zu vorhergehenden Prozesshauptschritten wird vermieden.

Beispiel:

Bei einem eingeführten Baukasten ist bei einer Neukonfiguration eines Produkts aus dem

Baukasten der Rücksprung aus dem Arbeitsschritt „Gestalten“ in den Arbeitsschritt

„Konzipieren“ ausgeschlossen.

Durchlaufzeitverkürzung: prinzipieller Ansatz

22

Arbeitsschritten parallel durchführen

Vermeidung der äußeren Iteration



Der parallele Konstruktionsprozess

23

Modellebene

Produktdaten

n

Produktdaten

n+1

Datenebene

Zeitachse

Methodenebene

Produkt-

modell n+1

Produkt-

modell n

Methode / Arbeits-

schritt n+1

Konstruktions

-schritt n+1

Methode / Arbeits-

schritt n



Forderungen zur:

• Vermeidung von Iterationsschritten im Konstruktionsprozess

• Parallelisierung der Arbeitsschritte im Konstruktionsprozess

Die Eigenschaften des Systems, seiner Subsysteme sowie Systemelemente müssen für

jeden Prozessschritt exakt und eindeutig modellierbar sein

Forderung 1:

Die Prozessschritten müssen unabhängig voneinander sein.

Forderung 4:

Die Subsysteme sowie Systemelemente müssen unabhängig von einander beschreibbar

und entwickelbar sein

Forderung 2:

Die Schnittstellen zwischen den Prozessschritten müssen exakt und eindeutig definiert

sein.

Forderung 3:

Forderungen

24










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


25



Alt: klassischer Anlagen-Prozess

• Konzept-Entwicklung

• Konstruktion

• Fertigungsunterlagen

d. h. Schwerpunkt:

• Abwicklung Konstruktion

• Erstellung Fertigungsunterlagen

Neu: Konfigurations-Management

• Standard-Module

• Komponenten

d. h. Schwerpunkt:

• Produktkonfiguration

• Konzeptverifikation

Konventioneller/KM-Prozess

26



Simultaneous Engineering

Alle Maßnahmen führen zum:

Simultaneous Engineering (SE)

SE bedeutet die Integration von Wissen aller am PEP Beteiligten von Beginn an

• paralleles Arbeiten

• interdisziplinäre Teams

27



Simultaneous Engineering:

Zielgerichtete, interdisziplinäre Zusammenarbeit in parallelen Arbeitsschritten

bei der Vertriebsstrategie sowie der Produkt- und Produktionsentwicklung

Ziele:

• kürzere Entwicklungszeiten

• kürzere Konstruktionszeiten

• Schnellere Produkterstellung

• Kostenreduktion

• Qualitätserhöhung:

- Entwicklungsergebnisse

- Konstruktionsergebnisse

- Produkteigenschaften

Kennzeichen:

• Parallele Aktivitäten

• Arbeiten in interdisziplinären Teams

• Einbeziehung von Zulieferer und Kunden

• hoher Aufwand für Informationsmanagement

• hohe Eigenverantwortung in den Teams

• sehr kurze Entscheidungswege

• konsequente Anwendung von des

Projektmanagements und der entsprechenden Tools:

• Netzplan

• Kostenplan

• Teamarbeit und -management

Kennzeichen von SE

28



Sim

ult

an

eo

us

En

gin

eeri

ng

Ablauforganisation • definierte Projektphasen

• Reviews

• Projektplanung und -controlling

• Ressourcenmanagement

Aufbauorganisation • eingesetzter Projektleiter

• Projektteam

• geregelte Verantwortungen

• Know-How

• notwendige Schulungen

Entwicklungs-Tools • CAD

• CAE

• Simulation

Entwicklungsmethoden • Quality Function Deployment

• „Design for“-Techniken

• FMEA

• Rapid Prototyping

• LCC-Betrachtungen

Voraussetzungen für SE

29



Wesentliche Voraussetzung für den Einsatz des Simultaneous

Engineering ist:

• der Top-Down-Prozess:

- Funktions-/Produktstruktur

- Bauraumfestlegung: Gesamtprodukt/Module

- Schnittstellenfestlegung

• Einsatz adäquater Tools:

- 3D-CAD

- PDM-Systeme

Top-Down-Prozess

30



Zu

neh

men

de K

on

kre

tisi

eru

ng

(Produktarchitektur)

Top-Down-Prozess

31



Fahrzeug

Rohbau kompl. Innenausbau E-Ausrüstung Traktion

Kopfmodul Mittelmodul Antriebsmodul

Haltewinkel Querstrebe

Top-Down-Prozess: Beispiel

Strukturebene

Baugruppenebene

Bauteilebene

32










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


33



Rationalisierungsmaßnahmen beeinflussen die Aufbau- und

Ablauforganisation sehr stark:

Grundlagen- und Modulentwicklung

Abwicklung von Kundenprojekten

Es gibt zwei Hauptbereiche:

Standardisierte Produkte 1

34



Standardisierte Produkte 2

Basisprodukte

Standards

Standard-

komponenten

Engineering-

database Engineering

R: Ressourcen

QS: Qualitätssicherung

PM: Projektmanagement

EK: Einkauf

S: Service

Auftrag

35

interner Auftrag

„Entwicklung“

interner Auftrag

„Konstruktion“

Kundengewinnung

R QS PM EK S

Großprojekte

Projekte

Auftragsabwicklung/Projektmanagement

• Standardkom-

ponenten

• Basisprodukte

• Standards

Modellpflege

Produktentwicklung und -pflege

Systemengineering

• technische Lö-

sungen auf-

tragsspezifisch

Kundenprojekt B

Kundenprojekt A

Projektengineering

Fertigungsstufe B

Fertigungsstufe A

Fertigung










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


36



Bauteil G

Bauteil H

•

Konstruktion

Subsystem 1

Bauteil A

Bauteil B

•

Subsystem 2

Bauteil G

Bauteil H

•

Subsystem n

Arbeitsschritte Konstruktion

Subsystem 1

Bauteil A

Bauteil B

•

Subsystem 2

Subsystem n

Bauteil G

Bauteil H

•

Paralleler

Prozess

Serieller/sequen-

tieller Prozess

Produktarten für die Rationalisierung

37

? • Standardisierung

• Normung

• Vorzugsreihen

• Baureihen

• Baukasten

• Module

• Plattformen

• Features

• Multilife-Produkte



Bauweisen zur Rationalisierung in E/K

38

Baureihenbauweise

Modularbauweise

Plattformbauweise

Featurebauweise










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


39



Getriebebaureihe

40



Baureihe:

funktionsgleiche technische Gebilde (Maschinen, Apparate, Geräte), die der

Größe nach systematisch gestuft sind

Bei einer Baureihe sind

unterschiedlich:

• die Leistungsdaten

• die Abmessungen und davon

abhängige Größen

gleich:

• die Funktion

• die konstruktive Lösung

• möglichst der Werkstoff

• möglichst die

Fertigung/Fertigungsverfahren

Baureihe

41



Vorteile:

• Produktschwächen/Entwicklungsfehler wirken sich in der gesamten Baureihe aus

• Größenstufung deckt die Marktbedürfnisse nicht immer optimal ab

Hersteller:

• einmaliger Konstruktionsaufwand

• umfangreichere Produkterfahrung

• höhere Losgrößen in der Fertigung

• einmalige „Lernkurven“ führen zu höherer

Qualität

Anwender:

• preisgünstiges, qualitativ gutes Produkt

• kurze Lieferzeiten

• Besserer Service: Ersatzteilverfügbarkeit,

Ersatzteilpreise, Produkt-Know-How

Nachteile:

Baureihe: Auswirkungen

42



Hersteller:

Wenige Mitglieder,

große Abstände in der

Größe

Kunde:

Viele Mitglieder,

kleine Abstände in

der Größe

Wider-

spruch

Hauptgesichtspunkte von Baureihen

43



?

Hauptgesichtspunkte:

Stufensprung: Welchen Größenabstand haben die Mitglieder der Baureihe voneinander?

Wachstumsgesetz: Wie verhalten sich die Dimensionen der Bauteile einer Baureihe?

?

Hauptgesichtspunkte von Baureihen

44










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


45



Der Stufensprung beeinflusst:

• Einmalkosten:

Vorrichtungen, Gussformen, …

• Betriebskosten:

Maschine zu groß für Kunden, …

• Life-Cycle-Costs:

Maschine zu klein: häufige Überlastung und Reparaturen, …

Wahl des Stufensprungs

46



Die Festlegung des Stufensprungs erfolgt in 2 Stufen:

Stufe 1:

Gesetz zur Beschreibung der Größenstufung der Mitglieder einer Baureihe

(Stufensprung)

• linearer Abstand

• nicht linearer Abstand (z. B. Normzahlreihen)

Stufe 2:

Ermittlung des umzusetzenden Stufensprungs

• Marktanalysen

• Konkurrenzanalysen

• etc.


47



Normzahlreihen sind dezimalgeometrische Reihen

Sie entstehen durch Vervielfachung mit einem konstanten Faktor (Stufensprung)

Sie werden innerhalb einer Dekade entwickelt:

höchstes Glied der Reihe

1. Glied

Stufenzahl innerhalb einer Dekade

nn

a

a10

0

n

10ˆ25,11010 R

20ˆ12,11020 R

na

0a

n


Beispiel: R10 – 10 Stufen in der Reihe

Beispiel: R20 – 20 Stufen in der Reihe

Gliederzahl: z = n + 1

48



Normzahlreihe, DIN 323

49



Veränderlicher Stufensprung

50



Normzahlreihe, DIN 323

Ausblenden von Stufen

51



Marktanalysen durch z. B. :

• Kundenbefragungen

• Verkaufsanalysen der bisherigen Produkte

• Analyse der Produkte der Wettbewerber

• …


Die Wahl des Stufensprungs beeinflusst auch die Stückzahl pro

Größensprung.

52



Anlagenleistung

Kundenwunsch:

17 unterschiedliche Leistungen

Lieferung des Herstellers:

drei Maschinentypen in

größeren Stückzahlen

5 mal

125 KW

6 mal

200 KW

6 mal

315 KW

100 KW 200 KW 325 KW

Baureihe:

„Klassiergerät“ R10/2

Baureihe als „Klassiergerät“

53










5. Baureihen


2. Wachstumsgesetz


54



Ähnlichkeitsgesetze hier:

Gesetz zur Beschreibung des Wachstums anderer,

abhängiger Größen und zur Kontrolle der Umsetzbarkeit

des gewählten Stufensprungs.

Wachstumsgesetz

55



Ähnlichkeitsgesetze: geometrische Ähnlichkeit

„Schön wäre es, wenn man nur einmal zeichnen müsste und alle

anderen Größen sich aus diesen Entwurf ableiten ließen.“

fast alle technischen Beziehungen lassen sich darstellen:

in logarithmischer Form:

Lösung:

Pxcy

)lg()lg()lg( cxPy

Ähnlichkeitsgesetze

56



Jede Normzahl (NZ) kann geschrieben werden:

NZ = 10m/n (NZ der m-ten Stufe aus Rn)

oder:

lg(NZ) = m/n lg φ(n) = 1/n

technische Beziehungen können geschrieben werden:

my/n = mc/n + p*mx/n

(dies ist eine Geradengleichung)

Normzahlen

57

Beispiel:

3-te Stufe R10: m = 3 (m = Stufe der NZ-Reihe); n = 10 (Stufenzahl einer Dekade)

NZ = 103/10 ≈ 2






Ableitung der Folgeentwürfe:

• Alle Abhängigkeiten können als Gerade im

lg/lg-Diagramm dargestellt werden

• Die Steigung der Geraden = dem Exponenten „p“ der technischen

Beziehung

Den ersten Entwurf, aus dem sich alle anderen ableiten nennt man:

Grundentwurf (sollte die mittlere Größe repräsentieren)

Grundentwurf und Folgeentwürfe

58



Index „0“ = Grundentwurf

Index „1“ = Folgeentwurf

Beziehungen im NZ-Diagramm

59






Mit Hilfe der geometrischen Ähnlichkeit können ausgehend vom

Grundentwurf alle geometrischen Beziehungen zwischen

Grundentwurf und den Folgeentwürfen abgeleitet werden.

Frage: wie verhält sich die

• Festigkeit?

• Beschleunigungen?

• Kräfte?

• …

Diese Fragen beantwortet die Ähnlichkeitsmechanik

Ähnlichkeitsmechanik 1

60



Phys. Verhalten des Modells

Modellgesetze

Phys. Verhalten der Hauptausführung

Ähnlichkeitsmechanik 2

61



Ziele bei der Anwendung von Ähnlichkeitsgesetzen:

• gleich hohe Werkstoffausnutzung

• möglichst gleiche Werkstoffe

• möglichst gleiche Technologie für Modell und Ausführung

Grundähnlichkeiten:

Grundähnlichkeiten

62



„

„

„

„

Spezielle Ähnlichkeitsbeziehungen

63



(betrachtete Größe verhält sich in Abhängigkeit von der Länge)

Parameterverhalten bei dyn. Ähnlichkeit

64



Ähnlichkeitsgesetze: Beispiel Turm

65



Grenzen geometrische ähnlicher Baureihen ergeben sich durch:

• übergeordnete Ähnlichkeitsgesetze: z. B. Einfluss der Schwerkraft, thermische

Vorgänge, ...

• übergeordnete Aufgabenstellungen: ergonomische Gesichtspunkte wie Greifräume usw.

• übergeordnete wirtschaftliche Gesichtspunkte: z. B. gleich große Ölschaugläser an

Getrieben unterschiedlicher Baugröße erhöht die Stückzahl.

• Einsatz nicht geometrisch ähnlich gestufter Bauteile, Werkzeuge: Zahnradfräser sind

nicht geometrisch ähnlich gestuft, Wandstärken bei Gussteilen können nicht

geometrische ähnlich wachsen.

• Forderung nach kostengünstiger Gestaltung: Fußgestaltung von geschweißten

Getriebegehäusen ist abhängig von der Größe

Typengruppen

Produktgruppen bei denen qualitative Parameter variiert werden

Typengruppen:

66



Beachte:

H1/H0 = b1/b0 = 1

Übergeordnete Aufgabenstellung

67



Ende der Bildschirmpräsentation

konstruktionslehre ii vorlesung 4 – rationalisierung des...

Documents