Systematik für die integrative Konzipierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme [original]

Rinje Brandis

Systematik für die integrative

Konzipierung der Montage auf

Basis der Prinziplösung

mechatronischer Systeme

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©Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn – Paderborn – 2014

ISSN 2195-5239

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Geleitwort

Unternehmen sind heute mehr denn je dazu gezwungen, innovative und qualitativ

hochwertige Produkte in kürzester Zeit zu attraktiven Preisen auf den Markt zu bringen.

Dies erfordert neue Ansätze in der Produktentstehung. Die Produktentstehung umfasst

die Aufgabenbereiche Strategische Produktplanung, Produktentwicklung und Produkti-

onssystementwicklung, welche die Hauptpole eines vernetzten Handlungssystems dar-

stellen. Zwischen dem Produkt und dem zugehörigen Montagesystem bestehen vielfa-

che Wechselwirkungen. Montageverfahren schränken den Gestaltungsraum in der Pro-

duktentwicklung ein. Andererseits erfordern bspw. innovative Materialkombinationen

neue Fügeverfahren. Vor diesem Hintergrund ergibt sich die Herausforderung, Produkt

und Montagesystem als Einheit zu betrachten und sie von Beginn an im engen Wechsel-

spiel zu entwickeln.

Herr Brandis hat sich dieser Herausforderung gestellt und eine Systematik für die integ-

rative Konzipierung der Montage entwickelt. Die Systematik unterstützt die beteiligten

Produktentwickler und Montageplaner bei der Erstellung eines ersten Montagekonzepts.

Sie umfasst hierfür ein detailliertes Vorgehensmodell, eine Spezifikationstechnik sowie

Methoden für die Lösung von Teilaufgaben. Die Anwendung der Systematik wird an-

schaulich am Beispiel der Konzipierung eines Pedelecs sowie des zugehörigen Monta-

gesystems erläutert.

Die von Herrn Brandis entwickelte Systematik liefert einen wichtigen Beitrag zu einer

neuen Schule der Produktentstehung für mechatronische Systeme. Durch die Verknüp-

fung von Produkt- und Produktionssystemkonzipierung ist die Systematik ein zentraler

Baustein auf dem Weg zu diesem Ziel.

Paderborn, im Februar 2014 Prof. Dr.-Ing. J. Gausemeier

Systematik für die integrative Konzipierung der Montage auf

Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme

zur Erlangung des akademischen Grades eines

DOKTORS DER INGENIEURWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.)

der Fakultät für Maschinenbau

der Universität Paderborn

genehmigte

DISSERTATION

von

Dipl.-Ing. Rinje Brandis

aus Bielefeld

Tag des Kolloquiums: 20. Januar 2014

Referent: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier

Koreferent: Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza

Vorwort

Die vorliegende Dissertation entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftli-

cher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktentstehung des Heinz Nixdorf Instituts. Ihre

Grundlage bildet meine Forschungsarbeit im BMBF-Verbundprojekt VireS – Virtuelle

Synchronisation von Produktentwicklung und Produktionssystementwicklung.

Die Zeit am Lehrstuhl für Produktentstehung war stets herausfordernd und sehr lehr-

reich. Sie hat meine Arbeitsweise nachhaltig geprägt. Ein großer Dank gilt daher Herrn

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier für seine Förderung und das mir entgegengebrachte

Vertrauen als Mitarbeiter und Teamleiter. Er hat mir die Möglichkeit gegeben, sehr

selbstständig zu handeln und gestaltend mitzuwirken.

Frau Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza vom wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsru-

her Instituts für Technologie danke ich für die Übernahme des Koreferats meiner Dis-

sertation.

Ein großer Dank gilt meinen ehemaligen Kolleginnen und Kollegen für die sehr gute

Zusammenarbeit, die vielen hilfreichen Diskussionen und die schöne Zeit am Lehrstuhl.

An erster Stelle steht hierbei das Team Integrative Produktionssystemplanung: Frank

Bauer, Jan Brökelmann, Dominic Dettmer, Daniel Köchling, Johannes Kolsch, Daniel

Nordsiek, Marcus Petersen, Gerald Rehage, Mariana Reyes Krupp, Vinzent Rudtsch

und Jörg Schaffrath. Dies gilt in besonderem Maße für die beiden Erstgenannten, die

mich die gesamte Zeit über begleitet haben und mir mit Rat und Tat zur Seite standen.

Weiterhin danke ich Tobias Mittag, der mich als studentische Hilfskraft beim Test der

entwickelten Systematik unterstützt hat sowie Jan Kapischke für die Unterstützung bei

der Designstudie.

Abschließend geht ein besonderer Dank an meine Eltern Gabriele und Onno für ihr Ver-

trauen und die Unterstützung auf dem gesamten Weg. Gleiches gilt für meine Ge-

schwister Gerrit und Lilli. Der größte Dank gilt meiner Frau Annika. Sie war in dieser

Zeit immer für mich da, hat mir den Rücken freigehalten und stets an mich geglaubt.

Ohne Euch wäre dies so nicht möglich gewesen. Danke!

Paderborn, im Februar 2014 Rinje Brandis

Liste der veröffentlichten Teilergebnisse

[BGN+09] BRANDIS, R.; GAUSEMEIER, J.; NORDSIEK, D.; REYES-PEREZ, M.: A Holistic Approach for

the Conceptual Design of Production Systems regarding the Interaction between Product

and Production System. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Changea-

ble, Agile, Reconfigurable and Virtual Production (CARV 2009). October 5-7 2009, Mu-

nich, Germany, 2009

[BDT10] BRANDIS, R.; DOROCIAK, R.; TERFLOTH, A.: Softwareunterstützte Modellierung der Prin-

ziplösung – Ein neuer Ansatz für eine integrative Produkt- und Produktionssystement-

wicklung. Produkt Daten Journal, 17. Jahrgang, Nr. 2 2010, ProSTEP iViP e.V., Darm-

stadt, 2010

[GBK10] GAUSEMEIER, J.; BRANDIS, R.; KAISER, L.: Auswahl von Montageverfahren auf Basis der

Produktkonzeption. In: Gausemeier, J.; Rammig, F.; Schäfer, W.; Trächtler, A. (Hrsg.):

7. Paderborner Workshop Entwurf mechatronischer Systeme. 18.-19. März 2010, HNI-

Verlagsschriftenreihe, Band 272, Paderborn, 2010

[GBN+10] GÜNTHER, T.; BRANDIS, R.; NORDSIEK, D.; PETERS, S.; RÜHL, J.: Frühzeitige und qualifi-

zierte Kostenprognose für Produktionssysteme – Praxisbeispiel anhand einer mechatroni-

schen Baugruppe. In: Projektträger Karlsruhe (PTKA) (Hrsg.): 10. Karlsruher Arbeitsge-

spräche Produktionsforschung 2010 – Produktion in Deutschland hat Zukunft. 9.-10.

März 2010, Karlsruhe, 2010

[GBR10] GAUSEMEIER, J.; BRANDIS, R.; REYES-PEREZ, M.: A Specification Technique for the In-

tegrative Conceptual Design of Mechatronic Products and Production Systems. In: Pro-

ceedings of the Design 2010 – 11th International Design Conference. May 17-20 2010,

Dubrovnik, Croatia, 2010

[OB11] OLBRICH, R.; BRANDIS, R.: Methode zur frühzeitigen Ableitung von Fertigungsprozessen

für Blechteile. In: Gausemeier, J.; Schäfer, F.; Trächtler, A. (Hrsg.): 8. Paderborner

Workshop Entwurf mechatronischer Systeme. 19.-20. Mai 2011, HNI-Verlagsschriften-

reihe, Band 294, Paderborn, 2011

[Bra12] BRANDIS, R.: Disziplinübergreifende, modellbasierte Entwicklung – Integrative Entwick-

lung von Produkt und Produktionssystem. Digital Engineering, 3/2012, WIN-Verlag, Va-

terstetten, 2012

[GBD+12] GAUSEMEIER, J.; BRANDIS, R.; DOROCIAK, R.; MÜLDER, A.; NYßEN, A.; TERFLOTH, A.:

Integrative Konzipierung von Produkt und Produktionssystem. In: Gausemeier, J.; Lanza,

G.; Lindemann, U. (Hrsg.): Produkte und Produktionssysteme integrativ konzipieren –

Modellbildung und Analyse in der frühen Phase der Produktentstehung. Carl Hanser Ver-

lag, München, 2012

[GBK12] GAUSEMEIER, J.; BRANDIS, R.; KAISER, L.: Integrative Conceptual Design of Products and

Production Systems for Mechatronic Systems. Proceedings of the 13th International

Workshop on Research and Education in Mechatronics (Mechatronics-REM 2012). No-

vember 21-23 2012, Paris, France, 2012

[NBG13] NORDSIEK, D.; BRANDIS, R.; GAUSEMEIER, J.: Integrative Produktionssystemkonzipierung

in der Mechatronik. ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Jahrgang 108

(2013) 9, Carl Hanser Verlag, München, 2013

Systematik für die integrative Konzipierung der Montage auf Basis

der Prinziplösung mechatronischer Systeme

Moderne technische Produkte sind i. d. R. mechatronische Systeme, deren erfolgreiche

Entwicklung die abgestimmte Zusammenarbeit der beteiligten Fachdisziplinen erfor-

dert. Weiterhin müssen die Wechselwirkungen zwischen dem Produkt und dem zugehö-

rigen Produktionssystem frühzeitig im Entwicklungsprozess Berücksichtigung finden.

Ein geeigneter Ansatzpunkt ist die integrative Konzipierung von Produkt und Produkti-

onssystem. Die Schnittstelle bildet die Konzipierung der Montage, die im Wesentlichen

die montageorientierte Strukturierung des Produkts sowie die Erstellung einer ersten

Montageablaufstruktur umfasst. Das Montagekonzept bildet den Ausgangspunkt für die

Konzipierung der Fertigungsprozesse. Etablierte Ansätze betrachten diesen Übergang

nur unzureichend.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit entstand eine Systematik für die integrative Konzi-

pierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme. Den Kern

bildet ein Vorgehensmodell, welches die durchzuführenden Tätigkeiten detailliert be-

schreibt. Eine Modellierungstechnik ermöglicht die Beschreibung des Produkt- und

Produktionssystemkonzepts. Weiterhin sind bestehende sowie neue Methoden und

Werkzeuge für die Lösung von Teilaufgaben integriert. Produktentwickler und Monta-

geplaner werden bei der Erstellung eines ersten Montagekonzepts unterstützt. Die Sys-

tematik schließt somit die Lücke zwischen der Produkt- und der Produktionssystemkon-

zipierung. Ihre Anwendung wird an einem durchgängigen Beispiel beschrieben.

Design Framework for the Conceptual Design of the Assembly Ba-

sed on the Principle Solution of Mechatronic Systems

For the successfull design of mechatronic systems, the collaboration of experts of the

participating domains is neccecary. In addition the interdependencies between the pro-

duct and the associated production system must already be considered at an early stage

of the development process. A suitable starting point is the integrative conceptual de-

sign. The linkage between these phases is the conceptual design of the assembly system,

including the assembly-oriented structuring of the product as well as the creation of a

first assembly sequence. The assembly concept is the basis for the design of manufac-

turing processes. In established approaches this transition is not considered adequately.

In the present work a design framework for the conceptual design of the assembly based

on the principle solution of mechatronic systems is presented. The design framework

consists of three components: a detailed procedure model, which describes the activi-

ties, a technique for the description of the conceptual design of the product and the pro-

duction system as well as a collection of methods required to solve specific tasks within

the conceptual design. The approach supports the development of a first assembly con-

cept and closes the gap between the conceptual design of the product and the conceptual

design of the according production system. The use of the design framework is il-

lustrated and explained by means of a consistent application example.

Inhaltsverzeichnis Seite i

Inhaltsverzeichnis Seite

1Einleitung ........................................................................................................ 1

1.1Problematik ............................................................................................. 1

1.2Zielsetzung .............................................................................................. 3

1.3Vorgehensweise ...................................................................................... 4

2Problemanalyse .............................................................................................. 5

2.1Begriffsbestimmungen ............................................................................. 5

2.1.1Produktentstehung ....................................................................... 5

2.1.2Prinziplösung – Konzept – Konzeption ......................................... 6

2.1.3Systematik – Methodik ................................................................. 6

2.1.4Der Systembegriff ......................................................................... 7

2.1.5Produktstruktur – Erzeugnisstruktur – Erzeugnisgliederung ........ 8

2.1.6Gestalt – Baustruktur .................................................................. 10

2.1.7Produktion – Fertigungstechnik – Fertigung ............................... 11

2.1.8Montage – Fügen ....................................................................... 11

2.1.9Produktionssystem ..................................................................... 12

2.1.10Montageablaufstruktur – Montagevorranggraph ........................ 13

2.2Der Produktentstehungsprozess ........................................................... 14

2.3Mechatronische Systeme ...................................................................... 17

2.4Entwicklung mechatronischer Produkte ................................................ 18

2.4.1Entwicklung als Problemlösungsprozess ................................... 18

2.4.2Entwicklungsmethodik für technische Systeme und Produkte ... 20

2.4.3Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme ................. 23

2.4.3.1Problemlösungszyklus als Mikrozyklus ...................... 24

2.4.3.2V-Modell auf der Makroebene .................................... 24

2.4.4Fazit und Einordnung der zu entwickelnden Systematik ............ 26

2.5



Entwicklung von Produktionssystemen ................................................. 26



2.5.1



Aufgaben der Arbeitsplanung ..................................................... 27



2.5.1.1



Arbeitsablaufplanung ................................................. 28



2.5.1.2



Arbeitsmittelplanung ................................................... 28



2.5.1.3



Arbeitsstättenplanung ................................................ 29



Systematik für die integrative Konzipierung

der Montage auf Basis der Prinziplösung

mechatronischer Systeme

Seite ii Inhaltsverzeichnis

2.5.1.4Materialflussplanung (Produktionslogistik) ................. 30

2.5.2Entwicklungssystematik für Produktionssysteme ....................... 30

2.5.2.1Systematik zur Planung und Einführung komplexer

Produktionssysteme ................................................... 31

2.5.2.2Vorgehen bei der Arbeitsablaufplanung ..................... 33

2.5.2.3Vorgehen bei der Montageplanung ............................ 34

2.5.3Fazit und Einordnung der zu entwickelnden Systematik ............ 38

2.6Integrative Konzipierung mechatronischer Systeme und der zuge-

hörigen Produktionssysteme ................................................................. 38

2.6.1Spezifikationstechnik CONSENS zur Beschreibung der Pro-

dukt- und Produktionssystemkonzeption .................................... 39

2.6.2Vorgehensmodell für die integrative Konzipierung ..................... 44

2.6.3Fazit und Einordnung der zu entwickelnden Systematik ............ 47

2.7Problemabgrenzung .............................................................................. 48

2.8Anforderungen ....................................................................................... 52

3Stand der Technik ......................................................................................... 54

3.1Integrative Entwicklung von Produkt und Montage ............................... 54

3.1.1Integrierter Vorgehensplan für Konstruktion und Montage-

planung nach BICHELMAIER ......................................................... 54

3.1.2Integrierte Produktentwicklung und Montageplanung nach

GRUNWALD .................................................................................. 57

3.1.3Methodik für die entwicklungs- und planungsbegleitende

Generierung und Bewertung von Produktionsalternativen

nach MÜLLER .............................................................................. 58

3.1.4Systematik zur Produktionssystemkonzipierung auf Basis der

Prinziplösung mechatronischer Systeme nach NORDSIEK .......... 61

3.2Frühzeitige Gestaltmodellierung ............................................................ 62

3.2.1Methodisches Gestalten nach EHRLENSPIEL ............................... 63

3.2.2Baukonzept nach PONN/LINDEMANN ............................................ 63

3.2.3Contact and Channel Model nach ALBERS/MATTHIESEN ............. 65

3.2.4Schrittweise Gestaltsynthese nach LEMBURG ............................. 66

3.2.5Module Interface Graph nach BLEES .......................................... 67

3.3Montageorientierte Produktstrukturierung ............................................. 68

3.3.1Design Structure Matrix .............................................................. 69

3.3.2Produktstrukturierung nach STEFFEN .......................................... 70

3.3.3



Produktstrukturierung nach DAHL ............................................... 72



3.3.4



Methodische Unterstützung der Systembildung (METUS) ......... 74



3.3.5



Modularisierung nach KOEPPEN .................................................. 76



3.3.6



Modularisierung nach VDI-Richtlinie 2223 ................................. 78



3.3.7



Festlegung der Produktarchitektur nach SEDCHAICHARN ............ 79



Inhaltsverzeichnis Seite iii

3.4Technologieauswahl .............................................................................. 81

3.4.1Verbindungsauswahl nach VDI-Richtlinie 2232 ......................... 81

3.4.2Technologieauswahl nach ASHBY ............................................... 83

3.4.3Technologieauswahl nach SWIFT/BOOKER .................................. 85

3.4.4Konstruktionskataloge ................................................................ 86

3.5Montagegerechte Produktgestaltung .................................................... 88

3.5.1Design for Assembly (DfA) ......................................................... 88

3.5.2Informationssystem für DfX-Richtlinien nach BAUER .................. 90

3.6Kommerzielle Softwaresysteme für die integrierte Produktentste-

hung ................................................................................................... 91

3.7Handlungsbedarf ................................................................................... 92

4Anwendungsbeispiel Pedelec ....................................................................... 96

5Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage ................................ 99

5.1Grundidee .............................................................................................. 99

5.2Lösungsansatz .................................................................................... 100

5.3Prinzipielles Vorgehen der Systematik ................................................ 101

5.4Bestandteile der Systematik ................................................................ 104

5.4.1Vorgehensmodell ..................................................................... 105

5.4.2Spezifikationstechnik ................................................................ 105

5.4.3Methoden ................................................................................. 106

6Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage ....................... 108

6.1Konzipieren der Produktgestalt ........................................................... 108

6.1.1Spezifikation der Produktgestalt ............................................... 109

6.1.1.1Gestaltung von Bauteilen ......................................... 112

6.1.1.2Gestaltung von Baugruppen .................................... 113

6.1.2Analyse der Wirkstruktur .......................................................... 114

6.1.3Formalisierung der Bauzusammenhänge ................................ 116

6.1.4Konkretisierung der Bauzusammenhänge ............................... 117

6.2Planen und Klären der Montageaufgabe ............................................. 119

6.2.1Analyse der Produktanforderungen .......................................... 119

6.2.2Ermittlung weiterer Montageanforderungen ............................. 120

6.2.3Festlegung der grundsätzlichen Montagemethode .................. 121

6.3Montageorientierte Produktstrukturierung ........................................... 122

6.3.1



Identifikation von Montagezwangsfolgen ................................. 124



6.3.2



Ableitung der Beziehungsmatrizen ........................................... 126



6.3.3



Montageorientierte Strukturierung ............................................ 128



6.3.3.1



Cluster ...................................................................... 130



6.3.3.2



Brücken und freie Elemente ..................................... 132



Seite iv Inhaltsverzeichnis

6.3.3.3Clusterüberlappung .................................................. 133

6.3.4Erstellung der montageorientierten Erzeugnisgliederung ........ 135

6.4Konzipierung des Montageprozesses ................................................. 136

6.4.1Ableitung einer ersten Prozesskette ......................................... 137

6.4.2Ergänzung bekannter Montageprozesse ................................. 138

6.4.3Hierarchisierung und Detailierung der Montageprozesse ........ 139

6.4.4Auswahl neuer Montageverfahren ........................................... 144

6.4.4.1Formulierung der Verbindungsanforderungen ......... 145

6.4.4.2Identifikation geeigneter Montageverfahren ............. 146

6.4.4.3Bewertung und Auswahl .......................................... 148

6.4.4.4Konkretisierung der Prozesskette ............................ 150

6.4.4.5Anpassung der Prinziplösung / Verfahrensentwick-

lung .......................................................................... 150

6.4.5Ableitung von Produktrestriktionen ........................................... 151

6.5Konzipierung des Montagesystems .................................................... 153

6.5.1Auswahl und Zuweisung der Ressourcen ................................ 153

6.5.1.1Analyse der Eingangsinformationen ........................ 153

6.5.1.2Erstellen von Ressourcenmatrizen .......................... 154

6.5.1.3Analyse der Verfügbarkeit ........................................ 154

6.5.1.4Verknüpfung zu Ressourcenfolgen .......................... 155

6.5.1.5Aufstellen des Ressourcendiagramms ..................... 155

6.5.2Anordnung der Ressourcen ..................................................... 156

6.6Bewertung der Anforderungserfüllung der Systematik ........................ 157

7Zusammenfassung und Ausblick ................................................................ 160

8Abkürzungsverzeichnis ............................................................................... 163

9Literaturverzeichnis ..................................................................................... 167

Inhaltsverzeichnis Seite v

Anhang

A1Ergänzungen zur Entwicklungsmethodik für die Konzipierung mecha-

tronischer Systeme ...................................................................................... A-1

A2Ergänzungen zum Stand der Technik ........................................................ A-2

A2.1Symbolik zur Gestaltbeschreibung ....................................................... A-2

A2.2Übersicht Checklisten und Konstruktionskataloge ............................... A-3

A2.3Ergänzungen zur Technologieauswahl nach ASHBY ............................ A-5

A2.4Ergänzungen zur Technologieauswahl nach SWIFT/BOOKER ............... A-7

A3Ergänzungen zum Produktkonzept des Pedelecs ...................................... A-8

A4Ergänzungen zur Anwendung der Systematik .......................................... A-11

A4.1Sichtenbildung im Mechatronic Modeller ............................................ A-11

A4.2Klassifikation von Verbindungen ........................................................ A-12

A4.3Faktoren zur Bestimmung von Montageanforderungen ..................... A-13

A4.4Gewichtungsfaktoren für die Produktstrukturierung ........................... A-14

A4.5Identifikation von Clustern am Beispiel Pedelec ................................ A-15

A4.6Montageorientierte Erzeugnisgliederung ............................................ A-16

A4.7Gliederungsansätze in der Montage .................................................. A-17

A4.8Bestimmung der Bewertungssumme ................................................. A-18

A4.9Technologiesteckbrief ........................................................................ A-20

A4.10Konzipierung auf Ressourcenebene nach NORDSIEK ...................... A-21

Einleitung Seite 1

1 Einleitung

Diese Arbeit entstand im Rahmen des vom BUNDESMINISTERIUM FÜR BILDUNG UND

FORSCHUNG (BMBF) geförderten Verbundprojekts VireS – „Virtuelle Synchronisation

von Produktentwicklung und Produktionssystementwicklung“ (siehe [GLL12]). Das

Ziel war ein Instrumentarium für die integrative Entwicklung von Produkten und den

zugehörigen Produktionssystemen unter frühzeitiger Berücksichtigung der Aspekte

Kosten und Robustheit. Die beschriebene Systematik für die integrative Konzipierung

der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme schließt die Lücke

zwischen der Produktkonzipierung und der Konzipierung des Produktionssystems und

liefert einen Beitrag zum Instrumentarium.

1.1 Problematik

Produzierende Unternehmen stehen heute immer neuen Herausforderungen gegenüber.

Nicht nur die Märkte unterliegen schnellen Änderungen, auch Einflussfaktoren aus dem

Unternehmensumfeld wirken auf das Unternehmen ein und verändern sich dynamisch

[NWD+08, S. 409], [WZ09, S. 9]. Beispiele für sogenannte Megatrends sind die Globa-

lisierung, die Durchdringung mit neuen Technologien, die Dynamisierung des Produkt-

lebenszyklus sowie die Ressourcenverknappung [AR11, S. 1]. Die Folgen sind eine

Verkürzung der Innovations- und Produktlebenszyklen [AR11, S. 34], eine Steigerung

der Variantenzahl durch kundenindividuelle Produkte [Kin05, S. 11], [BA12, S. 246]

sowie eine Zunahme der Komplexität der Produkte und der Produktionsprozesse

[VWB+09, S. 4]. Weiterhin sind geringe Herstellkosten und eine hohe Produktqualität

gefordert. Die Unternehmen stehen bei der Produkt- und Prozessentwicklung folglich

unter einem stetig wachsenden Zeit- und Innovationsdruck.

Bei modernen maschinenbaulichen Erzeugnissen handelt es sich in der Regel um me-

chatronische Systeme, die durch das enge Zusammenwirken von Mechanik, Elekt-

rik/Elektronik, Regelungstechnik und Softwaretechnik geprägt sind. Kennzeichnend für

diese Produkte sind eine räumliche Integration mechanischer und elektronischer Kom-

ponenten, eine hohe Funktionsintegration sowie die Miniaturisierung der Komponenten

[VDI2206, S. 10f.]. Ein Beispiel sind spritzgegossene dreidimensionale Schaltungsträ-

ger, sogenannte MID-Bauteile1, die sowohl elektrische als auch mechanische Funktio-

nen erfüllen. Weiterhin kommen vielfach neue Werkstoffe und Werkstoffsysteme zum

Einsatz [AR11, S. 116], bspw. hybride Leichtbaustrukturen aus Multimaterialsystemen

mit integrierter Sensorik zur Bauteilüberwachung. Mechatronik und neue Werkstoffe

lassen gänzlich neue Möglichkeiten in der Produktgestaltung zu, gleichzeitig steigt je-

doch die Komplexität der Produkte und Entwicklungsprozesse [GN12, S. 13].

1 MID: Moulded Interconnect Devices

Seite 2 Kapitel 1

Die Entwicklung moderner maschinenbaulicher Erzeugnisse ist durch die synergetische

Zusammenarbeit einer Vielzahl von Fachdisziplinen2 geprägt. Dies umfasst auch die

Planung der zugehörigen Produktionssysteme, um die wirtschaftliche und technische

Herstellbarkeit zu gewährleisten [HB11, S. 1f.]. Produkt und Produktionssystem lassen

sich nicht mehr getrennt voneinander betrachten. Einerseits wird bereits das Produkt-

konzept durch Fertigungs- und Montagetechnologien determiniert [Wes05, S. 137]. An-

dererseits schränken Produkteigenschaften und die Produktgestalt die Auswahl mögli-

cher Fertigungstechnologien ein [BEW+05, S. 155], [Tas05, S. 45] bzw. erfordern in-

novative Produktkonzepte die Weiterentwicklung von Fertigungstechnologien und Pro-

duktionssystemen. Produkt und Produktionssystem müssen daher von Beginn an in ei-

nem engen Wechselspiel entwickelt werden [VDI2206, S. 41], [SLB09, S. 84], [EE11,

S. 141].

Ein Lösungsansatz für die beschriebene Problematik ist die integrative Entwicklung von

Produkt und Produktionssystem3. Die strategische Produktplanung sowie die Produkt-

und Produktionssystementwicklung werden ganzheitlich betrachtet, es werden interdis-

ziplinäre Entwicklungsteams gebildet und vormals sequentielle Arbeitsabläufe paralleli-

siert. Hierfür ist eine Integration der Methoden und Arbeitstechniken der beteiligten

Fachdisziplinen erforderlich [ZML+03, S. 580], [Ehr09, S. 188f.], [AR11, S. 63]. Die

Herausforderungen liegen in der Koordination der parallelen Aktivitäten, der Abstim-

mung der beteiligten Fachbereiche und Organisationseinheiten sowie dem frühzeitigen

Austausch der Ergebnisse [ELP+05, S. 21].

Die integrative Entwicklung von Produkt und Produktionssystem sollte frühestmöglich

beginnen [EE11, S. 141]. Ein geeigneter Ansatzpunkt ist die Phase der Konzipierung

[VDI2206, S. 43], [Mic06, S. 21]. Als Resultat liegt die sog. Prinziplösung vor, welche

die Wirkungsweise und den Systemaufbau festgelegt [GFD+09, S. 209f.] und die Basis

für die Konzipierung des Produktionssystems darstellt [Nor12, S. 2]. Die Schnittstelle

zwischen der Prinziplösung und dem Produktionssystemkonzept bildet die Konzipie-

rung der Montage. Diese hat produktseitig Einfluss auf die Systemstruktur sowie die

Gestalt und auf Seiten des Produktionssystems bestimmt sie maßgeblich die Struktur

des Produktionsprozesses sowie den Automatisierungsgrad.

Heute erfolgt die Entwicklung von Produkt und Produktionssystem meist sequenziell

und arbeitsteilig in verschiedenen Fachabteilungen. Die Abläufe sind wenig durchgän-

gig und von abteilungsspezifischen Arbeitsweisen geprägt (Methoden, Softwarewerk-

zeuge etc.), wobei der Informations- und Erfahrungsaustausch nur sehr eingeschränkt

und in der Regel bilateral zwischen den beteiligten Fachleuten erfolgt. Die Häufigkeit

und Intensität sind von den persönlichen Gewohnheiten und Arbeitsweisen der beteilig-

2 Im Rahmen dieser Arbeit werden die Begriffe Fachdisziplin und Domäne synonym verwendet

3 Synonym werden die Begriffe Integrierte Produkt- und Produktionssystementwicklung sowie Inte-

grierte Produkt- und Prozessentwicklung verwendet (vgl. [GLR+00], [ESA05], [AR11]).

Einleitung Seite 3

ten Akteure abhängig [SL09b, S. 111], [EEW10, S. 200]. Hierdurch hängt die Ergeb-

nisqualität stark von den produktionstechnischen Kenntnissen und dem Verhalten des

Produktentwicklers4 ab [Mor04, S. 6]. Es besteht die Gefahr unnötiger zeit- und kosten-

intensiver Iterationsschleifen im Produktentstehungsprozess (z. B. Konstruktionsänder-

ungen), als Folge von Produktnachbesserungen [EEW10, S. 200]. Daher müssen die

erforderlichen Arbeitsschritte im Produktentstehungsprozess koordiniert und der Einsatz

der Methoden gezielt gesteuert werden [Wac94, S. 56]. Es fehlt eine systematische

Vorgehensweise für die frühzeitige Abstimmung zwischen der Produktentwicklung und

der Produktionssystementwicklung. Dies gilt in besonderem Maße für die Konzipierung

der Montage als Schnittstelle zwischen den beiden Bereichen.

1.2 Zielsetzung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Systematik für die integrative Konzipierung

der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme. Dadurch sollen

Produktentwickler und Montageplaner möglichst frühzeitig bei der Erstellung eines

Montagekonzepts unterstützt werden. Als Resultat liegen eine montageorientierte Pro-

duktstruktur, eine erste Montageablaufstruktur, geeignete Montageverfahren und eine

erste Beschreibung des Montagesystems vor.

Das Montagekonzept bildet das Bindeglied zwischen der Produktentwicklung und der

Produktionssystementwicklung (vgl. [Fra03, S. 27f.]). Auf Seiten der Produktentwick-

lung ermöglicht es die Überprüfung der Produktgestalt unter montageorientierten Ge-

sichtspunkten, bspw. hinsichtlich Montagegerechtheit und Automatisierbarkeit. In der

Produktionssystementwicklung ist es der Ausgangspunkt für die Konzipierung der Fer-

tigungsprozesse. Weiterhin enthält das Montagekonzept Informationen für frühzeitige

Analysen, z. B. lassen sich die Montagekosten abschätzen (vgl. [GBN+10]), die einen

wesentlichen Anteil der späteren Herstellkosten ausmachen.

Der Kern der Systematik ist ein Vorgehensmodell, welches die durchzuführenden Tä-

tigkeiten bei der Konzipierung der Montage sowie die zugehörigen Ein- und Aus-

gangsinformationen detailliert beschreibt. Weiterhin steuert es den Einsatz der Metho-

den und Werkzeuge. Den beteiligten Fachleuten stehen somit ein prozessorganisatori-

scher Leitfaden sowie Methoden und Werkzeuge zur Verfügung.

4 Die Inhalte der vorliegenden Arbeit beziehen sich in gleichem Maße sowohl auf Frauen als auf Män-

ner. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit wird jedoch die männliche Form (Ingenieur, Konstrukteur

etc.) für alle Personenbezeichnungen gewählt. Die weibliche Form wird dabei stets mitgedacht. Eine

Ausnahme bilden Inhalte, die ausdrücklich auf Frauen bezogen werden.

Seite 4 Kapitel 1

1.3 Vorgehensweise

Die beschriebene Problematik wird in Kapitel 2 detailliert und analysiert. Zu Beginn

werden die für die Arbeit relevanten Begriffe erläutert und die Arbeit in den Pro-

duktentstehungsprozess eingeordnet. Es folgt eine Beschreibung der Eigenschaften und

Besonderheiten mechatronischer Systeme. Anschließend werden Entwicklungsmetho-

den für Produkte und Produktionssysteme analysiert. Der Fokus liegt hierbei auf der

frühen Entwicklungsphase mechatronischer Systeme, der sogenannten Konzipierung,

sowie auf der Arbeitsablauf- und Montageplanung. Das Kapitel schließt mit der Ab-

grenzung des Problems und der Ableitung von Anforderungen an die Systematik.

In Kapitel 3 wird ein Überblick über den Stand der Technik gegeben. Zunächst werden

Vorgehensweisen für die integrative Entwicklung von Produkt und Montage untersucht.

Anschließend folgt die Vorstellung dedizierter Methoden, die Teilaufgaben der Monta-

gekonzipierung unterstützen. Dies sind Ansätze zur frühzeitigen Gestaltmodellierung,

der montageorientierten Produktstrukturierung, der Technologieauswahl sowie der

montagegerechten Produktgestaltung. Abschließend werden die untersuchten Ansätze

gegen die Anforderungen bewertet und der Handlungsbedarf abgeleitet.

Die entwickelte Systematik wird am Beispiel eines Demonstrators vorgestellt. Dieser

wird in Kapitel 4 beschrieben. Es handelt sich um ein Elektrofahrrad mit tretkraftab-

hängiger Motorunterstützung, ein sog. Pedelec (Pedal Electric Cycle).

In Kapitel 5 wird die Grundidee der zu entwickelnden Systematik zur integrativen Kon-

zipierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme vorge-

stellt. Anschließend wird diese in die Entwicklungsmethodik zur integrativen Konzipie-

rung von mechatronischen Systemen und der zugehörigen Produktionssysteme einge-

ordnet und ihre Bestandteile werden kurz erläutert.

Inhalt von Kapitel 6 ist die detaillierte Erläuterung der entwickelten Systematik. Dies

umfasst das Vorgehen, die einzusetzenden Methoden sowie die zugehörigen Werkzeu-

ge. Das Pedelec dient als durchgängiges Beispiel für die nachvollziehbare Erläuterung

der Systematik. Das Kapitel schließt mit einer Bewertung der Systematik gegen die in

Kapitel 2 abgeleiteten Anforderungen.

In Kapitel 7 wird die Arbeit abschließend zusammengefasst. Weiterhin wird ein Aus-

blick auf zukünftige Fragestellungen gegeben und der aus dieser Arbeit resultierende

Forschungsbedarf wird beschrieben.

Der Anhang umfasst ergänzende Informationen und Erläuterungen. Dies sind bspw.

Ergänzungen zum Stand der Technik sowie zur Anwendung der Systematik.

Problemanalyse Seite 5

2 Problemanalyse

Das Ziel dieses Kapitels sind Anforderungen an eine Systematik zur integrativen Konzi-

pierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme. Den Aus-

gangspunkt bildet die in Kapitel 1 beschriebene Problematik. Sie wird in diesem Kapi-

tel detailliert betrachtet und analysiert. Zunächst führt Kapitel 2.1 die für das Verständ-

nis dieser Arbeit relevanten Begriffe ein und definiert diese. Anschließend wird in Kapi-

tel 2.2 der allgemeine Produktentstehungsprozess für mechatronische Systeme vorge-

stellt und die integrative Konzipierung der Montage in diesen eingeordnet. Auf die Ei-

genschaften und Besonderheiten mechatronischer Systeme wird in Kapitel 2.3 einge-

gangen. Die Grundlagen der Entwicklung derartiger Systeme sind Inhalt von Kapi-

tel 2.4. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Konzipierung, da das Produktkonzept den

Ausgangspunkt für die Montagekonzipierung bildet. Kapitel 2.5 geht auf die Entwick-

lung von Produktionssystemen ein. Die Arbeitsplanung und insb. die Montageplanung

als Schnittstelle zwischen Produkt- und Produktionssystementwicklung stehen hierbei

im Fokus. In Kapitel 2.6 wird die Entwicklungsmethodik für die integrative Konzipie-

rung mechatronischer Systeme vorgestellt. Abschließend erfolgen die Problemabgren-

zung in Kapitel 2.7 und die Ableitung von Anforderungen in Kapitel 2.8.

2.1 Begriffsbestimmungen

Im Folgenden werden die für das Verständnis dieser Arbeit relevanten Begriffe kurz

erläutert. Bei Bedarf werden diese definiert und in den Kontext der Arbeit eingebettet.

2.1.1 Produktentstehung

Die Produktentstehung1 beschreibt einen Teil des Produktlebenszyklus. Den Ausgangs-

punkt bildet die Geschäfts- oder Produktidee. Der Abschluss der Produktentstehung ist

in der Literatur unterschiedlich festgelegt. Nach WESTKÄMPER endet die Produktentste-

hung mit dem Prototypenbau. Aspekte der Produktionssystementwicklung werden nicht

berücksichtigt [Wes05, S. 117f.]. Die Produktentstehung nach GAUSEMEIER ET AL. um-

fasst zusätzlich die Produktionssystementwicklung und endet mit dem Serienan-

lauf [GLR+00, S. 3], [GW11, S. 14]. EHRLENSPIEL, ABELE und REINHART fassen auch

die Fertigung als Teil der Produktentstehung auf. Sie endet mit der Auslieferung an den

Kunden [Ehr09, S. 1], [AR11, S. 6].

Im Rahmen dieser Arbeit wird als Produktentstehung der Prozess von der Geschäfts-

bzw. Produktidee bis zum Serienanlauf des Produkts verstanden. Dieser umfasst die

1 Die Begriffe Produkterstellung und Produktengineering werden in der Literatur synonym verwendet

[GLR+00, S. 2], [Ehr09, S. 695].

Seite 6 Kapitel 2

Phasen Strategische Produktplanung, Produktentwicklung und Produktionssystement-

wicklung [GPW09, S. 39f.].

2.1.2 Prinziplösung – Konzept – Konzeption

Das Ergebnis der Konzipierung im Rahmen der Produktentwicklung ist die Prinziplö-

sung [PBF+07, S. 198], [Ehr09, S. 254] (vgl. Kap. 2.4.1). Sie beschreibt die Wirkungs-

weise sowie den Aufbau des Systems mittels Lösungsprinzipien und stellt somit einen

ersten Lösungsvorschlag für die Entwicklungsaufgabe dar [VDI2221, S. 41]. Eine voll-

ständige Lösungsbeschreibung liegt mit der Prinziplösung nicht vor [PL11, S. 114].

Die Begriffe Konzept und Konzeption werden umgangssprachlich häufig synonym

gebraucht. In der Sozialpädagogik werden die Begriffe nach ihrem Konkretisierungs-

grad unterschieden. Unter einem Konzept ist ein erster, noch modifizierbarer Entwurf

zu verstehen. Demgegenüber beschreibt die Konzeption den festgelegten und ausgear-

beiteten Entwurf [Kre08, S. 9f.]. Bei der Prinziplösung handelt es sich dementsprechend

um ein Konzept [Nor12, S. 6].

Die vorliegende Arbeit folgt dieser Definition. Mit der Prinziplösung wird ein Produkt-

konzept beschrieben. Dieser erste Entwurf ist im weiteren Entwicklungsverlauf zu de-

taillieren und zu konkretisieren. Analog handelt es sich bei dem Resultat der Produkti-

onssystemkonzipierung um ein Produktionssystemkonzept.

2.1.3 Systematik – Methodik

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter einer Systematik eine „planmäßige, ein-

heitliche Darstellung [bzw.] einheitliche Gestaltung nach bestimmten Ordnungsprinzi-

pien“ verstanden [Dud10]. Der Begriff findet vorwiegend in der Biologie Gebrauch und

beschreibt die „Wissenschaft von der Vielfalt der Organismen und ihrer Erfassung in

einem System“ [Dud13b-ol]. Systematiken im Bereich Maschinenbau sind z. B. die Sys-

tematik der Einteilung der Stähle [GS12, S. 12] oder die Systematik der Maschinen- und

Konstruktionselemente [BBJ+12, S. 131].

BISCHOF und HANSEN verwendeten den Begriff erstmalig im Kontext der Produktent-

wicklung. Demnach ist eine Konstruktionssystematik „das planmäßige, wissenschaftli-

che Kombinieren der Einzelerkenntnisse der Technik zum Aufbau eines technischen

Gebildes“ [Han55, S. 36], [Hub76, S. 74]. Hiervon ausgehend definiert DUMITRESCU

eine Entwicklungssystematik als:

„Ein universelles Rahmenwerk, das ein Vorgehensmodell sowie dedi-

zierte Hilfsmittel zur erfolgreichen Umsetzung der Entwicklung tech-

nischer Systeme bereitstellt. Sie ermöglicht weder ein automatisiertes

Entwickeln noch ist sie ein Ersatz für die kreative Leistung des An-

wenders. Das Vorgehensmodell strukturiert den Entwicklungsprozess

Problemanalyse Seite 7

nach aufgabenspezifischen Gesichtspunkten. Hilfsmittel können bspw.

Methoden, Richtlinien, Spezifikationstechniken/Modellierungsspra-

chen, Konstruktionsprinzipien, Entwurfsmuster oder Werkzeuge sein“

[Dum11, S. 6].

Allgemein wird unter einer Methodik ein Teilgebiet einer Wissenschaft verstanden,

welches sich mit dem Methodengefüge des entsprechenden Fachgebiets befasst und

Methoden bereitstellt [Mül90, S. 17]. Häufig wird in der Produktentwicklung auch das

„Zusammenwirken verschiedener Einzelmethoden“ als Methodik bezeichnet [Lin07,

S. 33]. Darüber hinaus beinhalten solche Entwicklungsmethodiken Erkenntnisse aus der

Denk- und Arbeitspsychologie sowie organisatorische Leitlinien zur interdisziplinären

Zusammenarbeit [PBF+07, S. 10f.], [Dum11, S. 6].

Die Arbeit folgt der Definition nach DUMITRSCU. Somit besteht die zu entwickelnde

Systematik aus einem Vorgehensmodell und Hilfsmitteln. Die Hilfsmittel sollen die

integrative Konzipierung der Montage unterstützen. Es sind etablierte Hilfsmittel zu

verwenden und in das Vorgehen zu integrieren. Ist dies nicht möglich, sind die Hilfsmit-

tel auf die gegebene Problemstellung anzupassen bzw. neue Hilfsmittel zu entwickeln.

2.1.4 Der Systembegriff

Komplexe technische Erzeugnisse sowie die zur ihrer Herstellung eingesetzten Produk-

tionssysteme können nach den Grundprinzipien der Systemtheorie als Systeme betrach-

tet werden [HWF+12, S. 34ff.]. Die systemtheoretische Betrachtung erleichtert das Ver-

ständnis und den Umgang mit komplexen Systemen [Sch05b, S. 32f.], [Lin07, S. 54],

[VWB+09, S. 100ff.]. EHRLENSPIEL definiert ein System folgendermaßen:

„Ein System besteht aus einer Menge von Elementen (Teilsystemen),

die Eigenschaften besitzen und durch Beziehungen miteinander ver-

knüpft sind. Ein System wird durch eine Systemgrenze von der Umge-

bung abgegrenzt und steht mit ihr durch Ein- und Ausgangsgrößen in

Beziehung (offenes System)“ [Ehr09, S. 19].

Die Elemente beschreiben das System auf der gewählten Betrachtungsebene. Sie kön-

nen ihrerseits auch als Systeme aufgefasst werden, die wiederum aus einzelnen Elemen-

ten (Teilsystemen) bestehen. Hierdurch ergeben sich hierarchische Ordnungsbeziehun-

gen (Aggregationsbeziehungen). Weiterhin existieren Flussbeziehungen zwischen den

Elementen, wie Stoff-, Energie- und Informationsflüsse. Die Gesamtheit der Elemente

und ihrer Beziehungen wird als Struktur des Systems bezeichnet. Über Ein- und Aus-

gangsgrößen werden die Beziehungen des Systems zu seiner Umgebung beschrieben,

welche sämtliche Elemente und Einflüsse außerhalb der Systemgrenze umfasst. Diese

können auf das System einwirken bzw. vom System beeinflusst werden. Als Verhalten

wird die Gesamtheit aller Reaktionen des Systems bezeichnet [Mül90, S. 58], [PBF+07,

S. 17], [Ehr09, S. 19ff.]. Bild 2-1 zeigt die Grundbegriffe der Systemtheorie.

Seite 8 Kapitel 2

Bild 2-1: Grundbegriffe der Systemtheorie nach [DH02, S. 5]

Der Nutzen der Systemtheorie und dem „Denken in Systemen“ liegt in einer erhebli-

chen Vereinfachung der Planung, Entwicklung und Konstruktion technischer Systeme

[Ehr09, S. 26], [DH02, S. 9ff.]:

• Komplexitätsreduzierung durch klare Systemgrenzen, Betrachtung einzelner

Elemente als „Black-Box“, Hierarchisierung des Systems über mehrere Betrach-

tungsebenen und die Bildung unterschiedlicher Sichten auf das System.

• Frühzeitige Identifikation der Eigenschaften des Systems durch gedankliche,

graphische oder mathematische Modelle und deren Simulation.

• Reduktion auf das Wesentliche eines Systems durch eine abstrakte Modellierung

der relevanten Systembestandteile.

2.1.5 Produktstruktur – Erzeugnisstruktur – Erzeugnisgliederung

Die Begriffe Produktstruktur, Erzeugnisstruktur und Erzeugnisgliederung sind nicht

einheitlich definiert und werden in der Literatur unterschiedlich verwendet. Teilweise

werden sie auch synonym genutzt [Bre97, S. 4], [Rap99, S. 9ff.].

Als Produktstruktur bezeichnen EVERSHEIM und UNGEHEUER die Zusammensetzung

eines Erzeugnisses aus Teilelementen und deren Zuordnung untereinander [Ung86,

S. 158], [Eve89, S. 145]. SCHUH definiert die Produktstruktur als die Zusammensetzung

eines Produkts, das aus Komponenten, Baugruppen und Einzelteilen besteht [Sch05a,

S. 119ff.]. Nach RAPP ist die Produktstruktur eine Produkteigenschaft, welche die Zu-

ordnung der Produktbestandteile zueinander beschreibt [Rap99, S. 9f.]. MEIER definiert

die Produktstruktur als „strukturierte Abbildung eines Produkts aus seinen physischen

Komponenten. Sie zeigt die Zusammenhänge zwischen den Komponenten sowie deren

Schnittstellen“ [Mei07, S. 43].

Die Erzeugnisstruktur ist nach DIN 199 definiert als die „Gesamtheit der nach einem

bestimmten Gesichtspunkt festgelegten Beziehungen zwischen den Gruppen und Teilen

eines Erzeugnisses“ [DIN199-5, S. 1]. Ihre Gliederung kann z. B. funktional oder mon-

System

Systemgrenze

Teilsystem

Beziehung

Element

Umgebungselement

Umgebung

Problemanalyse Seite 9

tageorientiert erfolgen und die Darstellung graphisch als Strukturbaum oder tabellarisch

als Stückliste erfolgen [DIN199-5, S. 1].

Die Erzeugnisgliederung wird zum Teil synonym zur Produktstruktur gesetzt [Ung86,

S. 158]. Nach anderen Definition ist sie ein Abbild der Produktstruktur und somit eine

Sichtweise auf diese [Rap99, S. 9f.].

In der vorliegende Arbeit wird das Begriffsverständnis von RAPP zugrunde gelegt

[Rap99, S. 9f.]. Bild 2-2 zeigt den Zusammenhang zwischen Produktstruktur und Er-

zeugnisgliederung.

Bild 2-2: Zusammenhang zwischen Produktstruktur und Erzeugnisgliederung nach

[Rie03, S. 31]

Unter der Produktstruktur wird die Gesamtheit aller Beziehungen zwischen den Ele-

menten des Produkts verstanden [Rap99, S. 9], [Rie03, S. 30]. Durch die Konzentration

auf einen Beziehungsaspekt werden Sichten auf die Produktstruktur gebildet. Beispiele

sind die Funktionsstruktur (Abbildung funktionaler Beziehungen) und die Baustruktur

(Abbildung baulicher Beziehungen). Die Begriffe Produktstruktur und Erzeugnisstruk-

tur werden synonym verwendet. Als Erzeugnisgliederung wird die Abbildung nach ei-

nem Beziehungsaspekt bezeichnet, wobei Elementen zu übergeordneten Einheiten (z. B.

Baugruppen, Montagegruppen, Verkaufseinheiten, Module) zusammengefasst werden.

Die Erzeugnisgliederung ist keine Produkteigenschaft, sondern eine hierarchische Ab-

bildung der Produktstruktur [Rap99, S. 10]. Die Darstellung der Erzeugnisgliederung

kann bspw. als Strukturbild oder Stückliste erfolgen.

Produktstruktur

Beziehungsaspekt A

Beziehungsaspekt B

A1 A2

System

Subsystem A1 Subsystem A2

A C D

BE G

System

Subsystem B1 Subsystem B2

A F

CB E

Legende

Strukturelement X

Beziehungsaspekt A

Beziehungsaspekt B

Aspekte der

Produktstruktur

Erzeugnisgliederung

Seite 10 Kapitel 2

2.1.6 Gestalt – Baustruktur

Die Gestalt ist die Gesamtheit der geometrischen Merkmale eines materiellen Objekts.

Sie umfasst die Makrogeometrie (Form, Größe), die Mikrogeometrie (Oberfläche) so-

wie den Werkstoff. Die Gestalt eines Systems wird über die Gestalt der einzelnen Ele-

mente sowie deren Lage (Anordnung) beschrieben. [Ehr09, S. 692], [PL11, S. 34]. Im

Verlauf der Produktentwicklung wird sie konkretisiert und detailliert (Bild 2-3).

Bild 2-3: Konkretisierung der Gestalt im Entwicklungsprozess nach [Gru02, S. 88]

Erste Gestaltinformationen werden in den Anforderungen beschrieben und die Geomet-

rie wird in Form von Hüllvolumen festgelegt. Anschließend werden die Schnittstellen

des Produkts gestaltet, bspw. die Geometrie des Flansches. Abschließend erfolgt die

Festlegung der Detailgeometrie [Cui00, S. 16], [Gru02, S. 88]. Die Beschreibung des

Gestaltmodells kann mittels Prinzipskizzen2, Zeichnungen, 2D- oder 3D-CAD-

Modellen erfolgen [VWB+09, S. 148f.].

Als Baustruktur wird eine spezifische Sicht auf die Produktstruktur bezeichnet (vgl.

Kap. 2.1.5). Sie beschreibt die physischen Bestandteile des Systems (Bauteile) und de-

ren Aggregation (Baugruppen). Weiterhin bildet sie die Beziehungen zwischen den

Elementen ab. Ihre Strukturierung kann nach unterschiedlichen Gesichtspunkten erfol-

gen, z. B. funktional oder montageorientiert. Üblich ist hierbei die Orientierung an der

Montage und die Bildung von Montagegruppen [Lin07, S. 327], [Ehr09, S. 396].

Den Ausgangspunkt für die Gestaltung des Produktionssystems bilden die Produktge-

stalt und die Baustruktur [Fuc05, S. 27], [Ald09, S. 23]. Bild 2-4 verdeutlicht die zentra-

le Stellung der Produktgestalt im Produktentstehungsprozess. Sie bildet die Schnittstelle

zwischen Produktentwicklung und Produktionssystementwicklung und ergibt sich im

Verlauf des Entwicklungsprozesses aus den eingesetzten Wirkprinzipien, den gestellten

Produktanforderungen sowie dem Produktdesign. In der Produktionssystementwicklung

bildet die Produktgestalt den Ausgangspunkt für die Fertigungs-, Montage- und Prüf-

planung.

2 Grafisches Gestaltmodell mit geringem Detaillierungsgrad [Sed10, S. 74].

Anforderungen

2.1

3.1

2.2

3.2

2.3

3.3

2.4

Geometrie

Fertigung

Automatisierungsgrad: >60%

Ausbringungsmenge: 5.000 p.a.

Herstellkosten (max): 45,00 €

Wellenlänge: 200 mm

Durchmesser: 250 mm

Breite: 70 mm

Wellendurchmesser: 20 mm

Hüllvolumen DetailgeometrieFlanschgeometrie

Konkretisierung

Problemanalyse Seite 11

Bild 2-4: Produktgestalt in der Produktentstehung nach [Sch93, S. 100]

2.1.7 Produktion – Fertigungstechnik – Fertigung

Die Produktion wird in der Betriebswirtschaftslehre als „Prozess der zielgerichteten

Kombination von Produktionsfaktoren (Input) und deren Transformation in Produkte

(Erzeugnisse, Output)“ [Gab13-ol] definiert. In der Ingenieurwissenschaft wird die Pro-

duktion als „ein vom Menschen organisierter Prozess der Wertschöpfung“ [Spu79,

S. 25] bezeichnet. Je nach Art des Transformationsprozesses und des Erzeugnisses wird

die Produktion in Energie-, Verfahrens- und Fertigungstechnik unterteilt [Spu79, S. 25].

In der Fertigungstechnik bzw. Fertigung werden geometrisch bestimmte materielle

Güter in einem diskreten Prozess hergestellt [Dan03, S. 49], [DIN8580, S. 4], [Wes05,

S. 24]. Hierbei wird zwischen der (Teile-)Fertigung und der Montage unterschieden

[War93b, S. 1ff.]. Als Teilefertigung wird die Herstellung von Einzelteilen bezeichnet

[TD11, S. S1]. In der Montage werden die Einzelteile zu Baugruppen und schließlich

zum Enderzeugnis zusammengefügt [MR96, S. 10-17]. Für eine bessere Abgrenzung

der Fertigungstechnik bzw. Fertigung gegenüber der Teilefertigung wird in dieser Ar-

beit der Oberbegriff Produktion verwendet. Demnach subsumiert die Produktion die

Teilefertigung und die Montage (vgl. [Nor12, S. 11]).

2.1.8 Montage – Fügen

Unter Montage werden alle Vorgänge zusammengefasst, die für den Zusammenbau

geometrisch bestimmter Körper zu funktionsfähigen Produkten erforderlich sind

[PBF+07, S. 468], [WRN09, S. 162]. Kernfunktion der Montage ist das Fügen [Sel11,

S. S97]. Handhaben [VDI2860], Kontrollieren, Justieren und Sonderoperationen stellen

weitere Funktionen dar [Lot06a, S. 2], [WRN09, S. 164].

Fügen bezeichnet ein auf Dauer angelegtes Verbinden oder sonstiges Zusammenbrin-

gen von zwei oder mehreren Werkstücken [DIN8580, S. 5]. Es wird nach DIN 8593 in

neun Teilgruppen unterteilt [DIN8593-0, S. 4]: Zusammensetzen [DIN8593-1], Füllen

[DIN8593-2], Anpressen/Einpressen [DIN8593-3], Urformen [DIN8593-4], Umformen

[DIN8593-5], Schweißen [DIN8593-6], Löten [DIN8593-7], Kleben [DIN8593-8] und

Fertigungsplanung

Produktanforderung Produktfunktion Wirkprinzip

Montageplanung Prüfplanung

Herstellung

Betriebsmittel

Produktgestalt

erfüllt realisiert

wird bestimmt durch

definiert

bestimmt

erfordert

bestimmt

realisiert durch

bestimmt bestimmt

bestimmt

beeinflussen

beeinflusst

Seite 12 Kapitel 2

Textiles Fügen. Weiterhin lassen sich Fügeverfahren nach der Art der Verbindung klas-

sifizieren [HB11, S. 67]:

• Der Stoffschluss verbindet die Teile durch atomare- oder molekulare Kräfte zu

einer unlösbaren Einheit. Dies kann mit oder ohne Zusatzwerkstoff erfolgen. Bei-

spiele sind Schweißen, Löten und Kleben.

• Beim Kraftschluss3 werden durch eine Verspannung in der Kontaktfläche Reib-

kräfte erzeugt. Beispiele sind Keil-, Press- und Schraubverbindungen.

• Der Formschluss stellt die Kraftübertragungen mit Hilfe von Formelementen her.

Dies kann mit oder ohne Zusatzelemente erfolgen. Beispiele sind Passfeder-, Pro-

filwellen- und Stiftverbindungen.

2.1.9 Produktionssystem

Allgemein wird unter einem Produktionssystem ein sozio-technisches System verstan-

den, dessen Aufgabe die Herstellung eines End- oder Zwischenprodukts ist. Hierfür

wird aus einem Input (z. B. Material, Energie) unter Einsatz wertschöpfender Prozesse

(z. B. Fertigung, Montage) und assoziierter Prozesse (z. B. Transport, Lagerung) ein

Output (z. B. Produkt, Reststoffe) erzeugt [NHR+08, S. 85].

Der VERBAND FÜR ARBEITSSTUDIEN UND BETRIEBSORGANISATION E.V. – REFA defi-

niert komplexe Produktionssysteme als Produktionseinrichtungen, die mehrere sich er-

gänzende Einzelfunktionen selbständig durchführt. Dies umfasst Funktionen aus den

Bereichen Teilefertigung und Montage sowie Material- und Informationsfluss [Ref90,

S. 15]. Es kann sich um einzelne Arbeitsplätze (z. B. Montagezellen), Mehrmaschinen-

systeme (z. B. Produktionslinien) oder ganze Produktionsbetriebe handeln [Eve96, S. 4].

Die Bestandteile eines Produktionssystems lassen sich in die Teilsysteme Informations-,

Materialfluss- und Bearbeitungs-/Montagesystem unterteilen (Bild 2-5) [Ref90, S. 41f.].

Als Informationssystem (Steuerungs- und Überwachungssystem) werden die Einrich-

tungen zur Speicherung, Verarbeitung, Verwaltung und zum Austausch von Informatio-

nen bezeichnet. Das Ziel ist die Abwicklung des Fertigungsablaufs. Beispiele sind Stan-

dard-Rechner, Industrie-PCs sowie Software-Programme, z. B. für die Bereitstellung

von Steuerungsprogrammen [Ref90, S. 42].

Das Materialflusssystem besteht aus Fördermitteln und Förderhilfsmitteln, dessen

Aufgaben sind Transport, Lagerung, Bereitstellung und Handhabung der benötigten

Werkstücke, Werkzeuge, Vorrichtungs- und Spannsysteme, Werkstückmess- und

Prüfsysteme. Weiterhin versorgt es die Bearbeitungs- und Montagesysteme mit Hilfs-

stoffen und entsorgt die Abfälle [Ref90, S. 42].

3 Der Kraftschluss wird auch als Reibschluss bezeichnet [HB11, S. 67].

Problemanalyse Seite 13

Bild 2-5: Bestandteile eines komplexen Produktionssystems nach [Eve89, S. 55]

Das Bearbeitungs-/Montagesystem umfasst alle Betriebsmittel zur Erfüllung der Pro-

duktionsfunktion. Dies sind z. B. Maschinen, Werkzeuge, Vorrichtungen und Prüfmittel

[Ref90, S. 42]. Im Rahmen dieser Arbeit werden unter Bearbeitungssystemen Betriebs-

mittel zur Teilefertigung und unter Montagesystemen Betriebsmittel zur Montage ver-

standen. Die Begriffe Montagesystem und Montageanlage werden synonym verwendet.

2.1.10 Montageablaufstruktur – Montagevorranggraph

Die Montageablaufstruktur beschreibt die logische und zeitliche Reihenfolge der be-

nötigten Teilfunktionen zur Montage eines Produkts. Die am häufigsten eingesetzte

Darstellungsform der Montageablaufstruktur ist der netzplanähnliche Montagevor-

ranggraph4 [BAD+86, S. 94f.], [Fri89, S. 81ff.], [Bul95, S. 95], [Fra03, S. 32],

[Muc05, S. 25f.]. Der Montagevorranggraph unterstützt die Strukturierung der Teilfunk-

tionen und die Zuordnung zu Betriebsmitteln und Arbeitsplätzen [Wes05, S. 162].

Ein Beispiel ist in Bild 2-6 dargestellt. Die Knoten stellen Teilfunktionen der Montage

dar, sogenannte Teilverrichtungen, die nicht mehr sinnvoll weiter unterteilt werden

können [Ref90, S. 157f.]. Über Kanten werden die logischen und zeitlichen Abhängig-

keitsbeziehungen beschrieben. Teilverrichtungen werden immer zum zeitlich frühsten

Ausführungszeitpunkt eingetragen [BAD+86, S. 94f.], [Bul95, S. 95], [Wes05, S. 163].

Zeitgrößen (z. B. Vorgangsdauer, frühster/spätester Anfangs- oder Endtermin) sowie

Stückzahlen finden im Montagevorranggraph keine Berücksichtigung [Bul95, S. 103],

[Fra03, S. 33f.].

4 Für eine Übersicht graphenbasierter Ansätze zur Beschreibung der Montageablaufstruktur siehe

[Sei98, S. 38].

Werkstückmess- und

prüfsystem

Vorrichtungs-

und Spannsystem

Ver- und Ent-

sorgungssystem

Bearbeitungs-/Montagesystem

Maschine 1

Maschine ...

Maschine n

Werkzeugflusssystem

• Handhabung

• Transport

• Speicherung

Werkstückflusssystem

• Handhabung

• Transport

• Speicherung

Steuerungs- und Überwachungssystem

Werk-

zeuge

Hilfsstoffe

Späne

Werk-

stücke

Hilfsstoffe

Späne

Seite 14 Kapitel 2

Bild 2-6: Montagevorranggraph nach [BAD+86, S. 95]

2.2 Der Produktentstehungsprozess

Der Produktentstehungsprozess bezeichnet im Produktlebenszyklus den Zeitraum bis

zum Serienanlauf (vgl. Kap. 2.1.1) und umfasst die Phasen strategische Produktplanung,

Produktentwicklung und Produktionssystementwicklung [GLR+00, S. 3], [GW11,

S. 14]. Bei der Betrachtung dieser Phasen sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

• Keine sequenzielle Reihenfolge: Die Phasen lassen sich in der Praxis nicht streng

sequenziell abarbeiten. Sie unterliegen Iterationsschleifen und gegenseitigen Ab-

hängigkeiten. Eine Beschreibung als Folge von Aufgaben in einem Phasen-

Meilenstein-Diagramm ist nur unter idealisierten Annahmen möglich.

• Keine klare Abgrenzung der Phasen: Die einzelnen Phasen sind z. T. nicht trenn-

scharf und eine eindeutige Abgrenzung fällt schwer. Beispielsweise ist der Über-

gang von der strategischen Produktplanung in die Produktentwicklung im Bereich

der Konzipierung nicht eindeutig festgelegt. Ein weiteres Beispiel ist die Abschät-

zung der Herstellkosten, die in der strategischen Produktplanung im Rahmen der

Geschäftsplanung erfolgt. Diese kann nur durchgeführt werden, wenn die ersten

Fertigungskonzepte in der Produktionssystementwicklung bereits festgelegt wur-

den.

Nach GAUSEMEIER ist der Produktentstehungsprozess daher als ein Wechselspiel von

Aufgaben zu betrachten. Diese lassen sich in drei Zyklen gliedern (Bild 2-7) [GPW09,

S. 38ff.].

100

110 120 140 160 170 190 210 220 230

130 150

180 200

Montageflussrichtung

Beginn Ende

Knoten: Teilverrichtungen,

die zum jeweils frühesten

Zeitpunkt beginnen.

Teilverrichtung Nr.: 10

Beschreibung: 2 Schrauben in Zugentlastung einsetzen

Vorgabezeit: 15 Min./100 Stck.

Kanten: Reihenfolge-

beziehungen, die zum

jeweils spätesten Zeit-

punkt enden.

Problemanalyse Seite 15

Bild 2-7: 3-Zyklen-Modell der Produktentstehung [NBG13, S. 619]

(s)

Produktentwicklung

Produktions-

system-

entwicklung

Strategische

Produktplanung

Von der Geschäftsidee...

...zum Serienanlauf.

Geschäftsplanung

Geschäftsstrategie

Produktstrategie

Geschäftsplan

Potentialfindung

Erfolgspotentiale,

Handlungsoptionen

der Zukunft

Produktfindung

Produkt- und

Dienstleistungsideen

Anforderungen

Entwurf und Ausarbeitung

Komponente A

Komponente B

Regelungs-

technik

Elektronik Software-

technik

Mechanik

Produktintegration

Verifiziertes

Gesamtsystem

Produktkonzipierung

Strategiekonforme,

ganzheitliche

Produktkonzeption

Mecha-

tronik

Mechanik

Software-

technik

Elektronik

Regelungs-

technik

Produktionssystemintegration

Arbeitsplanung

Material-

fluss-

planung

Arbeits-

mittel-

planung

Arbeits-

ablauf-

planung

Arbeits-

stätten-

planung

Produktionssystemkonzipierung

Ablauf

Fabrik

Logistik

Mittel

Strategiekonforme,

ganzheitliche Produk-

tionskonzeption

Verifiziertes

Produktionssystem

Seite 16 Kapitel 2

In der strategischen Produktplanung wird ein erfolgversprechendes Produktkonzept

erarbeitet. Die Phase umfasst die Aufgabenbereiche Potentialfindung, Produktfindung,

Produktkonzipierung sowie Geschäftsplanung. Zunächst werden im Rahmen der Poten-

tialfindung die zukünftigen Erfolgspotentiale identifiziert und entsprechende Hand-

lungsoptionen entwickelt. Zur Erschließung der Erfolgspotentiale werden im Rahmen

der Produktfindung neue Produkt- und Dienstleistungsideen gesucht und ausgewählt.

Des Weiteren werden Anforderungen an diese definiert. Darauf aufbauend wird in der

Produktkonzipierung ein erstes technisches Konzept erarbeitet. Abschließend entsteht

im Rahmen der Geschäftsplanung die Geschäfts- und Produktstrategie sowie der Ge-

schäftsplan [GLS04, S. 8f.], [GPW09, S. 39].

Die Produktentwicklung umfasst die Produktkonzipierung, den domänenspezifischen

Entwurf und die Ausarbeitung sowie die abschließende Integration. Die Konzipierung

bildet die Schnittstelle zwischen der strategischen Produktplanung und der Produktent-

wicklung. Auf Basis des ersten technischen Konzepts wird eine fundierte Konzeption

des Produkts erarbeitet. In der Phase Entwurf und Ausarbeitung wird die Konzeption

innerhalb der Fachdisziplinen Mechanik, Elektrik/Elektronik, Regelungstechnik und

Softwaretechnik konkretisiert. Die fachdisziplinspezifischen Ergebnisse werden im

Rahmen der Produktintegration zur Gesamtlösung zusammengeführt [GPW09, S. 40].

Die Aufgabenbereiche der Produktionssystementwicklung sind die Produktionssys-

temkonzipierung, die Arbeitsplanung sowie die Produktionssystemintegration. Auf Ba-

sis des Produktkonzepts wird in der Produktionssystemkonzipierung eine strategiekon-

forme, ganzheitliche Produktionssystemkonzeption erstellt. Diese bildet den Ausgangs-

punkt für die Konkretisierung im Rahmen der Arbeitsplanung. Hierbei werden die vier

Aspekte Arbeitsablaufplanung, Arbeitsstättenplanung, Materialflussplanung und Ar-

beitsmittelplanung von den entsprechenden Abteilungen bearbeitet. Analog zu der Pro-

duktentwicklung werden die Teilergebnisse abschließend zu einer Gesamtlösung inte-

griert. Das Resultat ist ein verifiziertes Produktionssystem [GPW09, S. 40].

In dem Modell ist die Produktionssystementwicklung parallel zur Produktentwicklung

angeordnet. Die beiden Phasen sind im Wechselspiel und eng aufeinander abgestimmt

voranzutreiben. Nur durch diese integrative Entwicklung kann sichergestellt werden,

dass alle Potentiale ausgenutzt werden, um ein leistungsfähiges und kostengünstiges

Erzeugnis zu entwickeln. Dies gilt insb. bei Produkten der Mechatronik (z. B. enge

räumliche Integration von Mechanik und Elektronik) und für den Einsatz neuer Hoch-

leistungswerkstoffe (z. B. Hybridsysteme aus unterschiedlichen Materialien). In beiden

Fällen sind wechselseitige Abhängigkeiten zwischen dem Produktkonzept und potenti-

ellen Produktionstechnologien zu berücksichtigen [GPW09, S. 40], [GN12, S. 15ff.]:

• Bereits die Prinziplösung wird durch die in Betracht gezogenen Fertigungs- und

Montagetechnologien determiniert [DGJ+12, S. 1421]. Beispielsweise bestimmt bei

MID-Bauteilen die eingesetzte Bestückungstechnologie die minimalen Randab-

stände der elektronischen Bauteile.

Problemanalyse Seite 17

• Neue Produktkonzepte können die Entwicklung neuer Fertigungs- bzw. Montage-

technologien erforderlich machen. Ein Beispiel ist die Integration von Sensoren in

Hybridbauteile aus neuartigen Materialkombinationen.

Aus den genannten Gründen besteht ein hoher Abstimmungsbedarf zwischen der Pro-

duktentwicklung und der Produktionssystementwicklung. Dies gilt bereits für die Kon-

zipierung, deren Resultat die Konzepte von Produkt und Produktionssystem sind. Sie

bilden die Grundlage für frühzeitige Analysen (z. B. der Herstellkosten oder der Ro-

bustheit gegenüber Störungen) und sind der Ausgangspunkt für die weitere wechselsei-

tige Konkretisierung. Die beiden horizontalen Pfeile in Bild 2-7 visualisieren diese Ab-

hängigkeiten [GPW09, S. 40], [GN12, S. 17].

Einordnung der zu entwickelnden Systematik: Im Rahmen dieser Arbeit wird das 3-

Zyklen Modell als Basismodell des Produktentstehungsprozesses verwendet. Produkt

und Produktionssystem werden demnach von Beginn an integrativ entwickelt. Die zu

erarbeitende Systematik ordnet sich in diesem Modell in den beiden Konzipierungspha-

sen ein. Sie konkretisiert die montageorientierte Produktkonzipierung sowie den Über-

gang zu einem ersten Konzept des Produktionssystems mit dem Fokus auf Montagepro-

zesse. Hierzu stellt sie das Vorgehen sowie dedizierte Methoden bereit.

2.3 Mechatronische Systeme

Bei heutigen technischen Erzeugnissen, z. B. des Maschinenbaus, der Automobilindust-

rie oder der Medizintechnik, handelt es sich in der Regel um mechatronische Systeme.

Sie beruhen auf dem engen Zusammenwirken von Mechanik, Elektronik/Elektrik, Re-

gelungs- und Softwaretechnik. Der Begriff Mechatronik bzw. das mechatronische

System ist ein Kunstwort aus Mechanik (mechanics) und Elektronik (electronics). Die-

ses wurde erstmals Ende der 60er Jahre von KIKUCHI für die Erweiterung mechanischer

Systeme durch elektronische Komponenten verwendet [VDI2206, S. 13f.], [VWB+09,

S. 103f.]. Das heutige Mechatronik-Verständnis beruht auf der Erweiterung und Defini-

tion von HARASHIMA, TOMIZUKA und FUKUDA [HTF96, S. 1]. Die VDI-Richtlinie 2206

übersetzt diese folgendermaßen:

„Mechatronik bezeichnet das synergetische Zusammenwirken der

Fachdisziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstech-

nik beim Entwurf und der Herstellung industrieller Erzeugnisse sowie

bei der Prozessgestaltung“ [VDI2206, S. 14].

Ein mechatronisches System setzt sich aus den folgenden Elementen zusammen. Das

Grundsystem ist in der Regel ein mechanisches, elektromechanisches, elektrisches,

fluidtechnisches oder thermodynamisches System bzw. eine Kombination. Die Senso-

rik nimmt aktuelle Größen (Messwerte) des Grundsystems und der Umgebung auf und

stellt diese zur Verfügung. Auf Basis der Messwerte ermittelt die Informationsverar-

beitung die Stellwerte für die Aktoren des Systems. Die Aktoren setzen die Stellwerte

Seite 18 Kapitel 2

um und greifen dazu direkt in das Grundsystem ein. [VDI2206, S. 14f.], [VWB+09,

S. 104f.]. Über Flüsse sind die Elemente des mechatronischen Systems miteinander

verbunden. Hierbei werden drei Flussarten unterschieden. Stoffflüsse kennzeichnen den

Austausch von festen Körpern sowie flüssigen oder gasförmigen Medien. Energieflüsse

beschreiben die Übertragung von Energien (z. B. mechanische, elektrische oder thermi-

sche Energie) sowie entsprechende Größen (z. B. Kraft, Strom). Informationsflüsse

bilden den Austausch von Messgrößen, Steuerinformationen oder Daten ab [PBF+07,

S. 43]. Die beschriebene Grundstruktur stellt den Grundbaustein mechatronischer Sys-

teme dar. Komplexe mechatronische Systeme setzen sich in der Regel aus verschiede-

nen mechatronischen Modulen zusammen. Diese bestehen aus Elementen, die spezifi-

sche Funktionalitäten erfüllen. Hierdurch ergibt sich eine Hierarchisierung des Sys-

tems [LKS00, S. 1ff.], [VDI2206, S. 16].

Die Entwicklung mechatronischer Systeme ist durch starke Wechselwirkungen und Ab-

hängigkeiten geprägt. Diese bestehen einerseits zwischen den Bauteilen und Baugrup-

pen aufgrund der räumlichen Integration, andererseits existieren Wechselwirkungen

zwischen dem Produkt und dem zugehörigen Produktionssystem. Beispielsweise beste-

hen zwischen der Aufbau- und Verbindungstechnik, den gewählten Werkstoffen und

den Fertigungstechnologien Abhängigkeiten, die bereits in der frühen Phase der Pro-

duktentwicklung Berücksichtigung finden müssen [Gau06, S. 18f.].

2.4 Entwicklung mechatronischer Produkte

Die integrative Montagekonzipierung ist die Schnittstelle zwischen der Produktentwick-

lung und der Produktionssystementwicklung. Im Folgenden wird die Produktentwick-

lung vorgestellt, da diese den Ausgangspunkt bildet. Inhalt von Kapitel 2.4.1 ist der

grundsätzliche Ablauf der Produktentwicklung. Dieser wird in den Entwurfsraum ein-

geordnet und die Hauptphasen werden beschrieben. In Kapitel 2.4.2 wird die Entwick-

lungsmethodik der VDI-Richtlinie 2221 für technische Systeme und Produkte vorge-

stellt. Sie umfasst das Vorgehen von der Entwicklungsaufgabe bis zur fertigen Produkt-

dokumentation, inkl. Fertigungsunterlagen. Abschließend wird in Kapitel 2.4.3 die

Entwicklungsmethodik der VDI-Richtlinie 2206 erläutert. Diese ist auf die Besonder-

heiten bei der Entwicklung mechatronischer Systeme ausgerichtet.

2.4.1 Entwicklung als Problemlösungsprozess

Wie der Produktentstehungsprozess ist auch der Produktentwicklungsprozess keine se-

quentielle Abfolge von Arbeitsschritten [GPW09, S. 40]. Nach der Denkpsychologie

entsprechen streng linear ablaufende Vorgehensweisen nicht dem menschlichen Vorge-

hen beim Problemlösen [Dyl90, S. 104f.], [VDI2221, S. 5]. Der Mensch geht beim

Entwickeln und Konstruieren weder arbeitsschrittrein noch teilaufgabenrein vor [Hac02,

S. 15]. Die Abläufe in der Produktentwicklung folgen dem Vorgehen des Problemlösens

und bestehen aus einer Folge von Synthese- und Analyseschritten [Lin07, S. 38].

Problemanalyse Seite 19

Zur Strukturierung des Entwicklungsgeschehens führt GAUSEMEIER das Modell des

Entwurfsraums ein (Bild 2-8). Dieser wird durch die drei Dimensionen Abstraktion –

Konkretisierung, Detaillierung – Generalisierung sowie Systemsicht aufgespannt. Die

Systemsicht orientiert sich am Y-Modell der Mikroelektronik [BGH+96, S. 53] und

gliedert sich in Struktur, Verhalten und Gestalt. In den Entwurfsraum werden die Syn-

these- und Analyseschritte bei der Entwicklung mechatronischer Produkte eingeordnet.

Bild 2-8: Entwurfsraum der Produktentwicklung [GPW09, S. 41]

Das generelle Vorgehen der Produktentwicklung im Entwurfsraum folgt den Grundsät-

zen vom Abstrakten zum Konkreten, vom Generellen zum Detail und von der Funktions-

zur Baustruktur. Der Entwickler bearbeitet in einem Wechselspiel aus Synthese- und

Analyseschritten die einzelnen Aspekte der Systemsicht (Struktur, Verhalten, Gestalt).

Hierbei wechselt er je nach Bedarf die Detaillierungs- und Konkretisierungsebenen und

springt zwischen diesen hin und her. In Abhängigkeit von Entwicklungsaufgabe, Rand-

bedingungen und Zielen ergeben sich somit spezifische Verläufe des Entwicklungspro-

zesses im Entwurfsraum [GPW09, S. 40f.]. Die Dimension der Konkretisierung wird in

die vier Hauptphasen Planen und Klären der Aufgabe, Konzipieren, Entwerfen und

Ausarbeiten gegliedert [Hub76, S. 10], [Dyl90, S. 51], [PBF+07, S. 194]:

Planen und Klären der Aufgabe: Den Ausgangspunkt der Produktentwicklung bildet

die Aufgabenstellung. Diese wird vom Vertrieb oder anderen verantwortlichen Berei-

Exaktes

Styling

Hauptabmessungen

Fahrzeug

Generalisierung

Detaillierung

Abstraktion Konkretisierung

Struktur

Verhalten

Gestalt

Gesamtsystem

z.B. Fahrzeug

z.B. Radmodul

F2 F3

Funktionsstruktur

Gesamtfahrzeug

F 3.1.2

Detaillierte

Funktionsstruktur

von der

Funktionsstruktur

über die

Wirkstruktur

Legende

Energiefluss

Informationsfluss

Funktion

Wirkprinzip

Systemelement

Stoff-/Materialfluss

Baustruktur

(Lösungselemente

sowie Stütz- u.

Hüllsystem)

zur

Baustruktur

Seite 20 Kapitel 2

chen festgelegt. Ziel der Phase sind Informationen über die Anforderungen, die an das

zu entwickelnde Produkt gestellt werden. Hierzu sind die entsprechenden Informationen

zu beschaffen und deren genaue Bedeutung festzulegen (z. B. Fest- oder Wunschforde-

rung, Wertebereiche). Das Resultat der Phase ist die Anforderungsliste, die im Entwick-

lungsverlauf kontinuierlich aktualisiert werden muss [PBF+07, S. 195].

Konzipieren: In dieser Phase erfolgt eine Abstraktion der Aufgabenstellung auf die

wesentlichen Probleme. Die Gesamtfunktion des Systems wird in Teilfunktionen unter-

gliedert. Für die Umsetzung dieser Teilfunktionen werden geeignete Wirkprinzipien

gesucht und in einer Wirkstruktur zusammengeführt. Hierbei wird auch das Zusam-

menwirken der Wirkprinzipien festgelegt. Weiterhin sind erste Festlegungen zur Gestalt

(z. B. Grundabmessungen, Werkstoff), zur Anordnung sowie zur Verbindung der Sys-

temelemente zu treffen. Das Ergebnis ist die Prinziplösung. Aufgrund der meist unvoll-

ständigen Informationen in dieser frühen Entwicklungsphase sind grobe bzw. über-

schlägige Modelle ausreichend [PBF+07, S. 195f.], [VWB+09, S. 129], [PL11, S. 132].

Entwerfen: Auf Basis der Prinziplösung erfolgt die Festlegung der Lösung. Hierbei

wird die Gestalt des Systems unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher

Randbedingungen erarbeitet. Nach Abschluss dieser Phase liegt ein maßstäblicher Ent-

wurf vor [PBF+07, S. 196f.].

Ausarbeiten: In dieser Phase wird der Entwurf weiter konkretisiert (z. B. Form, Ober-

fläche, Werkstoff, Herstellbarkeit) und verbindlich finalisiert. Das Resultat sind die Fer-

tigungsunterlagen für die Herstellung des Systems. Dies umfasst Fertigungszeichnun-

gen, Stücklisten, Fertigungs- und Montagevorschriften etc. [PBF+07, S. 197f.].

2.4.2 Entwicklungsmethodik für technische Systeme und Produkte

Ziel der Konstruktionswissenschaft sind Regeln und Vorgehensweisen zur Entwicklung

technischer Systeme. Hierzu werden mit Hilfe wissenschaftlicher Methoden der Sys-

temaufbau sowie die Beziehungen zur Systemumwelt analysiert [PBF+07, S. 10]. Einen

umfangreichen Überblick der Konstruktionsforschung liefern MÜLLER [Mül90, S. 77ff.]

und PAHL/BEITZ [PBF+07, S. 11ff.].

Als Konstruktionsmethodik wird ein „geplantes Vorgehen mit konkreten Handlungsan-

weisungen zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme“ bezeichnet

[PBF+07, S. 10]. Die Grundlage bilden Erkenntnisse aus der Konstruktionswissenschaft

sowie der Denkpsychologie. Sie umfasst Handlungsstrategien (Regeln und Prinzipien),

Methoden und Vorgehensmodelle und schafft ein einheitliches Begriffsverständnis. Die

Vorteile des methodischen Konstruierens liegen in einer Zeit- und Kostenersparnis

durch die Vermeidung unnötiger Iterationsschleifen im Entwicklungsprozess, der Wie-

derverwendung von Lösungen und dem Erkennen von Anwendungsmöglichkeiten für

bewährte Lösungen [PBF+07, S. 10f.].

Problemanalyse Seite 21

Als allgemeingültiger und branchenunabhängiger Leitfaden für das methodische Entwi-

ckeln und Konstruieren findet die VDI-Richtlinie 2221 Methodik zum Entwickeln und

Konstruieren technischer Systeme und Produkte [VDI2221] breite Anwendung

[PBF+07, S. 21], [Ehr09, S. 252], [Lem09, S. 34]. Die Richtlinie wird durch die VDI-

Richtlinie 2222 Blatt 1 Methodisches Entwickeln von Lösungsprinzipien [VDI2222-1]

und Blatt 2 Erstellung und Anwendung von Konstruktionskatalogen [VDI2222-2] sowie

der VDI-Richtlinie 2223 Methodisches Entwerfen technischer Produkte [VDI2223] de-

tailliert und ergänzt.

Aufgrund der angestrebten allgemeinen Anwendbarkeit des Vorgehens handelt es sich

bei der VDI-Richtlinie 2221 um einen groben Ablauf, bestehend aus sieben Schritten

(Bild 2-9). In Abhängigkeit von der Aufgabenstellung sind die Schritte vollständig oder

ggf. nur teilweise zu durchlaufen. Neu gewonnene Erkenntnisse können Rücksprünge

auf vorangegangene Arbeitsschritte erforderlich machen. Bei der Entwicklung von Seri-

enprodukten werden die Schritte mehrmals iterativ durchlaufen (Labormuster, Prototyp,

Serienprodukt) [VDI2221, S. 8f.]. Die sieben Schritte können den in Kapitel 2.4.1 be-

schriebenen Hauptphasen zugeordnet werden.

Klären und präzisieren der Aufgabe: Die Aufgabenstellung wird aus Sicht des Kon-

strukteurs formuliert und ggf. strukturiert. Die vom Kunden oder der Produktplanung

vorgegebenen Anforderungen werden präzisiert und ergänzt, bspw. um unternehmensin-

terne Anforderungen. Informationslücken müssen identifiziert und geschlossen werden.

Als Resultat liegt die Anforderungsliste vor. Sie bildet die Grundlage für die weitere

Entwicklung und ist stets aktuell zu halten [VDI2221, S. 9f.].

Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen: Zunächst wird die Gesamtfunktion

des Systems identifiziert und diese in die wesentlichen Teilfunktionen untergliedert. Die

Strukturierung und Dokumentation der Teilfunktion erfolgt bspw. in Form einer Funkti-

onshierarchie oder Funktionsstruktur [VDI2221, S. 10].

Suche nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen: Für die Erfüllung der Teil-

funktionen werden geeignete Lösungsprinzipien gesucht. Kataloge bekannter Lösungs-

prinzipien für häufig wiederkehrende Funktionen unterstützen diese Suche5. Die Lö-

sungsprinzipien werden über den zugrunde liegenden Effekt sowie Wirkgeometrie,

Wirkort und Werkstoff charakterisiert. Analog zur Funktionsstruktur werden die identi-

fizierten Lösungsprinzipien in der Wirkstruktur verknüpft. Das Ergebnis dieser Phase ist

die Prinziplösung [VDI2221, S. 10], [VDI2222-1, S. 6f.].

Gliederung in realisierbare Module: Im Rahmen dieser Phase wird das zu entwi-

ckelnde System in Teilsysteme und Module gegliedert. Insbesondere bei komplexen

Produkten ermöglicht eine Modularisierung vor den arbeitsintensiven Gestaltungsschrit-

ten eine effiziente Aufteilung der Arbeitsinhalte und die Identifikation relevanter Ent-

5 Vgl. das Konstruieren mit Konstruktionskatalogen nach ROTH [Rot82], [Rot96], [Rot00], [Rot01].

Seite 22 Kapitel 2

wicklungsschwerpunkte. Die Modularisierung kann z. B. konstruktions-, montage- oder

instandhaltungsorientiert erfolgen, wobei die Art der Gliederung von der spezifischen

Zielstellung abhängig ist. Das Resultat der Phase ist eine modulare Struktur des Systems

[VDI2221, S. 10], [VDI2223, S. 19f.].

Bild 2-9: Generelles Vorgehen beim Entwickeln und Konstruieren nach [VDI2221,

S. 9], [PBF+07, S. 198]

Gestaltung der maßgeblichen Module: Die für die Systemoptimierung maßgeblichen

Module werden unter geometrischen, stofflichen und/oder programmtechnischen Ge-

Problemanalyse Seite 23

sichtspunkten gestaltet. Dies erfolgt so weit, bis das Gestaltungsoptimum erkannt und

ausgewählt werden kann. Bei der Modulgestaltung sind grundlegende Gestaltungsprin-

zipien6 einzuhalten. Das Arbeitsergebnis sind Vorentwürfe der maßgeblichen Module,

z. B. grobe maßstäbliche Zeichnungen [VDI2221, S. 11], [VDI2223, S. 21ff.].

Gestalten des gesamten Produkts: Ausgehend von den Vorentwürfen werden die noch

nicht betrachteten Elemente ergänzt bzw. bestehende Elemente konkretisiert und detail-

liert. Weiterhin werden die Zusammenhänge zwischen den Systembestanteilen und Mo-

dulen festgelegt. Das Produkt erhält somit seine endgültige Gestalt. Als Resultat dieser

Phase liegt ein Gesamtentwurf vor, welcher die Gestaltfestlegungen in Form von Zeich-

nungen und vorläufigen Stücklisten umfasst [VDI2221, S. 11], [VDI2223, S. 24ff.].

Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben: Inhalt dieses Arbeitsschrittes

ist die Erstellung der endgültigen Produktdokumentation, z. B. Fertigungszeichnungen,

Stücklisten, Fertigungs- und Montagevorschriften sowie Betriebsanleitungen. Die Ar-

beitsinhalte dieses Schrittes überschneiden sich z. T. mit denen der vorangegangenen

Phase [VDI2221, S. 11].

2.4.3 Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme

Mit dem Wandel von klassisch mechanischen hin zu mechatronischen Produkten änder-

te sich auch die Arbeitsweise im Entwicklungsprozess. Die Besonderheiten bei der

Entwicklung mechatronischer Systeme liegen in der Interdisziplinarität, der hohen Pro-

duktkomplexität sowie der Notwendigkeit des Virtual Prototyping [Ehr09, S. 269]. Es

fehlte jedoch eine eigenständige, auf mechatronische Produkte ausgerichtete Entwick-

lungsmethodik. Die Entwicklung erfolgte meist fachdisziplinspezifisch mit den jeweils

etablierten Vorgehensweisen und Methoden. Hierdurch kam es zu einem sequenziellen

Vorgehen bei der Entwicklung. Zunächst wurde die mechanische Grundstruktur entwi-

ckelt, welche anschließend um Elektrotechnik und Informationsverarbeitung ergänzt

wurde [Ise99, S. 10]. Die Folge waren teiloptimierte Produkte sowie zeit- und kostenin-

tensive Iterationsschleifen im Entwicklungsprozess [VDI2206, S. 22], [Möh05, S. 231].

Um diese Lücke zu schließen, entstand eine Vielzahl von Vorgehensweisen und Metho-

den für die Entwicklung mechatronischer Systeme. Eine Übersicht und Klassifikation

gibt MÖHRINGER [Möh04, S. 14ff.]. Als übergeordnete Methodik zur Entwicklung me-

chatronischer Systeme hat sich die VDI-Richtlinie 2206 Entwicklungsmethodik für me-

chatronische Systeme durchgesetzt [Ehr09, S. 270f.]. Sie beschreibt ein flexibles Vor-

gehensmodell, das sich aus drei Elementen zusammensetzt [VDI2206, S. 26]:

• Auf Mikroebene der allgemeine Problemlösungszyklus entsprechend des „Sys-

tems Engineering“ (vgl. [DH02, S. 190f.]).

6 Beispiele für Gestaltungsrichtlinien finden sich bei Pahl/Beitz [PBF+07], SPUR/STÖFERLE [SS86] und

den Ansätzen des Design-for-X nach ANDREASEN ET AL. [AKL83] und BOOTHROYD ET AL. [BDK11].

Seite 24 Kapitel 2

• Auf Makroebene das V-Modell aus der Softwareentwicklung, das auf die Anfor-

derungen der Mechatronik angepasst ist (vgl. [BD93, S. 15ff.], [FKM00, S. 41f.]).

• Prozessbausteine für wiederkehrende Arbeitsschritte in den Bereichen Syste-

mentwurf, Modellbildung und -analyse, domänenspezifischer Entwurf, Systemin-

tegration und Eigenschaftsabsicherung.

2.4.3.1 Problemlösungszyklus als Mikrozyklus

Der Problemlösungszyklus beschreibt das allgemeine Vorgehen bei der Lösung vorher-

sehbarer Teilaufgaben sowie plötzlich auftretender Probleme. Der Zyklus umfasst die

folgenden fünf Schritte, die zyklisch immer wieder durchlaufen werden. Ausgangssitua-

tion, Ziele und Randbedingungen ändern sich im Verlauf der Entwicklung kontinuier-

lich [VDI2206, S. 27ff.].

Situationsanalyse bzw. Zielübernahme: Externe Ziele werden übernommen und an-

schließend eine Situationsanalyse durchgeführt. Ist die Ausgangssituation unklar, er-

folgt eine Situationsanalyse gefolgt von einer Zielformulierung [VDI2206, S. 27].

Analyse und Synthese: In einem Wechsel von Synthese- und Analyseschritten erfolgt

die Lösungssuche. Das Resultat sind Lösungsalternativen [VDI2206, S. 27f.].

Analyse und Bewertung: Es erfolgt die Evaluation der erarbeiteten Lösungsalternati-

ven mittels Berechnungen, Simulationen, Versuchen etc. [VDI2206, S. 28].

Entscheidung: In diesem Schritt wird entschieden, ob die gefundenen Lösungen im

Sinne der gestellten Ziele befriedigend sind. Ist dies nicht der Fall, erfolgt ein Rück-

sprung auf die Situationsanalyse bzw. Zielübernahme. Andernfalls wird eine bzw. wer-

den mehrere alternative Lösungen ausgewählt [VDI2206, S. 28].

Planung des weiteren Vorgehens: Meist schließt sich quasi fließend ein weiterer Prob-

lemlösungszyklus an. Die Grundlage bildet die gewählte Lösung [VDI2206, S. 28f.].

2.4.3.2 V-Modell auf der Makroebene

Das generelle Vorgehen für den Entwurf mechatronischer Systeme ist im V-Modell

allgemein beschrieben. Die Tätigkeitsfolge ist je nach Aufgabenstellung, Entwurfsfort-

schritt, Art und Komplexität des zu entwickelnden Produkts fallweise auszuprägen und

ggf. mehrfach iterativ zu durchlaufen. Vordefinierte Prozessbausteine unterstützen

wiederkehrende Teilschritte. Das V-Modell als einfacher Makrozyklus sowie einen Pro-

zessbaustein am Beispiel des Systementwurfs zeigt Bild 2-10 [VDI2206, S. 29ff.].

Problemanalyse Seite 25

Bild 2-10: V-Modell als Makrozyklus und ein Prozessbaustein [VDI2206, S. 32]

Anforderungen: Die Aufgabenstellung eines konkreten Entwicklungsauftrags wird

präzisiert und in Form von Anforderungen beschrieben. Diese bildet den Bewertungs-

maßstab für das zu entwickelnde Produkt [VDI2206, S. 29].

Systementwurf: Der Systementwurf entspricht der Hauptphase Konzipieren (vgl.

Kap. 2.4.1). Zunächst wird die übergeordnete Gesamtfunktion des Systems identifiziert

und in Teilfunktionen untergliedert. Dies erfolgt solange bis den Teilfunktionen geeig-

nete Wirkprinzipien7 bzw. Lösungselemente8 zugeordnet werden können. Als Resultat

liegt ein fachdisziplinübergreifendes Lösungskonzept vor. Dieses beschreibt die physi-

kalische und logische Wirkungsweise des Systems [VDI2206, S. 29f.].

Domänenspezifischer Entwurf: Ausgehend vom Lösungskonzept erfolgt die weitere

Konkretisierung innerhalb der Fachdisziplinen. Hierbei kommen die disziplinspezifi-

schen Vorgehensweisen, Methoden und Werkzeuge zum Einsatz [VDI2206, S. 30].

Systemintegration: Die Ergebnisse der Fachdisziplinen werden in ein Gesamtmodell

integriert. Auf dieser Basis wird das Zusammenwirken untersucht [VDI2206, S. 30].

Eigenschaftsabsicherung: Durch einen kontinuierlichen Abgleich der Entwicklungser-

gebnisse wird sichergestellt, dass die realen mit den geforderten Systemeigenschaften

7 Ein Wirkprinzip charakterisiert abstrakt die prinzipielle Lösung zur Erfüllung einer Funktion. Es be-

schreibt den Zusammenhang zwischen einem physikalischen Effekt sowie den geometri-

schen/stofflichen Merkmalen [PBF+07, S. 54].

8 Bereits realisierte und bewährte Lösungen zur Funktionserfüllung werden als Lösungselemente be-

zeichnet. In der Regel handelt es sich um Module oder Baugruppen (z. B. Zukauf-, Katalog- oder

Normteile) [GEK01, S. 36], [FGK+04, S. 57].

Eigenschaftsabsicherung

Systementwurf

Domänenspezifischer Entwurf

Elektrotechnik

Informationstechnik

Modellbildung und -analyse

Maschinenbau

Anforderungen Produkt

Systemintegration

Planen und Klären

der Aufgabe

Anforderungsliste

Lösungskonzept

Phasen/

Meilensteine

ResultateAufgaben/

Tätigkeiten

Systementwurf

Abstraktion zum Erkennen der

wesentlichen Propleme

Aufstellen der Funktionsstruktur

Gesamtfunktion - Teilfunktion

Suche nach Strukturen zur Erfüllung

von Teilfunktionen

Wirkstruktur - Baustruktur

Konkretisieren zu prinzipiellen

Lösungsvarianten

Bewerten und Auswählen

Festlegung des domänen-

übergreifenden Lösungskonzepts

Seite 26 Kapitel 2

übereinstimmen. Die Bewertungsgrundlage bilden die Anforderungen sowie das spezi-

fizierte Lösungskonzept [VDI2206, S. 30].

Modellbildung und -analyse: Parallel zu den Entwicklungsphasen werden rechnerin-

terne Modelle erstellt. Diese ermöglichen Untersuchungen der Systemeigenschaften mit

Hilfe von Analyse- und Simulationswerkzeugen [VDI2206, S. 30].

Produkt: Nach dem Durchlaufen des Makrozyklus liegt als Ergebnis das Produkt vor.

Hierunter ist nicht ausschließlich ein fertiges, reales Produkt zu verstehen. Vielmehr

handelt es sich um unterschiedliche Konkretisierungsstufen des zu entwickelnden Sys-

tems. Mit jedem weiteren Durchlauf des Zyklus nimmt der Reifegrad zu (z. B. Labor-

muster, Funktionsmuster, Vorserienprodukt, Serienprodukt) [VDI2206, S. 30].

Weiterhin liefert die VDI-Richtlinie Ansätze für den integrativen Entwurf von Produkt

und Produktionssystem und den modellbasierten Systementwurf. Sie gibt einen Über-

blick der benötigten Werkzeuge und liefert Hinweise zur Organisation der Produktent-

wicklung [VDI2206, S. 41ff.].

2.4.4 Fazit und Einordnung der zu entwickelnden Systematik

Aufgrund der Produktkomplexität und der Interdisziplinarität der Entwicklungsteams

spielt die Konzipierung bei der Entwicklung mechatronischer Systeme eine Schlüssel-

rolle. Die fachdisziplinübergreifende Beschreibung des Aufbaus und der Wirkungswei-

se in der Prinziplösung schafft ein einheitliches Verständnis und dient als Kommunika-

tionsgrundlage der beteiligten Fachleute. Weiterhin bildet sie den Ausgangspunkt für

die Konkretisierung innerhalb der einzelnen Fachdisziplinen.

Im Rahmen der Konzipierung werden u. a. erste Festlegungen getroffen, die sich auf die

Entwicklung des Produktionssystems und insb. auf die Planung der Montage auswirken.

Dies sind Aspekte der Produktstrukturierung, der Bauweise (integral/differential), der

Gestalt oder des Werkstoffs. Wurden Lösungselemente ausgewählt, sind konkrete Bau-

teile oder Baugruppen bereits bekannt. Die Prinziplösung bildet somit den geeigneten

Ausgangspunkt für eine möglichst frühzeitige Konzipierung der Montage.

2.5 Entwicklung von Produktionssystemen

In produzierenden Industrieunternehmen ist die Arbeitsvorbereitung das Bindeglied

zwischen der Produktentwicklung (Entwicklung/Konstruktion) und dem Produktionsbe-

reich. Nach AWF/REFA9 sind die Aufgaben der Arbeitsvorbereitung die Planung, Steu-

erung und Überwachung der wirtschaftlichen Herstellung von Erzeugnissen [AR68,

9 AWF: Ausschuss für wirtschaftliche Fertigung e.V. (heute: Arbeitsgemeinschaft für Wirtschaftliche

Fertigung) / REFA: Verband für Arbeitsstudien e.V. (heute: Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebs-

organisation und Unternehmensentwicklung)

Problemanalyse Seite 27

S. 5f.]. Die Arbeitssteuerung umfasst die Bereiche Arbeitsplanung und Arbeitssteue-

rung.

Nach AWF/REFA und DANGELMAIER umfasst die Arbeitsplanung „alle einmalig zu

treffenden Maßnahmen bezüglich der Gestaltung eines Produktionssystems und der

darin stattfindenden Produktionsprozesse“ [AR68, S. 6], [Dan03, S. 56]. Das überge-

ordnete Ziel ist eine wirtschaftliche Herstellung der Produkte [Ref93a, S. 26]. Hierfür

ist festzulegen, welche Werkstoffe genutzt werden und welche Fertigungsverfahren und

Fertigungsmittel zum Einsatz kommen. Im Rahmen der Arbeitsplanung erfolgt die Fest-

legung Was, Wie und Womit gefertigt wird [Eve97, S. 3], [GPW09, S. 29f.].

Die Arbeitssteuerung plant, steuert und überwacht die Produktionsabläufe im Unter-

nehmen. Dies umfasst den gesamten Auftragsabwicklungsprozess von der Bearbeitung

des Angebots bzw. des Kundenauftrags bis zum Versand der fertigen Ware. Im Fokus

stehen Mengen-, Termin- und Kapazitätsaspekte. Somit legt die Arbeitssteuerung fest,

Wie viel, Wann, Wo und durch Wen hergestellt wird [Eve97, S. 3], [GPW09, S. 29f.].

Nach GAUSEMEIER entspricht die Produktionssystementwicklung im wesentlichen der

Arbeitsplanung (vgl. Kap. 2.2) [GPW09, S. 39]. Sie bildet die Schnittstelle zwischen

der Produktentwicklung und der Produktion. Die vorliegende Arbeit fokussiert auf die

frühzeitige Konzipierung der Montage. Das auf Basis der Prinziplösung eines Produkts

erstellte Montagekonzept soll den Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung des Pro-

duktionssystems bilden. Zur Identifikation der relevanten Inhalte eines Montagekon-

zepts wird im Folgenden die Arbeitsplanung vorgestellt und analysiert. In Kapitel 2.5.1

werden die Grundlagen der Arbeitsplanung erläutert. Anschließend werden klassische

Systematiken der Arbeitsplanung und der Montageplanung in Kapitel 2.5.2 vorgestellt.

2.5.1 Aufgaben der Arbeitsplanung

Das Modell des Entwurfsraums (vgl. Kap. 2.4.1) lässt sich auch auf die Entwicklung

von Produktionssystemen übertragen (Bild 2-11). Die Dimension der Detaillierung und

Generalisierung wird hierbei durch Planungsebenen ersetzt [GPW09, S. 41f.],

[MEL+09, S. 41f.].

Die Aufgaben der Arbeitsplanung werden nicht in einer streng sequentiellen Folge be-

arbeitet. Wie bei der Entwicklung mechatronischer Systeme handelt es sich um eine

Reihe von Entwurfsschritten. Hierbei werden über die verschiedenen Planungsebenen

die Sichten Struktur, Verhalten und Gestalt bearbeitet. Allgemein lassen sich die Auf-

gaben der Arbeitsplanung in die vier Hauptaspekte Arbeitsablaufplanung, Arbeitsmit-

telplanung, Arbeitsstättenplanung und Materialflussplanung unterteilen [GPW09,

S. 41ff.].

Seite 28 Kapitel 2

Bild 2-11: Planungsraum der Arbeitsplanung [GPW09, S. 42]

2.5.1.1 Arbeitsablaufplanung

Der Arbeitsablauf beschreibt die Reihenfolge bzw. die zeitliche Abfolge der Arbeits-

aufgaben. Weiterhin wird angegeben, auf welcher Arbeitsstation und mit welchen Be-

triebsmitteln die Arbeitsaufgabe durchgeführt wird [GPW09, S. 42]. Im Rahmen der

Arbeitsablaufplanung sind dafür die Produktionstechnologien, der Werkstoff bzw. das

Rohteil sowie der eigentliche Arbeitsablauf festzulegen und die benötigten Ressourcen

(Arbeitsstation und Betriebsmittel) auszuwählen. Weiterhin werden die Vorgabezeiten

ermittelt [Eve97, S. 7ff.].

Konstruktionszeichnungen und Stücklisten bilden den Ausgangspunkt der Arbeitspla-

nung [Ref91, S. 369ff.], [PBF+07, S. 553ff.]. Als Resultat liegt der Arbeitsplan vor,

welcher die Arbeitsvorgangsfolge zur Herstellung des Produkts beschreibt. Der Ar-

beitsplan enthält Informationen zum eingesetzten Material und den einzelnen Arbeits-

vorgängen (Arbeitsplatz, Betriebsmittel, Vorgabezeit, Lohngruppe) [Ref93b, S. 22]. Im

Fall von maschinellen Operationen (z. B. Bearbeitung mit einer Werkzeugmaschine)

kann der Arbeitsplan auch als Steuerungsprogramm umgesetzt sein.

2.5.1.2 Arbeitsmittelplanung

Die Arbeitsmittelplanung umfasst die Planung sämtlicher Betriebsmittel, welche für die

wirtschaftliche Ausführung der Arbeitsvorgänge erforderlich sind. Betriebsmittel sind

Maschinen, Vorrichtungen, Werkzeuge etc. Nach EVERSHEIM lassen sich zwei Arten

der Arbeitsmittelplanung unterscheiden [Eve97, S. 70f.]:

Das Ziel der produktionsprogrammbezogenen Arbeitsmittelplanung ist die Bestim-

mung, Entwicklung und Beschaffung der Betriebsmittel. Die Grundlage der Planung

bildet das herzustellende bzw. zu montierende Teilespektrum (Produktionsprogramm).

Gestalt

Sichten

Branchen-

wertschöpfungssystem

Betriebsmittel

Produktionsbetrieb

Produktionssystem

Arbeitssystem

Fabrik, Arbeitsstätte

Fertigungssystem

Arbeitsplatz

Abstraktion Konkretisierung

Struktur

Verhalten

Spezifikations-

technik

Ausgangs-

information

Eingangs-

Information Entwurfs-

schritt

Planungsebenen

Arbeitsmittel

Werkzeug

Methode

etc.

Problemanalyse Seite 29

Weitere Randbedingungen sind die verfolgte Fertigungstiefe, Stückzahlen und Varian-

tenvielfalt [Eve97, S. 100].

Die auftrags- bzw. produktbezogene Arbeitsmittelplanung wird für jedes herzustel-

lende Produkt durchgeführt. Den einzelnen Arbeitsvorgängen werden bestehende Be-

triebsmittel zugeordnet. Hierbei bestehen starke Abhängigkeiten mit der Arbeitsablauf-

planung, z. B. zwischen der Wahl des Werkzeugs und der Wahl der Fertigungstechno-

logie. Die produktbezogene Arbeitsmittelplanung hat Schnittstellen zur Arbeitsablauf-

planung sowie dem Betriebsmittelbau [Eve97, S. 69ff.].

2.5.1.3 Arbeitsstättenplanung

Im Rahmen der Arbeitsstättenplanung wird der räumliche Aufbau des Produktionsbe-

triebs sowie der Produktions- und Arbeitssysteme festgelegt. Produktionssystem, Ar-

beitsplätze und Materialflusskomponenten sind auf die bauliche Struktur der Fabrik

abzustimmen, um einen effizienten Arbeitsablauf zu ermöglichen. Der Fertigungsplaner

wird bei dieser interdisziplinären Aufgabe u. a. von Architekten, Arbeitspsychologen

und Sicherheitstechnikern unterstützt. Auf Grundlage der Planungsebenen (Bild 2-11)

lässt sich die Arbeitsstättenplanung folgendermaßen unterteilen [GPW09, S. 45]:

Wesentlicher Inhalt der Bebauungsplanung ist die Ermittlung der Flächenbedarfe, der

Funktionszusammenhänge und des benötigten Gebäudetyps. Die Gebäude werden auf

dem Grundstück angeordnet (Bebauungsplan) und die funktionalen und baulichen Or-

ganisationsprinzipien festgelegt. Hierbei sind Restriktionen wie bspw. Bauvorschriften

und Geländeeigenschaften zu berücksichtigen. Eine weitere Aufgabe der Bebauungs-

planung ist die Gestaltung der benötigten Gebäude (z. B. Produktions-, Lager- oder Bü-

rogebäude) [Dan99, S. 245ff.], [GPW09, S. 45], [WRN09, S. 317ff.].

Die Aufgabe der Planung der Produktionsbereiche und -linien ist die Festlegung

einer geeigneten Anordnungsstruktur10 im Rahmen der Fabrikplanung. Beispiele für

Anordnungsstrukturen sind Werkbankfertigung, Verrichtungsprinzip, Fließprinzip,

Sternprinzip, Fertigungsinsel und Baustellenfertigung. Bei der Planung der Produkti-

onsbereiche (Anordnungsplanung) wird die räumliche Anordnung und Verbindung der

Produktionsbereiche festgelegt. Inhalt der Planung der Produktionslinien ist die Aus-

wahl, Dimensionierung und Integration der benötigten Komponenten. Hierbei handelt

es sich bspw. um Werkzeugmaschinen, Industrieroboter, Handarbeitsplätze, Material-

flusssysteme oder Pufferlager. Die Zielvorgaben stammen aus der Arbeitsablaufpla-

nung. Restriktionen ergeben sich durch die Gebäude [Ref93a, S. 66f.], [Eve97,

S. 104f.], [Gru06, S. 65ff.], [GPW09, S. 45], [Wie10, S. 30].

Die Gestaltung der Arbeitsplätze erfolgt nach den Vorgaben der Arbeitsablauf- und

Anordnungsplanung. Für die einzelnen Arbeitsplätze werden Flächenbedarfe bestimmt,

10 Die Anordnungsstruktur entspricht dem Ablaufprinzip nach REFA [Ref93a, S. 66f.].

Seite 30 Kapitel 2

sowie die Anordnung der Betriebsmittel, Transport- und Lagereinrichtungen festgelegt.

Weitere Planungsaspekte sind die Sicherstellung der Energie- Material- und Werkzeug-

versorgung, die Arbeitssicherheit (z. B. Schutz vor gesundheitsschädlichen Emissionen,

Trittsicherheit, Kennzeichnung), die Ergonomie (z. B. Sichtfelder, Greifräume, Be-

leuchtung) sowie die Klimatisierung [GPW09, S. 45], [WRN09, S. 237].

2.5.1.4 Materialflussplanung (Produktionslogistik)

Als Materialfluss wird die Verkettung aller Vorgänge bei der Gewinnung und Vertei-

lung sowie der Be- und Verarbeitung stofflicher Güter bezeichnet. Teilaufgaben sind

Fördern, Handhaben und Lagern [Dan99, S. 47]. Im Rahmen der Materialflussplanung

wird der gesamte Materialfluss vom Wareneingang bis zum Versand innerhalb eines

Produktionsbetriebs festgelegt. Dies umfasst weiterhin die mit dem Materialfluss ver-

bundene Ausrüstung (Handhabungs- und Lagersysteme) und die Steuerungssoftware.

Die Planung kann in vier Hauptaufgaben unterteilen werden [GPW09, S. 44].

Auf Basis der Unternehmensstrategie erfolgt die Erstellung der Logistikkonzeption.

Sie legt die an den Materialfluss gesetzten Ziele fest. Dies sind bspw. Lieferzeiten und

Verfügbarkeiten. Weiterhin umfasst sie Aussagen zur Logistikstrategie, den Logistik-

prozessen und den logistischen Gestaltungsmitteln [GPW09, S. 44].

Im Rahmen der Arbeitsplanung erfolgt die innerbetriebliche Projektierung des Mate-

rialflusses. Je nach Planungsebene werden die Materialflüsse zwischen Bereichen und

Abteilungen (z. B. Wareneingang, Fertigung, Montage), zwischen einzelnen Produkti-

onssystemen oder innerhalb von Produktionssystemen zwischen den Arbeitssystemen

geplant. Aufgaben sind hierbei die Planung der Förderstrecken, der benötigten Ausrüs-

tung und die Erstellung der Steuerungssoftware [Dan99, S. 47], [GPW09, S. 44].

Die Aufgaben der Projektierung des Handhabungssystems sind die Klassifikation der

Handhabungsaufgabe (z. B. Ordnen, Spannen, Übergeben) und die Auswahl geeigneter

Handhabungsmittel (z. B. Greifsystem, Handhabungsroboter). Handhabungsvorgänge

sind meist Vorgänger- oder Nachfolgerprozesse von Bearbeitungs-, Transport- oder

Lagervorgängen [Ref93b, S. 90], [GPW09, S. 44].

Die Projektierung der Lagersysteme umfasst die Festlegung des Lagerprinzips und

die Auswahl geeigneter Lagersysteme. Dabei sind die Lageraufgabe und die Art des

Lagerguts (z. B. Stückgut, Schüttgut) zur berücksichtigen. Lagersysteme ermöglichen

die Stabilisierung der Materialflüsse zwischen Fertigungssystemen, wenn Ausstoß und

Bedarf nicht aufeinander abgestimmt sind [Dan99, S. 698], [GPW09, S. 44f.].

2.5.2 Entwicklungssystematik für Produktionssysteme

Im klassischen, sequentiellen Produktentstehungsprozess erfolgt die Entwicklung des

Produktionssystems bzw. die Arbeitsplanung auf Grundlage der Produktdokumentation

Problemanalyse Seite 31

und somit nach der Ausarbeitung des Produkts (vgl. Kap 2.4.2). Die einzelnen Aspekte

der Produktionssystementwicklung werden iterativ und im Wechselspiel bearbeitet.

Anhand der Systematik zur Planung und Einführung komplexer Produktionssysteme

nach REFA wird im Folgenden die grundsätzliche Reihenfolge vorgestellt

(Kap. 2.5.2.1). Anschließend werden Vorgehensweisen für die Arbeitsablaufplanung

(Kap. 2.5.2.2) und die Montageplanung (Kap. 2.5.2.3) beschrieben. Auf die Arbeitsmit-

tel-, Arbeitsstätten- und Materialflussplanung wird im Rahmen dieser Arbeit nicht im

Detail eingegangen. Sie bauen auf den Ergebnissen der Arbeitsablaufplanung auf und

sind für die integrative Konzipierung der Montage nur bedingt relevant.

2.5.2.1 Systematik zur Planung und Einführung komplexer Produktionssyste-

Die Systematik zur Planung und Einführung komplexer Produktionssysteme nach REFA

ist ein verfahrens- und anlagenneutraler Leitfaden, der unabhängig von der Planungs-

ebene anwendbar ist. Technik, Organisation und Personal werden dabei ganzheitlich

betrachtet. Der Planungsprozess ist transparent und die Planungsergebnisse sind repro-

duzierbar. Trotz der Darstellung als Phasen-Meilenstein-Diagramm (Bild 2-12) ist das

Vorgehen nicht streng sequentiell. Ergebnisse werden in vorangegangene Phasen zu-

rückgeführt und Iterationsschleifen durchlaufen [Ref90, S. 87ff.].

Analyse der Ausgangssituation: Nach der Bildung eines Projektteams erfolgt die Ana-

lyse des zu produzierenden Produktspektrums und der bestehenden Fertigungseinrich-

tungen. Als Resultat liegt eine Beschreibung der Ist-Situation vor [Ref90, S. 91ff.].

Konkretisierung der Planungsaufgabe: Die Aufgabe dieser Phase ist die Konkretisie-

rung des Gesamtziels auf Basis des Planungsauftrags und der Situationsbeschreibung.

Das Gesamtziel wird in Teilziele unterteilt und diese werden nach Möglichkeit quantifi-

ziert. Es werden die Aspekte Technik, Organisation, Personal und Kosten berücksich-

tigt. Abschließend wird der Projektumfang festgelegt, wobei die Betrachtungsgrenzen

und Schnittstellen des Produktionssystems definiert werden [Ref90, S. 98ff.].

Grobplanung des Produktionssystems: Zunächst wird der Produktionsablauf erarbei-

tet und in Form einer Arbeitsvorgangsfolge beschrieben. Für die Umsetzung der Ar-

beitsvorgänge werden Betriebsmittel ausgewählt und die benötigte Anzahl der Arbeits-

stationen auf Grundlage der zu erwartenden Stückzahlen bestimmt. In der Regel liegen

mehrere alternative Lösungsvarianten vor, die abschließend auf Grundlage von techni-

schen und wirtschaftlichen Kriterien bewertet werden [Ref90, S. 104ff.].

Feinplanung des Produktionssystems: Diese Phase umfasst die Detaillierung und

Konkretisierung des Grobkonzepts. Hierbei werden die Arbeitsvorgänge in ihre elemen-

taren Arbeitsschritte unterteilt und auf dieser Grundlage wird eine detaillierte Zeitpla-

nung durchgeführt. Es folgt die Planung der Betriebsmittel sowie der Materialfluss- und

Informationssysteme für die Arbeitsstationen. Die Planungsergebnisse werden in Form

Seite 32 Kapitel 2

eines Lastenheftes dokumentiert. Abschließend erfolgen die Personalplanung und die

Planung der Inbetriebnahme (Systemeinführung) [Ref90, S. 109ff.].

Bild 2-12: Systematik zur Planung und Einführung komplexer Produktionssysteme

nach [Ref90, S. 89]

Systemeinführung: Die Systemeinführung umfasst die Beschaffung und die Installati-

on der neuen Betriebsmittel sowie die notwendigen Personalschulungen. Anschließend

erfolgt die Anlaufphase, in der die Produktionsmenge kontinuierlich gesteigert und das

Produktionssystem optimiert wird [Ref90, S. 111ff.].

Systembetrieb: Nach erfolgreichem Anlauf der Produktion wird das Produktionssys-

tem übergeben. Die Phase endet mit der Abschlussdokumentation [Ref90, S. 114ff.].

Problemanalyse Seite 33

2.5.2.2 Vorgehen bei der Arbeitsablaufplanung

In der Literatur existiert eine Vielzahl von Vorgehensweisen für die Arbeitsablaufpla-

nung, bspw. die Vorgehen nach EVERSHEIM [Eve97, S. 18ff.], nach WARNECKE

[War93a, S. 279] oder nach WIENDAHL [Wie10, S. 198ff.]. Die durchzuführenden Ar-

beitsschritte sind sehr ähnlich. Im Folgenden wird daher stellvertretend das Verfahren

nach EVERSHEIM beschrieben (Bild 2-13).

Bild 2-13: Vorgehen und zeitlicher Ablauf der Arbeitsablaufplanung nach [Eve97,

S. 18]

Planungsvorbereitung: Zunächst erfolgt die Beschaffung und Kontrolle der Ein-

gangsinformationen. Diese stammen zumeist aus der Konstruktion (z. B. Konstruktions-

zeichnungen, Stücklisten). Handelt es sich um eine Anpassungs-, Änderungs- oder Va-

riantenkonstruktion wird auf bestehende Unterlagen von ähnlichen Teilen oder Wieder-

holteilen zurückgegriffen. Weiterhin wird die Fertigungs- und Montagegerechtheit

überprüft und ggf. werden Änderungsbedarfe mit der Konstruktion abgestimmt. Falls

erforderlich erfolgt die Beauftragung neuer Fertigungs- und Prüfmittel [Eve97, S. 20].

Stücklistenverarbeitung: Ausgehend von der Konstruktionsstückliste werden Ferti-

gungsdaten ergänzt und je nach Bedarf Fertigungs-, Mengenübersichts- oder Struktur-

stücklisten erzeugt. Sie bilden die Grundlage für die Planung der Fertigungs- und Mon-

tagevorgänge und der Bedarfsbestimmung von Materialien (Rohstoffe, Halbzeuge) und

Zukaufteilen [Eve97, S. 21f.], [DIN199-1], [PBF+07, S. 560f.].

Prozess- und Operationsplanung: Die übergeordnete Aufgabe ist die Planung einer

wirtschaftlichen Fertigung der konstruierten Bauteilumfänge. Hierfür werden in der

Prozessplanung zunächst geeignete Rohteile bestimmt. Dies erfolgt unter Berücksichti-

gung technologischer, wirtschaftlicher und zeitlicher Aspekte. Anschließend werden

geeignete Arbeitsvorgänge ermittelt, um aus den Rohteilen die Werkstücke herzustellen.

Planung von Fertigung und Montage

Planungsvorbereitung

Stücklistenverarbeitung

NC-/RC-Programmierung

Prozessplanung

Operationsplanung

Planungsfortschritt

(zeitlicher Ablauf)

Kostenplanung / Kalkulation

Prüfplanung

Fertigungs- und Prüfmittelplanung

(Sonderwerkzeuge und -vorrichtungen)

Legende

Informationsaustausch und Abstimmun

Montageplanung

Seite 34 Kapitel 2

Im Rahmen der Operationsplanung werden die Arbeitsvorgänge detailliert und konkre-

tisiert. Als Resultat liegen die elementaren Operationen vor, die als Eingangsinformati-

onen für die NC- und RC-Programmierung11 dienen [Eve97, S. 23ff.].

Montageplanung: Die Planung der Montageprozesse erfolgt parallel zur Planung der

Fertigungsprozesse. Auf Basis der Stücklisten und Konstruktionszeichnungen wird ein

Montageplan erstellt. Dieser beschreibt die Reihenfolge der Montageoperationen. Hier-

bei wird das Erzeugnis in Baugruppen und Unterbaugruppen strukturiert. Im Fall einer

Serienmontage erfolgt weiterhin die Planung der Montageanlagen [Eve97, S. 57ff.]. Das

detaillierte Vorgehen der Montageplanung ist in Kapitel 2.5.2.3 dargestellt.

NC-/RC-Programmierung: Es werden die Steuerungsprogramme für die eingesetzten

Werkzeugmaschinen und Industrieroboter erstellt12. Die Grundlage bilden die Ergebnis-

se aus der Prozess-, Operations- und Montageplanung [Eve97, S. 78ff.].

Parallele Planungsaktivitäten: Die Planung der Fertigungs- und Montagevorgänge

wird von parallelen Aktivitäten begleitet. Ziel der Kostenplanung und Kalkulation ist

die wirtschaftliche Herstellung der Erzeugnisse. Hierzu werden Produktionstechnolo-

gien und alternative Fertigungsfolgen unter wirtschaftlichen Kriterien verglichen. Wei-

terhin werden Entscheidungen bzgl. Eigenfertigung und Fremdvergabe getroffen

[Eve97, S. 89ff.]. Die Aufgabe der Prüfplanung ist die Festlegung der Prüfprozesse

und der hierzu benötigten Prüfmittel mit dem Ziel, die geforderte Qualität sicherzustel-

len. Dies umfasst die Identifikation geeigneter Prüfmerkmale, die Bestimmung der

Prüfintervalle und -methoden sowie die Dokumentation. Das Ergebnis ist der Prüfplan

[VVD2619, S. 4f.], [Eve97, S. 61ff.]. Wenn auftrags- oder produktspezifische Be-

triebsmittel nicht verfügbar sind, wird die Fertigungs- und Prüfmittelplanung aktiv.

Sie bildet die Schnittstelle zum Betriebsmittelbau und koordiniert die Entwicklung und

den Bau neuer Betriebsmittel [Eve97, S. 69ff.].

2.5.2.3 Vorgehen bei der Montageplanung

Die Montageplanung umfasst die Ablaufplanung, die Mittelplanung und die Dokumen-

tation. Den Ausgangspunkt bilden hierfür die Ergebnisse der Konstruktion (z. B. Zeich-

nungen, Stücklisten) [BB05, S. 627]. In der Literatur existiert eine Vielzahl von Vorge-

hensweisen für die Montageplanung. Beispiele sind die Montageplanungsmethodik

nach BULLINGER ET AL. [BAD+86, S. 51], die Planungsrichtlinie für automatische Mon-

tageanlagen nach LOTTER [Lot86, S. 328ff.], das Vorgehen zur integrierten, rechnerun-

terstützten Montageplanung nach DEUTSCHLÄNDER [Deu89, S. 67], die Planungssystem

für die flexibel automatisierte Montage nach SCHUSTER [Sch92, S. 48] oder die Metho-

11 NC: Numerical Control / RC: Robot Control

12 Hier sei auf die Fachliteratur zur Programmierung von Werkzeugmaschinen und Industrierobotern

verwiesen [KR11], [Web09].

Problemanalyse Seite 35

de zur integrierten Montageplanung nach FELDMANN [Fel97, S. 66]. Im Detail gibt es

einige Aspekte, die sich in den Vorgehensweisen unterscheiden. Die grundsätzlichen

Arbeitsinhalte sind aber weitestgehend deckungsgleich [Bic00, S. 17f.].

Die allgemeine Montageplanungsmethodik nach BULLINGER ET AL. ist weit verbreitet

[Rud06, S. 17] und lieferte die Grundlage für viele nachfolgende Vorgehensweisen. Sie

wird im Folgenden beispielhaft für die Montageplanung beschrieben (Bild 2-14).

Bild 2-14: Vorgehensweise der Montageplanung nach [BAD+86, S. 51]

Konzeption: Zunächst werden die Planungsdaten ermittelt (z. B. Stückzahlen und

Stückkosten, einzusetzende Technologien, Ist-Situation Personal, Investitionsumfang).

Auf Grundlage des Planungsauftrags und der Planungsdaten werden Anforderungen an

das Montagesystem abgeleitet und Zielkriterien festgelegt. Es folgt die Erstellung der

Prinziplösung, welche die Grundmerkmale des Montagesystems beschreibt. Hierfür

Seite 36 Kapitel 2

werden Planungsmaßnahmen zur Erfüllung der Zielkriterien identifiziert. Beispiele für

Maßnahmen sind eine Kapazitätsteilung der Gesamtstruktur bzw. der Teilsysteme, eine

Überdimensionierung oder Puffer zur Entkopplung. Anschließend werden die Pla-

nungsmaßnahmen und ihre Ausprägungen in einem morphologischen Kasten struktu-

riert. Durch die Auswahl von Ausprägungen bzw. Teillösungen werden mehrere alterna-

tive Prinziplösungen spezifiziert (Bild 2-15). Diese bilden die Grundlage für eine erste

Montagekostenkalkulation [BAD+86, S. 58ff.].

Bild 2-15: Morphologischer Kasten zur Spezifikation der Prinziplösung eines Monta-

gesystems nach [BAD+86, S. 70]

Ablaufplanung: Ziel dieser Phase ist die Montageablaufstruktur. Diese beschreibt die

Reihenfolge der Montagetätigkeiten und deren Freiheitsgrade (z. B. Zwangsfolgen, pa-

rallele Tätigkeiten). Die Konstruktionsunterlagen (Konstruktionszeichnungen, Kon-

struktionsstücklisten) bilden die Eingangsinformationen. Das Produkt wird zunächst

fertigungsorientiert strukturiert. Dies umfasst die Bildung von Unterbaugruppen, Bau-

gruppen und Montagefamilien13. Zur Reduzierung der Arbeitsumfänge werden ausge-

wählte Erzeugnisse betrachtet und nicht das gesamte Produktionsprogramm. Das Er-

gebnis ist die Erzeugnisgliederung, die meist in Form einer Baukastenstückliste doku-

mentiert wird. Auf Basis der Erzeugnisgliederung wird die Montageablaufstruktur erar-

beitet. Die Hauptaufgaben sind hierbei die Aufgabengliederung, bei der die durchzufüh-

renden Tätigkeiten definiert werden, sowie die Ablaufgliederung, bei der die Reihenfol-

gebeziehungen der Tätigkeiten festzulegen sind. Die Montageablaufstruktur wird um

13 Als Montagefamilien werden Unterbaugruppen, Baugruppen oder ganze Produkte mit einer ähnlichen

Montageablaufstruktur bezeichnet [BAD+86, S. 53].

Kapazitätsteilung

Gesamtstruktur

Kapazitätsteilung

Teilsysteme

Überdimensionierung

“System“

Puffer

(Entkopplung)

Planungsmaßnahmen

Ausprägungen

1 System

Artteilung

nein

parallele Systeme

gleich groß ungleich groß

Mengenteilung gemischte

Arbeitsteilung

parallel in Reihe

Platzpuffer

kombi-

niert

Legende

Soll-Ausprägung des Montagesystems

nicht zu berücksichtigende Ausprägungen des Montagesystems First In - First Out

FIFO

First In - Last OutFILO

Abschnittspuffer

FIFO FILO wahlfrei kombi-

niert

FIFO FILO

wahlfrei

keine

Puffer

Baugruppenzuordnung

Vormontage zentral dezentral kombiniert

Problemanalyse Seite 37

weitere Planungsdaten ergänzt (z. B. Vorgabezeiten). Abschließend erfolgt die Kapazi-

tätsteilung, d. h. der Abgleich des Kapazitätsbedarfs der Montagetätigkeiten mit dem

Kapazitätsangebot der Arbeitsplätze und die Bildung der Arbeitsinhalte [Amm85,

S. 18ff.], [BAD+86, S. 88ff.].

Montagesystementwurf: Auf Grundlage der Montageablaufstruktur erfolgt die Monta-

gesystementwicklung. In einem iterativen Ablauf werden technische (z. B. Montageope-

rationen, Materialfluss, Puffer), organisatorische (z. B. Organisationsprinzip) und räum-

liche Aspekte (z. B. Layout, Materialbereitstellung) bearbeitet. Hierbei entstehen mehre-

re Alternativen, die hinsichtlich Nutzwert und Wirtschaftlichkeit bewertet werden. Liegt

kein geeigneter Entwurf vor, ist die Phase erneut zu durchlaufen. Die Analyse kann

durch Simulationen unterstützt werden. Abschließend wird das gesamte Produktions-

programm auf das ausgewählte Montagesystem eingeplant, um eine Leistungsabstim-

mung durchzuführen und Modell-Mix-Verluste zu reduzieren [BAD+86, S. 147ff.].

Ausarbeitung: Ausgehend vom Entwurf des Montagesystems erfolgt die Konkretisie-

rung der Arbeitsstationen. Hierbei wird kontinuierlich überprüft, ob die Eigenschaften

der entwickelten Montagesysteme mit den Planvorgaben übereinstimmen, bspw. Vor-

gabezeiten oder Arbeitswert. Kommt es zu signifikanten Abweichungen, ist ein Ab-

gleich der Montagestationen erforderlich. Abschließend erfolgt die Erstellung der Mon-

tageunterlagen (z. B. Montage- und Prüfanweisungen) [BAD+86, S. 249ff.].

Realisierung: Die Phase umfasst die Bereitstellung der Betriebsmittel, die Personalein-

satzplanung sowie den Montagesystemaufbau und -anlauf. Zunächst erfolgt die Kon-

struktion und Herstellung bzw. Beschaffung der benötigten Betriebsmittel. In der an-

schließenden Personaleinsatzplanung werden der Personalbedarf und die benötigten

Qualifikationsprofile bestimmt. Hierbei sind die betrieblichen Personalstrukturen und

Mitarbeiterqualifikationen, Arbeitszeitenregelungen sowie der inner- und außerbetrieb-

liche Arbeitsmarkt zu berücksichtigen. Im Rahmen des Aufbaus werden die Montage-

systeme installiert und die Bereitstellung von Material, Medien (z. B. Energie, Druck-

luft), Informationen (z. B. Arbeitspläne, Montageanweisungen), Werkzeugen und Prüf-

plänen sichergestellt. Abschließend erfolgen die Inbetriebnahme des Montagesystems

und die Einweisung des Personals [BAD+86, S. 309ff.].

Betrieb: Mit dem Übergang in den Serienbetrieb ist eine Ermittlung der Montage-

grunddaten (z. B. Vorgabezeit, Arbeitswert) durchzuführen. Dies ist erforderlich, da

sich in der Realisierungsphase häufig Änderungen ergeben und somit Leistungswerte

vom Planungsstand abweichen können. Weiterhin werden Rationalisierungsmaßnahmen

zur Optimierung der Montage durchgeführt. Diese können bspw. durch Verbesserungs-

vorschläge oder Kostenanalysen angestoßen werden [BAD+86, S. 331].

Seite 38 Kapitel 2

2.5.3 Fazit und Einordnung der zu entwickelnden Systematik

In der Montageplanung wird das Produkt in Baugruppen strukturiert, die Montageab-

laufstruktur wird spezifiziert und Montageverfahren werden festgelegt, insb. Fügever-

fahren. Die Montagplanung bildet somit eine wesentliche Schnittstelle zwischen der

Produkt- und der Produktionssystementwicklung. Sie liefert die Grundlage für die Pla-

nung der Montagesysteme im Rahmen der Arbeitsstätten-, Arbeitsmittel- und Material-

flussplanung. Die Ergebnisse der Konstruktion (z. B. Zeichnungen, Stücklisten) bilden

den Ausgangspunkt der Montageplanung. Bei der klassischen Montageplanung muss

daher die Produktentwicklung bereits weitestgehend abgeschlossen sein.

Mit Hilfe der zu entwickelnden Systematik soll die Montageplanung früher im Pro-

duktentstehungsprozess beginnen und integrativ mit der Produktentwicklung erfolgen

(vgl. Kap. 2.2). In diesem Fall bildet nicht die fertige Produktdokumentation sondern

die Prinziplösung des herzustellenden Produkts den Ausgangspunkt. Auf Grundlage der

enthaltenen Informationen soll das Produkt montageorientiert strukturiert und eine erste

Montageablaufstruktur erarbeitet werden. Wechselwirkungen zwischen Produkt- und

Montagekonzept können so frühzeitig identifiziert und berücksichtigt werden. Das auf

das Produkt abgestimmte Montagekonzept ist die Grundlage für die Konzipierung der

Fertigung und die weitere Konkretisierung des Produktionssystems.

2.6 Integrative Konzipierung mechatronischer Systeme und der

zugehörigen Produktionssysteme

Die Hauptphase Konzipieren (vgl. Kap. 2.4.1) entspricht dem Systementwurf des V-

Modells der VDI-Richtlinie 2206. In dieser Phase werden die grundsätzlichen Entwick-

lungsentscheidungen getroffen und in der fachdisziplinübergreifenden Prinziplösung

(Produktkonzept) dokumentiert. Die Prinziplösung legt den grundsätzlichen Aufbau und

die Wirkungsweise des Systems fest. Sie bildet die Grundlage für die Kommunikation

und Kooperation der beteiligten Fachleute entlang des Entwicklungsprozesses und trägt

somit maßgeblich zu einem einheitlichen Verständnis bei (vgl. [AR11, S. 63]). Weiter-

hin stellt sie die Datengrundlage für frühzeitige Analysen bereit, bspw. der Herstellkos-

ten oder der Robustheit gegenüber Störungen [GFD+09, S. 209ff.], [GBD+12, S 88f.].

Aufbauend auf der VDI-Richtlinie 2206 wurde von GAUSEMEIER ET AL. am Lehrstuhl

für Produktentstehung des Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn eine Ent-

wicklungsmethodik für die Konzipierung mechatronischer Systeme und der zugehöri-

gen Produktionssysteme entwickelt14. Diese umfasst als wesentliche Bestandteile:

14 Vgl. die Arbeiten im Sonderforschungsbereich 614 Selbstoptimierende Systeme des Maschinenbaus

[GFD+09, S. 205ff.], [GRS09, S. 155ff.] sowie der Verbundprojekte InZuMech [Gau10] und ENTIME

[GSA+11]. Erweiterungen um die Konzeption des Produktionssystems finden sich in den Ergebnissen

der Verbundprojekte INERELA [GF06] und VireS [GLL12] sowie in [Mic06], [BGN+09], [GBR10],

[Rey11] und [Nor12].

Problemanalyse Seite 39

• Die Spezifikationstechnik CONSENS – „CONceptual design Specification tech-

nique for the Engineering of complex Systems“ für die ganzheitliche und fachdis-

ziplinübergreifende Beschreibung der Prinziplösung mechatronischer Systeme und

der zugehörigen Produktionssysteme.

• Ein Vorgehensmodell, welches detailliert die durchzuführenden Tätigkeiten der

Konzipierung beschreibt und den Einsatz von Methoden und Werkzeugen steuert.

2.6.1 Spezifikationstechnik CONSENS zur Beschreibung der Produkt-

und Produktionssystemkonzeption

Die Spezifikationstechnik CONSENS ermöglicht die fachdisziplinübergreifende und

integrative Beschreibung der Prinziplösung mechatronischer Systeme und der zugehöri-

gen Produktionssysteme (Bild 2-16). Die Prinziplösung wird über die Aspekte Umfeld,

Anwendungsszenarien, Anforderungen, Funktionen, Wirkstruktur, Verhalten und Ge-

stalt beschrieben. Prozesse, Ressourcen und Gestalt beschreiben das zugehörige Pro-

duktionssystem. Rechnerintern werden die Aspekte durch Partialmodelle repräsentiert.

Sie stehen zueinander in Beziehung und sollen ein konsistentes Ganzes ergeben. Daher

bestehen die Prinziplösung und das zugehörige Produktionssystemkonzept aus einem

kohärenten System von Partialmodellen [GBD+12, S. 89ff.].

Die Erstellung und Bearbeitung der Aspekte erfolgt im engen Wechselspiel und ist von

Iterationen geprägt. Es existiert jedoch eine grundsätzliche Reihenfolge (vgl.

Kap. 2.6.2). Auf Basis des Umfelds und der Anwendungsszenarien werden Anforde-

rungen abgeleitet. Anschließend werden die Systemfunktionen erarbeitet und die

Wirkstruktur aufgestellt. Abschließend erfolgt die Spezifikation des Verhaltens und der

Gestalt [Fra06, S. 79], [GFD+09, S. 209f.], [GD10, S. 56ff.], [GBD+12, S. 89f.]. Im

Folgenden werden die einzelnen Aspekte kurz erläutert:

Umfeld: Es wird die Einbettung des zu entwickelnden Systems in sein Umfeld be-

schrieben, wobei das System als Black Box betrachtet wird. Die Beziehungen zwischen

dem System und den Elementen des Umfelds (z. B. Benutzer, Witterung) werden über

Stoff-, Energie- und Informationsflüsse spezifiziert. Beziehungen sind Interaktionen

(z. B. Benutzereingaben) oder Einflüsse (z. B. Umgebungstemperaturen, Vibrationen)

[GFD+09, S. 210], [GBD+12, S. 91f.].

Anwendungsszenarien: In diesem Partialmodell werden Betriebssituationen beschrie-

ben, für die das System auszulegen ist. Weiterhin wird festgelegt, wie sich das System

in diesen Situationen verhalten soll. Somit beschreiben Anwendungsszenarien situati-

onsspezifische Sichten auf das zu entwickelnde System und dessen Verhalten. Sie bil-

den die Grundlage für die Anforderungsermittlung und die Identifikation von Betriebs-

modi [GFD+09, S. 210f.], [GBD+12, S. 92f.].

Seite 40 Kapitel 2

Bild 2-16: Partialmodelle zur fachdisziplinübergreifenden Beschreibung der Prinziplö-

sung mechatronischer Systeme und der zugehörigen Produktionssysteme

[KNT09, S. 32], [GBD+12, S. 90]

Beschleunigen Bremsen

ohne

Unterstützung

mit

Unterstützung

Fahrer

bewegen

Bohr-

maschine

Schweiß-

automat

End-

montage

CNC-

Zentrum

Alurohr Schneiden Oberrohr

Alurohr Schweißen Sitzrohr Rahmen

schweißen

Rahmen

Unterrohr

Economic Modus

Touring Modus

Sport Modus

Motormoment / Trittmoment [%]

Geschwindigkeit v / km/h

15 20

Legende

510 25

100

200

300

City Modus

Fahren mit

Tretunterstützung

Pedelec steht Fahren ohne

Tretunterstützung

f > 0 s

tritt

v = 0 km/h

v < 25 km/h

f = 0 s

tritt

-1

v > 25 km/h

U < U

Akku min

Pedelec

Benutzer

Umgebung

HMI

Werkstatt

beeinflusst

Kraft

Modus

liest aus

Akku Steuerung

Rahmen

Vorderrad Hinterrad

Gabel

Lenker

2.1

3.1

2.2

3.2

2.3

3.3

2.4

Produktionssystem-

konzeption

(kohärentes System

von Partialmodellen)

Gestalt (Produkt)

Funktionen

Wirkstruktur

Prozesse

Gestalt (PS)

Anwendungsszenarien

Verhalten

Umfeld

Ressourcen

Produktkonzeption

(kohärentes System

von Partialmodellen)

PS: Produktionssystem

Anforderungen

Geometrie

Fertigung

Automatisierungsgrad: >60%

Ausbringungsmenge: 5.000 p.a.

Herstellkosten (max): 1.500 €

Sattelhöhe: 200 mm

Radgröße: 28 zoll

Rahmengröße: 500 mm

Radstand: 120 mm

Problemanalyse Seite 41

Anforderungen: Die Anforderungen bilden die „Messlatte“ für das zu entwickelnde

System sowie für das zugehörige Produktionssystem im gesamten Produktentstehungs-

prozess. Sie werden in einer Anforderungsliste strukturiert und rechnerintern im Par-

tialmodell Anforderungen repräsentiert. Anforderungen werden nach Wunsch- und

Festforderungen klassifiziert und durch qualitative und quantitative Angaben konkreti-

siert. Checklisten geben Hilfestellungen bei der Aufstellung der Anforderungen15

[PBF+07, S. 215], [GFD+09, S. 211f.], [GBD+12, S. 94].

Funktionen: Funktionen beschreiben lösungsneutral den allgemeinen und gewollten

Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen [PBF+07, S. 215]. Das Ziel ist die

Erfüllung einer Aufgabe. Die identifizierten Funktionen werden in einer Funktionshie-

rarchie strukturiert und in Teilfunktionen untergliedert. Hierbei erfolgt die Unterteilung

solange, bis sinnvolle Lösungen zur Erfüllung der einzelnen Teilfunktionen gefunden

werden können. Die Erstellung der Funktionshierarchie wird durch Funktionskataloge

unterstützt16 [GFD+09, S. 212f.], [GBD+12, S. 94f.].

Wirkstruktur: Die Wirkstruktur bildet den Kern der Prinziplösung eines mechatroni-

schen Systems. Sie beschreibt den grundsätzlichen Aufbau und die Wirkungsweise. Die

gefunden Lösungen zur Erfüllung der Teilfunktionen werden in der Wirkstruktur als

Systemelemente modelliert und zueinander in Beziehung gesetzt. In Anhängigkeit vom

Konkretisierungsgrad kann es sich bei Systemelementen um abstrakte Wirkprinzipien,

Module, Bauteile, Baugruppen oder Software-Komponenten handeln. Die Beziehungen

der Systemelemente werden mittels Stoff-, Energie- und Informationsflüsse modelliert.

Im Entwicklungsverlauf werden die Systemelemente konkretisiert und detailliert. Bild

2-17 zeigt die oberste Abstraktionsebene der Wirkstruktur eines Pedelecs17 [GFD+09,

S. 213f.], [GBD+12, S. 95ff.].

Verhalten: Bei der Entwicklung mechatronischer Systeme spielt die Modellierung des

Verhaltens eine zentrale Rolle. Es bildet den Ausgangspunkt für den Software- und

Reglerentwurf. Das Verhalten kann sowohl für das Gesamtsystem als auch für einzelne

Systemelemente spezifiziert werden. Hierfür stehen zwei Partialmodelle zur Verfügung.

Zustände und Zustandsübergänge werden im Partialmodell Verhalten-Zustände be-

schrieben. Das Partialmodell Verhalten-Aktivitäten umfasst die Ablaufprozesse inner-

halb eines Systemzustands. Nach Bedarf können weitere Aspekte ergänzt werden, bspw.

Kinematik oder Dynamik [GFD+09, S. 213f], [GBD+12, S. 98f.].

15 Beispiele für Checklisten finden sich in [Rot00], [PBF+07], [Ehr09].

16 Beispiele für Funktionskataloge finden sich in [Bir80], [Lan00].

17 Pedelec (Pedal Electric Cycle): Fahrrad mit elektrischer Motorunterstützung (vgl. Kap. 4)

Seite 42 Kapitel 2

Bild 2-17: Wirkstruktur eines Pedelecs nach [GBD+12, S. 97]

Motor

Rahmen

Drehimpuls-

geber

(Motor)

Steuerungs-

einheit Akku Drehmoment-

sensor Pedaleinheit

HMI

Tourensattel

Rad hinten Rad vorne Gabel

Beleuchtungs-

anlage

Drehimpuls-

geber

(Tretkurbel)

Getriebe

Leistungs-

elektronik

Bremsanlage

Lenker

Ist-Wert Puls

Benutzereingabe

Statusinformationen

U = 6V

Motordrehfrequenz

SoC / SoH

Bremskraft

Getriebemoment

Trittfrequenz f

Trittmoment M

Pedelec

Lenk

U (AC)

Motor

Rekuperation

Versorgung

Rekuperation

Versorgung

Stütz

Versorgung

Motor

tritt

Legende

MesspunktVerbindungspunkt Logische GruppeEnergiefluss Informationsfluss

Systemelement

Problemanalyse Seite 43

Gestalt des Produkts: Erste Festlegungen zur Produktgestalt sind bereits in der Konzi-

pierung zu treffen. Den Ausgangspunkt bilden die Wirkstruktur sowie Gestaltinformati-

onen bereits existierender Bauteile und Baugruppen (z. B. Zukauf- oder Normteile).

Spezifiziert werden Anzahl, Form, Lage, Anordnung und Art der Wirkflächen und

Wirkorte. Weiterhin können Hüllflächen und Stützstrukturen ergänzt werden. Für die

rechnerinterne Modellierung werden gängige 3D-CAD-Systeme verwendet. Bild 2-18

zeigt die grobe Gestalt eines Pedelecs in einer frühen Entwicklungsphase [GFD+09,

S. 213], [GBD+12, S. 96ff.].

Bild 2-18: Grobe Gestalt eines Pedelecs als 3D-Modell nach [GBD+12, S. 98]

Prozesse: Das Partialmodell beschreibt den Produktionsablauf betriebsmittelunabhän-

gig als eine Folge von Arbeitsvorgängen (Fertigungs-, Montage- und Transportprozes-

se)18. Die Prozesse werden im Entwicklungsverlauf detailliert und konkretisiert19. Ein-

und Ausgangsobjekte der Prozesse werden als Materialelemente bezeichnet. Diese um-

fassen alle Rohstoffe, Zulieferteile, Handelswaren sowie Roh-, Halb- und Fertigteile im

Herstellungsprozess [GK06, S. 2]. Ein Teil der Materialelemente entspricht den zu fer-

tigenden Systemelementen aus der Wirkstruktur (z. B. Bauteile, Baugruppen), andere

Materialelemente ergeben sich als Zwischenzustände im Produktionsprozess (z. B. Aus-

gangsmaterialen, Zwischenbaugruppen) [GBR10, S. 717f.], [GBD+12, S. 100ff.].

Analog zur Wirkstruktur der Prinziplösung bildet das Partialmodell Prozesse den Kern

des Produktionssystemkonzepts und stellt die Grundlage für die frühzeitige Identifikati-

on von Wechselwirkungen dar, bspw. Restriktionen durch Fertigungstechnologien. Die-

se können somit bereits während der Konzipierung in die Produktentwicklung einflie-

18 Vgl. Prozesskette nach [Wes05, S. 7]

19 Fertigungsprozesse werden zunächst als Fertigungsfunktionen spezifiziert. Diese werden zu Ferti-

gungsverfahren und -technologien konkretisiert (vgl. [DIN8580]). Die Konkretisierung von Montage-

und Transportprozesse erfolgt analog [GBR10, S. 717].

Mögliche Positionen

des Radnabenmotors

Bauraum des Akkus Existierender Rahmen

eines Tourenrades

Seite 44 Kapitel 2

ßen. Des Weiteren bildet das Partialmodell den Ausgangspunkt für die Konkretisierung

im Rahmen der Arbeitsablaufplanung [GBR10, S. 717f.], [GBD+12, S. 101].

Ressourcen: Die Realisierung der Prozesse erfolgt über Ressourcen, die im gleichna-

migen Partialmodell beschrieben werden. Dies umfasst alle für die Ausführung der Pro-

zesse benötigten Betriebsmittel20 sowie das Personal [DIN69901-5, S. 17]. Die Res-

sourcen werden den Arbeitsvorgängen zugeordnet. Es ist durchaus möglich, dass eine

Ressource mehrere Arbeitsvorgänge ausführt, bspw. ein CNC-Bearbeitungszentrum.

Über Materialflüsse sind die Ressourcen untereinander verkettet. Diese ergeben sich aus

den Reihenfolgebeziehungen der Arbeitsvorgänge in der Prozessfolge. Die Konkretisie-

rung der Ressourcen erfolgt über Parameter und Gestaltinformationen (z. B. Layouts).

Das Partialmodell Ressourcen bildet den Ausgangspunkt für die Arbeitsmittel- und Ma-

terialflussplanung [GBR10, S. 718f.], [GBD+12, S. 102f.].

Gestalt des Produktionssystems: In Analogie zur Produktkonzipierung können auch

bei der Produktionssystemkonzipierung erste Festlegungen zur Gestalt getroffen wer-

den. Dies umfasst Arbeitsräume und Platzbedarfe von Maschinen oder grobe Layouts.

Die Spezifikation der Produktionssystemgestalt erfolgt in Form quantifizierter Flächen-

bedarfe, Skizzen oder 3D-CAD-Modellen. Diese Informationen werden für die Konkre-

tisierung im Rahmen der Arbeitsstätten- und Arbeitsmittelplanung verwendet [GBR10,

S. 719.], [GBD+12, S. 103].

2.6.2 Vorgehensmodell für die integrative Konzipierung

Das Vorgehen für die integrativen Konzipierung nach GAUSEMEIER ET AL. gliedert sich

in sieben Phasen (Bild 2-19). Die Produktkonzipierung umfasst die Phasen Planen und

Klären der Aufgabe, Konzipierung auf Systemebene, Konzipierung auf Modulebene und

Konzeptintegration. Die Phasen Planen und Klären der Aufgabe, Konzipierung auf

Prozessebene und Konzipierung auf Ressourcenebene beschreiben das Vorgehen der

Produktionssystemkonzipierung. Trotz der Darstellung ist das Vorgehen nicht als strin-

gente Folge von Aktivitäten zu verstehen. Zum Teil werden mehrere Iterationsschleifen

durchlaufen und die Lösung dabei konkretisiert. Anzahl, Reihenfolge und Zeitpunkte

sind von der spezifischen Entwicklungsaufgabe abhängig (z. B. Komplexität, Organisa-

tionsformen) [GDK+11, S. 774f.].

20 Der Begriff Betriebsmittel umfasst Maschinen, Fahrzeuge, Lager- und Transportsysteme, Werkzeuge,

Messmittel, Prüfgeräte, Vorrichtungen und Steuerprogramme [Wes05, S. 8].

Problemanalyse Seite 45

Bild 2-19: Generelles Vorgehen zur integrativen Konzipierung von Produkt und Pro-

duktionssystem nach [GDK+11, S. 775], [Nor12, S. 99]

Modul n

Modul 2

Modul 1

Prinziplösung auf

Systemebene

Prinziplösung

auf Modulebene

Vollständige

Prinziplösung

Integrative Konzipierung von Produkt und Produktionssystem

Dekomposition

Anforderungsliste,

Anwendungsszenarien,

Umfeldmodell

Konzept des PS

auf Prozessebene

Fertigungsanforderungen,

produktionsorientierte Erzeugnisstruktur

Vollständiges

Konzept des PS

Planen und Klären

der Aufgabe

Konzipierung auf

Modulebene

Wechsel-

wirkungen

Konzipierung auf

Systemebene

Konzept-

integration

Planen und Klären

der Aufgabe

Konzipierung auf

Prozessebene

Konzipierung auf

Ressourcenebene

Legende

Produkt

PS: Produktionssystem

Phase

Phase Produktions-

system

Resultat

Seite 46 Kapitel 2

Planen und Klären der Aufgabe (Produkt): Die Entwicklungsaufgabe wird abstra-

hiert und der Kern der Entwicklungsaufgabe identifiziert. Für die Ermittlung der Rand-

bedingungen und der externen Einflüsse auf das System wird ein Umfeldmodell erstellt.

In Form von Anwendungsszenarien werden typische Betriebssituationen des Systems

und die zugehörigen Systemzustände spezifiziert. Diese beschreiben abstrakt einen Teil

der Systemfunktionalität. Umfeldmodell und Anwendungsszenarien bilden die Grund-

lage für die systematische Ermittlung von Anforderungen an das zu entwickelnde Sys-

tem. Als Resultat liegt eine Anforderungsliste vor [GFD+09, S. 217f.], [GD10, S. 62f.].

Eine detaillierte Darstellung findet sich im Anhang (siehe Anhang Bild A-1).

Konzipierung auf Systemebene: Ziel der Phase ist die fachdisziplinübergreifende

Prinziplösung des zu entwickelnden Systems. Den Ausgangspunkt bilden die Anwen-

dungsszenarien und die Anforderungsliste. Aus diesen werden die Hauptfunktionen

abgeleitet, die in einer Funktionshierarchie strukturiert und in Teilfunktionen unterglie-

dert werden. Dies erfolgt solange, bis geeignet Teillösungen zur Erfüllung der Teilfunk-

tionen zugeordnet werden können. Mit Hilfe eines morphologischen Kastens werden die

Funktionen und Lösungen strukturiert und konsistente Kombinationen gebildet. Das

logische und funktionale Zusammenwirken der Teillösungen wird in der Wirkstruktur

beschrieben. Ausgehend von der Wirkstruktur erfolgt die Spezifikation der Gestalt und

des Systemverhaltens. Abschließend werden die Lösungsalternativen gegenüber den

Anforderungen bewertet und die am besten geeignete Lösung ausgewählt [GFD+09,

S. 218], [GD10, S. 64]. Eine detaillierte Darstellung findet sich im Anhang (siehe An-

hang Bild A-2).

Konzipierung auf Modulebene: Das mit der Prinziplösung beschriebene Gesamtsys-

tem wird entwicklungsorientiert in Module strukturiert. Anschließend erfolgt die Detail-

lierung und Konkretisierung der einzelnen Module. Das Vorgehen entspricht hierbei

den beiden vorangegangenen Phasen. Als Resultat dieser Phase liegen die Prinziplösun-

gen der verschiedenen Module vor. Sie ermöglichen Aussagen zur technischen und

wirtschaftlichen Realisierbarkeit [GFD+09, S. 216], [GD10, S. 62].

Konzeptintegration: Die entwickelten Prinziplösungen der Module werden in dieser

Phase zu einer detaillierten Prinziplösung des Gesamtsystems integriert. Hierbei sind

Probleme und Widersprüche zu identifizieren und zu lösen. Den Abschluss bildet eine

Bewertung der gefundenen Lösung unter technischen und wirtschaftlichen Gesichts-

punkten. Die vollständige Prinziplösung bildet die Grundlage für den fachdisziplinspe-

zifischen Entwurf (vgl. Kap. 2.4.3.2) [GFD+09, S. 216], [GD10, S. 62].

Planen und Klären der Aufgabe (Produktionssystem): Auf Grundlage der Prinziplö-

sung des zu entwickelnden Systems wird die Entwicklungsaufgabe aus Sicht der Pro-

duktionssystementwicklung analysiert. Die bestehende Anforderungsliste wird auf die

fertigungsrelevanten Anforderungen reduziert. Dies sind bspw. Stück- und Varianten-

zahlen, Abmessungen und Produktmasse. Anschließend werden die Wirkstruktur und

die Gestalt des Produkts analysiert und die zu fertigenden Systemelemente (Bauteile,

Problemanalyse Seite 47

Baugruppen, Module) sowie ihre strukturellen Verbindungen identifiziert [BGN+09,

S. 529], [GDK+11, S. 775], [NBG13, S. 621].

Konzipierung auf Prozessebene: Die zentrale Aufgabe dieser Phase ist die Erstellung

eines ersten Arbeitsablaufs. In diesem werden die notwendigen Fertigungs- und Monta-

gevorgänge, ihre Reihenfolgebeziehungen sowie die relevanten Systemelemente (z. B.

Bauteile, Baugruppen und Zwischenzustände im Herstellungsprozess) spezifiziert. Auf

Grundlage der identifizierten zu fertigenden Systemelemente und ihrer Verbindungen

wird eine erste Montagefolge abgeleitet. Anschließend werden die Materialelemente in

Eigen- und Fremdfertigung unterteilt. Für die Bauteile aus Eigenfertigung ist der Ar-

beitsablauf auszuarbeiten. Dazu werden geeignete Fertigungstechnologien bestimmt,

Fertigungstechnologieketten gebildet und die Zwischenzustände der Bauteile ermittelt

[BGN+09, S. 529], [GDK+11, S. 775], [NBG13, S. 621ff.].

Konzipierung auf Ressourcenebene: Für die Realisierung der spezifizierten Ferti-

gungs- und Montageprozesse werden Ressourcen ausgewählt. Prozesse können häufig

auf unterschiedlichen Maschinen realisiert werden. Ein Bohr-Prozess kann sowohl mit

einem CNC-Bearbeitungszentrum als auch mit einer Standbohrmaschine umgesetzt

werden. Somit ergeben sich alternative Konzepte für das Produktionssystem. Diese bil-

den den Ausgangspunkt für die weitere Konkretisierung im Rahmen der Arbeitsplanung

[BGN+09, S. 529f.], [GDK+11, S. 775], [NBG13, S. 623].

Wechselwirkungen: Zwischen der Konzipierung von Produkt und Produktionssystem

bestehen vielfache Wechselwirkungen. Dies gilt insb. für die Phasen Konzipierung auf

Modulebene, Planen und Klären der Aufgabe (Produktionssystem) und Konzipierung

auf Prozessebene. Beispielsweise hat die Auswahl einer Fertigungstechnologie direkten

Einfluss auf die Gestalt und den Werkstoff des Produkts. Die zyklischen Pfeile in Bild

2-19 deuten dies an. Die Konzipierung von Produkt und Produktionssystem muss daher

parallel und in enger Abstimmung erfolgen [GDK+11, S. 774].

2.6.3 Fazit und Einordnung der zu entwickelnden Systematik

Die Entwicklungsmethodik ermöglicht die integrative Konzipierung mechatronischer

Systeme und der zugehörigen Produktionssysteme. Hierbei bestehen jedoch Defizite.

Die Produktmodellierung mittels 3D-CAD-Systemen ist für die Konzipierung ungeeig-

net [Lem09, S. 18]. Die Spezifikationstechnik CONSENS stellt keine Beschreibungs-

mittel für eine intuitive und effiziente Beschreibung der Gestalt mittels Hand- oder 2D-

Skizzen zur Verfügung. Weiterhin unterstützt die Entwicklungsmethodik die Erarbei-

tung der Prinziplösung sowie die Konzipierung des zugehörigen Produktionssystems.

Jedoch ist insb. der Übergang von der Konzipierung des Produkts in die Produktions-

systemkonzipierung unzureichend beschrieben. Beispielsweise wird keine Produktstruk-

turierung unter montagetechnischen Gesichtspunkten unterstützt.

Seite 48 Kapitel 2

Die zu entwickelnde Systematik soll sich in die beschriebene Entwicklungsmethodik für

die integrative Konzipierung mechatronische Systeme einfügen. Die Vorgehensweise

für die integrative Konzipierung der Montage wird in das bestehende Vorgehensmodell

integriert. Auf Basis der in den Partialmodellen der Prinziplösung enthaltenen Informa-

tionen erfolgt die montageorientierte Produktstrukturierung. Die Spezifikationstechnik

CONSENS bildet die Grundlage für die Beschreibung des Montagekonzepts, wobei die

existierenden Partialmodelle genutzt und ggf. erweitert werden.

2.7 Problemabgrenzung

Immer kürzer werdende Produktlebenszyklen und Entwicklungszeiten, eine zunehmen-

de Produktkomplexität bei hoher Produktqualität, interdisziplinäre Entwicklungsteams

sowie ein dynamisches Unternehmensumfeld prägen den Produktentstehungsprozess

moderner maschinenbaulicher Erzeugnisse. Die Produktentstehung kann nicht mehr als

Sequenz separater Tätigkeiten verstanden werden. Es bedarf eines Ansatzes, bei dem

die Gesamtheit der vernetzten Aktivitäten im Produktlebenszyklus sowie die Wechsel-

wirkungen zwischen Produkt und Produktion Berücksichtigung finden. Gefordert wird

ein übergreifender Ansatz, der die fachdisziplinspezifischen Methoden und Arbeitstech-

niken integriert [AR11, S. 63].

Ein Lösungsansatz ist die integrative Entwicklung von Produkt und Produktionssys-

tem. Hierbei werden die sequentiellen Abläufe im Sinne des Simultaneous Engineering

parallelisiert und von einem interdisziplinären Entwicklungsteam durchgeführt [Ehr09,

S. 188], [AR11, S. 63]. Die Ergebnisse der beteiligten Fachbereiche müssen ausge-

tauscht und aufeinander abgestimmt werden [ELP+05, S. 21]. Das 3-Zyklen-Modell der

Produktentstehung bildet ein Rahmenwerk für die integrative Entwicklung [GPW09,

S. 38ff.]. Das Bindeglied zwischen Produkt- und Produktionssystementwicklung ist die

Montageplanung [Fra03, S. 27]. Durch ein abgestimmtes Vorgehen von Produktent-

wicklung und Montageplanung ergeben sich die folgenden Nutzenpotentiale:

• Berücksichtigung von Wechselwirkungen: Zwischen Produktentwicklung und

Montageplanung bestehen vielfache Wechselwirkungen. Beispielsweise beeinflus-

sen die Produktgestalt und -struktur die Gestaltung des Montageprozesses. Anders-

herum determinieren die gewählten Montageverfahren das Produktkonzept, z. B.

bzgl. Gestalt und Werkstoff [AR11, S. 63]. Nur unter der Berücksichtigung der ge-

genseitigen Abhängigkeiten lässt sich ein leistungsfähiges und kostengünstiges

Produkt entwickeln.

• Abstimmung der Entwicklungsbereiche: In den frühen Entwicklungsphasen ent-

stehen ca. 80 % der Produktfehler. Zu 70 % werden die Fehler erst am Ende der

Auftragsabwicklung in der Montage und im Versuch erkannt, wenn die Teilsysteme

zum Gesamtsystem kombiniert werden. Die Kosten für die Beseitigung nicht ent-

Problemanalyse Seite 49

deckte Fehler steigen im Verlauf der Produktentstehung progressiv an21 [Hes06,

S. 24], [Bos07, S. 111], [Ehr09, S. 138]. Durch die Abstimmung der Entwicklungs-

bereiche können unnötige zeit- und kostenintensive Iterationsschleifen im Entwick-

lungsprozess vermieden werden. Die Abstimmung zwischen Produktentwicklung

und Montageplanung spielt hierbei eine Schlüsselrolle.

• Frühzeitige Kostenverantwortung: Die Montage verursacht einen Großteil der

späteren Produktkosten [Fra03, S. 27f.], [BK12, S. 344]. Viele kostenbeeinflussen-

de Entscheidungen werden jedoch bereits in der Konzeptphase der Produktentwick-

lung getroffen. Diese können in den nachgelagerten Bereichen nicht mehr bzw. nur

bedingt beeinflusst werden. Somit werden die Herstellkosten bereits frühzeitig fest-

gelegt [EE11, S. 141]. Produktentwicklung und Montageplanung sollten frühzeitig

aufeinander abgestimmt werden, um eine positive Beeinflussung der Herstellkosten

zu ermöglichen [ESA05, S. 15].

Aufgrund der wirtschaftlichen und technischen Bedeutung der Montageplanung sollten

die Produktentwicklung und Montageplanung so früh wie möglich und im engen Wech-

selspiel erfolgen [Fra03, S. 28]. Die Integration von Produktentwicklung und Produkti-

onssystementwicklung ist heute jedoch nur unzureichend realisiert. Produkt- und Pro-

duktionssystementwicklung erfolgen organisatorisch und inhaltlich meist getrennt

[NWD+08, S. 409], [PSD+09, S. 988], [SL09b, S. 111], [EEW10, S. 200].

In der Produktkonzipierung werden die Funktionen und der grundsätzliche Aufbau fest-

gelegt. Die Prinziplösung beschreibt fachdisziplinübergreifend die physikalische und

logische Funktionsweise des Systems. Weiterhin legt sie die Systemelemente hinsicht-

lich Anzahl und Anordnung fest und beinhaltet erste Angaben zur Gestalt des Systems

[GFD+09, S. 213]. Ein geeigneter Ansatzpunkt für die integrative Montagplanung

ist somit die Prinziplösung eines mechatronischen Systems. Auf diese Weise werden

Produktentwicklung und Montageplanung bereits frühzeitig parallelisiert. Wechselwir-

kungen zwischen der Prinziplösung und dem Produktionssystemkonzept können von

Beginn an berücksichtigt werden [VDI2206, S. 43], [Mic06, S. 2]. Der Übergang von

der Prinziplösung des Produkts zur Konzipierung des Produktionssystems ist bislang

nicht hinreichend konkretisiert (Bild 2-20).

21 Vgl. „rule of ten“ nach CLARK und FUJIMOTO [CF92]. Diese besagt, dass die Fehlerbeseitigungskosten

mit jeder Entwicklungsphase um den Faktor Zehn steigen.

Seite 50 Kapitel 2

Bild 2-20: Handlungsfeld integrative Konzipierung der Montage

Die für die Montageplanung relevanten Partialmodelle sind Anforderungen, Wirkstruk-

tur und Gestalt. Aus den Produktanforderungen lassen sich Anforderungen an das Pro-

duktionssystem ableiten (z. B. Stückzahlen). Die Wirkstruktur enthält gestaltbehaftete

Systemelemente sowie montagerelevante Zusammenhänge (z. B. Kraft- oder Energie-

übertragungen). Angaben zur Geometrie und räumliche Anordnung der Systemelemente

werden im Partialmodell Gestalt beschrieben. Bei der Beschreibung der Prinziplösung

des zu entwickelnden Produkts bestehen heute folgende Defizite:

• Gestalt: Die Spezifikation der Produktgestalt erfolgt in konventionellen 3D-CAD

Systemen. Dies verleitet zu einer direkten Modellierung der Gestalt. Konzeptionelle

Überlegungen, die Betrachtung von Alternativkonzepten etc. werden hierdurch häu-

fig übergangen [Lem09, S. 18]. Die Modellierung der Gestalt sollte in der Kon-

zeptphase auf Basis von grob maßstäblichen Skizzen erfolgen und die 3D-

Modellierung erst mit dem Übergang von der Konzipierung in die Entwurfsphase

beginnen [VDI2209, S. 59].

• Struktur: Flussbeziehungen aus der Wirkstruktur geben Hinweise auf mögliche

Bauteilverbindungen (z. B. erfordert eine Kraftübertragung i. d. R. eine mechani-

sche Verbindung). Die Beschreibung von baulichen Strukturbeziehungen (z. B.

Verbindung von Bauteilen, Montagegruppen) ist hingegen nicht vorgesehen. Folg-

lich ist die Ableitung einer montageorientierten Erzeugnisgliederung nicht möglich.

Vor dem beschriebenen Hintergrund stellen sich die folgenden Forschungsfragen:

• Wie können die Bauzusammenhänge eines Produkts in der Prinziplösung spe-

zifiziert werden? Es ist zu klären, welche Bauzusammenhänge zu spezifizieren

Produktionssystem-

konzept

(kohärentes System

von Partialmodellen)

Handlungsfeld

integrative

Konzipierung

der Montage

- Anforderungen

- Informationen zur Gestalt

- montageorientierte

Erzeugnisgliedeurng

- Gestaltungsrestriktionen

- Werkstoffeinschränkungen

Akku Steuerung

Rahmen

Vorderrad Hinterrad

Gabel

Lenker

Wirkstruktur

Alurohr Schneiden Oberrohr

Alurohr Schweißen Sitzrohr Rahmen

schweißen

Rahmen

Unterrohr

Prozesse

Gestalt (Produkt) Gestalt (PS)

Produktkonzept

(kohärentes System

von Partialmodellen)

PS: Produktionssystem

Bohr-

maschine

Schweiß-

automat

End-

montage

CNC-

Zentrum

Ressourcen

Anforderungen

2.1

3.1

2.2

3.2

2.3

Geometrie

Fertigung

Automatisierungsgrad: >60%

Ausbringungsmenge: 5.000 p.a.

Radgröße: 28 zoll

Rahmengröße: 500 mm

Radstand: 120 mm

Problemanalyse Seite 51

sind. Weiterhin ist festzulegen, in welchen Partialmodellen und mit welchem De-

taillierungsgrad diese Informationen modelliert werden.

• Wie können mechatronische Systeme frühzeitig montageorientiert strukturiert

werden? Die Produktbestandteile sind in der Regel funktionsorientiert zu Bau-

gruppen zusammengefasst. Auf Grundlage der Prinziplösung ist das Produkt mon-

tageorientiert zu strukturieren. Es ist zu klären, welche Informationen als Grundlage

der Strukturierung dienen und wie Montagegruppen gebildet werden.

• Wie kann frühzeitig der Montageprozess spezifiziert werden? Der Montagepro-

zess beschreibt die Montageablaufstruktur und die Montageverfahren. Er dient als

Kommunikationsmittel für die Abstimmung zwischen Produkt- und Produktions-

systementwicklung. Es ist festzulegen, welche Informationen in welchem Detaillie-

rungsgrad abgebildet werden und wie der Montageprozess mit der Prinziplösung

des Produkts und dem Produktionssystemkonzept verknüpft wird.

• Wie lassen sich in der frühen Phase der Produktentstehung geeignete Monta-

geverfahren auswählen? In der Konzipierung liegen meist nur unscharfe und teil-

weise unvollständige Informationen vor. Auf dieser Basis sollen unter technischen

und wirtschaftlichen Gesichtspunkten die bestmöglichen Montageverfahren ausge-

wählt werden. Der Fokus liegt hierbei auf der Auswahl der Fügeverfahren.

• Wie lassen sich die resultierenden Wechselwirkungen zwischen der Prinziplö-

sung und dem Montagekonzept berücksichtigen? Durch die Festlegung der

Montageablaufstruktur und die Auswahl der Fügeverfahren ergeben sich Restrikti-

onen an das Produkt. Diese müssen in die weitere Produktentwicklung einfließen.

Aus der geschilderten Problematik ergibt sich der Bedarf für eine Systematik zur integ-

rativen Konzipierung der Montage auf der Basis der Prinziplösung mechatronischer

Systeme. Die Systematik soll die beteiligten Fachleute in der frühen Phase der Pro-

duktentstehung bei der Erstellung eines ersten Montagekonzepts unterstützen22. Dies

umfasst die montageorientierte Strukturierung und Gestaltung des Produkts, die Ablei-

tung geeigneter Montageablaufstrukturen, die Auswahl von Montageverfahren sowie

die Berücksichtigung der gegenseitigen Wechselwirkungen mit dem Produktkonzept.

Weiterhin ist die Systematik in das Vorgehen zur integrativen Konzipierung von Pro-

dukt und Produktionssystem nach GAUSEMEIER ET AL. [GDK+11, S. 775] zu integrieren.

Der Definition in Kapitel 2.1.3 folgend, besteht eine Systematik aus einem Vorgehens-

modell sowie dedizierten Hilfsmittelen für dessen erfolgreiche Umsetzung. Dement-

sprechend umfasst die Systematik folgende Bestandteile:

22 Die Systematik soll das Entwicklungsgeschehen nicht automatisieren sondern die beteiligten Fachleute

in ihrer kreativen Tätigkeit unterstützen und bei häufig wiederkehrenden Aufgaben entlasten.

Seite 52 Kapitel 2

• Ein Vorgehensmodell als Leitfaden für die Entwickler und Planer, welches die

erforderlichen Tätigkeiten der Montagekonzipierung detailliert beschreibt. Die Ar-

beitsschritte werden mit den erforderlichen Ein- und Ausgangsinformationen sowie

den einzusetzenden Methoden und Werkzeugen verknüpft.

• Methoden für die Lösung von Teilaufgaben im Rahmen der integrativen Montage-

konzipierung sowie Werkzeuge zur deren Umsetzung.

• Eine Spezifikationstechnik für die integrative Beschreibung des Montagekonzepts.

Sie soll auf die Spezifikationstechnik CONSENS aufbauen [GBD+12, S. 89ff.] und

diese erweitern.

2.8 Anforderungen

Auf Grundlage der Problemanalyse werden die folgenden Anforderungen an die Syste-

matik zur integrativen Konzipierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechat-

ronischer Systeme gestellt.

A1) Anwendbarkeit in der Mechatronik: Bei heutigen maschinenbaulichen Erzeug-

nissen handelt es sich in der Regel um mechatronische Systeme. Daher soll die Syste-

matik branchen- und produktneutral für die integrative Konzipierung der Montage me-

chatronische Systeme eingesetzt werden können. Das Vorgehensmodell und die zuge-

hörigen Methoden müssen fachdisziplinübergreifend anwendbar sein. Andernfalls sind

fachdisziplinspezifische Vorgehensmodelle und Methoden auszuprägen.

A2) Abstimmung auf die Entwicklungsmethodik für die integrative Konzipierung

mechatronischer Systeme: Für die integrative Konzipierung von mechatronischen

Systemen und der zugehörigen Produktionssysteme existiert eine Entwicklungsmetho-

dik (vgl. Kap. 2.6). Die geforderte Systematik zur integrativen Konzipierung der Mon-

tage muss sich in diese Methodik integrieren.

A3) Prinziplösung als Ausgangspunkt: Die Entwicklung von Produkt und Produkti-

onssystem muss von Beginn an integrativ erfolgen. Der frühestmögliche Ausgangs-

punkt für die Montageplanung ist die Prinziplösung des zu entwickelnden Systems.

Somit muss die Systematik in der Phase der Konzipierung ansetzten.

A4) Frühzeitige Spezifikation der Produktgestalt: Den Ausgangspunkt für die Mon-

tageplanung bildet die Produktgestalt. Grobe Abmessungen, Lage und Anzahl von Kon-

taktpunkten oder Verbindungseigenschaften (z. B. Lösbarkeit, Zugänglichkeit) werden

in der Regel bereits frühzeitig definiert. Die Systematik muss die Festlegung montage-

relevanter Gestaltinformationen in der Konzipierungsphase ermöglichen.

A5) Frühzeitige montageorientierte Produktstrukturierung: Die Montageab-

laufstruktur basiert auf der montageorientierte Erzeugnisgliederung des Produkts. In der

Konzipierung liegt der Fokus auf der Wirkungsweise des Systems. Eine montageorien-

Problemanalyse Seite 53

tierte Erzeugnisgliederung liegt noch nicht vor. Die Systematik muss daher die frühzei-

tige montageorientierte Produktstrukturierung auf Basis der Prinziplösung ermöglichen.

A6) Auswahl von Montagetechnologien: Ein zentraler Aspekt der Montageplanung ist

die Auswahl geeigneter Montageverfahren bzw. -technologien. Die Systematik muss

daher entsprechende Methoden beinhalten, um auf Grundlage des Produktkonzepts eine

frühzeitige Auswahl zu ermöglichen.

A7) Berücksichtigung montagetechnischer Restriktionen: Wechselwirkungen zwi-

schen Produkt und Produktionssystem bestehen beidseitig. Es ist nicht ausreichend, nur

die Einflüsse des Produktkonzepts auf das Montagekonzept zu berücksichtigen. Auch

müssen Restriktionen an das Produkt, die sich aus dem Montagekonzept ergeben, in die

weitere Produktentwicklung einfließen.

A8) Ganzheitliche Konzipierung der Montage: Das Aufgabenspektrum der Monta-

gekonzipierung entspricht einer frühzeitigen Montageplanung. Es müssen der Montage-

ablauf sowie das Montagesystem spezifiziert werden. Die Systematik muss daher eine

frühzeitige Festlegung der Montageablaufstruktur, eine Auswahl der Montageverfahren

und eine Grobbeschreibung des Montagesystems (Ressourcen, Layout) ermöglichen.

A9) Nutzung eines disziplinübergreifenden Beschreibungsmittels: In der Konzipie-

rung dient die Prinziplösung als Kommunikationsmittel der beteiligten Fachleute. Ab-

hängigkeiten zwischen dem Produktkonzept und dem Montagekonzept müssen für die

Entwickler und Planer deutlich erkennbar sein. Das Montagekonzept muss daher allge-

meinverständlich und nachvollziehbar beschrieben sein. Die Notation der Prinziplösung

und des Montagekonzepts soll ähnlich sein und eine Wiedererkennung ermöglichen.

A10) Systematische Vorgehensweise: Das Vorgehen in der Produktentstehung ist von

Iterationen geprägt (vgl. Kap. 2.2). Mit Hilfe einer systematischen Vorgehensweise

kann sichergestellt werden, dass die notwendigen Entwicklungsschritte in der richtigen

Reihenfolge durchlaufen werden. Die Dokumentation erfolgt in einem Vorgehensmo-

dell. Die Systematik muss daher ein Vorgehensmodell enthalten, welches die Entwick-

ler und Planer in der zielgerichteten Konzipierung der Montage unterstützt.

Seite 54 Kapitel 3

3 Stand der Technik

Die vorangegangene Problemanalyse hat den Bedarf nach einer Systematik zur integra-

tiven Konzipierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme

aufgezeigt. Bereits in der frühen Phase der Produktentstehung sind das Produkt und

dessen Montage integrativ zu konzipieren. Auf diese Weise finden die Wechselwirkun-

gen zwischen Produktgestalt und den eingesetzten Montageverfahren frühzeitig Berück-

sichtigung, Fehler können vermieden und die Entwicklungszeit verkürzt werden.

Inhalt dieses Kapitels sind bestehende Ansätze und Arbeiten, die im Kontext der integ-

rativen Konzipierung der Montage relevant sind. In Kapitel 3.1 werden Vorgehenswei-

sen für die integrative Montageplanung vorgestellt. Inhalt von Kapitel 3.2 sind Metho-

den und Modellierungssprachen für die frühzeitige Beschreibung der Produktgestalt.

Auf die montageorientierte Produktstrukturierung geht Kapitel 3.3 ein. Anschließend

werden in Kapitel 3.4 Methoden für die Auswahl von Montagetechnologien vorgestellt

und Kapitel 3.5 behandelt die montagegerechte Produktgestaltung. Kommerzielle Soft-

waresysteme sind Inhalt von Kapitel 3.6. Die vorgestellten Ansätze werden auf Grund-

lage der in Kapitel 2.8 aufgestellten Anforderungen bewertet. Das Ergebnis dieser Be-

wertung wird in Kapitel 3.7 zusammengefasst und analysiert.

3.1 Integrative Entwicklung von Produkt und Montage

Im Folgenden werden Vorgehensweisen diskutiert, die ein abgestimmtes Vorgehen der

Produktentwicklung und der Montageplanung ermöglichen. Sie folgen der Prämisse,

dass bei komplexen maschinenbaulichen Erzeugnissen die Montageplanung bereits

während der Entwicklung des Produkts erfolgen soll.

3.1.1 Integrierter Vorgehensplan für Konstruktion und Montageplanung

nach BICHELMAIER

BICHELMAIER stellt einen integrierten Vorgehensplan vor, der die Abstimmung zwi-

schen Konstruktion und Montageplanung unterstützt und verbessern soll. Dieser be-

schreibt welche Informationen zu welchen Zeitpunkten zwischen den Bereichen auszu-

tauschen sind und schlägt Vorgehensweisen für diese Abstimmung vor. Der Vorge-

hensplan basiert auf dem Vorgehen zum methodischen Konstruieren nach VDI-Richt-

linie 2221 [VDI2221] und dem Vorgehen zur Montageplanung nach FELDMANN

[Fel97]. Die Arbeitsschritte werden in sog. Konkretisierungsebenen strukturiert. Inner-

halb dieser Ebenen erfolgt die Abstimmung zwischen der Konstruktion und der Monta-

geplanung [Bic00, S. 70f.]. Bild 3-1 zeigt den Vorgehensplan.

Stand der Technik Seite 55

Bild 3-1: Integrierter Vorgehensplan [Bic00, S. 71]

Ebene 1 – Aufgabe klären: Auf der obersten Konkretisierungsebene werden die Ziele

aufeinander abgestimmt. Die Schnittstelle zwischen dem Produkt und der Montageanla-

ge bildet der Montagevorgang. Aufgrund dieser engen Vernetzung ergeben sich in der

Regel Zielkonflikte zwischen den Bereichen, die zu lösen sind [Bic00, S. 71].

Ebene 2 – Konzipieren – Planen mit Produktstruktur: In dieser Ebene werden Kon-

zepte für das Produkt und die Montageanlage erstellt. Zum Beispiel werden eine monta-

gegerechte Erzeugnisgliederung sowie ein Ablaufplan erarbeitet. Auf dieser Basis kann

die Verfügbarkeit der benötigten Betriebsmittel geprüft und die erforderlichen Anlagen-

komponenten können grob ausgewählt werden [Bic00, S. 71].

Ebene 3 – Entwerfen – Planen mit Einzelteil- und Baugruppeninformationen: Auf

Seiten des Produkts erfolgt die Festlegung der Gestalt von Bauteilen und Baugruppen

(z. B. Dimensionen, Hüllvolumen, Materialien). Auf Grundlage dieser Informationen

werden montagerelevante Eigenschaften überprüft, wie Speicherbarkeit oder Handhab-

barkeit. Weiterhin werden auf Basis der Baugruppeninformationen die Verbindungen

zwischen den Bauteilen überprüft, der zugehörige Montageprozess konkretisiert und die

Betriebsmittel festgelegt [Bic00, S. 71f.].

Ebene 4 – Ausarbeiten – Planen mit vollständigen Produktinformationen: In dieser

Ebene wird das Produkt final ausgearbeitet. Für die Montageplanung stehen somit die

Ebene 1

Aufgabe

klären

Definition von

Anforderungen,

Funktionen, ...

Zielinformationen

Konzepte, Strukturen,

Prinziplösungen

Einzelgeometrien

Baugruppeninformationen

komplette

Produktinformation

Definition des

Lösungsprinzips

Definition von

Dimensionen,

Material, ...

Definition von

Toleranzen,

Oberflächen-

qualität, ...

Definition von

Anforderungen,

Randbedingungen,

...

Definition von

Prinziplösungen,

Fügefolgen, ...

Definition von

Fügevorgängen,

Betriebsmitteln,

...

Definition von

Handhabungs-

vorgängen,

Betriebsmitteln,

...

Gesamtlayout-

planung,

Steuerungs-

planung, ...

Konzipieren

Entwerfen

Ausarbeiten

Aufgabe

klären

Planen mit

Produkt-

struktur

Planen mit

Einzelteil-

information

Planen mit

Baugruppen-

information

Konstruktion

Produktmodell Modell der

Montageanlage

Montageplanung

Planen mit

vollständiger

Produkt-

information

Ebene 2

Ebene 3

Ebene 4

Aufgabe

Seite 56 Kapitel 3

gesamten Produktinformationen zur Verfügung. Diese bilden die Grundlage für die Er-

arbeitung von Layout- und Steuerungsplänen [Bic00, S. 72].

Innerhalb der einzelnen Ebenen werden die Arbeitsschritte Aufgabenklärung, Lösungs-

suche“ und Lösungsanalyse, Bewertung, Auswahl zyklisch für die Aspekte Produkt,

Montagevorgang und Montageanlage durchlaufen. Bild 3-2 zeigt das Vorgehen.

Bild 3-2: Ablauf der Absicherung einer montagerelevanten Produkteigenschaft

[Bic00, S. 74]

Auf Basis der Konzeptskizze wird der Vorgehenszyklus Getriebe entwerfen solange

durchlaufen, bis eine zufriedenstellende Lösung gefunden ist (1). Sind nicht alle monta-

gerelevanten Produkteigenschaften abgesichert (z. B. die Speicherbarkeit der Getriebe-

welle) erfolgt einer Abstimmung mit dem Montageplaner (2). Dieser durchläuft den

Vorgehenszyklus Ablaufplan erstellen auf Ebene der Montagevorgänge für die gesamte

Baugruppe (3). Sind die erforderlichen Betriebsmittel noch nicht ausgewählt wechselt er

in den Zyklus Betriebsmittel auswählen (4). Hier werden geeignete Betriebsmittel re-

cherchiert und ausgewählt (5). Auf dieser Grundlage kann der Ablaufplan finalisiert (6)

und die Anpassung der Produktgestalt angestoßen werden (7) [Bic00, S. 74f.].

Bewertung: Der Ansatz nach BICHELMAIER beschreibt die abgestimmte Vorgehenswei-

se zwischen Konstruktion und Montageplanung auf Grundlage existierender Vorge-

hensmodelle. Abstimmungspunkte und die auszutauschenden Informationen werden

aufgezeigt und die Montage wird ganzheitlich betrachtet. Die Beschreibung des Vorge-

hens erfolgt auf einer sehr abstrakten Ebene. Zwar stellt BICHELMAIER detailliertere

Prozessbausteine zur Verfügung, die durchzuführenden Tätigkeiten werden jedoch nicht

Konzeptskizze

Skizze der

Getriebewelle

Ablaufplan,

Skizze der

Getriebewelle

Entwurf der Getriebewelle

mit abgesicherten

Montageeigenschaften

Produkt Montagevorgang Montageanlage

Aufgaben-

klärung

Lösungs-

suche

Lösungsanalyse,

Bewertung,

Auswahl

Restriktionen der

Montageanlage

Betriebsmittel im

Ablaufplan zugeordnet

Aufgaben-

klärung

Lösungs-

suche

Lösungsanalyse,

Bewertung,

Auswahl

Ablaufplan

detaillierter

Ablaufplan

Aufgaben-

klärung

Lösungs-

suche

Lösungsanalyse,

Bewertung,

Auswahl

123 4 5

Stand der Technik Seite 57

detailliert beschrieben. Die Montageplanung beginnt bereits mit der Produktentwick-

lung. Somit bildet die Prinziplösung den Ausgangspunkt der Montageplanung und die

montageorientierte Produktstrukturierung erfolgt frühzeitig. Methoden für die Produkt-

gestaltung, die Produktstrukturierung und die Technologieauswahl werden nicht bereit-

gestellt.

3.1.2 Integrierte Produktentwicklung und Montageplanung nach GRUN-

WALD

GRUNDWALD entwickelt eine Methode für die integrierte Produktentwicklung und Mon-

tageplanung. Die Grundlage bilden Prozessbausteine, welche Teilaufgaben des Pro-

duktentwicklungs- und Montageplanungsvorgehens beschreiben. Diese sind in einem

Baukasten strukturiert und ermöglichen die Planung des Gesamtprozesses. Den Kern

des Vorgehens bilden die vier Schritte Zielfindung, Konzepterarbeitung, Moduldefiniti-

on sowie Modulentwicklung und -detaillierung (Bild 3-3).

Bild 3-3: Makrozyklus der integrierten Produktentwicklung und Montageplanung

[Gru02, S. 100]

Zielfindung: In dieser Phase ist die Hauptaufgabe die Beschaffung und Aufbereitung

von Informationen. Kundenwünsche und Unternehmensziele werden gesammelt und

aufbereitet. Hierbei wird zwischen integrierten Zielen (z. B. Produktgeometrie) und spe-

zifischen Zielen differenziert. Letztere unterteilen sich in produktspezifische (z. B.

Funktionen), montagevorgangsspezifische (z. B. Taktzeit) und montagesystemspezifi-

sche Ziele (z. B. Flächenbedarf). Die integrativen Ziele müssen in enger Abstimmung

zwischen Konstruktion und Montageplanung bearbeitet werden. Als Resultat dieser

Phase liegen Lastenhefte für das Produkt und die Montage vor [Gru02, S. 102f.].

Montagevorgang /

-anlage Produkt

Zielfindung Konzeption

Fügefolgen,

Anlagenidealstruktur

Grobreallayout, Fügetech-

nologien, Betriebsmittelwahl

Arbeitsplätze / Stationen,

Prozesse, Greifer

Moduldefinition Modulentwicklung

und -detaillierung

Produktstruktur,

Produktkonzept

Grobgeometrien,

Verbindungstechniken

Detailgeometrien,

Kontaktflächen

Produkt-

Lastenheft

Montage-

Lastenheft

Seite 58 Kapitel 3

Konzepterarbeitung: Das Ziel dieser Phase sind die Prinziplösungen des Produkts und

des Montagesystems. Für das Produkt wird die Funktionsweise festgelegt und eine erste

grobe Baustruktur entwickelt. Die Baustruktur gliedert das Produkt in Module und Bau-

teile und wird in enger Abstimmung mit der Modul-Fügereihenfolge erarbeitet. Auf

Basis der Fügereihenfolge entstehen das Konzept der Montageanlage sowie ein erstes

Groblayout. Die Strukturierung von Produkt, Fügereihenfolge und Montageanlage er-

folgt in Abstimmung zwischen Konstrukteuren und Montageplanern [Gru02, S. 103].

Moduldefinition: Entsprechend einer Kapazitätsteilung werden PVA-Module gebildet.

Diese beschreiben Einheiten aus Aspekten von Produkt, Vorgang und Anlage. Die

PVA-Module werden anschließend kategorisiert (vorhanden, anzupassen, neu zu entwi-

ckeln) und innerhalb von Modulteams aus Produktentwicklung, Montagevorgangs- und

Anlagenplanung integrativ detailliert. Zum Beispiel werden die Handhabungsprozesse

und Referenzpunkte sowie ein grobes Reallayout der Anlage festgelegt [Gru02, S 104].

Modulentwicklung und -detaillierung: Die Modulentwicklung umfasst erste geomet-

rische Festlegungen bzgl. Dimension, Form und Werkstoff. Verbindungselemente und

Fügetechnologien werden in enger Abstimmung zwischen Konstrukteur und Montage-

planer ausgewählt. Der Montageprozess wird mittels Grundoperationen beschrieben

(z. B. Speichern, Vereinzeln, Bewegen, Fügen) und es werden erste Betriebsmittel aus-

gewählt. Die Gestaltung von Produkt, Betriebsmittel und Montageanlage sollte hierbei

ganzheitlich erfolgen. In der anschließenden Moduldetaillierung erfolgt die Festlegung

der Maße und Oberflächeneigenschaften. Auf Grundlage der Handhabungseinrichtun-

gen werden z. B. Greifflächen und Aufnahmebohrungen definiert. Für die Montagean-

lagen wird das Feinlayout entworfen [Gru02, S. 104.].

Bewertung: GRUNWALD beschreibt eine Vorgehensweise zur integrativen Entwicklung

von Produkt und Montage. Das Vorgehen deckt den gesamten Prozess ab, von der Ziel-

definition über die Konzipierung bis zur Detailgeometrie bzw. dem Anlagenlayout. Die

Beschreibung erfolgt sehr abstrakt mit vier Hauptphasen. Für die Ausprägung projekt-

spezifischer Vorgehensweisen stellt GRUNWALD insgesamt 85 Prozessbausteine bereit.

Den Prozessschritten sind z. T. Methoden zugewiesen, wobei die Angaben sehr allge-

mein gehalten sind (z. B. Analogiebetrachtungen, Kreativitätstechniken, Bewertungs-

und Auswahlmethoden) und nur wenige konkrete Methoden genannt werden. Hierdurch

bietet der Ansatz eine nur eingeschränkte Unterstützung bei den durchzuführenden Tä-

tigkeiten.

3.1.3 Methodik für die entwicklungs- und planungsbegleitende Generie-

rung und Bewertung von Produktionsalternativen nach MÜLLER

Die von MÜLLER entwickelte Methodik ermöglicht die frühzeitige Generierung von

Produktionsverfahrensketten auf Grundlage erster Produktskizzen und unscharfer Pro-

duktinformationen. Hierbei werden neben den im Unternehmen bekannten Technolo-

gien auch neue Technologien berücksichtigt [Mül08, S. 10]. Die Methodik umfasst Mo-

Stand der Technik Seite 59

delle zur Abbildung von technologischem Wissen, zur Berücksichtigung von Interde-

pendenzen und zur Bewertung von Alternativen sowie ein Vorgehensmodell.

Die Abbildung von technologischem Wissen erfolgt unternehmensspezifisch. Auf die

informationstechnische Realisierung geht MÜLLER nicht weiter ein. Für die Strukturie-

rung des Wissens schlägt er bestehende Arbeiten vor. Dies sind die DIN 8580 Ferti-

gungsverfahren – Begriffe, Einteilung und ihre Verweise für die Strukturierung von

Fertigungsverfahren [DIN8580] sowie die VDI-Richtlinie 2860 Montage- und Handha-

bungstechnik [VDI2860] für die Aspekte Handhabung und Montage. Weiterhin werden

die Arbeiten von KNOCHE [Kno04] und MORYSON [Mor04] für die Strukturierung von

Fertigungstechnologien und Betriebsmitteln herangezogen [Mül08, S. 88ff.]

Interdependenzen beschreiben Abhängigkeiten zwischen dem Produkt und den Pro-

duktionstechnologien sowie zwischen mehreren Produktionstechnologien. Für ihre Ab-

bildung stehen mehrere Hilfsmittel zur Verfügung: Produkte werden entsprechend einer

Strukturierungskonvention in Produktfunktionen, -elemente und -subelemente unter-

gliedert. Analog erfolgt die Einteilung der Produktionsverfahren in Verfahrensgruppen.

Der Fokus liegt hierbei auf den maßgeblich wertschöpfenden Verfahren, den sog. Pri-

märverfahren [Mül08, S. 94ff.]. Die Zuordnung von Produktionsverfahren zu Produkte-

lementen erfolgt mit Hilfe der Produkt-Primärverfahren-Matrix. Für die Paarungen von

Produktelement und Produktionsverfahren werden Kennzahlen festgelegt. Sie beschrei-

ben die Art der Relation (z. B. muss, optional, darf nicht), mögliche Verfahrensalterna-

tiven zur Erzeugung eines Produktelements und den Einfluss eines Verfahrens auf wei-

tere Produktelemente [Mül08, S. 100f.]. Die Abbildung von Abhängigkeiten zwischen

Primärverfahren wird durch die Primärverfahren-Primärverfahren-Matrix unterstützt.

Diese beschreibt, ob ein Verfahren Vor- bzw. Nachfolgeverfahren benötigt. Zwangsfol-

gen von mehreren Produktionsverfahren (z. B. das Entfetten vor einem Klebeprozess)

werden zu Verfahrensmodulen zusammengefasst [Mül08, S. 101f.].

Für die Bewertung der alternativen Verfahrensketten kommen qualitative und quantita-

tive Zeit- und Kostenbewertungen zum Einsatz. Diese erlauben die Bewertung von Lö-

sungsalternativen mit unterschiedlichem Konkretisierungsgrad. Die Güte der Bewer-

tungsaussagen steigt somit mit fortschreitender Entwicklung [Mül08, S. 106ff.].

Das von MÜLLER beschriebene Vorgehen gliedert sich in vier Phasen. Diese sind ggf.

mehrfach iterative zu durchlaufen. Bild 3-4 zeigt die Schritte ohne Rücksprünge.

Integrierte Produktdefinition: 2D-Skizzen, Werkstoffangaben und Lösungsprinzipien

des zu entwickelnden Produkts bilden die Eingangsinformationen. Zunächst wird das

Produkt in die Produktklassen des Unternehmens einsortiert. Die Grundlage bilden

Ähnlichkeitsbetrachtungen, bspw. der Funktion, Beanspruchung und Geometrie. Die

Produktklasse stellt eine Beschreibung der zugrundeliegenden Produkte mit einer Ma-

ximalausprägung der Produktfunktionen, Produktelemente und Produktsubelemente dar.

Bei dem Beispiel des Produkts Turbinenschaufel ist Kühlung eine Produktfunktion und

Seite 60 Kapitel 3

Kühlbohrung ein Produktelement. Anschließend werden die erforderlichen Produktele-

mente für das spezifische Produkt ausgewählt [Mül08, S. 129].

Verfahrenskettendefinition: Ziel dieser Phase sind erste grobe Verfahrensketten.

Hierzu werden die Produktelemente in eine Produkt-Primärverfahren-Matrix eingetra-

gen und es werden Produktionsverfahren zugeordnet. Zum Beispiel wird dem Produkt-

merkmal Verbindung zweier Produktelemente das Produktionsverfahren Schweißen

zugewiesen. Anschließend werden die gewählten Produktionsverfahren in eine Reihen-

folge gebracht. Hierbei kommen die Verfahren nach FALLBÖHMER [Fal00], TROMMER

[Tro01] und KNOCHE [Kno04] zum Einsatz [Mül08, S. 130ff.].

Bild 3-4: Vorgehen bei der entwicklungs- und planungsbegleitenden Generierung und

Bewertung von Produktionsalternativen [Mül08, S. 128]

Anpassung und Analyse der Verfahrensketten: Die Produktionsplaner optimieren die

erstellten Verfahrensketten, indem sie Verfahren eliminieren, substituieren, ergänzen

oder die Reihenfolge anpassen. Als Resultat liegt die maximale Anzahl geeigneter Ver-

fahrensketten vor [Mül08, S. 136ff.].

Bewertung und Auswahl von Verfahrensketten: In diesem Schritt wird die Anzahl

der alternativen Verfahrensketten reduziert. Dies erfolgt auf der Grundlage von wirt-

schaftlichen und qualitativen Aspekten. Die wirtschaftliche Bewertung umfasst die Be-

stimmung der Fertigungskosten und der Investitionskosten. Die Fertigungskosten wer-

den über den Maschinenstundensatz und die benötigten Zeiten ermittelt. Hierbei werden

Stand der Technik Seite 61

die Zeiten geschätzt, standardisiert, historisch ermittelt oder berechnet. Die Investitio-

nen werden mittels Kapitalwertmethode bestimmt. Für die qualitative Bewertung

kommt eine Nutzwertanalyse zum Einsatz. Als Resultat liegt die am besten geeignete

Verfahrenskette vor [Mül08, S. 136ff.].

Bewertung: Die von MÜLLER entwickelte Methodik ist grundsätzlich für die Konzipie-

rung mechatronischer Systeme geeignet. Der Fokus liegt jedoch auf konventionellen

Produkten [Mül08, S. 177]. Das Produkt wird hierfür in seine Elemente gegliedert und

strukturiert. Für die Produktelemente mit verbindenden Eigenschaften werden anschlie-

ßend systematisch Fügeverfahren ausgewählt und Prozessketten gebildet. Aufgrund der

sehr detaillierten Strukturierung des Produkts in Subelemente (z. B. Kühlbohrungen

einer Turbinenschaufel) ist die Methodik in der Konzipierung nur sehr eingeschränkt

anwendbar. Die notwendigen Informationen liegen in dieser Phase noch nicht vor.

3.1.4 Systematik zur Produktionssystemkonzipierung auf Basis der Prin-

ziplösung mechatronischer Systeme nach NORDSIEK

Die Systematik nach NORDSIEK ermöglicht die Konzipierung von Produktionssystemen

auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme. Produktentwickler und Ferti-

gungsplaner werden frühzeitig bei der Erstellung erster Produktionssystemkonzepte

unterstützt [Nor12, S. 3]. Sie umfasst ein Vorgehensmodell, eine Spezifikationstechnik

sowie unterstützende Methoden. Das Vorgehen ist in das Vorgehensmodell für die in-

tegrative Konzipierung mechatronischer Systeme eingebettet (vgl. Kap. 2.6.2). Es glie-

dert sich gemäß Bild 3-5 in drei Hauptphasen, die sich in weitere Unterphasen aufteilen.

Für eine detaillierte Beschreibung der Unterphasen sei auf [Nor12] verwiesen.

Bild 3-5: Vorgehen für die Konzipierung von Produktionssystemen nach NORDSIEK

[Nor12, S. 99]

Seite 62 Kapitel 3

Planen und Klären der Aufgabe (des Produktionssystems): Den Ausgangspunkt

dieser Phase bildet das Produktkonzept. Die Anforderungsliste wird auf fertigungsrele-

vante Anforderungen reduziert. Basierend auf den Informationen aus der Wirkstruktur

und der Gestalt des Produkts wird eine produktionsorientierte Erzeugnisstruktur abge-

leitet [Nor12, S. 100]. Hierbei kommt das Verfahren zur Produktstrukturierung nach

DAHL zum Einsatz [Dah90] (vgl. Kap. 3.3.3). Gestaltbehaftete Systemelemente und ihre

strukturellen Verbindungen werden identifiziert und entsprechend der Funktionshierar-

chie strukturiert. Anschließend wird auf Basis der Anzahl der strukturellen Verbindun-

gen der einzelnen Systemelemente die produktionsorientierte Erzeugnisgliederung er-

stellt [Nor12, S. 108f.].

Konzipierung auf Prozessebene: Die produktionsorientierte Erzeugnisgliederung wird

um lösungsneutrale Montagevorgänge ergänzt und in einen Montageprozess überführt.

Anschließend werden die Systemelemente auf Basis eines Prüfschemas in Eigen- und

Fremdfertigung unterteilt. Für die Elemente in Eigenfertigung werden die erforderlichen

Fertigungsprozesse bestimmt. Die Auswahl erfolgt in Anlehnung an die Methode zur

Technologievorauswahl nach FALLBÖHMER [Fal00] in enger Abstimmung mit der Pro-

duktentwicklung [Nor12, S. 100].

Konzipierung auf Ressourcenebene: Frühzeitige Analyse (z. B. bzgl. Wirtschaftlich-

keit) erfordern die Festlegung von Ressourcen. Diese werden den einzelnen Prozess-

schritten zugeordnet. Die Auswahl geeigneter Ressourcen erfolgt auf Basis von Res-

sourcenmatrizen und ist an die Methodik zur Generierung von Fertigungsfolgen nach

TROMMER angelehnt [Tro01]. Das Konzept auf Ressourcenebene bildet den Ausgangs-

punkt für die weitere Konkretisierung des Produktionssystems.

Bewertung: Die von NORDSIEK entwickelte Systematik erweitert die Entwicklungsme-

thodik für die Konzipierung mechatronischer Systeme. Ausgehend von der Prinziplö-

sung unterstützt sie die integrative Konzipierung von Produktionssystemen. Der Fokus

liegt hierbei auf der Auswahl von Fertigungsverfahren und der Bildung von Prozessket-

ten zur Herstellung von Bauteilen. Eine frühzeitige Produktgestaltung sowie die Monta-

ge von Bauteilen zu Baugruppen werden nicht bzw. nur peripher betrachtet. Weiterhin

erfolgt die Produktstrukturierung ausgehend von der Funktionshierarchie, weshalb sie

nur eingeschränkt für die montageorientierte Strukturierung geeignet ist.

3.2 Frühzeitige Gestaltmodellierung

Die Produktgestalt ist die zentrale Schnittstelle zwischen der Produktentwicklung und

der Produktionssystementwicklung (vgl. Kap. 2.1.6). Bereits im Rahmen der Konzipie-

rung werden erste Festlegungen zur Gestalt getroffen. Die Gestaltinformationen und die

Gliederung der gestaltbehafteten Systembestandteile in Baugruppen und Module bilden

den Ausgangspunkt für die Montageplanung. Für eine integrative Konzipierung der

Montage ist daher eine frühzeitige Beschreibung der Gestalt von Bauteilen und Bau-

gruppen unerlässlich. Im Folgenden werden Ansätze vorgestellt, die eine frühzeitige

Stand der Technik Seite 63

Gestaltmodellierung ermöglichen. Die Ansätze haben gemein, dass sie Gestaltkonzepte

einfach und verständlich beschreiben. Von dem Detaillierungsgrad gängiger 3D-CAD

Systeme sind sie meist weit entfernt.

3.2.1 Methodisches Gestalten nach EHRLENSPIEL

EHRLENSPIEL fasst unter der Gestalt eines Produkts die Gesamtheit seiner geometrisch

beschreibbaren Merkmale und des Werkstoffs zusammen. Dabei differenziert er zwi-

schen der Wirkgestalt, welche durch die Funktionalität des Produkts festgelegt wird,

und der Produktionsgestalt, die sich auf Basis der Forderungen aus Teilefertigung und

Montage ergibt [Ehr09, S. 440].

Die Beschreibung der Gestalt erfolgt mit Hilfe von zwei Basiselementen und wird in

Form von Skizzen dargestellt (Bild 3-6). Wirkflächen ermöglichen die Umsetzung von

Haupt- und Nebenfunktionen und somit den Umsatz von Energien, Stoffen und Infor-

mationen. Demgegenüber sind Konturflächen nicht funktional erforderlich. Sie ver-

binden die Wirkflächen zu Wirkkörpern [Ehr09, S. 441].

Bild 3-6: Wirk- und Konturflächen am Beispiel eines Nagelbohrers [Ehr09, S. 441]

Der Gestaltungsprozess erfolgt über die direkte und indirekte Variation. Bei der direkten

Variation werden systematisch die Wirkflächen und Wirkkörper bzw. die Beziehungen

zwischen diesen verändert, z. B. Form, Lage, Zahl oder Größe. Die indirekte Variation

der Gestalt erfolgt durch äußere Einflüsse. Dies kann durch eine Variation des Werk-

stoffs oder der Fertigungs- und Montageverfahren erfolgen [Ehr09, S. 441].

Bewertung: Der Ansatz von EHRELENSPIEL gibt Hinweise für die frühzeitige Gestalt-

modellierung und beschreibt die grundsätzlichen Basiselemente. Konkrete Beschrei-

bungsmittel umfasst der Ansatz jedoch nicht. Die Besonderheiten mechatronischer Sys-

teme sowie die montageorientierte Produktstrukturierung sind nicht Gegenstand des

Ansatzes und werden daher nicht betrachtet.

3.2.2 Baukonzept nach PONN/LINDEMANN

Das Münchener Konkretisierungsmodell (MKM) nach PONN und LINDEMANN ist ein

Beschreibungsmodell für den Produktentwicklungsprozess. Das MKM differenziert den

Anforderungs- und den Lösungsraum. Der Lösungsraum wird nach dem Konkretisie-

Wirkfläche für die Neben-

funktion „Drehmoment und

Axialkraft erzeugen“

Nebenumsatz: „Energie“

Konturfläche, durch ferti-

gungstechnische Gesichts-

punkte bestimmt

Wirkfläche für die Hauptfunktion

„Loch bohren“ = Stoff trennen,

Herausschneiden

Hauptumsatz: „Stoff“

Seite 64 Kapitel 3

rungsgrad in die Funktions-, Wirk- und Bauebene unterteilt [PL11, S. 26f.]. Die Be-

schreibung der Produktgestalt erfolgt auf zwei Ebenen und ist in Bild 3-7 dargestellt.

Im Wirkkonzept auf Wirkebene werden erste, durch die technische Funktion festgeleg-

te Gestaltaspekte beschrieben. Dies sind bspw. die räumliche Lage und Anordnung ein-

zelner Subsysteme. Diese Informationen bilden den Ausgangspunkt für die Gestaltbe-

schreibung in der Bauebene [PL11, S. 138].

Bild 3-7: Gestaltbeschreibung im Münchener Konkretisierungsmodell [PL11, S. 139]

Das Baukonzept auf Bauebene beschreibt die Verbindungsstruktur, die Anordnung und

Lage der Systembestandteile zueinander sowie ihre Form und Schnittstellen. Die Be-

trachtung erfolgt auf der Ebene von Bauteilen und Baugruppen. Die im Baukonzept

enthaltenen Informationen lassen Aussagen zu gestaltabhängigen Produkteigenschaften

zu (z. B. Bauraum, Gewicht) und ermöglichen somit erste Abschätzungen der Herstell-

barkeit und der Herstellkosten [PL11, S. 115]. Das Baukonzept wird zunächst in Form

von Verbindungsstrukturen und Prinzipskizzen beschrieben. Mit fortschreitender Kon-

kretisierung werden Gestaltskizzen und 3D-CAD-Modelle der Bauteile und Baugruppen

erstellt [PL11, S. 157]. Bild 3-8 zeigt dies am Beispiel eines Klappfahrrades.

Bild 3-8: Gestaltbeschreibung im Baukonzept nach [Mül04], [PL11, S. 155ff.]

Ansatzpunkte für die

Konkretisierung der

Gestalt erarbeiten

Gestalt eines Produktes

konkretisieren

Gestaltungsspektrum

strukturiert darstellen

und ergänzen

Gestalt-Gesamtlösungen

zusammenführen

Gestaltlösungsalterna-

tiven bewerten und

auswählen

1. Verbindungsstruktur

3. Gestaltskizze

2. Prinzipskizze

4. 3D-CAD-Modell

Stand der Technik Seite 65

Bewertung: Mit dem Münchener Konkretisierungsmodell (MKM) beschreiben PONN

und LINDEMANN die grundsätzliche Vorgehensweise für die Produktgestaltung. Das

Vorgehen erfolgt hierbei vom Abstrakten zum Konkreten. Da Vorgehen stimmt in vie-

len Punkten mit der Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme überein und ist

grundsätzlich mit dieser kombinierbar. Die Beschreibung der Gestalt beginnt bereits in

der Wirkebene und ist somit auch Teil der prinzipiellen Lösung. Das Modell stellt je-

doch keine konkrete Beschreibungssprache für die Modellierung zur Verfügung.

3.2.3 Contact and Channel Model nach ALBERS/MATTHIESEN

Das von ALBERS und MATTHIESEN entwickelte Contact and Channel Model (C&CM)1

unterstützt den Übergang von der funktionalen Systemmodellierung zur Gestaltung der

Komponenten. Die zugrundeliegende Hypothese besagt, dass die Funktion eines techni-

schen Systems durch den Kontakt von Wirkflächen erfüllt wird. Ein System besteht

somit aus mindestens zwei Wirkflächenpaaren und der sie verbindenden Leitstützstruk-

tur. Das Ziel ist ein grobes Gestaltmodell, welches mittels definierter Basiselemente für

Flächen und Volumina beschrieben wird [AM02, S. 55ff.], [Mat02, S. 53].

Wirkflächen (WF) sind Oberflächen eines Körpers, die über einen Kontakt mit anderen

Wirkflächen an der Stoff-, Energie- und Informationsübertragung beteiligt sind. Der

Kontakt zweier Wirkflächen stellt ein Wirkflächenpaar (WFP) dar. Die Wechselwir-

kung zwischen den Wirkflächen erfolgt im Funktionskontakt (FK). Flächen, die nie

Wirkflächen sind, werden als Begrenzungsflächen (BF) bezeichnet [Mat02, S. 49f.].

Leitstützstrukturen (LSS) sind Volumina, die genau zwei Wirkflächen verbinden und

die Stoff-, Energie- und Informationsübertragung ermöglichen. Die Gesamtheit aller

Leitstützstrukturen bildet die Tragstruktur (TS). Volumina, die nie Tragstrukturen

darstellen, werden als Reststrukturen (RS) bezeichnet [Mat02, S. 51].

Die Summe der Wirkflächen und Leitstützstrukturen eines Systems stellt die

Wirkstruktur dar [Mat02, S. 51]. Aus dieser wird die Systemgestalt abgeleitet und als

Skizze beschrieben. Bild 3-9 zeigt ein C&C Model am Beispiel eines Elektromotors.

Bild 3-9: C&C Model am Beispiel eines Elektromotors [Sed10, S. 32]

1 Das C&CM wird auch als „Elementmodell Wirkflächen und Leitstützstrukturen“ bezeichnet.

Funktion: Elektrische Energie in

mechanische Energie

konvertieren

LSS1 WFP1, WFP2, WFP3

Legende

LSS Leitstützstruktur

WF Wirkfläche

WFP Wirkflächenpaar

Seite 66 Kapitel 3

Bewertung: ALBERS und MATTHIESEN liefern mit dem Contact and Channel Model

einen Ansatz für die frühzeitige und systematische Beschreibung der groben Produktge-

stalt. Durch die Definition von Wirkflächen und Leitstützstrukturen werden die funktio-

nale und die gestaltorientierte Sichtweise kombiniert. Bauteile bzw. Bauteilelemente

können mit Systemfunktionen verknüpft werden. Über Wirkflächenpaare werden bauli-

che Zusammenhänge beschrieben, welche den Ausgangspunkt für die Konzipierung der

Montage bilden. Durch die Hierarchisierung der Modelle ist eine montageorientierte

Produktstrukturierung prinzipiell möglich, diese wird methodisch aber nicht unterstützt.

Weiterhin fehlt es an einer detaillierten Vorgehensweise.

3.2.4 Schrittweise Gestaltsynthese nach LEMBURG

Die von LEMBURG entwickelte Methodik zur Gestaltsynthese basiert auf einer zykli-

schen Abfolge von Synthese- und Analyseschritten. Für die Beschreibung der Gestalt

setzt er auf dem Contact and Channel Model auf (vgl. Kap. 3.2.3) und erweitert dieses

um eine Vorgehensweise. Durch diese einfache und intuitive Darstellungsform sollen

die kognitiven Ressourcen des Produktentwicklers bestmöglich für den eigentlichen

Problemlösungsprozess zur Verfügung stehen [Lem09, S. 100f.].

Der Betrachtungsfokus in der Analyse liegt auf Wirkflächenpaaren. Es werden Wirkflä-

chen oder Gruppen von Wirkflächen identifiziert. Weiterhin werden die Schnittstellen

der Wirkflächen überprüft, d. h. welche Gegenflächen vorliegen, welche Wirkflächen-

paare gebildet werden und ob es mehrere alternative Leitstützstrukturen zur Verbindung

der Wirkflächen gibt [Lem09, S. 82].

In der Synthese werden die einzelnen Wirkflächen und die sie verbindenden Leitstütz-

strukturen betrachtet. Wirkflächen werden variiert (z. B. Art, Form, Lage) oder bei Be-

darf neu erzeugt. Anschließend werden die Wirkflächen über Leitstützstrukturen zu

einer Tragstruktur verbunden. Die sich hierbei ergebenen Begrenzungsflächen und

Reststrukturen werden ebenfalls skizziert [Lem09, S. 82].

Die Repräsentation der Produktgestalt erfolgt mittels sog. Prinziplösungsskizzen. Hier-

für stellt LEMBURG ein Set von Symboliken zur Verfügung (Bild 3-10). Eine gesamte

Übersicht findet sich im Anhang (siehe Anhang Bild A-3).

Bild 3-10: Symbolik zur Beschreibung der Gestalt (Auszug) [Lem09, S. 73]

Element

Darstellung

Beispiel

Struktur

Typ

Wirkflächen-

paar

Element 2

Element 1

berührende Linien

Stand der Technik Seite 67

Der Aufbau der einzelnen Wirkflächen und somit der Gestalt erfolgt schrittweise für die

verschiedenen Haupt- und Nebenfunktionen des Produkts. Aus der Überlagerung der

beschriebenen Zusammenhänge resultiert die Gestalt des Bauteils bzw. des technischen

Systems. Bild 3-11 zeigt dies am Beispiel eines Hebels. Im linken Teil ist eine Skizze

des Gesamtsystems dargestellt. Der rechte Teil zeigt die Beschreibung der Wirkflächen

und Leitstützstrukturen für die Hauptfunktion Kraftübertragung und die Nebenfunktion

Positionieren [Lem09, S. 80].

Bild 3-11: Prinzipskizze nach LEMBURG [Lem09, S. 74]

Bewertung: Der Ansatz basiert auf dem Contact and Channel Model und bietet somit

eine einfache und nachvollziehbare Möglichkeit für die frühzeitige Gestaltmodellierung.

Weiterhin beschreibt LEMBURG ein Vorgehen für die Gestaltsynthese und stellt Symbo-

liken für die Gestaltbeschreibung bereit. Die Strukturierung des Produkts wird hierbei

nicht unterstützt und ist lediglich über die Hierarchisierung der Modelle möglich. Durch

die allgemeine Darstellungsform ist eine Anwendung für mechatronische Systeme prin-

zipiell möglich, LEMBURG fokussiert diese Produktgruppe allerdings nicht.

3.2.5 Module Interface Graph nach BLEES

Der von BLEES entwickelte Module Interface Graph (MIG) ist eine schematische Abbil-

dung der Komponenten eines Systems und ihrer Zusammenhänge. Das Ziel ist ein ein-

faches Verständnis des Systems und der erforderlichen Schnittstellen. Weiterhin bildet

der MIG den Ausgangspunkt für die Konkretisierung der Gestalt der einzelnen Bauteile

sowie der Bildung von Modulen [Ble11, S. 67f.].

Die Systemelemente werden grob maßstäblich (Größe, Lage, Form) dargestellt. Hierbei

wird eine skizzenhafte Darstellungsform verwendet. Über Funktionsbeziehungen wer-

den die Beziehungen zwischen den Systemelementen beschrieben. Es handelt sich um

Strukturverbindungen, elektrische und mechanische Leistungen sowie Stoffflüsse, die

2. Sicht auf WF & LSS

1. Prinzipskizze

Legende

Wirkfläche

(WF)

Leitstütz-

struktur

(LSS)

Hauptfunktion

Kraftübertragung

Nebenfunktion

Positionieren

Seite 68 Kapitel 3

sowohl gerichtet als auch ungerichtet auftreten [BK08, S. 304f.], [Ble11, S. 75ff.]. Bild

3-12 zeigt einen Module Interface Graph am Beispiel eines Sprühgeräts.

Bild 3-12: Module Interface Graph eines Sprühgeräts nach [BJK10, S. 170]

Bewertung: Der Module Interface Graph ist eine Methode zur frühzeitigen Gestaltmo-

dellierung. Ein grobmaßstäbliches Modell der Systembestandteile wird mit den Fluss-

beziehungen zwischen den Elementen kombiniert. Durch die Integration von geometri-

schen Informationen und Wirkzusammenhängen ist die Methode für die Abbildung me-

chatronischer Systeme geeignet. Aufgrund der integrierten Darstellungsform werden

komplexe Systeme mit einer Vielzahl von Flussbeziehungen allerdings schnell sehr un-

übersichtlich. Die für eine montageorientierte Produktstrukturierung benötigten Infor-

mationen sind z. T. im MIG enthalten (z. B. Strukturverbindungen). Eine Beschreibung

der erforderlichen Verbindungseigenschaften ist jedoch nicht vorgesehen.

3.3 Montageorientierte Produktstrukturierung

Das Produktkonzept bildet den Ausgangspunkt für die Konzipierung der Montage. Die

Strukturierung im Rahmen der Konzipierung erfolgt in der Regel unter entwicklungsre-

levanten Aspekten, bspw. unter funktionalen oder variantentechnischen Gesichtspunk-

ten. Die Baugruppen und Module entsprechen daher meist nicht bzw. nur z. T. den Zu-

ständen im Montageprozess. Für die Konzipierung eines ersten Montageablaufs ist die

Struktur der Prinziplösung daher ungeeignet. Es ist eine Gliederung in Montagegruppen

und Vormontagegruppen erforderlich. Im Folgenden werden Methoden für die Produkt-

strukturierung vorgestellt, welche auf eine montageorientierte Strukturierung ausgerich-

tet sind bzw. angepasst werden können.

Strukturverbindungen

Elektrische Verbindungen

Mechanische Verbindungen

Präparatfluss

A Akku

Ac Achse

AL Ausleger

AV Absperrventil

DH Düsenhalter

DK Durchflusskontrolle

EM Elektromotor

F Filter

GR Grundrahmen

HG Handgriff

HS Hauptschalter

LB Ladebuchse

LR Laufrad

MK Magnetkupplung

P Pumpe

PG Pumpengetriebe

RR Radrahmen

S Sprühschirm

SA Schirmanbindung

SH Schirmhalter

Si Sicherung

T Taster

Ta Tank

TR Teleskoprohr

W Welle

ZD Zerstäuberdüse

Legende

Stand der Technik Seite 69

3.3.1 Design Structure Matrix

Die Design Structure Matrix (DSM) und die Verfahren zur Clusterung wurden maßgeb-

lich von STEWARD, EPPINGER und PIMMLER entwickelt [Ste81], [EWS+94], [PE94],

[UE95], [ECW+98] (vgl. [Mau07, S. 53f.]). Sie werden für die Strukturierung von tech-

nischen Systemen nach spezifischen Beziehungsaspekten verwendet. Das Ziel sind

Gruppen von Systemelementen, die untereinander keine oder nur wenige Beziehungen

aufweisen. Das Vorgehen erfolgt in drei Schritten und ist Bild 3-13 dargestellt.

Bild 3-13: Vorgehen der Strukturierung mittels DSM nach [PE94, S. 3]

Dekomposition des Systems in Elemente: Den Ausgangspunkt bildet ein grobes Mo-

dell des zu strukturierenden Systems, z. B. in Form einer Prinzipskizze. Hierfür wird das

System in seine Systemelemente dekomponiert. Anschließend werden die relevanten

Beziehungen zwischen den Systemelementen beschreiben. Dies sind Flussbeziehungen

(Stoff, Energie, Information) sowie räumliche Verbindungen [PE94, S. 3].

Dokumentation der Beziehungen zwischen den Elementen: Die Systemelemente

sowie ihre Beziehungen werden in die DSM übertragen. Diese ist symmetrisch aufge-

baut. In den Zeilen und Spalten sind jeweils die Systemelemente aufgetragen. Die Be-

ziehungen zwischen zwei Systemelementen werden auf einer Skale von stark positiv

(starke Verbindung notwendig) bis stark negativ (Verbindung vermeiden) bewertet und

in das entsprechende Matrixfeld eingetragen (Bild 3-14 links) [PE94, S. 4f.].

Clustern der Elemente in Blöcke: Bei der anschließenden Strukturierung, der sog.

Clusterung, wird die Matrix umsortiert (Bild 3-14 rechts). Dabei werden schrittweise

Spalten und Zeilen gleichgerichtet verschoben. Das heißt, dass wenn die Spalte des Sys-

temelements A nach rechts verschoben wird, rückt gleichzeitig die Zeile des System-

elements A um den gleichen Betrag nach unten. Die Matrix wird solange umsortiert, bis

Seite 70 Kapitel 3

die Systemelemente mit positiven Beziehungen nah beieinander stehen. Die Zellen mit

starken Abhängigkeiten rücken dabei nah an die Diagonale der Matrix. Im Idealfall be-

sitzen die sich so ergebenen Cluster starke interne Beziehungen und lediglich schwache

Beziehungen außerhalb ihrer Grenzen [PE94, S. 5f.].

Bild 3-14: Funktionsweise der DSM nach [PE94, S. 6f.] (vgl. [Ste07, S. 69])

Bewertung: Das Verfahren ist klar strukturiert. Eine Vielzahl verfügbarer Software-

Werkzeuge unterstützt die Clusterung und Auswertung. Das Verfahren eignet sich somit

auch für die Anwendung auf komplexe Systeme. Da bei der Strukturierung auch räum-

liche Verbindungen (spatial) berücksichtigt werden, ist eine montageorientierte Pro-

duktstrukturierung grundsätzlich möglich. Die DSM fokussiert dies allerdings nicht. Bei

komplexen Systemen ist die Matrixdarstellung schnell unübersichtlich und wenig intui-

tiv.

3.3.2 Produktstrukturierung nach STEFFEN

STEFFEN hat ein Verfahren zur Produktstrukturierung für fortschrittliche mechatronische

Systeme entwickelt. Das Verfahren ist für die frühe Phase der Produktentstehung ausge-

legt und setzt auf der Prinziplösung auf. Das Ziel ist eine entwicklungsorientierte Struk-

tur des mechatronischen Systems. Diese soll die notwendigen Abstimmungsaufwände

in der weiteren Konkretisierung reduzieren [Ste07, S. 3]. Das Vorgehen gliedert sich in

vier Schritte. Iterationsschleifen und somit Rücksprünge können vorkommen, sind aber

nicht dargestellt [Ste07, S. 89].

Analyse der Entwicklungsaufgabe: STEFFEN definiert neun Grundtypen von Entwick-

lungsaufgaben, bspw. „Miniaturisiertes Produkt“. Für die einzelnen Grundtypen be-

Ausgangssituation Zielsituation

JI KDLABEFHGC

J22 2

111

-1

-2

ABCDEFGH I JKL

A22-2

111

-1

2-2

-2

222

Legende

Räumliche Verbindung (spatial)

Stofffluss

Informationsfluss

Energiefluss

+2:

-1:

-2:

+1:

Starke Verbindung notwendig

Negative Wechselwirkung

Verbindung vermeiden

stark vernetzte Systemelemente

Keine Beeinflussung

Verbindung wünschenswert

Cluster

Systemelemente

Stand der Technik Seite 71

schreibt er Empfehlungen und Hinweise für die Produktstrukturierung. Die vorliegende

Entwicklungsaufgabe wird analysiert und einem Grundtyp zugeordnet. Im weiteren

Verlauf wird die Produktstruktur entsprechend der grundtypspezifischen Empfehlungen

ausgeprägt [Ste07, S. 90].

Bild 3-15: Verfahren zur Produktstrukturierung nach STEFFEN [Ste07, S. 89]

Bestimmung relevanter Entwurfsregeln: Für die Unterstützung der beteiligten Ent-

wickler definiert STEFFEN 27 Entwurfsregeln. Diese berücksichtigen die Besonderheiten

bei der Entwicklung mechatronischer Systeme. Entsprechend des zuvor identifizierten

Grundtyps des Systems werden die relevanten Entwurfsregeln bestimmt [Ste07, S. 90].

Anwendung der Entwurfsregeln: Die Entwurfsregeln werden auf die Partialmodelle

der Prinziplösung des zu entwickelnden Systems angewendet (vgl. Kap. 2.6.1). Die

Modelle enthalten strukturrelevante Informationen, wie z. B. die Beziehungen zwischen

Systemelementen der Wirkstruktur [Ste07, S. 91]. Auf Grundlage dieser Informationen

kommen etablierte Methoden zur Strukturierung zum Einsatz. Zunächst werden die Be-

ziehungen zwischen den Systembestanteilen in einer Design Structure Matrix struktu-

riert [Ste07, S. 109ff.] (vgl. Kap. 3.3.1, [EWS+94]). Weiter Eigenschaften der System-

bestandteile, wie Produktleistung, Qualität oder Recyclingfähigkeit, fließen über die

Module Indication Matrix in die Produktstrukturierung ein [Ste07, S. 111ff.] (vgl.

[Eri98]). Den Besonderheiten selbstoptimierender mechatronischer Systeme trägt STEF-

FEN Rechnung, indem er die Design Structure Matrix zu einer Reconfiguration Structure

Matrix erweitert und den Aspekt der Rekonfigurierbarkeit berücksichtigt [Ste07, S.

Seite 72 Kapitel 3

113ff.]. Als Resultat liegen ein erster Entwurf der Produktstruktur sowie eine Erzeug-

nisgliederung vor (siehe Bild 3-16). Die Erzeugnisgliederung ist entwicklungsorientiert

strukturiert. Es werden eine funktionsorientierte sowie eine gestaltorientierte Struktur

gebildet und gegenübergestellt.

Bild 3-16: Ausschnitt einer Erzeugnisgliederung nach STEFFEN [Ste07, S. 146]

Bewertung der Produktstruktur: Abschließend wird die Konzeption der Produkt-

struktur unter wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten bewertet. Hierdurch

soll die Anforderungserfüllung und der Einhaltung aller Rahmenbedingungen sicherge-

stellt werden [Ste07, S. 91].

Bewertung: Das von STEFFEN entwickelte Verfahren ermöglicht die Strukturierung

mechatronischer Systeme in der frühen Entwicklungsphase. Es nutzt die in der Prin-

ziplösung (vgl. Kap. 2.6.1) enthaltenen Informationen und ist in das Vorgehensmodell

für die integrative Konzipierung integriert (vgl. Kap. 2.6.2). Als Resultat liegt eine Er-

zeugnisgliederung vor, die jedoch entwicklungsorientiert gebildet wird. Aspekte der

Fertigung und Montage werden explizit ausgeklammert [Ste07, S. 92].

3.3.3 Produktstrukturierung nach DAHL

Den Kern des Konstruktionssystems zur montagegerechten Produktgestaltung nach

DAHL bildet ein Verfahren zu montageorientierten Produktstrukturierung. Ausgehend

von der Funktionsstruktur des zu entwickelnden Produkts werden den Teilfunktionen

Strukturelemente (Bauteile) zugewiesen, welche die Funktionen realisieren. Zwischen

den Strukturelementen bestehen montagerelevante Beziehungen, die ebenfalls in der

Struktur abgebildet werden. Auf Basis dieser funktionalen Gliederung der Systembe-

Antriebsmodul 1

Stator 1

Rotor 1

Fahrmodul 1

RailCab

Fahrmodul 2

F/N-Modul 1

Oberträger

Luftfeder 1

...

Spurführ.-Modul 1

Antrieb

FM Aktive

Federung

FM E-Ver-

sorgung

...

Legende

F/N Feder/Neige

FM Funktions-

modul

Stand der Technik Seite 73

standteile erfolgt die Überführung in die montagegerechte Produktstruktur im Rahmen

von drei Aufgabenkomplexen [Dah90, S. 57ff.], die in Bild 3-17 dargestellt sind.

Bild 3-17: Aufgabenkomplexe der Produktstrukturierung nach DAHL [Dah90, S. 60]

Strukturierung: Die Grundlage bilden die montagerelevanten Beziehungen zwischen

den Strukturelementen. In einem Top-Down-Vorgehen wird über die Ebenen der funk-

tionsorientierten Struktur die Anzahl dieser Beziehungen für die Strukturelemente der

jeweiligen Ebene bestimmt. Das Strukturelement mit der höchsten Beziehungsanzahl

stellt das Basiselement der Montage dar. Es wird mit dem Strukturelement mit der

zweithöchsten Beziehung zu einem Montagepaar zusammengefasst. Entsprechend der

Bewertungsanzahl folgen die anderen Strukturelemente. Die Reihenfolge ist hierbei

z. T. nicht eindeutig, da mehrere Strukturelemente die gleiche Beziehungsanzahl auf-

weisen können. In diesem Fall wird das Vorgehen iterativ wiederholt. Auch haben die

Entwickler und Montageplaner die Möglichkeit, die Struktur manuell zu modifizieren.

Als Ergebnis liegt eine erste montageorientierte Produktstruktur vor [Dah90, S. 61ff.].

Verlagerung: Das Ziel dieses Schrittes sind Vormontagegruppen zur Reduzierung der

Umfänge in der Endmontage. Hierfür werden Strukturelemente identifiziert, deren Be-

ziehungen die Teilmenge eines anderen Strukturelements abbilden oder sogar komplett

deckungsgleich sind. Für diese Strukturelemente wird die Möglichkeit einer Verlage-

rung in eine niedrigere Hierarchieebenen geprüft [Dah90, S. 67f.].

Integration: Abschließend wird versucht, die Anzahl der zu montierenden Bauteile zu

reduzieren. Auf Basis des Erfahrungswissens des Produktentwicklers wird die Möglich-

keit der Funktionsintegration von Bauteilen überprüft. Hierdurch entstehen Integralbau-

teile die mehrere Funktionen erfüllen [Dah90, S. 70].

Bewertung: Das Verfahren ermöglicht die einfache Strukturierung des Produkts und ist

bereits in der Konzipierung anwendbar. Den Ausgangspunkt bilden die funktionale

Struktur des Systems sowie die baulichen Zusammenhänge zwischen den Systembe-

standteilen. Diese Informationen können aus den Partialmodellen der Prinziplösung

entnommen werden. Defizite zeigt das Verfahren bei der Strukturierung mechatroni-

scher Systeme, da bspw. elektrische und informationstechnische Beziehungen nicht

Strukturierung

Legende

Bildung einer Montagereihen-

Strukturelement

funktionale Zuordnung

folge und Aufbau einer monta-

georientierten Produktstruktur

montagerelevante Beziehung

Funktionsintegration

Integration

Reduzierung der Element-

anzahl und Standardisierung

durch die Bildung von Integral-

baugruppen

Verlagerung

Verlagerung von Endmontage-

umfängen in die Vormontage

Seite 74 Kapitel 3

berücksichtigt werden. Weiterhin wird der Lösungsraum durch die Verwendung der

Funktionshierarchie als Strukturierungsbasis stark eingeschränkt. Die funktionale Struk-

tur bleibt weitestgehend erhalten und fließt somit in die montageorientierte Struktur ein.

3.3.4 Methodische Unterstützung der Systembildung (METUS)

Der von GÖPFERT entwickelte Ansatz zielt auf die Modularisierung technischer Systeme

in Verbindung mit der Entwicklungsorganisation. Ziel des Ansatzes sind funktional und

physisch unabhängige Module. Hierbei besteht der Anspruch, dass die Module von ver-

schiedenen Organisationseinheiten möglichst eigenständig und voneinander getrennt

entwickelt werden. Das Vorgehen gliedert sich in fünf Schritte (Bild 3-18).

Bild 3-18: Vorgehen zur technischen und organisatorischen Gestaltung nach [Göp98,

S. 233]

Definition der Prämissen: Das Ziel der Phase sind die Prämissen des Gestaltungspro-

zesses. Hierzu wird die Aufgabenstellung analysiert und es werden die technischen und

Stand der Technik Seite 75

organisatorischen Rahmenbedingungen festgelegt. Die Phase wird durch einen Fragen-

katalog unterstützt [Göp98, S. 228f.].

Bildung technischer Gestaltungsalternativen: Zunächst wird die Funktionsstruktur

aufgebaut. Die Funktionen des zu entwickelnden Produkts werden in Teilfunktionen

untergliedert. Komponenten zur Erfüllung der Teilfunktionen werden identifiziert und

den Teilfunktionen zugewiesen. Anschließend werden die Komponenten schrittweise zu

Baugruppen zusammengefasst. Es entsteht die Baustruktur (Bild 3-19). Im Konzipie-

rungsprozess ergeben sich alternative Funktions- und Baustrukturen. Sie werden zu Ge-

staltungsalternativen kombiniert [Göp98, S. 229f.].

Bewertung und Vorauswahl einer technischen Gestaltungsalternative: Auf Grund-

lage einer Nutzwertanalyse erfolgt die Bewertung der vorliegenden Gestaltungsalterna-

tiven. Hierbei sind nur technische Kriterien zu berücksichtigen (z. B. Plattformkonzept,

Recyclingfähigkeit). Die am besten geeigneten Gestaltungsalternativen werden ausge-

wählt [Göp98, S. 230f.].

Bildung organisatorischer Gestaltungsalternativen: In dieser Phase erfolgt die Struk-

turierung unter organisatorischen Gesichtspunkten. Funktionen, Komponenten und

Baugruppen werden zu Tätigkeitsumfängen zusammengefasst. Diese werden organisa-

torischen Einheiten zugeordnet [Göp98, S. 231f.] (Bild 3-19).

Bild 3-19: Darstellungsform von METUS nach [Göp98, S. 251], [Kip12, S. 31]

Gesamtbewertung und Auswahl einer technischen und organisatorischen Gesamt-

lösung: Das Vorgehen schließt mit einer Bewertung der erarbeiteten Gestaltungsalter-

nativen unter technischen und organisatorischen Aspekten mittels Nutzwertanalyse. Das

im dritten Schritt eingesetzte Bewertungsverfahren wird hierfür um organisatorische

Kriterien erweitert (z. B. Berücksichtigung eigener Kernkompetenzen, Globalisierungs-

strategien) [Göp98, S. 232].

Funktionsstruktur

Welche Funktionen erfüllen die Komponenten des Produkts?

Baustruktur

Wie sind die Komponenten zusammengebaut?

Produkt-

idee

Komponente

Funktion

Modul

Produkt

OE2

OE1

OE3

Organisatorische Einheit (OE)

Wer verantwortet welche Arbeitsumfänge?

Modul

Seite 76 Kapitel 3

Iterationen: Auch wenn das Vorgehen in Bild 3-18 als stringenter Ablauf dargestellt

ist, ist es von Iterationsschleifen geprägt. Liefert die technische Bewertung keine befrie-

digende Lösung wird der vorangegangene Schritt wiederholt. Gleiches gilt für die ab-

schließende Bewertung. Der Gesamtzyklus wird solange durchlaufen, bis eine zufrie-

denstellende Gesamtlösung gefunden ist [Göp98, S. 232].

Bewertung: Das Vorgehen zur modularen Produktentwicklung nach GÖPFERT ermög-

licht die Synchronisation der Strukturen des Produkts und der Entwicklungsorganisati-

on. Die Darstellungsform zur Abbildung der Funktions- und Baustruktur sowie der Or-

ganisationseinheiten ist leicht verständlich und visualisiert sehr gut den Zusammenhang

der beiden Produktstrukturen. Allerdings umfasst der Ansatz keine konkreten Methoden

zur Bildung sinnvoller Module und die Frage, welche modulare Produktstruktur sinn-

voll ist, wird nicht beantwortet.

3.3.5 Modularisierung nach KOEPPEN

Die von KOEPPEN entwickelte Methodik ermöglicht die Modularisierung komplexer

Produkte auf Grundlage der Kopplungen zwischen den Produktbestandteilen (Kompo-

nenten). Hierbei werden neben den technischen Aspekten auch betriebswirtschaftliche

Faktoren berücksichtigt. Die Modularisierung wird durch die Festlegung und Gewich-

tung von Modularisierungszielen, sog. Modultreibern, auf den konkreten Anwendungs-

fall und die unternehmensspezifische Situation angepasst. Das Vorgehen unterteilt sich

in fünf Schritte und fügt sich in das Vorgehen zur Modularisierung nach PIMMLER und

EPPINGER ein [PE94, S. 345] (Bild 3-20).

Zerlegung des Produkts in Komponenten: Den Ausgangspunkt der Modularisierung

bilden die Komponenten des Produkts. Im Fall einer Neuentwicklung wird auf die

Funktionen und Komponenten der prinzipiellen Lösung nach PAHL/BEITZ zurückgegrif-

fen [PBF+07, S. 231ff.], [Koe08, S. 28f.].

Identifikation der wesentlichen Modultreiber: Die Modultreiber beschreiben die Zie-

le der Modularisierung. Sie sind entsprechend der Phasen des Produktlebenszyklus in

sieben Hauptkategorien eingeteilt. Beispiele für Modultreiber der Konzeptentwicklung

sind geometrische Abhängigkeiten wie Größe, Form und Art der Kopplung oder die

Übertragung von Energie. Die Modultreiber werden unternehmens- und produktspezi-

fisch durch die Produktverantwortlichen festgelegt und entsprechend ihrer Relevanz

gewichtet [Koe08, S. 60].

Abbildung der Kopplungen für jeden Modultreiber: In diesem Schritt werden die

Kopplungen zwischen den Komponenten beschrieben. Je Modultreiber wird für jedes

Komponentenpaar ein Kopplungswert festgelegt, welcher die Stärke der jeweiligen

Kopplung beschreibt. Die Bestimmung der Kopplungswerte geschieht über modultrei-

berspezifische Abbildungsfunktionen. Die Abbildung erfolgt in Design Structure Matri-

zen, wobei für jeden Modultreiber eine DSM erstellt wird [Koe08, S. 62f.].

Stand der Technik Seite 77

Zusammenfassung der Kopplungswerte zu einem Gesamtwert: In diesem Schritt

werden die Einzelmatrizen zu einer Gesamtkopplungsmatrix zusammengeführt. Die

Kopplungswerte je Modultreiber werden auf den Wertebereich 0-1 normiert. Anschlie-

ßend werden die Werte der Komponentenpaare über alle Modultreiber gewichtet auf-

summiert. Die Grundlage bilden die zuvor aufgestellten Gewichtung der einzelnen Mo-

dultreiber [Koe08, S. 65f.].

Bild 3-20: Vorgehen zur Modularisierung nach [Koe08, S. 60]

Bildung von Modulen auf Grundlage der Kopplungen: Abschließend erfolgt die

Gruppierung der Komponenten. Hierfür werden die Zeilen und Spalten der Gesamt-

kopplungsmatrix permutiert. Das Ziel ist eine Blockdiagonalmatrix mit hohen Kopp-

lungswerten innerhalb der Diagonalblöcke (vgl. [PE94, S. 347]). Die Blöcke werden als

Module definiert [Koe08, S. 30f.].

Bewertung: Die Methode nach KOEPPEN ermöglicht die Modularisierung komplexer

Produkte unter technisch-funktionalen und produktstrategischen Gesichtspunkten.

Durch die Gewichtung der Modultreiber kann gezielt Einfluss auf die Art der Modulari-

sierung und damit auf die Produktstruktur genommen werden (z. B. eine montageorien-

Seite 78 Kapitel 3

tierte Produktstruktur). Eine Anwendung der Methode ist bereits in der Konzipierung

möglich, allerdings erfordert die Bestimmung der Kopplungswerte zwischen den Kom-

ponenten eine umfassende Kenntnis der Produkteigenschaften, der Modultreiber und

der Abbildungsfunktionen. Weiterhin wird die Gewichtung der Modultreiber durch eine

Bewertung von Fachleuten ermittelt. Sie unterliegt somit einer starken Subjektivität.

Zudem muss je Komponentenpaar der Kopplungswert für jeden Modultreiber manuell

bestimmt werden. Das Verfahren ist daher sehr aufwändig in der Anwendung.

3.3.6 Modularisierung nach VDI-Richtlinie 2223

Die VDI-Richtlinie 2221 Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Sys-

teme und Produkte beschreibt die Modularisierung als Teil des generellen Vorgehens

beim Entwickeln und Konstruieren [VDI2221, S. 10] (vgl. Kap. 2.4.2). Der Arbeits-

schritt wird in der VDI-Richtlinie 2223 Methodisches Entwerfen technischer Produkte

detailliert [VDI2223, S. 18]. Das Ziel ist eine modulare Struktur des Produkts, um eine

effiziente Arbeitsaufteilung vor der Konkretisierung zu ermöglichen. Den Ausgangs-

punkt bildet die prinzipielle Lösung (Bild 3-21).

Bild 3-21: Gliedern in realisierbare Module [VDI2223, S. 18]

Erkennen gestaltbeeinflussender Anforderungen und Bedingungen: Das Ziel dieser

Phase sind gestaltbestimmende Anforderungen, die bisher noch nicht explizit formuliert

sind. Diese werden aus den beschriebenen Anforderungen abgeleitet oder ergeben sich

in Folge eine Analyse der prinzipiellen Lösung. Die prinzipielle Lösung enthält funkti-

onale (z. B. bedingt durch Wirkprinzipien), kinematische (z. B. aus Getriebeschemata)

oder geometrische Bedingungen (z. B. Anschlussgeometrien und Hauptabmessungen),

welche die Gestaltung beeinflussen [VDI2223, S. 17ff.].

Modularisierung der „prinzipiellen Lösung“: In diesem Schritt wird das System in

Module untergliedert. Hierbei gibt die Richtlinie Hinweise in Form von Fragestellun-

gen, die bei der Modularisierung beachtet werden müssen. Beispiele sind Wie kann man

das Produkt derart in Module gliedern, dass diese beim Entwerfen möglichst unabhän-

gig voneinander bearbeitet werden können? oder Welche Module sind neu zu entwer-

Stand der Technik Seite 79

fen? Als Resultat liegt die Produktstruktur vor. Anschließend wird das weitere Vorge-

hen im Gestaltungsprozess festgelegt und es werden Zeiten und Kapazitäten geplant.

Das Ergebnis wird in Form eines organisatorischen Arbeitsplans dokumentiert

[VDI2223, S. 19ff.].

Bewertung: Die VDI-Richtlinie 2223 liefert einen sehr generalisierten Ansatz zur Pro-

duktstrukturierung auf Basis der fertigen prinzipiellen Lösung. Beschrieben wird das

Vorgehen in nur zwei Schritten auf einer sehr abstrakten Ebene. Eine konkrete Methode

bzw. ein detailliertes Vorgehen zur Strukturierung fehlen. Die eigentliche Gliederung

des Produkts erfolgt manuell auf Basis zuvor identifizierte Anforderungen und Frage-

stellungen. Hierdurch ist das Verfahren sehr subjektiv und die Ergebnisse hängen stark

von dem Erfahrungswissen und den Kompetenzen des Anwenders ab.

3.3.7 Festlegung der Produktarchitektur nach SEDCHAICHARN

Das Ziel der von SEDCHAICHARN entwickelten Methode ist eine Produktarchitektur un-

ter Berücksichtigung von Funktion und Gestalt. Diese soll bereits in einer frühen Phase

der Produktentwicklung festgelegt werden. Der verfolgte Ansatz ist die Verknüpfung

von Funktions- und Gestaltinformationen über das Contact and Channel Model

(C&CM) (vgl. Kap. 3.2.3). Den Ausgangspunkt bildet die Produktidee und eine erste

Prinzipskizze [Sed10, S. 65]. Das Vorgehen gliedert sich in drei Phasen, die in Bild

3-22 dargestellt sind.

Bild 3-22: Vorgehen bei der Festlegung der Produktarchitektur nach [Sed10, S. 68]

Erstellung der C&CM Dependency-Matrix (CDM): Das Ziel dieser Phase sind die

Funktions- und Gestaltinformationen in Form einer Matrix. Zunächst sind auf Grundla-

ge der Prinzipskizze die Funktionen des Produkts zu identifizieren. Diese werden in

Seite 80 Kapitel 3

eine Funktionsstruktur überführt und mittels Energie-, Stoff- und Informationsflüsse

verbunden. Anschließend wird aus der Prinzipskizze ein C&CM erstellt und die Mo-

dellelemente (Wirkflächenpaare und Leitstützstrukturen) werden den Funktionen zuge-

ordnet. Es ist möglich, dass Leitstützstrukturen bereits in dieser Phase manuelle zu Bau-

teilen zusammengefasst werden. Abschließend erfolgt die Überführung in eine C&CM

Dependency Matrix. In den Zeilen und Spalten sind jeweils die Leitstützstrukturen ge-

geneinander aufgetragen. Die Wirkflächenpaare kennzeichnen funktionale Verbindun-

gen zwischen Leitstützstrukturen, die einen Energie-, Stoff- oder Informationsfluss er-

möglichen. Sie sind in den Matrixfeldern als „X“ markiert und stellen funktionale Be-

ziehungen dar [Sed10, S. 71ff.].

Bewertung der Beziehungen der Leitstützstrukturen: In dieser Phase finden nicht-

funktionale Beziehungen zwischen Leitstützstrukturen Berücksichtigung, sog. Kompa-

tibilitätsbeziehungen. Zunächst werden die Kompatibilitätsbeziehungen bestimmt und

in das C&CM eingetragen. Sie leiten sich aus Anforderungen an das System ab. Bei-

spiel sind eine einfach Demontage oder möglichst wenig Einzelteile. Die funktionalen

Beziehungen und die Kompatibilitätsbeziehungen werden anschließend gewichtet. Dies

erfolgt über eine Bewertung der Wichtigkeit der Beziehungen durch den Entwickler.

Abschließend wird die CDM aktualisiert. Für jede Kombination zweier Leitstützstruktu-

ren wird eine Beziehungszahl ermittelt. Diese ergibt sich aus der gewichteten Summe

der funktionalen Beziehungen und der Kompatibilitätsbeziehungen zwischen den bei-

den Leitstützstrukturen und hat einen Wert zwischen 0 und 1 [Sed10, S. 80ff.].

Optimierung der C&CM Dependency Matrix: Die Aufgabe dieser Phase ist die Bil-

dung von Modulen mit möglichst vielen internen Beziehungen und wenig Schnittstel-

len. Zunächst wird hierfür eine Zielfunktion formuliert. Diese beschreibt den Zusam-

menhang der Modulanzahl, der Anzahl von Beziehungen innerhalb der Module und der

Gewichtung der Beziehungen. Auf Grundlage genetischer Algorithmen erfolgt die Clus-

terung in der CDM. Die Zeilen und Spalten der Matrix werden schrittweise gleichge-

richtet verschoben (vgl. Kap. 3.3.1). Hierbei wird versucht, die Zielfunktion zu maxi-

mieren, was möglichst vielen modulinternen Beziehungen entspricht. Als Resultat liegt

ein Vorschlag für eine Produktarchitektur vor. Diese ordnet die Leitstützstrukturen ein-

zelnen Modulen zu und kennzeichnet die Schnittstellen zwischen diesen [Sed10, S. 88].

Bewertung: SEDCHAICHARN präsentiert ein umfangreiches Verfahren zur Festlegung

der Produktarchitektur in der frühen Phase der Produktentwicklung. Auf Grundlage des

C&CM werden Funktions- und Gestaltinformationen des Produkts zusammengeführt.

Die Beziehungen werden in einer Matrix zusammengeführt, bewertet und einer Cluste-

rung unterzogen. Die Beziehungen zwischen den Komponentenpaaren müssen manuell

bewertet werden, wodurch der Aufwand steigt und das Ergebnis einer Subjektivität un-

terliegt. Das Verfahren ist grundsätzlich für die montageorientierte Strukturierung ge-

eignet, der Fokus liegt jedoch auf der frühzeitigen Festlegung der Produktarchitektur

aus Sicht der Produktentwicklung.

Stand der Technik Seite 81

3.4 Technologieauswahl

Die Erstellung eines ersten Montagekonzepts erfordert die Auswahl geeigneter Monta-

geverfahren, insb. von Fügeverfahren. Die Auswahlkriterien ergeben sich in der Regel

aus der Produktgestalt, dem Werkstoff und produktionstechnischen- sowie wirtschaftli-

chen Anforderungen (z. B. Stückzahl, Kosten, Mitarbeiterqualifikation). Durch die star-

ken Wechselwirkungen zwischen Produktgestalt, Werkstoff und Montageverfahren ist

die Auswahl i. d. R. von Iterationen geprägt und stark von dem montagetechnischen

Wissen und den Erfahrungen des Konstrukteurs abhängig [Fal00, S. 8], [SB03, S. 1].

Heute existieren Software-Werkzeuge für die Technologieauswahl (z. B. [Fen05],

[SWS03], [Zha05]). Auf Grundlage von Datenbanken, in denen Technologie- und

Werkstoffinformationen gespeichert sind, wird der Konstrukteur durch Suchalgorith-

men bei der Technologieauswahl unterstützt. Die erforderlichen Eingangsinformationen

für die Suche sind allerdings sehr detailliert und die Verfahren für die frühzeitige Aus-

wahl auf Basis unscharfer Informationen somit ungeeignet [Nor12, S. 69]. Im Folgen-

den werden Ansätze vorgestellt, die eine frühzeitige Auswahl von Montagetechnologien

ermöglichen.

3.4.1 Verbindungsauswahl nach VDI-Richtlinie 2232

In der VDI-Richtlinie 2232 Methodische Auswahl fester Verbindungen – Systematik,

Konstruktionskataloge, Arbeitshilfen ist eine Vorgehensweise für die Auswahl von Bau-

teilverbindung beschrieben. Den Ausgangspunkt bildet die Konstruktion des techni-

schen Systems. Weiterhin stellt die Richtlinie Arbeitshilfen zur Verfügung, die das

Vorgehen unterstützen. Dies sind Begriffsdefinitionen und Checklisten sowie Über-

sichtstabellen von verfügbaren Konstruktionskatalogen und Datenbanken [VDI2232, S.

2]. Das Vorgehen für die Auswahl fester Verbindungen gliedert sich gemäß Bild 3-23 in

fünf Phasen.

Hauptaufgabensatz formulieren: Die Aufgabe der Verbindung wird beschrieben. In

Analogie zur Beschreibung von Funktionen kann dies lösungsneutral erfolgen. Das ist

nicht erforderlich, wenn bereits Einschränkungen vorliegen. [VDI2232, S. 11ff.] Ein

Beispiel für eine Aufgabenbeschreibung ist: Rahmen und Sattel fest und lösbar mitei-

nander verbinden und im Betriebszustand verbunden halten.

Anforderungen identifizieren: In dieser Phase werden Anforderungen an die zu er-

zeugende Verbindung festgelegt. Hierfür stehen Hilfsmittel zu Verfügung, wie bspw.

Checklisten2 oder Leitlinien mit Hauptmerkmalen für Anforderungen [PBF+07, S. 514].

Die Anforderungen werden identifiziert und beschrieben. Die Dokumentation erfolgt in

Form einer Anforderungsliste [VDI2232, S. 11ff.].

2 Es wird zwischen allgemeinen, unternehmensspezifischen und produktbezogenen Checklisten unter-

schieden. Eine Übersicht verfügbarer Checklisten findet sich im Anhang (siehe Anhang Tabelle A-1).

Seite 82 Kapitel 3

Konstruktionskataloge auswählen: Das Ziel dieses Schrittes sind Konstruktionskata-

loge für die Suche nach geeigneten Verbindungen. Die Richtlinie liefert hierfür eine

Übersicht verfügbarer Konstruktionskataloge für feste Verbindungen. Je Konstruktions-

katalog sind Inhalt, Zweck, Einsatz, Anwendung und Gliederung in Form eines Prinzip-

blattes beschrieben [VDI2232, S. 22ff.]. Eine Übersicht der Konstruktionskataloge fin-

det sich im Anhang (siehe Anhang Tabelle A-2).

Bild 3-23: Vorgehen zur Auswahl von Verbindungen nach [VDI2232, S. 11]

Identifikation geeigneter Verbindungen: In dieser Phase werden mit dem sog. Sieb-

verfahren geeignete Verbindungen identifiziert. Die aufgestellten Anforderungen wer-

den den Verbindungseigenschaften aus den Konstruktionskatalogen (Zugriffsmerkmale)

gegenübergestellt und verglichen. Als Resultat liegen alternative Verbindungen vor

[VDI2232, S. 11ff.].

Herstellerangaben überprüfen: Für die geeigneten Verbindungen werden Hersteller

der entsprechenden Verbindungstechnik gesucht. Auf Grundlage der detaillierten Her-

stellerinformationen kann der Lösungsraum evtl. weiter eingeschränkt werden. Weiter-

Stand der Technik Seite 83

hin sind eine Festigkeitsberechnung und eine Nutzwertanalyse bzw. eine technisch-

wirtschaftliche Bewertung erforderlich [VDI2232, S. 11f.].

Bewertung: Die VDI-Richtlinie 2232 beschreibt einen Leitfaden für die Auswahl fester

Bauteilverbindungen und der zugehörigen Fügeverfahren. Das Vorgehen wird durch

Hilfsmittel unterstützt, wie bspw. Tabellen und Checklisten. Durch die manuelle Durch-

führung ist das Vorgehen allerdings sehr zeit und arbeitsaufwändig. Ein Beispiel ist die

Suche nach geeigneten Bauteilverbindungen mit Hilfe von Konstruktionskatalogen. Den

Fokus des Verfahrens bildet die gestaltende Phase, nach Abschluss der prinzipiellen

Phase [VDI2232, S. 7]. Das Vorgehen ist grundsätzlich auf die frühe Phase übertragbar

und liefert einen geeigneten Ablauf für die Verfahrensauswahl.

3.4.2 Technologieauswahl nach ASHBY

ASHBY beschreibt ein Verfahren zur Technologieauswahl auf Grundlage einer Taxono-

mie und einer einheitlichen Beschreibung der Technologien. Das Verfahren ist zusam-

men mit einem Verfahren zur Materialauswahl in dem kommerziellen Softwaretool

CES Selector [GDL13-ol] implementiert.

Die Taxonomie strukturiert die Technologien. Auf oberster Ebene werden sie in drei

Familien eingeteilt: Formgebende Technologien, Fügetechnologien und Technologien

zur Feinbearbeitung. Diese werden weiter in Technologieklassen untergliedert, welche

die konkreten Technologien enthalten [Ash07, S. 177ff.]. Bild 3-24 zeigt einen Auszug

der Taxonomie.

Bild 3-24: Ausschnitt der Taxonomie für Technologien nach ASHBY [Ash07, S. 179]

Die Beschreibung der Technologien erfolgt über vordefinierte Attribute in Form von

Technologiesteckbriefen (siehe Anhang Bild A-4). Beispiele sind die Verbindungsgeo-

metrie, Größenbereiche, Wandstärken oder die relativen Technologiekosten [Ash07, S.

210]. Auf Grundlage der Steckbriefe erfolgt ein Abgleich der geforderten Eigenschaften

des Produkts mit den realisierbaren Fähigkeiten der Technologien. Das Vorgehen glie-

dert sich in vier Phasen, die in Bild 3-25 dargestellt sind.

Übersetzung der Bauteilanforderungen: In dem ersten Schritt werden die zu ferti-

genden und zu fügenden Bauteile bzgl. Material und Form klassifiziert. Beispiele für

Reich Familie Klasse Technologie Attribute

Technologie

Fügen

Formgeben

Fein-

bearbeiten

Kleben

Schweißen

Befestigungs-

elemente

Hartlöten

Weichlöten

Lichtbogenschweißen

MIG-Schweißen

Plasma-Schweißen

...

Technologie-

Steckbrief

Verbindungs-

geometrie

Größenbereich

min. Wandstärke

relative Tech-

nologiekosten

...

Seite 84 Kapitel 3

Materialklassen sind Stähle, Nichteisenmetalle, Elastomere etc. Die Gestalt unterglie-

dert sich bspw. in prismatisch, blechförmig und dreidimensional3. Weiterhin werden

Anforderungen an die Technologie beschrieben (z. B. Toleranzklassen oder Bauteilge-

wicht) und Zielgrößen festgelegt (z. B. Kosten, Zeit oder Qualität) [Ash07, S. 196ff.].

Bild 3-25: Vorgehen zur Technologieauswahl nach ASHBY [Ash07, S. 195]

Ungeeignete Technologien ausschließen: Auf Grundlage der zuvor festgelegten Bau-

teilanforderungen erfolgt eine Analyse der verfügbaren Technologien. Hierbei werden

die Technologien ausgeschlossen, welche die Anforderungen nicht erfüllen. Als Ar-

beitshilfen stehen verschiedene Matrizen und Tabellen zur Verfügung, die sog. Ashby-

Diagramme. Diese stellen die Technologien bspw. den Materialien (process-material

matrix) (siehe Anhang Bild A-6) oder der Bauteilmasse (process-mass-range chart)

(siehe Anhang Bild A-7) gegenüber. Als Resultat liegen die geeigneten Technologien

vor [Ash07, S. 196ff.].

Bewertung der Technologien (Screening): Das Ziel dieser Phase ist eine Reihenfolge

der geeigneten Technologien. Die Grundlage bildet eine wirtschaftliche Bewertung

durch den Entwickler. Hierbei werden die folgenden vier Kriterien verwendet: Stan-

dards verwenden, einfache Lösungen bevorzugen, einfach Montierbarkeit und keine

3 Eine Übersicht der Gestaltklassen findet sich im Anhang (siehe Bild A-5)

Stand der Technik Seite 85

unnötige Überdimensionierung. Weiterhin wird die Bewertung durch Diagramme unter-

stütz, die Technologien in Relation zur Losgröße setzen [Ash07, S. 202ff.].

Analyse ergänzender Technologieinformationen (Ranking): Abschließend werden

weitere Informationen in die Bewertung einbezogen, z. B. Investitionskosten oder der

Energieverbrauch von Technologien. Auf Grundlage einer detaillierten wirtschaftlichen

Bewertung wird so die am besten geeignete Technologie ausgewählt [Ash07, S. 205f.].

Bewertung: Der Ansatz zur Technologieauswahl nach ASHBY basiert auf dem Ver-

gleich der Anforderungen des Bauteils bzw. der Verbindungsstelle mit den realisierba-

ren Technologiefähigkeiten. Hierfür werden eine Taxonomie, Technologiesteckbriefe,

Auswahlmatrizen und -diagramme sowie ein Vorgehen zur Verfügung gestellt. Das

Verfahren zeichnet sich durch seine Anwendbarkeit in der frühen Phase aus. Technolo-

gien können bereits auf Grundlage sehr weniger Informationen ausgewählt werden. Um

dies zu ermöglichen sind die Hilfsmittel allerdings auf einer sehr abstrakten Ebene be-

schrieben.

3.4.3 Technologieauswahl nach SWIFT/BOOKER

Die von SWIFT und BOOKER entwickelte Methode unterstützt den Entwickler bei der

Auswahl von Fertigungs- und Montagetechnologien sowie der Bestimmung des Auto-

matisierungsgrad des Montagesystems. Analog zu Technologiesteckbriefen werden in

sog. Prozessinformationskarten4 die Fähigkeiten der Technologien in standardisierter

Form beschrieben. Ein matrixbasierter Ansatz ermöglicht die Auswahl geeigneter Tech-

nologien für ein vorliegendes System [SB03, S. 19ff.]. Das Vorgehen gliedert sich in

zwei Schritte (Bild 3-26).

Bild 3-26: Vorgehen zur Technologieauswahl nach [SB03, S.27ff.]

Analyse der Bauteilverbindung: Auf Grundlage der Produktspezifikation werden für

die Verbindung der Werkstofftyp, die Materialstärke, die Lösbarkeit der Verbindung

4 Process Information Map – PRIMA

Seite 86 Kapitel 3

sowie die geplante Jahresstückzahl festgelegt. Bei der Materialstärke wird zwischen

dünn (<3 mm), mittel (3-19 mm) und stark (>19 mm) differenziert. Die Lösbarkeit wird

in lösbar, bedingt lösbar und nicht lösbar unterteilt [SB03, S. 30f.].

Auswahl möglicher Fügetechnologien: Das Ziel dieser Phase sind geeignete Füge-

technologien, die in der frühen Phase des Entwicklungsprozesses auf Grundlage einiger

weniger Einflussfaktoren ausgewählt werden. Die Auswahl erfolgt auf Basis der Aus-

wahlmatrix für Fügetechnologien5. In der Matrix werden die vier Aspekte Werkstofftyp,

Materialstärke, Lösbarkeit der Verbindung und geplante Jahresstückzahl gegenüberge-

stellt. In den Feldern der Matrix sind die für die jeweilige Kombination der Aspekte

geeignete Fügeverfahren aufgeführt [SB03, S. 32f.]. Ein Ausschnitt der Matrix ist im

Anhang zu finden (siehe Anhang Tabelle A-3).

Bewertung: Der Ansatz nach SWIFT und BOOKER unterstützt die frühzeitige Auswahl

von Montagetechnologien. Die Auswahl erfolgt über Technologieauswahlmatrizen, die

Technologien sind mittels Prozessinformationskarten beschrieben. Aufgrund der An-

wendung des Verfahrens in der frühen Phase werden nur sehr grob Technologieklassen

ausgewählt und es existiert meist eine Vielzahl unterschiedlicher Technologien zur Rea-

lisierung einer Bauteilverbindung. Die weitere Technologiebetrachtung und -auswahl

erfordert tiefgehende Kenntnisse über die Bauteile und Montageprozesse.

3.4.4 Konstruktionskataloge

Konstruktionskataloge stellen manuell handhabbare Informationsspeicher dar und er-

möglichen die Ausschöpfung häufig wenig bekannter Wissensquellen. Ihr Inhalt, der

Aufbau und der Zugriff sind auf das methodische Konstruieren abgestimmt.

Abhängig vom Inhalt lassen sich Konstruktionskataloge in Objekt-, Operations- Lö-

sungs- und Beziehungskataloge einteilen [Rot01, S. 7f.]. Eine Übersicht verfügbarer

Konstruktionskataloge im Kontext Verbindungstechnik ist im Anhang dargestellt (siehe

Anhang Tabelle A-2). Bild 3-27 gibt einen Überblick der einzelnen Katalogtypen.

Bild 3-27: Einteilung von Konstruktionskatalogen [Rot01, S. 10]

5 Joining process PRIMA selection matrix

Objektkataloge

(aufgabenunabhängig) Operationskataloge Lösungskataloge

(aufgabenabhängig) Beziehungskataloge

Beispiele: Physikalische

Effekte, Eigenschaften

von Werkstoffen, Gerad-

führungen, einstuf. Zahn-

radgetriebe

Beispiele: Regeln zur

Erzeugung von Funkti-

onsstrukturen, Konstruk-

tionsregeln, Regeln zur

Variation der Struktur

oder der Gestalt

Beispiele: Stückgut spei-

chern, Kraft erzeugen,

Nachricht verknüpfen

Beispiele: Welle-Nabe-

Verbindungen,

Rohrverbindungen,

Textilverbindungen

Konstruktions-

kataloge

Stand der Technik Seite 87

Der Aufbau von Konstruktionskataloge gliedert sich nach ROTH in einen Gliederungs-,

Haupt- und Zugriffsteil. Der Gliederungsteil beschreibt die Strukturierungsaspekte,

nach denen die im Katalog enthaltenen Elemente widerspruchsfrei eingeteilt werden.

Der eigentliche Kataloginhalt ist im Hauptteil abgelegt. Je nach Inhaltsart sind dies

bspw. Objekte oder Operationen (Regeln). Sie werden in Form von Skizzen, Gleichun-

gen oder textuell beschrieben. Der Zugriffsteil enthält die Zugriffsmerkmale. Diese sind

mit dem Hauptteil gekoppelt, d. h. es wird gekennzeichnet, ob bzw. in welchem Wer-

tebereich eine Lösung das Merkmal erfüllt [Rot01, S. 5]. Bild 3-28 zeigt den Ausschnitt

eines Konstruktionskatalogs für Verbindungen

Bild 3-28: Konstruktionskatalog für feste Verbindungen [Rot96, S. 11] (Ausschnitt)

Der Zugriff erfolgt über die Vorgabe geforderter Zugriffsmerkmale. Lösungen, welche

die Zugriffsmerkmale nicht erfüllen, werden systematisch ausgeschlossen und der Lö-

sungsraum wird eingeschränkt. Beispielsweise werden durch die Forderung nach De-

montierbarkeit und Spielfreiheit die Lösungen 1, 2 und 4 ausgeschlossen.

Die Verknüpfung mehrerer Konstruktionskatalogen erfolgt über eine Hierarchisierung.

Dabei werden drei Katalogebenen unterschieden: Übersichtskataloge, Detailkataloge

und Firmenkataloge [VDI2232, S. 10]. Entsprechend dieser Gliederung erfolgt auch die

rechnerinterne Abbildung der Kataloge [Rot01, S. 34f.]). Übersichtskataloge geben auf

Grundlage der Schlussart und der den Schluss erzeugenden Kräfte einen ersten Über-

blick der Verbindungverfahren und ermöglichen eine grobe Vorauswahl geeigneter Ver-

fahren. In den verbindungsklassenspezifischen Detailkatalogen werden unterschiedli-

che Verbindungsverfahren innerhalb einer Verbindungsklasse gegenübergestellt. Bei-

spiele sind Kataloge für Schraubenverbindungen [Bög83], Schnappverbindungen

[Kol98], [Rot96], [KJ77] und Nietverbindungen [Rot96], [DK81]. Auf der niedrigsten

Hierarchieebene sind firmenspezifische Kataloge enthalten, die meist nur ein

Teilspektrum der Verbindungsklasse abdecken, die enthaltenen Verbindungsverfahren

allerdings sehr detailliert beschreiben [VDI2232, S. 10].

Schlussart

Stoffschluss

Berührungs-

schluss

Kraftschluss

elastischer

Schluss

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1,2

1.7

1,6

1.8

1,5

1.9

123456789Nr.

Feste

Verbindung Demon-

tierbar Kein

Spiel

Vor-

span-

nung

Rei-

bungs-

unab-

hängig

Dreh-

ge-

sichert

Ferti-

gung

preis-

wert

Demon-

tierbar

Vor-

span-

nung

Gesamt

Bewertung

bei Verzicht auf

Eigenschaften

Gliederungsteil Hauptteil Zugriffsteil

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

1,8

2.7

1,6

2.8

1,84

2.9

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

1,8

3.7

2,0

3.8

1,67

3.9

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

1,6

4.7

2,0

4.8

1,84

4.9

Bewertung der Eigenschaft

von „ausgezeichnet“ (0)

bis „schlecht“ (3)

Seite 88 Kapitel 3

Bewertung: Konstruktionskataloge bieten umfangreiche Informationen zu Montage-

technologien und stellen daher eine gute Datenbasis für die Technologieauswahl dar.

Über die geforderten Verbindungseigenschaften können geeignete Fügeverfahren iden-

tifiziert und gegeneinander bewertet werden. Die Suche nach Verfahren ist allerdings

sehr zeitaufwändig. Eine effiziente Nutzung von Konstruktionskatalogen erfordert daher

eine IT-technische Unterstützung.

3.5 Montagegerechte Produktgestaltung

Die integrative Konzipierung der Montage ist von einer Vielzahl von Wechselwirkun-

gen geprägt. Das Montagekonzept beeinflusst maßgeblich die Produktgestalt, bspw.

über Fügeverfahren oder Handhabungseinrichtungen. Ein möglicher Ansatzpunkt zur

Berücksichtigung dieser Abhängigkeiten in der frühen Phase sind Ansätze zur monta-

gegerechten Gestaltung. Im Folgenden werden zwei Ansätze vorgestellt.

3.5.1 Design for Assembly (DfA)

Im Bereich der montagegerechten Gestaltung, die auch als Design for Assembly (DfA)

bezeichnet wird, existiert eine Vielzahl von Arbeiten (z. B. [Gai81], [AKL83], [MO86],

[Bar87]). Das übergeordnete Ziel ist ein kostengünstig zu produzierendes Produkt. Die

bedeutendste Methode ist das von BOOTHROYD und DEWHURST entwickelte Design for

Manufacturing and Assembly (DFMA6) [BD87], [BDK11]. Dieses beschreibt ein pro-

duktentwicklungsorientiertes Vorgehen für die fertigungs- und montagegerechte Kon-

struktion, wobei auch Aspekte der Produktionsplanung betrachtet werden. Den Aus-

gangspunkt bildet ein Produktentwurf mit einem hohem Konkretisierungsgrad [Hes06,

S. 19], [Mül08, S. 32]. Das Vorgehen gliedert sich in drei Schritte, die bei Bedarf mehr-

fach durchlaufen werden (Bild 3-29).

Auswahl der Montagemethode: Im ersten Schritt ist der angestrebte Automatisie-

rungsgrad festzulegen. Hierzu wird auf Grundlage der erwarteten jährlichen Produkti-

onsmenge und die Variantenzahl mit Hilfe von Auswahldiagrammen die grundsätzliche

Montagemethode bestimmt (z. B. Manuelle Montage, Einzelstation mit Roboter, Mehr-

stationen mit Roboter) [BD87, S. 1-6], [Hes06, S. 19].

Analyse der Montageaufgabe: In Abhängigkeit der gewählten Montagemethode wird

das Produkt analysiert. Zunächst wird die theoretisch minimale Teileanzahl bestimmt.

Hierbei wird überprüft, ob separate Teile erforderlich sind oder sich Bauteile integrieren

lassen. Die zu klärenden Fragestellungen sind: Erfordert die Funktion eine Relativbe-

wegung des Bauteile?, Wird ein anderes Material benötigt (Isolation)? und Erfordert

die Montage/Demontage eine Bauteiltrennung? Anschließend wird auf Grundlage der

Handhabungs- und Fügeeigenschaften der Bauteile die minimal erforderliche Montage-

6 DFMA ist ein eingetragenes Warenzeichen der Boothroyd Dewhurst Inc. [BD13-ol]

Stand der Technik Seite 89

zeit abgeschätzt. Hierfür stehen Datenbanken mit Standardwerten zur Verfügung. Durch

einen Vergleich mit der tatsächlichen Montagezeit ergibt sich der DFA-Index, der die

Designeffizienz kennzeichnet. Abschließend werden Schwierigkeiten im Montageablauf

identifiziert, die Qualitätsprobleme zur Folgen haben könnten [BA92, S. 626].

Bild 3-29: Vorgehen beim Design for Assembly nach [BD87, S. 0-1]

Verbesserung der Konstruktion: Basierend auf den Analyseergebnissen erfolgt eine

Überarbeitung des Produkts. Hierbei wird versucht die Bauteilanzahl durch Integration

zu minimieren. Die entstehenden Bauteile sollen montagegerecht gestaltet sein [Bot87,

S. 3]. Abschließend wird durch einen erneuten Durchlauf der Analyse die Verbesserung

der Konstruktion quantifiziert und es werden ggf. weitere Anpassungen vorgenommen.

BOOTHROYD und DEWHURST haben die DFMA-Methode als kommerziellen Software-

tools realisiert. Dieses unterstützt den Entwickler bei der fertigungs- und montagege-

rechten Konstruktion und stellt eine umfangreiche Sammlung von Erfahrungswissen aus

verschiedenen Industriebereichen zur Verfügung. Der Reifegrad der Software ist sehr

hoch, ihre Anwendung jedoch komplex. Die Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse wird

hierdurch eingeschränkt [Mor04, S. 61], [MWB+12, S. 459].

Bewertung: Das DfA ermöglicht die Berücksichtigung montagerelevanter Aspekte in

der Produktgestalt. Durch die Ermittlung des DfA-Index können mehrere Alternativen

gegeneinander verglichen werden. Den Ausgangspunkt bildet die Gestalt eines weitest-

gehend fertig konstruierten Produkts, weshalb der Ansatz für die frühe Phase nicht ge-

eignet ist. Das Verfahren und insb. die Bestimmung der erforderlichen Zeiten aller

Montageschritte ist sehr arbeitsintensiv und zeitaufwändig. Weiterhin fokussieren so-

wohl das Verfahren als auch das Softwaretool auf die Reduzierung der Teilezahl durch

eine Integralbauweise. Dies führt zu einer Einengung des Lösungsraums.

Seite 90 Kapitel 3

3.5.2 Informationssystem für DfX-Richtlinien nach BAUER

BAUER hat ein Werkzeug zur Unterstützung multikriterieller Entscheidungen im Kon-

text Design for X (DfX) entwickelt. Teil dieses Werkzeugs ist ein Informationssystem

für DfX-Richtlinien. Das prototypisch implementierte Software-Werkzeug ermöglicht

die strukturierte Sammlung und Bereitstellung von Gestaltungsrichtlinien. Die Grundla-

ge der Datenbank bilden Gestaltungsrichtlinien aus der Literatur7. Eine Erweiterung der

Datenbank um unternehmensspezifische Gestaltungsrichtlinien ist möglich. Hierdurch

wird die Integration des Erfahrungswissens der Mitarbeiter ermöglicht und die Bereit-

stellung dieses Wissens in zukünftigen Entwicklungsprojekten unterstützt.

Die in der Datenbank gespeicherten Gestaltungsrichtlinien umfassen eine Beschreibung

in semantischer Form, ggf. eine bildhafte Darstellung, den betroffenen DfX-Aspekt,

eine Quellenangabe, die Phase im Produktentstehungsprozess, in der die Gestaltungs-

richtlinie relevant ist, und die Herkunft der Gestaltungsrichtlinie. Bild 3-30 zeigt bei-

spielhaft eine beschriebene Gestaltungsrichtlinie.

Bild 3-30: Rechnerinterne Abbildung von Gestaltungsrichtlinie nach [Bau09, S. 106]

Sämtliche Richtlinien sind in einer dreistufigen, hierarchischen Struktur eingeordnet,

die eine Identifikation geeigneter Richtlinien ermöglicht. Jeder Richtlinie sind hierzu

festgelegte Merkmale, resultierende Eigenschaften und übergeordnete Ziele zugeordnet.

Merkmale bezeichnen die Aspekte eines Produkts, auf welche sich die Aussagen der

Richtlinie beziehen (z. B. Form, Lage, Werkstoff, Montageverfahren). Der Produktent-

wickler kann diese unmittelbar beeinflussen. Aus den Merkmalen resultieren Produktei-

genschaften (z. B. Gewicht, Sicherheit, Langlebigkeit, Fertigbarkeit, Montierbarkeit).

Auf diese kann der Produktentwickler nur über die Merkmale mittelbar Einfluss ausü-

ben. Die Beachtung der Richtlinie bzgl. der Merkmale fördert die Sicherstellung der

7 Die Datenbank umfasst mehr als 300 Richtlinien aus [Wee81], [AKL85], [Lew85], [Hes94], [Neu02].

ID DfX-Aspekt Quelle

160 montagegerecht HESSE, S.: Montage-Atlas.

Hoppenstedt Technik Tabellen

Verlag, Darmstadt, 1994

DBID

---

Richtlinie

Gestalte genau so viele Fügeflächen, wie zu einer eindeutigen

Lagebestimmung (Position und Orientierung) eines Bau-

elements nötig sind.

Zusatz

Überbestimmungen führen zu Montageschwierigkeiten, bei

einer Unterschreitung wird das Funktionsziel nicht erreicht.

Den Gestaltungsrichtlinie sind in der

Datenbank weitere Attribute zuge-

wiesen:

• Phase im PEP

• Merkmale

• Eigenschaften

• Ziele

Legende

ID: Identifikationsnummer

DBID: Datenbank Identifikationsnummer

Stand der Technik Seite 91

Produkteigenschaften sowie das Erreichen der Ziele (z. B. niedrigere Kosten, Qualitäts-

steigerung, Reduzierung der Umwelteffekte) [Bau09, S. 61ff.].

Bewertung: Das von BAUER entwickelte Informationssystem ermöglicht die struktu-

rierte Bereitstellung von Gestaltungsrichtlinien. Über die Strukturierung der Richtlinien

nach Merkmalen, resultierende Eigenschaften und übergeordnete Ziele ist die Identifi-

kation der relevanten Richtlinien möglich. Die Erweiterbarkeit des Informationssystems

ermöglicht die Integration von Richtlinien für mechatronische Systeme. Durch die Ver-

knüpfung der Gestaltungsrichtlinien mit den betreffenden Phasen des Produktentste-

hungsprozesses ist eine Fokussierung auf die Phase der Konzipierung möglich.

3.6 Kommerzielle Softwaresysteme für die integrierte Produktent-

stehung

Unter dem Begriff CAx-Systeme werden Softwaresysteme im Unternehmensumfeld

zusammengefasst. Sie bieten für verschiedene Aufgabenstellungen eine Rechnerunter-

stützung (CA: Computer-Aided). Je nach Einsatzgebiet wird das „x“ ersetzt, z. B. CAD

für Computer Aided-Design Design im Bereich der Entwicklung und Konstruktion. Der

eigentliche Problemlösungsprozess und der gesamte Entwicklungsablauf wird weiterhin

vom Anwender geführt [VWB+09, S. 1].

Im Bereich der Produktentwicklung kommen in erster Linie CAD-Systeme sowie Simu-

lationssoftware (z. B. FEM- und Mehrkörper-Simulationen) zum Einsatz. Die Schnitt-

stelle zwischen Produktentwicklung und Produktion bildet die Arbeitsplanung. In die-

sem Umfeld unterstützen Systeme zur Prozessplanung, NC- und RC-Simulation, Mate-

rialflusssimulation und der Layoutplanung [VWB+09, S. 359f.]. Die Speicherung der

Produktdaten erfolgt über Produktdatenmanagement-Systeme. Im Kontext der integrati-

ven Konzipierung der Montage sind daher die folgenden drei Klassen von Softwaresys-

temen relevant:

Computer-Aided Design (CAD): CAD-Systeme unterstützen in der Entwicklung und

Konstruktion die Modellierung von Produkteinzelteilen und -baugruppen. Die Schwer-

punkte liegen in der Modellierung der Geometrie, der Ableitung von Zeichnungen, der

Informationsbereitstellung sowie der Durchführung von Berechnungen und Simulatio-

nen. Der Funktionsumfang heutiger Systeme geht weit über diese Kernfunktionalität

hinaus und umfasst bspw. auch Module zur Erstellung von NC-Programmen [Hac12,

S. 833ff.]. Beispiele sind CATIA der Firma Dassault Systemes oder NX von Siemens

PLM Software.

Computer-Aided Planning (CAP)8: CAP-Systeme unterstützen die Planung von Pro-

duktionsprozessen und die Erstellung von Arbeitsplänen. Den Ausgangspunkt bildet das

im CAD-System erstellte Modell des herzustellenden Produkts. Den Bauteilen und

8 Wird auch als Computer-Aided Process Planning (CAPP) bezeichnet.

Seite 92 Kapitel 3

Baugruppen werden Fertigungs-, Montage- und Prüfprozesse zugewiesen. Anschließend

erfolgen die Maschinenauswahl, die Bestimmung der Fertigungsmittel sowie die Vor-

gabezeitermittlung. Den einzelnen Arbeitsvorgängen werden anschließend Betriebsmit-

tel zugewiesen. Aufgrund der zentralen Stellung besitzen CAP-Systeme für den Daten-

austausch Schnittstellen zu CAD-, PPS- und NC-Systemen [EMP+96, 7-83ff.],

[BGW11, S. 183]. Tecnomatix Assembly Planning der Firma Siemens PLM Software

oder Delmia V6 Manufacturing Planning von Dassault Systemes sind zwei Beispiele für

kommerzielle CAP-Systeme.

Produktdantemanagement (PDM): Die Aufgabe von PDM-Systemen ist die Speiche-

rung und Verwaltung von Produktdaten entlang des Produktentstehungsprozesses. Ein

zentraler Aspekt ist hierbei die Abbildung der Produktstruktur. Auf Basis einer generi-

schen Produktstruktur werden anwendungsfallspezifisch Sichten gebildet, z. B. eine

Funktionssicht oder eine Montagesicht. Die informationstechnische Darstellung der

Strukturen erfolgt in der Regel in Form von Listen oder Tabellen, z. B. Stücklisten

[ARV+12, S. 932ff.].

Bewertung: Die kommerziell verfügbaren Softwarewerkzeuge in den Bereichen CAD,

CAP und PDM unterstützen die Verknüpfung von Produktentwicklung und Arbeitspla-

nung. Den Ausgangspunkt der CAP-Systeme bilden jedoch fertige Produktmodellen aus

den CAD-Systemen. Eine frühzeitige Gestaltmodellierung sowie die Ableitung erster

Montagefolgen auf Basis eines Produktkonzepts bleiben weitestgehend unberücksich-

tigt. Die PDM-Systeme erzeugen verschiedene Sichten der Produktstruktur, wobei eine

frühzeitige montageorientierte Strukturierung nicht fokussiert wird. Weiterhin unter-

stützen Softwarewerkzeuge einen Entwicklungsprozess lediglich, eine Steuerung erfolgt

nicht. Ihren vollen Nutzen entfalten diese Systeme erst durch die Integration in eine

umfassende Systematik [Pro10, S. 5f.].

3.7 Handlungsbedarf

Die untersuchten Ansätze wurden jeweils mit den in Kapitel 2.8 aufgestellten Anforde-

rungen verglichen. Im Folgenden wird die Bewertung je Anforderung zusammenge-

fasst. Das Ergebnis ist in Bild 3-31 visualisiert.

A1) Anwendbarkeit in der Mechatronik: Einige Ansätze erfüllen diese Anforderung

in vollem Umfang und sind speziell für mechatronische Systeme entwickelt (z. B. die

Produktstrukturierung nach STEFFEN). Fast alle weiteren Ansätze sind allgemein an-

wendbar und nicht auf eine Fachdisziplin beschränkt. Sie lassen sich auch in der Me-

chatronikentwicklung einsetzen bzw. hierfür anpassen.

A2) Abstimmung auf die Entwicklungsmethodik für die integrative Konzipierung

mechatronischer Systeme: Die meisten Ansätze sind im Kontext der klassischen Kon-

struktionsmethodik entwickelt worden und setzten zeitlich nach der Konzipierung ein.

Stand der Technik Seite 93

Die Verfahren zur Gestaltmodellierung und zur Produktstrukturierung lassen sich in die

Entwicklungsmethodik integrieren. Dies erfordert z. T. die Anpassung der Verfahren

A3) Prinziplösung als Ausgangspunkt: Die Ansätze zur Technologieauswahl und der

montagegerechten Gestaltung beginnen mit einer vollständigen Produktbeschreibung

nach Abschluss der Konstruktion. Die anderen Ansätze fokussieren bereits die frühe

Phase oder lassen sich entsprechend adaptieren.

A4) Frühzeitige Spezifikation der Produktgestalt: Bei den untersuchten integrativen

Ansätzen zur Montageplanung steht die Festlegung der Produktgestalt nicht im Fokus.

Entsprechende Hilfsmittel werden nicht zur Verfügung gestellt. Nur die Verfahren zur

frühzeitigen Gestaltmodellierung erfüllen diese Forderung.

A5) Frühzeitige montageorientierte Produktstrukturierung: Sowohl die integrati-

ven Ansätze als auch die Ansätze zur montageorientierten Produktstrukturierung bieten

die Möglichkeit, das Produkt in Baugruppen und Module zu gliedern. Allerdings kaum

ein Verfahren ist auf die Besonderheiten der montageorientierten Strukturierung ausge-

richtet. Auch einige Ansätze zur frühzeitigen Gestaltmodellierung bieten mittels Hierar-

chisierung die Möglichkeit, dass Produkt montageorientiert zu strukturieren.

A6) Auswahl von Montagetechnologien: Die Ansätze zur Technologieauswahl erfül-

len diese Forderung weitestgehend. Einschränkend ist festzuhalten, dass die Verbin-

dungsauswahl nach VDI-Richtlinie 2232 sowie Konstruktionskataloge für die Anwen-

dung in den späteren Entwurfsphasen entwickelt wurden. Eine Übertragung in die Kon-

zipierung ist jedoch möglich.

A7) Berücksichtigung montagetechnischer Restriktionen: Die integrativen Ansätze

nutzen das Produktkonzept als Ausgangspunkt, ein Rückfluss von montagetechnischen

Restriktionen erfolgt jedoch nicht. Die Ansätze zur montagegerechten Produktgestal-

tung bieten die Möglichkeit, auf Grundlage des Montagekonzepts Gestaltungsrichtlinien

in der Produktentwicklung bereitzustellen.

A8) Ganzheitliche Konzipierung der Montage: Lediglich die integrativen Ansätze

nach BICHELMAIER und GRUNWALD erfüllen diese Anforderung. Die Ansätze nach

MÜLLER und NORDSIEK weisen Defizite auf und vernachlässigen Teilaspekte.

A9) Nutzung eines disziplinübergreifenden Beschreibungsmittels: Die Ansätze nach

NORDSIEK und STEFFEN basieren auf der Spezifikationstechnik CONSENS (vgl.

Kap. 2.6.1) und erweitern diese. Sie bieten somit ein disziplinübergreifendes Beschrei-

bungsmittel.

A10) Systematische Vorgehensweise: Die meisten der vorgestellten Ansätze bieten

eine systematische Vorgehensweise. Dabei werden allerdings entweder nur Teilaspekte

der integrativen Montagekonzipierung betrachtet oder die Ansätze sind in den späteren

Entwurfsphasen angeordnet.

Seite 94 Kapitel 3

Bild 3-31: Bewertung des untersuchten Stands der Technik anhand der Anforderungen

Bewertung der untersuchten Ansätze

hinsichtlich der gestellten Anforderungen.

Bewertungsskala:

= nicht erfüllt

= teilweise erfüllt

= voll erfüllt

Anforderungen (A)

Anwendbarkeit in der

Mechatronik

Abstimmung auf die Ent-

wicklungsmethodik

Prinziplösung als Aus-

gangspunkt

Frühzeitige Speziﬁ kation

der Produktgestalt

Frühzeitige montageorien-

tierte Produktstrukturierung

Technologieauswahl

Berücksichtigung montage-

technischer Restriktionen

Ganzheitliche Konzipierung

der Montage

Disziplinübergreifendes

Beschreibungsmittel

Systematisches Vorgehen

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10

Integrative Ansätze

Integrierter Vorgehensplan für Konstruktion

und Montageplanung nach BICHELMAIER

Integrierte Produktentwicklung und Montage-

planung nach GRUNWALD

Methodik für die Generierung und Bewertung

von Produktionsalternativen nach MÜLLER

Systematik zur Produktionssystemkonzipie-

rung nach NORDSIEK

Frühzeitige

Gestaltmodellierung

Methodisches Gestalten nach EHRLENSPIEL

Baukonzept nach PONN/LINDEMANN

Contact and Channel Model nach

ALBERS/MATTHIESEN

Schrittweise Gestaltsynthese nach LEMBURG

Module Interface Graph nach BLEES

Montageorientierte

Produktstrukturierung

Design Structure Matrix

Produktstrukturierung nach STEFFEN

Produktstrukturierung nach DAHL

Methodische Unterstützung der Systembil-

dung (METUS)

Modularisierung nach KOEPPEN

Modularisierung nach VDI-Richtlinie 2223

Festlegung der Produktarchitektur nach

SEDCHAICHARN

Technologieauswahl

Verbindungsauswahl nach

VDI-Richtlinie 2232

Technologieauswahl nach ASHBY

Technologieauswahl nach SWIFT/BOOKER

Konstruktionskataloge

Montagege-

rechte Produkt-

gestaltung

Design for Assembly (DfA)

Informationssystem für DfX-Richtlinien nach

BAUER

Kommerzielle Softwaresysteme für die

integrierte Produktentstehung

Stand der Technik Seite 95

Der Vergleich zeigt, dass einige der untersuchten Ansätze eine Vielzahl der Anforde-

rungen erfüllen, sie zeigen allerdings auch ausgeprägte Defizite. Zum Beispiel eignet

sich der Ansatz nach NORDSIEK sehr gut für die integrative Produktionssystemkonzipie-

rung im Bereich der frühzeitigen Fertigungsprozessplanung. Defizite bestehen hingegen

bei der Betrachtung der Produktgestalt, der montageorientierten Strukturierung sowie

dem Rückfluss von montagetechnischen Restriktionen in die Produktentwicklung. Kei-

ner der Ansätze erfüllt die gestellten Anforderungen vollumfänglich. Es besteht somit

Handlungsbedarf, eine Systematik für die integrative Konzipierung der Montage auf

Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme zu entwickeln.

Seite 96 Kapitel 4

4 Anwendungsbeispiel Pedelec

Zur besseren Verständlichkeit und Nachvollziehbarkeit wird die entwickelte Systematik

an einem durchgängigen Beispiel erläutert. Im BMBF-Verbundprojekt VireS – „Virtu-

elle Synchronisation von Produktentwicklung und Produktionssystementwicklung“

diente die Konzipierung eines Elektrofahrrads als Demonstrator für das entwickelte In-

strumentarium. Dieses Anwendungsbeispiel wird in der vorliegenden Arbeit weiterge-

führt.

Elektrofahrräder mit tretabhängiger Motorunterstützung werden als Pedelec (Pedal

Electric Cycle) bezeichnet. Durch die Integration von Sensorik und Aktorik sowie dem

Einsatz von Software- und Regelungstechnik hat sich das ursprünglich rein mechani-

sche System Fahrrad zu einem komplexen mechatronischen System gewandelt. Der

prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise eines Fahrrads sind allgemein bekannt,

wodurch eine gute Nachvollziehbarkeit gewährleistet ist. Bild 4-1 zeigt beispielhaft ein

Pedelec und erläutert die spezifischen Komponenten.

Bild 4-1: Beispielhafte Darstellung eines Pedelec mit Tretlagermotor [GB12, S. 71]

In der EU Richtlinie 2002/24EG [EU02] und der DIN EG 15194 [DIN15194] sind die

rechtlichen Grundlagen definiert. Der Fahrer wird von dem integrierten Elektromotor

nur unterstützt, wenn er in die Pedale tritt. Die Motorleistung ist auf maximal 250 W

limitiert. Mit zunehmender Geschwindigkeit muss die elektrische Tretkraftunterstüt-

zung progressiv abnehmen und bei Erreichen einer Geschwindigkeit von 25 km/h wird

die Motorunterstützung abgeschaltet.

Steuereinheit: Die Inter-

aktion mit dem Fahrer

erfolgt meist über eine

Steuereinheit am Lenker.

Der Fahrer kann dort den

Unterstützungsmodus

auswählen und bekommt

Informationen bzgl.

Geschwindigkeit und

Ladezustand des Akkus.

Akku: Heute kommen fast

ausschließlich Lithium-

Ionen-Akkus zum Einsatz.

Alternative Positionen sind

am Gepäckträger, am

Unterrohr oder in das

Rahmenrohr integriert.

Steuerung: Die Motorsteuerung kann über

die Tretkraft (z.B. Moment in der Tretkurbel)

oder die Tretfrequenz erfolgen. Zusätzlich

wird die Geschwindigkeit gemessen, um den

Motor ab 25 km/h abzuschalten.

Motor: Die Anbringung des Motors hat einen

starken Einfluss auf die Fahrdynamik. Neben

der Integration in das Tretlager kommen

häufig Nabenmotoren im Vorder- oder Hinter-

rad zum Einsatz.

Anwendungsbeispiel Pedelec Seite 97

Die elektrische Energie wird über einen Akku zur Verfügung gestellt. Bei Verwendung

von Nabenmotoren kann die Reichweite durch eine Rückspeisung der Bremsenergie

erhöht werden. Diese Funktionalität wird als Rekuperation bezeichnet.

Über eine Steuereinheit erfolgt die Interaktion mit dem Fahrer. Dieser kann Eingaben

vornehmen (z. B. die Wahl des Unterstützungsmodus) und wird über den aktuellen Sta-

tus informiert (z. B. Ladezustand des Akkus, verbleibende Reichweite). Über Software-

programme können zusätzliche Funktionen implementiert werden, wie Assistenzsyste-

me zur automatischen Gangwahl oder eine Lichtautomatik.

Sämtliche Regelaufgaben werden von einer Steuereinheit übernommen. Diese wertet

die Sensorsignale aus und steuert den Motor an. Über Sensoren werden bspw. die Tritt-

frequenz, das Trittmoment und die Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst.

Als Unternehmensumfeld wurde ein fiktives Unternehmen der Fahrradindustrie ge-

wählt. Das Unternehmen hat bisher Tourenräder und Mountainbikes entwickelt und in

großer Stückzahl produziert. Es kann daher von einem umfangreichen Erfahrungswis-

sen bzgl. konventioneller Fahrräder ausgegangen werden. Weiterhin liegt aus dem

BMBF-Verbundprojekt VireS für dieses Unternehmen ein voll funktionsfähiges Enter-

prise Resource Planning System mit den zugehörigen Daten vor, bspw. Stücklisten und

Arbeitspläne.

Mit der Verbreitung und Etablierung der Elektromobilität steigen die Verkaufszahlen

von Pedelecs rasant an [ADFC09], [ZIV11]. Das Modellunternehmen will in den Markt

der Elektrofahrräder einsteigen und entwickelt hierfür ein Pedelec. Aus der strategi-

schen Produktplanung resultiert die Forderung nach einem innovativen und ausgefalle-

nen Antriebskonzept. Das Pedelec soll nicht direkt als Elektrofahrrad erkennbar sein. In

Bild 4-2 ist der erste Entwurf der Designabteilung zu sehen.

Seite 98 Kapitel 4

Bild 4-2: Designentwurf des zu entwickelnden Pedelecs

Der Entwurf zeigt ein Fahrrad mit klassischem Diamantrahmen. Die Gabel ist asymmet-

rische mit einseitiger Aufhängung des Vorderrades ausgeführt. In die Gabel ist der An-

triebsmotor integriert, der so nicht direkt im Sichtbereich liegt. Der Akku wird von

Rahmenelementen kaschiert

In der Konzipierung wurde für das Pedelec bereits ein Produktkonzept erarbeitet1. So-

mit liegen die Partialmodelle Anwendungsszenarien, Umfeld, Anforderungen, Funktio-

nen, Wirkstruktur, Verhalten und Gestalt in einem ersten Entwurf vor. Sie bilden den

Ausgangspunkt für die integrative Montagekonzipierung für das Pedelec. Eine detail-

lierte Darstellung der Partialmodelle findet sich im Anhang (siehe Anhang Kap. A3).

Die Spezifikation der Prinziplösung des Pedelecs erfolgt mit Hilfe der Spezifikations-

technik CONSENS. Hierbei kommt das Modellierungswerkzeug Mechatronic Model-

ler2 zum Einsatz, welches die Spezifikationstechnik umsetzt. Der Mechatronic Modeller

bildet die Prinziplösung rechnerintern als zusammenhängendes, formales Datenmodell

ab [GBD+12, S. 89].

1 Das Anwendungsbeispiel orientiert sich an dem Demonstrator aus dem Verbundprojekt VireS. Für

weiterführende Informationen zur Konzipierung des Pedelecs sei auf [GB12, S. 69ff.] und [GBD+12,

S. 88ff.] verwiesen.

2 Für detaillierte Informationen zum Mechatronic Modeller sei auf [GBD+12, S. 107ff.] verwiesen.

Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage Seite 99

5 Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Systematik zur integrativen Konzipierung der

Montage auf Basis der Prinziplösung mechatronischer Systeme unterstützt den Über-

gang von der Produktkonzipierung in die Produktionssystemkonzipierung. Der Fokus

liegt hierbei auf der montageorientierten Produktstrukturierung und der Spezifikation

der Montageprozesse, ausgehen von der Prinziplösung des Produkts.

Das vorliegende Kapitel gibt eine Einführung in die entwickelte Systematik. In Kapi-

tel 5.1 wird zunächst die Grundidee vorgestellt und die Systematik in die Produktentste-

hung eingeordnet. Kapitel 5.2 umfasst den Lösungsansatz der integrativen Montagekon-

zipierung. Das grundsätzliche Vorgehen ist Inhalt von Kapitel 5.3 und abschließend

werden in Kapitel 5.4 die Bestandteile der Systematik vorgestellt. Die detaillierte Be-

schreibung der Systematik am Anwendungsbeispiel Pedelec folgt in Kapitel 6.

5.1 Grundidee

Das 3-Zyklen-Modell der Produktentstehung stellt das übergeordnete Rahmenwerk für

die entwickelte Systematik dar. Demnach sind Produkt und Produktionssystem bereits

in der frühen Entwicklungsphase, der Konzipierung, parallel und in enger Abstimmung

zu entwickeln (vgl. Kap. 2.2). Die Systematik soll den Übergang von der Produktkonzi-

pierung in die Konzipierung des Produktionssystems unterstützen und entspricht somit

dem oberen horizontalen Pfeil im 3-Zyklen-Modell der Produktentstehung (Bild 2-7).

Den prinzipiellen Ablauf der integrativen Montagekonzipierung zeigt Bild 5-1.

Bild 5-1: Prinzipieller Ablauf der Montagekonzipierung nach [GBR10, S. 716]

System

Modul

Hauptaspekt

Anforderung

...

Hauptaspekt

Anforderung

...

Produktions-

ressource 2

Produktions-

ressource 1

Montage-

ressource

Bauteil 1.1

Bauteil 1.2

Bauteil 1.1

(Rohzustand) Bauteil 1.1

Baugruppe 1

Bauteil 1.1

fertigen

Bauteil 1.2

(Rohzustand) Bauteil 1.2

Bauteil 1.2

fertigen

Bauteile

montieren

1.1

1.2

...

2.1

...

AnforderungenF/W

zunehmende Konkretisierung

Montagegruppe 1

System

Bauteil 1.1

Bauteil 1.2

Montagegruppe 2

Bauteil 2.1

Bauteil 2.2

Legende

Element der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliederung

Ressource

Systemelement Prozess

Produktions-

system

Materialfluss

Verweis

Montageorientierte

Erzeugnisgliederung

Ressourcen

Gestalt (PS)

Anforderungen

Prozesse

Gestalt (Produtk)

Wirkstruktur

Seite 100 Kapitel 5

Den Ausgangspunkt bildet die Prinziplösung des Produkts, die in der Regel funktions-

orientiert strukturiert ist. Ihre Module und Baugruppen spiegeln daher nicht die im

Montageprozess vorliegenden Baugruppen wider. Aus diesem Grund ist das Produkt

zunächst nach montageorientierten Gesichtspunkten zu strukturieren. Ausgehend von

den Partialmodellen Anforderungen (1), Wirkstruktur (2) und Gestalt (3) wird eine

montageorientierte Erzeugnisgliederung gebildet, welche den Ausgangspunkt für die

anschließende Spezifikation der Montageprozesse (4) darstellt. Der Montageprozess

bringt die Montageschritte in eine logische und zeitliche Reihenfolge und definiert die

zum Einsatz kommenden Montageverfahren. Weiterhin bildet er die Grundlage für die

Konzipierung der Fertigungsprozesse (vgl. [Nor12, S. 96ff.]). Auf Basis des Montage-

prozesses erfolgt die Konzipierung des Montagesystems, d. h. es werden die notwendi-

gen Ressourcen zur Ausführung der Montageprozesse ausgewählt (5) sowie deren Ge-

stalt und Anordnung festgelegt (6).

5.2 Lösungsansatz

Die entwickelte Systematik beruht auf der Verknüpfung von Produktkonzept und Pro-

duktionssystemkonzept über die Eigenschaften der Bauteilverbindungen, die sog. Ver-

bindungseigenschaften. Bild 5-2 zeigt die wesentlichen Entitätsmengen und ihre gegen-

seitigen Beziehungen.

Bild 5-2: Vereinfachte relationale Darstellung eines semantischen Informationsmo-

dells für die Konzipierung der Montage nach [GBK10, S. 348]

Die Aspekte bei der Konzipierung von Produkt und Produktionssystem sind durch Par-

tialmodelle beschrieben. Bei dem Produktkonzept sind dies Umfeld, Anwendungssze-

narien, Anforderungen, Funktionen, Wirkstruktur, Verhalten und Gestalt (vgl.

Kap. 2.6.1). Das Produktkonzept bildet die Grundlage der montageorientierten Er-

zeugnisgliederung, welche die gestaltbehafteten Systemelemente und ihre Aggregation

zu Montagegruppen und Vormontagegruppen beschreibt. Die notwendigen Informatio-

ggf. IT-Unterstützung

Beeinflussung durch

Produkteigenschaften

Restriktion

durch Montageverfahren

Produkt-

konzept

Verbindungs-

eigenschaften

montageorientierte

Erzeugnisgliederung

Montage-

verfahren

Wechselwirkungen

Produktions-

system-

konzept

Anforderungen

Prozesse

Ressourcen

Gestalt

Umfeld

Anwendungs-

szenarien

Anforderungen

Funktionen

Wirkstruktur

Verhalten

Gestalt

Legende

Beziehung

(i.d.R. m:n)

Entitätsmenge

Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage Seite 101

nen sind in den Partialmodellen Wirkstruktur und Gestalt enthalten. Bauzusammenhän-

ge zwischen den Systemelementen werden mittels Verbindungseigenschaften be-

schrieben, z. B. die Lösbarkeit der Verbindung oder die Art des Zusammenhalts. Das

Produktkonzept wird um diese Informationen ergänzt. Realisiert werden Bauteilverbin-

dungen bzw. der Verbindungseigenschaften über Montageverfahren, die im weiteren

Verlauf der Konzipierung detailliert und konkretisiert werden. Auf Grundlage der mon-

tageorientierten Erzeugnisgliederung und der Montageverfahren wird das Produktions-

systemkonzept erstellt, welches in den Partialmodellen Anforderungen, Prozesse, Res-

sourcen und Gestalt beschrieben wird (vgl. Kap. 2.6.1).

Dieser Lösungsansatz zeigt deutlich die Wechselwirkungen zwischen der Prinziplö-

sung des Produkts und dem Konzept des zugehörigen Produktionssystems. Die Prin-

ziplösung schränkt die möglichen Montageverfahren ein, bspw. über die Gestalt der

Bauteile (Zugänglichkeit der Fügestelle) und deren Materialpaarung. Andererseits fol-

gen aus den gewählten Montageverfahren Restriktionen an die Produktgestaltung, bspw.

erforderliche Materialstärken oder Greifflächen für Handhabungswerkzeuge.

5.3 Prinzipielles Vorgehen der Systematik

Das prinzipielle Vorgehen zur Konzipierung der Montage gliedert sich in fünf Haupt-

phasen: Konzipierung der Produktgestalt, Planen und Klären der Montageaufgabe,

montageorientierte Produktstrukturierung, Konzipierung des Montageprozesses und

Konzipierung des Montagesystems. Die Phasen ordnet sich entsprechend Bild 5-3 in das

Vorgehensmodell für die integrative Konzipierung von Produkt und Produktionssystem

ein (vgl. Kap. 2.6.2, Bild 2-19).

Konzipierung der Produktgestalt: Den Ausgangspunkt für die Montagekonzipierung

bildet die Produktgestalt. Im Partialmodell Gestalt wird die Geometrie der einzelnen

Bauteile spezifiziert und Bauteile werden zu Baugruppen zusammengefasst. Hierbei

sind die räumliche Anordnung sowie die Bauzusammenhänge festzulegen. Die Be-

schreibung der Produktgestalt erfolgt in Form von Handskizzen oder grob maßstäbli-

chen 2D-Zeichnungen. Da diese nicht maschineninterpretierbar sind, werden die Bauzu-

sammenhänge formalisiert und in der Wirkstruktur abgelegt. Abschließend werden die

Bauzusammenhänge konkretisiert, wobei Eigenschaften, wie der Verbindungstyp, die

Lösbarkeit der Verbindung oder die primäre Schlussart festzulegen sind. Die Bauzu-

sammenhänge und Verbindungseigenschaften bilden die Grundlage für die spätere mon-

tageorientierte Produktstrukturierung und die Identifikation geeigneter Montageverfah-

ren, insb. der Fügeverfahren.

Seite 102 Kapitel 5

Bild 5-3: Vorgehen zur Konzipierung der Montage und Einordnung in das Vorge-

hensmodell zur integrativen Konzipierung

Modul n

Modul 2

Modul 1

Integrative Konzipierung von Produkt und Produktionssystem

Dekomposition

Planen und Klären

der Aufgabe

Konzipierung auf

Modulebene

Wechsel-

wirkungen

Konzipierung auf

Systemebene Konzept-

integration

Planen und Klären

der Aufgabe

Konzipierung auf

Prozessebene

Konzipierung auf

Ressourcenebene

Legende

Produkt

PS: Produktions-

system

Phase

Phase Produktions-

system

Resultat

Integrative Konzipierung der Montage

montagespezifische

Anforderungsliste,

Montagemethode

Produktgestalt,

Bauzusammenhänge

Konzipierung der

Produktgestalt

Planen und

Klären der

Montageaufgabe

Montageablauf als

Prozesskette,

Gestaltungsrichtlinien

Montagezwangsfolgen,

montageorientierte

Erzeugnisgliederung

Montageorientierte

Produkt-

strukturierung

Konzipierung des

Montageprozesses

Konzept des

Montagesystems

(Ressourcen, Layout)

Konzipierung des

Montagesystems

Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage Seite 103

Planen und Klären der Montageaufgabe: In dieser Phase werden die Anforderungen

an das zu entwickelnde Montagekonzept aufgestellt. Zunächst erfolgt die Analyse der

Produktanforderungen. Hierbei wird die Anforderungsliste auf die montagerelevanten

Anforderungen reduziert, bspw. Angaben zu den erwarteten Stück- und Variantenzah-

len. Das Resultat ist eine montagespezifische Anforderungsliste. Anschließend werden

Anforderungen an die Montage aus weiteren Unternehmensbereichen ergänzt (z. B. aus

der strategischen Produktionsplanung). Weiterhin hat der Automatisierungsgrad des

Montagesystems einen großen Einfluss auf das Montagekonzept und die Produktgestal-

tung, weshalb bereits auf Grundlage der Anforderungen eine erste Festlegung der

grundlegenden Montagemethode erfolgt (z. B. manuelle-, hybride- oder automatisierte-

Montage). Die Grundlage hierfür bilden Stückzahlabschätzungen sowie die zu erwar-

tende Produktkomplexität.

Montageorientierte Produktstrukturierung: Das Ziel dieser Phase ist eine montage-

orientierte Erzeugnisgliederung. Sie beschreibt die Aggregation der Bauteile zu Monta-

gegruppen und Vormontagegruppen, die im Verlauf der Montage gebildet werden. In

der Regel stimmen diese nicht mit den funktionsorientiert gebildeten Baugruppen des

Produktkonzepts überein. Zunächst werden in enger Abstimmung mit der Produktent-

wicklung Montagezwangsfolgen identifiziert. Dies sind Restriktionen in der Reihenfol-

ge der Montageschritte der Bauteile. Auf Grundlage der Flussbeziehungen und der Bau-

zusammenhänge erfolgt die montageorientierte Produktstrukturierung, in dessen Rah-

men die Bauteile zu Montagegruppen zusammengefasst werden. Abschließend folgt die

Überführung der Montagegruppen in eine montageorientierte Erzeugnisgliederung.

Konzipierung des Montageprozesses: Das Ziel ist eine erste Montageablaufstruktur in

Form einer Prozesskette, welche die durchzuführenden Montageschritte spezifiziert und

sie in eine zeitliche und logische Reihenfolge bringt. Sie wird auf Grundlage der mon-

tageorientierten Erzeugnisgliederung abgeleitet. Sind Teile des Montageprozesses im

Unternehmen bekannt, wird die Prozesskette entsprechend ergänzt. Dies kann bei der

Wiederverwendung von Baugruppen der Fall sein, die bereits im Unternehmen montiert

werden. Anschließend erfolgt eine Hierarchisierung und Detaillierung der Montage-

schritte. Dabei werden die Montageschritte in Teilschritte unterteilt und in eine Reihen-

folge gebracht. Auf Grundlage der spezifizierten Eigenschaften der Bauteilverbindun-

gen werden geeignete Montageverfahren identifiziert. Da meist mehrere Verfahren zur

Verfügung stehen, ergeben sich alternative Prozessketten. Bei Bedarf kann der Lö-

sungsraum durch eine Bewertung und Auswahl der Prozessketten eingeschränkt wer-

den. Die Auswahl der Montageverfahren hat einen großen Einfluss auf die Produktge-

staltung sowie die Werkstoffwahl. Über Gestaltungsrichtlinien fließen die montagetech-

nischen Restriktionen in den weiteren Verlauf der Produktentwicklung ein.

Konzipierung des Montagesystems: In dieser Phase wird das Montagesystem konzi-

piert, d. h. die benötigten Ressourcen werden ausgewählt sowie deren Anordnung fest-

gelegt. Das ist bereits in der frühen Phase erforderlich, da die spezifizierte Prozesskette

auf Ebene der Montageverfahren zwar Aussagen zur Wechselwirkungen zwischen Pro-

Seite 104 Kapitel 5

dukt und Montage zulässt, detaillierte Analysen wie Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen

allerdings nur sehr eingeschränkt möglich sind und einer großen Unsicherheit unterlie-

gen. Beispielsweise lässt sich das Laufrad eines Fahrrads manuell an einem Handar-

beitsplatz oder in einer vollautomatisierten Montagezelle einspeichen. Die beiden Res-

sourcen unterscheiden sich maßgeblich in Eigenschaften wie den Investitionskosten

oder der Ausbringungsmenge. Hinreichend genaue Analysen sind daher nur auf Basis

von Ressourcen durchführbar. Aus diesem Grund werden für die Prozessschritte geeig-

nete Ressourcen identifiziert. In Abhängigkeit der Verfügbarkeit der einzelnen Ressour-

cen sowie der Anforderungen an das Montagesystem werden Ressourcenkombinationen

ausgewählt und zu einer Ressourcenfolge verknüpft. Anschließend wird die räumliche

Anordnung der Ressourcen festgelegt und ein Layout des Montagesystems erzeugt. Die

Ressourcenfolge und das Layout bilden den Ausgangspunkt für die weitere Konkretisie-

rung im Rahmen der Arbeitsstätten-, Materialfluss- und Arbeitsmittelplanung.

Detaillierung im iterativen Vorgehen: Bei dem beschriebenen Vorgehen handelt es

sich um einen iterativen Prozess, auch wenn es in Bild 5-3 als stringente Folge von Ar-

beitsschritten dargestellt ist. Die Arbeitsschritte werden z. T. parallel und in enger Ab-

stimmung mehrfach durchlaufen. Hierbei wird der Konkretisierungsgrad des Montage-

konzepts kontinuierlich erhöht. Es kann dabei durchaus zu einem inhomogenen Konkre-

tisierungsgrad innerhalb des Montagekonzepts kommen. Beispielsweise sind für man-

che Prozessschritte die Montageverfahren und konkreten Ressourcen festgelegt, da die

Prozessfolge im Unternehmen bereits bekannt ist. Andere Teilbereiche sind hingegen

lediglich grob auf Funktions- oder Verfahrensebene beschrieben und müssen noch kon-

zipiert werden. Die Anzahl der erforderlichen Iterationsschleifen und die spezifische

Reihenfolge, in der die Schritte durchlaufen werden, ist von der Produktkomplexität,

der Arbeitsweise und Kompetenz der beteiligten Fachleute sowie weiteren Faktoren

abhängig (z. B. Organisationsform im Unternehmen).

5.4 Bestandteile der Systematik

Die entwickelte Systematik dient als Rahmenwerk für das Vorgehen der Fachleute und

stellt die benötigten Methoden und Werkzeuge zur Verfügung. Das Ziel ist nicht die

Automatisierung der Montagekonzipierung. Die kreative Leistung der Fachleute wird

unterstützt, kann und soll jedoch nicht ersetzt werden.

Ein Vorgehensmodell und dedizierte Hilfsmittel bilden die Bestandteile der Systematik.

Das Vorgehensmodell beschreibt und strukturiert die durchzuführenden Tätigkeiten.

Eine Spezifikationstechnik ermöglicht die fachdisziplinübergreifende Beschreibung des

Produkt- und Produktionssystemkonzepts. Methoden und entsprechende Werkzeuge

dienen als Hilfsmittel zur Lösung von Teilaufgaben im Rahmen der Montagekonzipie-

rung. In Bild 5-4 sind die Bestandteile und ihr grundsätzliches Zusammenwirken darge-

stellt.

Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage Seite 105

Bild 5-4: Bestandteile der Systematik

5.4.1 Vorgehensmodell

Das Vorgehensmodell dient als Leitfaden für die beteiligten Fachleute und beschreibt

das Vorgehen bei der Montagekonzipierung. Hierfür detailliert es das prinzipielle Vor-

gehen aus Bild 5-3. Die Tätigkeiten der einzelnen Arbeitsschritte werden beschrieben

sowie Methoden und Werkzeuge zur Lösung der Teilaufgaben zugewiesen. Für eine

bessere Übersichtlichkeit und Nachvollziehbarkeit ist das Vorgehen als sequentielle

Folge von Arbeitsschritten in Form von Phasen-Meilenstein-Diagrammen dargestellt.

5.4.2 Spezifikationstechnik

Die Prinziplösung eines mechatronischen Systems bildet die Grundlage für die Kom-

munikation der an der Entwicklung beteiligten Fachleute und fördert ein einheitliches

Verständnis. Für die fachdisziplinübergreifende Beschreibung der Prinziplösung mecha-

tronischer Systeme und der zugehörigen Produktionssysteme wurde die Spezifikations-

technik CONSENS entwickelt (vgl. Kap. 2.6.1). Diese wird durch das Modellierungs-

werkzeug Mechatronic Modeller softwaretechnisch umgesetzt.

Im Rahmen dieser Arbeit kommt die Spezifikationstechnik CONSENS zum Einsatz.

Die Partialmodelle werden erweitert, um alle für die Konzipierung der Montage benö-

tigten Informationen abzubilden. Das Montagekonzept ist Teil des Produktionssystem-

konzepts. Es umfasst die Montageanforderungen, eine Montageablaufstruktur sowie

eine Beschreibung des Montagesystems. Die Aspekte gliedern sich in die Partialmodelle

Konzipierung der

Produktgestalt

Planen und

Klären der

Montageaufgabe

Montageorientierte

Produkt-

strukturierung

Konzipierung des

Montageprozesses

Konzipierung des

Montagesystems

Gabelschaft Motor Drehimpuls-

geber

Dreimpuls-

geber

einpressen

Lagersitz Gabelschaft

und Lagersitz

verschweißen

Motor

montieren

(Schrauben)

MP Antrieb

(680)

WIG-Arbeitsplatz

(340)

Vorgehensmodell

Beschreibung der Vorgehensweise

und Steuerung des Einsatzes von

Methoden und Werkzeugen.

Methoden und Werkzeuge

Für die Lösung von Teilaufgaben,

z.B. für die Produktstrukturierung

oder die Verfahrensauswahl.

Spezifikationstechnik

Beschreibung der Produktgestalt und

Produktstruktur sowie der Montage-

prozesse und des Montagesystems.

Seite 106 Kapitel 5

des Produktionssystemkonzepts nach GAUSEMEIER ET AL. ein (vgl. [GBR10, S. 715ff.],

[GBD+12, S. 100f.], [NBG13, S. 619f.]).

Bild 5-5: Das Montagekonzept als Teil der Partialmodelle zur Beschreibung des Pro-

duktionssystemkonzepts nach GAUSEMEIER ET AL. nach [GBR10, S. 716]

Die Montageanforderungen bilden eine Teilmenge der Fertigungsanforderungen und

werden im gleichnamigen Partialmodell abgebildet. Die Montageablaufstruktur ist ein

Teil des Arbeitsablaufs zur Herstellung des Produkts. Sie wird zusammen mit den Ferti-

gungsprozessen im Partialmodell Prozesse beschrieben. Die Spezifikation des Monta-

gesystems erfolgt zweigeteilt. Im Partialmodell Ressourcen werden die ausgewählten

Betriebsmittel charakterisiert und ihre materialflusstechnische Verkettung abgebildet.

Informationen zur räumlichen Anordnung und zur Geometrie der Ressourcen (z. B.

Raumbedarf, Layout) sind Teil des Partialmodells Gestalt.

5.4.3 Methoden

Im Verlauf der integrativen Konzipierung der Montage sind von den beteiligten Fach-

leuten eine Reihe von Teilaufgaben zu lösen. Im Wesentlichen sind dies:

• Die montageorientierte Strukturierung des herzustellenden Produkts.

• Die Ableitung einer montageorientierten Erzeugnisgliederung.

• Die Spezifikation von Verbindungseigenschaften.

• Die Auswahl geeigneter Montageverfahren.

• Die Erstellung einer Montageablaufstruktur in Form einer Prozesskette.

• Die Auswahl der benötigten Ressourcen zur Realisierung des Montageablaufs.

System kohärenter

Partialmodelle

Fertigungsanforderungen

Geometrie

2.1 Länge l : 6600 mm

ges

2.2 Breite b : 2420 mm

ges

2.3 Höhe h : 2855 mm

ges

3.1 Automatisierungsgrad > 60 %

Fertigung

Vollständiges Konzept des Produktionssystems

Gestalt (Produktionssystem)

Prozesse

Kunsstoffgranulat

Blech Bodenplatte

herstellen Bodenplatte

Spritzgießen Gehäuse

Gehäusemodul

montieren

Gehäuse-

modul

Ressourcen

Spritzgieß-

werkzeug

Spritzgieß-

maschine Montage-

arbeitsplatz

Schlagschere

Montageanforderun-

gen bilden eine Teil-

menge der Fertigungs-

anforderungen.

Die Montageablauf-

struktur bildet mit den

Fertigungsprozessen

die Prozesskette zur

Herstellung des Pro-

dukts.

Die Betriebsmittel des

Montagesystems

werden im Partial-

modell Ressourcen

spezifiziert.

Die räumliche Anord-

nung der Betriebsmittel

des Montagesystems

ist Teil der Gestalt des

Produktionssystems.

Systematik zur integrativen Konzipierung der Montage Seite 107

Heute existiert bereits eine Vielzahl von Methoden, die spezifische Lösungen für die

Teilaufgaben bereitstellen. Im Rahmen der Analyse des Stands der Technik wurden

mögliche Methoden identifiziert und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet (vgl.

Kap. 3.7). Eine Integration in eine übergreifende Systematik für die integrative Monta-

gekonzipierung ist bisher nicht erfolgt.

Die entwickelte Systematik stellt den Planern und Entwicklern die benötigten Methoden

bedarfsgerecht zur Verfügung, indem sie den einzelnen Arbeitsschritten im Vorgehens-

modell geeignete Methoden zur Lösung der jeweiligen Teilaufgabe zuordnet. Es wird

hierbei auf etablierte Methoden zurückgegriffen. Ist dies nicht möglich, werden beste-

hende Methoden adaptiert und auf die Erfordernisse des jeweiligen Anwendungsfalls

angepasst. In Kapitel 6 werden die Methoden anhand des Anwendungsbeispiels Pedelec

detailliert beschrieben.

Seite 108 Kapitel 6

6 Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage

In diesem Kapitel wird die entwickelte Systematik am Anwendungsbeispiel Pedelec

vorgestellt. Der Aufbau des Kapitels orientiert sich am Vorgehen der Systematik (Bild

5-3). Im Rahmen der zugehörigen Arbeitsschritte wird der Einsatz der Spezifikations-

technik und der Methoden erläutert. Abschließend erfolgt die Bewertung der entwickel-

ten Systematik gegen die gestellten Anforderungen aus Kapitel 2.8.

6.1 Konzipieren der Produktgestalt

Die Konzipierung der Produktgestalt erfolgt parallel zur Konzipierung der Wirkstruktur

und des Verhaltens (vgl. Kap. 2.6.2, siehe Anhang Bild A-2). Das Ziel sind die Pro-

duktgestalt und die baulichen Zusammenhänge. Das Vorgehen gliedert sich in vier

Schritte. Zunächst wird die Gestalt der Systembestandteile spezifiziert und deren räum-

liche Anordnung festgelegt. Anschließend werden montagerelevante Flussbeziehungen

in der Wirkstruktur identifiziert sowie Bauzusammenhänge zwischen den Systembe-

standteilen formalisiert und konkretisiert. Das Vorgehen ist in Bild 6-1 dargestellt.

Bild 6-1: Vorgehen bei der Konzipierung der Produktgestalt

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 109

6.1.1 Spezifikation der Produktgestalt

Bereits in der Konzipierung werden erste Festlegungen zur Gestalt des Produkts getrof-

fen [Fra06, S. 115f.]. Parallel zur Erstellung der Wirkstruktur erfolgen die Beschreibung

der Geometrie gestaltbehafteter Systemelemente und die Positionierung dieser Elemente

im Raum. Es entsteht eine erste Baustruktur [GFR+05, S. 35]. Gestaltbehaftete System-

elemente sind physisch vorhandene Elemente. Hierbei kann es sich um Bauteile und

Baugruppen handeln. Beispiele für Systemelemente ohne Gestalt sind Komponenten der

Software- und Regelungstechnik oder noch nicht weiter detaillierten Funktionsmodule.

In der Konzipierung ist für die Beschreibung der Gestalt die Spezifikationen von vier

Aspekten erforderlich. Dies sind die Geometrie und räumliche Anordnung der System-

bestandteile sowie ihre Aggregationsbeziehungen und Bauzusammenhänge:

• Bei der Geometrie der Systemelemente liegt der Fokus in der Konzipierung auf der

Makrogeometrie, d. h. der Form und der Größe. Die Mikrogeometrie (Oberflächen-

eigenschaften) wird meist noch nicht definiert.

• Die räumliche Anordnung beschreibt die Positionierung der Systembestandteile

zueinander bzw. im Raum.

• Aggregationsbeziehungen beschreiben die Zusammenfassung von Systembestand-

teilen zu Gruppen höherer Ordnung. Die Aggregation kann nach verschiedenen Ge-

sichtspunkten erfolgen, bspw. funktional oder montageorientiert.

• Als Bauzusammenhänge werden die Verbindungen zwischen Systembestandteilen

bezeichnet. Beispiele sind Fügestellen oder Kontaktpunkte.

Die Beschreibung der Gestalt erfolgt im gleichnamigen Partialmodell (vgl. Kap. 2.6.1

und [Fra06, S. 115f.]). Das Partialmodell Gestalt impliziert somit die Baustruktur1. Den

Ausgangspunkt für die Gestaltbeschreibung bildet die erste Wirkstruktur. Der Verweis

auf die Gestalt eines Systemelements wird durch ein Piktogramm im entsprechenden

Systemelement gekennzeichnet [Fra06, S. 98]. Bild 6-2 zeigt die Zusammenhänge zwi-

schen den Partialmodellen Wirkstruktur und Gestalt.

1 Die Baustruktur beschreibt die räumliche Anordnung der physischen Systembestandteile sowie ihre

Aggregation zu Baugruppen [GRS09, S. 173]. Die Entitäten der Baustruktur sind Bauteile, Baugrup-

pen sowie ihre Bauzusammenhänge (vgl. [FGK+04, S. 56]).

Seite 110 Kapitel 6

Bild 6-2: Zusammenhang zwischen den Partialmodellen Wirkstruktur und Gestalt

(Flussbeziehungen sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt)

Gestaltbehaftete Systemelemente auf der niedrigsten Hierarchieebene der Wirkstruktur,

sogenannte Blätter2, werden im Folgenden als Bauteile bezeichnet (vgl. [FGK+04,

S. 56]). Es muss sich hierbei nicht um Einzelteile3 handeln. Bauteile können auch aus

mehreren Einzelteilen bestehen, die in der aktuellen Phase des Entwicklungsprozesses

als Einheit betrachtet werden. Ein Beispiel ist der Motor. Dieser wird als Zukaufteil

bezogen und in der Konzipierung als zusammenhängendes Bauteil betrachtet. Die Be-

schreibung der Gestalt eines Bauteils umfasst Angaben zur Geometrie und zum Werk-

stoff. Weiterhin werden die Wirkflächen des Bauteils spezifiziert. Die Bauteilgestalt

entspricht den Part-Modellen4 in gängigen 3D-CAD-Programmen.

Als Baugruppen werden gestaltbehaftete Systemelemente bezeichnet, die sich aus

mehreren Systemelementen einer niedrigeren Hierarchieebene zusammensetzen. Sie

bilden Knoten in der Hierarchie der Wirkstruktur. Die Bestandteile einer Baugruppe

bilden nicht zwangsläufig eine Montageeinheit. Es kann sich auch um Gruppen handeln,

die bspw. unter funktionsorientierten, baukastenorientierten oder ersatzteilorientierten

2 In der Graphentheorie werden bei gerichteten Bäumen die Knoten der untersten Hierarchieebene als

Blätter bezeichnet. Der zentrale Knoten des Graphens bildet die Wurzel [Die06, S. 15].

3 Als Einzelteil wird ein geometrisch bestimmter Körper bezeichnet, der sich nicht zerstörungsfrei tren-

nen lässt [Ref93b, S. 68].

4 Als Part werden 3D-Elemente auf Bauteilebene bezeichnet [Bra05, S. 533].

Gesamtsystem

Hierarchieebene

Baugruppe

Bauteil

Pedelec

(Ausschnitt)

Steuerprogramm

Akku

Rad vorne

Gestalt Pedelec

Gestalt Rad vorne

Nabenmotor

Felge

Rad vorne

(Ausschnitt)

Speichen

Gestalt Nabenmotor

Legende

Verweis auf Gestalt Verweis auf AggregationSystemelement

Wirkstruktur Gestalt

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 111

Gesichtspunkten gebildet wurden [Gai81, S. 22]. Das Gestaltmodell einer Baugruppe

beschreibt die Bauzusammenhänge und die räumliche Anordnung der enthaltenen Ele-

mente. Die Geometrie der Baugruppe ergibt sich aus der Summe der enthaltenen Ein-

zelgestalten. Diese kann als Hüllvolumen beschrieben werden und folgt dem Konzept

der Bauräume5. In gängigen 3D-CAD-Systemen entsprechen Baugruppen den As-

sembly-Modellen6.

Das Gesamtsystem ist das zu entwickelnde Produkt. Es bildet in der Hierarchie der

Wirkstruktur die Wurzel. Die Gestalt des Gesamtsystems ergibt sich analog zu der Ge-

stalt einer Baugruppe als die Summe der Gestaltmodelle der enthaltenen Elemente.

Bauliche Verbindungen, sog. Bauzusammenhänge, können nur zwischen Bauteilen

bestehen. Verbindungen zu Baugruppen müssen immer auf ein Bauteil innerhalb der

Baugruppe referenzieren. Direkte Verbindungen zu Baugruppen sind nicht möglich, da

diese lediglich eine Gruppierung und kein physisches Teil darstellen. Bauzusammen-

hänge werden durch Verbindungseigenschaften konkretisiert (z. B. Lösbarkeit der Ver-

bindung oder Art des Zusammenhalts).

In der Konzipierung erfolgt im Zuge der Detaillierung und Konkretisierung häufig eine

Dekomposition von Systemelementen. Hierbei werden die Bestandteile eines System-

elements spezifiziert. In der Hierarchie der Wirkstruktur wird das Systemelement somit

von einem Bauteil (Blatt) zu einer Baugruppe (Knoten). Wurde die Geometrie des Bau-

teils bereits spezifiziert, beschreibt diese das Hüllvolumen der Baugruppe und kenn-

zeichnet somit den zur Verfügung stehenden Bauraum für die Bauteile. Bestehende

Bauzusammenhänge sind zu konkretisieren und auf die neuen Bestandteile der Bau-

gruppe zu referenzieren.

Die Modellierung der Gestalt kann in Form von Handskizzen, 2D-Skizzen mit ge-

bräuchlichen COTS7-Modellierungswerkzeugen (z. B. Microsoft Visio, Power Point)

oder 3D-CAD-Systemen erfolgen. CAD-Systeme fordern bei der Modellierung sofort

ein hohes Maß an genauer Gestaltfestlegung. Sie sind daher für die frühe Phase nur ein-

geschränkt geeignet [VDI2223, S. 22f.]. Die 3D-Modellierung sollte erst mit dem Über-

gang von der Konzept- in die Entwurfsphase beginnen [VDI2209, S. 3]. In der Konzi-

pierung sind Handskizzen und 2D-Skizzen die bevorzugten Mittel zur Beschreibung der

5 Als Bauraum wird ein begrenzter Raum bezeichnet, in den ein Bauteil bzw. mehrere Bauteile einzu-

passen sind. Das Konzept der Bauräume wird insb. bei komplexen Produkten mit einer (zeit)parallelen

Bauteilgestaltung eingesetzt [VWB+09, S. 210].

6 Als Assembly werden Baugruppen aus mehreren Bauteilen (Parts) und/oder weiteren Baugruppen

bezeichnet. Im Assembly-Modell werden die Bestandteile positioniert. Dies erfolgt über die Ausrich-

tung der lokalen Koordinatensysteme oder über die Definition von Lagebedingungen, sogenannten

Constraints [Bra05, S. 448].

7 COTS (Commercial of the Shelf): In Serie gefertigte Elektronik- oder Softwareprodukte ohne kunden-

spezifische Anpassungen. Ein Beispiel ist Standardsoftware, wie die Microsoft Office Produkte.

Seite 112 Kapitel 6

Gestalt [Sed10, S. 74], [PL11, S. 144], [Eng12, S. 195]. Im Verlauf der Entwicklung

können die Handskizzen zu 3D-CAD-Modellen konkretisiert werden.

Der im Rahmen dieser Arbeit verwendete Ansatz orientiert sich an dem Contact and

Channel Model (vgl. Kap. 3.2.3). Die Beschreibung der Gestalt erfolgt primär in Form

von Handskizzen sowie maßstäblicher 2D-Skizzen. Für die Erstellung der 2D-Skizzen

kommen gängige Visualisierungsprogramme zum Einsatz (z. B. Microsoft Visio).

Der Ansatz wird im Folgenden am Beispiel der frühzeitigen Gestaltung von Bauteilen

und Baugruppen beschrieben. Zunächst wird die Spezifikation der Gestalt einzelner

Bauteile erläutert. Anschließend folgt die Modellierung der Aggregation von Bauteilen

zu Baugruppen bzw. dem Gesamtsystem. Die beiden Schritte sind nicht trennscharf und

von einer Vielzahl an Iterationen geprägt. Bei der Gestaltung der Baugruppen, d. h. bei

der Festlegung der räumlichen Anordnung und der Spezifikation der baulichen Zusam-

menhänge, kommt es in der Regel zu einer Anpassung der Gestalt einzelner Bauteile.

Häufig ist es sinnvoll, die Gestalt einzelner Bauteile direkt im Kontext der übergeordne-

ten Baugruppe zu konzipieren.

6.1.1.1 Gestaltung von Bauteilen

Im Folgenden wird die Beschreibung der Gestalt am Beispiel des Systemelements

Rahmen mittels 2D-Skizzen gezeigt (Bild 6-3). Hierbei gibt es zwei Gestaltungselemen-

te: Wirkflächen und Leitstützstrukturen (vgl. Kap. 3.2.3).

Bild 6-3: Gestalt des Systemelements Rahmen als 2D-Skizze

Die Wirkflächen des Rahmens sind bereits festgelegt. Dies sind die Aufnahmen für den

Sattel und die Gabel sowie das Hinterrad und die Pedaleinheit. Für die Anbindung des

Akkus gibt es zwei alternative Positionen. Der Akku kann sowohl am Sitzrohr als auch

am Unterrohr befestigt werden. Die Leitstützstruktur bildet das eigentliche Bauteil

Rahmen und verbindet die Wirkflächen miteinander. Im gezeigten Beispiel sind erst die

Auswirkungen durch

Geometrieanpassungen

Langer Radstand

+ Geradeauslaufverhalten

- Wendigkeit

Kurzer Hinterbau

+ Wendigkeit, Traktion

am Hinterrad

- Erhöhung der Flatter-

gefahr durch Entlastung

des Vorderrads

Steiler Steuerrohrwinkel

+ Wendigkeit

- Geradeauslaufverhalten

Sattelrohr-

winkel

Sattel

Rad

hinten

Pedaleinheit

Gabel

Akku

(alternative

Positionen)

Radstand

Steuerrohr-

winkel

Legende

WirkflächeLeitstützstruktur

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 113

Rahmenform (Diamantrahmen) und die grundsätzlichen Abmessungen festgelegt. Diese

haben einen großen Einfluss auf das spätere Fahrverhalten des Pedelecs. Zum Beispiel

bestimmen der Radstand und der Vorlauf das Fahrverhalten bzgl. Geradeauslauf und

Kurvenfahrt sowie die erforderlichen Lenkkräfte.

Handelt es sich bei Systemelementen um bereits etablierte Lösungen (Lösungselemen-

te), können bestehende Modelle direkt übernommen werden. Beispiele sind Zukauf-

und Normteile oder in vorangegangenen Projekten entwickelte Bauteile und Baugrup-

pen. Für diese liegen in der Regel detaillierte Gestaltinformationen vor, z. B. in Form

von 3D-CAD-Modellen, Fertigungszeichnungen oder Abmessungen aus Katalogen. Im

Fall des Anwendungsbeispiels Pedelec könnte ein Nabenmotor zugekauft werden. Für

das Kaufteil liegen die Geometriedaten vor (Bild 6-4 links).

Bild 6-4: Modell eines Kaufteils und abstrahiertes Ersatzmodell der Konzipierung8

In der Konzipierung wird dieser Detaillierungsgrad jedoch nicht benötigt. Daher kann

ein Ersatzmodell des Nabenmotors verwendet werden (Bild 6-4 rechts). Dieses enthält

die relevanten Abmessungen und die Beschreibung der Wirkflächen des Bauteils. Im

Fall des Nabenmotors sind Durchmesser, Breite und Masse spezifiziert. Die Welle und

die Anbindung der Speichen und der Bremsscheibe sind als Wirkflächen des Bauteils

festgelegt.

6.1.1.2 Gestaltung von Baugruppen

Das Ziel dieser Phase ist die Gestalt der Baugruppen. Das Vorgehen gilt gleichermaßen

für die Gestaltung des Gesamtsystems. Die Gestalt einer Baugruppe ergibt sich aus der

Kombination aller enthaltenen Bauteile indem die Gestaltmodelle der enthaltenen Bau-

8 Technische Zeichnung links nach [AG13-ol].

8,0

9,5

Ø143,0

Ø129,0

Ø143,0

Bremsscheibe

Ø160,0

6-Loch IS2000

43,5

WF Speichen

Ø129,0

WF Brems-

scheibe

IS2000

WF Rahmen

1,5

3,7

8,0

46,5

78,0 78,0

100,0

158,0 158,0

Masse: 2,8 kg

Legende

WirkflächeWF

Wirkfläche

Detailliertes Gestaltmodell

des Bauteilherstellers

Abstrahiertes Gestaltmodell

für die Konzipierung

Seite 114 Kapitel 6

teile in einer Skizze der Baugruppe zusammengeführt werden. Dabei sind ihre räumli-

che Anordnung und somit ihre Position zueinander festzulegen. Der Kontakt zweier

Bauteile erfolgt immer über zwei Wirkflächen, die ein Wirkflächenpaar bilden. Ergeben

sich neue Kontaktstellen zwischen Bauteilen bzw. ändern sich bestehende Kontaktstel-

len sind die Gestaltmodelle der entsprechenden Bauteile anzupassen. Liegt für ein Bau-

teil noch kein Gestaltmodell vor, kann dieses im Kontext der Baugruppe erstellt werden.

Hierfür werden die Wirkflächen des Bauteils spezifiziert und eine grobe Leitstützstruk-

tur festgelegt. Somit wird der Bauraum definiert, in dem das Bauteil im weiteren Ver-

lauf ausgestaltet wird. Bild 6-5 zeigt die Gestalt des Gesamtsystems Pedelec.

Bild 6-5: Gestalt des Gesamtsystems Pedelec

Im vorliegenden Entwicklungsstadium sind noch nicht für alle Systemelemente Ge-

staltmodelle festgelegt. Das zentrale Element bildet der Rahmen. Entsprechend der

Wirkflächen ist er mit dem Rad hinten, der Gabel, dem Sattel der Tretkurbelwelle und

dem Akku verbunden. Die Gestalt des Akkus ist noch nicht definiert. Die erforderliche

Größe ergibt sich auf Grundlage der Leistungsdichte der Akkutechnologie und der ge-

forderten Reichweite des Pedelecs. Sie wurde in der Konzipierung mit 1.700 ccm fest-

gesetzt. Im Rahmen des Gesamtsystems wird der verfügbare Bauraum (Länge – Breite –

Höhe) für den Akku festgelegt.

6.1.2 Analyse der Wirkstruktur

Die Wirkstruktur bildet das zentrale Element der Prinziplösung eines mechatronischen

Systems. Das System wird in Form von Systemelementen modelliert. Stoff-, Energie-

und Informationsflüsse spezifizieren die Beziehungen zwischen den Elementen (vgl.

Sattel

Motor

Akku-

verkleidung

Steuerungs-

einheit &

Leistungs-

elektronik

Akku

HMI

Getriebe

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 115

Kap. 2.6.1). Die Wirkstruktur enthält eine Vielzahl an Informationen, die für die monta-

georientierte Produktstrukturierung von Relevanz sind.

Montagerelevante Informationen ergeben sich aus den Energie- und Stoffflüssen. Zum

Beispiel lässt die Übertragung von mechanischen Kräften und Momenten auf eine er-

forderliche Verbindung zwischen den Bauteilen schließen. Es ist zu überprüfen, ob die-

se Verbindungen im Partialmodell Gestalt spezifiziert sind. Aus der Übertragung von

elektrischer Energie (z. B. Versorgungsenergie) kann auf eine notwendige Verkabelung

geschlossen werden. Stoffflüsse geben Hinweise auf Führungssysteme, bspw. Kraftstof-

fleitungen. Aus den Eigenschaften der Flussbeziehungen resultieren Anforderungen an

die Bauteilverbindungen. Beispiele sind zu übertragende Kräfte, Stoßbelastungen, zu

realisierende elektrische Ströme oder die Dichtheit von Verbindungen. Bild 6-6 zeigt

einen Ausschnitt der Wirkstruktur des Pedelec. Diese Sicht der Wirkstruktur ist auf die

gestaltbehafteten Systemelemente reduziert.

Bild 6-6: Identifikation montagerelevanter Informationen in der Wirkstruktur des

Pedelecs (Ausschnitt)

Im Anwendungsbeispiel Pedelec werden Kräfte und Momente zwischen den Antriebs-

komponenten übertragen, bspw. von der Pedaleinheit über das Getriebe zum Rad hin-

ten. Der Austausch von elektrischer Energie erfolgt bspw. zwischen dem Akku, der

Steuerungseinheit und der Leistungselektronik. Im Mechatronic Modeller können Sich-

ten auf die montagerelevanten Informationen gebildet werden (siehe Anhang Bild A-

14). Hierzu sind bei der Erstellung der Wirkstruktur die Flussbeziehungen zu klassifi-

zieren. Die im Kontext der Montagekonzipierung relevanten Verbindungstypen sind

Kraft, Moment und Versorgungsenergie (vgl. [GBD+12, S. 119]).

Pedelec (Ausschnitt)

Motor

Rahmen

Steuerungs-

einheit

Akku

Pedaleinheit

Rad hinten

Getriebe

Leistungs-

elektronik

Drehfrequenz-

sensor

Drehmoment-

sensor

Legende

Messpunkt Logische GruppeEnergiefluss Informationsfluss

Systemelement Verweis auf Gestalt Verweis auf Aggregation

Rekuperation

Versorgung

U (AC)

Motor

Stütz

Trittfrequenz f

tritt

Trittmoment M

tritt

Stütz

SoC / SoH

Rekuperation

Versorgung

Stütz

Getriebemoment

Trittmoment

Stütz

Übertragung von

elektr. Energie

Übertragung von

Antriebsmomenten

Leiten von

Stützkräften

Seite 116 Kapitel 6

6.1.3 Formalisierung der Bauzusammenhänge

Bei dem vorgestellten Ansatz der Gestaltmodellierung handelt es sich um eine semifor-

male Spezifikation. Über die 2D-Skizzen mit definierten Wirkflächen und Leitstütz-

strukturen erhalten die beteiligten Fachleute schnell ein umfassendes Verständnis über

die Gestalt des zu entwickelnden Systems und die baulichen Zusammenhänge. Die

komplexen Zusammenhänge zwischen der Gestalt und der Wirkungsweise des Systems

können so schnell und einfach vermittelt werden [GEK01, S. 307].

Der Nachteil einer solchen Beschreibung liegt in der fehlenden IT-technischen Lesbar-

keit9. Die Informationen aus dem Gestaltmodell können nicht automatisiert ausgelesen

und weiterverarbeitet werden. Demgegenüber werden die mit dem Mechatronic Model-

ler erstellten Konzepte rechnerintern als zusammenhängendes formales Datenmodell

abgebildet. Diese ermöglicht die Sicherstellung syntaktisch korrekter Modelle und die

werkzeugtechnische Unterstützung der Entwicklungsaktivitäten [GBD+12, S. 107f.].

Für eine maschinenlesbare Abbildung der Bauzusammenhänge ist die formale Be-

schreibung der Bauteilverbindungen erforderlich. Jedes Wirkflächenpaar entspricht ei-

ner Verbindung oder einem Kontakt zwischen zwei Bauteilen und stellt somit einen

Bauzusammenhang dar (vgl. [VDI2232, S. 4]). Die rechnerinterne Abbildung der Bau-

zusammenhänge erfolgt im Partialmodell Wirkstruktur über gleichnamige Flussbezie-

hungen. Bild 6-7 zeigt eine gestaltorientierte Sicht auf die Wirkstruktur, wobei nur die

gestaltbehafteten Systemelemente und ihre Bauzusammenhänge dargestellt sind.

Bild 6-7: Gestaltorientierte Sicht auf die Wirkstruktur des Pedelecs (Ausschnitt)

9 Wird die Gestalt von Beginn an mit Hilfe von 3D-CAD- und PDM-Systemen erstellt, ist die Formali-

sierung nicht erforderlich und der Schritt wird übersprungen.

HMI

Gabel

Pedelec (Ausschnitt)

Lichtsensor

Scheinwerfer

Rücklicht

Beleuchtungsanlage Getriebe

Pedaleinheit

Steuerungs-

einheit

Akku

Zahnradscheibe-

vorne Zahnriemen

Leistungs-

elektronik Rahmen

Drehmome

sensor

Legende

Verweis auf Gestalt Verweis auf AggregationBauzusammenhang Logische GruppeSystemelement

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 117

Im gezeigte Beispiel wird deutlich, dass die Wirkstruktur in der Regel nach funktiona-

len Gesichtspunkten hierarchisiert ist. Die Systemelemente sind entsprechend ihrer

Funktionen in Baugruppen strukturiert. Diese entsprechen nicht den späteren Baugrup-

pen im Montageprozess. Teilweise besitzen die Bauteile innerhalb einer Baugruppe

keine Bauzusammenhänge. Ein Beispiel ist die Baugruppe Beleuchtungsanlage, deren

Bauteile der Funktion Fahrweg ausleuchten zugeordnet sind, welche allerdings unterei-

nander keine baulichen Verbindungen aufweisen. Der Grund für diese funktionsorien-

tierte Hierarchie liegt im prinzipiellen Vorgehen der Produktkonzipierung (vgl.

Kap. 2.6.2). Zunächst werden die Funktionen des zu entwickelnden Produkts beschrie-

ben und in einer Funktionshierarchie strukturiert (Partialmodell Funktionen). Anschlie-

ßend werden geeignete Lösungen zur Erfüllung der Funktionen gesucht. Diese werden

in der Wirkstruktur als Systemelemente modelliert. Im Verlauf der Konzipierung wer-

den die Systemelemente weiter dekomponiert und konkretisiert.

6.1.4 Konkretisierung der Bauzusammenhänge

Im Rahmen der Spezifikation der Gestalt wurden die baulichen Zusammenhänge zwi-

schen den Bauteilen des Systems festgelegt. In dieser Phase werden die spezifizierten

Bauzusammenhänge konkretisiert. Es werden drei Typen von Bauzusammenhängen

unterschieden:

• Verbindungsbeziehungen kennzeichnen einen Zusammenschluss fester Körper,

welcher auch unter Betriebsbedingungen bestehen bleibt. Verbindungen können

Relativbewegungen der Körper erlauben oder verhindern [Rot96, S. 14], [VDI2232,

S. 2]. Beispiele sind Schweißverbindungen zwischen Rahmenbauteilen oder die

drehbar gelagerte Verbindung von Rahmen und Gabel.

• Kontaktbeziehungen beschreiben die lose Berührung zwischen Bauteilen. Diese

bilden keine Verbindung und bleiben unter Betriebsbedingungen i. d. R. nicht be-

stehen. Beispiele sind Anschläge zwischen Bauteilen.

• Positionsbeziehungen stellen Abhängigkeiten in der räumlichen Ausrichtung zwi-

schen Bauteilen dar. Ein Beispiel ist die Positionierung des Drehimpulssensors und

des Signalgebers auf der Welle. Zur korrekten Übertragung der Tretfrequenz dürfen

die beiden Bauteile radial eine Versatz von 15 mm nicht überschreiten, axial ist ein

Bauteilabstand von 5–10 mm einzuhalten.

Die Bauzusammenhänge und ihre Eigenschaften bilden die Grundlage für die montage-

orientierte Strukturierung des Produkts (vgl. Kap. 6.3). Für jede Verbindungsbeziehung

ist ein Set von Basiseigenschaften festzulegen10. Die Auswahl dieser Basiseigenschaften

orientiert sich an der Struktur von Konstruktionskatalogen. Der Verbindungstyp und die

primäre Schlussart entsprechen der Strukturierung von Verbindungen in der VDI-

10 Vgl. hierzu auch [Rot96, S. 106ff.], [VDI2232, S. 3], [Ehr09, S. 449ff.]

Seite 118 Kapitel 6

Richtlinie 2232 [VDI2232, S. 3] (siehe Anhang Bild A-15). Weitere Basiseigenschaften

sind die Lösbarkeit der Verbindung [KHR12, S. 91], [DIN8593-0, S. 4] sowie die Art

der Verbindung und die Zugänglichkeit der Verbindungstelle [Rot82, S. 190]. Die mög-

lichen Ausprägungen der Verbindungseigenschaften sind in Tabelle 6-1 aufgeführt.

Tabelle 6-1: Verbindungseigenschaften und mögliche Ausprägungen

Die Bauzusammenhänge können durch zusätzliche Eigenschaften charakterisiert wer-

den. Beispiele sind der Einsatz von Standardwerkzeugen oder die benötigte Kraft zur

Herstellung der Verbindung. Weiterhin werden die Eigenschaften der montageorientier-

ten Flussbeziehungen aus der Wirkstruktur ergänzt, bspw. das Abstützen bzw. Leiten

von Drehmomenten und Kräften (vgl. Kap. 6.1.2). Bild 6-8 zeigt die Spezifikation einer

Verbindungsbeziehung am Beispiel der Verbindung zwischen dem Motor und dem La-

gersitz der Gabel.

Bild 6-8: Spezifikation von Verbindungseigenschaften

Verbindungseigenschaften

Ausprägungen

Verbindungstyp

Lösbarkeit

Primäre Schlussart

Art der Verbindung

(Verbindungsmittel)

Zugänglichkeit

starr

lösbar

Stoffschluss

mittelbar

einseitig

beweglich

unlösbar

Formschluss

unmittelbar

beidseitig

Kraftschluss

Gabel

Lagersitz

Bremsanlage

Bremsscheibe

vorne

Pedelec

(Ausschnitt)

Gabelschaft

Bremseinheit

vorne

Motor

Tourensattel

Rad vorne

Lenker

Rahmen

Leistungs-

elektronik

Pedaleinheit

Tourensattel

Rücklicht

Drehimpulsgeber (Motor)

Steuerungs-

einheit

nlage

inh

Gabel

ersit

abelschaft

ourensatte

Legende

Verweis auf Gestalt Verweis auf Aggregation

Bauzusammenhang Logische GruppeSystemelement

Verbindungseigenschaften

Elemente Motor Lagersitz

Wirkflächen Stator Motorsitz

Außenfläche

Werkstoffe Stahl Al-Guss

Verbindungstyp starr

Primäre Kraftschluss

Schlussart

Lösbarkeit lösbar

Art der - noch nicht festgelegt -

Verbindung

Zugänglichkeit einseitig

Weitere Mit Standardwerkzeugen

Eigenschaften lösbar

Axial und tangential

einstellbar

Mit Handkraft fügbar

Reaktionsmoment

abstützen

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 119

Die Beschreibung umfasst die betroffenen Systemelemente und wenn bereits festgelegt,

die entsprechenden Wirkflächen sowie die Materialpaarung der Verbindung. Weiterhin

sind die Basiseigenschaften der Verbindung und weitere Eigenschaften spezifiziert.

Auf Grundlage der spezifizierten Verbindungsbeziehungen erfolgt die montageorien-

tierte Strukturierung des Produkts (vgl. Kap. 6.3). Die Kontakt- und Positionsbeziehun-

gen enthalten zusätzliche Informationen, auf deren Basis der Planer die montageorien-

tierte Produktstruktur konkretisiert. Weiterhin wählte der Planer auf Grundlage der Ver-

bindungseigenschaften mögliche Montageverfahren aus (vgl. Kap. 6.4.4).

6.2 Planen und Klären der Montageaufgabe

Das Ziel dieser Phase sind die Anforderungen an das Montagekonzept und die grund-

sätzliche Montagemethode. Hierzu werden in einem ersten Schritt die Produktanforde-

rungen hinsichtlich ihrer Montagerelevanz analysiert. Anschließend werden weitere

montagespezifische Anforderungen ergänzt, bspw. aus der strategischen Produktions-

planung und abschließend die grundsätzliche Montagemethode festgelegt (Bild 6-9).

Bild 6-9: Vorgehen bei dem Planen und Klären der Aufgabenstellung

6.2.1 Analyse der Produktanforderungen

Den Ausgangspunkt bildet die Anforderungsliste des Pedelecs. Diese wird auf die mon-

tagerelevanten Anforderungen reduziert. Beispiele für solche Anforderungen sind An-

gaben zur Stück- und Variantenzahl, geometrische Eigenschaften und einzusetzende

Werkstoffe. Ein Auszug der reduzierten Anforderungsliste des Pedelecs ist in Bild 6-10

zu sehen.

Seite 120 Kapitel 6

Bild 6-10: Auszug der reduzierten Anforderungsliste des Pedelecs

Die Rad- und Rahmengröße sowie die maximale Masse geben Hinweise auf die Ab-

messungen der entsprechenden Bauteile. Diese sind bspw. für die Handhabungstechnik

relevant. Weiterhin kann auf die Anzahl der Varianten geschlossen werden. Weitere

Anforderungen sind die erwarteten Stückzahlen und die Montage im Unternehmen.

Im Anwendungsfall des Pedelecs wurden die Anforderungen direkt im Mechatronic

Modeller spezifiziert. Sie sind mittels Funktionen mit den Systemelementen des Pede-

lecs verknüpft. Auf dieser Weise können die für ein Systemelement relevanten Anforde-

rungen direkt identifiziert werden (vgl. [GBD+12, S. 114]).

6.2.2 Ermittlung weiterer Montageanforderungen

Die vorliegende Anforderungsliste wird um weitere montagespezifische Anforderungen

ergänzt, die in der bisherigen Produktentwicklung noch nicht beachtet wurden. Hierzu

werden Informationen aus Unternehmensbereichen bzw. Fachabteilungen beschafft, die

einen Einfluss auf das spätere Montagesystem haben (vgl. [PL11, S. 234]). Bild 6-11

zeigt beispielhaft das Umfeld des Montagesystems und mögliche Einflüsse.

Aus der strategischen Produktionsplanung können sich Anforderungen hinsichtlich ein-

zusetzender Technologien, Kapazitätsplanungen, Integration in bestehende Fertigungs-

linien oder potentieller Verlagerungen ergeben. Beispiele für Anforderungen aus der

Qualitätssicherung sind Ausschussmengen und Toleranzvorgaben. Aus den baulichen

Gegebenheiten können sich Anforderungen wie Flächenverfügbarkeit oder die maximal

zulässige Bodenlast ergeben. Die Forderungen werden nach Möglichkeit quantifiziert,

in Anforderungen übersetzt und in der montagespezifischen Anforderungsliste doku-

mentiert.

Stand: 4. Mai 2013

ersetzt:

Änderung F/W Anforderungen

Anforderungsliste (Montage)

Pedelec

Blatt 1 Seite 1

Verantw. Bemerkungen

Integration der Rahmenfertigung in die bestehende Rahmenfertigung8.3

1.1

1.2

...

Radgrößen: 28 Zoll

Rahmengrößen: 48, 52, 56 cm

26.06 A. S.

A. B.26.07

1.3 Max. Masse: 20 kg bei 28“ / 52 cm

...

8.7

2.1

2.2

Elektr. Tretunterstützung vorsehen

Nenndauerleistung: 250 W

Montage ohne Spezialwerkzeuge

2.3 Drehmoment: > 40 NmF

8.1 Stückzahl pro Jahr: 5.000 Stk.

2.4

2.5

...

Reichweite: Stadtfahrt: 60 km / Touren: 100 km

Leistung Akku: 300 - 350 Wh

...

8.2 Montage erfolgt internF

... ...

Geometrie1

Kinematik

Fertigung / Montage

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 121

Bild 6-11: Einflüsse auf das Montagesystem in einem Industrieunternehmen

Hinweise und Hilfsmittel zur Identifikation von Anforderungen werden von GAIROLA

[Gai81] und BÄSSLER [Bäß87] beschrieben. Eine Übersicht der wesentlichen Faktoren

für die Bestimmung der montagerelevanten Anforderungen nach PAHL/BEITZ und ROTH

ist dem Anhang zu entnehmen (siehe Anhang Tabelle A-4).

6.2.3 Festlegung der grundsätzlichen Montagemethode

Bei der Entwicklung von Montagesystemen spielt der Automatisierungsgrad eine zent-

rale Rolle. Zum einen hat er einen großen Einfluss auf die einsetzbaren Montagetechno-

logien, insb. die Füge- und Handhabungstechnologien, andererseits übt der Automati-

sierungsgrad einen großen Einfluss auf die Produktgestaltung aus, bspw. auf die Festle-

gung der Produkttoleranzen [PL11, S. 234]. Bereits frühzeitig ist daher die Montageme-

thode festzulegen. Die Haupteinflussfaktoren sind die erforderlichen Investitionen für

das Montagesystem, dessen Flexibilität und die Losgrößen bzw. Stückzahlen des herzu-

stellenden Produkts [LS94, S. 253], [Lot06a, S. 3].

Aufgrund der fehlenden bzw. unscharfen Informationen in der Konzipierung ist häufig

nur eine erste grobe Abschätzung der Montagemethode möglich. Hierfür bieten sich

Leistungs-/Produktkomplexitäts-Diagramme an (Bild 6-12). Dabei wird die Montage-

methode aufgrund der Produktionsmenge und der Produktkomplexität festgelegt

[Hes06, S. 19f.], [WRN09, S. 187] (vgl. auch [BDK11]).

Einzusetzende Technologien, Kapazitäten, Verlagerungen

Beispielhafte Einflüsse auf das Montagesystem:

Rohmaterial

Halbzeuge

Zukaufteile

Lager

Prüffeld

Teile-

fertigung

Fertigungssteuerung

Fertigung / Produktion

Fabrik / Gebäude

Montage

Transport

Versand

Instandhaltung

Erzeugnisse

Ausschussmenge, Toleranzvorgaben

Flächenverfügbarkeit, Bodenbelastungen, Medienversorgung

Qualitäts-

sicherung

Service

Arbeitsvorbereitung

Strategische Produkt- &

Produktionsplanung Vertrieb

Entwicklung &

Konstruktion Einkauf

Arbeitsplanung

(Fertigungsplanung)

Arbeitssteuerung

(Produktionsplanung und -steuerung)

Seite 122 Kapitel 6

Bild 6-12: Bestimmung der grundsätzlichen Montagemethode nach LOTTER [LS94,

S. 254], [Lot06b, S. 59ff.], [WRN09, S. 186]

Die geplante Produktionsmenge ergibt sich aus der Anforderungsliste und die Produkt-

komplexität bzw. die Anzahl der Montageteile wird auf Basis von Erfahrungswissen

abgeschätzt. Diese Werte sind in der frühen Phase der Produktentwicklung meist mit

einer großen Unsicherheit behaftet. Durch die Verwendung von Streubereichen zur Be-

schreibung der Produktionsmenge und der Produktkomplexität können diese Unsicher-

heiten berücksichtigt werden. Die erwartete Produktionsmenge für das zu entwickelnde

Pedelec liegt bei vier Einheiten pro Stunde. Als Streubereich wird eine Abweichung von

+/-25 % angenommen. Die Anzahl der Montageteile je Einheit wird mit 30 bis 40 ange-

nommen. Somit bietet sich für die Montageform eine hybride Montage11 an.

Liegen die ersten vollständigen Produkt- und Prozessinformationen vor, können auch

detailliertere Methoden zum Einsatz kommen, bspw. die Methode zur Bestimmung des

wirtschaftlichen Automatisierungsgrads nach ROSS [Ros02].

6.3 Montageorientierte Produktstrukturierung

Das Ziel dieser Phase ist eine montageorientierte Erzeugnisgliederung. Diese beschreibt

die montageorientierte Aggregation der Bauteile zu Baugruppen, sogenannte Montage-

gruppen. Hierzu wird im ersten Schritt die Wirkstruktur des Produkts analysiert und es

werden Zwangsfolgen für die Montage identifiziert. Anschließend wird das Produkt mit

11 Als hybride Montagesysteme werden Kombinationen aus automatisierten Stationen und manuellen

Arbeitsplätzen bezeichnet. Synonym wird auch der Begriff teilautomatisierte Montagesysteme ver-

wendet [Ric06, S. 106].

Produktkomplexität

(Anzahl Teile bzw. Vorgänge)

Leistung

(Stk. / Std.)

0 200 400 600 800

Manuelle Einzelplatzmontage Hybride Montage

One-Piece Flow Montage Automatische Einzelplatzmontage

Manuelle Fließmontage Automatische Fließmontage

Erwarteter Bereich für die

Produktion des Pedelecs

Leistung: 04 ± 25%

Komplexität: 30 - 40 Vorgänge

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 123

Hilfe einer Design Structure Matrix strukturiert. Das prinzipielle Vorgehen entspricht

einer Umstrukturierung der zumeist funktional geprägten Hierarchie der Wirkstruktur in

eine montageorientierte Hierarchie (siehe Bild 6-13).

Bild 6-13: Umstrukturierung der funktionsorientierten Hierarchie der Wirkstruktur in

eine montageorientierte Hierarchie

In dem gezeigten Ausschnitt ist links die Funktionshierarchie des Systems dargestellt.

Teilfunktionen des Pedelecs sind Pedelec abbremsen und Fahrweg ausleuchten. Die

Funktionen werden durch die Systemelemente Bremsanlage und Beleuchtungsanlage

realisiert, die im Verlauf der Konzipierung in die Systemelemente Bremshebel, Brems-

einheit, Lichtsensor, Rücklicht und Scheinwerfer detailliert werden. Im Zuge der monta-

georientierten Strukturierung werden aus den gestaltbehafteten Systemelementen (Bau-

teilen) Montagegruppen gebildet. Der Bremshebel bildet zusammen mit dem Lenker

und weiteren Bauteilen die Montagegruppe MG Lenker. Der Scheinwerfer und die

Bremseinheit werden an die Gabel montiert.

Die Festlegung der Montagegruppen erfolgt im Rahmen der montageorientierten Pro-

duktstrukturierung. Das Vorgehen gliedert sich in vier Schritte, die in Bild 6-14 darge-

stellt sind.

Mobilität

ermöglichen

Richtung

ändern

Pedelec

abbremsen

Fahrweg

ausleuchten

...

Pedelec

Bremsanlage

Lenker

Bremshebel

Bremseinheit

Beleuchtungs-

anlage

Lichtsensor

Rücklicht

Scheinwerfer

Gabel Pedelec

MG Lenker

MG Gabel

...

Verknüpfung

Legende

Funktion

Systemelement

MontagegruppeMG

Element der montageorientierten

Erzeugnisgliederung

Funktionshierarchie Wirkstruktur Montageorientierte

Erzeugnisgliedeurng

Seite 124 Kapitel 6

Bild 6-14: Vorgehen bei der montageorientierten Produktstrukturierung

6.3.1 Identifikation von Montagezwangsfolgen

Ein zentraler Aspekt bei der montageorientierten Produktstrukturierung ist die Identifi-

kation von Montagezwangsfolgen. Hierbei handelt es sich um geometrisch erforderliche

Abhängigkeiten in der Reihenfolge der Montageoperationen. Die Identifikation und

Festlegung der Montagezwangsfolgen hat einen direkten Einfluss auf die Konzipierung

der Montageprozesse sowie die Produktgestaltung. Sie muss daher in enger Abstim-

mung mit der Produktentwicklung erfolgen. Bild 6-15 zeigt ein Beispiel.

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 125

Bild 6-15: Montagezwangsfolge zwischen den Bauteilen Rahmen, Gabel und Lenker

Die Gabel besitzt Verbindungsbeziehungen zu den Systemelementen Rahmen und Len-

ker. Sie ist drehbar gelagert mit dem Rahmen verbunden. Gabel und Lenker sind fest

miteinander verbunden. Aufgrund der Geometrie ist die Verbindung Gabel-Rahmen vor

der Verbindung Gabel-Lenker herzustellen. Eine separate Vormontage von Gabel und

Lenker ist daher nicht möglich.

Die Montagezwangsfolgen werden in Form von Steckbriefen dokumentiert. Diese um-

fassen eine Auflistung der betroffenen Elemente, ein generisches Prozessdiagramm der

Abfolge sowie eine Kurzbeschreibung der Montagerestriktion. Zusätzlich können weite-

re Parameter angegeben werden, z. B. erforderliche Trocknungszeiten bei Klebeverbin-

dungen oder Lackierprozessen. Die Steckbriefe werden über Querverweise mit den An-

forderungen der betroffenen Systemelemente verknüpft. Hierdurch kann bei der Pla-

nung der Montagefolge direkt auf die systemelementspezifisch relevanten Montage-

zwangsfolgen zugegriffen werden. Bild 6-16 zeigt einen Ausschnitt des Steckbriefs der

Montagezwangsfolge von Rahmen, Gabel und Lenker.

Motor

Gabel

WFP Gabel-Lenker

WFP Motor-Rad vorne

WFP Gabel-Motor

WFP Gabel-Rahmen

WFP

Rahmen-Akku

Rad

vorne

Rahmen

Lenker

Gabel

Bremsanlage

Lenker

Tourensattel

Rahmen

Pedaleinheit

Rücklicht

Drehimpulsgeber (Motor)

Steuerungs-

einheit

Die Verbindungen zwischen

Rahmen, Gabel und Lenker

in der Wirkstruktur entspre-

chen den Wirkflächenpaaren

Gabel-Lenker und Gabel-

Rahmen im Gestaltmodell.

Aufgrund der geometrischen

Abhängigkeiten kommt es zu

einer Montagezwangsfolge.

Gabel und Lenker können

nicht vormontiert werden.

Legende

Logische Gruppe WFP WirkflächenpaarBauzusammenhang

Systemelement

WirkflächenLeitstützstruktur

Wirkstruktur Gestalt

Verweis auf Gestalt Verweis auf Aggregation

Seite 126 Kapitel 6

Bild 6-16: Steckbrief einer Montagezwangsfolge am Beispiel der Verbindung Rahmen,

Gabel und Lenker

6.3.2 Ableitung der Beziehungsmatrizen

In dieser Phase werden auf Grundlage der Prinziplösung Beziehungsmatrizen erstellt.

Diese beschreiben die Zusammenhänge zwischen den Systembestandteilen nach unter-

schiedlichen Beziehungsaspekten. Die betrachteten Aspekte sind Stoff-, Energie- und

Informationsfluss, Stoff-, Kraft-, und Formschluss sowie bewegliche Verbindungen.

Für jeden der sieben Beziehungsaspekte wird eine separate Beziehungsmatrix erstellt. In

den Zeilen und Spalten sind jeweils sämtliche Bauteile des Produkts aufgetragen. Die

Aspekte werden als bidirektionale Zusammenhänge abgebildet. Folglich handelt es sich

bei den Beziehungsmatrizen um symmetrische Matrizen. In den Matrixfeldern werden

die aspektspezifischen Zusammenhänge zwischen den Bauteilen markiert. Besteht zwi-

schen zwei Systemelementen ein Zusammenhang, ist dies in der Matrix mit einer „1“

gekennzeichnet. Andernfalls sind die Zusammenhänge mit „0“ bewertet, wobei diese

aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt werden. Die Beziehungsmatrix ent-

spricht somit einer binären Design Structure Matrix (DSM). Da in den Zeilen und Spal-

ten Objekte aufgeführt sind, wird sie auch als objekt-basierte DSM bezeichnet. Bild

Betroffene Systemelemente Skizze Bearbeiter: G.B.

Datum: 12.11.2012

Bestandteil von: Pedelec

Besteht aus: ---

ID: MZF01 Montagezwangsfolge Gabelmontage

Bestandteil von: Pedelec

Besteht aus: ---

Lenker

Bestandteil von: Pedelec

Besteht aus: ---

Rahmen

Gabel

Lenker

Rahmen

Gabel

Generische Montagefolge

Prozessbeschreibung

Parameter

Restriktionen

Gabel mit

Rahmen

verbinden

Gabel

Rahmen

Lenker mit

Gabel

verbinden

Lenker

Die Gabel wird durch das Steuerrohr des

Rahmens gesteckt und fixiert. Anschließend

erfolgt die Verbindung von Gabel und Lenker.

Die Demontage erfolgt gegenläufig.

- nicht spezifiziert -

Die Verbindung Gabel-Rahmen darf nicht

mittelbar aus der Verbindung Gabel-Lenker

hervorgehen.

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 127

6-17 zeigt einen Ausschnitt der Beziehungsmatrix für den Aspekt Kraftschluss am Bei-

spiel des Pedelecs.

Bild 6-17: Beziehungsmatrix zum Aspekt Kraftschluss am Beispiel Pedelec (Ausschnitt)

In der Wirkstruktur sind die Aspekte Stoff-, Energie- und Informationsfluss enthalten.

Die entsprechenden Flussbeziehungen zwischen den Systemelementen werden in die

zugehörigen Matrizen übertragen. Die Verbindungsbeziehungen (Stoff-, Kraft-, Form-

schluss und bewegliche Verbindung) sind in der Wirkstruktur als Bauzusammenhänge

spezifiziert (vgl. Kap. 6.1.3). Analog zu den Flussbeziehungen werden sie in die ent-

sprechenden Matrizen übertragen. Als Ergebnis liegt ein Set von sieben Beziehungsmat-

rizen vor. Werden mehrere alternative Produktkonzepte verfolgt, erhöht sich die Anzahl

der Beziehungsmatrizen entsprechend der Anzahl der Konzeptalternativen.

Die manuelle Erstellung dieser Matrizen ist sehr aufwändig und fehleranfällig. Da es

sich um eine reine Übertragung der in den Partialmodellen existierenden Informationen

handelt, bietet sich ein automatischer Datenexport an. Wurde die Prinziplösung mit dem

Systemelemente

IDSystemelemente

HMI

Bremshebel vorne

Schalthebel

Lenker

Pedal rechts

Kurbel rechts

Drehmomentsensor

ZRS vorne

Leistungselektronik

Akku

Oberrohr

Gabelschaft

Drehimpulsgeber

Motor

Bremseinheit vorne

Unterstrebe

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Zahnriemen

ZRS hinten

Nabenschaltung

Speichen hinten

Felge hinten

Reifen hinten

Felge vorne

Reifen vorne

Bremsscheibe vorne

Nabe vorne

Scheinwerfer

HMI 13

Bremshebel vorne 3

Schalthebel 26

Lenker 19

Pedal rechts 23

Kurbel rechts 17

Drehmomentsensor 7

ZRS vorne 15

Leistungselektronik 18

Akku 1

Oberrohr 22

Gabelschaft 11

Drehimpulsgeber 6

Motor 5

Bremseinheit vorne 2

Unterstrebe 16

Sitzrohr 28

Sattelstrebe 29

Rücklicht 27

Zahnriemen 12

ZRS hinten 14

Nabenschaltung 20

Speichen hinten 30

Felge hinten 8

Reifen hinten 24

Felge vorne 9

Reifen vorne 25

Bremsscheibe vorne 4

Nabe vorne 21

Scheinwerfer 10

Beziehungsmatrix

Aspekt: Kraftschluss

0: Es besteht keine Beziehung

1: Es besteht eine Bezeihung

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

Die Bauteile Bremshebel vorne

und Lenker sind kraftschlüssig

miteinander verbunden. Somit

besteht eine Beziehung.

Zwischen den Bauteilen Akku und

Bremseinheit vorne besteht keine

kraftschlüssige Verbindung. Für

eine bessere Übersichtlichkeit sind

die Bewertungen mit 0 in den

restlichen Feldern ausgeblendet.

Seite 128 Kapitel 6

Mechatronic Modeller erstellt, ist eine solche automatische Übernahme der Informatio-

nen aus den Partialmodellen möglich12. Die benötigten Informationen sind im Partial-

modell Wirkstruktur enthalten. Der Mechatronic Modeller legt die Daten in einer XML-

Datenstruktur ab. Diese wird ausgelesen und in eine Matrixform überführt. Die Speich-

erung und weitere Bearbeitung erfolgt in einem Tabellenkalkulationsprogramm (hier

Microsoft Excel).

Bei der Nutzung der Exportfunktionalität ist zu beachten, dass aus der Wirkstruktur nur

Beziehungen zwischen Bauteilen übernommen werden. Beziehungen, die zwischen ei-

nem Bauteil und einer Baugruppe bzw. zwischen zwei Baugruppen spezifiziert sind

werden ignoriert. Diese Einschränkung ist erforderlich, da die Baugruppen aus der

Wirkstruktur nicht in die montageorientierte Erzeugnisgliederung überführt werden. Die

Bauteile werden neu strukturiert und in Montagegruppen zusammengeführt. Dieser

Grundsatz des Datenexports muss bereits bei der Modellierung der Wirkstruktur durch

den Produktentwickler beachtet werden.

6.3.3 Montageorientierte Strukturierung

Das Resultat dieser Phase sind Montagegruppen, die im Verlauf des Montageprozesses

montiert und im Erzeugnis verbaut werden. Die Eingangsinformationen dieser Phase

sind die zuvor gebildeten Beziehungsmatrizen, die in einer Design Structure Matrix

(DSM) zusammengeführt werden. Der Aufbau dieser Matrix entspricht dem Aufbau der

Beziehungsmatrizen. In den Zeilen und Spalten sind jeweils sämtliche Bauteile des zu

entwickelnden Produkts aufgetragen. Der Wert eines Matrixfeldes in der DSM ergibt

sich als gewichtete Summe der Werte der äquivalenten Matrixfelder aus den Bezie-

hungsmatrizen (Gleichung 6-1) (vgl. [Koe08]).



 







Gleichung 6-1: Eigenschaftswert der DSM

mit



: Eigenschaftswert der DSM im Matrixfeld i,j

: Gewichtungsfaktor der Beziehungsmatrix a



: Wert in der Beziehungsmatrix a im Matrixfeld i, j

12 Der Mechatronic Modeller stellt Schnittstellen für den Export bereit. Informationen aus den Partialmo-

dellen können in andere Software-Werkzeuge übertragen und weiterverwendet werden [GBD+12,

S. 124f.] (vgl. [Köc12, S. 52]).

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 129

Die Herausforderung in der montageorientierten Strukturierung liegt in der Wahl geeig-

neter Gewichtungsfaktoren für die Beziehungsaspekte13. Im Rahmen dieser Arbeit wur-

den die Gewichtungsfaktoren über einen paarweisen Vergleich ermittelt (siehe Anhang

Bild A-16). Das Resultat ist in Tabelle 6-2 dargestellt.

Tabelle 6-2: Gewichtungsfaktoren der Beziehungsaspekte

Das Ergebnis ist eine numerische Design Structure Matrix mit Matrixwerten zwischen 0

und 1. Auf Grundlage dieser Matrix erfolgt anschließend die sogenannte Clusterung.

Dabei werden die Zeilen und Spalten der Matrix solange umsortiert, bis die stark ver-

netzten Bauteile nah beieinander stehen (vgl. Kap. 3.3.1). Die Matrixfelder mit stark

gewichteten Zusammenhängen rücken dabei nah an die Diagonale der Matrix. Das Er-

gebnis der Clusterung wird als Blockstruktur bezeichnet. Diese dient als Indikator für

das Zusammenfassen von Bauteilen zu Montagegruppen. Die einzelnen Blöcke (oder

Cluster) stellen potentielle Montagegruppen dar [PE94, S. 7], [DKL+12, S. 693],

[Kra12, S. 669f.].

Für die Clusterung der Design Structure Matrix steht eine Vielzahl an Software-

Werkzeugen zur Verfügung [Lin13-ol]. Hierbei handelt es sich sowohl um Erweiterung-

en für Standard-Software als auch um dedizierte Software-Werkzeuge. In der vorlie-

genden Arbeit kommt das Software-Werkzeug LOOMEO der TESEON GmbH zum

Einsatz [Tes13-ol]. Bild 6-18 zeigt einen Ausschnitt der resultierende Blockstruktur.

13 Die ermittelten Gewichtungsfaktoren wurden am Anwendungsbeispiel Pedelec validiert und an den

Demonstratoren des Verbundprojekts VireS angewendet.

Fluss-

beziehungen

Verbindungs-

beziehungen

Feste

Verbindung

Beziehungsaspekt Gewichtungsfaktor

Stofffluss

Informationsfluss

Energiefluss

Stoffschluss

Kraftschluss

Formschluss

5 %

29 %

21 %

Bewegliche Verbindung 14 %

21 %

Seite 130 Kapitel 6

Bild 6-18: Ausschnitt der Design Structure Matrix des Pedelecs nach der Clusterbil-

dung (Blockstruktur)

Die resultierende Blockstruktur gibt dem Montageplaner Hinweise auf potentielle Mon-

tagegruppen. Der Planer hat die Möglichkeit, die Matrix in einem manuellen Vorgehen

noch umzustrukturieren. In der Blockstruktur der DSM gibt es Strukturmerkmale, wel-

che für die Bildung der Montagegruppen hilfreich sind (vgl. [LM06, S. 52], [Mau07,

S. 197ff.]). Diese werden im Folgenden erläutert.

6.3.3.1 Cluster

Cluster sind Gruppen von Elementen, bei denen die Verbindungen vorrangig innerhalb

der Gruppe existieren und die Anzahl der Beziehungen zu Bauteilen außerhalb der

Gruppe gering ist. Sie geben Hinweise auf potentielle Montagegruppen. Die endgültige

Entscheidung, ob aus einem Cluster eine Montagegruppe wird, liegt beim verantwortli-

chen Planer. Je nach Art der Vernetzung innerhalb der Cluster lassen sich grundsätzlich

Lichtsensor

Systemelemente

Bremshebel vorne

Schalthebel

Bremshebel hinten

Pedal rechts

Kurbel rechts

Drehmomentsensor

ZRS vorne

Kurbel links

Pedal links

Steuerung

Leistungselektronik

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hinten

Nb hlt

HMI

Lenker

Welle

Akku

Sitzrohr

44 1332638

19 23 17 7 15 36 40 41 33 18 143 35 32 22 16 42 28 29 27 37 34 39 12 14

Lichtsensor

HMI

Bremshebel vorne

Schalthebel

Bremshebel hinten

Lenker

Pedal rechts

Kurbel rechts

Drehmomentsensor

ZRS vorne

Welle

Kurbel links

Pedal links

Steuerung

Leistungselektronik

Akku

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hinten

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

21 21

29 29

2121

21212121

555 5

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 131

drei Typen unterscheiden: Cluster mit Basiselement, stark vernetzte Cluster und

schwach vernetzte Cluster (siehe Bild 6-19).

Bild 6-19: Cluster mit Darstellung als Graph am Beispiel Pedelec

Cluster mit Basiselement14: Cluster, die in der Blockstruktur der DSM eine Winkel-

form aufweisen, basieren auf einem Basiselement mit Anbauteilen. Die Anbauteile sind

untereinander nicht oder nur schwach vernetzt. Ein Beispiel ist der Cluster Lenker. An

das Basisbauteil Lenker werden die Schalt- und Bremshebel sowie das Frontlicht und

das HMI angebaut. Diese besitzen Verbindungen zum Lenker, sie sind untereinander

jedoch nicht vernetzt.

Stark vernetzte Cluster: In solchen Clustern besitzen die Bauteile untereinander in der

Regel mindestens zwei Verbindungen zu anderen Bauteilen (siehe Cluster Rahmen und

14 Solche Cluster werden auch als Hierarchie bezeichnet [LM06, S. 52].

2121

29 29

2121

Pedal

links

Steuerung

Leistungselektronik

Akku

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hinten

Nabenschaltung

Speichen hinten

Felge hinten

Reifen hinten

Felge vorne

Reifen vorne

555

Pedal

links

Steuerung

Leistungselektronik

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hinten

Nabenschaltung

Speichen hinten

Felge hinten

Reifen hinten

Felge vorne

Reifen vorne

Akku

Sitzrohr

13318 143 35 32 22 16 42 28 29 27 37 34 39 12 14 20 30824925

Lichtsensor

Systemelemente

Bremshebel vorne

Schalthebel

Bremshebel hinten

Pedal rechts

HMI

Lenker

44 1332638

19 2

Lichtsensor

HMI

Bremshebel vorne

Schalthebel

Bremshebel hinten

Lenker

Pedal rechts

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

21 21

21212121

Stark vernetzter

Cluster: Rahmen

Cluster mit Basis-

element: Lenker

326

Stark vernetzter

Cluster: E-Einheit

33 1

Schwach vernetzter

Cluster: Rad hinten

24 12

Seite 132 Kapitel 6

E-Einheit). Dabei sind die Verbindungen in der Matrix häufig nicht in direkter Nachbar-

schaft der Diagonalen angeordnet sondern verteilen sich innerhalb des Clusters. In der

Darstellung als Graph ist in einem solchen Cluster keine eindeutige Struktur zu erken-

nen. Montagetechnische Aussagen können nicht ohne weiteres getroffen werden.

Schwach vernetzte Cluster: Der Cluster Rad hinten ist ein Beispiel für einen schwach

vernetzten Cluster. Die clusterinternen Verbindungen sind fast ausschließlich an der

Diagonalen angeordnet. In der Darstellung als Graph bildet der Cluster somit eine Ket-

te. Aus Sicht der Montage kann eine solche Montagebaugruppe schrittweise aufgebaut

werden, wobei die Montagefolge der Reihenfolge in der Graph-Darstellung entspricht.

Dabei wird von einem Basisbauteil ausgehend immer das zu montierende Bauteil an das

zuletzt montierte Bauteile angebaut.

6.3.3.2 Brücken und freie Elemente

Als Brücken werden Beziehungen bezeichnet, die eine einzige Verbindung zwischen

zwei Teilbereichen der DSM herstellen. Sie bilden die Schnittstellen zwischen den

Clustern der Matrix (siehe auch [LM06, S. 52], [Mau07, S. 203]). Ein Beispiel ist in

Bild 6-20 zu sehen. Die beiden Cluster Rahmen und E-Einheit stehen nur über eine ein-

zige Verbindung miteinander in Beziehung. Diese Verbindung zwischen den Bauteilen

E-Träger und Unterrohr stelle somit eine Brücke dar.

Bild 6-20: Brücken und freie Elemente am Beispiel Pedelec

Als freie Elemente werden Bauteile bezeichnet, die keinem Cluster zugeordnet sind

und sich auch nicht sinnvoll integrieren lassen. In Bild 6-20 ist ein freies Element am

29 29

2121

Pedal

links

Steuerung

Leistungselektronik

Akku

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hi t

Pedal

links

Steuerung

Leistungselektronik

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hi t

Akku

Sitzrohr

13318 143 35 32 22 16 42 28 29 27 37 34 39 12

Lichtsensor

Systemelemente

Lichtsensor

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

Einzelne Verbindungen

zwischen Clustern werden

als Brücken bezeichnet.

33 1

Brücke

Der Tourensattel als Beispiel

für ein freies Element. Dieser

kann keinem Cluster sinnvoll

zugeordnet werden und bildet

ein Endstück

im Graph.

Tourensattel

einzige Verbindung

22 28

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 133

Beispiel des Bauteils Tourensattels dargestellt. Dieser besitzt nur eine Beziehung zum

Sitzrohr bzw. zum Cluster Rahmen. In der Darstellung als Graph bilden solche Elemen-

te in der Regel „Endstücke“, die nur über eine einzelne Verbindung mit dem Gesamt-

system verbunden sind (vgl. [Mau07, S. 210]).

6.3.3.3 Clusterüberlappung

In der Blockstruktur der DSM kann es zu einer Überlappung von Clustern kommen

(vgl. [Mau07, S. 201]). In diesem Fall ist ein Bauteil zwei Clustern zugeordnet. Bild

6-21 zeigt eine solche Clusterüberlappung.

Bild 6-21: Clusterüberlappung am Beispiel Pedelec

Im gezeigten Fall ist die Sattelstrebe (Element ID 29) zwei Clustern zugeordnet. Der

Montageplaner muss entscheiden, wie aus den Clustern die Montagegruppen gebildet

werden. Hierbei bestehen die folgenden drei Möglichkeiten:

Sequenz und Vormontagegruppe: Die Bauteile Rücklicht und Bremseinheit hinten

bilden zusammen mit der Sattelstrebe eine Montagegruppe. Anschließend wird diese

mit den restlichen Bauteilen zu der übergeordneten Montagegruppe MG Rahmen zu-

sammengebaut. Die Montage erfolgt in zwei sequentiellen Schritten (Bild 6-22).

29 29

Akku

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Akku

Sitzrohr

43 35 32 22 16 42 28 29 27 37 34 3

Lichtsensor

Systemelemente

Lichtsensor

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

Die beiden Cluster überlappen

sich. Eine eindeutig Zuordnung

der Sattelstrebe

(29) ist nicht

ohne Weiteres

möglich. 32

Seite 134 Kapitel 6

Bild 6-22: Bildung einer Vormontagegruppe

Parallelisierung: Es werden zwei Vormontagegruppen gebildet. Diese werden parallel

montiert und sind zu diesem Zeitpunkt noch voneinander unabhängig. Anschließend

werden die beiden Vormontagegruppen zu der übergeordneten Montagegruppe MG

Rahmen gesamt montiert (Bild 6-23).

Bild 6-23: Parallelisierung durch zwei Vormontagegruppen

Bündelung von Arbeitsinhalten: In der Montagegruppe MG Rahmen werden die stoff-

schlüssig zu verbindenden Bauteile zusammengefasst. Die Bauteile Rücklicht und

Bremseinheit hinten können keine separate Montagegruppe bilden, da sie untereinander

keine Verbindungen aufweisen. Sie werden stattdessen als Arbeitsinhalt zusammenge-

fasst und in einem gemeinsamen Montageschritt an die Montagegruppe MG Rahmen

angebaut (Bild 6-24).

29 29

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Sitzrohr

35 32 22 16 42 28 29 27 37

Systemelemente

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

Bildung einer Vormontagegruppe

mit sequenzieller Montage

Montage

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

MG Sattelstrebe

MG Rahmen

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

29 29

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Sitzrohr

35 32 22 16 42 28 29 27 37

Systemelemente

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

Bildung von zwei Vormontage-

gruppen mit paralleler Montage

Montage

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

MG Sattelstrebe

MG Rahmen

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Montage

MG Rahmen

gesamt

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 135

Bild 6-24: Bündelung von Bauteilen zu einem Arbeitsinhalt

Aus montagetechnischer Sicht ist bei diesem Beispiel der dritte Fall zu bevorzugen. Die

höheren Eigenschaftswerte der Verbindungen innerhalb der so entstehenden Cluster

sind ein weiterer Hinweis auf diese Struktur. Auf Grundlage der gezeigten Muster und

der individuellen Erfahrungswerte strukturiert der Montageplaner die restlichen Ele-

mente des Produkts. Dabei legt er fest, welche Montagegruppen gebildet werden. Es

besteht auch die Möglichkeit, Cluster über mehrere Hierarchiestufen zu bilden. Die fi-

nale Blockstruktur mit den identifizierten Clustern ist im Anhang zu finden (siehe An-

hang Bild A-17).

6.3.4 Erstellung der montageorientierten Erzeugnisgliederung

Das Ziel dieser Phase ist eine montageorientierte Erzeugnisgliederung des Produkts.

Diese wird auf Grundlage der in der Blockstruktur identifizierten Montagegruppen und

deren Hierarchisierung gebildet. Bild 6-25 zeigt einen Ausschnitt der montageorientier-

ten Erzeugnisgliederung in Form eines Dendogramms. Die gesamte montageorientierte

Erzeugnisgliederung ist im Anhang zu finden (siehe Anhang Bild A-18).

29 29

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Sitzrohr

35 32 22 16 42 28 29 27 37

Systemelemente

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

Bündelung von Bauteilen

zu Arbeitsinhalten

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Anbauteile für

Sattelstrebe

MG Rahmen

gesamt

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Montage

Seite 136 Kapitel 6

Bild 6-25: Montageorientierte Erzeugnisgliederung des Pedelecs (Ausschnitt)

Auf Grundlage der identifizierten Cluster wurden insgesamt zwölf Montagegruppen

gebildet. Diese verteilen sich über vier Hierarchieebenen, die sog. Montagestufen. Die

Strukturierung der Systembestandteile ist in diesem Beispiel sehr heterogen. Montage-

gruppen wie MG Lenker oder MG Getriebe gesamt sind über drei bzw. vier Montage-

stufen strukturiert. Bei der Montagegruppe MG Rad hinten erfolgte hingegen keine Un-

terteilung in weitere Vormontagegruppen.

6.4 Konzipierung des Montageprozesses

In dieser Phase wird der Montageprozess auf Basis der montageorientierten Erzeugnis-

gliederung entwickelt. Das Vorgehen gliedert sich in fünf Schritte. Zunächst wird die

montageorientierte Erzeugnisgliederung in eine Prozessfolge überführt und im Unter-

nehmen bekannte Montageprozesse werden ergänzt. Anschließend erfolgt die Hierar-

chisierung und Detaillierung des Montageablaufs. Dabei werden die Montageprozess-

schritte in eine zeitliche und logische Abfolge gebracht. Im folgenden Schritt sind ge-

eignete Montageverfahren zu identifizieren und den Prozessschritten zuzuweisen. Hier-

durch ergeben sich alternative Prozessketten. Abschließend werden auf Grundlage der

Prozesskette und der geplanten Montageverfahren montagetechnische Restriktionen für

das Produktkonzept abgeleitet. Diese fließen in die weitere Produktentwicklung ein.

Das Vorgehen ist in Bild 6-26 dargestellt.

Pedelec

Bremshebel vorne3

Schalthebel26

Bremshebel hinten38

Lenker19

Lichtsensor44

HMI13

Tourensattel34

Montagestufe 0

Montagestufe 1

Montagestufe 2

Montagestufe 3

Montagestufe 4

Legende

Systemelement

Element der montageorientierten

Erzeugnisgliederung

19 Lenker ID & Bezeichnung des Systemelements

HMI Human Machine Interface

ZRS Zahnriemenscheibe

MG Montagegruppe

HMI

MG Lenker MG Getrieb

gesamt

Getriebe

Kurbel links40

Pedal links41

MG Pedal-

einheit links

Drehmomentsensor7

ZRS vorne15

Welle36

Pedal rechts23

Kurbel rechts17

MG Pedal-

einheit rechts

Bremsschreibe hinten39

Zahnriemen12

ZRS hinten14

Nabenschaltung20

Speichen hinten30

Felge hinten8

Reifen hinten24

MG Rad hinten

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 137

Bild 6-26: Vorgehen bei der Konzipierung des Montageprozesses

6.4.1 Ableitung einer ersten Prozesskette

Auf Grundlage der montageorientierten Erzeugnisgliederung wird eine erste Prozessket-

te erzeugt. Hierbei wird für jede im Rahmen der Produktstrukturierung erzeugte Monta-

gegruppe ein zugehöriger Montageprozess erstellt. Die Spezifikation der Montagepro-

zesse erfolgt hierbei auf Funktionsebene15, bspw. Bauteile fügen oder Bauteile ausrich-

ten. Die Montageprozesse sind innerhalb der Montagestufen parallel angeordnet und

noch nicht in einer logischen oder zeitlichen Reihenfolge angeordnet. In Bild 6-27 ist

die erste Prozesskette der Montage des Pedelecs zu sehen.

15 Eine Übersicht von Montagefunktionen nach LOTTER [Lot06a, S. 2] findet sich im Anhang (siehe

Anhang Bild A-19)

Seite 138 Kapitel 6

Bild 6-27: Erste Prozesskette der Montage des Pedelecs (Ausschnitt)

6.4.2 Ergänzung bekannter Montageprozesse

In diesem Schritt werden Montageprozesse ergänzt, die bereits im Unternehmen be-

kannt sind (vgl. [Nor12, S. 119f.]). Werden Montagegruppen in gleicher Form und mit

vergleichbarer Stückzahl im Unternehmen montiert, können diese Arbeitsabläufe über-

nommen werden. Das gilt auch, wenn sich einzelne Bauteile innerhalb der Montage-

gruppe unterscheiden, hierdurch aber keine Änderungen im Montageprozess erforder-

lich sind. Ein Beispiel ist die Montagegruppe MG Rad hinten des Pedelecs. Der Aufbau

des Montageprozesses unterscheidet sich nicht zum Hinterrad des Tourenrades. Bild

6-28 zeigt die Übernahme des Montageablaufs.

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Scheinwerfer

Montage

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Felge vorne

HMI

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Bremsschreibe

hinten

HMI

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Unterrohr MG Rahmen

MG Pedal-

einheit links

Montage

MG E-Einheit

MG Rahmen

gesamt

MG Rad hinten

MG Rad vorne

MG Lenker

Endmontage Pedelec

Montage

Unterrohr

Montage

HMI

MG Getriebe

Montage

Welle

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Lenker MG Lenker

Montage

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Steuerung

Schalthebel

Montage MG Getriebe

gesamt

Rücklicht Tourensattel

Montagestufe 0Montagestufe 1Montagestufe 2Montagestufe 3

Bremsschreibe

Sattelstrebe

Montage

Sitzrohr

Unterstrebe

Steuerrohr

Oberrohr

Tretlager

Unterrohr

MG Rahmen Montage MG Rahmen

gesamt

Bremseinheit

hinten

Rücklicht

Ausschnitt

Legende

Elemente der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliderung

Systemelement

Prozess

Verweis auf Aggregation

Verweis auf Gestalt

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 139

Bild 6-28: Ergänzung des Prozesses für die Montage des Hinterrads

Aus dem bestehenden Montageplan für das Hinterrad des Tourenrads kann die Abfolge

der Montageschritte 1:1 übertragen werden. Weiterhin werden die Parameter der Pro-

zessschritte aus dem Montageplan übernommen und den Prozessschritten über Ver-

weise zugeordnet. Beispiele sind die benötigten Zeiten und die einzusetzenden Monta-

gehilfsmittel. Die Arbeitsplätze und Montagehilfsmittel zur Durchführung der Prozess-

schritte werden im Partialmodell Ressourcen abgebildet und ebenfalls den Prozess-

schritten zugewiesen.

6.4.3 Hierarchisierung und Detailierung der Montageprozesse

In dieser Phase erfolgt die Hierarchisierung und Detaillierung der Montageprozesse, die

bisher nur als erste grobe Prozesskette vorliegen. Die Hierarchie in der Prozesskette

entspricht den Montagestufen in der montageorientierten Erzeugnisgliederung (vgl.

Kap. 6.3.4). Im Fall des Pedelecs bestehen die Montagegruppen aus bis zu sieben ein-

zelnen Bauteilen. Das Ziel dieses Schrittes ist die Reihenfolge, in der die Bestandteile

innerhalb der Montagegruppen schrittweise zusammengebaut werden. Hierfür wird zu-

nächst ein Basisbauteil bestimmt, welches den Ausgangspunkt für den schrittweisen

Aufbau der Montagegruppe darstellt. Anschließend wird festgelegt, in welcher Reihen-

folge die Bestandteile der Montagegruppe zusammengebaut werden.

Reifen

montieren Montagegruppe Bremsscheibe

montieren MG Rad hinten

Tourensattel

Bremsscheibe

hinten

ge Montagegruppe

Reifen

hinten

A38030 Rad abdrücken

AVG

NR.

Blatt 1

Stk.zahl

Beschreibung

Benennung: Rad hinten

Tourenrad

Rad einspeichen

Rad zentrieren M400

M400 320-200

340-200

320-200

340-200

A380

M400

747 15

10747

747

Datum: 16. Januar 2012

Bearbeiter: L. B.

Zeichnungs Nr.: 161-1989

Bereich

Kosten-

stelle Maschinen-

gruppe Montage-

hilfsmittel Lohn-

gruppe t

[min]

MONTAGEPLAN

Bremsscheibe

montieren

Hilfsmittel: 318-200

Typ: Montage

Prozess Parameter

Maschinengruppe: M400

Zeit [min]: 5

Aufnahme: 6-Loch nach IS2000

Typ: Bremsscheibe, schwimmend

Systemelement Parameter

Werkstoff: X46Cr13

Masse: 115 g

Montageunterlagen aus

vorangegangenen

Entwicklungsprojekten

Legende

Elemente der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliderung

Systemelement

Prozess

Verweis auf Parameter

Verweis auf Ressource

Verweis auf Gestalt

Verweis auf Aggregation

Verweis

Ergänzter Prozess (Ausschnitt)

Seite 140 Kapitel 6

Für die Strukturierung der Montageprozesse wird das im Stand der Technik vorgestellte

Verfahren zur Produktstrukturierung nach DAHL [Dah90] eingesetzt16. Es wird modifi-

ziert und auf die Gegebenheiten der montageorientierten Strukturierung angepasst. Die

Bauteile innerhalb der Montagegruppen werden in eine Rangfolge gebracht, wobei die

Strukturierung top-down geschieht und den Montagestufen der montageorientierten

Erzeugnisgliederung folgt (siehe Bild 6-25). Die Grundlage für die Bildung der Rang-

folge ist die Bewertungssumme. Diese wird für jedes Bauteil aus dessen gewichteten

Eigenschaftswerten errechnet, welche aus der Blockstruktur der Design Structure Mat-

rix entnommen werden (vgl. Anhang Bild A-17). Bei der Berechnung der Bewertungs-

summe muss zwischen Bauteilen und Baugruppen differenziert werden.

Die Bewertungssumme für ein Bauteil ergibt sich als die Summe aller gewichteten

Eigenschaftswerte des Bauteils innerhalb der übergeordneten Montagegruppe. In der

Design Structure Matrix entspricht die Bewertungssumme somit der Zeilensumme17 des

Bauteils (Gleichung 6-2).



 









Gleichung 6-2: Bewertungssumme für ein Bauteil

mit



: Bewertungssumme des Bauteils BT in der Zeile i

: Erste/letzte Spalte bzw. Zeile der übergeordneten Montagegruppe



: Eigenschaftswert im Matrixfeld i,j der DSM

Die Bewertungssumme für eine Montagegruppe ergibt sich als die Summe der Be-

wertungssummen der enthaltenen Elemente. Die Verbindungen innerhalb der Montage-

baugruppe, d. h. zwischen den detaillierenden Elementen, fließen nicht in die Bewer-

tungssumme ein. Aus diesem Grund sind die montagegruppeninternen Verbindungswer-

te von der Bewertungssumme der Montagegruppe abzuziehen (Gleichung 6-3).



 























Gleichung 6-3: Bewertungssumme für ein Montagegruppe

16 Die prinzipielle Eignung des Verfahrens nach DAHL für die Strukturierung mechatronischer Systeme

wurde von NORDSIEK gezeigt [Nor12, S. 108ff.].

17 Aufgrund der Symmetrie der DSM sind Zeilen- und Spaltensumme identisch.

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 141

mit







: Bewertungssumme der Montagegruppe MG in den Zeilen m bis n

: Erste/letzte Spalte bzw. Zeile der Montagegruppe

: Erste/letzte Spalte bzw. Zeile der übergeordneten Montagegruppe



: Eigenschaftswert im Matrixfeld i,j der DSM

Das Element mit der höchsten Bewertungssumme in einer Montagegruppe bildet das

Basisbauteil18. In einem ersten Montageschritt wird es mit dem Element mit der zweit-

höchsten Bewertung verbunden. Anschließend folgen die weiteren Elemente entspre-

chend ihrer Rangfolge. Bild 6-29 zeigt beispielhaft die Bildung der Bewertungssumme

für die Elemente MG E-Einheit und Tourensattel der Montagestufe 1. Zur besseren

Nachvollziehbarkeit ist zusätzlich ein Ausschnitt der montageorientierten Erzeugnis-

gliederung abgebildet.

Innerhalb der Montagestufe 1 sind die Elemente MG Lenker, MG Getriebe gesamt, MG

E-Einheit, MG Rahmen gesamt, Tourensattel, MG Rad hinten, MG Rad vorne, MG Ga-

beleinheit in eine Reihenfolge zu bringen. Die übergeordnete Montagegruppe ist das

Pedelec. Bei der Berechnung der Bewertungssumme werden daher alle Spalten der

DSM berücksichtigt. Die Bewertungssumme für die MG E-Einheit ergibt sich als Sum-

me aller Eigenschaftswerte der Montagegruppe (Zeilensumme gesamt), abzgl. der mon-

tagegruppeninternen Werte (Zeilensumme intern). Die montagegruppeninternen Ver-

bindungen bestehen zwischen den Bauteilen Steuerung, Leistungselektronik, Akku und

E-Träger. Es ergibt sich eine Bewertungssumme für die MG E-Einheit von 81. Im Fall

des Elements Tourensattel entspricht die Bewertungssumme der Zeilensumme des Bau-

teils. Der Tourensattel besitzt lediglich eine Verbindung zum Sitzrohr. Die Bewertungs-

summe ist somit 21. Für die weiteren Bauteile der Montagestufe 1 ergeben sich die Be-

wertungssummen analog. In Tabelle 6-3 ist das Resultat der Bewertung aufgeführt

Tabelle 6-3: Bewertungssummen innerhalb der Montagestufe 1

18 Vgl. Konstruktionsprinzip des Basisteils als Start- oder Grundgefügeteil. Alle weiteren Montageschrit-

te bauen auf diesem Bauteil auf [PL11, S. 238].

Bauteil /

Montagegruppe

Bewertungssumme

MG Rahmen gesamt

MG E-Einheit

MG Gabeleinheit

MG Lenker

101

Bewertungssumme

MG Rad hinten

MG Getriebe gesamt

MG Rad vorne

Tourensattel

Seite 142 Kapitel 6

Bild 6-29: Berechnung der Bewertungssumme an den Beispielen MG E-Einheit und

Tourensattel

Kurbel links

Pedal links

Steuerung

Leistungselektronik

Akku

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Unterstrebe

Tretlager

Sitzrohr

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hinten

29 29

2121

21 14

555 5

Lichtsensor

Systemelemente

Bremshebel vorne

Schalthebel

Bremshebel hinten

Pedal rechts

Kurbel rechts

Drehmomentsensor

ZRS vorne

Kurbel links

Pedal links

Steuerung

Leistungselektronik

E-Träger

Unterrohr

Steuerrohr

Oberrohr

Gabelschaft

Lagersitz

Drehimpulsgeber

Bremseinheit vorne

Unterstrebe

Tretlager

Sattelstrebe

Rücklicht

Bremseinheit hinten

Tourensattel

Bremsschreibe hinten

Zahnriemen

ZRS hinten

Nabenschaltung

Speichen hinten

Felge hinten

Reifen hinten

Felge vorne

Reifen vorne

Speichen vorne

Bremsscheibe vorne

Nabe vorne

Scheinwerfer

HMI

Lenker

Welle

Akku

Motor

Sitzrohr

44 1332638

19 23 17 7 15 36 40 41 33 18 143 35 32 22 11 45652

16 42 28 29 27 37 34 39 12 14 20 30824925 3142110

Lichtsensor

IDSystemelemente

Design Structure Matrix

Werte sind in % dargestellt

Legende

HMI: Human Machine

Interface

ZRS: Zahnriemenscheibe

Cluster

21 5

Zeilensumme gesamt

Zeilensumme intern

Differenz

Bewertungssumme 81

Zeilensumme gesamt

Bewertungssumme 21

Die Montagegruppe MG E-Einheit umfasst

die Bauteile Steuerung, Leistungselektronik,

Akku und E-Träger. Sie ist Teil der überge-

ordneten Montagegruppe Pedelec.

Pedelec

Montagestufe 0

Montageorientierte Erzeugnisgliederung (Ausschnitt)

Montagestufe 1

Legende

Systemelement

Element der montageorientierten

Erzeugnisgliederung

MG Lenker MG E-

Einheit

MG Getriebe

gesamt MG Rahmen

gesamt MG Rad

hinten MG Rad

vorne MG Gabel-

einheit

Touren-

sattel

Die Bewertungssumme BS errechnet sich wie folgt:

- Bauteil: Zeilensumme des Bauteils innerhalb

der übergeordneten Montagegruppe.

- Montagegruppe: Zeilensummen der enthaltenen Bau-

teile innerhalb der übergeordneten

Montagegruppe abzüglich der mon-

tagegruppeninternen Verbindungen

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 143

Bild 6-30 zeigt das Ergebnis der Strukturierung. Der Prozessschritt Endmontage wurde

dekomponiert und in sechs Teilschritte untergliedert. Diese sind entsprechend ihrer

Rangfolge in eine Reihenfolge gebracht.

Bild 6-30: Montageprozess nach der Strukturierung am Beispiel der Endmontage des

Pedelecs

Innerhalb der Montagestufe 1 der montageorientierten Erzeugnisgliederung (vgl. Bild

6-25) ergibt sich für die Montagegruppe MG Rahmen gesamt die höchste Bewertungs-

summe. Die Montagegruppe bildet somit innerhalb dieser Hierarchieebene das Basis-

bauteil und wird im ersten Montageschritt mit dem Element mit der zweithöchsten Be-

wertung verbunden. Dies ist die Montagegruppe MG Gabeleinheit. Die weiteren Bautei-

le und Montagegruppen der Montagestufe 1 folgen entsprechend ihrer Bewertungs-

summe.

Das Vorgehen zur Bildung der Reihenfolge wird auf die Montagegruppen aller Monta-

gestufen des zu fertigenden Systems angewendet. Es endet, wenn keine sinnvolle Rei-

henfolgebildung mehr möglich ist. Beispiele für die Berechnung der Bewertungssumme

auf den niedrigeren Montagestufen finden sich im Anhang (siehe Anhang Kap. A4.8).

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Scheinwerfer

Montage

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Felge vorne

HMI

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Bremsschreibe

hinten

HMI

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Unterrohr MG Rahmen

MG Pedal-

einheit links

Montage

MG E-Einheit

MG Rahmen

gesamt

MG Rad hinten

MG Rad vorne

MG Lenker

Endmontage Pedelec

Montage

Unterrohr

Montage

HMI

MG Getriebe

Montage

Welle

Montage

HMI

Lichtsensor

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Lenker MG Lenker

Montage

Bremshebel

vorne

Bremshebel

hinten

Schalthebel

Steuerung

Schalthebel

Montage MG Getriebe

gesamt

Rücklicht Tourensattel

Montagestufe 0Montagestufe 1Montagestufe 2Montagestufe 3

Pedele

MG Rahmen

esamt

üc

kli

ourensatte

Pedelec

Montage Montage Montage Montage

Montage Montage

MG Gabeleinheit

MG Rad hinten

MG Getriebe

gesamt

MG Rad vorne

Tourensattel

MG Lenker

MG E-Einheit

MG Rahmen

gesamt

101

Die Bildung der Montagereihen-

folge führt zu einer Dekomposition

des Prozesses Endmontage.

Legende

Element der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliederung

Systemelement

Prozess

Verweis auf Parameter

Verweis auf Gestalt

Verweis auf Aggregation

Bewertungssumme

Seite 144 Kapitel 6

6.4.4 Auswahl neuer Montageverfahren

Das Ziel dieser Phase sind geeignete Montageverfahren19 für die Prozessschritte, die im

Unternehmen noch nicht existieren. Aufgrund der Vielfalt verfügbarer Verfahren und

möglicher Bauteilgeometrien ist eine automatische Auswahl bis heute kaum möglich

[SS94, S. 151]. Auch der schnelle Fortschritt im Bereich der IKT, z. B. semantische

Netze, konnte bisher keinen Durchbruch erzielen. Nur für einzelne Technologiefelder

konnten automatische Zuordnungen realisiert werden (siehe [EKS+05, S. 170ff.]). Die

Verfahren erfordern jedoch eine detaillierte Beschreibung der Aufgabe.

In der frühen Phase der Produktentwicklung sind die hierfür erforderlichen Informatio-

nen noch nicht verfügbar. Es liegen lediglich erste Skizzen, Hüllflächen und -volumina,

Kontaktbereiche und grobe Verbindungeigenschaften vor. Sie bilden die verfügbaren

Eingangsinformationen für die Auswahl der Montageverfahren. In dieser Phase werden

daher erste potentiell geeignete Montageverfahren bzw. Klassen von Montageverfahren

ausgewählt und der Lösungsraum eingeschränkt. Hieraus resultieren neue Erkenntnisse

und Restriktionen, die in die weitere Entwicklung des Produkts und des zugehörigen

Produktionssystems einfließen.

Die Auswahl des Montageverfahrens durch den Montageplaner ist stark von dessen

Erfahrungswissen abhängig. Somit kann es leicht zu einer subjektiv getroffenen Aus-

wahl kommen [Spu96, S. 11-3]. Um die Gefahr einer solchen Vorfixierung zu reduzie-

ren, ist eine systematische Vorgehensweise erforderlich. Für die Auswahl geeigneter

Montageverfahren wird im Rahmen der entwickelten Systematik in Anlehnung an das

Verfahren zur Verbindungsauswahl der VDI-Richtlinie 2232 [VDI2232, S. 10f.] vorge-

gangen20. Das Vorgehen ist in Bild 6-31 dargestellt.

Das Vorgehen umfasst die fünf Schritte: Formulierung der Verbindungsanforderungen,

Identifikation geeigneter Montageverfahren, Bewertung und Auswahl, Konkretisierung

der Prozesskette und Anpassung der Prinziplösung bzw. Verfahrensentwicklung. Diese

werden im Folgenden am Beispiel der Verbindung der Bauteile Sitzrohr (Bestanteil der

Montagegruppe MG Rahmen) und E-Träger (Bestandteil der Montagegruppe MG E-

Einheit) erläutert.

19 Als Montageverfahren werden die Tätigkeiten Fügen, Handhaben, Kontrollieren, Justieren und Son-

deroperationen wie Reinigen und Erwärmen verstanden (vgl. [Lot06a, S. 2]). Der Fokus in der frühen

Phase liegt hierbei auf der Auswahl der Fügeverfahren. Diese sind bereits frühzeitig relevant, da sie ei-

nen erheblichen Einfluss auf das Produktkonzept und insb. die Produktgestalt haben.

20 Vgl. Verfahren zur Auswahl von Fertigungstechnologien nach FALLBÖHMER [Fal00, S. 46ff.].

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 145

Bild 6-31: Auswahl von Montageverfahren in Anlehnung an [VDI2232, S. 10f.]

6.4.4.1 Formulierung der Verbindungsanforderungen

Den Ausgangspunkt bildet der betrachtete Prozessschritt aus dem Partialmodell Prozes-

se des Produktionssystemkonzepts. Dieser ist über die zu erfüllende Montagefunktion

beschrieben (vgl. Kap. 6.4.1). Die von der Bauteilverbindung an den Prozessschritt ge-

stellten Anforderungen leiten sich aus den Partialmodellen Anforderungen, Wirkstruk-

tur und Gestalt der Prinziplösung des Produkts ab (vgl. Kapitel 2.6.1). Den Kern bilden

die Verbindungseigenschaften (vgl. Kap. 6.1.4), die im Partialmodell Wirkstruktur oder

Gestalt spezifiziert sind21. Die aus den Verbindungseigenschaften resultierenden Anfor-

derungen werden durch weitere Anforderungen aus dem gleichnamigen Partialmodell

ergänzt. Beispiele sind Angaben zur Taktzeit, der Verbindungsqualität, den zulässigen

Montagekosten oder der Mitarbeiterqualifikation. Für die Ermittlung weiterer Anforde-

rungen an die Verbindung existieren Checklisten22. Diese beschreiben verbindungsrele-

vante Faktoren, die ggf. zu ergänzen sind. Als Resultat liegen die gestellten Verbin-

dungsanforderungen vor. Bild 6-32 zeigt diese am Beispiel der Verbindung von Sitzrohr

und E-Träger.

21 Dies ist von der Art der verwendeten Gestaltbeschreibung abhängig (vgl. Kap. 6.1.2).

22 Eine Übersicht verfügbarer Checklisten gibt [VDI2232, S. 15] (siehe Anhang Tabelle A-1).

Akku Steuerung

Rahmen

Vorderrad Hinterrad

Gabel

Lenker

Wirkstruktur

Prozesse

Alurohr Schneiden Oberrohr

Alurohr Schweißen Sitzrohr Rahmen

schweißen Rahmen

Unterrohr

Prozesse

Oberrohr

Sitzrohr

Rahmen

montieren Rahmen

Gestalt (Produkt)

Anforderungen

2.1

3.1

2.2

3.2

2.3

Geometrie

Fertigung

Automatisierungsgrad: >60%

Ausbringungsmenge: 5.000 p.a.

Radgröße: 28 zoll

Rahmengröße: 500 mm

Radstand: 120 mm

Verbindungsanforderungen

Kenndaten von

Montageverfahren

Konstruktionskataloge, Datenbanken,

Ashby-Diagramme, Auswahlmatrizen,

unternehmensspezifische Technologie-

dokumentationen, Herstellerkataloge

Identifikation

geeigneter

Verfahren

Prinziplösung des Produkts (Ausschnitt)

Geeignete

Verfahren

gefunden

Kein geeignetes

Verfahren gefunden

Verfahrens-

entwicklung

Anpassung der

Prinziplösung

Formulierung der Verbindungsanforderungen

Identifikation geeigneter Montageverfahren

Bewertung und Auswahl

Konkretisierung der Prozesskette

Anpassung der Prinziplösung

bzw. Verfahrensentwicklung

Konkretisierung der Prozesskette

Seite 146 Kapitel 6

Bild 6-32: Verbindungsanforderungen der Verbindung Sitzrohr – E-Träger

6.4.4.2 Identifikation geeigneter Montageverfahren

Das Ziel dieses Arbeitsschrittes sind geeignete Montageverfahren zur Erfüllung der ge-

stellten Anforderungen. Den Verbindungsanforderungen werden die Eigenschaften vor-

handener Montageverfahren gegenübergestellt [VDI2232, S. 7f.]. Der Abgleich der ge-

forderten und der realisierbaren Eigenschaften ermöglicht die Identifikation geeigneter

Montageverfahren bzw. Verfahrensklassen. Geeignete Hilfsmittel sind Konstruktions-

kataloge z. B. nach ROTH [Rot01] und zugehörige Datenbanken, Prozessauswahlmatri-

zen und -diagramme nach ASHBY [Ash07, S. 197ff.], Auswahlmatrizen für Fügeverfah-

ren nach SWIFT/BOOKER [SB03, S. 31ff.] sowie Schrifttum [VDI2232, S. 8f.]. Einige

Beispiele sowie eine Übersicht verfügbarer Konstruktionskataloge sind im Anhang er-

läutert (siehe Anhang Kap. A2). Die Auswahl kann durch unternehmensspezifische

Technologiedokumentationen und Recherchen (Internet, Herstellerkataloge, Messen)

ergänzt werden.

Eine effiziente Zuordnung von Montageverfahren zu Montageprozessen bzw. Bauteil-

verbindungen wird erst durch eine IT-technische Unterstützung möglich. Die Montage-

verfahren werden in einer hierarchischen Gliederung strukturiert. Hierbei wird für Fü-

geverfahren auf die Gliederung der DIN 8593 [DIN8593-0, S. 5] (siehe Anhang Bild A-

20), für Verfahren des Handhabens und des Kontrollierens auf die Gliederung der VDI-

Richtlinie 2860 [VDI2860, S. 4] (siehe Anhang Bild A-21) sowie für die Justierverfah-

ren auf die Gliederung nach SPUR ET AL. [SH86, S. 592] (siehe Anhang Bild A-22) zu-

rückgegriffen. Analog zu den Verbindungseigenschaften (vgl. Kap. 6.1.4) werden den

einzelnen Montageverfahren Eigenschaften zugeordnet. Die Verknüpfung von Monta-

geverfahren und Verbindungseigenschaften kann über semantische Beziehungen erfol-

gen und bspw. in Form einer Ontologie umgesetzt werden. In der Ontologie werden die

E-Träger mit

Sitzrohr

verbinden

E-Träger

Sitzrohr

r mit

ohr

binden

Verbindungstyp

Primäre Schlussart

Lösbarkeit

Art der Verbindung

Zugänglichkeit

Weitere Eigenschaften

Korrosion der Fügestelle vermeiden

Primäre Fügezeit: < 60 s

Kostengünstigstes Fügeverfahren

starr

Elemente Sitzrohr E-Träger

Wirkflächen nicht

definiert Unterseite

Werkstoffe Al-Guss ABS

Formschluss / Kraftschluss

- noch nicht festgelegt -

mittelbar / unmittelbar

einseitig

Mit Standardwerkzeugen lösbar

Mit Handkraft fügbar

Allgemeine Anforderungen

Verbindungseigenschaften

Legende

Element der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliederung

Systemelement

Prozess

Verweis auf Parameter

Verweis auf Gestalt

Verweis auf Anforderungen

Verweis auf Aggregation

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 147

in einer Datenbank gespeicherten Informationen strukturiert. Hierdurch werden die In-

formationen maschinenlesbar und der Montageplaner kann bei der Auswahl geeigneter

Montageverfahren unterstützt werden23 [GBK10, S. 349f.]. Weiterhin ist eine Anbin-

dung bestehender Datenbanken möglich24. Bild 6-33 zeigt beispielhaft die Zusammen-

hänge von Montageverfahren und Verbindungseigenschaften.

Bild 6-33: Beispielhafte Darstellung der Zusammenhänge von Montageverfahren und

Verbindungseigenschaften [GBK10, S. 350]

Beispiele für Verbindungseigenschaften sind geeignete Materialien, Art des Zusammen-

halts, Zugänglichkeit der Fügestelle, Reproduzierbarkeit, Automatisierbarkeit, Füge-

dauer, Fügeenergie oder Verbindungskosten (vgl. [Gai81, S. 32f.]). Weiterhin werden

den Montageverfahren technologisch bedingte Vor- und Nachbehandlungen zugeordnet,

z. B. die Reinigung vor einem Klebeprozess oder Vorlochoperationen bei Zugdornniet-

verbindungen. Die Montageverfahren werden in Form von Steckbriefen beschrieben.

Der Aufbau orientiert sich an den Technologiesteckbriefen für Fertigungstechnologien

nach ASHBY [Ash07, S. 210] und wurde auf die Gegebenheiten von Montageverfahren

angepasst. Bild 6-34 zeigt den Ausschnitt eines Steckbriefs. Der gesamte Steckbrief ist

in Anhang zu finden (Anhang Bild A-24).

Es kann vorkommen, dass nicht alle Verbindungsanforderungen durch ein einzelnes

Montageverfahren erfüllt werden. Ein Beispiel ist die Dichtheit einer lösbaren Verbin-

dung. Abdichtende Verfahren wie Schweißen und Kleben kommen nicht in Frage. Mög-

liche Lösungen sind das Einbringen einer Dichtmasse im Fügeprozess oder die kon-

23 Vgl. Arbeiten im Verbundprojekt ENTIME [GSA+11]

24 Eine Übersicht verfügbarer Datenbanken und Datensammlungen im Bereich fester Verbindungen ist in

[VDI2232, S. 71] gegeben.

Handhaben

Kontrollieren

Justieren

Sonder-

operationen

Fügeverfahren

Fügen d.

Urformen Fügen d.

Umformen

Fügen d.

Schweißen

Fügen d.

Löten

Montage-

verfahren

wird beschrieben

durch

Legende

Hierarchische Beziehung

Semantische Beziehung

An- und

Einpressen

Klemmen

Press-

verbindung Schrauben

Klammern

Verspannen

Verbindungs-

eigenschaften

Art des

Zusammenhalts

Lösbarkeit

der Verbindung

Fügbare

Materialien

Zugänglichkeit

besteht

aus

besteht

aus

besteht

aus

besteht

aus

Seite 148 Kapitel 6

struktive Integration eines Dichtelements. Die zusätzlich erforderlichen Prozessschritte

werden zu einer Technologiekette ergänzt. In Abhängigkeit der gewählten Kerntechno-

logie ergeben sich alternative Technologieketten [Fal00, S. 59].

Bild 6-34: Technologiesteckbrief für ein Montageverfahren nach ASHBY [Ash07,

S. 210]25 (Ausschnitt)

6.4.4.3 Bewertung und Auswahl

Nach der Identifikation geeigneter Montageverfahren liegt meist nicht eine einzelne

mögliche Lösung vor. In der Regel ergeben sich verschiedene alternative Lösungskon-

zepte, die sich hinsichtlich Prozessreihenfolge und den eingesetzten Montageverfahren

unterscheiden. Bild 6-35 zeigt beispielhaft zwei verschiedene Prozessketten für die

Montage der Bauteile E-Träger und Sitzrohr. Je nach Anzahl der alternativen Prozess-

kombinationen ist eine Einschränkung des Lösungsraums ratsam. Hierdurch können die

Komplexität und der Aufwand im weiteren Verlauf der Produktentstehung reduziert

werden. Alternativ ist es natürlich auch möglich, die maximale Anzahl der Prozessalter-

nativen weiter zu verfolgen.

25 Vgl. auch [VDI2232, S. 4.], [DIN8593-3, S. 3].

Beschreibung Prinzipskizze

Schrauben (Anschrauben, Einschrauben, Verschrauben, Festschrauben)

Verfahrensklasse nach [DIN8580], [DIN8593]

Werkstoffklassen Gestaltklassen

Fügen durch Anpressen mittels selbsthem-

menden Gewindes.

• Hauptgruppe 4 Fügen

• Gruppe 4.3 Anpressen / Einpressen

• Untergruppe 4.3.1 Schrauben

• Metalle

• NE-Metalle

• Kunststoffe

• Holz

• Prismatisch

• Blech

• 3-dimensional

• Zu verbindende Teile: Verbindungspartner a, b

• Verbindungsmittel: Schraube c

• Wirkflächen

- c4 für Werkzeug zur M&D

- a2, c1 Fase zum leichten Fügen

- b2, c2 Bewegungsgewinde bei M&D

• Wirkflächenpaare

• Verbindungstyp starr

• Primäre Schlussart Kraftschluss

Verbindungseigenschaften

a4/c3

a1/b1

b2/c2

c4 c

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 149

Bild 6-35: Alternative Prozesskombinationen am Beispiel der Montage des E-Trägers

Die Bewertung und Auswahl der alternativen Montageprozesse orientiert sich am Vor-

gehen zur Bewertung prinzipieller Lösungsvarianten mittels der Nutzwertanalyse nach

PAHL/BEITZ [PBF+07, S. 268ff.] (vgl. [Nor12, S. 130]). Alle entwickelten Konzepte

erfüllen die rein technischen Anforderungen. Für die Bewertung sind daher auch nicht-

technische Kriterien heranzuziehen (z. B. Kosteneffekte, erforderliche Mitarbeiterquali-

fikationen). Ein geeignetes Mittel für die Bewertung in der frühen Phase der Pro-

duktentstehung sind die Methoden und Werkzeuge der strategischen Technologiepla-

nung, bspw. Technologie-Roadmaps oder Technologieportfolios. Hierdurch wird si-

chergestellt, dass Produkt und Montageprozess entsprechend der langfristigen Techno-

logiestrategie des Unternehmens entwickelt werden. Die strategische Technologiepla-

nung steht nicht im Fokus dieser Arbeit. Entsprechende Vorgehensweisen sowie Me-

thoden und Werkzeuge finden sich in der einschlägigen Fachliteratur26. Weitere Metho-

den zur Bewertung der Prozessalternativen sind das Methods-Time Measurement

(MTM), die Montagekostenbewertung nach BOOTHROYD ET AL. [PL11, S. 232] oder die

Herstellkostenbewertung nach LANZA ET AL. Die detaillierte Beschreibung der Metho-

den findet sich in der zugehörigen Fachliteratur27.

Die Auswahl des Fügeverfahrens muss in enger Abstimmung erfolgen, da ein direkter

Einfluss auf die Produktentwicklung besteht. Die gewonnenen Informationen fließen in

die Produktentwicklung ein, in deren Rahmen die Verbindung detailliert und ausgelegt

wird. Weiterhin werden die notwendigen Formelemente definiert.

26 Siehe z. B. [AG05], [Ger05], [MI05], [GPW09], [SK10]

27 Siehe MTM: [AHK69] / Montagekosten: [BDK11] / Herstellkosten: [NGL+10, S. 1ff.], [LBP12,

S. 153ff.]

Alternative 1 - Fügetechnologie Schraube

Alternative 2 - Fügetechnologie Zugdornniet

Legende

Element der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliederung

Systemelement Prozess Verweis auf Parameter

Verweis auf Gestalt Verweis auf Aggregation

E-Träger

verschrauben

E-Träger

2 x D5 in

Sitzrohr

einbringen

Gewinde

schneiden Sitzrohr

E-Träger

vernieten

E-Träger

Sitzrohr

2 x D6 in

Sitzrohr

einbringen

Seite 150 Kapitel 6

6.4.4.4 Konkretisierung der Prozesskette

In den vorangegangenen Schritten wurden für die Prozessschritte geeignete Montage-

verfahren ausgewählt. Hierbei kann es sich um einzelne Verfahren oder erste Prozess-

ketten handeln. In diesem Schritt wird das Partialmodell Prozesse ergänzt. In Bild 6-36

ist dies am Beispiel der Montage des E-Trägers dargestellt.

Bild 6-36: Konkretisierung des Montageprozesses am Beispiel des E-Trägers

Wie im gezeigten Beispiel zu sehen ist, kann es zu einer Aufteilung der Prozesskette

kommen. Als Fügeverfahren wurde das Schrauben gewählt. Dies erfordert eine Vor-

lochoperation und die Erzeugung eines Gewindes. Das Gewinde wird in das Sitzrohr

der Montagegruppe MG Rahmen eingebracht. Dies erfolgt jedoch nicht direkt vor dem

Schraubprozess sondern im Rahmen der Bearbeitung des Sitzrohrs vor dem Fügevor-

gang des Rahmens.

6.4.4.5 Anpassung der Prinziplösung / Verfahrensentwicklung

Bei der Suche nach Montageverfahren kann es durchaus vorkommen, dass zu den ge-

stellten Verbindungsanforderungen kein geeignetes Montageverfahren gefunden wird.

Es ist zu prüfen, ob Anpassungen der Prinziplösung möglich sind und ob dadurch be-

stehende Montageverfahren genutzt werden können. Weiterhin ist abzuschätzen, ob der

Anstoß einer Verfahrensentwicklung unter technischen und wirtschaftlichen Gesichts-

punkten möglich ist.

2 x D5 in

Sitzrohr

einbringen

Gewinde

schneiden Sitzrohr

E-Träger

verschrauben

MG E-Einheit

MG Rahmen

mit Gabel

Legende

Element der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliederung

Systemelement Prozess Verweis auf Parameter

Verweis auf Gestalt Verweis auf Aggregation

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 151

6.4.5 Ableitung von Produktrestriktionen

Durch die Auswahl der Montageverfahren und die Bildung von Prozessketten ergeben

sich Restriktionen für das zu entwickelnde Produkt. Dies gilt insb. für die Wahl der Fü-

geverfahren, die bspw. einen großen Einfluss auf die Materialpaarung und die Gestalt

der Fügestelle haben. Zum Beispiel besteht die Montagegruppe MG Rahmen aus mehre-

ren Bauteilen, welche durch ein einheitliches Fügeverfahren verbunden werden sollen.

Als Rahmenwerkstoff stehen Aluminium, Stahl und faserverstärkter Kunststoff zur

Auswahl. Die möglichen Fügeverfahren sind Schweißen, Löten und Kleben. Das Füge-

verfahren hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Produktgestalt. Beim Löten

werden die Rohre gerade abgelängt und mit Hilfe von Muffen verbunden. Im Fall des

Schweißens werden die Rohre im Stumpfstoß gefügt. Die Rohrenden müssen entspre-

chend der Stoßkontur ausgeschnitten werden. Der Einsatz eines Klebeverfahrens erfor-

dert Klebeflächen, welche bzgl. Dimensionierung und Ausrichtung auf die Belastung

anzupassen sind. Im gezeigten Beispiel kommt das Schweißen zum Einsatz.

Die aus der Fertigung und Montage resultierenden Restriktionen an das Produkt werden

heute in Form generischer Gestaltungsrichtlinien dokumentiert. Diese Hinweise für die

Produktentwicklung werden in der Regel als Kombination aus bildhaften und semanti-

schen Informationen beschrieben (Bild 6-37). Für die füge- und montagegerechte Ge-

staltung28 existiert in der Fachliteratur eine Vielzahl von Arbeiten. Da die montagege-

rechte Gestaltung des Produkts nicht im Fokus dieser Arbeit steht, sei an dieser Stelle

auf die einschlägige Fachliteratur29 verwiesen.

Bild 6-37: Gebräuchliche Darstellung von Richtlinien zur montagegerechten Gestal-

tung [KPP+06, S . 485]

28 Auch als Design for Assembly (DfA) bezeichnet oder unter Design for Manufacture and Assembly

(DfMA) subsummiert.

29 Siehe z. B. [Gai81], [AKL85], [Hes94], [BDK11], [HB11].

Gestaltungsregeln Kleben

Klebeschicht

reißt auf

ungünstig günstig Beschreibung

Klebeverbindungen

sollten stets flächig

und im Idealfall

überlappend aus-

geführt sein. Die

Überlappungslänge

sollte mindestens

das 5-fache der

Fügeteildicke be-

tragen. Stumpfe

Verbindungen sind

als ungünstig zu

bewerten.

Zugbelastung Abscherung

Seite 152 Kapitel 6

Die effiziente Nutzung und Bereitstellung der Gestaltungsrichtlinien erfordert eine

Rechnerunterstützung. Die Richtlinien müssen an die Montageverfahren gekoppelt wer-

den, so dass dem Entwickler in Abhängigkeit von dem gewählten Verfahren bedarfsge-

recht die passenden Richtlinien zur Verfügung gestellt werden. Ein geeignetes Mittel

für die Identifikation und Bereitstellung der Gestaltungsrichtlinien ist die von BAUER

entwickelte Datenbank [Bau07, S. 6f.], [Bau09, S. 103f.] (vgl. Kap. 3.5.2). Die Kopp-

lung von Montageverfahren und Gestaltungsrichtlinien erfolgt über die definierten

Merkmale der Gestaltungsrichtlinien. Hierbei kann es sich bspw. um ein konkretes Ver-

fahren bzw. eine Verfahrensklasse, betroffene Werkstoffe oder die Lösbarkeit einer

Verbindung handeln. Die Kopplung kann durch eine Erweiterung der Ontologie reali-

siert werden (vgl. Kap. 6.4.4.2). Wird für einen Montageprozess ein Montageverfahren

ausgewählt, ermöglicht die Datenbank auf Basis der Merkmale die Identifikation der

zugehörigen Gestaltungsrichtlinien. Die Bereitstellung der identifizierten Gestaltungs-

richtlinien erfolgt über eine Zuordnung zu den Bauteilen und Baugruppen in der Prin-

ziplösung. Bild 6-38 verdeutlicht diesen Zusammenhang.

Bild 6-38: Zuordnung von Gestaltungsrichtlinien zu den Bauteilen und Baugruppen

der Prinziplösung

Im gezeigten Beispiel wurde als Rahmenwerkstoff Aluminium und als Fügeverfahren

WIG-Schweißen gewählt. Für die Verfahrensklasse Schweißen liegt eine Vielzahl von

Gestaltungsrichtlinien vor. Diese werden über einen Querverweis mit den betroffenen

Systemelementen der Prinziplösung verknüpft. Hierdurch wird eine bedarfsgerechte

Bereitstellung der Gestaltungsrichtlinien im weiteren Entwicklungsprozess ermöglicht.

Der Produktentwickler bekommt bei der Konkretisierung eines Systemelements bzw.

von dessen Gestalt die zugewiesenen Gestaltungsrichtlinien angezeigt. Weiterhin wird

eine transparente Nachverfolgbarkeit der Entscheidungen hinsichtlich Gestalt und Mon-

tageverfahren ermöglicht. Wird ein Montageverfahren geändert, werden die verknüpften

Gestaltungsrichtlinien automatisch aktualisiert. Änderungsbedarfe in der Gestaltfestle-

gung können so einfacher aufgezeigt werden.

Rahmen

schweißen MG Rahmen

Oberrohr

Steuerrohr

Gestaltungsrichtlinie ID 185

Typ: Bremsscheibe, schwimmend

Systemelement Parameter

Gestaltungsrichtlinie ID 133

Gestaltungsrichtlinie ID 190

(Ausschnitt)

ID DfX-Aspekt Quelle

185 montagegerecht

fertigungsgerecht

HESSE, S.: Montage-Atlas.

Hoppenstedt Technik Tabellen

Verlag, Darmstadt, 1994

DBID

---

Richtlinie

Vermeidung von Nahtanhäufungen und Nahtkreuzungen

im Stoßbereich der Bauteile.

2 x D5 in

Sitzrohr

einbringen

Gewinde

schneiden Sitzrohr

Legende

Element der montage-

orientierten Erzeugnis-

gliederung

Systemelement

Prozess

Verweis

Verweis auf Parameter

Verweis auf Aggregation

Verweis auf Gestalt

Identifikationsnummer

Datenbank ID

DBID

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 153

6.5 Konzipierung des Montagesystems

Im Anschluss an die Konzipierung des Montageprozesses erfolgt die Konzipierung des

zugehörigen Montagesystems. Unter Montagesystem werden hierbei die Ressourcen

verstanden, d. h. die Arbeitsmittel und das Personal, welche für die Ausführung der Pro-

zesse benötigt werden [DIN69901-5, S. 17]. Durch die Auswahl von Ressourcen kann

bereits in der Konzipierung eine grobe Vorstellung des Produktionssystems erzeugt

werden, bspw. über Materialflüsse, Raumbedarfe und Anordnungen. Weiterhin kann die

Integration des Produktionssystems in bestehende Produktionsbereiche geplant und ab-

geschätzt werden. Das Vorgehen erfolgt in zwei Schritten und ist in Bild 6-39 beschrie-

ben. Zunächst werden geeignete Betriebsmittel und Personal ausgewählt und den ein-

zelnen Prozessschritten zugewiesen. Dies erfolgt im Partialmodell Ressourcen. An-

schließend werden Gestaltinformationen (z. B. Abmessungen, Arbeitsräume) und die

Anordnung der Ressourcen im Partialmodell Gestalt spezifiziert (vgl. Kap. 2.6.1).

Bild 6-39: Vorgehen zur Konzipierung des Montagesystems

6.5.1 Auswahl und Zuweisung der Ressourcen

Das Vorgehen zur Auswahl und Zuweisung der Ressourcen eines Montagesystems un-

terscheidet sich nicht von dem Vorgehen bei der Auswahl von Fertigungseinrichtungen.

Aus diesem Grund kommt in der vorliegenden Arbeit das Vorgehen zur Konzipierung

auf Ressourcenebene nach NORDSIEK zum Einsatz [Nor12, S. 131ff.]. Das Vorgehen

gliedert sich in fünf Schritte, die im Folgenden am Anwendungsbeispiel kurz beschrie-

ben werden. Ein Phasen-Meilenstein-Diagramm der Teilschritte findet sich im Anhang

(siehe Anhang Bild A-25), eine detaillierte Beschreibung in [Nor12, S. 131ff.].

6.5.1.1 Analyse der Eingangsinformationen

Im ersten Schritt werden die erforderlichen Informationen ermittelt. Diese gliedern sich

nach TROMMER in die Klassen Bauteil, Produktionsaufgabe und Produktionsumgebung

[Tro01, S. 50f.]. Informationen zum Bauteil sind Angaben zu Abmessungen, dem

Werkstoff oder der Masse. Sie werden aus dem Partialmodell Gestalt entnommen. Die

Seite 154 Kapitel 6

Produktionsaufgabe beschreibt die einzusetzenden Technologien und Verfahren. Die-

se Informationen werden aus dem Prozessdiagramm entnommen werden. Hierbei ist zu

berücksichtigen, dass während der Konzipierung häufig mehrere Technologiealternati-

ven betrachtet werden. Die Klasse Produktionsumgebung umfasst sämtliche Informa-

tionen über die verfügbaren Ressourcen, d. h. die im Unternehmen zur Verfügung ste-

henden Betriebsmittel und das Personal. In den eingesetzten Enterprise Resource Plan-

ning (ERP) oder Manufacturing Execution System (MES) sind diese Informationen im

Unternehmen vorhanden.

Die Zusammenhänge sind in Bild 6-40 dargestellt. Der Ressourcenbedarf wird über die

Klassen Bauteil und Produktionsaufgabe beschrieben. Die Produktionsumgebung stellt

das Ressourcenangebot dar. Auf Basis dieser Eingangsinformationen sind der Bedarf

und das Angebot aufeinander abzustimmen.

Bild 6-40: Eingangsinformationen für die Ressourcenzuordnung nach [Nor12, S. 133]

6.5.1.2 Erstellen von Ressourcenmatrizen

Auf Grundlage der Eingangsinformationen wird eine Morphologie von Ressourcen auf-

gebaut. In Anlehnung an TROMMER erfolgt die Abbildung in Matrixform [Tro01, S. 60].

Für jeden Prozessschritt im Arbeitsablauf werden geeignete Ressourcen identifiziert und

in der Matrix aufgenommen (Bild 6-41). Kann zu einem Prozessschritt keine geeignete

Ressource identifiziert werden, muss eine Abstimmung mit der Produktentwicklung

erfolgen. Es wird geprüft, ob der Prozessschritt oder die Bauteile so angepasst werden

können, dass eine Ressource aus der Produktionsumgebung genutzt werden kann. Ist

dies nicht möglich, muss der entsprechende Prozessschritt ausgelagert werden oder es

ist in neue Ressourcen zu investieren.

6.5.1.3 Analyse der Verfügbarkeit

In der vorangegangenen Erstellung der Ressourcenmatrix wurde nur die technologische

Eignung der Ressourcen betrachtet. In diesem Schritt wird die Verfügbarkeit in die Be-

trachtung mit einbezogen. Dieser ergibt sich aus der bisherigen Auslastung und dem zu

erwartenden Produktionsprogramm des neuen Produkts. In Folge der Verfügbarkeits-

Akku Steuerung

Rahmen

Vorderrad Hinterrad

Gabel

Lenker

Wirkstruktur

Alurohr Schneiden Oberrohr

Alurohr Schweißen Sitzrohr Rahmen

schweißen

Rahmen

Unterrohr

Prozesse

Gestalt (Produkt)

Bauteil / Baugruppe

• Abmessungen

• Masse

• Werstoff

Produktionsumgebung

• Arbeitsmittel

- Technologie / Verfahren

- max. Werstückabmessung

- max. Werstückmasse

- Losgrößeneignung

- Automatisierungsgrad

• Personal

• Auslastung

Produktionsaufgabe

• Technologie

• Verfahren

Auswahl

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 155

analyse kann es zu einer Reduzierung der Anzahl der alternativen Ressourcen in der

Ressourcenmatrix kommen.

6.5.1.4 Verknüpfung zu Ressourcenfolgen

Für die einzelnen Prozessschritte werden aus der Menge der geeigneten und verfügba-

ren Ressourcen in der Ressourcenmatrix ausgewählt (Bild 6-41). Ihre Verkettung wird

als Ressourcenfolge bezeichnet. Die grundsätzlichen Ziele sind hierbei kurze Material-

flusswege, eine geringe Anzahl von Werkstückübergaben und ein hoher Automatisie-

rungsgrad [Tro01, S. 60f.].

Bild 6-41: Bildung von Ressourcenfolgen

6.5.1.5 Aufstellen des Ressourcendiagramms

Auf Basis der getroffenen Auswahl wird das Partialmodell Ressourcen erstellt. In die-

sem werden die Ressourcen spezifiziert und durch Materialflüsse verknüpft. Die Mate-

rialflüsse zwischen den Ressourcen ergeben sich aus der Abfolge der Prozessschritte. In

Bild 6-42 ist ein Ausschnitt des Ressourcendiagramms für das Anwendungsbeispiel

Pedelec dargestellt. Im Verlauf der weiteren Konzipierung des Produktionssystems wird

das Ressourcendiagramm detailliert und konkretisiert.

Gabelschaft ScheinwerferBremseinheit

Motor Drehimpuls-

geber

Drehimpuls-

geber

einpressen

Bremseinheit

anschrauben

Scheinwerfer

klemmen

Lagersitz Gabelschaft

und Lagersitz

verschweißen

Motor

montieren

(Schrauben)

Ressource

WIG-Arbeitsplatz

Nr.: 340

Schweißroboter

Nr.: 210

Ressource

Montagelinie

Nr.: 611

Montageinsel

Nr.: 640

Montageplatz Ant.

Nr.: 680

Ressource

Montagelinie

Nr.: 612

Montageinsel

Nr.: 640

Montageplatz Ant.

Nr.: 680

Ressource

Montagelinie

Nr.: 613

Montageinsel

Nr.: 640

Ressource

Montagelinie

Nr.: 614

Montageinsel

Nr.: 640

Legende

Systemelement

Prozess

Verweis auf Parameter

Verweis auf Ressource

Verweis auf Gestalt

Verweis auf Aggregation

Verweis

Ressourcenfolge Variante 1 Ressourcenfolge Variante 2

Seite 156 Kapitel 6

Bild 6-42: Ressourcendiagramm des Produktionssystems für das Pedelec (Ausschnitt)

6.5.2 Anordnung der Ressourcen

Das Ziel dieser Phase ist ein Groblayout des Montagesystems. Den Ausgangspunkt bil-

den die Gestaltinformationen der einzusetzenden Ressourcen. Häufig ist das Montage-

system in ein bestehendes Fabrikgebäude bzw. ein bestehendes Produktionssystem zu

integrieren. In diesem Fall sind die Ressourcen im Hallenlayout anzuordnen. Restriktio-

nen bestehen hierbei bspw. durch Betriebsmittel anderer Produktionssysteme, bestehen-

de Fahrwege und Lagerflächen oder die Medienversorgung.

Der Detaillierungsgrad der Gestaltinformationen der Ressourcen ist in der frühen Phase

noch sehr unterschiedlich. Werden bestehende Ressourcen genutzt bzw. handelt es sich

bei neu zu beschaffenden Ressourcen um „Standard“-Maschinen (z. B. Werkzeugma-

schinen) liegen detaillierte Gestaltinformationen vor. Im Fall von produktspezifisch

anzufertigenden Betriebsmitteln (z. B. ein Roboterkarussell für die vollautomatische

Rahmenfertigung) können Gestaltinformationen wie Platzbedarf und Arbeitsraum in der

frühen Phase meist nur sehr grob abgeschätzt werden. Andererseits kann auch aus dem

Hallenlayout der maximal zur Verfügung stehende Raum für solche Betriebsmittel ab-

geleitet werden. Die Ressourcen werden im Hallenlayout positioniert. Die rechnerinter-

ne Abbildung der Gestaltinformationen erfolgt im Partialmodell Gestalt (Produktions-

system) (vgl. Kap. 2.6.1). Bild 6-43 zeigt einen Ausschnitt des Groblayouts.

Legende

Ressource

Materialfluss

Verweis

Verweis auf Parameter

Verweis auf Prozess

Verweis auf Gestalt

Verweis auf Aggregation

Gabelschaft

Lagersitz

MG Rahmen komplett

MG Gabeleinheit

Motor

Drehimpulsgeber

Bremseinheit

Scheinwerfer

MP Antrieb

(680)

WIG-Arbeitsplatz

(340)

Montageinsel

(640)

Hauptmontagelinie

Station 1 (601)

600

500

Eingangselemente: Gabelschaft, Lagersitz

Typ: Hybride Montagezelle

Verfahren: WIG-Schweißen

Maschine: 6-Achs-Roboter KR30-3

Ressource Parameter

Ressourcen-Nr.: 340

Ausgangselemente: Gabel

Werkstückgröße (max.): 1.000 x 1.600 mm

Werkstückmasse (max.): 120 kg

Automatiserung: 50 % (manuelle Beschickung)

Ressource Gestalt

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 157

Bild 6-43: Layout des Montagebereichs des Pedelecs (Ausschnitt)

In den Arbeitsstationen im oberen Teil des Bildes erfolgt die Montage der Montage-

gruppe MG Gabeleinheit. Gabelschaft und Lagersitz werden am WIG Arbeitsplatz (340)

verschweißt. Die Arbeitsumfänge der Ressource Montageplatz Antrieb (680) sind die

Montage des Motors und des Drehimpulsgebers. Anschließend werden die Bremsein-

heit und der Scheinwerfer an der Montageinsel Gabel (640) montiert. Die grundsätzli-

chen Abmessungen der Stationen sind aus der Montage konventioneller Laufräder be-

kannt. In der unteren Bildhälfte ist die Aufstellfläche für die Hauptmontagelinie (601 –

607) zu sehen. Für diese stehen noch keine detaillierteren Gestaltinformationen zu Ver-

fügung. Auf Basis des Hallenlayouts wurde die maximal zur Verfügung stehende Flä-

che ermittelt.

Das so entstehende Groblayout lässt Rückschlüsse auf Materialflüsse zu. Hieraus kön-

nen die notwendigen Handhabungsschritte und die dafür notwendigen Betriebsmittel

abgeleitet werden. Weiterhin bildet das Groblayout den Ausgangspunkt für die Ar-

beitsmittel- und Arbeitsstättenplanung.

6.6 Bewertung der Anforderungserfüllung der Systematik

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist der Lückenschluss zwischen der Produktkonzi-

pierung und der Konzipierung des Produktionssystems. Hierzu wurde eine Systematik

für die integrative Konzipierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mechatroni-

scher Systeme erarbeitet. Die Systematik erfüllt die an sie gestellten Anforderungen

(vgl. Kap. 2.8) vollumfänglich. Im Folgenden wird dies erläutert.

WIG

Arbeitsplatz

(340)

Montageplatz Antrieb

(680)

Montageinsel Gabel

(640)

Hauptmontagelinie

(601 - 607)

Seite 158 Kapitel 6

A1) Anwendbarkeit in der Mechatronik: Den Ausgangspunkt der Methodik bildet

die Prinziplösung des mechatronischen Systems. Bei der montageorientierten Struktu-

rierung werden sowohl bauliche Beziehungen als auch Informations- und Energieflüsse

berücksichtigt (vgl. Kap. 6.3.2). Die integrierten Methoden für die Bestimmung der

Montagetechnologien sowie die zugrunde liegenden Datenbanken sind allgemein an-

wendbar und erweiterbar. Somit findet auch die für die Mechatronik wichtige Aufbau-

und Verbindungstechnik Berücksichtigung (vgl. Kap. 6.4.4).

A2) Abstimmung auf die Entwicklungsmethodik für die integrative Konzipierung

mechatronischer Systeme: Die Systematik beginnt mit der Konzipierung der Produkt-

gestalt und somit im Rahmen der Konzipierung auf Systemebene. Parallel und in enger

Abstimmung zur weiteren Konkretisierung des Produktkonzepts erfolgt die Konzipie-

rung des Montagesystems. Aus diesem ergeben sich Restriktionen an die Produktge-

stalt, welche in den Produktentwicklungsprozess eingebracht werden (vgl. Kap. 5.3).

Weiterhin nutzt die Systematik die Spezifikationstechnik CONSENS für die fachdis-

ziplinübergreifende Beschreibung der Konzepte von Produkt und Produktionssystem

(vgl. Kap. 2.6.1). Somit fügt sich die entwickelte Systematik nahtlos in die Entwick-

lungsmethodik für die Konzipierung mechatronischer Systeme ein.

A3) Prinziplösung als Ausgangspunkt: Die Systematik setzt bereits in der Phase der

Konzipierung auf Systemebene ein (vgl. Kap. 5.3) und ermöglicht die Konzipierung der

Produktgestalt (vgl. Kap. 6.1.1). Somit wird bereits die Erstellung der Prinziplösung

unterstützt. Die enthaltenen Informationen bilden den Ausgangspunkt für die anschlie-

ßende Konzipierung der Montage.

A4) Frühzeitige Spezifikation der Produktgestalt: Die Prinziplösung umfasst bereits

erste geometrische Festlegungen. Für die Spezifikation der Produktgestalt bietet die

Systematik ein allgemeinverständliches Beschreibungsmittel (vgl. Kap. 6.1.1). Weiter-

hin wird die Formalisierung von Bauzusammenhängen (vgl. Kap. 6.1.3) sowie deren

detaillierte Beschreibung unterstützt (vgl. Kap. 6.1.4), welche die Eingangsinformatio-

nen für die montageorientierte Produktstrukturierung bilden.

A5) Frühzeitige montageorientierte Produktstrukturierung: Den Ausgangspunkt

für die Konzipierung der Montage bildet die montageorientierte Produktstruktur. Das

Montagekonzept ist in der Regel nach entwicklungsrelevanten Aspekten strukturiert,

daher umfasst die Systematik eine Methode für die montageorientierte Produktstruktu-

rierung (vgl. Kap. 6.3). Diese nutzt die in der Wirkstruktur und Gestalt enthaltenen In-

formationen für die Gliederung des Systems in (Vor-)Montagegruppen. Aufgrund der

formalen Beschreibung der Partialmodelle im Mechatronic Modeller ist eine Teilauto-

matisierung des Vorgehens möglich. Hierdurch kann die Strukturierung sehr effizient

und aufwandsarm durchgeführt werden.

A6) Auswahl von Montagetechnologien: Die Systematik stellt eine Methode für die

frühzeitige Auswahl von Montageverfahren und -technologien zur Verfügung (vgl.

Kap. 6.4.4). Diese ermöglicht ausgehend von Verbindungsanforderungen die Identifika-

Anwendung der Systematik zur Konzipierung der Montage Seite 159

tion und Auswahl geeigneter Verfahren. Die Datenbasis bilden bestehende Kataloge

und Datenbanken sowie Auswahldiagramme und -matrizen.

A7) Berücksichtigung montagetechnischer Restriktionen: Bei der integrativen Kon-

zipierung der Montage müssen die Wechselwirkungen zwischen Produkt und Montage

beidseitig berücksichtigt werden. Die Systematik unterstützt daher die Ableitung von

Restriktionen an das Produktkonzept. Diese ergeben sich auf Grundlage der gewählten

Montageverfahren und werden in Form von Gestaltungsrichtlinien dem Produktent-

wickler bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt (vgl. Kap. 6.4.5).

A8) Ganzheitliche Konzipierung der Montage: Die Systematik ermöglicht die ganz-

heitliche Konzipierung der Montage. Hierfür wird die Montageablaufstruktur in Form

von Montageprozessketten beschrieben (vgl. Kap. 6.4). Methoden ermöglichen die

Identifikation und Auswahl geeigneter Montageverfahren (vgl. Kap. 6.4.4) und die

Grobbeschreibung des Montagesystems erfolgt auf Basis des Ressourcendiagramms

(vgl. Kap. 6.5). Es werden somit alle relevanten Aspekte berücksichtigt.

A9) Nutzung eines disziplinübergreifenden Beschreibungsmittels: Im Rahmen der

Systematik wird die Spezifikationstechnik CONSENS für die fachdisziplinübergreifen-

de Beschreibung von Produkt- und Montagekonzept verwendet (vgl. Kap. 5.4.2). Somit

wird in den Bereichen Produktentwicklung und Montageplanung eine einheitliche Nota-

tion verwendet. Hierdurch wird die Kooperation der beteiligten Fachleute unterstützt

und die Koordination der durchzuführenden Tätigkeiten verbessert.

A10) Systematische Vorgehensweise: Der Kern der Systematik ist ein detailliertes

Vorgehensmodell, welches als Leitfaden für die integrative Konzipierung der Montage

dient (vgl. Kap. 5.3 und 5.4.1). Die Hauptphasen sind Konzipierung der Produktgestalt

(vgl. Kap. 6.1), Planen und Klären der Montageaufgabe (vgl. Kap. 6.2), montageorien-

tierte Produktstrukturierung (vgl. Kap. 6.3), Konzipierung des Montageprozesses (vgl.

Kap. 6.4) und Konzipierung des Montagesystems (vgl. Kap. 6.5). Den Ausgangspunkt

bildet ein erstes Produktkonzept auf Systemebene. Auf dieser Grundlage wird die Pro-

duktgestalt spezifiziert und die Bauzusammenhänge werden konkretisiert. Sie bilden die

Grundlage für die montageorientierte Strukturierung des Produkts in Montagegruppen.

Anschließend wird das Montagekonzept auf Prozessebene erarbeitet und es werden ge-

eignete Montageverfahren ausgewählt. Aus den Montageprozessen und -verfahren er-

geben sich Restriktionen, die in die Produktentwicklung zurückgespielt werden. Ab-

schließend werden Betriebsmittel zur Realisierung der Prozesse ausgewählt und zum

Montagesystem kombiniert. Das Vorgehen folgt somit einer zunehmenden Konkretisie-

rung und Detaillierung. Am Beispiel der integrativen Entwicklung eines Pedelecs wurde

die Anwendbarkeit des Vorgehens demonstriert.

Seite 160 Kapitel 7

7 Zusammenfassung und Ausblick

Heutige technische Erzeugnisse sind in der Regel mechatronische Systeme. Durch die

Integration von Mechanik, Elektronik sowie Software- und Regelungstechnik ergeben

sich weitreichende Möglichkeiten in der Gestaltung dieser Produkte. Beispiele sind die

Miniaturisierung der Produkte, die Integration neuer Funktionen, autonomes Verhalten

oder die Interaktion mehrerer Systeme. Gleichzeitig steigt jedoch die Komplexität die-

ser Produkte und der eingesetzten Produktionstechnologien. Durch die Vielzahl der be-

teiligten Fachdisziplinen kommt es weiterhin zu einer Steigerung der Komplexität und

des Umfangs der zugrunde liegenden Entwicklungsprozesse.

Ein möglicher Lösungsansatz ist die integrative Entwicklung von Produkt und Produk-

tionssystem, bei der die Entwicklung fachdisziplinübergreifend, aufeinander abge-

stimmt und im engen Wechselspiel erfolgt. Dies gilt bereits für die frühe Phase der

Konzipierung. Die integrative Vorgehensweise birgt die folgenden Nutzenpotentiale:

• Bereits in der Konzipierung wird die spätere Herstellung des Produkts berücksich-

tigt. Restriktionen und Gestaltungsmöglichkeiten durch Produktionstechnologien

fließen frühzeitig in das Produktkonzept ein.

• Das abgestimmte Vorgehen reduziert das Risiko unnötiger Iterationsschleifen im

weiteren Verlauf der Produktentstehung. Ein Beispiel sind Konstruktionsanpassun-

gen infolge einer nicht montage- oder fertigungsgerechten Produktgestaltung. Kos-

ten- und zeitintensive Produktanpassungen können somit vermieden werden.

Ein geeigneter Ausgangspunkt für die Erstellung des Produktionssystemkonzepts ist das

erste Produktkonzept, die sog. Prinziplösung. Bereits in dieser frühen Phase können und

müssen die Restriktionen durch die Produktionstechnik berücksichtigt werden. Die

Schnittstelle zwischen Produkt- und Produktionssystemkonzipierung bildet die Konzi-

pierung der Montage, deren wesentlichen Bestandteile die montageorientierte Produkt-

struktur auf Seiten des Produkts sowie die darauf basierende Montageablaufstruktur als

Teil des Produktionssystemkonzepts sind. Dieser Übergang ist bisher nur unzureichend

konkretisiert. Die Herausforderungen liegen somit in der Verknüpfung der Entwick-

lungsmethodik für mechatronische Systeme mit der Systematik zur Produktionssystem-

konzipierung sowie die methodische Unterstützung dieses Übergangs.

Es wurde überprüft, ob bestehende Ansätze dieser Herausforderung gerecht werden.

Defizite bestehen hier besonders bei der frühzeitigen Spezifikation der Produktgestalt,

welche die wesentlichen Informationen für die Konzipierung der Montage enthält, so-

wie der Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Produkt- und Montagekon-

zept. Häufig fokussieren die Ansätze lediglich Teilaufgaben der Montagekonzipierung.

Die Analyse des Stands der Technik hat den Handlungsbedarf aufgezeigt, eine Syste-

matik für die integrative Konzipierung der Montage auf Basis der Prinziplösung mecha-

tronischer Systeme zu entwickeln.

Zusammenfassung und Ausblick Seite 161

Die entwickelte Systematik schließt die Lücke zwischen der Produktkonzipierung und

der Konzipierung des Produktionssystems. Hierbei bildet das Montagekonzept die

Schnittstelle. Die Systematik erweitert die Entwicklungsmethodik für die integrative

Konzipierung mechatronischer Systeme nach GAUSEMEIER ET AL. sowie die Systematik

zur Konzipierung von Produktionssystemen nach NORDSIEK. Für die Lösung von Teil-

aufgaben nutzt sie einige der untersuchten Ansätze, die auf die Besonderheiten der in-

tegrativen Montagekonzipierung angepasst und in die Systematik integriert wurden.

Produktentwickler und Montageplaner werden bei der frühzeitigen und abgestimmten

Entwicklung eines Montagekonzepts unterstützt, wobei jedoch nicht der Anspruch be-

steht, den gesamten Entwicklungsprozess zu automatisieren. Häufig wiederkehrende

Tätigkeiten sollen teilautomatisiert unterstützt werden (z. B. die Vorauswahl geeigneter

Montageverfahren), wodurch eine Fokussierung der beteiligten Fachleute auf die kreati-

ven Tätigkeiten angestrebt wird. Die Bestandteile der Systematik sind ein Vorgehens-

modell, Methoden und Werkzeuge sowie eine Spezifikationstechnik:

• Das Vorgehensmodell beschreibt detailliert die durchzuführenden Tätigkeiten bei

der integrativen Konzipierung der Montage. Es verknüpft die erforderlichen Ein-

gangsinformationen sowie die erzeugten Ausgangsinformationen und steuert den

Einsatz der Methoden und Werkzeuge im Entwicklungsprozess.

• Für die Lösung von Teilaufgaben stehen Methoden und Werkzeuge bereit. Die zu

unterstützenden Aufgaben im Rahmen der integrativen Konzipierung der Montage

sind die montageorientierte Strukturierung und die Ableitung einer montageorien-

tierten Erzeugnisgliederung, die Spezifikation von Verbindungseigenschaften, die

Auswahl geeigneter Montageverfahren, die Erstellung einer Montageablaufstruktur

sowie die Auswahl der benötigten Ressourcen.

• Für die frühzeitige integrative Beschreibung des Montagekonzepts kommt die Spe-

zifikationstechnik CONSENS zum Einsatz. Sie ist auf die Besonderheiten der

Montagekonzipierung angepasst und um die notwendigen Konstrukte erweitert.

Die Anwendbarkeit der Systematik wurde exemplarisch demonstriert. Als Beispiel

diente die Entwicklung eines Elektrofahrrads, eines sog. Pedelecs. Das Vorgehen wurde

vollständig durchlaufen und die entsprechenden Methoden und Werkzeuge eingesetzt.

Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Systematik die an sie gestellten

Anforderungen erfüllt.

Der wesentliche weitere Forschungsbedarf liegt in der softwaretechnischen Unterstüt-

zung der entwickelten Systematik. Es bedarf IT-Werkzeuge zur effizienten Ausführung

der Methoden sowie der Informationsspeicherung und -bereitstellung. Der wesentliche

Handlungsbedarf besteht in folgenden Bereichen:

• Erweiterung des Mechatronic Modeller: Das im Verbundprojekt VireS entwi-

ckelte Modellierungswerkzeug setzt die Spezifikationstechnik CONSENS um und

beschreib die Prinziplösung rechnerintern als zusammenhängendes, formales Da-

Seite 162 Kapitel 7

tenmodell. Defizite weist der Mechatronic Modeller im Bereich der Produktions-

systemkonzipierung auf. Die benötigten Informationen für die montageorientierte

Produktstrukturierung sind im Datenmodell enthalten. Es besteht der Bedarf, die

entsprechenden Methoden in den Mechatronic Modeller zu implementieren.

• Planungssystem für die Auswahl neuer Montageverfahren: Die effiziente Aus-

wahl neuer Montageverfahren erfordert eine softwaretechnische Unterstützung. Mit

Datenbanken, Normen, Katalogen etc. steht eine ausreichende Datenbasis zur Ver-

fügung, jedoch bedarf es eines Systems zur Unterstützung des Montageplaners bei

der Identifikation und Auswahl geeigneter Verfahren auf Grundlage der Verbin-

dungseigenschaften. Ein möglicher Ansatz sind wissensbasierte Systeme (WBS),

die aus einer Wissensbasis zur Speicherung und Strukturierung von Fach- und Er-

fahrungswissen sowie einer Inferenzmaschine zur Verarbeitung des Wissens beste-

hen. Das WBS ermöglicht somit die Teilautomatisierung wiederkehrender Tätigkei-

ten in der Montagekonzipierung.

• Methoden für die frühzeitige Analyse und Bewertung: Die in der Konzipie-

rungsphase vorliegenden Informationen sind in der Regel mit einer Unsicherheit

behaftet. Diese kann nicht vernachlässigt werden und ist bei der Analyse und Be-

wertung von alternativen Lösungskonzepten zu berücksichtigen. Es bedarf daher

Methoden für eine frühzeitige Analyse und Bewertung, die auf die Besonderheiten

der integrativen Konzipierung der Montage angepasst sind und sich in die entwi-

ckelte Systematik integrieren. Beispiele sind die Bewertung der Montagezeiten, der

Leistungsfähigkeit sowie die Abschätzung der Auswirkungen durch Konzeptände-

rungen.

• Durchgängigkeit der Werkzeuge: Die effiziente Anwendung der entwickelten

Systematik kann nur durch eine durchgehende softwaretechnische Prozesskette er-

reicht werden. Die in den einzelnen Modellen enthaltenen Informationen müssen

automatisiert ausgeleitet und für andere Methoden bereitgestellt werden. Daher sind

geeignete Schnittstellen zwischen den Werkzeugen zu entwickeln, die eine Über-

nahme der Informationen und somit einer Teilautomatisierung der Methoden er-

möglichen

Das Übergeordnete Ziel ist eine neue Schule des Entwurfs technischer Systeme, die den

Herausforderungen in der Entwicklung moderner maschinenbaulicher Erzeugnisse be-

gegnet. Dies soll dadurch erreicht werden, dass Produkt und Produktionssystem bereits

von Beginn an integrativ entwickelt werden. Die entwickelte Systematik liefert einen

Baustein auf dem Weg zu diesem Ziel.

Abkürzungsverzeichnis Seite 163

8 Abkürzungsverzeichnis

2D zweidimensional

3D dreidimensional

abzgl. abzüglich

AWF Arbeitsgemeinschaft für Wirtschaftliche Fertigung (ehemals: Ausschuss für

wirtschaftliche Fertigung e.V.)

BF Begrenzungsfläche

BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung

bspw. beispielsweise

bzgl. bezüglich

bzw. beziehungsweise

C&CM Contact and Channel Model

CAD Computer-Aided Design

CAP Computer-Aided Planning

CAPP Computer-Aided Process Planning

CDM C&CM Dependency Matrix

CONSENS CONceptual design Specification technique for the Engineering of complex

Systems

d. h. das heißt

DfA Design for Assembly

DfM Design for Manufacturing

DfMA Design for Manufacturing and Assembly

DfX Design for X

DIN Deutsches Institut für Normung

DSM Design Structure Matrix

ERP Enterprise Resource Planning

etc. et cetera

evtl. eventuell

Seite 164 Kapitel 8

FEM Finite-Elemente-Methode

FK Funktionskontakt

ggf. gegebenenfalls

i. d. R. in der Regel

IKT Informations- und Kommunikationstechnologie

insb. insbesondere

IT Informationstechnik

Kap. Kapitel

km/h Kilometer pro Stunde

LSS Leitstützstruktur

METUS Methodische Unterstützung der Systembildung

MG Montagegruppe

MID Moulded Interconnect Devices

MIG Module Interface Graph

Min. Minuten

MKM Münchener Konkretisierungsmodell

MTM Methods-Time Measurement

NA Normausschuss

NC Numerical Control

Nr. Nummer

PDM Produktdatenmanagement

PPS Produktionsplanung und -steuerung

PRIMA Process Information Map

PS Produktionssystem

PVA Produkt, Vorgang, Anlage

RC Robot Control

REFA Verband für Arbeitsgestaltung, Betriebsorganisation und Unternehmens-

entwicklung (ehemals Verband für Arbeitsstudien e.V.)

RS Reststruktur

Abkürzungsverzeichnis Seite 165

sog. sogenannt

Stck. Stück

TS Tragstruktur

u. a. unter anderem

vgl. vergleiche

W Watt

WBS Wissensbasiertes System

WF Wirkfläche

WFP Wirkflächenpaar

z. B. zum Beispiel

z. T. zum Teil

Literaturverzeichnis Seite 167

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Anhang

Inhaltsverzeichnis Seite

A1Ergänzungen zur Entwicklungsmethodik für die Konzipierung mecha-