Ein Beitrag zum ganzheitlichen Qualitätsmanagement von CAD-Modellen in der Produktentstehung

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1 Ein Beitrag zum ganzheitlichen Qualitätsmanagement von CAD-Modellen in der Produktentstehung Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum von Alexander Stekolschik aus Magnitogorsk Bochum 2007

2 Dissertation eingereicht am: 18. Oktober 2006 Tag der mündlichen Prüfung: 18. Dezember 2006 Erster Referent: Prof. Dr.-Ing. M. Abramovici Zweiter Referent: Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Math. P. Köhler

3 In der Mitte von Schwierigkeiten liegen die Möglichkeiten. Albert Einstein ( )

4 1 Einleitung 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Ausgangssituation und Problemstellung Zielsetzung und Abgrenzung der Arbeit Vorgehensweise in der Dissertation Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen CAD-Grundlagen und Definitionen Entstehung von CAD-Modellen Entwicklung der CAD-Technik Inhalt der 3D-CAD-Modelle CAD-Datenaustauschmodelle Nutzer (Modellkunden) der CAD-Modelle Generelle Klassifizierung der Nutzer der CAD-Modelle Ausgewählte CAD-Modellkundengruppen in der Produktentstehung Allgemeine und CAD-spezifische Definition des Qualitätsbegriffes Allgemeiner Begriff Qualität Qualität der CAD-Modelle Spezifikation der Anforderungen an die CAD-Modelle Grundlagen des Qualitätsmanagements Qualitätsmanagement Qualitätsmanagementmethoden Anforderungen an das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle Allgemeine Anforderungen an die Methodik Anforderungen an unterstützende Werkzeuge Nichttechnische Anforderungen Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Relevante Forschungsansätze im Umfeld der Qualitätsverbesserung und der methodischen Modellierung der CAD-Modelle Ansatz von Meissner Ansatz von Mendgen Ansatz von Schenke Ansatz von Claassen Ansatz von Janitza Ansatz von Gerkens Forschungsverbundprojekt ivip Forschungsprojekt ANICA Verbesserung der Modellqualität durch Normung und Richtlinien Analyse vorhandener Software-Werkzeuge zur CAD-Qualitätsprüfung... 63

5 2 1 Einleitung Eingebaute Funktionen in CAD-Systemen Eigenständige Programme Angewandte methodische Ansätze von Industrieunternehmen Zusammenfassung Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Grobes Gesamtkonzept Konzept der Adaption der Qualitätsmanagementmethoden für die Nutzung mit CAD-Modellen Konzept der Modularisierung der QM-Methoden Unterstützungswerkzeuge bzw. -methoden für die Qualitätsmodule CAD-Modellqualitätsplanung Modul A: CAD-Modellkundenidentifizierung, -gewichtung und -notation Modul B: Anforderungsakquisition Modul C: Anforderungsgewichtung Modul D: CAD-Modell-Pflichtenheft (Übersetzung der Anforderungen in Modellmerkmale) Modul E: Wechselwirkungen und Verträglichkeiten der Anforderungen CAD-Modellqualitätslenkung Modul F: Ableitung der Prüfmerkmale Modul G: CAD-Modell-Design-Review Modul H: Präventive Prozessüberwachung (CAD-Poka-Yoke) Modul J: Modellierungsbegleitende Visualisierung und Vermittlung der Qualitätsinformationen CAD-Modellqualitätsprüfung Modul K: Modellendkontrolle Modul L: Messung der Weiterverwendungsqualität Modul M: Qualitätsprozess-Controlling CAD-Modellqualitätsverbesserung Modul N: Wiederverwendung der Qualitätsinformation Modul O: Dokumentation und Vermittlung der Qualitätsinformation Anwendung durch Kombination und Anpassung der Methodik-Bausteine Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle Vorgehensweise bei der Einführung der Methode IT-Systemkonzept für die Unterstützung der Methodik Übersicht der IT-Systemarchitektur Informationsmodell und Informationsobjekte für die Implementierung der Methode Business Case des Methodeneinsatzes Kosten-Nutzen-Analyse eines Qualitätsmanagementsystems für CAD-Modelle Kritische Erfolgsfaktoren und Risiken Der Mensch im Qualitätsmanagementprozess der CAD-Modelle Widerstände und Ablehnung Motivationsmaßnahmen

6 1 Einleitung 3 7 Methodenvalidierung: Optimierung der 3D-CAD-Prozesskette bei einem Automobilzulieferer Problemstellung Methodenanwendung Phase der Qualitätsplanung Phase der Qualitätslenkung Phase der Qualitätsprüfung Ergebnisse und Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung; Kostenrechnung IT-Implementierung Kritische Bewertung der Ergebnisse und Erfüllungsgrad der Anforderungen Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang Auszug aus dem erstellten Prüfprofil Auszug aus der Checkliste für die externen Modelllieferanten Portale Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Lebenslauf...183

7 1 Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung Die Virtuelle Produktentwicklung (VPE) ist ein wesentlicher Bestandteil der rechnerunterstützten Produktentstehung und umfasst die durchgehend dreidimensionale Konstruktion sowie die rechnerinterne Simulation der Entstehung und des Verhaltens künftiger Produkte anhand digitaler Modelle sowie mit Hilfe von modernen IT-Werkzeugen [AbBo03]. Zentraler Bestandteil des digitalen Produktmodells ist das 3D-CAD- Geometriemodell, das im Produktlebenszyklus von verschiedenen Applikationen und Unternehmensbereichen benutzt wird. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse einer Studie 1 [Tech01], die unter anderem den Einsatz von CAD-Modellen für unterschiedliche Aufgaben der Produktentstehungskette untersucht hat. Dabei werden in der Regel die ursprünglichen CAD-Daten nicht direkt übernommen sondern nachbearbeitet bzw. gänzlich neu modelliert. Dieser Modellierungsaufwand beeinflusst direkt die Produktentstehungskosten und -dauer. Die unnötige Modellnachbearbeitung bedeutet für ein Unternehmen sehr hohe Zusatzsausgaben und damit verbunden eine Produktverteuerung. Service Service Berechnung Berechnung CAM CAM Vertrieb/Marketing Vertrieb/Marketing Einkauf Einkauf Arbeitsvorbereitung Arbeitsvorbereitung Qualitätssicherung Qualitätssicherung Visualisierung Visualisierung Technische Dokumentation Technische Dokumentation 40% 40% 47% 47% 48% 48% 50% 50% 57% 57% 60% 60% 60% 60% 65% 65% 83% 83% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Abbildung 1 : Anteil der Firmen, die CAD-Daten für unterschiedliche Aufgaben in der Produktentstehung nutzen [Tech01] Die ursprüngliche Vision der virtuellen Produktentwicklung ging von einem einheitlichen digitalen Produkt- Referenzmodell aus, auf das alle Anwender und Applikationen in der Produktentstehung zugreifen. Dieses digitale Referenzmodell sollte dabei gleichzeitig als Grundlage sowohl für Änderungen im Produktentstehungsprozess als auch für künftige Anpassungskonstruktionen dienen [AbSt04, AbSt06]. 1 Die Grundlage dieser Studie waren Interviews in 294 großen und mittelständischen Unternehmen

8 2 1 Einleitung Abbildung 2 : Vision eines zentralen, neutralen digitalen Produktmodells Dieser Ansatz, der von allem von Wissenschaftlern propagiert wurde, konnte sich in der Praxis vor allem wegen der fehlenden Akzeptanz bei den Softwarelieferanten nicht durchsetzen. Die großen IT-Softwareanbieter im Engineering-Umfeld versuchten, den Anwendern unterschiedliche Softwaremodule innerhalb eines eigenen integrierten CAx- Systems anzubieten. Dadurch konnten die Anwender zur Bearbeitung einer Aufgabe nicht die jeweils besten Applikationen, sondern nur Module dieses integrierten Systems anwenden. Der Vorteil für die Anwender ist, dass innerhalb des Systems keine Datenaustauschprobleme entstehen (Abbildung 3). Die starke Konsolidierung am CAX-Anbietermarkt hat in den letzten Jahren zu immer mehr stark integrierten proprietären Systemen geführt (z.b. CATIA V.5, NX). Produktentstehung Produktentstehung Produktentwicklung Produktentwicklung Produktplanunkonstruktion Produkt- Produktplanung Produktkonstruktion Fertigungsplanung Fertigungsplanung Produkterprobung Produkterprobung Fertigung Fertigung Integriertes CAx- Integriertes CAx- System System CAD CAD 1 1 CAD CAD 2 2 FEM FEM DMU DMU NC NC CAQ... CAQ... Proprioritäres Format Proprioritäres Format Digitales Referenz- Digitales Referenz- Produkt-Modell Produkt-Modell Abbildung 3 Ansatz der Hersteller integrierter CAx-Systeme Die reale Situation in der Industrie ist trotz der breiten Anwendung von 3D-CAD-Systemen auch von dieser Lösung noch weit entfernt. So werden für Konstruktionsänderungen und der Konstruktion nachgeschaltete Aufgaben immer wieder neue CAD-Modelle erzeugt oder die

9 1 Einleitung 3 ursprünglichen CAD-Modelle werden zeitintensiv nachbearbeitet (Abbildung 4). Außerdem können diese CAD-Modelle meist für künftige Anpassungskonstruktionen kaum oder überhaupt nicht verwendet werden. Dies führt nicht nur zu einem enormen vermeidbaren Zeitund Kostenaufwand, sondern generiert auch neue Fehlerquellen, da gleiche Geometriedaten in unterschiedlichen Systemen und Änderungszuständen vorliegen. Der Grund für diese unbefriedigende Situation liegt darin, dass sich jeder Mitarbeiter auf die Lösung seiner konkreten Aufgabe und auf die Erfüllung eigener Anforderungen konzentriert. Die von ihm erzeugten CAD-Modelle sind daher für andere Anwender oder Aufgaben kaum oder gar nicht erneut verwendbar [AbSt06]. Abbildung 4 : Aktueller Zustand der CAD-Modell-Weiterverwendung in der Produktentstehung Ein durchgängiger, effizienter Einsatz der CAD-Modelle könnte die Effizienz eines Unternehmens deutlich verbessern. Während in den meisten Unternehmen für physische Produkte ein Qualitätsmanagement verwendet wird, findet dieses für digitale CAD-Modelle keine Anwendung.

10 4 1 Einleitung 1.2 Zielsetzung und Abgrenzung der Arbeit Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur Verbesserung der Qualität von CAD-Modellen in der virtuellen Produktentstehung. Dafür sollen vorhandene Ansätze der Qualitätsprüfung, allgemeine Methoden des Qualitätsmanagements (QM) sowie vorhandene QM-IT-Werkzeuge untersucht und für die neue Methodik ggf. verwendet werden. Dadurch wird eine Reduzierung der Nachbearbeitungszeit in der CAx-Prozesskette, eine Verbesserung der numerischen Qualität der CAD-Modelle und effizientere Prozessabläufe angestrebt. Um sicherzustellen, dass die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit den gestellten Anforderungen entsprechen können, wird eine Abgrenzung zu benachbarten Forschungsgebieten vorgenommen (siehe Abbildung 5). Die zu entwickelnde neue Methodik ist produkt- und systemneutral und wird viele vorhandene Ansätze sowie Methoden des Qualitätsmanagements für die CAD-Modellierung verwenden bzw. dafür anpassen. Eine weitere wichtige Abgrenzung der Dissertation besteht zu der allgemeinen Konstruktionslehre, die normalerweise die Produktgestaltung und nicht die Erstellung der begleitenden CAD- Modelle in den Mittelpunkt stellen. Verwendete Verwendete Methoden Methoden Methoden des allgemeinen Qualitätssicherungsmethoden für die CAD- Methoden des allgemeinen Qualitätssicherungsmethoden für die CAD- Qualitätsmanagements Modellerstellung Qualitätsmanagements Modellerstellung Methoden der methodischen CAD-Modellierung Methoden der methodischen CAD-Modellierung Methoden der allgemeinen Konstruktionslehre Methoden der allgemeinen Konstruktionslehre Angewandte Qualitätsmanagement-Methoden Angewandte Qualitätsmanagement-Methoden Methoden des Produktdatenmanagement (z.b. QM für Dienstleistungen) Methoden des Produktdatenmanagement (z.b. QM für Dienstleistungen) Ziel Ziel Ein Beitrag zum ganzheitlichen Ein Beitrag zum ganzheitlichen Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Qualitätsmanagement von CAD-Modellen in der Produktentstehung in der Produktentstehung Neue CAD- Neue CAD- Modellierungsmethoden und - Modellierungsmethoden und - techniken techniken Abgrenzung Abgrenzung Neue Ansätze für die allgemeine Neue Ansätze für die allgemeine Konstruktionslehre Konstruktionslehre Neue Ansätze für das Neue Ansätze für das Qualitätsmanagement physischer Qualitätsmanagement physischer Produkte Produkte Abbildung 5 : Abgrenzung der Arbeit gegenüber anderen Methoden

11 1 Einleitung Vorgehensweise in der Dissertation Zur Erfüllung der gesetzten Ziele wird in der Arbeit folgende Vorgehensweise verfolgt (Abbildung 6): Als Basis für das zu entwickelnde Konzept wird am Anfang der Arbeit eine Übersicht über die Entwicklung der CAD-Technologie in den letzten Jahren gegeben. Darin werden die grundlegenden CAD-Modellierungstechniken einschließlich CAD-bezogener wissensbasierter Techniken untersucht. Dabei wird auch auf die Problematik der Weiterverwendung der CAD- Modelle eingegangen. Eine Übersicht der meistverbreiteten, allgemeinen Qualitätsmanagement(QM)-Methoden ergänzt die Darstellung der Grundlagen, wobei schon hier der Fokus auf solche QM-Methoden gerichtet wird, die für eine Übertragung auf CAD- Modelle geeignet erscheinen. Im Kapitel Stand der Technik und Forschung werden vorhandene methodische Ansätze für die Qualitätsverbesserung der CAD-Modelle und die dafür verwendeten IT-Werkzeuge vorgestellt. Aus den Informationen und Rückschlüssen der ersten Kapitel werden Anforderungen an die neue Methodik abgeleitet. Im Kapitel 5 der Arbeit wird ein Methodenbaukasten für das Qualitätsmanagement von CAD-Modellen entwickelt. Dabei wird im ersten Schritt eine Modularisierung bestehender QM-Methoden vorgenommen. Anschließend werden die QM-Module für die wichtigen Phasen des Qualitätsmanagements der CAD-Modelle angepasst. Danach wird ein allgemeines Konzept für die Implementierung der entwickelten Lösung in einem Unternehmen beschrieben, wobei unterschiedliche Aspekte, wie z. B. das Datenmodell, die Kosten/Nutzen-Analyse und die Anwender, Berücksichtigung finden. Abschließend erfolgt die Anwendung der entwickelten Methodik in Form von industriellen Beispielanwendungen sowie eine Validierung der entsprechenden Implementierung.

12 6 1 Einleitung Abbildung 6 : Gliederung der Dissertation

13 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 7 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 2.1 CAD-Grundlagen und Definitionen Entstehung von CAD-Modellen Die methodische Produktkonstruktion ist ein Teil der Produktentwicklung und besteht aus vier grundlegenden Phasen, die durch unterschiedliche Konstruktionsmethoden unterstützt werden: Planen und Klären der Aufgabe, Konzipieren, Entwerfen sowie Ausarbeiten. Die CAD-Modellierung als ein Teil der Produktkonstruktion (Abbildung 7) wird meistens in den Phasen des Produktentwurfs und der Produktausarbeitung ausgeführt. Allerdings kommen die CAD-Systeme immer öfter auch in den frühen Phasen der Produktentwicklung zum Einsatz. Der Ablauf der 3D-CAD-Modellerstellung ist mit dem Ablauf des Produktlebens ähnlich. In der CAD-Modell-Planungsphase werden verschiedene Anforderungen an die CAD-Modelle gestellt, die an dieser Stelle nicht mit den Produktanforderungen zu verwechseln sind. Meissner definiert außerdem die CAD-Modell-Konzeptionsphase, in der die Reihenfolge der Anforderungsrealisierung festgelegt wird [Meis00]. Wegen der nur geringfügigen Unterscheidung von der CAD-Modell-Planungsphase wird sie in dieser Arbeit in diese integriert. In der CAD-Modell-Entwurfsphase erfolgt die Festlegung der Vorgehensweise der Modellierung (auch Methodik der CAD-Modellierung genannt) unter Berücksichtigung der vielseitigen Anforderungen an die CAD-Modelle. Dabei spielt die Auswahl der CAD-System-Funktionalitäten eine wichtige Rolle. Im letzten Schritt wird das CAD-Modell gemäß der festgelegten Vorgehensweise generiert. Ein CAD-Modell ist in der Regel das Ergebnis der Arbeit eines CAD-Konstrukteurs und somit auch ein Produkt seiner Tätigkeit (s. auch [AbSt04]). Der Absatzmarkt dieses virtuellen Produktes ist meistens innerhalb des eigenen Unternehmens vorhanden [Meis00]. Dieses CAD-Modell kann aber auch unternehmensextern von Nutzern oder Anwendungen verwendet. Alle Nutzer des CAD-Modells sind die so genannten CAD-Modellkunden.

14 8 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Produktkonstruktion Produktkonstruktion Abbildung 7 : Lebenslauf von Produkten und CAD-Modellen Ein 3D-CAD-Modell ist nicht physisch existent, sondern nur virtuell. Da aber die meisten Methoden und Ansätze der Qualitätssicherung für die Entwicklung und Herstellung von physischen Produkten entworfen wurden, ist es sinnvoll und notwendig, 3D-CAD-Modelle (als Produkt der Konstruktionsphase) mit physischen Produkten zu vergleichen (s. auch Abbildung 7). Die Vergleichsergebnisse können später in der Dissertation für die Werkzeugund Methodenauswahl zur Implementierung benutzt werden. CAD-Modelle weisen in jeder Phase ihrer Entstehung Ähnlichkeiten aber auch Unterschiede zu den physischen Produkten auf. Dies wird in späteren Kapiteln als Grundlage dienen, um die Methoden des klassischen Qualitätsmanagements aus physischer Produktwelt auf die CAD-Modelle zu übertragen. Im Folgenden werden die Entstehungsprozesse von physischen und virtuellen Produkten gegenübergestellt. a) Planung der CAD-Modelle im Vergleich zur Planung physischer Produkte Lieferanten/Kunden: Jedes CAD-Modell hat eigene Lieferanten bzw. Kunden. Die erstellten CAD-Modelle dienen zum Beispiel als Vorlagen für weitere Modellierungen. Die Kunden eines erzeugten CAD-Modells sind somit in den meisten Fällen Personen und/oder Anwendungen innerhalb eines Unternehmens. Interessant ist, dass bei der Nichterfüllung der Anforderungen der Kunde eines physischen Produktes auf dessen Erwerb verzichten und zu einem anderen Lieferanten wechseln kann. Der CAD- Modellkunde (Person) ist aber in vielen Fällen gezwungen, das erforderliche CAD- Modell selbst zu erstellen bzw. anzupassen. Hier wird es deutlich, dass der Lieferant eines physischen Produkts wesentlich mehr auf seinen Kunden angewiesen ist. Der unternehmensinterne Kunde des CAD-Modells hingegen ist sehr stark von dem Modellierungsprodukt des CAD-Konstrukteurs abhängig. Qualitätsanforderungen: Sowohl Kunden von physischen Produkten als auch CAD- Modellkunden stellen an ihre Produkte bestimmte Anforderungen, die im ungünstigen Fall sowohl unverständlich als auch widersprüchlich sein können. Dadurch, dass die

15 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 9 Modellkunden sich im eigenen Unternehmen befinden, besteht die Möglichkeit, die Anforderungsakquisition einfacher zu gestalten. b) Entwurf der CAD-Modelle im Vergleich zur Konstruktion und Erprobung physischer Produkte In der Konstruktionsphase werden die meisten Eigenschaften eines physischen Produkts festgelegt. Dieser Phase kann bei virtuellen Modellen die CAD-Modell-Entwurfsphase zugeordnet werden. Die Variantenbildung bzw. die Vorgehensweise bei Änderungen ist bei CAD-Modellen und bei physischen Produkten stark unterschiedlich. Durch die Modifikation der CAD-Parameter können schnell und kostengünstig neue CAD-Modell-Varianten generiert werden, die sogar sehr große Gestaltunterschiede aufweisen können. Bei physischen Produkten müssen hingegen im Falle einer Änderungs- oder Anpassungskonstruktion die meisten zeitintensiven Entstehungsphasen wieder durchlaufen, bis eine neue Variante entsteht. Die Erprobung der physischen Produkte stellt einen sehr großen Kostenfaktor dar und befindet sich eher am Ende der Produktentstehung direkt vor der Fertigung. Bei CAD- Modellen spielt die Virtualität dieses Produktes eine sehr große Rolle, weshalb ein 3D-CAD- Modell in jeder Phase der Produktentstehung vom CAD-Modellerzeuger und/oder von Modellnutzern kostengünstig und flexibel getestet werden kann. Diese Verlagerung spiegelt auch den Unterschied wider: Bei physischen Produkten wird versucht, die Verifikation anhand von realen Versuchen soweit es geht zu minimieren. 2 Bei CAD-Modellen hingegen ist das Testen zwecks Feststellung der Anforderungserfüllung ein immer wichtiger werdendes Werkzeug der methodischen CAD-Modellierung. Die Erprobung der CAD-Modelle sollte daher so früh wie möglich beginnen, damit sich die Änderungskosten auf ein Minimum reduzieren lassen. c) Generierung der CAD-Modelle im Vergleich zur Fertigung physischer Produkte Die meisten Unterschiede zwischen physischen Produkten und CAD-Modellen treten in dieser Phase auf. Seit dem Beginn der industriellen Fertigung werden die Produktentwicklung und die Produktherstellung (Fertigungsplanung und Fertigung) in den meisten Fällen strikt voneinander getrennt, nicht zuletzt, weil dafür unterschiedliches Wissen notwendig ist und die Abdeckung beider Arbeitsgebiete durch eine Person bei der heutigen Verfahrenskomplexität fast unmöglich ist. Die CAD-Modell-Fertigung (also CAD-Modell-Generierung) wird im Unterschied zu einem physischen Produkt fast immer von ein und derselben Person und in einer Anwendung ausgeführt, wie es in der Phase der Planung und Entwicklung der Fall war. Dies erleichtert zwar die Aufgabe des Konstrukteurs, weil keine Informations- und Kommunikationsbrüche zwischen der Entwicklungs- und Fertigungsphase bzw. -abteilung auftreten und er seine Modellierungsstrategie bereits in der Konzeptphase festlegen kann. 2 Dies wird auf der einen Seite wegen der hohen Versuchskosten gemacht und auf der anderen Seite wegen der hohen Änderungskosten im Falle einer Fehlerfeststellung. Deshalb wird versucht, die Erprobung mit digitalen Produktmodellen durchzuführen.

16 10 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Weiterhin ist die Gefahr der Generierung von Modellen, die nicht zu fertigen sind, geringer als bei physischen Produkten. Erschwerend kommt aber hinzu, dass dem CAD- Modellerzeuger in vielen Fällen nicht bewusst ist, dass das Produkt seiner Arbeit nicht nur das Konstruktionsergebnis beschreiben muss, sondern auch von anderen Anwendern weiterverwendet wird und deshalb auch zusätzliche Anforderungen zu erfüllen hat. Eine weitere Besonderheit der CAD-Modelle ist, dass sie zunehmend auch während der Generierung eingesetzt werden. So kann ein Berechnungsingenieur ein nicht detailliertes CAD-Modell bereits für die ersten Überschlagsrechnungen nutzen. Dies stellt ein neues Feld für Modellanforderungen dar. Damit stellen die Modellkunden der CAD-Modelle ihre Anforderungen nicht nur an die Endversion, sondern auch an die Zwischenergebnisse der Modellierung. An dieser Stelle spielen auch weitere Faktoren (z. B. durchgängige Versionierung und Datenverwaltung) eine Rolle. d) Weiter- und -Wiederverwendung der CAD-Modelle im Vergleich zur Nutzung physischer Produkte Die Nutzung der CAD-Modelle beinhaltet deren Weiterverwendung und Wiederverwendung. Bei der Weiterverwendung setzt ein anderer CAD-Modellkunde (z. B. eine andere Person und/oder Abteilung) das CAD-Modell in einer anderen Anwendung für seine Zwecke ein. Diese Vorgehensweise kann durchaus auch eine Modelländerung oder -erweiterung beinhalten. Bei der Wiederverwendung verarbeitet der CAD-Modellerzeuger (nicht unbedingt dieselbe Person, aber durchaus dieselbe Anwendung oder Abteilung) selbst das CAD-Modell später für weitere Modellierungsvorhaben durch Modelländerungen und -anpassungen. In diesem Punkt unterscheiden sich CAD-Modelle grundsätzlich von physischen Produkten, bei denen der Erzeuger sein eigenes Produkt später selbst selten benutzt oder einsetzt. Daher kann die bei physischen Produkten oft mit Recycling verbundene Wiederverwendung nicht mit der Wiederverwendung der CAD-Modelle verglichen werden. Bei dieser Gegenüberstellung von CAD-Modellen und physischen Produkten wurde auf die selbstverständlichen Fakten verzichtet. So müssen physikalische Produkte entsorgt werden, was für CAD-Modelle nicht der Fall ist. CAD-Modelle müssen auch keine Vorschriften zur Sicherheit oder zum Umweltschutz erfüllen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die CAD-Modelle als virtuelles Produkt des Entwicklungsingenieurs bei der Betrachtung auf einer abstrahierten Ebene trotzt einiger Unterschiede sehr viele ähnliche Eigenschaften zu den physischen Produkten aufweisen, was auch die Anwendung der verbreiteten Qualitätsmanagementmethoden durchaus möglich macht. Die bereits beschriebenen Abweichungen von den physischen Produkten zeigen aber die Notwendigkeit, dass die herkömmlichen QM-Methoden vor deren Anwendung an die virtuellen CAD-Modelle angepasst und auch miteinander kombiniert werden sollen. Besonders wichtig ist dabei, dass Qualitätsmanagementmethoden, die bei physischen Produkten für die Fertigung gedacht sind, auch bei CAD-Modellen für die virtuelle Entstehung zum Einsatz kommen können.

17 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Entwicklung der CAD-Technik Die Anfänge der CAD-Programme liegen in den 1960er Jahren [Suth03, GaEK01]. Am MIT in Boston zeigte Sutherland 1962 mit seiner Sketchpad-Entwicklung, dass es möglich ist, an einem computergesteuerten Radarschirm interaktiv mit Hilfe eines Lichtstiftes und einer Tastatur einfache Zeichnungen zu erstellen und zu verändern. Das Herausragende an Sketchpad [GaEK01] war, dass die Interaktion mit dem Benutzer ausschließlich über die Manipulation graphischer Objekte mittels Lichtstift erfolgte, also im Online- und nicht im Batch-Modus wurden bei Lockheed (Flugzeughersteller, USA) die ersten Anläufe für ein kommerzielles CAD-System zur Erstellung technischer Zeichnungen (2D) gestartet [GaEK01]. Die CAD-Systeme der ersten Generation, die auf die zweidimensionale Darstellung begrenzt (Abbildung 8) waren, haben sich im Laufe der Zeit kontinuierlich weiterentwickelt. Die 2D-Systeme dienten anfänglich ausschließlich zum Zwecke der Erstellung von technischen Zeichnungen [Jani04]. Die Weiterentwicklung dieser 2D-CAD- Systeme führte zu den 2½D-Systemen, die die Tiefe als die dritte Dimension abgespeichert haben. Die 2½D-Systeme haben, insbesondere in Bezug auf ihre Nutzung in CAM- Fertigungssystemen, wegen des ausreichenden Abbildungsgrades der Fertigungsverfahren bei Rotationsteilen eine wichtige Rolle gespielt. Ross entwickelte in den 1960er Jahren am Electronic Systems Laboratory des MIT die ersten Konzeptionen für 3D-Modelle, aus denen sich die Werkzeugwege für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen ableiten ließen [Ross60, GaEK01]. Daraus entstand damals die Idee des 3D-CAD. Wenn bei 2D die Bauteilabbildung durch Schnitte und Ansichten im Mittelpunkt stand, war das Ziel von 3D-CAD die dreidimensionale Bauteilmodellierung mit nachfolgender Schnitt- und Ansichtsableitung. An der Universität von Cambridge, England, wurden Ende der 1960er Jahre die ersten Forschungsarbeiten aufgenommen, um zu zeigen, ob es möglich ist, unter Verwendung von 3D-Grundkörpern komplexere Zusammenstellungen (z. B. Rohrleitungen im Chemieanlagenbau) abzubilden. Ebenfalls zu dieser Zeit begann der französische Flugzeughersteller Avions Marcel Dassault (heute Dassault Aviation) mit der Entwicklung eines Grafikprogramms zur Erstellung von Zeichnungen. Das Projekt trug den Titel Computer-Aided Three-Dimensional Interactive Application, abgekürzt CATIA kam die erste Version CATIA V.1 als eine der ersten kommerziellen 3D-CAD-Systeme auf den Markt. In Deutschland wurden in den 1970er Jahren mit CAD-Systemen wie COMPAC (Berlin) und PROREN-2 [Seif86] (Bochum) wichtige 3D-CAD-Entwicklungen vorangetrieben. 3D-CAD-Systeme (Abbildung 8) bilden die Grundlage der modernen rechnerunterstützten Produktentstehung. 3D-Drahtmodelle verwenden 3D-Punkte und 3D-Kurven für die Körperdarstellung und bieten keine Volumendarstellung, so dass daraus keine Flächen oder Volumeninformationen abgeleitet werden können. Die nächste Stufe bilden 3D- Flächenmodelle, die auch Flächeninformationen beinhalten. Dadurch können zwar nicht-

18 12 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen sichtbare Elemente ausgeblendet werden, jedoch lassen sich die physischen Informationen kaum darstellen. Weiterhin konnten schon Flächeninhalte und Schnittkanten berechnet werden [Abra05b]. Flächenbasierte Systeme sind immer noch weit verbreitet, was darauf zurückzuführen ist, dass sie die Freiformflächen sehr effektiv beschreiben könnenund deshalb besonders im Designbereich (Automobilbau) breiten Einsatz finden 3. Die eindeutigste Darstellung bieten jedoch die 3D-Volumenmodelle [Abra05b, s. auch Aber06]. Die 3D- Volumen-Modellierung zeigt folgende Vorteile [nach Abra05b]: vollständige, widerspruchsfreie und genaue Beschreibung der Körperform, Informationsquelle für nachgelagerte Funktionen (einschließlich geometrische Berechnungen), automatische Schnitterzeugung, gute Visualisierungsmöglichkeiten (automatisches Ausblenden verdeckter Kanten, Schattierung), Möglichkeit der Körperkollisionsbetrachtungen sowie geringer Eingabeaufwand zur Modellierung komplexer Objekte. Abbildung 8 : Entwicklung der CAD-Geometriemodelle 3 Ein Beispiel für ein 3D-Flächen-System ist das CAD-System ICEM Shape Design von ICEM Limited, das nach dem Verbreitungsgrad als ein Standard in der Automobilindustrie für die Modellierung der Designflächen angesehen werden kann (obwohl für die anschließende Volumenmodellierung andere, 3D-Volumen-Modellierer wie CATIA verwendet werden).

19 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 13 Die oft sehr hohe Systemkomplexität und zunehmende Rechneranforderungen sind der Preis für eine immer größer werdende Vielfalt an Funktionalitäten. Modelle der 3D-CAD-Volumenbeschreibung Rechnerintern werden 3D-Volumenmodelle durch unterschiedliche Datentypen abgebildet, die sich allgemein in folgende Gruppen einteilen lassen (s. auch [SpKr97, Abra05b, GaEK01]): Zellmodelle (oft auch Voxelmodelle benannt): Bei diesen Modellen wird das 3D- Volumen durch endlich große Elementarvolumenelemente repräsentiert. Unter Voxel wird eine quaderförmige Zelle innerhalb eines Quaders oder unbegrenzten Raumes verstanden. Die Zellmodelle werden weniger in 3D-CAD, sondern vielmehr in 3D- Computergrafik und DMU verwendet. Das Hauptproblem ist die Darstellung komplizierter Geometrien, die durch eine Vielzahl von Elementen abgebildet werden müssen. Informationen über Flächen, Kanten, Punkte sind nicht direkt ableitbar, daher ist das CAD-Modell für die Fertigung ungeeignet und hat einen hohen Speicherbedarf. CSG-Modelle: Die Grundlage für die CSG (Constructive Solid Geometry) bildet eine Auswahl [Abra05b] von vordefinierten 3D-Grund-Volumenelementen. Das 3D-CAD- Modell eines Bauteiles wird durch eine Boole sche Verknüpfung dieser Elemente realisiert (die verbreiteten Elemente sind z. B. Quader, Zylinder, Kegel oder Kugel). Die Geometrie wird auf diese Art und Weise durch eine Gleichung (Addition, Vereinigung, Subtraktion, Durchschnitt der Grundelemente) beschrieben. Die verschiedenen hintereinander ausgeführten CSG-Operationen lassen sich hierarchisch ordnen und in einem CSG-Baum abbilden. Jeder Zweig dieses Baumes entspricht dabei einem 3D-Grund-Volumenelement, jeder Knoten einer CSG-Operation bzw. dem Zwischenergebnis aus einer CSG-Operation, welches wieder transformiert werden kann. Das CSG-3D-Modell enthält keine expliziten Informationen über Flächen, Kanten und weitere 3D-Elemente, sondern nur eine Boole sche Gleichungsstruktur. B-Rep-Modelle: Im Unterschied zu CSG wird ein B-Rep-Modell (Bundary Representation = Flächenbegrenzungsmodell) explizit durch die Geometrieelemente und ihre Beziehungen zueinander (Topologie 4 ) definiert. Jede Fläche beinhaltet einen Normalenvektor, wodurch das System die Materialseite berechnet [PLHS05]. Nach jeder Änderung muss das CAD-Modell auf seine geometrische Abgeschlossenheit überprüft werden. Nur wenn das CAD-Modell topologisch geschlossen ist, repräsentiert es ein gültiges Volumen. Ein B-Rep-CAD-Modell ist ein akkumulatives 4 Neben dem Geometriemodell bauen CAD-Systeme auch ein topologisches CAD-Modell auf, das durch die Anwendung von Euler-Operationen auf Konsistenz geprüft wird [Claa02]. Diese Konsistenzprüfung stellt eine Bedingung für die geometrische Korrektheit des Modells und verhindert dadurch fehlerhafte Geometrien.

20 14 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen CAD-Modell, weil es explizit alle geometrischen Elemente zur Repräsentation der Gestalt enthält [GaEK01]. Weitere Vorteile sind die Möglichkeit des direkten Zugriffs auf alle Geometrieelemente sowie die schnelle und leichte Visualisierung. Viele moderne CAD-Systeme verfügen über so genannte hybride Ansätze, bei denen die Vorteile von CSG und B-Rep gemeinsam ausgenutzt werden. In solchen CAD-Modellen werden zwei Strukturen parallel geführt, wobei aber die CSG-Struktur dominiert. Auf diese Art und Weise besteht die Möglichkeit, sowohl die Historie als auch die Freiformelemente abzubilden. Wissens- und Variantentechniken für 3D-CAD-Modelle In den letzten Jahren wurden die schon früher in der Forschung aufgestellten Ansätze zu der erweiterten Geometriemodellierung in einigen kommerziellen 3D-CAD-Systemen realisiert. Deren drei Säulen sind die Feature-Technologie, die Erweiterung der Modellbeschreibung um Parameter (Parametrik) und die wissensbasierte CAD-Modellierung. Featuretechnologie: Features im Sinne der CAD-Anwendung sind mit Attributen versehene komplexe CAD-Elemente (nach Krause beinhaltet ein Feature die geometrische Form und die Semantik). Attribute können geometrische, technologische, funktionale Eigenschaften zur Beschreibung eines realen Objektes sein. In der VDI- Richtlinie 2218 ist der Begriff Features als informationstechnische Elemente definiert, die Bereiche von einzelnen oder mehreren Produkten repräsentieren [VDI2218]. Ein Feature kann auch als eine Zusammenfassung von Geometrieelementen, die eine Semantik besitzen, aufgefasst werden. Features stellen produktbezogene Methoden zur Modellierung zur Verfügung. Die Feature-Technik geht also über die rein geometrischen Grundoperationen hinaus und stellt Objekte mit Methoden und Eigenschaften bereit, die die Realität widerspiegeln. Weit verbreitete Features sind zum Beispiel Bohrungen, Fasen und Taschen. Die Potenziale der Feature-Technologie sind besonders in der Prozesskette (fertigungs-, montage- und prüfgerechte Produktgestaltung) zu sehen, wodurch beispielsweise die Erstellung von NC-Programmen oder die Ableitung von Prüfplänen vereinfacht wird. Abbildung 9 zeigt die Definitionsschritte eines typischen CAD-Features Bohrung mit einigen fertigungsrelevanten Informationen.

21 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 15 Fertigungsinformation Fertigungsinformation Geometrische Information Geometrische Information Abbildung 9 : Beispiel eines Features (Bohrung) in dem 3D-CAD-System CATIA V.5 Parametrik: Nach Mendgen ermöglicht die Parametrik die Verwendung variabler Größen für Abmessungen sowie Abhängigkeiten zwischen Objekten und Modellen innerhalb eines CAD-Systems. Diese Größen werden Parameter genannt und können die geometrische Form sowie unterschiedliche Eigenschaften und Abhängigkeiten steuern. Parametrisches Modellieren verleiht der Geometriebeschreibung dynamische Eigenschaften [Schu01]: Die erstellten Objekte lassen sich modifizieren und zielgerichtet steuern. Die Möglichkeit der parametrischen Modellbeschreibung erstreckt sich dabei auch auf die Baugruppenkonstruktion. Man kann zwischen den voll- und teil-parametrischen CAD-Systemen unterscheiden 5 [Meis00]. Bei den vollparametrischen Systemen müssen für jedes Konstruktionselement bei dessen Erzeugung der vollständige Bezug zu der vorhandenen Geometrie und seine Parameter definiert werden. Bei teil-parametrischen Systemen gibt es die Möglichkeit, Parameter und Abhängigkeiten auf Wunsch des Konstrukteurs zu definieren. Oft spricht man zusätzlich auch von Constraints bzw. Bedingungen, die eine Relation zwischen 5 Ein Beispiel für ein vollparametrisches System ist das 3D-CAD-System Pro-Engineer (Fa. PTC). Unigraphics- NX (Fa. UGS) oder CATIA V.5 (Dassault Systemes) sind hingegen teil-parametrische Systeme. Der Unterschied ist aber in vielen Fällen fließend; oft kann man durch vorhandene Einstellungen den Anwender zu der vollparametrischen Modellierung zwingen.

22 16 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Objekten eines parametrischen CAD-Modells darstellen. Claasen [Claa02] fasst die Vorteile der parametrischen CAD-Systeme wie folgt zusammen: leichte Modifizierbarkeit der CAD-Modelle, einfache Erstellung von Teilefamilien, keine notwendigen Programmierkenntnisse für automatisierte Variantenerstellung und auf unterschiedliche Art und Weise (meistens implizite) Abbildung der Konstruktionsabsicht Der Nachteil der Parametrik liegt oft in den sehr komplizierten Zusammenhängen der großen 3D-Modelle. Wissensbasierte CAD-Techniken: Wissen liegt in einem Unternehmen meist in impliziter und/oder expliziter Formen vor (s. auch [Chas06, Lang01, ChDE06]). Das implizite Wissen beruht auf den Erfahrungen einer Person und ist zum Teil mit den kognitiven Fähigkeiten eines Menschen ergänzt. Das explizite Wissen hingegen kommt in einer formalisierten Form vor. Viele Anwendungen oder Programmmodule schmücken sich dabei mit dem Beiwort Wissen, werden diesem aber nicht immer gerecht. Die Parametrisierung zum Beispiel beinhaltet zwar Wissen, ist aber in der Wirkung und der Semantik sehr eingegrenzt. In den letzten Jahren haben einige Hersteller ihre CAD-Systeme um spezielle Wissensmodule erweitert 6. Viele Systeme verfügen über spezielle Programmiersprachen, die aus den Entwicklungen für das Wissensmanagement kommen. Die vorhandenen Möglichkeiten erlauben, in die Modelle unterschiedliche Eigenschaften, Regeln und Informationen zu implementieren, welche im Unterschied zur Parametrik im Normalfall kein Bestandteil des Geometriemodells sind. Beispielsweise können somit bestimmte Kriterien, wie z. B. das Gewicht sowie die Einhaltung von Spezifikationen, Normen und Standards, berücksichtigt und permanent überprüft werden. Diese Informationen können aus weiteren Datenquellen, wie z. B. Datenbanken oder Internet, ausgelesen werden und dann mit Programmiermitteln verarbeitet werden. Der wichtige Unterschied zu den herkömmlichen Programmierungen liegt darin, dass die Programmiersprache direkt auf die Modellelemente zugreift und dass das 3D-CAD-Modell auch durch die Struktur den Programmcode beeinflussen kann. Der Code und die Modellstruktur stehen somit in einer Symbiose miteinander. Abbildung 10 zeigt am Beispiel des CAD-Systems NX4 Wissensregeln und ihre Definition. 6 Die Vorreiter auf diesem Gebiet sind die Fa. UGS mit dem Modul Knowledge Based Engineering für das CAD- System NX und die Fa. Dassault Systemes mit dem Modul Knowledgeware für das CAD-System CATIA V.5. Dafür haben die Hersteller in die Systeme spezielle Wissensmanagement-Sprachen implementiert, wie z. B. Intent! bei NX.

23 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 17 Abbildung 10 : Beispiel der Wissenseingabe im CAD-Modell (KBE in NX4 von UGS) Die beschriebenen Modellierungsmethoden haben gezeigt, dass in modernen CAD-Systemen eine Vielfalt von Möglichkeiten besteht, ein 3D-Volumen zu beschreiben. In vielen Fällen führt dies dazu, dass falsche bzw. nicht optimale Vorgehensweisen ausgewählt werden, so dass die 3D-CAD-Modelle kaum oder überhaupt nicht weiterverwendet werden können. Erst durch eine konsequente Verfolgung der Ansätze des Qualitätsmanagements ist es möglich, die Wiederverwendung von 3D-CAD-Modellen zu verbessern. Ein weiteres und nicht zu unterschätzendes Problem entseht dadurch, dass der Konstrukteur oft in die Lage versetzt wird, die Anzahl der unterschiedlichen CAD-Modelle und somit auch der Materialstämme 7 durch einfaches Ändern der Parameter in die Höhe zu treiben. Der Zeitersparnis auf der Konstruktionsseite steht dann ein Vielfaches an Aufwand auf der Fertigungs- und Einkaufsseite gegenüber, weil dadurch die Prozesse in der Fertigungsvorbereitung neu durchzuführen sind. Außerdem gehen durch die Variantenvielfalt zum Beispiel die Skaleneffekte beim Einkauf verloren. Deshalb muss in jeder CAD-Methodik das oberste Ziel sein, zuerst nach einem passenden 3D-CAD-Modell aus dem vorhandenen Bestand zu suchen und nur in Ausnahmefällen neue CAD-Modelle zu erstellen Inhalt der 3D-CAD-Modelle Diese Arbeit hat zum Ziel, Methoden zum ganzheitlichen Qualitätsmanagement für CAD- Modelle zu entwickeln. Ein CAD-Modell ist eine Untermenge eines digitalen Produktmodells. Daher ist es an dieser Stelle notwendig, zunächst den Begriff digitales 7 Unter Materialstamm wird in der Materialwirtschaft (Materialwirtschaft deckt die Funktionen von der Disposition über den Einkauf bis zur Bestandsführung, Lagerverwaltung etc. ab), die Gesamtheit aller Informationen über sämtliche Materialien verstanden, die ein Unternehmen beschafft, fertigt, lagert und verkauft. Jedem Bauteil wird somit in einem ERP-System (z. B. SAP R/3) ein Materialstamm zugewiesen.

24 18 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Produktmodell näher zu untersuchen und zu beschreiben. Abeln [Abel95] definiert das Produktmodell als Einheit von Produktinformationsmodellen und Produktdaten zur Beschreibung einer Klasse von Produkten über den gesamten Produktlebenszyklus. Für Spur/Krause [SpKr97] bedeutet das Produktmodell eine logische Akkumulation aller produktbezogenen Informationen innerhalb des Produktlebenszyklus. Diese Informationen werden in Form von digitalisierten Daten im Produktmodell gespeichert und mit Zugriffs- und Verwaltungsfunktionen ausgestattet. Spur/Krause verbinden den Begriff Produktmodell auch mit der Wissensverarbeitung. Das Produktmodell ist demnach die Basis für die Integration der Arbeitsschritte im Sinne einer einheitlichen Produktentwicklung. Abbildung 11 zeigt die Verknüpfung der Begriffe untereinander, wobei Produktmodell und digitales Produktmodell als eine Untermenge der Modelle zu verstehen sind. Damit werden die Definitionen und die Eigenschaften dieses sehr allgemeinen Begriffes geerbt 8. Abbildung 11 : Semantik des Begriffes 3D-CAD-Modell Mit der Entwicklung der CAD-Technik sind CAD-Modelle von einer anfänglich elektronischen Papierzeichnung heute in gewissem Sinne zu einem so genannten Behälter des Engineering-Know-hows ausgebaut worden. Das unterstreicht unmittelbar die Notwendigkeit von hochqualitativen 3D-CAD-Modellen. In vielen Fällen wird nur das endgültige Ergebnis der Modellierung, das Volumenmodell, als eine Visualisierungsschicht betrachtet (s. Abbildung 12): das 3D-Volumen und die oft parallel dazu zusätzlich erzeugten Visualisierungsdaten. Da in dieser Arbeit auch eine CAD-Baugruppe als ein CAD-Modell untersucht wird, sind die Baugruppenstruktur und zum Beispiel ihre Zusammenbaubedingungen auch ein Teil der Visualisierungsschicht. 8 Die Vererbung (auch Generalisierung genannt) ist ein Begriff der objektorientierten Beschreibungssprache UML. Dies ist eine Beziehung zwischen zwei Objekten, wobei ein Objekt (Unterklasse) eine Untermenge des anderen Objektes (Oberklasse) ist und alle Eigenschaften von ihm übernimmt.

25 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 19 Abbildung 12 : Inhalte eines 3D-CAD-Modells Wegen der zahlreichen Funktionen in modernen CAD-Systemen kann ein Ergebnis der Modellierung neben Produkt- und Fertigungsinformationen (z. B. Toleranzen, Oberflächenwert) zum Beispiel auch eine Baugruppenstruktur beinhalten. Die weiteren Schichten mit 3D-Modell-Inhalten sind meistens nicht sichtbar, stellen aber für ein Unternehmen in vielen Fällen den wichtigen Teil des Gesamtwissens dar. Auf der einen Seite sind dies die expliziten Inhalte, wie z. B. Parameter, Entstehungsgeschichte und anwenderdefinierte CAD-Features. Die Inhalte dieser Schicht sollen jedoch vor den Wettbewerbern geschützt werden, weil für ihre Herstellung ein sehr großes Know-how notwendig ist und sie sehr einfach weiterverwendet werden können. Auf der anderen Seite enthalten 3D-CAD-Modelle meistens auch sehr schwer abzuschätzende Inhalte wie Modellierungs- und Konstruktionswissen. Während es bei einer 2D-Zeichnung nicht wichtig war, wie sie entstanden ist, spielt dies bei einem 3D-Modell eine sehr bedeutende Rolle. Oft spiegelt die Modellierungmethodik [Straß06, OpRo06, Köhl06, Köhl04] die Herstellungsoder Entwicklungsprozesse wider. In vielen Fällen ist die Reihenfolge der Modellierung ein Ergebnis der jahrelangen Optimierungsprojekte und gleichermaßen eine Zusammenfassung der CAx-Erfahrung des Unternehmens. Deshalb stellen viele Firmen sehr strenge Datenaustauschrichtlinien auf, indem sie z. B. ihre CAD-Modelle so konvertieren, dass deren Parametrik oder Entstehungsgeschichte entfernt werden. Auf diese Problematik wird im nächsten Abschnitt näher eingegangen.

26 20 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen CAD-Datenaustauschmodelle Die CAD-Datenaustauschformate bzw. -schnittstellen erlauben den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen CAD-Systemen oder auch von einem CAD-System zu einem anderen IT- System in der Prozesskette (z. B. FEM). Die am weitesten verbreiteten sind die neutralen Schnittstellen IGES und STEP. In der letzten Zeit werden aber immer häufiger semi-neutrale Formate einiger Software-Hersteller für den Datenaustausch benutzt, wie z. B. JT oder Parasolid. Neutrale Datenaustauschformate IGES IGES ist die Abkürzung für Initial Graphics Exchange Specification und definiert ein neutrales, herstellerunabhängiges Datenformat, welches dem digitalen Austausch von Informationen zwischen CAD-Programmen dient. Die Anwendung reicht von traditionellen, zweidimensionalen Zeichnungen bis hin zu dreidimensionalen Modellen für Simulationen oder Fertigung. Die Daten werden in einzelnen Einheiten, den so genannten Entities, gespeichert, die in einer beliebigen Hierarchie angeordnet werden können. Die Primitive (z. B. Linien, Kurven, Flächen) einer Zeichnung oder eines Modells lassen sich durch verschiedene Entity-Typen repräsentieren. Seit der IGES Spezifikation Version 5 sind auch Körper vorgesehen, d.h. ein geschlossener Flächenverband hat zusätzlich noch die Information innen und außen. Diese Funktionalität von IGES wurde aber nur von sehr wenigen CAD-Systemherstellern implementiert. Um diese Information auszutauschen, sollte das neuere Datenaustauschformat STEP verwendet werden. Produktdatenmodell STEP STEP (STandard for the Exchange of Product Data) ist ein internationaler Standard zur Beschreibung physikalischer und funktionaler Merkmale von Produktdaten. Ziel von STEP ist die eindeutige Repräsentation von Produktdaten während des gesamten Produktlebenszyklus zur Unterstützung des Datenaustausches und der Datenintegration [GrAP93, SSSM99]. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, STEP flexibel auf weitere Anwendungsgebiete zu erweitern (z. B. Stücklisten, Materialeigenschaften, Toleranzen und Arbeitsplanungsinformationen). Diser Standard ist formal als ISO Industrial automation systems and integration product data representation and exchange bekannt und enthält [ProS05b]: Modelle zur Beschreibung von Produktdaten (Integrated Resources, Anwendungsprotokolle), Beschreibungsmethoden (Description Methods), Implementierungsmethoden (Implementation Methods) und Methoden zum Konformitätstest (Conformance Testing Methodology and Framework).

27 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 21 STEP kann als ein Werkzeugbaukasten aufgefasst werden, mit dem anwendungsspezifische Produktdatenmodelle (Application Protocols) unter Verwendung von Grundbausteinen bzw. Basismodellen (Integrated Resources) nach definierten Regeln und genormten Methoden beschrieben werden [ProS05b]. Die Basismodelle bilden in ihrer Gesamtheit die Grundlage des integrierten Produktmodells und legen ihre Grundstruktur fest. Die allgemeinen Basismodelle beschreiben von einzelnen Einsatzfällen unabhängige Grundpartialmodelle, wie z. B. Geometrie, Produktstruktur und Toleranzen. Die Anwendungsprotokolle spezifizieren jene Datenmodelle, die die Grundlage für Implementierungen sind [GrAP93]. Jede STEP- Implementierung (z. B. ein Datenaustauschprozessor) ist die Implementierung eines Anwendungsprotokolls (z. B. AP 201: Zeichnungserstellung Explicit draughting). Semi-neutrale proprieritäre CAD-Datenaustauschformate In den letzten fünf Jahren haben viele Software-Anbieter versucht, ihre semi-neutralen Datenaustauschformate auf dem Markt durchzusetzen. An dieser Stelle soll näher auf die Initiative JTOpen der Firma UGS eingegangen werden, die nach zahlreichen Statistiken das marktführende Datenformat entwickelt hat. JT (offizielle Benennung DirectModel-File) speichert 3D-Modelle in einer tesselierten (Dreiecks-) Form mit einer definierbaren Genauigkeit ab. Zu der inzwischen sehr großen Verbreitung von JT hat die Tatsache beigetragen, dass sehr viele Anbieter von unterschiedlichen Software-Systemen, wie z. B. Normteilbibliotheken, Konfiguratoren und Geometriesuchmaschinen, dieses Format für ihre Datenabspeicherung einsetzen. Eine insbesondere für den Know-how-Schutz wichtige Funktion ist die Möglichkeit, durch die Variation des Level of Detail (LOD) die Datengenauigkeit zu beeinflussen [Cyon06]. Ein weiterer Unterschied zu den sonstigen neutralen Formaten wie STEP oder IGES ist bei vielen Prozessoren die mögliche bidirektionale Assoziativität. Bei neutralen Formaten ist das importierte CAD-Modell mit dem Quellmodell nicht assoziativ. Bei JT definiert der Datenaustauschprozessor für jede Geometrieeinheit eine eindeutige Identifikation (ID) und speichert diese ID mit der Benennung des Geometrieelements im Quellsystem. Auf diese Art und Weise kann das importierte CAD-Modell bei Änderungen des Quellmodells aktualisiert werden. Die Interaktion mit den Anwendungen findet über so genannte Toolkits statt, die entsprechende Funktionen [JtOp06] anbieten (Abbildung 13):

28 22 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Abbildung 13 : Zugriffsstruktur auf JT-Dateien Eine von ProSTEP durchgeführte Studie [ProS05] zeigt das sehr hohe Potenzial dieses Formates auf. Gerade für die Nutzung von JT innerhalb des Produktentwicklungsprozesses gibt es eine Vielzahl potenzieller Anwender. Als wesentlichen Unterschied zwischen JT und STEP wird angeführt, dass beim neutralen Datenformat STEP zum Lesen und Schreiben jeweils ein systeminterner Konvertierungsprozess notwendig ist, während JT oft direkt von Applikationen ohne Konvertierungsprozess verarbeitet werden kann [ProS05]. Die Firma UGS bietet für dieses Format kostenlos Viewer an. Eine weitere wichtige Eigenschaft von JT ist, dass dieses Format weitere Informationen enthalten kann, wie z. B. Fertigungstoleranzen, 3D-Hinweise, Baugruppeninformationen, Informationen zum CAD-Modell, wie erzeugendes CAD-System, Schnittstellen-Version. 2.2 Nutzer (Modellkunden) der CAD-Modelle In diesem Unterkapitel wird eine Übersicht über CAD-Modellnutzer (Personen, Unternehmenseinheiten oder Applikationen) in der Produktentstehung gegeben Generelle Klassifizierung der Nutzer der CAD-Modelle In der Produktentstehungskette existiert eine Reihe von CAD-Modellkunden, die 3D-CAD- Modelle für eigene Aufgaben einsetzen und ihre Daten weiterverwenden. Dies macht als ersten Schritt eine allgemeine Klassifizierung notwendig, die unterschiedliche Ansichten auf die Modellverwendung in den Mittelpunkt stellt. Abbildung 14 zeigt eine für diese Arbeit entwickelte Klassifizierungsmatrix, die unterschiedliche Aspekte als Matrixdimensionen hat.

29 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 23 Ort Ort Mit Modelländerung Mit Modelländerung Ohne Modelländerung Ohne Modelländerung Art der Art der Modellnutzung Modellnutzung extern extern z.b. z.b. Autohersteller Autohersteller intern z.b. intern z.b. Autozulieferer Autozulieferer Digital Digital Mock Mock Up Up Anderer Anderer CAD- CAD- Anwender Anwender CAD- CAD- Baugruppen- Baugruppen- Modellierung Modellierung Native Native Repräsentation Repräsentation Produktdokumentation Produktdokumentation Konvertierte Konvertierte Repräsentation Repräsentation Art der Modellrepräsentation Art der Modellrepräsentation Abbildung 14 : Klassifizierung der CAD-Modellkunden nach der Art der Nutzung von CAD- Modellen Diese Aspekte sind: Modellkundenklassifizierung nach der Art der Modellnutzung: Grundsätzlich können die Modellkunden die vom CAD-Lieferanten erhaltenen Modelle ändern oder unverändert für ihre Aufgaben nutzen. Zwangsläufig muss der CAD-Modellkunde in den meisten Fällen das gleiche CAD-System nutzen, wenn die Änderungen im nativen Format durchgeführt werden. An dieser Stelle ist anzumerken, dass die CAD- Ingenieure selbst typische Modellkunden sind, die alte CAD-Modelle für Variantenoder Anpassungskonstruktionen modifizieren und weiterentwickeln. Modellkundenklassifizierung nach der Art der Modellrepräsentation: Im Allgemeinen kann das CAD-Modell im nativen Format des CAD-Systems oder in einem neutralen konvertierten Format vorliegen und genutzt werden. Dementsprechend ändern sich auch die Anforderungen der Modellkunden an die CAD- Modelle. Wenn das native CAD-Modell für Kundenbedürfnisse geändert und angepasst wird, müssen entsprechende Änderungsmöglichkeiten bei der Modellierung implementiert werden. Bei einem konvertierten CAD-Modell ist eine Änderung durch die Modifikation der Parameter oder Entstehungsgeschichte unmöglich, was bedeutet, dass das CAD-Modell schon vor dem Exportvorgang die den Modellkunden zufrieden stellende Gestalt haben muss. Modellkundenklassifizierung nach dem Ort des Kunden: Ein CAD-Modellkunde ist in meisten Fällen entweder eine firmeninterne Person oder Unternehmenseinheit. Manchmal kann der CAD-Modell-Kunde auch eine externe Firma sein. Ein typisches Beispiel dazu ist die Beziehung Autozulieferer Autohersteller. Da die Autohersteller ihre Zulieferer meist zu dem Versand der nativen CAD-Daten verpflichten, sind sie für einen CAD-Modellerzeuger der Autozuliefererfirma externe Modellkunden.

30 24 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Dementsprechend entstehen auch neue Anforderungen, wie z. B. die Einhaltung der Modellierungsrichtlinien des Auto-OEM, oder auch zusätzliche Maßnahmen zum Know-how-Schutz der Modellinhalte. Tabelle 1 zeigt einige Beispiele der typischen Modellkunden mit einigen Anforderungen, die aus der Klassifizierung entstehen. CAD-Modellkunde Klassifizierung Einige Anforderungen Packaging-Ingenieur bei dem Kundenunternehmen (OEM) Marketingabteilung FEM-Ingenieur in einer Berechnungsabteilung Externer CAD-Modellkunde mit der Modellnutzung ohne Änderungen in einem nativen Format Interner CAD-Modellkunde mit der Modellnutzung ohne Änderungen in einem konvertierten Format Interner CAD-Modellkunde mit der Modellnutzung mit Änderungen in einem nativen Format Funktionierende Kinematiksimulationen in Baugruppen Verwendung der OEM- Startmodelle Einfache Ableitung der Außenfläche für Internet- Präsentationen Gelöschte Know-howrelevante Inhalte Alle Geometrieelemente unter 2 mm müssen abschaltbar sein Das CAD-Modell muss ein Volumenkörper sein Tabelle 1 Beispiele einiger CAD-Modellkunden Interessant ist an dem letzten Beispiel, dass ein FEM-Ingenieur selbstverständlich zwar das CAD-Modell mit zusätzlichen Daten bereichert und somit ein FEM-Modell erstellt, aber im Idealfall das ursprüngliche CAD-Modell nicht ändert (in der Realität müssen die CAD- Modelle oft angepasst werden) Ausgewählte CAD-Modellkundengruppen in der Produktentstehung In diesem Kapitel wird die Weiterverwendung eines CAD-Modells komprimiert analysiert. Es würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, an dieser Stelle eine Gesamtübersicht über alle CAD-Modellkunden zu geben. Dies liegt daran, dass das 3D-CAD-Modell in der modernen Produktenstehung die Basis für die meisten nachgeschalteten Aufgaben ist. Dennoch werden die ausgewählten größten Kundengruppen in diesem Unterkapitel 95 Prozent aller Einsatzfälle abbilden. Die jeweiligen zu beschreibenden Gruppen enthalten sowohl Anwender als auch die entsprechenden Applikationen. CAD-basierte Konstruktion Die CAD-Ingenieure selbst bilden einen großen Teil der Kunden der 3D-CAD-Modelle, da ein CAD-Modell sowohl in der CAD-Prozesskette (z. B. Baugruppenmodellierung,

31 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 25 Zeichnungsableitung, einfache Einbauuntersuchungen usw.) als auch später für Änderungskonstruktionen (siehe auch Abbildung 15) verwendet werden kann. Hier ist die duale Rolle des 3D-CAD-Modells als Anwendung deutlich sichtbar: Auf der einen Seite ist ein 3D-CAD-System der Modelllieferant für alle Modellkunden und auf der anderen Seite ist ein 3D-CAD-System selbst sein eigener CAD-Modellkunde, wenn man spätere CAD-basierte Konstruktionen betrachtet. Wichtig ist dabei, dass die Qualitätsanforderungen an die CAD- Modelle projektübergreifend gestellt werden. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, dass auch in einem Projekt die CAD-Modelle einem sehr intensiven Iterationsprozess unterliegen. Wenn das CAD-Modell nicht von Anfang an änderungsfreudig erstellt wurde, muss es später zeitaufwendig modifiziert oder sogar neu modelliert werden 9. Anpassungskonstruktion Anpassungskonstruktion Variantenkonstruktiokonstruktioerstellunbibliotheken Baugruppen- Zeichnungs- Modell- Variantenkonstruktiokonstruktioerstellunbibliotheken Baugruppen- Zeichnungs- Modell- Abbildung 15 : Einige CAD-Modellkunden aus dem CAD-Umfeld Die höchsten Qualitätsanforderungen an die CAD-Modelle werden dann gestellt, wenn sie später für den gleichen Zweck wieder Verwendung finden (z. B. Anpassungskonstruktion oder Nutzung in Teilebibliotheken). Das einmal generierte CAD-Modell wird oft später Hunderte Male von anderen Konstrukteuren eingesetzt, was sowohl einen einwandfreien numerischen Aufbau als auch einen durchdachten semantischen Aufbau mit den entsprechenden Parametern und sonstigen Eigenschaften erfordert. Dies ist eine typische 1-zu-n-Beziehung, bei der die breite Nutzung und die entsprechenden Skaleneffekte sowohl Einsparungspotenziale als auch Gefahren mitbringen. Simulation und Berechnung (CAE) Unter dem Oberbegriff CAE (Computer Aided Engineering) werden oft unterschiedliche Engineering-Systeme zur Simulation des Bauteilverhaltens verstanden. Die Vertreter dieser 9 Bei einer im Laufe der Arbeit bei einem Autoteilzulieferer durchgeführten Untersuchung wurde gezeigt, dass eine Konstruktionsänderung eines Teiles der Sitzstruktur oft mehr als 2-3 Tage beansprucht. Bei einer methodischen Modellierung wurden aber die Werte von 1-2 Stunden erreicht.

32 26 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Familie sind beispielsweise Finite Elemente Methode, Digital Mock Up, Mehrkörpersimulation oder Crash-Simulationen. Das CAD-Modell wird bei CAE-Verfahren als Grundlage zur Bildung des Simulationsmodells genommen [GaEK01]. Die Qualität des Quellmodells bestimmt oft auch die Qualität des Simulationsmodells und ist somit entscheidend für die Güte der Analyseergebnisse. Die Vorbereitung des CAD-Modells und die Bildung des Simulationsmodells finden in einem so genannten Preprozessor statt. In vielen Fällen (z. B. bei FEM) wird das CAD-Modell bei der Modellbildung diskretisiert [Wern01, GaEK01]. Dabei wird das kontinuierliche CAD-Modell durch ein diskretes angenähert. Damit lässt sich ein Geometriemodell in Polyeder unterteilen, deren mechanisches Verhalten jeweils durch einfache Gleichungen beschrieben werden kann. Die Probleme können also meistens entweder an der Schnittstelle zwischen dem CAD- und Simulationsmodell auftreten oder dadurch, dass schon das CAD-Modell die Wirklichkeit falsch abgebildet hat. Wichtige Daten, die vom Modellnutzer verwendet werden, sind zum Beispiel bei MKS 10 [Claa02]: Geometrische Körper (Lage, Orientierung, Masse, Trägheit), Massenpunkte, Hilfselemente (Lage im Raum), Koordinatensysteme (Lage, Orientierung). Dadurch, dass verschiedene CAE-Verfahren oft unterschiedliche Simulationsmodelle bilden, sind auch die Anforderungen an die 3D-CAD-Modelle sehr differenziert. Allen gemeinsam ist es aber, dass sie von einem CAD-Modell eine solche Flexibilität verlangen, so dass das CAD- Modell für die jeweiligen Simulationszwecke angepasst werden kann. Zum Beispiel darf das CAD-Modell für die meisten FEM-Berechnungen keine Einzelheiten enthalten, wohingegen ein DMU-Modell die genaue äußere Geometrie für Toleranzuntersuchungen erfordert. Arbeitsvorbereitung (CAPP) und Fertigung (CAM) Unter CAM-Systemen werden Fertigungssysteme beispielsweise für die rechnerintegrierte Bauteilfertigung, Fertigungsplanung, Montage und Qualitätsprüfung verstanden [Sanf95]. Ein CAM-System findet vorwiegend im industriellen Bereich für die Steuerung von Werkzeugmaschinen Verwendung. Die Arbeitsvorbereitung stellt das Bindeglied zwischen der Konstruktion und Fertigung dar und wird sehr stark von den in der Fertigung genutzten Vorgehensweisen und Verfahren beeinflusst [Claa02, Dick05]. Ein Fertigungsmodell enthält alle Daten (meistens geometriebeschreibende Daten, Strukturdaten, Bemaßungen, Toleranzen, werkzeug- und maschinenspezifische Daten), die zur Erstellung der vollständigen Fertigungsinformationen erforderlich sind. Im Idealfall werden die erforderlichen Informationen für die Steuerung direkt von den für die Entwicklung zuständigen CAD- Programmen geliefert [FiBV06]. Das Hauptproblem bei CAM liegt in der fehlenden Standardisierung der Schnittstellen zwischen den einzelnen Systemen sowie in der Anbindung von CAD-Programmen, da in der Regel andere Computer-Systeme für CAD-Modelle verwendet werden, als zur Steuerung der Fertigungsmaschinen. In der Praxis kommen leider immer noch, insbesonders in der Fertigungsplanung, die IT-Systeme nicht durchgängig zum 10 MKS: Mehrkörpersimulationssysteme

33 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 27 Einsatz. Dies ist oft der Grund dafür, dass den CAD-Modellen beim Exportvorgang viele wichtige Informationen verloren gehen. Eine weitere Anforderung seitens CAM ist, dass bei der Modellierung solche Fertigungsfeatures verwendet werden sollen, die die Geometrie eindeutig um Fertigungsinformationen erweitern 11. Datenverwaltung (PDM/PLM) Produktdatenmanagement (PDM) ist ein Konzept, um die Produktdaten (z. B. Definition, Repräsentation) als Ergebnis der Produktentwicklung zu speichern, zu verwalten und den nachgelagerten Phasen des Produktlebenszyklus zur Verfügung zu stellen. Integrierte PDM- Systeme [Abra05] beinhalten zusätzlich noch eine Portal-Komponente, die die Bereitstellung von relevanten Informationen innerhalb und außerhalb des Unternehmens (z. B. Produktkataloge, Standards und Richtlinien) ermöglicht. PDM-Module unterstützen auch eine verteilte Engineering-Kooperation. Die Ausweitung der PDM-Ansätze auf die gesamten Produktlebenszyklen führte in den letzten Jahren zum Product Lifecycle Management (PLM)- Ansatz [Abra05]. Im Ingenieurwesen stellt PLM einen Sammelbegriff für die Integration verschiedener Management-Ansätze und IT-Systeme dar [AbSc05]. Eine zentrale Komponente einer PLM-Umgebung sind logisch integrierte bzw. vernetzte Produktdatenmodelle. Den Kern bildet eine digitale Referenz (Digital Master) als Container für alle genauen Produktdaten entlang des Produktlebenszyklus. Die Integration von CADund PLM-Systemen ist zwar heute Stand der Technik, an dieser Schnittstelle liegen aber auch die meisten Anforderungen seitens PDM/PLM an die CAD-Modellierung. Allgemein lässt sich feststellen, dass diese Anforderungen weniger den Ablauf der Modellierung als die entsprechende Ausführung begleitender organisatorischer Prozesse betreffen. Zum Beispiel ist die richtige Baugruppenstruktur, die meistens im CAD-System angelegt und dann vom PDM- System übernommen wird, von besonderer Bedeutung. Die richtige Parametrisierung und der methodische Modellaufbau spielen dabei nur dann auch eine Rolle, wenn zum Beispiel die Variantensteuerung bei Einzelteilen auch vom PDM-System übernommen wird. Computerunterstützte Qualitätssicherung (CAQ) CAQ-Systeme analysieren (z. B. Prozessdatenanalyse), dokumentieren und archivieren qualitätsrelevante Daten für die Fertigungsprozesse. Ein CAQ-System unterstützt alle Prozesse zur Sicherstellung der Produktqualität während der gesamten Wertschöpfungskette. Über festgelegte Qualitätsprüfungen werden sowohl die Qualität von Anlieferungen als auch der Qualitätsstandard während der Produktion bis hin zum Warenausgang überwacht. Auf dem Weg von einem CAD-Modell bis zu einem funktionsfähigen Messprogramm liegen heute 11 Ein Beispiel dafür ist eine einfache Bohrung. Wenn im CAD-Modell die Bohrung mit dem Formelement Extrusionsschnitt erzeugt wurde, kann dies das CAM-System später nicht als Fertigungsschritt Bohrung deuten. Wenn hingegen das Fertigungsfeature Bohrung verwendet wurde und auch zusätzliche Informationen (z.b. Bohrer, Toleranz usw.) eingesetzt werden, kann das CAM-System die Information übernehmen. Viele Firmen gehen noch weiter und erweitern mit Wissenssprachen die Bohrungsfeatures, was die Verarbeitung in den CAM-Modulen noch weitgehender automatisiert.

34 28 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen in den meisten Fällen mehrere Informationsflussbrüche vor. Erfahrungsgemäß wird der Umweg über eine technische Zeichnung genommen, von der die Prüfmerkmale abgelesen und programmiert werden. In der modernen CAD-CAQ-Kette lassen sich alle Informationen direkt aus dem CAD-Modell ableiten. Somit können sowohl die Prüfplanung als auch die Messplanung unterstützt und beschleunigt werden. Systeme mit grafischer Weiterverwendung (Technische Produktdokumentation, Vertrieb) Diese Nutzergruppen verwenden die CAD-Modelle zur Generierung technischer Dokumente, Stücklisten, Bilder und anderer Publikationsformen [Claa02]. Die Erstellung technischer Zeichnungen ist immer noch die wichtigste Aufgabe der Produktdokumentation. Da bei der 3D-Modellierung die geometrische Gestalt vollständig beschrieben wird, ist die Zeichnungserstellung nur eine Ableitung der orthogonalen Projektionen, die weitgehend automatisch ablaufen kann (oft auch Master-CAD-Modell-Konzept genannt). Wenn das CAD-Modell schon in 3D richtig bemaßt wurde, können auch diese Daten direkt übernommen werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, aus den CAD-Modellen weitere Darstellungen zu erstellen, wie z. B. Explosionsdarstellungen, Bedienungsanleitungen oder auch fotorealistische Renderbilder. Ein neues Einsatzfeld der CAD-Modelle ist der technische Vertrieb. Die CAD-Daten können hierbei als ein sehr wichtiges Kommunikationswerkzeug dienen. Die Präsentation der Produkte [Claa02] erfolgt meist in einer simulierten, der Realität nachempfundenen Umgebung. Zum Einsatz kommen immer öfter auch die Verfahren der Virtual Reality, bei denen die CAD-Modelle dreidimensional durch eine Stereodarstellung realitätsnah dargestellt werden. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, dass sie die CAD- Modelle kaum ändern, sondern in meisten Fällen nur die Baugruppenstruktur und die äußere, vorwiegend tesselierte, Geometrie verwenden. 2.3 Allgemeine und CAD-spezifische Definition des Qualitätsbegriffes Allgemeiner Begriff Qualität Da der Begriff Qualität in unserer Gesellschaft meistens in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet wird, hat häufig auch eine weitläufige variable Bedeutung, die oft nicht sofort klar ist. Das Wort Qualität kommt aus dem Lateinischen qualitas und bedeutet Eigenschaft oder Beschaffenheit; er ist zunächst weder positiv noch negativ belegt. Auch eine sehr schlechte Qualität stellt eine Ausprägung dar. Umgangssprachlich setzt man jedoch automatisch eine gute Qualität voraus und benutzt den Begriff nur im positiven Sinne. Dieser anscheinend allgemeinverständliche Begriff hat in der Forschung und Praxis des Qualitätsmanagements dennoch eine Anzahl teilweise divergierender Definitionen erfahren. Nach DIN ISO 9000 wird die Qualität als der Grad verstanden, in dem ein Satz inhärenter Merkmale Anforderungen erfüllt. Diese allgemeine Definition kann aber nur bedingt auf das digitale CAD-Modell übertragen werden. Wichtig sind die Definitionen von so genannten

35 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 29 ausgewiesenen Qualitätsgurus 12, weil sie die Entwicklung des Qualitätsmanagements stark beeinflusst haben. Crosby [Cros94] definiert Qualität als die Erfüllung von Anforderungen Conformance to Requirements. Die beste Gewähr für hohe Qualität sind Vorbeugung und Vermeidung von Fehlern, Null-Fehler ( Zero Defects ) als Leistungsstandard. Für Feigenbaum bedeutet hohe Qualität, wenn Produkte und Dienstleistungen die Erwartungen des Verbrauchers erfüllen. Ähnlich sind die Definitionen von Shewart und Deming. Für sie bedeutet gute Qualität, dass die Zufriedenheit der Kunden erreicht wird. Sehr interessant sind die Grundgedanken von Juran [Jura89], der die Qualität als Funktionstüchtigkeit - Fitness for Use - für den Kunden definiert. Juran erweitert hierbei auch den Produktbegriff. Nicht nur industrielle Erzeugnisse, sondern beispielsweise auch Nachrichten, Bilanzen oder Wartungsarbeiten sind für ihn Produkte im Sinne der Qualitätsplanung. Der wichtigste Schritt ist nach Juran jedoch die Identifizierung des Kunden. Als Kunden definiert er nicht nur die Endverbraucher, sondern vielmehr die internen oder externen Weiterverarbeiter, die das bestimmte Produkt für ihren eigenen Prozess benutzen. Die wichtige Aussage von Juran [Jura98] war: Es gilt schon während der Produktherstellung: Der nächste Schritt des Herstellungsprozesses ist der Kunde des vorherigen Schrittes. Taguchi [TaCW04] baut seine Qualitätsphilosophie auf der Qualitätsverlustfunktion (Quality Loss Function) auf. Danach führt jede Abweichung eines Produkt-Qualitätsmerkmales vom Sollwert zu Problemen in der Fertigung, zu größerem Verschleiß, zu unzufriedenen Kunden und bedeutet somit Verlust an Gewinn. Diese Idee unterscheidet sich von dem traditionellen Qualitätsverständnis, wonach alle Produktmerkmale, die innerhalb einer vorgegeben Toleranz liegen, als qualitativ gleichwertig und ohne Unterschied anzusehen sind. Um die Abweichungen zu verhindern, müssen Prozesse gegen Störgrößen unempfindlich gemacht werden. Hierzu verwendet Taguchi die Methode der statistischen Versuchsplanung. CAD-Modelle sind nichtmaterielle Erzeugnisse. Deshalb sind hier die Qualitätsdefinitionen für nichtphysische Produkte von besonderer Bedeutung. Interessant ist in diesem Zusammenhang die Definition von Bruhn [Bruh04], der die Dienstleistungsqualität als die Fähigkeit eines Anbieters definiert, die Beschaffenheit von einer Kundenbeteiligung bedürfenden Leistung gemäß den Kundenerwartungen auf einem bestimmten Anforderungsniveau zu erstellen. Weiterhin bemerkt Bruhn, dass sich die Qualität aus der Summe der Eigenschaften bzw. Merkmale der Dienstleistung ergibt, bestimmten Anforderungen gerecht zu werden [Bruh04]. Die Qualität eines anderen nichtphysischen Produktes, nämlich der Software, wird in anderen Arbeiten als die Gesamtheit der Merkmale 12 Die Bezeichnung Gurus des Qualitätsmanagements ist inzwischen durchgängig in den meisten Büchern zu finden. Dies zeigt, dass Qualitätsmanagement sehr stark von einzelnen Denkern, Wissenschaftlern und Praktikern beeinflusst und weiterentwickelt wurde.

36 30 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen von Software bezeichnet, die erforderlich sind, um die Funktionen zu erfüllen, die die Software für ihren sicheren und fehlerfreien Einsatz benötigt. In den vergangenen Jahren fand einen rasanten Wandel des Qualitätsbegriffes statt [Sand01]. Früher haben die technischen Standards und Definitionen im Rahmen des damaligen Herstellermarktes dominiert. In der letzten Zeit verschob sich der Begriff zu einer umfassenden Definition und hat mit der Erfüllung von Bedürfnissen unterschiedlicher Kunden / Anspruchgruppen zu tun [Sand01]. Abbildung 16 dokumentiert diese Entwicklung. Aus allen Definitionen ergeben sich folgende Grundmerkmale [Wien05], [Hann00]: Qualität ist nichts Absolutes, sondern stellt die Beschaffenheit eines Produktes in Bezug auf gegebene Erfordernisse und Forderungen dar. Deshalb kann sich auch der Grad der Qualität im Laufe der Zeit bei der identischen Produktbeschaffenheit ändern. Qualität ist keine richtige physische Größe, weshalb sie auch nicht direkt messbar ist. Berechnen kann man lediglich den Grad der Erfüllung von Anforderungen. Man kann einem Produkt schlecht das Vorhandensein bzw. das Fehlen von Qualität zuweisen, weil alle Ausprägungen von sehr gut bis sehr schlecht möglich sind. Abbildung 16 : Qualitätsbegriff im Laufe der Zeit (in Anlehnung an [Sand01], [Hann00]) Qualität der CAD-Modelle Die Begriffe Qualität, Kunde und Fehler bei den CAD-Modellen stehen naturgemäß in engem Zusammenhang und sollten in diesem Unterkapitel näher geklärt und definiert werden. Bezogen auf den Qualitätsbegriff ergeben sich insgesamt zwei allgemeine Sichtweisen bzw. Ansätze, die sich auch auf die CAD-Modelle übertragen lassen: Produktbezogener Ansatz: Hierbei wird die Qualität als Summe der vorhandenen Eigenschaften verstanden, weshalb auch die Qualitätsperspektive als objektiv

37 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 31 bezeichnet werden kann. Die Produkteigenschaften bzw. die Merkmale der CAD- Modelle stehen also hier im Mittelpunkt. Kundenbezogener Ansatz: Bei diesem Ansatz wird die Wahrnehmung der Produkteigenschaften durch den Kunden in den Mittelpunkt gestellt. In diesem Kontext entscheiden die subjektive Qualitätsperspektive des Kunden und die Erfüllung der Kundenanforderungen über den Grad der Qualität. Wie bereits beschrieben, stehen in fast allen Definitionen die Begriffe Qualität, Produkt, Kunde und Anforderung in einer engen Beziehung zueinander. Ein Produkt wird nach DIN als Ergebnis von Tätigkeiten und Prozessen ([DIN8402]) definiert. In dieser Arbeit können unter dem Begriff Produkt die CAD-Modelle verstanden werden, die gewisse Eigenschaften bzw. Modellmerkmale aufweisen. Diese Modelle werden von Modellerzeugern generiert; für diese Erzeuger stellt ein CAD-Modell so zu sagen das Produkt ihrer Arbeit dar, sie können auch als Modelllieferanten bezeichnet werden. Danach werden diese Modelle von anderen Anwendern entweder ungeändert weiter benutzt oder auch neu modifiziert. Der Begriff Kunde ( ein Empfänger eines Produkts ) nach DIN [DIN8402] erfordert somit eine Definitionserweiterung im Vergleich zu seiner herkömmlichen Bedeutung, bei der ein Kunde die Leistungen oder Produkte kauft oder konsumiert und somit für ein Unternehmen lediglich eine externe Einheit darstellt. Als Kunde muss nun jeder definiert werden, der mit dem Unternehmen bzw. sogar mit einzelnen Prozessen in diesem Unternehmen, wie z. B. Produktentwicklung, zu tun hat. Das heißt, auch die Mitarbeiter, die unternehmensintern die digitalen Modelle erstellen und in irgendeiner Weise weiter verwenden, können in diesem Fall als Modellkunden aufgefasst werden. Es reicht aber nicht aus, unter einem Modellkunden nur eine Person zu verstehen. Dies können auch Anwendungssysteme sein, die die CAD- Modelle oder Teile davon weiter bearbeiten. Darüber hinaus erfordert diese Sichtweise die Schlussfolgerung, dass auch eine organisatorische Einheit eines Unternehmens, z. B. die Arbeitsplanungsabteilung, ein CAD-Modellkunde sein kann. Wie in Abbildung 17 zu sehen ist, können unterschiedliche Modellkunden durchaus mehrere Rollen übernehmen. Falls sie die von ihnen erstellten digitalen Modelle sowohl selbst verwenden als auch an weitere Modellkunden liefern, sind sie gleichzeitig ihr eigener CAD- Modellkunde und auch ihr Modelllieferant. In Abbildung 17 ist die Abteilung 3D-CAD- Konstruktion der Modelllieferant für die Abteilungen FEM, Montagesimulation und Digital Mock-Up. Die DMU-Abteilung ist somit ein CAD-Modellkunde der 3D-CAD- Konstruktionsabteilung. Darüber hinaus werden aber die DMU-Modelle von weiteren Teilprozessen der Produktentwicklung verwendet und verwertet, wie z. B. Virtual Reality oder Designuntersuchung. Somit ist die DMU-Abteilung also auch der Modelllieferant für diese Kunden. Diese Überlegungen spielen besonders deshalb eine wichtige Rolle, weil auch die Anforderungen dieser Modellkunden zweiten Grades oft von dem ursprünglichen CAD- Modell erfüllt werden müssen. Im Rahmen dieser diese Arbeit wird folgende Definition formuliert:

38 32 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Der CAD-Modellkunde ist eine Person, ein Anwendungssystem oder eine Organisationseinheit, die ein CAD-Modell oder Teile eines CAD-Modells verwendet und/oder verwertet. Für die umfassende Betrachtung muss noch eine zusätzliche Dimension herangezogen werden. Die Modellkunden, die an die von ihren Modelllieferanten erzeugten Modelle unterschiedliche Anforderungen stellen, können firmenextern und/oder auch firmenintern sein. Für diese Arbeit spielen insbesondere die internen Modellkunden eine entscheidende Rolle, weil sie für die Produktentwicklung eine besonders wichtige Rolle spielen. Abbildung 17 : Duale Rolle als CAD-Modellkunde und Modelllieferant (Quelle der Bilder: Dassault) Für den Begriff Qualität gibt es eine Reihe von allgemeinen Definitionen, die aber nur unzureichend auf die digitalen Modelle in der Forschung übertragbar sind. Die Definitionen in Bezug auf die digitalen Modelle gehen in meisten Fällen entweder nur auf einige spezielle Aspekte (wie z. B. Datenaustausch) oder auf die ausgewählten Partialmodellarten ein. Die VDA-Richtlinie Umfang und Qualität von CAD/CAM-Daten [VDA4955]unterscheidet zwischen der geometrischen und organisatorischen Qualität der CAD-Modelle. Diese

39 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 33 Richtlinie kann nur im Bereich der numerischen Qualität auf die digitalen Modelle angewendet werden, ist für den sicheren Datenaustausch entwickelt worden und daher kaum für den Entstehungsprozess eines Modells verwendbar. Ähnlich sind auch die USA- Richtlinien (Product Data Quality Guidelines) aufgebaut und gegliedert [SASIG05]. Meissner [Meis00] definiert die Qualität eines CAD-Modells als die Eigenschaft, die gestellten Anforderungen zur Nutzbarkeit zu erfüllen. Das CAD-Modell wird in dieser Definition als eigenständiges Produkt angesehen, welches der Konstrukteur für andere Fachabteilungen generiert und bereitstellt. Meissner macht auch erste Ansätze, die Qualität der Modelle zu messen. Die Zeit, die der CAD-Modellkunde für die Modifikation des Modells für seine spezifischen Belange braucht, ist die Grundlage der Berechnung, die in verschiedenen Abteilungen mit den CAD-Qualitätskontrollkarten durchgeführt wird. Eine kurze Nachbearbeitungszeit ist ein Indikator für eine hohe CAD-Modellqualität. Als Teilaspekte betrachtet Meissner organisatorische, numerische, logische, geometrische und zeitliche Qualität. Parallel dazu existiert eine Reihe von Definitionen, die auf einige Teilaspekte der Qualität von Modellen eingehen. Für Mendgen [Mend99] zum Beispiel bedeutet die eindeutige, einfache und sichere Gestaltung von Modellen, dass ein CAD-Modell ohne Interpretationsspielraum erfasst und damit ohne Informationsverlust oder Verfälschung im Rahmen der Prozesskette weiter und wieder verwendet werden kann. Die Eindeutigkeit wird also durch konsistente und nachvollziehbare Modelle gewährleistet. In Anlehnung an die schon getroffenen Definitionen kann daher die Modellqualität wie folgt definiert werden: Die CAD-Modellqualität ist ein Maß für die Fähigkeit des CAD-Modells, eine oder mehrere Anforderungen von CAD-Modellkunden zu erfüllen. Die Modellqualität ist also umso höher, je kleiner die Abweichung zwischen den vorhandenen Modellmerkmalen und den gestellten Kundenanforderungen ist. In dieser Definition wurde nicht der produktbezogene (in diesem Fall: modellbezogene), sondern der kundenbezogene Qualitätsansatz gewählt, bei dem die Erfüllung der Anforderungen unterschiedlicher Modellkunden/Modellkundengruppen im Mittelpunkt steht. Grob unterscheidet man verschiedene Aspekte bzw. Bestandteile der CAD-Modellqualität, die sich je nach der Qualitätsanforderungsart (in Anlehnung an Meissner) zu Gruppen zusammenfassen lassen. Die Definition der Qualität besagt, dass die Modellkunden die Modelle ihrer Lieferanten entweder verwenden oder verwerten. Deshalb kann in diesem Zusammenhang auch von der Weiterverwendungsqualität gesprochen werden. Ein CAD-Modell hat also dann eine gute Weiterverwendungsqualität, wenn es ohne oder nur mit einer geringen Nachbearbeitung in einem nachgeschalteten Teilprozess Anwendung findet. Die Wiederverwendung bei demselben Modellkunden (z. B. spätere Modellnutzung für eine Änderungskonstruktion) stellt demgegenüber ein wichtiges Merkmal der Weiterverwendungsqualität dar.

40 34 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Wenn das CAD-Modell diesen Kundenanforderungen schon teilweise nicht genügt und nachbearbeitet werden muss, weist es Fehler auf. Das CAD-Modell kann somit nicht ohne Nachbearbeitung weiterverwendet werden. Deshalb muss auch der Begriff Modellfehler (Fehler ist gemäß DIN die Nichterfüllung festgelegter Forderungen [DIN8402]) definiert werden, in dem nicht das CAD-Modell selbst, sondern die Weiterverwendung bei einem Modellkunden die zentrale Rolle spielt: Ein CAD-Modellfehler ist ein Merkmal eines CAD-Modells, das unerwünschte Abweichungen vom angestrebten Verarbeitungsprozess eines Modellkunden verursachen kann. Hier wird klar, dass eine getrennte Betrachtung unterschiedlicher Aspekten der Modellqualität, wie z. B. numerische oder organisatorische Qualität, nicht ausreichend sind. Diese Aspekte stellen nur einzelne Anforderungen oder Anforderungsgruppen dar und können die effektive Weiterverwendung und somit hohe Modellqualität nicht gewährleisten. Die Normen definieren zusätzlich den Begriff Mangel als einen sicherheitsrelevanten Fehler, der die Nutzung vollständig verhindert. Im Fall der digitalen Produktmodelle kann man ihn wie folgt definieren: Ein CAD-Modellmangel ist ein Merkmal eines CAD-Modells, das die Nutzung maßgeblich verhindert und somit eine Neumodellierung erforderlich macht. Als Beispiel sei hier ein digitales 3D-CAD-Modell gegeben, das eine 100%ige numerische und geometrische Qualität aufweisen kann und von vielen Modellkunden, wie z. B. FEModer MKS-Teilprozess, in aufwendiger Nacharbeit für weitere Anwendungen vorbereitet werden muss, indem unnötige Einzelheiten entfernt oder zusätzliche Informationen nachträglich modelliert werden. Noch schlechter wird die Modellqualität, wenn dieses 3D- CAD-Modell so modelliert worden ist, dass die Nachbearbeitung wegen der falschen Modellierungsmethodik und des Modellaufbaus erschwert wird oder sogar unmöglich ist. In diesem Fall kann das CAD-Modell als mangelhaft eingestuft werden. Das Beispiel zeigt, dass eine grundlegende Änderung der Denkweise bei Modellerzeugern notwendig ist Spezifikation der Anforderungen an die CAD-Modelle In der Literatur findet sich eine Vielzahl an Klassifikationen [Schi02] für Anforderungen, die jeweils nur auf Teilbereiche der CAD-Modellanforderungen angewendet werden können. Auch die Klassifikation von Meissner [Meis00] kann nicht direkt übernommen werden, weil die von ihm definierten logischen Qualitätsanforderungen zum Beispiel nur einen Ausschnitt der zahlreichen semantischen Anforderungen darstellen. In dieser Arbeit wird eine Klassifikation mit einer groben Einteilung in drei Gruppen definiert. Es wird zwischen den elementaren Grundanforderungen, den nicht-technischen semantischen Anforderungen und zahlreichen sonstigen Anforderungen unterschieden (siehe Abbildung 18). Eine feinere Klassifikation würde die Methode nur unnötig formalisieren.

41 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 35 Elementare Elementare Anforderungen Anforderungen Geometrische Geometrische Qualitätsanforderung Qualitätsanforderung Numerische Numerische Qualitätsanforderung Qualitätsanforderung.... Semantische Semantische Anforderungen Anforderungen Anforderung der Anforderung der Nachvollziehbarkeit Nachvollziehbarkeit Übergreifende Übergreifende Anforderungen Anforderungen CAD-Modell- CAD-Modell- Qualitätsanforderungen Qualitätsanforderungen Modellierungsabsichterfüllung Modellierungsabsichterfüllung Methodische Aufbauanforderungen Methodische Aufbauanforderungen Organisatorische Organisatorische Qualitätsanforderung Qualitätsanforderung Zeitliche Zeitliche Qualitätsanforderung Qualitätsanforderung Anforderung der Anforderung der Wirtschaftlichkeit Wirtschaftlichkeit Abbildung 18 : Verschiedene Gruppen der Modellqualitätsanforderungen Elementare Qualitätsanforderungen: Diese Anforderungen bildet die Grundlage für jegliche Modellnutzung. Im Falle ihrer Nichterfüllung kann das CAD-Modell überhaupt nicht oder nur sehr eingeschränkt weiter- bzw. wiederverwendet werden. Folgende zwei Anforderungsgruppen sind dabei besonders wichtig und bilden in meisten Fällen eine Voraussetzung: Numerische Qualitätsanforderungen: Das sind Anforderungen für die korrekte und eindeutige mathematische Beschreibung der Produktmodelle. Beispiel hierfür sind die richtige Ausrichtung der Flächen eines CAD-Modells im Raum oder die 100%ige Regenerierbarkeit der Modelle [Meis00]. Die numerischen Qualitätsanforderungen bilden die Grundlage des konventionellen Qualitätsverständnisses bei 3D-CAD- Modellen. Die entsprechenden Merkmale können zum größten Teil durch ein Prüfprogramm überprüft werden. Geometrische Qualitätsanforderungen: Nach der VDA-Empfehlung 4955 gibt die geometrische Datenqualität Aufschluss darüber, wie und mit welcher Genauigkeit Geometrieelemente erzeugt werden sollten, damit die Weiterverwendbarkeit dieser Elemente innerhalb der Prozesskette möglich ist [VDA 4955]. Man kann diese Definition auf andere Eigenschaften der Geometrieelemente erweitern, die nicht unbedingt unter numerischen Anforderungen fallen, wie zum Beispiel das Vorhandensein eines Volumenmodells oder die Art der Geometrie.

42 36 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Semantische Qualitätsanforderungen: Viele Anforderungen an CAD-Modelle können kaum in einer formalen Sprache ausgedrückt werden. Das sind beispielsweise semantische (Semantik: Bedeutungslehre) Anforderungen an die Modellierungsvorgehensweise zur Erfüllung von Konstruktionsabsichten. Man kann diese Anforderungen grob in folgende Gruppen einteilen: Qualitätsanforderung der Nachvollziehbarkeit: Meissner [Meis00] bezeichnet dies als logische Anforderung und sieht darin vor allem die einfache Nachvollziehbarkeit der dem CAD-Modell zugrunde liegenden Konstruktionsabsicht. Richtige Benennung und Strukturierung der Modellelemente [Mend99], Verwendung von Features, Constraints und klar gekennzeichnete Hilfselemente sind die typischen positiven Beispiele dafür. Diese logische Qualitätsanforderung kann besonders beim Ändern des digitalen Modells und bei der schnellen Einarbeitung in die Konstruktionsidee sehr hilfreich sein. Der Begriff logisch passt aber in dem Zusammenhang nicht sehr gut, weil auch vor allem unlogische Konstruktionen nachvollziehbare Strukturen haben können. Anforderung der Modellierungsabsichterfüllung: Vor jeder Modellerzeugung werden an das CAD-Modell Anforderungen gestellt, wie die Endgestalt aussehen soll. In vielen Fällen können jedoch diese Anforderungen mit den Möglichkeiten des vorhandenen CAD-Systems oder wegen anderer Faktoren (fehlende Erfahrung, hoher Zeitdruck) nicht vollständig realisiert werden. Methodische Aufbauanforderungen: Bei der Erstellung von 3D-Modellen spielen der Modellierungsweg oder der Modellaufbau für ihre spätere Nutzung eine wichtige Rolle. Die Erfüllung dieser Anforderung wird oft dadurch erschwert, dass die modernen parametrischen Systeme es möglich machen, die Endgeometrie auf unterschiedlichen Modellierungswegen zu erstellen. Eine falsche Modellierungsvorgehensweise kann die Weiterverwendung erschweren, in vielen Fällen sogar eine Neumodellierung erforderlich machen. Übergreifende Qualitätsanforderungen: Diese Anforderungen sind für die CAD-Modele nicht spezifisch; Obwohl sie in meisten Fällen als Zusatz zu anderen Anforderungen angewendet werden, können trotzdem eine sehr wichtige Rolle spielen. Besonders bei Ingenieuren finden oft nur technische Anforderungen Berücksichtigung, so dass diese wichtigen übergreifenden (nicht technischen) Anforderungen außer Acht gelassen werden. Organisatorische Qualitätsanforderungen: Nach der VDA-Empfehlung 4955 [VDA 4955] sind dies Anforderungen, die für eine eindeutige Identifizierung und Verwendung der Modelle benötigt werden. Ihre Erfüllung kann insbesondere durch Produktdatenmanagementsysteme unterstützt werden. Außerdem kann auch ein CAD- Modell selbst weitere organisatorische Informationen enthalten, wie z. B. Attribute, Bezeichnungsregel und Normerfüllung.

43 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 37 Zeitliche Qualitätsanforderungen: Die effektive Modellnutzung im Produktentstehungsprozess erfordert eine pünktliche Modellbereitstellung. Diese Qualitätsanforderung ist fest mit anderen gekoppelt, weil ansonsten ein fehlerfreies Modell, das nicht termingerecht bereitgestellt wurde, von Modellkunden oft nicht mehr verwendet werden kann. Wirtschaftliche Anforderungen: Es muss immer beachtet werden, dass jegliche methodische Konstruktion beträchtliche Kosten verursacht, so dass ein Gleichgewicht zwischen dem Zeitaufwand für die methodische Modellierung und den Gesamtproduktkosten eingehalten werden soll. Anders formuliert: Zwar kann der Aufwand für die CAD-Methodik in die Höhe getrieben werden, irgendwann steht dies jedoch in keinem Verhältnis zum Nutzen des erstellten hochqualitativen CAD- Modelles. Das folgende Beispiel soll diese Sachverhalte verdeutlichen: Bei der Konstruktion eines Schaumteils für einen Autositz werden an das 3D-CAD-Endmodell verschiedene Anforderungen von unterschiedlichen Modellkunden gestellt. Dieses Bauteil weist jedoch nur für die CAD-Modellierung typische numerische Anforderungen auf, wie z. B. keine krümmungsunstetigen Kurvensegmente und kein Umklappen der Flächennormalen. Bei den geometrischen Anforderungen an das 3D-CAD-Modell wird unterschieden, ob eine flächenoder volumenbasierte Modellierung angestrebt wird. So gelten beispielsweise bei der flächenbasierten Modellierung Anforderungen an die Art der 3D-Draht-Elemente (keine Bezier-Kurven, keine zusammengesetzten Kurven) oder der 3D-Flächen-Elemente (keine identischen Flächen, nur extrudierte Flächen usw.). Bei der Qualitätsanforderung der Nachvollziehbarkeit des Schaumteilmodells spielt insbesondere die Einteilung der Geometriegruppen in die entsprechenden Flächenkörper (z. B. Körper Rückenlehne ) eine wichtige Rolle. Weiterhin müssen alle Steuerelemente und -parameter hinreichend benannt werden. Die Anforderung der Modellierungsabsichterfüllung betrifft besonders die Übereinstimmung mit Designflächen, die vom Automobilhersteller vorgegeben sind. Die wichtigsten Anforderungen zur Weiterverwendung in der Prozesskette betreffen den methodischen Aufbau. Erstens muss der Aufbau so gestaltet sein, dass die Formbauabteilung die Geometrie in speziellen Bereichen flexibel ändern kann. Die zweite Bedingung ist, dass das CAD-Modell auch für Variantenkonstruktionen Verwendung findet (und deshalb flexibel im vorgegebenen Maße veränderbar ist). Die übergreifenden Anforderungen brauchen die endgültige Freigabe nach dem Projektplan und die Freigabe des Konzeptmodells vor dem ersten Produkt-Design-Review. 2.4 Grundlagen des Qualitätsmanagements Qualitätsmanagement Qualitätsmanagement hat im letzten Jahrhundert in der modernen Produktion immer mehr an Bedeutung gewonnen. Das Qualitätsmanagement ist eine Querschnittsdisziplin und dient der Analyse, Prüfung, Beurteilung und Regelung der Qualität materieller und immaterieller

44 38 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Produkte und entsprechender Prozesse [Lins05]. Qualitätsmanagement ist nach DIN EN ISO 9000 definiert als aufeinander abgestimmte Tätigkeiten zum Leiten und Lenken einer Organisation bezüglich Qualität, die üblicherweise das Festlegen der Qualitätspolitik und der Qualitätsziele, die Qualitätsplanung, die Qualitätslenkung, die Qualitätssicherung und die Qualitätsverbesserung umfassen [ISO 9000]. Durch die konsequente Verknüpfung der Begriffe Qualität und Management wird deutlich vermittelt, dass Qualität alle Personen, Organisationseinheiten und Unternehmensprozesse betrifft und nicht wie früher allein auf die Abteilung Qualitätssicherung beschränkt ist [HeTB99]. Abbildung 19 zeigt die einzelnen Entwicklungsstufen der Qualitätslehre zu dem Qualitätsmanagement mit einigen Qualitätsvordenkern, die diese einzelnen Stufen verstärkt geprägt haben [Hann00]. Die Systematisierung des Qualitätsmanagements begann in den 1970er Jahren; man nannte es damals nur Qualitätssicherung. Der Begriff Qualitätsmanagement hat mittlerweile den Begriff Qualitätssicherung als Oberbegriff ersetzt. Charakter Charakter des des QM QM Umfang Umfang des des QM QM sortierend steuernd vorbeugend integrierend sortierend steuernd vorbeugend integrierend Umfassende Umfassende Qualitätskonzepte Qualitätskonzepte Qualitätssichernde Qualitätssichernde Maßnahmen in Maßnahmen in allen allen Qualitätsprüfung mit bereichen Unternehmens- Qualitätsprüfung mit bereichen Unternehmens- statistischen statistischen Methoden Qualitätskontrolle Methoden Qualitätskontrolle Qualitätsgurus Qualitätsgurus Taylor Taylor Shewhart Taguchi Shewhart Taguchi Ishikawa Ishikawa Ford Juran Ford Juran Feigenbaum Feigenbaum Crosby Crosby Deming, Masing Deming, Masing Abbildung 19 : Entwicklung des Qualitätsmanagements (in Anlehnung an [Hann00]) Die Bestandteile (oft auch die Grundfunktionen oder Teilkonzepte genannt) des Qualitätsmanagements sind [ISO9000]: Qualitätspolitik, Qualitätsziele, Qualitätsplanung, Qualitätslenkung, Qualitätsprüfung und Qualitätsverbesserung. In einem konkreten Fall in der Praxis können noch weitere Bestandteile hinzukommen (z. B. Qualitätsaudit) oder auch die erwähnten Module wegfallen (z. B. in einem Handwerksbetrieb, in dem die Qualitätsprüfung

45 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 39 meistens völlig ausreichend ist). Die wichtigsten Bausteine des Qualitätsmanagements werden im Folgenden kurz beschrieben: Die Qualitätsplanung ist nach EN ISO 9000 ein Teil des Qualitätsmanagements, der auf das Festlegen der Qualitätsziele und der notwendigen Ausführungsprozesse sowie der zugehörigen Ressourcen zur Erfüllung dieser Qualitätsziele gerichtet ist [ISO 9000]. Die wichtige Aufgabe der Qualitätsplanung ist das Auswählen, Klassifizieren und Gewichten von Qualitätsmerkmalen sowie die Aufstellung einer Anforderungsspezifikation bzw. eines Pflichtenheftes [Hann00]. Diese Phase spielt deshalb eine besonders wichtige Rolle, weil hier maßgeblich die Kosten für die späteren Phasen festgelegt werden. Die Instrumente der Qualitätsplanung sind als Qualitätsmethoden bekannt und werden in späteren Kapiteln separat behandelt. Nach EN ISO 9000 ist Qualitätslenkung definiert als ein Teil des Qualitätsmanagements, der auf die Erfüllung von Qualitätsanforderungen gerichtet ist [ISO 9000],. Die Qualitätslenkung 13 hat die Prozessbeherrschung und -überwachung und somit die Verhinderung der Entstehung von nichtkonformen Teilen im Mittelpunkt [SeHa93]. Die Qualitätslenkung analysiert die Qualitätsabweichung und veranlasst Maßnahmen zur Abstellung und Verhinderung der Fehler [HeTB99]. Die Qualitätslenkung erfolgt im Anschluss an die Qualitätsplanung unter Verwendung von Ergebnissen der Qualitätsprüfung und anderen Qualitätsdaten. Sehr oft wird diese Phase auch Qualitätssteuerung genannt [Bruh04]. Nach EN ISO 9000 ist Qualitätssicherung definiert als ein Teil des Qualitätsmanagements, der durch das Erzeugen von Vertrauen darauf gerichtet ist, dass Qualitätsanforderungen erfüllt werden [ISO 9000]. Im Konzept der Qualitätssicherung werden die Elemente der Prozessbeherrschung mit einer Systematik der Qualitätsgestaltung und mit den Anstrengungen zur vorbeugenden Verhütung von Fehlern kombiniert [SeHa93]. Dabei kommt auch eine systematische Erfassung und Reduzierung der Qualitätsrisiken zur Anwendung. Der Begriff Qualitätssicherung wird zwar noch oft in vielen Unternehmen als ein Qualitätsoberbegriff verwendet, dies wird allerdings durch die Normen nicht mehr empfohlen. Zunehmend wird auch die Qualitätsprüfung als operativer prüfender Bestandteil der Qualitätssicherung angesehen. Durch die Qualitätsprüfung lässt sich feststellen, inwieweit eine Einheit die Qualitätsanforderungen erfüllt. Die Prüfung findet je nach Einsatzgebiet anhand harter Fakten (Messungen) oder subjektiver Empfindungen statt. Die Qualitätsprüfung strebt an, durch frühzeitiges Aussortieren fehlerhafter Teile deren Weiterverarbeitung und Auslieferung zu verhindern [SeHa93]. Die wichtigen Phasen sind die Prüfplanung, -ausführung, -datenerfassung und -auswertung. 13 In der Norm DIN EN ISO 9000 wird die Qualitätslenkung auf Englisch als quality control übersetzt, was oft für Verwirrung sorgt, weil unter control oft die Q-Prüfung und nicht die Q-Lenkung verstanden wird.

46 40 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Nach EN ISO 9000 ist Qualitätsverbesserung definiert als ein Teil des QM, der auf die Erhöhung der Fähigkeit zur Erfüllung der Qualitätsanforderungen gerichtet ist. Die Qualitätsverbesserung konzentriert sich auf die Weiterentwicklung des Unternehmens in Richtung höherer Qualität. Die wichtigste Rolle spielen dabei die humanen Faktoren, wie z. B. Qualifikation und Motivation. Diese Aufgabe ist in jeder Organisation eine Daueraufgabe. Sie sollte sich auf alle Produkte und Prozesse erstrecken, wobei der zu erwartende Erfolg im Vergleich zum nötigen Aufwand zu beachten ist [Wien05]. Voraussetzung hierfür ist, dass die Leistungen messbar bleiben, weil nur so beurteilt werden kann, ob eine Veränderung eine Verbesserung oder eine Verschlechterung bedeutet [ReLH96]. Abbildung 20 zeigt die Bildung eines operativen and evolutionären Qualitätsregelkreises aus den beschriebenen Bestandteilen. Die Qualitätspolitik (Q-Politik) ist ein integraler Bestandteil der Unternehmenspolitik. Die festzulegenden Qualitätsziele ergeben sich aus der Qualitäts- Politik und müssen messbar sein [Wien05]. Q.-Planung Q.-Planung Q.-Lenkung Q.-Lenkung Q- Q- Politik Politik Q.- Q.- Ziele Ziele Q.-Verbesserung Q.-Verbesserung Q.-Prüfung Q.-Prüfung Abbildung 20 : Qualitätskreise (in Anlehnung an [Hann00]) Operativer Qualitätskreis Operativer Qualitätskreis Evolutionärer Qualitätskreis Evolutionärer Qualitätskreis Fertigungsprozesse und Fehlerverhinderung stehen im Mittelpunkt des operativen Regelkreises. Der evolutionäre Regelkreis führt auf Basis von Erkenntnissen und Resultaten aus der Fertigung zu Verbesserungen, die wieder in die Qualitätsplanung einfließen. Vergleichend kann man sagen, dass der operative Regelkreis die Fehler in der Gegenwart und der evolutionäre Regelkreis die Fehler in der Zukunft verhindert [Hann00]. Die Grundgedanken des umfassenden Qualitätsmanagements kann man wie folgt zusammenfassen: Qualitätsmanagement liegt in der Verantwortung aller Ausführungsebenen [DIN8402], muss jedoch von dem Top-Management angeführt werden. Die wichtigsten Aufgaben des Top-Managements sind die Festlegung der Qualitätspolitik, der Qualitätsziele und der Verantwortlichkeiten. Die Führung schafft die Umgebung, in der sich die Mitarbeiter für die Erreichung der Ziele einsetzen können [Wagn03].

47 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 41 Im Mittelpunkt des Qualitätsmanagements sthet nicht nur die Prüfung, sondern die Prävention von Fehlern. Es muss der Grundsatz gelten: Fehlervermeidung statt Fehlerbehebung [HeTB99]. Erforderlich ist eine system- und prozessorientierte Vorgehensweise, bei der die Unternehmensprozesse nicht einzeln, sondern als ein komplettes System betrachtet werden [Wagn03]. Das Herangehen an die Entscheidungen muss sachlich sein, so dass die Entscheidungen aufgrund einer logischen Analyse von Daten und Informationen entstehen. Motivation der Mitarbeiter für die Arbeit und die verbesserte Kommunikation aller am Prozess Beteiligten sind Voraussetzung für die Qualitätsverbesserung. Am anspruchsvollsten ist das Konzept des umfassenden Qualitätsmanagements (meistens Total-Quality-Management (TQM) genannt), das nach DIN als eine auf die Mitwirkung aller Mitglieder gestützte Managementmethode einer Organisation, die Qualität in den Mittelpunkt stellt und durch Zufriedenstellung der Kunden auf langfristigen Geschäftserfolg zielt [DIN8402] definiert wird. Eine Weiterentwicklung von TQM fand in der japanischen Autoindustrie statt und schließlich wurde es auch zum Erfolgsmodell. Zu den wesentlichen Prinzipien der TQM-Philosophie zählen folgende Aspekte: Qualität orientiert sich am Kunden. Qualität wird mit Mitarbeitern aller Bereiche und Ebenen erzielt. Qualität umfasst mehrere Dimensionen, die durch Kriterien operationalisiert werden müssen. Qualität ist kein Ziel, sondern ein Prozess, der nie zu Ende ist. Qualität setzt aktives Handeln voraus und muss erarbeitet werden Qualitätsmanagementmethoden Mit dem Ziel, die Qualität eines Produktes oder einer Dienstleistung zu steigern bzw. zu optimieren, steht dank des modernen Qualitätsmanagements eine Fülle bewährter und leistungsfähiger Methoden und Hilfsmittel zur Verfügung, deren früher und konsequenter Einsatz auch in der virtuellen Produktentwicklung zu einer deutlichen Reduzierung der Entwicklungskosten und -zeiten führen kann [Lesm01]. In dieser Arbeit werden nur die QM- Methoden benutzt, die zur Optimierung der CAD-Modelle grundsätzlich geeignet erscheinen. An dieser Stelle erfolgt die Vorstellung der meist verbreiteten QM-Methoden, die auch später in der Konzeptphase dieser Arbeit verwendet werden. Weitere Techniken werden im Konzeptteil bei dem jeweiligen Einsatz erklärt. Dabei haben die Verfahren unterschiedliche Schwerpunkte in der Anwendung. Abbildung 21 zeigt auf, in welcher Phase des Produktlebenszyklus diese Methoden gegenwärtig Anwendung finden. Diese Verfahren sind gemäß deren Einsatzphase im Produktlebenszyklus der physischen Produkte aufgeteilt worden. Wichtig ist, dass in dieser Arbeit ein 3D-CAD-

48 42 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Modell als ein Produkt betrachtet wird. Es ist nicht das Ziel dieses Kapitel, eine umfassende Übersicht über Qualitätsmethoden zu erstellen. Produktentwicklunerprobunplanung Produkt- Fertigungs- Produktentwicklunerprobung Produkt- Fertigungsplanung Produktplanung Produktplanung Produktentstehung Produktentstehung Fertigung Fertigung QFD QFD Benchmarking Benchmarking FTA / FMEA / DBRFM FTA / FMEA / DBRFM Design Review Design Review Poka-Yoke Poka-Yoke Abbildung 21 : Ausgewählte QM-Methoden (in Anlehnung an [HeTB99]) FTA (Fault Tree Analysis - Fehlerbaumanalyse) und FMEA (Fehler-Möglichkeits- und Einfluß-Analyse) basieren auf der Untersuchung von Fehlern und dem Auffinden ihrer Ursachen. Sie kommen in den Phasen Ideenfindung, Entwicklung und Fertigung des Produktlebenszyklus zum Einsatz. Quality Function Deployment (QFD) ist eine Methode der Qualitätssicherung. Ziel des Verfahrens ist die Konzeption, die Erstellung und der Verkauf von Produkten und Dienstleistungen, die der Kunde wirklich wünscht. QFD steht für die Entwicklung eines Produktes nach den Wünschen der Kunden. Auch QFD überspannt die Phasen von der Produktidee bis zur Fertigung, mit dem Unterschied, dass die Ideenfindung durch die Analyse von Kundenwünschen mit dieser Methode initiiert wird. Poka-Yoke repräsentiert eine Theorie, die von einem Null-Fehler-Ansatz ausgeht, d.h. es wird konstatiert, dass jeder vermiedene Fehler (während eines Prozesses) einen positiven und damit auch einen wünschenswerten Einfluss auf die Produktqualität hat. Ziel ist es, ein Produkt mit nahezu null Fehlern zu produzieren und vertreiben zu können. Ihre Anwendung in den Phasen Fertigung und Vorserie berücksichtigt diese Vorgabe. Design Review untersucht zu den vorgegebenen Meilensteinen die Abweichungen von den vorgegebenen Anforderungen. Allen Methoden ist gemeinsam, dass sie präventiv eingesetzt werden sollen, denn bevor ein Fehler in der Nutzungsphase eintritt, sollte er mit den QM-Methoden bereits gefunden und behoben sein. Die im Folgenden nur kurz umrissenen Methoden können auch miteinander kombiniert werden, um dieses Ziel zu erreichen. Bevor dieser Kombinationsentwurf gemacht wird, werden nachfolgend einige einzelne Methoden im Detail vorgestellt. Die Entwicklung der QM-Werkzeuge ist noch nicht abgeschlossen; die meisten Methoden werden stets weiterentwickelt.

49 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 43 Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) FMEA wird zur Fehlervermeidung und zur Erhöhung der technischen Zuverlässigkeit von Produkten und Prozessen vorbeugend eingesetzt. Sie dient dazu, mögliche Schwachstellen zu finden, deren Bedeutung zu erkennen, zu bewerten und geeignete Maßnahmen zu ihrer Vermeidung bzw. Behebung rechtzeitig einzuleiten (präventiver Ansatz). Die Methode ist aber auch dazu geeignet, bestehende Produkte oder Prozesse zu verbessern (korrektiver Ansatz). Die FMEA untersucht Fehler und ihre Ursachen, bewertet mit Hilfe eines der Erwartungswertrechnung ähnlichen Potenzialbewertungsverfahrens die mit dem Fehler verbundenen Risiken und damit auch Kosten, empfiehlt Gegenmaßnahmen und überprüft anschließend erneut den durch die tatsächlich getroffenen Gegenmaßnahmen erreichten Zustand nach demselben Verfahren. Die im Team durchgeführte Methode bedient sich dabei eines Standard-Formulars, das die folgende Form hat (Abbildung 22): Nr Fehlerort, Prozeß FMEA Fehler-Möglichkeits-und Einfluß-Analyse Potentielle Fehler Potentielle Fehlerfolgen Bitte ankreuzen:. O System-FMEA O Teile-FMEA O Prozeß-FMEA Potentielle Ursachen Genaue Bezeichnung: Derzeitiger Zusatand Prüfmaßnahmen A B E P Empfolene Gegenmaßnahmen Ausführung durch Name Datum Systemstruktur Fehleranalyse Risikobewertung Optimierung Abbildung 22 : Formblatt für die Durchführung einer FMEA Verbesserter Zustand Getroffene Maßnahme A B E P A=Auftretenswahrscheinlichkeit B=Bedeutung der Auswirkung E= Entdeckungswahrscheinlichkeit P= A* B* E* = Risiko-Prioritätsniveau HZ 1998 BWL CD Dieses Formblatt 14 besteht aus drei Hauptelementen. In den ersten drei Spalten werden alle möglichen Fehler und ihre Folgen vermerkt und bewertet, was der Fehleranalyse dient. Die Bewertung geschieht in der Spalte B. Daran anschließend werden die möglichen Ursachen für einen Fehler und Maßnahmen zu deren Vermeidung festgelegt. In der Spalte A erfolgt eine Bewertung dieser Verbesserungsvorschläge. Zum Schluss werden Maßnahmen zur Entdeckung des Fehlers getroffen. Die Bewertung der Entdeckungsmaßnahmen erfolgt in Spalte E. Anschließend wird für den jeweiligen Fehler ein Bewertungsfaktor ermittelt, die so genannte Risikoprioritätszahl. Sie ist das Produkt aus Fehlerbewertung, Vermeidungs- und Entdeckungsmaßnahmen. Auf diese Weise lässt sich eine Hierarchie für eine Vielzahl von das Produkt oder den Prozess betreffenden Fehlern herausarbeiten. 14 Die meisten FMEA-Analysen werden heute mit entsprechenden Software-Systemen durchgeführt, so dass dieses Formblatt auch elektronisch ausgefüllt werden kann.

50 44 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen RPZ= A x B x E = Wahrscheinlichkeit des Auftretens x Bedeutung der Folgen x Wahrscheinlichkeit der Entdeckung Damit werden alle Phasen des Produktlebenszyklus von der Entwicklung über die Nutzung bis zur Entsorgung dargestellt und dokumentiert. Die Prozess-FMEA, auch als Fertigungs- FMEA bezeichnet, baut auf der Konstruktions-FMEA auf. Die System-FMEA wurde den beiden klassischen Methoden erst später hinzugefügt. Es war erforderlich, weil systematische Zusammenhänge durch Konstruktions- und Prozess-FMEA nicht in ausreichender Form Berücksichtigung fanden. Die Vorteile der FMEA-Anwendung bestehen im frühzeitigen Erkennen und Vermeiden von möglichen Fehlern während der einzelnen Phasen der Produktplanung, der Produktentwicklung sowie auch im Rahmen der gesamten Prozessgestaltung und in der früheren Durchführung notwendiger und in der Vermeidung unnötiger Änderungen und damit in einer nachhaltigen Verkürzung von Durchlaufzeiten bzw. Senkung von Qualitätskosten in allen Bereichen. Quality Function Deployment (QFD) Das gegen Ende der 1960er Jahre konzipierte Quality Function Deployment ist das englische Synonym für eine am Kunden orientierte Methode zur systematischen und ganzheitlichen Produkt- und Qualitätsplanung. Nach den Bestimmungen des Kunden werden die Ansprüche und Forderungen in konkrete Produktmerkmale oder in ein Pflichtenheft umgesetzt. Diese Vorgaben sind für alle Abteilungen des Unternehmens bindend und umfassen die Produktentwicklung, die Produktionsplanung, die Qualitätsplanung sowie die Fertigung und den Vertrieb. Sie müssen systematisch zur Erfüllung der Kundenwünsche beitragen. Der Einsatz der QFD zielt darauf ab, ein marktgerechtes, also den Kundenwünschen entsprechendes Produkt zu entwickeln und herzustellen [HeTB99, Shil94]. Die gesamte, in dieser Aussage steckende Methodik drückt sich in einem Hilfsmittel, dem so genannten House of Quality (Abbildung 23), aus. Dieses Qualitätshaus ermöglicht eine klare Spezifizierung von Kundenanforderungen und Bedürfnissen sowie die systematische Untersuchung aller Gestaltungsmerkmale bezüglich ihrer Bedeutung für die Erfüllung dieser Anforderungen. Kernschritte in diesem Qualitätshaus sind die Formulierung von Kundenanforderungen und ihre Gewichtung. Aus diesen Aussagen ergeben sich konkrete Konstruktionsmerkmale, die zunächst technischer Art sind und als eine Umformulierung der nichttechnischen Wünsche der Kunden gesehen werden. Anschließend erfolgt eine Bewertung des technisch formulierten Produkts aus der Sicht des Kunden und gegebenenfalls auch im Hinblick auf den Wettbewerb. Die Wettbewerbsanalyse ist ebenfalls technisch orientiert. Das heißt, dass technische Merkmale der eigenen Konstruktion und der des Wettbewerbs zueinander in ein Verhältnis gebracht werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, um wettbewerbsfähige Produkte konzipieren zu können, die zugleich kundenspezifische Merkmale haben. Korreliert werden

51 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 45 diese Verhältnisse in der so genannten Beziehungsmatrix. Trotz dieser mathematischen Formulierung von Anforderungen und dem Sich-in-Beziehung-Setzen zu anderen technischen Merkmalen ist diese Methode primär zur Ideenfindung geeignet und dient erst sekundär als ein Mittel der Prozesssteuerung. Die Ergebnisse des Planungsverfahrens sind Qualitätsziele, die in so genannten Qualitätsvereinbarungen oder in einem Pflichtenheft mit den beteiligten Personen umgesetzt werden können. Eingebettet in den jeweiligen Führungsstil eines Unternehmens kann das QFD-Formular im Rahmen einer betriebsweiten Debatte erstellt werden oder ein Planungswerkzeug in den Händen der obersten Führungsebene sein # 12 x x Konstruktionsanforderungen Überprüfen der 9 8 x x x Konstruktion auf 7 6 Ausgewogenheit Korrelation Merkmale: 5 ## Stark positiv 4 # Positiv 3 Keine 2 x Negativ 1 xx Stark negativ Merkmale Allgemein Aufnehmen und Bearbeiten Steuerung R & M Wettbewerbsanalyse Kundenforderungen Kunde, extern Zeile Priorität Abmessungen Leistungsaufnahme Gewicht Aufbau Verbindung der Module Werkstückgröße Werkstückhalterung Manipulation Positionirung Geschwindigkeit Werkzeuge Steuerung Benutzeroberfläche Benutzerinformation Datenaustausch Datenübertragung Wartungsintervalle Ölkreislauf Unbeaufsichtigter Betrieb MTBF Beschwerden, Garantiefälle, Verkaufsargumente 1 A aktuell 2 W Wettbewerber 3 Z Ziel Spaltennnummer Hohe Leistung B1 A W Z x Produktqualität V1 W A Z Umrüstbar B2 A W Z x Einfache Bedienung W A Z Zuverlässig G1, G2 A Z W x Wartungsfreundlich V2 W A Z Kleines Ersatzteillager A W Z Kundenwünsche Sicher W Z Umweltfreundlich W Z Betrieb bei +5 C bis +40 C A W Z Fertigung Mit vorhandenen Verfahren herzustellen Z A Montage Keine Schweißverbindungen V3 A Z Diagnosefunktionen A Z Service Keine Spezialwerkzeuge A Z Spezifikationen Bewertung der Wettbewerbsfähigkeit Beziehungsmatrix Produktbewertung aus Kundensicht 4800x2100mm² 18kVA 12500kg modular, kompakt verrastet, Spec x1400mm² automatisch, Spec 8308 frei drehbar, Spec 8314 Bezugsebene programmierbar max 10m/s Spec 8316 PC, Software Spec 9304 Grafisch, interaktiv, Multitasking Job, Status, Diagnose Gängige CAD-Formate Modem Wartungsplan L, Hauptstromfilter, T=const. minimal 2h bei autom. Zufuhr > 2000h Aktuell: A 5 Z Z Z Z Z Z Wettbewerber: W 4 Z Z Z Z Z Z W Z Z Z W Z W Ziel: Z 3 Z Z A A W A W W W W W A W W A A W Z 2 W Z W W W A W A A A A A A W W A A A 1 W Schwierigkeit Wichtigkeit Kritisch Kritisch Abbildung 23 : Exemplarische Darstellung des QFD Generell kann die QFD-Methode als Hilfsmittel zur Berücksichtigung der Kundenanforderungen innerhalb eines gesamten Unternehmens herangezogen werden. Damit liegt ein eindeutiger Hinweis vor, dass die Methode nicht nur extern, sondern auch intern eingesetzt werden kann. Hoffmann [Hoff97] stellt die Vorgehensweise bei der QFD nach dem oben abgebildeten Schema dar. Er unterscheidet dabei drei Ebenen: Kundenbedürfnisse, Anforderungen und Lösung. An oberster Stelle stehen die Kunden, die ihre Bedürfnisse

52 46 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen äußern und damit das primäre Ziel der Methode bilden. Die Abarbeitung dieser Pyramide erfolgt im ersten Schritt von oben nach unten. Anzustreben ist, eine Lösung über den Zwischenschritt Umformulierung der Bedürfnisse in technische Anforderungen zu finden. Er setzt diese Anforderungsliste gleich mit dem Pflichtenheft für ein technisches Produkt. Die anhand dieses Pflichtenhefts erarbeiteten Lösungen werden dann in einer aufsteigenden Bewegung erneut daraufhin geprüft, ob die formulierten Anforderungen des Pflichtenhefts erfüllt werden und im letzten Schritt tatsächlich den Kundenbedürfnissen Rechnung tragen. Design Review / Designprüfung Designprüfung (auch bekannt unter der englischen Bezeichnung Design Review) ist eine systematische Überprüfung der Entwicklungsergebnisse auf Erfüllung der definierten Anforderungen. Design Review stellt somit ein Controlling-Instrument dar, bei dem Ist- und Soll-Zustand für die wichtigsten Produkt- und Prozessanforderungen in regelmäßigen Abständen miteinander verglichen werden. Das Ziel ist, sicherzustellen, dass die zu Beginn eines Entwicklungsprozesses definierten Kundenanforderungen erfüllt werden. Der Design- Review-Prozess trägt in erheblichem Maße zur Umsetzung von Entwicklungskonzepten sowie zur frühzeitigen Fehlererkennung, -vorbeugung und -behebung bei und ist damit ein Kernelement des Qualitätsmanagements [Hann00]. Regelmäßige Design Reviews besitzen außerdem eine hohe Präventivwirkung. In den Entwicklungsprozess müssen außerdem Qualitätsbewertungen eingebaut werden, so genannte Quality Gates [KaBr03]. Das sind die Meilensteine an unterschiedlichen, meistens kritischen, Stellen des Projektes, an denen beurteilt wird, ob der angestrebte Entwicklungsstand erreicht ist. An Quality Gates sind qualitative und quantitative Messgrößen gekoppelt, auf die man sich vor dem Projektstart geeinigt hat. Darüber hinaus ist es sinnvoll, zwischen den Quality Gates zusätzliche Zwischenetappen vorzusehen, damit man rechtzeitig auf die Abweichungen reagieren kann. Die Quality Gates können auf unterschiedliche Prozesse im Unternehmen ausgeweitet werden [KaBr03] Am Design Review beteiligen sich Mitarbeiter mit verschiedenen Funktionen und aus unterschiedlichen Abteilungen, wobei deren Teilnahme je nach der Phase des Entwicklungsprojekts variiert. Das Endergebnis eines Design Reviews ist ein Maßnahmenkatalog, der aufgrund der festgestellten Abweichungen erstellt wird [SeHa93].. Benchmarking Benchmarking ist ein Ansatz zur Messung und zum Vergleich der eigenen Produkten, Dienstleistungen und Prozesse mit Wettbewerbern oder anderen internen Organisationseinheiten, die als Klassenbeste (oft Best-In-Class genannt) bezeichnet werden [KaBr02]. Mit Benchmarking sollen deren Qualitätsunterschiede zu dem eigenen Unternehmen oder der eigenen Organisationseinheit erkannt werden. Darüber hinaus kann mit dieser Methode ermittelt werden, welche Kundenanforderungen relevant sind und wie diese

53 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 47 erfüllt werden können [Bruh04]. Grundsätzlich lassen sich zwei Arten des Benchmarkings unterscheiden: Internes Benchmarking: Bei dieser Art wird zwischen unterschiedlichen Einheiten (wie z. B. verschiedenen Standorten, Abteilungen oder Arbeitsplätzen) verglichen. Der große Vorteil des internen Benchmarkings ist die einfache Durchführbarkeit. Als wichtige Nachteile sind der begrenzte, auf das eigene Unternehmen ausgerichtete Blickwinkel, interne Barrieren und das oft vorhandene Abteilungsdenken zu nennen [KaBr02]. Externes Benchmarking: Bei dieser sehr effektiven Art des Benchmarkings wird mit direkten externen Wettbewerbern oder auch Partnerfirmen verglichen. Bei direkten Wettbewerbern ist es einfacher, sowohl die Vergleichsprodukte als auch die Auswirkung auf die Kunden festzulegen. Die wichtigen Vorteile sind die hohe Akzeptanz im Unternehmen und die direkte Anwendbarkeit der Ergebnisse [KaBr02]. Die sehr hohe Vertraulichkeit der Informationen und die oft problematische Ausführung des Benchmarkings werden als Nachteile gesehen. Unabhängig von der Art zeigt Abbildung 24 den grundsätzlichen Ablauf des Benchmarkings, aufgeteilt in vier Hauptphasen und in eine abschließende Reife- bzw. Perfektionierungsphase. Planung Planung Analyse Analyse Integration Integration Umsetzung Umsetzung Perfektionierung Perfektionierung Objektidentifikation Objektidentifikation Partneridentifikation Partneridentifikation Bestimmung der Methoden Bestimmung zur der Datensammlung Methoden zur Datensammlung Datensammlung Identifikation Datensammlung der Leistungslücken Identifikation der Festlegung Leistungslücken der Leistungsstandards Festlegung der Leistungsstandards Kommunikation und Kommunikation Akzeptanzerringung und Akzeptanzerringung der der Ergebnisse Bestimmung Ergebnisse konkreter Bestimmung Ziele konkreter Ziele Planung der Umsetzung Planung der Umsetzung Umsetzung Überwachung Umsetzung der Fortschritte Überwachung der Regelmäßige Fortschritte Überprüfung Regelmäßige der Ergebnisse Überprüfung der Ergebnisse Anstrebung der Spitzenposition Anstrebung der Integration Spitzenposition des Benchmarkings Integration des in die Benchmarkings Prozesse in die Prozesse Abbildung 24 : Phasen des Benchmarkings (in Anlehnung an [KaBr02]) Eine wichtige Einschränkung dieses Verfahrens sind die zunächst eher vergangenheitsorientierten Ergebnisse [KaBr02]. Hier kommt der Abschätzung von zukünftigen Entwicklungen, wie sie in der Analysephase vorgenommen werden können, eine strategische kompensierende Bedeutung zu. Poka-Yoke Der Begriff Poka-Yoke stammt aus dem Japanischen und bezeichnet ein aus mehreren Elementen bestehendes Prinzip, welches technische Vorkehrungen und Einrichtungen umfasst, um Fehler zu verhüten bzw. sofort aufzudecken [KaBr02]. Die Idee des reinen Poka- Yoke-Konzeptes führt zu technisch einfachen Lösungen, wobei Fehler durch Fehlhandlungen komplett ausgeschlossen werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist, dass die Anschlüsse von Gasleitungen ein Linksgewinde und die Anschlüsse von Wasserleitungen ein Rechtsgewinde haben. Ein versehentlicher Fehler durch ein Vertauschen von Gas- und Wasserleitungen wird

54 48 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen somit auf eine einfache und effektive Art und Weise ausgeschlossen. Anders beschrieben wird die Methode mit dem so genannten Null-Fehler-Prinzip in der Fertigung. Der Grundgedanke von Poka-Yoke ist [Shin86, Shin91]: Aus Irrtümern entstehen Fehler. Typische Irrtümer (Fehlhandlungen, Fehlgriffe) sind beispielsweise Vergessen, Verwechseln, Vertauschen, Missverständnisse, Lesefehler oder Informations- bzw. Kommunikationsmängel. Betriebsmittel müssen so gestaltet werden, dass zum Beispiel Irrtümer während der Bedienung von Maschinen oder auch Softwaresystemen nicht zu Fehlern am Produkt führen können. Das Poka-Yoke-Konzept beruht auf folgenden drei Prinzipien [SeHa93]: Eine Qualitätskontrolle soll Fehler schon am Ort ihrer Entstehung identifizieren. Eine 100%ige Inspektion soll eine völlige Fehlerfreiheit sicherstellen. Unmittelbares Eingreifen bei Entdeckung eines Fehlers ermöglicht die Fehlerbehebung und vermeidet, dass weitere Fehler entstehen. Nach Shingo besteht ein Poka-Yoke-System in der praktischen Anwendung aus den Grundelementen Initialisierungs- bzw. Auslösungsmechanismus und Regulierungsmechanismus [KaBr02]. Die Initialisierungsmechanismen bestimmen die Art, wie ein Fehler erkannt wird. Dabei kommen folgende drei Methoden zur Anwendung: Kontakt-, Fixwertund Schrittfolgenmethode. Nach der Art der Maßnahme, die nach einer Abweichung getroffen wird, kann man die Regulierungsmechanismen in die Gruppe der Eingriffsmethoden und in die Gruppe der Alarmmethoden unterteilen. Pareto-Diagramm / ABC-Analyse Die Pareto-Analyse dient im Rahmen des Qualitätsmanagements zum einen zur Identifizierung von Ursachen, die am stärksten zu einem Problem führen, und zum anderen zu deren Trennung von den vielen kleinen Ursachen. Auftretende Probleme sind oft so zahlreich, dass es nicht auf Anhieb klar ist, in welcher Reihenfolge sie behandelt werden sollten [KaBr02]. Das Pareto-Diagramm verdeutlicht, welche Ursachen als Erstes beseitigt werden müssen, um ein Problem schnell zu lösen. Der Erfinder dieses Analyseverfahrens, Pareto, hat empirisch festgestellt, dass die meisten Auswirkungen/Kosten (ca. 80 %) nur 20 bis 30 Prozent der Probleme als Grund haben. Juran prägte dafür den Ausdruck vital few, useful many [Jura89]. Die wichtigsten 20 Prozent der möglichen Ursachen bezeichnet Juran als die vital few (entscheidende wenige), die übrigen Ursachen als die useful many (nützliche viele) [KaBr02, Jura89]. Bei der Pareto-Analyse werden Daten (z. B. Fehlerarten) nach einem festgelegten Ordnungskriterium (z. B. Häufigkeit) geordnet und als Säulen in ein Diagramm eingetragen.

55 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 49 Gruppe Wertanteil Mengenanteil A wichtig / hochwertig ca % ca. 10% B mittelwichtig / mittelwertig ca % ca % C weniger wichtig / niedrigwertig ca % ca % Abbildung 25 : Einteilung in Klassen bei der ABC-Analyse Ishikawa-Diagramm Das von Ishikawa [Ishi86] entwickelte Ishikawa-Diagramm (auch als Ursache-Wirkungs- Diagramm oder Fischgräten-Diagramm bekannt) ist ein einfaches Hilfsmittel zur systematischen Ermittlung und zur strukturierten, übersichtlichen Darstellung von Ursache- Wirkungs-Zusammenhängen [KaBr03]. Das Ziel ist es, für ein Problem die Haupteinflussgrößen und die entsprechenden Ursachen zu finden und diese klassifiziert festzuhalten. Das Diagramm ist in einen Ursachen- und einen Wirkungsbereich aufgeteilt und ähnelt in seinem Aufbau den Gräten eines Fisches. Den Kopf des Diagramms bildet das zu untersuchende Problem. Nach Haupteinflussgrößen geordnet werden erst alle möglichen Ursachen ermittelt, dann in Haupt- und Nebenursachen gegliedert schließlich in das Diagramm eingetragen. Abbildung 26 zeigt einen allgemeinen Aufbau eines solchen Diagramms. Ursache Ursache Wirkung Wirkung Mensch Mensch Maschine Maschine Milieu Milieu Nebenursache Nebenursache Einzelursache Einzelursache Problem Problem Material Material Methode Methode Messung Messung Abbildung 26 : Aufbau eines Ishikawa-Diagramms (nach [KaBr03]) Wie im Bild oben zu sehen ist, wird die Analyse oft mit den so genannten 6-M-Methoden ausgeführt [KaBr03, KaBr02]. 6-M steht für die Haupteinflussgrößen Mensch, Maschine, Methode, Material, Milieu (Umfeld) und Messung [KaBr03]. Die Verwendung dieser Einflussgrößen ist jedoch nicht vorgeschrieben und sollte jeweils angepasst werden.

56 50 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen Qualitätsregelkarten Shewhart [Shew86] hat auf Basis der mathematischen Statistik erste Werkzeuge vorgestellt, die nach ihm Shewhart-Qualitätsregelkarten genannt wurden [Wien05]. Dabei handelt es sich in den meisten Fällen um unterschiedliche Formblätter zur Darstellung von statistischen Kennwerten für eine Serie von Stichproben, damit bestimmte Merkmale überwacht werden können. Die Abszisse der Qualitätsregelkarte, früher auch Kontrollkarten genannt, (siehe Abbildung 27) ist immer die Skala, auf der die Stichproben aufgetragen werden (meistens entweder durchnummeriert oder mit zeitlichen Einheiten). Auf der Ordinate ist das zu überwachende Merkmal eingezeichnet, wobei auch unterschiedliche Zusatzwerte definiert werden können (z. B. Eingriffsgrenzen oder Warngrenzen) [Lins05]. Liegen die Werte innerhalb der Eingriffs- und Warngrenzen, kann der Prozess in gleicher Weise fortgeführt werden. Wenn sich nun eine Entwicklung hin zu einer fehlerhaften Produktion eingestellt hat, kann man dies auf der Qualitätsregelkarte erkennen, noch bevor auch nur ein fehlerhaftes Teil produziert wurde. So hat man noch genug Zeit, um in den Prozess einzugreifen und eine fehlerhafte Produktion zu verhindern. Dabei lassen sich zwei Arten von Regelkarten unterscheiden. Die Prozessregelkarte ist eine Regelkarte, die nicht von vorgegebenen Grenzwerten ausgeht. Die obere- und untere Warngrenze sowie die Eingreifgrenze werden über Schätzwerte oder Verteilungsparameter bereits bekannter, vorher durchgeführter Prozesse definiert. Wellendurchmesser Wellendurchmesser 15,3 15,3 15,25 15,25 15,2 15,2 15,15 15,15 15,1 15,1 15,05 15, ,95 14, Probe Probe Eingriffsgrenze Eingriffsgrenze Warngrenze Warngrenze Abbildung 27 : Beispiel einer Qualitätsregelkarte Da im Verlauf des Prozesses weitere Prüfdaten gesammelt werden können, finden diese für neue Grenzwertberechnungen Verwendung. Die Annahmeregelkarte ist eine Regelkarte, bei der die Eingreif- und Warngrenzen über vorgegebene Toleranzgrenzwerte berechnet werden. Die Toleranzgrenzwerte geben an, welche Abweichungen bei einem Produkt maximal vorhanden sein dürfen, um noch brauchbar zu sein.

57 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen 51 Qualitätsworkshops Ein Workshop ist eine Veranstaltung, in der sich eine kleine Gruppe intensiv, oft auch praktisch, mit einem bestimmten Thema auseinandersetzt. Workshops werden meist moderiert, allerdings ist der Moderator nicht immer den anderen Teilnehmern fachlich voraus oft handelt es sich um einen Erfahrungsaustausch zwischen den Teilnehmern. Praxisbezogene Workshops gehen zum Teil auch über Wissensvermittlung und Erfahrungsaustausch hinaus und schaffen Neues oder geben den Teilnehmern Anregungen für weitere Entwicklungen mit. Innerhalb eines Workshops können verschiedene Techniken zur Kreativitätssteigerung verwendet werden [Ripp02]. Die Workshops haben den großen Vorteil, dass die direkte Kommunikation gegenseitiges Verständnis und Kompromissbereitschaft fördert. Problematisch können sich negative gruppendynamische Effekte auswirken, wie zum Beispiel durch so genannte Ja-Sager oder Meinungsbildner [Rupp02]. Sonstige Methoden Die ISO-9000-Reihe [ISO 9000] setzt sich aus fünf Qualitätsmanagementnormen zusammen. Diese Normen sind allgemeingültig aufgebaut und bieten ein Qualitätssicherungskonzept, das auf alle Branchen anwendbar ist. Die Wurzeln dieser Reihe gehen bis in das Jahr 1979 zurück, als einer ihrer Vorläufer in Großbritannien entwickelt wurde. Inzwischen ist die Normengruppe unter folgenden zwei Aspekten von großer Bedeutung: Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit/Ausschreibungsbeteiligung, Zukunftssicherung für das eigene Unternehmen. Wichtig ist dabei, dass mit diesen Normen nicht die Produktqualität festgelegt ist, sondern die Fähigkeit eines Unternehmens, Qualität zu erzeugen. Die Grundsätze dieser Normreihe sind: Kundenorientierung, Führung, Einbeziehung von Personen, prozessorientierter Ansatz, systemorientierter Managementansatz, ständige Verbesserung sowie Lieferantenbeziehungen zum gegenseitigen Nutzen. Der Nutzen dieser Normreihe liegt vor allem in der Standardisierung der Vorgänge, wodurch Modelle in vielen Fällen systematischer entstehen und auch bei einer späteren Änderung ihr Aufbau einfacher nachvollzogen werden kann. Die Normreihe kann in der Methode nicht alleine, sondern als Unterstützung der Abläufe anderer Techniken eingesetzt werden. Oft werden Checklisten als ein eigenständiges Werkzeug des Qualitätsmanagements verstanden [SeHa93], die sie sehr gut als ein Tool zur Faktenerfassung angewendet werden

58 52 2 Allgemeine Grundlagen und Begriffsdefinitionen können. Sie gewährleisten eine gewisse Systematik bei sich wiederholenden Vorgängen und werden in meisten Fällen als Erinnerungshilfe, Überprüfungsnachweis oder auch als Hilfe bei komplexeren Vorgängen benutzt [SeHa93]. Insbesondere können sie dem Vergessen einzelner Aspekte vorbeugen. Festgestellte Probleme beim Einsatz der Methoden Zusammenfassend lassen sich folgende Probleme beim Einsatz der beschriebenen Qualitätsmethoden feststellen [Voss99]: Häufig wird das Kosten-Nutzen-Verhältnis aufgrund des hohen Aufwandes sowohl bei der Einführung vieler Verfahren als auch bei der Durchführung als schlecht beurteilt. Oft verzögern unvollständige Informationen in der Planungsphase der Verfahren die Durchführung und stellen auch die Validität der darauf aufbauenden Ergebnisse in Frage. Bei vielen Verfahren führen insbesondere die Kommunikationsprobleme aufgrund unterschiedlicher Begriffsverständnisse und auch von Kompetenzstreitigkeiten zu hohen Reibungsrisiken. Meistens scheitert die planmäßige und systematische Ausführung der Methoden am hohen Formalisierungsgrad und der damit verbundenen Komplexität und fehlenden Akzeptanz durch die Projektbeteiligten. Keine der Methoden wird in der Praxis oder in der Forschung für das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle eingesetzt. Dies liegt daran, dass die CAD-Modelle meistens nicht als eigenständige Produkte (hergestellt von dem CAD-Konstrukteur) betrachtet werden, sondern als ein Werkzeug der Produktentwicklung, dessen Möglichkeiten durch Schulungsmaßnahmen und Normung ausgeschöpft werden können. Nur die Unternehmen, die festgestellt haben, dass die Nachbearbeitung in der rechnerintegrierten Prozesskette zu zeitaufwendig ist, entwickeln die ersten Ansätze der Qualitätsprüfung der CAD-Modelle, die aber noch nicht umfassend sind.

59 3 Anforderungen an das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle 53 3 Anforderungen an das Qualitätsmanagement der CAD- Modelle In diesem Kapitel werden Anforderungen an die Methodik für das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle und an die damit verbundenen Softwarewerkzeuge aufgestellt. Qualitätsmanagement hat nur dann eine Chance, in der Praxis erfolgreich eingesetzt zu werden, wenn es die wichtigsten Systemanforderungen und die vielseitigen Gesichtspunkte der Anwendbarkeit berücksichtigt. Aus diesem Grund soll der Anforderungskatalog an die Methodik in einige Unterpunkte unterteilt werden (Abbildung 28). Dies sind zum einen allgemeine Anforderungen an die Methodik, die insbesondere qualitätsbezogene Aspekte beachten, zum anderen Anforderungen an die unterstützenden Werkzeuge, wie z. B. Softwaresysteme. Problemkomplexität und -umfang erfordern auch die Aufstellung der nichttechnischen Anforderungen, die sich weiterhin in betriebswirtschaftliche und menschenbezogene Kategorien gliedern lassen. Der Anforderungskatalog wird sowohl für die Entwicklung der neuen Methode als auch für die Bewertung der im Kapitel 4 recherchierten Ansätze Verwendung finden. Abbildung 28 : Aufbau des Anforderungskataloges 3.1 Allgemeine Anforderungen an die Methodik An die Methodik lassen sich folgende allgemeine Anforderungen stellen: A1: Nachweisbare Reduzierung der Modellnachbearbeitungszeiten bei Modellkunden: Die Verbesserung der Modellqualität in Form der Nachbearbeitungsminimierung ist das primäre Ziel dieser Methodik. A2: Verbesserung der numerischen und organisatorischen Qualität: Das sekundäre Ziel ist die Verbesserung anderer Qualitätsarten von CAD-Modellen. A3: Identifikation der Modellkunden: Für ein effektives Qualitätsmanagement der digitalen Modelle ist es erforderlich, die Nutzer (Modellkunden) der Modelle zu kennen.

60 54 3 Anforderungen an das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle A4: Akquisition, Verwaltung und Visualisierung der Qualitätsanforderungen: Die Erfüllung der Qualitätsanforderungen an die CAD-Modelle spiegelt die Modellqualität wieder. Deshalb stehen die Handhabung, aber auch der Akquisitionsprozess der Qualitätsanforderungen im Mittelpunkt der Methodik. A5:Verwendung von Qualitätsmanagementmethoden: Durch den Einsatz dieser Methoden bzw. von ausgewählten Aspekten können einerseits die Erfahrungen aus anderen Bereichen in der Methodik Berücksichtigung finden, andererseits besteht die Möglichkeit, die Akzeptanz durch klare Erkennbarkeit anerkannter Qualitätswerkzeuge zu steigern. A6: Reproduzierbarkeit (Robustheit) der Ergebnisse: Die bei dem Einsatz der Methode erreichten Ergebnisse sollen reproduzierbar sein. Bei einem hohen Reproduzierbarkeitsgrad der Konstruktionsergebnisse können der Konstruktionsvorgang geplant und die erreichten Vorteile im Voraus abgeschätzt werden. A7: Quantifizierbarkeit der Ergebnisse: Viele Versuche, neue Methoden in die Praxis einzuführen, scheitern an der schweren Quantifizierbarkeit der Ergebnisse. Eine neue Methodik hat nur dann Chancen, angewendet zu werden, wenn ihre Vorteile klare ersichtlich sind und durch spezielle Verfahren quantitativ bewertet werden können, wie z. B. Kennzahlen oder Zeitersparnis als Outputgröße. A8: Integration in die virtuelle Produktentwicklung und Konstruktionsmethodik: Die zu entwickelnde Methodik versteht sich als Erweiterung und Ergänzung der vorhandenen Konstruktionsmethodiken. Dies macht die Integration in die virtuelle Produktentwicklung unabdingbar, wodurch auch ein zusätzlicher Mehrwert entstehen kann. A9: Gewährleistung des Anwenderbezugs: Die Akzeptanz der Anwender ist ein wichtiges Erfolgskriterium, weshalb eine praxisorientierte Konzipierung der Methodik zu gewährleisten ist. Der Nutzen muss nicht nur für das Management, sondern vor allem auch für den Anwender erkennbar sein. A10: Verständlichkeit: Die Methodikbestandteile sind so zu formulieren, dass jeder Anwender ein einheitliches Verständnis davon hat. Es darf nicht zu unterschiedlichen Deutungen bzw. Interpretationen kommen. A11: Produktneutrale Formulierung: Die Methodik soll so entwickelt werden, dass die Anwendung nicht an eine bestimmte Produktgruppe gebunden ist. 3.2 Anforderungen an unterstützende Werkzeuge Unter dem Begriff Werkzeuge werden Hilfsmittel (meistens Softwaresysteme) verstanden, die den Konstrukteur bei der methodischen Vorgehensweise zur Modellerstellung, Weiter- und Wiederverwendung unterstützen. Insgesamt können folgende Anforderungen an die Entwicklung von Werkzeugen identifiziert werden: A12: Einbeziehung vorhandener IT-Engineering-Werkzeuge: Eine Bedingung für die Minimierung der Implementierungskosten und Erhöhung der Akzeptanz ist die Verwendung

61 3 Anforderungen an das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle 55 vorhandener Softwaresysteme, die routinemäßig benutzt werden, wie z. B. CAD- oder PDM- Systeme. A13: Aufruf aus operativen technischen Systemen: Der Aufruf der Qualitätswerkzeuge soll einfach aus dem CAD-System möglich sein. Dies ist durch eine geeignete Add-on-Struktur zu realisieren. A14: Trennung zwischen der Präsentation und der Datenbasis: Strenge Trennung zwischen den Präsentationswerkzeugen und der zentralen Datenhaltung gewährleistet einfache Erweiterbarkeit des Systems, reduziert Redundanzen und ermöglicht gleichzeitige serverbasierte Wissensnutzung an mehreren Clientrechnern. A15: Nutzung der neutralen Visualisierungstechniken: Dadurch, dass viele Modellanwender keinen Zugang zu den Modellierungswerkzeugen haben bzw. nicht das notwendige Knowhow besitzen, sollte die Visualisierung der Qualitätsinformationen mit Hilfe von neutralen Werkzeugen, wie z. B. Internet-Browser, möglich sein. A16: Verwendung eines Teils der Anwendung als Agent / Wizard: Die Anwendung soll u.a. unsichtbar im Hintergrund ablaufen und die Qualitätsanforderungen prüfen. A17: Hohe Anwenderfreundlichkeit und Ergonomie: Diese oft nicht quantifizierbaren Parameter verhindern in vielen Fällen den effektiven Einsatz vieler Softwarewerkzeuge. Die Erfüllung dieser Anforderung soll durch eine Befragung bei den Anwendern verifiziert werden. 3.3 Nichttechnische Anforderungen Die nichttechnischen Anforderungen, die zwei weitere wichtige Aspekte, die Betriebswirtschaft und den Menschen, in der Produktentwicklung berücksichtigen sollen sind:. A18: Reduzierung der gesamten Produktentwicklungskosten: Der Einsatz der Methoden und der entsprechenden IT-Werkzeuge ist nur dann sinnvoll, wenn dadurch die Kosten der Produktentwicklung reduziert werden. A19: Geringe Anfangsinvestitionen: Die Anwendung in kleineren Firmen wird nur dann möglich sein, wenn die Investitionskosten nicht sehr hoch sind und der so genannte Break- Even-Point in überschaubarer Zeit erreichbar ist. A20: Controlling-Konzept und Kennzahlen: Ein Konzept zu der Überprüfung der Wirtschaftlichkeit der Gesamtmethode soll aussagekräftige Kennzahlen liefern. Dieses Konzept soll die Effektivität und Effizienz des Qualitätsmanagements steigern. A21: Steigerung der Motivation bei Anwendern: Damit die Mitarbeiter bereit sind, Qualitätsmethoden und -funktionen anzuwenden und die festgelegten Ziele zu verfolgen, ist es erforderlich, geeignete Motivationsmaßnahmen zu entwickeln.

62 56 3 Anforderungen an das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle A22: Keine Einschränkung der Kreativität bei Anwendern: Viele Teilprozesse der Produktentwicklung bestehen aus hochkreativen Tätigkeiten. Durch die neuen Qualitätsmethoden darf die Kreativität nicht eingeschränkt werden.

63 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 57 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 4.1 Relevante Forschungsansätze im Umfeld der Qualitätsverbesserung und der methodischen Modellierung der CAD-Modelle Es gibt zurzeit keine übergreifenden Forschungsansätze zum ganzheitlichen Qualitätsmanagement von CAD-Modellen. Die wenigen vorhandenen Ansätze konzentrieren sich entweder auf spezielle Aspekte der Modellierung (z. B. Datenaustausch) oder auf die Optimierung der Modellierung. An dieser Stelle sollen die Ansätze analysiert werden, die einen Bezug zum Thema der Arbeit aufweisen und in einigen Fällen bei der Konzipierung der Methodik teilweise verwendet werden können. Dabei werden sowohl die Ansätze von einzelnen Autoren als auch ausgearbeitete Konzepte aus Forschungsprojekten vorgestellt Ansatz von Meissner Meissner [Meis00] konzentriert sich in seiner Arbeit auf die qualitätsgerechte CAD- Modellerzeugung in der Automobilindustrie. Er führt einen neuen Begriff für die CAD- Modellqualität ein, der sich zum ersten Mal auf die Beziehung Modellnutzer-Modellerzeuger beruft. Meissner sieht ein CAD-Modell als ein eigenständiges Produkt eines Ingenieurs und versuchst deshalb, darauf die Ansätze des Qualitätsmanagements zu übertragen. Im Mittelpunkt seines Ansatzes steht nicht die Phase der Qualitätsplanung, sondern die Phase der Modellerstellung und der Qualitätsprüfung. Die Methodik zur Entwicklung der bauteilbezogenen CAD-Richtlinien ist der Kern der Arbeit, die sich an die bekannten konstruktionsmethodischen Vorgehensweisen anlehnt [Meis00]. Diese Methodik ermöglicht eine Vorgehensstandardisierung für die Modellierung einzelner Bauteilklassen mit unterschiedlicher Geometrie unter Berücksichtung der Anforderungen der unterschiedlichen Modellnutzer. Interessant ist sein Ansatz zur Messung der Modellqualität, bei dem er das Fertigungsprüfwerkzeug Qualitätskontrollkarte auf die CAD-Modellerstellung anwendet. Als Abweichungswert wird in diesen CAD-Qualitätskontrollkarten die bei dem Modellnutzer benötigte Nachbearbeitungszeit bis zur Nutzbarmachung des Modells eingetragen. Aus diesen Karten zieht er verschiedene Rückschlüsse, wie die Beherrschbarkeit des CAD- Modellierprozesses und die Basis für die Aufwandabschätzungen für zukünftige CAD- Modellnutzungen. Die Methoden von Meissner können als erster gelungener Schritt in Richtung eines ganzheitlichen Qualitätsmanagements angesehen werden. Die Konzentration auf die CAD-Modellerstellung ohne eine ausführliche Planung und ein sehr geringer Einsatz von Qualitätsmethoden sind ein Schwachpunkt des Ansatzes Ansatz von Mendgen Im Mittelpunkt der Arbeit von Mendgen [Mend99] steht die methodische Vorgehensweise zur Modellierung in CAD-Systemen und die Entwicklung von Werkzeugen zur Unterstützung dieser Vorgehensweise. Die Methoden konzentrieren sich auf die allgemeinen konstruktionsmethodischen Vorgehensweisen im Bereich der Gestaltung (Modellierung der

64 58 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 3D-CAD-Modelle). Diese Vorgehensweisen ergänzen die allgemeinen Gestaltungsprinzipien. Ähnlich wie bei Meissner wurden allgemeine Gestaltungsrichtlinien entwickelt, welche der Realisierung der aufgestellten Modellierungsprinzipien dienen. Interessant ist seine Vorgehensweise bei der Aufstellung einer Richtlinie zur erweiterten Ermittlung der Anforderungen an die CAD-Modelle, wobei die Weiterverwendung in späteren Phasen im Mittelpunkt steht. Zu der Analyse wurde die Methode SADT genutzt, mit der Mendgen 15 direkt die einzelnen Tätigkeiten, Informationsflüsse und steuernden Größen analysiert. Die Anforderungen aus unterschiedlichen Prozessketten teilt Mendgen in drei verschiedene Klassen: Flexibilität der Gestalt bei unveränderter Modellrepräsentation Ableitung reduzierter/vereinfachter Modellrepräsentationen Konvertierung von Modellrepräsentationen Mendgen entwickelte auch ein Assistenzsystem, welches den Konstrukteur bei der methodischen Modellierung durch die Bereitstellung von Werkzeugen zur Analyse von Modellstrukturen, zur Modelldatenaufbereitung für die effektive Weiterverwendung in rechnerintegrierten Prozessketten sowie zur Überprüfung der Einhaltung der methodischen Vorgehensweisen unterstützt [Mend99]. Er überprüft die Einhaltung von Richtlinien in den Bereichen Anforderungseinhaltung, Semantik, Strukturierung und Komplexität. Allerdings ist Mendgen der Meinung, dass diese Richtlinien kaum rechnerunterstützt überprüft werden können. Mendgen nutzt keine QM-Methoden; seine Ansätze können zwar sehr gut auf die CAD-Modellierung angewendet werden, spiegeln aber nicht die Anforderungen der Modellnutzer wieder Ansatz von Schenke Schenke [Sche01] untersuchte in seiner Arbeit die parametrische CAD-Konstruktion und stellte eine Methodik für ihre Optimierung auf. Seine Methodik umfasst ein parametrisches Produktdatenmodell, eine Methode zur parametrischen Produktgestaltung und die entsprechenden Softwareprototypen. Auf Basis des Produktmodells wurde die Methode zur parametrischen Produktgestaltung entwickelt. Schenke stellt diese Methode aus phasenbezogenen Ablaufmodellen, Fuzzi- Constraint-Netzwerken sowie Modellierungsargumenten zusammen. Hier geht der Autor insbesondere auf die Abbildung der Unsicherheiten und ihre Integration in die frühe Phase des parametrischen Gestaltens ein. Dabei konzentriert sich Schenke auf die Berücksichtigung der Unsicherheiten bei einzelnen Modellparametern und Constraint-Beschreibungen. Weiterhin wurde ein Konzept der Modellierungsargumente entwickelt, um die Modelle zu standardisieren und transparent zu gestalten. Unter Modellierungsargumenten versteht 15 Mendgen führte im Rahmen seiner Arbeit eine ausführliche Prozesskettenanalyse am Beispiel der Entwicklung von Motorsteuergeräten durch.

65 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 59 Schenke eine Auswahl von möglichen Lösungen für konkrete Anwendungsfälle. In diesem Bereich werden Ansätze des Wissensmanagements benutzt. Auch die Arbeit von Schenke bietet keine Möglichkeit, die Modellqualität ganzheitlich zu verbessern, sondern nur auf einem engen Bereich (Parametrik) zu optimieren Ansatz von Claassen Claassen [Claa02] untersuchte in seiner Arbeit das Iterationsmanagement in der virtuellen Produktentwicklung, bei dem das 3D-CAD-Modell im Mittelpunkt steht. Dafür untersuchte er ausführlich die Verwendung der CAD-Daten in den Prozessketten der Produktentwicklung. Als Ergebnis leitete er unterschiedliche Abstraktionsstufen der Klassifizierung der CAD- Änderungsprozesse ab, die auch als grundsätzliche Einflussgrößen der Modellweiterverwendung betrachtet werden können. Diese Ebenen sind z. B. für Einzelteile [Claa02]: 1. Ebene: Voreinstellungen (Einheiten, Materialeigenschaften, Toleranzen) 2. Ebene: Methode der Modellierung (Featurebasiert, skizzenbasiert, freiformflächenbasiert) 3. Ebene: Reihenfolge der Modellierung 4. Ebene: Iterationen an Konstruktionselementen (dimensionsbezogen, konstruktionsbezogen, kosmetischbezogen) Weiterhin klassifiziert Claassen die Modellnutzer in der Produktentwicklungskette in Gruppen und untersucht ihre Anforderungen an die 3D-CAD-Modelle. Der Schwachpunkt an dieser Stelle ist, dass nach der Meinung von Claassen keine allgemeingültigen Aussagen getroffen werden können, in welcher Form 3D-CAD-Daten in den jeweiligen Prozessketten verwendet werden. Er begründet dies durch die Unterschiedlichkeit der Iterationsschleifen in der Produktentwicklung. Im Hauptteil der Arbeit entwickelte Claassen Methoden und ein Software-System für das Iterationsmanagement. Die Konzepte der Arbeit sind auf die effektive Erfassung, Speicherung, Auswertung und Visualisierung der CAD-Daten konzentriert und können somit nicht direkt zur besseren ganzheitlichen CAD-Modellqualität beitragen Ansatz von Janitza Janitza [Jani04] hat in seiner Arbeit einen Ansatz aufgestellt, wie durch die Modellierung von vorentwickelten parametrischen CAD-Modellen der Endkunde in die Produktentwicklung einbezogen werden kann. Wichtige Bestandteile seines Konzeptes sind die Nutzung der vorhandenen fortgeschrittenen CAD-Technologien wie Parametrik, Knowledgeware, Regelwerke, Analysen etc. Das Ziel von Janitza ist die Entwicklung eine so genannten allgemeinen Lösungsraumes statt spezifischer Produkte oder Produktvarianten. Sein Fokus liegt dabei auf einer vollständigen Wissensintegration innerhalb des CAD-Modells [Jani04]. Aus diesen Modellen werden in dem Konzept die Freiheitsgrade als Grundlage für den

66 60 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen späteren Konfigurationsprozess extrahiert, die später die Schnittstelle zwischen den CAD- Modellen und den Kunden bilden sollen. Dabei spielen insbesondere unterschiedliche Konzepte zu der Modellierung eine Rolle, die Janitza unter dem Begriff der Flexibilitätserhöhung zusammenfasst. Ein flexibles CAD-Modell ist der Ausgangspunkt für jegliche kundenindividualisierbare Konstruktion. Der Ansatz von Janitza bietet eine Möglichkeit, die Qualität der Modelle in Bezug auf eine konkrete Anwendung Kundenkonfiguration erheblich zu erhöhen. Er kann nicht als ein übergreifender Qualitätsansatz betrachtet werden. Einige Ideen können in dieser Arbeit genutzt werden Ansatz von Gerkens Gerkens [Gerk04] untersuchte in seiner Arbeit unterschiedliche Möglichkeiten der Optimierung des Einsatzes von 3D-CAD-Modellen. Er konzentriert sich auf den engen Bereich der Standardisierung der CAD-Modellierung. Er analysiert und stellt Methodiken zur Modellierung der komplexen Teile auf. Seine Arbeit stellt eine umfassende und vielseitige Analyse der Möglichkeiten der modernen CAD-Systeme und auch der entsprechenden Wege für die einheitliche Modellierung in einem Unternehmen dar. Die Analyse der Weiterverwendung der Modelle wird nicht umfassend betrachtet. Lediglich einige Beispiele, wie z. B. Ableitung der Roh- und Fertigteile für die Fertigung oder Modellierung für die Nutzung in Normteilbibliotheken, tangieren den allgemeinen Modellqualitätsbegriff. Die Analysen und Recherchen von Gerkens konnten zum Teil in dieser Arbeit verwendet werden Forschungsverbundprojekt ivip Das Projekt Innovative Technologien und Systeme für die integrierte Virtuelle Produktentstehung [KrTA02] (kurz: ivip) ist ein von Industrie und Forschungseinrichtungen durchgeführtes Projekt mit dem Ziel, die Entwicklung und industrielle Einführung von Softwareprodukten für die vollständige Virtuelle Produktentstehung auf der Basis virtueller Produkte und durchgängiger, integrierter Prozesse zu ermöglichen. Das Projekt war in die folgenden sechs Cluster eingeteilt: Infrastruktur Prozessmanagement, Infrastruktur Datenmanagement, Innovative Gestaltungswerkzeuge, Aufbau und Validierung virtueller Produkte, Werkzeuge zur virtuellen Fertigungserprobung und Referenzmodelle zur Fertigungserprobung. Die Grundlage der Entwicklung bildet der so genannte "Digitale Master". Darunter versteht man einen verbindlichen Informationsträger, der sämtliche für die Produktentstehung und alle Folgephasen relevanten Daten eines Produktes enthält. Die dem Projekt zugrunde liegende ivip-architektur sieht die Schaffung einer offenen Integrationsplattform vor, welche auch die Einbindung bestehender heterogener Systemwelten unterstützt. Grundlage bilden die Systemdienste für die Anwenderverwaltung, das Management von Anwendersitzungen und die Verwaltung der ivip-werkzeuge (Komponenten). Die eigentlichen Applikationen sind über objektorientierte Schnittstellenbeschreibungen gekapselt und in das Gesamtsystem integriert.

67 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 61 Viele Teilprojekte strebten eine bessere CAD-Modellverwendung an (z. B. für Ein- und Ausbausimulationen, Virtual Reality etc.), ohne dass auf die methodische Modellerzeugung eingegangen wurde. Zum Beispiel wurden im Teilprojekt Integrierte Topologie- und Gestaltoptimierung im Konstruktionsprozess die Prozessketten CAD > Simulation > Topologieoptimierung > Gestaltoptimierung > CAD entwickelt und optimiert. Der Einfluss der Modellierungsvorgehensweise bei der Generierung eines CAD-Modells auf dessen Nutzbarkeit wurde nur geringfügig berücksichtigt [Meis00] Forschungsprojekt ANICA Der CORBA-CAx-Objektbus entstand aus dem Projekt ANICA (Analysis of Access Interfaces of various CAx Systems), das von Juli 1995 bis April 1998 unter Beteiligung von VW an der Universität Kaiserslautern lief [Schar99]. Dieses Projekt sollte die Machbarkeit der vom Arbeitskreis CAD/CAM-Strategien der Deutschen Automobilindustrie vorgeschlagenen neuen CAx-Systemarchitektur verifizieren. Dafür wurden die Programmierschnittstellen verschiedener CAx-Systeme analysiert, um auf dieser Basis eine einheitliche und systemunabhängige Schnittstelle für CAx-Systeme zu entwickeln. Der Lösungsansatz besteht im Wesentlichen aus der Wahl eines Kommunikationssystems und aus der Definition einer standardisierten Zugriffsschnittstelle. Als Kommunikationsinfrastruktur für ANICA wurde CORBA gewählt, weil CORBA das Konzept einer einheitlichen, gemeinsamen Schnittstelle der beteiligten Applikationen unterstützt. Die Objekte der gemeinsamen Zugriffsschnittstelle wurden aus STEP abgeleitet. In einem als Architecture Mining bezeichneten Prozess wurde untersucht, welche Methoden zu diesen Objekten in verschiedenen CAD-Systemen existieren und welche Parameter diese Methoden benötigen. Im nächsten Schritt wurden die gefundenen Methoden generalisiert und daraus eine allgemeine Schnittstellendefinition für den Zugriff auf Geometriemodelle abgeleitet. Anschließend wurden die Funktionen durch Abbilden der Parameter und Methodennamen auf die CAD-System-spezifische Notation implementiert. Im Teilprojekt ProDMU wurde die Anwendbarkeit des Ansatzes demonstriert. Das Projekt bezog sich ausschließlich auf den optimierten Datenaustausch der CAx-Daten in unterschiedlichen CAx-Systemen. Die weiteren Aspekte der Modellqualität und die Modellierungsmethodik waren nicht der Bestandteil des Projektes. 4.2 Verbesserung der Modellqualität durch Normung und Richtlinien Die Normung konnte sich auf dem Gebiet des QM von CAD-Modellen nur in einigen Teilbereichen durchsetzen, wobei die bestehenden Normen meistens nur Teilaspekte der CAD-Modellierung oder des Datenaustausches abdecken. Die Norm DIN 199 konzentriert sich auf die allgemeinen Beschreibungen der CAD-Begriffe, der CAD-Zeichnungen und der Stücklisten [DIN199]. Die Norm DIN32869 hat im Mittelpunkt die Standardisierung der Darstellung der 3D-CAD-Modelle und nicht ihre Entstehung. Man kann aber einige Teile dieser Norm [DIN32869] durchaus für die Verbesserung der Modellqualität nutzen, weil das

68 62 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Werk mehrere Anforderungen an die Modelldetaillierung und auch Modellstruktur in verschiedenen Darstellungen nutzt. Die VDI-Richtlinie 2209 (Informationsverarbeitung in der Produktentwicklung: 3D-Produktmodellierung) ist im Entwurf vorhanden und versucht einen Beitrag zur Integration der CAD- Methodik in den kompletten Entwicklungsprozess zu leisten. Im Mittelpunkt stehen hauptsächlich: Modellierungsmethoden, Modellierungsstrategien, Modellverwendung [Vajn01]. Das Hauptziel der verbreiteten VDA-Empfehlung 4955/2 [VDA 4955] ist die Verringerung von Nachbearbeitungszeiten und -kosten von CAD-Prozessen durch den Informations- und Erfahrungsaustausch, die Definition firmenübergreifender, gemeinsamer Qualitätskriterien, die Initiierung von sowohl möglichst CAD-System-neutralen Prüfprogrammen und Reparaturhilfen als auch von häufig verwendete Systemen oder Systempaarungen. Die Empfehlung ist in folgende Bereiche aufgeteilt [VDA 4955]: Geometrische Datenqualität Organisatorische Datenqualität Empfehlungen zu Absprachen zwischen Datenaustauschparteien Empfehlungen zu dem Umfang der CAD-Modelle Die Konvertierungs- und Prüfsysteme können sich durch VDA nach dieser Empfehlung zertifizieren lassen, wobei die verschiedenen Prüfwerkzeuge mit unterschiedlichen Testmodellen aus der Praxis verglichen werden, um die Zuverlässigkeit und Konsistenz der Prüfergebnisse zu gewährleisten. Eine Reihe von internationalen Normen basiert teilweise auf der VDA-Empfehlung oder hat einen ähnlichen inhaltlichen Aufbau. Einige nationale Automobilisten-Organisationen (AIAG (Automotive Industry Action Group), GALIA (Groupement pour l'amélioration des Liaisons dans l'industrie Automobile), JAMA (Japan Automobile Manufacturers Association), ODETTE (Sweden), VDA haben die Normungsinstitution SASIG (Strategic Automotive product data Standards Industry Group) gegründet. In SASIG werden von diesen nationalen Organisationen Datenqualitätsrichtlinien entwickelt, die später in einzelnen Ländern adoptiert werden (in Zukunft werden auch die VDA-Empfehlungen davon abgeleitet). Ein Beispiel hierfür sind die Product Data Quality Guidelines for the Global Automotive Industry [SASIG05]. Die letzte Version dieses Dokumentes enthält einige Vorschläge zu Projektmanagement, Kommunikation und Know-how für eine bessere CAD-Modellqualität. Allerdings sind diese Vorschläge sehr generisch und können nicht direkt angewendet werden.

69 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Analyse vorhandener Software-Werkzeuge zur CAD-Qualitätsprüfung Die einfache Prüfbarkeit der meisten numerischen und geometrischen Eigenschaften rief eine Vielzahl an entsprechenden Werkzeugen hervor 16. Man kann diese Softwarewerkzeuge in unterschiedliche Gruppen je nach Programmart und Funktionen klassifizieren Eingebaute Funktionen in CAD-Systemen Fast jedes moderne CAD-System bietet eine Reihe von Funktionen für die Kontrolle und in einigen Fällen Verbesserung der Modellqualität. Auf der einen Seite sind das CAD- Programme, die Funktionen zur Überprüfung der CAD-Daten anbieten, und auf der anderen Seite die Anwendungssysteme, die CAD-Daten nutzen und deshalb auf eine gute Datenqualität angewiesen sind. Als Beispiel für CAD-Funktionen sollen an dieser Stelle einige Funktionen der in dem 3D- CAD-System NX4 eingebauten Module Check-Mate und Quick-Check aufgezeigt werden. Mit dem Check-Mate ist es möglich, auf unterschiedliche numerische, geometrische und einige formale semantische Kriterien (wie z. B. die Nutzung einiger vorgegebener Vorlagen) zu prüfen (siehe Abbildung 29). Darüber hinaus ist die Prüfung nach VDA 4955 möglich. Definition der Tests Ergebnisse der Prüfung Abbildung 29 : Programmoberfläche des Moduls Check-Mate in NX4 Mit dem Quick-Check ist es möglich, in das CAD-Modell einfache Regeln einzubauen (wie z. B. Prüfung der Abstände zwischen zwei Elemente oder Prüfung der zulässigen Maße). Weiterhin besteht die Möglichkeit, mit dem Wissensmodul Knowledge Fusion benutzerdefinierte Regeln zu definieren, wobei eine NX-spezifische Programmiersprache benutzt wird, die spezifische Bibliotheken für den Zugriff auf die Modellgrößen und - 16 Solche Programme werden meistens als Qualitätschecker (Ziel: Überprüfen der Modellqualität) und Healing- Tools (Ziel: Verbesserung der Modellqualität und Beseitigung der Fehler) bezeichnet.

70 64 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen elemente anbietet. Insgesamt erschwert dies die Nutzung, weil die Tests nur von einem speziellen Programmierer erstellt werden können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle diese Werkzeuge gute Möglichkeiten anbieten, formale numerische und geometrische Kriterien zu prüfen. Allerdings muss dem Konstrukteur klar sein, welche Kriterien wichtig sind. Eine Verarbeitung der Modellkundenanforderungen zu prüfbaren Kriterien bieten die Funktionen nicht, sie können höchstens die elementaren Anforderungen überprüfen. Weiterhin bieten die Funktionen keine Verbesserungsvorschläge oder Heilungsfunktionen an. Als ein Beispiel für Nicht-CAD-Programme kann hier das System HyperWorks erwähnt werden, das sehr viele fortgeschrittene Funktionen für die Analyse, Nachbearbeitung und Änderung der CAD-Modelle in unterschiedlichen Formaten mit dem Zweck der Weiterverwendung in FEM-Systemen anbietet. So wird zum Beispiel bereits beim Importieren eine automatische Topologieerkennung zur Reduktion freier Kanten durchgeführt und eine evtl. vorhandene Gliederung der Geometriedatendurchgeführt. Mit weiteren Funktionen (u.a. Mittelflächengenerierung und automatische Geometriebereinigung) kann die importierte Geometrie aufbereitet und modifiziert werden, um bereits im frühen Stadium der FEM-Modellerstellung eine möglichst optimal auf die FEM-Bedürfnisse ausgerichtete Vernetzung zu gewährleisten Eigenständige Programme Zusätzlich zu eingebauten Funktionen existiert eine Reihe von eigenständigen Programmen, die auf die Qualitätsprüfung der CAD-Modelle spezialisiert sind. Wegen der hohen Spezialisierung der Software bieten sie in den meisten Fällen eine größere Auswahl an Prüffunktionen als eingebaute Funktionen. Unabhängig davon, ob diese Programme native Modelle oder neutrale Datenaustauschmodelle prüfen, kann man sie in folgende Gruppen einordnen: Qualitätschecker mit oder ohne Healing-Funktion 17. Healing-Tools: Diese Tools erlauben die Manipulation der Geometrie und Topologie der geometrischen Modelle 18. Konvertierungssoftware 19 mit Healing-Funktionen: Die Systeme konvertieren und korrigieren meistens einzelne CAD-Geometrien sowie Baugruppen-Strukturen. Insbesondere im Bereich der CAD-Konstruktion existiert eine Reihe von Werkzeugen, die unterschiedliche Aspekte der CAD-Modellqualität prüfen und/oder verbessern. Die Entwicklung dieser Werkzeuge wurde durch die Automobilindustrie forciert, die den Einsatz solcher Tools als Pflicht für ihre Zulieferer einführte. Als auf vielen Einsatzgebieten ein sehr 17 Vertreter sind Q-Checker, I/Check, DesignQA, CADIQ, PE-Check, MODELCheck und Validat. 18 Vertreter sind die Programme CADhealer und CADdoctor. 19 Vertreter sind die Programme CADfix, Trans3D, TransMagic und CAD2X.

71 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 65 verbreitetes ausgereiftes Programm und ein typischer Vertreter der eigenständigen Software für die Überprüfung der Modellqualität kann das System Q-CHECKER (siehe Abbildung 30) angesehen werden, das sowohl unterschiedliche CAD-Kriterien als auch Kriterien für weitere Modellarten anbietet. Dieses Programm wird in der Implementierungsphase dieser Arbeit als Prüfwerkzeug verwendet. Aus diesem Grund wird es an dieser Stelle tiefergehend analysiert. Die besondere Eigenschaft von Q-CHECKER ist, dass das Programm sich sehr tief in das Konstruktionssystem 20 integriert und somit gezielt an den nativen Modellierungsdaten Änderungen vornehmen kann. Die prüfbaren Kriterien des Systems können grob in zwei Gruppen eingeteilt werden [Tran06]: Strukturelle Prüfungen: Der Struktur-Teil von Q-CHECKER ermöglicht die Untersuchung eines 3D-CAD-Modells auf seine Struktur hin, d. h. auf verschiedene nicht-geometrische Modelleigenschaften wie Namenskonventionen, erlaubte oder nicht erlaubte geometrische Elemente u. a. Geometrie-Prüfungen: Die Geometrie-Prüfungen ermöglichen die Untersuchung auf die Einhaltung einiger Standards (s. Kapitel 4.2) für geometrische Datenqualität, vor allem der VDA-Empfehlung 4955, SASIG, JAMA, ODETTE oder PDQ. Abbildung 30 : Programmoberfläche von Q-CHECKER 20 Q-CHECKER ist ein Prüfwerkzeug für das Konstruktionssystem CATIA v.4 und v.5 und kann nicht mit anderen Systemen eingesetzt werden.

72 66 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Darüber hinaus hat das Werkzeug den Anspruch, eine Überprüfung der Modellierungsmethodik durchführen zu können. Eine Analyse zeigt aber, dass dabei nur die formalen Kriterien überprüft werden, wie z. B. Übereinstimmung der groben Modellstruktur mit einem Referenzmodell. Nichtsdestotrotz kann dieses System durchaus durch eine Erweiterung für einige methodische Prüfungen angewendet werden. Das Programm weist noch viele zusätzliche Funktionen auf. Sie sollen an dieser Stelle auch ebenfalls aufgeführt werden, weil die Ansätze ein wichtiges Input für die Konzipierungsphase dieser Arbeit geleistet haben [Tran06]: Anwenderdefinierte Prüfkriterien: Zusätzlich zu den vom Hersteller in Q- CHECKER integrierten Prüfkriterien können eigene, firmenspezifische Prüfungen eingefügt werden. Prüfprofile und Prüfprotokolle: Prüfprofile stellen die Zusammenfassung der Definitionen mehrerer Einzelprüfungen dar. Mit Prüfprofilen ist es möglich, unterschiedliche Prüfreihen für spezifische Zwecke vorzudefinieren (z. B. Prüfungen für bestimmte Erzeugnisse, Prüfungen für eingehende CAD-Daten oder für an bestimmte Hersteller weiterzugebende CAD-Daten u. a.). Korrekturfunktion: Bei einigen Kriterien besteht die prinzipielle Möglichkeit, festgestellte Mängel mit Hilfe der automatischen Korrekturfunktion (Healing) zu beheben. Prüfsiegel: Bei der Weitergabe von Modellen kann ein Prüfsiegel erzeugt werden. Durch Prüfsiegel kann ein anderes Unternehmen feststellen, ob die Modelle von den Lieferanten geprüft wurden. Abbruchbedingungen: Bei bestimmten Kriterien kann eine Verletzung derart schwerwiegend für die gesamte Konstruktion sein, dass schon eine einzige Verletzung das konstruierte Teil unbrauchbar macht. Solche für die Qualität besonders wichtigen Kriterien können als Abbruchkriterien definiert werden. Fehleranalyse: Die im Ergebnis des Prüflaufs bemängelten Elemente können mit den Werkzeugen von Q-CHECKER auf ihre Fehler hin genauer analysiert werden. Das sind unter anderem die Fehlerauflistung und die grafischen Hilfselemente. Datenbank-Monitoring: Mittels Database Connect können die Prüfergebnisse in einer Datenbank gespeichert werden, so dass sie zur Weiterverarbeitung und statistischen Auswertung zur Verfügung stehen. Außer CAD-basierten Systemen sind FEM-basierte Werkzeuge eine andere große Gruppe, nicht zuletzt, weil in diesem Bereich sehr intensive Nachbearbeitungen nötig sind und eine gute numerische und geometrische Qualität eine sehr große Rolle spielt. Typische Aufgaben solcher Werkzeuge (Beispiel sind CADfx-CAE, Geomesh und Hypermesh) ist die Vorbereitung für die Berechnung durch das Entfernen von Einzelheiten, Reduzierung der

73 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 67 Flächenanzahl und Ausbesserung der Elementfehler. In allen Fällen arbeiten diese Werkzeuge mit Datenaustauschmodellen und können die Qualität der ursprünglichen nativen Modelle nicht verbessern. Zusammenfassend lässt sich bei allen Werkzeugen feststellen, dass sie in den meisten Fällen nur strenge formale Kriterien prüfen, die in Zahlen einfach auszudrücken sind. Diese Kriterien sind zwar sehr wichtig, um den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Systemen und/oder Unternehmen effektiv durchzuführen, sie sind aber in den meisten Fällen nur eine Folge der fehlerhaften Modellierung und verbessern die Modellierung selbst nicht. Diese Werkzeuge können sehr gut als ein Bestandteil des übergreifenden Qualitätskonzeptes im Bereich der Qualitätsprüfung eingesetzt werden und als Kontrollinstrument bei dem vertragsgeregelten Datenaustausch dienen. Darüber hinaus stellen diese Werkzeuge den einzig möglichen Weg bei dem Datenaustausch in neutralen Formaten dar, bei denen die Modellnachbearbeitung durch die Parameteränderung nicht möglich ist. Die Frage der ganzheitlichen Modellqualität und ob die Modellkunden Zeit für die Nachbearbeitung aufwenden müssen, beantworten diese Systeme nicht. Eine Möglichkeit, von solchen Programmen auch die methodischen Kriterien prüfen zu lassen, ist die Übersetzung dieser Kriterien in passende numerische Kriterien. Dies sollt im methodischen Teil dieser Arbeit betrachtet werden. Darüber hinaus stellen die automatischen Korrekturmöglichkeiten sogar eine gefährliche Fehlerquelle dar, weil sie erstens die Ursachen nicht beseitigen und zweitens Lösungsalgorithmen haben, die die Modellgestalt ändern können. Eine weitere Motivation für den Ausschluss eines generellen automatischen Korrigierens ist, dass der Konstrukteur lernen soll, Fehler selbst zu entdecken [Tran06]. 4.4 Angewandte methodische Ansätze von Industrieunternehmen Die vorhandenen, bei unterschiedlichen Unternehmen entwickelten methodischen Ansätze haben unterschiedliche Ziele. Als Erstes steht der effektive Datenaustausch im Mittelpunkt, sowohl firmenintern als auch zu Zulieferern und Kunden. Das weitere Ziel ist die Optimierung der Modellierung zwecks Verkürzung der Produktentstehungszeit. Diese Methodiken werden in meisten Fällen für ein konkretes 3D-CAD-Anwendungssystem entwickelt und enthalten viele firmenbezogene Bestandteile 21. Durch die im Rahmen dieser Arbeit in einem Forschungsprojekt durchgeführte Studie über die methodischen Ansätze großer Unternehmen 22 können die wichtigen methodischen Modellierungsansätze je nach 21 An dieser Stelle werden die Methodiken nur allgemein beschrieben; eine konkretere Beschreibung darf aufgrund von Urheberrechten an dieser Stelle nicht aufgeführt werden. Aus demselben Grund werden auch keine Literaturquellen angegeben. 22 Im Rahmen einer Forschungskooperation mit einem Automobilzulieferer wurden im Rahmen eines Benchmarkings die methodischen Ansätze, CAD-Handbücher und sonstige Unterlagen von sieben großen produzierenden Industrieunternehmen untersucht (vier Automobilhersteller, ein Flugzeughersteller, zwei große Automobilzulieferer).

74 68 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Schwerpunkt in Gruppen eingeteilt werden, die der Verbesserung der Modellqualität dienen können. Standardisierungsansätze: Durch die Standardisierung wird die Modellqualität verbessert, indem sorgfältig ausgearbeitete, überprüfte und vorbereitete Vorgehensweisen und Modellteile verwendet werden. Darüber hinaus erleichtern die Standardprozesse und -modellelemente die Wiederverwendung und Änderungen in der Prozesskette. Alle untersuchten Unternehmen haben ihre Standardvorgaben in einer Werksnorm bzw. in Werksrichtlinien zusammengefasst. Typische Beispiele für Standardvorgaben sind eine vorgegebene sinnvolle Namensgebung, sinnvolle und logische Strukturierung der digitalen Modelle und das Vorhandensein der so genannten Startmodelle, die als eine Modellvorlage mit ausgewählten Standardelementen und Vorgaben verstanden werden können. Abbildung 31 zeigt ein Startmodell eines Automobilherstellers. Abbildung 31 : Aufbau eines standardisierten 3D-CAD-Startmodells in dem CAD-System CATIA V.5 Konstruktive Ansätze: Unter konstruktiven Ansätzen können Modellierungsmethodiken zusammengefasst werden, die optimale Vorgehensweisen in einem konkreten Anwendungssystem (oft für eine spezielle Problematik / spezielles Feld) vorschlagen. Die Beispiele dafür sind eine Methode zu der Fahrwerkmodellierung in einem CAD-System oder ein optimierter Vernetzungsworkflow in einem FEM-System. Diese Ansätze verbessern die Modellqualität erheblich, indem

75 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 69 analysierte und optimierte Lösungswege angeboten werden. Der große Nachteil ist, dass sie oft entweder sehr allgemein und deshalb schwer anzuwenden sind oder für jede Bauteilfamilie ausgearbeitet werden müssen, was den Aufwand in die Höhe treibt. Ansätze zur Prüfung der CAD-Modellqualität: In dieser Gruppe konnten nur Ansätze zur softwaretechnischen Kontrolle der CAD-Modelle festgestellt werden, die am meisten auf streng formale Kriterien eingehen. Alle Unternehmen nutzen dafür Softwarewerkzeuge, wie im Kapitel 4.3 beschrieben, und verfolgen kaum andere semantische Ansätze. Diese Standardwerkzeuge greifen sowohl auf die vorhandenen Normen (siehe Kapitel 4.2) als auch auf die firmeninternen Vorgaben zurück. Deshalb ist es kaum möglich, die ganzheitliche Modellqualität bzw. den Grad der Weiterverwendung zu prüfen. Nichtsdestotrotz können diese Ansätze zur Sicherung der numerischen Qualität verwendet werden. Datenaustausch- und Archivierungsansätze: Durch die system- und unternehmensübergreifende Produktentwicklung und -entstehung haben die meisten Unternehmen Datenaustauschstrategien entwickelt. Die meisten, besonders große, Firmen versuchen, den Datenaustausch über native CAD-Formate mit ihren Lieferanten zu erzwingen. Beim Datenaustausch spielen in allen untersuchten Firmen die vorgegebenen Richtlinien und die vor- und nachgelagerte Prüfung durch Qualitätscheckprogramme eine zentrale Rolle. In den meisten Fällen aber wird nur das Endergebnis des Austauschs optimiert und nicht der dazu führende fehlerhafte Modellierungsweg. Keiner der untersuchten Unternehmensansätze bedient sich durchgängig einer Qualitätsmanagementmethode für die Erzeugung der CAD-Modelle. Viele Ansätze können zwar teilweise für die neue Methode benutzt werden, können aber nur in der Modellierungsoder Prüfphase und nicht in der wichtigsten Qualitätsplanungs- und Qualitätslenkungsphase angewendet werden. 4.5 Zusammenfassung Die Analyse des Standes der Forschung und der Technik hat gezeigt, dass auf einigen Feldern sehr effektive Ansätze, Möglichkeiten und Werkzeuge zur Prüfung formeller Kriterien, wie z. B. der numerischen Datenqualität, existieren. Dies spiegelt sich in entsprechenden Normen und Empfehlungen wider und wird als Grundlage von vielen Firmen für Methodiken und von vielen Softwareherstellern für den Aufbau entsprechender Software-Werkzeuge benutzt. Dies sichert die elementare CAD-Modell-Qualität für Datenaustausch und Weiterverarbeitung. Die weiteren Aspekte der Weiterverwendungsqualität und des methodischen Modellaufbaus finden kaum eine Berücksichtigung in Normen und Systemen. In der Forschung wurden einzelne Schritte gemacht, allerdings fehlt ein übergreifender neutraler Einsatz. Die Analyse der Qualitätsmanagementmethoden hat gezeigt, dass sie durchaus entsprechende Ansätze mitbringen, wurde allerdings noch nie für CAD-Modelle verwendet.

76 70 4 Stand der Forschung und der Technik beim Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Tabelle 2 zeigt die recherchierten Ansätze mit ihrer Bewertung. Als Grundlage wurden einige der Schlüsselanforderungen aus dem Kapitel 3 verwendet. Die wichtigen Anforderungen der Verwendung von QM-Methoden und der Reduzierung der Nachbearbeitungszeiten werden von keiner Methode vollständig erfüllt. Ansatz Anforderung Verbesserung der numerischen und organisatorischen Qualität Verwendung von Qualitätsmanage mentmethoden IT-technische Unterstützung des Ansatzes vorhanden Reduzierung der Modellnachbearbeitungszeiten Umfassende Betrachtung der CAD- Modellierung Meissner Mendgen Schenke Forschungsansätze Claassen JanitzA Gerkens Projekt ivip Projekt ANICA CAD-Normen Sonstige Ansätze Eingebaute Funktionen in CAD-Systemen Eigenständige Programme Methodische Industrieansätze : keine Erfüllung; : geringe Erfüllung; : mittlere Erfüllung; : hohe Erfüllung; : volle Erfüllung Tabelle 2 Bewertung der recherchierten Ansätze

77 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 71 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 5.1 Grobes Gesamtkonzept Aus den Ergebnissen der Analyse der Grundlagen und des Standes der Technik wird in diesem Kapitel das Gesamtkonzept zum Qualitätsmanagement der CAD-Modelle für die Erfüllung der abgeleiteten Anforderungen hergeleitet. Dieses Konzept soll sich an die allgemeinen Bausteine des Qualitätsmanagements anlehnen. Die Konzeptbausteine werden detailliert in entsprechenden Kapiteln beschrieben. Den Rahmen des Konzeptes bilden die Standardschritte nach ISO 9000 Qualitätsplanung, - lenkung, -prüfung und -verbesserung. Diese Standardphasen werden übernommen und für die CAD-Modelle ausgedehnt bzw. zum Teil neu gestaltet (Abbildung 32). Abbildung 32 : Konzeptbausteine des Qualitätsmanagements der CAD-Modelle Die Qualitätsplanung ist die wichtigste Phase des Qualitätsworkflows. Die Methoden und Techniken zu der Identifizierung und Handhabung der CAD-Modellerzeuger und Modellkunden sind der erste Konzeptschritt. Die Analyse der CAD-gestützten Prozesskette bzw. Produktentwicklung bildet den Hauptteil dieses Konzeptteiles. Die Anforderungsakquisition und -verarbeitung ist ein weiterer wichtiger Schritt. Das Ergebnis dieser Phase in einem konkreten Projekt sind eine Aufstellung der Modellkunden, ihre Klassifizierung sowie eine genaue und widerspruchsfreie Anforderungsliste an die CAD- Modelle. Diese Anforderungsliste wird in ein genaues Pflichtenheft übersetzt, das sowohl die Wichtigkeit der Anforderungen als auch die Verträglichkeit unterinander abbildet.

78 72 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen In der Phase der Qualitätslenkung wird begleitend zu der Modellerstellung gewährleistet, dass die Anforderungen auch erfüllt werden. Auf der einen Seite sind das software-technische Maßnahmen, die den CAD-Konstrukteur sowohl während der Modellierung unterstützen als auch bei Bedarf korrigierend eingreifen. Wichtig ist, dass die in der ersten Phase zusammengestellten Anforderungen sowohl bei dem Konstrukteur als auch bei dem Modellkunden verständlich visualisiert und vermittelt werden. Auf der anderen Seite sind das organisatorische Maßnahmen, wie speziell organisierte Besprechungen und Meetings. Ein weiterer wichtiger Baustein sind die Visualisierungsmethoden, die Qualitätsinformationen bei dem Modelllieferanten darstellen. Alle erwähnten Schritte müssen so konzipiert werden, dass sie in einem IT-System (z. B. PDM-System) implementierbar sind. Die Qualitätsprüfung kann sowohl vor der Modellfreigabe für die anschließende Nutzung als auch schon während der Modellierung durchgeführt werden. Die Prüfung findet je nach Anforderungsgruppe anhand harter Fakten (numerische, geometrische und sonstige formale Kriterien) oder subjektiver Empfindungen statt. Insbesondere für die Prüfung der subjektiven Anforderungen werden neue Konzepte aufgestellt, weil sie kaum mit einem Softwarewerkzeug geprüft werden können. Auch an dieser Stelle spielt eine wichtige Rolle, dass die gefundenen Qualitätsabweichungen verständlich visualisiert werden. Die Methoden der kontinuierlichen Qualitätsverbesserung stellen sicher, dass die erreichten Effekte auch langfristig und wirtschaftlich gewährleistet werden. Dazu gehört zum Beispiel methodischer Aufbau von Qualitäts-Templates, die bestimmte Qualitätssituationen (Modellkunden und -ersteller, Anforderungspflichthefte usw.) für die Wiederverwendung in späteren Projekten bzw. Modellierungsvorgängen abbilden. Wichtig ist der Vergleich der Qualitätsvorgehensweisen mit anderen Abteilungen oder - noch besser - anderen Unternehmen, die als führend in ihrem Bereich gelten. Weiterhin müssen die erarbeiteten Ergebnisse und das Wissen dokumentiert werden, wofür weitere Konzepte notwendig sind. Eine weitere, bis jetzt noch nie auf die CAD-Modelle angewendete, Methode ist das Qualitätsaudit, bei dem der Modellerzeugungsprozess von internen oder auch externen Auditoren auf die Fähigkeit, hochqualitative Modelle zu liefern, geprüft wird. Die beschriebenen Aufgaben sollen im Konzept unter Berücksichtigung der verbreiteten Qualitätsmanagementmethoden bzw. von Teilen von ihnen gelöst werden. Diese Methoden wurden aufgabenneutral im Kapitel behandelt und sie müssen für die Zielsetzung der Arbeit integriert werden, damit sie gemeinsam unter Erzielung der Synergieeffekte angewendet werden können. Wichtig zu beachten ist, dass diese Methoden oft zu groß und starr für die flexible Anwendung mit CAD-Modellen sind. Aus diesem Grund müssen sie in Einzelteile (Module) aufgeteilt werden, die später zu kombinieren sind. Man kann die Gesamtmethodik auch als eine Art Methodenbaukasten für die Qualitätsverbesserung der CAD-Modelle bezeichnen. Ehrlenspiel [Ehrl03] definiert den Begriff Methodenbaukasten als eine systematisch geordnete Sammlung von Methoden, die für bestimmte Arbeitsabschnitte eines Prozesses alternativ eingesetzt werden können und für

79 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 73 deren Auswahl Hilfen angegeben sind. Die Wahrscheinlichkeit, eine Universalmethode zur Lösung eines Problems zu finden, ist äußerst gering [Ambr97]. Es lässt sich jedoch eine Methodensammlung anlegen, mit der die meisten auftretenden Fragestellungen zu behandeln sind. In dieser Arbeit besteht der Methoden- und Werkzeug-Baukasten zum einen aus angepassten Qualitätsmodulen, abgeleitet von QM-Methoden, und zum anderen aus CADspezifischen Tools und Softwarewerkzeugen. Die Module sollten in unterschiedlichen Anwendungsfällen anwendbar sein und in beherrschbaren Schritten das entsprechende Problem lösen. 5.2 Konzept der Adaption der Qualitätsmanagementmethoden für die Nutzung mit CAD-Modellen In diesem Unterkapitel wird ein Konzept der Adaption der oft sehr komplizierten Qualitätsmanagementmethoden für die Anwendung im Kontext der CAD-Modelle entwickelt. Die Qualitätsmanagementmethoden müssen nach diesem Konzept vorbereitet, modularisiert und vereinfacht werden können. Die konkrete Vereinfachung und Modularisierung erfolgt dann später in entsprechenden Konzeptteilen der Methode Konzept der Modularisierung der QM-Methoden Es ist wichtig, die starren Strukturen der ausgewählten QM-Methoden in einzelne, kompakte Module herunterzubrechen (Abbildung 33), die abgegrenzt und leicht handhabbar sind. Hierdurch wird es möglich, die einzelnen Module je nach dem Einsatzzweck zu verwenden [Lesm01]. In dieser Arbeit werden die Methoden u.a. in Anlehnung an Arbeiten von Lesmeister, Hoffmann und Zimmermann [Lesm01, Hofm97] modularisiert. QFD QFD DR DR FMEA FMEA weitere weitere Modularisierung und Kombinierung Modularisierung und Kombinierung Methodenverbund Methodenverbund im im Konzept Konzept Abbildung 33 : Modularisierung und Kombinierung der Methoden

80 74 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Ziel im ersten Schritt ist also, einen strukturierten QM-Methodenbaukasten zu entwickeln, der aus verschiedenen Methodenteilen besteht. Diese Methodenteile sollten möglichst unabhängig voneinander sein und auch ohne Gesamtmethode funktionsfähig bleiben. Nach Möglichkeit sollen diese Module für die Nutzung im Umfeld der CAD-Modellierung angepasst sein. Im weiteren Schritt werden diese Bausteine zu einem Gesamtkonzept zusammengestellt, wobei durchaus auch unterschiedliche Kombinationszusammenstellungen für unterschiedliche Einsätze bzw. Szenarien denkbar und gewünscht sind. Die einfachen QM-Methoden, die kaum in mehrere Module aufgeteilt werden können, werden als ein einziges Modul beschrieben. Ein weiterer wichtiger Teil der Modularisierung ist die Eliminierung doppelter Module. Dadurch, dass viele Methoden oft ähnliche Aufgaben übernehmen, können auch viele Module mit identischen Funktionen entstehen. Sie sollen bei einer Übereinstimmung zu einem Modul zusammengefasst werden. An die Modularisierung der QM-Methoden werden folgende Anforderungen gestellt: Standardisierte Struktur der QM-Module Klar definierte Grenzen zwischen einzelnen Modulen Eingangs- und Ausgangsgrößen Klar definierte Modul-Aufgaben Definierte Schnittstellen für die Verknüpfung untereinander Ehrlenspiel [Ehrl03] entwickelte ein Systemkonzept, nach dem ein System in mehrere Teilsysteme (Elemente) aufgeteilt werden kann. Ein Teilsystem besteht dabei aus einer Menge von Elementen, die Eigenschaften besitzen und durch Beziehungen miteinander verknüpft sind. Ein System wird durch eine Systemgrenze von der Umgebung abgegrenzt und steht mit ihr durch Ein- und Ausgangsgrößen in Beziehung. Diese Definition ist vom Ganzen bis zum Teil durchgängig anwendbar [Ehrl03]. Oft wird das übergeordnete System auch als Blackbox bezeichnet, weil nur die Ein- und Ausgangsgrößen und keine Strukturen erkennbar sind. Das ist die abstrakteste Darstellung eines Systems. Die QM-Methodenmodule werden nach diesem Systemkonzept abgeleitet (siehe Abbildung 34). Ein Qualitätsmodul ist dabei ein System, das aus weiteren Systemelementen besteht (diese Elemente können auch als eine Blackbox betrachtet werden) und klare Input- und Output-Größen bzw. -Informationen besitzt. Diese Größen können auch als Schnittstellen zu anderen Modulen betrachtet werden. Jedes Modul verarbeitet Informationen; diesen Vorgang kann man als Aufgabe betrachten [Lesm01]. Weiterhin wird die Modulaufgabe meistens durch ein elementares Unterstützungswerkzeug (eine einfache Qualitätstechnik) unterstützt.

81 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 75 Input Input QM- QM- Methode Methode Output Output Input Input Modul 1 Modul 1 - Aufgabe - Tools Aufgabe - Tools Output Output Input Input Input Input Modul 3 Modul 3 - Aufgabe - Tools Aufgabe - Tools - Aufgabe - Tools Aufgabe - Tools Output Output Modul 2 Modul 2 Output Output Abbildung 34 : Modularisierung der QM-Methoden (in Anlehnung an [Ehrl03, Lesm01]) Die Bestandteile eines Qualitätsmoduls sind in Tabelle 3 nochmals mit einigen Beispielen zusammengefasst: Bestandteil Beschreibung Beispiele Input Liste der in dem Modul benötigten Daten Kundenaussagen Output Liste der in dem Modul erzeugten Daten Kundenanforderungen Aufgabe Zweck des Moduls Übersetzung der Kundenaussagen in die Anforderungen Unterstützungswerkzeug Werkzeuge, die die Ausführung der Modulaufgabe unterstützen Matrizen, Listen Beschreibung Erläuterung der Modulanwendung Identifizierung Kennzeichen zur eindeutigen Identifizierung des Moduls in einem Qualitätsworkflow. Modul A Tabelle 3 Bestandteile eines Qualitätsmoduls Die einzelnen Module werden in den entsprechenden Kapiteln abgeleitet, je nach dem Zeitpunkt des Einsatzes in der Gesamtmethodik Unterstützungswerkzeuge bzw. -methoden für die Qualitätsmodule Auf die unterstützenden Werkzeuge, die der Realisierung eines Qualitätsmoduls dienen, wird auf dieser Stelle tiefer eingegangen. Wichtig ist die transparente, einheitliche und visuelle

82 76 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Darstellung der Elemente. Meistens sind das die 7 Tools of Quality (Q7). Darüber hinaus können auch die so genannten 7 Managementwerkzeuge verwendet werden [KaBr03, Hoff94]. Wenn man die Qualitätsmethoden wie QFD oder FMEA analysiert, stellt man fest, dass sie auch diese Techniken als einzelne Bausteine verwenden. Diese Unterstützungswerkzeuge sind auch visuelle Hilfsmittel, um Probleme zu erkennen, zu verstehen und zu lösen. Weiterhin sind besonders im Fall der CAD-Modellierung weitere Werkzeuge wichtig, die oft keine eindeutigen Qualitätswerkzeuge sind, wie z. B. Brainstorming oder Workshops. Die meisten Qualitätstechniken wurden im Kapitel beschrieben. Weitere Techniken für die Unterstützung der Qualitatsmodule sind (s. u.a. [Lesm01, Hoff94, KaBr03, Malm02]: Technik / Methode Darstellung Beschreibung Liste Auflistung und Gliederung der Elemente gleicher Kategorie) Baumdiagramm Gliederung und hierarchische Darstellung der Elemente. Matrix / Matrizen Vergleich unterschiedlicher Listen zueinander. Paarweiser Vergleich Vergleich gleicher Arten von Listen miteinander. Dreiecksmatrix Korrelation gleicher Listen untereinander (z. B. das Dach des QFD). Tabelle 4 Elementare Hilfswerkzeuge der Qualitätsmodule

83 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen CAD-Modellqualitätsplanung An dieser Stelle werden die ausgewählten Methoden für die Phase der Qualitätsplanung modularisiert (wie in Kapitel beschrieben) und für die Nutzung mit CAD-Modellen angepasst. Wichtig ist dabei zu erwähnen, dass bei der Modulableitung nicht nur Elemente der ursprünglichen QM-Methode, sondern auch weitere notwendige Bausteine implementiert werden. Die Module werden durchgängig, unabhängig von der Mutter-Methode, mit Buchstaben gekennzeichnet. Die Methoden sollen in der Reihenfolge des Einsatzes in der Produktentstehung modularisiert werden (Abbildung 35). Um den Rahmen der Arbeit nicht unnötig zu sprengen, werden nach einer Analyse nur die Module erstellt, die später für die Gesamtmethode von Nutzen sind 23. Folgende Module werden für die Phase der Qualitätsplanung der CAD-Modelle abgeleitet: Abbildung 35 : Qualitätsmodule der Phase der CAD-Qualitätsplanung Der Modularisierung sollen noch einige notwendigen Informationen und Dokumente vorangestellt werden: In der Phase der Qualitätsplanung werden in unterschiedlichen Qualitätsmodulen und operativer Software unterschiedliche Informationen erhoben, dokumentiert und strukturiert aufbereitet. Einige dieser Informationen wurden schon in den ersten Kapiteln ausführlich erläutert, sie werden an dieser Stelle nur kurz erwähnt. Die wichtigsten Objekte bzw. Elemente, zu denen Informationen zu denen vor dem Start der Modellierung bekannt sein müssen, sind: CAD-Modell selbst, CAD-Modellkunden, Gewichtungen der Kunden und der Anforderungen, CAD-Modellerzeuger, CAD-Modell-Anforderungen, CAD-Modell- 23 Vernachlässigt werden Funktionen bzw. Aufgaben, die nur für physikalische Produkte anwendbar sind (z. B. Service- oder Verkaufs-Gewichtung im QFD-Haus).

84 78 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Merkmale, CAD-Modell-Prüfkriterium, CAD-Modell-Lastenheft und CAD-Modell- Pflichtenheft. Neu werden hierbei die Elemente CAD-Modell-Lastenheft und CAD-Modell-Pflichtenheft sowie CAD-Modell-Prüfkriterium eingeführt. Ein Lastenheft fasst u.a. CAD-Modell- Anforderungen zusammen (Perspektive des Modellkunden), wohingegen ein Pflichtenheft die zu implementierenden Modellmerkmale enthält (Perspektive des Modellerzeugers). Weiterhin ist der Unterschied zwischen einem CAD-Modell-Merkmal und einem CAD-Modell- Prüfkriterium wichtig. Viele Modellmerkmale können weder von einem Prüfprogramm noch von einer Person direkt überprüft werden. Deshalb müssen Prüfkriterien abgeleitet werden, die entweder formalisiert für ein Programm oder auch für eine Person geeignet sind. In dem Kapitel 6.2 wird das Informationsmodell für die Abspeicherung der Informationen zu diesen Begriffen entwickelt. In diesem Datenmodell werden die Bedeutung und vor allem Zwischenbeziehungen abgebildet und für die IT-technische Verarbeitung vorbereitet Modul A: CAD-Modellkundenidentifizierung, -gewichtung und -notation Input/ Output Werkzeuge: Tabellen, Use Case -Diagramm, PDM-System, Mailing, White-Board, CAx- Portal Die Phase der Modellkundenidentifizierung wird in meisten Fällen direkt nach dem Start eines Entwicklungsprojektes erfolgen und stellt eine typische Startphase bei der Methode QFD dar. Bei CAD-Modellen ist es im Vergleich zu den physischen Produkten oder Services vorteilhaft, dass sich die meisten Modellkunden innerhalb eines Unternehmens befinden und oft schon bekannt sind. Der grundlegende Unterschied zu den herkömmlichen Produkten liegt aber in der Tatsache, dass bei CAD-Modellen nicht die potentiellen Kunden gesucht werden, die später für die Produktnutzung akquiriert werden müssen, sondern die Modellnutzer, die auch ohne das Qualitätsmanagement oder ohne diese Methodik auf die CAD-Modell-Nutzung angewiesen sind. Insgesamt können grob folgende Arten der Modellkunden-Ermittlung angewendet werden: Top-Down-Projektmanagement-Ansatz: Bei dem Top-Down-Ansatz werden die CAD-Modellkunden von der Projektleitung bzw. dem Projektmanager identifiziert oder sogar benannt. Die Grundidee ist, dass die Modellkunden ihre Tätigkeiten in den meisten Fällen erst nach einer Anweisung seitens des Projektleiters aufnehmen. Deshalb hat er auch den besten Überblick, wer zu welchem Zeitpunkt die CAD- Modelle in einem Projekt nutzt. Bei größeren Projekten wird diese Aufgabe an Gruppenleiter oder Teilprojektleiter delegiert. Damit diese Aufgabenteilung nicht zu

85 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 79 neuen Fehlern führt, müssen diese Personen gemeinsam die Liste aufstellen. Ansonsten besteht außerdem die Gefahr, dass einige Leiter einige Modellnutzer nicht als solche sehen. Modellnutzungs- und -entstehungsorientierter Ansatz: Der Weg des CAD-Modells wird in den Phasen des Entwicklungsprozesses alter oder geplanter Produkte verfolgt und offenbart damit abteilungsbezogen die einzelnen Kunden. Bei den Überlegungen ist zu fragen, wer in irgendeiner Weise von der jeweiligen Version des CAD-Modells betroffen ist. Jeder Betroffene ist damit automatisch ein Kunde. Hier wird die Identifikation am besten möglich, wenn ein abteilungsbezogener Ablaufplan vorhanden ist. Über die Versionen des CAD-Modells oder der abgeleiteten partiellen Modelle und über eventuell vorhandene Daten, die den Konstruktionsprozess betreffen, lassen sich die beteiligten Kunden identifizieren. Jede Version verfügt über mindestens einen Bearbeiter, der wiederum ein Kunde des digitalen Modells ist. Auch werden Freigaben oder Prüfprozesse direkt mit Kunden verknüpft. Alle in der Historie festgestellten Versionierungen müssen von Kunden des digitalen Modells genehmigt oder zumindest geprüft werden. Weitere Informationen können auch über ältere, nicht in elektronischer Form gespeicherte Dokumente und technische Zeichnungen gewonnen werden. Die meisten PDM-Systeme bieten Funktionen zur Ermittlung des Verwendungsnachweises der CAD-Modelle, die dafür effektiv benutzt werden können. Modelllieferantenorientierter Ansatz: Oft können einige Modellkunden nicht erkannt werden, weil sie nicht direkt in einem Projektplan als ausführende Instanz erscheinen oder nicht direkt versionsändernde (also nur lesende) Vorgänge im PDM- System ausführen. Ein Beispiel dafür ist der CAD-Modellkunde Produktdokumentation, der oft erst nach dem Abschluss der Produktentwicklung ohne Einbeziehung in das PDM-System die CAD-Modelle für die Visualisierung nutzt. In diesem Fall muss durch entsprechende Kommunikationsmaßnahmen (Mailing, E- Whiteboards) darauf aufmerksam gemacht werden, dass ein neues Projekt mit dem entsprechenden Modelllieferanten in Planung ist. Die angesprochenen Modellkunden können sich dann über entsprechende elektronische Mechanismen melden und an der Akquisition der Anforderungen (Modul B) direkt teilnehmen. Eine sehr wichtige Fragestellung betrifft die passende Form für die Notation der Zusammenhänge zwischen CAD-Modellkunden und CAD-Modell-Lieferanten. Als besonders passend erscheint das Anwendungsfalldiagramm (meistens Use Case-Diagramm genannt) von UML [Erle04], das durch eine Anpassung an die CAD-Modelle für die Methode angewendet werden kann. Obwohl die Aussagekraft dieser Diagramme beschränkt ist, eignen sie sich gut, weil sie einen groben Überblick über die Beziehungen im Projekt geben. Das wichtigste Element dieses Diagramms ist der Akteur, der eine Rolle im Prozess darstellt. Besonders vorteilhaft für die Thematik dieser Arbeit ist, dass ein Akteur nicht unbedingt eine Person sein muss. Abbildung 36 zeigt die allgemeine Notation eines Use Case und die notwendigen Anpassungen für die CAD-Modelle, weil es bei CAD-Modellen notwendig ist, nicht nur die

86 80 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Rolle (in diesem Fall nur CAD-Modell-Lieferant oder CAD-Modellerzeuger), sondern auch eine genaue Bezeichnung anzugeben (z. B. DMU-Ingenieur). Bei der Darstellung wird durch die Anpassung der Linienenden verdeutlicht, ob dies ein Modellieferant ist (Informationsfluss von ihm) oder ein CAD-Modellkunde ist (Informationsfluss zu ihm). Ein weiterer praktischer Unterschied zu dem klassischen UML ist, dass einige Akteure mehrmals in unterschiedlichen Rollen auftreten können. Ein Beispiel ist ein DMU-Ingenieur, der sowohl ein CAD-Modell- Lieferant als auch ein CAD-Modellkunde ist. Allgemeine Darstellung von Akteuren Benennung Darstellung der Beziehungen erbt verwendet erweitert Benennung Darstellung eines Modelllieferanten Benennung Darstellung eines Modellkunden Benennung Darstellung eines sehr wichtigen Modellkunden Abbildung 36 : Darstellung von Use Case Elementen in der Methodik Es können auch weitere Use Case Diagramm Werkzeuge verwendet werden, wie die Vererbung zwischen einzelnen Anwendungsfällen oder zwischen einzelnen Akteuren. Weiterhin werden die Beziehungen durch den Text an den Verbindungslinien dargestellt (Abbildung 36). Abbildung 37 zeigt eine Beispiel eines Use Case Diagramms für ein einfaches Produktentwicklungsprojekt mit der entsprechenden Notation der Modellkunden und Modelllieferanten.

87 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 81 erbt erbt Abbildung 37 : Beispiel eines Use Case Diagramms für ein Projekt Im Beispiel werden die Modelle von zwei CAD-Konstrukteuren als Modelllieferanten von weiteren drei Ingenieuren für ihre Aufgaben weiterverwendet. Die Weiterverwendung ist sehr kurz in dem entsprechenden Anwendungsfall (ovaler Kreis) beschrieben. Bei der Modellkunden-Gewichtung wird in dieser Arbeit ein Ansatz getroffen, dass für die Methode nicht die Gewichtung der Kunden, sondern die Gewichtung der gestellten Anforderungen eine viel wichtigere Rolle spielt. Deshalb wird bei der Gewichtung nur die Gruppe der sehr wichtigen Kunden (auch K.O.-Kunden genannt) abgeleitet, deren Anforderungen im Modul B automatisch als Pflichtanforderungen angesehen werden. Bei der Entscheidung über die Gewichtung sollten die Modellkunden selbst nur eine beratende Rolle übernehmen, weil ihre Aussagen über ihre Wichtigkeit sehr subjektiv und relativ sein können. Eher die Projektleitung und auch die Modelllieferanten müssen die endgültige Entscheidung treffen. Die Gewichtung der sehr wichtigen Kunden kann auch in dem Use Case-Diagramm durch ein entsprechendes Ausrufezeichen gekennzeichnet werden. Typischerweise können in fast allen Fällen die Modellkunden des externen Kundenunternehmens als K.O.-Kunden betrachtet werden, weil die Erfüllung ihrer Anforderungen eine sehr große strategische Rolle für ein Unternehmen spielt.

88 82 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modul B: Anforderungsakquisition Input/ Output Werkzeuge: Für Akquisition: Elektronischer Fragebogen in einem PDM-System, Workshop, (elektronisches) Brainstorming, Anforderungsschablone Für Aufnahme: Information Mapping, Ishikawa-Diagramm Die Anforderungsakquisition mit der anschließenden Anforderungsgewichtung stellt den ersten Schritt dar, bei dem die CAD-Modell-bezogenen Informationen erfasst und verarbeitet werden (ein Schritt der Methode Quality Function Deployment). Alle späteren Module und Bausteine greifen auf die Informationen über die erfassten Anforderungen aus diesem Qualitätsmodul zu. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der richtigen, umfassenden und klar strukturierten Anforderungsakquisition. Weitere Quellen für die Anforderungen sind die unterschiedlichen projektneutralen Vorgaben (wie z. B. Vorgaben von dem externen Kunden) oder auch ein Katalog mit allgemeinen Grundanforderungen (numerische Anforderungen usw.). Einzelne Anforderungen sollten die folgenden idealen Eigenschaften besitzen [Schi02]: Korrektheit, Vollständigkeit, Eindeutigkeit, Konsistenz, Geltung, Priorisierung bzw. Gewichtung, Verifizierbarkeit, Nachvollziehbarkeit, Verständlichkeit, Umsetzbarkeit etc. Bei der Akquisition der Anforderungen an die CAD-Modelle müssen die Besonderheiten der Nutzer berücksichtigt werden. Im Allgemeinen stehen für die Ermittlung der Anforderungen an ein zukünftiges CAD-Modell sehr unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Im Unterschied zu den Kunden der physischen Produkte kommen fast alle CAD-Modellkunden aus dem technischen Umfeld, so dass auch die strukturierten elektronischen Werkzeuge als passend und zeitsparend erscheinen. Der Fragebogen in elektronischer Form zählt zu den häufigsten verwendeten Ermittlungstechniken [Rupp02]. Wichtiger Vorteil eines elektronischen Fragebogens ist die Möglichkeit, die Informationen weiterzuverarbeiten und vorhandene Informationen zur Auswahl anzubieten. Vor allem bei den Multiple-Choice-Fragen kann man die Antworten sehr schnell elektronisch auswerten. Darüber hinaus stellt er eine Zeit und Kosten sparende Möglichkeit dar, die Anforderungen zu erfassen. In den meisten Fällen werden heute elektronische Fragebögen im Internet oder im firmeninternen Intranet verwendet. Allerdings scheint dies für die Anwendung mit CAD-Dateien nicht sinnvoll, weil sowohl CAD- Konstrukteure als auch die CAD-Modellkunden meist nicht direkt mit dem Internet, sondern mit einem Produktdatenmanagement-System arbeiten. In einem PDM-System besteht auch die Möglichkeit, die erfassten Anforderungen mit weiteren (Meta-)Daten, wie Anwender, Produkt, CAD-Model, Projekt etc. strukturiert abzulegen (Abbildung 38) und vor allem direkt

89 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 83 mit dem Informationselement des Bauteiles oder der Baugruppe (in der Abbildung Produktstamm bzw. -Item) zu verknüpfen. Abbildung 38 : Ablauf der Anforderungserfassung mit dem elektronischen Fragebogen Wichtig ist der Zeitpunkt der Befragung. Die Modellweiterverwendung beginnt in den meisten Fällen entweder direkt nach der CAD-Modellgenerierung oder kurz vor der Modellfertigstellung, was zu spät für eine Einflussnahme auf die Modellerzeugung ist. Deshalb muss die Befragung als einer der ersten Bausteine in der Planungsphase platziert werden, also direkt nach dem Projektstart. Die Anforderungserfassung muss komplett vor dem Beginn der Modellierungsphase abgeschlossen werden. Ausgelöst wird die elektronische Befragung entweder durch den Projektleiter oder den CAD-Modellerzeuger (Abbildung 38). Nach der Workflowauslösung wird von dem PDM-System im ersten Schritt der Fragebogen aus Vorlagen zusammengesetzt und dann wird der entsprechende Link (elektronische

90 84 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Einladung) zu dem PDM-Fragebogen an den Modellkunden gesendet. Das Fragebogendatenelement wird direkt mit dem Produkt-Item 24 im PDM-System verknüpft, so dass die Befragenden sofort in die Produktinformationen 25 Einblick nehmen können. Eine weitere passende Einsatzmöglichkeit der Befragung wäre die Abschlussbefragung nach Projektende, bei der zusätzliche Informationen für die Verwendung in zukünftigen Projekten und vor allem Qualitätsvorlagen erfasst werden können. Nach der Fertigstellung der Befragung werden die Ergebnisse freigegeben. Die Fragebogenstruktur erfordert einen speziellen Aufbau. Die unstrukturierte Aufnahme der Aussagen der Modellkunden würde zu vielen schwer lesbaren und oft unverständlichen Texten führen. Für die strukturierte Aufnahme der Kundenaussagen wurde in diesem Modul die von Horn [Horn92] an der Harvard University entwickelte und vom VDMA 26 [VDMA02] für die Anforderungserfassung empfohlene Methode Information Mapping (IMAP) ausgewählt, die auf die Übertragung der Kern- und Schlüsselinformationen spezialisiert ist. Information Mapping ist eine angewandte Praxis-Methode für das strukturierte Verfassen von Information. Ihre Regeln und Empfehlungen führen Autoren zu einer klaren und effizienten Schreibweise. Texte und Dokumente werden eindeutig und übersichtlich. Die Methode beruht auf wissenschaftlichen Grundlagen aus der Lernpsychologie und der Wahrnehmungsforschung. Nach den Regeln von Information Mapping erstellte Informationen sind modular und Informationsmodule können leicht ausgetauscht und überarbeitet werden. Sie können, mit Attributen versehen, in Datenbanken gezielt abgelegt und schnell wieder gefunden werden. Bei der Methode geht es im Wesentlichen darum, Informationen so aufzunehmen, dass einzelne Informationen in sich abgeschlossen sind. Die Grundidee der Methode ist die Tatsache, dass mehr als 90 Prozent aller Informationen nur sechs unterschiedlichen Informationsarten zugeordnet werden können: Anleitung, Prozess, Struktur, Begriff, Prinzip, Fakt. IMAP führt im Unterschied zur normalen Texterstellung neue Strukturelemente ein, so dass die Texte modular gestaltet werden: Block: eine in sich abgeschlossene Art von Informationen (z. B. Klassifizierung einer bestimmten Anforderung) Map: ein Thema, bestehend aus mehreren Blöcken (z. B. Teil Anforderungsdefinition ) Der Fragebogen darf sich nicht nur auf die Formulierung der Anforderung konzentrieren sondern muss den Modellkunden durch das Thema und einzelne Blöcke und Maps führen. 24 Unter einem Item (die deutschen Übersetzungen werden sehr selten benutzt) wird in PDM-Systemen ein Datenelement verstanden, das unterschiedliche produktbezogene Informationen umfasst (Produktstruktur, Attribute, Dokumente, Stückliste etc.) 25 In diesem Entwurfsstadium des Produktes wird ein Item nur grobe Informationen enthalten. Möglich ist auch eine Verknüpfung zu einem anderen älteren Item (bei Variantenkonstruktionen). 26 VDMA: Verein Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer

91 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 85 Der Vorteil eines elektronischen Fragebongens in einem PDM-System ist, dass man die Inhalte dynamisch gestalten kann, die entsprechend dem Projekt und den Antworten angepasst werden. Obwohl diese Befragung in dem Modul Anforderungsakquisition und -gewichtung stattfindet, sollte der CAD-Modellkunde nach weiteren Aspekten, wie z. B. Lösungsweg zu der Anforderungserfüllung etc., gefragt werden. Die grundlegenden Fragebogen-Teile sind: Einführung: Dieser Teil enthält die Beschreibung des Projektes und der allgemeinen Zusammensetzung der Modellkunden und CAD-Modellerzeuger im Projekt. Auswahl des Modellerzeugers: In diesem Teil wählt der CAD-Modellkunde den entsprechenden CAD-Modellerzeuger aus. Anpassung vorhandener Vorlagen (siehe nächster Absatz): Die vorhandenen Anforderungsvorlagen werden an dieser Stelle an die Gegebenheiten des aktuellen Projektes angepasst. Formulierung der neuen Anforderungen: Die in den Anforderungsvorlagen nicht vorhandenen Anforderungen müssen am Ende neu eingegeben werden. Um Anforderungskataloge in hoher Qualität in kurzer Zeit zu erhalten, können so genannte Anforderungsschablonen verwendet werden, die für jeden Modellkunden im Voraus erzeugt werden. Der schablonenbasierte Weg kann den Analyseprozess wesentlich beschleunigen und effizienter gestalten. Für den überwiegenden Teil der CAD-Anforderungen ist es weder notwendig noch sinnvoll, sie jedes Mal neu zu definieren. In meisten Fällen werden die Anforderungen bezogen auf den Modellkunden in unterschiedlichen Projekten gleich bleiben. Die projektbezogenen Anforderungen können dann per Fragebogen erfasst bzw. angepasst werden. Gleichzeitig wird auch das Modellierungs-Know-how systematisch strukturiert und für die Wiederverwendung gespeichert. Darüber hinaus muss eine Schablone weitere Informationen enthalten (bzw. Vorschläge für die Informationen), wie zugeordnete Modellmerkmale, Gewichtung, eventuelle Probleme oder Lösungsvorschläge. Eine Anforderungsschablone wird bei der Befragung in den elektronischen Fragebogen eingelesen und kann dann vom Modellkunden ergänzt oder geändert werden. Der CAD-Modellkunde kann auch elektronisch vorschlagen, dass einige Anforderungen bzw. Informationen in die Schablone hinzugefügt bzw. entfernt werden. Auf diese Art und Weise wird auch gewährleistet, dass die Schablone aktuell bleibt. Ein eventuelles Problem kann sein, dass die Mitarbeiter bereit sein müssen, sich einer stark normierten Vorgehensweise zu unterwerfen. Dadurch aber, dass die CAD-Modellerzeuger und -kunden meistens strukturierte Personen sind, stellt dies keine Hürde dar. Weitere Werkzeuge für die Anforderungserfassung sind Interviews und Workshops. Der Vorteil eines Interviews besteht darin, dass bei jedem Modellkunden unterschiedlich stark auf die einzelnen Qualitätsanforderungen eingegangen werden kann, so dass der Gesprächsverlauf individuell angepasst werden kann. Nachteilig ist, dass Interviews für beide Seiten sehr zeitaufwendig sind. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Ergebnisse sehr stark vom

92 86 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Interviewer abhängen, in diesem Fall einem Vertreter der CAx-Abteilung oder der Konstruktionsabteilung. Auf Workshops wurde kurz in Kapitel eingegangen. Sowohl bei Interviews als auch bei Workshop gilt, dass sie nur dann verwendet werden sollten, wenn die Nutzung eines elektronischen Werkzeugs, wie elektronischer Fragebogen, nicht sinnvoll ist. Dies wird in den meisten Fällen bei der Initiierung der Methode oder bei der Modellierung neuer Produkten der Fall sein. Dann können sie sehr effektiv für die Aufstellung einer neuen Anforderungsvorlage benutzt werden. Eine wichtige Frage ist die Darstellung der einzelnen Modellkundenanforderungen mit dem Bezug zu den unterschiedlichen Kundenaussagen. An dieser Stelle bietet sich das Ishikawa- Diagramm (s. Abbildung 26) an. Allerdings können die Standardzweige für die Modellstrukturierung bei CAD-Modellen nicht verwendet werden, so dass an dieser Stelle die gleiche Fischgrätendarstellung 27 angepasst wird. Alle Informationen im Ishikawa-Diagramm müssen dynamisch aus den Datenelementen des PDM-Systems (Attribute etc.) aktuell zusammengestellt werden. Abbildung 39 : Angepasstes Ishikawa-Diagramm Nachdem Kundenaussagen klar sind, können sie durch Diskussionen in Workshops im ersten Schritt in Teil-Themen aufgeteilt werden. Danach folgt die Darstellung der Anforderungen als Ableitung der Teil-Themen. Die Darstellung kann außerdem sehr gut für die spätere Wiederverwendung der Qualitätsinformation benutzt werden. 27 Das Ishikawa-Diagramm (Ursache-Wirkungs-Diagramm) wird im Alltag oft Fishbone-Diagramm oder auch Fischgrätendiagramm benannt.

93 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modul C: Anforderungsgewichtung Input/ Output Werkzeuge: Pareto-Analyse Die Gewichtung der Anforderungen stellt eine der zentralen Aufgaben der CAD-Modell- Qualitätsplanung (ein Schritt der Methode Quality Function Deployment) dar. Die Gewichtung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Viele Gründe erfordern eine effektive und auf die CAD-Modelle angepasste Gewichtungsmethode. Nicht alle Anforderungen werden in einem konkreten Projekt erfüllt werden können. Deshalb muss man sich bei der Modellierung zuerst auf die Erfüllung der wichtigen Anforderungen konzentrieren. Die Gewichtung stellt einen wichtigen Hinweis für die Reihenfolge der Implementierung der geforderten Modellmerkmale dar. Weiterhin ist die Gewichtung in der Phase der CAD-Modell-Qualitätsprüfung für die Qualitätskontrolle wichtig (insbesondere bei der Ableitung der Wichtigkeit der Prüfkriterien). Vorhandene Verfahren, wie z. B. das sehr verbreitete Konstante-Summen-Verfahren 28 können auf die CAD-Modelle nicht angewendet werden, weil sie sehr stark die subjektive und nicht die objektive Betrachtung des Problems in den Mittelpunkt stellen, was für die meisten physischen Produkte (besonders Konsumprodukte) spezifisch ist. Im Falle der Qualität der CAD-Modelle stehen aber bestimmte objektive quantitative Faktoren zur Verfügung, von denen die Nachbearbeitungszeit die größte Rolle spielt. Darüber hinaus sind die meisten Gewichtungsverfahren für sehr komplizierte Verfahren ausgelegt mit einer sehr komplizierten Gewichtung als Ergebnis. Für die CAD-Modellierung reichen aber in den meisten Fällen höchstens 5, oft sogar 3, Stufen der Gewichtung. Um einen differenzierteren Gewichtungsfaktor für die Anforderungen zu erhalten, wird eine Unterteilung in einem Pareto-Diagramm in fünf Teilgruppen vorgenommen. Sie werden als Gruppe A, B, C, D und E bezeichnet. Dabei erhält A fünf Punkte (= Pflicht) und E einen Punkt (=unbedeutend). Dazwischen liegen B mit vier Punkten (= wichtig), C mit drei Punkten (=weniger bedeutend) sowie D mit zwei Punkten (=optional). 28 Bei dem Konstante-Summen-Verfahren wird eine konstante Menge von Punkten zur Gewichtung der Kundenanforderungen genutzt. Die Kunden müssen hierbei eine vorgegebene Menge an Punkten vollständig auf die Anforderungen im Bezug auf die empfundene Wichtigkeit der Anforderungen verteilen.

94 88 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Die folgenden Faktoren und Informationen (die meisten werden im vorherigen Modul erfasst oder aus der Erfahrung beigetragen) sind bei der Einstufung der Anforderungen von der Wichtigkeit und müssen deshalb berücksichtig werden: Gewichtung des Modellkunden: Die Größe wird im Modul A ermittelt. Durch die Berücksichtigung der Wichtigkeit der Modellkunden wird vermieden, dass einige weniger wichtige Anforderungen von sehr wichtigen Modellkunden (z. B. externe Modellkunden) entsprechend berücksichtigt werden. Bei der Gewichtung wird nur die Gruppe der wichtigsten Modellkunden berücksichtigt und ihre Anforderungen müssen automatisch in die Gruppe A eingeteilt werden. Anforderungswichtigkeit seitens Modellkunden: Man darf die Bewertung seitens des Modellkunden nicht direkt als Anforderungsgewichtung übernehmen, weil viele Personen dies nur subjektiv bewerten werden. Auch an dieser Stelle werden direkt nur die Anforderungen eingestuft (Gruppe A), die vom Modellkunden als eine Pflichtanforderung bezeichnet wurden. Bei anderen erfolgt die Einstufung nach der Nachbearbeitungszeit. Dadurch wird vermieden, dass sehr wichtige Anforderungen mit geringer Nachbearbeitungszeit heruntergestuft werden. Dies unterstreicht, wie wichtig es ist, dass Modellkunden wenigstens diese Einteilung nur nach strengen Faktoren ausführen (siehe Modul B). Nachbearbeitungszeit bei der Nichterfüllung der Anforderung: Für alle restlichen Anforderungsgruppen agiert die Nachbearbeitungszeit als Merkmal für die Einstufung. Dabei ist aber auch wichtig, wie groß die Anzahl der Nachbearbeitungsvorgänge pro eine Zeiteinheit (z. B. Projektdauer) ist, also wie oft das CAD-Modell wegen des Problems nachbearbeitet werden muss. Die Gesamtnachbearbeitungszeit bei der Nichterfüllung der Anforderung wird also durch die Multiplikation der Anzahl der Nachbearbeitungsvorgänge und die Dauer eines Nachbearbeitungsvorgangs errechnet. Dies bedingt, dass die oft bei der oberflächlichen Betrachtung sehr einfach erscheinenden Modellanforderungen (z. B. bestimmte Modellierungsart bei Bohrungen) durch die oft enorme Anzahl der Nachbearbeitungen (einmal pro Bohrung im Beispiel) in der Realität sehr wichtig sind. Die Anforderungen mit der größten Nachbearbeitungszeit werden in die Gruppe A eingestuft. Die Zeitgrenzen für die Einstufung in weitere Gruppen werden je nach dem Projekt oder Unternehmen festgelegt. Einstufung nach zusätzlichen Randbedingungen: Weitere von den Modellkunden nicht direkt abhängige Anforderungen können die Einstufung beeinflussen. Ein Beispiel sind die rechtlichen Anforderungen (z. B. an die Modelldatenarchivierung), die auf jeden Fall erfüllt werden müssen und somit der Pflichtgruppe A zugehören. Abbildung 40 zeigt den Ablauf der Gewichtung mit dem Endergebnis in der Form eines Pareto-Diagramms.

95 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 89 Datenübernahme aus Modul A: Datenübernahme aus Modul A: Wichtigkeit des Modellkunden Wichtigkeit des Modellkunden Externe Randbedingungen Externe Randbedingungen Nachbearbeitungszeit Nachbearbeitungszeit Anzahl der Nachbearbeitungsvorgänge Anzahl der Nachbearbeitungsvorgänge Modellkunde Modellkunde sonstige sonstige nein nein Wichtigkeit des Wichtigkeit des Modellkunden Modellkunden Anforderungen Anforderungen mit zus. Randbedingungen mit zus. Randbedingungen sehr wichtig, K.O. sehr wichtig, K.O. ja ja Bewertung der sonstige Bewertung der sonstige Anforderung seitens Anforderung seitens Modellkunden Modellkunden Berechnung der Berechnung der Gesamtnachbearbeitungszeit Gesamtnachbearbeitungszeit Pflicht Pflicht Einteilung in die Einteilung in die Gruppe A Gruppe A Einteilung in Gruppen Einteilung in Gruppen A-E mit Gesamtnachbearbeitungszeit als A-E mit Gesamtnachbearbeitungszeit als Kriterium Kriterium Ableitung des Pareto- Ableitung des Pareto- Diagramms Diagramms Zeit x 4 Zeit x 4 Zeit x 3 Zeit x 3 Zeit x 2 Zeit x 2 Zeit x 1 Zeit x 1 Potentielle Nachbearbeitungszeit Potentielle Nachbearbeitungszeit A B C D E Pflicht Wichtig Weniger Optional Unbedeutend Pflicht Wichtig wichtig Weniger Optional Unbedeutend wichtig Abbildung 40 : Ablauf der Anforderungs-Gewichtung Sollte eine Anforderung von mehr als einem Modellkunden aufgestellt werden, werden die potentiellen Nachbearbeitungszeiten aufsummiert. Die Tatsache, dass eine Anforderung sich in dem Bereichen C-E befindet, bedeutet in der Praxis nicht, dass sie nicht erfüllt werden sollte. In vielen Fällen können sie schon durch einen geringen Zeitaufwand erfüllt werden. Auf jedem Fall ist bei jeder Anforderung der geschätzte Nutzen gegen den Modellierungsaufwand abzuschätzen.

96 90 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modul D: CAD-Modell-Pflichtenheft (Übersetzung der Anforderungen in Modellmerkmale) Input/ Output Werkzeuge: Analyse-Werkzeuge, Keine QM-Werkzeuge In diesem Schritt geht es darum, die Anforderungen des Kunden in eine technische Sprache des Modelllieferanten zu übersetzen, d.h. es sind diejenigen technischen Merkmale zu erarbeiten, die eine oder mehrere wichtige Kundenanforderungen beeinflussen. Die entweder erfassten oder aus anderen Quellen vorhandenen CAD-Modell-Anforderungen müssen in die entsprechenden CAD-Modell-Merkmale übersetzt werden, die später von den CAD-Modell- Lieferanten zu implementieren sind. Weiterhin müssen für die Modellmerkmale die entsprechenden Zielwerte definiert werden. Nur in wenigen Fällen werden die Anforderungen so präzise von dem Modellkunden ausgesprochen, dass sie direkt einem konkreten CAD- Modell-Merkmal zugewiesen werden können. Das Ziel ist, ein CAD-Modell-Pflichtenheft zu erzeugen, das später von dem Modelllieferanten bei der Modellierung verwendet werden kann. Das Pflichtenheft ist das Ergebnis der Phase Anforderungs- und Merkmaldefinition in einem Projekt. Bei der Übersetzung muss auf jedem Fall der Modelllieferant mit dem Modellkunden zusammen die Merkmale ableiten, damit sowohl das Modellierungs-Knowhow des Lieferanten als auch die Anforderungen des Kunden berücksichtigt werden können. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu den physischen Produkten, bei denen die Kunden kaum zusammen mit dem Produktentwickler und hersteller die Produktmerkmale entwickeln. An dieser Stelle muss nochmals angemerkt werden, dass es einen wichtigen Unterschied zwischen den Modellanforderungen, Modellmerkmalen und Prüfkriterien gibt. Die Modellanforderungen werden durch die Modellmerkmale erfüllt, die wieder durch das Abprüfen der Prüfkriterien überprüft werden können (wichtig für die Phase der Qualitätslenkung und der Qualitätskontrolle). Ein weiteres Ziel soll es sein, einen umfangreichen Katalog mit den möglichen Modellmerkmalen zu definieren, so dass das Projektteam den Anforderungen vordefinierte Merkmale zuweisen kann. Dieser Katalog sollte sich in der Struktur und Inhalt an das in dem Unternehmen verwendete CAD-Modell-Prüfprogramm anlehnen, so dass den meisten Modellmerkmalen in späteren Modulen der Qualitätsprüfung entsprechende Prüfkriterien zugewiesen werden können.

97 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 91 In dieser Arbeit werden ähnlich den Bottom-Up - und Top-Down -Ansätzen zwei unterschiedlichen Merkmalfindungsmethoden für CAD-Modelle entwickelt 29. Der Unterschied ist, dass bei dem Bottom-Up-Ansatz aus den Anforderungen die Merkmale und das Pflichtenheft entwickelt werden, während bei dem Top-Down-Ansatz das Pflichtenheft und teilweise die Anforderungen selbst von den Merkmalen der vorhandenen alten Referenz- Modelle abgeleitet werden. Abbildung 41 zeigt den Ablauf der Anforderungsübersetzung im Bottom-Up-Modus, also von den Modellanforderungen zu den entsprechenden Modellmerkmalen. Jede Anforderung muss so fein wie möglich aufgeteilt sein, damit für jede Feinanforderung die entsprechenden Modellmerkmale definiert werden können. Danach erfolgt entweder die Auswahl des vorhandenen Merkmals oder das Ausarbeiten eines neuen Merkmals. Am Ende ist es besonders für quantitative Modellmerkmale wichtig, die entsprechenden Zielwerte abzuleiten. Alle Informationen bilden das CAD-Modell-Pflichtenheft. Abbildung 41 : Erstellung des Pflichtenheftes im Bottom-Up-Ansatz 29 An dieser Stelle wird als Top das Ziel, also das CAD-Modell (CAD-Modellmerkmale) und als Down der Ausgangszustand, also die CAD-Modellanforderungen verstanden.

98 92 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Die zweite Möglichkeit ist der Top-Down-Ansatz, also die Ableitung des Pflichtenheftes von den Merkmalen vorhandener CAD-Modelle. Eine der wichtigen Möglichkeiten, die Modellmerkmale von den Modellanforderungen abzuleiten, ist die Anpassung der Methode Reverse Engineering. Reverse Engineering bezeichnet den Vorgang, aus einem bestehenden, fertigen System oder einem gefertigten Produkt durch Untersuchung der Strukturen, Zustände und Verhaltensweisen die Konstruktionselemente zu extrahieren. Der Grundgedanke bei den CAD-Modellen ist die Tatsache, dass bei den in der Vergangenheit qualitativ guten Modellen viele Modellkunden entweder keine oder nur geringe Anforderungen stellen werden, weil sie stillschweigend erfüllt wurden und somit sehr oft als selbstverständlich betrachtet werden. Dies bedeutet aber nicht, dass bei neuen Modelliervorgängen, insbesondere ausgeführt von anderen CAD-Konstrukteuren, diese Anforderungen automatisch erfüllt werden. Deshalb müssen die vorhandenen qualitativ guten CAD-Modelle bei ähnlichen Projekten analysiert werden (Abbildung 42), so dass die Merkmale nicht direkt von Anforderungen sondern von den Merkmalen dieses CAD-Modells im ersten Schritt die entsprechenden Anforderungen abgeleitet werden. Diese hochqualitativen CAD-Modelle können in dieser Hinsicht als Referenz-Modelle bezeichnet werden. Zusammenstellung des Pflichtenheftes Zusammenstellung des Pflichtenheftes aus den Anforderungen des Referenzaus den Anforderungen des Referenz- Modells + zus. Merkmale Modells + zus. Merkmale CAD-Referenz- CAD-Referenz- Modell Modell Modell-Analyse Modell-Analyse CAD-Modellmerkmale CAD-Modellmerkmale Ableitung der CAD- Ableitung der CAD- Modellanfoderungen Modellanfoderungen Anpassung der Anpassung der Anforderungen zusammen Anforderungen zusammen mit Modellkunden mit Modellkunden ja ja Anforderungen Anforderungen komplett? komplett? nein nein Ergänzung der Ergänzung der Anforderungen und Anforderungen und Merkmale nach dem Merkmale nach dem Bottom-Up-Ansatz Bottom-Up-Ansatz Ableitung der CAD- Ableitung der CAD- Modellmerkmale Modellmerkmale CAD- CAD- Modellanforderungen Modellanforderungen CAD-Modell- CAD-Modell- Pflichtenheft Pflichtenheft Abbildung 42 : Erstellung des Pflichtenheftes nach dem Top-Down-Ansatz

99 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 93 Danach werden die abgeleiteten CAD-Modell-Anforderungen mit dem Modellkunden besprochen und bei Bedarf angepasst. Sollte der CAD-Modellkunde zusätzliche Anforderungen haben, werden sie gemäß Modul B akquiriert und dann nach dem Bottom-Up- Ansatz in die Modellmerkmale übersetzt. Anschließend werden die Merkmale des Referenz- Modells und zusätzliche Modellmerkmale zu dem CAD-Modell-Pflichtenheft zusammengefasst Modul E: Wechselwirkungen und Verträglichkeiten der Anforderungen Input/ Output Werkzeuge: Matrix, Dreieckmatrix Ein häufiges Problem kann sein, dass die Anforderungen der unterschiedlichen Modellkunden sich oft widersprechen; sie sind also in diesem Fall unverträglich. Die Analyse zeigt, dass die Verträglichkeit der Anforderungen ausschließlich auf die Verträglichkeit und Korrelation der entsprechenden Modellmerkmale bzw. Merkmalzielwerte zurückzuführen ist. Grundsätzlich sind bei CAD-Modell-Anforderungen wie bei normalen Produkten (ein Schritt der Methode Quality Function Deployment) folgende Beziehungen möglich (siehe auch [Ehrl03, Eile99]): Zielunabhängigkeit (Neutralität): Die CAD-Modell-Anforderungen können mit den Merkmalen und Merkmalzielwerten des CAD-Modells realisiert werden, die voneinander unabhängig sind. Die Änderung der Merkmale beeinflusst nur die Erfüllung der entsprechenden CAD-Modell-Anforderung und hat keinen Einfluss auf die gleichzeitige Erfüllung einer anderen Anforderung. Zielunterstützung (Zielkomplementarität): Die CAD-Modell-Anforderungen werden durch die CAD-Modell-Merkmale und Merkmalzielwerte realisiert, die u.a. zu ähnlichen Zielen führen. Ein Beispiel ist: Anforderung verständliche Struktur und verständliche Benennung der Elemente. Zielkonflikt: Bei dieser Beziehung widersprechen sich die Anforderungen, weil sie durch die Merkmale und Merkmalzielwerte realisiert werden, die sich stark beeinflussen. Die zunehmende Erfüllung einer Anforderung führt zur wachsenden Nichterfüllung einer anderen Anforderung. Ein Beispiel ist die Anforderung keine Details unter 3mm gegen die Anforderung 100%ige Genauigkeit für die Fertigung. Unverträglichkeit (Zielantinomie): Dies ist eine entsprechende Ausprägung des Konfliktes, bei dem die Anforderungen sich gegenseitig ausschließen, die Modellmerkmale sind also unverträglich bzw. inkompatibel. Ein Beispiel ist: Anforderung Drahtmodellierung und Anforderung Volumenmodellierung, die nicht vereinbar sind.

100 94 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Bei Zielkonflikten sind unterschiedliche Lösungswege möglich. Bei physischen Produkten muss nach Ehrlenspiel [Ehrl03] entsprechend den gesetzten Prioritäten ein Kompromiss gefunden werden. Ähnlich kann auch bei CAD-Modellen vorgegangen werden, indem die Anforderungen gemäß den abgeleiteten Gewichtungen realisiert werden. Ein wichtiger Unterschied zu physischen Produkten ist jedoch die Tatsache, dass bei CAD-Modellen bei der entsprechenden Modellierungsmethodik durchaus auch nicht verträgliche widersprüchliche Anforderungen implementiert werden können. Deshalb besteht dieses Modul aus 2 Teilen: Teil der Analyse und der Notation der Wechselwirkungen und Verträglichkeiten und - was in diesem Konzept viel wichtiger ist - ein Teil der Merkmalskonfliktbewältigung. Analyse und Notation der Wechselbeziehungen: Im QFD-Ansatz wird die Verträglichkeit im Dach des Quality-Hauses in einer Dreiecksmatrix als Ausgewogenheit der Lösungen benannt und dargestellt, wobei die Beziehung der Produktmerkmale mit (-) für eine negative Wechselwirkung und mit (+) für eine positive Wechselwirkung bezeichnet wird. Vorteile einer solcher Vorgehensweise [Eile99] liegen in dem systematischen Vorgehen, weil theoretisch alle Wechselbeziehungen untersucht werden. Ein Nachteil der Methode bei der Nutzung mit sehr komplexen physischen Produkten ist der sehr hohe Aufwand. Im Falle der CAD-Modellierung ist der Aufwand nicht sehr hoch, weil nicht alle, sondern nur weiterverwendungsrelevante Merkmale erfasst werden. Für die CAD-Modellmerkmale muss die Matrix angepasst werden, weil gleichzeitig zu den Wechselwirkungen der Merkmale daraus die Wechselwirkungen der Anforderungen abgeleitet werden. Für die Beziehungen sind auch andere Attribute notwendig: (0) oder keine Angabe: unabhängige Merkmale (+): sich unterstützende Merkmale (-): konfrontierende Merkmale (x): unverträgliche Merkmale Entsprechend der Wechselwirkungen der Merkmale werden danach die Wechselwirkungen der Modellanforderungen ausgedrückt. Im Beispiel in Abbildung 43 sind die Anforderungen 2 und 3 unverträglich und die Anforderungen 1 und 2 behindern sich durch ihre konfrontierenden Merkmale. Anforderungen 1 und 5 zum Beispiel werden durch ihre Merkmale unterstützt.

101 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen x Anforderung 1 Anforderung 1 Merkmal1 Merkmal1 Merkmal2 Merkmal2 Merkmal3 Merkmal3 Merkmal4 Merkmal4 Merkmal5 Merkmal5 Merkmal6 Merkmal6 Anforderung 2 Anforderung 2 Anforderung 3 Anforderung 3 Anforderung 4 Anforderung 4 Abbildung 43 : Beispiel einer Wechselbeziehungsmatrix Merkmalskonfliktbewältigung Nachdem die Wechselwirkungen und Verträglichkeiten dargestellt sind, muss ein Lösungsweg ausgearbeitet werden. Grundsätzlich sind für die CAD-Modellierung folgende Lösungswege möglich: Anforderungspriorisierung: Erstellung eines CAD-Modells mit einer Lösung: Bei diesem Lösungsweg werden in dem CAD-Modell bei unverträglichen Anforderungspaaren nur Merkmale der höher gewichteten Anforderungen implementiert. Eine einzige Ausnahme bilden die Lösungen, bei dem für geringer gewichtete Anforderungen alternative Merkmale abgeleitet werden können, die keine negativen Wechselwirkungen mehr aufweisen. Für den Modelllieferanten ist dies die zeitsparendste Lösung. Allerdings kann die Nichterfüllung bestimmter Anforderungen zeitraubende Nachbearbeitungen bei Modellkunden nach sich ziehen. Konfliktbeseitigung Erstellung eines CAD-Modells mit mehreren Lösungen: Bei diesem Lösungsweg werden die Möglichkeiten der modernen parametrischen 3D-CAD-Systeme ausgenutzt, die unterschiedliche Wege für die Variantendefinition anbieten. Dabei können unterschiedliche, auch unverträgliche Merkmale in das CAD-Modell implementiert werden, indem man die unverträglichen Merkmale bzw. CAD- Formelemente und Features nacheinander unterdrückt. Der CAD-Modellkunde hat dann die Möglichkeit, durch das Aktivieren notwendiger Elemente ein auf ihn abgestimmtes CAD-Modell zu erhalten. Ein Beispiel ist ein CAD-Modell, das sowohl von einem NC-Fertigungsingenieur als auch von einem FEM-Berechnungsingenieur

102 96 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen benutzt wird. Die Fertigungsfeatures können methodisch so modelliert werden, dass sie von dem Berechnungsingenieur jederzeit ausgeschaltet werden können. Erstellung mehrerer CAD-Modelle: Falls es nicht möglich ist, mehrere Lösungen in ein CAD-Modell zu implementieren und mehrere unverträgliche sehr wichtige Anforderungen vorliegen, können von dem Modelllieferanten mehrere CAD-Modelle erzeugt werden, die unterschiedliche Merkmale aufweisen. Bei diesem Weg muss individuell abgewogen werden, ob der Erstellungsaufwand mehrerer Modelle gerechtfertigt ist, indem man den Zeitgewinn bei dem Modellkunden vergleicht. Eine besondere Möglichkeit, die Erstellung meherer Modelle zu vereinfachen, ist die in den meisten CAD-Systemen vorhandene Möglichkeit, die Geometrie von einem in das andere CAD-Modell zu verlinken. Dadurch kann erreicht werden, dass bis zu einem bestimmten Modellierungszustand nur ein CAD-Modell entwickelt wird. Erst beim Modellierungspunkt, bei dem die Unverträglichkeiten entstehen, werden neue Modelle erstellt und die vorhandene Geometrie in sie verlinkt. Danach werden die neuen Modelle weiterentwickelt. Bei dieser Methodik kann erreicht werden, dass bei Modelländerungen bis zum Unverträglichkeitspunkt die Änderungen assoziativ an die getrennten Modelle weitergegeben werden (Abbildung 44). Abbildung 44 : Beispiel der assoziativen Erzeugung der alternativen Modelle Für die zweite und dritte Lösung spielt insbesondere die Datenverwaltung eine sehr große Rolle. Dadurch, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt zu einem Produkt mehrere CAD- Modelle vorliegen können, die auch unterschiedliche Merkmale haben und parallel weiterentwickelt werden, besteht die Gefahr der Verwechslung und der Redundanz. Dafür müssen in dem PDM-System entsprechende Modellattribute und Workflows entwickelt werden, die gewährleisten, dass nur ein CAD-Modell als ein Master-CAD-Modell für die spätere Fertigung und weitere Prozesse verwendet wird. Die parallel entstandenen alternativen CAD-Modelle dienen nur der Ableitung (bzw. Repräsentation des CAD-Master-Modells) der

103 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 97 partiellen Modelle der Modellkunden und dürfen auch nur von dem Modellkunden verwendet werden. Ähnlich muss auch das CAD-Modell, in dem alternative Features aktiviert wurden, eindeutig entsprechende Attribute in dem PDM-System erhalten. Dies kann man durch die entsprechenden Methodiken automatisieren. Zum Beispiel kann in einer CAD-Richtlinie definiert werden, dass alternative Formelemente entsprechend einer Benennungsvorschrift benannt werden. Dadurch kann später das PDM-System erkennen, ob es sich um das CAD- Master-CAD-Modell oder ein daraus abgeleitete CAD-Modell mit alternativen Merkmalen handelt. Weiterhin bieten viele CAD-Systeme die Möglichkeit, das CAD-Modell entsprechend zu strukturieren und die Features zu gruppieren. Dies erleichtert die Weiterverwendung des Modells, weil der CAD-Modellkunde einfach einige Geometriebereiche ausschalten kann. 5.4 CAD-Modellqualitätslenkung Die Phase der Modellqualitätslenkung betrachtet die Qualitätsmaßnahmen während der CAD- Modellerstellung. Die Phase wird auch oft als Qualitätssteuerung bezeichnet und baut prinzipiell auf den Ergebnissen der Qualitätsplanung auf. Die wichtigsten Aufgaben der Qualitätslenkung der CAD-Modelle ist auf der einen Seite die Unterstützung des CAD- Modell-Lieferanten während der Modellierung und auf der anderen Seite die laufende Gewährleistung der Qualität während der Modellierung. Im Mittelpunkt der CAD- Modellqualitätslenkung steht nicht wie bei dem Konzept der CAD-Qualitätsprüfung die CAD-Modell-Endkontrolle, sondern die Prozessüberwachung der Modellierung. Abbildung 45 : Bausteine der Phase CAD-Modellqualitätslenkung Abbildung 45 zeigt die für die Phase der Qualitätslenkung der CAD-Modelle entwickelten Methodikbausteine. Vor dem Start der Modellierung müssen CAD-Modell-spezifische Prüfkriterien entwickelt werden und zu Prüfprofilen zusammengefasst werden. Für die kontinuierliche präventive Prüfung des Modellierungsprozesses dient das Qualitätsmodul CAD-Poka-Yoke. Die Methode des Moduls CAD-Modell-Design-Review greift hingegen nicht kontinuierlich, sondern nur zu bestimmten Meilensteinen ein. Weiterhin spielt die Visualisierung der Qualitätsinformation während der Modellierung eine wichtige Rolle für die

104 98 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Informationsvermittlung. Da die Visualisierung übergreifend eingesetzt wird, ist dies kein Qualitätsmodul, sondern eine durchgehende Teilmethode Modul F: Ableitung der Prüfmerkmale Input/ Output Werkzeuge: Merkmalkatalog Nachdem die geforderten Modellmerkmale in dem Modellpflichtenheft zusammengefasst sind, müssen sie in Modellprüfkriterien übersetzt werden (ein Schritt der Methode Quality Function Deployment). Dieses Modul bedient die anderen Module der Phasen der Qualitätslenkung und der Qualitätsprüfung. Es ist notwendig, die Modellmerkmale in die Prüfkriterien zu übersetzen, weil die Merkmale obwohl sie schon in der technischen Sprache formuliert sind oft nicht direkt geprüft werden können. Die Prüfkriterien sind meistens sehr systemabhängig, weil meistens versucht werden muss, so viele Kriterien wie möglich automatisch prüfen zu lassen. Dafür müssen die Prüfkriterien mit dem Prüfsystem (Modellchecksoftware) abgestimmt sein. Im optimalen Fall stimmen sie mit den vorhandenen Kriterien der Modellchecksoftware überein. Für die Klärung der Begrifflichkeit zeigt Abbildung 46 eine Übersetzungskette von der Anforderung zu dem Merkmal. Abbildung 46 : Beispiel der Ableitung eines Prüfkriteriums In einigen Sonderfällen ist es denkbar, dass einige Modellmerkmale mit mehreren Prüfkriterien kontrolliert werden müssen. Obwohl die meisten Merkmale in den Prüfkriterien übersetzt werden sollten, ist es nicht immer möglich. Folgende Klassifikation der Prüfbarkeit der Modellmerkmale lässt sich für diese Arbeit ableiten: Automatisch prüfbare Modellmerkmale: viele Modellmerkmale können direkt geprüft werden (meist dem Modellmerkmal sehr ähnlich formuliertes Prüfkriterium). In diesem Fall müssen nur aus dem Prüfkriterienkatalog des Prüfsystems

105 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 99 entsprechende Kriterien ausgewählt und mit Zielwerten konfiguriert werden. Diese Modellmerkmale sind meistens numerischer oder organisatorischer Natur. Nach der Übersetzung automatisch prüfbare Merkmale: Die meisten Modellmerkmale können nicht direkt geprüft werden. Der Grund dafür ist auf der einen Seite, dass die Prüfkriterien oft nicht alle Merkmale abdecken, und auf der anderen Seite, dass viele Modellmerkmale semantischer Natur sind. In diesem Fall muss immer versucht werden, die Prüfkriterien durch eine Übersetzung oder auch Anpassung der Modellmerkmale in die formale Sprache einer CAD-Prüfsoftware auszudrücken. Ein Beispiel ist die Anforderung leichte Definition der Kinematik, die mit dem Modellmerkmal Vorhandensein der für die Gelenke verwendbaren Hilfslinien erfüllt wird. Das Problem ist in diesem Fall, dass solche Hilfslinien von anderen Linien nicht unterschieden werden können und somit auch das Modellmerkmal nicht direkt geprüft werden kann. Wenn man aber eine Definition trifft, dass alle kinematischen Hilfslinien standardisierte Benennung haben (z. B. KinHelpLine_xxx ), kann dies sehr einfach von dem Prüfkriterium eines CAD- Prüfsystems Vorhandensein der CAD-Elemente mit der Zeichenkette KinHelpLine_ im Namen überprüft werden. Manuell prüfbare Merkmale: Einige (meistens semantische) Modellmerkmale werden nicht in die automatischen Prüfkriterien übersetzt werden können. In diesem Fall muss dieses Merkmal für die manuelle Überprüfung vorbereitet werden. Es kann zum Beispiel eine Checkliste etc. für den Modellersteller oder auch für das Review- Team abgeleitet werden. Ein Beispiel für ein solches Merkmal ist das Modellmerkmal Verständliche Benennung der Elemente. Ein Schwachpunkt bei diesen Prüfkriterien ist, dass durch das manuelle Prüfen oft subjektive Einflusse des Prüfers starke Auswirkung auf das Ergebnis haben können. Deshalb müssen sie am besten in Form einer Checkliste mit klaren und transparenten Prüfhinweisen und -kriterien ausgeführt werden, die unterschrieben werden muss. Auf die Checklisten wird ausführlicher im Kapitel zur Modellprüfung eingegangen. Es sollte schon bei der Anforderungserfassung und der Modellmerkmalformulierung darauf geachtet werden, dass die meisten Prüfkriterien direkt oder nach einer Übersetzung automatisch prüfbar sind. Bei den manuell prüfbaren Kriterien bedeutet die Prüfung eine Unterbrechung des Modellierungsvorgangs, wohingegen die automatisch prüfbaren Kriterien in dem Hintergrund (siehe Modul CAD-Poka-Yoke) überprüft werden können. Die Zusammensetzung der Prüfkriterien bildet ein Prüfprofil. Die Prüfprofile können für unterschiedliche Zwecke erstellt werden. Auf der einen Seite können für unterschiedliche Methodenphasen entsprechende Profile existieren (zum Beispiel weil für die Phase der Lenkung oft weniger Kriterien notwendig sind als bei der Modellendprüfung). Auf der anderen Seite sind auch in einer Methodenphase unterschiedliche Profile notwendig, zum Beispiel für unterschiedlichen externen Kunden oder auch für unterschiedliche Projektarten.

106 100 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen In den meisten Fällen ist ein Grundprüfprofil notwendig, das später ohne Anpassung in jedes Prüfprofil als Grundlage übernommen werden kann (siehe Abbildung 47). Die in dieser Arbeit durchgeführte Analyse unterschiedlicher Prüfvorgehensweisen verschiedener Firmen hat gezeigt, dass in meisten Fällen nur geringfügige projekt- bzw. kundenabhängige Änderungen in einem konkreten Fall notwendig sind. In dem Bild ist auch zu erkennen, dass einige Prüfkriterien keinem direkten Merkmal zugeordnet werden, weil sie nicht die Modelleigenschaften prüfen. So kann ein Prüfkriterium die verwendete CAD-Systemversion oder auch die Betriebssystemversion prüfen, was nicht direkt ein CAD-Modell-Merkmal ist 30. Abbildung 47 : Zusammensetzung eines Prüfprofils in Form eines UML-Klassen-Diagramms Durch die Erweiterung durch zusätzliche projektabhängige Prüfkriterien und auch durch modellunabhängige Prüfkriterien wird aus einem unabhängigen Prüfprofil ein konkretes Projektprüfprofil. Wichtig ist, dass jedes Prüfprofil auch unterschiedliche Eskalationsstufen besitzt. Das können im Allgemeinen sein: CAD-Modell fehlerfrei, CAD-Modell mangelhaft, Prüfung OK mit Warnungen, Prüfung OK mit Informationen. Diese Entscheidungslogik kann in Form der Gewichtung der Prüfkriterien abgeleitet werden, wobei diese Gewichtung an die Gewichtung der Modellmerkmale angelehnt werden kann. Dafür muss bei jedem Prüfkriterium definiert werden, ob es ein K.O.-Kriterium ist oder eine bestimmte Anzahl an Fehlerpunkten besitzt. Die Anzahl der Fehlerpunkte variiert in Abhängigkeit davon, ob dies ein wichtiges Prüfkriterium ist, nur eine Warnung oder sogar nur eine Information darstellt. Diese Fehlerpunkte werden bei der Prüfung summiert. In jedem Prüfprofil muss danach für jede Eskalationsstufe eine Fehlerpunktgrenze definiert werden. So kann nach dem Erreichen einer bestimmten Punkteanzahl die Prüfung abgebrochen werden oder eine Warnung ausgegeben werden. 30 Solche Prüfungen werden sehr oft von externen Firmenkunden gefordert, damit der Datenaustausch gewährleistet werden kann.

107 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modul G: CAD-Modell-Design-Review Input/ Output Werkzeuge: Elektronische Umlaufmappe, PDM-System Ein wichtiger Baustein der CAD-Modell-Qualitätslenkung ist die begleitende Überprüfung der Modellierungsergebnisse bei regelmäßigen Meilensteinen. Wie in der Einführung erwähnt, sind solche Quality-Gates regelmäßige Meilensteine, an denen die Produktqualität überprüft wird. Deshalb wird in dieser Arbeit der Begriff CAD-Modell-Quality-Gate eingeführt. Ein CAD-Modell-Quality-Gate ist im Allgemeinen das Ergebnis des CAD- Modell-Design Review nach bestimmten festgelegten Modellierungsphasen. Eine wichtige Voraussetzung [Schw03] für die erfolgreiche Durchführung eines CAD-Modell-Design- Reviews bilden die konkret definierten Zielgrößen. Kriterien und Freigabeprozess eines CAD-Modell-Quality-Gates müssen spätestens zu Beginn der jeweiligen Phase verbindlich vereinbart werden. Abbildung 48 zeigt einige inhaltliche Anforderungen an ein CAD-Modell-Design-Review. Besonders wichtig dabei ist die Definition klarer Kriterien für jedes Quality Gate. Quantitative Quantitative Kennzahlen Kennzahlen Inhalt eines Inhalt Reviews eines Reviews Checklisten Checklisten Qualitatives Review Qualitatives Review Kriterien des Quality Kriterien Gate des Quality Gate Risikomanagement; Risikomanagement; Maßnahmen Maßnahmen Abbildung 48 : Inhaltliche Anforderungen an CAD-Modell-Design-Reviews Insbesondere muss der Schwerpunkt auf die semantischen und andere automatisch nicht prüfbaren Anforderungen gelegt werden, weil die numerischen, geometrischen und anderen formalen Anforderungen einfacher mit einem Softwaretool im Modul Präventive Prozessüberwachung behandelt werden können. Am besten geschieht dies bereits zu Projektbeginn. Ein weiteres wichtiges Ziel dieses Moduls sind die Risikominimierung, die Erhöhung der Prognosezuverlässigkeit und das Schaffen der Transparenz im Produktentwicklungsprojekt. Durch das nachgewiesene Erreichen der Ergebnisse entsteht ein gesicherter Qualitätspunkt. Gleichzeitig werden zu optimistische Schätzungen vermieden. Für die effektivere Durchführung der Reviews kann man in großen Entwicklungsprojekten die so

108 102 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen genannten Model Readiness Checks definieren, die vor dem Review stattfinden. Ein Readiness Check bewertet und misst die Review-Fähigkeit durch Prüfung benötigter formaler Vollständigkeit und inhaltlicher Qualität. Im Fall der CAD-Modelle kann ein CAD-Modell Readiness Check in Form eines Laufes des Prüftools oder auch durch Durcharbeiten einer Prüfcheckliste erfolgen. Zu viele CAD-Modell-Quality-Gates wirken jedoch hinderlich für den Projektfortschritt. Bei ihrer Festlegung muss daher sorgfältig darauf geachtet werden, dass sie den Projektablauf nicht unnötig verzögern. Das Ergebnis eines CAD-Modell-Quality-Gates kann sein: Freigabe bzw. Zwischenfreigabe: Der Ist-Zustand (z. B. von Modellmerkmalen) stimmt mit den vorgegebenen Merkmalen des Pflichtenheftes überein. In diesem Fall darf das CAD-Modell sofort entweder weiterentwickelt werden oder vom Modellkunden benutzt werden. Freigabe unter Vorbehalt: Falls einige Kriterien nicht erfüllt wurden, darf das CAD- Modell unter Vorbehalt späterer Implementierung freigegeben werden. Die Voraussetzung ist, dass die nicht erfüllten Anforderungen nur geringe Wichtigkeit aufweisen. Die nachträgliche Implementierung muss von dem Modellieferanten dokumentiert werden. Ablehnung: Bei der Nichterfüllung der Schlüsselkriterien muss das CAD-Modell von dem Lieferanten geändert werden. In diesem Fall muss später ein anderes CAD- Modell-Quality-Gate stattfinden, bei dem allerdings nicht alle Projektteilnehmer anwesend sein müssen. Das erste Design Review muss noch vor dem Beginn der Modellierung stattfinden, damit die Ergebnisse der Planungsphase (Pflichtenheft) verifiziert werden können. Dieses Review sollte in einem Projekt-Workshop ablaufen, bei dem sowohl die CAD-Modelllieferanten als auch die CAD-Modellkunden anwesend sind (Abbildung 49). Das Ergebnis dieses Design Reviews ist die Freigabe des CAD-Modell-Pflichtenheftes und die Absprache der Modellierungsmethodik für die Implementierung der CAD-Modellmerkmale. Dieses CAD- Modell-Quality-Gate kann auch als die Übergabe der Ergebnisse der Planungsphase an die Lenkungsphase betrachtet werden. Abbildung 49 : CAD-Modell-Quality-Gates und Design-Reviews

109 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 103 Die Anzahl der CAD-Modell-Quality-Gates ist abhängig von der Komplexität und Dauer des Produktentwicklungsprojektes. Diese Zwischen-CAD-Modell-Design-Reviews können zwar auch Anwesenheitsworkshops sein, dies wird aber in den meisten Anwendungsfällen die Kosten in die Höhe treiben. Deshalb wird für diese Arbeit die Methode der umlaufenden elektronischen Mappe in einem PDM-System ausgewählt. Dies ist ein elektronischer Workflow, bei dem die Teilnehmer (meistens Modellkunden oder die zuständige Person) nacheinander ein Bewertungsdokument (elektronische Umlaufmappe) mit dem PDM-Link zu dem aktuellen CAD-Modell und dem Link zu einem Bewertungsformular erhalten. In das Dokument können sie eingeben, ob ihre Anforderungen erfüllt wurden. Danach wird dieses Dokument zu nächsten CAD-Modell-Design-Review- Teilnehmer weitergeleitet. Alternativ kann man festlegen, dass alle Modellkunden die Aufforderung zur Bewertung auf einmal erhalten (Abbildung 50). Wichtig ist, dass dieses Review durch entsprechende Rechtekonzepte gesteuert werden muss. So dürfen die Teilnehmer nicht alle Daten sehen und auf keinen Fall das CAD-Modell ändern. Weiterhin sind Vertretungs- und Eskalationsmechanismen notwendig, für den Fall, dass der Teilnehmer abwesend ist bzw. nicht rechtzeitig am Review teilnimmt. Diese Mechanismen greifen in diesen Fällen automatisch ein. Durch ein Rollenkonzept kann darüber hinaus erreicht werden, dass eine Persone aus einem bestimmten Kreis von Personen am Review teilnehmen kann: ein Beispiel wäre Prüferrolle FEM-Ingenieur. Abbildung 50 : CAD-Modell-DesignReview in Form einer elektronischen Mappe Das Abschluss-Quality-Gate sollte in einem Workshop stattfinden, weil danach keine Änderungen mehr möglich sind. Weitere Inhalte dieses Gates sind die Bewertung der Qualitätsanforderungen und u.u. eine Abänderung oder eine Erweiterung der CAD-Modell- Qualitätsvorlage.

110 104 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modul H: Präventive Prozessüberwachung (CAD-Poka-Yoke) Input/ Output Werkzeuge: Software-CAD-Modell-Checker, KBE, Systemeinstellungen Ausgangsbasis für dieses Modul ist die QM-Methode Poka Yoke (siehe Kapitel 2.4.2), der die Erkenntnis zugrunde liegt, dass kein Mensch und auch kein System in der Lage ist, unbeabsichtigte Fehler vollständig zu vermeiden. Mit Poka Yoke wird durch einfache und wirkungsvolle Systeme dafür gesorgt, dass Fehlhandlungen im Fertigungsprozess nicht zu Fehlern am Endprodukt führen. Dabei zielt Poka Yoke auf den Einsatz von technischen Hilfsmitteln ab. In dieser Arbeit wird diese Methode auf die Qualitätslenkung der CAD- Modelle angewendet. Ziel ist die Entwicklung der automatischen Mechanismen zur modellierungsbegleitenden Prüfung der Anforderungseinhaltung und zu dem eventuellen korrigierenden Eingriff oder der Warnung. Ein wichtiger Input ist deshalb das Pflichtenheft des CAD-Modells und die Liste der potenziellen Fehler, die in der Phase der Qualitätsplanung ausgearbeitet wurden. Der Nutzen der CAD-Poka-Yoke übersteigt den Aufwand oft signifikant [Schw03], da bereits durch kleine Maßnahmen immense Vorteile, wie z. B. die Verringerung der Modellnachbearbeitungszeit, realisierbar sind, womit nicht nur die Qualität der CAD-Modelle gesteigert wird, sondern auch Kosten eingespart werden können. In der Vorbereitungsphase müssen an erster Stelle Modellmerkmale bzw. Prüfkriterien ausgewählt werden, die für CAD-Poka-Yoke geeignet sind. Da CAD-Poka-Yoke weitgehend automatisch im Hintergrund der Modellierung ablaufen sollte, sind nur die numerischen oder geometrischen Kriterien bzw. Merkmale dafür geeignet. Semantische Anforderungen hingegen können mit CAD-Poka-Yoke nur kontrolliert werden, wenn sie in prüfbare Kriterien übersetzt werden können. CAD-Fehler können generell in zwei Phasen erkannt werden: während ihrer Entstehung: Der Modellierungsprozess wird präventiv geprüft. nach ihrer Entstehung: Die entstandenen Modellmerkmale werden nach dem Funktionsabschluss geprüft. Das Erkennen eines bevorstehenden Fehlerauftretens wird als "Voraussage" und das Erkennen eines bereits aufgetretenen Fehlers "Entdeckung" genannt. Man kann die CAD-Poka-Yoke in folgende wichtige Methodenteile bzw. Mechanismen unterteilen:

111 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 105 Präventive Prüfmechanismen: Standardbasierte Prävention: Eine der effektivsten Methoden, die den CAD- Ingenieur zwingt, methodisch zu arbeiten, ist die Verwendung von unterschiedlichen Standards. Dies können zum Beispiel Startmodelle mit vorgegebener Struktur sein, deren Änderung nicht erlaubt ist oder auch vorgegebene Bibliotheken mit unternehmensspezifischen Normteilen, Standard-Geometrieelementen oder Standard- Formelementen. CAD-System-Einstellungen: Die modernen 3D-CAD-Systeme bieten eine Vielzahl von Einstellungen, die vielseitig den Modellierungsprozess beeinflussen können. Für CAD-Poka-Yoke ist aber nicht nur wichtig, dass unternehmensweit Einstellungen standardisiert verwaltet werden. Viel wichtiger ist, dass die Einstellungen projektbezogen oder auch modellkundenbezogen geändert werden können. Solche Einstellungsprofile enthalten ausgearbeitete Einstellungen, die präventiv das CAD- System so anpassen, dass einige Modellierungsmöglichkeiten bzw. Modellierungsfunktionen, die zu Fehlern führen können, abgeschaltet bzw. angepasst werden. CAD-Poka-Yoke-Prüfprofil: Die Qualitätsüberwachung während der Modellierung durch ein Check-Werkzeug erfolgt mit einem Prüfprofil, das aus unterschiedlichen numerischen Kriterien besteht. Dieses Prüfprofil stimmt nicht mit dem Prüf-Profil des Moduls Endprüfung überein, weil modellierungsbegleitend nicht alle Kriterien geprüft werden können und meistens prozessbezogen und nicht Modellmerkmalbezogen geprüft wird. So kann in dem Prüfprofil eine Reihe von Formelementen definiert werden, die nicht zugelassen sind (prozessbezogene Prüfung) oder es können einige Modellmerkmale ständig im Hintergrund überprüft werden (modellmerkmalbasierte Prüfung). Das Prüfprofil muss aus dem Pflichtenheft, also aus den zu implementierenden Modellmerkmalen abgeleitet werden. Methoden des wissensbasierten CAD: in den letzten Jahren bieten immer mehr CAD-Systeme die Möglichkeiten, unterschiedliche Elemente des Wissensmanagements in ein CAD-Modell zu implementieren 31. Dabei können in einem CAD- Modell unterschiedliche Regeln, Algorithmen und andere Elemente unterschiedlicher Programmiersprachen hinterlegt werden, die flexibel z. B. auf eine Geometrieänderung reagieren können. Dies können auch Regeln sein, die den Benutzer automatisch zwingen, vordefinierte Kriterien einzuhalten, oder auch die Modellierung durch die Nutzung der Daten aus Datenbanken etc. unterstützen können. Wichtig ist bei diesem Konzept, dass kein Prüfprogramm erforderlich ist und das Prüf-Know-how direkt im 31 Ein Beispiel ist KBE (Knowledge Based Engineering) von der Firma UGS, das erlaubt, in den CAD-Modellen des Systems NX die Regeln und Algorithmen zu hinterlegen.

112 106 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen CAD-Modell hinterlegt wird, so dass dieses Know-how auch mit dem CAD-Modell weitergereicht werden kann. Reaktionsmechanismen: Bei der Entdeckung eines Fehlers oder bei dem Modellierungsschritt, der zu einem Fehler führen kann, werden von dem Prüfsystem unterschiedliche Schritte eingeleitet. Folgende Reaktionsschritte bei der CAD-Modellierung sind möglich: Eingriffsmechanismus: Bei diesem Mechanismus unterbricht das Software-System (das CAD-System oder der CAD-Check-System) den Modellierungsvorgang und greift automatisch ein. Mögliche Reaktionen sind (a) die automatische Korrektur der Eingaben auf die vorgegebenen richtigen Modellmerkmalwerte oder (b) keine Zulassung der verletzenden Modellierungsaktion. In vielen Fällen wird der Eingriffsmechanismus mit den Elementen des Warnmechanismus ergänzt. Warnmechanismus: Bei diesem Mechanismus wird der CAD-Ingenieur von dem System darauf hingewiesen, dass bei der Modellierungsaktion einige Modellmerkmale unzulässige Werte oder Ausprägungen annehmen. Weiterhin sollte die bei der Kriteriumdefinition definierten Lösungsvorschläge vorgestellt werden. Die Person hat dann die Wahl, ob die verletzende Aktion rückgängig gemacht wird, ob die Aktionswerte geändert werden oder ob die Aktion doch fortgesetzt wird (falls im Prüfprofil erlaubt). Bei Letzterem sind Eskalierungsmechanismen möglich, wie eine automatische Mitteilung an den Modellkunden oder den Projektleiter, dass eine Anforderung nicht erfüllt wird. Abbildung 51 zeigt die zeitliche Abfolge der beschriebenen Mechanismen in Bezug zu dem Modellierungsvorgang. Die Ausarbeitung der Standards und der Systemeinstellungen muss vor dem Modellierungsbeginn abgeschlossen sein. Das Prüfprofil wird parallel zu der Modellierung im Hintergrund ausgeführt und die Reaktionsmechanismen greifen nach einem Fehler ein. Abbildung 51 : Zeitliche Abfolge der CAD-Poka-Yoke-Mechanismen.

113 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 107 Ein weiterer wichtiger Teil ist die laufende Kontrolle der weiteren Anforderungsgruppen, wie z. B. der organisatorischen oder zeitlichen Qualitätsanforderungen. Dafür ist nicht das CAD- System sondern die verwaltende Software (PDM-System) am besten geeignet. Es sollten besonders für die Erfüllung der organisatorischen Anforderungen Kontrollmechanismen definiert werden, wie z. B. Pflichtattribute, Plausibilitätsprüfungen oder fest vorgegebene Attribut-Auswahllisten. Dadurch können die Mindestanforderungen erfüllt werden Modul J: Modellierungsbegleitende Visualisierung und Vermittlung der Qualitätsinformationen Eine wichtige Aufgabe der Phase Qualitätslenkung in dieser Arbeit ist die Visualisierung der CAD-Qualitätsinformationen bei dem CAD-Modellerzeuger. Die Qualitätsinformation kann in unterschiedlichen Anwendungssystemen visualisiert werden. Dies sind die geometriemodellierenden Systeme (3D-CAD-Systeme) und als prozessbegleitende IT- Systeme die PDM-Systeme. Deshalb wird für diese Arbeit die Voraussetzung getroffen, dass die Information nur in diesen zwei Systemarten darzustellen ist. Der Aufbau eines zusätzlichen Software-Systems würde den CAD-Ingenieur bei der Modellierung stören und die Systemlandschaft heterogener machen. Eine Erweiterung eines vorhandenen Systems (z. B. zusätzliche Fenster in einem 3D-CAD-System) wird dagegen als eine mögliche Lösung angesehen. Das PDM-System besitzt alle Mechanismen, um die steuernde Rolle bei der Visualisierung zu übernehmen. Vor der Auswahl der Visualisierungsart der Daten müssen die entsprechenden Informationen ausgewählt werden. Alles zu visualisieren kann eine Verwirrung beim Benutzer auslösen, so dass eine sichtbasierte Informationsfilterung notwendig ist (siehe Abbildung 52). Die Sichten sind dabei die Informationsfilter, die für den Benutzer nur die für ihn notwendige Information filtern. So interessieren den CAD-Modellerzeuger nur die von ihm zu implementierenden Merkmale, entsprechende CAD-Methodiken, aber nicht die generische Gesamtprojektübersicht, was wieder für den Projektleiter von Interesse ist.

114 108 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Abbildung 52 : Unterschiedliche Sichtfilter auf die Qualitätsinformationen Die Sichtsteuerung erfordert, dass für jede in dem PDM-System abzuspeichernde CAD- Modell-Qualitätsinformation entsprechende Sichtattribute abgelegt sind. Darüber kann für die Filtersteuerung auch dem Benutzer die Möglichkeit gegeben werden, die darzustellende Information auszuwählen. Welche Qualitätsinformationen wem zugänglich sein sollten lässt sich verallgemeinert nicht sagen. Obwohl zum Beispiel für den CAD-Modellerzeuger die Informationen über Modellmerkmale wichtig sind, kann sein, dass in einem bestimmten Projekt auch weitere fremde Informationen, wie z. B. Informationen aus der Qualitätsprüfungsphase, von Bedeutung sind. Die Visualisierung wird in entsprechenden operativen Systemen erfolgen. Die Darstellung können Listen, Tabellen, Matrizen etc. sein, auf die wegen ihrer Allgemeinheit nicht näher eingegangen wird. Speziell für den Fall des 3D-CAD mit PDM bieten sich aber weitere sinnvolle Möglichkeiten an: Neue CAD-Qualitäts-Features: Viele der Qualitätsinformationen können direkt im CAD- System visualisiert werden. Speziell dafür können neue CAD-Qualitäts-Features 32 eingeführt werden. In allen modernen 3D-CAD-Systemen spielt der Spezifikationsbaum (oft auch Entstehungsgeschichte genannt) eine sehr wichtige Rolle. Die neuen Features können zu diesem Baum hinzugefügt und dort auch angezeigt werden (Abbildung 53). Die Features übernehmen doppelte Rolle. Erstens kann ihre Darstellung im Baum gesteuert werden. Dies kann durch entsprechende Piktogramme, Farben, Blinkeffekte etc. dargestellt werden [Lesz00]. Ein Beispiel ist die Darstellung eines Qualitäts-Features in der Form einer Ampel, die durch die rote Farbe die Nichteinhaltung bestimmter Anforderungen signalisieren kann. 32 Bei diesen Qualitätsfeatures handelt es sich nicht um die CAD-Features für die Qualitätssicherung der physischen Produkte (z. B. Bezüge für die Messtechnik etc.)

115 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 109 Zweitens können diese Features weitere semantische Inhalte besitzen oder sogar in bestimmten Fällen den Benutzer warnen. Ein Beispiel der Anwendung der CAD-Qualitäts- Features ist das Zuweisen entweder bestimmter Prüfkriterien oder bestimmter Prüfprofile zu einem CAD-Modell. Durch die Nutzung der CAD-Qualitäts-Features in Standard-Modellen (z. B. Startvorlagen für die CAD-Konstruktion) kann erreicht werden dass alle CAD-Modelle gleiche Grund-Qualitäts-Features besitzen. Bei Bedarf können zusätzliche Features hinzugefügt werden. CAD-Qualitäts- Features Abbildung 53 : Prototypische Realisierung der CAD-Qualitäts-Features in NX3 Direkte Darstellung an CAD-Modell-Elementen: Besonders übersichtlich wird die Darstellung, wenn entweder Qualitätskriterien oder auch ihre Verletzung direkt am CAD- Modell visualisiert wird. Dafür bieten sich in einem CAD-System folgende Möglichkeiten an (siehe auch Abbildung 54), die angepasst verwendet werden können: Gestaltdarstellung: Dies können Änderungen der Farbe (z. B. auf Rot), der Form (z. B. auf gestrichelt bei Kanten), der Breite usw. sein. Gruppiermöglichkeiten: Dies können Layer (Abbildung 54 rechts), Gruppen, Blocks etc. sein. Zum Beispiel kann die fehlerhafte Geometrie auf eine spezifische Layer verschoben werden. Hinweiselemente: An die notwendigen Geometrieelemente können zusätzliche Hinweiselemente angebracht werden (z. B. hinweisende Textfelder). Eingebettete Informationsfenster: In die nativen Elemente der Bedienoberfläche können zusätzliche Informationsfenster mit Qualitätsinformationen eingebaut werden,

116 110 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen die direkt über das PDM-System mit den aktuellen gefilterten Informationen gefüllt werden. Abbildung 54 : Prototypische Visualisierung der Qualitätsinformationen am Beispiel von NX3

117 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen CAD-Modellqualitätsprüfung Die Qualitätsmodule der Phase der CAD-Modellqualitätsprüfung greifen nach dem Abschluss des Modellierungsvorganges ein. Dies ist der wichtige Unterschied zu der Phase der Qualitätslenkung. Grundsätzlich sollte bei der Modellierung versucht werden, nach der Fertigstellung des Modells ein einwandfreies CAD-Modell zu haben. Mehrere Einflüsse erfordern aber - genau wie bei physischen Produkten - nicht nur die Lenkung und Planung sondern auch die Endprüfung der CAD-Modelle. Folgende Gründe erfordern eine Modellprüfung: Datenrückfluss in die Planungsphase: Die Teile der Phase der Qualitätsplanung sind auf die Informationen aus der Modellnutzungsphase angewiesen. Die Analyse und Kontrolle der fehlerhaften Modelle kann wertvolle Daten, wie zum Beispiel die Nachbearbeitungsdauer (und somit die Problemwichtigkeit) oder Liste der Modellnutzer, liefern. Dadurch wird der evolutionäre Qualitätsregelkreis (s. Abbildung 20) geschlossen. Weiterhin kann ohne Qualitätsprüfung die Methodeneffektivität nicht überprüft werden. Zeitlich versetzte Nutzung und Bewertung durch Modellkunden: die CAD- Modelle werden oft zeitlich versetzt zu ihrer Erstellung genutzt. Dies trifft in den meisten Fällen auf die Modellweiterverwendung durch Nicht-CAD-Modellkunden in der Prozesskette und immer auf die Modellwiederverwendung durch andere CAD- Konstrukteure zu. Ohne eine Prüfung würden die Informationen nicht beim CAD- Modellerzeuger erscheinen. Darüber hinaus ist eine Qualitätsprüfung für die Prozesstransparenz und eine verursachergerechte Kostenzuweisung notwendig. Dementsprechend werden auch die Qualitätsmodule der Phase abgeleitet (siehe Abbildung 55). Abbildung 55 : Module der Phase Modellqualitätsprüfung

118 112 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Dies ist auf der einen Seite die Modellendkontrolle, die als Meilenstein direkt nach dem Abschluss der Modellierung erfolgt und die Messung Weiterverwendungsqualität, die erst bei der Modellnutzung geschieht. Weiteres wichtiges Thema in Bezug auf die CAD- Modellqualität nach der Modellierung ist die Entwicklung entsprechender Qualitätskennzahlen (Qualitätsprozess-Controlling), die zu bestimmten Meilensteinen (z. B. Freigabe des FEM-Modells) während der Nutzungsphase abgeleitet werden. Die Kennzahlen dienen der anschaulichen Darstellung und Vermittlung der erreichten Modellqualität und vor allem als wichtiges Steuerwerkzeug für das Management Modul K: Modellendkontrolle Input/ Output Werkzeuge: PDM, Prüfsoftware, Checklisten Die Modellendkontrolle findet nach dem Abschluss der Modellierung statt. Dieser Zeitpunkt ist die letzte Stelle vor der Weitergebe des Modells an den Modellkunden. Obwohl das Ziel immer sein muss, schon zu diesem Zeitpunkt durch den effektiven Einsatz der Werkzeuge der Planungs- und Lenkungsphase optimale Qualität zu erreichen, kann nicht auf eine entsprechend konzipierte Modellqualitätsprüfung verzichtet werden. Grundsätzlich können die dafür in Frage kommenden Methoden in die automatischen und die manuellen Methoden aufgeteilt werden. Alle Methoden müssen in ein vorhandenes PDM-System integriert werden. Folgende Methoden können für diese Arbeit verwendet werden: Checklisten (halb-manuelle Methode): Die Checklisten sind ein verbreitetes Werkzeug für die effektive Kontrolle unterschiedlicher Tätigkeiten. Checklisten sind Fragenkataloge, die möglichst aus geschlossenen Fragen mit nur wenigen Optionen bestehen bzw. ankreuz- oder anklickbare Felder (Checkboxen) enthalten. Ziel von Checklisten ist es, keine wichtige Frage zu vergessen bzw. alle notwendigen Fragen zu beachten, um hinreichende Bedingungen für die Auswertung zu erhalten. Meistens sind das Papierblätter, die manuell ausgefüllt werden. Für das Ziel dieser Arbeit bietet sich eine elektronische Checkliste an, die in einem PDM-System ausgefüllt und weiterverarbeitet wird. Die Fragen sollten einfach und schnell beantwortbar sein. Da dies eine der wenigen Stellen ist, an der manuell geprüft wird, sollten die Checklisten die Prüfkriterien enthalten, die automatisch kaum zu prüfen sind. Es ist wünschenswert, unterschiedliche Checklisten abzuleiten: für den Modellersteller, für den Vorgesetzten etc. In vielen Fällen wird der Prüfer (oder Anwender selbst) das

119 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 113 CAD-Modell testen müssen, z.b. um festzustellen, ob die gestellten Anforderungen auf die Änderungsfreundlichkeit erfüllt werden. Die Checklisten müssen dynamisch sein: die einzelnen Prüfkriterien werden in einer Datenbank abgelegt und je nach dem Verwendungszweck attributiert. Im Zeitpunkt der Befragung werden die Fragen automatisch je nach dem Befragungsziel und dem Anwender ausgewählt. Prüfung durch einen Software-Modell-Checker: Die IT-Werkzeuge dafür sind meistens mit denen der präventiven Prozessüberwachung identisch. Der wichtigste Unterschied ist das einzusetzende Prüfprofil, das in dem Qualitätsmodul F Ableitung der Prüfmerkmale erstellt wird. Das Endprüfprofil ist umfangreicher als das präventive Prüfprofil, weil viele Prüfkriterien erst nach dem Abschluss der Modellierung geprüft werden können. Darüber hinaus können einige präventive Kriterien an dieser Stelle entfallen, weil das CAD-Modell nur die endgültigen Merkmale und keine Zwischenschritte aufweist. Wie erwähnt, findet die Modellendkontrolle unmittelbar nach dem Modellierungsende statt. Falls die Produktentwicklung unter Unterstützung eines PDM-Systems erfolgt, wird an dieser Stelle ein PDM-Workflow angestoßen, meistens ein Freigabeworkflow. Ein Workflow ist ein Prozess (allgemein Vorgang oder Arbeitsablauf), der aus einzelnen Aktivitäten aufgebaut ist, die sich auf Teile eines Geschäftsprozesses oder andere organisatorische Vorgänge beziehen. Ein Workflow wird durch unterschiedliche Mechanismen gesteuert. Sehr wichtig für die Steuerung beim Qualitätsmanagement ist die entsprechende Einteilung der Anwender. Dafür dienen in den meisten PDM-Systemen zwei Datenelemente: Gruppe: die Gruppen werden je nach der Unternehmensstruktur und prozessen aufgebaut. Typische Gruppen sind: Konstruktion, Vorentwicklung etc. Für die Ziele dieses Qualitätsmodules können weitere Gruppen definiert werden. Rolle: innerhalb einer Gruppe kann ein Anwender unterschiedliche Rollen übernehmen. die ihnen von dem System oder einem Administrator zugewiesen werden. Diese Rollen können im Allgemeinen sein (hier nur eine Auswahl): Ersteller, Prüfer, Normprüfer etc. Um den Workflow flexibler steuern zu können, sollten weitere Rollen definiert werden. Z. B. kann ein Anwender zusätzlich eine Rolle CAD-Modellkunde oder Qualitätsprüfer erhalten. Die Anwender können (und sollten) unterschiedlichen Gruppen zugehören und auch mehrere Rollen haben. Die Steuerung eines Qualitätsworkflows darf somit nicht auf der Ebene des einzelnen Anwenders sondern auf der Gruppen- und Rollenebene ablaufen.

120 114 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Abbildung 56 : PDM-Workflow für die Freigabe der CAD-Modelle In einem konventionellen Workflow (Abbildung 56 oben) wird das CAD-Modell nach der Eigenprüfung des Erzeugers vom Prüfer auf die konstruktiven Kriterien geprüft und dann entweder freigegeben oder zurückgewiesen. In einigen Fällen können dann zusätzliche Schritte folgen, wie Prüfung auf die Normhaftigkeit der Zeichnung oder auch Archivierung im File-Archiv. In einem Freigabe-Workflow mit dem QM für CAD-Modelle muss der CAD-Modellerzeuger in dem ersten Schritt eine Eigen-QM-Prüfung durchführen, meistens bestehend aus einer elektronischen PDM-Checkliste, die für weitere Nachverfolgungszwecke gespeichert und ausgewertet werden kann. Falls einige Pflichkriterien nicht erfüllt wurden, muss das CAD- Modell geändert werden. Das wichtigste an dieser Stelle ist, dass dem Modelllieferanten bewusst wird, dass diese Prüfung nachvollziehbar im PDM-System gespeichert wird, so dass bei späteren Problemen der Verursacher ermittelt werden kann. Das Gleiche passiert, wenn das CAD-Modell einige Pflichtkriterien des automatischen Checkers nicht erfüllt, der unter Nutzung eines Endkontrolle-Prüfprofils ausgeführt wird. Erst am Ende wird das CAD-Modell konstruktiv von dem Prüfer geprüft, wobei aber auch denkbar ist, dass auch dieser Endprüfer eine stichprobenartige Prüfung der QM-Kriterien durchführt

121 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 115 (unter Nutzung entsprechender Check-Listen). Nach dem Durchlaufen aller Instanzen erhält das CAD-Modell den Status freigegeben. Ein Schwachpunkt dieser Prüfungen kann sein, dass die Anforderungen nicht von der Person geprüft werden, die sie gestellt hat, nämlich dem Modellkunden. Deshalb ist es denkbar, bei besonders wichtigen Modellen einen zusätzlichen Schritt einzubauen, die Prüfung des Modellkunden. Erst er kann endgültig beurteilen, ob das CAD-Modell für seine Bedürfnisse nutzbar ist. Allerdings wird es bei vielen Modellkunden komplizierter, so dass hier so vorgegangen werden kann, dass nur die Modellkunden mit stark gewichteten Merkmalen die Einladung zur Prüfung erhalten. Es ist auch denkbar, dass zwei unterschiedliche Freigaben eingebaut werden können: Konstruktionsfreigabe und QM-Freigabe. Durch diese Entkoppelung ist es möglich, dass falls das CAD-Modell konstruktionstechnisch fehlerfrei ist, schon weitere Schritte eingeleitet werden können (z. B. in der Arbeitsvorbereitung oder in ERP). Sollte danach die QM-Ablehnung folgen, muss das CAD-Modell zwar strukturell geändert werden, nicht aber die äußere Gestalt Modul L: Messung der Weiterverwendungsqualität Input/ Output Werkzeuge: PDM-System, Qualitätskontrollkarten Für CAD-Modelle gab es bisher keinen allgemeingültigen Ansatz für die ganzheitliche Messung der CAD-Modellqualität. Meissner [Meis00] hat in seiner Arbeit eine neue Messmethode vorgeschlagen, bei der die Vorbereitungszeit bis zum effektiven Einsatz des CAD-Modells erfasst und in die Qualitätskontrollkarten eingetragen wurde. In dieser Arbeit wird u.a. der Ansatz von Meissner erweitert und optimiert. Diese Qualitätskontrollkarten bieten viele Vorteile [Meis00]: Es lässt sich erkennen, ob der Modellierungsprozess statistisch beherrscht ist. Dabei ist wichtig, ob ein Trend in der Nachbearbeitungszeit erkennbar ist. Die Daten aus der Qualitätskontrollkarte können auch als ein Planungsinstrument eingesetzt werden, weil die Modellvorbereitungszeit somit abgeschätzt werden kann. Die Qualität der in anderen Phasen ausgearbeiteten Informationen (Modellanforderungen, Kriterien, Modellmerkmale etc.) lässt sich anhand der Länge der Nachbearbeitungszeit erkennen. Bei wenigen Projekten wird es möglich sein, die Nachbearbeitungszeit vollständig zu eliminieren. Wichtiger ist es zu erkennen, welche Anteile der Nachbearbeitungszeit auf die

122 116 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Nichterfüllung der spezifischen Kundenmodellanforderungen und welche auf die Vorbereitungstätigkeiten des Modellkunden zurückzuführen sind, die nicht direkt mit der Qualität des CAD-Modells zu tun haben und auf die technischen Besonderheiten der Kundenaufgabe zurückzuführen sind. So besteht bei der Erstellung eines FEM-Modells der Vorgang Modellvereinfachung z. B. aus der Tätigkeit Einzelheiten entfernen, die maßgeblich vom Aufbau des CAD-Modells abhängt, und aus der Tätigkeit CAD-Modell partitionieren zwecks Zuweisung unterschiedlicher Werkstoffe, die von dem CAD-Modell weitgehend unabhängig ist. Dies erfordert die Klassifizierung der Nachbearbeitungszeit und die Enteilung in unterschiedliche fixe und variable Anteile: Formel 1: t = t + t + t + t Nachb. Inspektion CAD Verfahren Sonstiges t Inspektion : Nach dem Erhalt des CAD-Modells wird es von dem Modellkunden auf seine Eigenschaften untersucht. Man kann diese Zeit auch als Modelleinarbeitungszeit bezeichnen. Diese Zeit ist von der Modellqualität in großem Maße abhängig (zum Beispiel von dem Aufbau der Modellstruktur oder Benennung der CAD-Features). Bei einem hochqualitativen CAD-Modell wird diese Zeit reduziert. t CAD : Nachbearbeitungszeit wegen schlechter CAD-Modellqualität. Diese Zeit steht maßgeblich für die ganzheitliche Definition der Modellqualität und deshalb ist es besonders interessant, sie aufzunehmen. t Verfahren : Nachbearbeitungs- bzw. Vorbereitungszeit wegen CAD-unabhängiger und durch CAD nicht beeinflussbarer Prozesse und Aufgaben des Modellkunden. Diese Tätigkeiten dienen zwar der Modelländerung und -nachbearbeitung, können aber wegen des spezifischen Know-how-Bedarfs nicht auf den CAD-Konstrukteur verlagert werden. t Sonstiges : Zeiten, die keinem anderen Bereich zugeordnet werden können. Für diese Arbeit wird angenommen, dass sie für die Bewertung der Modellqualität nicht von Bedeutung sind. Die Einteilung entspricht der zeitlichen Reihenfolge: Das CAD-Modell wird überprüft, von Fehlern befreit und dann für die weitere Tätigkeiten geändert. Eine feinere Einteilung wäre in dem Praxiseinsatz nicht realisierbar. Im Idealfall des Einsatzes des Qualitätsmanagements wird nach einigen Modellierungsvorgängen mit dem Rückfluss der Informationen in die Planungsphase t CAD minimiert, wenn nicht sogar eliminiert. Abbildung 57 zeigt eine beispielhafte Verteilung der Bearbeitungszeit eines CAD-Modells bei einem Modellkunden. Die Nachbearbeitungszeit t CAD wird durch den Einsatz des Qualitätsmanagements minimiert, wohingegen verfahrensspezifische Änderungen des CAD-Modells meistens nicht durch den CAD-Konstrukteur beeinflusst werden können.

123 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 117 Zeit [h] Zeit [h] t_inspektion t_inspektion t_cad t_cad t_varfahren t_varfahren Modell 1 Modell 2 Modell 3 Modell 4 Modell 5 Modell 6 Modell 1 Modell 2 Modell 3 Modell 4 Modell 5 Modell 6 Abbildung 57 : Beispielhafte Verteilung der Zeit bis zum Anfang der wertbringenden Modellbearbeitung Die Aufnahme der Zeiten wurde in der Arbeit von Meissner durch Papierkarten realisiert. Dies erscheint für den Massenpraxiseinsatz zu aufwendig und auch sehr anfällig für Fehler und menschliches Vergessen. Auch in diesem Fall kann die PDM-Technologie so erweitert werden, dass die Zeitaufnahme unterstützt wird. Hierfür bietet die Erweiterung der PDM- Status [EiSt01] eine Möglichkeit. Ein Status kennzeichnet den Grundzustand eines Artikels. Die allgemeinen verbreiteten Status sind: in Arbeit, in Prüfung, zurückgewiesen, ungültig, freigegeben. Die Nachbearbeitung des Modells fällt unter dem Status in Arbeit (siehe Abbildung 58) an. Dies erfordert die Aufteilung des Status in weitere Status. Die Granularität der Aufteilung sollte nicht sehr fein sein. Im einfachen Fall reicht die Aufteilung in die Status in Modellnachbearbeitung und in Prozessarbeit. Der Status in Modellnachbearbeitung kann bei Bedarf in weitere Status in Nachbearbeitung wegen schlechter CAD-Qualität und in prozessnaher Nachbearbeitung unterteilt werden. Zu beachten bei der Implementierung in ein PDM-System ist auf jeden Fall, dass nicht der Zeitrahmen zwischen einzelnen Status (dies könnte dadurch beeinflusst werden, dass ein CAD-Modellkunde im Urlaub war; die Ergebnisse sind also ohne Aussagekraft), sondern die Summierung einzelner Nutzungszeiten, die durch die Vorgänge Auschecken 33 und Einchecken berechnet werden. Da das Kundenmodell bei jedem Abspeichern und Verlassen des Systems automatisch eingecheckt wird, können diese Zeitpunkte sehr effektiv für die Berechnung genutzt werden. Darüber 33 Mit dem Auschecken wird im Produktdatenmanagement das Reservieren eines Objekts (in diesem Fall des CAD-Modells) für die alleinige Nutzung bezeichnet. Dadurch wird erreicht, dass das Modell bei einer Änderung nicht von einem anderen Anwender benutzt oder sogar verändert wird. Beim Einchecken wird das CAD- Modell für die Nutzung zur Verfügung gestellt.

124 118 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen hinaus sollten bei jedem Eincheckvorgang vom Modellkunden Kommentare eingefügt werden können. Freigaben Freigaben (Konventionelle Status) (Konventionelle Status) in Arbeit in Arbeit Freigaben (inkl. QM- Freigaben (inkl. QM- Status, grob) Status, grob) in in Modellnachbearbeitung Modellnachbearbeitung Freigaben (inkl. QM- Freigaben (inkl. QM- Status, fein) Status, fein) in Nachbearbeitung wg. in Nachbearbeitung wg. schlechter CAD-Qualität schlechter CAD-Qualität in Prüfung in Prüfung in Prozessarbeit in Prozessarbeit in prozessnahen in prozessnahen Nachbearbeitung Nachbearbeitung Freigegeben Freigegeben in Prüfung in Prüfung in Prozessarbeit in Prozessarbeit Freigegeben Freigegeben in Prüfung in Prüfung Freigegeben Freigegeben Abbildung 58 : Erweiterung der Stati in der Produktentstehung Die Vorteile der Aufnahme der Nachbearbeitungszeit sind die hohe Genauigkeit der Ergebnisse durch die PDM-seitige Unterstützung des Konstrukteurs und die Minimierung der menschlichen Fehler, wie z.b. Vergesslichkeit. Weiterhin kann die Auswertung und die Aufstellung der Statistiken vollständig automatisiert werden, so dass die Ergebnisse sofort in die Planungsphase einfließen können. Die Gründe für die Nachbearbeitung und die Vorschläge für die Mängelbeseitigung können als weitere Information während des Statuswechsels eingetragen werden. Dafür können in dem PDM-System spezielle Formulare entwickelt werden, die unter anderem qualitätsbezogene Artikelattribute steuern. Für den Fall, dass aus irgendwelchen Gründen vergessen wurde, währen der Arbeit den Status zu wechseln, sollte ein PDM-Formular für die nachträgliche Eintragung der Nachbearbeitungszeiten entwickelt werden. Darüber hinaus müssen organisatorische Richtlinien definiert werden, welche Status wann zu setzen sind und, vor allem, wann die Eincheck- und Auscheck-Vorgänge auszuführen sind.

125 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modul M: Qualitätsprozess-Controlling Input/ Output Werkzeuge: PDM, Controlling-Werkzeuge Kennzahlensysteme sind ein klassisches Werkzeug des Controlling (deutsch: Kontrolle). Sie dienen dem Abbilden von Arbeitsfortschritten in Zahlen und Zahlensystemen und sind ein bewährtes Mittel, um diese kommunizierbar zu machen. Kennzahlen bilden die Grundlage für Entscheidungen. In der Literatur ist die wichtigste Aufgabe von Kennzahlen die laufende Überwachung der Leistungserstellung und -verwertung [Stae69]. Dabei spielen insbesondere die Prognose, Planung, Koordination, Kontrolle und Kommunikation die wichtigsten Einsatzziele der Kennzahlen. Bei dem Qualitätsmanagement der CAD-Modelle sollen die Kennzahlen dem Management eine Übersicht über die Wirkung und über die Effektivität des QM-Einsatzes liefern. Das Management eines Unternehmens hat im Allgemeinen keine Zeit für die detaillierte Betrachtung jeder CAD-Modellerzeuger/CAD-Modellkunde-Situation, so dass nur durch Kennzahlen, Statistiken und sonstige Berichte ein Einblick und eine Beurteilung möglich sind. Kennzahlen sollten gering in der Anzahl gehalten werden, damit die Übersichtlichkeit erhalten bleibt. Viel wichtiger ist zu erreichen, dass die zu definierenden Kennzahlen auf entsprechenden Eingabeinformationen basieren, die einfach und am besten automatisch erfasst werden können. Die Erfassung kann nur in dem PDM-System erfolgen, ähnlich dem Status-Konzept aus dem letzten Abschnitt. Bei der Entwicklung der Kennzahlen in dieser Arbeit stehen folgende Merkmale im Mittelpunkt: Aussagekraft, Eindeutigkeit der Aussage und Ableitung aus den aktuellen und verfügbaren Kriterien / Daten. Folgende Kennzahlen werden in dieser Arbeit entwickelt (Definitione der einzelnen Zeitanteile s. Kapitel 5.5.2): Kennzahl A: Nachbearbeitungsanteil: Anteil der Arbeitszeit, die CAD-Modellkunden mit der CAD-Modellnachbearbeitung verbringen Zielwert: Nährung zu 0. Formel 2: A t + t CAD Insp. = Formel 3: tgesamt, Kunde A gesamt n ( tcad + t = ) 1 Insp. n t 1 gesamt, Kunde Diese Kennzahl vermittelt, wie viel Arbeitszeit die Modellkunden durch fehlerhafte CAD- Modelle mit der Nachbearbeitung verbringen. Diese Kennzahl kann auf einen konkreten

126 120 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Modellkunden, also eine Person, bezogen werden (Kennzahl A). Weiterhin können die Daten akkumuliert werden, so dass die Nachbearbeitungszeiten einer Abteilung oder sogar der Firma summiert werden (A gesamt für n Abteilungen bzw. Modellkunden). Die Zeiten können entweder im PDM-System durch die Summierung der Status-Zeiten (siehe vorherigen Abschnitt) oder auch durch manuelle Notierung erfasst werden. Kennzahl B: Qualitätsmanagement-Anteil Anteil der Arbeitszeit, die CAD-Modellerzeuger für das Qualitätsmanagement aufbringen Zielwert: zwischen 0 und 1. Formel 4: B t QM, Erzeuger. = Formel 5: tgesamt, Erzeuger B gesamt n 1 QM, Erzeuger = n t t 1 gesamt, Erzeuger Diese Kennzahl kann unterschiedlich interpretiert werden. Sie hat zwei rote Grenzbereiche. Einerseits kann man damit prüfen, ob die CAD-Konstrukteure überhaupt Zeit in bessere CAD-Modelle investieren (in diesem Fall ist eine größere Kennzahl gewünscht). Andererseits bedeutet eine zu große Kennzahl, dass die CAD-Konstrukteure durch das Qualitätsmanagement sehr stark von der eigentlichen Arbeit abgelenkt werden. Für B müssen also aus der Praxis die entsprechenden Werte im optimalen Mittelbereich definiert werden. Kennzahl C: Qualitätsmanagement-Nutzen Verhältnis des Aufwandes seitens des CAD-Modellerzeugers zu der eingesparten Zeit seitens des Modellkunden Zielwert: kleiner als 1. C = t t QM, Erzeuger. CAD + t Insp. C gesamt n t 1 QM, Erzeuger = n ( t + t 1 CAD Insp. ) Diese Kennzahl muss auf jedem Fall kleiner als 1 sein. Im umgekehrten Fall bedeutet der Einsatz des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle nur einen erhöhten Aufwand für ein Unternehmen. Zu beachten ist, dass ein CAD-Modell oft mehrmals verwendet wird, so dass in diesem Fall alle potentiellen Verwendungsvorgänge zu recherchieren sind. Alle drei Zahlen können automatisch aus den im PDM-System berechneten Zeiten abgeleitet werden. Die Empfehlungen für die Zielwerte lassen sich nur für jeden konkreten Fall aussprechen, weil in jedem Unternehmen eine individuelle Ausgangslage herrscht, die auch unterschiedliche Zielwerte erfordert. Man kann die formelle Bedeutung der Kennzahlen folgenderweise umformuliereun und zusammenfassen:

127 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 121 A: Wie gut sind die CAD-Modelle? B: Wie viel Zeit verbringen anteilsmäßig die CAD-Modellerzeuger mit dem Qualitätsmanagement? C: Ist Qualitätsmanagement für CAD-Modelle wirtschaftlich? Die Verknüpfung einer Menge von Kennzahlen zu einem Kennzahlensystem kann die Aussagekraft dieser Zahlen deutlich erhöhen. Die Verknüpfung von Einzelkennzahlen erfolgt üblicherweise mit dem Hintergrund, die Informationen der Grundzahlen zu aggregieren und so ein verdichtetes Abbild der Grunddaten zu erschaffen. Die Kennzahlen können für das Management in einer GUI 34 zusammengefasst werden, zum Beispiel in einem entsprechenden Berichtsmodul des PDM-Systems. Oft werden solche Oberflächen als Quality Cockpits bezeichnet. Abbildung 59 : Ampelsystem Eine wichtige Rolle spielt die entsprechende grafische Unterstreichung der Darstellung, z. B. durch ein Ampelsystem (Abbildung 59). Gelbe Farbe signalisiert dabei eine Warnung und die rote Farbe eine klare Aufforderung zum Management-Eingriff. Die Kriterien bzw. die Grenzen der entsprechenden Signale müssen realistisch definiert werden und in regelmäßigen Abschnitten auf ihre Aktualität untersucht werden. Durch zusätzliche Darstellungen (z. B. Pfeile) kann man auch die aktuelle Tendenz vermitteln. Sobald ein Kennzahlensystem existiert, kann es auch zusätzlich für Benchmarking verwendet werden. Für CAD-Modelle bietet sich besonders gut internes Benchmarking an. Es kann mit anderen Einheiten des Unternehmens verglichen werden. Internes Benchmarking kann bei CAD-Modellen sogar viel effektiver durchgeführt werden, weil die Produkte (also in diesem Fall CAD-Modelle) meistens in einer Abteilung bzw. einem Team entstehen, so dass diese organisatorischen Einheiten miteinander verglichen werden können. 34 GUI: Graphical User Interface (Programmoberfläche)

128 122 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 5.6 CAD-Modellqualitätsverbesserung Die Phase der Qualitätsverbesserung enthält Maßnahmen zu der dauerhaften Einstellung der geforderten Qualität der CAD-Modelle. Die Methoden und Module dieser Phase haben als Schwerpunkt die Gewährleistung der Anwendung der Module aus anderen Phasen auf der einen Seite und Maßnahmen zur Wiederverwendung dieser Informationen auf der anderen Seite. Es reicht nicht aus, Methoden für die einmalige Nutzung aufzustellen. Der Aufwand für die Methodeninitiierung kann in einigen Fällen relativ hoch sein. Erst durch die Wiederverwendung der Qualitätsinformationen in weiteren Projekten bzw. Produktentwicklungen kann die bessere Modellqualität richtig zur Geltung kommen. Dafür sind unterschiedliche Maßnahmen erforderlich, die in nachfolgenden Abschnitten beschrieben werden Modul N: Wiederverwendung der Qualitätsinformation Im Kapitel wurde der Ansatz der Abspeicherung der Modellqualitätsanforderungen in Form der Anforderungsvorlagen (Qualitäts-Template) angesprochen. Grundsätzlich können für die Wiederverwendung der Qualitätsinformationen einige Ansätze des Wissensmanagements 35 angewendet werden. Die Problematik ist, dass obwohl die meisten Ergebnisse in der Form explizites Wissens vorliegen (oder sogar vollständig formalisiert in Form von CAD-Modellen etc.), einige wichtige Informationen nur implizit bei den Methodenanwendern vorhanden sind. Die Herausforderung ist also auch, wenigstens einige Teile dieses impliziten Wissens in formale Form zu überführen. Obwohl die Qualitätsinformation nur selten vollständig verwendet werden kann, können oft wenigstens Teilinformationen nutzbar gemacht werden. Die Information kann auf unterschiedlichen Ebenen wiederverwendet werden. Im ersten Schritt ist es wichtig, bei der Wiederverwendung der Qualitätsinformationen festzustellen, in welchen Elementen das akquirierte Qualitätswissen liegt, so dass es auch entsprechend wiederverwendet werden kann. Ein Fehler wäre, nur die Modulvorgehensweise oder nur Qualitätskriterien zu dokumentieren, weil eine Vielzahl an zusätzlichen Daten und Informationen bei der Ausführung entsteht. Mindestens folgende Wissensinformationen bzw. Wissenselemente können und sollen wieder verwendet werden (auch [Chas06]): Informationen, Vorgehensweisen und Ergebnisse einzelner Qualitätsmodule: In jedem Qualitätsmodul des Konzeptes fallen unterschiedliche Daten und Informationen als Ergebnisse an. Einige dieser Ergebnisse sind fallspezifisch, viele aber auch für weitere Modellierungen verwendbar. Die wichtigsten Ergebnisse sind: Neutralisierte Qualitätsanforderungen, Qualitätsmerkmale und Qualitätsprüfkriterien 35 Wissensmanagement bezeichnet eine Richtung der Managementlehre, die darauf abzielt, in Organisationen das Wissen einzusetzen und zu entwickeln, um die Unternehmensziele bestmöglich zu erreichen.

129 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 123 CAD-Modellkundenlisten und die Auflistung der entsprechenden Anforderungen und Gewichtungen Vorlagen für CAD-Modell-Design-Review und Readiness Checks a. Zusammengefasste CAD-Modell-Lasten- und Pflichtenhefte b. Prüfprofile für die Prüftools c. Vordefinierte Qualitätskennzahlen mit entsprechenden Richtwerten 3D-CAD-Vorlagen: 3D-Vorlagen (oft als Startmodelle oder Seed-Parts bezeichnet) bilden die Grundlage der strukturierten CAD-Modellierung. Sie werden in ersten Durchläufen des durchgängigen QM für 3D-CAD-Modelle entwickelt und können danach ohne Änderung sehr breit für alle Modellierungsvorgänge eingesetzt werden. Sie enthalten meistens unterschiedliche Elemente (z. B. Layer-Struktur, Benennungsvorschrift, Attribute), die die spätere Weiterwendung des fertigen Modells und somit auch dessen Qualität erheblich steigern können. 3D-CAD-Modelle: Auch die 3D-CAD-Modelle an sich können unterschiedliche optimierte Bereiche bzw. Methodikergebnisse beeinflussen. Im optimalen Fall können sie für ähnliche Modellierungsaufgaben wiederverwendet werden. Die Voraussetzung dafür ist die durchgängige CAD-Modell-Dokumentation, wie im Kapitel beschrieben. Zusätzlich müssen die Modelle um 3D-Kommentare, 3D- Fertigungshinweise und weitere Hinweise erweitert werden. Metadaten des Produktdatenmanagementsystems: Die Metadaten (Attribute, Entstehungsgeschichte, Information über Freigaben etc.) werden in den PDM- Systemen standardmäßig abgespeichert und versioniert. Auch ein Qualitätssystem für die Verbesserung der Modellqualität wird die meisten Metadaten im PDM-System abspeichern, nicht zuletzt, weil diese Systeme direkt mit dem CAD-System gekoppelt sind. Wichtig ist, dass durch die entsprechende Verlinkung der Qualitätsinformationen der einzelnen Vorgänge die Metadaten mit dem Qualitätsworkflow verknüpft sind, so dass die entsprechende Attributierung etc. nachvollzogen werden kann. IT-System-Konfigurationsdaten: Die Konfiguration eines 3D-CAD-Systems spielt eine sehr wichtige Rolle und kann je nach dem Anwender oder nach dem Einsatzzweck unterschiedlich sein [Chas06]. Allgemein kann man sagen, dass die Systemkonfiguration aus einer Vielzahl von Parametern besteht, die oft in unterschiedliche Gruppen zusammengesetzt sind. Diese Konfigurationsdaten können in modernen CAD-Systemen als so genannte Profile (oder Anwenderrollen) abgespeichert werden. Je nach dem Konfigurationsprofil können unterschiedliche Aspekte der CAD-Modellierung und somit auch die Modellqualität gezielt beeinflusst werden.

130 124 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen Entwicklungsprozesse: Unterschiedliche durch das Qualitätsmanagement beeinflusste Prozesse können sowohl im PDM-System als Workflows abgebildet werden als auch mit speziellen Prozessbeschreibungssprachen (wie ARIS und UML) beschrieben werden. Bei der Prozessbeschreibung muss nachvollziehbar sein, welche Informationen an welcher Stelle erzeugt bzw. benötigt werden. Eine besondere Rolle kommt der Abbildung des Informationsflusses zwischen CAD-Modellkunden und CAD-Modellerzeugern zu. Die Zusammenfassung dieser Daten und Informationen kann als ein Modellqualitäts- Template bezeichnet werden. Diese Vorlage beschreibt meistens einen generischen Anwendungsfall und kann mit einer konkreten Anpassung angewendet werden. Abbildung 60 : Konzept des Qualitäts-Templates Eine Voraussetzung für jegliche Verwendung der Qualitätsvorlagen stellt ein entsprechendes Datenbank-Datenmodell dar. Dieses wird im Kapitel 6.2 eingeführt Modul O: Dokumentation und Vermittlung der Qualitätsinformation Als Dokumentationsgrundlage und vor allem Vermittlungsgrundlage stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung. Ziel der Dokumentation sollte es sein, die dokumentierten Objekte gezielt auffindbar zu machen. Oft sind diese Unterlagen bzw. Vermittlungsmethoden die wichtigsten Ergebnisse des Qualitätsmanagements, weil an dieser Schnittstelle Methode/Mensch das Wissen an die Anwender weitergegeben wird. Es stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung, die zur Dokumentation und Vermittlung der methodischen Informationen auf dem CAD-Umfeld verwendet werden können. Je nach der Ausrichtung der Methode können sie klassifiziert werden. Abbildung 61 zeigt eine Übersicht der Methoden. Man erkennt, dass sich die wichtigsten auf den Anwender konzentrieren, weil durch dessen Kenntnisse die Modellqualität maßgeblich beeinflusst wird. Weitere wichtige Einsatzfelder sind die Prüfung der Qualität und Datenaustausch.

131 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 125 Ziel: qualitätsgerechte Modellierung (Anwender ) CAD-Werksnorm Ziel: Kontrolle (Anwender ) E-Learning Blended Learning CAD-Handbuch Geeignete Methoden für die Vermittlung und Dokumentation CAD-Richtlinien Prüfprofil Schulungsunterlagen Datenaustauschrichtlinien Ziel: hochqualitative externe CAD-Modelle (externe Firmen) Abbildung 61 : Vermittlungsmethoden Die Vermittlungs-Methoden sind im Einzelnen (s. auch [HaAJ06, AbBo03]): Schulungsunterlagen: Die meisten Ergebnisse der einzelnen Qualitätsmodule werden in Unterlagen für die Anwenderschulungen verwendet. Anwesenheitsschulungen sind die beste, aber auch die aufwendigste Variante der Wissensvermittlung. Durch die ständige Betreuung durch den Trainer können alle Fragen sofort geklärt werden, so dass die Vermittlungsqualität auf einem sehr hohen Niveau ist. E-Learning / Blended Learning: E-Learning ist eine Methode zum rechnerunterstützten Selbststudium [AbBS04]. Die Vorteile sind ständige Erreichbarkeit der Kurse und die Möglichkeit, auch bei kleineren verfügbaren Zeitabschnitten zu lernen. Dagegen spricht aber, dass auch für ein E-Learning-Studium der Anwender Zeit aufwenden muss und dass es viele Anwender wegen des freiwilligen Charakters oft vernachlässigen. Eine interessante Alternative ist Blended Learning, bei dem Phasen der Anwesenheitsschulungen mit E-Learning-Abschnitten kombiniert werden. Dadurch können Vorteile beider Methoden kombiniert werden. CAD-Portal: Ein Intranet-CAD-Portal ist die beste Methode, die Informationen schnell zu den Anwendern zu bringen und aktuell zu halten. Besonders effektiv ist dies mit zusätzlichen Funktionen wie CAD-Newsletter oder auch FAQs (Listen der Fragen und Antworten) zu realisieren.

132 126 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen CAD-Handbuch: Als Nachschlagewerk und Hilfe für Schulungen ist ein CAD- Handbuch geeignet. Ein Handbuch sollte sowohl aus einigen Pflichtanforderungen für die Anwender als auch einigen methodischen Empfehlungen bestehen. Die Herausforderung ist dabei, zu erreichen, dass die Anwender das Handbuch im Alltag nutzen. Dies kann nur durch regelmäßige CAx- Öffentlichkeitsarbeit, wie Anwendertreffen und Workshops erreicht werden. CAD-Richtlinien und CAD-Werksnorm: Diese internen Werke haben im Unterschied zu einem Anwenderhandbuch einen formaleren und zwingenderen Charakter. Die Inhalte müssen gewährleisten, dass wichtige und vor allem prüfbare Qualitätskriterien eingehalten werden. Durch eine Ausführung als eine Norm sollte erreicht werden, dass organisatorische Prüfinstanzen ein wichtiges Werkzeug zur Überprüfung und vor allem Durchsetzung der Qualitätsanforderungen erhalten. CAD-Prüfprofil: Das CAD-Prüfprofil (s. Kapitel 5.5) stellt eine gewisse Zusammenstellung der Ergebnisse der Methodik dar und enthält in der formalen Sprache des Prüftools die zu prüfenden Qualitätskriterien. CAD-Datenaustauschrichtlinien: In CAD-Datenaustauschrichtlinien werden u.a. die Vorgehensweisen und Standards bei der Nutzung der externen CAD-Modelle vorgegeben. Diese Richtlinien konzentrieren sich weniger auf die methodische Modellierung als vielmehr auf die Einhaltung der organisatorischen und numerischen Qualitätsmerkmale. 5.7 Anwendung durch Kombination und Anpassung der Methodik-Bausteine Für das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle ist es nicht notwendig, die komplette Methodenvielfalt des Qualitätsmanagements anzuwenden. Für die meisten Situationen ist eine Anwendung nur einzelner Methodenteile ausreichend [Lesm01] bzw. sogar wünschenswert, weil dadurch die Systemkomplexität reduziert wird. Weiterhin können die starren Methodenregeln die Anwendung auf CAD-Modelle verhindern. Die abgeleiteten Qualitätsmodule müssen deshalb in einem konkreten Fall angepasst und vor allem ausgewählt und kombiniert werden. Bei der Auswahl müssen die Gegebenheiten des Falles berücksichtigt werden. So ist zum Beispiel ein Modul zur Modellkundenfindung nicht notwendig, wenn alle Parteien der Produktentstehung lückenlos bekannt sind. Ehrlenspiel [Ehrl03] schlägt vor, die Unterstützungswerkzeuge aufgrund ihrer Funktion zu bewerten und auszuwählen. Dieses Konzept wird für diese Arbeit angepasst. Die Grundlage der Modulauswahl und Modulkombination sind die Aufgaben und die In- und Outputgrößen. Im ersten Schritt muss die vorliegende Situation analysiert werden und in einzelne Probleme aufgeteilt werden. Diese Probleme können dann zu den entsprechenden Aufgaben der Module gemappt werden. Die einzelnen Module können über die entsprechenden Input und Outputdaten verbunden sein. So sind für die Anwendung bestimmter Module einige Inputdaten notwendig, die Outputdaten anderer Module darstellen. Somit ist es nicht

133 5 Entwicklung der Methodik zum Qualitätsmanagement von CAD-Modellen 127 ausreichend, nur eine Aufgabe isoliert zu betrachten sondern es muss beachtet werden, welche Daten ein Qualitätsmodul für die Fertigstellung seiner Aufgabe braucht. Nicht alle Daten können aber von vorhandenen Qualitätsmodulen zur Verfügung gestellt werden. In diesem Fall müssen diese Daten aus externen zusätzlichen Datenquellen bereitgestellt werden. Abbildung 62 : Beispiel der Modulauswahl Abbildung 62 zeigt die entsprechende Vorgehensweise für die Auswahl der Qualitätsmodule.

134 128 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 6.1 Vorgehensweise bei der Einführung der Methode In diesem Kapitel soll eine allgemeine Vorgehensweise für die Einführung des Qualitätsmanagements für CAD-Modelle bzw. Methoden für das Projektmanagement für die Einführung aufgezeigt werden. Die neue Qualitätsmethode dient der Verbesserung der ganzheitlichen Modellqualität bzw. i.a. der unternehmensweiten Optimierung der Produktentstehung. Dies ist eine Aufgabe, die dem Management bzw. sogar dem Top- Management zuzuschreiben ist, so dass die Einführung nach dem typischen Top-Down- Ansatz durchgeführt werden sollte. Die Unterstützung durch das Top-Management- Engagement und die Bereitstellung der Mittel ist eine Voraussetzung für den Projekterfolg [EiSt01, VaWe06]]. Weitere kritische Faktoren sind eine klare und realistische Zielsetzung, eine eindeutige Aufteilung der Zuständigkeiten und die effektive Kontrolle der Einführung. Folgende generische Phasen sollten Bestandteile des Einführungsprojektes sein: Ermittlung des Ist-Zustandes: Im ersten Schritt muss (am besten durch ein Vorbereitungsprojekt oder durch den Einsatz eines Beraterteams) die Ist-Situation analysiert und vor allem die Potentiale ermittelt werden. Dies ist die Phase, die vom Top-Management angestoßen und angeleitet werden muss. Es muss die gesamte CAx-Prozesskette analysiert werden. Bei einer großen Firma bietet sich die Durchführung eines so genannten Black-Belt- Projekts im Rahmen der Six-Sigma-Methode. Durch eine strukturierte Vorgehensweise in solchen Projekten und den übergreifenden Einsatz der Qualitätstechniken wird die Analysequalität gesteigert. Einzelne Schritte der Phase sind: Ist-Analyse, Schwachstellenanalyse etc. Ermittlung der Potentiale, Abschätzung des Nutzen und der Kosten Erstellung des Lastenheftes für das Projekt Konzeptphase / Grobspezifikation: In dieser Phase werden im ersten Schritt klare Ziele definiert und zusätzlich durch eine Abbildung in Kennzahlen festgehalten. Danach werden als Ergebnis der Ist-Analyse repräsentative Referenzszenarien abgeleitet, die später der Konzeptvalidierung dienen. Darüber hinaus dienen die Referenzszenarien der Risikoabgrenzung, weil an diesen Szenarien die Konzepte laufend überprüft werden. Die generischen Qualitätsmodule sind ein wichtiges Ergebnis dieser Phase. Einzelne Schritte der Phase sind: Zielklärung Definition der Referenzszenarien Aufstellung des gesamten Qualitätskonzeptes

135 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 129 Entwicklung der generischen Qualitätsmodule Feinspezifikation: Im Unterschied zu der Grobspezifikation werden in der dritten Phase die Methoden detailliert und die u.u. notwendigen Software-Werkzeuge ausgewählt. Die Detaillierung macht auch eine Durchführung eines Business Case möglich. Von den Ergebnissen des Business Case hängt auch die Entscheidung über die Projektfortsetzung ab. Einzelne Schritte der Phase sind: Auswahl notwendiger Software-Module Entwicklung der Qualitäts-Templates und der Qualitätsprozesse Organisatorisches Konzept Entwicklung des Schulungskonzeptes und der Schulungsunterlagen Durchführung eines Business Case Go/No-Go-Entscheidung Testphase: In der Testphase werden die entwickelten Qualitäts-Methoden an den definierten Referenzszenarien getestet. Weil das Testen oft sehr zeitaufwendig ist, sollten keine alten Fälle nachmodelliert werden, sondern im Laufe eines neuen realen Projektes mit neuen Methoden gearbeitet werden. Sollte eine Anwenderschulung notwendig sein, müssen hier die notwendigen Schritte eingeleitet werden. Einzelne Schritte der Phase sind: Anwendung der Methoden an die Referenzszenarien Anwenderschulung Roll-Out-Phase: Die letzte Phase der Implementierung ist eine unternehmensweite Einführung des Qualitätsmanagements. Die Erfahrungen aus den Referenzszenarien dienen darüber hinaus der feinen Methodenabstimmung. Ein weiterer wichtiger Punkt in dieser Phase ist die laufende Erstellung von Kostenberichten, die in regelmäßigen Abständen an das Management zu richten sind. Auf einige weitere wichtige Faktoren, wie Phasen eines Business Case und psychologische Faktoren wird in den nächsten Kapiteln eingegangen.

136 130 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 6.2 IT-Systemkonzept für die Unterstützung der Methodik Übersicht der IT-Systemarchitektur Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methodik für das Qualitätsmanagement der CAD-Modelle aufzustellen. Für die Implementierung in der Praxis werden viele Module der Methodik in IT- Systemen implementiert bzw. abgebildet. Innerhalb der einzelnen Qualitätsmodule wurde darauf eingegangen. An dieser Stelle soll eine Übersicht über eine gesamte IT-Architektur unter Berücksichtigung der Anforderungen des Qualitätsmanagements dargestellt werden. Abbildung 63 stellt einen Entwurf der IT-Landschaft dar. Gestrichelt werden die neuen Komponenten dargestellt. Die Grundlage des Systems wird in jedem Unternehmen ein PDM- System sein, in dem schon die vorhandenen CAD-Modelle verwaltet werden und die Prozesse abgebildet sind. Generisch verfügt jedes PDM-System über eine Reihe von Servern und eine Schicht für die Interaktion mit dem Anwender (Thin-Web-Client und Rich-Native-Client). Workflowmanagement- Workflowmanagement- System System QM-Portal QM-Portal CSCW/Groupware CSCW/Groupware PDM-System PDM-System CAx-System CAx-System PDM-Thin-Web-Client PDM-Thin-Web-Client QM-Modul / -Template QM-Modul / -Template PDM-Rich-Native- PDM-Rich-Native- Client / - GUI Client / - GUI PDM-Server PDM-Server Schnittstelle zum PDM- Schnittstelle System zum PDM- System CAD-System CAD-System Datenbankserver Datenbankserver Dateiserver Dateiserver ERP etc. ERP etc. Archiv-Server Archiv-Server E-Learning-Server / - E-Learning-Server Umgebung / - Umgebung Abbildung 63 : Übersicht der IT-Architektur Es muss angestrebt werden, dass die meisten Qualitätsmodule in diesem PDM-System implementiert werden. Die dafür notwendigen Datenelemente oder auch Funktionen können

137 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 131 innerhalb des Systems in einem separaten QM-PDM-Modul abgelegt werden. Im Idealfall würde in Zukunft dieses Modul bei dem PDM-Systemanbieter zu beziehen sein. Weitere (im Einzelfall) zu implementierende Komponenten können sein: Qualitätsmanagement-Portal: Auf diesem Portal werden unterschiedliche QMbezogene Informationen abgelegt. Vor allem dient dieses Portal als eine zentrale Informationsquelle für alle Anwender. Insbesondere die ausgearbeiteten Handbücher oder Normen können dort zur Verfügung gestellt werden. E-Learning-Server: Ein sehr wichtiger Baustein der Vermittlung der Qualitätsinformationen und für die kontinuierliche Qualitätsverbesserung ist eine effektive Anwendung des E-Learnings und Blended Learnings (s. Kapitel 5.6.2). PDM-Systeme bieten diese Funktionalität nicht an, so dass dafür eine separate Umgebung implementiert werden muss, die aber auf die vorhandenen Server zugreifen kann. Auf diese Art und Weise können in E-Learning-Einheiten auch CAD-Modelle und andere Dokumente direkt aus dem PDM-System benutzt werden. Workflowmanagement-System: Workflowmanagement wird in vielen Quaitätsmodulen benutzt. Bei vielen PDM-Systemen ist es eine Standardfunktionalität, so dass kein separates System notwendig ist. Allerdings existiert eine Reihe von PDM-Systemen, deren Workflow-Module entweder nicht ausgereift sind oder sogar überhaupt nicht existieren. In diesem Fall muss ein separates, aber mit dem PDM-System gekoppeltes System implementiert werden. CSCW/Groupware: CSCW- und Groupware-Systeme werden für die effektive virtuelle Kommunikation benutzt, was meistens eine Schwäche der PDM-Systeme ist. Die typischen Elemente eines CSCW-Systems sind Konferenzen, White-Boards, E- Umlaufmappen etc. Wie der Abbildung Abbildung 63 zu entnehmen ist, muss angestrebt werden, dass durch eine Erweiterung der vorhandenen IT-Systemlandschaft keine redundanten Datenbasen entstehen. Deshalb sollten alle Systeme auf eine Datenbank- und Dateiserver-Landschaft zugreifen Informationsmodell und Informationsobjekte für die Implementierung der Methode Für die IT-Abbildung ist ein Datenmodell notwendig. Die Zielsetzung dieses Kapitels ist nicht die vollständige Definition des Datenmodells, sondern die Definition der Basis zur Implementierung einer Datenbank bzw. eines Repository. Für den jeweils konkreten Anwendungsfall muss dieses Datenmodell erweitert bzw. angepasst werden. Das Informationsmodell strukturiert sich um die Kernklassen CAD-Modell, Kundenmodell, Modellmerkmal und Modellanforderung. Abbildung 64 zeigt das Informationsmodell als UML2-Klassendiagramm ohne Attribute Alle Zusammenhänge werden im Allgemeinen in den entsprechenden Kapiteln erklärt. Datenmodellklassen werden zum größten Teil

138 132 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle eingruppiert nach dem Themenbereich dargestellt, allerdings ist das nicht bei allen Klassen möglich. Hier soll nur auf die wichtigsten Aspekte eingegangen werden. Die CAD-Elemente 3D-CAD-Modell und CAD-Baugruppe sind im Allgemeinen ein CAD- Modell und vererben deshalb alle Eigenschaften dieser Klasse. Das CAD-Modell und das daraus abgeleitete partielle Kundenmodell gehören wiederum einer bestimmten Modellklasse an und sind alle Vertreter der digitalen Produktmodelle (auch hier Vererbung der Eigenschaften). Kernelemente sind CAD-Merkmale und CAD-Anforderungen, deren Zusammensetzung ein CAD-Pflichtenheft bzw. ein CAD-Lastenheft bildet. Die Systeme werden in entsprechenden Klassen CAD-System und CAx-System beschrieben und haben eine Verknüpfung zu den entsprechenden Systemparametern bzw. -einstellungen. Ein sehr wichtiges Element ist das CAD-Modell-Merkmal, das indirekt auch mit einer Modellanforderung verbunden ist. Durch das Vorhandensein dieser Merkmale wird die Qualität des Modells bestimmt. Deshalb sind viele Datenelemente mit Merkmalen verknüpft: entweder als Merkmal-Eigenschaft (Wechselwirkung), als Merkmalzusammensetzung (CAD- Modell-Pflichtenheft) oder auch als Methoden zu der Merkmal-Prüfung (Prüfkriterium und Prüfprofil).

139 < entsteht aus nutzt > 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 133 IT-Systeme hat > Anforderungsschablone Systemparameter < hat Q-Kennzahl CAD-System CAx-System Fragebogen CAD-Modell Vis. modell entsteht aus > entsteht aus > entsteht aus > Technische Zeichnung 3D-CAD-Modell besteht aus > nutzt > CAD-Modell- Erzeuger < erzeugt CAD-Modell < entsteht aus CAD-Modell- Kunde < erzeugt digitales Kundenmodell CAD-Kundenmodell stellt > externer CAD- Modell-Kunde interner CAD- Modell-Kunde Anforderung besteht aus > Baugruppe CAx-Modell- Gruppe CAD-Modell- Lastenheft Wechselwirkung < kann haben CAD-Modell- Merkmal digitales Produktmodell Produktmodell prüft > < besteht aus < implementiert Implementierungsmethode < hat Status Checkliste besteht aus > Prüffrage prüft > CAD-Modell- Pflichtehheft CAD-Modellprüfung allgemeines Prüfkriterium zusätzliches Prüfkriterium Prüfkriterium < besteht aus Prüfprofil unabhängiges Grundprofil Modellunabh. Prüfkriterium Konkretes Prüfprofil Abbildung 64 : Grobes Datenmodell zum Qualitätsmanagement der CAD-Modelle Einige Elemente dieses Datenmodels wurden in Praxisprojekten im Kapitel 7 angewendet und validiert. Weiterhin wird im Kapitel eine Implementierung des angepassten Datenmodells in eine relationale Datenbank mit der Internet-Anbindung und CAD-Modell- Darstellung beschrieben.

140 134 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 6.3 Business Case des Methodeneinsatzes Ein Business Case ist ein Szenario zur betriebswirtschaftlichen Beurteilung einer Investition. Auch das Qualitätsmanagement für CAD-Modelle stellt eine nicht unerhebliche Investition dar und muss gegenüber der Geschäftsführung eines Unternehmens seine Aussichten auf Gewinn hinreichend überzeugend begründen, um genehmigt zu werden. In einem Business Case müssen Annahmen getroffen werden über die Kosten des Qualitätsmanagements und die mit seinen Ergebnissen erzielten Ersparnisse bzw. Erträge. Daraus können dann Aussagen über den Return on Invest oder die Amortisationszeit des Einführungsprojektes getroffen werden. Jeder Business Case ist mit einer Unsicherheit verbunden, die allerdings bei einer hochqualitativen Vorbereitung eher gering ist. Es gibt unterschiedliche Ausprägungen der Business Cases, wobei für das vorliegende Thema besonders die Kosten-Nutzen-Analyse von Interesse ist. Eine sehr ausführliche Betrachtung würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen, deshalb wird in diesem Kapitel auf die wichtigsten Aspekte eines Business Case eingegangen: Kosten-Nutzen-Analyse und kritischen Faktoren Kosten-Nutzen-Analyse eines Qualitätsmanagementsystems für CAD- Modelle Die finanziellen Kenngrößen bilden die Argumentationsgrundlage für den Business Case. Die Erfassung der wichtigsten Kosten und Nutzen einer Einführung des QM für CAD-Modelle stellt den wichtigsten Teil des Business Case dar. Die Kosten und Nutzungseffekte können in unterschiedliche Gruppen eingeteilt werden (Abbildung 65). Sehr wichtig ist die Aufteilung in den quantifizierbaren und den nicht quantifizierbaren Nutzen. Die nicht abgebildete Einteilung in direkte und indirekte Kosten und Nutzen spielt auch eine wichtige Rolle. Es ist nicht ausreichend, einfache vorhandene rechenbaren Nutzengrößen zu nehmen, weil dadurch viele Effekte nicht berücksichtigt werden (s. auch [EiSt01]). Erst die Quantifizierung unterschiedlicher positiver Effekte macht die Betrachtung vollständig. Wie bei allen IT- Systemen liegt die Hauptproblematik in der Tatsache, dass zwar die Kosten sehr einfach quantifizierbar sind, aber nicht der Nutzen der Einführung.

141 6 Konzept zur Implementierung und Anwendung des Qualitätsmanagements für die CAD-Modelle 135 Abbildung 65 : Grundlagen der Kosten-Nutzen-Analyse des QM für CAD-Modelle (in Anlehnung an [EiSt01]) Bei der Nutzung der Methode werden sowohl einmalige (meistens Kosten der Einführung) als auch laufende Kosten entstehen. Tabelle 5 zeigt Kosten in Bezug auf die entwickelte Methode. Die einmaligen Kosten werden von laufenden Kosten im Laufe der Zeit übertroffen. Deshalb ist es besonders wichtig, bei der Methodenkonzipierung in einem Unternehmen Zeitaufwände etc. beim Einsatz der Methode zu minimieren. Auch die oft vernachlässigten indirekten Kosten müssen ermittelt werden.