Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte

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1 Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte David Hellenbrand, Charalampos Daniilidis, Udo Lindemann Lehrstuhl für Produktentwicklung, TU München Boltzmannstr. 15, München Tel.: +49 (0) , Fax:+49 (0) Zusammenfassung Die verstärkte Nutzung der Mechatronik stellt durch Vorteile wie gesteigerte Leistungsfähigkeit und erweiterte Funktionalität ein Erfolgspotenzial für aktuelle und zukünftige Produkte dar. Diese Systeme sind geprägt durch ihre hohe Multidisziplinarität und die damit verbundene Komplexität, die sich direkt in den zu ihrer Erstellung notwendigen Prozessen wiederspiegelt. Daraus ergeben sich völlig neuartige Anforderungen und Randbedingungen für die zur ihrer Realisierung einzusetzenden Prozesse, Methoden und Entwicklungswerkzeuge. Die Beherrschung der Komplexität in der Entwicklung stellt somit eine zentrale Herausforderung dar. Zu diesem Zweck wurde ein generischer Ansatz für die funktionsorientierte Modellierung und Gestaltung mechatronischer Produkte und Prozesse entwickelt. Eine wesentliche Zielsetzung bestand in der effektiven Integration der verschiedenen beteiligten Disziplinen. Hierdurch soll eine bessere Synchronisation und eine gemeinsame Ausrichtung auf das Gesamtsystem unterstützt werden. Die entwickelte Modellierung basiert auf einer Multiple-Domain-Matrix, die es erlaubt, Abhängigkeiten innerhalb des Systems darzustellen und zu analysieren. Mit den Analysemöglichkeiten der MDM-Methodik können Abhängigkeiten zwischen sämtlichen Domänen des Produkt- und Prozessmodells dargestellt bzw. identifiziert werden, die bisher unbekannt waren und zu Integrationsproblemen geführt haben. Diese impliziten Abhängigkeiten können beim anschließenden Entwurf der Prozesse berücksichtig werden. Schlüsselwörter Interdisziplinarität, Synchronisation, Komplexität, Transparenz, integriertes Modell

2 Seite 40 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann 1 Einleitung und Motivation Die synergetische Nutzung der Disziplinen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik, welche auch mit dem Begriff Mechatronik bezeichnet wird [HTF96], stellt einen zentralen Innovationstreiber in der Entwicklung zukünftiger Produkte dar. Neue und innovative Funktionalitäten werden durch das Zusammenwirken der verschiedenen Disziplinen erst ermöglicht bzw. können verbessert werden. Die Produkte sind weiterhin geprägt von wachsenden Kundenanforderungen hinsichtlich Qualität, Funktionsumfang und Sicherheit. Die enge Vernetzung und Globalisierung der Märkte führt zu einem hohen Druck bezüglich Kosten und Entwicklungsdauer. Diesen Anforderungen kann nur mit einem steigenden Maß an produkt- als auch prozessseitigen Innovationen begegnet werden. Die Mechatronik führt jedoch nicht nur zu einer Erhöhung der Komplexität in den technischen Produkten, sondern auch in den zu ihrer Entwicklung und Realisierung notwendigen Entwicklungsprozessen [VDI2206]. Damit ergeben sich völlig neuartige Anforderungen und Randbedingungen für die Realisierung einzusetzenden Prozesse, Methoden und Entwicklungswerkzeuge. Die heute in der Industrie verwendeten Prozessmodellierungen sind zumeist nicht in der Lage ein übergreifendes Systemverständnis zu unterstützen, da disziplinübergreifende Abhängigkeiten und Meilensteine zu wenig beachtet werden. Dies ist auf unterschiedliche, nicht miteinander verknüpfte, Modellierungen von Produkt und dem zugehörigen Entwicklungsprozess zurückzuführen. Im Rahmen des (Munich Centre of Automotive Research) Kooperationsprojektes MechaTUM zwischen der TU München und der BMW Group wurde daher ein generischer Ansatz für die integrierte funktionsorientierte Modellierung von Produkt- und Entwicklungsprozess mechatronischer Produkte am Beispiel eines intelligenten Systems zur Ein-/ Ausstiegsunterstützung entwickelt. Diese Modellierung zielt dabei auf eine effektive Integration und Synchronisation aller beteiligten Disziplinen ab. Um diese zu erreichen wird eine verständliche und transparente Darstellung des Systems verwendet, welche von allen beteiligten Disziplinen verstanden werden kann. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse können grundsätzlich auch auf andere Produkte übertragen werden. 2 Potenziale und Herausforderungen Die verstärke Nutzung der Mechatronik stellt ein Erfolgspotenzial für zukünftige Produkte dar, da ein hoher Anteil der Innovationen auf mechatronische Systeme zurückzuführen ist. Die Zahl der unter Verwendung von Software und Elektronik realisierten Funktionen stieg daher in der Vergangenheit rapide an und wird auch weiter wachsen. Die Mechatronik zeichnet sich durch Vorteile wie gesteigerte Leistungsfähigkeit, verbesserte beziehungsweise erweiterte Funktionalität sowie ein günstigeres Preis/Leis-

3 Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte Seite 41 tungs-verhältnis aus [VDI2206]. Diesen Potenzialen stehen die Herausforderungen für die Unternehmen gegenüber. Die Beherrschung der steigenden Komplexität der Produkte, welche durch den wachsenden Vernetzungsgrad und durch die zunehmende Interdisziplinarität der Produkterstellung verursacht wird, stellt neue Anforderungen an die Prozesse und die Organisation der Unternehmen. Der hohe Vernetzungsgrad ist, zusammen mit der hohen Anzahl an Funktionen, eine Hauptursache für die erhebliche Zunahme der Produktkomplexität, die zu Problemen in den Prozessen führt. Die steigende Anzahl der Relationen und die Vielzahl der möglichen Systemzustände führen dabei zu einer Zunahme der statischen sowie der dynamischen Komplexität. Ein System wir hierbei als eine Menge an Elementen (z. B. Komponenten, Prozessschritte, Personen) aufgefasst, die gegliedert durch logische oder zeitliche Kopplungen, ein Ganzes bilden. Zwischen diesen Elementen bestehen Beziehungen abstrakter oder konkreter Natur (z. B. geometrische/funktionale Schnittstellen, Kommunikationswege). Somit stellen neben Produkten auch Prozesse sowie Organisationsstrukturen Systeme dar [Lin07]. Extreme Gewährleistungskosten und unzufriedene Kunden sind Folgen der nicht beherrschten Komplexität [GHK+06]. Die Integration heterogener Komponenten zu mechatronischen Systemen erfordert somit eine domänenübergreifende Kommunikation und Kooperation zwischen den beteiligten Fachdisziplinen. Grundvoraussetzung für eine bessere Beherrschung der gestiegenen Komplexität ist die effektivere Abstimmung der einzelnen Disziplinen beziehungsweise der Entwicklungsverantwortlichen (Synchronisation). Trotz der Verankerung von Simultaneous Engineering und den damit verbundenen interdisziplinären Teambesprechungen besteht jedoch häufig ein Mangel an disziplinübergreifender Kommunikation und interdisziplinärem System- und Problemverständnis. Dies äußert sich beispielsweise in kostspieligen Iterationen und Änderungen in späten Phasen. Diese Integrationsprobleme sind nach [Wal01] dabei häufig auf eine unzureichende Ausrichtung auf Gesamtsystems bei der Entwicklung der Einzelkomponenten zurückzuführen. Der Verbesserung dieses Umstandes durch eine integrativere Zusammenarbeit stehen stark unterschiedliche Begriffswelten, Denk- und Vorgehensweisen der einzelnen Disziplinen entgegen [Sch00]. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die relevanten IT-Werkzeuge zu einer Entwicklungsumgebung zusammenzuführen und das Zusammenspiel der Werkzeuge modell-, system-, prozess- und verfahrenstechnisch zu unterstützen [VDI2206]. 3 Integrierte Produkt- und Prozessmodellierung Die Grundlage der entwickelnden Modellierung bildet eine umfassende Prozessanalyse realer Entwicklungsprozesse sowie zugehöriger produkt- und prozessbezogener Dokumente. Die Ergebnisse dieser Analysen unterstreichen, dass die Handhabung der Komplexität eine wesentliche Herausforderung interdisziplinärer Entwicklungsprozesse ist [LMB09]. Der hohe Vernetzungsgrad muss auf der Produktebene, auf der Prozessebene

4 Seite 42 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann sowie auf der organisatorischen Ebene beherrscht werden. Auf diese Weise kann ein Bewusstsein für die direkten und indirekten Einflüsse und Abhängigkeiten geschaffen werden, was in der Folge dazu führt, dass Änderungen mit samt ihren Auswirkungen besser abgeschätzt werden können. Die Notwendigkeit für die Schaffung eines allgemeinen Systemverständnisses, zudem die Kenntnis über Abhängigkeiten zu zählen ist, ist deutlich aus den Ergebnissen heraus zu lesen. Die verwendete Modellierung basiert daher auf der MDM-Methodik (Multiple Domain Matrix). Die Erfassung von Systemen in Form von Matrizen und die Darstellung mittels dynamischer Grafen erlaubt eine transparente Visualisierung und eine umfangreiche Analyse der Elemente des Systems und deren Relationen [LMB09]. Die Identifikation und Interpretation von Teilstrukturen sowie Strukturelementen ermöglicht die Ableitung konkreter Handlungsoptionen für die strukturelle Optimierung komplexer Systeme. Weitere Vorteile bei der Verwendung eines matrixbasierten Produkt- und Prozessmodells sind die einfache Darstellung im Rechner sowie diverse strukturelle Analyse- und Optimierungsmöglichkeiten. Für detailliertere Informationen über die zugrunde liegende MDM-Methodik siehe [LMB09]. Eine softwaretechnische Unterstützung stand in Form des Tools Loomeo zur Verfügung, welche am Lehrstuhl für Produktentwicklung entwickelt wurde. Für die Beschreibung des mechatronischen Systems und des zugehörigen Entwicklungsprozesses wurde eine funktionale Sichtweise als geeignete Beschreibungsform identifiziert. Die Funktionen werden dabei durch Systemelemente, wie Software, Steuergeräte, Elektrik oder mechanische Grundstruktur, realisiert. Dabei ist zu beachten, dass die Denkweise der Bereiche Software und Elektrik/Elektronik funktionsgetrieben, und die der klassischen mechanischen Konstruktion bauteilgetrieben ist. Die Modellierrung muss daher in der Lage sein beide Sichtweisen zu integrieren. Im Folgenden wird das entwickelte Modell der funktionsorientierten Produkt- und Prozessmodellierung vorgestellt. Grundlegende Ideen und Ansätze wurden dabei bereits in [BDP+07], [DHL08] sowie [Die09] gezeigt, auf die für detailliertere Informationen verwiesen wird. In diesem Beitrag soll das Zusammenwirken der einzelnen Teilmodelle sowie deren Anwendung verdeutlicht werden. 3.1 Funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung Im Folgenden werden der Aufbau des integrierten Produkt- und Prozessmodells sowie das Vorgehen zu seiner Erstellung beschrieben. Die hier vorgestellten Schritte können somit gleichzeitig als Leitfaden zur Erstellung des Modells angesehen werden Produktmodellierung Der erste Schritt bildet die Erstellung des mechatronischen Produktmodells, welches das betrachtete technische System beschreibt. Der verwendet MDM-basierte Ansatz erlaubt

5 Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte Seite 43 es, die zwei unterschiedlichen bisher nur unzureichend integrierten Sichtweisen auf das System in einem Modell zu vereinen. Dabei handelt es sich um die funktionsorientierte Sichtweise mit Funktionshierarchien (Kundenfunktionen bis hin zu grundlegenden Elementarfunktionen) und Funktionsstrukturen (funktionale Abhängigkeiten) und um die bauteil- oder komponentenorientierte Sicht, in der Systemhierarchien (Module, Baugruppen, Bauteile) und Systemstrukturen (Wirkstrukturen) zur Beschreibung verwendet werden. Das mechatronische System wird hierbei mit Hilfe von mehreren (Teil-)Matrizen beschrieben, in denen jeweils bestimmte Teilaspekte des Systems modelliert werden (siehe Bild 1). Im entwickelten Ansatz werden im Produktmodell die Domänen Funktionen und Systemelemente des Systems betrachtet. Verknüpfung Funktionen - Systemelemente Funktionshierarchie Systemhierarchie Wirkstruktur Bild 1: MDM basiertes mechatronisches Produktmodell [nach BDP+07] Am Beispiel des Produktmodells wird hier kurz der Aufbau einer Multiple-Domain- Matrix erläutert. Eine MDM besteht aus mehreren Teilmatrizen, in denen jeweils die Elemente und Abhängigkeiten innerhalb einer Domäne sowie die Verknüpfungen zwischen den Domänen modelliert werden. Auf der Diagonale befinden sich die sogenannten Design Structure Matrizen (DSM), in denen Relationen innerhalb einer Domäne (hier Funktionen bzw. Systemelemente) abgebildet sind. Eine Relation zwischen zwei Elementen wird durch einen Eintrag im entsprechenden Feld der Matrix dargestellt. In diesem Fall sind hier Funktions- (oben links) und Wirkstruktur (unten rechts) auf unterschiedlichen Detaillierungsebenen (verbunden über Hierarchien) hinterlegt. In den Teilmatrizen außerhalb der Diagonale werden Verknüpfungen zwischen den Domänen hinterlegt. Diese Matrizen werden folglich als Domain-Mapping-Matrizen (DMM) be-

6 Seite 44 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann zeichnet. Im hier betrachteten Produktmodell sind Abhängigkeiten (Verknüpfungen) zwischen Teilfunktionen und Systemelementen auf der Ebene mit dem höchsten Detaillierungsgrad modelliert. Die Kombination von DSM und DMM in einem übergeordneten Modell wird als Multiple-Domain-Matrix (MDM) bezeichnet, da hier mehrere Domänen gleichzeitig abgebildet werden. Der gewählte Ansatz ermöglicht somit eine transparente Verknüpfung der erstellten Teilmodelle. Die Strukturen/Verknüpfungen (wie Funktionsabhängigkeiten) innerhalb einer Domäne sind modelliert und können beispielsweise durch stärkebasierte Grafen grafisch dargestellt werden. Weiterhin sind auch die Verknüpfungen zwischen den betrachteten Domänen abgebildet, so dass diese Repräsentation einen einfachen Wechsel zwischen funktions- und bauteilorientierter Sichtweise erlaubt. Dies unterstützt ein tieferes Systemverständnis und eine bessere Kommunikation zwischen den Bereichen. Neben der Integration der beiden unterschiedlichen Sichtweisen werden mit diesem Modell weiterhin sämtliche Vorteile der MDM Darstellung und der zugrundeliegenden Methodik nutzbar gemacht. Zur Erstellung des Produktmodells werden somit Systemhierarchie (Module, Baugruppen, Systemelemente) und Systemstruktur (Wirkstruktur), Funktionshierarchie und Funktionsstruktur sowie die Verknüpfung von Systemelementen und Elementarfunktionen des mechatronischen Systems benötigt. Diese müssen in die Matrixdarstellung übertragen werden Prozessmodellierung Mit der Zielsetzung einer integrierten sowie funktionsorientierten Darstellung des mechatronischen Produktentwicklungsprozesses wurde im Rahmen des Projektes eine geeignete Modellvorstellung entwickelt. Das erstellte Prozessmodell (siehe Bild 2) unterliegt einem hierarchischen Aufbau. Zur Erfüllung einer Kundenfunktion (große Pfeile) werden unterschiedliche Teilfunktionen (mittlere Pfeile) benötigt. Die Erfüllung dieser Teilfunktionen geschieht durch Systemelemente (Komponenten), die wiederum von unterschiedlichen Disziplinen erstellt werden (domänenspezifischer Entwurf, kleine Pfeile). Eine Absicherung der Funktionalität findet bereits auf den Ebenen von Systemelementen und Teilfunktionen statt. Die Kundenfunktionen müssen zu bestimmten Zeitpunkten (Meilensteine) mit gewisser Reife X vorliegen um abgeprüft werden zu können. Während dieser funktionsabprüfenden Meilensteine läuft der Entwicklungsprozess auf allen Ebenen weiter. Somit müssen die Ergebnisse der Funktionsüberprüfung in den laufenden Prozess eingespielt werden. Hierbei ist zu beachten, dass die entsprechenden Systemelemente in dieser Zeit weiterentwickelt wurden und dies bei der Interpretation der Ergebnisse einfließen muss. Die Verknüpfung des Modells mit den Verantwortlichen erfolgt über die Bearbeiter der Arbeitspakete. Das funktionsorientiere Prozessmodell enthält somit die Domänen Arbeitspakete, Verantwortlichkeiten und Meilensteine.

7 Meilenstein: Kundenfunktion mit Reifegrad X Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte Seite 45 Zeit Interdisziplinäre Ergebnisdiskussion Kundenfunktion Teilfunktionen Systemelemente Funktionsmodell Produktmodell Freeze des Entwicklungsstandes Absicherung Prozessmodell Reifegradmodell Integration von Verantwortlichkeiten Bild 2: Funktionsorientiertes Prozessmodell [nach BDP+07] 3.2 Integriertes mechatronisches Produkt- und Prozessmodell In den beiden vorherigen Abschnitten wurden die Modelle für das mechatronische Produkt sowie das Prozessmodell mit den zugehörigen Domänen beschreiben. Ziel ist die Erstellung eines integrierten Modells, welches Abhängigkeiten zwischen Produkt- und Prozess abbildet und so eine optimale Synchronisation der beteiligten Disziplinen erlaubt. Daher müssen die beiden Partialmodelle miteinander verknüpft werden. Die Verknüpfung kann über sogenannte Ergebnisumfänge erfolgen. Unter Ergebnisumfängen sind hierbei sämtliche Zwischen- und Arbeitsergebnisse zu verstehen, die zur Erstellung der Systemelemente beitragen bzw. dazu benötigt werden. Dabei kann es sich um Anforderungslisten, (Funktions-)Modelle, Berechnungen, Prototypen etc. handeln. Im oberen linken Teil des integrierten Modells, bei dem es sich ebenfalls um eine Multiple Domänen Matrix (MDM) handelt, ist das Produktmodell mit den betrachteten Domänen Funktionen und Systemelemente zu finden. Im unteren Teil befindet sich das Prozessmodell mit den Domänen Arbeitspakete, Verantwortlichkeiten und Meilensteine. Dazwischen befinden sich als verbindende Elemente die Ergebnisumfänge, welche ebenfalls zum Prozessmodell gezählt werden. Die Verknüpfungen zwischen Produkt und Prozess werden in den restlichen Teilmatrizen abgebildet.

8 Verantwortlichkeiten Systemelemente Arbeitspakete Ergebnisumfänge Funktionen Seite 46 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann Funktionen Systemelemente Ergebnisumfänge Arbeitspakete Verantwortlichkeiten Meilensteine Produktmodell Verknüpfung der Partialmodelle Prozessmodell Bild 3: Integriertes mechatronisches Produkt- und Prozessmodell Der Vorteil dieser Modellierung besteht darin, dass Verknüpfungen und Abhängigkeiten zwischen den enthalten Domänen dargestellt bzw. abgeleitet werden können. Mit den Analyse- und Berechnungsmöglichkeiten der zugrundeliegenden MDM-Methodik können so Fragestellungen wie die Verknüpfung von Personen mit Funktionen/Systemelementen oder welche Funktionen/Systemelementen von welchen Meilensteinen betroffen sind beantwortet werden. Das entwickelte integrierte Produkt- und Prozessmodell ist somit in der Lage, die zentralen identifizierten Herausforderungen interdisziplinärer Entwicklungsprozesse zielgerichtet zu unterstützen. Im folgenden Kapitel werden einige Auszüge der Möglichkeiten der Anwendung des Modells aufgezeigt. Diese sollen dabei lediglich als Beispiele zur Veranschaulichung dienen und sind nicht vollständig. 4 Anwendung des integrierten Modells 4.1 Analysemöglichkeiten und Interpretation Zur Verdeutlichung der in den jeweiligen Partialmodellen enthaltenen Informationen sowie deren Interpretation wurde eine grafische Darstellung des vollständigen Modells erstellt (siehe Bild 4). Die enthaltenen sechs Domänen (Funktionen, Systemelemente, Ergebnisumfänge, Arbeitspakete, Verantwortlichkeiten und Meilensteinen) werden

9 Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte Seite 47 durch grafische Symbole repräsentiert. Innerhalb der einzelnen Teilmatrizen können so die enthaltenen Verknüpfungen bzw. Abhängigkeiten identifiziert werden. Im oberen linken Teil ist das Produktmodell mit den Domänen Funktionen und Systemelemente dargestellt. Auf der Diagonale sind die Verknüpfungen der Funktionen bzw. der Systemelemente (Wirkstruktur) untereinander abgebildet. In der dritten eingezeichneten Teilmatrix des Produktmodells sind die Verknüpfungen zwischen beiden Domänen modelliert (vgl ). Dies gilt analog für das gesamte Modell, wobei in der grafischen Darstellung nicht alle Teilmatrizen mit deren Bedeutung hinterlegt wurden. Es ist außerdem anzumerken, dass die gesamte Matrix im vorliedenden Fall symmetrisch ist und daher nur der Teil oberhalb der Diagonale betrachtet werden muss. MS Funktionen MS Ergebnisumfänge Systemelemente Verantwortlichkeiten Produktmodell MS MS Arbeitspakete MS Meilensteine Prozessmodell MS MS Bild 4: Analysemöglichkeiten im integrierten Modell Zur Erstellung des Modells ist es nicht notwendig sämtliche Teilmatrizen mit vorliegenden Daten zu füllen. Mit Hilfe der MDM-Methodik ist es möglich, mit Hilfe von bestimmten Teilmatrizen weitere zu berechnen. Somit können beispielweise indirekte Abhängigkeiten aufgedeckt und analysiert werden, die bisher unbekannt waren und daher nicht berücksichtig wurden. So kann beispielsweise die Funktionsstruktur (DSM) aus der Wirkstruktur (DSM) und der Verknüpfung Systemelemente Elementarfunktionen (DMM) berechnet werden. Es gilt auch allgemein, dass aus jeweils einer DSM und einer DMM die angrenzende DSM der zweiten Domäne berechnet werden kann [LMB09]. Auf diese Weise ist es möglich mit einer bestimmten Anzahl von Inputmatrizen das gesamte Modelle zu berechnen.

10 Seite 48 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann Dieser Input ist dunkel in Bild 4 dargestellt und entspricht den im nächsten Abschnitt beschriebenen Matrizen. Die daraus berechneten Teilmatrizen können genutzt werden, um direkt nur schwer zu erfassende Relationen abzuleiten oder domänenübergreifende Abhängigkeiten zu erkennen. So wurde beispielsweise die Funktionsstruktur lediglich berechnet, da eine direkte Erfassung der Funktionsabhängigkeiten nicht durchführbar war. Weiterhin kann über die Beziehungen zwischen Ergebnisumfängen, Meilensteinen und Systemelementen abgeleitet werden, welche Systemelemente von welchem Meilenstein betroffen sind. Analog gilt dies auch für die Funktionen des Systems. Mit Hilfe der Verknüpfungen von Personen, Arbeitspaketen und Systemelemente ergeben sich die für einzelne Systemelemente verantwortlichen Personen. Auch dies gilt in analoger Weise für die Funktionen. 4.2 Strukturierung und Planung mechatronischer Entwicklungsprozesse In diesem Vorgehen wird davon ausgegangen, dass die grundsätzlichen Arbeitsschritte zur Erstellung des Systems bekannt sind. Dies ist bei Serienentwicklungen der Fall. Der erste Schritt besteht in der Analyse der (groben) Arbeitspakete und deren Beziehungen untereinander (Input/Output). Diese Relationen werden in einer Arbeitspakte DSM abgebildet. Aus der Analyse dieser Matrix können bereits grundlegende Hinweise über parallel und sequenziell zu bearbeitende Arbeitspakte gewonnen werden (vgl. Triangularisierung [LMB09]). Weiterhin können mittels Analysen der zugehörigen stärkebasierten Grafen oder Clusteranalysen zentrale Meilensteine im Prozess identifiziert werden. Es bieten sich hierfür Punkte an, an denen entweder viele Arbeitspakete einer Domäne oder Arbeitspakete unterschiedlicher Domänen zusammenfließen. Hieraus lässt sich die Grobstruktur des Entwicklungsprozesses mit zentralen Meilensteinen ableiten. Der nächste Schritt ist die Definition von Ergebnisumfängen, die zur Erfüllung der Meilensteine vorliegen müssen. Diese Festlegung der zu erbringenden Ergebnisumfänge ist eng mit den Überlegungen zur Produktreife verbunden. Es muss analysiert werden, welche Teilfunktionalitäten zu welchen Zeitpunkten im Prozess sinnvoll abgeprüft werden können. Aufbauend auf diesen Überlegungen können Anforderungslisten für die einzelnen Ergebnisumfänge abgeleitet werden. Die Modellierung der Beziehungen zwischen Meilensteinen und Ergebnisumfängen erfolgt über eine DMM. Im Anschluss daran können die Arbeitspakte in die Grobstruktur eingegliedert werden. Die Verknüpfung erfolgt ebenfalls über eine DMM, in der die zur Erstellung eines Ergebnisumfangs notwenigen Arbeitspakete eingetragen werden. Hierbei kann überprüft werden, ob Arbeitspakete vergessen oder zu falschen Zeitpunkten im Prozess eingeordnet wurden. Weiterhin können die Ergebnisumfänge sehr einfach mit den zugehörigen

11 Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte Seite 49 Systemelementen aus dem (separat erstellten) Produktmodell in einer weiteren DMM verknüpft werden. Mit diesen Verknüpfungen lassen sich weitere Analysen durchführen. So kann beispielsweise analysiert werden, ob die Reihenfolge der Arbeitspakte aufgrund bisher nicht berücksichtigter Abhängigkeit in der Produktstruktur angepasst werden muss. Der letzte Schritt besteht aus der Verknüpfung der Arbeitspakte mit Bearbeitern bzw. Verantwortlichkeiten. Mit diesen vorliegen Teilmatrizen kann anschließend das gesamte integrierte Modell vervollständigt werden (vgl. Abschnitt 4.1). 4.3 Ableitung von Organisationsstrukturen Neben der Planung von Prozessen kann die verwendete Methodik auch zur Erstellung bzw. Optimierung von Organisationsstrukturen verwendet werden. Hierzu muss nicht das gesamt Modell aufgestellt werden, stattdessen ist die Betrachtung eines um Verantwortlichkeiten erweitertes Produktmodell ausreichend. Zunächst wird dazu analog zu Abschnitt 3.1 das Produktmodell durch Modellierung der Wirkstruktur und der Verknüpfung Systemelemente Funktionen erstellt. Mit den gezeigten Berechnungen (Abschnitt 4.1) kann damit zunächst die die Funktionsstruktur berechnet werden. Mit Hilfe der zusätzlichen Verknüpfung Funktionen Verantwortlichkeit (DMM) kann daraus die Struktur der Verantwortlichen abgeleitet und beispielsweise als Graph visualisiert werden (siehe Bild 5 rechts). Verknüpfung Verantwortlichkeiten aufgrund der Funktionen Grafische Repräsentation der Funktionsstruktur Bild 5: Funktionsstruktur und Verknüpfungen von Verantwortlichkeiten Das berechnete Netzwerk zeigt Verknüpfungen zwischen den Verantwortlichen aufgrund der Abhängigkeiten der Funktionen. Im dargestellten Beispiel ist deutlich zu er-

12 Seite 50 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann kennen, dass ein sehr eng vernetztes Kernteam existiert, in dem die eigentliche Entwicklung des Systems stattfindet. Darüber hinaus gibt es ein erweitertes Netzwerk von Personen, welche nicht direkt an der Entwicklung beteiligt sind sondern nur indirekt darauf einwirken. Beispiele hierfür sind das Design oder der Versuch. Diese Informationen können als Grundlage für die Optimierung von Organisationsstrukturen bzw. für die Gestaltung von interdisziplinären Teamsitzungen verwendet werden. 5 Resümee und Ausblick Im vorliegenden Beitrag wird die integrierte funktionsorientierte Modellierung interdisziplinärer Produkte und Entwicklungsprozesse auf Basis der MDM-Methodik gezeigt. Mit ihrer Hilfe kann die Komplexität, welche aufgrund des Zusammenspiels unterschiedlicher Disziplinen entsteht, beherrscht werden. Sie unterstützt durch die transparente Darstellung von Anhängigkeiten zwischen den Domänen die Bildung einer einheitlichen Sichtweise auf das Gesamtsystems. Somit wird das allgemeine Systemverständnis unterstützt und die Synchronisierung der beteiligten Disziplinaren ermöglicht. Das entwickelte integrierte Produkt- und Prozessmodell bietet die Möglichkeit, Abhängigkeiten innerhalb des Produkte und des Prozesses transparent darzustellen und zu analysieren. Somit können zusammengehörige Entwicklungsumfänge abgeleitet werden, welche Grundlage für den späteren Prozess bilden. Die grundlegenden Interpretation der enthaltenen Partialmodelle sowie die Anwendung zur Optimierung von Prozess- und Organisationsstrukturen wurden anhand zweier Beispiel verdeutlicht. Für das zukünftige Vorgehen ist die Erstellung eine umfassende Toolunterstützung zur Erstellung, Analyse und Visualisierung des Modells notwendig. Diese muss auch eine geeignete die Darstellung und Manipulation des Entwicklungsprozesses zur Prozessplanung umfassen. Im Verlauf des Projektes wurden hierzu lediglich konzeptionelle Überlegungen angestellt. Eine Möglichkeit zur Visulisierung des MDM-Modells ist bei [DHL08], [Die09] gezeigt. Hierbei ist anzumerken, dass die verwendet Matrixdarstellung nur Bedingt für die Arbeit von Entwicklern geeignet ist. Hierfür muss eine intuitiv verständlichere Repräsentation gefunden werden. Weiterhin muss anhand weiterer Anwendungsszenarien gezeigt werden, dass das Modell auch für weitere Anwendungsfälle übertragen werden kann bzw. welche Anpassungen notwendig sind. Bisher wurde die Modellierung nur auf automobile Entwicklungsprozesse angewandt und daran verifiziert. Theoretische Überlegungen widersprechen der generellen Übertragbarkeit nicht, jedoch muss diese noch durch praktische Anwendung in weiteren Projekten nachgewiesen werden. Hierzu zählt auch die Anwendung auf nicht Serienentwicklungen. Die Erfahrungen im Projekt zeigen, dass die Methode grundsätzlich geeignet erscheint, jedoch müssen die erforderlichen Anpassungen detaillierter erfasst werden.

13 Integrierte funktionsorientierte Produkt- und Prozessmodellierung mechatronischer Produkte Seite 51 Literatur [BDP+07] [Die09] [DHL08] [GHK+06] [HTF96] [Lin07] [LMB09] [Sch00] [VDI2206] [Wal01] BRAUN, S. C; DIEHL, H.; PETERMANN, M.; HELLENBRAND, D.; LINDEMANN, U.: Function Driven Process Design for the Development of Mechatronic Systems. In: Proceedings of the 9th International DSM Conference, Shaker Verlag, München, 2007 DIEHL, H.: Systemorientierte Visualisierung disziplinübergreifender Entwicklungsabhängigkeiten mechatronischer Automobilsysteme. Dissertation, Fakultät für Maschinenwesen, TU München, München, 2009 DIEHL, H.; HELLENBRAND, D.; LINDEMANN, U.: Transparent 3D Visualization of mechatronic system structures. In: Proceedings of the 10thinternational design conference, May 19 22, 2008 Dubrovnik Croatia Zagreb: Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, University of Zagreb, Design Society, Glasgow, 2008 GAUSEMEIER, J.; HAHN, A.; KESPOHL, H. D.; SEIFERT, L.: Vernetzte Produktentwicklung: Der erfolgreiche Weg zum Global Engineering Networking. Hanser Verlag, München, 2006 HARASHIMA, F.; TOMIZUKA M.; FUKADA, T.: Mechatronics- What Is It, Why, and How? An Editorial, IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, Vol. 1, Nr. 1, 1996 LINDEMANN, U.: Methodische Entwicklung technischer Produkte. 2. Auflage, Springer Verlag, Berlin, 2007 LINDEMANN, U.; MAURER, M.; BRAUN, T.: Structural Complexity Management An Approach for the Field of Product Design. Springer Verlag, Berlin, 2009 SCHÖN, A.: Konzept und Architektur eines Assistenzsystems für die mechatronische Produktentwicklung. Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, 2000 VDI Richtlinie 2206: Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme. Beuth- Verlag, Berlin, 2004 WALTHER, C.: Systemtechnische Zusammenhänge zwischen Eigenschaften und Funktionen großer Systeme Methoden zur Darstellung von Änderungen. München: Utz München, 2001 Autoren David Hellenbrand ist seit 2007 Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktentwicklung der TU München. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen der Optimierung interdisziplinärer Entwicklungsprozesse, der methodischen Unterstützung der Konzeptfindung sowie dem Kostenmanagement in frühen Entwicklungsphasen. Charalampos Daniilidis ist seit 2008 Mitarbeiter des Lehrstuhls für Produktentwicklung der TU München. Seine Forschungsinteressen liegen im Bereich der Unterstützung interdisziplinärer Entwicklungsprozesse sowie in der Modularisierung von Produktarchitekturen und dem damit eng verbundenen Variantenmanagement. Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann, Jahrgang 1948, war nach seiner Promotion 1979 an der TU München in verschiedenen verantwortlichen Positionen der Industrie im Bereich der Produktentwicklung tätig. Seit 1995 ist er Ordinarius am Lehrstuhl für Produktentwicklung der TU München. Die Forschungstätigkeiten konzentrieren sich unter anderem auf die Entwicklung von Strategien für die frühen Entwicklungsphasen, das Kos-

14 Seite 52 D. Hellenbrand, C. Daniilidis, U. Lindemann tenmanagement in der Entwicklung, Methoden und Vorgehensweisen zur Produktinnovation sowie die Betrachtung psychologischer Einflüsse auf das Denken und Handeln des Produktentwicklers.

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