Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren

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1 Klaus Ehrlenspiel Alfons Kiewert Udo Lindemann Kostengünstig Entwickeln und Konstruieren Kostenmanagement bei der integrierten Produktentwicklung 4Q Springer

2 Inhaltsverzeichnis Kurzzeichen XXV 1 Einleitung Kostensenken - ein Problem der Produktentwicklung Ziele des Buchs Aufbau des Buchs Zur leichteren Nutzung des Buchs 4 2 Kostenverantwortung der Produktentwickler Was sind Kosten? Wer nimmt Einfluss auf die Kostenentstehung im Unternehmen? Beispiele für den Einfluss der Produktentwicklung auf die Kostenentstehung 14 3 Schwerpunkte beim Kostenmanagement für die Produktentwicklung Was ist Kostenmanagement? Marktgerechte Produkte entwickeln Kostengünstige Produkte entwickeln Kosteneffiziente Entwicklungsprozesse schaffen Probleme beim Kostenmanagement in der Produktentwicklung Führung Informationsverfügbarkeit Methoden- und Hilfsmitteleinsatz Anpassung des Kostenmanagements Produktart und Produktprogramm Produktionsart Ziel und Umfang des Kostenmanagements 34 4 Methodik und Organisation des Kostenmanagements für die Produktentwicklung Bausteine des Kostenmanagements Prozesse im Produktlebenslauf Der Mensch in der Organisation Das Individuum und die Arbeit im Team Integrative Organisationsformen Methoden des Kostenmanagements in der Produktentwicklung Probleme lösen mit dem Vorgehenszyklus Strategische Ausrichtung des Vorgehens Target Costing Integration der Methoden zur zielkostenorientierten Entwicklung 52

3 Inhaltsverzeichnis Aufgabenklärung: Anforderungsklärung, Zielkostenermittlung und aufspaltung Klären der Anforderungen Funktionsanalyse Ermitteln der Gesamtzielkosten Aufspalten der Gesamtzielkosten in Teilzielkosten Lösungssuche: Wie werden kostengünstige Lösungsansätze erarbeitet? Suche nach vorhandenen Lösungen Lösungssuche mit Hilfe physikalischer Effekte Variation der Gestalt Lösungssuche mit Hilfe von Kreativitätstechniken Konzeptentwicklung mit dem morphologischen Kasten Lösungsauswahl: Wie kann die beste Lösung ausgewählt werden? Analyse von Produkteigenschaften Bewertung und Entscheidung Zusammenfassung des methodischen Vorgehens Werkzeuge und Hilfsmittel zur Unterstützung des Kostenmanagements Fertigungs- und Kostenberatung der Konstruktion Kostenstrukturen Relativkosten Regeln Checklisten Portfolioanalyse Beispiel zum methodischen Vorgehen: Beschriftungslaser Aufgabenklärung Lösungssuche Lösungsauswahl Praxis des Kostenmanagements Einführung des Kostenmanagements Welcher Aufwand zum Kostensenken ist gerechtfertigt? Durchführung des Kostenmanagements Interdisziplinäre Arbeitsmethodik Planung, Steuerung und Kontrolle von Kostensenkungsprojekten" Innerbetriebliche Voraussetzungen Information und Weiterbildung Weitere bekannte Methoden zum Kostenmanagement Überblick Wertanalyse 115 Beeinflussung der Lebenslaufkosten Was sind Lebenslaufkosten? 119

4 Inhaltsverzeichnis XI 5.2 Was beeinflusst die Lebenslaufkosten? Wie entwickelt man auf Lebenslaufzielkosten hin? Verlängerung der Nutzungsdauer zur Senkung der Lebenslauf kosten Beispiele für die Verringerung von Lebenslaufkosten 133 Beeinflussung der Selbstkosten Selbstkosten im Unternehmen Verringern der Produktentwicklungskosten Schwerpunktbildung der Produktentwicklungsarbeiten Effizienzsteigerung der Produktentwicklung Leistungstiefe in der Produktentwicklung Produktentwicklung verursacht Komplexität im Unternehmen Komplexitätskosten Kosten der Teilevielfalt und der Technologiekomplexität Kosten von Produktvarianten 152 Einflüsse auf die Herstellkosten und Maßnahmen zur Kostensenkung Überblick über die Einflüsse und deren Stärke Einfluss der Aufgabenstellung Einfluss des Konzepts Einfluss der Gestalt Einfluss der Stückzahl Stückzahlrelevante Vorgänge Ursachen für die Stückzahldegression Einfluss der Baugröße und der Abmessungen Pauschale Wachstumsgesetze für Kosten Einfluss der Abmessungsverhältnisse von Wirkflächen Gemeinsamer Einfluss von Baugröße und Stückzahl Formale Beziehungen Berechnungsbeispiel Beispiel Stirnzahnräder und Folgerungen auch für andere Teile Einfluss der Auslegung Einfluss des Materials Bedeutung der Materialkosten Verringerung der Rohmaterialkosten Überblick Verringerung des Materialvolumens Verringerung der Materialkosten pro Volumen Einfluss der Leistungstiefe Überblick Vor- und Nachteile der Leistungstiefen- Verringerung Entscheidung zwischen Eigenfertigung und Zukauf Kostengünstig Konstruieren bei unsicherem Fertigungsort und mangelhafter Kostentransparenz Einfluss des Fertigungsverfahrens Überblick 212

5 XII Inhaltsverzeichnis Urformverfahren Wichtigste Gießverfahren Einflüsse auf die Kosten von Gussteilen Kostensenken durch Vollform-Gießverfahren Regehi zur kostengünstigen Gestaltung von Gussteilen Beispiele für die Gussgestaltung Kostengünstige Gestaltung von Kunststoffteilen Kostengünstige Konstruktion von Sinterteilen Umformverfahren Wichtigste Urnformverfahren Gestaltungsregeln Trennverfahren Wichtigste Trennverfahren Einflussgrößen auf die Kosten bei spanenden Verfahren Gestaltungsregeln bei spanenden Verfahren Hochgeschwindigkeitsfräsen und -schleifen Stanzen und Nibbeln Brenn-, Laser-, Plasma-, Wasserstrahlschneiden Verbindungen Wichtigste feste Verbindungen Kostengünstiges Konstruieren von Schweißgruppen (konventionelles Lichtbogenschweißen) Laser- und Elektronenstrahlschweißen Kleben Schrauben und andere Verbindungselemente Maßtoleranzen und Rauheit Montage Bedeutung montagegünstigen Konstruierens Einflussgrößen auf die Montagekosten Regeln zur kostengünstigen Montage Beispiele für montagegünstiges Konstruieren Qualitätskosten, Messen und Prüfen Variantenmanagement Ursachen und Auswirkungen der Produkt- und Teilevielfalt Externe Ursachen der Variantenvielfalt Interne Ursachen der Variantenvielfalt Vor- und Nachteile der Variantenvielfalt Vorteile einer hohen Variantenvielfalt Nachteile einer hohen Variantenvielfalt Maßnahmen zur Analyse der Variantensituation Analyse der Produkt- und Teilevielfalt Schnittstellenanalyse Verringerung der Produkt- und Teilevielfalt Normung und Standardisierung 305

6 Inhaltsverzeichnis XIII Konstruktive Teilefamilien bilden Integralbauweise bevorzugen Maßnahmen zur Verringerung der Rüstkostenverringerung einsetzen Organisatorische Maßnahmen zur Verringerung der Teilevielfalt Baureihenkonstruktion Definition, Zweck und Wirkung Normzahlreihen als Hilfsmittel zur Baureihenkonstruktion Ähnlichkeitsgesetze Grenzen für geometrisch ähnliche Baureihen Beispiel für eine Baureihe Baukastenkonstruktion Definition, Zweck und Wirkung Aufbau (Morphologie) von Baukästen Entwickeln von Baukästen Modularisierung Verwendung von Plattformen Prinziplösungen, Typisierung Parametrik, Konstruktionslogik Beispiel eines Baukastens in der Lager- und Fördertechnik Beispiel eines Baukastens bei Sportwagen Beispiel eines Baukasten / Baureihensystems für Traktoren Zusammenfassung Ergebnisse eines Kosten-Benchmarking Überblick und Vorgehen Kosten-Benchmarking in der Antriebstechnik Stirnzahnräder Vergleich geschweißter und gegossener Getriebegehäuse Wärmebehandlung und Härteverfahren Welle-Nabe-Verbindungen Montage von Getrieben Gesamtgetriebe und Kostensenkungsbeispiel Einfluss der Entsorgung auf die Herstellkosten Ausgangssituation und Motivation für entsorgungsgerechtes Entwickeln, Vorgehen beim entsorgungskostengünstigen Entwickeln Beispiel für eine entsorgungskostengünstige Anpassungskonstruktion Einige einfache Regeln zum Senken der Entsorgungskosten Grundlagen der Kostenrechnung für die Produktentwicklung Entstehung der Kosten des Herstellers 405

7 XIV Inhaltsverzeichnis 8.2 Kostenbegriffe für die Produkt-Herstellung Definition und Gliederung der Kosten Die Begriffe Verkaufspreis, Selbstkosten und Herstellkosten Die Kostenrechnung im Unternehmen Kostenartenrechnung Kostenstellenrechnung Kostenträgerrechnung Kalkulationsverfahren Summarische Zuschlagskalkulation Differenzierende Zuschlagskalkulation Beispiele für wirkliche Kostenentstehung und Zuschlagskalkulation Nachteile der Zuschlagskalkulation Platzkostenrechnung Prozesskostenrechnung Teilkostenrechnung Anwendung der Teilkostenrechnung Deckungsbeitragsrechnung Grenzkostenrechnung Kostenfrüherkennung bei der Entwicklung - entwicklungsbegleitende Kalkulation Überblick Ziele der entwicklungsbegleitenden Kalkulation Ablauf der entwicklungsbegleitenden Kalkulation Verfahren der Kurzkalkulation Möglichkeiten zur Aufwandsverringerung Kostenschätzung Kurzkalkulation Suchkalkulation - Ähnlichkeitskalkulation Ermittlung der Kosten über eine Einflussgröße Gewichtskostenkalkulation Materialkostenmethode Kurzkalkulation über leistungsbestimmende Größen Bemessungsgleichungen Kurzkalkulationsformeln mit mehreren Einflussgrößen Erstellung von Kurzkalkulationsformeln mit der Regressionsanalyse Beispiel für eine Kurzkalkulation mit mehreren Einflussgrößen Erstellung von Kurzkalkulationsformeln mit Optimierungsverfahren Verwendung neuronaler Netze zur Kostenermittlung Verwendung der Fuzzy-Logik zur Kostenermittlung Kurzkalkulation mit Kostenwachstumsgesetzen Vorgehensweise bei der Erarbeitung der Kurzkalkulation 471

8 Inhaltsverzeichnis XV Genauigkeit der Kurzkalkulationen Innerbetriebliche Genauigkeit der Vorkalkulation Überbetriebliche Genauigkeit der Vorkalkulation Ausgleich zufälliger Fehler Aktualisierung Rechnerintegrierte Kalkulation Rechnerintegration von Arbeitsplanung und Kalkulation Rechnerintegration von CAD, Arbeitsplanung und Kalkulation Beispielsammlung Beispiel Betonmischer" Ziel des Beispiels Problembeschreibung Beschreibung der konkurrierenden Produkte Ablauf des Kostensenkungsprojekts Aussagen des Fallbeispiels Beispiel,Zentrifugenständer" Einführung Aufgabe klären Wichtige Aussagen des Beispiels Beispiel zu Anwendung und Vergleich von Kurzkalkulationsverfahren: Lagerbock" Einführung Kostenermittlung in der Arbeitsvorbereitung und Vorkalkulation Gewichtskostenkalkulation für die Schweißkonstruktion, Stückzahl Kostenermittlung mit Kostenwachstumsgesetzen: Schweißausführung, Baugröße ^ =0,5 und Literatur 523 Anhang 545 A 1 Überblick - Einführung 545 A 2 Leitlinie zum Kostensenken 546 A 2.1 I Aufgabe und Vorgehen klären 546 A 2.2 II Lösungen suchen 548 A 2.3 III Lösung auswählen 551 A 2.4 Projektverfolgung, Auswertung 551 A 3 Wichtige Bilder und Regeln 552 A3.1 Kalkulation (Kostenentstehung) 552 A 3.2 Kostenstrukturen - Kostenziele - mitlaufende Kalkulation 554 A3.3 Materialkosten 556 A 3.4 Fertigungskosten 557 A3.5 Montagekosten 558 A 3.6 Variantenreduzierung 559 Sachverzeichnis 561

9 Table of contents Nomenclature XXV 1 Introduction Cost reduction - aproblemof product development Aims of thebook Structure of the book How to use thebook 4 2 The designer's responsibility for costs What are costs? Who influences costs in a Company? Examples of the influence of product development on costs 14 3 Key points in cost management for product development What is cost management? Developing market-driven products Developing cost-driven products Realizing cost-efficient development processes Problems of cost management in product development Management Availability ofinformation Using methods and tools Problems of adaptability to the type of product and production Type of product and product-program Type of production Aimand extent of cost management 34 4 Methodology and Organisation of cost management for product development Elements of cost management Processes during the product life-cycle The human in the Organisation Relation between the individual and team-work Integrative Organisation types Methods of cost management in the product development Procedural cycle for solving problems Strategy ofprocedure Target Costing Integration of methods for target-cost driven product development 52

10 XVIII Table of Contents Clarification of the task: Clarifying the requirements, defining and breakdown of the cost-target Clarification of the requirements Functional analysis Defining the total cost-target Splitting the total cost-target into individual cost targets Search for Solutions: How to find cost-effective Solutions? Search for known Solutions Search for Solutions by applying physical effects Variation of the shape Search for Solutions by creative techniques Concept development with the morphological matrix Evaluation of Solutions: How to find the best solution Analysis of product properties Evaluation and decision making Summary of the methodical procedure Tools and aids for cost managemen Advice regarding manufacturing and costing Cost structures Relative costs Rules Checklists Portfolio analysis Example of the methodical procedure: a laser writer Clarification of the task Search for Solutions Evaluation of the best solution Cost management in practice Introduction of cost management How much effort is justified for cost reduction? Executing cost management Interdisciplinary procedure Planning, steering and Controlling In-house pre-requisites Further development and education Other methods for cost management Overview Value analysis Influencing the life cycle costs What are life cycle costs? What has influence on life cycle costs? How to develop to a target for life cycle costs? Extension of usage period to lower live cycle costs 131

11 Table of contents XIX 5.5 Examples of life cycle cost reduction 133 Influencing the total cost Total cost in a Company Decreasing the cost of product development Priorisation of product development efforts Increasing the efficiency of product development Outsourcing in product development Product development causes complexity in the Company Cost of complexity Cost of the parts variety and the complexity of technology Cost of product variants 152 Influences on the cost of production and measures for cost reduction Overview of the influences and their magnitudes Influence of the task Influence of the concep Influence of the shape Influence of production quantity Processes influenced by the production quantity Reasons for cost degression with production quantity Influence of size and dimensions Flat-rate cost laws Influence of the geometrical relationships of active surfaces Combined influence of size and production quantity Formal relationships A calculation example An example of gears, with conclusion Influence oflayou Influence of material Importance of the material costs Reduction of raw material costs Overview Reduction of material volume Reduction of material cost per unit volume Influence of the degree of outsourcing Overview Pros and cons of outsourcing The make-or-buy decision Design to cost in case of uncertain manufacturing facilities and poor cost transparency Influence of the manufacturing process Overview Basic shaping processes Important casting processes Influence on the cost ofcast parts 220

12 XX Table of Contents Decreasing costs with füll mold casting processes Design rules for low-cost cast parts Examples of good designof cast parts Low cost designof plastic parts Low cost design of sintered parts Metal deformation processes Most essential metal deformation processes Rules for design Separation processes Most essential Separation processes Influences on the cost of machining processes Design rules for machining processes High-speed milling and grinding Punching and nibbeling Cutting by gas, laser, plasma and waterjet Joints Most important permanent joints Low cost design of welded parts (Conventionalelectric arc welding) Laser and electron-beam welding Adhesive processes Bolted and other joints Dimensional Tolerance androughness Assembly Importance of design for assembly Parameters affecting assembly cost Rules for design for assembly Examples of design for assembly Cost of quality, measurement and testing Management of variants Causes of product and parts variety External causes of variety Internal causes of variety Pros and cons of variety Advantagesof high variety Disadvantages of high variety Analysis of the products' and parts' variety Analysis of product and parts variety Analysis of interfaces Reducing the variety of products andpart Standardisation of parts Group technology Design parts in one piece Reduction of set-up costs Organisational measures to reduce parts' variety Developing size ranges 320

13 Table of Contents XXI Definition, purpose and effect Standard numbering series as an aid for developing size ranges Similarity principles Limits for geometrically similar size ranges Example of a size ränge Design of a modular product Definition, aim and effect Modular product systematics Development of modular products Modularisation Use ofplatforms Principle Solutions, typecasting Parametrics, logic of design Example of a modular product from storage and conveyor technology Modular systematic for sportcars Modular systematic for agricultural tractors Summary Results of acost-benchmarking Overview and procedure Cost-benchmarking in mechanical transmission System Gears Comparision between welded and cast gear housings Heat treatment and hardening processes Hub and shaft connection Assembly of gears A complete gear as an example for design to cost Influence of disposal on the production cost Starting point and motivation for design for environment Procedure for low-cost design for environment Example for a low-cost adaptive design for environment Some simple rules to reduce the disposal costs 404 Basics of costing for product development Howdo costs arise for the product manufacturer Cost definitions for the product manufacture Definition and structuring of the costs Selling price, total cost and manufacturing cost Cost accounting in a firm Cost type accounting Cost center accounting Job-order cost accounting Calculation processes Lump sumjob order costing Differentiating job order costing 417

14 XXII Table of Contents Examples of actual cost origination and job order costing Disadvantages of job order costing Work place costing Activity-based costing Variable costing Application of variable costing Contribution costing Direct costing Early cost identification methods in product development cost calculation concurrent with development Overview Aims of cost calculation concurrent with development Course of cost calculation concurrent with development Methods of short cost calculation Possibilities of reducing the effort for short cost calculation Cost estimation Short cost calculation Exploratory calculation for similar parts/products Cost estimation involving one parameter Weight-based costing Material-based costing Short cost calculation with performancedeterminingparameters Dimensioning equations from cost and technological Parameters Short cost calculation involving several parameters Short cost calculation with regression analysis Example for a short cost calculation with several parameters Short cost calculation with optimisation methods Application of neural nets for cost determination Application of Fuzzy logic for cost determination Short cost calculation using similarity laws Procedure for carrying out the short cost calculation Accuracy of short cost calculation In-house accuracy of costing Accuracy of costing across several companies Compensation for accidental errors Updating of short cost calculation Computer-integrated cost calculation Computer integration of process planning and costing Computer integration of CAD, process planning and costing Some examples Example: concrete mixer 491

15 Table of contents XXIII Aim of the example Descriptionof the problem Descriptionof the competing products Progression of the cost-reduction project Result of the example Example: Body of a centrifugal Separator Introduction Clarification of the task Essential results of the example Example of application and comparison of short cost calculation fora bearing pedestal Introduction Cost estimation in process planning and costing Weight-based cost estimation for a weldment, single unit produced Short cost calculation with similarity calculation for the weldedbody, size parameter cp L = 0,5 and Bibliography 523 Appendix 545 A 1 Overview introduction 545 A 2 Guidelines for cost reduction 546 A 2.1 I Clarification of task and procedure 546 A 2.2 II Search for Solutions 548 A 2.3 IIIEvaluation ofthebest solution 551 A 2.4 Project execution, evaluation 552 A 3 Important figures and rules 552 A 3.1 Calculation of origination of costs 552 A 3.2 Cost structures - cost targets - concurrent cost estimation 554 A 3.3 Material costs 556 A 3.4 Manufacturing (Production) costs 557 A 3.5 Assembly costs 558 A 3.6 Reducing the number of variants 559 Index 561