Sonstige 3 % (4) Konstruktionsfehler 38 % (52) Produktionsfehler 34 % (46) Abb. 1.2: Mangelursachenbezogene Verteilung der Rückrufaktionen 1

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1 VDI-Arbeitskreis Konstruktion und Entwicklung; Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. P. Winzer, Dipl.-Ing. Stefan Ott 1 Motivation Zwar sind die Ausfälle, die im Jahr 2004 zu registrierten Rückrufaktionen führten, nur in etwa 11% der Fälle auf elektronische Komponenten zurückzuführen, jedoch konstatieren die Statistiken des Kraftfahrt-Bundesamtes für 38% aller Fälle, dass die Ursache der Ausfälle auf Entwicklungsfehler zurückzuführen ist und für 34% auf Produktionsfehler. 1 Diese Statistiken weisen auf eine besondere Problematik bei der Integration von Komponenten verschiedener Domänen hin und damit auf die Schwierigkeiten bei der Entwicklung und Produktion mechatronischer Systeme. Sonstige 3 % (4) Material- oder Fertigungsfehler 25 % (35) Konstruktionsfehler 38 % (52) Produktionsfehler 34 % (46) Abb. 1.2: Mangelursachenbezogene Verteilung der Rückrufaktionen 1 Konsequent ist daraus zu schließen, dass es Handlungsbedarf bei der Entwicklung mechatronischer Systeme gibt, denn die Entwicklungsmethoden scheinen den Aufgaben nicht gewachsen zu sein. Es gilt die Konsistenz und die Erfüllung der gestellten Anforderungen der mechatronischen Produkte über das gesamte Produktleben zu gewährleisten und bereits in der Entwicklung Zusammenhänge aus späteren Phasen des Produktlebens zu verstehen. 1 KBA: Auszug aus dem Jahresbericht 2004: Kraftfahrzeugtechnik. Online verfügbar unter: [ ] Seite 1

2 Aus den Erfahrungen eines Motorenherstellers konnten wir lernen, dass die zunächst offensichtlichen Vorteile eines innovativ erscheinenden Produktkonzeptes dieses nur dann wirklich auszeichnen, wenn das Zusammenwirken der Elemente während der Nutzungsphase ebenfalls im Detail bekannt sind. In diesem Fall wurde die Konstruktion der Rotoren von Drehstrommotoren optimiert. Eine höhere Leistung des Motors konnte erzielt werden, ebenso eine Vereinfachung des Fügungsprozesses, aber die Lebensdauer des Motors verkürzte sich unvorhergesehen extrem. 2 Besonderheiten aus dem Fokus der Betrachtungen Die ingenieurwissenschaftliche Sicht des Produktlebenszyklusses (PLC) schaut auf die Prozesse. Die tatsächliche Folge der Prozesse und Phasen ist abhängig vom Lebenszyklus-Szenario, dass durch die Charakteristika des Produktes und dessen Qualitätsmanagementsystem bestimmt wird. [2 Für mechatronische Systeme bedeutet dies insbesondere, dass die Entstehungsprozesse der elektronischen und mechanischen Teilsysteme sowie der Software miteinander vereinbar und abgestimmt gestaltet werden müssen. Sensibilität durch die Wechselwirkungen der Elemente verschiedener Domänen, Variabilität durch die programmierbaren Systemkomponenten und eine Erhöhte Komplexität und Dynamik aufgrund des Zusammenwirkens zeichnen moderne Systeme aus. Abb. 1.2: Mechatronische Systeme als Kombination verschiedener Domänen Hata, T. et al.: Product Life Cycle Simulation with Quality Model. Department of Precision Machinery Engineering, University of Tokyo. Lippold, C.: Eine domänenübergreifende Konzeptionsumgebung für die Entwicklung mechatronischer Systeme. Seite 2

3 Mechatronische Systeme dürfen daher durch ihre strukturelle Inhomogenität nicht aus einem Blickwinkel betrachtet werden, sondern die Elemente und Komponenten müssen getrennt aber in ihrem Zusammenwirken betrachtet werden. Die Synergie der Kombination betont die besondere Qualität der Interoperation und damit die besonderen Möglichkeiten von mechatronischen Systemen, aber auch deren besondere Sensibilität. Es herrscht ein Konsens in der Qualitätswissenschaft darüber, dass die Entwicklung von Produkten nur dann zielgerichtet sein kann, wenn kontinuierlich die Anforderungen seitens der verschiedenen Stakeholder an das System betrachtet und deren Erfüllung bewertet wird. Ein wirksames und effektives Anforderungsmanagement ist nur über die iterative Anpassung der Detailliertheit an das System und die kontinuierliche Vernetzung der Anforderungen mit den Systemstrukturen umsetzbar. Herausforderungen für geeignete Entwicklungsmethoden sind: Die multidimensionale Betrachtung des Systems zur vollständigen Modellierung und der Erfassung der Zusammenhänge Die systematische Reduzierung der Komplexität Der Einbeziehung verschiedener Ingenieursdisziplinen in allen Phasen des Produktlebenszyklusses und Betrachtung deren Wechselwirkungen Ein funktionierendes Anforderungsmanagement über den Produktlebenszyklus (einschließlich eines iterativen Vorgehens) Die dokumentierte Rückverfolgbarkeit von Erkenntnissen, Änderungen und Bewertungen (Änderungsmanagement) Die parallele Betrachtung mehrerer Lösungsvarianten zum Vergleich Unternehmensspezifische Vernetzung von Methoden über den Produktlebenszyklus. 3 Methodenvielfalt Auf dem Gebiet der Methoden zur anforderungsgerechten Entwicklung von Systemen gibt es eine Vielzahl an etablierten Methoden wie z.b. die VDI 2206, die eine Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme beschreibt, oder auch das Requirements Engineering, welches zum Ziel hat die Anforderungen an ein System über das Produktleben zu organisieren. Dazu gibt es aktuelle Bestrebungen in der Forschung, geeignete Entwicklungssystematiken zu entwickeln. Es gibt ebenfalls eine Vielzahl Entwicklungswerkzeugen, die ihre Leistungsfähigkeit in der Praxis bewiesen haben, um nur Einige zu nennen: FMEA, QFD, TRIZ, FTA oder Kansei Engineering Seite 3

4 Die Recherche geeigneter Methoden und Werkzeuge, die die abgeleiteten Anforderungen erfüllen, ergab, dass keine Methode, Werkzeug oder Vorgehenssystematik, diese Anforderungen vollständig umsetzen könnten. Die Problematik bei der Entwicklung resultiert aus: der wachsenden Zahl der Stakeholder an ein Produkt, der steigenden Anforderungsvielfalt, der Wechselwirkungen zwischen den Elementen verschiedener Domänen der zunehmend variablen und unscharf werdenden Systemgrenzen, der fehlenden durchgängigen methodischen Unterstützung der Entwicklungsabläufe und der fehlenden Vernetzung von Methoden über den Produktlebenszyklus. DeCoDe (Demand Compliant Development) positioniert sich in der identifizierten Methodenlücke und orientiert sich an den grundsätzlichen Prinzipien der Vorgehenssystematiken Requirements- und Systems Engineering und der QFD. DeCoDe ist bestrebt, ganzheitlich und kontinuierlich als Werkzeug bei der Entwicklung von Nutzen zu sein. Ziel ist die Systematische Zusammenführung der Ergebnisse verschiedener Entwicklungsmethoden und im Gegenzug die erneute Bereitstellung von Daten für eine externe Detailanalyse. 4 Lösungsansatz Anforderungen aller Stakeholder finden grundsätzlich Berücksichtigung. Eine geeignete Filterung und Strukturierung mündet schließlich in einer Anforderungsstruktur, die während der gesamten Entwicklungsphase kontinuierlich überprüft, erweitert und detailliert wird. Hierarchisierte Strukturen von Anforderungen und den verschiedenen Sichtweisen des analysierten Systems, namentlich Produktsystem, Funktionssystem und Prozesssystem, werden über ein System von Matrizen miteinander kombiniert mit dem Ziel eine vollständige Vernetzung der Systemelemente zu schaffen und die Konstellationen auf Ihre Wechselwirkung hin zu analysieren. Zu den Produkt- Anforderungen kann so der Beitrag der Erfüllung erfasst, zwischen den Strukturen Abhängigkeiten und so schließlich die Integrität des Gesamtsystems dargestellt werden. Eine individuelle Gestaltungsmöglichkeit der Vorgehenssystematik zur Umsetzung des Konzeptes garantiert die Adaptionsfähigkeit und die universelle Anwendbarkeit. Seite 4

5 Winzer, Ott Abb. 1.2: Methodenkonzept4 Eine wichtige Funktionalität der Methode ist die Multi-System-Unterstützung, d.h. die Möglichkeit, mehrere Systeme parallel betrachten und die Qualität und Performance dieser Systeme miteinander sinnvoll vergleichen zu können. Eine konsequent numerische Durchführung der Bewertungen sowie die Verrechungen dieser zahlenmäßigen Beziehungen ermöglichen eine schnelle Auswertung und den transparenteren Vergleich von parallelen Systemen. 5 Softwareunterstützung Eine notwendige Bedingung ist aufgrund der zunehmenden Komplexität die Realisierung der Methodenfunktionalität als Softwarelösung, die das Datenhandling und die Minimierung des Aufwands für den Nutzer übernimmt. Hierzu wurde das auf Microsoft Excel basierende Tool GAMMA erweitert. Mit Hilfe von VBA konnte die erforderliche Automatisierung zur Bewältigung der potenzierten Komplexität des Systems umgesetzt werden. 4 Ott S., Winzer P., Produktlebenszyklusbezogene Betrachtung der DeCo-De-Methode In: Petra Winzer (Hrsg.) Qualitätsmanagementsystem im Produktlebenszyklus. Bericht zur GQWJahrestagung 2006 Wuppertal. Band 8/2006, Aachen: Shaker Verlag ISBN Seite Seite 5

6 Winzer, Ott Abb. 1.2: GAMMA-Matrix5 Das Herzstück von GAMMA ist nach wie vor eine Matrix, in der die hierarchisierten Strukturen des DeCoDe-Konzeptes in einer übersichtlichen Darstellung miteinander systematisch kombiniert werden. Der erreichte Vorteil liegt in der Möglichkeit, zeitnah Zusammenhänge und strukturelle Besonderheiten zu erkennen. Die Matrizenlogik des Tools ist flexibel an die Bedürfnisse adaptierbar. Automatisierte Formatierungen und Ausblendungen ermöglichen dies und dazu eine schnellere Erfassung von Erkenntnissen durch die erreichte Übersichtlichkeit. Weiterhin können die Ergebnisse der analysierten Beziehungen als Basis für die Detailanalyse in externen Methoden genutzt werden. In das Softwaretool wurde eine Exportfunktion integriert, die eben dies automatisiert für die FMEA realisiert. 5 Ott S., Winzer P., Produktlebenszyklusbezogene Betrachtung der DeCo-De-Methode In: Petra Winzer (Hrsg.) Qualitätsmanagementsystem im Produktlebenszyklus. Bericht zur GQWJahrestagung 2006 Wuppertal. Band 8/2006, Aachen: Shaker Verlag ISBN Seite Seite 6

7 Bei einem Wechsel zwischen Phasen des Produktlebenszyklus wird automatisiert eine Archivierung der aktuellen Ergebnisse durchgeführt. Diese Archivierung ist die Kernfunktionalität des Tools bezogen auf den PLC. Durch die kontrollierte Sicherung und Aufbereitung des aktuellen Datenstandes wird die Basis für weitere Funktionen geschaffen. Der Benutzer erhält die Möglichkeit, Veränderungen ausgewählter Zusammenhänge im Verlauf der Phasen in einer automatisch generierten Übersicht zusammenzustellen. Das DeCoDe-Konzept wird durch GAMMA vollständig umgesetzt und die Ziele der Methode werden realisiert. Die stark erhöhte Komplexität wird durch die programmierten Automatisierungen erheblich abgefangen. Die Flexibilität des Softwaretools ermöglicht eine individualisierte Unterstützung bei der Entwicklung von Systemen. Eine Verknüpfung zur FMEA ist Indiz für die Annahme, dass mit DeCoDe und GAMMA ein Ansatz für eine zukunftsfähige, anforderungsgerechte Systementwicklung geschaffen wurde. 6 Schlussfolgerung / Ausblick Methodenseitig konnte aufgezeigt werden, dass über eine sinnvolle Einbettung von DeCoDe in ein Methodenkonzept die Vorteile etablierter Vorgehensweisen und Methoden kombiniert und Synergien freigesetzt werden. Die entwickelte Softwarelösung ist eine individualisierte und funktionalisierte Umsetzung dieses Konzeptes. Die automatisierten Funktionalitäten des Softwaretools sind in der Lage, die anvisierte Entwicklungsunterstützung bei gleichzeitiger Optimierung des Aufwands zu gewährleisten. Durch diese Funktionalitäten, die Simplizität der Systematik und durch die flexible Anpassbarkeit kann das Tool zu einem lebenden Werkzeug bei der Entwicklung von Systemen werden, dass mit dem Produkt gleichermaßen wächst. Seite 7