Systematische Ableitung modularer Produktarchitekturen

Transkript

1 Systematische Ableitung modularer Produktarchitekturen Komplexitätsreduzierung in der Konzeptphase Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation von Frank Koppenhagen aus Hamburg-Harburg 2004

2 1. Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang Kersten 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Dierk Götz Feldmann Tag der mündlichen Prüfung:

3 Berichte aus der Konstruktionstechnik Frank Koppenhagen Systematische Ableitung modularer Produktarchitekturen Komplexitätsreduzierung in der Konzeptphase Shaker Verlag Aachen 2004

4 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Hamburg-Harburg, Techn. Univ., Diss., Copyright Shaker Verlag 2004 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Geleitwort Steigende Komplexität und Dynamik kennzeichnen heute die Markt- und Wettbewerbssituation in nahezu allen Branchen. Für die langfristige Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen ist es von existenzieller Bedeutung, die prozessuale Komplexität zu reduzieren und Standardisierungspotenziale bei der Leistungserstellung zu erschließen. Modularen Produktarchitekturen kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu, da sie die Bereitstellung einer hohen Variantenvielfalt bei gleichzeitiger Generierung von Skaleneffekten ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit hat Herr Koppenhagen eine theoretisch fundierte und auf der Basis von Fallstudien empirisch validierte Methode zur systematischen Ableitung modularer Produktarchitekturen vorgelegt. Grundlage für die Entwicklung der Methode ist die eingehende Untersuchung der systemtechnischen Grundlagen modularer Produktarchitekturen und die mathematische Operationalisierung des strukturbeschreibenden Merkmales Modularität. Die Ableitung der modularen Produktarchitektur erfolgt im Rahmen der Methode Modular Engineering auf Basis eines integrierten Produktmodells, das sowohl technische Aspekte als auch Kundenanforderungen und produktstrategische Kriterien berücksichtigt. Dieser ganzheitliche Ansatz ermöglicht die vollständige Erschließung der Potenziale modularer Produktarchitekturen. Die Bereitstellung einer effizienten Rechnerunterstützung und die hohe Adaptivität der Methode ebnen den Weg für eine erfolgreiche Implementierung in die Produktentwicklung der betrieblichen Praxis. Die vorliegende Arbeit ist als innovativer Beitrag zu würdigen, der aufgrund der hohen theoretischen Durchdringung und der großen praktischen Relevanz hervorragend geeignet ist, als Orientierungshilfe und Leitfaden bei der unternehmensindividuellen Gestaltung modularer Produktarchitekturen zu dienen. Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Kersten I

6

7 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Arbeitsbereich Produktionswirtschaft. An der Entstehung einer wissenschaftlichen Arbeit ist in der Regel eine Vielzahl von Personen direkt oder indirekt beteiligt, bei denen ich mich an dieser Stelle bedanken möchte. Zu allererst danke ich meinem Doktorvater Univ.-Prof. Dr. rer. pol. Wolfgang Kersten für die Betreuung meiner Arbeit und die umfangreichen Möglichkeiten zur fachlichen und persönlichen Weiterentwicklung, die er mir während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Arbeitsbereich Produktionswirtschaft eröffnete. Bedanken möchte ich mich bei ihm auch für die vielen intensiven fachlichen Diskussionen, die stets neue Impulse für den weiteren Fortgang der Arbeit lieferten, und für den großen Freiraum, den er mir für die Erstellung meiner Dissertation gewährte. Ebenfalls danke ich sehr herzlich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dierk Götz Feldmann, der als Zweitgutachter die Entstehung der Arbeit durch wertvolle Anregungen und durch die Vermittlung der Fallstudie bei der Hako-Werke GmbH entscheidend gefördert hat. Herrn Prof. Dr.- Ing. habil. Edwin Kreuzer danke ich für die Übernahme des Vorsitzes in der Prüfungskommission. Mein Dank gilt dem gesamten Mitarbeiterteam des Arbeitsbereiches Produktionswirtschaft für die gute Zusammenarbeit und die angenehme Arbeitsatmosphäre. Frau Dipl.-Ing. Dr. mont. Eva-Maria Kern, Frau Dr. rer. pol. Kirsten Schröder, Herrn Dr. rer. pol. Tobias Held, Herrn Dipl.-Ing. Malte Redenz und Herrn Dipl.-Ing. oec. Thomas Zink danke ich für die konstruktiven fachlichen Diskussionen, aus denen sich manche inhaltliche Anregung ergab. Besonders bedanke ich mich bei Frau Carmen Hohendorff. Sie hat mit ihrer freundlichen und hilfsbereiten Art erheblich zum guten Arbeitsklima am Arbeitsbereich Produktionswirtschaft beigetragen und stets die Zeit für ein persönliches Gespräch gefunden. Weiterhin danke ich den Herren Dipl.-Ing. oec. Martin Janzen und Dipl.-Ing. oec. Torsten Liesaus für die Unterstützung bei der Erstellung des Softwaretools. Herrn cand. Ing. Marius Mülow danke ich für die Hilfe bei der Bearbeitung der Fallstudie. Bedanken möchte ich mich auch bei den Mitarbeitern der Hako-Werke GmbH, die bei der Durchführung der Fallstudie mitgewirkt haben. Insbesondere danke ich dem Konstruktionsleiter für Scheuersaugmaschinen, Herrn Dipl.-Ing. Holger Grünke, der mit großem persönlichem Engagement die praktische Validierung der Methode Modular Engineering unterstützt hat. III

8 Bei Herrn B. Sc. Jan-Peter Hinck bedanke ich mich für das akribische Korrekturlesen der Dissertation und die Unterstützung bei der administrativen Abwicklung mit dem Shaker Verlag. Mein Dank gilt auch Tom Heinzius, der mich in der entscheidenden Phase der Dissertation mit aufmunternden Worten motivierte und moralisch unterstützte und mich auch an den heißen Tagen des Sommers 2003 stets daran erinnerte, dass die Fertigstellung der Dissertation Priorität besitzt. Vor allem aber danke ich meinen Eltern, Gabriele und Eckhard Koppenhagen. Sie haben meine akademische Ausbildung ermöglicht und mich in jeder Lebensphase uneingeschränkt und liebevoll unterstützt und vielfältig gefördert. Sie haben mir auch dann Zuversicht gegeben, wenn sich die Komplexität der zu bewältigenden Aufgaben selbst durch konsequente Modularisierung nicht verringern ließ. Ihnen ist dieses Buch gewidmet. Hamburg-Harburg, im Sommer 2004 Frank Koppenhagen IV

9 Inhaltsverzeichnis Bildverzeichnis... VII Abkürzungsverzeichnis... XI 1 EINLEITUNG Ausgangssituation Zielsetzung Aufbau der Arbeit GRUNDLAGEN MODULARER PRODUKTARCHITEKTUREN Systemtechnische Grundlagen Systeme und ihre Architektur Komplexität von Systemen Modulare und integrale Systemarchitekturen Modularisierung als Konzept zur Komplexitätsreduzierung Modulare Produktarchitekturen Die Produktarchitektur Modulare und integrale Produktarchitekturen Potenziale und Grenzen modularer Produktarchitekturen STAND DER METHODENENTWICKLUNG ZUR ABLEITUNG MODULARER PRODUKTARCHITEKTUREN Kriterien zur Bewertung von Methoden zur systematischen Ableitung modularer Produktarchitekturen Darstellung und kritische Würdigung bestehender Methoden zur systematischen Ableitung modularer Produktarchitekturen Überblick über verwandte Ansätze MODULAR ENGINEERING Zielsetzung und Aufbau der Methode Funktionale Dekomposition Die technisch funktionalen Beziehungen: Systemtechnische Grundlage der Produktmodularisierung Bedeutung der technisch funktionalen Beziehungen bei der Produktmodularisierung Die Design Structure Matrix (DSM) V

10 Inhaltsverzeichnis 4.4 Die Kundenanforderungen: Gewährleistung der Unabhängigkeit funktionaler Anforderungen in der Produktarchitektur Bedeutung der Kundenanforderungen bei der Produktmodularisierung Die QFD-Matrix Der Varianzindikator Die Produktstrategie: Ziele der Produktmodularisierung Bedeutung der Produktstrategie bei der Produktmodularisierung Die Modultreiber und die Module Indication Matrix Zusammenführung der Betrachtungsebenen und Konzeptgenerierung Transformation und Integration der Betrachtungsebenen Das quantitative Modularitätsmaß Konzeptgenerierung auf Basis des Produktmodells Ergebnisanalyse und Ausgestaltung des Produktsystems Mehrstufige Anwendung der Methode Modular Engineering Softwaretechnische Umsetzung von Modular Engineering ANWENDUNG DER METHODE MODULAR ENGINEERING IN DER PRODUKTENTWICKLUNGSPRAXIS Forschungsmethodik Fallstudie Gegenstand der Fallstudie und Ausgangssituation Projektdurchführung und Datenerhebung Darstellung und Evaluierung des Ergebnisses Vorschlag zur Ausgestaltung des Produktsystems Kritische Würdigung der Methode in der projekthaften Umsetzung SCHLUSSBETRACHTUNG Zusammenfassung zentraler Ergebnisse der Arbeit Ausblick LITERATURVERZEICHNIS VI

11 Bildverzeichnis Bild 1: Die Produktarchitektur als Stellhebel zur Komplexitätsreduzierung... 2 Bild 2: Aufbau der Arbeit... 8 Bild 3: Aufbau des Kapitels Bild 4: Die Aufbaustruktur eines Systems Bild 5: Ablaufstruktur eines Systems in unterschiedlicher Detaillierung [vgl. PATZAK 1982] Bild 6: Bestimmungsgrößen der Komplexität [vgl. PATZAK 1982] Bild 7: Unterschiedliche Ausprägungen der Systemarchitektur [modifiziert nach GÖPFERT 1998] Bild 8: Das methodische Grundprinzip der Modularisierung Bild 9: Die Produktarchitektur Bild 10: Aufbau des Kapitels Bild 11: Die Schritte des Modular Function Deployment [entn. ERICSSON / ERIXON 1999] Bild 12: Die Module Indication Matrix (MIM) für einen Staubsauger [entn. ERIXON 1998] Bild 13: Die Verbindungsmatrix zwischen QFD-Matrix und Module Indication Matrix [vgl. NILSSON / ERIXON 1998] Bild 14: Klassifizierung der Modultreiber [entn. STAKE 2000] Bild 15: Der strategische Fokus der Modultreiber [entn. STAKE 2000] Bild 16: Die Design Structure Matrix für eine Klimaanlage [entn. PIMMLER / EPPINGER 1994] Bild 17: Simultane Betrachtung von MIM und DSM bei der Konzeptgenerierung [entn. LANGE 1998] Bild 18: Kombination von DSM und MIM nach LANNER / MALMQVIST (1996) Bild 19: Kondensation und Transformation der MIM [entn. BLACKENFELT 2000] Bild 20: Ableitung produktstrategischer Relationen zwischen den Komponenten [entn. BLACKENFELT 2001] Bild 21: Integration von strategischer und funktionaler DSM [vgl. BLACKENFELT 2001] Bild 22: Die heuristischen Regeln von STONE (1997) Bild 23: Aggregierte Funktionsstruktur für eine Produktfamilie von Elektro- Werkzeugen [entn. DAHMUS / GONZALEZ-ZUGASTI / OTTO 2000] Bild 24: Modularitätsmatrix für eine Produktfamilie von Elektro-Werkzeugen [entn. DAHMUS / GONZALEZ-ZUGASTI / OTTO 2000] VII

12 Bildverzeichnis Bild 25: Bild 26: Bild 27: Kompatibilitätsmatrix zur Bewertung der Materialverträglichkeit von Komponenten der Mittelkonsole eines Automobils [entn. NEWCOMB / BRAS / ROSEN 1996] Schema zur Bestimmung zielbedingter Interaktionen zwischen Produktkomponenten am Beispiel von Wartung/Instandhaltung [entn. GU / SOSALE 1999] Verknüpfung von Produktarchitektur und Projektorganisation nach METUS [entn. GÖPFERT 1998] Bild 28: Funktionsstruktur für ein Gleitlager-Baukastensystem [entn. PAHL / BEITZ 1997] Bild 29: Inhaltliche Klassifizierung der vorgestellten Ansätze Bild 30: Zusammenfassung der kritischen Würdigung existierender Ansätze zur Ableitung modularer Produktarchitekturen Bild 31: Aufbau des Kapitels Bild 32: Ablauf der Methode Modular Engineering Bild 33: Einbindung von Modular Engineering in den Produktentwicklungsprozess Bild 34: Struktur der verwendeten Design Structure Matrix Bild 35: Die Design Structure Matrix für den Staubsauger Bild 36: Bild 37: Zusammenhang zwischen der Ausprägung der Produktarchitektur und dem Autonomiegrad funktionaler Anforderungen Struktur der QFD-Matrix und Arbeitsschritte auf der Betrachtungsebene Kundenanforderungen Bild 38: Die Kundenanforderungen an den Staubsauger und ihre Gewichtung in Bezug auf die Zielsegmente Bild 39: Die QFD-Matrix für den Staubsauger Bild 40: Berechnung des Varianzindikators am Beispiel der Komponente Ventilator Bild 41: Gegensätzliche Modultreiber der Produktfamilienplanung Bild 42: Die Module Indication Matrix für den Staubsauger Bild 43: Die Zusammenführung der Betrachtungsebenen Bild 44: Mittels Clusteranalyse vorstrukturierte Module Indication Matrix Bild 45: Mittels Clusteranalyse vorstrukturierte QFD-Matrix Bild 46: Berechnungsvorschrift für den Profilähnlichkeitsindex (PSI) Bild 47: Ableitung der Ähnlichkeitsbeziehung aus dem Vergleich der Modultreiberprofile am Beispiel der Komponenten Motor und Ventilator Bild 48: Die relationale MIM für den Staubsauger Bild 49: Die relationale QFD-Matrix für den Staubsauger VIII

13 Bildverzeichnis Bild 50: Die resultierende Beziehungsmatrix zur Abbildung des vollständigen Produktmodells Bild 51: Die Struktur des Simulated Annealing Algorithmus Bild 52: Darstellung des Optimierungsergebnisses in der umsortierten Beziehungsmatrix Bild 53: Ergebnisanalyse für die ermittelte Aufbaustruktur Bild 54: Ergebnis der Optimierungsrechnung nach Hinzufügen der Restriktion Bild 55: Differenzierungskosten der Produktkomponenten Bild 56: Bild 57: XY-Diagramm aus den durchschnittlichen Differenzierungskosten und den durchschnittlichen Varianzindikatoren der Module Ausgestaltung des Staubsauger-Produktsystems (schematische Darstellung) Bild 58: Mehrstufige Anwendung der Methode Modular Engineering Bild 59: Kombinierte Top-Down- / Bottom-Up-Vorgehensweise bei der mehrstufigen Anwendung von Modular Engineering Bild 60: Startbildschirm des Softwaretools Bild 61: Die Stammdatenverwaltung des Softwaretools Bild 62: Formular der QFD-Matrix Bild 63: Der Concept Generator (Congen) Bild 64: Aufbau des Kapitels Bild 65: Die Hakomatic B Bild 66: Der Projektablauf Bild 67: Vorgehensweise bei der Datenaufnahme Bild 68: Die Design Structure Matrix des untersuchten Produktes Bild 69: Die Kundenanforderungen an das untersuchte Produkt und ihre Gewichtung in Bezug auf die Zielsegmente Bild 70: Die QFD-Matrix des untersuchten Produktes Bild 71: Die Module Indication Matrix des untersuchten Produktes Bild 72: Die resultierende Beziehungsmatrix des untersuchten Produktes Bild 73: Vorläufiges Ergebnis der Optimierungsrechnung Bild 74: Analyse des vorläufigen Ergebnisses Bild 75: Optimale Aufbaustruktur unter Berücksichtigung der Restriktionen Lösung Bild 76: Optimale Aufbaustruktur unter Berücksichtigung der Restriktionen Lösung Bild 77: Unterschiede in der Aufbaustruktur der beiden Lösungen Bild 78: Analyse des endgültigen Ergebnisses (Lösung 1) Bild 79: Bisherige Architektur des untersuchten Produktes IX

14 Bildverzeichnis Bild 80: XY-Diagramm aus den durchschnittlichen Differenzierungskosten und den durchschnittlichen Varianzindikatoren der Module X

15 Abkürzungsverzeichnis AG : Aktiengesellschaft ARP : Average Ratio of Potential ASME : American Society of Mechanical Engineers Aufl. : Auflage bzw. : beziehungsweise ca. : circa CAX : Sammelbegriff für alle rechnerunterstützten Techniken der Produkterstellung CI : Cluster Independence Index CIRP : College International pour l'etude Scientifique des Techniques de Production Mecanique Congen : Concept Generator CR : Correspondence Ratio Index DAC : Design Automation Conference DETC : Design Engineering Technical Conference DFV : Design for Variety DSM : Design Structure Matrix DTM : Design Theory and Methodology entn. : entnommen et al. : et alii etc. : et cetera GmbH : Gesellschaft mit beschränkter Haftung hrsg. : herausgegeben ICED : International Conference on Engineering Design IDMME : Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers IIE : Institute of Industrial Engineers Jg. : Jahrgang Kap. : Kapitel MD : Module Density Index METUS : Methodische Unterstützung der Systembildung MFD : Modular Function Deployment XI

16 Abkürzungsverzeichnis MI : Module Independence Index MIM TM : Module Indication Matrix MIT : Massachusetts Institute of Technology MM : Modularity Measure MS : Marktsegment No. : Number Nr. : Nummer PFA : Product Family Architectures pp. : pages PPS : Produktionsplanung und -steuerung PSI : Profile Simalarity Index QFD : Quality Function Deployment S. : Seite u.a. : unter anderem UTC : Université de Technologie de Compiègne v. : von VDI : Verein Deutscher Ingenieure vgl. : vergleiche VLSI : Very Large Scale Integration Vol. : Volume WDK : Workshop Design-Konstruktion z.b. : zum Beispiel ZWF : Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb XII