Lebenszyklusorientierte Prozeßkostenplanung in frühen Konstruktionsphasen

Transkript

1 Themenschwerpunkt 11/94: CAD - Rechnergestützte Konstruktion und Planung / Life-Cycle-Design J. Fischer; R. Koch; K.-B. Hauschulte und K. Jakuschona, Paderborn Lebenszyklusorientierte Prozeßkostenplanung in frühen Konstruktionsphasen Einleitung Aufgrund des sich ständig verschärfenden Wettbewerbs im Hinblick auf Zeit, Qualität und Kosten wird es immer bedeutender, bereits während des Entwicklungsprozesses Kostenaussagen zu treffen. Es wird ein System der entwicklungsbegleitenden Kalkulation für die frühen Konstruktionsphasen und dessen DV-Realisierung vorgestellt: "KICK" (Konstruktions- Integriertes Computergestütztes-Kosteninformationssystem) ermöglicht es, die Kostenwirkungen von Konstruktions- und Fertigungsentscheidungen im gesamten Produktlebenszyklus transparent zu machen, um den Regelkreis zwischen den an der Produktentwicklung Beteiligten zu verkürzen und deren Kostenbewußtsein zu verstärken. Frühe Konstruktionsphasen und Kostenabschätzung Im Konstruktionsprozeß werden die Phasen Planen, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten unterschieden [1]. In den frühen Konstruktionsphasen (Planen und Konzipieren) werden nach Finden einer Produktidee und Festlegen einer Anforderungsliste erste prinzipielle Lösungen entwickelt. Während dieser Phasen hat der Konstrukteur häufig keine genauen Vorstellungen über die Produktauslegung. Zum einen ist die Produktstruktur noch nicht determiniert, zum anderen sind die im Produktlebenszyklus notwendigen Prozesse und die einzusetzenden Ressourcen weitgehend zu bestimmen. Leitmotive der Produktauslegung in frühen Phasen sind oft bestimmte technische Innovationssprünge, die sich an verfügbaren Technologien oder an Konkurrenzprodukten orientieren und in Anforderungskatalogen und Pflichtenheften detailliert beschrieben werden. Die Notwendigkeit, wirtschaftliche Ziele zu betrachten, wird durch die erfolgreiche Praxis des Target Costing in der japanischen Industrie verstärkt. Dies setzt Zielkosten hinsichtlich der Produktkomponenten und eine korrespondierende Kostenplanung bereits in frühen Konstruktionsphasen voraus. 1

2 Der Konstrukteur soll dort mit Kosteninformationen konfrontiert werden, um auf ein nicht kundenorientiertes "Over-engineering" des Produktes zu verzichten. Indem Konstruktionsentscheidungen sehr früh mit Kosten bewertet werden, wird die Basis für eine zielkosten- und damit marktgerechte Produktauslegung geschaffen, so daß aufwendige Redesign-Aktivitäten in späteren Phasen vermieden werden können. Die Kostenabschätzung in frühen Phasen wird häufig als schwer einsetzbar betrachtet, weil die Produktstrukturen und Ressourcen noch nicht bestimmt sind. Doch während in späteren Phasen die Kosten nur noch prognostizierbar sind, sind sie zu einem frühen Konstruktionszeitpunkt planbar, d. h. durch Maßnahmen gestaltbar. Prognoseansätze (wie beispielweise Kostenwachstumsgesetze, Relativkosten, Kilo-Methode etc.) lassen sich auch in DV-Systemen nur schwer ausreichend genau gestalten. Ziel ist es, in frühen Phasen nicht die Kosten zu prognostizieren, sondern Produkte mit den erforderlichen Ressourcen kostenoptimal auszulegen. Grundgedanke ist, daß die Produktmerkmale die erforderlichen, die Ressourcen die möglichen Prozesse festlegen. Die Prozesse stellen somit die kostenbestimmende Klammer zwischen Produkt- und Ressourceneigenschaften dar, die im Laufe des Konstruktionsprozesses detailliert wird. Zu Beginn werden die Funktionsstrukturen des neuen Produktes aus dem Anforderungskatalog abgeleitet. Dabei sind logisch die Anforderungen soweit zu abstrahieren, daß sich die wesentlichen technischen und wirtschaftlichen Funktionen lösungsneutral heraus kristallisieren. Ein unmittelbarer Schluß von Produktfunktionen auf die zu konstruierenden Produktobjekte ist bekanntlich nicht möglich. Funktionen können auf mehrere Objekte wirken. Die Funktions- und Objektstrukturen lassen sich über Sachmerkmale logisch verbinden. Mittels Sachmerkmalen können zum einen die Funktionen getrennt nach Haupt-/ und Nebenfunktionen, zum anderen differenziert nach Teilfunktionen abgeleitet werden. Die verfügbaren Technologien ergeben die verwendbare Wirkprinzipien, die wirtschaftlichen Randbedingungen die erreichbaren Zielkosten. Funktionsbezogene Sachmerkmale Funktionen: * Haupt-/ Nebenfunktionen * Funktionsstrukturen Technische Wirtschaftliche * Wirkprinzipien * Zielkosten Objektbezogene Sachmerkmale Objekt Ressourcen * Geometrie Vorgang *Fertigungsprinzip * Material Verfahren *Maschine * Objektstruktur Prozeß * Werkzeug 2

3 Da die Kunden in aller Regel an technischen und wirtschaftlichen Produktfunktionen interessiert sind, werden daraus die Zielkosten ermittelt. Demgegenüber läßt sich die Konstruktion von objektbezogenen Sachmerkmalen leiten. Bei dieser Vorgehensweise tritt der sogenannte "Strukturbruch" zwischen der Funktions- und der Objektstruktur auf. Dieser Strukturbruch soll dadurch überwunden werden, daß dem Konstrukteur in jeder Phase die entsprechend der Objektstruktur dekomponierten Zielkosten sowie die mit den geplanten Ressourcen erzielbaren Prozeßkosten gezeigt werden. Abb.1: Prozeßoptimale Produktauslegung in frühen Konstruktionsphasen Mit der phasenbegleitenden Kostentransparenz soll nicht nur das erwähnte "Over-Engineering" des Produktes sondern auch vermieden werden, daß Prozeß- und Ressourcenstrukturen aufgebaut werden, die die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens langfristig schmälern. Während eine nicht-kundennutzengerechte Produktkomplexität und Variantenvielfalt sich zum Beispiel durch Wertanalyse und Re-Design kurz- bis mittelfristig revidieren lassen, sind überdimensionierte Ressourcenstrukturen nur langfristig mit erheblichen Aufwand zu beseitigen. Die remanenten Kostenstrukturen in allen Prozeßbereichen des Produktlebenszyklusses (von der Konstruktion über Logistik und Fertigung bis zur Gewährleistung und Entsorgung), werden durch die Entscheidungen der Konstrukteure bewirkt [2]. Wie das Beispiel des größten deutschen Automobilherstellers zeigt, können die Entwickler gleichzeitig hoch-wettbewerbsfähige Produkte und nicht-wettbewerbsfähige, nur äußerst langfristig zu verbessernde Unternehmensstrukturen schaffen. Im Kosteninformationssystem KICK sind daher die Zusammenhänge von Produkten, Prozessen und Ressourcen das zentrale Anliegen [3]. Da in der Ausarbeitungsphase z. B. am CAD-System die Produktstruktur bereits detailliert ist, die korrespondierenden Prozesse festliegen sowie die durchführenden Ressourcen determiniert sind, ist die Kostenplanung schon in frühen Phasen zu beginnen. Prozeßkostenplanung für den Lebenszyklus in frühen Konstruktionsphasen Die Prozeßkostenplanung in frühen Phasen verwendet folgende Daten: Zum einen wird das technische und wirtschaftliche Leistungspotential vorhandener und beschaffbarer Ressourcen für alle Phasen des Lebenszyklusses analysiert. Für im Unternehmen existierende Ressourcen ist das Leistungs- und Kostenspektrum bekannt, sofern die Phase des Lebenszyklusses kostenrechnerisch erschlossen ist. Für beschaffbare Ressourcen sind Benchmarks hinsichtlich Technologie und Kosten des Wettbewerbs heranzuziehen. Zum anderen werden der Objektstruktur der Produkte nach Konstruktions- und Fertigungsaspekten sogenannte Vorgangsobjekte zugeordnet. Für die Entwicklungs- und Arbeitsvorbereitungsvorgänge sind dies die zu konstruierenden Objekte, für die 3

4 Leistungsvorgänge die zu fertigenden Objekte. Den Vorgangsobjekten werden die Vorgänge zugewiesen, die mit bestimmten Ressourcen durchgeführt die Verfahren und bei einem bestimmten Wertgerüst die Prozesse bestimmen [2]. Nur bei absoluter Neukonstruktion in vollständig neuen Ressourcen sind alle Vorgangsobjekte neu zu bestimmen. Bei Neukonstruktionen in einem vorhandenen Ressourcengerüst sind die ressourcendeterminierten Vorgänge bekannt, bei Anpassungskonstruktionen für ein neu zu investierende Ressourcen die meisten objektdeterminierten Vorgänge. Beginnend in den frühen Konstruktionsphasen ist der Funktionsablauf des Systems wie folgt: Der Konstrukteur legt systemunterstützt aufgrund der funktionsbezogenen Sachmerkmale, der ressourcendeterminierten Wirkprinzipien und Zielkosten eine Standardproduktstruktur fest und gibt die objektbezogenen Sachmerkmale an. Systemgestützt werden über ein Regelwerk Standardvorgangsstrukturen zugeordnet; beispielsweise werden solche für Kaufteile, Fremdentwicklungen etc. differenziert. Die Standardvorgänge sind in den ersten Konstruktionsphasen auf einem sehr hohen Abstraktionsniveau (Beispiel: Transformieren). Im nächsten Schritt werden regelbasiert ebenso abstrakte Ressourcen zugeordnet (Beispiel: Fertigungsoperator), die Vorgangsketten auslösen (Beispiel: Rüsten, Transformieren, Abrüsten). Auf den ersten Blick erscheint es unsinnig, auf einem so abstrakten Niveau eine Kostenplanung vorzunehmen. Allein die Struktur und die Zahl der Produktobjekte sowie der tangierten Ressourcen läßt jedoch eine erste Abschätzung zum Beispiel des Arbeitsvorbereitungs-, des Logistik-, des Entsorgungsaufwandes zu. Wird ferner berücksichtigt, daß jede Konstruktion vor dem Hintergrund bestimmter Ressourcen und Produkte erfolgt, so ist auch eine frühe Planung schon aussagekräftig. Im Zuge der Konstruktion werden die objektbezogenen Sachmerkmale detailliert (Beispiel: Material Blech). Daraus folgen konkretisierte Vorgangs- und Ressourcenstrukturen, die eine fundierte Kostenplanung ermöglichen. Abb.2: Spirale der Kostenplanung Softwarearchitektur Das realisierte DV-System KICK besteht aus den folgenden Programmodulen: Οbjekt-Struktur-Browser Sachmerkmal-Modul CAD-Modul Regelwerk zur Vorgangs- und Ressourcenzuordnung Kalkulations-Modul Diese Module sind unter einer Oberfläche integriert und greifen auf eine gemeinsame Datenbank (SQL-Server) zu. Das System ist als Client/Server Architektur realisiert und ermöglicht es, verschiedene relationale Datenbanksysteme zu verwenden. Die Datenversorgung erfolgt aus Produktionsplanungs- und Rechnungswesensystemen. 4

5 Zum Aufbau der Objektstruktur wird der Browser eingesetzt. Das Modul stellt für verschiedene Produktspektren eine Standard-Objektstruktur bereit. Zur Detaillierung wird vom Struktur- Browser in das Sachmerkmals-Modul gewechselt. In diesem Modul werden dem Konstruktionsobjekt die Ausprägungen der funktionsbezogenen und später der objektbezogenen Sachmerkmale zugewiesen; der Konstrukteur wird durch Menüs unterstützt. In späteren Phasen können die Bauteile mit Hilfe eines CAD-Moduls detailliert werden [4]. Dazu existieren Schnittstellen zu Standard-CAD-Systemen. Das Regelwerk ordnet aufgrund der Sachmerkmale Standardvorgangsstrukturen für die sieben Prozeßbereiche des Produktlebenszyklusses zu. Existieren für bestimmte Sachmerkmalskombinationen aus früheren Konstruktionsprozessen bereits spezifische Vorgangsstrukturen, so ersetzen diese die Standardvorgänge. Im zweiten Schritt ordnet das Regelwerk die zu verwendeten Ressourcen unter Berücksichtigung der Fertigungsentscheidungen zu. Das Kalkulations-Modul übernimmt Kostenrechnungsdaten und ermittelt daraus Prozeßkostensätze für die Ressourcen. Diese werden über die Vorgänge den Konstruktionsobjekten zugeordnet. Es können vom Anwender zwei Aggregationssichten gewählt werden. Zum einen die Objektsicht, die die Kosten der Objekte anzeigt, zum anderen die Prozeßsicht, die die Prozesse und die ausgewählten Ressourcen betrachtet. Durch grafische Auswertungen und durch Konstruktionsszenarien wird der Konstrukteur in der Analyse unterstützt. Momentanes Einsatzgebiet des Systems ist die Kostenplanung von Stanz-Biege- und Spritzgußteilen. Für diese Teile sind Form-Features, Sachmerkmale, Vorgänge und Standardressourcen eingepflegt. Abb.3: KICK-Benutzungsoberfläche Literatur 1 Pahl, G.; Beitz, W.: Konstruktionslehre - Methoden und Anwendung 3.Auflage, Springer- Verlag, Berlin Fischer, J.; Koch, R.; Hauschulte, K.-B.; Jakuschona, K.: Design to Cost - Entwicklungsbegleitende Prozeßkostenprognose und Zielkostenermittlung im Produktlebenszyklus, Tagungsband CAD '94 - Produktdatenmodellierung und Prozeßmodellierung als Grundlage neuer CAD- Systeme, Paderborn 1994, S Fischer, J.; Koch, R.; Schmidt-Faber, B.: Konstruktionsbegleitende Prozeßkostenprognose für den Produktlebenszyklus, CIM-Management 8 (1992) 5, S Kreisfeld, P.: Kostenbestimmung mit CAD-Systemen für Rotationsteile (Produktionstechnik Berlin Bd. 41), München; Wien 1985 Danksagung Das Projekt wird vom Heinz-Nixdorf-Institut, Paderborn gefördert. 5

6 Die Autoren dieses Beitrags Univ.-Prof. Dr. Joachim Fischer, Jahrgang 1950, studierte Betriebswirtschaftslehre an der Universität Hamburg, war 1976 bis 1981 Mitarbeiter am Institut für Betriebswirtschaftslehre der TU Berlin, 1983 bis 1989 Controller bei der Schering AG, Berlin Habilitation an der TU Berlin, seit Februar 1989 Leiter des Schwerpunkts Wirtschaftsinformatik 1 & Operations Research an der Universität-GH-Paderborn. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Rainer Koch, Jahrgang 1953, studierte Maschinenbau an der Ruhr-Universität Bochum, war 1978 bis 1985 Mitarbeiter am Lehrstuhl Produktionssystematik im WZL der RWTH Aachen, 1985 bis 1989 in leitender Position bei der Firma rhv/dat, Düsseldorf tätig und ist seit Mai 1989 Leiter des Fachgebietes "Computeranwendung und Integration in Konstruktion und Planung - C.I.K." im Fachbereich Maschinentechnik I an der Universität-GH-Paderborn. Dipl. Wirtsch.-Ing. Klaus-Bernward Hauschulte, Jahrgang 1966, studierte Wirtschaftsingenieurwesen / Fachrichtung Fertigungstechnik an der Universität-GH-Paderborn. Seit 1993 ist er dort wissenschaftlicher Mitarbeiter am Schwerpunkt Wirtschaftsinformatik 1 & Operations Research. Dipl. Wirtsch.-Ing. Karsten Jakuschona, Jahrgang 1966, studierte Wirtschaftsingenieurwesen / Fertigungstechnik an der Universität-GH-Paderborn. Seit 1993 ist er dort wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet " Computeranwendung und Integration in Konstruktion und Planung - C.I.K.". 6

7 Abbildungsbezeichnungen: Abb. 1: Prozeßoptimale Produktauslegung in frühen Konstruktionsphasen Abb. 2: Spirale der Kostenplanung Abb. 3: KICK-Benutzungsoberfläche 7