Ein Beitrag zur einheitlichen Modellierung und durchgängigen Nutzung fertigungstechnologischen Wissens im Produktentwicklungsprozess

Produktbeschreibung

Kurzfassung
Unter dem Begriff des Design for Manufacture werden eine Vielzahl an Produktentwicklungsansätzen zusammengefasst, die den Entwickler vor allem im Hinblick auf das Sicherstellen der Herstellbarkeit technischer Produkte unterstützen. Es mangelt jedoch an Ansätzen, die die noch ungenutzten Möglichkeiten einer Fertigungstechnologiezur Realisierung oder Verbesserung des technischen Produkts aufzeigen. Diese ungenutzten Möglichkeiten können der Ausgangspunkt für neuartige fertigungsintegrierende Produktlösungen sein, die sich z. B. durch eine verbesserte Funktionserfüllung, einen erhöhten Leichtbaugrad oder auch eine erhöhte Lebensdauer auszeichnen.

Im Rahmen dieser Arbeit wird der Grundstock für die Systematisierung einer fertigungsintegrierenden Produktentwicklung gelegt, mittels der die noch ungenutzten Möglichkeiten einer betrachteten Fertigungstechnologie systematisch erschlossen werden können. Dazu wird eine Methodik vorgestellt, die den Produktentwickler gezielt bei der Aufbereitung vorhandenen fertigungstechnologischen Wissens unterstützt.
Durch die Modellierung technischer Prozesse mittels Eigenschaften kann fertigungstechnologisches Wissen einheitlich abgebildet und dokumentiert werden. Der Fokus der Modellierung richtet sich vor allem auf die Abbildung von Wirkzusammenhängen im Kontext eines gewählten Fertigungsverfahrens. Sie geben
Aufschluss über das den Fertigungsprozessen zugrunde liegende Verfahrensprinzip. Das so abgebildete fertigungstechnologische Wissen wird im Rahmen eines frühzeitig im Produktentwicklungsprozess durchgeführten Antizipierens von Fertigungsprozessen umfassend analysiert. Aufeinander abgestimmte Produkt- und Prozessmodelle bilden darüber hinaus die Basis für die weitere Aufbereitung des
fertigungstechnologischen Wissens mit Blick auf die Produktentwicklung. Die durch das Antizipieren erfassten Eigenschaften und Eigenschaftsrelationen dienen der anschließenden Erarbeitung fertigungsintegrierender Produktlösungen. Durch Zuhilfenahme geeigneter Werkzeuge, wie der Design Pattern Matrix, wird
der Produktentwickler bei deren Erarbeitung gezielt unterstützt. Die Anwendung der vorgestellten Methodik anhand zweier Fallbeispiele verdeutlicht den Mehrwert, den die Fertigung für die Realisierung der betrachteten technischen Produkte bietet. Dieser Mehrwert zeigt sich an den Beispielen u. a. durch zusätzlich integrierte
Funktionen, eine erhöhte Bauteilsteifigkeit oder eine Produktgestalt, die Einsatzund Fügeprozessen gleichermaßen gerecht wird.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung …………………………………………………………………………………………. 1
1.1 Bedeutung der Fertigung für die Entwicklung von Produkten …………….. 1
1.2 Zielsetzung der Arbeit…………………………………………………………………… 6
1.3 Aufbau der Arbeit …………………………………………………………………………. 7
2 Stand der Forschung ………………………………………………………………………… 8
2.1 Fertigungstechnologisches Wissen ………………………………………………… 8
2.2 Dokumentationsformen für fertigungstechnologisches Wissen im
Rahmen der Produktentwicklung …………………………………………………. 12
2.3 Methoden und Werkzeuge zur Aufarbeitung und Nutzung von
fertigungstechnologischem Wissen in der Produktentwicklung ………… 14
2.4 Modellbasierte Methodiken zur Berücksichtigung der Fertigung im
Kontext der Produktentwicklung …………………………………………………… 17
2.4.1 Modellierung technischer Produkte …………………………………….. 17
2.4.2 Modellierung technischer Prozesse ……………………………………. 27
2.4.3 Modellierung des Produktlebenslaufs …………………………………. 37
2.4.4 Integrale Ansätze zur Berücksichtigung der Fertigung während
der Produktentwicklung …………………………………………………….. 38
2.5 Generelles Bereitstellen und Nutzen von Wissen durch
Wissensmanagementsysteme …………………………………………………….. 42
2.6 Fazit – Defizite hinsichtlich der systematischen Entwicklung
fertigungsintegrierender Produktlösungen …………………………………….. 44
3 Idee einer fertigungsintegrierenden Entwicklungsmethodik ……………… 45
4 Standardisierung fertigungstechnologischen Wissens für die
Produktentwicklung ………………………………………………………………………… 47
4.1 Verfahren und fertigungstechnologisches Wissen ………………………….. 47
4.2 Konkretisierungsebenen der Prozessmodellierung …………………………. 50
4.2.1 Modellierung von Prozessen auf Basis der Zustandsänderung . 50
4.2.2 Modellierung von Verfahren auf Basis physikalischer Effekte … 54
4.2.3 Modellierung von Verfahren auf Basis des Verfahrensprinzips . 56
4.3 Vorgehen zum Konkretisieren technischer Produkte im Kontext des
Einsatzprozesses und der Produktfunktion ……………………………………. 67
4.4 Fazit – Abbildung fertigungstechnologischen Wissens ……………………. 74

5 Ansatz zum Entwickeln fertigungsintegrierender Produktlösungen ….. 75
5.1 Idee – Modellübergreifende Verarbeitung fertigungstechnologischen
Produkt-Wissens ……………………………………………………………………….. 75
5.2 Antizipieren technischer Prozesse – Kernelement einer
fertigungsintegrierenden Entwicklungsmethodik …………………………….. 77
5.2.1 Grundgedanke des Antizipierens technischer Prozesse ………… 77
5.2.2 Antizipieren von Fertigungsprozessen ………………………………… 80
5.3 Vorgehensmodell zum Entwickeln fertigungsintegrierender
Produktlösungen………………………………………………………………………… 83
5.4 Fertigungsintegrierende Entwicklungsmethodik ……………………………… 85
5.5 Design Pattern Matrix – Werkzeug zur Entwicklung
fertigungsintegrierender Produktlösungen …………………………………….. 88
5.5.1 Fertigungsintegrierende Design Patterns …………………………….. 88
5.5.2 Erarbeiten von Design Patterns – Design Pattern Matrix ……….. 90
5.5.3 Process Integrated Design Guidelines ………………………………… 95
5.6 Fazit – Modellbasierte Entwicklungsmethodik ………………………………… 97
6 Evaluierung der fertigungsintegrierenden Entwicklungsmethodik ……. 99
6.1 Beispiel innenhochdruckumgeformter Fahrradrahmen ……………………. 99
6.1.1 Antizipieren des Innenhochdruckumformens ……………………… 101
6.1.2 Aufbereiten der Ergebnisse aus dem Antizipieren ………………. 102
6.1.3 Ergreifen projektspezifischer Maßnahmen …………………………. 109
6.2 Mehrfaches Antizipieren am Beispiel spaltprofilierter Deckenschienen
………………………………………………………………………………………………. 111
6.2.1 Antizipieren des Fügens von Schnappverbindungen …………… 113
6.2.2 Aufbereiten der Ergebnisse aus dem Antizipieren ………………. 115
6.2.3 Ergreifen projektspezifischer Maßnahmen …………………………. 116
7 Zusammenfassung und Ausblick …………………………………………………… 121
Anhang A – Design Pattern Matrix und Punktbewertung für das Beispiel
innenhochdruckumgeformter Fahrradrahmen ………………………………… 123
Anhang B – Beispiele für die Anwendung des VP-Modells …………………… 129
Anhang C – Process Integrated Design Guidelines ………………………………. 135

Anhang D – Übersicht über die Arbeitsschritte der fertigungsintegrierenden
Entwicklungsmethodik ………………………………………………………………….. 139
Anhang E – Glossar…………………………………………………………………………….. 140
Literaturverzeichnis…………………………………………………………………………….. 147
Betreute studentische Arbeiten …………………………………………………………… 164
Index ………………………………………………………………………………………………….. 165
Lebenslauf ………………………………………………………………………………………….. 167

Keywords: Produktentwicklung, Methodik, Fertigungsintegration, Design Pattern Matrix, Produkteigenschaften, Verfahrensprinzip, erhöhter Leichtbaugrad, verbesserte Funktionserfüllung, Produktentwicklung, Methodik, Fertigungsintegration, Design Pattern Matrix, Produkteigenschaften, Verfahrensprinzip, erhöhter Leichtbaugrad, verbesserte Funktionserfüllung