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Über dieses Buch

Eine innovative interdisziplinäre Produktentwicklung erfordert das Überdenken heutiger Methoden, Prozesse, IT-Lösungen und Organisationsformen. In diesem Buch wird anhand eines zentralen Beispiels das interdisziplinäre Vorgehen zur modellbasierten Entwicklung mechatronischer Systeme am erweiterten V-Modell beschrieben. Dabei werden bestehende disziplinspezifische und disziplinübergreifende Konstruktionsmethoden berücksichtigt. Die durchgängige Nutzung digitaler Modelle wird in den Phasen des Requirements Engineerings, der interdisziplinären Systemmodellbildung, der disziplinspezifischen Detailentwicklung sowie der digitalen Fabrikplanung veranschaulicht. Weiterhin werden die Ausgestaltung und Steuerung von Entwicklungsprozessen über Prozessmodelle adressiert. Zentrale Faktoren in der Entwicklung, wie Produktkomplexität, Humanfaktoren und Nachhaltigkeit werden darüber hinaus beleuchtet. Der Nutzen des Modelleinsatzes über den Produktentwicklungsprozess hinaus wird damit herausgestellt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung – Modellbasierte Virtuelle Produktentwicklung

Kurzfassung
Eine innovative, interdisziplinäre Produktentwicklung erfordert das Überdenken heutiger Konstruktionsmethoden, Prozesse, IT-Lösungen und Organisationsformen. Elektronik und Software stellen einen immer stärkeren Anteil am Produkt dar. Konstruktions- und Entwurfsmethoden aller Disziplinen – also Maschinenbau, Elektrotechnik/Elektronik und Software – sollten auf den Prüfstand gestellt und ihre Tauglichkeit für einen modernen interdisziplinären Konstruktionsansatz überprüft werden und in einen gemeinsamen integrierten und interdisziplinären Methoden- und Prozessansatz überführt werden. IT-Lösungen sind partiell vorhanden, bedürfen aber noch einer Weiterentwicklung bezüglich Anwendbarkeit und Integration.
Martin Eigner

2. Überblick Disziplin-spezifische und -übergreifende Vorgehensmodelle

Kurzfassung
Wissenschaftler aus diversen Disziplinen haben seit vielen Jahren Methoden und Vorgehensmodelle vorgeschlagen, um den Produktentwicklungsprozess (PEP) zu unterstützen. Diese sind in den meisten Fällen als prozessorientierte Richtlinien gedacht: Verschiedene Phasen der PEPs werden als Best Practices definiert, die einmalig oder zyklisch durchlaufen werden sollen. Zusätzlich werden auch die Entwicklungsergebnisse aus jeder Phase in den Vorgehensmodellen vorgeschrieben. Dieses Kapitel verschafft einen Überblick über disziplinspezifische, sowie für die Entwicklung multidisziplinärer Produkte relevante disziplinübergreifende Methoden und Vorgehensmodelle.
Martin Eigner

3. Requirements Engineering und Requirements Management

Kurzfassung
Um erfolgreich Produkte zu entwickeln ist es notwendig, von Anfang an die Anforderungen der Kunden und Benutzer zu kennen und in die Entwicklung einfließen zu lassen. Dies erfolgt meist bereits vor dem Start einer Entwicklung durch Marktanalysen und Analysen zum Nutzerverhalten. Darauf aufbauend werden im Requirements Engineering die technischen und vielfältigen Verhaltens-, Qualitäts- und Integrationsanforderungen festgehalten und verwaltet, um so bereits frühzeitig die Qualität des Produktes und die Kundenzufriedenheit sicher zu stellen. Wegen steigender Komplexität entwickelter Systeme ist der Nutzen von Methoden und Werkzeugen des Requirements Engineerings klar zu fassen und ihr Einsatz – trotz erhöhten Aufwandes – unumgänglich. Requirements Management führt zu konkreteren Entwicklungszielen, die effektiveres Entwickeln ermöglichen, da Änderungen und Fehler früher erkannt und umgesetzt werden. Dadurch können Verzögerungen zum Ende hin reduziert werden.
Torsten Gilz

4. Modellbildung und Spezifikation

Kurzfassung
Wie in Kap. 1 erläutert, sind im Entwicklungsprozess technischer Systeme heutzutage mehrere Disziplinen involviert. Diese Disziplinen verfügen über eigene Vorgehensmodelle (Kap. 2), Methoden sowie Sprachen und IT-Werkzeuge zur Rechnerunterstützung in der Produktentwicklung. Um erfolgreiche Systeme zu realisieren, muss der Entwicklungsprozess von Anfang an multidisziplinär gestaltet werden. In diesem Kapitel wird die disziplinunabhängige Beschreibung und Spezifikation des Systems in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses vorgestellt, die eng mit dem Anforderungsmanagement (Kap. 3) verbunden ist. Die Rechnerunterstützung in dieser Spezifikationsphase wird durch die Konzepte und Beschreibungsformalismen des Modellbasierten Systems Engineerings am Segway-Beispiel demonstriert. Die Bedeutung dieser Phase für nachgelagerte Aktivitäten im Entwicklungsprozess, wie die erste multidisziplinäre Simulation und die disziplinspezifische Ausdetaillierung wird ebenfalls hervorgehoben.
Radoslav Zafirov

5. Modellbildung und erste Simulation

Kurzfassung
Das Ziel der heutigen Entwicklung technischer Systeme ist es, innovative Produkte auf den Markt zu bringen. Durch die Spezifikation wird die konzeptionelle Architektur eines Systems festgelegt (Kap. 4). Durch eine darauf aufbauende Modellierung und erste Simulationen eines Systems mit multidisziplinären digitalen Modellen können Aussagen in Bezug auf die Erfüllung von geforderten Eigenschaften und spezifizierten Anforderungen getroffen werden. Dadurch werden die Entwickler befähigt, frühzeitig ihre Entwicklungsergebnisse abzustimmen, zu analysieren und zu konkretisieren. Es existieren Simulationssprachen, die gerade das Abbilden von multiphysikalischen Effekten unterstützen. Sie stellen ein sinnvolles Werkzeug für die Absicherung dieser durch Anforderungen an das System spezifizierten Eigenschaften dar.
Torsten Gilz, Radoslav Zafirov

6. Mechanikkonstruktion (M-CAD)

Kurzfassung
Um den Herausforderungen sowie den steigenden Ansprüchen an produzierende Unternehmen, welche durch immer kürzere Lebenszyklen der Produkte entstehen gerecht zu werden, kommen in Unternehmen vermehrt diverse CAx-Werkzeuge zum Einsatz. Zu den wichtigsten CAx-Werkzeugen gehört das Mechanical Computer-Aided Design (M-CAD), welches in der Fachsprache auch oft als CAD bezeichnet wird. Es dient als Werkzeug in der Geometriemodellierung von Produktdaten und ist das erste Glied in diversen digitalen Prozessketten.
Daniil Roubanov

7. Elektrik und Elektronik (E-CAD)

Kurzfassung
Seit ihrer Entdeckung spielt die Elektrizität eine große Rolle in unserem Alltag. Elektrische Komponenten und Komponenten der Mikroelektronik sind aus der Welt der heutigen Konsum- und Investitionsgüter nicht mehr wegzudenken. Nach der Mechanikkonstruktion hat sich zunächst die Elektrokonstruktion als eine weitere große Disziplin in der technischen Produktentwicklung etabliert. Somit hat sie die Multidisziplinarität in die Entwicklung technischer Produkte eingebracht. Die Mikroelektronik hat die in Produkten eingebettete Software ermöglicht und somit die Softwareentwicklung als dritte große Entwicklungsdisziplin eingeführt. Die Elektrotechnik und Mikroelektronik finden mittlerweile einen so breiten Einsatz, dass verschiedene Einsatzgebiete durch spezialisierte Klassen von Methoden, Sprachen und IT-Werkzeugen unterstützt werden, die sich im Laufe der Jahre etabliert haben.
Radoslav Zafirov, Daniil Roubanov

8. Computer-Aided Software Engineering (CASE)

Kurzfassung
Die Computer-unterstützte Softwareentwicklung umspannt ein weites Feld an Tools und Methoden. Als Vertiefung zu den in Kap. 2 vorgestellten Vorgehensmodellen werden in diesem Kapitel die Ursachen des Bedarfs an CASE Tools und deren Entwicklung näher beleuchtet. Weiterhin wird eine exemplarische Auswahl an Tools vorgestellt und in die modellgetriebene Softwareentwicklung mit UML eingeführt.
Alexander Keßler

9. Produktmodelle und Simulation (CAE)

Kurzfassung
Um dem stetig steigenden Wettbewerbsdruck gerecht zu werden, müssen Unternehmen schneller und qualitativ besser produzieren. Die Computer-Aided-Engineering-Methoden (CAE-Methoden) werden dazu eingesetzt um dieses Ziel zu erreichen.
Klause G., CAD-CAE-CAM-CAP-CIM-Lexikon. 3600 Begriffe von A- Z; deutsch-englisch, englisch-deutsch für den Praktiker erläutert; mit ausführlichem Index, 1992, definiert die CAE-Methoden als „nichtgrafische Rechnerunterstützung im gesamten Produktentstehungsprozess (PEP), ergänzend zu CAD-CAM.“Klause G., CAD-CAE-CAM-CAP-CIM-Lexikon. 3600 Begriffe von A- Z ; deutsch-englisch, englisch-deutsch für den Praktiker erläutert ; mit ausführlichem Index, 1992, Die rechnergestützten Analyse-, Simulations-, Festigkeitsrechnungsmethoden usw. werden oft in der frühen Phase der Produktentwicklung eingesetzt, noch bevor die ersten physikalischen Prototypen erstellt werden. Dadurch wird eine frühe Produktoptimierung ermöglicht. Klause G., CAD-CAE-CAM-CAP-CIM-Lexikon. 3600 Begriffe von A- Z ; deutsch-englisch, englisch-deutsch für den Praktiker erläutert ; mit ausführlichem Index, 1992, Die CAE-Methoden beschränken sich nicht nur auf die Mechanik, sondern werden auch in der Elektrik/Elektronik und für eingebettete Software eingesetzt. Wie in der Abb. 9.1 zu sehen ist, sind die CAE-Methoden imunteren Bereich des „V-Modells“, bei der Domänenspezifischen Entwicklung platziert.
Domänenspezifische CAE-Methoden in der mechanischen Konstruktion sind unter anderem FEM (Finite-Elemente-Methode), MKS (Mehrkörpersimulation), ERC (Electrical Rule Check), SiL (Software in the Loop) usw. Parallel dazu existieren Domänenübergreifende Methoden wie Hybride Tests, welche denEntwickler bei der Integration der domänenspezifischen Teillösungen unterstützen. Eine dieser Methoden ist HiL (Hardware in the Loop).
Daniil Roubanov

10. Produktionsmodelle und Simulation (DiFa)

Kurzfassung
Die Produktion ist ein Teil des Lebenszyklus technischer Produkte. Die Beschreibung des Umfeldes eines Produkts, das zu seiner Produktion benötigt wird, gehört zu der integrierten multidisziplinären Produktentwicklung (Kap. 1). Dieses Kapitel behandelt die Rechnerunterstützung durch den Einsatz spezieller Klassen von IT-Werkzeugen in der Produktionsplanung, der modellbasierten Entwicklung und dem Betrieb von Produktionssystemen.
Radoslav Zafirov

11. Technische Organisation des Produktentwicklungsprozesses

Kurzfassung
PLM-Lösungen sind im Gegensatz von CAD und CAE Systemen tief in die technische Ablauforganisation des Unternehmens eingebettet. Aus diesem Grund bedarf die Implementierung dieser Systeme einer methodischen und organisatorischen Vorbereitung und einer Anpassung der Prozesse. Gerade der industrielle Mittelstand ist bezüglich der Organisation der PEP Aufgaben und Abläufe eher unsystematisch. Deswegen werden im Folgenden die wesentlichen Themen der organisatorischen und methodischen Einsatzvorbereitung vollkommen unabhängig von IT-Aspekten dargestellt. Dazu gehören neben den Grundlagen der Benummerung, Benennung und Klassifikation auch die verschiedenen Arten der Produktstrukturierung und die technischen Prozesse Freigabe-, Änderungs- und Konfigurationsmanagement. Jedes Unternehmen sollte seinen Produktentwicklungsbereich vor der späteren PLM-Implementierung organisatorisch optimieren um die Randbedingungen und Ziele der Qualitätssicherung, Produkthaftung, verteilter Teamarbeit usw. zu erfüllen [5].
Martin Eigner

12. Product Lifecycle Management (PLM)

Kurzfassung
In den vorangegangenen Kapiteln wurden bereits die vielfältigen IT-Lösungen entlang des Produktlebenszyklus vorgestellt. Dabei spielt die Definition und Verfolgung verschiedener Produktkonfigurationen entlang des Lebenszyklus eine wesentliche Rolle (Freigabe-/Änderungs-, Konfigurationsmanagement). Auf der IT-Ebene werden moderne Autoren-Systeme (MBSE (Model-Based Systems Engineering), CAD-, CAM- und CAE-Systeme) sowie die entsprechenden Simulations- und Visualisierungstechniken eingesetzt. PDM (Product Data Management) und PLM (Product Lifecycle Management) Lösungen bilden den funktionalen und administrativen Backbone für die Informationsmenge, die von der ersten Idee bis zur finalen Produktstruktur mit allen dazugehörigen Dokumenten anfällt. Die dann folgenden produktions- und logistikbezogenen Informationen werden in Produktionsplanungs- und -steuerungssystemen (PPS) verwaltet, zu denen es Schnittstellen und Überlappungen gibt (Kap. 13).
Martin Eigner

13. Produktionsplanung und -steuerung (PPS)

Kurzfassung
Die Kernaufgabe eines produzierenden Unternehmens ist es, ein auf die Kundenwünsche zugeschnittenes und kostengünstiges Produkt anzubieten. Wie Kap. 1 jedoch beschreibt, wird es für die Unternehmen immer komplizierter dies zu realisieren. Um den steigenden Anforderungen zu entsprechen, werden seit den fünfziger Jahren unterstützende Konzepte für die Produktionsplanung und -steuerung (PPS) entwickelt und kontinuierlich erweitert. Während die ersten PPS-Konzepte die Materialplanung (MRP) im eigenen Unternehmen abdecken, repräsentiert diese in heutigen PPS-Systemen nur eine Teilaufgabe. Heutzutage konzentrieren sich produzierende Betriebe auf ihre Kernaktivitäten und lagern die restlichen Aufgaben an die Zulieferer aus. Einen Einblick in die über mehrere PLZ-Phasen verteilten Tätigkeiten und die computergestützten Werkzeuge von PPS gibt das nachfolgende Kapitel.
Marcellus Menges, Daniil Roubanov, Joscha Ernst

14. Schnittstellen und Datenaustauschformate

Kurzfassung
Moderne und IT-geprägte Unternehmen haben großen Bedarf für Informations- und Datenaustausch aller Art. Da der Umfang der Daten und die Frequenz des Austauschs immer weiter steigen, wird zunehmend auf Standardisierung und Automatisierung der Datenaustauschprozesse geachtet. Dieses Kapitel beschreibt Konzepte und Techniken, die den Austausch von Informationen in der Industrie unterstützen können.
Sebastian Sindermann

15. Humanfaktoren in der Produktentwicklung

Kurzfassung
„Höher, schneller, weiter“ – die Anforderung an den Menschen in Privat- und Arbeitswelt nehmen kontinuierlich zu. Maschinen und Techniken werden entwickelt, die alle Rekorde in Leistung und Produktionsvermögen brechen, doch wo bleibt der Mensch? In diesem Kapitel wird speziell der Produktentwickler als Faktor Mensch in seinem Arbeitsumfeld betrachtet.
Die Herausforderungen nehmen auch in der Produktentwicklung kontinuierlich zu und erstrecken sich auf weitaus mehr Dimensionen als noch vor wenigen Jahrzehnten. Geänderte Kundenanforderungen hin zu technologisch hochwertigeren Produkten, zunehmende Modellvielfalt und höherer Funktionsumfang von Produkten fordern den Entwickler ebenso, wie die verschärfte Produkthaftung und zunehmende Globalisierung, die eine Internationalisierung der Produktentwicklung erfordert. In diesem Zusammenhang sorgt insbesondere die Mehrdimensionalität dieser Anforderungen an die Produktentwicklung für einen Anstieg der Komplexität. Technische und organisatorische Hilfsmittel stoßen zunehmend an ihre Grenzen. Das Verhalten und Handeln des Menschen rückt in den Fokus und damit auch Lösungsansätze, die sog. Humanfaktoren berücksichtigen.
Doch was genau sind eigentlich „Humanfaktoren“? Wie wirken Sie sich auf die Produktentwicklung aus? Und kann man Humanfaktoren positiv beeinflussen? – Diese und weitere Fragen soll das folgende Kapitel klären.
Joscha Ernst

16. Nachhaltige Produktentwicklung

Kurzfassung
Warum ständig das Falsche optimieren, anstatt gleich das Richtige zu tun? Wie die Produkte von morgen zu den Rohstoffen von übermorgen werden können beschreibt Michael Braungart spannend und anschaulich in seinem Werk „cradle to cradle“ (Braungart und McDonough, Einfach intelligent produzieren: Cradle to Cradle – Die Natur zeigt, wie wir die Dinge besser machen können, 2003). Braungarts einfaches Credo lautet dabei, die Intelligenz endlich an den Anfang der Produktentwicklung zu stellen. Es geht auch darum, die gesamte Lebensdauer eines Produktes zu gestalten. Demnach gehört die Entsorgung zur Entwicklungs- und Design-Aufgabe. Die Tatsache, dass ein Material recycelt wird, macht es nicht automatisch umweltfreundlich, vor allem dann nicht, wenn das Recycling bei der Herstellung nicht ausdrücklich mit eingeplant wird. Eine wichtige Voraussetzung ist die Kenntnis über alle Inhaltstoffe der Produkte, zugrunde liegende technische Prozesse und das intelligente Vordenken nachhaltiger Produktsysteme über ihren gesamten Lebensweg.
Patrick Schäfer, Hristo Apostolov

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