Prozessgebundene Berechnungsbaugruppen - Ein Ansatz zur Lösung komplexer Entscheidungs- und Berechnungsabläufe

Interdisziplinäre Produktanforderungen, eine hohe Servicequalität und ein verändertes Nutzerverhalten führen in immer mehr Unternehmen von klassischen funktionsorientierten und abteilungsgebundenen Organisationsformen zu einer Prozessorientierung, in der das Abteilungsdenken durch das Erfolgsziel des Gesamtprozesses ersetzt wird. Dies gilt insbesondere für einen der wichtigsten Teilprozesse der Produktentwicklung, die Berechnung der im Erzeugnis verbauten Maschinenelemente. Deren Auslegung, Optimierung und Nachrechnung sind einerseits Teil eines übergeordneten und arbeitsteiligen Entwicklungsprozesses, bedürfen aber zur eigenen Bestimmung ebenfalls vieler einzelner parallel ablaufender interdisziplinärer Aktivitäten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methode zur Systematisierung und Erhöhung der Transparenz der Abläufe in der Produktentwicklung mit dem Schwerpunt der Auslegung und Berechnung von Maschinenelementen und deren Baugruppen. Es wurden die Baugruppen- und Prozessbildung, die Werkzeuge für die Modellbildung sowie eine prototypisch realisierte Baugruppenberechnung vorgestellt. Auf Basis der durchgeführten Literaturrecherche wurden die grundlegenden Vorgehensweisen und Methoden zur Organisation und Durchführung von Berechnungsprozessen identifiziert, analysiert und auf die Anwendbarkeit der Lösung, der im Rahmen dieser Arbeit gestellten Aufgaben zur Systematisierung und Erhöhung der Transparenz der Berechnungsabläufe im Bereich der Maschinenelementeberechnungen untersucht. Die Grundlage der neuen Methode bilden Ansätze, die sich bereits in der Konstruktionsmethodik und in der Informationstechnik bewährt haben. Ergänzt mit den Konzepten der Klassifikation und Prozessautomatisierung sowie den mathematisch-technischen Berechnungsalgorithmen der Ingenieurwissenschaften bilden sie die Basis dieser Methode. Die für die Automatisierung notwendige Formalisierung der Methode wurde basierend auf der Theorie der gerichteten Graphen, der SysML (Systems Modeling Language) und des Business Process Management (BPM) Ansatzes durchgeführt. Die gewonnenen theoretischen Erkenntnisse wurden in Form eines prototypisch entwickelten Design Process Management Systems realisiert, welches die Erreichung der in der Arbeit gesetzten Ziele ermöglicht und für ein nachhaltiges Wissensmanagement bei der Organisation der Berechnungsabläufe sorgt. Die Besonderheiten dieses workfloworientierten Management Systems liegen einerseits in einem Wissens-Repository, welches die modularen Bestandteile zur Definition der Berechnungsabläufe beinhaltet sowie andererseits in einem interaktiven Prozess-Designer, mit dessen Hilfe die Abläufe graphisch, schnell und intuitiv modelliert und ausgeführt werden können. In den Produktplanungsphasen vom Anforderungsmanagement bis zur Validierung nach dem Prinzip des „Systems Engineering“ kann dabei auf eine Bibliothek modularer Berechnungsobjekte in Form von Prozess-Bausteinen zugegriffen werden, deren Schnittstellen und Datenstrukturen ausnahmslos einheitlichen Definitionen entsprechen. Gemeinsam mit der nach eCl@ss - Standard entwickelten Merkmalsstruktur der Berechnungsobjekte wird so eine hohe Wiederverwendbarkeit erzielt. Die Klassifizierung der Berechnungsobjekte orientiert sich an konstruktionssystematischen Gesichtspunkten. Der eigentliche Prozess der Baugruppenbildung erfolgt mit einem Editor, der die Berechnungsobjekte miteinander verknüpft, indem er die zugehörigen Informationsobjekte, Datenbankzugriffe und Algorithmen in die Benutzeroberfläche und in den Prozess einbindet. Ebenso können externe Prozesse und Datenquellen nahtlos in die Modellierung einfließen. Schließlich wird die Vorgehensweise bei der Modellbildung einer Berechnungs-Baugruppe am Beispiel einer Getriebeauslegung dargestellt. Ausgehend von den geforderten Merkmalen der Lösungskonfiguration wird die Funktionsstruktur durch analoge Berechnungsobjekte abgebildet und anschließend über eine geeignete Logik miteinander verknüpft. Der dabei entstehende Prozess bildet die neue Berechnungs-Baugruppe der Getriebeauslegung und kann schließlich für Parameterstudien herangezogen werden. Mit den prozessgebundenen Berechnungsbaugruppen wurde eine Methode vorgestellt, die den Konstrukteuren die Möglichkeit bietet, ihre zum Teil mehrstufigen und rekursiven Berechnungen durch den Einsatz modularer Funktionsbausteine verbindlich, nachvollziehbar und vor allem zeitsparender zu gestalten. Dabei sind die Arbeitsergebnisse allen Ingenieuren und Abteilungen einer Community, vor allem auch dem Qualitätsmanagement und damit einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess zugänglich. Inwieweit die hier vorgetragenen Methoden auch den Validierungsprozess unterstützen können, bleibt weiteren Untersuchungen vorbehalten

MBSE-gestützte Methoden zur Strukturierung und Anwendung von Baukästen in der Frühen Phase der PGE - Produktgenerationsentwicklung mechatronischer Steuergeräte im Einsatz in Kleinantrieben im Automobilbereich = MBSE-supported methods for Structuring and Application of Modular Kits in the Early Stages of PGE - Product Generation Engineering of Mechatronic Control Units in Small Drives in the Automotive Sector

Die Entwicklung des Automobils hin zu einem HiTech Multimediaprodukt ist nicht erst durch die neusten Erkenntnisse im Bereich des autonomen Fahrens abzusehen. Bereits seit dem Einzug der Mechatronik ins Fahrzeug ist eine stete Zunahme an Funktionalität zu beobachten. Im Zentrum des Geschehens stehen dabei die Steuergeräte, die als intelligente Schaltzentralen außerhalb oder innerhalb der elektrischen Komponenten des Fahrzeuges agieren. Der Bereich der elektrischen Kleinantriebe stellt bis heute einen der bedeutendsten Sektoren dieser Komponenten dar. Durch den zunehmenden globalen Wettbewerb sind auch in diesem Segment Individualität und Differenzierung zu unverzichtbaren Verkaufsargumenten geworden. Standardisierungsmethoden allen voran die Baukastenentwicklung bieten an dieser Stelle die Aussicht, sich langfristig am Markt zu behaupten. Anders als in der Automobilindustrie, deren Baukästen über Jahre bestehen bleiben, zeichnet sich die Steuergeräteentwicklung aufgrund der unterschiedlichen Entwicklungszyklen der beteiligten Domänen, durch eine sehr hohe Innovationsdynamik aus. Gepaart mit den Trends der Hochintegration und der zunehmenden Funktionsdichte führt dies zu einem drastischen Anstieg der Produktkomplexität. Gerade in der frühen Phase eines Produktentstehungsprozesses, die sich ohnehin durch eine hohe Unsicherheit auszeichnet, gilt es geeignete Wege zum Umgang mit der vorherrschenden Komplexität zu ermöglichen. Hieraus entsteht der Bedarf nach geeigneten Ansätzen die spezifischen Herausforderungen der Steuergeräteentwicklung im Einsatz elektrischer Kleinantriebe mittels Baukastenentwicklung adressieren zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden, an die Spezifika der frühen Phase der PGE – Produktgenerationsentwicklung mechatronischer Steuergeräte angepasste Methoden zur Baukastenstrukturierung und -anwendung entwickelt. Methodisches und modelltheoretisches Fundament des Forschungsvorhabens bilden dabei die Erkenntnisse der KaSPro – Karlsruher Schule für Produktentwicklung. Mittels der Strukturierungsmethode wird eine detaillierte Vorgehensweise beschrieben, die den Leser ausgehend von einem Produktportfolio mechatronischer Steuergeräte zur Erstellung eines MBSE-gestützten Baukastenmodells führt. Um die Anwendung des Baukastens in der industriellen Praxis zu ermöglichen, wird eine Toolkette entwickelt, die dazu in der Lage ist, basierend auf realen Kundenanforderungen Produktempfehlungen aus dem Baukastenmodell heraus zu generieren und gegeneinander abzuwägen. Die unter der Durchführung von Fallstudien und Experteninterviews generierten Evaluationsergebnisse bestätigen die Eignung der Methoden zum praktischen Einsatz. Die automatisierte Baukastenanwendung zeichnet sich zusätzlich durch einen signifikanten Beitrag hinsichtlich der Effizienzsteigerung in der Ableitung von Produktkonzepten in der frühen Entwicklungsphase aus