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Branchenorientierte Produktstrukturen für PLM - Teil 2

PLMBranchenorientierte Produktstrukturen für PLM - Teil 2

Historisch gesehen waren PDM-Projekte in den 80er Jahren durch die Verwaltung von technischen Dokumenten in Verbindung mit CAD geprägt. In den 90er Jahren wurden, basierend auf den Anforderungen der ISO 9001 und der Produkthaftungsanforderungen, die Dokumente mit den Stamm- und Strukturdaten verknüpft, einfache Änderungsabläufe wurden abgebildet. Schnittstellen zu PPS-Systemen wurden häufig realisiert. Markt- und Technologieexperten prognostizierten Ende der 90er Jahre, dass bei erfolgreichen PDM-Projekten viele Informationen gefiltert aus verschiedenen inner- und außerbetrieblichen Datenquellen dem Ingenieur an seinem Arbeitsplatz zur Verfügung gestellt werden.

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Aufgrund der immer noch hohen Dominanz hierarchischer Produktstrukturen als Kernfunktionen sowohl von PDM als auch vom PLM werden Produktstrukturen unter dem Blickwinkel verschiedener Branchen und Marktsegmente betrachtet. Nachfolgend wird auf die Besonderheiten einiger Branchen eingegangen.

Luftfahrt/Flugzeugbau
Aufgrund der hohen Sicherheits- und Compliance-Anforderungen ist der Flugzeugbau sicherlich die Branche, in der Produktstrukturen ganz klaren Regeln folgen. Eine Gliederung der Produkte nimmt die DIN 9020 vor, welche die Massehauptgruppen von Luftfahrzeugen beschreibt. Diese werden für eine Vielzahl von Zwecken benötigt, unter anderem für statische und dynamische Belastungsberechnungen, Kostenermittlung oder Rentabilitätsvergleiche [DIN83b].

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Die in der Konstruktion wichtigsten Gruppen sind dabei die Struktur, die Antriebsanlage und die Standardausrüstung, welche sich wiederum in Untergruppen aufteilen. Im Flugzeugbau wird dabei simultan zur Massehauptgruppe auch von einer Konstruktionshauptgruppe gesprochen, die sich in verschiedene Konstruktionsgruppen unterteilt [DIN83]. Eine genaue Übersicht über alle (Haupt-)gruppen zeigen Abbildung 2a+b. Zur Identifizierung eines Bauteils wird in der Konstruktion aufbauend auf dem oben beschriebenen System eine genaue Hierarchiestruktur eingesetzt [Eng13]: Großgruppe beziehungsweise Fertigungsgruppe, Baugruppe, Untergruppe, Hilfsgruppe und Einzelteil. Um diesem System gerecht zu werden, ist die Benummerung entsprechend angepasst und dient so zu einer schnellen Zuordnung eines Bauteils.

Eine weitere Art der Produktstrukturierung beschreiben Hofman und Hinsch: Haupt- und Fertigungsbaugruppen werden zu Beginn der Entwicklung festgelegt und anschließend nicht mehr verändert. Unter jeder Hauptbaugruppe werden Konfigurationselemente bestimmt. Jedes Konfigurationselement (CI) besteht wiederum aus einer oder mehreren technischen Lösungen. Auf diese Art und Weise entsteht eine Art Baukasten, aus dem ein konkretes Flugzeug beziehungsweise eine konkrete Konfiguration ausgewählt werden kann. Hierzu wird für jedes CI eine bestimmte technische Lösung gewählt und über ein logisches Objekt verknüpft [HH13]. Jede Auswahl oder Änderung einer technischen Lösung zieht dabei eine Änderung auf Basis der Einzelteile nach sich, welche in ihrer Summe die konkrete Stückliste des Flugzeugs darstellen [HH13].

Dreistufige Klassifizierung
Durch die Notwendigkeit einer Zertifizierung nach amerikanischen und europäischen Richtlinien ist es möglich jede technische Einrichtung eines Flugzeugs nach ATA (Air Transport Association) Spezifikation 100 zu identifizieren. Dabei wird eine dreistufige Klassifizierung genutzt, welche innerhalb der ATA Spec. 100 auf das entsprechende Kapitel und Unterkapitel verweist. Die dritte Strukturstufe dient innerhalb eines Unterkapitels der direkten Bauteilidentifizierung. Wie diese Struktur in einem realen Beispiel aussieht zeigt Abbildung 4. Ein Flugzeug besteht auf Gesamtstrukturebene aus über 160.000 verschiedenen Bauteilen. Durch Mehrfachverwendung von Bauteilen und Instanziierungen der Stücklisten werden daraus fast 1,5 Millionen verbaute Teile. Der A380, das größte Passagierflugzeug des Airbus-Konzerns besteht sogar aus rund drei Millionen Einzelteilen. Um ein solches Flugzeug zu entwickeln wird mit sogenannten Mastermodellen gearbeitet, welche sich über den Produktlebenszyklus abwechseln. Zu Beginn werden die äußere Hülle und die grobe Gesamtstruktur festgelegt, während der Entwicklung werden diese Festlegungen dann durch eine detaillierte Struktur abgelöst.

Schienenfahrzeuge
Der Schienenfahrzeugsektor ist geprägt von niedrigen Stückzahlen bei einer gleichzeitig hohen Anzahl von Varianten, was zu sehr niedrigen Losgrößen führt. Dabei liegt der Grund für die hohe Variantenanzahl in einer Vielzahl von Gründen, unter anderem aus Betriebsanforderungen, der unterschiedlichen Infrastruktur einzelner Strecken, funktionalen Anforderungen, dem Fahrgastkomfort und insbesondere auch dem Schienensystem [Sch02]. Die Fertigung – und damit die Produktstruktur – der Wagenkästen haben sich im Laufe der Zeit geändert. Früher wurden Wagenkästen in Differentialbauweise erstellt. Um eine tragende Struktur herum wurde eine Beplankung beziehungsweise die Inneneinrichtung gebaut. Demgegenüber steht die Integralbauweise, bei der großformatige Aluminiumbauteile zusammengeschweißt werden, wodurch Wagenkästen mit einer kleineren Anzahl an Einzelteilen realisiert werden können. Als letzte Möglichkeit existieren modulare Bauweisen, bei welchen eine Aufteilung des Wagens in einzelne, funktional zusammenhängende Baugruppen erfolgt. Eine Besonderheit ist, dass in dieser Fertigungsart teilweise der Rohbau und der Innenraum in einem Modul zusammengefasst sind [Sch02].

Um im Schienenfahrzeugbau wettbewerbsfähig zu sein müssen die Hersteller stark auf Module setzen, welche in einem komplexen Aufbau mehrere Funktionen vereinen können und welche über Schnittstellen zu weiteren Baugruppen verfügen. Auf diese Art kann die Fertigungskomplexität gesenkt und gleichzeitig eine hohe Variantenvielfalt bewahrt werden [Sch02].

Zur genauen Strukturierung eines Schienenfahrzeuges wurde mit der DIN EN 15380 [DIN06b] eine Normenreihe geschaffen, welche eine Strukturierung nach Produktgruppen, Einbauorten und nach Funktionsgruppen ermöglicht.

Der Komponenten-ICE
In Abbildung 5 ist die grobe Modellierung eines ICE dargestellt. Durch die Beschreibungsmöglichkeiten sowohl nach Systemen, als auch Funktionen ist es bereits in frühen Phasen des Entwicklungszyklus möglich ein Schienenfahrzeug klar zu strukturieren und Zusammenhänge zwischen Systemen, Funktionen und Bauteilen herzustellen. Im fertigen Produkt werden 18 Hauptbaugruppen und insgesamt 106 Unterbaugruppen genutzt um ein Schienenfahrzeug zu strukturieren [DIN06a]. Die Kennzeichnung eines Bauteils erfolgt gemäß der Systematik aus der DIN EN 15380, zum Beispiel aus einer Hauptgruppe C – Fahrzeugausbau und einer Unterbaugruppe E – Trennwände [DIN06b]. Ein großer Vorteil einer modularen Bauweise ist die Technologiemigration, das heißt die Übernahme von Technik und Innovation aus anderen Branchen. Gleichzeitig ist es möglich durch den Austausch von nur wenigen Modulen ein individuelles Produkt zu erschaffen, was zum Beispiel bei Straßenbahnen genutzt wird [Müt10].

Schiffbau
Im Schiffbau stehen Hersteller vor dem Problem, dass hier verschiedene Produktmodelle benötigt werden, welche in unterschiedlichen Abschnitten des Produktentstehungszyklus (PEP) generiert werden.

Durch diese Verwendung entstehen durch den PEP hinweg sowohl Brüche zwischen der verwendeten Software, aber auch zwischen der 2D- und der 3D-Darstellung. Erste Modelle wie der Stahlplan oder Freiformflächen werden in 2D erstellt und anschließend erst zu einem ersten 3D-Strukturmodell vereint. Auf Basis des 3D-Modells findet die anschließende Ausrüstung, Maschinenaufstellung und Koordinierung aller Gewerke statt. Abbildung 6 zeigt welche Brüche innerhalb der Schiffskonstruktion entstehen, da sowohl unterschiedliche Produktmodelle, als auch unterschiedliche Software eingesetzt werden.

Große Unterschiede gibt es im Schiffbau abhängig von der Art des zu planenden Schiffes. So werden im Marineschiffbau wesentlich längere Zeiten für die Projektierungsphase aufgewendet, da die gesamte Produktkonfiguration einschließlich den Waffen- und Ausrüstungssystemen vertraglich festgelegt wird. Eine andere Situation zeigt sich im Bau von Kreuzfahrtschiffen oder Fähren, welche aufgrund ihrer insgesamt niedrigeren Komplexität und höherer Standardisierung eine straffer organisierte Konstruktionsphase durchlaufen, in der versucht wird durch eine effiziente Stahlkonstruktion die Prozesse zu optimieren.

Zur Beschreibung des komplett geplanten und entwickelten Schiffes existiert mit der DIN 6779-11 [DIN88] eine detaillierte Kennzeichnungssystematik der einzelnen Bauteile. Je nach Anwendung wird dabei zwischen militärischen und zivilen Schiffen unterschieden. Für beide existieren allerdings detaillierte Systematiken, wie Bauteile innerhalb des Schiffs kategorisiert werden, je nachdem ob die Funktion, der Aufstellungs- oder der Einbauort von Relevanz ist.

Fahrzeugbau
Analog zum Bau von Flugzeugen, Schienenfahrzeugen und Schiffen existieren auch im Fahrzeugbau entsprechende Produktklassifizierungen. Im Gegensatz zu den anderen Branchen existiert hier allerdings kein öffentlicher Standard bzw. Norm, sondern die entsprechende Struktur wird von den Herstellern vertraulich behandelt. In Produktstrukturen werden beispielsweise zweistellige Modulnummern verwendet, die dabei einer Hauptproduktgruppe entsprechen, welche wiederrum in mehrere Unterproduktgruppen geteilt ist. In einer thematischen Gruppe der Integrationsthemen werden Bauteile und Baugruppen anderer Bereiche zusammengefasst, sofern sie thematisch betroffen sind [Müt10].

Diese Klassifizierung spiegelt sich auch in den Materialnummern der einzelnen Bauteile wider, die aus einem vorderen – klassifizierenden – Teil, sowie einer Identifizierungsnummer bestehen. Zwischen der Klassifizierung und den wirklichen Einzelteilen und ihren Nummern gibt es noch eine Strukturstufe, welche die Varianten der jeweiligen Struktur abbildet und über welche Klassifizierung und Einzelteil miteinander verknüpft sind. In Abbildung 7 ist die Strukturierung eines Fahrzeuges geschildert, wie sie aktuell in der Industrie verwendet wird. Die „upper“ Structure ist die logische Produktgliederung (generische Prdouktstruktur).

Durch die Verwendung einer solchen Struktur ergibt sich für Kunden bei der Zusammenstellung eines Fahrzeuges eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Module. Diese werden in Baukästen zusammengestellt und zur Konfiguration eines Fahrzeuges genutzt. Dabei ist zu beachten, dass aufgrund der Wahl einer bestimmten Variante in einem Modul die restliche Auswahl eingeschränkt wird, da nicht jede Variante eines Moduls mit allen Varianten der anderen Module kombinierbar ist.

Maschinenbau
Im Gegensatz zu den oben vorgestellten Branchen ist der Maschinen- und Anlagenbau wesentlich heterogener und die entsprechenden Produkte haben die unterschiedlichsten Produktstrukturen, aufgrund von Kundenanforderungen, historisch gewachsenen Strukturen oder anderen Randbedingungen. Kennzeichnend in dieser Branche sind Klein- oder Kleinstserien. Viele Produkte werden individuell für den Kunden entwickelt oder konfiguriert. Aus dem Wunsch der Kunden nach einer schnellen Entwicklung und Fertigung heraus werden Produkte häufig aus Vorgängerversionen heraus entwickelt [RSG14].

Zur Strukturierung der Produkte im Maschinen- und Anlagenbau bieten sich für Hersteller insbesondere die Konzepte der Produktgliederung, der Modularisierung, eines Baukastens oder einer Plattform an. Die Modulbauweise unterteilt ein Produkt in logische Module welche jeweils eine Funktion erfüllen. Sie verfügen über Schnittstellen zu anderen Modulen, sollen allerdings austauschbar sein. Hieraus ergibt sich der große Vorteil, dass Entwicklungstätigkeiten parallelisiert und Varianten einfach gebildet werden können [RSG14]. Die Baukastenstruktur unterteilt ein Produkt ebenfalls, hierbei kann ein Baukasten allerdings mehrere Aufgaben und Funktionen übernehmen. Auf diese Art und Weise können Varianten einfach realisiert werden, Probleme ergeben sich allerdings bei Änderungswünschen außerhalb eines Bausteins [RSG14].

Zuletzt kann ein Produkt als Plattformbauweise strukturiert werden. Hierbei bildet eine Plattform die Grundlage, auf der über einen längeren Zeitraum Varianten gebildet werden. Nachteilig ist der hohe Aufwand, um zum ersten Mal eine Plattform zu bilden, anschließend kann allerdings von einer schnellen Variantenbildung und einer hohen Lerneffekten profitiert werden [RSG14]. Um alle Kundenanforderungen zu erfüllen bietet sich auch für Kleinserien eine modulare Produktstruktur an, um auch in Zukunft Kundenwünsche erfüllen zu können. Dazu müssen ausgehend von den Hauptvariantentreibern – den externen Faktoren, welche sich auf die Anzahl der Varianten auswirken – die Funktionen ermittelt werden, welche jeweils angepasst werden müssen [KRL16].

Die oben genannten Beispiele aus den Branchen Luftfahrzeugtechnik, Schiffbau, Schienenfahrzeuge und Automobilbau zeigen, wie verschiedene Produkte gegliedert sein können. Auch in anderen Branchen kann diese Methodik eingesetzt werden um Produkte zu strukturieren und die Basis für eine PDM- oder PLM-Einführung zu schaffen. -sg-

Autoren:
Martin Eigner, Andreas Eiden; TU Kaiserslautern

Literaturverzeichnis
[DIN06a+b] DIN EN 15380-1 und 15380-2, Bahnanwendungen - Kennzeichungssystematik für Schienenfahrzeuge - Teil 2: Produktgruppen. Beuth, Berlin, 2006.

[DIN83] DIn 9020-2, Masseaufteilung für Luftfahrzeuge schwerer als Luft. Beuth, Berlin, 1983.

[DIN88] DIN 6779-11, Kennzeichnungssystematik für technische Produkte und technische Produktdokumentation. Teil 11: Schiffe und Meerestechnik. Beuth, Berlin, 1988.

[Eng13] Engmann, K. Hrsg.: Technologie des Flugzeuges. Vogel, Würzburg, 2013.

[HH13] Hofman, M.; Hinsch, M., Konfigurationsmanagement etc. Springer Vieweg, Berlin, 2013; S. 69–94.

[KRL16] Kasperek, D. et al.: Ein Leitfaden zur marktorientierten top-down Modularisierung im Maschinen- und Anlagenbau. In (Schulze, S.-O.; Muggeo, C. Hrsg.): Tag des Systems Engineering. Verteiltes Arbeiten mit ganzheitlicher Kontrolle. Hanser, 2016; S. 377–386.

[Müt10] Müther, S.: Methodische Technologiemigration. Dissertation, Aachen, 2010.

[Rie01] Rieckmann, W.: Airbus Concurrent Engineering Virtuelle Produktentwicklung am Beispiel Airbus. In (Buhl, H. U. Hrsg.): Information age economy. Physica-Verl., Heidelberg, 2001; S. 879–904.

[RSG14] Roth, M. et al.: Standardisierungskonzept für Kleinserien im Maschinen- und Anlagenbau. In (Maurer, M. S.; Abulawi, J.; Schulze, S.-O. Hrsg.): Tag des Systems Engineering. Bremen, 12. - 14. November 2014 ; [TdSE]. Hanser, München, 2014; S. 361–370.

[Sch02] Schmidt, H.: Beitrag zum Variantenmanagement und zur Prozessoptimierung im Wagenkastenbau von Schienenfahrzeugen. Fraunhofer-IRB-Verl., Stuttgart, 2002.

TU Kaiserslautern, Kaiserslautern, Tel. 0631/205-3871, www.mv.uni-kl.de

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