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- Herausgeber: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2024
Digital Engineering, digitaler Zwilling und digitale Fabrik sind innovative Konzepte, um die stetig zunehmende Produktkomplexität beherrschbar zu machen. Dazu müssen produktrelevante Informationen, Daten, Prozesse und Systeme durchgängig verfügbar gemacht werden. Product Lifecycle Management (PLM) bildet hierfür die unverzichtbare Grundlage. Das IT-Integrationskonzept sorgt unter anderem mittels eines Produktdatenmanagement (PDM)-Systems dafür, Produkt-, Prozess- und Projektdaten strukturiert zu verwalten und bei Bedarf vollständig, aktuell und widerspruchsfrei in Echtzeit bereitzustellen.
Dieser Praxisleitfaden zeigt, wie Produktlebenszyklus-Management und Konstruktionsmethodik eines Unternehmens ausgelegt sein sollten, um die Entwicklung kundenindividueller Produkte und die Steuerung cyber-physischer Produktionssysteme erfolgreich umzusetzen. Es richtet sich an Produktentwickler:innen und -planer:innen, Produktionsplaner:innen, Qualitäts- und Projektmanager:innen sowie IT-Verantwortliche.
Das Buch behandelt unter anderem folgende Themen:
- Produktkonfiguration als Enabler der Mass Customization
- Digital Engineering-Methoden wie Teilestandardisierung (Wiederholteile-Entwicklung), Produktmodularisierung und Baukastenkonstruktion (Variantentechnik)
- Einführung eines neuartigen Daten- und Prozessmodells zum Aufbau des virtuellen Produkts, Definition der Anforderungen an das virtuelle Produkt zur Verwaltung des digitalen Zwillings
- Systemneutrale PDM-Definition mit durchgängiger Konzeption für Teilemanagement, Stücklistenmanagement, Produkt- und Variantenkonfiguration, Anforderungsmanagement, Änderungs- und Konfigurationsmanagement, Workflowmanagement u. v. m.
- Strategien zur Implementierung einer integralen PLM-Arbeitsplattform für die Realisierung von Digital Twin & Smart Factory
Wer auf der Suche nach zukunftsfähigen Konstruktionsmethoden und PDM/PLM-Konzepten ist, der findet in diesem Buch zahlreiche praxiserprobte Handlungsempfehlungen aus der 30-jährigen Beratertätigkeit des Autors.
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Seitenzahl: 845
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Josef Schöttner
PLM in der Smart Factory
Strategien, Konzepte und Methoden zur Digitalisierung der Engineering-Prozesse und Produktdaten-Bereitstellung für MES
Über den Autor:Josef Schöttner, Hohenthann (bei München)
Print-ISBN: 978-3-446-47962-3E-Book-ISBN: 978-3-446-48038-4E-Pub-ISBN: 978-3-446-48181-7
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© 2024 Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, Münchenwww.hanser-fachbuch.deLektorat: Julia SteppCoverkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, MünchenCovergestaltung: Max KostopoulosTitelmotiv: © gettyimages.de/Westend61Satz: Eberl & Koesel Studio, Kempten
Inhalt
Titelei
Impressum
Inhalt
Vorwort
1 Anforderungen an Industrieunternehmen
1.1 Innovationsdynamik
1.2 Produktkomplexität
1.3 Produktqualität
1.4 Kundenlösungen
1.5 Wirtschaftlichkeit
2 Produktionsformen für Kundenlösungen
2.1 Design to Order/Engineer to Order
2.2 Make to Order
2.3 Assemble to Order
2.4 Pick to Order
2.5 Configure to Order
2.6 Make to Stock
2.7 Zielsetzung und Abgrenzung
3 Baukastenkonstruktion
3.1 Grundlagen
3.1.1. Baukasten-Konstruktionsprinzip
3.1.1.1. Teile und Baugruppen
3.1.1.2. Geometriebausteine, Teile und Baugruppen
3.1.2. Aufbau der Konstruktionsbausteine
3.1.2.1. Parametrisch-assoziatives Geometriemodell
3.1.2.2. Geometrieparameter und Teilemerkmale
3.1.2.3. Merkmalverknüpfte Geometriemodelle
3.1.3. Mastermodell und Masterzeichnung
3.1.4. Baukastenelemente und Produktstruktur
3.1.5. Nichtgeometrische Baukastenelemente
3.1.5.1. Nachweisführung
3.1.5.2. Teileprogramm
3.1.5.3. Arbeitsplan
3.2 Standardisierungsarten
3.2.1. Normierte Standardteile
3.2.1.1. ABC-Teileanalyse
3.2.1.2. Geometrieanalyse
3.2.1.3. Parameteranalyse
3.2.1.4. Definition der Sachmerkmale
3.2.1.5. Aufbau der Klassifikationsstruktur
3.2.1.6. Aufbau des Mastermodells
3.2.1.7. Aufbau der Masterzeichnung
3.2.1.8. Normierung
3.2.1.9. Anlage der Modell- und Teilevarianten
3.2.1.10. Anlage der Standardzeichnungen
3.2.1.11. Normierte Produkte
3.2.1.12. Normierte Elemente eines Produktbaukastens
3.2.2. Modulare Funktionseinheiten
3.2.2.1. Hierarchische Funktionsstruktur
3.2.2.2. Funktions- und Produktstruktur
3.2.2.3. Basis- und Funktionseinheit
3.2.2.4. Modulschnittstellen
3.2.3. Plattform-Standardisierung
3.2.3.1. Plattform
3.2.3.2. Modulvarianten
3.2.3.3. Modulare Baukästen
3.2.3.4. Bodengruppenvarianten aus Ähnlichkeitsteilen
3.2.4. Dynamische Auslegung
3.2.4.1. Teilevarianten aus normierten Geometriebausteinen
3.2.4.2. Laufzeitgenerierte Bauteile
3.3 Strategische Bedeutung
3.3.1. Kundenorientierung
3.3.2. Nutzenpotenziale
3.3.2.1. Zeiteinsparung
3.3.2.2. Kostenreduzierung
3.3.2.3. Qualitätsverbesserung
3.3.3. Wettbewerbsstärke
3.3.4. Industrie 4.0
4 Reorganisation von Entwicklung und Konstruktion
4.1 Aufgaben der Entwicklungskonstruktion
4.1.1. Neuentwicklung und Reengineering
4.1.1.1. Detaillieren der Aufgabenstellung
4.1.1.2. Entwicklung der Funktionsstruktur
4.1.1.3. Festlegung der Wirkprinzipien
4.1.1.4. Entwicklung der Produktstruktur
4.1.1.5. Bau eines Prototyps
4.1.1.6. Festlegung der Gleich-, Alternativ- und Ergänzungsteile
4.1.1.7. Aufbau der Variantenkonfiguration
4.1.2. Zusammensetzung des Baukastensystems
4.2 Aufgaben der Auftragskonstruktion
4.2.1. Konfigurieren der Produktvariante
4.2.2. Ausführen von Sonderheiten
4.2.3. Erstellen der Bauunterlagen
4.2.4. Übergabe der Bauunterlagen an Logistikprozesse
4.2.5. Rückkopplung der Auftragskonstruktion mit der Entwicklungskonstruktion
4.3 Einfluss auf nachgelagerte Prozesse
4.3.1. Vertrieb
4.3.2. Beschaffung
4.3.3. Produktion
5 Mass Customization
5.1 Produktkonfiguration
5.1.1. Bau- und Anwendungsunterlagen der Produktvariante
5.1.1.1. Produktstruktur/Stückliste
5.1.1.2. Geometrisches Produktmodell
5.1.1.3. Montageplan
5.1.1.4. Produktdokumentation
5.1.2. Klassifikation von Produktvarianten
5.2 Auftragsabwicklung
5.2.1. Individualkonstruktion
5.2.2. Individualkonfiguration
6 Produktdatenmanagement und Product Lifecycle Management
6.1 Produktdaten ohne PDM-Methodik
6.1.1. Produktdaten gleich Nutzdaten
6.1.2. Fehlende Grunddaten
6.1.2.1. Stammdaten
6.1.2.2. Strukturdaten
6.2 Grundlegendes
6.2.1. Fachliche Kategorien von Produktdaten
6.2.2. Datentechnische Kategorien von Produktdaten
6.2.3. Zielsetzung für Produktdaten
6.2.4. Speicherung von Produktdaten
6.2.5. Integration von Produktdaten
6.2.6. Ersteller und Nutzer von Produktdaten
6.2.7. PDM-Funktionalität
6.2.8. PDM-Systemarchitektur
6.3 Darstellung von Produktdaten
6.3.1. Objektklassen
6.3.2. Objekte
6.3.3. Objektrelationen
6.4 Teilemanagement
6.4.1. Teilestammsatz
6.4.1.1. Grundaufbau
6.4.1.2. Typspezifische Ergänzungen des Grundaufbaus
6.4.2. Teileklassifikation
6.4.2.1. Teilebeschreibende Merkmale
6.4.2.2. Klassenbildung
6.4.2.3. Klassifikationsstruktur
6.4.2.4. Klassifikationsmerkmale
6.4.2.5. Merkmalverknüpfung und Merkmalvererbung
6.4.2.6. Mehrfach-Klassifikation
6.4.2.7. Klassifikationstechniken
6.4.2.8. Kopie eines Merkmalsatzes mit TSS-Anlage
6.4.2.9. Klassifikationsstandards
6.4.2.10. Semantische Klassifikation
6.4.2.11. Recherche-Möglichkeiten
6.5 Dokumentenmanagement
6.5.1. Dokumentkategorie „Unterlage“
6.5.1.1. Unterlagenstammsatz
6.5.1.2. Unterlagendatensatz
6.5.2. Dokumentkategorie „Modell“
6.5.2.1. Modellstammsatz
6.5.2.2. Modelldatensatz
6.5.3. Dokumentkategorie „Zeichnung“
6.5.3.1. Zeichnungsstammsatz
6.5.3.2. Zeichnungsdatensatz
6.5.4. Dokument- und Teilerevision
6.5.5. Dateiversion
6.5.6. Dateiformate
6.5.7. Notiz
6.5.8. Volltextrecherche
6.5.9. Dokumentklassifikation
6.6 Produktstrukturmanagement
6.6.1. Aufbau der Produktstruktur
6.6.1.1. Hierarchische Beziehung zwischen Teilen
6.6.1.2. Zulässige hierarchische Beziehungen zwischen Teiletypen
6.6.1.3. Symmetrische Beziehung zwischen Teilen
6.6.1.4. Unterlagenverknüpfung mit Teilerelation
6.6.1.5. Alternativteile-Relation
6.6.1.6. Sammelrelation
6.6.1.7. Positionsnummer
6.6.2. Bedeutung der Stückliste
6.6.3. Integrale Produktstruktur
6.6.3.1. Sicht auf Produktstruktur
6.6.3.2. Gerichtete Verknüpfung von Sichten
6.6.3.3. Konstruktionsbaugruppe partiell vormontieren
6.6.3.4. Konstruktionsbaugruppe auflösen
6.6.3.5. Prozessbasierte Sichtenstruktur
6.6.4. Standardoperationen auf Produktstruktur
6.6.4.1. Ableitung von Stücklistenarten
6.6.4.2. Vergleich von Produktstrukturen
6.6.4.3. Kopie einer Produktstruktur
6.6.4.4. Teileverwendungsnachweis
6.6.5. Anwendungsfälle mit Bezug zur Produktstruktur
6.6.5.1. Produktbezogene Dienstleistungsarten
6.6.5.2. Ersatzteil-Set
6.6.5.3. Fertigteile mit Vorstufenteilen
6.6.5.4. Hilfsteil „Halbzeug-Zuschnitt“
6.6.5.5. Hilfsteil „Pseudo-Baugruppe“
6.6.5.6. Hilfsteil „Formelement“
6.6.5.7. Baugruppe mit vereinfachter Geometrie
6.6.5.8. Katalogteil-Demontage
6.6.5.9. Lose Konfigurationen
6.6.5.10. Schweißbaugruppe mit Härtezonen
6.6.5.11. Schweißnaht in der Produktstruktur
6.6.5.12. Service-Baugruppe
6.6.5.13. Software in der Produktstruktur
6.6.6. Regelwerk für Teilerevision
6.6.6.1. Austauschbarkeit eines geänderten Teils
6.6.6.2. Verwendbarkeit einer Baugruppe nach Revision eines ihrer Teile
6.6.6.3. Revisionierung einer Baugruppe nach Austausch eines ihrer Teile
6.7 Vorkalkulation und Mitlaufende Kalkulation
6.7.1. Kalkulationsansatz im Engineering-Zyklus
6.7.2. Kalkulationsstammsatz
6.7.2.1. Grundaufbau
6.7.2.2. Ergänzungen für Teilekalkulation
6.7.2.3. Ergänzungen für Baugruppenkalkulation
6.7.3. Übergang von der Vorkalkulation zur Mitlaufenden Kalkulation.
6.7.4. Verkaufspreis
6.7.5. Wissensbasierte Kalkulation
6.8 Physisches Produkt in der Teileverwaltung
6.8.1. Stammsatz physisches Teil
6.8.1.1. Verwendungen des physischen Teils
6.8.1.2. Relationen des physischen Teils
6.8.2. Erzeugung des physischen Teils
6.8.3. Anwendungsfälle
6.8.3.1. Montage
6.8.3.2. Bemusterung
6.8.3.3. Prüfung
6.8.3.4. Reklamation
6.8.3.5. Service
6.9 Variantenmanagement
6.9.1. Variantenkonfiguration
6.9.1.1. Variantenstammsatz
6.9.1.2. Regel
6.9.1.3. Relationen zwischen den Regeln
6.9.1.4. Relationen der Variantenbaugruppe
6.9.1.5. Relationen des Variantenteils
6.9.1.6. Aufbau einer Variantenkonfiguration
6.9.2. Produktkonfiguration
6.9.2.1. Erzeugen einer Produktvariante
6.9.2.2. Ausleiten der Stückliste aus der Produktvariante
6.9.2.3. Klassifikation der konfigurierten Produktvariante
6.10 Workflow-Management
6.10.1. Prozessverständnis
6.10.2. Prozessbeschreibung
6.10.3. Prozessinstanz
6.10.4. Prozess-Tailoring
6.10.5. Prozessausführung
6.10.5.1. Simulation
6.10.5.2. Interaktion
6.10.5.3. Dokumentation
6.10.6. Kollaborationsprozesse
6.10.6.1. Prozess mit festgelegter Abfolge
6.10.6.2. Ad-hoc-Prozess
6.10.7. Datenbezogene Prozesse
6.10.7.1. Erstellung von Produktdaten
6.10.7.2. Freigabe von Produktdaten
6.11 Projektmanagement
6.11.1. Projektstammsatz
6.11.1.1. Projektarten
6.11.1.2. Projekttypen
6.11.1.3. Projektphasen
6.11.1.4. Projektstatus
6.11.2. Produktdatenverknüpfung
6.11.3. Projektteam
6.11.3.1. Projektteam und Rolle
6.11.3.2. Rolle und User
6.11.3.3. Rolle, Gruppe und User
6.11.3.4. Arbeits-, Prüf- und Ablagebereich
6.11.4. Projektstrukturplan
6.11.4.1. Projektstrukturelement
6.11.4.2. Projektaufgabe
6.11.5. Projektplanung
6.11.5.1. Strukturplan
6.11.5.2. Netzplan
6.11.5.3. Balkenplan
6.11.5.4. Workflow
6.11.5.5. Vorwärtsplanung und Rückwärtsterminierung
6.11.6. Projektüberwachung
6.11.6.1. Report für Sammelaufgabe
6.11.6.2. Report auf allen Strukturebenen eines Projekts
6.11.7. Mitarbeiterkapazität
6.11.7.1. Verfügbarkeit für Projektplanung
6.11.7.2. Verfügbarkeit für Forecast-Planung
6.11.8. Projektordner
6.12 Änderungsmanagement
6.12.1. Änderungsfälle
6.12.2. Standardisierte Problemmeldungen
6.12.3. Gewichtung von Problemmeldungen
6.12.4. Problemmeldung
6.12.5. Bewertung von Problemmeldungen
6.12.6. Produktpflegefall
6.12.7. Bearbeitung der Änderungsfälle
6.12.7.1. Standardänderung
6.12.7.2. Marginaländerung
6.12.7.3. Ad-hoc-Änderung
6.12.7.4. Datenkorrektur
6.12.7.5. Änderungen im Projektrahmen
6.13 Anforderungsmanagement
6.13.1. Anforderungsstruktur
6.13.1.1. Anforderungskopf
6.13.1.2. Anforderungsdefinition
6.13.2. Anforderungsbeispiel „Scooter“
6.13.3. Änderung der Spezifikation
6.13.3.1. Änderung einer Anforderungsdefinition
6.13.3.2. Änderung des Anforderungskopfs
6.13.4. Konsistenz zwischen Produkt/System und Spezifikation
6.14 Nummerung
6.14.1. Nummernsysteme
6.14.1.1. Verbundnummernsystem
6.14.1.2. Parallelnummernsystem
6.14.2. Identifikationsnummer
6.14.2.1. Objektnummer
6.14.2.2. Revisionsnummer
6.14.2.3. Publikationsrevisionsnummer
6.14.2.4. Versionsnummer
6.14.3. Klassifikationsnummer
6.14.3.1. Schlüsselnummer aus Klassensystem
6.14.3.2. Schlüsselnummer aus kodierten Objektattributen
6.14.3.3. Klassifikationsnummern durch alternative Klassenpfade
6.14.4. Logistik-Teilenummer
6.14.5. Ablösung von Verbundnummern
6.14.5.1. Import von Bestandsartikeln
6.14.5.2. Anlage und Transfer von Neuteilen
6.14.6. Teile- und Dokumentnummern
6.14.6.1. Beziehungen zwischen Teil und Unterlage
6.14.6.2. Beziehungen zwischen Teil und Modell
6.14.6.3. Beziehungen zwischen Teil und Zeichnung
6.15 Nomenklatur
6.15.1. Benennungsbildung
6.15.1.1. Einwortbenennung
6.15.1.2. Mehrwortbenennung
6.15.1.3. Kurzformen
6.15.1.4. Begriffsmerkmale
6.15.2. Benennungskataloge
6.15.3. Mehrsprachigkeit
6.15.4. Begriffslexikon
6.15.5. Ablösung von Benennungen
6.15.5.1. Import von Bestandsartikeln
6.15.5.2. Anlage und Transfer von Neuteilen
6.16 Datenverwaltung
6.16.1. Vault-Konzept
6.16.1.1. Physischer Vault
6.16.1.2. Logischer Vault
6.16.1.3. Vault, Rechte und Rollen
6.16.1.4. Öffentlicher Vault
6.16.1.5. Privater Vault
6.16.1.6. Regelwerk für Berechtigungen
6.16.2. Vault-Operationen auf Objekte
6.16.2.1. Schreibrecht nehmen/zurückgeben
6.16.2.2. Revisionieren
6.16.2.3. Versionieren
6.16.2.4. Check-out
6.16.2.5. Verlagern
6.16.2.6. Check-in
6.16.3. Ideen-Pool
6.16.4. Verteilte Datennutzung
6.16.4.1. Datenreplikation
6.16.4.2. Zentrale Metadaten und dezentrale Nutzdaten
6.16.4.3. Offline-Datenreplikation
6.16.4.4. Datenausleitung
6.16.4.5. Datenaustausch
6.16.4.6. Cloud-basierte Kollaborationsplattform
6.17 Systemintegration
6.17.1. Autorensysteme mit Arbeitsergebnissen in Dateiform
6.17.2. Autorensysteme mit Datenbank und Arbeitsergebnissen in Dateiform
6.17.3. Autorensysteme mit Arbeitsergebnissen in der Datenbank
6.17.4. Geschäftsanwendungen
6.18 PDM im Kontext von Industrie 4.0
6.18.1. Ziele der Digitalisierungsstrategie Industrie 4.0
6.18.2. Virtuelles Produkt mit produkt- und prozessbeschreibenden Daten
6.18.3. PDM und MES in der Integrationslösung PLM
6.18.4. Physisches Produkt und Daten aus Betriebsphase
Literaturverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Seit der Publikation meines ersten Fachbuchs mit dem Titel Produktdatenmanagement in der Fertigungsindustrie (ISBN 978-3-446-21152-0) sind über zwanzig Jahre vergangen. Außer, dass die Software-Anbieter für ihre Systeme heutzutage die Bezeichnung Product Lifecycle Management (PLM) anstelle von Produktdatenmanagement (PDM) verwenden, hat sich an den Problemen, mit denen sich die Anwender konfrontiert sehen, nicht übermäßig viel geändert. Infolge des umfangreichen Einsatzes von CAx-Systemen wurde der produktive Umgang mit Produktdaten schon damals sowohl für die Nutzer als auch für die IT-Verantwortlichen zur Herausforderung. Mit der gegenwärtig rasch voranschreitenden Digitalisierung wird diese Problemlage noch verschärft. Folglich sind die Ansprüche an Produktdatenmanagement heute höher denn je. Der Bedarf der Märkte an individualisierbaren Produkten und Systemen sowie der anhaltende Kostendruck erfordern zudem PDM-Lösungen, die die Nutzung strategischer Engineering-Methoden unterstützen – je nach Geschäftsmodell in der Entwicklungskonstruktion bei Serienherstellern oder Sondermaschinenbauern oder in Entwicklungs- und Auftragskonstruktion im Falle von seriennahen Auftragsfertigern. Hierbei sind die üblichen Standardlösungen für Teile-, Produktstruktur-, Dokumenten-, Änderungs-, Projekt- und Workflow-Management alleine nicht mehr ausreichend. Es werden darüber hinausgehende Lösungsansätze für den Aufbau eines spezifischen PDM-Systems benötigt.
Diese Thematik ist Gegenstand des vorliegenden Buches. Es beschreibt nicht nur die Funktionalität von am Markt angebotener Software der System-Klasse PDM. Vielmehr schildert es darüber hinaus sofort umsetzbare Konzepte und wertvolle Erfahrungen aus dreißigjähriger Beratertätigkeit in der Fertigungsindustrie, und dies sowohl in Mittelstandsbetrieben als auch in Großunternehmen. Die detailliert dargelegten Konzepte sind praxisbewährt und vermitteln überdies ein tiefgehendes Verständnis und Know-how zu Produktdatenmanagement und zu dem, was es in dieser innovativen Form zu leisten vermag. In Ergänzung dazu erfolgt die Beschreibung von PLM als IT-Integrationslösung mit den Geschäftsanwendungen PDM (Produktdatenmanagement), ERP (Enterprise Resource Planning), MES (Manufacturing Execution System) etc. und den Autorensystemen MCAD (Mechanical Computer-aided Design), ECAD (Electronic Computer-aided Design), CAP/CAM (Computer-aided Planning/Computer-aided Manufacturing), CAQ (Computer-aided Quality Assurance), CASE (Computer-aided Software Engineering), CAO (Computer-aided Office Automation) usw. Damit lässt sich zum einen der Produktentwicklungsprozess vollständig digital ausführen, und zum anderen sind – darauf aufbauend – die Prozesse für Beschaffung und Produktion gleichfalls digital plan- und steuerbar.
PLM wird in dieser Publikation nicht – wie das häufig der Fall ist – als „moderneres“ Synonym für PDM verwendet. Schon die ersten PDM-Systeme am Markt waren in der Lage, die technischen Produktdaten aus den Engineering-Prozessen über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg zu verwalten. Im Datenmodell dieser System-Klasse ist die Revisionierbarkeit von Objekten verankert und folglich die Verwaltung ihrer Änderungshistorie gegeben. Insofern ist die Verwendung des Akronyms PLM für PDM-Software eher irreführend als hilfreich. Da die Produktentstehung auf den beiden Prozessen Engineering und Logistik beruht und diese mithilfe der Systeme PDM und ERP ausgeführt werden, ist es nicht möglich, das Lifecycle Management der digitalen Produkt- und Prozessdaten allein mit PDM-Software zu bewerkstelligen, auch wenn diese PLM genannt wird. PDM-Software verwaltet virtuelle Teile und ERP- Software reale – also konkrete – Artikel mit Chargen- oder Seriennummer, d.h., der
Lifecycle für eine Teile- bzw. Artikelnummer lässt sich nur mit einer integralen Lösung aus PDM- und ERP-System realisieren. Hierbei handelt es sich um die sogenannte PLM-Arbeitsplattform. Was dieser noch fehlt, ist ein Ansatz für das digitale Handling eines physischen Teils oder Produkts in der Erprobungs-, Analyse- oder Nutzungsphase. Zur Erfüllung dieser Anforderung wird ein innovatives Konzept vorgestellt, das – enthalten in einer PLM-Integrationslösung – Lifecycle Management in jeder Prozessphase uneingeschränkt unterstützen kann.
Des Weiteren spielt die PLM-Arbeitsplattform für die Umsetzung der Strategie Industrie 4.0 eine wichtige Rolle. Industrie 4.0 ist nicht nur die dynamische Orchestrierung der industriellen Fertigung auf der Basis von Web-Technik, sondern die Digitalisierung der gesamten Wertschöpfung. Dafür wird Datendurchgängigkeit von der Konstruktion bis zu den Service-Arbeiten gebaucht. Dies erfordert eine Erweiterung der Arbeitsplattform PLM um die Komponente MES. Digitales Engineering auf der integralen Arbeitsplattform PLM erzeugt hierbei die Datenquelle für ERP- und MES-Prozesse. Das ERP-System erhält Stamm- und Strukturdaten (Teile und Stücklisten) sowie Links auf Nutzdaten (Zeichnungen etc.) für Planung, Beschaffung und Beauftragung. An MES gehen Nutzdaten Zeichnung, Arbeits-, Montage- und Prüfplan, NC-Programm usw. für Fertigung, Montage und Qualitätssicherung. Außerdem nimmt die PDM- Datenbank Arbeitsdaten aus der Betriebsphase von Kundenmaschinen mithilfe einer IIoT-Plattform auf. So lassen sich ungewollte Stillstandzeiten durch vorausschauende Service-Planung vermeiden.
Damit die digital arbeitende Fabrik (Smart Factory) Realität werden kann, ist eine Integrationslösung erforderlich, die mindestens aus den drei Geschäftsanwendungen PDM, ERP und MES besteht. Obwohl PDM-Software zweifellos ein zentraler Baustein dieser Strategie ist, liegt das Augenmerk bei Industrie-4.0-Projekten meist auf den Logistikprozessen Planung und Steuerung und somit auf ERP und MES. Die hohe Dynamik bei den Kundenanforderungen und folglich die flexible Fertigung benötigen jedoch eine Datenquelle, die diese hohe Anforderungsdynamik prozesssicher erfassen und dokumentieren kann. ERP-Systeme sind in ihrem Datenmodell nicht darauf ausgelegt. Sie fungieren als „Elektronischer Organisator“, der freigegebene Daten aus den Engineering-Prozessen aufnimmt und diese lesend für Planungsaufgaben nutzt. PDM-Systeme sind hingegen als „Elektronische Werkbank“ konzipiert, die es erlaubt, Produkt- und Prozessdaten mit hoher Änderungsdynamik zu erzeugen und zu verwalten. Beide Systeme versorgen entsprechend ihrer Bestimmung die diversen MES-Module. Mit diesen Fakten ist es an der Zeit, PDM neben ERP und MES in den Fokus von Industrie 4.0 – der „Intelligenten Fabrik“ – zu nehmen. Im Übrigen unterstützt PDM-Software als zentrale PLM-Komponente nicht nur die flexible Fertigung, sondern auch die Engineering-Methoden Teilestandardisierung, Produktmodularisierung, Baukastenkonstruktion, Produktkonfiguration und demzufolge die Strategie Mass Customization. Dies steigert die Wiederholteilrate, sorgt für eine Erhöhung der Stückzahlen und reduziert die Stückkosten, wodurch die Wirtschaftlichkeit der flexiblen Fertigung zusätzlichen „Schub“ erfährt.
Die technischen Möglichkeiten, eine digital arbeitende Fabrik aufzubauen, sind mittlerweile alle vorhanden. Was zur konkreten Verwirklichung notwendig ist, sind eine Vision, eine Strategie und eine zukunftsweisende Konzeption. Intention dieses Publikation ist es, Ihnen Hilfestellungen, Anregungen, wertvolle Informationen und Erfahrungen aus meiner langjährigen Beraterpraxis mit auf den Weg zu geben. Im Übrigen bilden die PDM/PLM-Konzepte dieses Buches auch die Grundlage für den Aufbau und die Nutzung des Virtuellen Produkts/Digitalen Zwillings im digitalen Cyber-Arbeitsraum, dem sogenannten „Metaverse“, in dem die physische Realität standortübergreifend virtuell abgebildet wird.
An dieser Stelle möchte ich allen Personen und Unternehmen danken, die Anregungen gegeben und Bildmaterial für dieses Buch zur Verfügung gestellt haben, insbesondere meinem lieben Freund, Prof. Dr.-Ing. Qi Guoning von der Universität Hangzhou, der leider viel zu früh verstorben ist. Besonders herzlichen Dank richte ich an meine Frau Renate für ihre Unterstützung, ihr Verständnis, ihren Rat und ihre Anregungen. Ohne ihr Engagement wäre das Buch in dieser Form nicht möglich gewesen.
Hohenthann bei München, im Juli 2023
Josef Schöttner
Die Fertigungsindustrie sah sich in jeder Phase der technisch-wissenschaftlichen Entwicklung mit herausfordernden Aufgaben konfrontiert. Dies begann mit der Mechanisierung der Arbeit im Zuge der Industrialisierung, setzte sich fort in der Massenproduktion durch Fließbandfertigung und fand ihren Höhepunkt in der Automatisierung der Arbeitsprozesse durch elektronische Informationstechnik zu Beginn der 1970er-Jahre. Gegenwärtig erleben wir den nächsten Abschnitt in der Reihe der industriellen Evolutionen. Mit Web-Technik kommunizierende – sogenannte cyber-physische – Produktionssysteme sollen die Basis für die „Intelligente Fabrik“ sein, mit der die massiven Veränderungen infolge der Globalisierung der Wirtschaft bewältigt werden können. Hierbei handelt es sich zweifellos um einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Wettbewerbsstärke eines Fertigungsunternehmens. Dennoch wird dies allein nicht ausreichen, um die künftigen Anforderungen der internationalen Märkte erfüllen zu können. Es wird nötig sein, auch in den fertigungsvorgelagerten Arbeitsprozessen der Produktentwicklung neue Wege zu gehen.
1.1InnovationsdynamikDie Zahl der Wettbewerber zeigt schon seit Jahren einen kontinuierlichen Anstieg. Egal ob Maschinen-, Anlagen- oder Fahrzeugbau, neue Anbieter, insbesondere in Schwellenländern, werden die Wettbewerbssituation vieler – auch etablierter – Unternehmen weiter verschärfen. Hinzu kommt ein hoher Grad an Marktsättigung im Bereich der Konsumgüter in Regionen mit hohem Lebensstandard. Dies führt bei manchem Unternehmen gerade in wichtigen Märkten zu einer stagnierenden oder gar abnehmenden Nachfrage. Dies ist eine bedrohliche Situation, der nur mit ständig neuen Kaufanreizen begegnet werden kann. Hohe Innovationskraft und Innovationsdynamik sind notwendig, um den Wettbewerb bei diesen Gegebenheiten erfolgreich gestalten zu können. Da der technische Fortschritt nicht jederzeit völlig neuartige Produkte möglich macht, sind in immer kürzeren Zyklen partielle Neuerungen zu realisieren, die in der Lage sind, den Kunden zum Kauf eines modifizierten Produkts zu bewegen, obwohl das alte noch zuverlässig seine Aufgabe erfüllt. Innovationen dieser Art betreffen Produktmerkmale wie Design, Handhabung, Funktion oder Energieverbrauch. Im Besonderen der Energieverbrauch gewinnt angesichts des Klimawandels zusehends an Bedeutung. Bei weltweit wachsendem Bedarf, im Privatebenso wie im Geschäftsbereich, sind Produkte mit geringem Strom- oder Treibstoffverbrauch sehr gefragt. Innovationen in diesem Sektor versprechen demzufolge eine große Nachfrage. Doch auch Trends im Zuge der Digitalisierung spielen eine immer wichtigere Rolle. Mit neuen Produktideen den Prozess der digitalen Transformation aktiv mitzugestalten, schafft voraussichtlich in allen Absatzmärkten beste Zukunftsperspektiven.
1.2ProduktkomplexitätMit der Zunahme der technischen Möglichkeiten und den steigenden Anforderungen der Nutzer, nimmt auch die Komplexität besonders in den Bereichen Maschinen- und Anlagenbau weiter zu. Vor allem mechatronische Systeme mit einem hohen Maß an Funktionsvariabilität und Anwendungsflexibilität sind hier zu nennen. Diese umfassen Mechanik/Hydraulik/Pneumatik-, Elektrik/Elektronik- sowie Software-Komponenten und wirken vielschichtig zusammen. Um die Entwicklung und den Bau solcher Systeme wirtschaftlich zu beherrschen, sind einige grundlegende Voraussetzungen erforderlich. Dazu gehören eine Modularisierung und außerdem ein abgestimmter fachübergreifender Entwicklungsprozess. Hierin ist die Automatisierung das Bindeglied und zugleich verantwortlich für den Grad an Komplexität. Als Querschnittstechnologie verlangt die Automatisierung das „konzertierte“ Zusammenwirken der Arbeitsgebiete Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik. Bereits in der Konzeptphase müssen alle fachlichen Belange hinsichtlich Aufbau, Funktion und Verhalten des Systems berücksichtigt bzw. geklärt werden. Es ist eine große Herausforderung, wenn die Mitarbeiter der involvierten Fachbereiche verschiedenen Organisationseinheiten (Abteilungen) und nicht einer Funktionseinheit (Geschäftsprozess) zugeordnet sind. Noch schwieriger ist die Zusammenarbeit, wenn die mechanische Konstruktion, wie meist historisch bedingt, im Mittelpunkt der Produktentwicklung steht, denn schließlich sind intensive Kommunikation und Team-Bewusstsein für die Schaffung hochkomplexer Systeme unerlässlich. Nicht minder wichtig ist die Zusammenführung der Arbeitsergebnisse zu einer vollständigen Produktdokumentation, allem voran die mechatronische Produktstruktur/Stückliste. Da die Datenmenge in der Regel in direktem Zusammenhang mit dem Komplexitätsgrad einer Maschine oder Anlage steht, ist die sukzessive Verknüpfung der Produkt- und Prozessdaten entsprechend dem Arbeitsfortschritt unverzichtbare Notwendigkeit. Eine geeignete Systemplattform dafür bereitzustellen, ist folglich eine der Kernaufgaben in jedem Fertigungsunternehmen.
1.3ProduktqualitätProduktqualität ist auch in unserer schnelllebigen Zeit ein gewichtiger Wettbewerbsfaktor. Qualitativ hochwertige Güter (Haushaltsgeräte, Automobile, Werkzeugmaschinen etc.) haben, sofern sie zudem ein solides Preis-Leistungs-Verhältnis bieten, beste Absatzchancen. Dies gilt insbesondere für Produkte, die mit einem wohlklingenden Marken-Image behaftet sind. Qualität zu „bauen“ ist also für jedes produzierende Unternehmen ein Muss. Wie aber zeigt sich Qualität, und wodurch wird sie bestimmt? Zuverlässigkeit, Leistung, Sicherheit, Energieverbrauch etc. sind elementare Merkmale zur Bewertung der Güte eines Produkts. Darüber hinaus sind die Kriterien Recycling-Fähigkeit, Ressourcen-Schonung, Klimabilanz und Umweltauswirkungen ein Maßstab. Verantwortlich für die Produkteigenschaften sind in erster Linie die Mitarbeiter des Technischen Büros (TB). Die Produktentwicklung hat den größten Einfluss auf die Produktqualität. Zum einen werden von den Engineering-Bereichen die konstruktiven Lösungen zur technischen Umsetzung des Pflichtenhefts festgelegt, und zum anderen bestimmt die Qualität der angefertigten Bauunterlagen die Qualität der Produktion. Damit in den komplexen Engineering-Prozessen die besten Ergebnisse erzielt werden können, genügt es nicht, nur zu definieren, was zu erbringen ist, es ist überdies zu klären, wie bzw. mit welcher Vorgehensweise ein Ergebnis erbracht werden soll. Beruhen Prozessdurchläufe auf persönlichen Sichtweisen von Mitarbeitern, besteht die Gefahr, bei gleichen Aufgaben projektabhängige Resultate zu bekommen. Dies hat zur Folge, dass etwa bei der Ausführung von Kundenaufträgen kein einheitliches Qualitätsniveau gewährleistet werden kann. Tritt bei dieser Sachlage bei einem Kunden in der Nutzungsphase ein Qualitätsproblem auf, ist es kaum möglich, die Ursachen zu ermitteln, da keine allgemein gültigen reproduzierbaren Abläufe vorliegen bzw. dokumentiert sind.
Um bei allen Arbeiten gleichbleibend die geforderte Ergebnisqualität sicherzustellen, ist ein methodisches Regelwerk zur Qualitätssicherung (QS) erforderlich. Den Rahmen dazu bildet die Normenfamilie ISO 900x und im Automobilbau darauf basierend die IATF 16949. Damit kann eine Systematik für umfassendes Qualitätsmanagement (QM) entwickelt werden, die die individuellen Gegebenheiten und Ziele eines Unternehmens in den Mittelpunkt stellt. Das Ergebnis – im QM-Handbuch dokumentiert – ist Leitfaden für alle produktbezogenen Aufgaben. Für Produktentwicklung und Arbeitsplanung bedeutet dies, dass von der Konzeption bis zur Fertigstellung der Produkt- und Prozessdaten alle Tätigkeiten mit qualitätssichernden Maßnahmen (z. B. Design- und Prozess-FMEA) erfolgen (Bild 1.1). Produktqualität wird auf diese Weise systematisch geplant, organisiert und fortwährend geprüft. Die Vorgaben für diese Art von Qualitätsplanung und -sicherung (Advanced Product Quality Planning, APQP) lassen sich mit integralem Daten-, Prozess- und Projektmanagement einer hochentwickelten PLM-Arbeitsplattform erfüllen. Sie sammelt und verteilt die anfallenden Produkt- und Prozessdaten in allen Phasen der Projektabwicklung. Besondere Bedeutung haben hierbei spezifisch definierte Freigabeverfahren am Ende jeder Phase des Entwicklungsprozesses. Sie gewährleisten nicht nur, dass die Anforderungen der Kunden bzw. Auftraggeber erfüllt werden, auch die Zahl später Änderungsschleifen und folglich die Höhe der Änderungskosten lassen sich deutlich absenken.
Bild 1.1Qualitätssicherung für Produktentwicklung und Arbeitsplanung (AP)
Sowohl im Investitions- als auch im Konsumgüterbereich verlangen Kunden immer häufiger nach individualisierten Produkten, die zu einem günstigen Preis und in guter Qualität angeboten werden. Einheitsprodukte mit den Mitteln der Massenproduktion zu bauen, ist für ein wirtschaftliches Auskommen vielfach nicht mehr ausreichend. Nötig sind Prozessstrukturen, mit denen flexibel und profitabel auf individuelle Kundenwünsche reagiert werden kann. Vor allem bei internationaler Ausrichtung ist dies unerlässlich, da allein schon gesetzliche, gesellschaftliche und/oder kulturelle Sonderheiten in den Regionen zu einer gewissen Diversifikation zwingen. Die Herausforderung ist, Produktvarianten systematisch nach der Methode „Massenhafte Spezialanfertigung“ anbieten zu können. Dazu ist es nötig, das Produktportfolio auf der Grundlage von Erfahrungen und Marktanalysen auf entsprechende Produktbaukästen abzubilden. Diese bestehen aus Standard- bzw. Gleichteilen sowie aus alternativen und gegebenenfalls optionalen bzw. ergänzenden Teilevarianten.
Im Falle von Konsumgütern (Smartphone, Staubsauger, Fahrrad etc.) genügt es im Allgemeinen, Produktmerkmale wie Form, Größe, Material, Funktion, Leistung etc. in einer bestimmten Bandbreite zu offerieren. Die Zahl der Varianten lässt sich auf diese Weise relativ gut eingrenzen, und das Produktionsprogramm bleibt folglich in einem überschaubaren Rahmen. Anders verhält es sich bei vielen Investitionsgütern. Hier entsteht durch die Fülle kundenspezifischer Individualanforderungen nicht selten eine enorme Zahl an Produktvarianten. Jeder Kundenauftrag ist de facto ein neues Produkt. Mit klassischer Auftragskonstruktion ist diese Situation kaum zu bewältigen. Der Aufwand für Entwicklung, Arbeits- und Prozessplanung sowie für Beschaffung und Produktion ist hoch, ebenso die Durchlaufzeiten und Kosten. Um dieses Dilemma zu umgehen, muss vornehmlich herkömmliche Konstruktionsarbeit durch intelligente Konstruktionsmethodik ersetzt werden. Die Herausforderung lautet auch hier: Kundenlösungen müssen weitgehend mit Produktbaukästen konfiguriert anstatt aufwendig und unwirtschaftlich konstruiert werden.
1.5WirtschaftlichkeitWirtschaftlichkeit ist die zentrale Anforderung an jedes Industrieunternehmen schlechthin. Sie ist die Voraussetzung für eine „gesunde“ Entwicklung und darüber hinaus zur Sicherung des Fortbestands. Wirtschaftlichkeit wird erreicht, wenn bei einem am Markt erzielbaren Verkaufserlös genügend Marge zur Verfügung steht, also eine günstige Kostenstruktur vorliegt. Hierfür ist hohe Produktivität in den Wertschöpfungsprozessen notwendig. Dafür verantwortlich zeichnen die Bereiche Produktentwicklung, Arbeitsplanung, Produktionsplanung und Beschaffung sowie Teilefertigung und Montage. Besonders großen Einfluss auf die Prozessleistung und somit auf Produktivität und Wirtschaftlichkeit haben die der Fertigung vorgelagerten Arbeiten (Bild 1.2). Produktentwicklung und Arbeitsplanung sind anspruchsvolle Aufgaben mit hohem Personaleinsatz. Etwa 70 % der Entwicklungskosten sind Personalkosten. Mit einem durchschnittlichen Anteil von ca. 5 % an den Produktkosten ist dies ein verhältnismäßig kleiner Kostenblock. Produktentwicklung und Arbeitsplanung legen jedoch zusammen rund 90 % der Produkt(ions)kosten fest. Wenn Produktivität und Wirtschaftlichkeit gesteigert bzw. Kosten gesenkt werden sollen, ist das nur durch geeignete Veränderungen in den fertigungsvorgelagerten Prozessen zu bewirken.
Die Einflussmöglichkeiten von Beschaffung und Produktion sind vergleichsweise gering. Um die Kosten für Teilefertigung und Montage insbesondere bei kleinen Losgrößen trotzdem so niedrig wie möglich zu halten, sind hochautomatisierte flexible Fertigungsmittel notwendig. Cyber-physische Produktionssysteme (CPPS) mit hohem Automatisierungsgrad können den Fertigungsdurchlauf merklich verkürzen. Dennoch wird das Fundament für Wirtschaftlichkeit im Technischen Büro gelegt. Automatisierung als Methodik muss bereits in der Konstruktion ein Thema sein. Nicht alle Teile eines neuen Kundenauftrags müssen neu konstruiert werden. Mit Teilevarianten aus einem intelligenten Konstruktionsbaukasten lässt sich die Entwicklung immer neuer Teile vermeiden oder zumindest stark einschränken. Teilewiederverwendung ist in dieser Hinsicht die wirtschaftlichste aller Methoden. Sie reduziert die Aufwände für Entwicklung und Konstruktion, für Arbeits- und Prozessplanung, für Produktionsplanung und Beschaffung, für Teilefertigung und sogar für Montage sowie für Qualitätssicherung und weitere Aufgaben. Außerdem lassen sich Material, Werkzeuge, Vorrichtungen und Prüfmittel einsparen.
Bild 1.2Einfluss der Arbeitsbereiche auf die Produkt(ions)kosten
Der Schlüssel für das wirtschaftliche Gesamtergebnis eines Fertigungsunternehmens liegt ohne Zweifel in den fertigungsvorgelagerten Prozessen. Die Denk- und Handlungsweise hauptsächlich in der Mechanik-Konstruktion bestimmt sowohl die Durchlaufzeit in der Produktentwicklung als auch die Dauer des Auftragsdurchlaufs insgesamt. Wenn der Fokus nur auf der Verkürzung der Durchlaufzeit im Technischen Büro liegt, kommt es durch den intensiven Einsatz von leistungsfähigen CAE-Anwendungen wie CAD, FEA und DMU zu einer unkontrollierten Teilevermehrung. Die teilebeschreibenden Geometriemodelle und Zeichnungen sind zwar relativ schnell angefertigt, gleichzeitig entstehen aber hohe Folgekosten in den Logistikprozessen Produktionsplanung, Beschaffung, Teilefertigung, Montage und Qualitätsprüfung. Die alternative Strategie, nämlich der Aufbau eines Konstruktionsbaukastens und in der Folge der Aufbau von Produktbaukästen, ist der bessere Weg. Ein standardisierter Teilevorrat und folglich eine hohe Flexibilität bei Individualanforderungen bei gleichzeitiger Senkung der Produkt(ions)kosten ermöglichen günstige Preise, beständige Qualität und garantieren einen hohen Absatz bei guter Wirtschaftlichkeit.
Eine Lösung für individuelle Kundenanforderungen zu realisieren, verlangt bei konventioneller Vorgehensweise einen hohen Aufwand für die Entwicklung der Bauunterlagen. Konventionelle Vorgehensweise heißt, jeder Kundenauftrag wird praktisch als neues Entwicklungsprojekt betrachtet. Mit CA-Engineering-Tools werden somit mehr oder weniger viele teure „Einzelstücke“ entwickelt. Zu jedem neuen Teilemodell kommen eine neue Zeichnung, ein neuer Arbeitsplan, ein neues NC-Programm und gegebenenfalls weitere neue Produkt- oder Prozessdokumente (FEM-Analyse, Prüfplan etc.) hinzu. Dies führt neben einem hohen Aufwand im Technischen Büro zudem zu hohen Fertigungs- und Montagekosten. Da die Stückzahlen bei individuellen Kundenaufträgen meist nur 1+ betragen, lassen sich die Kosten für die Entwicklung der Bauunterlagen nicht wie bei der Serienproduktion auf die einzelnen Erzeugnisse verteilen. So ergeben sich unabwendbar hohe Stückkosten. Um den Stückpreis dennoch wettbewerbsfähig zu gestalten, muss notgedrungen auf Marge verzichtet werden, was letztlich eine unbefriedigende Umsatzrendite mit sich bringt.
Die bessere Alternative zur klassischen Auftragskonstruktion ist die Abwicklung spezifischer Kundenaufträge auf der Grundlage eines Baukastensystems. Anstatt das Rad für jeden Kundenauftrag in anderer Ausführung neu zu erfinden, können fachliche Kompetenz und Kreativität des Entwicklungspersonals anderweitig eingesetzt werden. Der Aufbau eines Baukastensystems ist eine lohnende Investition. Mit erprobten standardisierten Baukomponenten sind hohe Qualität und Zuverlässigkeit, kurze Lieferzeiten, hohe Wettbewerbsfähigkeit und schließlich wirtschaftliche Kundenprojekte möglich. In Abhängigkeit vom Geschäftsmodell kommt es jeweils darauf an, die geeignete Produktionsform für die Ausführung von profitablen Kundenaufträgen zu etablieren.
2.1Design to Order/Engineer to OrderDie Produktionsform „Design to Order“ (DTO) beschreibt den gängigen Prozess im Sondermaschinenbau. Die Leistungserbringung erfolgt im Rahmen einer Auftragskonstruktion. Das Produkt wird für den Kunden nach dessen Vorgaben konstruiert und gefertigt. Der Auftraggeber (Kunde) ist stark in das Projekt eingebunden. Das Produkt muss in weiten Teilen oder sogar komplett konstruktiv neu aufgebaut werden. Bis auf Norm- und Katalogteile und gegebenenfalls einige bereits vorhandene nutzbare Entwicklungsteile (Buchsen, Halter, Hebel etc.) kommen überwiegend auftragsbezogene Neuteile zum Tragen. Je mehr neue Auftrags- bzw. Sonderteile notwendig sind, umso länger dauert der Auftragsdurchlauf und umso höher sind die Produktkosten. Mit einem Standardisierungsprojekt lässt sich hier einiges verbessern. Ein Konstruktionsbaukasten mit immer wiederkehrenden Teilevarianten für bestimmte Funktionen (Lagerung, Transport, Positionieren etc.), die bis zu einem gewissen Umfang auch im Sondermaschinenbau möglich sind, kann den Gesamtaufwand für den Bau kundenspezifischer Maschinen merklich verringern.
Die Produktionsform „Engineer to Order“ (ETO) ist die gängige Methode im Anlagenbau. Ähnlich wie bei einem DTO-Auftrag wird die Leistung für einen bestimmten Kunden erbracht. Zwischen Kunde und Auftragnehmer findet üblicherweise eine intensive Zusammenarbeit statt. Wenn für erforderliche Anlagenkomponenten keine standardisierten Module verfügbar sind, müssen diese entsprechend der Projektierung bzw. Auslegung neu konstruiert und gebaut werden (Bild 2.1).
Bild 2.1Beispiel: Layout-Konzept einer Beschichtungsanlage
Selbst wenn sich für alle projektierten Anlagenkomponenten Standardmodule am Markt beschaffen lassen, ist häufig noch das Problem der Modulschnittstellen zu lösen. Die Standardmodule müssen ein funktionierendes Gesamtsystem ergeben. Der Anlagenbau bringt daher noch größere Herausforderungen mit sich als der Sondermaschinenbau. Besonders kritische Punkte sind die Kalkulation und die Terminplanung sowie der Kapitalbedarf. Da Anlagen meist ein erhebliches Auftragsvolumen aufweisen und lange Projektlaufzeiten bedingen, besteht die Gefahr, dass ein Teil der kalkulierten Rendite auf der Strecke bleibt. Dieses Risiko lässt sich mit einem Anlagenbaukasten, der alle Module des betreffenden Anlagentyps einschließt, deutlich reduzieren.
Die Produktionsformen „Design to Order“ und „Engineer to Order“, egal ob im Maschinen- oder Anlagenbau, erfordern einen hohen Aufwand in allen Bereichen der Auftragsabwicklung. Wenn die notwendigen Komponenten für eine definierte Aufgabenstellung nicht vorhanden oder nicht zu beschaffen sind, müssen diese neu konstruiert und hergestellt werden. Selbst wenn für eine kundenspezifische Maschine oder Anlage etliche Standardkomponenten genutzt werden können, ergibt sich aus den Bauunterlagen (Zeichnungen, Arbeitspläne, NC-Programme, Stücklisten etc.) ein eigener Fertigungs- und Montageablauf. Für völlig neue Anforderungen aus völlig neuen Anwendungen oder Anwendungsgebieten lässt sich der Aufwand einer Einzel- bzw. Sonderanfertigung nicht vermeiden. Sollte sich aus einem vermeintlich „exotischen“ Auftrag im Nachgang ein neuer Maschinen- oder Anlagentyp mit gutem Geschäftspotenzial herauskristallisieren, stellt sich die Frage, ob die Entwicklung eines Konstruktions- oder gar Produkt- bzw. Anlagenbaukastens auf längere Sicht eine rentable Investition darstellen würde.
2.2Make to OrderDie Produktionsform „Make to Order“ (MTO) wird auch als „Build to Order“ (BTO) bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine klassische Auftragsfertigung. Die angebotenen Produkte (Boote/Jachten, Fertighäuser, Schienenfahrzeuge etc.) sind Varianten einer oder mehrerer Produktfamilien. Jede Variante ist mit festgelegten Merkmalen und Eigenschaften (z. B. Farbdesign, Kapazität und Ausstattung) definiert (Bild 2.2). Änderungswünsche sind grundsätzlich möglich, machen allerdings je nach Umfang mehr oder minder aufwendige Konstruktionsarbeit notwendig. Aus einer konfigurierten Produktvariante einer Produktfamilie entsteht durch Anpassungskonstruktion ein spezifisches Auftragsprodukt. Jedes Auftragsprodukt, das auf diese Weise hergestellt wird, hat grundsätzlich eine Verbindung zu seiner standardisierten Ausgangsvariante. Dies ermöglicht in jeder Prozessphase eine eindeutige Rückverfolgbarkeit der ausgeführten Arbeiten. So ergibt sich zu jeder Zeit ein transparentes Bild über die realisierten Anpassungswünsche von Kunden in Bezug auf die angebotenen Produktvarianten. Aus diesem Wissen lassen sich weitere verkaufsfördernde standardisierte Produktvarianten für die jeweiligen Produktfamilien ableiten.
Bild 2.2Beispiel: Straßenbahn-Baureihe
Die MTO-Produktion beginnt erst mit dem Auftragseingang. Die Vorhaltung von Materialien schließt daher meist nur Rohteile, Halbzeuge und Kaufteile ein. Doch auch Gleichteile, die in jedes Kundenprodukt einfließen, werden nach Möglichkeit auf Lager produziert. Aufwendige Baukomponenten hingegen werden rein auftragsbezogen gefertigt oder beschafft. Ohne sichere Absatzprognose ist bei hochwertigen Erzeugnissen (z. B. Schienenfahrzeuge) mit relativ großer Varianz aus wirtschaftlicher Sicht eine Vorproduktion nicht tragbar. So ist nahezu die gesamte Leistungserbringung (Disposition, Beschaffung, Fertigung und Montage) immer an einen Kundenauftrag gekoppelt. Durch die im Normalfall geringeren Stückzahlen pro Auftrag sind die Produktionskosten etwas höher, dafür ist andererseits die Kapitalbindung für lagerhaltige Fertigware geringer. Außerdem lassen sich mit variantem Lieferprogramm Kundenwünsche bereits größtenteils erfüllen, gleichzeitig kann schnell und flexibel auf neue Anforderungen und Markttrends reagiert werden.
2.3Assemble to OrderDie Produktionsform „Assemble to Order“ (ATO) ist ein Mix aus auftragsneutraler Teilefertigung einschließlich teilweiser oder vollständiger Vormontage sowie auftragsbezogener Endmontage. Wie bei der MTO-Auftragsproduktion beruht die ATO-Lager- und -Auftragsfertigung auf einem Lieferprogramm mit definierten Produktvarianten einer oder mehrerer Produktfamilien/Baureihen. Beispiele hierfür sind Baumaschinen, Kraftfahrzeuge, Werkzeugmaschinen etc. Jede Produktvariante stellt einen eindeutigen Zusammenbau (Konfiguration) mit spezifischen Merkmalen und Eigenschaften (z. B. Bauart, Farbe, Ausstattung und Leistung) dar (Bild 2.3). Obwohl bei ATO-Produkten häufig aus einer enormen Zahl an Produktvarianten gewählt werden kann, sind bei diversen Angeboten sogar noch Änderungswünsche (z. B. Sonderfarbe) ohne großen Aufwand machbar. Weitergehende Anliegen (z. B. Maßänderungen), sofern diese überhaupt realisierbar sind, können hingegen einen gewissen konstruktiven Aufwand hervorrufen.
Bild 2.3Beispiel: Automobil-Baureihe
Mit dem Auftragseingang beginnen die Montagearbeiten mit entsprechenden lagerhaltigen Komponenten (Teile, Baugruppen und Module) und gegebenenfalls mit abgerufenen Just-in-Time-Lieferungen. Der Bedarf an einer Vorfertigung hinsichtlich der Stückzahlen basiert auf einer prognostizierten Nachfrage. Besonders bei hochwertigen Gütern ist eine zuverlässige Bedarfsprognose unerlässlich. Größere Abweichungen von den Planzahlen füllen das Lager und binden Kapital. Eine schnelle Auftragsabwicklung mit der ATO-Produktionsform ist daher nur bei geringer Lagerhaltung und mittleren bis großen Erzeugnis-Stückzahlen ertragreich. Mit zunehmender Zahl an Produktvarianten wird eine verlässliche Bedarfsprognose immer schwieriger, und die Zahl an Gleichteilen nimmt tendenziell ab. Gleichzeitig erhöht sich die Zahl an Teilevarianten. Für die auftragsneutrale Vorfertigung bedeutet dies, dass mit kleineren Fertigungslosen gearbeitet werden muss. Ob Industriegüter (Baumaschinen, Landmaschinen, Werkzeugmaschinen etc.) wirtschaftlicher mit der Produktionsform „Assemble to Order“ oder „Make to Order“ herzustellen sind, lässt sich nur unter Berücksichtigung aller spezifischen Gegebenheiten seriös entscheiden. Es besteht im Zweifelsfall die Möglichkeit, den Grad an ATO-Vorfertigung um kritische Baukomponenten mit hoher Varianz und hohen Kosten zu verringern.
2.4Pick to OrderDer Begriff „Pick to Order“ (PTO) beschreibt die Auftragsabwicklung bei einem Lieferprogramm mit geringer Varianz. Die Unterschiede der möglichen Produkte einer Familie sind vergleichsweise einfach zu erfassen und ihr Komplexitätsgrad ist eher gering. Zur Auswahl einer der Varianten ist nicht unbedingt ein Produktkonfigurator erforderlich (Bild 2.4). Es existieren üblicherweise keine oder nur geringe Abhängigkeiten zwischen den Baukomponenten. Die Zusammenstellung bzw. Konfiguration einer Kundenvariante kann meist ohne Mühe mit einer Variantenstückliste oder einem Produktkatalog erfolgen.
Bild 2.4Varianz einer Arbeitsplatzleuchte
Bei Produktvarianten mit hoher Ähnlichkeit und geringer Komplexität ist ein hoher Vorfertigungsgrad machbar, insbesondere dann, wenn die Anzahl der Varianten sich in einem überschaubaren Rahmen bewegt. Die Elemente Standard-, Alternativ- und Ergänzungsteil können größtenteils lagerhaltig geführt werden. Dies setzt eine gute Kenntnis der Kundennachfrage voraus. Jede ausgewählte Produktvariante geht als Kundenauftrag direkt in die Endmontage. Das Beispiel „Arbeitsplatzleuchte“ zeigt ein typisches PTO-Produkt. Zu den aufgeführten Produktmerkmalen/-eigenschaften (z. B. Leuchtmittel) können bei Lieferung in andere Märkte/Länder noch technisch bedingte Varianten (z. B. Netzstecker und Vorschaltgerät) hinzukommen. Auch Farbe und weitere Design-Merkmale können die Varianz, nicht aber die Komplexität, noch etwas erhöhen.
2.5Configure to OrderDie Produktionsformen „Make to Order“ (MTO) und „Assemble to Order“ (ATO) beruhen – wie bereits dargelegt – auf einem Lieferprogramm mit definierten Produktvarianten einer oder mehrerer Produktfamilien bzw. Baureihen. Eine Produktvariante setzt sich allgemein aus Grund-, Alternativ- und gegebenenfalls Ergänzungsbausteinen zusammen (siehe Abschnitt 4.1.1.6). Bei hoher Varianz ist es nicht mehr möglich, im Vertriebsprozess alle Produktvarianten in überschaubarer Weise zu präsentieren. Liegen zudem Abhängigkeiten zwischen Merkmalen und Eigenschaften von Komponenten der Produktvarianten vor, ist es noch schwieriger, die Übersicht zu behalten. Die Kombinatorik wird schnell komplex. Für jede Produktvariante müssten eigens eine Stückliste zusammengestellt und folglich Tausende von Stücklisten für die Auswahl einer gewünschten Produktvariante durchgesehen werden. So wäre die Wahrscheinlichkeit groß, dass ein Lieferprogramm eine geforderte Kundenvariante enthält, diese aber in der großen Zahl an Produktvarianten nicht auszumachen ist. Um dieses Dilemma zu umgehen, wird ein adäquates Tool gebraucht. Wie die Praxis zeigt, lässt sich nur mit Software-Unterstützung eine praktikable Variantenfindung bewerkstelligen.
Der Begriff „Configure to Order“ (CTO) steht für die Auftragsabwicklung, bei der eine individuelle Kundenvariante im Vertriebsprozess mittels Produktkonfigurator virtuell zusammengebaut und im Produktionsprozess mit der MTO- oder ATO-Methode materialisiert wird. Die Freigabe der konfigurierten Produktvariante durch den Kunden in Verbindung mit der gewünschten Stückzahl bildet den Auftrag für die Produktion (Bild 2.5). Der Produktkonfigurator bekommt als Eingangsinformationen die geforderten Produktmerkmale und -eigenschaften (z. B. bei einem Automobil Karosserieart, Motorleistung, Fahrwerk, Rad- und Reifengröße) und liefert als Ausgangsinformation die dazu passende Produktstruktur bzw. Stückliste. Mit dieser können die Logistikprozesse in Abhängigkeit von der genutzten Produktionsform MTO oder ATO angestoßen werden. Die CTO-Methode ist in der Lage, das Potenzial von Produktbaukästen durchgängig auszuschöpfen. Die transparente Präsentation aller Möglichkeiten des Lieferprogramms mit Kundenorientierung ist im Vertriebsprozess ein realer Wettbewerbsvorteil.
Bild 2.5Konfiguration eines Automobils (Kundenprodukt/Produktvariante)
Die Produktionsform „Make to Stock“ (MTS) kennzeichnet eine reine Lagerproduktion, das heißt Disposition, Beschaffung, Teilefertigung und Montage sind nicht auftragsgetrieben. Die Leistungserbringung geschieht generell auf der Grundlage von Absatzprognosen. Diese müssen im Sinne der Wirtschaftlichkeit so präzise wie möglich ausgeführt werden. Die Verteilung der Ware erfolgt in den meisten Fällen über den Handel. Eine Bestellung ruft die gewünschten Produktvarianten in der jeweiligen Stückzahl aus dem zentralen oder einem der regionalen Fertigwarenlager ab. Um jederzeit eine Balance zwischen Produktion und Absatz zu erreichen, müssen die Produktionszahlen stets auf der Grundlage aktueller Absatzzahlen einer Verkaufsperiode festgelegt werden.
Repräsentative Beispiele für MTS-Produkte sind Digitalkameras, Haushaltsgeräte, Smartphones, Unterhaltungselektronik usw. (Bild 2.6). Alle Produkte dieser Kategorie sind in der Regel nur in wenigen Varianten lieferbar. Andernfalls wäre die Kapitalbindung zu groß. Es gibt bei solchen Produkten nur wenige unterscheidende Merkmale/Eigenschaften (z. B. Farbdesign). Mit jeder weiteren Differenzierung kämen weitere Produktvarianten hinzu. Für diese müsste zum einen eine zuverlässige Absatzprognose vorliegen, und zum anderen ergäbe sich ein höherer Finanzbedarf. Die Produktionsform „Make to Stock“ eignet sich folglich nur bei Produkten mit geringer Varianz und relativ großen Stückzahlen.
Bild 2.6Beispiel: Produktfamilie eines Wasserkochers
Die Produktindividualisierung nimmt in allen Bereichen des Lebens zu. Für Konsumenten steigt der Kaufanreiz für ein Produkt, wenn dieses nach persönlichen Vorstellungen gestaltet werden kann. Was im Privatbereich eine Frage des Lebensgefühls ist, ist im Geschäftsbereich eine schiere Notwendigkeit. Maschinen und Anlagen müssen eine hohe Funktionsvariabilität und Anwendungsflexibilität bieten, um eine hohe Produktivität bei der massenhaften Spezialanfertigung zu bewirken. Die Zielsetzung für nahezu alle Produzenten lautet daher: Das Produktspektrum muss eine möglichst hohe Varianz aufweisen. Dazu ist für jede Produktart die geeignete Produktionsform zu wählen:
Design/Engineer to Order (DTO/ETO):Einzel-/Sonderanfertigung – Produkt oder Anlage wird für den Kunden konstruiert und gefertigt bzw. projektiert und montiert
Make to Order (MTO):Auftragsfertigung – Fertigung nach Auftragseingang gemäß individuellem Kundenwunsch mit Vorhaltung von Rohteilen, Halbzeugen sowie Norm- und Katalogteilen
Assemble to Order (ATO):Lager- und Auftragsfertigung – auftragsneutrale Vormontage und kundenspezifische Endmontage bei konfigurierbaren Produkten
Pick to Order (PTO):Lager- und Auftragsfertigung – auftragsneutrale Vorfertigung und Vormontage und kundenspezifische Endmontage bei selektierbaren Produkten
Configure to Order (CTO):Produktkonfiguration im Vertriebs- und Planungsprozess und Herstellung durch MTO-, ATO- oder gegebenenfalls PTO-Methode im Produktionsprozess
Make to Stock (MTS):Lagerfertigung – auftragsneutrale Vorfertigung und Endmontage aller angebotenen Varianten einer Produktfamilie
Die Herausforderung besteht darin, das richtige Maß an Varianz im Spannungsfeld der Größen Absatz/Stückzahl, Lagerfertigung und Kapitalbindung zu finden. Mit Ausnahme des Sondermaschinen- und Anlagenbaus, bei denen auch Engineering-Arbeiten in die Auftragsabwicklung eingeschlossen sind, hat die Einflussgröße Lagerfertigung besonders große Bedeutung. Die Bandbreite reicht von keinerlei Vorfertigung bis zur vollständigen Montage. Dazwischen liegen die Stufen Teilefertigung und Vormontage. Auch diese Prozessschritte können zu einem geringen Anteil oder sogar vollständig ausgeführt werden. Bei der Produktionsform „Make to Order“ kann es einen gewissen Grad an Vorfertigung und im Falle von „Assemble to Order“ einen gewissen Grad an Vormontage geben. Es kommt darauf an, wo in der Produktstruktur sich die varianten Bauelemente befinden. Der konkrete Produktionsprozess hängt wesentlich vom Aufbau und von den Kosten bzw. dem Verkaufserlös eines Produkts ab. Darüber hinaus spielt die Zielsetzung für die Auftrags- bzw. Produktionsdurchlaufdauer und schließlich für die Lieferzeit eine entscheidende Rolle.
Eine hohe Produktvarianz anbieten zu können, ist eine zukunftsrelevante Unternehmensstrategie und eine fundamentale Voraussetzung für hohe Wettbewerbsfähigkeit. Das Ziel, differenzierte Kundenwünsche bereits mit vorgedachten Produktvarianten abzudecken, geht nicht ohne Neugestaltung des Produktentstehungsprozesses. Die Produktentwicklung baut das festgelegte Lieferprogramm zunächst in Form virtueller Produkte auf, d.h., die Bauunterlagen für alle Produktvarianten bzw. -optionen liegen im Anschluss daran mit Produktionsfreigabe vor. Zur Abwicklung von Aufträgen/Bestellungen (= Logistikteil der Produktentstehung) muss je nach Produktsegment die bestmögliche Produktionsform zur Anwendung kommen. Abhängig davon, ob es sich um ein Einzelprodukt oder eine Klein-, Mittel- oder Großserie handelt, liegt die Wahl zwischen Auftrags- und Lagerfertigung. Mit Sicht auf die Wettbewerbsfähigkeit wird die Entscheidung letztlich von den Produktionskosten bestimmt. Diese lassen sich günstig gestalten, wenn insbesondere die Gleichteilerate und deren auftragsneutraler Vorfertigungsgrad hoch sind (Bild 2.7). Je nach Produktaufbau kann sich Vorfertigung auf unterschiedliche Ebenen beziehen. Gleichteile können sowohl Einzelteile und als auch Baugruppen sein. Mit zunehmender Größe der Auftragslose nehmen die Stückkosten für Gleichteile ab. Dies gilt für die Eigen- und Fremdfertigung gleichermaßen.
Bild 2.7Produktionsformen und Vorfertigungsgrad
Die profitabelste Produktionsform für massenhafte Spezialanfertigung zu finden, macht eine gründliche Analyse der vorliegenden Gegebenheiten notwendig. Alle Zukaufteile von der Stange wie Halbzeuge, Norm- und Katalogteile sind meist unkritisch. Lagerhaltung mit größeren Beschaffungsmengen kann sich in diesem Falle aufgrund der höheren Preisnachlässe lohnen. Bei Entwicklungsteilen kommt es darauf an, ob es sich um Gleichteile oder Teilevarianten handelt. Da Gleichteile in allen Varianten einer Produktgruppe oder zumindest einer Produktfamilie enthalten sind, werden sie in größeren Stückzahlen gebraucht. Die tatsächliche Größenordnung ergibt sich aus den Produktionszahlen der Produktvarianten. Sind Gleichteile komplex und sehr teuer in der Herstellung, kann eine auftragsneutrale Lagerfertigung wegen hoher Kapitalbindung unter Umständen unwirtschaftlicher sein als auftragsbezogene Einzelfertigung. Im Falle von Teilevarianten – seien es alternative oder optionale – ist es noch schwieriger, die richtigen Festlegungen zu treffen. Ob sich Lagerfertigung für Teilevarianten rentiert, hängt zunächst von den Ergebnissen der turnusmäßigen Absatzprognosen ab. Auch das Verhältnis von Kosteneinsparung je Stückzahl und Kapitalbindung spielt eine gewichtige Rolle. Für Standardbaugruppen gilt im Wesentlichen das Gleiche wie für Standard- bzw. Gleichteile. Bei der Vormontage von Baugruppenvarianten ist das Ziel, hohe Stückzahlen in Abhängigkeit von den Absatzprognosen zu realisieren. Je nach Produktstruktur und Verteilung der Teilevarianten ergibt sich aus wirtschaftlichen Überlegungen der Umfang an Vormontage. Die Tiefe der Produktstruktur ist hierbei eine maßgebende Einflussgröße.
Die Darstellung der Aufteilung von auftragsneutraler Fertigung und Vormontage sowie auftragsbezogener Fertigung und Vor-/Endmontage in Bild 2.8 wurde in Anlehnung an Jodlbauer et al. 2012 und Matzke 2016 erstellt. Der Startpunkt zur Bearbeitung eines Kundenauftrags ist bei den einzelnen Produktionsformen jeweils der Übergang von den prognose- zu den auftragsgetriebenen Prozessphasen. Der Pfeil zu Beginn der auftragsbezogenen Arbeiten bei den Produktionsformen MTO und ATO soll zeigen, dass es bei diesen Strategien in der Praxis nicht immer eine strikte Abgrenzung zwischen prognose- und auftragsgetriebenen Prozessphasen gibt. Bei der MTO-Produktion kann die prognosegetriebene Leistungserbringung in einem gewissen Umfang die Teilefertigung einschließen. Gleiches gilt im Falle der ATO-Produktion für die Vormontage. Ein hoher Automatisierungsgrad in diesen Produktionsphasen kann bei höheren Stückzahlen trotz höherer Kapitalbindung ein wirtschaftlicheres Gesamtergebnis liefern. Zudem lässt sich der Gesamtprozess der Produktionsformen MTO, ATO und gegebenenfalls PTO mittels Produktkonfiguration vereinfachen. Die CTO-Methode macht die Produktvarianten eines Lieferprogramms für die Kunden transparent und liefert systemgestützt die auftragsbezogenen Bauunterlagen, insbesondere Stücklisten.
Bild 2.8Abgrenzung von prognose- und auftragsgetriebener Produktion
