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So machen Sie Baukastensysteme konfigurierbar

Ein erfolgreiches Baukastensystem zeichnet sich durch drei Merkmale aus: Flexibilität, Agilität und Effizienz. Bei der Entwicklung der Architektur müssen Module und Schnittstellen so definiert werden, dass diese Merkmale sichergestellt sind und die Ziele der unternehmerischen Geschäftstätigkeit unterstützen. Zu Beginn mögen die Begriffe Modul und Schnittstelle noch abstrakte Ideen sein, im Rahmen der Entwicklung müssen diese aber in detaillierte und exakte Konstruktionen überführt werden. Bei der Umsetzung müssen die Konfigurierbarkeit der Produktarchitektur, die Wiederverwendbarkeit technischer Lösungen und die Abdeckung des heutigen und zukünftigen Portfolios sichergestellt werden.

Das Design des Baukastensystems muss dafür sorgen, dass:

  • Module und Modulvarianten wiederverwendet werden, um Komplexitätskosten zu minimieren und Skaleneffekte in der gesamten Wertschöpfungskette zu ermöglichen.
  • Schnittstellen übergreifend kontrolliert und gesteuert werden, damit das Baukastensystem langfristig stabil bleibt.
  • Produktvarianten einfach aus Modulvarianten konfiguriert werden können, um den Entwicklungsaufwand für einzelne Produktvarianten stark zu reduzieren.

Viele etablierte CAD Systeme ermöglichen die Berücksichtigung der Konfigurierbarkeit im Entwicklungsprozess. Ein klares Verständnis für die Ziele des Baukastensystems ist jedoch die Voraussetzung für den richtigen Einsatz solcher Werkzeuge. Die CAD Systeme ermöglichen verbesserte Qualität und Effizienz in der Konstruktion, wenn aber die Auswahl der Werkzeuge und die Ziele der Architektur nicht aufeinander abgestimmt sind, kann es passieren, dass viel Aufwand betrieben wird ohne greifbare Ergebnisse auf der Gewinn- und Verlustrechnung.

In diesem Blogartikel werden wir einige wichtige Konzepte bei der Konstruktion von konfigurierbaren und wiederverwendbaren Produktarchitekturen erläutern sowie Erfolgsfaktoren und Fallstricke aufzeigen.

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Das Top-Down-Prinzip bei der Entwicklung des Baukastensystems

Der traditionell genutzte Entwicklungsprozess, um produkt- oder projektspezifische technische Lösungen und Strukturen zu entwickeln, funktioniert nicht für Baukastensysteme. Wir sprechen bei der Entwicklung eines Baukastensystems von einem Top-Down-Prinzip: Die Entwicklung und das Lebenszyklusmanagement von Produkten muss am Baukastensystem ausgerichtet sein und bei der Entwicklung muss die gesamte Produktbandbreite des Baukastensystems berücksichtigt werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Entwicklungsabteilung immer wieder beginnt, einzelne Lösungen speziell für einzelne Produktvarianten zu konstruieren.

Im Idealfall teilen sich verschiedene Modulvarianten einen Großteil der Anforderungen, wie in diesem Beispiel von zwei Riemenscheiben dargestellt. Die beiden Riemenscheiben sind Varianten eines übergreifend genutzten Riemenscheiben-Moduls des Baukastensystems.

Es fällt ins Auge, dass die konstruktive Lösung der Welle-Nabe-Verbindung bei beiden Varianten gleich ist. Diese Verbindung ist die Schnittstelle, die für alle Varianten des Moduls standardisiert ist, um Wiederverwendung und Konfigurierbarkeit zu ermöglichen.

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Es lohnt sich, Gemeinsamkeiten zwischen Modulvarianten früh zu identifizieren, daraus gemeinsame Anforderungen abzuleiten und diese als Basis für das Modulvariantendesign zu nutzen.

Module passend zu den Anforderungen des Baukastensystems definieren

Module sollten nach dem Top-Down-Prinzip entsprechend den Anforderungen des Baukastensystems entwickelt werden. Hierzu wird ein Grundmodul definiert, in welchem der Bauraum und die Schnittstellen für das Modul festgelegt sind. Alle Varianten des Moduls können dann auf Basis des Grundmoduls konstruiert werden. Dieses Konstruktionsvorgehen stellt sicher, dass die Anforderungen des Baukastensystems an ein Modul von jeder Modulvariante erfüllt werden.

Die Illustration zeigt das Beispiel des Grundmoduls für das Riemenscheibenmodul. Es enthält die Schnittstelle in Form einer Bolzenverbindung, sowie die Bauraumgrenzen für den Durchmesser und die Tiefe der Riemenscheibe.

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Leseempfehlung: Lesen Sie hier wie Sie mit der MFD® Methode Ihre modulare Produktarchitektur systematisch in 5 Schritten definieren können.

Modulschnittstellen definieren

Eine vordefinierte Auswahl von Schnittstellen und Modulbauräumen ermöglicht eine verbesserte Kontrolle der Produktarchitektur in der Produktentwicklung. In komplexen Entwicklungsprojekten ist das Risiko von Missverständnissen zwischen Entwicklern groß. Das Ergebnis sind häufig Bauteile und Baugruppen, die nicht zueinander passen, was zeitaufwendige und teure Korrekturen verursacht.

Auch das Risiko von Informationsverlust durch unzureichende Dokumentation oder wechselnde Besetzung von Positionen in den Entwicklungsteams ist groß. Das Beibehalten von Schnittstellendefinitionen hängt dabei von dem Informationsaustausch zwischen einzelnen Entwicklern ab.

Um sicherzustellen, dass die Modularchitektur des Baukastensystems standardisierte Schnittstellen verwendet, sollten diese einmalig definiert, entwickelt, fixiert und dann wiederverwendet werden. Eine Schnittstelle hat hierbei immer zwei Seiten, wie in unserem Beispiel ein Flansch mit Bolzenverbindung (Seite A) und das korrespondierende Lochmuster (Seite B). Die zweiteilige Schnittstelle wird einmalig konstruiert. Jedes Modul und jede Modulvariante, die diese Schnittstelle nutzt, erbt die Geometrie des Schnittstellenobjektes.

Die Illustration zeigt dies für den Fall des Riemenscheibenmoduls und eines Wellenmoduls.

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Die Modulschnittstellen sind ein Kernelement des Baukastensystems. Sie ermöglichen Flexibilität und sind gleichzeitig der Schlüssel zu Stabilität und Agilität der Produktarchitektur. Der Grund ist einfach – wenn eine Schnittstelle geändert wird, nimmt dies Einfluss auf beide Seiten der Schnittstelle und damit auf alle Module, die diese Schnittstelle nutzen. Im schlimmsten Fall kann der Einfluss so groß sein, dass er sich auf weitere Schnittstellen auswirkt. Die Änderung von Schnittstellen kann daher als eine Änderung der Architektur des Baukastensystems angesehen werden und hat damit direkte Konsequenzen auf die Unternehmensrentabilität.

Deshalb sind das Handhaben und die Verwaltung (Governance) der Schnittstellen eines modularen Baukastensystems so wichtig. Damit Schnittstellen über lange Zeiträume stabil gehalten werden können, muss es klare Prozesse geben, um benötigte Anpassungen zu identifizieren und um zu entscheiden, ob geforderte Änderungen umgesetzt werden sollen, bzw. welche Alternativen es gäbe, um Schnittstellenänderungen zu vermeiden. Es bedarf auch eines Systems, das sicherstellt, dass die neue konstruktive Lösung einer Schnittstelle alle Anforderungen erfüllt.

Leseempfehlung: Die richtige Governance ist eine der Säulen erfolgreicher Modularisierung. Lesen Sie hier, warum Modularisierung ohne passende Governance nicht funktioniert.

Konstruktion von Modulvarianten in der Praxis

Die Nutzung von „Grundmodulen“ zur Abdeckung von Anforderungen, die bei allen Modulvarianten gleich sind, macht es nicht nur einfacher, Lösungen für Modulvarianten zu prüfen und zu validieren, sondern erleichtert auch den Entwicklungsprozess für einzelne Modulvarianten. Die gemeinsamen Anforderungen, der Bauraum und die Geometrie der Schnittstelle sind die Basis, auf der ein Entwickler dann die technischen Lösungen für eine bestimmte Modulvariante ausarbeiten kann. Er kann so sicher sein, dass seine Lösung im Baukastensystem funktionieren wird.

Zu Beginn der konstruktiven Entwicklung einer Modulvariante lädt der Entwickler das Grundmodul inkl. Bauraum und Schnittstellen in seine CAD-Entwicklungsumgebung. Innerhalb der Grenzen des Grundmoduls hat der Entwickler nun gestalterische Freiheit, um Lösungen zu finden, die die Anforderungen der Modulvariante erfüllen.

So wird sichergestellt, dass keine Modulvarianten erstellt werden können, die die Anforderungen des Grundmoduls, den Bauraum oder die Schnittstelle verletzen. Zudem wird verhindert, dass Modulvarianten erzeugt werden, die mit der Architektur des Baukastensystems inkompatibel sind.

Das verringert nicht nur die Zeit und den Aufwand für die Entwickler, auch Änderungen an der Produktarchitektur, wie z.B. die Anpassung einer Schnittstelle können schnell auf das gesamte Baukastensystem ausgerollt werden. Alle Modulvarianten, die die entsprechende Schnittstelle, bzw. eine Seite der Schnittstelle verwenden, werden dann automatisch angepasst. Die Grafik zeigt mehrere Modulvarianten, die auf dem gleichen Grundmodul basieren.

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Konfigurierbarkeit braucht Kombinationsregeln

Einer der wichtigsten Vorteile eines modularen Baukastensystems ist, dass es Entwickler in ihrem Tagesgeschäft unterstützt. In der modularen Architektur werden alle Konstruktionselemente wie Schnittstellen oder Bauräume im Top-Down-Prinzip verwaltet und von Parametern, die auf Ebene des Baukastensystems definiert werden, gesteuert. So werden Änderungen an diesen modularen Konstruktionselementen automatisch durch die ganze Architektur propagiert.

Bei der Entwicklung eines modularen Baukastensystems für komplexe Produkte wird ein signifikanter Teil der Konfigurationsregeln durch Limitierung der konstruktiven Machbarkeit vorgegeben. Ein Beispiel – ein Baukasten für PKW enthält verschiedenen Chassisgrößen sowie verschiedene Leistungsstufen für den Antrieb. Aus Sicht der Vielfalt für die Kunden ist es vielleicht wünschenswert, für jede Chassisgröße alle Leistungsstufen anzubieten. Da der Platz im Motorraum für die kleinen Chassisgrößen aber beschränkt ist, können diese nicht mit den höchsten Leistungsstufen des Antriebs kombiniert werden.

Bei Produkten mit vielen Kombinationsmöglichkeiten und einer resultierenden sehr großen Produktvariantenvielfalt ist die traditionelle Verwaltung in Form von 150 %- oder Super-BoMs nicht mehr praktikabel, da hier alle möglichen Kombinationen technischer Lösungen manuell eingepflegt und validiert werden müssen. Eine modulare BoM in Kombination mit einer konfigurierbaren modularen Architektur hingegen ermöglicht dies und bedarf deutlich weniger Aufwand in der Pflege bei gleichzeitig höherer Qualität und Effizienz.

Leseempfehlung: Lesen Sie hier, wie eine modulare BoM funktioniert, und was die Unterschiede zu einer 150%- oder Super-BoM sind.

Die Kombination von einer konfigurierbaren Architektur und einer modularen BoM hilft außerdem, die Anzahl notwendiger Testszenarien, die durch die Einführung neuer Modulvarianten hinzukommen, deutlich zu reduzieren. Der vordefinierte Bauraum stellt sicher, dass die Modulvariante in die Gesamtarchitektur passt und die Konfigurationsregeln stellen sicher, dass nur zulässige Kombinationen von Modulvarianten umgesetzt werden, dementsprechend müssen auch nur zulässige Kombinationen getestet werden.

3 Schlüssel zum Erfolg für flexible, effiziente und agile Baukastensysteme

Was ist das Ziel des Wechsels hin zu einer konfigurierbaren Architektur? Der Wechsel hin zu einem neuen Entwicklungsansatz sollte immer auf der Basis eines klaren Verständnisses des dahinter stehenden Ziels stattfinden. Da Modularisierung ein funktionsübergreifender Ansatz ist, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Erwartungen und Anforderungen aller Stakeholder in der Organisation erfasst und berücksichtigt werden.

Schlüssel 1 – Die richtigen Ziele setzen

Damit die Transformation zu einem konfigurierbaren modularen Baukastensystem erfolgreich sein kann, muss sichergestellt werden, dass die Ziele für das System zu den Erwartungen der Organisation passen. Was soll mit dem Wandel erreicht werden? Welcher Anteil zukünftiger Entwicklungsprojekte soll im Rahmen der modularen Architektur umgesetzt werden? Auch im Detail sind Ziele wichtig – welcher Detailgrad wird für standardisierte Bauraummodelle und Schnittstellendefinitionen angestrebt? Diese Entscheidung ist ein Kompromiss zwischen dem Aufwand zur Erstellung der Grundmodule und der Arbeitsersparnis, die Entwickler durch den Einsatz der Grundmodule haben.

Schlüssel 2 - Die Grundmodule müssen zu den Anforderungen der Architektur passen

In der klassischen, projektbasierten Produktentwicklung werden neue technische Lösungen häufig als Anpassungskonstruktionen alter, bereits existierender Lösungen umgesetzt. Bei der Entwicklung der Grundmodule mit Bauräumen und Schnittstellen ist es wichtig, die Anforderungen des zu entwickelnden modularen Baukastensystems zu reflektieren und nicht nur auf Vorlagen vergangener Entwicklungsprojekte zurückzugreifen, denn diese enthalten konstruktive Lösungen, die entsprechend den Anforderungen dieser Projekte gewählt wurden. So stellen Sie sicher, keinen unnötigen Ballast mit in Ihr Baukastensystem zu bringen.

Schlüssel 3 – Die passenden Methoden und Werkzeuge nutzen

Die Methoden und Werkzeuge, die im Produktmanagement und in der Produktentwicklung genutzt werden, um die modulare Produktarchitektur zu entwickeln müssen zu dieser Entwicklungsphilosophie passen und die beteiligten Organisationen unterstützen.

Konfigurierbarkeit ermöglicht Flexibilität, Agilität und Effizienz

Ein modulares Baukastensystem erhöht die Flexibilität, Agilität und Effizienz, indem es sicherstellt, dass Module und Schnittstellen zur Unterstützung dieser Eigenschaften in einer modularen Produktarchitektur zusammengebracht werden und gleichzeitig mit den strategischen Unternehmenszielen abgestimmt sind. In diesem Artikel haben wir einige wichtige Entwicklungskonzepte zur Unterstützung der Konfigurierbarkeit, Wiederverwendung und Robustheit in der modularen Architektur vorgestellt.

In der Regel haben die verschiedenen Varianten eines Modultyps viele Gemeinsamkeiten. Diese Gemeinsamkeiten werden in einem Grundmodul mit standardisierten Schnittstellen, definiertem Bauraum und für alle Varianten gültigen Anforderungen zusammengefasst. Diese Grundmodule sind die Basis für die Arbeit der Entwicklungsingenieure bei der Ausarbeitung aller benötigten Modulvarianten.

Die modulare Architektur des Baukastensystems mit zugehörigen Grundmodulen und Konfigurationsregeln unterstützt Wiederverwendung und reduziert den Entwicklungsaufwand für einzelne Modulvarianten. Das minimiert Komplexitätskosten und ermöglicht Skaleneffekte.

Zur Umsetzung der Konstruktionsprinzipien, die wir in diesem Artikel vorgestellt haben, bedarf es der passenden CAD- und PLM-Systeme, die z.B. die zentralisierte Verwaltung von Schnittstellen und Grundmodulen ermöglichen. Wir haben Ihnen hier eine Liste von CAD- und PLM-Systemen zusammengestellt, mit der Sie prüfen können, ob Ihre IT Sie bei der Entwicklung eines Baukastensystems optimal unterstützt.

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