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Wie Modularisierung im Maschinenbau Komplexität reduziert

In vielen Unternehmen des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus wird die Produktentwicklung in Form von sequenziellen Entwicklungsprojekten durchgeführt, die initiiert werden um andere Leistungsniveaus, Preisniveaus oder regionale/kundenspezifische Anforderungen zu erfüllen.

Lösungen werden hierbei häufig in Form von Ableitungen oder Anpassungen von zuvor entwickelten Projekten erstellt. Die technische Komplexität wächst hierbei proportional zur angebotenen Produktvielfalt. Die Abbildung zeigt die sequenzielle Abfolge von Entwicklungsprojekten und die Neuentwicklung bzw. Wiederverwendung von Komponenten in den Entwicklungsprojekten.

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Im Laufe der Zeit entwickeln die meisten Unternehmen zahlreiche Produktfamilien, die aus vielen Produktvarianten bestehen. Das Ergebnis sind Hunderte von Baugruppen auf höchster Ebene und Tausende von individuellen Teilenummern. Die Pflege dieses Komplexitätsgrades ist außerordentlich teuer, denn Änderungen an den Produkten sind unumgänglich, um auf neue Marktbedürfnisse zu reagieren, mit der technologischen Entwicklung Schritt zu halten und dem Wettbewerb einen Schritt voraus zu sein.

Die historische Entwicklung hin zu immer größerer Angebotsvielfalt und immer komplexeren Produkten wird sich in den nächsten Jahren durch immer stärkere Digitalisierung und Vernetzung von Produkten noch weiter beschleunigen. Der wissenschaftliche Dienst des Bundestages schreibt hierzu in einer Studie

„Diese Entwicklung setzt die Industrie unter einen enormen Innovations- und Zeitdruck, welcher durch den zunehmenden Einzug von Elektronik in nahezu alle Produkte in allen Branchen noch erheblich gesteigert wird.“

Um dem Teufelskreis der unaufhaltbar zunehmenden Komplexität zu entkommen bedarf es einer Veränderung des Produktentwicklungsstrategie, es bedarf eines Wechsels von der projektorientierten Entwicklung hin zur modularen Produktentwicklung. So stellte der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) in seiner Studie Modularisierungs- und Standardisierungsansätze im Anlagenbau fest, dass Modularisierung eine wesentliche Rolle beim Abbau der internen Komplexität eines Unternehmens einnehmen sollte.

In diesem Artikel möchten wir Ihnen wichtige Schritte auf dem Weg zu einer modularen Produktarchitektur sowie das Ergebnis am Beispiel eines großen mittelständischen Anlagenbauers vorstellen.

Ein Beispielfall aus dem Maschinenbau

Bis zu 20.000 Teile pro Maschine, weniger als 100 produzierte Maschinen pro Jahr, eine Lebensdauer im Markt von zum Teil mehr als 40 Jahren. So lesen sich die Kennwerte eines großen mittelständischen Systemanbieters im Maschinenbau. Ganz anders also als bei großen Autoproduzenten, die häufig im Zusammenhang mit Modulstrategien genannt werden. Daher lag beim Modularisierungsprojekt dieses Anlagenbauers der Fokus nicht auf den großen Skaleneffekten in der Beschaffung.

Die lange Lebenszeit der Maschinen im Markt erfordert regelmäßige Anpassung der Maschinen an den Stand der Technik sowie an die sich immer wieder ändernde Gesetzgebung. Das Unternehmen hatte in der Vergangenheit wie zuvor beschrieben projektorientiert entwickelt. Die über die Jahrzehnte angesammelte Komplexität bei der Maschinenentwicklung sowie bei der Betreuung bereits existierender Maschinen drohte die Entwicklungsabteilung lahmzulegen.

Wir werden für den Artikel das Beispiels dieses Unternehmens nutzen, um die Komplexitätsreduktion durch Modularisierung im Maschinenbau zu illustrieren.New call-to-action

Wie Komplexität die Entwicklung im Maschinenbau lähmt

Die zuvor beschrieben projektorientierte Produktentwicklung führt zu einem überproportionalen Anstieg an entwickelten, produzierten und verwalteten technischen Lösungen und Teilenummern. Auf lange Sicht häuft sich diese Komplexität an: jede Bauteilnummer, die entwickelt, produziert, verbaut und an den Kunden ausgeliefert wird, bedarf eines bestimmten Betreuungsaufwandes über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Die Aufwände für Ersatzteilhaltung, Produktupdates und technische Änderungen, z.B. aufgrund von Veränderungen in gesetzlichen Vorschriften, sind proportional zur Vielfalt an technischen Lösungen, die ein Unternehmen über einen Zeitraum in den Markt gebracht hat.

Das führt dazu das Entwicklungsabteilungen zu immer größerem Teil mit der Betreuung der existierenden Komplexität beschäftigt sind und immer weniger Kapazität für neue Produkte und Innovationen bleibt. Außerdem macht sich eine besondere Eigenschaft von Kosten und Aufwänden für Komplexität schnell negativ bemerkbar – die Hysterese der komplexitätsgetriebenen Kosten und Aufwände.

Auch wenn das angebotene Produktsortiment reduziert wird, um die Komplexität zu reduzieren, so können die mit den technischen Lösungen assoziierten Kosten und Aufwände nicht kurzfristig eliminiert werden. Die Produkte sind bereits im Markt und es müssen weiterhin Dokumentation gepflegt, Ersatzteile bereitgehalten und Updates durchgeführt werden. Die Grafik zeigt die Hysteresekurve bei der Beziehung zwischen Variantenvielfalt auf Produktebene und Komplexitätskosten.

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Bei unserem mittelständischen Maschinenbauer umfassten die Aufgaben der Entwicklungsabteilung neben der Entwicklung von neuen Produkten zu erheblichem Teil die Entwicklung von Upgrades sowie von Anpassungen für Maschinen im Markt. Grundsätzlich steigen die Aufwände für solche Anpassungen und Upgrades mit den Varianten und der technischen Vielfalt der Maschinen. Gleichzeitig nehmen diese externe und interne Vielfalt mit der Zeit kontinuierlich zu: Eine neue Maschinengeneration wird entwickelt, erprobt, produziert und an Kunden geliefert – und dies in unterschiedlichen funktionalen und länderspezifischen Varianten.

Die Aufwände für die Entwicklung von Anpassungen und Upgrades hatten derart zugenommen, dass die Innovationsfähigkeit des Unternehmens gefährdet war. Kein Wunder: Wenn die Entwicklung ausschließlich mit der Betreuung der Vergangenheit beschäftigt ist, bleibt keine Zeit neue, innovative Produkte zu entwickeln. Die Herausforderung für das Unternehmen: Wie lässt sich Komplexität deutlich vermindern bei gleichzeitig hoher Produktvielfalt?

Leseempfehlung: Lesen Sie in diesem Case wie es mit Modularisierung gelang die Komplexität einer Familie von Materialprüfständen drastisch zu reduzieren bei einer gleichzeitigen Vergrößerung der angebotenen Produktvielfalt.

Kundenindividuelle Lösungen bei reduzierter Komplexität durch eine modulare Produktarchitektur

Die Herausforderung, mit der sich viele bisher sehr erfolgreiche Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau konfrontiert sehen ist, ihren Kunden wie bisher individuelle Produkte auf entsprechendem Leistungsniveau zu bieten aber gleichzeitig die interne technische Komplexität drastisch zu reduzieren. Diese Unternehmen bezogen in der Vergangenheit Ihren Erfolg daraus, dass Sie ihren Kunden individuell passende Lösungen boten, die oft in eigenen Projekten auftragsspezifisch konstruiert wurden (engineer-to-order). In diesem Umfeld scheitern Initiativen, die zur Reduktion der Komplexität das angebotene Produktportfolio einschränken sollen.

Leseempfehlung: Lesen Sie in unserem Artikel „3 modulare Maßnahmen, um gestärkt aus der Krise hervorzugehen“, warum ein einfaches Streichen von Produktvarianten langfristig zur Schwächung der Marktposition führt und welche Alternativen es für kurzfristige Einsparungen und Komplexitätsreduktionen gibt.

Der Spagat zwischen Reduktion technischer Komplexität und einem breitgefächerten Produktportfolio gelingt mit einer modularen Produktarchitektur. Ein modularer Baukasten ist eine Sammlung von Bausteinen (Modulen), die auf verschiedene Weise konfiguriert werden können und sich an unterschiedliche Kundenbedürfnisse anpassen lassen. Im Laufe der Zeit werden weitere Module entwickelt, um neue Funktionen zu bieten oder bestimmte Leistungsparameter zu verbessern.

Ein modulares Produkt ermöglicht es so, Anpassungen, Optimierungen und Kostensenkungen in einzelnen Modulen durchzuführen, ohne dass es zu dem typischen Welleneffekt von Änderungen innerhalb des gesamten Produkts kommt. Viele Unternehmen setzen die Modularisierung als Werkzeug ein, um die Produktkomplexität zu reduzieren oder den Kundenauftragsprozess effizienter zu gestalten, indem sie auftragsspezifisch konfigurieren (configure to order), anstatt auftragsspezifisch zu konstruieren (engineer to order).

Die folgende Abbildung zeigt schematisch, wie in einem modularen Produkt durch den Austausch von variablen Modulen gezielt auf (zeitlich) veränderliche Anforderungen reagiert wird.

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Wie zuvor beschrieben liegt die Stärke vieler Unternehmen im deutschen Maschinen- und Anlagenbau darin, Kunden individuell auf Ihre Bedürfnisse zugeschnittene Lösungen anbieten zu können. Dies wird ermöglicht, indem Modulbaukästen für den Maschinenbau als sogenannte offene modulare Baukästen entwickelt werden. Bei offenen Baukästen wird der größte Teil des Produktes, meist mehr als 80 %, aus dem Baukasten konfiguriert der verbleibende Teil des Produktes kann wie zuvor kundenindividuell entwickelt bzw. angepasst werden. So gelingt es auch bei maßgeschneiderten Produkten große Teile des Produktes mithilfe des Baukastens zu konfigurieren. Der VDMA schreibt in seiner Studie  Zukunftsperspektive Maschinenbau hierzu:

„Standardisierung und Modularisierung zielen ab auf ein Portfolio mit geringerer Varianz und Komplexität sowie einem insgesamt niedrigerem Kostenniveau, ohne dabei Breite und Individualität des Angebots zu verringern.“

Vorgehen bei der modularen Baukastenentwicklung

Die Entwicklung, Lenkung (Governance) und Optimierung einer modularen Produktarchitektur ist ein ganzheitliches Vorgehen, dass sich von der systematischen Ermittlung des Kundenbedarfs bis zur Definition von Konfigurationsregeln auf Basis eines Informationsmodells erstreckt. Die folgende Abbildung gibt einen Überblick der Bereiche der modularen Baukastenentwicklung. Im Folgenden werden wir die Bereiche Markt & Kundenbedürfnisse, Technologie, Definition des Modulsystems, Konfiguration sowie Planung & Kosten kurz vorstellen und mit Beispielen illustrieren.

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Markt & Kundenbedürfnisse

Um die Potenziale eines modularen Baukastens voll zu realisieren, muss dieser ausgehend von Kundenbedürfnissen und Unternehmensstrategie entwickelt werden (Outside-In-Ansatz). Hierbei ist die Definition einer zugehörigen Produktstrategie entscheidend. Die Voraussetzung für eine solche Produktstrategie ist es, den Kundenbedarf hinter Spezifikationen zu kennen sowie entsprechende Kundensegmente zu bestimmen.

Mit einem systematischen Blick auf Kundenbedarfe und Marktstruktur gelingt es, die Frage „Was wollen unsere Kunden?“ klar und einheitlich zu beantworten. An die Stelle unterschiedlicher Meinungen und Auffassungen über Kundenwünsche treten nachvollziehbare Marktsegmente, die mit Kundennutzen und Produkteigenschaften verknüpft sind. Der Kundennutzen ist somit von Beginn einer Modularisierung an in der modularen Produktarchitektur verankert. Kundenbedarf verstehen heißt: Wissen, welche Vorteile die Kunden suchen und welche Erfahrung sie machen wollen, wenn sie die Produkte eines Unternehmens nutzen. Das bekannte Beispiel: Brauchen die Kunden eine Bohrmaschine oder Löcher variablen Durchmessers und variabler Tiefe in verschiedenen Materialien?

Im Falle unseres Beispielunternehmens, dem mittelständischen Maschinenbauer, war ein wichtiger erster Schritt die Analyse der sogenannten externen Vielfalt. Hierbei wurden die Eigenschaften aus Kundensicht identifiziert, anhand derer der Kunde sich für eine bestimmte Variante des Produktes entscheidet. Hierbei ist es wichtig, dass ausschließlich die Vielfalt aus Kundensicht betrachtet wird. Im Beispiel ist der Kunde daran interessiert, dass seine Anlage eine bestimmte stündliche Ausbringungsmenge leistet. Es ist für ihn nicht von direktem Interesse mit welcher technischen Lösung oder mit welcher Baugruppe dies realisiert wird.

Dieser Wechsel der Perspektive auf das eigene Produkt von einer technischen Sicht hin zur Kundensicht ermöglichte die Strukturierung des Portfolios anhand von Kundenbedarf sowie die Identifikation von Produktvarianten, die keinen großen zusätzlichen Kundennutzen bieten.

Leseempfehlung: Erfahren Sie in unserem Artikel „Produktmanagement & Modularisierung: Was wollen Ihre Kunden wirklich?“ inkl. Anleitung zum Download, wie Sie Ihr Portfolio anhand des Kundenbedarfs segmentieren.

Technologie

Die Basis eines Produktes sind dessen Komponenten, die in der Modularisierung zu Modulen zusammengefasst werden. Im Rahmen der Baukastenentwicklung wird der Link zwischen Markt und Kundenwerten sowie den Komponenten hergestellt. So wird ein durchgängiger Link zwischen Markt & Kunden, Technologie, Modulen und Variantensortiment erzeugt.

Ein wichtiger Schritt im Bereich Technologie ist außerdem die Erfassung der existierenden technischen Vielfalt. Hierbei werden alle Komponentenvarianten in allen Produktvarianten aller Maschinengenerationen erfasst. Dieser Ist-Zustand der technischen Vielfalt ist der Maßstab, an dem sich ein modulares zukünftiges Konzept messen muss.

Bei der Analyse der internen technischen Vielfalt ist die Granularität der Zerlegung in Komponenten entscheidend. Dies zeigte sich auch bei unserem mittelständischen Maschinenbauer. Bei der Analyse der Variantenvielfalt einer Komponente der aktuellen Maschinengeneration ergab sich eine große Anzahl von Varianten. Bei genauerem Stücklistenvergleich stellte sich jedoch heraus, dass alle die gefundenen Baugruppenvarianten auf Teileebene zu 95 Prozent identisch waren. Nur ein geringer Umfang von Bauteilen, die spezifisch für verschiedene Produktdimensionen waren, unterschied sich tatsächlich. Diese Erkenntnis führte dazu, die Hauptbaugruppe in zwei Komponenten zu zerlegen, von denen eine bereits nahezu standardisiert war.

Definition des Modulsystems

Der Kern eines modularen Baukastens sind die Module. Die richtige Definition der Module ist der Schlüssel zu einem Baukasten, der für das Unternehmen profitabel und für ihre Kunden attraktiv ist.

Die Gruppierung von Komponenten zu Modulen bildet das Kernelement des MFD-Prozesses (Modular Function Deployment). Hierbei werden Komponenten anhand von Modultreibern zu Modulen gruppiert. Die Modultreiber sind auf Basis von Kundennutzen und Unternehmensstrategie definiert, so dass diese über die Definition des Modulsystems in der modularen Produktarchitektur verankert werden. Neben der Gruppierung zu Modulen werden außerdem Modulvarianten abgeleitet und Schnittstellen zwischen Modulen spezifiziert. Dadurch wird erreicht, dass ein modularer Baukasten das spezifische Geschäftsumfeld und Geschäftsmodell eines Umternehmens zielgenau berücksichtigt.

Im Fall unseres mittelständischen Maschinenbauers zeigte sich, dass die Komplexität effektiv reduziert werden kann, indem sich die Modulgruppierung an den wichtigsten Kundeneigenschaften der Maschinen orientiert: An der Form des verarbeiteten Stückguts, dessen Grundfläche und der Ausbringungsleistung der Maschine.

Die Modularisierung unter Berücksichtigung dieser stark varianten Kundeneigenschaften ermöglichte es, die Komplexität zu großen Teilen in dedizierten Modulen zu kapseln und den Rest der Maschinen weitgehend zu standardisieren.

Konfiguration

Im Rahmen der Variantenkonfiguration wird die Produktstruktur erstellt, Konfigurationsregeln definiert und ein Sortiment von Produktvarianten festgelegt. Die Grundlage hierfür wurde in allen vorangegangenen Schritten erarbeitet und die Konfiguration baut auf einer modularen Produktarchitektur auf, die auf Basis von Kundenbedürfnissen und Unternehmensstrategie definiert wurde.

Die Produktvarianten mit hinterlegten Konfigurationsregeln können nun auch final in einen Vertriebskonfigurator und in einen am Kundenbedarf ausgerichteten Verkaufsprozess (guided selling/value based selling) überführt werden. So wird nun der Kreis geschlossen: Die Kundenbedürfnisse, die im Schritt Markt & Kundenbedürfnisse identifiziert wurden und im Schritt Definition des Modulsystems in einer modularen Produktarchitektur verankert wurden, werden nun vom Kunden und Vertriebsmitarbeitern genutzt, um das individuell passende Produkt zu konfigurieren.

Leseempfehlung: Lesen Sie in unserem Artikel „Produktkonfiguration inkl. Guided Selling mit Modularisierung umsetzen“ wie Produktkonfiguration anhand des Kundenbedarfs konkret aussehen kann

Planung & Kosten

Die Profitabilität modularer Produktarchitekturen muss nicht nur während der Implementierung, sondern auch während der gesamten Lebensdauer der Architektur aktiv gesteuert werden. Nur so wird sichergestellt, dass gesetzte Geschäftszieleziele erreicht werden und die Architektur auf Dauer erfolgreich ist. Die Überwachung der Profitabilität ist damit ein zentraler Baustein eines erfolgreichen Variantenmanagements. Jedes Mal, wenn eine neue Modulvariante entwickelt wird, muss sichergestellt werden, dass diese zum Erreichen der Profitabilitätsziele des modularen Baukastens und des Unternehmens beiträgt. Das schließt phase-in und phase-out Entscheidungen mit ein.

Der Themenbereich Planung & Kosten ist daher in der Baukastenentwicklung nicht sequenziell zu den anderen Themenbereichen angeordnet, sondern findet vorab, parallel und kontinuierlich statt. Vor Implementierung eines modularen Baukastens werden mit einer Potenzialanalyse dessen Effekt auf Kosten und Umsatz ermittelt. Im Rahmen der Baukastenentwicklung werden Modulvarianten so gewählt, dass die Profitabilität des Baukastens optimiert wird und während der kontinuierlichen Lenkung (Governance) und Optimierung des Baukastens wird die langfristige Profitabilität sichergestellt.

Leseempfehlung: Lesen Sie in unserem Artikel zu dem Thema, wie sich die Profitabilität Ihres modularen Baukastens konkret zusammensetzt.

Im Ergebnis mehr Auswahl für die Kunden bei weniger Komplexität

Der deutsche Maschinenbau ist bekannt dafür, Produkte auf höchstem Leistungsniveau zu entwickeln, die maßgeschneidert sind für die individuellen Anforderungen jedes einzelnen Kunden. Die Diversifikation von Märkten hat zu immer breiteren Produktportfolios geführt, diese Entwicklung wird durch die immer stärkere Vernetzung und Digitalisierung von Produkten noch beschleunigt. Die Konsequenz ist eine proportionale Zunahme von interner technischer Komplexität, die in vielen Unternehmen nicht nur die Entwicklungsabteilung zu lähmen droht.

Einen Weg aus dieser Komplexitätsfalle bietet der Wechsel von traditioneller, projektorientierter Entwicklung hin zur Entwicklung von modularen Baukästen. Modulare Entwicklung verlangt Unternehmen ab, Entwicklungsleistung in eine modulare Produktarchitektur zu investieren, die auf Kundenbedarf und Unternehmensstrategie basiert, führt aber in der Konsequenz zu deutlicher Komplexitätsreduktion und Aufwandsersparnis. Die Abbildung illustriert das „frontloading“ von Entwicklungsleistung:

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In der Konsequenz ermöglicht ein modularer Baukasten so die Entwicklung von Produktvarianten mit deutlich kürzerer Zeit bis zur Markteinführung pro Produktvariante (Time-to-Market, kurz TTM), geringerer Komplexität und niedrigeren Kosten bei der Betrachtung des gesamten Produktportfolios, als es mit einem traditionellen, projektorientierten Entwicklungsansatz möglich wäre.

Im Fall unseres mittelständischen Maschinenbauers waren die Effekte der Modularisierung erheblich. Es wurde ein Gesamtkonzept erstellt, dass ohne radikale technische Änderungen auskommt, da die Ausgangssituation bereits eine Überlastung der Entwicklungsabteilung war. Das Konzept umfasste die Standardisierung von 55 % der Komponenten, was zu einer Reduktion der Gesamtkomponentenanzahl um 51 % führte. Der Effekt dieser Reduktion von technischer Komplexität wurde mit -25 % bei den initialen Entwicklungsaufwänden und -10 % bei der Umsetzung von Änderungen über die Lebenszeit von Produkten hinweg abgeschätzt.

Die Effekte des modularen Konzepts blieben jedoch nicht auf die Entwicklungsabteilung beschränkt. Die zu erwartenden Kosten für die Qualifikation eines neuer Verarbeitungsmaterialien wurden um 67 % reduziert. Die Einkaufskosten der nun standardisierten Komponenten konnten um bis zu 45 % reduziert werden. Die Kosten für die Erstellung der Maschinendokumentation konnten um 20-30 % vermindert werden.

In unserem detaillierten Whitepaper stellen wir Ihnen hierzu wichtige Erfolgsfaktoren für die Modularisierung vor:

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