Konstruktionslehre II – V4
Baukästen, Module, Plattformen,
Features
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
30. April 2015
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
• Sie können die wesentlichen Eigenschaften der Produktarten für die
Rationalisierung in E/K beschreiben.
• Sie können die Unterschiede der Produktarten für die Rationalisierung
in E/K beschreiben.
• Sie können für jede der behandelten Produktarten ihre Wirkung auf
den E/K-Prozess beschreiben.
• Sie können die Auswirkung der Einführung der behandelten
Produktarten auf ein Unternehmen und einen Kunden erläutern und
begründen.
• Sie können die Notwendigkeit eines Varianten- und
Konfigurationsmanagements begründen nach der Einführung der
behandelten Produktarten.
Lernziele dieser Vorlesung
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KL II Vorlesung 4 – Inhalt
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1. Baukästen
2. Baukastendokumentation
3. Module
4. Plattformen
5. Features
6. Auswirkungen
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Definition Baukästen
Baukästen:
Maschinen, Baugruppen und Einzelteile, die
• als Bausteine mit oft unterschiedlichen Lösungen
• durch Kombination
• verschiedene Gesamtfunktionen erfüllen
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Baukasten: Getriebemotor
nach Bonfiglioli
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Baukastensystem:
aus Bausteinen aufgebautes System
Die Bausteine können
• lösbar miteinander verbunden sein: reale Bausteine
• unlösbar miteinander verbunden sein: abstrakte Bausteine
Es gibt zwei Arten von Bausteintypen:
Funktionsbausteine:
nach Gesichtspunkten der Erfüllung technischer Funktionen festgelegt
Fertigungsbausteine:
nach reinen fertigungstechnischen Gesichtspunkten festgelegt
Baukästen
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Hilfsfunktion:
dienen der Verbindung, bzw. dem Anschluss von Systemelementen an das
System oder zur Integration von Systemelementen
Sonderfunktionen:
aufgabenspezifische Teilfunktionen. Sie müssen nicht in allen realisierbaren
Gesamtfunktionen des Baukastens wiederkehren
Auftragsspezifische Funktionen:
in einem Baukasten nicht vorhersehbare Funktionen
Grundfunktion:
grundlegende, immer wiederkehrende Funktion, für das System unerlässlich
Anpassfunktionen:
sie dienen zum Anpassen des Systems an andere Systeme und sind nur zum Teil
maßgeblich festlegbar
Funktionsarten eines Baukastens
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Funktions- und Bausteinarten
Auftragsspez.-
Funktionen
nicht vorher-
sehbar
Nicht-
baustein
Ausführung
Varianten
Baugruppe
Maschine
Anlage
nach Pahl/Beitz
Muss-Baustein
Kann-Baustein
nur in besonderen
Fällen, führt zu
Mischsystemen
Baukastensystem Mischsystem
8
Sonder-
baustein
Besonders,
ergänzend,
erweiternd
Sonder-
funktionen
Anpass-
funktionen
Anpass-
baustein
nicht genau in
allen Teilen
festlegbar
Grund-
funktionen
Grund-
baustein
grundlegend,
immer wieder-
kehrend,
allgemein
Hilfs-
funktionen
Hilfs-
baustein
verbindend,
anschließend
Gesamtfunktion
Varianten
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Modulare oder freie Baukästen
Die vorhandenen Bausteine mit unterschiedlichen Funktionen können an jeder Stellen der Baustruktur eingebunden werden.
Beispiel: Haustür-Kommunikationsanlagen, elektronische Überwachungseinrichtungen...
Herstellerbaukasten
werden vom Hersteller zusammengebaut und sind i. allg. im nachhinein nicht veränderbar.
Beispiel: Getriebebaukasten, LKW-Baukasten...
Anwenderbaukasten
werden vom Anwender je nach gewünschter Gesamtfunktion zusammengebaut.
Beispiel: Küchenmaschinen, Anbaugeräte für landwirtschaftliche Traktoren...
Geschlossene Baukästen
bestehen aus einem vorgegebenem Bauprogramm. Die Zahl der realisierbaren Gesamtfunktionen ist begrenzt und festgelegt.
Beispiel: Heimwerkersysteme...
Offene Baukästen
Die Zahl der realisierbaren Gesamtfunktionen ist nicht begrenzt. Es existiert nur ein Baumusterplan mit Anwendungsbeispielen.
Beispiel: Küchenmöbel, Baugerüste...
Strukturgebundene Baukästen
Die vorhandenen Bausteine können nur an genau festgelegten Stellen der Baustruktur eingebunden werden.
Beispiel: alternative PKW-Motoren oder PKW-Sitze...
Baukastenarten
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Baukasten mit Modularbausteinen
(strukturungebunden)
Alternativbausteine strukturgebunden
unterschiedliche Modulbausteine
Baukastensysteme (Schema)
Quelle: Koller
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Modulare Baukastensysteme
Modulare selbstrekonfigurierende Roboter-
Systeme (MSRS)
Quelle: Kartika
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• Viele (mechanische) Module
• Identische Grundmodule
• Spezialmodule
• Jedes Modul hat Berechnungs-
und Kommunikationsfähigkeit
• Jedes Modul kann seine lokale
Verbindung ändern
• Einheitliche Schnittstellen
Homogene modulare Architektur
Modul benachbartes
Modul
Drehachse
Drehachse
Permanent-
magnet
Anschluss-
fläche
Bindeglied Kopplung
Quelle: Kartika
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Stand der Technik
• 4 Haken
• 4 Buchsen
Drehachse
Steckerfläche
Führungsstift
Buchsenfläche
Drehachse
Steckerfläche
Führungsstift
Buchsenfläche
HackenHacken
Anschlussmechanismus - Riegel
Modul benachbartes
Modul
Drehachse
Drehachse
Anschluss-
fläche
Bindeglied
Kopplung
Modul benachbartes
Modul
Drehachse
Drehachse
Anschluss-
fläche
Bindeglied
Kopplung
M-TRAN III
Quelle: Kartika
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Haken
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Hersteller: • Unterlagen für Angebote, Projektierung, Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung stehen zur
Verfügung
• Auftragsgebundener Konstruktionsaufwand nur für nicht vorhersehbare Funktionalitäten
• Kombinationsmöglichkeit mit Nichtbausteinen
• schnelle Lieferbereitschaft durch Parallelfertigung
• Einfache Kalkulation
• optimale Losgrößen durch auftragsunabhängige Fertigung
• günstige Montagebedingungen bei entsprechender Gliederung
• Baukastentechnik kann in unterschiedlichen Konkretisierungstufen eingesetzt werden.
Anwender: • kurze Lieferzeiten
• bessere Austausch- und Instandsetzungsmöglichkeiten
• besserer Ersatzteildienst
• Funktionen können später ergänzt/erweitert werden
• ausgereifte Gestaltung
Vorteile eines Baukastens
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+
+
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_
_
Hersteller: • kundenspezifische Anpassungen erhöhen den Aufwand deutlich
• erhöhter Planungs- und Konstruktions- und Dokumentationsaufwand (häufig „wachsen“ die Unterlagen
erst im Laufe des Produktlebens)
• Produktänderungen und -anpassungen sind nur in größeren Zeitabständen wirtschaftlich vertretbar
• Wegen Erhöhung der Schnittstellen:
• erhöhter Fertigungsaufwand (Passflächen)
• erhöhter Montageaufwand
• u. U. ungünstiges Verhältnis bei der Berücksichtigung von Kundenanforderungen und Anforderungen
aus dem eigenen Bereich
Anwender: • spezielle Anforderungen sind nicht oder nur schwer mit erhöhtem Kostenaufwand realisierbar
• bestimmte Eigenschaften können ungünstiger sein als bei kundenspezifischer Fertigung
• durch die Aufteilung des Produkts in Bausteine ergeben sich zusätzliche Schnittstellen mit einem
erhöhtem Bauvolumen und Gewicht.
• die Komplexität des Produkts kann steigen
Grenzen eines Baukastens
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−
−
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Fahrwerk
Baukasten für die Fördertechnik
Bausteine des
Baukastens
Ausgeführte
Förderanlage
Quelle: Pahl/Beitz
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ohne Berücksichtigung des Aufwands für die Ersterstellung der Konstruktion
Kostenbetrachtung
Baukasten-
produkt B
Kundenspezifische
Lösung A
Konstruktions-
aufwand
Herstellkosten
nach Ehrlenspiel
Vorteile eines Baukastens: Industriekran
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Kombination: Baukasten / Baureihe
Quelle: Ehrlenspiel
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nach Siemens
DESIRO – Fahrzeuge aus dem Baukasten
Wagenkasten als „Baugruppenträger“
Baukasten eines Eisenbahnfahrzeugs
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KL II Vorlesung 4 – Inhalt
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1. Baukästen
2. Baukastendokumentation
3. Module
4. Plattformen
5. Features
6. Auswirkungen
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Konventioneller Zeichnungsaufbau
(auftragsspezifisch)
Zeichnungsaufbau für einen Baukasten
(auftragsneutral)
Auftrag A Auftrag A
Auftrag B Auftrag B
Auftrag C Auftrag C
Auftrag D Auftrag D
Baukasten-Zeichnungssatz
Zeichnungsstruktur für einen Baukasten
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• Mehrfachstückliste:
ein Erzeugnis kann bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren aus verschiedenen
Komponenten und Komponentenmengen produziert werden, d.h. ein Erzeugnis hat
mehrere Stücklistenalternativen
• Baukasten-Stückliste:
einstufige Auflösung eines Erzeugnisses. Sie enthält nur Gruppen und Teile der nächst
tieferen Stufe. Mengenangaben beziehen sich auf die im Kopf genannte Gruppe. Der
Stücklistensatz des Erzeugnissen setzt sich i. allg. aus mehreren Baukasten-Stücklisten
und ggf. anderen Stücklisten zusammen.
• Konstruktions-Stückliste :
die Erzeugnisstruktur ist nach funktionalen/konstruktiven Gesichtspunkten gegliedert.
• Fertigungs-/Montage-Stückliste :
die Erzeugnisstruktur ist nach fertigungs-/montagetechnischen Gesichtspunkten
gegliedert.
Stücklistenarten
Bemerkung: häufig sind die Konstruktions- und Fertigungs-/Montage-Stückliste unverträglich
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Erzeugnisstruktur: Baukasten
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Erzeugnisstruktur der Erzeugnisse E1 und E2
E1
B1
T1 T2
2 3
4
E2
T3
2
3
5
4
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KL II Vorlesung 4 – Inhalt
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1. Baukästen
2. Baukastendokumentation
3. Module
4. Plattformen
5. Features
6. Auswirkungen
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Module sind meistens Bestandteil eines Baukastens und können zusätzlich die
Form einer Baureihe haben.
Modul:
Subsystem, dessen Grenzen nach fertigungstechnischen und funktionalen
Gesichtspunkten festgelegt sind mit dem Ziel, es unabhängig vom
Gesamtsystem entwickeln, konstruieren, fertigen und prüfen zu können.
Definition Modul
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Modularer Stromrichteraufbau
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Vorteile der modularen Bauweise
Fehler nur in der Ankopplung
der Schnittstellen möglich
Geprüft Geprüft
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Modul I Modul II
Sch
nit
tste
lle I
Sch
nit
tste
lle II
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Modul: Frontend BMW Mini
Quelle: BMW
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Produktarchitektur
Modularität ist eine graduelle Eigenschaft der Produktarchitektur.
Der anzustrebende Modularisierungsgrad hängt von der Anwendung ab.
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Quelle: Baumgart
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Module
• Parallelisierung von
Prozessschritten
• verringerte Teilevielfalt
• verringerter Aufwand
zur Prüfung des
Gesamt-systems
• Erhöhung der Qualität
• ...
• mehr Schnittstellen
• mehr Bauteile
• mehr Bauraum
• erhöhter
Einmalaufwand
• erhöhter
Montageaufwand
• ...
Nachteile Vorteile
„Modularisieren“ heißt genau abwägen
Vor- und Nachteile der Modularisierung
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Modul: Fahrzeugrohbau
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Modul: Fahrzeugkopf, komplett
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Parametrisierbare Module
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Konventionelle Straßenbahn
Quelle: Siemens
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Modulare Straßenbahn
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Quelle: Siemens
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Modulare Straßenbahn: Plagiat
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Kombination: Baukasten / Baureihe
Quelle: Ehrlenspiel
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Module einer Straßenbahn
Quelle: Siemens
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Modul I
Quelle: Siemens
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Modul II
Quelle: Siemens
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3
4 4
5 5
Fertigungsstufen: modulare Straßenbahn
Quelle: Siemens
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Montage eines Moduls
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KL II Vorlesung 4 – Inhalt
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1. Baukästen
2. Baukastendokumentation
3. Module
4. Plattformen
5. Features
6. Auswirkungen
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Plattformen: PKW
Quelle: VW
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Plattform PQ34 der Volkswagen AG
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Die produktspezifischen Anbauten müssen NICHT kombinierbar
oder gegeneinander tauschbar sein
Eine Plattform ist KEIN Baukasten
Plattformen 1
Zwei Haupt-Komponenten:
•ausführungsneutrale Produktplattform
(Schnittstellenträger)
•produktspezifische Anbauten (Hutmodule)
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Konventionelles Produkt:
Variante A Variante B
Integriertes Produkt
Variante C
Plattform
Schnittstelle
Hutmodul Plattform Produkt:
Plattformen 2
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Plattform-Technologie
Produktplattformen werden eingesetzt bei Produkten mit:
• kurzen Lebens-Zykluszeiten
• hoher Varianz beim Hutmodul
Rationalisierungseffekte aufgrund von:
• gleichen Teilen
• gleichen Strukturen
• gleichen Prozessen, insbesondere der Fertigung
Merkmale der Plattformentwicklung:
• hohe Kosten der Plattformentwicklung
• unflexibel gegenüber Modellwechseln
• Plattformfehler werden auf alle Modelle übertragen
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KL II Vorlesung 4 – Inhalt
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1. Baukästen
2. Baukastendokumentation
3. Module
4. Plattformen
5. Features
6. Auswirkungen
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Inhalte der Feature-Technologie
Feature-Technologie
• Aggregation von Produktdaten, Relationen und Constrains über einen
Produktbereich in Abhängigkeit von der Produktentstehungsphase
• Abbildung von Konstruktionslogiken
• Aufbau von Konfigurationsmanagementsystemen
• Abbildung von integriertem Produkt-wissen
Der Begriff „Feature“ kann auch ganze Module oder Baukasten-
/Baureihensysteme mit abdecken
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Beispiel: Schraube als Feature
Konstruktions-/Systemwissen:
• Gegengewinde mit gleichen Durchmesser erforderlich
• Bohrungsdurchmesser nach DIN ...
• Festigkeitsauslegung nach VDI 2230
• Flächenpressung unter Kopf beachten
Konstruktionsdaten:
• Schraubenmaße nach DIN/ISO ...
• Anzugsmoment ... Nm
• Bohrungsdurchmesser ... mm
Einkaufsdaten:
• Beschaffungszeit ... Tage
• Lieferbedingungen ...
• Preis ...
Fertigungswissen:
• Bohrungsmaße H11 mit Spiralbohrer fertigbar
• Kopfauflage ansenken, damit Bohrung rechtw. zur Oberfläche
Fertigungsdaten:
• Maschinenstundensatz Bohrwerk
• Vorschub für Bohrer
• ...
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KL II Vorlesung 4 – Inhalt
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1. Baukästen
2. Baukastendokumentation
3. Module
4. Plattformen
5. Features
6. Auswirkungen
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Farbe Stoff
... …
Art/Form Knopfanzahl
Vielfalt der Kundenwünsche
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Auswirkung der Vielfalt
Farben
Polyester Satin Seide
… …
…
Stoffe
Art/Form Knopfanzahl
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Produkt- „Entwicklung“ mit Mi Adidas
Kundeneinbindung in der Praxis
Quelle: www.adidas.com/miadidas
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Lager
• steigende Lagerzeiten
• höhere Fehlmengen
Färbemaschine
• erhöhte Anlaufzeiten
• erhöhter
Reinigungsaufwand
Auswirkung der Vielfalt
Farben Stoffe
Art/Form Knopfanzahl
Prozess
• Änderung Musterschnitte
• Herstellungsschritte
• Dauer
Logistik
Industrielle Nähmaschine
Lager
Logistik
• stoffgerechter Transport
Industrielle Nähmaschine
• erhöhte Anlaufzeiten
• unterschiedliche
Textilmaschinen
Lager
Logistik
Industrielle Nähmaschine
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• Beliebige Vielfalt ist offenbar nicht managbar.
• Vielfalt muss bewusst gemanagt werden.
• Nicht alle Konfigurationen von Komponenten sind
miteinander verträglich.
Auswirkungen
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Konfigurationsmanagement (Wie)
Variantenmanagement (Was)
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Ende der Bildschirmpräsentation