Integrated Design Engineering

Frontmatter

1. Modelle und Vorgehensweisen der Produktentwicklung

Zusammenfassung

Die Integrierte Produktentwicklung (IPE) ist einer der bekanntesten Integrationsansätze zur Unterstützung der Produktentwicklung [GeBa–2002], die nicht auf bestimmte Branchen beschränkt ist. Sie entstand aus der Notwendigkeit, alle an der Entstehung eines Produkts beteiligten Bereiche (vom Marketing über die Herstellung bis zum Vertrieb) über geeignete Maßnahmen in die Produktentwicklung zu integrieren, arbeitsteilige Organisationsformen zu überwinden und den Blick über die Lösung technischer Probleme hinaus auch auf die dazugehörenden Abläufe zu richten [Olss–1985, Ehrl–1995, Burc–2001]. IPE fokussiert sich auf folgende Ziele [Naum–2005]:

Sándor Vajna, C. Burchardt, P. Le Masson, A. Hatchuel, B. Weil, T. Bercsey†, F. Pilz

2. Produkte und Produktlebenszyklus im IDE

Zusammenfassung

Eines der wesentlichen Ziele jedes Unternehmens ist es, nur solche Produkte auf den Markt zu bringen, deren Leistungsvermögen und Verhalten beim Erbringen dieser Leistung von Kunden und Nutzern gewünscht wird und die aufgrund dieser Eigenschaften dem Unternehmen zu kontinuierlich hoher Rentabilität und finanzieller Stabilität, zu hoher Akzeptanz bei allen gesellschaftlichen Gruppierungen und möglicherweise auch zur Marktführerschaft verhelfen. Um dieses Ziel zu erreichen und langfristig zu sichern, müssen Produkte, Prozesse und Organisationen im Unternehmen entsprechend gestaltet und abgestimmt werden. Allerdings sind Produkte, Prozesse und Organisationen auf vielfältige Weise miteinander gekoppelt und beeinflussen sich laufend gegenseitig. Eine isolierte Betrachtung dieser drei Elemente führt daher nicht zum gewünschten Ziel.

Sándor Vajna

3. Grundlagen des Integrated Design Engineering

Zusammenfassung

Das Integrated Design Engineering (IDE) ist Weiterentwicklung und Erweiterung des Magdeburger Modells der Integrierten Produktentwicklung (IPE [Burc–2001], Abschn. 1.​5). Es enthält zusätzlich Elemente der Dynamischen Produktentwicklung ([Otto–1996], Abschn. 1.4), der nutzerorientierten Gestaltung (user-centred design, beispielsweise [ISO 9241–210]), der nachhaltigen Produktentwicklung (beispielsweise [Rutt–2012], [Haas–2020], Kap. 12), des Design for X [BoDe–2003, Meer–1994] und der Arbeits- und Organisationspsychologie [Aamo–2015]. Das IDE ist humanzentriert, denn der Mensch mit seinen Fähigkeiten, Möglichkeiten und Qualifikationen steht mit allen seinen Aktivitäten bezüglich Planung, Entwicklung, Herstellung, Nutzung, Instandhaltung und Rückführung von Produkten (und den damit möglichen Beeinträchtigungen) im Mittelpunkt aller Betrachtungen im IDE. Im IDE kann der Mensch unterschiedliche Rollen einnehmen, nämlich die des Kunden (Käufer, Nutzer, Sponsor, Mäzen) oder die des Anbieters (Entwickler, Hersteller, Händler, usw.) oder er kann von Aktivitäten im Produktlebenszyklus des Produkts betroffen sein (Kap. 4). Nur der Mensch kann Wissen erzeugen, akquirieren, anwenden und weitergeben und damit alle Aktivitäten im IDE gestalten und regeln. Das IDE ermöglicht die Entwicklung solcher Produkte, die sich in jeder Beziehung auf das Wesentliche beschränken (Suffizienz); es trägt damit zum nachhaltigen Entwickeln von nachhaltigen Produkten bei. Das IDE ist aufgrund seiner vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten eingebettet in das zu dem jeweiligen Thema dazugehörende (aktive und latente) Wissen (zur Wissensintegration siehe Kap. 17).

Sándor Vajna

4. Humanzentrierung im IDE

Zusammenfassung

Humanfaktoren werden zunehmend zu einer sensiblen und dominierenden Größe für die Wirtschaft. Veränderungen in der Altersstruktur der Bevölkerung, Flexibilisierung der Lebensarbeitszeit und erhöhte Mobilität in der Gesellschaft stellen Humanfaktore Unternehmen vor neue Herausforderungen. Die zentrale Rolle der Humanzentrierung zeigt Abb. 4.1. Im Zuge der Globalisierung kommt es zu einem Verdrängungswettbewerb der Unternehmen, da immer mehr Teilnehmer in den Markt strömen. Die zunehmende Individualisierung von Produkten führt zu fragmentierten Märkten, in denen nur diejenigen Unternehmen technischen Fortschritt realisieren können (oberer Teil von Abb. 4.1), die sowohl effektiv als auch effizient arbeiten. Darüber hinaus werden arbeits- und finanzintensive Aktivitäten wie die Produktion in sogenannte Niedriglohnländer verlagert, während die Entwicklung von Produkten beim Anbieter in den Industrieländern als Kernkompetenz und Wettbewerbsfaktor verbleiben. Dieser Wandel von der körperlichen Arbeit zu (eher) geistigen Arbeit macht es für ein Unternehmen unerlässlich, attraktiv für bestens ausgebildete und qualifizierte Arbeitskräfte zu sein. Dadurch nimmt die Bedeutung des Mitarbeiters als Wissensarbeiter weiter zu und rückt ihn in den Mittelpunkt des unternehmerischen Interesses, wo er nicht mehr nur als Produktionsfaktor wahrgenommen wird, sondern ein wesentlicher Erfolgsfaktor des Unternehmens ist [Grah–1998].

Jacqueline Urakami

5. Nachhaltigkeit und nachhaltige Entwicklung

Zusammenfassung

Soll das Überleben der Menschheit auf unserem Planeten in einem annehmbaren Zustand langfristig gesichert werden, sind radikale gesellschaftliche Veränderungen erforderlich, wobei kritisch zu sehen ist, ob Radikalität und Geschwindigkeit dieser Veränderungen einen Systemkollaps überhaupt noch verhindern können. Diese Veränderungen müssen sowohl über politische Restriktionen zur Einhaltung der planetaren Leitplanken – der verträglichen Grenzen der Belastbarkeit unseres Planeten – als auch über individuelle Verhaltensänderungen herbeigeführt werden. Sie wirken sich auch auf Eigenschaften von Produkten und Dienstleistungen aus.

Hartwig Haase

6. Industriedesign

Zusammenfassung

Mit dem Beginn der Massenproduktion von Gütern jeglicher Art im 18. und 19. Jahrhundert stellten sich neue Fragen nach deren Gestaltung. Die über Jahrhunderte vorherrschende handwerkliche Produktionsart war durch eine geringe Arbeitsteilung in Entwurf, Konstruktion und Ausführung (oft in einer Person) und in einer sehr direkten Verbindung von Entwerfer, Hersteller Käufer und Nutzer gekennzeichnet. Mit der voranschreitenden Industrialisierung entwickelten sich arbeitsteilige Planungs- und Produktionsprozesse und dadurch wurde die Beziehung der Planer zum Endkunden anonymer.

Thomas Gatzky

7. Funktionalität

Zusammenfassung

Die Funktionalität enthält als Gesamtsicht sowohl alle direkten und indirekten Funktionen des Produkts als auch ihr Zusammenwirken, die das Produkt zur Nutzung bereithält. Das entsprechende Attribut Funktionalität beschreibt im Zusammenspiel mit den Attributen Produktgestalt und Gebrauchstauglichkeit das Vermögen des Produkts, eine bestimmte Anforderung oder eine Gruppe von Anforderungen angemessen zu erfüllen.

Kilian Gericke, Boris Eisenbart

8. Produkt- und Systemergonomie

Zusammenfassung

Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Gebrauchstauglichkeit, des dritten Produktattributs im IDE. Das Zusammenspiel von Produktgestalt, Funktionalität und Gebrauchstauglichkeit führt zu der Nutzbarkeit eines Produkts. Dazu muss das Produkt auch aus ergonomischer Sicht gut gestaltet sein, damit es sowohl in physiologischer als auch in psychologisch-kognitiver Hinsicht das Kundenverlangen erfüllt. Das Einbeziehen von ergonomischen Grundsätzen im IDE gewährleistet die Gebrauchstauglichkeit des Produkts.

Harald Schaub

9. Produzierbarkeit

Zusammenfassung

Im IDE kann kein Produkt ohne Produktentwicklung produziert werden. Genauso ist es nicht sinnvoll, ein Produkt zu entwickeln, ohne dabei die Produktion dieses Produkts zum Ziel zu haben (auch wenn das Produkt nicht beim Anbieter selbst, sondern bei Dritten produziert wird). Es spielt außerdem keine Rolle, ob es sich dabei um ein dingliches, ein nicht-dingliches Produkt oder Kombinationen daraus handelt, da die wesentlichen Entwicklungsaktivitäten vergleichbar sind (zu den möglichen Variationen beim Erzeugen dinglicher oder nicht-dinglicher Produkte und den daraus möglichen Kombinationen siehe beispielsweise die Abb. 2.10. 2.13, 2.14 und 2.15). Die Produktion eines dinglichen Produkts umfasst die Materialwirtschaft, die Fertigung, die Montage und das Prüfwesen, die damit verbundene Logistik und die dazu verwendeten Steuerungsmechanismen und Unterstützungsmaßnahmen (beispielsweise CAM- und ERP-Systeme).

T. Ehlers, R. Lachmayer, T. Halle, S. Vajna

10. Verfügbarkeit

Zusammenfassung

Die Verfügbarkeit eines Produkts hat zwei Dimensionen. Die erste Dimension ist die kontinuierliche Lieferbereitschaft des Produkts, das ein Kunde während des Verkaufszeitraums auf dem Markt erwerben möchte. Der Anbieter muss dafür über ausreichende Fähigkeiten verfügen, um das Produkt zu entwickeln, herzustellen und auszuliefern. Es ist herausfordernd die Verfügbarkeit eines Produkts sicherzustellen, da die Kundennachfrage, der Produktentwicklungsprozess, der Produktionsprozess und der Lieferprozess unsicher sind und sich im Laufe der Zeit ändern. Die zweite Dimension ist die Verfügbarkeit nach der Ankunft des Produkts beim Kunden, d. h. die Betriebsbereitschaft. Das bedeutet, dass das Produkt im vorgesehenen Anwendungsbereich, entsprechend den Anforderungen und während der erwarteten Lebensdauer einsatzbereit ist. Im Gegensatz zum Erfüllungsattribut Zuverlässigkeit (siehe Abschn. 13.​2) berücksichtigt die Verfügbarkeit beim Kunden explizit den zeitlichen Aspekt und bezieht sich nicht nur auf die Zeit vor dem Ausfall des Produkts.

Justus Arne Schwarz

11. Instandhaltbarkeit

Zusammenfassung

Um Betriebskosten und Stillstandszeiten durch ungeplante Ausfälle zu reduzieren, ist eine gute Instandhaltbarkeit technischer Produkte, Anlagen oder Systeme notwendig. Insbesondere bei Investitionsgütern wie beispielsweise Produktionsanlagen spielt deshalb die Instandhaltbarkeit der Systeme eine wichtige Rolle. Qualitativ beschreibt die Instandhaltbarkeit die Leichtigkeit, mit der Instandhaltungsarbeiten an einem Produkt, einer Anlage oder an einem System durchgeführt werden können.

Frank Müller, Martin Dazer, Bernd Bertsche

12. Nachhaltige Produktentwicklung

Zusammenfassung

Nachhaltigkeit ist eine Strategie zur gegenseitigen Verklammerung von Gesellschaft, Ökologie und Ökonomie mit dem Ziel, eine Entwicklung zu fördern, die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht und dabei die Möglichkeiten zukünftiger Generation nicht einschränkt [Beys-2012]. In einer ergänzenden Definition zur Nachhaltigkeit, der intragenerationelle Gerechtigkeit, wird zusätzlich das Augenmerk auf eine sozial gerechte Entwicklung in der heutigen Generation gelegt (siehe hierzu [LSRH–2012, UnNa–1992]), insbesondere in Bezug auf benachteiligte Gruppen beziehungsweise den Einwohnern der armen Ländern der Welt (siehe dazu auch [Prah–2002]).

Martin Wiesner

13. Erfüllungsattribute

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden die Attribute Sicherheit, Zuverlässigkeit und Qualität detaillierter vorgestellt, mit denen die Erfüllung der Anforderungen durch die Produktattribute beurteilt werden kann. Das Zusammenspiel der drei Attribute wird in den Abschn. 3.​2.​2 und 3.​4 beschrieben.

Martin Dazer, Bernd Bertsche, Sándor Vajna

14. Bereichsintegration

Zusammenfassung

Die Bereichsintegration im IDE stellt sicher, dass Wissen und Informationen in Form von Ergebnissen, Entscheidungen, Auswirkungen und Einflüssen von der Produktentwicklung in alle anderen Bereiche des Produktlebenszyklus und zurück fließen können. Die Integration erfolgt in erster Linie über die Mitarbeiter aus den in Frage kommenden Bereichen und erst danach über organisatorische, methodische und technische Maßnahmen.

Sándor Vajna

15. Integration von Prozessen und Organisationen

Zusammenfassung

Das IDE überspannt in einem weiten Bogen Produktplanung, Marketing, Industriedesign, Entwicklung und Konstruktion, Prozessplanung, Prototypenbau beziehungsweise Musterbau sowie den Test bis zur Fertigungsfreigabe (Abb. 2.​10). Die Integration von Prozessen und Organisationformen umfasst alle Maßnahmen, die zur Beschreibung, Zusammenführung und Verbesserung von Geschäfts- und Entwicklungsprozessen sowie Organisationsformen notwendig sind. Diese betreffen sowohl die Struktur einer Organisation als auch die Art und Weise, wie und unter welchen Bedingungen darin Aktivitäten zur Bearbeitung von Aufgaben durchgeführt werden. Im IDE müssen Aufgabenbearbeitung und Organisation flexibel sein, um angemessen auf Änderungen von Anforderungen und Umfeld reagieren zu können. Dieses wird im IDE mit einer entsprechenden Dynamisierung von Strukturen und Abläufen erreicht.

Sándor Vajna, Stig Ottosson, Stefanie Rothkötter, Julie Stal-Le Cardinal, Juan Carlos Briede-Westermeyer, Elizabeth B.-N. Sanders, Bélgica Pacheco-Blanco

16. Ganzheitliches Vorgehensmodell des IDE

Zusammenfassung

Eine Lösung entsteht üblicherweise in einem iterativen Prozess zwischen Generierung und Bewertung. Die Generierung selbst ist wieder ein iterativer Prozess, der sich zwischen einer Idee, einem dazu passenden Konzept und der daraus abgeleiteten Lösung abspielt. Jede Lösung muss bewertet werden, wobei jede Bewertung zu einer verbesserten Generierung führt, diese wiederum den Zyklus aus Ideen, Konzept und Entwicklung durchläuft, wieder bewertet wird und so weiter, wie es mit dem TOTE-Schema beschrieben werden kann (Abschn. 1.​2.​3.​2). Wie in Abschn. 2.​2.​2 und Abb. 2.​4 dargestellt, wird dieser Prozess im IDE von unterschiedlichsten Formen des Kundenverlangens, von der allgemeine Marktsituation und von Gelegenheiten im Markt ausgelöst, wobei dabei verschiedenste Bedingungen, Vorgaben, Zwänge und Standards unterschiedlichster Gebiete beachtet werden müssen. Die gesamte Iterationsschleife hat hierbei den Verlauf einer „8“, in der die Generierung zwischen einer Idee, dem daraus resultierenden Konzept und der eigentlichen Lösungsentwicklung und Lösungsbewertung abläuft. So werden die einzelnen Produktattribute sukzessiv erarbeitet, ihre Erfüllungen durch die Attribute Sicherheit, Zuverlässigkeit und Qualität ermittelt und ihre wirtschaftliche Leistungsfähigkeit durch die Attribute Mehrwert und Rentabilität gemessen, Abb. 16.1.

Sándor Vajna

17. Wissensintegration

Zusammenfassung

Der Erfolg des IDE und die Arbeit mit dem IDE beruht wesentlich auf dem Wissen, den Erfahrungen, der Kreativität und der Kompetenz der im IDE arbeitenden Menschen. Diese müssen dabei laufend und mit jedem Projekt neues Wissen erwerben, das heißt letztendlich lebenslang lernen, da durch hohe Innovationsgeschwindigkeiten und (natürlichem) Verfall von Faktenwissen durch technischen Fortschritt (und der damit verbundenen sinkenden Halbwertszeit des Wissens) laufend neues Wissen erzeugt wird. Die Lebensdauer von Methoden und Vorgehensweisen im IDE verhält sich ähnlich, auch wenn hier die Halbwertszeit um ein Vielfaches länger ist als bei Faktenwissen.

Sándor Vajna

18. Anwendungs- und Informationsintegration

Zusammenfassung

Die Anwendungsintegration beschreibt den vernetzten Einsatz moderner Anwendungssysteme zur durchgängigen Rechnerunterstützung im IDE. Durch die Anwendungsintegration wird sichergestellt, dass für jede Aufgabe und zu jedem Zeitpunkt das entsprechende IT-Anwendungssystem zur Verfügung steht. Die Informationsintegration beschreibt die für das IDE notwendige einheitliche, vollständige, konsistente und durchgängige Informationsbasis zum redundanzfreien Speichern von Informationsbeständen (hierzu gehören Produktmodelle und -daten, Dokumente, Anleitungen, usw.) und zum weitgehenden Vermeiden von Schnittstellen zwischen einzelnen Informationsbeständen.

Andreas W. Achatzi, Fabian Pilz, Martin Wiesner

19. Anforderungsengineering im Kontext des IDE

Zusammenfassung

Aufgabe des Anforderungsengineering (Requirements Engineering, RE) ist es, abgeleitet aus den Zielen und Rahmenbedingungen alle für die Entwicklung relevanten Anforderungen zu identifizieren, sie in für einzelne Entwickler handhabbare Einheiten herunterzubrechen, zu vervollständigen sowie deren Wechselwirkungen untereinander transparent zu machen. Damit entsteht eine endliche Anzahl objektiv nachprüfbaren Kriterien (Anforderungen), deren Erfüllung in Summe das Kundenverlangen befriedigt. Der Weg vom Kundenverlangen zum Auslösen eines Produktlebenszyklus ist dabei gekennzeichnet von komplexen und dynamischen Zielen und Rahmenbedingungen (siehe auch Abb. 2.​4). Abhängig vom Auslöser (Abschn. 2.​2.​2) gibt es nicht nur zu Beginn eines Produktentwicklungsvorhabens sondern auch über den gesamten Produktlebenszyklus unvermeidliche Anlässe für Änderungen der Ziele und Rahmenbedingungen für das Entwickeln des Produkts. Diese müssen die im Kontext des Requirements Management nachverfolgt und dokumentiert werden [BeGe–2021].

Beate Bender

20. Szenario-Technik

Zusammenfassung

Die Geschäftschance innovativer Produkte liegt an der Schnittstelle von Marktbedürfnissen, technologischen Fähigkeiten und den Angeboten der Wettbewerber. Erfolgreich sind hierbei vor allem diejenigen Produkte, bei denen es gelingt, Marktbedürfnisse, die vom Wettbewerb nicht bedient werden, mittels technologisch ausgereifter und tragfähiger Lösungen zu erfüllen. Diese Produkte folgen dem Generischen Produktlebenszyklus in Abb. 20.1 [GP–2021]: Das Geschäftsmodell der Produkte ist das Ergebnis einer strategischen Planung und gibt Orientierung für den gesamten Lebenszyklus, wobei die End-of-Life-Phase eine Schnittstelle zur nächsten Produktgeneration und zur Wiederverwendung von Ressourcen und Wissen bieten.

Iris Gräßler, Henrik Thiele, Philipp Scholle

21. Marketing im Integrated Design Engineering

Zusammenfassung

Grundlagen und Auswirkungen auf die Entwicklung

Hanns-Joachim Schweizer

22. Unterstützende Methoden für das IDE

Zusammenfassung

Eine Methode beschreibt ein mit Regeln strukturiertes, planmäßiges und folgerichtiges Verfahren, Vorgehen oder Handeln (präskriptiver Teil) zum Erreichen eines Zieles oder mehrerer Ziele (intentionaler Teil, in Anlehnung an [Frei–2001, Wahr–1978]). Im Umfeld der Produktentwicklung existieren unterschiedlichste Sammlungen von Methoden und Verfahren für das Auslegen von Produkten, beispielsweise [EhMe–2017, Dubb–2018, Hütt–2007, BeGe–2021, Otto–2013, SAKR–2005, VWZH–2018] sowie Normen und Richtlinien (beispielsweise von nationalen und internationalen Standardisierungsgremien wie DIN, EN und ISO [Klei–2008], Berufsverbänden wie VDI, VDE und ASME sowie Industrieverbänden wie VDMA und VDA), auf die auch im IDE zugegriffen wird.

Sándor Vajna

23. Mechatronik

Zusammenfassung

Der Begriff „Mechatronics“ (deutsch „Mechatronik“) wurde erstmals 1969 von Ko Kikuchi in Japan geprägt [VDI–2206, HaTF–1996]. Dieses Kunstwort verschmilzt die englischen Begriffe mechanism („mechanics“) und electronics und drückt damit primär die Verbindung zwischen Mechanismen (Mechanik beziehungsweise Maschinenbau) und Elektronik (einschließlich Elektrotechnik) aus. Durch die Fortschritte im Bereich Mikroelektronik und Mikroprozessortechnik hat sich später auch die Informationstechnik zu einem wesentlichen Bestandteil der Mechatronik entwickelt [VDI–2206]. Nicht nur dadurch unterliegt die Bedeutung des Begriffs Mechatronik seit dessen Entstehung einem kontinuierlichen Wandel, umfasst – entsprechend den Fortschritten in den verschiedenen technischen Disziplinen – inzwischen deutlich weitere Bereiche als zu Beginn und ist nach wie vor im Fluss. Dies belegen die zahlreichen, zum Teil unterschiedlichen Definitionen und Ausführungen dazu etwa in [Desi–2005, Ehrl-2007, HeGP–2007, Iser–2005, Rodd–2006, VDI–2206, VWZH–2018].

Klaus Zeman

24. Wertschöpfung und Businessplanung

Zusammenfassung

Die Entwicklung eines neuen Produktes oder einer neuen Dienstleistung ist Teil eines Wertschöpfungsprozesses. Gegenstand dieses Kapitels ist die konzeptionelle Gestaltung und praktische Umsetzung dieses Prozesses. Durch die Analyse des so genannten Geschäftsmodells eines Unternehmens wird sichtbar, wo im Wertschöpfungsprozess das Produkt angesiedelt ist und welche Einflussfaktoren auf die Produktentwicklung einwirken. Auf diese Weise wird die ökonomische Bedeutung der Produktentwicklung nicht nur zum Vorschein gebracht, sondern es wird auch ein Ansatz beschreiben, diese zu quantifizieren und strategisch einzusetzen.

Matthias Raith

25. Wirtschaftlichkeitsaspekte im IDE

Zusammenfassung

Die Wirtschaftlichkeit des IDE an sich ist, wie Erfahrungen aus der Praxis mit vergleichbaren Ansätzen zeigen (beispielsweise findet sich eine umfangreiche Sammlung solcher Erfahrungen in [EhMe–2017]), von vorneherein gegeben. Sie braucht daher hier nicht weiter betrachtet zu werden, denn

Sándor Vajna

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