Function-oriented design of mechatronic modular product platforms through systematic restriction of degrees of freedom
Production Systems, Operations Management, Quality Management and Factory Planning
Final Report Abstract
Die steigende Bedeutung cyber-physischer Systeme führt unter anderem dazu, dass die Anforderungen an die zugrundeliegenden technischen Systeme steigen. Diese Systeme zeichnen sich durch einen fortwährend steigenden mechatronischen Charakter aus. Der Trend einer Verlagerung der Funktionserfüllung in die Disziplinen der Elektronik und Software setzt sich daher weiter fort. Die multidisziplinäre Struktur mechatronischer Systeme erhöht dabei sowohl die Komplexität der Produkte, als auch die Komplexität bei der Produktgestaltung. Zur Integration der unterschiedlichen Disziplinen und ihrer Sichtweisen wird eine stärkere Funktionsorientierung der Entwicklung gefordert. Zusätzlich zur steigenden Bedeutung von Elektronik und Software sind Unternehmen mit einer stetig steigenden Variantenvielfalt konfrontiert. Die Beherrschung dieser Vielfalt gleichwie der daraus resultierenden Komplexität kann durch modulare Baukastensysteme erreicht werden. Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Entwicklung einer Methodik zur Gestaltung von Produktarchitekturen für effiziente Produktbaukästen mechatronischer Systeme. Der Fokus lag dabei auf der Steigerung der Funktionsorientierung und der gleichzeitigen Berücksichtigung systemischer Produktfreiheitsgrade in Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software. Die zu entwickelnde Methodik sollte hierbei ausgehend von der Funktionsstruktur eines geplanten Produktprogramms die Entwicklung einer für ein mechatronisches Baukastensystem geeigneten Produktarchitektur ermöglichen. Zur Erreichung dieses Ziels wurde im Projektverlauf im ersten AP ein Modell durch eine funktions- und produktseitige Beschreibung entwickelt, welche es dem Anwender ermöglicht, die Funktionsstruktur eines Gesamtsystems in funktional abgegrenzte Bereiche, sogenannte MFM, zu strukturieren. Im zweiten AP wurden darauf folgend generische Ansätze zur Klassifizierung von Produktfreiheitsgraden in mechatronischen Systemen erarbeitet und in einer Methode zur Ableitung spezifischer Freiheitsgrade operationalisiert. Aus den abgeleiteten Freiheitsgraden und ihren möglichen Ausprägungsbereichen erhält der Anwender der Methodik einen Lösungsraum für die Erfüllung jeder Funktion. Aufbauend auf diesem Lösungsraum wurde im dritten AP ein Erklärungsmodell zur Quantifizierung der systemischen Freiheitsgradwirkung entwickelt. Dabei wurden Kennzahlen zur Bewertung der Funktionserfüllung, der Kosten eines MFM sowie der Wirkung auf andere Freiheitsgrade erarbeitet. Ziel des vierten APs war die Entwicklung eines Modells zur systematischen Einschränkung von Freiheitsgraden zur Optimierung von Mehrkosten in MFM. Hierzu wurden die Methoden der Graphentheorie in Verbindung mit der Change Propagation Analyse genutzt. Unter Berücksichtigung der Funktionserfüllung wurde dadurch der Anwender befähigt, mögliche Lösungen zu identifizieren und vergleichen, welche die Auswahl günstiger Freiheitsgrade und die Einschränkung aller weiteren Freiheitsgrade erlauben. Die finale Konfiguration des Baukastens war Inhalt des fünften APs. Dazu wurde zunächst eine Analyse der Wechselwirkungen aus den ausgestalteten MFM durchgeführt, bevor darauf folgend die Systemkompatibilität sichergestellt wurde, indem Zielkonflikte aufgedeckt und eliminiert wurden. Die projektbezogene Validierung wurde im Rahmen des sechsten APs durch zahlreiche Experteninterviews, ein Praxisbeispiel sowie durch die Entwicklung eines Software-Demonstrators sichergestellt. Dabei konnte bestätigt werden, dass die entwickelte Methodik eine geeignete Unterstützung für die Produktarchitekturgestaltung mechatronischer Baukastensysteme darstellt.
Publications
- Methodology for the Contextual Design of a Modular Product Platform Concept. In: 2017 International Conference on Engineering Design (ICED), Vancouver, Canada, 21.-25. August 2017
Schuh, G.; Riesener, M.; Barg, S.
- Efficient Modular Product Platform Design of Mechatronic Systems. In: International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management (IEEM), Bangkok, Thailand, 16.-19. Dezember 2018, S. 1391-1395
Schuh, G.; Dölle, C.; Barg, S.; Kuhn, M.; Breunig, S.
(See online at https://doi.org/10.1109/ieem.2018.8607714) - Kontextbezogene Auslegung von Produktbaukästen. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb ZWF, Heft 12, Dezember 2018
Schuh, G.; Dölle, C.; Barg, S.; Menges, A
(See online at https://doi.org/10.3139/104.112029) - Gestaltungsmodell zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Baukästen mechatronischer Produkte. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb ZWF, Heft 6, Juni 2019
Schuh, G.; Dölle, C.; Breunig, S.; Becker, A.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.112095)
