Modellbasierte virtuelle Produktentwicklung (eBook)

Professor Dr.-Ing. Martin Eigner Experte für Product Lifecycle Management und CAD/CAM, gründete 1985 die EIGNER + PARTNER GmbH. Von 2001 bis 2003 bekleidete er den Posten des Aufsichtsratsvorsitzenden und CTO der EIGNER Inc. in Waltham, Massachusetts (USA). Prof. Eigner gründete im Juli 2001 die Beratungsfirma ENGINEERING CONSULT, deren Geschäftsführer er seitdem ist. Seit Oktober 2004 leitet er den Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) an der Universität Kaiserslautern. Dipl.-Ing. Daniil Roubanov ist am Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) der TU Kaiserslautern tätig - Arbeitsgebiete/Forschungsthemen: Intelligente CAD Funktionen. Dipl.-Ing. Radoslav Zafirov ist ebenfalls am Lehrstuhl für Virtuelle Produktentwicklung (VPE) der TU Kaiserslautern tätig - Arbeitsgebiete/Forschungsthemen: Model Based Systems Engineering.

Kurzbeschreibung vom Buch 5
Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
1 Einleitung – Modellbasierte Virtuelle Produktentwicklung 10
1.1 Ausgangssituation 11
1.2 Produktentwicklung und Modellbasierte Virtuelle Produktentwicklung (MVPE) 14
1.3 Gestaltungsrahmen der Optimierung des PEP 18
Literatur 21
2 Überblick Disziplin-spezifische und -übergreifende Vorgehensmodelle 23
2.1 Vorgehensmodelle der Entwicklung mechanischer Produkte 24
2.2 Vorgehensmodelle in der Elektrotechnik und Elektronik 29
2.3 Vorgehensmodelle in der Softwareentwicklung 39
2.4 Disziplin-übergreifende Vorgehensmodelle aus der Mechatronikund dem Systems Engineering 50
Literatur 57
3 Requirements Engineering und Requirements Management 61
3.1 Ausgangssituation 62
3.2 Requirements Engineering 62
3.2.1 Anforderungen erheben 64
3.2.2 Methoden zum Erheben von Anforderungen 66
3.2.3 Anforderungen dokumentieren 66
3.2.3.1 Lastenheft 68
3.2.3.2 Pflichtenheft 68
3.2.4 Methoden zur Dokumentation von Anforderungen 69
3.2.4.1 Dokumentation mit Hilfe strukturierter Dokumente/Templates 70
3.2.4.2 Dokumentation mit Hilfe von Anforderungsmodellen 71
3.2.5 Wechselwirkung zwischen Anforderungen und Entwicklung 74
3.2.6 Anforderungen verifizieren und validieren 76
3.3 Requirements Management 76
3.3.1 Attribute und Lebenszyklus von Anforderungen 77
3.3.2 Werkzeuge im Requirements Management 80
3.3.3 Datenaustausch im Requirements Management 82
Literatur 82
4 Modellbildung und Spezifikation 84
4.1 Die zentralen Aspekte von Systems Engineering 85
4.2 Das Modellbasierte Systems Engineering 87
4.2.1 Modellbildung zur Synthese und Analyse 87
4.2.1.1 Modelle in der Synthese 88
4.2.1.2 Modelle in der Analyse 88
4.2.2 Einsatz von Modellen im SE 88
4.3 Inhalte des Systemmodells 90
4.3.1 Disziplinspezifische Sicht auf Modellierungskonzepte 90
4.3.2 Herleitung disziplinspezifischer Modellierungskonzepte 92
4.3.3 Zusammenführung interdisziplinärer Modellierungskonzepte 92
4.4 Das MVPE-Vorgehensmodell 93
4.5 Systemmodellierungssprachen am Beispiel SysML 96
Literatur 102
5 Modellbildung und erste Simulation 104
5.1 Ausgangssituation 105
5.2 Multiphysikalische Simulation 107
5.3 Programmier- und Simulationssprachen 108
5.4 Simulationskomponentenbibliotheken 110
5.5 Sichten in der Simulation 111
5.5.1 Diagrammsicht 111
5.5.2 Textsicht 111
5.5.3 Ergebnisssicht 113
5.6 Simulationswerkzeuge 114
5.6.1 Matlab/Simulink 114
5.6.2 Modelica 115
5.6.3 Weitere Sprachen 116
5.7 Beispiel Simulation Segway 116
Literatur 119
6 Mechanikkonstruktion (M-CAD) 121
6.1 2D Modelle und 2 ½ D Modelle 122
6.2 3D Modelle 124
6.2.1 Drahtmodelle 124
6.2.2 Flächenmodelle 125
6.2.2.1 Freiformkurven 126
6.2.2.2 Freiformflächen 128
6.2.3 Volumenmodelle 129
6.2.3.1 Boundary Representation (B-Rep) 129
6.2.3.2 Contructive Solid Geometry (CSG) 130
6.2.3.3 Hybride Volumenmodelle 132
6.3 Arbeitstechniken 132
6.3.1 Eingabe der CAD-Daten 132
6.3.2 Modellierungsmethoden 133
6.3.2.1 Parametrisches Modellieren 133
6.3.2.2 Direktes Modellieren 134
6.3.2.3 Featurebasierte Modellierung 135
6.3.3 Bibliotheken Wiederholteile 137
6.4 Angewandte 3D-Modellierung am Beispiel von Creo 138
Literatur 142
7 Elektrik und Elektronik (E-CAD) 143
7.1 Klassifikation der Anwendungsgebiete der Elektrotechnik 144
7.2 Elektrokonstruktion 147
7.2.1 Vorgehen in der Elektrokonstruktion 148
7.2.2 Beschreibungsformalismen und Softwarewerkzeuge 149
7.3 Leiterplattenentwurf 152
7.3.1 Vorgehen im Leiterplattenentwurf 153
7.3.2 Beschreibungsformalismen und Softwarewerkzeuge 155
7.4 Chipentwurf 156
7.4.1 Vorgehen im Chipentwurf 157
7.4.2 Beschreibungsformalismen und Softwarewerkzeuge 158
7.4.2.1 Systemspezifikation/Anforderungen 159
7.4.2.2 Systemebene/Architekturentwurf 159
7.4.2.3 Register-Transfer Ebene (RT-Ebene) 160
7.4.2.4 Logikebene und physische Ebene 162
Literatur 164
8 Computer-Aided Software Engineering (CASE) 166
8.1 Ausgangssituation: Von der Lochkarte zur computerunterstützten Softwareentwicklung 167
8.2 CASE- Werkzeuge im Softwareentwicklungsprozess 168
8.3 Die Unified Modeling Language (UML) 173
Literatur 178
9 Produktmodelle und Simulation (CAE) 180
9.1 CAE in der Mechanischen Konstruktion 181
9.1.1 CAE-Prozessketten 182
9.1.1.1 CAD-MKS 182
9.1.1.2 CAD-FEM (CAD-NVH) 183
9.1.1.3 CAD-CFD 183
9.1.1.4 CAD-DMU 183
9.1.2 Mehrkörpersimulation (MKS) 183
9.1.3 Finite Element Method (FEM) 184
9.1.4 Nummerische Strömungsuntersuchungen (Computational Fluid Dynamics (CFD)) 187
9.1.5 Akustik- und Schwingungsanalysen (NHV) 188
9.1.6 Virtuelles Prototyp (Digital Mock-Up (DMU)) 190
9.2 CAE in der Elektronikentwicklung 191
9.2.1 Prüfstand und Simulation 191
9.2.2 Simulation im Entwurf analoger Schaltungen (SPICE) 192
9.2.3 Simulation im Chipentwurf (SystemC, VHDL und Verilog) 193
9.3 Ansätze für ganzheitliche Tests 195
9.3.1 Software-in- the-Loop- Simulationen (SiL) 195
9.3.2 Laborfahrzeuge und Prüfstände (HiL) 196
Literatur 199
10 Produktionsmodelle und Simulation (DiFa) 201
10.1 Ausgangssituation 202
10.2 Fabrikplanung 202
10.2.1 Phasen der Fabrikplanung 204
10.2.2 Gegenstand der Fabrikplanung 206
10.2.3 Konsolidierte Betrachtung der Fabrikplanung 207
10.2.3.1 Strategieplanung 207
10.2.3.2 Gebäude- und Ausrüstungsplanung 208
10.2.3.3 Produktionsprozessplanung und Anlagenentwicklung 208
10.3 Fabrikbetrieb 208
10.4 Unterstützung von Fabrikplanung und Fabrikbetrieb durch DiFa 209
10.4.1 DiFa in der Strategieplanung 211
10.4.2 DiFa in der Gebäude- und Ausrüstungsplanung 212
10.4.3 DiFa in der Produktionsprozessplanung und Anlagenentwicklung 216
10.4.3.1 Werkzeuge und Beschreibungsnotationen 216
10.4.3.2 Erklärung zentraler IT-Werkzeuge am Beispiel Produktion vom Segway 218
10.4.4 DiFa im Fabrikbetrieb 226
Literatur 229
11 Technische Organisation des Produktentwicklungsprozesses 231
11.1 Nummernsysteme 232
11.2 Klassifizierungssysteme 236
11.3 Produktstrukturen 240
11.3.1 Produktvarianten 243
11.3.2 Verschiedene Stücklistensichten 250
11.4 Dokumentenverwaltung 253
11.4.1 Beziehung zwischen Dokument und Artikel 255
11.4.2 Identifikation eines Dokuments 256
11.4.3 Dokumentenstruktur 256
11.5 Freigabe- und Änderungswesen 257
11.5.1 Freigaben 258
11.5.2 Änderungen 259
11.6 Konfigurationsmanagement (KM) 264
11.6.1 Konfigurationsidentifizierung 265
Literatur 269
12 Product Lifecycle Management (PLM) 271
12.1 Ausgangssituation 272
12.2 Von PDM zu PLM 273
12.3 Produkt-, Prozess- und Konfigurationsmodelle 276
12.4 Einbindung in Systemlandschaften und PLM Architekturprinzipien 282
12.5 Trends im Product Lifecycle Management 285
12.5.1 Model-Based Systems Engineering (MBSE) und PLM 286
12.5.2 Entscheidungs- und Planungsunterstützung (Managementfunktionen) 288
12.5.3 PLM versus PPS 289
12.5.4 Social PLM 292
12.5.5 IT Technologie für PLM 293
12.5.6 Optimierung des Customizings von PLM-Systemen 295
12.6 Warum PLM Initiativen scheitern 297
12.6.1 Prozess-orientierte Kriterien 298
12.6.2 Technische Kriterien 300
12.6.3 Human Factors 301
12.6.4 Wo ist der optimale PLM Einsatzpunkt? 301
Literatur 303
13 Produktionsplanung und -steuerung (PPS) 305
13.1 Das Konzept der Produktionsplanung und -steuerung 306
13.2 IT-Konzepte zur Produktionsunterstützung 311
13.2.1 Entwicklungsstufen der Produktionsplanungs- und -steuerungssysteme 311
13.2.2 Enterprise Resource Planning (ERP) 314
13.2.3 Supply Chain Management (SCM) 316
13.2.4 Customer Relationship Management (CRM) 316
13.2.5 Manufacturing Execution System (MES) 320
13.2.5.1 Feinplanung und -steuerung 321
13.2.5.2 Betriebsmittelmanagement 322
13.2.5.3 Materialmanagement 323
13.2.5.4 Informationsmanagement 324
13.2.5.5 Personalmanagement 324
13.2.5.6 Datenerfassung 325
13.2.5.7 Leistungsanalyse 326
13.2.5.8 Qualitätsmanagement 327
Literatur 329
14 Schnittstellen und Datenaustauschformate 330
14.1 Anwendungsbereiche 331
14.2 Architekturkonzepte 331
14.3 Datenschnittstellen 333
14.3.1 Proprietäre Schnittstellen 334
14.3.2 OSLC 334
14.4 Datenformate 335
14.4.1 Prozessformate 336
14.4.1.1 IGES 336
14.4.1.2 STEP AP 203, 214 und 242 337
14.4.1.3 JT 338
14.4.1.4 Vergleich, Vorteile und Nachteile 340
14.4.2 Begleitformate 341
14.4.2.1 PLMXML 341
14.4.2.2 STEP AP 242 XML 342
14.4.2.3 AutomationML 342
14.4.3 Kombination von Begleitformaten mit Prozessformaten 343
14.4.4 Dokumentationsformate 343
14.4.4.1 TIFF 344
14.4.4.2 DXF 345
14.4.4.3 PDF und 3DPDF 345
14.4.5 Konverter 346
14.4.6 Viewer 347
14.5 Standardisierung und langfristige Datenhaltung 348
Literatur 350
15 Humanfaktoren in der Produktentwicklung 351
15.1 Grundlagen 352
15.1.1 Das soziotechnische System und der soziotechnische Ansatz 353
15.1.2 Mensch-Technik-Organisationsanalyse (MTO) 354
15.1.3 Arbeits- und Organisationspsychologie 354
15.2 Ausgangssituation: Herausforderungen in der Produktentwicklung 355
15.2.1 IT-Systeme 355
15.2.2 Multidisziplinarität 356
15.2.3 Zunehmende Modellvielfalt 356
15.2.4 Steigender Teile- und Funktionsumfang 357
15.2.5 Innovationsdruck 357
15.3 Problematik: Folgen für den Menschen in der Produktentwicklung 358
15.4 Lösungsansätze: Ausgewählte Methoden und Konzepte zur Optimierung von Humanfaktoren 361
15.4.1 Selbstmanagement 361
15.4.2 Motivation 362
15.4.2.1 Die Bedürfnispyramide von Maslow (Inhaltstheorie) 362
15.4.2.2 Zirkulationsmodell nach Porter und Lawler (Prozesstheorie) 363
15.4.2.3 Die 5 Quellen der Motivation nach Barbuto 363
15.4.3 Zielsetzung (SMARTe-Ziele) 364
15.4.4 Kreativitätstechniken 364
15.4.5 Kommunikation 365
15.4.5.1 Die 5 Axiome von Paul Watzlawick 365
15.4.5.2 Das Kommunikationsquadrat nach Schulz von Thun 366
15.4.6 Selbstreflexion 366
15.4.7 Teamentwicklung 367
Literatur 369
16 Nachhaltige Produktentwicklung 370
16.1 Einführung 371
16.2 Nachhaltigkeit aus Engineering Perspektive 372
16.2.1 Operationalisierung der Nachhaltigkeit 373
16.2.2 Kenngrößen eines Nachhaltigen Wirtschaftens 374
16.3 Potenziale der Modellbasierten Virtuellen Produktentwicklung für ein Nachhaltiges Wirtschaften 375
16.3.1 Anforderungen Nachhaltiger Entwicklung an die Modellbasierte Virtuelle Produktentwicklung 378
16.3.2 Ausprägung Nachhaltiger Produktsysteme 382
16.3.3 Exemplarische Bewertungsmethoden der Nachhaltigkeit eines Produktsystems 383
16.3.3.1 Betriebliches Umweltmanagement 383
16.3.3.2 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) 384
16.3.3.3 Produktfolgenabschätzung 384
16.3.3.4 Produktlinienanalyse 385
16.3.3.5 Ökobilanzierung 385
16.3.3.6 Ganzheitlich lebenszyklusbasierende Nachhaltigkeitsanalysen 385
16.3.3.7 Company Oriented Sustainability (COSY) 386
16.3.3.8 Product Sustainability Assessment (PROSA) 386
16.4 Exkurs: Ökologische Nachhaltigkeitsbewertung 387
16.5 Schlussfolgerungen 390
Literatur 391
Sachverzeichnis 394