Entwicklung und Erprobung innovativer Produkte - Rapid Prototyping (eBook)

Professor Bernd Bertsche war nach Studium und Promotion an der Universität Stuttgart im PKW-Entwicklungsbereich der Mercedes-Benz AG tätig. Nach einer anschließenden Tätigkeit als Professor an der Fachhochschule Albstadt-Sigmaringen wurde er an die Universität Stuttgart berufen. Seit 2001 ist Professor Bertsche Ordinarius und Leiter des Institutes für Maschinenelemente an der Universität Stuttgart. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. mult. Dr. h.c. mult. Hans-Jörg Bullinger: 1971 - 1980 angewandte Industrieforschung, 1980 - 1982 Professur für Arbeitswissenschaft an der Fernuniversität Hagen, 1982-2002 Professur für Arbeitswissenschaft an der Universität Stuttgart, 1982 - 2002 Leiter des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO) in Stuttgart zudem von 1991-2002 Leiter des Instituts für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT) der Universität Stuttgart. Gegenwärtige Stellung: Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in München. Auszeichnungen: Otto-Kienzle-Gedenkmünze der Hochschulgruppe Fertigungstechnik, VDI-Ehrenring in Gold, Human Factors Society`s Distinguished Foreign Colleague Award, Ehrendoktorwürde der Universität Novi Sad 1991, Ehrenprofessor der University of Science and Technology of China 1991, Mitglied der World Academy of Productivity Science 1993, Ehrenmitglied der rumänischen Gesellschaft für Maschinenbauingenieure 1994, Verleihung Arthur-Burkhardt Preis 1995, Verleihung des Bundesverdienstkreuzes am Bande 1998, Verleihung des Bundesverdienstkreuzes 1. Klasse in 2003, Ehrendoktorwürde der Universität Politehnica Timisoara 2004, Ehrenprofessor der South China University of Technology 2005, RKW-Medaille des Rationalisierungs- und Innovationszentrums der Deutschen Wirtschaft 2006. Verleihung des großen Verdienstkreuzes durch den Bundespräsidenten am 4. Oktober 2006. Autor und Mitautor von zahlreichen Büchern und über 1.000 Veröffentlichungen.

Vorwort 5
Inhalt 9
Autorenverzeichnis 15
1 Einleitung 20
1.1 Übersicht über den Sonderforschungsbereich 374 20
1.1.1 Ziele 20
1.1.2 Überblick 21
1.1.3 Prototypen im RPD 25
1.1.4 IT Unterstützung im RPD 30
1.1.5 Sfb 374 - Aufbau und Wissenswertes 38
1.2 Integrationsszenario 42
1.2.1 Grundlegende Verbesserungen 45
1.2.2 Integration der Teilprojekte am Beispiel eines Pkw-Cockpits 46
2 Organisation und Wissenskooperation 52
2.1 Merkmale des Rapid Product Development 52
2.2 Anforderungen an Produktentwicklungsteams 53
2.2.1 Innovationsanforderungen 53
2.2.2 Komplexitätsanforderungen 54
2.2.3 Kooperationsanforderungen 57
2.3 Planungsmethoden innovativer Produkte in dezentralen Teams 59
2.3.1 Grenzen einer formalen Planung für das Rapid Product Development 59
2.3.2 Potenziale der evolutionären Planung für das Rapid Product Development 60
2.3.3 Kompetenzmanagement zur Unterstützung einer evolutionären Planung für das RPD 63
2.3.4 Das entwicklungsfähige Projektplanungssystem für das RPD 66
2.3.5 Zusammenfassung und Ausblick 87
2.4 Wissensintensive Kooperationsprozesse bei der Entwicklung innovativer Produkte 89
2.4.1 Ausgangssituation 89
2.4.2 Modellentwicklung und Ableitung von Unterstützungsinstrumenten zur Wissensintegration im RPD 95
2.4.3 Ergebnis der Modellentwicklung zur Wissensintegration 97
2.4.4 Ergebnisse der Analyse von Kooperationskonstellationen im Produktentwicklungsprozess ( Studie 1) 101
2.4.5 Ergebnisse der Untersuchung von Kooperationsanforderungen im Produktentwicklungsprozess ( Studie 2) 107
2.4.6 Handlungsempfehlungen aus Studie 1 und 2 112
2.4.7 Ergebnisse der Untersuchung von Auswirkungen fachlicher Teamheterogenität ( Studie 3) 113
2.4.8 Handlungsempfehlungen zur Wissensintegration aus Studie 3 125
2.4.9 Umsetzung der Ergebnisse aus den Studien in Unterstützungsinstrumente 127
2.4.10 Ausblick 129
2.4.11 Zusammenfassung 131
Literatur 133
3 Vernetztes Wissen für die interaktive Entwicklung von Prototypen 142
3.1 Vernetztes Entwicklungswissen durchgehend nutzen 146
3.2 Aktives Semantisches Konstruktions- und Zuverlässigkeitsnetz 149
3.2.1 Semantische Vernetzung 154
3.2.2 CAD – Datenaustausch 155
3.2.3 Integration der Produktkostenüberwachung 157
3.2.4 Integration der qualitativen und quantitativen Zuverlässigkeitsanalyse 158
3.2.5 Anwendungsbeispiele 165
3.2.7 Zusammenfassung 177
3.3 Qualitätsmanagement im Rapid Prototyping 178
3.3.1 Frühe Phasen – Prognose und Merkmalsextraktion 180
3.2.2 Methoden der Risikoanalyse in der Produktkonfiguration 186
3.2.3 Verfahren und Methoden der Prozessüberwachung 191
3.2.4 Systemfeedback – Umfassendes Qualitätsmanagement mit material- und prozessimmanenten Informationen 195
3.3.5 Zusammenfassung 202
3.4 Kostenmanagement im Prozess des Rapid Prototyping 203
3.4.1 Überblick über das Forschungsprojekt 203
3.4.2 Ergebnisse und ihre Bedeutung 204
Literatur 218
4 Wissensrepräsentation und Kommunikation (RPD-IT-Infrastruktur) 224
4.1 Ganzheitliche Modelle zur Repräsentation aktiven Wissens 228
4.1.1 Einleitung 228
4.1.2 Problemstellung 229
4.1.3 Meilensteine der Entwicklung, Stufe 1 – ASN, Metamodell, ECA 229
4.1.4 Meilensteine der Entwicklung, Stufe 2 – Verteiltes Objektmanagement, Slot- Dämon, Transaktionskonzept 231
4.1.5 Meilensteine der Entwicklung - Stufe 3 233
4.1.6 Ergebnisse und ihre Bedeutung 242
4.1.7 Zusammenfassung der Ergebnisse 253
4.1.8 Offene Fragen und Ausblick 255
4.2 Agentenbasierte Middleware als Integrationsplattform für aktive Wissenskommunikation im Rapid Product Development 257
4.2.1 Die Herausforderung: Wissenskommunikation im Rapid Product Development 257
4.2.2 Stand der Technik 259
4.2.3 Das Aktive Semantische Netz 266
4.2.4 Die agentenbasierte RPD-Middleware 270
4.2.5 Zusammenfassung 285
4.3 Teamorientiertes Kommunikationssystem für vernetztes Arbeiten 286
4.3.1 Einleitung 286
4.3.2 Entwicklungsverlauf der Arbeiten im Teilprojekt 287
4.3.3 Stand der Forschung 289
4.3.4 Methoden 299
4.3.5 Ergebnisse 300
4.4 Adaptive Benutzungsoberflächen 314
4.4.1 Einleitung 314
4.4.2 Grundlagen von adaptiven Benutzungsoberflächen 315
4.4.3 Das RPD-Portal 322
4.4.4 Zusammenfassung 334
Literatur 335
5 Erstellung virtueller und physischer Prototypen 348
5.1 Virtuelle Realität 349
5.1.1 Virtuelle Realität in der Produktentwicklung 349
5.2 Virtuelle Realität als Gestaltungs- und Evaluationswerkzeug 352
5.2.1 Montierbarkeitsuntersuchungen am Virtuellen Prototypen 352
5.2.2 Visuelle Beurteilung von Objektgeometrien 354
5.2.3 Lageänderung von 3D-Objekten im Raum 356
5.2.4 Verbauwege, Einsehbarkeit, Beurteilung der Handlungen des Monteurs im Kontext 359
5.2.5 Data Mining in Virtuellen Umgebungen 362
5.3 VR in der Konstruktion 363
5.3.1 CAD-Review 363
5.3.2 CAD-VR Integration 366
5.3.3 VR am Konstruktionsarbeitsplatz 370
5.3.4 Realitätsnahe Darstellung in VR 372
5.4 Paralleles Rendering 375
5.5 Virtuelle und Hybride Prototypen 381
5.5.1 Virtuelle Prototypen 382
5.5.2 Online-Simulationen 383
5.5.3 Hybride Prototypen 389
5.5.4 Kooperatives Arbeiten mit virtuellen und hybriden Prototypen 393
5.5.5 Zusammenfassung und Ausblick 396
5.6 Daten- und informationstechnische Integration des Entwurfsprozesses in die RPD- Prozesskette 398
5.6.1 Ausgangssituation 398
5.6.2 Lösungsansätze 400
5.6.3 Zusammenfassung 411
5.6.4 Ausblick 414
5.7 Multi Material Modelling von Design- und Funktionsprototypen 414
5.7.1 Multi Material Modelling für den iterativen Aufbau von konzeptionellen Prototypen 415
5.7.2 Funktionalisierung von Prototypen durch das Multi Material Modelling 418
5.7.3 Zusammenfassung und Ausblick 419
5.8 Oberflächenveredelung von RP-Bauteilen 420
5.8.1 Ausgangssituation 420
5.8.2 Anforderungen an Oberflächen 421
5.8.3 Verfahren zur Veränderung der Eigenschaften von Oberflächen 422
5.8.4 Lösungsansätze zur Funktionalisierung von RP-Bauteilen 423
5.8.6 Verfahrenskombinationen 428
5.8.7 Zusammenfassung und Ausblick 430
5.9 Lasergenerieren im modularen System 431
5.9.1 Einleitung 431
5.9.2 Verfahrensprinzip 432
5.9.3 Prozesssteuerung 434
5.9.4 Prozesskontrolle durch einen Tiefensensor 439
5.9.5 Prozessregelung 441
5.9.6 Modulares System 446
5.9.7 Zusammenfassung und Ausblick 448
5.10 Selektives Lasersintern von Hochleistungspolymeren mittels Nd: YAG- Laser 449
5.10.1 Einleitung 449
5.10.2 Ausgangssituation 450
5.10.3 Lösungsansätze 455
5.10.4 Weiterentwicklung der Prozesstechnik 459
5.10.5 Verfahrenskombinationen 461
5.10.6 Zusammenfassung und Ausblick 461
5.11 Prototypwerkzeuge und Prototypbauteile 463
5.11.1 Werkstoffe für Prototyp-Werkzeuge 464
5.11.2 Grauguss 464
5.11.3 Stahl und Aluminium 465
5.11.4 Niedrigschmelzende NE- Schwermetall-Legierungen 465
5.11.5 Kunststoffe, Polyamide und Photopolymere 466
5.11.6 Werkzeugentwicklung 469
5.11.7 3D-Visualisierung der Werkzeugkonstruktion 475
5.11.8 Visualisierung der Simulation des Umformvorgangs 477
5.11.9 Werkzeugherstellungsprozesse 479
5.11.10 Optimierung des Prozesses durch Einsatz des Vakuumformverfahrens 480
5.11.11 Tribologische Anforderungen an die Werkzeugwirkfläche 484
5.11.12 Charakterisierung des Verschleißverhaltens 489
5.11.13 Einfluss des Prototypwerkzeugstoffes auf die Kriterien Prototyp- Teilequalität und Werkzeugstandzeit 492
5.11.14 Segment-elastischer Niederhalter aus Kunstharz mit Pyramidenstumpfförmigen Stahl- Einsätzen 494
Literatur 497

2 Organisation und Wissenskooperation (S.33-34)

2.1 Merkmale des Rapid Product Development

Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Innovationsdynamik und Differenzierung von Kundenwünschen im internationalen Wettbewerb gewinnt für Unternehmen die Fähigkeit an Bedeutung, Produktentwicklungszeiten zu verkürzen und eine kontinuierliche Abstimmung der Produktmerkmale mit den Kunden zu gewährleisten. Die steigenden Marktanforderungen verlangen von Unternehmen eine stetig wachsende Zahl von Neuentwicklungen, eine gleichzeitige Verkürzung der Entwicklungszeit, die kontinuierliche Abstimmung mit Kundenwünschen und nicht zuletzt die schnelle und flexible Integration neuer Produktfunktionen.

Um diese Ziele zu erreichen und zudem innovative Produkte schnell und kostengünstig entwickeln zu können, bedient sich die Methode des Rapid Product Developments (RPD) eines evolutionären Vorgehens [2.18], [2.16], [2.17]. Verschiedene konkurrierende Lösungsalternativen werden in parallel verlaufenden Iterationszyklen bearbeitet und zeitnah an sich verändernde Marktbedingungen, Kundenwünsche und Erkenntnisfortschritte angepasst. Erst zu einem späten Zeitpunkt wird die Entscheidung getroffen, welcher der verschiedenen Produktansätze tatsächlich in die abschließenden Entwicklungs- und späteren Produktionsphasen gelangt.

In Anlehnung an das Motto „Survival of the fittest" gelangen also nur diejenigen Produktvarianten in die (Re)Produktion, die sich als die am besten den Markt- und Produktionsanforderungen entsprechenden erwiesen haben.

Die wichtigsten Merkmale dieses Ansatzes umfassen:

Betonung der frühen Entwicklungsphasen
parallele Entwicklung alternativer Produktkonzepte
schnelle iterative Schleifen, die den Prozess von der Konstruktionsidee
bis hin zur Bewertung in einem verhältnismäßig kleinen Zeitraum abbilden
späte Festlegung und Spezifikation des Produkts
schnelle Erstellung von physischen, virtuellen und hybriden Prototypen
frühes Ergebnisfeedback

Optimierung der erfolgsrelevanten Faktoren Kosten, Zeit und Qualität Für die einzelnen Produktentwicklungsteams ergeben sich aus diesen Merkmalen wiederum Veränderungen ihrer Arbeitsprozesse, die den Bereichen Innovationsanforderungen, Komplexitätsanforderungen und Teamanforderungen zugeordnet werden können.

2.2 Anforderungen an Produktentwicklungsteams
2.2.1 Innovationsanforderungen

Voraussetzung für den nachhaltigen Markterfolg von vielen Unternehmen ist heute die Entwicklung von innovativen Produkten. Nur durch neuartige Funktionen und Designs, originelle und kreative Lösungen, Entwicklung neuartiger Nutzenaspekte und marktbezogener Alleinstellungsmerkmale sowie durch verstärkte Bedienung immer neuer Kundenwünsche können Marktanteile erobert oder gesichert werden. Dies bedeutet, dass Produktenwicklungsteams gegensätzliche Ziele verfolgen müssen:

Einerseits möglichst innovative und kreative Produkte entwickeln, andererseits möglichst wenig Zeit und Kosten während der Produktentwicklung, aber auch in Hinsicht auf die Produktherstellung zu verursachen bzw. festzuschreiben. Dieser Zielkonflikt soll im RPD-Kontext optimiert werden. Unterstützungsmöglichkeiten für die Teammitglieder müssen deshalb einerseits die Berücksichtigung der zeit-, kosten- und qualitätsbezogenen Vorgaben fördern, zum anderen den notwendigen Freiraum ermöglichen, der erforderlich ist, um innovative Ergebnisse zu erzielen. Nur so kann eine quantitative wie qualitative Steigerung kreativer Leistungen, besonders in den frühen Produktentwicklungsphasen, erzielt werden.