Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. H. Binz IK TD B er ic ht N r. 66 2 Fa bi an R us its ch ka Fabian Rusitschka Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung Bericht Nr. 662 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung Von der Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung von Dipl.-Ing. Fabian Rusitschka geboren in Ludwigsburg Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Engelbert Westkämper Tag der mündlichen Prüfung: 02.02.2017 Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design Universität Stuttgart 2017 DE 93 ISBN-10: 3-3-946924-00-X ISBN-13: 978-3-946924-00-5 Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 9 D-70569 Stuttgart Telefon: +49 (0)711 685-66055 Telefax: +49 (0)711 685-66219 E-Mail: mail@iktd.uni-stuttgart.de Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorand der Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering (GSaME) der Universität Stuttgart am Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design (IKTD) und bei der AUDI AG. Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Hansgeorg Binz, dem Institutsleiter des IKTD für die engagierte Betreuung der vorliegenden Arbeit. Die von ihm eingeräumten Freiräume und das große Vertrauen bei der Gestaltung der Arbeit ermöglichten die Umsetzung des Forschungsvorhabens. Herrn Prof. Dr.-Ing. Engel- bert Westkämper danke ich für die Übernahme des Mitberichts und die enge Beglei- tung des Vorhabens. Für den umfassenden Einblick in die aktuellen Entwicklungs- und Produktionsprozesse bei meinem Industriepartner bin ich außerordentlich dankbar. Das mir dort entgegen- gebrachte Vertrauen und die Unterstützung haben maßgeblich zum Gelingen der Ar- beit beigetragen. Stellvertretend gilt mein Dank an dieser Stelle Dipl.-Ing. Alois Brandt, Dr.-Ing. Bernd Mlekusch und Dr.-Ing Jens Bunte, aber auch den vielen Kollegen, wel- che die meinen beruflichen und persönlichen Lebensweg geprägt haben. Des Weiteren gilt mein Dank Herrn Hon.-Prof. Dipl.-Ing. Alfred Katzenbach für die wert- vollen Hinweise und die spannenden Diskussionen, auch über das Thema hinaus. Meinen Kollegen am IKTD, insbesondere Herrn Dipl.-Ing. Daniel Roth möchte ich für die Unterstützung und lehrreiche Zeit danken. Der Größte Dank gilt jedoch meinen Eltern, Gudrun und Franz Rusitschka, und mei- nem Bruder Simon Rusitschka, dass sie mir immer den Freiraum gegeben haben, mei- nen Weg zu gehen und diesen vorbehaltlos gefördert haben. Meiner Freundin Verena danke ich für das große Verständnis und die Geduld, welche den Abschluss der dieser Arbeit überhaupt ermöglicht hat. Ingolstadt, Februar 2017 Fabian Rusitschka Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ............................................................................................. I Abkürzungsverzeichnis .................................................................................. IV Abstract ............................................................................................................ VI 1 Einleitung .................................................................................................... 1 1.1 Motivation .............................................................................................. 1 1.1.1 Relevanz der Verbindung in der variantenreichen Serienfertigung ................................................................................ 1 1.1.2 Relevanz der Auswahl und Gestaltung der Verbindung .............. 3 1.1.3 Relevanz der Unterstützung bei der Auswahl und Gestaltung der Verbindung.............................................................. 5 1.2 Problemstellung ..................................................................................... 6 1.3 Forschungslücke .................................................................................. 10 1.4 Zielsetzung und Forschungsfragen ...................................................... 11 1.5 Wissenschaftstheoretische Einordnung und Struktur .......................... 12 1.5.1 Einordnung der Arbeit ............................................................... 15 1.5.2 Aufbau und Gliederung ............................................................. 15 2 Ausgangssituation ................................................................................... 17 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung ........................ 17 2.1.1 Lösbare Verbindungen in der automobilen Montage ................. 18 2.1.2 Trend bei eingesetzten Materialien und Verbindungen in der Automobilindustrie ................................................................... 27 2.2 Auswahl der Verbindungstechnik ......................................................... 31 2.2.1 Beteiligte Arbeitsbereiche bei der Auswahl von Verbindungen ................................................................................ 31 2.2.2 Beziehung zwischen Entwicklung und Produktion .................... 32 2.2.3 Prozess zur Auswahl von Schraubverbindungen ...................... 34 2.2.4 Bewertung der Auswahl der Verbindungstechnik ...................... 36 II Inhaltsverzeichnis 2.3 Unterstützung der Auswahl und Auslegung der Verbindung ............... 36 2.3.1 Bestehende Werkzeuge zur Unterstützung der Auswahl von Verbindungen ................................................................................ 36 2.3.2 Bewertung der bestehenden Werkzeuge zur Unterstützung der Auswahl und Auslegung von Montageverbindungen .............. 37 3 Grundlagen und Stand der Technik ....................................................... 39 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation ................................................... 40 3.1.1 Modelle zur integrierten Produkt- und Prozessbeschreibung .... 41 3.1.2 Systemtheorie ........................................................................... 49 3.1.3 Zusammenfassung Produkt- und Prozessdokumentation ......... 52 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse .......................................................................... 54 3.2.1 Kriterienkatalog für die Analyse der Strategien zur Material- und Prozessauswahl ..................................................................... 56 3.2.2 Prozessauswahl mittels freier Suche basierend auf quantitativer Analyse ..................................................................... 59 3.2.3 Prozessauswahl mittels Fragenkatalog ..................................... 64 3.2.4 Prozessauswahl mittels fallbasiertem Schließen ....................... 68 3.2.5 Zusammenfassung Unterstützung der Prozessauswahl ........... 69 4 Konkretisierung der Aufgabenstellung und Ableiten von Anforderungen ......................................................................................... 71 4.1 Konkretisierung der Aufgabenstellung ................................................. 71 4.2 Ableitung der Anforderungen an die Auswahl von lösbaren Verbindungen ...................................................................................... 72 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen ............................. 77 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen ........................................................................ 77 5.1.1 Planen der Verbindung, Klären der Anforderungen .................. 79 5.1.2 Konzipieren und Bewerten möglicher Verbindungen ................ 80 5.1.3 Entwerfen der Verbindung ........................................................ 85 Inhaltsverzeichnis III 5.1.4 Ausarbeiten der Verbindung...................................................... 86 5.2 Integriertes Produkt- und Prozessmodell ............................................. 87 5.3 Beschreibung des Lösungsraums durch die Ermittlung von Verbindungsszenarien ......................................................................... 91 5.3.1 Ermittlung der Verbindungsszenarien ....................................... 92 5.3.2 Berechnung der an den Verbindungspunkten zu übertragenden Kräfte .................................................................... 95 5.4 Ganzheitliche Bewertung von Montage-Verbindungen ........................ 97 5.4.1 Erfassung der Aufwendungen der lösbaren Verbindungen ....... 98 6 Anwendung der Methodik ..................................................................... 105 6.1 Architektur des Assistenzsystems ..................................................... 105 6.1.1 Marktplatz zur Erzeugung von Grobentwürfen ........................ 105 6.1.2 Schnittstellen zwischen den Modulen ..................................... 106 6.1.3 Module zur Erzeugung von Grobentwürfen ............................. 108 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure ................. 111 7 Evaluation ............................................................................................... 119 7.1 Aufwendungen aus Schraubverbindungen ohne Assistenzsystem ... 120 7.2 Aufwendungen aus Schraubverbindungen mit Assistenzsystem ....... 121 7.3 Verbesserung des Verwendungszusammenhangs............................ 123 8 Zusammenfassung ................................................................................ 125 9 Ausblick .................................................................................................. 127 Literaturverzeichnis ..................................................................................... 129 IV Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 𝐴𝑃𝑛 Anforderungsprofil 𝐴𝑃𝑎𝑙𝑙𝑔 allen Anforderungsprofilen gemeinen Anforderungen 𝐴𝑃_𝑉𝑆𝑖 aus dem Verbindungsszenario 𝑉𝑆𝑖 resultierenden Anforderungen 𝑑𝑚𝑖𝑛 minimalen Abstand zwischen zwei Verbindungspunkten CFK Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff DFMA Design for Manufacture and Assembly 𝐹𝑢𝑒𝑒 Fügeelement 𝐹𝑘𝑡𝑒 Funktionselement GE Geldeinheit 𝐻𝑒𝑖 Hilfselement 𝐾𝐴𝑖 Aufwendungen aus Karosseriebau 𝐾𝐴𝑖 𝐹𝑃 Aufwendungen im Karosseriebau (Fügeprozesse) 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 Aufwendungen im Karosseriebau (Werkzeug (Invest)) 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 Aufwendungen im Karosseriebau (Werkzeug (Betrieb)) 𝐾𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 Aufwendungen im Karosseriebau (Einzelteil) 𝐿𝐴𝑖 Aufwendungen aus Lackiererei 𝑀𝑃 Montageprozessgrößen 𝑀𝐴𝑖 Aufwendungen aus Montage 𝑀𝑃𝑖 Montageprozess 𝑀𝑃𝑖 𝐹𝑃 Fügen 𝑀𝑃𝑖 𝐻𝑃 Handhaben 𝑀𝑃𝑖 𝐴𝑃 Ausrichten 𝑀𝑃𝑖 𝐾𝑃 Kontrollieren 𝑀𝑃𝑖 𝑆𝑃 Sonderoperationen 𝑀𝐴𝑖 𝑊 Aufwendungen für Werkzeuge und Betriebsmittel 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 Beschaffungskosten 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 Betriebskosten Abkürzungsverzeichnis V 𝑀𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 Aufwendungen für Verbindungselemente OEM Original Equipment Manufacturer (Erstausrüster) 𝑃𝐴𝑖 Aufwendungen aus dem Presswerk 𝑃𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 Aufwendungen im Presswerk (Werkzeug (Invest)) 𝑃𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 Aufwendungen im Presswerk (Werkzeug (Betrieb)) 𝑃𝐿𝑡ℎ Prinziplösungen 𝑃𝑝 Produktionsprozess 𝑃𝑝_𝑉 PP Verbindung 𝑃𝑝_𝐹𝑢𝑒𝑒 PP Fügeelement 𝑃𝑝_𝐹𝑘𝑡𝑒 PP Funktionselement 𝑃𝑝_𝐻𝑒𝑖 PP Hilfselement i SFB 361 Sonderforschungsbereich 361 𝑆𝑉𝐸 Standard Verbindungselemente 𝑆𝑀𝑃 Standard Prozessgrößen 𝑇𝑃𝑠 Standard Teilprodukte 𝑇𝑃𝑜 optionale Teilprodukte 𝑇𝑃𝑚 Teilprodukte eines Produktionsprogramms 𝑀 𝑉𝐴𝑖 Gesamtaufwendungen einer Verbindung 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 maximale Anzahl der Verbindungspunkte 𝑉𝐸 Verbindungselemente 𝑉𝑃𝑚𝑎𝑥 maximal zu berücksichtigenden Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡 Verbindungspunkte, die zur Kraftübertragung genutzt werden 𝑉𝑃𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡 Verbindungspunkte, die nicht zur Kraftübertragung genutzt werden 𝑉𝑇𝑚 Verbindungstechniken 𝑉𝑉 Verbindungsvarianten 𝑉𝑃𝑗 Verbindungspunkte 𝑉𝑆𝑖 Verbindungsszenarien WZL Werkzeugmaschinenlabors der RWTH Aachen VI Abstract Abstract With the methodology for the selection of solvable connections in the multi-variant se- ries production an assistance system for the early design stage, focusing on the eco- nomic optimization, was developed. Multi-variant series production is characterized by huge complexity due to the combi- nation of variety and change. Decisions in the design stage heavily influence the pro- duction. For example, a single bolted connection averages expenditures of more than 500.000 thousand euros. This number shows the impact and importance of single de- cisions in the design process over lifetime. Therefore, the selection of the technical and economical best connection is crucial. The main challenge in the selection of connections is to take into account the amount of different materials and connection techniques and the economic evaluation of those. For instance, there exist more than 10.000 different possibilities to join a standard Elec- tronic Control Unit (ECU) to a chassis part. It is necessary to survey all the different possibilities in order to ensure the optimal selection. This is why methodological sup- port and an assistance system are needed. The main contribution is the description of the connection as a product and usage of product development methods for the design of connections. Following the standard product development process, requirements are derived in the beginning. Computer-based and application-specific technically feasible solutions are determined and economically evaluated. In a marketplace different modules derive the possible connections and engineers will be offered an ordered overview of all of these solutions, from which they can transfer the most economical solution into the design. The com- plete documentation of product and process information in an integrated model com- pletes the design of the connection. From existing support systems in the selection and design of connections, the meth- odology differs on one side by the level of detail, on the other by the integrated eco- nomic evaluation of the solutions. The level of detail exceeds the existing systems because the methodology does not select from a general list of all connections (top-down), but calculates application-spe- cific the possible connections for each problem (bottom-up). In the top-down method, a solution must be applied to different connection problems, which requires a general description of the characteristics. On the other hand all characteristics of the parts to Abstract VII be connected can be fully taken into account with the bottom-up approach. This allows not only to compare techniques with each other (screw or snap-on connection), but also to investigate alternatives within a connection technology (e. g. 3 screws M6 or 4 screws M5). A further advantage of the methodology is the consideration of different information sources and types. The modular architecture includes in addition to case-based and rule-based modules, the ability to integrate knowledge in encapsulated form. This al- lows the inclusion of external sources of information. In addition, the modular structure can be expanded and new materials and connections can be included easily. The methodology has been evaluated on the bolted connections of a multi-variant se- ries production vehicle. It could be shown that the application of the methodology re- sulted in an economical improvement of 5.2 %. Future work can address three aspects: the integration of additional detachable and non-detachable connection techniques, adding more targets in addition to the cost- effectiveness (e. g. lightweight construction), as well as the consideration of connection systems with more than one connection technology. 1.1 Motivation - 1 - 1 Einleitung Mit der „Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Se- rienfertigung“ wird eine Vorgehensweise beschrieben, die die Auswahl der Verbin- dungstechnik in der Konzeptphase des Konstruktionsprozesses so unterstützen soll, dass letztlich ein signifikanter Beitrag zur Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses geleistet werden kann. Die Beschreibung der Relevanz der Verbindung im Produktionsprozess und der Un- terstützung des Auswahlprozesses (vgl. Kapitel 1.1) führt zur Konkretisierung der Problemstellung (vgl. Kapitel 1.2). Die Identifizierung der für diese Problemlage beste- henden Forschungslücke (vgl. Kapitel 1.3) ermöglicht die Formulierung der For- schungsfragen (vgl. Kapitel 1.4). Eine wissenschaftstheoretische Einordnung liefert die Struktur für den Aufbau der Arbeit (vgl. Kapitel 1.5). 1.1 Motivation Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Bauteilen haben sowohl Auswirkungen auf das Produkt als auch auf den Produktionsprozess [LEBACQ02, S. 405]. Diese wer- den größtenteils bereits in der frühen Phase des Produktentstehungsprozesses mit der Auswahl der Verbindungstechnik durch den Konstrukteur festgelegt. Die vielfälti- gen Herausforderungen bei dieser Auswahl verdeutlichen die Notwendigkeit der me- thodischen Unterstützung des Konstruktionsprozesses [EHRLENSPIEL92, S. 180]. 1.1.1 Relevanz der Verbindung in der variantenreichen Serienfertigung Lösbare Verbindungen (im Folgenden kurz „Verbindungen“ genannt) spielen bei Pro- dukten, die aus mehr als einem Bauteil bestehen, eine entscheidende Rolle [LE- BACQ02, S. 405]. Auswirkungen der Verbindung auf die Produkteigenschaften Die Eigenschaften von Produkten, welche aus mehreren Bauteilen bestehen, werden stark von den Verbindungen zwischen diesen bestimmt. Ist dies bereits heute der Fall, so werden die Trends der Individualisierung und des Leichtbaus diese Entwicklungen weiter verstärken. Dabei ist eine gegenseitige Beeinflussung zu beobachten: Zum ei- nen ermöglicht die Weiter- und Neuentwicklung in der Verbindungstechnik sowohl neue Konzepte für den Leichtbau als auch die Möglichkeit der weiteren - 2 - 1 Einleitung Berücksichtigung von kundenindividuellen Wünschen. Zum anderen gehen aus den genannten Trends neue Herausforderungen an die Verbindungstechnik hervor, wel- che durch Weiter- und Neuentwicklungen erfüllt werden müssen. Leichtbau mit dem Fokus auf der Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und der Verbesserung der Produkteigenschaften ist eines der wichtigsten Ziele bei der Ent- wicklung von zukünftigen Produkten. Neben Ansätzen bei der Produktgestalt wie In- tegralbauweise und bionische Strukturen bieten der Einsatz innovativer Materialien wie Faserverbundwerkstoffe, hoch- und höchstfester Stähle sowie spezielle Legierungen ein großes Potenzial [WIEDEMANN07, S. 2]. Die Verbindung dieser Materialien erfordert die Weiter- und Neuentwicklung der Ver- bindungstechnik, da bestehende Techniken nicht oder nur begrenzt auf die neuen Ma- terialien übertragbar sind. Darüber hinaus bestehen heutige Produkte oftmals nicht nur aus einem Material, sondern sind immer häufiger durch einen Materialmix gekenn- zeichnet [HAGE09, S. 45]. Dies steigert die Anforderungen an die Verbindungstechnik und damit die Herausforderung der Auswahl zusätzlich. Die Beherrschung der durch neue Materialien und Individualisierung hervorgerufenen Variantenvielfalt stellt dabei einen wesentlichen Wettbewerbsfaktor dar [ZENNER06, S. 1 f.]. Neben dem Leichtbau hat generell die Individualisierung einen großen Einfluss auf die Produkte. Der sich seit den 1990er-Jahren vollziehende Wandel von Verkäufer- zu Käufermärkten, gepaart mit einer globalen Kaufkraftverschiebung, zwingt die Unter- nehmen der Konsumgüterbranche dazu, ihr Produktportfolio ständig anzupassen und zu erweitern. Besonders ausgeprägt ist dieser Trend im Bereich der Automobilindust- rie, in der zum einen die Anzahl der unterschiedlichen Modelle, zum anderen aber auch die Vielfalt der dem Kunden angebotenen Individualisierungsoptionen die Vari- anz ganz erheblich erhöhen. Beispielsweise bestehen 1017 theoretisch mögliche un- terschiedliche Varianten des 7er BMW [ALICKE05, S. 135]. Forscher beschreiben die Massenindividualisierung gar als neues Paradigma für die heutige Produktion [PINE99, S. 7]. Um die von der Individualisierung induzierte Komplexität zu beherrschen, greifen Hersteller bei der Architektur der Produkte auf Baukasten- und Modularisierungskon- zepte zurück [SCHUH, S. 58 f.]. Ziel ist es hier, die für die Produktdifferenzierung irrele- vanten Bauteile aus für mehrere Varianten gemeinsam entwickelten Baukästen zur Verfügung zu stellen und die Unterscheidung durch möglichst wenige, variantenspezi- fische Bauteile zu erreichen. Dabei ist ein steigender Anteil von zugekauften Basis- komponenten zu verzeichnen. Nur spezifische Umfänge werden als Kernkompetenz 1.1 Motivation - 3 - im eigenen Haus gefertigt [VDA12, S. 3]. Als Folge der Individualisierung hat sich die Anzahl der Teilenummern eines Fahrzeuges in den letzten zehn Jahren verdoppelt. Mit der Teilezahl steigt gleichzeitig die Anzahl der notwendigen Verbindungen. Bei der Auswahl der Verbindungstechnik genügt es nicht, ausschließlich die Anforderungen eines Produkts zu beachten, vielmehr sind die Anforderungen einer ganzen Produkt- familie zu berücksichtigen [SEDCHAICHARN10, S. 19]. Auswirkungen der Verbindung auf den Produktionsprozess Der Deutsche Verband für Schweißtechnik quantifiziert die jährliche Wertschöpfung durch Fügetechnik in der Bundesrepublik Deutschland auf 27 Mrd. €, erbracht durch 640.000 Beschäftigte. Damit war im Jahr 2005 jeder 16. Arbeitsplatz direkt damit ver- knüpft [VDI Nachrichten Nr. 3905]. Im Bereich der metallverarbeitenden Industrie ent- fallen rund 50 % der Fertigungszeit auf die Montage von Produkten [EHRLENSPIEL92, S. 182], Bauer beschreibt die Montage somit als wichtigste industrielle Produktions- technik [BAUER91, S. 1]. Negative Effekte der Komplexität auf die Montage auszu- schließen [FISHER95, S. 123 ff.; MACDUFFIE96, S. 350 f.; FISHER99, S. 771] und die Variantenvielfalt in der Produktion kosteneffektiv abzubilden, wird in Zukunft einer der entscheidenden Einflussfaktoren auf dem Weltmarkt sein [MACDUFFIE96, S. 350]. Da- her kommt der Beeinflussung der Produktentwicklung hinsichtlich der Produktionsan- forderungen, besonders im Hinblick auf die Verbindungstechnik [EHRLENSPIEL92, S. 180; L'EGLISE01, S. 324; BLUEZE10, S. 90], eine große Bedeutung zu. 1.1.2 Relevanz der Auswahl und Gestaltung der Verbindung Entsprechend der beschriebenen Einflüsse der Verbindung auf das Produkt und den Produktionsprozess bestimmen Zielgrößen und Zeitpunkt der Auswahl sowie Gestal- tung der Verbindung in großem Maße die Produkteigenschaften und Produktionsauf- wendungen. Zielgrößen der Auswahl Neben dem übergeordneten Kriterium der Funktionalität der Verbindung lassen sich die Zielgrößen bei der Auswahl der Verbindung in das Zieldreieck Kosten, Zeit und Qualität einordnen. Dabei beschreiben die Kosten die Einzelteilkosten der für die Ver- bindung notwendigen Verbindungselemente. Neben den Einzelteilkosten spielen die Fertigungszeiten eine entscheidende Rolle bei der Wirtschaftlichkeit einer Verbindung. - 4 - 1 Einleitung Designkriterien wie die Sichtbarkeit von Schraubenköpfen und die Positioniergenauig- keit von Bauteilen lassen sich den Qualitätskriterien zuordnen. Zeitpunkt der Auswahl Die größte Möglichkeit der Kostenbeeinflussung bietet sich während der Klärung der Aufgabenstellung und der Konzeption. Ehrlenspiel beschreibt in diesem Kontext einen Zielkonflikt, welchem sich die Konstrukteure in dieser Phase stellen müssen: die Mög- lichkeit der Kostenbewertung ist in den frühen Phasen nur zu einem geringen Maße gegeben, wodurch die Auswahl einer Lösung aus dem Lösungsraum erschwert wird [EHRLENSPIEL07, S. 13] (vgl. Bild 1.1). Mit zunehmender Konkretisierung und Verbesserung der Kostenbewertung sinkt die Möglichkeit der Kostenbeeinflussung. Werden bei der Auswahl der Verbindungen keine Grundbedingungen und Einschränkungen berücksichtigt, greift die von Le- wandowski beschriebene Problemspirale (vgl. Bild 1.2). Diese zeigt auf, dass bei Möglichkeit der Kostenbeurteilung Bearbeitungsaufwand beim Konstruieren Änderungskosten Kosten hoch gering Aufgabe klären Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten Phasen Bild 1.1: Phasen des konstruktiven Entwurfsprozesses nach [EHRLENSPIEL07, S. 13] Möglichkeit der Kostenbeeinflussung 1.1 Motivation - 5 - unzureichender Unterstützung der Suche nach Teilen neue Teile angelegt werden, was die Teilevielfalt erhöht und die bei der nächsten Entscheidung zu berücksichti- gende Teilevielfalt weiter steigen lässt. Damit wächst bei der nächsten Schleife der Aufwand zur Suche abermals, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass aufgrund eines nicht befriedigenden Suchergebnisses ein neues Teil angelegt wird, ebenfalls zu- nimmt. Diese Problemspirale lässt sich auch auf Verbindungen und Verbindungsele- mente übertragen (vgl. Bild 1.2). Bild 1.2: Problemspirale nach Lewandowski bei der Suche von Teilen, übertragen auf die Auswahl von Verbindungen [LEWANDOWSKI00, S. 23] Neben der beschriebenen Minimierung der Zunahme des Teilespektrums hat das Wie- derverwenden konkreter Lösungen auch aus konstruktiver Sicht einen positiven Effekt: Die Anzahl der iterativen Änderungen wird damit verringert [VÖLCKERS78, S. 14 ff.]. 1.1.3 Relevanz der Unterstützung bei der Auswahl und Gestaltung der Verbin- dung Der Zeitbedarf für die Informationssuche nimmt aufgrund der Menge der Informationen sowie der zu berücksichtigenden Randbedingungen zu und stellt damit eine zentrale Größe im Konstruktionsprozess dar [GRABOWSKI87, S. 23]. Entsprechend einer Studie des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen verlieren 90 % der Unter- nehmen ein Zehntel ihres Innovationspotenzials aufgrund des Zeitbedarfs für die Zeitanteile zum Suchen steigen Größeres Spektrum an Verbindungen muss durchsucht werden Verbindungs- vielfalt steigt Neuerfinden/ Neuanlegen vorhandener/ ähnlicher Verbindungen Verbindungen werden nicht (schnell genug) ge- funden Neuerfinden/ Neuanlegen vorhandener/ ähnlicher Ver- bindungen Verbindungs- vielfalt steigt Größeres Spektrum an Verbindungen muss durchsucht werden - 6 - 1 Einleitung Informationssuche [Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH04], beziehungsweise wird Verbesserungspotenzial durch die Übernahme von bewährten Lösungen [KLETT09, S. 1] nicht erschlossen. Dieser Faktor wird auf- grund der steigenden Anforderungen und kürzeren Entwicklungszyklen [VDI93, S. 7] weiter an Ergebniswirksamkeit gewinnen. So halbierte sich die Entwicklungszeit eines Automobils von neun Jahren in den 90er-Jahren auf derzeit vier bis fünf Jahre [WEMHÖ- NER05, S. 47]. 1.2 Problemstellung Die Auswahl und Gestaltung der Verbindungen bedarf methodischer Unterstützung, um die durch die Verbindungen induzierten Produkteigenschaften zu optimieren, die Produktivität bei der Verbindung der Bauteile zu erhöhen, den Zeitbedarf für die Infor- mationssuche im Konstruktionsprozess zu verringern und damit die Wettbewerbsfä- higkeit der Unternehmen zu steigern. Dabei sind drei Teilprobleme voneinander abzugrenzen: Die Bestimmung der optima- len Verbindung hinsichtlich der gewählten Zielgrößen (Ziel), die Sicherstellung eines effizienten Konstruktionsprozesses (Weg zum Ziel) sowie die Reproduzierbarkeit der Zielerreichung (Eindeutigkeit des Wegs zum Ziel). Optimale Verbindung Bei der Suche nach der optimalen Verbindung ist durch den Konstrukteur ein multi- kriterielles Problem zu lösen. Die Erfüllung der funktionale Anforderungen steht dabei in der Praxis oftmals allein im Vordergrund [ANDERSON08, S. 79] und ist, wie Alink be- schreibt, die Motivation der Ingenieure [ALINK10, S. 5]. Daneben sind jedoch eine Viel- zahl weiterer Bedingungen und Wirkzusammenhänge wie Kosten, Fertigungszeit, Qualität und Recyclingfähigkeit zu berücksichtigen. Legt man der Auswahl und Gestaltung von Verbindungen die Definition eines idealen Systems nach Altschuller zugrunde, hat jede Entscheidung für eine Verbindung uner- wünschte Konsequenzen zur Folge [BAUER09, S. 1], da das ideale System die ge- wünschte Funktion zur Verfügung stellt, ohne selbst zu existieren [ALTSCHULLER98, S. 23]. Die unerwünschten Aufwendungen, die durch eine Verbindung verursacht wer- den, gilt es produktspezifisch gegeneinander abzuwägen und bei der Auswahl der Ver- bindung zu berücksichtigen. Die von Ehrlenspiel als Grundlage für die Auswahl be- schriebenen Funktionskosten (Quotient aus Kosten und Nutzen einer Verbindung) [EHRLENSPIEL07, S. 262] zeigen die Herausforderung sehr deutlich: Für zwei gegebene 1.2 Problemstellung - 7 - Bauteile erfüllen unterschiedliche Verbindungen stets denselben Nutzen: Sie stellen den Zusammenhalt zwischen den zu verbindenden Bauteilen her. Dabei können ne- ben der zu übertragenden Kraft auch weitere Faktoren wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Lösbarkeit und Dichtheit Bestandteil der Anforderungen sein. Eine Verbindung ist nur dann von Nutzen, wenn sie alle Anforderungen erfüllt. Damit ergibt sich der Nutzen als ein binärer Wert (1: Verbindung erfüllt alle Anforderungen; 0: Verbindung erfüllt die Anforderungen nicht), wodurch der Kennwert zur Bewertung einer möglichen Verbin- dung als Quotient aus Nutzen und Kosten allein durch die verursachten Kosten be- stimmt wird. Für viele Produkte kann der Quotient aus Kosten und Nutzen bei der Suche nach der optimalen Verbindung herangezogen werden, jedoch ist die Ermittlung der Kosten ei- ner Verbindung aufgrund der beschrieben Interdependenzen in modernen Produktar- chitekturen sehr aufwendig. Weiter sind neben den funktionalen, wirtschaftlichen und produktspezifischen Anforderungen auch die Auswirkungen auf die (Produktions-)Komplexität zu berücksichtigen. Konstruktionsprozess Die Notwendigkeit der Verbesserung der Unterstützung von Konstrukteuren bei der Auswahl und Gestaltung von Verbindungen begründet sich hauptsächlich in zwei Punkten: 1. Der Problemlösungsprozess ist nicht kontinuierlich, allgemeine Regeln zum Übergang zwischen den einzelnen Stufen gibt es nicht und werden daher pro- jektspezifisch festgelegt [ALBERS11, S. 204]. 2. Die Bekanntheit, Verbreitung und Durchdringung von Methoden aus der Wis- senschaft ist in der Praxis nicht oder nicht ausreichend gegeben [GEIS08, S. 369; LÓPEZ-MESA11, S. 8]. Gründe für den geringen Einsatz bestehender Methoden sind sowohl bei den Entwick- lern der Methoden als auch bei den Anwendern der Methoden zu suchen: • Aufgrund einer zu großen Distanz zwischen Entwickler und Anwender sind die Methoden oftmals zu wenig auf die Bedürfnisse und Anforderungen der Anwen- der ausgelegt [GEIS08, S. 370; LÓPEZ-MESA11, S. 8] • Das Erlernen der Methoden ist zu aufwendig [LÓPEZ-MESA11, S. 8] • Die Methoden sind auf unterschiedliche Medien verteilt [BAUER09, S. 1] - 8 - 1 Einleitung Um den Aufwand bei der Auswahl der Verbindung für den Konstrukteur überschaubar zu halten und dabei gleichzeitig die Berücksichtigung und Bewertung aller funktional möglichen Verbindungen zu gewährleisten, bedarf es jedoch methodischer Unterstüt- zung. Bereits in den 1970er-Jahren forderte der Verein Deutscher Ingenieure dazu geeignete Hilfsmittel [VDI75, S. 2 f.]. Diese sind jedoch bis heute nicht in ausreichen- dem Maße vorhanden. Reproduzierbarkeit Die Entwicklung komplexer Produkte ist heutzutage von einer starken Arbeitsteilung gekennzeichnet. Bauteilverantwortliche entwerfen vermehrt eine Baugruppen für un- terschiedliche Baureihen, um Synergieeffekte zu erzielen (vgl. Kapitel 1.1.2). Aus der Arbeitsteilung resultiert neben den Vorteilen im Konstruktionsprozess auch eine Reihe von Problemen. Die Reproduzierbarkeit von konstruktiven Lösungen stellt eine der größten Herausforderungen bei der Auswahl und Gestaltung von Verbindun- gen dar, da sie notwendige Voraussetzung für die Verhinderung einer weiteren Zu- nahme des Teilespektrums und damit der Erhöhung der Komplexität in allen Unter- nehmensbereichen ist. Konfrontiert man verschiedene Konstrukteure unabhängig voneinander mit demselben Gestaltungsproblem, so ist es sehr wahrscheinlich, dass die Anzahl der unterschiedli- chen Lösungen der Anzahl der befragten Konstrukteure entspricht. Aufgrund des sehr großen Lösungsraums (für eine einfache Verbindungsaufgaben sind bereits mehr als 10.000 unterschiedliche Verbindungen möglich [RUSITSCHKA11, S. 105]) ist dies na- hezu nicht auszuschließen. Dazu kommt, dass sich die Arbeitsweise der Konstrukteure in der Praxis deutlich unterscheidet und auch der messbare Erfolg verschieden ist [JÄNTSCH07, S. 269; BENDER04, S. 216]. Die Übertragung von Lösungen von einem Anwendungsfall auf andere ähnliche Anwendungsfälle ist nur zum Teil gegeben [MON- TALBO10, S. 127]. Dies macht die Weiterentwicklung der Unterstützung der Auswahl und Gestaltung von Verbindungen notwendig, da es keine ausreichende methodische Unterstützung zur Berücksichtigung der Produktionsbelange in der Entwicklung gibt [MEERKAMM11, S. 55; BLUEZE10, S. 91; EHRLENSPIEL92, S. 180]. 1.2 Problemstellung - 9 - Trends Die beschriebene Relevanz der Verbindung und deren Auswahl im Konstruktionspro- zess (vgl. Kapitel 1.1.1–1.1.3) wird durch die globalen Megatrends der Individualisie- rung und Ressourcenknappheit weiter verstärkt. Mit der Vielzahl unterschiedlicher Produkte und Individualisierungsmöglichkeiten re- präsentiert die Automobilindustrie die variantenreiche Serienfertigung in einer außer- ordentlichen Ausprägung sowohl in Bezug auf den Variantenreichtum als auch auf die Stückzahl. Als Folge der aus dem Variantenreichtum induzierten Komplexität reduzie- ren die aktuell am Markt befindlichen Unternehmen seit mehr als 30 Jahren die Ferti- gungstiefe kontinuierlich und verteilen diese damit auf die Zulieferer. Für die deutsche Automobilindustrie liegt diese derzeit bei 20–25 % (vgl. Bild 1.3). Die von den OEM erbrachte Wertschöpfung konzentriert sich dabei auf Umform-, Beschichtungs- und Verbindungsprozesse. Die Wirtschaftlichkeit dieser Prozesse hat damit zukünftig ei- nen großen Einfluss auf den Erfolg des Gesamtunternehmens. Bild 1.3: Fertigungstiefe in der deutschen Automobilindustrie [GHASSEMIEH11, S. 78] Weiter trägt der globale Megatrend der Nachhaltigkeit, forciert durch steigende Mine- ralölpreise, dazu bei, dass die Steigerung der Effizienz und Reduzierung des Kraft- stoffverbrauchs bei der Entwicklung von Automobilen immer weiter in den Vordergrund 20 25 30 35 40 '80 '82 '84 '86 '88 '90 '92 '94 '96 '98 '00 '02 '04 '06 F e rt ig u n g s ti e fe i n % Jahr - 10 - 1 Einleitung rückt. Konkurrieren derzeit effiziente Verbrennungsmotoren mit alternativen Antriebs- konzepten wie Hybridantrieb, batterieelektrischem Fahren und Brennstoffzellen, so ist, von dem Antriebskonzept losgelöst, das Gewicht ein entscheidender Faktor für die Effizienz eines Fahrzeuges. Die Reduktion des Fahrzeuggewichts um 10 % führt, ab- hängig von dem Antriebskonzept, zu einer Verbrauchsverringerung zwischen 2 und 6 % [ESPIG06, S. 1090]. Seit den 1970er-Jahren steigt das Fahrzeuggewicht aufgrund von Verbesserungen der Sicherheit und des Ausstattungsumfangs (Funktion und Komfort) stetig (vgl. Bild 1.4). Bild 1.4: Entwicklung des Gewichts von Kompaktwagen [FKA02] Mit dem Einsatz neuer, leichterer Materialien arbeiten Hersteller gegen diesen Trend an. Nach dem verstärkten Einsatz von Aluminium seit den 1990er-Jahren zeichnet sich aktuell ein Trend hin zu Verbundwerkstoffen ab [GHASSEMIEH11, S. 368]. Die Integra- tion dieser Materialien in die bestehenden Produktarchitekturen bedeutet eine große Herausforderung für die Verbindungstechnik, da bestehende Lösungen nicht oder nur eingeschränkt auf die neuen Werkstoffe übertragen werden können [HAGE09, S. 42]. Eine detaillierte Betrachtung der Trends und ihrer Auswirkungen auf die Produktion findet sich in Kapitel 2.1.2. 1.3 Forschungslücke Ford Escort 1250 1150 1050 950 850 750 650 1970 1974 19821978 1986 1990 1994 1998 2002 kg Citroen GS Opel Kadett Golf I Ford Escort Fiat Ritmo Opel Kadett Renault 9 Peugeot 305 Toyota Corolla Golf II Opel Kadett Fiat Tipo Renault 19 Opel Astra Golf III Citroen ZX Peugeot 306 Renault Megane Fiat Brava Golf IV Ford Focus Opel Astra Seat Toledo Honda Civic Toyota Corolla Peugeot 307 Fiat Sallo G e w ic h t in k g 1.4 Zielsetzung und Forschungsfragen - 11 - Derzeit sind in Wissenschaft und Praxis keine Methoden bekannt, welche die beschrie- benen Anforderungen an die Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenrei- chen Serienfertigung vollständig erfüllen. Bestehenden Ansätzen zur Unterstützung der Auswahl fehlt es insbesondere an der Berücksichtigung der Besonderheiten neuer Werkstoffe und Verbindungstechniken sowie der Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Verbindungen. Dies hat zur Folge, dass innovative Materialien und Verbindungen sel- ten zum Einsatz kommen und die Gefahr besteht, dass Verbindungen ausgewählt wer- den, die nicht das wirtschaftliche Optimum darstellen. Die Beschreibung der zukünftigen Handlungsfelder bei der Produktgestaltung von Ashby [ASHBY04, S. 62 ff.] zeigt die Relevanz der Unterstützung: • Prozessauswahl und Modellierung • Identifikation von Anwendungen für neue Materialien • Berücksichtigung des Lebenszyklus • Vernetzung der Werkzeuge zur Auswahl von Material und Fertigungsprozess mit geometrischen Modellierungs- und Auslegungswerkzeugen • Multimaterial Auswahl • Auswahl funktionaler Materialien Der Gewährleistung der Auswahl der wirtschaftlichsten Verbindung für das gegebene Problem kommt heute bereits eine große Bedeutung zu. Diese wird sich aufgrund der beschriebenen Trends in der variantenreichen Serienfertigung noch weiter verstärken. Das Schließen der Forschungslücke birgt daher nicht nur in wissenschaftlicher Hin- sicht großes Potenzial, sondern auch in Bezug auf die Anwendung in der Industrie. 1.4 Zielsetzung und Forschungsfragen Mit der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Se- rienfertigung wird die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Verbindungsprozesse in der Produktion um 5–10 % angestrebt. Dementsprechend adressiert die Arbeit folgende drei Forschungsfragen: 1. Wie lässt sich eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen beschreiben, sodass daraus alle im Lösungsraum existenten Alternativen abgeleitet werden können? 2. Wie lassen sich alle im Lösungsraum enthaltenen Verbindungen ermitteln und bewerten? - 12 - 1 Einleitung 3. Kann die entwickelte Methodik den Konstruktionsprozess von Verbindungen vereinfachen sowie reproduzierbar machen und dabei die Auswahl und Ausle- gung der Verbindungen entsprechend der Wirtschaftlichkeit verbessern? Damit beinhaltet die Arbeit theoretische und praktische Gesichtspunkte. Die theoreti- schen Aspekte beziehen sich auf die Untersuchung bestehender Ansätze in Literatur und Wissenschaft. Bei der Betrachtung der Praxis sind zwei Perspektiven zu berück- sichtigen: Entwicklung und Produktion. Die Problemanalyse gliedert sich daher in zwei Teile: Die Untersuchung des Entwicklungsprozesses und die Analyse der Produktions- aufwendungen bei der Verbindung von Bauteilen. Die wissenschaftstheoretische Einordnung liefert Basis und Struktur für den Aufbau der Arbeit. 1.5 Wissenschaftstheoretische Einordnung und Struktur Wissenschaftstheorie, auch Wissenschaftswissenschaft genannt, beschäftigt sich mit der theoretischen Klärung der Voraussetzungen, Strukturen und Ziele wissenschaftli- cher Aussagen, Methoden sowie Systembildung [Brockhaus90, S. 123]. Dabei wird die Wissenschaft als das menschliche Denken beschrieben, welches in bestimmten spezialisierten Institutionen nach dort bestimmten Regeln (Kriterien, An- sprüche) stattfindet und als Ergebnis „wissenschaftliche Erkenntnis“ hat. Die Wissen- schaft erstreckt sich entsprechend dem menschlichen Denken über alle Bereiche der sinnlichen Wahrnehmung. Die Erstellung einer Wissenschaftssystematik ermöglicht es, spezifische Probleme einer Wissenschaftskategorie zuzuordnen [ULRICH76, S. 305]: Auf oberster Ebene erfolgt die Unterscheidung zwischen Formal- und Realwissen- schaften. Formalwissenschaften (u. a. Philosophie, Logik, Mathematik) beschäftigen sich mit der Entwicklung von Sprachen und Zeichensystemen sowie von Regeln zur Verwendung. Realwissenschaften beschäftigen sich mit der Beschreibung, Erklärung und Gestaltung empirisch wahrnehmbarer Wirklichkeitsausschnitte und bedingen da- bei die Formalwissenschaften. Innerhalb der Realwissenschaften lassen sich die rei- nen und die angewandten Wissenschaften unterscheiden. Reine Wissenschaften (u. a. Naturwissenschaften), auch als Grundlagenwissenschaften beschrieben, haben ein theoretisches Ziel und fokussieren auf die Erklärung von Wirklichkeitsausschnitten mit- tels Erklärungsmodellen. Angewandte Wissenschaften (u. a. Ingenieurwissenschaf- ten, angewandte Sozialwissenschaften, Betriebswirtschaftslehre), auch als 1.5 Wissenschaftstheoretische Einordnung und Struktur - 13 - Handlungswissenschaften beschrieben, haben ein praktisches Ziel und fokussieren auf die Analyse und Entwicklung menschlicher Handlungsalternativen zwecks Gestal- tung sozialer und technischer Systeme [ULRICH76, S. 305 f.]. Im Sprachgebrauch wird Wissenschaft oftmals mit Grundlagenwissenschaft gleichge- setzt und die Anwendung wissenschaftlicher Erkenntnisse z. B. im Bereich der Medi- zin, Technik, Wirtschafts- und Sozialwissenschaften dabei überwiegend der Praxis zu- geordnet [ULRICH01a, S. 169]. Jedoch gelten die beiden Grundprobleme des realwis- senschaftlichen Denkens, das Subjektivitäts- und das Kommunikationsproblem so- wohl für die Grundlagen- als auch für die Handlungswissenschaften und geben ent- sprechende Regeln vor [ULRICH76, S. 306]: • Beobachtungsregeln: Begrenzung der Subjektivität durch Ausschalten oder Kontrolle des Wahrnehmungsfilters • Wertefreiheitsregeln: Vermeidung von Interessensbezügen oder deren Offenle- gung • Sprachregeln: Abbildung der Realität durch gemeinsame, präzise Sprache • Induktionsregeln: Begrenzung der Verallgemeinerungsfähigkeit von Einzelaus- sagen Neben den beschriebenen Gemeinsamkeiten lassen sich zwischen den angewandten und den reinen Wissenschaften jedoch auch deutliche Unterschiede in Bezug auf wis- senschaftstheoretische und forschungsmethodische Merkmale beschreiben [UL- RICH01a, S. 171]. Diese lassen sich anhand des Entstehungs-, Begründungs- und An- wendungszusammenhangs, wie in Tabelle 1.1 gezeigt, beschreiben: - 14 - 1 Einleitung Wissenschaftstheorie Auswahl von lösbaren Verbindun- gen in der variantenreichen Serien- fertigung E n td e c k u n g s z u s a m m e n h a n g ( E Z ) Reine Wissenschaft: • Diskrepanzen zwischen Theorie und Beobachtung • kein direkter Bezug zu einem Problem aus der Praxis notwendig Anwendungsorientierte Wissen- schaft: • kein befriedigendes Wissen zur Lösung zur Verfügung • Kriterien wie Sicherheit, Kostenmi- nimierung, Haltbarkeit [ULRICH01a, S. 172] • In Erzeugnissen der variantenrei- chen Serienfertigung finden sich Verbindungen, welche nicht dem technischen und wirtschaftlichen Optimum entsprechen. • Bestehende Lösungen unterstüt- zen die Auswahl der Verbindung im Konstruktionsprozess nicht ausreichend. • Kriterium für die Bewertung einer funktional möglichen Verbindung ist deren Wirtschaftlichkeit. B e g rü n d u n g s z u s a m m e n h a n g (B Z ) Reine Wissenschaft: • Konfrontation der Hypothesen mit Beobachtungen der Realität • Grundlage zur Ermittlung der Gül- tigkeit von Theorien, Hypothesen und Erklärungen (Falsifikations- versuch) Anwendungsorientierte Wissen- schaft: • Ausgangspunkt für Problemlösung [ULRICH01a, S. 173] • Ausgangspunkt für die Problemlö- sung ist die in der variantenreichen Serienfertigung zum Einsatz kom- mende Verbindungstechnik. V e rw e n d u n g s - z u s a m m e h a n g ( V Z ) Reine Wissenschaft: • untergeordneter Bedeutung Anwendungsorientierte Wissen- schaft: • im Fokus [ULRICH01b, S. 306] • Ziel der Verwendung der Unter- stützung zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenrei- chen Serienfertigung ist die Ver- besserung der Wirtschaftlichkeit dieser Verbindungen. Tabelle 1.1: Entstehungs-, Begründungs- und Verwendungszusammenhang nach [ULRICH01a] 1.5 Wissenschaftstheoretische Einordnung und Struktur - 15 - 1.5.1 Einordnung der Arbeit Der praktische Erfahrungshintergrund des Verfassers aus Tätigkeiten in der betriebli- chen Praxis unterschiedlicher Unternehmen der Automobil(zuliefer-)industrie und die dabei gewonnenen Erkenntnisse über Potenziale sowie der wissenschaftliche Diskurs auf dem Gebiet des Methodischen Konstruierens und der Wissensverarbeitung in der Produktentwicklung stehen in enger Beziehung mit dem Entstehungszusammenhang der vorliegenden Arbeit. Ziel der Arbeit ist es, die erkannten Probleme (Entstehung im Praxiszusammenhang) durch Handlungsalternativen zu verbessern. Im Vordergrund steht der Verwendungszusammenhang mit der Frage nach dem Zweck und Nutzen der erarbeiteten wissenschaftlichen Erkenntnis (Nutzenkriterium). Entsprechend der damit einhergehenden wissenschaftstheoretischen Einordnung in den Bereich der an- gewandten Realwissenschaften wird ein an Ulrich angelehnter Forschungsansatz ge- wählt, bei welchem auf die Phasen mit Praxiszusammenhang besonderes Augenmerk gelegt werden [ULRICH01a, S. 194]. 1.5.2 Aufbau und Gliederung Entsprechend der Zuordnung der Arbeit zu den angewandten Realwissenschaften ori- entiert sich der Aufbau an der von [ULRICH01a] dafür beschriebenen Gliederung (vgl. Bild 1.5). Die dieser Gliederung zugrunde liegende Forschungskonzeption und -methode sieht den Ursprung des Forschungsprozesses nicht in der Theorie mit der Prüfung von Hy- pothesen, sondern in der Praxis mit der Untersuchung des Anwendungszusammen- hangs (vgl. Bild 1.5), wo der Forschungsprozess auch endet. Damit bilden die Phasen mit direktem Praxisbezug (Phasen 1, 4, 6 und 7) mit der Erfassung und Typisierung praxisrelevanter Probleme, der Erfassung und Untersuchung des relevanten Anwen- dungszusammenhangs sowie dessen Prüfung in dieser Arbeit die wissenschaftliche Hauptaufgabe [ULRICH01a, S. 194]. - 16 - 1 Einleitung Bild 1.5: Struktur der Arbeit entsprechend der wissenschaftstheoretischen Einord- nung 1. Erfassung und Typisierung praxisrelevanter Probleme 2. Erfassung und Interpretation problemrelevanter Theorien und Hypothesen der empiri- schen Grundlagenwissen- schaft 3. Erfassung und Spezifizie- rung problemrelevanter Ver- fahren der Formalwissen- schaften 4. Erfassung und Untersu- chung des Anwendungszu- sammenhangs 5. Ableitung von Beurteilungs- kriterien, Gestaltungsregeln und -modellen 6. Prüfung der Regeln und Mo- delle im Anwendungszusam- menhang 7. Beratung der Praxis 1. Einleitung 2. Ausgangssituation 3. Stand der Technik 4. Konkretisierung der Auf- gabenstellung, Ableiten von Anforderungen 5. Lösungsansatz 8. Zusammenfassung 7. Evaluation und Bewer- tung 6. Realisierung der Neue- rung Struktur nach Ulrich [UL- RICH01a] für angewandte Realwissenschaften „Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindun- gen in der variantenrei- chen Serienfertigung“ 9. Ausblick 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 17 - 2 Ausgangssituation Die beschriebenen Beobachtungen aus der Praxis beziehen sich auf eine im Zeitraum von 2010 bis 2013 durchgeführte Analyse der Produkte, Produktionsprozesse und Pro- duktentwicklungsprozesse eines Industrieunternehmens der Automobilbranche. Ent- sprechend der Forschungskonzeption (vgl. Kapitel 1.5) liegt der Schwerpunkt der Ana- lyse auf der Untersuchung und Erfassung des Anwendungszusammenhangs in der Produktion und Entwicklung. Dazu werden die in der Produktion aktuell zum Einsatz kommenden Verbindungen dargestellt, geordnet und analysiert (vgl. Kapitel 2.1). Die Ergebnisse der Analyse zei- gen die Komplexität einer aktuellen automobilen variantenreichen Serienfertigung und liefern als Vergleichsbasis die Voraussetzung für die Evaluierung der erarbeiteten Al- ternativlösungen. Im Bereich der Entwicklung werden zwei Teilaspekte untersucht: Die Prozesse bei der Auswahl der Verbindungstechnik (vgl. Kapitel 2.2) und die Werkzeuge zur Unterstüt- zung der Auswahl der Verbindungstechnik (vgl. Kapitel 2.3). Zusammen ergeben diese Untersuchungen sowohl eine vollständige Prozessbeschreibung mit den zeitlichen Ab- hängigkeiten als auch die Übersicht der an dem Prozess beteiligten Personen und deren Beziehungen zueinander. 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung Entsprechend der aufgezeigten Trends und der daraus resultierenden zunehmenden Anzahl an Bauteilen kommt der Verbindungstechnik eine steigende Bedeutung zu. Je- des Bauteil benötigt zu seinem Nachbarbauteil eine Verbindung. Dabei kann es sich um eine feste oder lose Verbindung handeln. Feste Verbindungen, wie z. B. Schraub- verbindungen, bezeichnen dabei Verbindungen, welche die Bewegung zwischen den verbundenen Bauteilen verhindern [EHRLENSPIEL07, S. 261], während lose Verbindun- gen, wie z. B. Lager, Bewegungen zwischen diesen zulassen. Feste Verbindungen lassen sich weiter in lösbare, bedingt lösbare und unlösbare Ver- bindungen aufteilen (vgl. Bild 2.1): - 18 - 2 Ausgangssituation < Bild 2.1: Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung [BINZ14, S. 7-5] Im weiteren Verlauf der Arbeit werden feste, lösbare Verbindungen untersucht, welche in der automobilen Montage den Schwerpunkt bilden. 2.1.1 Lösbare Verbindungen in der automobilen Montage Zur Strukturierung und Eingliederung der in der automobilen Montage zum Einsatz kommenden Verbindungen wird die Beschreibung der Funktionen in der Montage von Lotter [LOTTER06, S. 2] verwendet. Montageprozesse lassen sich entsprechend dieser in die Teilfunktionen Fügen, Handhaben, Kontrollieren, Justieren und Sonderoperatio- nen aufgliedern (vgl. Bild 2.2). Die Prozesse zur Verbindung von Bauteilen fallen dabei hauptsächlich in den Bereich des Fügens, wenngleich teilweise auch Handhabungs-, Kontroll- und Justagetätigkei- ten notwendig sind. Die daraus resultierenden Aufwendungen sind bei der ganzheit- lichen Ermittlung der Kosten ebenfalls zu berücksichtigen und werden daher in der Prozessanalyse (vgl. Kapitel 2.2) näher beschrieben. 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 19 - Bild 2.2: Funktionen in der Montage nach Lotter [LOTTER06, S. 2] (grau markiert die in der Arbeit betrachteten Umfänge) Zur Strukturierung der lösbaren festen Verbindungen in der automobilen Montage wird die Deutsche Industrienorm DIN 8593 für das Fertigungsverfahren Fügen [HOLBERY06] verwendet. Entsprechend dieser lassen sich die in der automobilen Montage zum Ein- satz kommenden Verbindungen zwei Untergruppen zuordnen: • Zusammensetzen (vgl. Kapitel 4.1) • Anpressen/ Einpressen (vgl. Kapitel 4.3) Für die weitere Untersuchung wurde das in der DIN 8593 beschriebene Ordnungs- schema verfeinert, sodass die einzelnen Montageverbindungen voneinander abge- grenzt werden können (vgl. Tabelle 2.1). Die Granularität wurde dabei mit Blick auf die Montieren Fügen DIN 8593 Zusammen- setzen Füllen Anpressen und Einpressen Fügen durch Urformen Fügen durch Umformen Fügen durch Schweißen Fügen durch Löten Kleben Textiles Fügen Handhaben VDI 2860 Speichern Menge verändern Bewegen Sichern Kontrollieren Kontrollieren VDI 2860 Prüfen Messen Justieren DIN 8580 Justieren durch Einformen Justieren durch Umformen Justieren durch Trennen Justieren durch Fügen von Ausgleichsteilen Justieren durch Einstellen Justieren durch Nachbehandeln Sonder- operationen Markieren Erwärmen Kühlen Reinigen Entgraten Bedrucken Abdecken Abziehen Auspacken Ölen Einsprühen Abdichten - 20 - 2 Ausgangssituation Bewertung der Aufwendungen so gewählt, dass eine ganzheitliche Ermittlung möglich wird. Katego- rie Unterkategorie 1 Unterkategorie 2 Verbindungstech- nik Bild 4 Fügen 4.1 Zusammen- setzen 4.1.6 federnd Einspreizen Clip in Blechdurchzug Clip in Fließloch Clip auf Schweißbolzen Clip in Loch (einzeln) Clip in Loch (bauteilintegriert) 4.3 Anpressen/ Einpressen 4.3.1 Schrauben Schraube in Blindnietmutter Schraube in Nietmutter Schraube in Stanzmutter Schraube in Schweißmutter Schraube in Spreizdübel/ Schnappmutter Tabelle 2.1: Lösbare Verbindungstechniken in der Automobilmontage 1/2 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 21 - - 22 - 2 Ausgangssituation Kategorie Unterkategorie 1 Unterkategorie 2 Verbindungstechnik Bild 4 Fügen 4.3 Anpressen/ Einpressen 4.3.1 Schrauben Schraube in Gewindeeinsatz Schraube in Gewinde Selbstfurchende Schraube in Loch Selbstfurchende Schraube in Blechdurchzug Selbstfurchende Schraube in Fließloch Mutter auf Schweißschraube Mutter auf Einpressbolzen Mutter auf Blindnietbolzen Mutter auf Schweißbolzen Mutter auf Stanzbolzen Tabelle 2.1: Lösbare Verbindungstechniken in der Automobilmontage 2/2 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 23 - Hier sind nicht nur die in der Montage anfallenden Aufwendungen, wie beispielsweise das Einschrauben einer Schraube in eine Schweißmutter, zu erfassen, sondern auch die vorgelagerten Prozessschritte, wie im oben beschriebene Beispiel das Einbringen der Durchgangslöcher in die Bauteile und der Schweißprozess zur Befestigung der Schweißmutter. Wie in Tabelle 2.1 ersichtlich, bilden Schraubverbindungen in Bezug auf die Anzahl der unterschiedlichen Verbindungstechniken den Schwerpunkt unter den Verbindungen der automobilen Montage. Das beschriebene Ordnungsschema nutzend, wurde eine Analyse der Schraubverbin- dungen eines Fahrzeuges der oberen Mittelklasse durchgeführt. Die Auswahl des Fahrzeugs erfolgte entsprechend zweier Kriterien: 1. Hohe Ausstattungsvielfalt (Quantifizierung der aus der Individualisierung resul- tierenden Effekte) 2. Sehr große Stückzahl (konstruktive Entscheidungen haben aufgrund der hohen Stückzahlen große Auswirkungen auf Unternehmensergebnis) Ermittelt wurde dabei die Gesamtanzahl der Schraubverbindungen, die Aufteilung auf die unterschiedlichen Typen von Schraubverbindungen und deren charakteristische Merkmale (Spezifizierung Verbindungselemente, Montageprozessgrößen, Dokumen- tationspflicht etc.). Insgesamt wurden 1.384 Verschraubungen untersucht, die sich auf 665 Schraubfälle verteilen. Ein Schraubfall beinhaltet eine oder mehrere Schraubstellen und beschreibt die Schraubverbindung zwischen zwei oder mehreren Bauteilen vollständig. Neben der Spezifikation der zu verbindenden Bauteile werden auch Montageprozessgrößen wie Drehmoment, Drehwinkel und Kategorisierung der Verschraubung sowie die zu verwendenden Werkzeuge erhoben. Dabei standen Bauteilgewicht, Bauteilwerkstoff, Verbindungstechnik und die Anzahl der Befestigungsstellen im Fokus. Bauteilgewicht Die Masse der zu befestigenden Bauteile reicht von 16 g bis 25.000 g. Zur Clusterung der Massen wurde die Normzahlreihe R5 mit Faktor 1,6 [DIN74, S. 1] und einem Start- wert von 100 g verwendet (vgl. Bild 2.3). - 24 - 2 Ausgangssituation Bild 2.3: Anzahl der Schraubfälle pro Masse Auffällig ist die Häufung der Befestigung von sehr leichten Bauteilen mit Schraubver- bindungen. Mehr als die Hälfte der Bauteile (60 %) haben eine Masse von weniger als 1.000 g. Bauteilwerkstoff Hinsichtlich des Werkstoffs der befestigten Bauteile lassen sich zwei Auffälligkeiten ausmachen (vgl. Bild 2.4): Einerseits ist Kunststoff der am häufigsten verschraubte Werkstoff (36 %), was durch die große Anzahl an Elektronikkomponenten wie Senso- ren, Steuergeräte und Kabelführungen zu erklären ist. Zum anderen lassen sich ein- gangs beschriebene Tendenzen zu Leichtbauwerkstoffen wie Aluminium und hochfes- ten Stählen zeigen (vgl. 1.2). Bauteile aus Aluminium und hochfesten Stählen über- wiegen mit 32 % die Bauteile aus Stahl (29 %). Können Verbindungen zwischen Bau- teilen aus konventionellem Stahl kostengünstig mit thermischen Verbindungsverfahren wie dem Widerstandpunktschweißen ausgeführt werden, muss bei Hybridverbindun- gen häufig auf teure Schraubverbindungen oder mechanische Verbindungen wie das Stanznieten zurückgegriffen werden. Dies verdeutlicht die Herausforderung bei der In- tegration von Bauteilen aus Leichtbauwerkstoffen [HAGE09, S. 42]. 0 5 10 15 20 1 0 0 1 6 0 2 5 0 4 0 0 6 3 0 1 0 0 0 1 6 0 0 2 5 0 0 4 0 0 0 6 3 0 0 1 0 0 0 0 1 6 0 0 0 2 5 0 0 0 A n z a h l d e r S c h ra u b fä lle i n % Masse in g 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 25 - Bild 2.4: Anzahl der Schraubfälle pro Werkstoff des zu befestigenden Bauteils Im Bereich des Automobilbaus werden die meisten Bauteile an der Karosse selbst befestigt. Die Detailbetrachtung der mehr als 200 befestigten Kunststoffbauteile zeigt dies sehr deutlich (vgl. Bild 2.5). Untersuchungsgegenstand war eine Karosse mit kon- ventioneller Architektur, welche hauptsächlich aus Stahl besteht. Dies spiegelt sich auch in dem hohen Anteil an Kunststoffbauteilen wider (53 %), welche mit einem Stahl- bauteil verschraubt werden. Für Fahrzeuge mit einem höheren Anteil an Aluminium oder anderen Leichtbauwerkstoffen verschiebt sich der geringe Anteil (1 %) dement- sprechend zugunsten dieser Werkstoffe. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Kunststoff Stahl Stahl hochfest Aluminium Gusswerkstoff A n z a h l d e r S c h ra u b fä lle i n % Bild 2.5: Anzahl der Schraubfälle pro Werkstoff des Trägerbauteils am Beispiel Kunst- stoff 0 10 20 30 40 50 60 Stahl Kunststoff Stahl hochfest Gusswerkstoff Aluminium A n z a h l d e r S c h ra u b fä lle i n % - 26 - 2 Ausgangssituation Verbindungstechnik Zur differenzierten Betrachtung der Verbindungstechniken wird die in Tabelle 2.1 be- schriebene Clusterung der lösbaren Verbindungen mit dem Fokus auf Schraubverbin- dungen genutzt. Entfallen der Großteil der Schraubfälle auf die Verbindungstechnik „Mutter auf Schweißbolzen (metrisches Gewinde)“ (19 %) und „Schraube in Schweiß- mutter“ (16 %), so verteilen sich die übrigen Schraubfälle nahezu gleichmäßig auf die übrigen Verbindungstechniken. Die Berücksichtigung von vierzehn unterschiedlichen Befestigungsarten verdeutlicht nochmals die durch die Verbindungstechnik hervorge- rufene Komplexität in der Produktion. Bild 2.6: Anzahl der Schraubfälle pro Verbindungstechnik 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 M u tt e r a u f S c h w e iß b o lz e n (m e tr is c h e s G e w in d e ) S c h ra u b e i n S c h w e iß m u tt e r S c h ra u b e i n G e w in d e i n D u rc h g a n g s lo c h ( m e tr . G e w in d e ) S c h ra u b e i n G e w in d e i n S a c k lo c h (m e tr . G e w in d e ) S c h ra u b e i n S c h n a p p m u tt e r S c h ra u b e i n G e w in d e i n S a c k lo c h (G ro b g e w in d e i n K u n s ts to ff ) S c h ra u b e + M u tt e r in D u rc h g a n g s lo c h S c h ra u b e i n S ta n z m u tt e r S c h ra u b e i n S p re iz d ü b e l S c h ra u b e i n G e w in d e i n D u rc h g a n g s lo c h ( G ro b g e w in d e … M u tt e r a u f G e w in d e a u f B a u te il M u tt e r a u f S c h w e iß b o lz e n (G ro b g e w in d e ) M u tt e r a u f G e w in d e b o lz e n S c h ra u b e i n B lin d n ie tm u tt e r A n z a h l d e r S c h ra u b fä lle i n % 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 27 - Anzahl der Verbindungsstellen Die Anzahl der Verbindungsstellen pro Schraubfall bewegt sich zwischen einer und 14 (vgl. Bild 2.7). Schraubverbindungen mit nur einer Schraubstelle sind am häufigsten, gefolgt von solchen mit zwei Schraubstellen. Die Detailanalyse zeigt jedoch, dass es sich bei diesen häufig um Hybridverbindungen handelt, bei welchen neben der Schraubverbindung ein weiteres geometrisches Element zur Verdrehsicherung oder Abstützung genutzt wird. Bild 2.7: Anzahl der Schraubfälle pro Anzahl der Verbindungsstellen Die Analyse der Schraubverbindungen eines Fahrzeugs zeigt die zu beherrschende Vielfalt sowohl bei den zu verbindenden Bauteilen als auch bei den verwendeten Ver- bindungen und damit die Notwendigkeit der methodischen Unterstützung bei deren Auswahl. 2.1.2 Trend bei eingesetzten Materialien und Verbindungen in der Automobil- industrie Materialien Die heute und zukünftig zum Einsatz kommenden Materialien können in zwei Hauptka- tegorien unterteilt werden: Metalle und Verbundwerkstoffe. Nach wie vor spielt bei den Metallen Stahl eine dominierende Rolle. Ein aktuelles Mit- telklassefahrzeug besteht zu mehr als 60 % aus Stahl [GHASSEMIEH11, S. 373]. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 1 2 4 3 5 6 8 7 14 10 A n z a h l d e r S c h ra u b fä lle i n % - 28 - 2 Ausgangssituation Vorteile sind u. a. die geringen Kosten, die langjährige Erfahrung mit dem Material so- wie die positiven Crasheigenschaften. Neue Legierungen sowie neue Umform- (Tailo- red Blanks, Hydroforming) und Fügeverfahren (Laserschweißen) für Stahlbauteile bie- ten weitere Möglichkeiten der Gewichtsreduktion. Neben der Verwendung von Stahl nimmt der Einsatz von Aluminium stetig zu. Fanden sich 1996 noch durchschnittlich 110 kg Aluminium in einem Fahrzeug, so wird sich dieser Wert bis 2015 auf 250 kg bis 340 kg (ohne/mit Strukturbauteile) mehr als verdoppeln [SEARS97]. Aluminium wurde bisher hauptsächlich für Gussbauteile (Motoren, Getriebe und Räder) sowie für Kühler verwendet. Darüber hinaus kommt Aluminium für Karosseriestrukturen und Beplan- kungen zum Einsatz, wo sich große Potenziale zur Gewichtsreduzierung verbergen [GHASSEMIEH11, S. 378]. Magnesium und Magnesiumlegierungen bieten zusätzliche Gewichtsvorteile gegenüber Aluminium, bedeuten jedoch für Konstruktion und Produk- tion eine Vielzahl von Herausforderungen [GHASSEMIEH11, S. 383]. Verbundwerkstoffe sind bereits seit den 1950er-Jahren in der Automobilbranche be- kannt und wurden überwiegend für Kleinserien eingesetzt, bei welchen das Gewicht im Vordergrund stand. Die Übertragung auf die Mittel- und Großserie ist aufgrund von hohen Produktionskosten, zeitaufwändigen Fertigungsprozessen, geringer Energie- aufnahme im Crashfall und Herausforderungen beim Recycling bislang nicht erfolgt. Die Kosten im Vergleich zu metallischen Werkstoffen sind derzeit um den Faktor 10 höher [GHASSEMIEH11]. Um die möglichen Gewichtseinsparungen dennoch zu nutzen, sind Hybridbauweisen aus unterschiedlichen Fasern anzustreben, bei welchen kos- tengünstige Fasern und Hochleistungsfasern wie Kohlefaser beanspruchungsgerecht kombiniert werden. Derzeit existieren keine Verbindungstechniken für Verbindungen zwischen Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen oder zwischen Bauteilen aus Faser- verbundwerkstoffen und Metallbauteilen, welche die Anforderungen der automobilen Großserienfertigung in Bezug auf Stückzahl und Effizienz erfüllen. Für eine Großseri- entauglichkeit sind einerseits Verbindungstechniken zu entwickeln, welche über die bestehenden Klebeverbindungen hinausgehen, da diese die Anforderungen der Seri- enfertigung in Bezug auf die Taktzeit nicht erfüllen. Dazu sind parallel schnelle, sichere und kostengünstige Methoden zur Prüfung dieser zu entwickeln [GHASSEMIEH11, S. 387]. Unter den Faserverbundwerkstoffen lässt sich mit den Naturfaserverbundwerkstoffen eine weitere Gruppe beschreiben, welche in der Zukunft weiter an Bedeutung zuneh- men wird [FRIEDRICH13, S. 368]. Neben geringen Kosten sprechen die 2.1 Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung - 29 - Recyclingfähigkeit und eine positive CO2-Bilanz für diese Werkstoffe. Die Natur bietet dabei eine Vielzahl unterschiedlicher Quellen (vgl. Tabelle 2.2). Blast Leaf Seed Fruit Stalk Wood Fibers Flax Sisal Cotton Coconut Bamboo Hardwood Hemp Manila Kapok Coir Wheat Softwood Jute Curaua Rice Kenaf Banana Grass Ramie Palm Barley Banana Corn Rattan Tabelle 2.2: Naturfasern für den Automobilbau [HOLBERY06, S. 82] Heutzutage werden diese vorwiegend als Dämm- und Trägermaterial in nicht einseh- baren Bereichen eingesetzt. Strikte gesetzliche Auflagen hinsichtlich der Recyclingfä- higkeit von zukünftigen Produkten deuten jedoch auf neue Einsatzbereiche hin. Her- ausforderungen hinsichtlich weiterer Einsatzmöglichkeiten, insbesondere in Sichtbe- reichen, sind die Homogenisierung der Fasereigenschaften, die Haftung zwischen Fa- ser und Matrix und die Feuchtigkeitsaufnahme [HOLBERY06, S. 80]. War die Anzahl der in der Automobilbranche eingesetzten Materialien für eine lange Zeit sehr überschaubar und konzentrierte sich auf einige wenige Metalle und Kunst- stoffe, so zeichnet sich während der letzten 20 Jahre eine deutliche Zunahme neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften ab [FRIEDRICH13, S. 15]. Für die Verbin- dungstechnik und damit auch für die Produktentwickler bedeutet dies neue Herausfor- derungen, da bekannte und für heutige Materialien bewährte Verbindungen sich oft- mals nicht auf die neuen Materialpaarungen übertragen lassen oder erhebliche Mehr- aufwendungen verursachen. Trend bei der Entwicklung von Verbindungen Die Treiber für die Weiterentwicklung der Verbindungstechnik decken sich weitestge- hend mit den Treibern für die Einführung neuer Materialien. Es lassen sich bei der Weiter- und Neuentwicklung von Verbindungstechnik drei Handlungsfelder abgrenzen: - 30 - 2 Ausgangssituation 1. Hybridverbindungen 2. Leichtbauverbindungen 3. Kosteneffiziente Verbindungen Hybridverbindungen (Verbindungen, bei welchen unterschiedliche Werkstoffe verbun- den werden) stehen in engem Zusammenhang mit den beschriebenen neuen Materi- alen (vgl. Kapitel 2.1.2) und ermöglichen deren Integration beziehungsweise Anbin- dung an das Produkt. Diesen Verbindungstechniken kommt eine Schlüsselrolle in der Produktentwicklung zu, da neuartige Materialien nur dann eingesetzt werden können, wenn diese auch effizient in die Produktarchitektur eingebunden werden können. Bei Leichtbauverbindungen (Verbindungen, bei welchen Leichtbaumaterialien wie Alu- minium und CFK zum Einsatz kommen) werden Prozesse weiter- und neuentwickelt, um spezielle Materialpaarungen zu ermöglichen. Die Abnahme der Blechdicke und neue Legierungen stellen immer wieder neue Anforderungen für die Verbindungstech- nik dar. Diesen wird beispielsweise durch geregelte Schweißprozesse, den zusätzli- chen Einsatz von Strukturklebstoffen und durch neue Verbindungselemente entspro- chen. Stehen bei Hybrid- und Leichtbauverbindungen mit der Ermöglichung neuer Material- paarungen primär funktionale Aspekte im Vordergrund, so adressiert das dritte Hand- lungsfeld die Reduzierung der monetären Aufwendungen. Oftmals werden Alternati- ven zu bestehenden Verbindungen erarbeitet, welche Vorteile im Hinblick auf Einzel- teilkosten oder Fertigungszeit bieten. Insbesondere im Bereich der Schnappverbin- dungen befinden sich eine Vielzahl interessanter neuer Lösungen in Entwicklung, wie beispielsweise die Aufsteckmutter: Ein zweiteiliges Verbindungselement, welches axial auf einen Grobgewindebolzen gesteckt und dann verrastet wird. Gegenüber einer konventionellen Kunststoffmutter entfällt das Aufdrehen, wodurch der Montageauf- wand reduziert wird. In Tabelle 2.3 werden die relevanten Trends den Verbindungen gegenübergestellt und mögliche Einflüsse aufgezeigt. 2.2 Auswahl der Verbindungstechnik - 31 - Bauteilgewicht Bauteilwerkstoff Verbindungstechnik Individualisierung Zunehmendes Ge- wicht durch mehr Funktionalitäten Luxusmaterialien, funktionelle Materia- lien Hybridverbindungen Ressourcenknappheit Abnehmendes Ge- wicht durch Leicht- bau-Maßnahmen Leichtbaumaterialien, Naturmaterialien, Re- cyclingmaterialien Lösbare Verbindun- gen (Demontage, Recycling) Tabelle 2.3: Mögliche Auswirkungen der Trends auf die Verbindungen 2.2 Auswahl der Verbindungstechnik Die Auswahl der Verbindungstechnik findet in der frühen Phase der Produktentwick- lung durch die Bauteilkonstrukteure in Zusammenarbeit mit den Fertigungsplanern statt. Grundlage für die Skizzierung des Auswahlprozesses liefert die Beschreibung der beteiligten Personen und deren Rollen im Entscheidungsprozess sowie deren Be- ziehung zueinander. Die einzelnen Prozessschritte, von den ersten Konzepten bis zur freigegebenen Ver- bindung, werden exemplarisch am Soll-Prozess für Schraubverbindungen gezeigt. Be- zogen auf die Wissenschaftstheorie stellt dieser Prozess den Verwendungszusam- menhang dar, dessen Ergebnis durch die Entwicklung und Bereitstellung einer Unter- stützung zu verbessern ist. 2.2.1 Beteiligte Arbeitsbereiche bei der Auswahl von Verbindungen Der Prozess der Auswahl und Auslegung von Verbindungen in der variantenreichen Serienproduktion weist einen iterativen Charakter auf und wird von vier Arbeitsberei- chen bestimmt: • Package und Design • Bauteilkonstruktion • Bauteilplanung • Qualitätssicherung Mitarbeiter des Package und Design definieren die Produktarchitektur und Form des Produkts. Werden im Rahmen des Package noch nicht die endgültigen Positionen der einzelnen Bauteile definiert, so werden Zonen beschrieben, in welchen die Bauteile zu - 32 - 2 Ausgangssituation verorten sind. Weiter erfolgt durch das Design die Definition von Anmutungsanforde- rungen, welche ebenfalls Auswirkungen auf die Verbindungstechnik haben können. Ein Beispiel stellt die Sichtbarkeit von Schraubenköpfen dar. Neben Oberflächen spie- len Maße, Toleranzen und Fugen bei der Anmutung eines Produkts eine große Rolle und stellen damit spezifische Anforderungen an die Verbindungstechnik. Auf Basis der Informationen aus Package und Design spezifizieren Bauteilkonstruk- teure die Einzelteile weiter, konstruieren diese und fügen sie zu Baugruppen zusam- men. Während dieses Konsolidierungsprozesses findet die Auswahl und Auslegung der Verbindungstechnik statt. Daran beteiligt sind neben den Bauteilkonstrukteuren auch Bauteilplaner, welche Produktionsanforderungen und -wissen in den Konstrukti- onsprozess einfließen lassen. Sobald die Bauteile konstruiert und erste Prototypen hergestellt sind, werden diese durch Mitarbeiter der Qualitätssicherung untersucht und geprüft. Dabei werden die Bauteile unter seriennahen Bedingungen verbaut und der Prozess analysiert. Kommt es zu Beschädigungen am Bauteil oder sind die Toleranzen sehr klein, wird die kon- struktive Überarbeitung des Bauteils veranlasst. Andernfalls wird die Konstruktion für die Produktion freigegeben. Diese erfolgt bei Großserienprodukten in der Regel in Form einer Fließbandfertigung, bei welcher der Produktionsprozess auf eine Vielzahl von Takten aufgeteilt wird. Diese Arbeitsteilung hat zur Folge, dass die für die Produk- tion notwendigen Arbeitsschritte im Gegensatz zur Werkstattfertigung nicht an einem Arbeitsplatz ausgeführt werden, sondern auf mehrere Arbeitsplätze verteilt sind. Ein Konstrukteur ist somit nicht für die Prozesse an einem Arbeitsplatz, sondern an einer Vielzahl von Arbeitsplätzen über die ganze Produktionslinie hinweg verantwortlich. Gleichzeitig folgt daraus jedoch auch, dass an einem Arbeitsplatz nicht nur die Arbeits- ergebnisse eines Konstrukteurs, sondern von mehreren unterschiedlichen Konstruk- teuren umgesetzt werden. Dieser Sachverhalt wird in Kapitel 2.2.2 näher untersucht. 2.2.2 Beziehung zwischen Entwicklung und Produktion Nach Abschluss der Konstruktion und Planung der Produktionsanlagen beginnt die Produktion der von den in Kapitel 2.2.1 genannten Personengruppen erarbeiteten Pro- dukte. Die Arbeitsschritte zur Herstellung eines Produkts werden dabei so auf die ein- zelnen Takte verteilt, dass eine möglichst gleichmäßige Auslastung besteht und die Taktausgleichszeit minimiert wird (Taktausgleichszeit = Taktzeit - Fertigungszeit). Die Visualisierung der Beziehungen zwischen den Konstrukteuren und den von ihnen 2.2 Auswahl der Verbindungstechnik - 33 - verantworteten Arbeitsergebnissen zeigt dabei eine sehr starke Streuung (vgl. Bild 2.8). Weder ist ein Zusammenhang zwischen einer Konstruktionsabteilung und einem Bandabschnitt, noch zwischen einem Konstrukteur und einem Takt auszumachen. Vielmehr ist ein Konstrukteur für eine Vielzahl von Tätigkeiten über die gesamte Pro- duktion zuständig. In Bild 2.8 werden die an den Schraubverbindungen eines Mittelklassefahrzeuges be- teiligten Entwickler mit ihren Abteilungen und den von ihnen verantworteten Schraub- fällen in Beziehung gesetzt. Neben der Vielzahl der beteiligten Personen finden sich folgende Besonderheiten: • Ein Entwickler verantwortet mehrere Schraubfälle, in bis zu fünf unterschiedli- chen Bandabschnitten. • Die Schraubfälle innerhalb eines Bandabschnitts werden von unterschiedlichen Entwicklern aus unterschiedlichen Entwicklungsabteilungen verantwortet. Die Detailanalyse verdeutlicht die komplexe Beziehung zwischen Produktion und Ent- wicklung und damit die Herausforderung, die Auswahl der Verbindungstechnik ganz- heitlich und standardisiert vorzunehmen. 57 Entwicklungs- abteilungen 97 Entwickler 155 Takte, verteilt auf 6 Bandabschitte (BA) BA1 BA2 BA3 BA4 BA5 BA6 Bild 2.8: Zusammenhang zwischen Entwicklern, Abteilungen und Schraubfällen - 34 - 2 Ausgangssituation 2.2.3 Prozess zur Auswahl von Schraubverbindungen Im Rahmen der Analyse der Prozesse zur Auswahl von Schraubverbindungen wird die gesamte Prozesskette, beginnend mit der Entwicklung, über die Planung bis hin zur Produktion eingehend untersucht. Die beteiligten Disziplinen finden sich in Kapitel 2.2.1 und wurden in Kapitel 2.2.2 in Beziehung zueinander gesetzt. Darauf basierend erfolgt die Bestimmung der einzelnen Schritte zur Auswahl und Auslegung von Ver- bindungen im Produktentwicklungsprozess. Grundlage hierfür ist die Analyse eines aktuellen Fahrzeugprojekts. Entwickler und Fertigungsplaner wurden mithilfe von Fragebögen interviewt, der Entwicklungs- und Planungsprozess aufgezeichnet und in Verbindung zueinander gesetzt. Im ersten Schritt wurden zehn Konstrukteure repräsentativ aus den beteiligten Ent- wicklungsabteilungen ausgewählt und befragt. Die sich daraus ermittelten Tätigkeiten lassen sich wie folgt gliedern: • Konzeptentwicklung • Bestimmung des Befestigungsorts • Auslegung der Verbindung • Absicherung der Verbindung Ein festgelegter Prozess für diese Tätigkeiten existiert nicht, weswegen sich Zeitpunkt und Vorgehensweise der Durchführung der einzelnen Prozessschritte zwischen unter- schiedlichen Konstrukteuren unterscheiden. Aufgrund der Tatsache, dass keine festen Termine zum Abschluss der einzelnen Tätigkeiten existieren, wurden Zeiträume be- schrieben, in welchen diese Arbeitsschritte ausgeführt wurden. Diese lassen sich ei- nem standardisierten Produktentwicklungsprozess zuordnen (vgl. Bild 2.9). 2.2 Auswahl der Verbindungstechnik - 35 - Während der Beginn der Konzeptphase deutlich variiert, lässt sich feststellen, dass der Abschluss der Auswahlphase bei nahezu allen befragten Konstrukteuren an die Beschaffungsfreigabe der Bauteile gekoppelt ist. Die individuell ermittelten Prozesse zur Beschreibung der Montageverbindungen wurden gegenübergestellt und zu einem Ist-Prozess verdichtet (vgl. Bild 2.9). Die Validierung dieses verdichteten Prozesses erfolgte mittels der Diskussion der Abweichungen mit den betreffenden Entwicklern. Dazu wurde jede Abweichung identifiziert und der Grund ermittelt. Die Ursachen der Abweichungen lassen sich in folgende Kategorien zusammenfassen: 1. Information von Vorgängerprojekt bestehen 2. Übernahmeteil aus anderem Fahrzeugprojekt 3. Information aus vorgeschaltetem Prozess nicht verfügbar 4. Priorisierung einer anderen Arbeitsaufgabe Bild 2.9: Zeitlicher Ablauf des Entwicklungsprozesses - 36 - 2 Ausgangssituation 2.2.4 Bewertung der Auswahl der Verbindungstechnik Die Untersuchung des derzeitigen Auswahlprozesses und der Festlegung der Verbin- dungstechnik in einem aktuellen Fahrzeugprojekt verdeutlicht die auftretenden Her- ausforderungen. Neben der großen Anzahl der zu berücksichtigenden Verbindungs- techniken erfordert die Vielzahl der beteiligten Arbeitsgebiete die Beachtung teilweise unterschiedlicher Zielsetzungen. Die Beziehung zwischen Entwicklern, Entwicklungs- abteilungen und den Produktionsabschnitten ist aufgrund der Arbeitsteilung sehr viel- schichtig, wodurch die Absprache zwischen den für die an einem Arbeitsplatz in der Produktion durchzuführenden Tätigkeiten verantwortlichen Konstrukteuren kaum mög- lich ist. Ohne definierte Prozesse zur Auswahl der Verbindung hängt die zeitliche Abfolge der Tätigkeiten von den einzelnen Konstrukteuren ab und weist eine große zeitliche Streu- ung auf. Beeinflussende Faktoren dabei sind die Priorisierung des Projekts sowie die Verfügbarkeit von Informationen zu Vorgängerprojekten und Übernahmeteilen aus an- deren Fahrzeugprojekten. Damit wird neben der Herausforderung bei der Auswahl der Verbindungstechnik auf- grund der großen Menge der zu berücksichtigenden Informationen, die Notwendigkeit der Unterstützung des Konstrukteurs bei dem Auswahlprozess deutlich. Die Vielzahl der beteiligten Personen und deren komplexen Beziehungen zueinander bedingten festgelegte Prozesse und methodische Unterstützung, um die optimale Auswahl in Be- zug auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion sicherzustellen. 2.3 Unterstützung der Auswahl und Auslegung der Verbindung Bei der Auswahl und Auslegung von Montageverbindungen kommen bei dem unter- suchten Fahrzeughersteller derzeit zwei unterschiedliche Werkzeuge zum Einsatz: Ein Katalog mit verbindlich definierten Standards sowie ein Softwaretool zur Kostenbewer- tung von Montageverbindungen. 2.3.1 Bestehende Werkzeuge zur Unterstützung der Auswahl von Verbindun- gen Der existierende Standardisierungskatalog umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile, für die unternehmensübergreifend gültige Lösungen beschrieben wurden. Enthalten sind neben der Verbindungstechnik auch zu verwendende Verbindungsele- mente und Montageprozessgrößen. 2.3 Unterstützung der Auswahl und Auslegung der Verbindung - 37 - Das genutzte Softwaretool ermöglicht die Spezifikation des Werkstoffs der Fügepart- ner sowie die Festlegung von funktionalen Anforderungen an die Verbindung wie Was- serdichtheit, Lösbarkeit und Positioniergenauigkeit. Ergebnis ist eine Übersicht der technisch möglichen Verbindungstechniken und deren monetäre Bewertung. 2.3.2 Bewertung der bestehenden Werkzeuge zur Unterstützung der Auswahl und Auslegung von Montageverbindungen Die vorhandenen Werkzeuge bieten eine Unterstützung im Konstruktionsprozess und können als Hilfestellung bei der Auswahl der Montageverbindung dienen. Dabei lässt sich der Standardisierungskatalog dem fallbasierten Schließen zuordnen. Für ein Problem wird in einer Datensammlung nach ähnlichen Problemstellungen gesucht und deren Lösung auf die aktuelle Fragestellung übertragen. Die Problemcharakterisierung erfolgt dabei jedoch nicht über geometrische oder funktionale Attribute, sondern über die Bezeichnung des zu verbindenden Bauteils. Diese Vorgehensweise birgt einerseits die Gefahr, dass für ein zu lösendes Problem aufgrund identischer Bauteilbezeichnung eine bestehende Lösung herangezogen wird, obwohl sich die Charakteristika der Fü- gepartner geändert haben. Andererseits kann die Vorgehensweise dazu führen, dass für ein bekanntes Problem eine neue Lösung entwickelt wird, da sich die Bezeichnung des zu verbindenden Bauteils geändert hat. Beispiel hierfür ist die Befestigung eines Airbag-Sensors an ein Karosseriebauteil. Wie in Kapitel 2.1.2 beschrieben, halten immer mehr neue Materialien Einzug in den Auto- mobilbau. So werden heute große Teile der Karosserie aus höher- und höchstfesten Stählen hergestellt, bei denen Löcher und Nuten nicht mehr wie bei konventionellen Stählen im Umformprozess eingebracht werden können, sondern einen zusätzlichen Prozessschritt erfordern. Die Übertragung der bislang günstigsten Verbindungstechnik – Schnappverbindung in Loch – führt zu einem zusätzlichen Prozessschritt und damit zu Mehrkosten. Daher ist die Überprüfung der Kompatibilität der in den Standards be- schriebenen Lösungen mit den konkreten Gegebenheiten unbedingt notwendig. Das bestehende Softwaretool berücksichtigt den Werkstoff der zu verbindenden Bau- teile, was in dem beschriebenen Fall zu deutlich besseren Ergebnissen führt. Die Mas- sen und damit die auftretenden Kräfte werden jedoch nicht betrachtet. Damit fehlt die wichtigste Eingangsgröße für die Auswahl und Auslegung der Verbindungstechnik, und die Ergebnisse bieten großen Interpretationsspielraum. - 38 - 2 Ausgangssituation Das beschriebene Defizit des zu geringen Detaillierungsgrads der Alternativen für eine wirtschaftliche Bewertung bestätigt sich in der Praxis ebenfalls. 2.3 Unterstützung der Auswahl und Auslegung der Verbindung - 39 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Ergänzend zu den Beobachtungen aus der Praxis (vgl. Kapitel 2) sind die Grundlagen und der Stand der Technik in der Literatur zu untersuchen. Entsprechend der For- schungsfragen (vgl. Kapitel 1.4) werden dabei drei Themenfelder behandelt: Forschungsfrage 1: Wie lässt sich eine Verbindung zwischen zwei Bauteilen beschreiben, sodass daraus alle im Lösungsraum existenten Alternativen abgeleitet werden können? Untersucht werden vorliegende Beschreibungen von Produkten und Prozessen mit dem Fokus auf deren Eignung zur Ableitung unterschiedlicher Lösungen (vgl. Kapitel 3.1). Neben technisch orientierten Beschreibungen, wie die integrierten Produkt- und Prozessmodelle von Munoz, Groll und des SFB 361, wird mit der Systemtheorie ein allgemeiner Ansatz zur Beschreibung von technischen Systemen zugrunde gelegt. Forschungsfrage 2: Wie lassen sich alle im Lösungsraum enthaltenen Ver- bindungen ermitteln und bewerten? Betrachtet werden bekannte Methoden zur Auswahl von Verbindungsarten in der frü- hen Phase der Produktentwicklung (vgl. Kapitel 3.2). Methoden des Wissensmanage- ments liefern die Grundlage und dienen als Ordnungsschema. Dieses Ordnungs- schema nutzend, werden Methoden zur Auswahl von Prozessen und Materialien mit besonderem Fokus auf Verbindungen untersucht und eingeordnet. Forschungsfrage 3: Kann die entwickelte Methodik den Konstruktionspro- zess von Verbindungen vereinfachen sowie reproduzierbar machen und da- bei die Auswahl und Auslegung der Verbindungen in Bezug auf die Wirt- schaftlichkeit verbessern? Zur Vereinfachung und Verbesserung des Konstruktionsprozesses bedarf es der In- teraktion der am Prozess beteiligten Personen. Daher sind Methoden und Techniken der Informationsbereitstellung und der Evaluierung der Informationsübertragung zu untersuchen (vgl. Kapitel 3.2). - 40 - 3 Grundlagen und Stand der Technik 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation Bei der Beschreibung von Produkten, die aus mehr als einem Bauteil bestehen, sind zwei Sichtweisen zu unterscheiden: Die Dokumentation der zu verbindenden Bauteile und die des Produktionsprozesses. Pahl [PAHL05, S. 194] beschreiben die Dokumentation der zu verbindenden Bauteile in Stücklisten als zentrale Tätigkeit des Ausarbeitens. Das Ausarbeiten zielt auf die herstellungstechnische Festlegung der Lösung ab, einschließlich der Zusammenstel- lung von Nutzungsangaben (Produktdokumentation). Die Stückliste wird, abhängig von Branche und Fertigungsart (Einzel-, Klein-, Großserienfertigung), um weitere In- formationen wie Montagevorschriften ergänzt [PAHL05, S. 551]. Während Fertigungs- art und -reihenfolge bei einer Werkstattfertigung der Erfahrung und Kenntnis der Fer- tigungsmitarbeiter überlassen werden, bedingt die Großserienfertigung eine detaillier- ten Definition von Arbeitsfolgen, um einen einheitlichen, reproduzierbaren Produkti- onsprozess zu gewährleisten. Kennzeichnet die Prozessdokumentation auf Bauteilebene die Fertigungsschritte, die zur Herstellung des Einzelteils notwendig sind, so werden auf der Ebene des Zusam- menbaus die Montageschritte beschrieben, die zur Verbindung der einzelnen Bauteile zum Endprodukt notwendig sind. Diese erfolgt entweder bereits während der Konstruk- tion oder anschließend durch eigens dafür ausgebildete Arbeitsplaner. Ergebnis der Prozessdokumentation ist ein Arbeitsplan, der die notwendigen Arbeitsfolgen, verse- hen mit Abhängigkeiten und Vorgangszeiten, enthält [EVERSHEIM02, S. 25]. Sowohl der Bereich der Produktdokumentation als auch die Prozessdokumentation ist bereits ausführlich in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben, weshalb an dieser Stelle auf diese Untersuchungen verwiesen sei (vgl. [PAHL05]; [LINDEMANN06]; [EVERS- HEIM02]). Den Anforderungen der variantenreichen Serienfertigung nach einer umfäng- lichen Berücksichtigung von Prozessanforderungen im Entwicklungsprozess entspre- chend, werden im Folgenden Ansätze untersucht, bei denen Produkt- und Prozessdo- kumentation zusammengeführt werden. Kriterien bei der Untersuchung sind die De- tailtiefe, die hierarchische Struktur, die umfassende Berücksichtigung der Prozessin- formationen sowie die Voraussetzung für eine rechnergestützte Verarbeitung der Da- ten. 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 41 - 3.1.1 Modelle zur integrierten Produkt- und Prozessbeschreibung Stellvertretend für die in der Literatur bekannten Modelle zur integrierten Produkt- und Prozessdokumentation werden die Ansätze von Munoz, Groll und des SFB 361 ana- lysiert. Diesen Ansätzen ist gemein, dass sie in jüngster Vergangenheit in enger Ko- operation mit Unternehmen der variantenreichen Serienfertigung ([TOLEDO MUÑOZ06]: Volkswagen AG; [GROLL08]: Daimler AG) entstanden sind und damit die aktuellen An- forderungen dieser umfänglich wiedergeben. Toledo Muñoz Munoz untersucht Verbindungen zwischen den Bauteilen von Fahrzeugen und entwi- ckelt eine Methodik, die unter Einsatz von Agenten die Modellierung und Analyse der Verbindungen im Produktentstehungsprozess ermöglicht. Für die Beherrschbarkeit der Komplexität des Gesamtsystems Fahrzeug stellt die abstrakte, systemunabhän- gige Fahrzeugteilbeschreibung die notwendige Grundlage dar. Dazu wird das PLUG- Modell entwickelt [TOLEDO MUÑOZ06, S. 36]. Das PLUG-Modell besteht aus einem Struktur- und einem Funktionsmodell: Das Struk- turmodell beschreibt die Elemente der Verbindung sowie deren Eigenschaften [TOLEDO MUÑOZ06, S. 35], während das Funktionsmodell der Überprüfung potenzieller Verbindungen zwischen zwei Teilen dient, Vorschläge zu möglichen Verbindungspart- nern macht und bei fehlerhaften Verbindungen Hinweise zu Korrekturmöglichkeiten erteilt [TOLEDO MUÑOZ06, S. 35]. Bezugnehmend auf den Untersuchungsgegenstand der Produkt- und Prozessdokumentation (vgl. Kapitel 3.1) wird im Folgenden der Fo- kus auf das Strukturmodell gelegt. Weitere Informationen zu dem Funktionsmodell fin- den sich in [TOLEDO MUÑOZ06]. Bei der Klassifizierung der Fahrzeugteile werden drei Arten von Elementen unterschieden (vgl. Tabelle 3.1): - 42 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Funktion Ausprägung Bauteil (BT) Realisiert die angestreb- ten Funktionen des Pro- dukts. Ein BT kann sich aus mehreren Fahrzeugteilen zu- sammensetzen und bildet dann eine Baugruppe. Verbindungs- teil (VT) Stellt die Verbindung zwi- schen Bauteilen her. Ein Verbindungsteil findet Anwendung, wenn keine unmittelbare Verbindung von Bauteilen möglich ist o- der die Flexibilität bei der Montage von Varianten er- höht werden soll. Verbindungs- element (VE) Dient der Realisierung der Verbindungen zwischen Teilen (BT und VE). Ein Verbindungselement beschreiben in der Regel ein Norm- oder Wiederholteil. Tabelle 3.1: Elemente im PLUG-Strukturmodell [TOLEDO MUÑOZ06, S. 38] Die Teile 𝑡 eines Produkts 𝑇 werden dabei vollständig durch die Teilmengen 𝐵𝑇, 𝑉𝑇 und 𝑉𝐸 beschrieben (vgl. Tabelle 3.1). Die Unterscheidung zwischen Bauteil und Ver- bindungsteil erfolgt nicht hinsichtlich geometrischer Eigenschaften, sondern hinsicht- lich des Kriteriums der Funktion und ist daher anhand von Expertenwissen zu treffen [TOLEDO MUÑOZ06, S. 38] (Hinweis des Verfassers: In der Literatur wird die Ebene der Bauteile (Komponenten) und Baugruppen klar unterschieden [PAHL05, S. 657]). 𝑇 = {t1, … , tn} 𝑚𝑖𝑡 𝑛 = 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 𝐹𝑎ℎ𝑟𝑧𝑒𝑢𝑔𝑡𝑒𝑖𝑙𝑒 (3.1) 𝑇 = 𝐵𝑇 ∪ 𝑉𝑇 ∪ 𝑉𝐸 (3.2) Die Eigenschaften der Teile werden durch Attribute (PLUG-Attribute 𝐴𝑇) beschrieben [TOLEDO MUÑOZ06, S. 38 f.]. 𝑡 = ATt = {𝑎𝑡1 , . . . , 𝑎𝑡𝜆} 𝑚𝑖𝑡 𝜆 = 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 𝑇𝑒𝑖𝑙𝑒𝑎𝑡𝑡𝑟𝑖𝑏𝑢𝑡𝑒 𝑣𝑜𝑛 𝑇𝑒𝑖𝑙 𝑡 (3.3) Dabei werden fünf elementare Attribute (𝑃 (Punkt), 𝑁 (Normalenvektor), 𝑊 (Charakte- ristische Werte), 𝑃𝑂𝑆 (Position) und 𝑁𝐺(Nichtgeometrische Attribute)) sowie vier zu- sammengesetzte Attribute (𝑃𝑂𝐿 (Polygone), 𝐸 (Ebenen), 𝑆 (Surfaces) und 𝐷 (Drills)) unterschieden (vgl. Bild 3.1) [TOLEDO MUÑOZ06, S. 40]. 𝐴𝑇 = 𝑃 ∪ 𝑁 ∪ 𝑃𝑂𝑆 ∪ 𝑊 ∪ 𝑁𝐺 (3.4) 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 43 - Mithilfe der elementaren und zusammengesetzten Attribute lassen sich die Teile voll- ständig beschreiben. Zur Definition der Verbindung zwischen mehreren Teilen werden Relationen zwischen den Attributen der Verbindungspartner beschrieben. Aus den Re- lationen zwischen den Attributen lassen sich mittels der Mengentheorie die Verbin- dungsanforderungen ermitteln [TOLEDO MUÑOZ06, S. 43]. Die Relation 𝑅𝐴𝑇 lässt sich allgemein für jedes Attributpaar (𝑎𝑡𝑡1, 𝑎𝑡𝑡2) zwischen zwei Teilen 𝑡1 und 𝑡2 definieren. Mittels der Beschreibung von 𝜀 als die maximale P: Punkt N: Normalenvektor W: Char. Werte POS: Position POL: Polygon E: Ebenen S: Surfaces D: Drills Bild 3.1: Aufbau des PLUG-Strukturmodells und der PLUG-Attribute [TOLEDO MUÑOZ06, S. 38 f.] - 44 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Abweichung zwischen zwei Attributen lassen sich Toleranzen und Approximationen im PLUG-Modell beschreiben [TOLEDO MUÑOZ06, S. 44]. Das von Munoz entwickelte PLUG-Strukturmodell ermöglicht die abstrakte und sys- temunabhängige Beschreibung der Teile, Verbindungen und Anforderungen an die Verbindung (Munoz beschreibt die Anwendung des Ansatzes an der Verbindungsüber- prüfung eines Getriebelagers [TOLEDO MUÑOZ06, S. 92 ff.]). Die Unterscheidung in 𝐵𝑇, 𝑉𝑇 und 𝑉𝐸 liefert die Grundlage für eine strukturierte Beschreibung. Damit ist die Vo- raussetzung für weitere (rechnergestützte) Analyseschritte geschaffen. Dazu werden die Attribute der zu verbindenden Bauteile auf Verträglichkeit geprüft. Groll Groll beschreibt mit der Interconnection Documentation ein integriertes Produkt- und Prozessdatenmodell, das auf der Annahme basiert, dass ein Produkt zusätzlich aus Interconnections (verbindende Teile) aufgebaut ist. Damit ist das Produkt mehr als die Summe seiner Bauteile: Es ist die Summe seiner Bauteile und der Interconnections. Nach dieser Annahme werden Produkte als Netz aus Bauteilen und Interconnections zwischen diesen beschrieben. Die Interconnections befinden sich auf gleicher Ebene Bild 3.2: Relationen zwischen den Attributen der Verbindungspartner im PLUG- Strukturmodell . 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 45 - wie die Bauteile, vervollständigen die Produktstruktur und können prozessspezifische Informationen enthalten [GROLL08, S. 77] (vgl. Bild 3.3). Dieses Netz entsteht schrittweise durch die Aufspaltung des Produkts. Beginnend mit der Produktbeschreibung werden dem Netz durch jeden Gliederungsprozess neue De- tails hinzugefügt. Mit steigender Komplexität des Netzes nimmt damit die Zahl der Kno- ten zu, die Bauteile und Komponenten repräsentieren. Die dem Netz zugrunde lie- gende Struktur lässt sich an das Produkt und die Produktion anpassen. Für die vari- antenreiche Serienproduktion liefern eine übergeordnete Produktstruktur (OPS – over- all product structure) und eine projektspezifische Produktstruktur (psPS – project spe- cific product structure) Transparenz und die Möglichkeit, verschiedene Produkte mit- einander zu vergleichen [GROLL08, S. 78]. Die von den variantenreichen Produkten in die einzelnen Geschäftsprozesse indu- zierte Komplexität entsteht auf der untersten Ebene der Produktbeschreibung durch das Hinzufügen oder Austauschen von Bauteilen [GROLL08, S. 79], wie beispielsweise Außenspiegel mit unterschiedlichen Farben und Formen. Zur Abbildung dieses Zu- sammenhangs werden part positions (PP) eingeführt, die die einzelnen Ausprägun- gen, die part position variants (PPV), vereinen [GROLL08, S. 79]. Eine PP ist dabei an einer bestimmten Stelle des Produkts verankert, bündelt 1 bis n alternative PPV und wird zur geometrischen Beschreibung des Verbauorts verwendet [GROLL08, S. 87]. PPV hingegen sind sich gegenseitig ausschließende Varianten einer PP, sind immer Bild 3.3: Produkte als Netz aus Bauteilen und Interconnections [GROLL08, S. 78] - 46 - 3 Grundlagen und Stand der Technik genau einer PP zugeordnet und lassen sich regelbasiert aus dieser ableiten [GROLL08, S. 87]. Sie werden zur Speicherung der Konstruktions- und Beschaffungsinformatio- nen wie Geometrie, Zulieferer, Teilepreis und Bestand genutzt [GROLL08, S. 79]. Fer- tigungsinformationen sowie logische und physische Beziehungen zwischen den Bau- teilen werden in den, in der interconnection position (IP) enthaltenen, interconnection position variants (IPV) abgelegt. Diese sich gegenseitig ausschließenden Alternativen sind genau einer IP zugeordnet und lassen sich regelbasiert ableiten [GROLL08, S. 89]. Damit bieten sie die Voraussetzung für die horizontale Integration von Produkt- und Prozessinformationen. In einem weiteren Detaillierungsschritt werden der IP weitere PP Objekte und deren Varianten PPV zugeordnet. Dies sind: • Procedure position und procedure variant (Ablaufort und -variante) • Tooling position und tooling variant (Werkzeugort und -variante) • Factory position und factory variant (Produktionsort und -variante) Der Ablaufort ordnet der IP alternative Abläufe zur Realisierung zu. Eine Ablaufvari- ante wird durch eine Serie von Aktivitäten beschrieben, die in einer Abhängigkeit mit dem Ablaufort stehen. Mittels hinterlegter Regeln werden für jede Bauteilvariante die Ablaufvarianten ausgewählt. Der Werkzeugort beschreibt die alternativen Werkzeuge zur Realisierung einer Interconnection. Eine Werkzeugvariante repräsentiert den Werkzeugort mittels spezifischer Werte und wird durch hinterlegte Regeln der Bauteil- variante zugeordnet. Der Produktionsort (z. B. Montagelinie oder Takt) beschreibt die alternativen Produktionsvarianten zur Realisierung einer Interconnection. Eine Pro- duktionsvariante repräsentiert den Produktionsort mittels spezifischer Werte und wird durch hinterlegte Regeln der Bauteilvariante zugeordnet [GROLL08, S. 113 ff.]. Bild 3.4: Verbindung zwischen interconnection und part position [GROLL08, S. 88] 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 47 - Werden die Interconnections durch die Zuweisung einer Nummer (connection number) in zeitliche Abhängigkeit zueinander gesetzt, lassen sich diese in eine Reihenfolge bringen. Kriterium für die Vergabe der Nummer ist die Verbaureihenfolge (Vorgänger; Nachfolger). Bei der Vergabe der Nummern an zwei Interconnections wird unterschie- den, ob die zur Realisierung notwendigen Tätigkeiten gleichzeitig ausgeführt werden können (gleiche Nummer) oder nacheinander auszuführen sind (Vorgänger: 𝑛; Nach- folger: 𝑛 + 1). Mittels Referenzierungen lassen sich die Interconnections in einen Vor- ranggraph überführen [GROLL08, S. 101], welcher Vorgänger-Nachfolger-Beziehungen nutzend die technische Verbaureihenfolge des Produkts wiederspiegelt. Der Vorrang- graph lässt sich unter Verwendung von Produktionsort und -variante der beinhalteten Interconnections abschließend zum Fertigungsplan weiterentwickeln [GROLL08, S. 100 f.]. Groll [GROLL08] stellt mit der auf Interconnections basierenden integrierten Produkt- und Prozessdokumentation ein hierarchisches Modell zur Verfügung, welches neben der Vereinigung von Produkt- und Prozessdaten einen Beitrag zur Reduzierung der Komplexität in der Produkt- und Prozessdokumentation liefert. Integriertes Produkt- und Prozessdatenmodells (IPPM) Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 361 wurden zwischen 1994 und 2002 an der RWTH Aachen “Modelle und Methoden zur integrierten Produkt- und Prozessge- staltung“ entwickelt. Neben Organisation und Informationsmanagement, integrierter Produktdefinition und Technologieplanung sowie integrierter Produkt- und Produkti- onsprozessgestaltung wurde ein Integriertes Produkt- und Prozessdatenmodell (IPPM) beschrieben [EVERSHEIM05a, S. 3]. Das IPPM umfasst 36 logische Informationseinheiten (Schemata), welche sich in sechs Informationskategorien einordnen lassen (vgl. Bild 3.5). - 48 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Die Modelle und Schemata des Referenzmodells sind in der Praxis auf die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen, besonders im Hinblick auf die Ablauf- und Aufbauorga- nisation des jeweiligen Unternehmens [BRECHER05, S. 58]. Für eine Entwicklungsauf- gabe wird ein generisches Prozess_Schema entwickelt und implementiert, das die Grundlage für die Modellierung der prozessrelevanten Informationen und damit für die Integration des Prozessdatenmodells in das Produktdatenmodell darstellt [BRE- CHER05, S. 60]. In diesem erlaubt die Informationseinheit „Aktivität“ als zentrales Ele- ment den Aufbau von Aktivitätenstrukturen und deren schrittweise Konkretisierung. Der Bezug zu Ressourcen, Produktstruktur sowie Ziel, Zeit, Information und Funktion wird durch Referenzen auf die jeweiligen Schemata abgebildet. Bei der Integration von Produkt- und Prozessdatenmodell werden drei unterschiedli- che Mechanismen unterstützt: 1. Integration auf der generischen Ebene direkt über Referenzen in den Schemata des Datenmodells. 2. Integration auf der Instanzenebene durch die Wiederverwendung bereits inte- grierter Bausteine aus Produkt und Prozess, ermöglicht durch vom Anwender definierte generische (allgemeingültige) Aktivitäten. 3. Integration zwischen generischer und Instanzenebene mittels Modellierung von Metainformationen in einem eigenen Schema. Damit wird die Verknüpfung aller Daten, Informationen und deren Änderungen zwi- schen Prozessdatenmodell und Produktdatenmodell ermöglicht [BRECHER05, S. 62]. Bild 3.5: Struktur des integrierten Produkt- und Prozessdatenmodells (IPPM) [BRE- CHER05, S. 59] 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 49 - 3.1.2 Systemtheorie Die Systemtheorie beschreibt allgemein die Beziehung zwischen den Elementen eines Systems, die Beziehung zwischen Struktur und Funktion von Systemen und die Be- ziehung zwischen Teilsystemen und Gesamtsystem [WIENDAHL08, S. 7]. Die Allge- meine Systemtheorie ist dabei nicht auf eine bestimmte Disziplin begrenzt, sondern interdisziplinär [ROPOHL09, S. 71]. Grundbegriffe der Systemtheorie Ehrlenspiel beschreibt das System als eine „Menge von Elementen (Teilsysteme), die Eigenschaften besitzen und durch Beziehungen miteinander verknüpft sind. Die Sys- temgrenze grenzt das System von seiner Umwelt ab“ [EHRLENSPIEL09, S. 19]. Dabei arbeitet die Systemtechnik mit abstrakten Modellen, die nach folgenden Regeln aufgebaut sind: • „Ein System besteht aus einer Menge von Elementen und einer Menge von Be- ziehungen (Relationen), die zwischen Elementen herrschen. • Jedes System kann in Subsysteme niedrigerer Ordnung zerlegt werden. Ele- mente, die nach einer anderen Beziehung zusammengefasst werden, heißen Teilsysteme. • Jedes Element, jedes Subsystem und jedes ganze System kann mit einer Sys- temgrenze abgegrenzt werden und durch Input (Eingang), Output (Ausgang) und die Funktion beschrieben werden (so genannte Black-Box-Darstellung)“ [WIENDAHL08, S. 7]. - 50 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Bild 3.6 veranschaulicht den Aufbau des Systems und seine Bestandteile. Grundsätz- lich lassen sich Systeme im Hinblick auf ihre Austauschbeziehungen mit der Umwelt klassifizieren, welche alle Elemente beinhaltet, die außerhalb der Grenze des Systems liegen. So werden Systeme, die Austauschbeziehungen über Systemgrenzen hinweg aufweisen, als offene Systeme bezeichnet. Systeme, die keine solchen Beziehungen aufweisen, werden als geschlossene Systeme klassifiziert. Systemkonzepte In der Literatur werden drei grundsätzliche Systemkonzepte unterschieden, die jeweils einen Systemaspekt in den Vordergrund stellen. Dies sind das funktionale, das struk- turale und das hierarchische Systemkonzept [ROPOHL09, S. 75; PATZAK82, S. 65]. Bild 3.6: Grundbegriffe der Systemtheorie (nach WIENDAHL08, S. 7) Teilsystem System Subsystem Element Beziehung (Ablauf) Beziehung (Funktion) Systemgrenze Struktur 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 51 - Das funktionale Konzept stellt das System als eine Blackbox dar und beschreibt, wie Eingangsgrößen (Inputs) in bestimmte Ausgangsgrößen (Outputs) überführt werden [PATZAK82, S. 64]. Dabei sieht das funktionale Systemdenken ausdrücklich von der materiellen Konkretisierung und vom inneren Aufbau des Systems ab und beschränkt sich auf das Verhalten einer Ganzheit in ihrer Umgebung [ROPOHL09, S. 76]. Es be- handelt nicht Dinge, sondern Verhaltensweisen und fragt nicht: „What is this thing?“, sondern: „What does it do?“ [ASHBY56, S. 1]. Als Beispiel aus dem alltäglichen Leben kann die Benutzung eines technischen Pro- duktes aus Sicht eines Laien herangezogen werden, der sich keine Gedanken über die Vorgänge im Inneren des Systems macht. Erwartet wird lediglich ein Ergebnis Bild 3.10: Konzepte der Systemtheorie nach Ropohl [ROPOHL09, S. 76] Funktionales Konzept Strukturales Konzept Hierarchisches Konzept Input Zustand Output Umgebung Element Relation Umgebung System Subsystem Supersystem - 52 - 3 Grundlagen und Stand der Technik (Output), das auf Anforderung (Input) – beispielsweise das Betätigen eines Schalters – erzeugt wird. Das strukturale Systemkonzept betrachtet ein System als Ganzheit miteinander ver- knüpfter Elemente [ROPOHL09, S. 75]. Betrachtungen, die dem strukturalen Ansatz fol- gen, stellen die Frage, welche Systemeigenschaften durch die verschiedenen Bezie- hungskonstellationen einer untersuchten Menge hervorgerufen werden können. Wei- ter, befasst sich der strukturale Ansatz mit der Beschaffenheit der Elemente [ROPOHL09]. Das hierarchische Konzept beschreibt zum einen, dass ein System in eine Anzahl von Systemen aufgegliedert werden kann. Zum anderen kann das System als Teil eines übergeordneten Systems gesehen werden. Ropohl [ROPOHL09] benutzt in diesem Zu- sammenhang die Begriffe Subsystem und Supersystem (siehe Bild 3.10). Damit beinhalte eine umfassende Systembetrachtung mehrere Hierarchieebenen, wo- bei Folgendes gilt: Bewegt man sich in einer Hierarchie abwärts, so erhält man eine detaillierte Erklärung des Systems, während man, wenn man sich in der Hierarchie aufwärts bewegt, ein tieferes Verständnis seiner Bedeutung gewinnt [MESAROVIĆ70, S. 70]. Anschaulich wird diese hierarchische Analyse beispielsweise bei der Betrachtung ei- nes Verbrennungsmotors. Die hierarchische Aufteilung in Teilsysteme ermöglicht de- tailliertere Informationen zu erlangen und ein tieferes Verständnis für diese zu entwi- ckeln. So lässt sich der Wandel der Linearbewegung des Kolbens in die Rotationsbe- wegung der Kurbelwelle erst aus der Betrachtung der Subsysteme erschließen, wäh- rend erst die Analyse des Gesamtsystems zu einem Verständnis für dieses führt. Die drei Systemkonzepte sind nicht isoliert zu betrachten und schließen sich keines- wegs gegenseitig aus. Erst die Verbindung der drei Systemkonzepte führt für ROPOHL zu einem vollständigen Systemmodell, das er wie folgt definiert: „Ein System ist das Modell einer Ganzheit, die Beziehungen zwischen Attributen (In- puts, Outputs, Zustände etc.) aufweist, die aus miteinander verknüpften Teilen bzw. Subsystemen besteht und die von ihrer Umgebung bzw. von einem Supersystem ab- gegrenzt wird.“ [ROPOHL09, S. 77] 3.1.3 Zusammenfassung Produkt- und Prozessdokumentation Produkt- und Prozessdokumentation sowie die Zusammenführung dieser nimmt ins- besondere in der variantenreichen Großserienfertigung eine Schlüsselposition in der 3.1 Produkt- und Prozessdokumentation - 53 - Produktentwicklung ein. Produktdokumentation in Form von Stücklisten, Zeichnungen und CAD-Modellen ist ein intensiv beforschter Bereich mit breiter Basis. Auch die Pro- zessdokumentation wird seit Beginn der Serienfertigung intensiv untersucht und aktu- ell insbesondere hinsichtlich der Beherrschbarkeit der Komplexität weiterentwickelt. In der Praxis findet häufig eine Arbeitsteilung zwischen Konstruktion, verantwortlich für die Produktgestaltung, und Arbeitsvorbereitung, verantwortlich für die Prozessgestal- tung, statt. Diese Disziplinen werden seit den 1980er Jahren vermehrt in Simultaneous Engineering Teams zusammengeführt, um die Entwicklungszeit durch Parallelarbeit zu reduzieren und die Qualität der Entwicklungsergebnisse sicherzustellen [EVERS- HEIM05b, S. 8]. Ist seitens der Organisation die Zusammenführung von Produkt- und Prozessgestaltung bereits weit fortgeschritten, so gibt es systemseitig noch deutliche Unterscheidungen. Gemeinsame Produkt- und Prozessmodelle finden sich vorwie- gend in der Literatur. Insbesondere die Konzepte von [TOLEDO MUÑOZ06] und [GROLL08], beide in jüngster Zeit in großen Unternehmen der Automobilindustrie entstanden, verdeutlichen die Aktualität und den Praxisbezug des Themas. Mit den Arbeiten von [TOLEDO MUÑOZ06; GROLL08] und des SFB 361 [BRECHER05] wurden die für die variantenreiche Serienfertigung relevanten Ansätze beschrieben und im Hinblick auf die in Kapitel 3.1 beschriebenen Kriterien untersucht (vgl. Tabelle 3.2). Dabei ist festzustellen, dass sich die beschriebenen Modelle für die integrierte Produkt- und Prozessdokumentation eignen, die strukturellen Voraussetzungen für eine auto- matisierte, rechnergestützte Ableitung des Lösungsraumes jedoch aufgrund des ein- geschränkt hierarchischen Aufbaus und begrenzten Detaillierungsgrades nicht gege- ben sind. Die Systemtheorie bietet mit ihrem hierarchischen Konzept eine passende Lösung für die Einschränkungen der genannten Systeme und wird daher im Weiteren als Grundlage für die Auswahl der lösbaren Verbindungen verwendet. Kriterium  nicht erfüllt  bedingt erfüllt  erfüllt Munoz [TOLEDO MUÑOZ06] Groll [GROLL08] SFB361 [BRECHER05] Systemtheorie [ROPOHL09] - 54 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Detailtiefe     Hierarchischer Auf- bau     Abbildung gesamter Produktionsprozess     Rechnergestützt ver- arbeitbar     Tabelle 3.2: Bewertung der Ansätze zur integrierten Produkt- und Prozess-dokumen- tation 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse Die Auswahl von Material und Prozess ist zentraler Bestandteil des Konstruktionspro- zesses. Ashby vergleicht die bei konstruktiven Aufgaben zu berücksichtigenden Infor- mationen mit dem Wortschatz eines durchschnittlichen Europäers. Dieser benutzt ca. 5.000 unterschiedliche Wörter, wohingegen Konstrukteure zwischen 40.000 und 80.000 unterschiedliche Materialien und mindestens 1.000 unterschiedliche Arten der Bearbeitung berücksichtigen müssen [ASHBY04, S. 51]. Diese Verhältnisse verdeutli- chen die Herausforderung bei der Material- und Prozessauswahl und damit die Not- wendigkeit von Systemen zum Informationsmanagement und zur Unterstützung der Auswahl. Der Bedarf an Material- und Prozessinformationen entwickelt sich über den Produkt- entwicklungsprozess von unspezifizierten Informationen aller Materialien und Ferti- gungsprozesse in der frühen Phase zu detaillierten Informationen über wenige Mate- rialien und Fertigungsprozesse am Ende des Entwicklungsprozesses [ASHBY04, S. 52] (vgl. Bild 3.11). 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 55 - Aufgrund kürzer werdenden Entwicklungszeiten müssen Entwickler sich der Notwen- digkeit von effizienter Konstruktionsunterstützung bewusst sein [L'EGLISE01, S. 324]. Für die Auswahl der Verbindungstechnik sind v. a. Schnelligkeit, Verlässlichkeit und Systematik Anforderungen an ein Unterstützungssystem. Dazu haben Unterstützungs- systeme einen hohen Interaktionsgrad aufzuweisen, um dem Konstrukteur jederzeit das Gefühl der Entscheidungshoheit zu vermitteln [L'EGLISE01, S. 324]. Giachetti formuliert drei Herausforderungen bei der Auswahl von Material und Ferti- gungsprozess [GIACHETTI98, S. 265]: 1. Die Auswahl muss in der Konzeptphase erfolgen, die durch qualitative Beschrei- bung der Anforderungen, unpräzise Daten und unbekannte oder komplexe Be- ziehungen gekennzeichnet ist. Dies hat zur Folge, dass viele Einflussfaktoren auf die Auswahl von Material und Fertigungsprozess nur abgeschätzt werden können. 2. Unterschiedliche Einflussfaktoren haben unterschiedliche Relevanz für die Aus- wahl des Materials und der Fertigungsprozesse und sind damit unterschiedlich zu gewichten. 3. Die Anzahl der zu berücksichtigenden Werkstoffe und Fertigungsprozesse über- steigt die Möglichkeiten einer manuellen, intuitiven Vorgehensweise bei weitem. Zu den bekannten mehr als 40.000–80.000 Werkstoffalternativen [ASHBY04, S. 51] kommen ständig und mit zunehmender Geschwindigkeit neue Alternativen hinzu. Informationsbreite Informationstiefe Produktentwicklungsprozess Bild 3.11: Entwicklung der Informationsbreite und -tiefe im Produktentwicklungs-pro- zess - 56 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Strategien zur Unterstützung des Auswahlprozesses lassen sich allgemein als Trans- ferfunktion beschreiben. Diese überführt eine Menge von Eingangsgrößen, im Falle der Prozessauswahl die Anforderungen der Konstruktion, in eine Menge von Aus- gangsgrößen, die Auswahl des Prozesses (vgl. Bild 3.12) [ASHBY04, S. 53]. Grundsätzlich lassen sich dabei drei Arten von Transferfunktionen unterscheiden: Quantitative Analyse, Fragenkatalog und Vergleich. Diese stellen neben dem Funkti- onsumfang die Grundlage für den Kriterienkatalog dar und werden in Kapitel 3.2.1 de- tailliert beschrieben. Das darauf basierende Ordnungsschema wird zur Untersuchung der bestehenden Ansätze verwendet (vgl. Kapitel 3.2.2–3.2.4). Für jede der erörterten Arten von Transferfunktionen wird ein repräsentativer Vertreter näher beschrieben. 3.2.1 Kriterienkatalog für die Analyse der Strategien zur Material- und Prozess- auswahl Aufbauend auf den Beobachtungen aus der Praxis (vgl. Kapitel 2) und den in der Lite- ratur beschriebenen Anforderungen (vgl. Kapitel 3.2) wurde ein Kriterienkatalog zur Analyse der Strategien zur Material- und Prozessauswahl entwickelt (vgl. Tabelle 3.3). Der Kriterienkatalog berücksichtigt die funktionalen Anforderungen der variantenrei- chen Serienfertigung sowie die zugrundeliegende Methode. Konstruktive Anforderungen und Merkmale Eingangsgröße Auswahlstrategie Transferfunktion Ausgewählte Materialien und Prozesse Ausgangsgröße Bild 3.12: Auswahlstrategie: Transferfunktion und Strategien [ASHBY04, S. 55] 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 57 - Kriterium Erläuterung Beispiel Wertebereich Berücksichtigte Verbindungen Anzahl der berücksichtigten Verbin- dungen (nach DIN 8593) Schraubverbindungen, Klebeverbindungen, Nietverbindungen 1 – n n: Anzahl der Verbindungen Berücksichtigung von Kosten Ganzheitliche Bestimmung der durch die Verbindung verursachten Kosten und die Möglichkeit, diese als Kriterium für die Auswahl zu nutzen Fertigungszeit/ -kosten, Logistikkosten, Werk- zeugkosten Ja/Nein Detaillierungs- grad Detaillierung der Verbindung zwi- schen zwei Bauteilen in einzelne Verbindungspunkte Vier Schrauben M6 in 6kt Schweißmutter Ja/Nein Abbildung unter- schiedlicher Va- rianten Berücksichtigung unterschiedlicher Anbindungsvarianten innerhalb ei- ner Verbindungsart Vier Schrauben M6 o- der sechs Schrauben M5 Ja/Nein Erweiterbarkeit Möglichkeit der Integration neuer Verbindungstechniken Integration von Del- taspot Schweißen zur Realisierung von Alu- Alu Verbindungen Ja/Nein Wartungs-/ Er- stellungsauf- wand Aufwand zur Systempflege Anzahl der zu befra- genden Experten gering/mittel/ hoch Integration exter- nen Wissens Möglichkeit der Einbindung und des Schutzes von externem Wissen Web Services zur Kap- selung und Verteilung von Wissen Ja/Nein Tabelle 3.3: Analysekriterien für die Untersuchung von Auswahlstrategien Zwischen den im Funktionsumfang beschriebenen Kriterien und der dem Auswahlpro- zess zugrundeliegende Methode bestehen Interdependenzen, die in der Beschreibung der Methoden näher erläutert werden. Die Lösungen zur rechnerunterstützten Auswahl von Material und Fertigungsprozess weisen zwei Schwerpunkte auf: Strukturierte Datenbanken sowie Methoden zum mul- tikriteriellen Vergleich von Materialien und Fertigungsprozessen [ASHBY04, S. 51]. Grundlage für jede Suche ist die Formulierung einer Wertfunktion und die Unter-su- chung des Lösungsraums der möglichen Lösungen unter Nutzung eines - 58 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Optimierungsverfahren [ASHBY04, S. 51]. Dabei gliedert sich die Auswahlstrategie in drei Schritte [ASHBY04, S. 53]: 1. Beschreibung der Abhängigkeiten, die erfüllt sein müssen, wenn das Material die Anforderungen erfüllt. 2. Beschreibung einer Wertfunktion, nach welcher bewertet werden kann, ob und wie gut ein Material die Anforderungen erfüllt. 3. Entwicklung einer Suchprozedur zur Untersuchung des Lösungsraums, Identifi- zierung passender Materialien und Bewertung hinsichtlich der Übereinstim- mung mit den formulierten Anforderungen. Allen Ansätzen (u. a. DIETER86; CHARLES99; FARAG89; LEWIS90), die dieser Logik fol- gen, ist gemein, dass sie eine Eingangsgröße – die Anforderungen – in eine Ausgangs- größe – die Auswahl von Material und Prozess – überführen (vgl. Bild 3.13). Die Un- terstützungssysteme lassen sich dabei entsprechend ihres Aufbaus in Systeme zur freien Suche, fragenbasierten Suche oder der Analogie einordnen [ASHBY04, S. 53]. Die auf quantitativer Analyse basierende, freie Suche ermöglicht den größten Frei- heitsgrad, ist schnell, effizient und birgt das Potenzial, neue und innovative Lösungen zu generieren. Dazu werden jedoch präzise formulierte Eingangsinformationen benö- tigt, um diese dann mit Suchmethoden weiterverarbeiten zu können [ASHBY04, S. 53]. Eingangsgröße Transferfunktion Ausgangsgröße Messbare Attribute Strategie 1: „Freie Suche“ Quantitative Analyse Innovation möglich: Entscheidungsfreiheit, aber wenig Unter-stüt- zung Experten- wissen Strategie 2: „Fragebogengestützt“ Erfassung von Expertenwissen Nur bekannte Lösungen, viel Unterstützung Bekannte Anwendun- gen Strategie 3: „Analogien“ Auf Basis bestehender Lösungen Nur Lösungen, welche bereits eingesetzt werden Bild 3.13: Auswahlstrategie als Transferfunktion [ASHBY04, S. 55] 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 59 - Fragenbasierte Ansätze basieren auf der schrittweisen Abfrage von Informationen, auf deren Basis unter der Zuhilfenahme von Expertenwissen mögliche Lösungen identifi- ziert werden. Eine mögliche Implementierung eines solchen Systems ist ein Entschei- dungsbaum. Zwei Ausprägungen dieser Art von Unterstützungssystemen sind die von Delchambre [DELCHAMBRE96] und Maree [MAREE99]. Als Schwächen des Systems sind die geringe Anzahl an möglichen Lösungen sowie der große Aufwand bei der Pflege der Daten anzuführen. Bei jeder neu hinzugefügten Lösung müssen sämtliche bestehenden Expertenregeln untersucht werden [L'EGLISE01, S. 325]. Fallbasierte Ansätze stützen sich auf eine Sammlung von Problembeschreibungen und zugehörigen Problemlösungen. Neue Problemstellungen werden auf Ähnlichkeit mit vergangenen, bekannten Problemen untersucht und bei ausreichender Über- schneidung wird die Lösung von dem bekannten, gelösten Problem auf das aktuelle übertragen. Damit werden Erfahrungswerte übertragen, neue Lösungen können je- doch nicht erzeugt werden. Da Innovationspotenziale damit nicht erschlossen werden, sind Assistenzsysteme, welche diesem Ansatz folgen, nur bedingt zeitgemäß [L'EG- LISE01, S. 325]. 3.2.2 Prozessauswahl mittels freier Suche basierend auf quantitativer Analyse Die Analyse entsprechend der freien Suche basiert in der Regel auf drei Schritten: die Bestimmung der Funktion, der zu berücksichtigenden Randbedingungen sowie des Ziels der Optimierung (vgl. Bild 3.14). Bei der Auswahl von Werkstoff und Prozess wird eine bekannte Menge von Werkstof- fen und Prozessen mit den Anforderungen an die Konstruktionsaufgabe abgeglichen Konstruktion Konstruktionsanalyse Funktion Was ist die Funktion des Bauteils? Randbedingungen Welche Gegebenheiten müssen berücksichtigt werden? Ziel(e) Was muss minimiert/maximiert werden? Werkstoff/Prozess Bild 3.14: Vorgehensweise bei der quantitativen Analyse [ASHBY04, S. 55] - 60 - 3 Grundlagen und Stand der Technik (Screening), geordnet (Ranking) und abschließend um Zusatzinformationen ergänzt (Supporting Information) (vgl. Bild 3.15): Die bei der Suche zum Einsatz kommenden relationalen Datenbanken weisen in der Regel eine wie in Bild 3.16 beschriebene Struktur auf. Werkstoff- und Prozessdaten werden voneinander unabhängig strukturiert abgelegt und über Beziehungen mit-ei- nander verknüpft. Darüber hinaus besteht eine Verknüpfung zu Quellen mit unstruktu- rierten Daten wie Textdateien oder Websites [ASHBY04, S. 56] (vgl. Bild 3.16). Alle Werkstoffe und Prozesse Teilmenge der Werkstoffe und Prozesse Geordnete Teilmenge der Werkstoffe und Prozesse Abschließende Auswahl von Werkstoff und Prozess SCREENING Abgleich Bedingun- gen mit Werkstoff-ei- genschaften Abgleich Bedingun- gen mit Prozess-ei- genschaften RANKING Anwendung von ob- jektiven Leistungs- kennzahlen Anwenden eines Kostenmodells zur Abschätzung von Produktionskosten SUPPORTING INFORMATION Einbringen von lokalem Fachwissen, Konstruktionsrichtli- nien, Fallbeispielen Einbringen von lokalem Fachwissen, Anlagen- und Werk- zeugverfügbarkeit Werkstoffauswahl Prozessauswahl Bild 3.15: Schritte in der Werkstoff- und Prozessauswahl [ASHBY04, S. 56] 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 61 - Vorteil der Methodik ist, dass neue Werkstoffe oder Prozesse der Datenbasis hinzu- gefügt werden können und diese dem Konstrukteur angeboten werden, sofern sie hin- sichtlich der Suchkriterien den bestehenden Werkstoffen oder Prozessen überlegen sind. Dies ermöglicht das Zustandekommen von innovativen Lösungen. Ein Nachteil der Methodik ist die aufwändige und anspruchsvolle Formulierung der Anforderungen und Eingangsgrößen als Voraussetzung für die Zielfunktion sowie die Fähigkeit und Erfahrung des Konstrukteurs, unstrukturierte Daten zu finden und ent- sprechende Schlüsse daraus zu ziehen [ASHBY04, S. 57]. 3.2.2.1 Giachetti Giachetti beschreibt mit MAMPS („material and manufacturing process selection sys- tem“) ein Assistenzsystem zur Auswahl von Material und Fertigungsprozessen, basie- rend auf einer relationalen Datenbank zur Bewertung von Alternativen [GIACHETTI98, S. 267]. Als Ausgangsbasis für die Auswahl von Werkstoff und Fertigungsprozess wer- den Entscheidungskriterien hinsichtlich Werkstoff und Fertigungsprozess definiert. Je- doch können diese Kriterien nicht getrennt voneinander betrachtet werden. Bei der Metalle Keramiken Werkstoffe Verbundwerkst. Polymere Gießen Formpressen Prozesse Umformen Beschichten Strukturierte Daten Unstrukturierte Daten Weiterführende Informationen Beziehungen Bild 3.16: Struktur einer relationalen Datenbank [ASHBY04, S. 56] - 62 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Auswahl von Werkstoff und Prozess gibt es eine Reihe von Faktoren, welche sich ge- genseitig bedingen. Yu [YU93] erweitert daher die von Giachetti [GIACHETTI98] be- schriebenen Einflussfaktoren um diese Interdependenzen (vgl. Bild 3.17). Zur Unterstützung des Auswahlprozesses bietet das Assistenzsystem MAMPS drei Module. Dabei agieren das Werkstoff- und Fertigungsprozessauswahlmodul im ersten Schritt unabhängig, bevor das Vereinigungsmodul die Ergebnisse der einzelnen vor- geschalteten Module zu einem Kennwert zusammenführt (vgl. Bild 3.18). Bild 3.17: Abhängigkeiten in der Konstruktion [YU93, S. 201] Bild 3.18: Architektur des Assistenzsystems MAMPS [GIACHETTI98, S. 268] 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 63 - Fertigungsprozesse werden auf ihre charakteristischen Eigenschaften untersucht, um diese im Bewertungsprozess mit den Produktanforderungen abgleichen zu können. Dabei zeigt Giachetti [GIACHETTI98] auf, dass sich Prozesseigenschaften als ein Profil mit einer unteren und einer oberen Grenze beschreiben lassen. Innerhalb dieser Gren- zen lassen sich bei vielen Prozessen zwei unterschiedliche Bereiche ausmachen, der optimistische Bereich und der pessimistische Bereich (vgl. Bild 3.19). Damit lässt sich die Fähigkeit eines Fertigungsprozesses als das unscharfe Intervall 𝑥 → 〈𝑎, 𝑏, 𝑐, 𝑑〉 beschreiben [GIACHETTI98, S. 267]. Auch Werkstoffeigenschaften las- sen sich entsprechend der beschriebenen Gleichung erfassen, wobei diese oftmals genauer vorliegen. Für den Fall 𝑎 = 𝑏 und 𝑐 = 𝑑 ergibt sich aus der Gleichung ein scharfes Intervall, für 𝑎 = 𝑏 = 𝑐 = 𝑑 ein einzelner Wert. Diese Beschreibung nutzend, wird mit dem Werkstoff- und Fertigungsprozessmodul, basierend auf der Wahrscheinlichkeitstheorie, die Übereinstimmung zwischen den Produktanforderungen und dem Werkstoff, beziehungsweise dem Fertigungsprozess ermittelt (für nähere Informationen zu dem verwendeten Algorithmus siehe GIA- CHETTI98). Hervorzuheben ist, dass sich der entwickelte Ansatz auf scharfe, unpräzise und linguistische Daten anwenden lässt. Die im Vereinigungsmodul durchgeführte Zusammenführung der Informationen aus den beiden parallelen Modulen ermöglicht die Gewichtung der einzelnen Einfluss-fak- toren. Dazu wird ein kompensatorischen Operator um Gewichtungen erweitert und da- mit die beiden Kompatibilitäten Material 𝜇𝑚𝑡𝑙 = ℎ(𝜇1, … , 𝜇𝑛) und Fertigungsprozess 𝜇𝑚𝑓𝑔 = ℎ(𝜇1, … , 𝜇𝑚) ermittelt [GIACHETTI98, S. 271]. a b c d 1,0 Optimistischer Bereich [Fähigkeit] [Ausprägung] Pessimistischer Bereich Bild 3.19: Profil der Prozesseigenschaften [GIACHETTI98, S. 271] - 64 - 3 Grundlagen und Stand der Technik ℎ(𝜇1, 𝜇2, … , 𝜇𝑛) = ∏ 𝜇𝑖 𝑟𝑖 𝑛 𝑖=1 (3.5) mit 𝑟 = 𝑤𝑖 ∑ 𝑤𝑖 𝑛 𝑖=1 (3.6) Die Gesamtkompatibilität 𝜇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 ergibt sich als 𝜇𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = √𝜇𝑚𝑡𝑙 ∗ 𝜇𝑚𝑓𝑔 (3.7) Mit MAMPS liefert Giachetti [GIACHETTI98] einen Beitrag zur Auswahl von Material und Fertigungsprozessen in der Konzeptphase auf Basis der Fuzzy Logik. Vorteil der Methodik ist die Transparenz der Auswahl. Mit der Bildung einer Kennzahl für die Überdeckung zwischen den Anforderungen an den Werkstoff und den Prozess sowie deren Fähigkeiten wird die Voraussetzung für die Auswahl der funktional opti- malen Lösung geschaffen. Die Möglichkeit der Berücksichtigung von scharfen, unprä- zisen und linguistische Daten vergrößert die Anzahl der verfügbaren Lösungen und verringert gleichzeitig den Aufwand der Pflege und Strukturierung dieser Daten. Ein Nachteil der von Giachetti [GIACHETTI98] entwickelten Methodik ist, dass nur voll- ständige Datensätze untersucht werden können. Weiter wird die Bewertung, auf der die Auswahl basiert, rein nach funktionalen Kriterien durchgeführt. Die Wirtschaftlich- keit der Verbindungen wird dabei nicht berücksichtigt. 3.2.3 Prozessauswahl mittels Fragenkatalog Fragenkataloge führen den Nutzer anhand eines strukturierten Ablaufs durch Ent- scheidungen, basierend auf einer integrierten Expertise, welche dem Nutzer nicht zu eigen ist. Im Hinblick auf die Auswahl von Material und Fertigungsprozess werden da- mit die Entscheidungswege und -logiken von Experten abgebildet. Experten werden mit einer Vielzahl von Anwendungsfällen konfrontiert, um anhand dieser die Entschei- dungswege zu dokumentieren. Die Beschreibung der Entscheidungswege stellt gleich- zeitig die Herausforderung der Methodik dar: Die Sicherstellung der Voll-ständigkeit jedes Entscheidungswegs sowie der Abgleich und die Vereinigung von Meinungen un- terschiedlicher Experten [ASHBY04, S. 57]. Ein Vorteil von Fragenkatalogen ist, dass den Arbeitsergebnissen eines unerfahrenen Konstrukteurs, sofern er die Methodik befolgt, genauso vertraut werden kann wie 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 65 - denen eines Experten [ASHBY04, S. 58]. Beispiele ([LOVATT98a]; [LOVATT98b]) zeigen, dass die Abbildung der Entscheidungswege von Experten für begrenzte Themenbe- reiche mit befriedigendem Detailierungsgrad möglich ist. Im Vergleich zur quantitativen Analyse, bei welcher der Nutzer ebenfalls zu Beginn des Prozesses eine Reihe von Fragen beantwortet, sind in den Entscheidungen der Experten bereits Gewichtungen in Bezug auf die einzelnen Faktoren enthalten [ASHBY04, S. 58]. Ein Nachteil der Methodik ist, dass bei der Auswahl entsprechend einem Fragenkata- log nur solche Lösungen ermittelt werden können, welche bei der Dokumentation der Entscheidungswege der Experten berücksichtigt wurden. Ein Abweichen von diesen Entscheidungswegen ist nicht möglich, wodurch der Erstellung dieser eine hohe Rele- vanz zukommt. Innovationen sind ausgeschlossen, da nur solche Lösungen ermittelt werden, welche bereits bekannt sind. Neu hinzugefügte Materialien oder Prozesse werden nicht berücksichtigt, da sie dem Experten zum Zeitpunkt der Befragung nicht bekannt waren [ASHBY04, S. 58]. Mit den Ansatz von LeBacq [LEBACQ02] wird exemplarisch eine Vorgehensweise zum Einsatz von Fragebögen für die Auswahl von Verbindungen vorgestellt. Weitere, dieser Vorgehensweise folgenden Ansätze finden sich in [BLUEZE10; ESAWI04] und [L'EG- LISE01]. 3.2.3.1 LeBacq In der von LeBacq [LEBACQ02] vorgestellten Methode werden in einem ersten Schritt Lösungen eliminiert, welche technisch nicht möglich sind, bevor die übrigen Lösungen entsprechend der Übereinstimmung mit den Anforderungen bewertet und in eine Rei- henfolge gebracht werden. Für das Ranking wird ein Fuzzy Ansatz verwendet [LE- BACQ02, S. 406]. Ähnlich wie in der beschriebenen freien Suche werden die Anforderungen mit den in einer Datenbank hinterlegten Fähigkeiten von Prozessen abgeglichen. Der Prozess der Anforderungsbeschreibung wird jedoch im Gegensatz zu der von Giachetti [GIA- CHETTI98] beschriebenen freien Suche mittels eines Fragebogens unterstützt, welcher die Analyse- und Entscheidungsstrukturen von Experten abbildet. Damit wird unab- hängig von Ausbildung und Erfahrung des Konstrukteurs sichergestellt, dass alle für die Auswahl des Prozesses notwendigen Informationen erfasst und berücksichtigt wer- den. - 66 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Das Ergebnis des Abgleichs der Anforderungen mit der Datenbank bekannter Pro- zesse ist ein Wert nt [0–100 %], welcher die Übereinstimmung der Anforderung mit den in der Datenbank hinterlegten Fähigkeiten der Prozesse repräsentiert. Daran an- schließend ist eine lokale Evaluation entsprechend den unternehmensspezifischen Randbedingungen wie Ausstattung, verfügbare Maschinen und Anwendungs-zusam- menhang durchzuführen [LEBACQ02, S. 406]. Hinsichtlich der Befüllung der Datenbank mit den relevanten Informationen zur Pro- zessauswahl sieht Lebacq eine Expertenbefragung vor, deren Ergebnisse dann auch Konstrukteuren ohne deren Expertise zugänglich gemacht werden sollen. Dazu wer- den Verbindungsanforderungen auf vier Ebenen abgefragt [LEBACQ02, S. 407]: Anforderungen an 1. die Geometrie der Verbindung 2. das Material der zu verbindenden Bauteile 3. die von der Verbindung zu erfüllende Funktion 4. die Voraussetzungen zur Anbringung der Verbindung 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 67 - Die Angaben des Konstrukteurs zu genannten Fragen repräsentieren die technischen Anforderungen an die Verbindung. Zur weiteren Eingrenzung der in Frage kommenden Verbindungen werden diese mit einer Materialdatenbank abgeglichen. Da die Ausle- gung der Verbindung nicht Teil des Funktionsumfangs ist, beschränkt sich der Inhalt der Datenbank rein auf die maximale Betriebstemperatur sowie auf Kompatibilitäten zwischen den einzelnen Materialien hinsichtlich Kontaktkorrosion. Neben der Materi- aldatenbank stellt die Prozessdatenbank den wichtigsten Bestandteil der Methodik dar. Gegliedert nach Klebeverbindungen, Schweißverbindungen und mechanischen Ver- bindungen repräsentiert diese numerische und qualitative Informationen zu 42 unter- schiedlichen Verbindungsprozessen [LEBACQ02, S. 408]. Ermöglicht wird der Abgleich durch eine identische Datenstruktur (Prozess/Material/ Verbindungsgeometrie), sodass schrittweise Einzelaspekte abgeglichen und auf einer Skala von null bis zehn bewertet werden können [LEBACQ02, S. 409]. Anschließend werden alle Verbindungen, welche mindestens in einem Teilaspekt keine Übereinstim- mung erzielt haben (0/10), als technisch nicht realisierbar klassifiziert. Für die übrigen Verbindungen gilt es ein multikriterielles Problem zu lösen, wobei die einzelnen Be- wertungsfaktoren zu einem Gesamtfaktor zusammengeführt werden. Dazu wird eine Fuzzylogik eingesetzt. Ergebnis ist die Übersicht der technisch nicht möglichen Pro- zesse (mit Begründung) sowie eine sortierte Übersicht der möglichen Verbindungen, geordnet nach der Übereinstimmung mit den vom Konstrukteur formulierten Anforde- rungen [LEBACQ02, S. 410]. Lebacq beschreibt, dass sich an diese technische Analyse der verfügbaren Prozesse eine weitere Untersuchung hinsichtlich der Prozesskosten anschließen kann. Diese ist jedoch nicht Teil der Studie [LEBACQ02, S. 410]. Vorteile der von Lebacq beschriebenen Methodik sind die transparente, lösungs-neut- rale Erfassung von Anforderungen sowie die strukturierte Erfassung von Informationen zu den Prozessen durch eine Expertenbefragung. Damit wird gewährleistet, dass Kon- strukteure unabhängig von ihrer Erfahrung und Ausbildung zu denselben Lösungen kommen wie die für die Erzeugung der Datenbasis befragten Experten. Aus der Abbildung des Expertenwissens in dem Fragebogen resultiert gleichzeitig der größte Nachteil des Systems. Zum einen werden nur solche Lösungen berücksichtigt, welche den Experten bekannt sind, zum anderen reagiert das System sehr langsam - 68 - 3 Grundlagen und Stand der Technik auf Innovationen, da diese erst dem Experten bekannt sein müssen, bevor dieses er- weiterte Expertenwissen dann bei einer erneuten Befragung erfasst, dokumentiert und implementiert werden kann. 3.2.4 Prozessauswahl mittels fallbasiertem Schließen Grundlage für fallbasiertes Schließen ist die Erfahrung aus der Vergangenheit. Konstruktionsanforderungen werden in Form einer Menge von Problemen als Ein- gangsgröße für den Transformationsprozess formuliert, anhand welcher gelöste Prob- leme aus der Vergangenheit auf Übereinstimmung ein oder mehrerer Anforderungen untersucht werden. Bei ausreichender Übereinstimmung wird die Übertragbarkeit der Lösungen aus der Vergangenheit auf das aktuelle Problem überprüft [ASHBY04, S. 59]. Vorteil ist die Verringerung des konstruktiven Aufwands. Die Methodik kann zu einem höheren Grad von Standardisierung führen, da für gleiche Anforderungen stets die- selbe Lösung herangezogen wird. Herausforderung ist das Erzeugen der Daten-basis, sodass gelöste Probleme mit ausreichender Wahrscheinlichkeit wiedergefunden wer- den [ASHBY04, S. 59]. Heutzutage wählen viele Konstrukteure den Fertigungsprozess aufgrund ihrer Erfah- rung und Intuition hinsichtlich der Vielzahl an Einflussfaktoren aus [YU93, S. 199]. Die von Yu [YU93] beschriebenen Einflussfaktoren auf die Auswahl des Prozesses über- schneiden sich deutlich mit den von Giachetti [GIACHETTI98] genannten: • Mechanische Eigenschaften • Materialien • Teilegeometrie • Teilegröße • Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit • Time-to-market • Produktionsvolumen • Zykluszeit Diese Einflussfaktoren werden mit einer Datenbank von bekannten Prozessen abge- glichen und Übereinstimmungsfaktoren für Geometrie, Material und Produktion ermit- telt. Vorteil der von Yu [YU93] vorgestellten Methodik ist die Berücksichtigung unter- schiedlicher Einflussfaktoren und deren Interdependenzen. Die Anwendung bekann- ter, bereits existierender Lösungen auf neue Probleme führt einerseits zu einem stei- genden Grad der Standardisierung. Die Übertragung bestehender Lösungen auf neue 3.2 Unterstützung der Prozessauswahl mit Fokus auf Verbindungsprozesse - 69 - Probleme schließt andererseits die Entstehung neuer, besserer Lösungen aus. Zudem erfolgt keine Gewichtung der Faktoren, sodass Faktoren, welche wenig Einfluss auf Produkt und Prozess haben, die Auswahl in gleicher Weise beeinflussen wie solche, welche für Funktionalität oder Wirtschaftlichkeit einen großen Einfluss haben. 3.2.5 Zusammenfassung Unterstützung der Prozessauswahl Die Notwendigkeit der Unterstützung der Auswahl von Werkstoff und Fertigungspro- zess in der Konzeptphase der Produktentwicklung ist bereits seit den 1990er-Jahren bekannt [EHRLENSPIEL92, S. 180]. Bestehende Ansätze lassen sich drei Strategien zu- ordnen: Freier Suche, Fragenkatalog und fallbasiertem Schließen. Die Untersuchung entsprechend dem in Kapitel 3.2.1 beschriebenen Kriterienkatalog liefert die Vor- und Nachteile der einzelnen Strategien. Die freie Suche ermöglicht die Generierung neuer, applikationsspezifischer Lösungen, bedingt jedoch die anspruchsvolle und aufwendige Beschreibung von Zielfunktionen durch den Konstrukteur. Fragenkataloge bieten mit der Nachbildung der Entschei- dungsstrukturen von Experten allen Konstrukteuren, unabhängig von deren Erfahrung und Ausbildung, die Möglichkeit zur selben Lösung zu gelangen wie die befragten Ex- perten. Die Abbildung der Vorgehensweisen erfordert jedoch die aufwendige Befra- gung einer Vielzahl von Experten. Zudem können innovative Lösungen nicht zustan- den kommen. Das fallbasierte Schließen vergleicht die aktuelle Problemstellung mit bereits gelösten Problemstellungen. Ziel ist es bei gleicher oder ähnlicher Problemstel- lung die erarbeitete Lösung zu übernehmen. Damit wird Arbeitsaufwand reduziert und zur Standardisierung beigetragen. Dies geht jedoch zu Lasten der Berücksichtigung neuer Werkstoffe und Prozesse. Die untersuchten Strategien liefern eine wertvolle Unterstützung der Auswahl von Werkstoff und Fertigungsprozess in der Konzeptphase des Produktentwicklungs-pro- zesses. Dabei können die beschriebenen aktuellen und zukünftigen Anforderungen der variantenreichen Serienfertigung jedoch von keiner Strategie hinlänglich befriedigt werden. Insbesondere fehlt die Einbeziehung neuer Werkstoffe und Verbindungstech- niken. Darüber hinaus erfolgt bei bestehenden Ansätzen die Auswahl ausschließlich nach dem Kriterium der Funktionalität. Die Wirtschaftlichkeit wird nicht ausreichend berücksichtigt, stellt jedoch für Unternehmen der variantenreichen - 70 - 3 Grundlagen und Stand der Technik Serienfertigung aufgrund der hohen Stückzahlen ein überaus wichtiges Kriterium dar (vgl. Tabelle 3.4). Kriterium  nicht erfüllt  bedingt erfüllt  erfüllt Prozessauswahl mit- tels freier Suche [ASHBY04; GIACHETTI98] Prozessauswahl mit- tels Fragenkatalog [LEBACQ02] Prozessauswahl mit- tels fallbasiertem Schließen [YU93] Berücksichtigte Verbindungen    Berücksichtigung von Kosten    Detaillierungs- grad    Abbildung unterschiedlicher Varianten    Erweiterbarkeit    Wartungs-/Er- stellungsauf- wand    Integration exter- nen Wissens    Tabelle 3.4: Bewertung der Ansätze zur Unterstützung der Prozessauswahl 4.1 Konkretisierung der Aufgabenstellung - 71 - 4 Konkretisierung der Aufgabenstellung und Ableiten von Anforde- rungen Die Anforderungen an eine Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung gehen aus der Analyse des Produktentwicklungs- und Produktionsprozesses eines Automobilunternehmens (vgl. Kapitel 2) sowie der Projektion der beschriebenen Trends (vgl. Kapitel 1.2) auf die dort analysierte Situation hervor. Der Abgleich der Herausforderungen mit bestehenden Ansätzen in Wissen- schaft und Technik (vgl. Kapitel 3) grenzt den Forschungsbereich ab. Im Rahmen der Konkretisierung der Aufgabenstellung werden für das übergeordnete Ziel (Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Produktion) die zu realisierenden Teil- ziele abgeleitet. Die daraus resultierenden Anforderungen werden anschließend ermit- telt und in einer Anforderungsliste zusammengeführt. 4.1 Konkretisierung der Aufgabenstellung Mit der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen für die variantenreiche Se- rienfertigung lassen sich Handlungsanweisungen für Konstruktionsaufgaben in der Konzeptphase des Produktentwicklungsprozesses ableiten. Übergeordnetes Ziel ist die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Produktion durch die Unterstützung der Auswahl von lösbaren Verbindungen im Konstruktionsprozess. Zur Realisierung des übergeordneten Ziels sind drei Teilziele zu erfüllen: 1. Vollständige Beschreibung des Lösungsraums für die zu verbindenden Bauteile: Zur Sicherstellung der optimalen Auswahl entsprechend dem gewählten Opti- mierungskriterium ist sicherzustellen, dass alle im Lösungsraum enthaltenen Lösungen bekannt sind und berücksichtigt werden. Dabei ist der Detaillierungs- grad so zu wählen, dass eine belastbare funktionale und wirtschaftliche Bewer- tung durchgeführt werden kann. 2. Auswahl der technisch realisierbaren Verbindungen: Zur Gewährleistung der Berücksichtigung der in (1.) beschriebenen Anforderun- gen an den Detaillierungsgrad der im Lösungsraum befindlichen Verbindungen bedarf es der methodischen Unterstützung bei der Auswahl der technisch - 72 - 4 Konkretisierung der Aufgabenstellung und Ableiten von Anforderungen realisierbaren Verbindungen. Der Rückgriff auf eine für alle Probleme identische Menge anwendbarer Verbindungen ist aufgrund des zu geringen Detaillierungs- grades nicht möglich (vgl. Kapitel 3.2). 3. Berücksichtigung der Methodik im Konstruktionsprozess: Zur Absicherung des Einsatzes der Methodik im Konstruktionsprozess ist diese prozessual und informationstechnisch in die unternehmensspezifischen Pro- zesse und (IT-)Infrastruktur zu integrieren. 4.2 Ableitung der Anforderungen an die Auswahl von lösbaren Verbindungen Zur Gliederung der Anforderungen wird die in Bild 4.1 beschriebene Struktur verwen- det. Dabei lassen sich drei Ebenen unterscheiden: Das Assistenzsystem vereinigt die Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen und die Einbindung in die Prozesse und (IT-)Infrastruktur. Die Methodik besteht aus Methoden zur Definition des Lösungs- raums, der Auswahl technisch realisierbarer Verbindungen und zur wirtschaftlichen Bewertung der Verbindungen (vgl. Bild 4.1). Die Anforderungen der einzelnen Ebenen resultieren aus dem Abgleich der Beobach- tungen in der Praxis (vgl. Kapitel 2) mit den in der Literatur bekannten Ansätzen (vgl. Kapitel 3) und werden im Folgenden detailliert beschrieben und in einer Anforderungs- liste zusammengeführt (vgl. Tabelle 4.1). 1 Assistenzsystem 2.1 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung 2.1.1 Definition des Lösungsraums für Problemstellung 2.1.2 Auswahl tech- nisch realisierbarer Verbindungen 2.1.3 Bewertung der Verbindungen 2.2 Einbindung in Prozesse und (IT-)Infrastruktur Bild 4.1: Analyse und Gliederung der Aufgabenstellung 4.2 Ableitung der Anforderungen an die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 73 - 1 Gesamtsystem (Assistenzsystem) Für eine gegebene Kombination an Bauteilen sind alle technisch möglichen lösbaren Verbindungen zu ermitteln und ganzheitlich entsprechend der verursachten Aufwen- dungen in der Produktion zu bewerten. Die Spezifizierung der Bauteile und Anforde- rungen an die Verbindungen (z. B. Positioniergenauigkeit, Wasserdichtheit, Lösbar- keit) durch den Konstrukteur ist dabei zu unterstützen. Die Einbindung in die System- und Prozesslandschaft ermöglicht die Verfügbarkeit und sichert den Einsatz des Assistenzsystems. 2.1: Handlungsanweisungen (Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbin- dungen in der variantenreichen Serienfertigung) Für eine Menge von Bauteilen und Anforderungen an die Verbindung sind die mögliche Verbindungsszenarien durch die Kombination der die Verbindung definierenden Fak- toren (Anzahl Verbindungspunkte, Verbindungstechnik und Dimensionierung der Ver- bindungstechnik (vgl. Kapitel 2.1)) zu ermitteln. Für jedes Verbindungsszenario sind lösbare Verbindungen entsprechend geltender Normen, Standards oder etablierter Vorgehensweisen auszulegen. 2.1.1: Definition des Lösungsraums für Problemstellung Für die zu verbindenden Bauteile sind entsprechend der durch den Konstrukteur be- schriebenen Anforderungen die möglichen Verbindungsszenarien durch eine syste- matische Variation der Anzahl der Verbindungspunkte und deren Konfiguration (An- ordnung auf der Verbindungsfläche) zu ermitteln. Diese sind um die zu übertragenden Kräfte zu ergänzen. 2.1.2: Auswahl technisch realisierbarer Verbindungen Für die zu berücksichtigenden lösbaren Verbindungen sind auf Basis der durch den Konstrukteur definierten Anforderungen technisch mögliche Verbindungen zu ermit- teln. Die Auswahl der Verbindungen ist durch das Assistenzsystem auszuführen. Die Architektur des Assistenzsystems ist so zu wählen, dass spezifisches Wissen zu den einzelnen Verbindungen gekapselt, gespeichert und genutzt werden kann. Weiter ist eine Architektur zu wählen, die die Erweiterbarkeit des Assistenzsystems um neue, - 74 - 4 Konkretisierung der Aufgabenstellung und Ableiten von Anforderungen innovative Verbindungen erlaubt. Bei der Auslegung der Verbindung ist die Berück- sichtigung von unternehmensspezifischen Standards zu ermöglichen. 2.1.3: Bewertung der Verbindungen Für die Bewertung der Verbindung sind sämtliche in der Produktion verursachten Auf- wendungen zu ermitteln und zusammenzuführen. Neben der Fertigungszeit und Be- triebsmitteln wie Werkzeugen und sind Aufwendungen für Qualität und Logistik in die Bewertung zu integrieren. Ergebnis der Bewertung einer Verbindung ist eine zentrale Kenngröße, welche den Vergleich zwischen verschiedenen lösbaren Verbindungen ermöglicht. Dem Konstrukteur ist eine Liste aller technisch möglichen Verbindungen, geordnet nach den konsolidierten Aufwendungen, zur Verfügung zu stellen und um Möglichkei- ten der Auswertung (Sortierung nach einzelnen Kriterien) zu ergänzen, sodass der Vergleich unterschiedlicher Verbindungen innerhalb eines Verbindungsszenarios und zwischen den Verbindungsszenarien ermöglicht wird. 2.2: Einbindung in Prozesse und (IT-)Infrastruktur Die Einbindung in die (IT-)Infrastruktur stellt sicher, dass das Assistenzsystem für je- den Konstrukteur zu jedem Zeitpunkt verfügbar ist. Die Integration in die Konstruktion- sumgebung stellt die Verfügbarkeit auch bei dezentralen Teams von Entwicklern si- cher. Mittels einer prozessualen Verankerung wird der Einsatz des Assistenz-systems sichergestellt. Da sich die beschriebenen Herausforderungen bei der Auswahl von lösbaren Verbin- dungen auch in anderen Unternehmen der variantenreichen Serienfertigung finden (weiße Ware, Möbel, IT), ist eine übertragbare und skalierbare Lösung anzustreben. 4.2 Ableitung der Anforderungen an die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 75 - Anforderungsliste für Assistenzsystem zur Auswahl der Montage-Verbindung Firma: GSaME Projektnr.:2010_01 Ausgabe vom: 28.06.13 Bearbeiter: Rusitschka, F. (FR) Ers. Ausg. V.: F W Nr. Anforderungen Forderung (F), Wunsch (W) Be- schrei- bung, Quant. Ver- antw./ Quelle Ände- rung 1 Gesamtsystem (Assistenzsystem) F 1.1 Für zwei vollständig spezifizierte Bauteile und eine Menge funktionaler Anforderungen sind alle technisch möglichen, lösbaren Verbindungen zu ermitteln und zu bewerten. FR 2.1 Handlungsanweisungen (Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Se- rienfertigung) F 2.1.1 Unterstützung des Konstrukteurs bei der Auswahl und Aus- legung von Montage-Verbindungen. FR F 2.1.2 Methodische Ermittlung des Lösungsraums durch Variation der Anzahl der Verbindungspunkte, der Verbindungstech- nik und deren Dimensionierung FR F 2.1.3 Vergleich unterschiedlicher lösbarer Verbindungen auf Basis der verursachten Aufwendungen in der Produktion FR 2.1.1 Definition des Lösungsraums für Problemstellung F 2.1.1.1 Ermittlung von Verbindungsszenarien durch Variation von Anbindungspkt. und deren Orientierung FR F 2.1.1.2 Berechnung der resultierenden Kräfte pro Verbindungs- punkt FR 2.1.2 Auswahl technisch realisierbarer Verbindungen F 2.1.2.1 Ermittlung der technisch möglichen Verbindungen durch Abgleich der Fähigkeiten der berechneten Verbindungen mit den Anforderungen und ermittelten Kräften. FR 2.1.3 Bewertung der Verbindungen F 2.1.3.1 Ermittlung der verursachten Aufwendungen in der Produk- tion für lösbare Verbindungen FR F 2.1.3.2 Zusammenführung der Einzelaufwendungen zu den Ge- samtaufwendungen FR W 2.1.3.3 Sortierung der Gesamtliste nach Gesamtaufwendungen und nach einzelnen Aufwendungen FR 2.2 Einbindung in Prozesse und (IT-)Infrastruktur F 2.2.1 Einbindung in die Konstruktionsumgebung FR F 2.2.2 Erweiterbarkeit um neue Verbindungen FR Tabelle 4.1: Anforderungsliste für Assistenzsystem zur Auswahl der Montage-verbin- dung 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 77 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Entsprechend der in Kapitel 4 definierten Anforderungen wird mit der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen die Grundlage eines Assistenzsystems für den Konstruktionsprozess geschaffen, das Konstrukteure bei der Auswahl und Auslegung von lösbaren Verbindungen unterstützt. Neben funktionalen Kriterien, wie den zu über- tragenden Kräften und Lasten, werden auch wirtschaftliche Kriterien, wie die Ferti- gungszeit oder die Einzelteilkosten berücksichtigt. Die notwendigen Einzelschritte wer- den in einem Ablaufdiagramm in Verbindung zueinander gesetzt (vgl. Kapitel 5.1) und anschließend näher beschrieben. Die der Auswahl zugrundeliegenden Schritte (vgl. Kapitel 4.2), der Definition des Lö- sungsraumes (vgl. Kapitel 5.2), Ableitung der Verbindungen (vgl. Kapitel 5.3) und Be- wertung der Verbindungen (vgl. Kapitel 5.4) finden sich im Anschluss an das Ablaufdi- agramm. 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen Bezogen auf den vierstufigen Produktentwicklungsprozess nach Pahl [PAHL05, S. 194] (Planen, Konzipieren, Entwerfen, Ausarbeiten) lässt sich die Auslegung der Verbin- dung der Phase des Entwurfs zuordnen (vgl. Bild 5.1). Diese Einordnung korrespon- diert mit den Beobachtungen aus der Praxis (vgl. Kapitel 2.2), in der die Auswahl und Auslegung der Verbindungen von den für die Module verantwortlichen Konstrukteuren in den Produktentwicklungsprozess eingeordnet wurden. Grundannahme der im Folgenden beschriebenen Methodik ist, dass eine Verbindung wie ein Produkt behandelt werden kann. Damit lassen sich etablierte Vorgehenswei- sen der Produktgestaltung, wie das Definieren einer Anforderungsliste, die methodi- sche Auswahl und die wissensbasierte Ausgestaltung auf die Verbindungsauswahl und -gestaltung übertragen. Zur weiteren Strukturierung der Methodik wird daher der viergliedrige Produktentwicklungsprozess von Pahl/Beitz verwendet (vgl. Bild 5.1). - 78 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Entsprechend dem Grundgedanken der Produktentwicklung – die richtigen Dinge rich- tig tun [BINZ11, S. 81] – sind die Kernaufgaben der Auswahl und Auslegung von lös- baren Verbindungen in der Konzeption und dem Entwurf zu sehen. Im Rahmen der Konzeption werden die möglichen Prinziplösungen für die gegebene Aufgabenstellung aufgezeigt und bewertet. Mit der Auswahl der technisch und wirtschaftlich optimalen Prinziplösung („das Richtige“) erfolgt der Übergang in die Entwurfsphase. Im Rahmen dieser wird die Prinziplösung detailliert und in die Konstruktion übertragen. Bei diesem Aufgabe Weitere Realisierung Klären und präzisieren der Aufgabenstellung 1 Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen 2 Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen 3 Gestalten der maßgebenden Module 5 Gliedern in realisierbare Module 4 Gestalten des gesamten Produkts 6 Ausarbeiten der Ausführungs- und Nutzungsangaben 7 Anforderungs- liste It er a tiv e s V o r - u n d R ü ck sp rin g e n zu e in e m o de r m e hr e re n A rb e its sc h ri tt e n Funktions- strukturen Prinzipielle Lö- sung Modulare Strukturen Vorentwürfe Gesamt-ent- wurf Produkt- dokumentation E rf ü lle n u n d A n p a ss e n d er A n fo rd e ru n g en Arbeitsergebnisse Phasen I II III IV Bild 5.1: Einordnung der Auswahl und Auslegung von Montage-Verbindungen in den Konstruktionsprozess (grau markiert) nach [VDI93b, S. 9] 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 79 - Konkretisierungsschritt sind sowohl Qualitätsaspekte als auch Produkt- und Prozessstandardisierungen zu berücksichtigen („richtig tun“). Die dem Assistenzsystem zugrunde liegenden Arbeitsschritte lassen sich, wie in Bild 5.1 beschrieben, in die dritte Phase, die Entwurfsphase des Produkt- entstehungsprozesses einordnen. Dieser Verbindungsentstehungsprozess wird wie der Produktentstehungsprozess in vier Phasen gegliedert (vgl. Bild 5.2). Der Einsatz der beschriebenen Arbeitsschritte richtet sich nach den an die Verbindung gestellten Anforderungen. Die Kriterien werden in den Kapiteln 5.1.1–5.1.4 näher beschrieben. 5.1.1 Planen der Verbindung, Klären der Anforderungen Im Rahmen der Planung und Klärung der Aufgabe werden die zu verbindenden Bau- teile spezifiziert sowie Anforderungen an die Verbindung erfasst. Die Ermittlung der Informationen erfolgt dabei zur Sicherstellung einer durchgängigen Datenstruktur mit- tels einheitlichen Formularen. Ergebnis des Schritts ist eine standardisierte Planen, Klären der Aufgabe Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten Anlegen der Verbindung Abgleich mit bestehenden Standards Aufzeigen techn. mgl. Verbindungsarten Grobauslegung der Verbindung Ableiten der Montage-Aufwendungen Bewertung der Verbindungen Aufzeigen wirtschaftl. optimaler Verbindungsart Standardisieren der Verbindungsparameter Standardisieren des Verbindungselements Ableiten des Werkzeugs Abgleich Verbindungsparameter mit Standard Featuregestützte Ausgestaltung der Verbindung Festigkeitsnachweis Dokumentation Bild 5.2: Arbeitsschritte bei der Auswahl und Auslegung von lösbaren Verbindungen - 80 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Anforderungsliste beziehungsweise ein standardisiertes Anforderungsprofil der Ver- bindung, welches die Grundlage für die weiteren Arbeitsschritte darstellt. Im Hinblick auf den weiteren Datenaustausch ist die Speicherung der Daten und Infor- mationen in einem strukturierten Format sicherzustellen, um den Austausch mit unter- schiedlichen Systemen und Diensten zu ermöglichen. Zur kontinuierlichen Dokumen- tation der weiteren Aktivitäten erfolgt die Vergabe eines eindeutigen Namens an die Verbindung. Der automatisierte Abgleich mit Industrie- und Unternehmensstandards sichert deren Berücksichtigung, sorgt für Standardisierung und verhindert Doppelarbeit. Für viele Bauteile sind unternehmensspezifische Standards definiert, welche für ein breites Pro- duktspektrum gültig sind und das Gesamtoptimum darstellen. Dabei müssen sie nicht zwingend für alle im Produktspektrum enthaltenen Produkte die wirtschaftlichste Lö- sung beschreiben. Verbindungsumfänge, für welche bereits ein Standard besteht, wer- den nicht weiter untersucht. Dem Konstrukteur werden direkt alle Informationen zu dem bestehenden Standard zur Verfügung gestellt. 5.1.2 Konzipieren und Bewerten möglicher Verbindungen Für Verbindungsaufgaben, bei welchen während der Planung und Klärung der Auf- gabe (vgl. Kapitel 5.1.1) kein bestehender und gültiger Standard ermittelt werden konnte, werden die möglichen lösbaren Verbindungen konzipiert. Der Arbeitsschritt beginnt mit der Beschreibung des Lösungsraums für das gegebene Anforderungspro- fil. Darauf aufbauend, werden für die technisch möglichen Verbindungen Grobentwürfe erzeugt. Die Bestimmung der aus den Grobentwürfen in der Montage resultierenden Aufwendungen ermöglicht die Bewertung. Ergebnis ist eine nach den Aufwendungen geordnete Liste der Verbindungen. Zur Beschreibung des Lösungsraums werden für die zu verbindenden Bauteile unter- schiedliche Verbindungsszenarien 𝑉𝑆𝑖 erstellt. Ein Verbindungsszenario beschreibt die Anzahl und Anordnung der Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑗. Verbindungspunkte repräsen- tieren lösungsneutral die Kontaktstellen zwischen den zu verbindenden Bauteilen, durch welche die Kräfte übertragen werden, beziehungsweise der Zusammenhalt her- gestellt wird. Für die Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑗,𝑖 eines jeden Verbindungsszenarios 𝑉𝑆𝑖 werden die zu übertragenden Kräfte 𝐹𝑥,𝑗,𝑖, 𝐹𝑦,𝑗,𝑖, 𝐹𝑧,𝑗,𝑖 ermittelt. Eingangsgrößen für die Ermittlung der Kräfte sind das Anforderungsprofil an die Verbindung sowie das Last- profil, welches die zu erwartenden Betriebskräfte beschreibt (vgl. Volkswagen AG09). 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 81 - Das allgemeine Anforderungsprofil 𝐴𝑃 wird damit zu einer Menge von Anforderungs- profilen 𝐴𝑃𝑖 erweitert. Jedes 𝐴𝑃𝑖 enthält die allen Anforderungsprofilen gemeinen An- forderungen an die Verbindung 𝐴𝑃𝑎𝑙𝑙𝑔 (Dichtheit, Positioniergenauigkeit, Lösbarkeit) sowie die aus dem Verbindungsszenario 𝑉𝑆𝑖 resultierenden Anforderungen 𝐴𝑃_𝑉𝑆𝑖 (Anzahl der Verbindungspunkte und deren Anordnung). 𝐴𝑃𝑖 = 𝐴𝑃𝑎𝑙𝑙𝑔 + 𝐴𝑃_𝑉𝑆𝑖 (5.1) Für jedes Anforderungsprofil 𝐴𝑃𝑖 sind im nächsten Schritt die bekannten Verbindungen auf technische Machbarkeit zu prüfen. Dazu werden die Anforderungen mit den Fä- higkeiten der entsprechenden Verbindungstechnik verglichen. Um der Anforderung der Erweiterbarkeit und Kapselung von Wissen gerecht zu werden, ist das Wissen zu den einzelnen Verbindungstechniken 𝑉𝑇𝑚 in einzelnen Modulen hinterlegt (vgl. Bild 5.3). - 82 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Die Architektur des Assistenzsystems orientiert sich dabei an der serviceorientierten Architektur von Softwaresystemen, bei welcher vielfältige, verschiedene und eventuell inkompatible Methoden als wiederverwendbare und offen zugreifbare Dienste reprä- sentiert werden [MELZER10, S. 13]. Der Aufbau eines modularen Assistenzsystems ermöglicht im Gegensatz zu einem integrierten System die schrittweise Erweiterung des Gesamtsystems sowie die Be- rücksichtigung neuer Montage-Verbindungen. Dazu lassen sich unterschiedliche Me- thoden und Algorithmen für die Auslegung dieser in den einzelnen Modulen abbilden. Die Module können in drei Kategorien eingeteilt werden (vgl. Bild 5.4). Allgemeines Anforderungsprofil 𝐴𝑃𝑎𝑙𝑙𝑔 𝐴𝑃1 𝐴𝑃2 𝐴𝑃… 𝐴𝑃𝑛 Ableiten von Verbindungs-szena- rien 𝑉𝑆𝑖 Ergänzen der Anforderungsprofile 𝐴𝑃𝑖 = 𝐴𝑃𝑎𝑙𝑙𝑔 + 𝐴𝑃_𝑉𝑆𝑖 Verbindungs- technik 𝑉𝑇1 Verbindungs- technik 𝑉𝑇2 Verbindungs- technik 𝑉𝑇… Verbindungs- technik 𝑉𝑇𝑛 Bestimmen der aus 𝑉𝑆𝑖 resultie- rende Kräfte/Lasten 𝐴𝑃_𝑉𝑆𝑖 Bild 5.3: Zuordnung der Anforderungsprofile zu den Verbindungstechniken 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 83 - Über eine standardisierte Schnittstelle werden, dem Prinzip eines Marktplatzes fol- gend, jedem der Module 𝑉𝑇𝑚, alle Anforderungsprofile 𝐴𝑃𝑆 in Form von XML Dateien zur Verfügung gestellt. Jedes der Module vergleicht diese Anforderungsprofile mit dem Fähigkeitsprofil der repräsentierten Verbindungen und gibt als Ergebnis entweder ei- nen Grobentwurf für die Verbindung oder die Mitteilung zurück, dass das Anforde- rungsprofil technisch nicht erfüllt werden kann (vgl. Bild 5.5). Verbindungs- technik 𝑉𝑇𝑚 Regelbasiert Fallbasiert Blackbox Verbindungtechnik 𝑉𝑇𝑚 𝐴𝑃𝑛 𝐴𝑃𝑛 ⊂ 𝐹𝑃𝑉𝑇𝑚 „keine Lö- sung tech- nisch mgl.“ Grob-ent- wurf nein ja Bild 5.4: Module zur Auslegung von Verbindungen mit unterschiedlichen Methoden Bild 5.5: Abgleich des Anforderungsprofils mit dem Fähigkeitsprofil 𝐹𝑃𝑉𝑇𝑚 der Verbin- dungstechnik 𝑉𝑇𝑚 und Erzeugen von Grobentwürfen - 84 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Mit dieser Vorgehensweise werden parallel für jedes Anforderungsprofil 𝐴𝑃𝑖 𝑚 Grob- entwürfe erzeugt (𝑚: Anzahl der in Modulen hinterlegten lösbaren Verbindungen), wodurch sich die Anzahl der im Lösungsraum befindlichen und zu bewertenden Ver- bindungsvarianten 𝑉𝑉 als das Produkt aus den Anforderungsprofilen und Montage- Verbindungstechniken ergibt: 𝑉𝑉 = 𝑠 ∗ 𝑚 𝑚𝑖𝑡 𝑠: 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝐴𝑛𝑓𝑜𝑟𝑑𝑒𝑟𝑢𝑛𝑔𝑠𝑝𝑟𝑜𝑓𝑖𝑙𝑒 𝑚: 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑙ö𝑠𝑏𝑎𝑟𝑒𝑛 𝑉𝑒𝑟𝑏𝑖𝑛𝑑𝑢𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒𝑐ℎ𝑛𝑖𝑘𝑒𝑛 (5.2) Für die Bewertung der Verbindungen sind alle Aufwendungen zu berücksichtigen, die durch diese verursacht werden. Dabei sind auch die vorgelagerten Prozessschritte zu betrachten. Die Vorgehensweise zur ganzheitlichen Ermittlung der Aufwendungen lässt sich in vier Schritte unterteilen: 1. Ermittlung der Prozessschritte, in welchen durch die Verbindung Aufwendungen entstehen 2. Ermittlung der Aufwendungen für die einzelnen Prozessschritte 3. Umrechnung der Aufwendungen in eine monetäre Größe 4. Zusammenführung aller Aufwendungen Grundlage für die Erfassung der zu berücksichtigenden Prozessschritte sind die zu verbindenden Bauteile. Ausgehend von der finalen Verbindung sind all vorbereitenden Tätigkeiten, wie das Einbringen von Bohrungen und Gewinden, Verdrehsicherungen oder Beschichtungen und der Verbindungsprozess zu ermitteln. Entsprechend diesen Prozessschritten sind die dafür notwendigen Aufwendungen zu ermitteln. Dabei kann es sich um Einzelteilkosten, Fertigungszeiten oder Betriebsmittel handeln. Zur Um- rechnung dieser in eine monetäre Größe sind die unternehmens- und standortspezifi- schen Umrechnungsfaktoren (z. B. Fertigungspersonalkosten von ca. 40 €/h in Deutschland) anzunehmen. Die Umrechnung ermöglicht die Konsolidierung des Ge- samtaufwands. Für die Automobilindustrie ergeben sich die relevanten Prozessschritte als: • Presswerk (z. B. Einbringen von Löchern mittels Laserstrahltrennverfahren) • Karosseriebau (z. B. Fügen von Schweißmuttern und –bolzen) • Lackiererei (z. B. Lackschutz von Massebolzen in der Lackiererei) • Montage (z. B. Befestigen mit Schraube in Schweißmutter) 5.1 Ablaufdiagramm des Assistenzsystems für die Auswahl von lösbaren Verbindungen - 85 - Eine detaillierte Beschreibung zur Erfassung und Zusammenführung der Aufwendun- gen findet sich in Kapitel 5.4.1. Die Zusammenführung aller Verbindungsvarianten 𝑉𝑉 und deren Bewertungen liefert dem Konstrukteur die vollständige Übersicht der technisch möglichen Verbindungen für ein Anforderungsprofil, verbunden mit der Möglichkeit, diese nach einzelnen Be- wertungskriterien oder dem übergeordneten Kriterium der Wirtschaftlichkeit zu sortie- ren. Jede der Verbindungsvarianten enthält bereits Informationen zu den für die Pro- duktion benötigten Einzelteile, Werkzeuge und Prozesse. Die Phase der Konzeption wird mit der Auswahl einer Verbindungstechnik aus der Übersicht der technisch möglichen Verbindungen abgeschlossen (Prinzipielle Lösung, vgl. Bild 5.1). In der Ausarbeitungsphase sind die Verbindungselemente und Monta- geprozessgrößen für die ausgewählte Verbindung auf Konformität mit den unternehmens- und branchenspezifischen Standards zu prüfen und ggf. anzupassen. 5.1.3 Entwerfen der Verbindung Die in der Konzeptphase erarbeitete Prinziplösung enthält bereits grundsätzliche Mon- tageprozessgrößen und Anforderungen an die Verbindungselemente. Diese werden in der Entwurfsphase weiter detailliert und mit den bestehenden Unternehmens- und Branchenstandards abgeglichen. Die Relevanz dieses Schrittes ergibt sich aus der in der variantenreichen Serienfertigung notwendigen Standardisierung zur Reduzierung der Komplexität (vgl. Kapitel 1.1). Sowohl für das Produkt (Verbindungselemente) als auch für den Prozess (Montage- prozessgrößen) wird hierzu eine eigene Referenz aufgebaut. Für die Verbindungsele- mente besteht diese aus der Übersicht der zu bevorzugenden Teile (Standard Verbin- dungselemente 𝑆𝑉𝐸), für die Montageprozessgrößen aus der Übersicht der zu ver- wendenden Parameter (Standard Prozessgrößen 𝑆𝑀𝑃). Der Abgleich der im Grobent- wurf hinterlegten Verbindungselemente (𝑉𝐸) und Montageprozessgrößen (𝑀𝑃) mit den definierten Standards zeigt etwaigen Handlungs- und Anpassungsbedarf auf. Bei den Standards handelt es sich, im Gegensatz zu den in Kapitel 5.1.1 abgefragten Stan- dards für Befestigungskonzepte, um bauteilunabhängige Informationen zu Verbin- dungselementen und Produktionsprozessen. - 86 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Die Anpassung der im Grobentwurf hinterlegten Verbindungselemente oder Montage- prozessgrößen wird durch Konstruktionswissen in Form von Konstruktionsprinzipien unterstützt. Dazu werden konstruktive Hinweise zur Verfügung gestellt, wo und wie der Entwurf anzupassen ist, damit die Standards eingehalten werden können. Nach der Anpassung des Grobentwurfs erfolgt die erneute Überprüfung der Verbindungsele- mente und Montageprozessgrößen auf Konformität mit den Standards. Bei positiver Prüfung ist die Detaillierung des Grobentwurfs abgeschlossen (vgl. Bild 5.6). Abschlie- ßend wird die Verbindung um die für die Fertigung und Montage notwendigen Werk- zeuge und Anlagen ergänzt. 5.1.4 Ausarbeiten der Verbindung Der abschließende Schritt des Ausgestaltens beinhaltet das Übertragen des detaillier- ten Entwurfs der Verbindung in die Konstruktion. Dazu werden die in der Detaillösung hinterlegten Informationen dem Konstrukteur in Form von Features zur Verfügung gestellt. Damit entfällt der Zeitaufwand für die Suche nach den Geometrie- und Metadaten. Die Gefahr von Übertragungsfehlern wird hierdurch eliminiert. Für den komplettierten Zusammenbau ist anschließend ein Festigkeitsnachweis zu er- bringen. Dieser erfolgt konventionell, analog zum Produktentwicklungsprozess ohne Assistenzsystem. Zur Dokumentation des Entscheidungsprozesses, der Montagepro- zessgrößen und Verbindungselemente wird unter der eindeutigen Bezeichnung der Verbindung (vgl. Kapitel 5.1) das eingangs beschriebene integrierte Produkt- und Pro- zessmodell abgelegt. Verbindungs- Elemente 𝑆𝑉𝐸 Grobentwurf Montage- Prozessgrößen 𝑆𝑀𝑃 Standard Standard 𝑉𝐸 ⊂ 𝑆𝑉𝐸 𝑀𝑃 ⊂ 𝑆𝑀𝑃 Konstruktions- prinzipien Konstruktions- prinzipien Detailentwurf ja ja nein nein Bild 5.6: Standardisierung von Verbindungselementen und Montageprozessgrößen 5.2 Integriertes Produkt- und Prozessmodell - 87 - Die zur Auswahl von lösbaren Verbindungen entwickelten Methoden werden im Fol- genden detailliert beschrieben. Grundlage sind die in Kapitel 4.2 definierten Anforde- rungen. Die Beschreibung der Verbindung als Produkt in einem integrierten Produkt- und Pro- zessmodell (vgl. Kapitel 5.2) ermöglicht die systematische Beschreibung des Lösungsraums und Generierung der unterschiedlichen Verbindungsszenarien (vgl. Kapitel 5.3.1) sowie die Ableitung der zu übertragenden Kräfte und Lasten (vgl. Kapitel 5.3.2). Auf deren Basis werden die Grobentwürfe erzeugt und bewertet (vgl. Kapitel 5.4). 5.2 Integriertes Produkt- und Prozessmodell Die Konsolidierung der Dokumentation von Produkt- und Prozessinformationen liefert die Grundvoraussetzung für die weiteren Schritte zur assistierten Auswahl und Ausle- gung der Verbindung, da für die ganzheitliche Bewertung sowohl Produkt- als auch Prozessinformationen zu berücksichtigen sind. Dazu wird ein hierarchisches Modell entwickelt, in dem neben Produktinformationen auch die Prozessinformationen be- schrieben sind, und welches die für die weitere Vorgehensweise notwendige Detail- tiefe aufweist. Auf Basis der Systemtheorie werden die zu verbindenden Bauteile als Elemente im System des Zusammenbaus beschrieben. Im Gegensatz zu bestehenden Produktbe- schreibungen wird die Verbindung dabei jedoch nicht als die Beziehung zwischen den zu verbindenden Bauteilen, sondern als eigenständiges Element im System des Zu- sammenbaus beschrieben (vgl. Bild 5.7). BT 1 BT 2 V BT 1 BT 2 V BT 1: Bauteil 1 V: Verbindung BT 2: Bauteil 2 Z: Zusammenbau Z Z Bild 5.7: Verbindung als Beziehung oder als Element im System des Zusammenbaus - 88 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Die Elemente, die die Bauteile repräsentieren, enthalten die charakterisierenden Infor- mationen wie Geometrie, Werkstoff und Gewicht. Diese teilweise voneinander abhän- gigen Informationen werden über den Produktentwicklungsprozess schrittweise ver- vollständigt und verfeinert. Das die Verbindung repräsentierende Element enthält In- formationen zur Verbindungstechnik sowie zu den Montage- und Fertigungsprozes- sen. Die Beziehungen zwischen den zu verbindenden Bauteilen und der Verbindung schafft Transparenz über die Zusammenhänge. Sie können bei jeder Änderung an einem der die Bauteile repräsentierenden Elemente des Zusammenbaus zur Überprüfung der Kompatibilität zwischen diesem und den übrigen Elementen verwendet werden. Dazu werden die in den Bauteilelementen hinterlegten Spezifikationen und die Anforderun- gen an die Verbindung mit den im Verbindungselement hinterlegten Fähigkeiten ab- geglichen. Die Formulierung der Verbindung 𝑉 als eigenständiges Element im System des Zu- sammenbaus 𝑍 ermöglicht dazu die weitere Detaillierung der Verbindung in Form ei- nes Subsystems, bestehend aus den einzelnen Verbindungspunkten 𝑉𝑃𝑖 und deren Beziehungen zueinander (vgl. Bild 5.8). Ein Verbindungspunkt 𝑉𝑃𝑖 beschreibt dabei die Lage und Eigenschaften einer Verbin- dungsstelle vollständig. Jeder der Verbindungspunkte repräsentiert ein eigenes Sub- system, in welchem die Verbindungselemente, Hilfselemente (vgl. Bild 5.9) und zuge- hörigen Fertigungs- und Montageprozesse beschrieben werden (vgl. Bild 5.10). V VP2 VP… VPn 𝑉𝑃1,…,𝑛: Verbindungspunkte 1, …, n Bild 5.8: Subsystem der Verbindung 𝑉, bestehend aus Verbindungspunkten 𝑉𝑃𝑖 BT 1 BT 2 VP 1 5.2 Integriertes Produkt- und Prozessmodell - 89 - Zur Beschreibung der Produktinformationen werden drei Arten von Elementen unter- schieden: Fügeelement (𝐹𝑢𝑒𝑒): Element, das den Zusammenhalt herstellt (z. B. Schraube). Funktionselement (𝐹𝑘𝑡𝑒): Element, das die Funktion des Fügeelementes ermöglicht (z. B. Mutter). Hilfselement (𝐻𝑒𝑖): Element, das für den Zusammenbau notwendig ist, dabei keine direkte Funktion übernimmt, jedoch für die Verbin- dung notwendig ist (z. B. Durchgangsloch). Ein Verbindungspunkt wird dabei immer von genau einem Fügeelement und einem Funktionselement beschrieben. Dazu können ein oder mehrere Hilfselemente ergän- zend notwendig sein. Zur Integration der Prozessinformationen werden die Beschreibungen der Produkt-in- formationen des Verbindungspunkts (vgl. Bild 5.9) um die Prozessinformationen er- gänzt (vgl. Bild 5.10). Schraube (Fügeelement 𝐹𝑢𝑒𝑒) Durchgangsloch (Hilfselement 1 He1) Schweißmutter (Funktionselement 𝐹𝑘𝑡𝑒) Durchgangsloch (Hilfselement 2 He2) 𝐻𝑒1 𝐹𝑢𝑒𝑒 𝐹𝑘𝑡𝑒 𝐻𝑒2 𝑉𝑃𝑖 Bild 5.9: Systemische Beschreibung eines Verbindungspunktes 𝑉𝑃𝑖 - 90 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Die Beschreibung der Prozessinformationen (Produktionsprozess PP) erfolgt durch vier Arten von Elementen: PP Verbindung (𝑃𝑝_𝑉): Prozess des Verbindens von Füge- und Funktions- element (z. B. Verschrauben einer Schraube in einer Mutter). PP Fügeelement (𝑃𝑝_𝐹𝑢𝑒𝑒): Prozess des Verbindens des Fügeelementes mit dem zu verbindenden Bauteil (z. B. Einschieben einer Schnappverbindung in eine Führung). PP Funktionselement (𝑃𝑝_𝐹𝑘𝑡𝑒): Prozess des Verbindens des Funktionselementes mit dem zu verbindenden Bauteil (z. B. Anschwei- ßen einer Schweißmutter). PP Hilfselement i (𝑃𝑝_𝐻𝑒𝑖): Prozess des Erzeugens des Hilfselementes (z. B. Bohren einer Durchgangsbohrung). Ein Verbindungspunkt wird immer genau von einem Produktionsprozess Verbindung 𝑃𝑝_𝑉 beschrieben. Dazu können Produktionsprozesse für Füge- und Funktionsele- ment sowie für ein oder mehrere Hilfselemente notwendig sein. Die Ergänzung der ersten beiden Ebenen des Verbindungsmodells (vgl. Bild 5.8) um die Elemente des Verbindungspunktes führt zu dem dreistufigen Modell einer Verbin- dung (vgl. Bild 5.11). 𝐻𝑒1 𝑃𝑝_𝐻𝑒1 𝑃𝑝_𝐹𝑢𝑒𝑒 𝐹𝑢𝑒𝑒 𝐹𝑘𝑡𝑒 𝐻𝑒2 𝑃𝑝_𝑉 𝑃𝑝_𝐻𝑒2 𝑃𝑝_𝐹𝑘𝑡𝑒 Bild 5.10: Vollständige Beschreibung eines Verbindungspunkts 5.3 Beschreibung des Lösungsraums durch die Ermittlung von Verbindungsszenarien - 91 - Die integrierte hierarchische Produkt- und Prozessbeschreibung ermöglicht mit der Variation der Anzahl und Anordnung der Verbindungspunkte auf der zweiten Ebene (vgl. Bild 5.11) die systematische Ermittlung aller möglichen Verbindungsszenarien und bildet damit die Voraussetzung für die Methodik zur Auswahl und Auslegung der lösbaren Verbindungen. 5.3 Beschreibung des Lösungsraums durch die Ermittlung von Verbin- dungsszenarien Der Lösungsraum für die Verbindung zwischen zwei Bauteilen wird maßgeblich von der Anzahl und Anordnung der Verbindungspunkte bestimmt (zweite Ebene der Ver- bindung, vgl. Bild 5.11). Ein Verbindungspunkt beschreibt dabei eine Verbindungs- stelle mit allen Verbindungselementen, Fertigungs- und Montageprozessen. Im Falle einer Schraubverbindung sind dies: • Verbindungselemente: Schraube, Mutter • Fertigungsprozesse: Einbringen der Durchgangsbohrung in Bauteil 1 und Bauteil 2 • Montageprozess: Verschrauben der Bauteile 1 und 2 mit Schraube und Mutter Ebene 1 Ebene 2 Ebene 3 Bild 5.11: Drei Ebenen einer Verbindung - 92 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Die Fertigungs- und Montageprozesse werden regelbasiert aus den Eigenschaften der Bauteile und den Anforderungen an die Verbindung abgeleitet. Ein Verbindungsszenario definiert neben den zu verbindenden Bauteilen und deren Charakteristika die Anzahl und Anordnung der Verbindungspunkte. Damit beschreibt das Verbindungsszenario die Verbindung zwischen den Bauteilen allgemein und er- möglicht den Vergleich unterschiedlicher Ausprägungen der Verbindungspunkte. 5.3.1 Ermittlung der Verbindungsszenarien Die Anzahl der möglichen Verbindungsszenarien hängt maßgeblich von der Menge der zu berücksichtigenden Verbindungspunkte ab. Diese wird durch den minimalen Abstand zwischen zwei Verbindungspunkten 𝑑𝑚𝑖𝑛 bestimmt (vgl. Bild 5.12). Der mini- male Abstand 𝑑𝑚𝑖𝑛 ist entsprechend der Fertigungstechnologien zu wählen. Für eine Schraubverbindung beispielsweise berechnet sich 𝑑𝑚𝑖𝑛 aus dem Durchmesser und der für den Werkstoff notwendigen Wandstärke. Zusammen mit der für die Verbindung zur Verfügung stehenden Kontaktfläche 𝐴 ergibt sich aus dem Abstand 𝑑𝑚𝑖𝑛 die maxi- male Anzahl der Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥. 𝑑𝑚𝑖𝑛 𝑑𝑚𝑖𝑛 ' 𝑉𝑃𝑖 𝑉𝑃𝑖 ‘ 𝐴 𝐴: Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Bauteilen 𝑉𝑃𝑖, 𝑉𝑃𝑖‘: Verbindungspunkt 𝑑𝑚𝑖𝑛, 𝑑𝑚𝑖𝑛‘: minimaler Abstand zwischen Verbindungspunkten 𝑉𝑃𝑖, 𝑉𝑃𝑖‘ Bild 5.12: Anzahl der möglichen Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 in Abhängigkeit des mi- nimalen Abstand 𝑑𝑚𝑖𝑛 5.3 Beschreibung des Lösungsraums durch die Ermittlung von Verbindungsszenarien - 93 - Die Kontaktfläche 𝐴 wird durch die Projektion des kleineren Bauteils auf das größere Bauteil definiert. Damit beschreibt die Kontaktfläche die theoretisch zur Verfügung ste- hende Fläche für Verbindungspunkte zwischen den zu verbindenden Bauteilen. Der Konstrukteur kann die projizierte Fläche im Falle von großen zu übertragenden Kräften erweitern oder bei eingeschränkter Zugänglichkeit verkleinern. Unterbrochene Flächen werden in Teilflächen zerlegt. Für jede der Teilflächen wird die theoretisch mögliche Anzahl der Verbindungspunkte ermittelt und diese abschließend zusammengeführt (vgl. Bild 5.13). Basierend auf der Ermittlung der theoretisch maximalen Anzahl der Verbindungs- punkte 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 für eine gegebene Kontakfläche 𝐴 zwischen zwei Bauteilen 𝐵𝑇1, 𝐵𝑇2 erfolgt die Ableitung der Verbindungsszenarien 𝑉𝑆𝑖. Die Anzahl der Verbindungs-sze- narien wird von der optional zu definierenden Anzahl der maximal zu berücksichtigen- den Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑚𝑎𝑥 mit 𝑉𝑃𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 (5.3) begrenzt und durch Permutation der einzelnen Verbindungspunkte ermittelt. Die Permutation beschreibt die Anordnung von 𝑛 Elementen in einer bestimmten Rei- henfolge. Bei der Permutation ohne Wiederholung sind alle 𝑛 Elemente eindeutig iden- tifizierbar. Damit gibt es für das erste Element 𝑛 unterschiedliche Platzierungsmöglich- keiten, für das zweite Element bleiben hingegen nur noch n − 1 Positionen zur Bild 5.13: Ermittlung der Anzahl der möglichen Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 bei unterbrochenen Flächen - 94 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Auswahl, da bereits ein Platz vom ersten Element belegt ist. Dabei ist jede Konfigura- tion mit jeder kombinierbar, womit Permutationen entstehen [KOHN05, S. 189]: 𝑛! = 𝑛 × (𝑛 − 1) × … × 2 × 1 (5.4) In dem zu untersuchenden Fall lassen sich zwei Arten von Elementen unterscheiden: Verbindungspunkte, die zur Kraftübertragung genutzt werden (𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡) und solche, die nicht zur Kraftübertragung genutzt werden und damit ungenutzt bleiben (𝑉𝑃𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡). Dabei gilt: 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡 + 𝑉𝑃𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡 𝑚𝑖𝑡 1 ≤ 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡 ≤ 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 (5.5) Aufgrund der Tatsache, dass die genutzten Verbindungspunkte sich hinsichtlich ihrer Funktion nicht voneinander unterscheiden, handelt es sich um eine Permutation mit Wiederholung. Bei dieser sind unter den 𝑛 Elementen 𝑘 Elemente, welche nicht von- einander zu unterscheiden sind. Diese lassen sich somit untereinander vertauschen, ohne dass sich eine neue Reihenfolge ergibt [KOHN05, S. 189 f.], woraus sich 𝑘! iden- tischen Permutationen ergeben: 𝑘! = 𝑘 × (𝑘 − 1) × … × 2 × 1 (5.6) Die Permutationen für eine Anzahl von 𝑛 Elementen, unter welchen 𝑘 Elemente iden- tisch sind, ergibt: 𝑛! 𝑘! = (𝑘 + 1)(𝑘 + 2) × … × (𝑛 − 1)𝑛 (5.7) Da neben den genutzten Verbindungspunkten auch die ungenutzten Verbindungs- punkte nicht voneinander unterschieden werden, handelt es sich bei der Ermittlung der Verbindungsszenarien um eine Permutation mit Wiederholung und mehreren Gruppen 𝑟, mit 𝑛1, … , 𝑛𝑟 nicht unterscheidbaren Elementen (𝑛1 + ⋯ + 𝑛𝑟 = 𝑛). Die Anzahl der Permutationen hierfür ergibt sich aus dem Multinominalkoeffizienten [KOHN05, S. 189 f.]: 𝑛! 𝑛1! × … × 𝑛𝑟! (5.8) Mit der maximalen Anzahl der Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑚𝑎𝑥 ergeben sich für 𝑗 genutzte Verbindungspunkte 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗 die Verbindungsszenarien 𝑉𝑆𝑖: 𝑉𝑆𝑖 = 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥! 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗! × (𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥 − 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗)! = 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥! 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗! × 𝑉𝑃𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗! (5.9) 5.3 Beschreibung des Lösungsraums durch die Ermittlung von Verbindungsszenarien - 95 - Die Gesamtmenge aller Verbindungsszenarien 𝑉𝑆𝑖,𝑔𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 ergibt sich durch die Varia- tion der genutzten Verbindungspunkte (𝑗 = 1, … , 𝑉𝑃𝑚𝑎𝑥) und Addition der resultieren- den Verbindungsszenarien: 𝑉𝑆𝑖,𝑔𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡 = ∏ 𝑉𝑃𝑡ℎ𝑚𝑎𝑥! 𝑉𝑃𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗! × 𝑉𝑃𝑢𝑛𝑔𝑒𝑛𝑢𝑡𝑧𝑡,𝑗! 𝑉𝑃𝑚𝑎𝑥 𝑗=1 (5.10) Für jedes Verbindungsszenario sind damit die Anzahl der möglichen Verbindungs- punkte und deren Position bekannt. Diese geometrischen Informationen werden im folgenden Schritt um die zu übertragenden Kräfte ergänzt. Die auf das Verbindungs- system einwirkenden Kräfte sind dabei für alle Verbindungsszenarien gleich groß, je- doch verteilen sich die Kräfte auf die einzelnen Verbindungspunkte entsprechend der Anzahl und Anordnung dieser. Für die Grobauslegung der Verbindung wird im Folgen- den mit der vereinfachten Annahme der gleichmäßigen Verteilung der Lasten auf die Verbindungspunkte ausgegangen (vgl. [VDI2230, S. 18]). 5.3.2 Berechnung der an den Verbindungspunkten zu übertragenden Kräfte Im Folgenden wird die Verbindung als eine einfache, symmetrische und relativ steife Verbindung [VDI2230, S. 18] angenommen. Damit lassen sich die Anforderungen an die einzelnen Verbindungspunkte als einfache Zerlegung der Betriebskraft gewinnen [VDI2230, S. 18] und als zentrische Einschraubenverbindungen berechnen (vgl. Bild 5.14). - 96 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Bild 5.14: Berechnung von Mehrschraubenverbindungen [VDI2230, S. 9] Die von der Verbindungstechnik zu übertragende Kraft ergibt sich aus der Gewichts- kraft 𝐹𝐺 und der Beschleunigungskraft 𝐹𝐵. 𝐹𝐺 = 𝑚 × 𝑔 (5.11) 𝐹𝐵 = 𝑚 × 𝑎 (5.12) Die Masse 𝑚 bezieht sich auf das Anbauteil und lässt sich aus der Geometrie und den Werkstoffkennwerten berechnen. Zur Quantifizierung der auftretenden Beschleuni- gungen sind die Betriebslasten zu bestimmen. Für den Bereich der Automobilindustrie sind diese in Form einer nicht veröffentlichten Norm festgelegt. Diese, in einem Ge- meinschaftsprojekt von mehreren führenden Herstellern gemeinsam entwickelte Norm, gibt zum einen ein Lastprofil, zum anderen Werte für physische Schocks vor, die Anbauteile ohne Beschädigung aushalten müssen [Volkswagen AG09]. Entspre- chend der Norm sind getrennte Versuche in den drei Raumrichtungen vorgesehen. Mittels der Beschleunigungen aus den Lastprofilen, der Geometrie und der Werkstoffe der Bauteile sowie der Anzahl und Anordnung der Verbindungspunkte lassen sich die an den Verbindungspunkten auftretenden Kräfte bestimmen. Die für die Auswahl und Auslegung von Montage-Verbindungen relevanten Größen sind die Axialkraft 𝐹𝐴 und die Querkraft 𝐹𝑄. Axial- und Querkräfte beziehen sich dabei auf die Trennfuge: Für den ebenen Fall wird die gleichmäßige Verteilung der Kräfte 5.4 Ganzheitliche Bewertung von Montage-Verbindungen - 97 - auf die Verbindungspunkte angenommen. Die Querkraft setzt sich aus den Kräften in x- und y-Richtung zusammen und lässt sich aus der geometrischen Addition ermitteln: 𝐹 → 𝑄 = 𝐹 → 𝑥 + 𝐹 → 𝑦 (5.13) Entsprechend ergibt sich der Betrag der Querkraft als 𝐹𝑄 = √𝐹𝑥 2 + 𝐹𝑦 2 (5.14) Während die Axialkraft nur von einer Komponente beeinflusst wird: 𝐹𝐴 = 𝐹𝑍 (5.15) Das Ergebnis des Berechnungsschritts ist die Übersicht der theoretisch möglichen Verbindungsszenarien. Jedes Verbindungsszenario beschreibt die Anzahl und Anord- nung der Verbindungspunkte sowie die auf diese Verbindungspunkte wirkenden Kräfte. Die Verbindungsszenarien sind die Eingangsgröße für die Ermittlung der un- terschiedlichen Grobentwürfe. 5.4 Ganzheitliche Bewertung von Montage-Verbindungen Zur Identifikation der wirtschaftlichsten Prinziplösung ist die ganzheitliche, transpa- rente und vergleichbare Bewertung der durch die Verbindung verursachten Aufwen- dungen erforderlich. Dabei sind nicht nur die in der Montage anfallenden Aufwendun- gen zu berücksichtigen, sondern auch die in den vorgelagerten Prozessschritten ver- ursachten Aufwendungen. In weiten Teilen der Automobilindustrie hat sich die Gliederung des Fertigungs prozesses in Presswerk, Karosseriebau, Lackiererei und Montage etabliert. Diese Auf- teilung wird auch für die Methodik zur ganzheitlichen Bewertung von lösbaren Verbin- dungen verwendet. Verbindungen verursachen neben dem eigentlichen Fügeprozess eine Vielzahl weite- rer Aufwendungen, innerhalb und außerhalb der Montage. Die Methodik zur Zusam- menführung der Aufwendungen wird am Beispiel von Schraubverbindungen verdeut- licht. Nähere Informationen zur ganzheitlichen Bestimmung der Montageaufwendun- gen finden sich in [RUSITSCHKA11]. - 98 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen 5.4.1 Erfassung der Aufwendungen der lösbaren Verbindungen Die alleinige Betrachtung des Fügens innerhalb der Montage genügt für die Bewertung einer lösbaren Verbindung nicht. Die Gesamtaufwendungen einer Verbindung 𝑉𝐴𝑖 er- geben sich als die Summe der Aufwendungen aus dem Presswerk 𝑃𝐴𝑖, dem Karosse- riebau 𝐾𝐴𝑖, der Lackiererei 𝐿𝐴𝑖 und der Montage 𝑀𝐴𝑖. 𝑉𝐴𝑖 = 𝑃𝐴𝑖 + 𝐾𝐴𝑖 + 𝐿𝐴𝑖 + 𝑀𝐴𝑖 (5.16) Aufwendungen innerhalb der Montage Entsprechend der definierten Aufteilung der Montage nach Lotter [LOTTER06, S. 2] setzt sich jeder Montageprozess 𝑀𝑃𝑖 aus fünf Teilprozessen zusammen (Fügepro- zesse 𝑀𝑃𝑖 𝐹𝑃, Handhabungsprozesse 𝑀𝑃𝑖 𝐻𝑃, Ausrichtungsprozesse 𝑀𝑃𝑖 𝐴𝑃, Kontroll- prozesse 𝑀𝑃𝑖 𝐾𝑃 und Sonderprozesse 𝑀𝑃𝑖 𝑆𝑃). Diese Teilprozesse lassen sich für jede Verbindung spezifisch ermitteln und mit Aufwendungen versehen. Die aus manuellen Tätigkeiten resultierenden Aufwendungen können zu einem Zeitwert aufsummiert wer- den. 𝑀𝑃𝑖 = 𝑀𝑃𝑖 𝐹𝑃 + 𝑀𝑃𝑖 𝐻𝑃 + 𝑀𝑃𝑖 𝐴𝑃 + 𝑀𝑃𝑖 𝐾𝑃 + 𝑀𝑃𝑖 𝑆𝑃 (5.17) Dabei ist zu beachten, dass der lokale Fertigungslohn 𝐿𝐹𝐿 in die Berechnung der Auf- wendungen eingeht. Die aus einer Verbindung resultierenden Aufwendungen 𝑀𝐴𝑖 𝐹𝑃sind damit abhängig vom Fertigungsstandort. 𝑀𝐴𝑖 𝐹𝑃 = 𝐿𝐹𝐿 × 𝑀𝑃𝑖 (5.18) Neben den reinen Prozesskosten fallen im Bereich der Montage Aufwendungen für Werkzeuge und Betriebsmittel 𝑀𝐴𝑖 𝑊 (untergliedert in Beschaffungskosten 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 und Betriebskosten 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑) und Aufwendungen für Verbindungselemente 𝑀𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 an. Die Gesamtaufwendungen für die Montage 𝑀𝐴𝑖 ergeben sich damit zu 𝑀𝐴𝑖 = 𝑀𝐴𝑖 𝐹𝑃 + 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 + 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 + 𝑀𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 (5.19) Zur Bezifferung der Betriebskosten ist die Kenntnis des Produktionsvolumens und der Einbaurate notwendig. Die Einbaurate gibt an, in wie vielen Produkten des gesamten Produktionsvolumens das zu untersuchende Teilprodukt enthalten ist. Dazu ist jedes Produkt 𝑚 eines Produktionsprogramms 𝑀 auf seine Teilprodukte 𝑇𝑃𝑚 zu untersuchen. In der variantenreichen Serienfertigung können dabei zwei Arten von Teilprodukten unterschieden werden. Standard Teilprodukte 𝑇𝑃𝑠, die in jedem Produkt 5.4 Ganzheitliche Bewertung von Montage-Verbindungen - 99 - verbaut werden, und optionale Teilprodukte 𝑇𝑃𝑜, die nur in einem Teil des Produkti- onsprogramms verbaut werden. Die Menge der Teilprodukte 𝑇𝑃 eines Produktionspro- gramms 𝑀 ergibt sich damit zu: 𝑇𝑃 = ⋃ 𝑇𝑃𝑚 ∀ 𝑚∈𝑀 = ⋃ 𝑇𝑃𝑠𝑚 ∀ 𝑚∈𝑀 + ⋃ 𝑇𝑃𝑜𝑚 ∀ 𝑚∈𝑀 (5.20) Mittels der Unterteilung in standardisierte Teilprodukte und optionale Teilprodukte las- sen sich die Aufwendungen für die Werkzeuge und deren Instandhaltung auf die be- treffenden Verbindungen umlegen. Bei den Verbindungselementen wie Schrauben, Muttern oder Schnappverbindungen handelt es sich größtenteils um zugekaufte Norm- teile. Diese Normteile werden in Unternehmen der variantenreichen Serienfertigung in der Regel in sehr großen Mengen über mehrere Modellreihen hinweg eingesetzt. Der Einfluss der Änderung in einer Verbindung hat daher nur sehr begrenzten Einfluss auf die zum Einsatz kommende Gesamtmenge. Skaleneffekte fallen daher sehr gering aus und werden an dieser Stelle nicht weiter berücksichtigt. - 100 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Aufwendungen außerhalb der Montage In den der Montage vorgelagerten Bereichen kommt es durch die jeweilige Verbindung ebenfalls zu Aufwendungen. Diese lassen sich wie eingangs beschrieben in drei Be- reiche aufteilen: • Presswerk/Gießerei • Karosseriebau • Lackiererei Im Bereich des Presswerks und der Gießerei kommen überwiegend ur- und umfor- mende Prozesse sowie Trennprozesse zum Einsatz. Entsprechend der in Kapitel 5.2 beschriebenen Klassifizierung der Elemente einer Verbindung erfolgt in dem Bereich des Presswerks und der Gießerei die Erzeugung der Hilfselemente wie Durchgangs- löcher, Verdrehsicherungen oder Anschläge. Die dabei entstehenden Aufwendungen sind, eine Berücksichtigung in der frühen Phase der Konstruktion vorausgesetzt, gering, da sich die Geometrie in die Werkzeuge für die Ur- und Umformprozesse integrieren lässt und im Prozess kein zusätzlicher Aufwand entsteht. Ist beispielsweise ein Durchgangsloch für die spätere Anbringung einer Schweißmutter an ein Stahlblech notwendig, so kann die Einbringung dieses als kostenneutral betrachtet werden, da es im selben Arbeitshub wie die restlichen Trenn- prozesse durchgeführt werden kann. Zu beachten ist an dieser Stelle jedoch der Einfluss des Halbzeugs auf die entstehen- den Aufwendungen. Ist das beschriebene Durchgangsloch in ein Bauteil aus 22MnB5 Stahl oder aus faserverstärktem Kunststoff einzubringen, so sind zusätzliche Prozess- schritte wie Laser- oder Wasserstrahlschneiden beziehungsweise Bohren notwendig und damit in der Bestimmung der Aufwendungen zu berücksichtigen: 𝑃𝐴𝑖 = 𝑃𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 + 𝑃𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 (5.21) Die im Bereich des Karosseriebaus anfallenden Aufwendungen beziehen sich haupt- sächlich auf das Fügen des Funktionselementes 𝐾𝐴𝑖 𝐹𝑃 wie Schweißmutter, Gewinde- bolzen oder Stanzbolzen. Dabei sind neben dem Fügeprozess analog zum Montage- prozess die Werkzeugkosten ( 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 + 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑) und die Kosten für das Ver- bindungselement 𝐾𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 zu betrachten. Abhängig vom Automatisierungsgrad fließt ebenfalls der lokale Fertigungslohn als Variable mit ein. In Hochlohnstandorten kann dieser jedoch vernachlässigt werden, da der Automatisierungsgrad in diesen Be- reichen typischerweise über 90 % liegt. 5.4 Ganzheitliche Bewertung von Montage-Verbindungen - 101 - 𝐾𝐴𝑖 = 𝐾𝐴𝑖 𝐹𝑃 + 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 + 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 + 𝐾𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 (5.22) Die im Bereich der Lackiererei anfallenden Aufwendungen beziehen sich auf den Schutz der in den vorgelagerten Prozessen eingebrachten Hilfs- und Funktions-ele- mente vor den Beschichtungsmedien. Dazu werden Gewinde mit Lackschutzmuttern und Löcher mit Stopfen versehen. Diese in der Regel manuell ausgeführte Tätigkeit unterliegt ebenfalls dem Einfluss der lokalen Fertigungslöhne und ergibt sich zu: 𝐿𝐴𝑖 = 𝐿𝐹𝐿 × 𝐿𝑃𝑖 (5.23) 𝑉𝐴𝑖 beschreibt die Gesamtaufwendungen einer Verbindung (vgl. Bild 5.15). Beispiel Schraubverbindung in Schweißmutter (Stahlblech) Die beschriebene Methodik wird am Beispiel der Verschraubung eines Steuergeräts mit vier Schrauben in Schweißmuttern demonstriert. Die Schweißmuttern sind an ei- nem Stahlblech angebracht und es besteht keine Anforderung an die elektrische Leit- fähigkeit der Verbindungen. Die Summe aller Aufwendungen beträgt demnach: 𝑉𝐴 = 𝑃𝐴 + 𝐾𝐴 + 𝐿𝐴 + 𝑀𝐴 (5.24) Gesamtaufwendungen Verbindung 𝑉𝐴𝑖 Presswerk 𝑃𝐴𝑖 Lackiererei 𝐿𝐴𝑖 Karosseriebau 𝐾𝐴𝑖 Montage 𝑀𝐴𝑖 𝑃𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖 𝑃𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓 𝐾𝐴𝑖 𝐹𝑃 𝐾𝐴𝑖 𝐸𝐼𝑛𝑧𝑒𝑙 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖 𝐾𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓 𝐾𝐴𝑖 𝐹𝑃 𝑀𝐴𝑖 𝐹𝑃 𝑀𝐴𝑖 𝐸𝐼𝑛𝑧𝑒𝑙 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖 𝑀𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓 … 𝐴𝑖 𝑊𝑖𝑛𝑖: Investkosten Betriebsmittel … 𝐴𝑖 𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓: laufende Kosten Betriebsmittel … 𝐴𝑖 𝐹𝑃: Fertigungsprozesskosten …𝐴𝑖 𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙: Einzelteilkosten Bild 5.15: Aufwendungen von lösbaren Verbindungen - 102 - 5 Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen Die Aufwendungen für den Lackschutz der Gewinde entfallen aufgrund o. g. Anforde- rungen an die Verbindung (keine elektrische Leitfähigkeit notwendig), womit sich die Aufwendungen wie folgt ergeben (vgl. Bild 5.16): 𝑉𝐴 = 𝑃𝐴 + 𝐾𝐴 + 𝑀𝐴 𝑚𝑖𝑡 𝑃𝐴 = 𝑃𝐴𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 + 𝑃𝐴𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 𝐾𝐴 = 𝐾𝐴𝐹𝑃 + 𝐾𝐴𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 𝑀𝐴 = 𝑀𝐴𝐹𝑃 + 𝑀𝐴𝑊𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 + 𝑀𝐴𝑊𝑙𝑎𝑢𝑓𝑒𝑛𝑑 + 𝑀𝐴𝐸𝑖𝑛𝑧𝑒𝑙𝑡𝑒𝑖𝑙 (5.25) Bild 5.16: Ganzheitliche Betrachtung der Aufwendung für die Befestigung eines Bau- teils mit Schrauben in Schweißmuttern (Stahlblech) Dabei entfallen 83 % der Aufwendungen auf die Montage, 14 % auf den Karosseriebau und 3 % auf das Presswerk. Innerhalb der Montage nehmen die aus der Fertigungszeit resultierenden Kosten den größten Teil in Anspruch (56 % der Gesamtaufwendungen). Diese Verteilung ist typisch für die zum Großteil manuell ausgeführten Prozesse der Montage und wird von den entsprechenden Fertigungspersonalkosten in Hochlohn- ländern bestimmt (in der Berechnung wurden Fertigungspersonalkosten von 40 €/h zugrunde gelegt). Bei der Ermittlung der Aufwendungen an einem Standort mit abwei- chenden Fertigungspersonalkosten verschiebt sich das Verhältnis entsprechend. Auf- grund der schrittweisen Ermittlung der Aufwendungen können standortspezifische Ge- gebenheiten transparent abgebildet werden und dienen als Grundlage für die entspre- chende Auswahl der Verbindung. P A K A _ E T K A _ F P M A _ E T M A _ F P M A _ W in it ia l M A _ W la u fe n d A u fw e n d u n g e n f ü r V e rb in d u n g " S c h ra u b e in S c h w e iß m u tt e r (S ta h lb le c h )" i n % Aufwendungen pro Gewerk 60 50 40 30 20 10 0 5.4 Ganzheitliche Bewertung von Montage-Verbindungen - 103 - Zur Vereinfachung der Anwendbarkeit werden die Aufwendungen für die einzelnen Verbindungstechniken als Fügeäquivalente ausgedrückt. Dabei handelt es sich um eine Normierung der Aufwendungen. Die Verbindungstechnik mit den geringsten Auf- wendungen wird als 1 Fügeäquivalent definiert, alle weiteren Verbindungstechniken ergeben sich als Vielfache dieser. Im Bereich der lösbaren Verbindungen fallen für die Befestigung an Bauteilen aus Stahl für die Verbindungstechnik „Clip in Loch“ die geringsten Aufwendungen an. Die Verbindungstechnik „Clip in Loch“ wird dementsprechend mit 1,0 Fügeäquivalenten bewertet. Die Aufwendungen für die Befestigung mit der Verbindungstechnik „Schraube in Schweißmutter“ sind um den Faktor 6,4 höher. Dementsprechend wird die Verbindungstechnik „Schraube in Schweißmutter“ mit 6,4 Fügeäquivalenten be- wertet. 6.1 Architektur des Assistenzsystems - 105 - 6 Anwendung der Methodik Die Anwendung der Methodik erfordert die Implementierung in Form eines Assistenzsystems zur Benutzerführung und Sicherstellung der Berücksichtigung aller Arbeitsschritte (vgl. Kapitel 6.1) in der Arbeitsumgebung der Konstrukteure (vgl. Kapitel 6.2). 6.1 Architektur des Assistenzsystems Zur Erstellung von Grobentwürfen für jedes Verbindungsszenario bedarf es einer rech- nergestützten, automatisierten Lösung, da zur vollständigen Untersuchung des Lö- sungsraums mehrere hundert bis hin zu mehreren tausend Verbindungsszenarien er- zeugt, bearbeitet und bewertet werden müssen (vgl. Kapitel 1.2). Neben dem Umfang der zu betrachtenden Verbindungsszenarien haben die unter- schiedlichen Vorgehensweisen bei der Auslegung der Verbindungstechnologien und die Anforderung der Erweiterbarkeit des Gesamtsystems Einfluss auf die Architektur des Assistenzsystems. Die Architektur orientiert sich an der eines Marktplatzes, bei welchem die Verbindungstechnologien von separaten Modulen repräsentiert werden (vgl. Kapitel 5.1.2). Definierte Schnittstellen ermöglichen dabei die Anbindung unter- schiedlicher Arten von Modulen. 6.1.1 Marktplatz zur Erzeugung von Grobentwürfen Für jedes der in Kapitel 5.3 ermittelten Verbindungsszenarien 𝑉𝑆𝑖 sind für alle zu be- rücksichtigenden lösbaren Verbindungstechniken 𝑉𝑇𝑖 Prinziplösungen zu erzeugen. Die theoretisch mögliche Anzahl der Prinziplösungen 𝑃𝐿𝑡ℎ ergibt sich damit als 𝑃𝐿𝑡ℎ = 𝑉𝑆𝑖 × 𝑉𝑇𝑖 (6.1) Zur Erzeugung der Prinziplösungen wird ein Assistenzsystem entwickelt, das entspre- chend der in Kapitel 4.2 definierten Anforderungen einen modularen Aufbau aufweist. Dieser modulare Aufbau ermöglicht das getrennte Ablegen von Wissen zu den einzel- nen Verbindungstechniken 𝑉𝑇𝑖 (vgl. Bild 6.1). - 106 - 6 Anwendung der Methodik Bild 6.1: Marktplatz zur Ableitung von Verbindungen Über eine standardisierte Schnittstelle wird das Anforderungsprofil 𝐴𝑃𝑖 des Verbin- dungsszenarios 𝑉𝑆𝑖 den Modulen zur Verfügung gestellt (vgl. Schnittstelle 1 in Bild 6.1). Damit können diese unabhängig voneinander und gemäß unterschiedlicher Me- thoden Prinziplösungen erzeugen. Diese werden an das Gesamtsystem zurückgege- ben (vgl. Schnittstelle 2 in Bild 6.1) und mittels einer einheitlichen Systematik bewertet. Aus informationstechnischer Sicht entspricht der Aufbau einer Serviceorientierten Ar- chitektur (SOA), bei welcher Services verteilt vorliegen und von der übergeordneten Instanz applikationsspezifisch aufgerufen werden. 6.1.2 Schnittstellen zwischen den Modulen Zur Gewährleistung des Datenaustauschs zwischen dem Gesamtsystem und den ver- teilten Modulen sind zwei Schnittstellen notwendig (vgl. Bild 6.1). Die erste Schnitt- stelle definiert die Übergabe der Verbindungsszenarien an die Module, die zweite Schnittstelle beschreibt die Rückgabe der Prinziplösungen der einzelnen Module an das Gesamtsystem. Dabei überführen die Module in einer Transferfunktion (vgl. Kapi- tel 3.2) die Eingangsinformationen (Anforderungsprofil) in eine Ausgangsinformation (Fähigkeitsprofil) (vgl. Bild 6.2). Anforde- rungsprofil 𝐴𝑃𝑖 des Ver- bindungssze- narios 𝑉𝑆𝑖 Verbindungs- technik VT1 Verbindungs- technik VT2 Verbindungs- technik VT… Verbindungs- technik VTn Prinziplösung 𝑃𝐿_𝑉𝑇1_𝐴𝑃𝑖 Prinziplösung 𝑃𝐿_𝑉𝑇2_𝐴𝑃𝑖 Prinziplösung 𝑃𝐿_𝑉𝑇…_𝐴𝑃𝑖 Prinziplösung 𝑃𝐿_𝑉𝑇𝑛_𝐴𝑃𝑖 Gesamt- system Schnittstelle 1 Schnittstelle 2 Module 6.1 Architektur des Assistenzsystems - 107 - Dazu wurde ein kombiniertes Anforderungs- und Fähigkeitsprofil entwickelt, in wel- chem die qualitativen und quantitativen Kriterien zusammengefasst werden (vgl. Ta- belle 6.1). Kriterium Anforderung Fähigkeit Qualitativ Material (Bauteil 1) Stahl, Stahl hochfest, Aluminium, Profil (Aluminium), Guss, Kunststoff Stahl, Stahl hochfest, Aluminium, Profil (Aluminium), Guss, Kunststoff Material (Bauteil 2) Stahl, Stahl hochfest, Alumi- nium, Profil (Aluminium), Guss, Kunststoff Stahl, Stahl hochfest, Alumini- um, Profil (Aluminium), Guss, Kunststoff Dicht NEIN; JA NEIN; JA Zerstörungsfrei lösbar NEIN; JA NEIN; JA Einstellbar NEIN; JA NEIN; JA Sichtbar NEIN; JA NEIN; JA Einseitig zugänglich NEIN; JA NEIN; JA Dokumentationspflichtig NEIN; JA NEIN; JA Quantitativ FA ≥ x N x' N FQ ≥ y N y‘ N Positioniergenauigkeit ≤ ± z mm ± z‘ mm Tabelle 6.1: Anforderungskriterien und Fähigkeiten Zur Sicherstellung des systemunabhängigen Datenaustauschs und der Kompatibilität mit unterschiedlichen Modulen wird eine XML-Datei erzeugt, in der sämtliche Eingangs-in- formationen (Anforderungs- profil) Verbindungstechnik (Modul) Ausgangs-in- formationen (Fähigkeits- profil) Bild 6.2: Transferfunktion der Verbindungstechnik-Module - 108 - 6 Anwendung der Methodik relevanten Informationen enthalten sind. Im Folgenden werden die beiden Schnittstel- len und deren Austauschdateien im Detail beschrieben. Schnittstelle zu Modulen Die Schnittstelle zu den Modulen dient der Übertragung der Verbindungsszenarien und deren Anforderungen an die Module. Diese Information liefert die Eingangsgröße für die Auslegung der Verbindungstechnik und damit die Erzeugung von Grobentwürfen. Neben der in den Verbindungsszenarien beschriebenen Anzahl der Verbindungs- punkte und den auf die Verbindungspunkte wirkenden Kräfte sind allgemeine Anfor- derungen an die Verbindung wie Lösbarkeit, Positionierbarkeit und Dichtigkeit enthal- ten. Informationstechnisch wird die das allgemeine Anforderungsprofil repräsentierende XML-Datei entsprechend der Anzahl der zu berücksichtigenden Verbindungsszena- rien vervielfältigt und um die in die Verbindungsszenarien enthaltene Information er- gänzt. Schnittstelle zu Gesamtsystem Die Schnittstelle zum Gesamtsystem dient der Übertragung der Prinziplösungen aus den einzelnen Modulen an das Gesamtsystem. Die darin enthaltenen Informationen repräsentieren ein Verbindungssystem sowie dessen Fähigkeiten. Dabei werden nur solche Lösungen zugelassen, welche alle im Anforderungsprofil beschriebenen Krite- rien erfüllen. 6.1.3 Module zur Erzeugung von Grobentwürfen Das Wissen zu den verschiedenen Montage-Technologien wird durch Module re-prä- sentiert. Dieser Aufbau ermöglicht die einfache Wartung und Erweiterung des Gesamt- systems und reduziert dessen Komplexität, da die einzelnen Module keine Beziehung zueinander aufweisen. Das Assistenzsystem kann drei Arten von Modulen umfassen, welche sich auf die zu- grundeliegende Methode beziehen. Diese werden im Folgenden an je einem Beispiel beschrieben. Der Inhalt der Module ist nicht Teil der Methodik zur Auswahl von lösba- ren Verbindungen, exemplarische Lösungsansätze werden jedoch zum Verständnis erläutert. 6.1 Architektur des Assistenzsystems - 109 - Regelbasiertes Modul Regelbasierte Module repräsentieren lösbare Verbindungen, zu welchen es klar struk- turierte Auslegungsvorschriften gibt. Dies sind beispielsweise Schraub-verbindungen. In der VDI Richtlinie 2230 [VDI2230] werden 14 Rechenschritte zur Auslegung einer Schraubverbindung beschrieben (vgl. Tabelle 6.2). Die in der Richtlinie beschriebenen Berechnungsschritte werden dazu implementiert und die entsprechenden Datenquellen integriert. Für die in einem Anforderungsprofil beschriebenen Geometrien und Betriebslasten ist es damit möglich, die passende Schraubverbindung zu ermitteln. Diese beschreibt neben den Verbindungselementen auch die Montageprozessgrößen und liefert damit die Grundlage für die Ableitung des Werkzeugs und die ganzheitliche Bewertung der Verbindung. Rechenschritt Beschreibung Variable Vorgaben R0 Nenndurchmesser, Grenzabmessung 𝑑, 𝐺 R1 Anziehfaktor 𝛼𝐴 R2 Mindestklemmkraft 𝐹𝐾 𝑒𝑟𝑓 Verspannungsdreieck R3 Aufteilung der Betriebskraft/Kraftverhältnis 𝐹𝑆𝐴, 𝐹𝑃𝐴, Φ R4 Vorspannkraftänderungen 𝐹𝑍, Δ 𝐹′𝑉 𝑡ℎ R5 Mindestmontagevorspannkraft 𝐹𝑀 𝑚𝑖𝑛 R6 Maximalmontagevorspannkraft 𝐹𝑀 𝑚𝑎𝑥 Beanspruchungsfälle und Festigkeitsnachweise R7 Montagebeanspruchung 𝜎𝑟𝑒𝑑,𝑀, 𝐹𝑀 𝑧𝑢𝑙 R8 Betriebsbeanspruchung 𝜎𝑟𝑒𝑑,𝐵, 𝑆𝐹 R9 Schwingbeanspruchung 𝜎𝑎, 𝜎𝑎𝑏 , 𝑆𝐷 R10 Flächenpressung 𝑝𝑚𝑎𝑥 , 𝑆𝑝 R11 Mindesteinschraubtiefe 𝑚𝑒𝑓𝑓 𝑚𝑖𝑛 R12 Gleiten, Abscheren 𝑆𝐺 , 𝜏𝑄 𝑚𝑎𝑥 R13 Anziehdrehmoment 𝑀𝐴 Tabelle 6.2: Berechnungsschritte zur Auslegung von Schraubverbindungen nach [VDI2230, S. 18 f.] - 110 - 6 Anwendung der Methodik Regelbasierte Module können für alle Verbindungstechniken angewandt werden, für die gültige Konstruktionsrichtlinien existieren. Fallbasiertes Modul Fallbasierte Systeme vergleichen die Anforderungen eines zu lösenden Problems mit denen bereits gelöster Probleme. Ziel ist es, bereits erarbeitete Lösungen auf die neue Problemstellung zu übertragen. Für die Auswahl von lösbaren Verbindungen kann das fallbasierte Schließen auf drei Ebenen stattfinden: • Vergleich der zu befestigenden Bauteile mit bereits befestigten Bauteilen • Vergleich der zu erwartenden Betriebslasten mit Betriebslasten bereits be-fes- tigter Bauteile • Vergleich der zu befestigenden Bauteile mit alternativ zu befestigenden Bautei- len an der Verbindungsstelle Einen Sonderfall nimmt der Vergleich von zu befestigenden Bauteilen mit bereits am gleichen Ort befestigten Bauteilen ein. Diese sehr auf die Montage ausgerichtete Be- trachtung bezieht sich stark auf den sogenannten Anstattverbau, bei welchem in der Montage produktspezifisch entweder Bauteil A, B oder C verbaut wird. Zur Reduzie- rung der Komplexität (unterschiedliche Werkzeuge, Verbindungselemente) und damit auch der Anforderungen an die Montagemitarbeiter kann dabei eine einheitliche Ver- bindung verwendet werden, auch wenn sie die Anforderungen eines oder mehrerer Bauteile des Anstattverbaus übererfüllt. Als Datenbasis für ein fallbasiertes System wurden alle Schraubverbindungen eines Produkts der variantenreichen Serienfertigung detailliert untersucht und systematisch beschrieben. Relevante Kriterien hierbei sind der Werkstoff, die Abmessungen und das Gewicht des zu befestigenden Bauteils sowie der Werkstoff des Fügepartners. Als das zu befestigenden Bauteil wird entsprechend der Definition in Kapitel 5.3.2 das Bauteil beschrieben, an welches die Betriebslast angreift. Kriterien für die Suche nach bestehenden Bauteilen sind damit übereinstimmende Werkstoffe von zu befestigen- dem Bauteil und Fügepartner sowie größere oder gleiche Abmessungen und Gewicht. Mittels einer Clusterung in Größen- oder Gewichtsklassen lassen sich für ganze Klas- sen Ideallösungen beschreiben und auf alle Verbindungsprobleme übertragen. Damit wird neben der Optimierung der einzelnen Verbindung auch die Optimierung des 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure - 111 - Gesamtsystems erreicht, da die Standardisierung zu einer Reduzierung der Komple- xität führt. Blackbox-Modul Blackbox-Module schützen Wissen und kommunizieren mit dem Gesamtsystem nur über die definierten Ein- und Ausgangsschnittstellen. Dies ermöglicht die Integration von sensiblem Spezialwissen, welches teilweise bei Zulieferern oder universitären In- stituten vorliegt, ohne sie dieses offenlegen müssen. Mit der Anbindung der Module als Services ist es möglich, die Blackbox-Module verteilt anzubinden und damit die Sicherheit des in diesen Modulen hinterlegten Wissens si- cherzustellen. Für jedes Anforderungsprofil werden die Verbindungsszenarien an das Blackbox-Modul mit einer zeitlichen Gültigkeit weitergegeben. Diese legt fest, wie lange entsprechende, durch das Modul ermittelte Fähigkeitsprofile an das Gesamtsys- tem zurückgegeben werden können. 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure Das beschriebene Assistenzsystem kann als eigenständiges System oder direkt in der Arbeitsumgebung der Konstrukteure implementiert werden. Im Weiteren wird die Im- plementierung in ein CAD-System beschrieben, da dieses Vorteile bei der Ver-teilung des Systems an die Anwender bietet. Die direkte Verankerung hat weiter den Vorteil, dass Bauteilparameter wie Werkstoff und Materialdicke direkt aus dem CAD- System übernommen werden können und das System proaktiv in den Konstruktionsprozess eingreifen kann. So kann der Aufruf bestimmter Systemfunktionalitäten als Auslöser für Hinweise oder Abfragen genutzt werden. Sämtliche im Folgenden beschriebenen Umfänge wurden vom Autor im Rahmen der Arbeit eigenständig entwickelt. Allein die Implementierung in das CAD System wurde durch ein IT-Firma (Fa. SCALE GmbH vorgenommen). - 112 - 6 Anwendung der Methodik Der Nutzer wird anhand von Masken durch die Auswahl der lösbaren Verbindung ge- führt. Dabei wird zwischen Ein- und Ausgabemasken unterschieden (vgl. Bild 6.3). Bild 6.3: Ein- und Ausgabemasken des Assistenzsystems Die Maske Eingabe_1 dient dem Anlegen der Verbindung. Dazu werden Bezeichnung und Teilenummer der beiden zu verbindenden Bauteile abgefragt. Mittels einer Anbin- dung an das CAD/PDM System können weitere Informationen, wie der Werkstoff, au- tomatisch ausgelesen werden. Neben den Bauteilen wird auch das zu-gehörige Fahr- zeugprojekt bestimmt (vgl. Bild 6.4). Eingabe _2 „Spezifizieren der Verbindung“ Start „Ableiten von Ver-bin- dungsszenarien“ Eingabe_1 „Anlegen der Verbindung“ Ausgabe_1 „Anzeige bestehender Standards“ Ausgabe_2 „Anzeige mögl. Verbin- dungen (geordnet)“ Modul 3 Modul 2 Modul 1 bestehende Standards 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure - 113 - Bild 6.4: Maske Eingabe_1 Zum Abgleich mit bestehenden Standards werden diese Informationen um Keywords und das zugehörige Simultaneous Engineering Team ergänzt. Diese Informationen dienen zur Prüfung der Übereinstimmung mit den in den Standards hinterlegten Infor- mationen. Das Ergebnis der Prüfung wird dem Benutzer in der Maske Ausgabe_1 zur Verfügung gestellt. Für relevante Standards werden Kurz- und Langtext, Anhang und Abbildung visualisiert. Die Geometriedaten sind in Form von Features in einem zent- ralen Speicher hinterlegt und können direkt in die Konstruktion übernommen werden. Damit wird die Berücksichtigung bestehender Standards sichergestellt. Ein zusätzli- cher positiver Aspekt ist die Reduktion des Aufwands für die Informationsbeschaffung, da die Suche nach Standards in einer separaten Datenbank entfällt. - 114 - 6 Anwendung der Methodik Bild 6.5: Maske Ausgabe_1 Besteht für eine Verbindung kein gültiger Standard erfolgt die assistierte Auswahl der Verbindungstechnik. Dazu werden mit der Maske Eingabe_2 die Informationen zur Verbindung weiter verfeinert, sodass das Anforderungsprofil (vgl. Kapitel 5.3) vollstän- dig an die Module übergeben werden kann. Dazu werden die Werkstoffe der zu ver- bindenden Bauteile und deren Gewichte ermittelt (vgl. Bild 6.6). Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Implementierung einer separaten Maske Ausgabe_2 verzichtet. Die Ergebnisse werden direkt in der Maske Eingabe_2 angezeigt. 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure - 115 - Bild 6.6: Maske Eingabe_2/Ausgabe_2 Im unteren Teil der Maske Eingabe_2/Ausgabe_2 findet sich das Ergebnis aus dem Fallbasierten Schließen für die zu verbindenden Bauteile. Dabei werden alle dem Sys- tem bekannten Verbindungen auf Ähnlichkeit mit dem aktuellen Verbindungsproblem untersucht und die drei wirtschaftlichsten Lösungen werden dem Konstrukteur visuali- siert. Als Vergleichsgröße werden die in Kapitel 5.4.1 beschriebenen Fügeäquivalente verwendet. Weitere Informationen und Bilder zu diesen Lösungen erhält der Konstruk- teur per Mausklick auf die entsprechenden Punkte. Aufbauend auf der Auswahl der Verbindungstechnik wird die weitere Ausgestaltung der Verbindung unterstützt. Dazu wurde eine weitere Maske Eingabe_3 konzipiert, in welcher die Verbindungselemente und deren Position eingegeben werden können (vgl. Bild 6.7). - 116 - 6 Anwendung der Methodik Bild 6.7: Detaillierung der Verbindung Eingabe_3 Dazu sind die bekannten Verbindungselemente in einer Datenbank hinterlegt. Entspre- chend der gewählten Verbindungstechnik werden alle für diese verfügbaren Verbin- dungselemente visualisiert. Neben den Verbindungselementen werden Prozessparameter und Metainformationen wie die Kategorie der Verbindung abgefragt (Auswirkung bei Ausfall der Verbindung). Diese Informationen dienen der Ableitung der entsprechenden Produktionsprozesse und ermöglichen die vollständige Beschreibung der Verbindung. 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure - 117 - Abschließend werden alle Informationen in ein XML-Format konvertiert und an die zentrale Instanz verschickt (vgl. Bild 6.8). Diese Vorgehensweise unterstützt neben der Auswahl auch die Auslegung der Verbindung durch die Bereitstellung von Infor- mationen. Die Konsolidierung von Produkt- und Prozessinformationen ermöglicht die ganz-heitli- che Beschreibung der Verbindung und liefert die Basis für weitere Auswertungen. Die auf diesem Weg erzeugten Verbindungen lassen sich entweder als Liste oder als Graph visualisieren (vgl. Bild 6.9). Bild 6.8: Konsolidierung der Verbindungsinformationen - 118 - 6 Anwendung der Methodik Bild 6.9: Integrierte Produkt- und Prozessdokumentation als Graph Vorteil der Implementierung ist die einfache und eindeutige Schnittstelle zum Nutzer. Mit dem schrittweisen Ablauf wird sichergestellt, dass nur die für den nächsten Arbeits- schritt notwendigen Informationen abgefragt werden und der Zeitbedarf für den Kon- strukteur minimiert wird. Durch die Trennung zwischen Frontend (Eingabe- und Aus- gabemasken) und Backend (Datenbank und Module) können Anpassungen durchge- führt werden, ohne dass der Nutzer unmittelbar davon betroffen ist. Wird beispiels- weise eine neue Verbindungstechnik integriert, so beeinflusst diese den Ablauf der Auswahl der Verbindungstechnik aus Sicht des Nutzers in keiner Weise. Ist die mittels der neuen Verbindungstechnik ermittelte Lösung den bestehenden in Bezug auf das Kriterium der Wirtschaftlichkeit überlegen, so wird diese dem Nutzer jedoch in der ab- schließenden Maske Ausgabe_2 empfohlen. 6.2 Implementierung in das Arbeitsumfeld der Konstrukteure - 119 - 7 Evaluation Die Evaluation der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung orientiert sich an der wissenschaftstheoretischen Einordnung der Arbeit zu den angewandten Realwissenschaften. Entsprechend der in Kapitel 1.5 beschriebenen Konzeption der Evaluation wird nicht nur die Durchführbar- keit der Methodik untersucht, sondern vielmehr deren Nutzen im Verwendungszusam- menhang. Mit der Methodik wird die Verbesserung der Auswahl von lösbaren Verbin- dungen in Bezug auf die aus einer Verbindung resultierenden Kosten in der Produktion angestrebt (vgl. Kapitel 4.1). Zur Validierung des Nutzens werden die aus den Verbin- dungen eines bestehenden Produkts entstehenden Aufwendungen untersucht. Zuerst werden die Aufwendungen der Verbindungen ermittelt, welche ohne die Methodik ent- wickelt wurden. Dieselben Verbindungen werden mit der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienfertigung über-arbeitet. Die Be- stimmung der Differenz zwischen den Aufwendungen aus den Verbindungen, welche ohne die Methodik entwickelt wurden, und denen, welche mit der Methodik entwickelt wurden, quantifiziert den Nutzen (vgl. Bild 7.1). Bild 7.1: Evaluierung des Assistenzsystems durch Vergleich mit Ist-Zustand der Pro- duktentwicklung Produktion Problem: Verbindung BT1 – BT2 Konstruktion mit Unterstützung Konstruktion ohne Unterstützung Werkzeugvielfalt Fertigungszeit … Werkzeugvielfalt‘ Fertigungszeit‘ …‘ digitales Produkt digitales Produkt‘ reales Produkt reales Produkt‘ Evaluation ∆ Aufwand bei Produktion - 120 - 7 Evaluation Als Untersuchungsgegenstand werden die Schraubverbindungen eines Mittelklasse- fahrzeugs verwendet. Dazu werden die Aufwendungen der 1.384 Verschraubungen, die sich auf 665 Schraubfälle (vgl. Kapitel 2.1.1) verteilen, ganzheitlich bewertet. Mit- tels der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen werden Alternativen für diese Schraubverbindungen ermittelt und deren Aufwendungen bewertet. Für die Eva- luation kommt das in Kapitel 6.2 beschriebene Modul zum fallbasierten Schließen zum Einsatz. Abschließend werden die Abweichungen zu einer Gesamtsumme addiert und damit die Verbesserung des Verwendungszusammenhangs quantifiziert. 7.1 Aufwendungen aus Schraubverbindungen ohne Assistenzsystem Grundlage für die Bewertung ist die in Kapitel 5.4 beschriebene Methode zur Erfas- sung der Aufwendungen. Danach ergeben sich die Aufwendungen für die einzelnen Schraubverbindungen aus den einzelnen Gewerken. Zur monetären Quantifizierung der Fertigungszeit wird ein für Deutschland gängiger Kostensatz von 40 €/h verwendet. Zum Schutz von unternehmensinternen Informatio- nen wird das Ergebnis der monetären Bewertung in Geldeinheiten (GE) ausgedrückt. Dazu wird für die aufwendigste Verbindung ein Bedarf von 100 GE angenommen und die übrigen Verbindungen dazu ins Verhältnis gesetzt. Bild 7.2: Aufwendungen für Schraubverbindungen 0 20 40 60 80 100 S c h ra u b e i n S c h w e iß m u tt e r M u tt e r a u f S c h w e iß b o lz e n (G ro b g e w in d e ) S c h ra u b e i n S p re iz d ü b e l o d e r S c h n a p p m u tt e r S c h ra u b e i n S ta n z m u tt e r S c h ra u b e i n N ie tm u tt e r M u tt e r a u f S c h w e iß b o lz e n (m e tr is c h e s G e w in d e ) S c h ra u b e i n B lin d n ie tm u tt e r M u tt e r a u f S c h w e iß s c h ra u b e (m e tr is c h e s G e w in d e ) M u tt e r a u f N ie tb o lz e n (m e tr is c h e s G e w in d e ) M u tt e r a u f S ta n z b o lz e n (m e tr is c h e s G e w in d e ) M u tt e r a u f B lin d n ie tb o lz e n (m e tr is c h e s G e w in d e ) A u fw e n d u n g e n i n G E MA_Wlaufend MA_Winitial MA_FP MA_ET LA KA_FP KA_ET PA 7.2 Aufwendungen aus Schraubverbindungen mit Assistenzsystem - 121 - Mittels der in Kapitel 5.4.1 gezeigten Bewertung der Aufwendung der unterschiedli- chen Schraubverbindungen werden die Verbindungen des untersuchten Fahrzeuges bewertet. Dazu werden für die 665 Schraubfälle die Art der Schraubverbindung und Anzahl der Verbindungspunkte ermittelt und mit den Aufwendungen multipliziert. Er- gebnis sind die Aufwendungen für die einzelnen Gewerke, welche sich zu einer Ge- samtsumme von 70.526 GE zusammenführen lassen (vgl. Bild 7.2). Bild 7.3: Gesamtaufwendungen für untersuchtes Fahrzeug Auffällig ist der hohe Anteil der Montage (69 %) an den Gesamtkosten im Verhältnis zu den Aufwendungen im Karosseriebau (19 %), der Lackiererei (11 %) und dem Presswerk (1 %) (vgl. Bild 7.3). Die detaillierte Untersuchung der Aufwendungen in der Montage zeigt, dass 45 % aus den manuellen Fertigungsprozessen resultieren. Auf- grund der standardisierten Ermittlung der Fertigungszeiten nach REFA oder MTM kön- nen diese Aufwendungen (bei konstanten Fertigungslöhnen) allein durch die konstruk- tive Änderung der Verbindungstechnik verringert werden. Die Gesamtsumme liefert die Vergleichsbasis zur Bewertung des Nutzens der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serienferti- gung. 7.2 Aufwendungen aus Schraubverbindungen mit Assistenzsystem 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% P A K A _ E T K A _ F P L A M A _ E T M A _ F P M A _ W in it ia l M A _ W la u fe n d A n te il d e r A u fw e n d u n g e n i n % 50 45 40 35 30 25 20 15 05 00 10 - 122 - 7 Evaluation Zur Bewertung der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit durch den Einsatz der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Serien-fer- tigung wurden die in Kapitel 7.1 analysierten Verbindungen eines aktuellen Fahrzeu- ges mit dem Assistenzsystem überprüft. Dazu wurden die zu verbindenden Bauteile und die Anforderungen an die Verbindung spezifiziert und unter Nutzung des fallba- sierten Moduls alternative Lösungen ermittelt. Für 42 der 665 Schraubfälle konnten Lösungen ermittelt werden, welche wirtschaftli- cher als die bestehenden Lösungen sind. Damit ergeben sich die Gesamtaufwendun- gen von 66.837 GE (vgl. Bild 7.4). Die detaillierte Betrachtung der Abweichungen (vgl. Bild 7.5) zeigt, dass sich die größten Einsparungen im Bereich des Fügens in der Mon- tage ergeben. Darüber hinaus verbessert sich jedoch die Wirtschaftlichkeit auch in al- len übrigen Bereichen. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 P A P A ' K A _ E T K A _ E T ' K A _ F P K A _ F P ' L A L A ' M A _ E T M A _ E T ' M A _ F P M A _ F P ' M A _ W in it ia l M A _ W in it ia l' M A _ W la u fe n d M A _ W la u fe n d ' A u fw e n d u n g e n i n % Aufwendungen ohne Assistenzsystem Aufwendungen mit Assistenzsystem Bild 7.4: Verbesserte Gesamtaufwendungen für das untersuchte Fahrzeugprojekt 7.3 Verbesserung des Verwendungszusammenhangs - 123 - Bild 7.5: Deltabetrachtung der Aufwendungen für das untersuchte Fahrzeugprojekt 7.3 Verbesserung des Verwendungszusammenhangs Durch den Einsatz der Methodik konnten bei dem untersuchten Fahrzeug für 42 Ver- bindungen Alternativlösungen mit verbesserter Wirtschaftlichkeit ermittelt werden. Die Einsparungen von 5,2 % der Gesamtaufwendungen verteilen sich dabei gleichmäßig auf die verschiedenen Gewerke. Die größten Einsparungen können mit 64 % im Be- reich der Montage realisiert werden, gefolgt vom Karosseriebau (18 %) und der La- ckiererei (15 %). Die restlichen Einsparungen (3 %) entfallen auf das Presswerk. Mit dem Einsatz der Methodik an einem realen Projekt der variantenreichen Serienfer- tigung wurde der Nutzen gezeigt. Das Ziel von 5 – 10 % Einsparung wurde knapp erreicht. Jedoch ist zu beachten, dass die Methodik lediglich auf Schraubverbindungen angewandt wurde. Die Ausweitung auf weitere lösbare Verbindungen wie Schnapp- verbindungen bietet zusätzliches Potenzial. 0 1 2 3 P A - P A ' K A _ E T - K A _ E T ' K A _ F P - K A _ F P ' L A - L A ' M A _ E T - M A _ E T ' M A _ F P - M A _ F P ' M A _ W in it ia l - M A _ W in it ia l' M A _ W la u fe n d - M A _ W la u fe n d ' A b w e ic h u n g d e r A u fw e n d u n g e n i n % 7.3 Verbesserung des Verwendungszusammenhangs - 125 - 8 Zusammenfassung Mit der Methodik zur Auswahl von lösbaren Verbindungen in der variantenreichen Se- rienfertigung wurde eine Vorgehensweise beschrieben, welche die Auswahl und Aus- legung von Verbindungen in der Entwurfsphase unterstützt. Die variantenreiche Serienfertigung ist aufgrund der Vielfalt und Veränderlichkeit der zu produzierenden Produkte von einer hohen Komplexität gekennzeichnet. Aufgrund der großen Stückzahlen haben die in der Entwicklungsphase getroffenen Entschei- dungen einen bedeutenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Produkterstellung und des Unternehmens. Eine Schraubverbindung beispielsweise verursacht für ein Volumenfahrzeug über der gesamten Laufzeit Kosten in der Produktion von mehr als einer halben Million Euro. Daher kommt der Auswahl der technisch und wirtschaftlich optimalen Verbindung eine große Bedeutung zu. Die Herausforderung bei der Auswahl von lösbaren Verbindungen ist die Menge der zu berücksichtigenden Werkstoffe und Verbindungstechniken sowie die wirtschaft-li- che Bewertung der unterschiedlichen Konzepte. Für die Befestigung eines Steuerge- räts an einem Stahlbauteil sind beispielsweise mehr als 10.000 unterschiedliche Ver- bindungen möglich. Die Berücksichtigung der verschiedenen Alternativen erfordert eine methodische Unterstützung des Konstruktionsprozesses. Grundannahme ist die Beschreibung einer Verbindung als ein Produkt und Übertra- gung von Vorgehensweisen aus dem Produktentwicklungsprozess auf die Entwicklung der Verbindung. Wie für ein Produkt werden zu Beginn die Anforderungen an die Ver- bindung in Form einer Anforderungsliste beziehungsweise eines Anforderungsprofils hinterlegt. Rechnergestützt und applikationsspezifisch werden für diese technisch mögliche Lösungen ermittelt und wirtschaftlich bewertet. Dem Konstrukteur wird eine geordnete Übersicht mit all diesen Lösungen zur Verfügung gestellt, aus welcher er eine Lösung featuregestützt in die Konstruktion übertragen kann. Die vollständige Do- kumentation von Produkt- und Prozessinformationen in einem integrierten Modell schließt die Gestaltung der Verbindung ab. Von bestehenden Unterstützungssystemen bei der Auswahl und Auslegung von Ver- bindungen grenzt sich die Methodik einerseits durch den Detaillierungsgrad und ande- rerseits durch die ganzheitliche wirtschaftliche Bewertung der Lösungen, wie sie in der variantenreichen Serienfertigung notwendig ist, ab. Der Detaillierungsgrad übersteigt - 126 - 8 Zusammenfassung den der bestehenden Systeme, da nicht aus einer Liste aller Verbindungen die mögli- chen herausgefiltert werden (top-down), sondern für jede Verbindung applikationsspe- zifisch die möglichen Verbindungen errechnet werden (bottom-up). Bei der Top-down- Methode muss eine Lösung auf unterschiedliche Verbindungsprobleme anwendbar sein, was eine allgemeine Beschreibung der Charakteristika erfordert. Dahingegen können mit der Bottom-up-Vorgehensweise sämtliche Charakteristika der zu verbin- denden Bauteile vollständig berücksichtigt werden. Damit ist es möglich, nicht nur Ver- bindungstechniken untereinander zu vergleichen (z. B. Schraube oder Schnappver- bindung), sondern auch Alternativen innerhalb einer Verbindungstechnik zu untersu- chen (z. B. drei Schrauben M6 oder vier Schrauben M5). Ein weiterer Vorteil der Methodik ist die Berücksichtigung unterschiedlicher Informati- onsquellen und -arten. Der modulare Aufbau beinhaltet neben fallbasierten und regel- basierten Modulen die Möglichkeit, Wissen in gekapselter Form einzubeziehen. Dies ermöglicht die Berücksichtigung von externen Informationsquellen, ohne dass das be- stehende System angepasst werden muss. Dazu bietet der modulare Aufbau die Mög- lichkeit der einfachen Erweiterbarkeit zur Berücksichtigung neuer Werkstoffe und Ver- bindungen. Die Methodik wurde an den Schraubverbindungen eines Fahrzeuges der variantenrei- chen Serienfertigung validiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Anwendung der Methodik eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit um 5,2 % ermöglicht. 7.3 Verbesserung des Verwendungszusammenhangs - 127 - 9 Ausblick Zukünftige Arbeiten können drei Aspekte adressieren: Die Integration weiterer lösbarer und unlösbarer Verbindungstechniken, das Hinzufügen von weiteren Zielgrößen ne- ben der Wirtschaftlichkeit (z. B. Leichtbau) sowie die Berücksichtigung von Verbin- dungssystemen mit mehr als einer Verbindungstechnik. In der vorliegenden Arbeit wurden lösbare Verbindungen betrachtet. Diese finden sich in der variantenreichen Serienfertigung vorrangig im Bereich der Montage. Im vorge- lagerten Karosseriebau kommen hauptsächlich thermische und mechanische Verbin- dungen wie Widerstandpunktschweißen, Laserstrahlschweißen und Stanznieten zum Einsatz. Beim Übertragen der Methodik von den lösbaren Verbindungen auf die be- dingt lösbaren und unlösbaren Verbindungen ist insbesondere die Anforderungsdefi- nition zu bewerten. Hauptaspekte sind hierbei die aus dem hohen Automatisierungs- grad resultierenden Aufwendungen und die fertigungstechnischen Randbedingungen, wie beispielsweise Einschränkungen bei der Fügerichtung. Die Auswahl der Verbindung erfolgt in der vorliegenden Arbeit allein nach dem Krite- rium der Wirtschaftlichkeit (die Funktionalität der Verbindung vorausgesetzt). Die Hin- zunahme weiterer Faktoren wie Leichtbau oder Recyclefähigkeit führt zu einem multi- kriteriellen Problem und bedarf ggf. der kontextabhängigen Gewichtung der Zielgrö- ßen. Der Einsatz von Verbindungssystemen mit mehr als einer Verbindungstechnik kann in Bezug auf die Aufwendungen Vorteile bringen. So sind bereits heute Misch-systeme bekannt, bei welchen ein Bauteil an zwei Verbindungsstellen eingeschoben und an der dritten Verbindungsstelle mit einem Verbindungselement fixiert wird. Die Berücksichti- gung solcher Verbindungen in der Methodik kann hinsichtlich der gewählten Zielgröße weitere Vorteile bringen. Des Weiteren werden sich aus dem Einsatz der Methodik in der betrieblichen Praxis weiterführende Fragestellungen ergeben. Dabei ist zu betrachten, wie sich die unter- schiedlichen Sichtweisen und Bedürfnisse der Prozessbeteiligten abbilden lassen. - 129 - Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis [ALBERS11] Albers, A.; Oerding, J.; Alink, T.: Abstract objectives can become more tangible with the contact and channel model (C&CM). In: Bernard, A. (Hrsg): Global Product Development: Proceedings of the 20th CIRP Design Conference, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France, 19th–21st April 2010, Berlin, Heidelberg: Sprin- ger-Verlag, 2011, S. 203–213. [ALICKE05] Alicke, K.: Planung und Betrieb von Logistiknetzwerken: Unter- nehmensübergreifendes Supply Chain Management. Berlin, Hei- delberg: Springer-Verlag, 2005. 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