Produktarchitektur - Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik IKT ...
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Konstruktionslehre II – V3<br />
<strong>Produktarchitektur</strong> /<br />
Produktstruktur<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
22. April 2013
Lernziele<br />
• Sie können die verschiedenen Perspektiven eines Produkts erläutern.<br />
• Sie können den Aufbau und Zweck der <strong>Produktarchitektur</strong> erläutern.<br />
• Sie können den Aufbau der Produktstruktur erklären.<br />
• Sie können Gliederungsaspekte <strong>für</strong> eine Produktstruktur nennen und<br />
erläutern.<br />
• Sie können den Unterscheid zwischen der Produktstruktur und der<br />
Baustruktur eines Produkts erklären.<br />
• Sie können Analysemethoden <strong>für</strong> die Baustruktur eines Produkts und<br />
deren Anwendung erklären.<br />
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2
<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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3
Beispiel: Bienenstock<br />
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4
Flüsse im Unternehmen<br />
Rechnungswesen/<br />
Buchhaltung<br />
Entwicklung<br />
EDV<br />
?<br />
Vertrieb<br />
Fertigung<br />
Kunde<br />
Einkauf<br />
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5
Einbindung der Entwicklung/Konstruktion<br />
Kunde<br />
Markt<br />
Vertrieb, Verkauf,<br />
Werbung<br />
Produktplanung<br />
Labor, Versuch<br />
Entwicklung und<br />
Konstruktion<br />
Werknormung,<br />
Datenverarbeitung<br />
Einkauf, Lager<br />
Arbeitsvorbereitung<br />
• Fertigungsplanung, Kalkulation<br />
• Fertigungssteuerung<br />
Betriebsmittel-konstruktion<br />
?<br />
Teilefertigung<br />
Montage<br />
Qualitätssteuerung und -<br />
kontrolle<br />
Prüfung, Abnahme<br />
Versand<br />
Fertigproduktelager<br />
Kunde, Verkauf,<br />
ggf. Montage<br />
nach Pahl/Beitz<br />
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Die Perspektiven eines Produkts: Gesamt<br />
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Perspektive: Entwicklung (E)<br />
• Funktionaler Zusammenhang<br />
• Komponenten Definition<br />
• …<br />
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Perspektive: Konstruktion (K)<br />
• Baulicher Zusammenhang<br />
• Gestalterischer Zusammenhang<br />
• Montage Zusammenhang<br />
• …<br />
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Vernetzung der Perspektiven : E/K<br />
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<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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Die <strong>Produktarchitektur</strong> als Ordnungsrahmen<br />
• Es wird ein Ordnungsrahmen benötigt, um ein Produkt<br />
überhaupt erstellen (entwickeln, konstruieren, fertigen…)<br />
zu können.<br />
• Der Übergeordnete Ordnungsrahmen ist die<br />
<strong>Produktarchitektur</strong>.<br />
• Die <strong>Produktarchitektur</strong> stellte den Zusammenhang<br />
zwischen der Markt-/Kundensicht (Funktion) und der<br />
Unternehmenssicht (Produktstruktur)dar.<br />
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<strong>Produktarchitektur</strong><br />
Produktstruktur<br />
(bauliche<br />
Zusammenhänge)<br />
Funktionsstruktur<br />
(funktionale<br />
Zusammenhänge)<br />
<strong>Produktarchitektur</strong><br />
Mit der <strong>Produktarchitektur</strong> wird festgelegt, welche Funktion durch<br />
welchen Funktionsträger (Baugruppe, Komponente) erfüllt werden soll.<br />
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<strong>Produktarchitektur</strong><br />
Die <strong>Produktarchitektur</strong> beschreibt das Beziehungsschema zwischen der<br />
Funktionsstruktur eines Produktes und seiner physischen Baustruktur.<br />
Nach Ulrich; Hohnen<br />
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<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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Gestaltung der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
• Technische Gestaltung der <strong>Produktarchitektur</strong>:<br />
• Welche Anforderungen und Funktionen soll das Produkt erfüllen?<br />
• Welche Lösungsprinzipien werden eingesetzt?<br />
• Aus welchen Komponenten und Modulen soll das Produkt bestehen?<br />
• Wie lässt sich der Herstellungs- und Montageprozess optimieren<br />
• Varianten gerechte Gestaltung der <strong>Produktarchitektur</strong>:<br />
• Welche Varianz soll durch die <strong>Produktarchitektur</strong> abgedeckt werden?<br />
• Wie kann diese Varianz möglichst einfach realisiert werden?<br />
• Welche Komponenten und Module werden standardisiert oder wiederverwendet?<br />
• Organisatorische Gestaltung der <strong>Produktarchitektur</strong>:<br />
Nach Göpfert<br />
• Wie verteilen sich Entwicklungs- und Fertigungsumfänge auf die beteiligten organisatorischen<br />
Einheiten (Personen, Teams, Abteilungen, Lieferanten)?<br />
• Wie kann der Koordinationsaufwand minimiert werden?<br />
• Welche Umfänge werden intern entwickelt und produziert? Welche werden von externen<br />
Lieferanten zugekauft?<br />
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Erstellung der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
f Teil,1<br />
f Haupt<br />
…<br />
f Gesamt<br />
f Neben<br />
…<br />
f Teil,2<br />
…<br />
…<br />
…<br />
…<br />
…<br />
?<br />
<strong>Produktarchitektur</strong><br />
• f Haupt : Umwandlung elektr.<br />
Energie – Stoffumsatz Luft<br />
• f Teil,1 : Umwandlung Rotation –<br />
Stoffumsatz Luft<br />
• f Teil,2 : Umwandlung elektr. Energie<br />
– Rotation<br />
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Wie bilde ich diese Funktionen ab?<br />
Mein Nachbar soll mich beneiden.<br />
Das Automobil soll schön aussehen.<br />
Das Automobil soll hochwertig sein.<br />
Der Motor soll sich sportlich anhören.<br />
Quelle: Volkswagen, url: www..volkswagen.de, 2013<br />
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Erweiterte <strong>Produktarchitektur</strong><br />
Marktsicht<br />
Funktionsstruktur<br />
Verknüpfungen<br />
Ausprägungstruktur<br />
Verknüpfungen<br />
Produktstruktur<br />
Unternehmenssicht<br />
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Ausprägungen in der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
• Ausprägungen eines Merkmales sind vom Kunden<br />
gewünschte Eigenschaften eines Produktes.<br />
• Merkmale sind z. B.<br />
• Objektiv physikalische Merkmale, z. B. der Hubraum eines<br />
Verbrennungsmotors<br />
• Subjektiv wahrnehmbare Merkmale , z. B. das Design<br />
• Vorhandene Produktfeatures, z. B.<br />
Memory-Funktion <strong>für</strong> eine<br />
elektrische Sitzverstellung<br />
• Das Produkt realisiert die<br />
Merkmale und Ausprägungen.<br />
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<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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Produktstruktur<br />
Um den gesamten Produktentstehungsprozess planen und steuern zu<br />
können und den beteiligten Unternehmenseinheiten die benötigten<br />
Produktdaten in geeigneter Form zur Verfügung stellen zu können,<br />
werden Strukturen zur Produktgliederung benötigt.<br />
Definition Produktstruktur:<br />
Die Produktstruktur (mechatronische Produkte) bildet die Struktur und<br />
damit den Zusammenhang der nach festgelegten<br />
Strukturierungskriterien gegliederten physikalischen Produktelemente<br />
wie Bauteile und Baugruppen ab.<br />
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22
Ziel einer Produktstruktur<br />
Ziele einer Produktstruktur:<br />
• Einfache Fertigung<br />
• Hoher Anteil wieder verwendbarer Elemente<br />
• Möglichst kundenneutrale Fertigung bis in die oberen Strukturebenen<br />
• Abbildung des Produktes im Unternehmen (PDM- und ERP-Systems)<br />
Die Produktstruktur ist die Hauptplanungsbasis<br />
eines Unternehmens<br />
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Beispiel zur Produktstruktur<br />
Gehäuse<br />
Scharnierzapfen<br />
Sicherungselement<br />
groß<br />
Tür<br />
Sicherungselement<br />
klein<br />
Schlitz-<br />
Schraube<br />
Schloss<br />
Schlüssel<br />
Innensechskantschraube<br />
Scharnierbuchse<br />
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Beispiel 1 zur Produktstruktur<br />
Produkt<br />
Schrank<br />
Gehäuse<br />
Tür<br />
Scharnierbuchse<br />
Scharnierzapfen<br />
Schlitzschraube<br />
Sicherungselement groß<br />
Schloss<br />
Eine Zeichnung:<br />
„Schrank“<br />
Innensechskantschraube<br />
Sicherungselement klein<br />
Schlüssel<br />
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Beispiel 1 zur Produktstruktur<br />
Gehäuse<br />
Scharnierzapfen<br />
Sicherungselement<br />
groß<br />
Tür<br />
Sicherungselement<br />
klein<br />
Schlitz-<br />
Schraube<br />
Schloss<br />
Schlüssel<br />
Innensechskantschraube<br />
Scharnierbuchse<br />
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Beispiel 2 zur Produktstruktur<br />
Produkt<br />
Schrank<br />
Gehäuse<br />
Tür komplett<br />
Zeichnungen:<br />
Baugruppe:<br />
Schrank<br />
Baugruppe:<br />
Gehäuse<br />
Tür<br />
Schloss<br />
Innensechskantschraube<br />
Sicherungselement klein<br />
Scharnierzapfen<br />
Scharnierbuchse<br />
Baugruppe:<br />
Tür komplett<br />
Schlitzschraube<br />
Sicherungselement groß<br />
Schlüssel<br />
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Beispiel 2 zur Produktstruktur<br />
Gehäuse<br />
Tür komplett<br />
Einzelteile<br />
Einzelteile<br />
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Beispiel 3 zur Produktstruktur<br />
Produkt<br />
Schrank<br />
Gehäuse komplett<br />
Tür komplett<br />
Schlitzschraube<br />
Sicherungselement groß<br />
Scharnierbuchse<br />
Tür<br />
Schloss<br />
Innensechskantschraube<br />
Sicherungselement klein<br />
Scharnierzapfen<br />
Schlitzschraube<br />
Sicherungselement groß<br />
Schlüssel<br />
Zeichnungen:<br />
Baugruppe:<br />
Schrank<br />
Baugruppe:<br />
Gehäuse<br />
komplett<br />
Baugruppe:<br />
Tür komplett<br />
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Beispiel 3 zur Produktstruktur<br />
Gehäuse<br />
Tür komplett<br />
Einzelteile<br />
Einzelteile<br />
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<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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Sichten auf ein Produkt (Planungsbedürfnisse)<br />
Je nach Aufgabe im Unternehmen interessieren den Betrachter unterschiedliche<br />
Eigenschaften (Sichten) des Produkts:<br />
• Entwicklung/Konstruktion:<br />
Welche Funktionen müssen erfüllt werden?<br />
• Einkauf:<br />
Welche Bauteile, Komponenten, Halbzeuge müssen eingekauft werden?<br />
• Fertigung:<br />
Welche Fertigungsoperationen (Maschinen/Kostenstellen) werden zur<br />
Produktion der Bauteile benötigt?<br />
• Montage:<br />
In welcher Reihenfolge müssen welche Teile montiert werden? Welche<br />
Zwischenzustände müssen beachtet werden, z. B. Lackierung?<br />
Jeder Bereich bräuchte eine spezielle Produktstruktur<br />
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Sichten auf ein Produkt<br />
Entwicklung<br />
(Mechanik)<br />
Entwicklung<br />
(Elektrik, Elektronik)<br />
Einkauf<br />
Fertigung<br />
Montage<br />
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33
Festlegung der Produktstruktur<br />
Konstruktionsstruktur<br />
Fertigungsstruktur<br />
Bedruckung<br />
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Festlegung der aktiven Produktstruktur<br />
Konstruktionsstruktur<br />
Fertigungsstruktur<br />
Widerspruch<br />
gegliedert nach:<br />
• funktionalen<br />
Gesichtspunkten<br />
• inhaltlichen Gesichtspunkten<br />
• Baugruppen<br />
• Hauptfunktionsträgern<br />
gegliedert nach:<br />
• fertigungstechnischen<br />
Gesichtspunkten<br />
• Montagebaugruppen<br />
• Montagestufen<br />
• Fertigungsverfahren<br />
• Kostenstellen<br />
• Eigenfertigung /<br />
Fremdfertigung<br />
Bedruckung<br />
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Bsp.: Getriebe + Kupplung<br />
Getriebegehäuse<br />
mit Kupplungsglocke<br />
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Bsp.: PKW Interieur<br />
Automobiltür<br />
Konstruktion:<br />
eine funktionale Einheit in einer<br />
Baugruppenstückliste<br />
Fertigung:<br />
Bearbeitung in Kostenstelle:<br />
• Blechbearbeitung<br />
• Kunststoffverarbeitung<br />
• Glas<br />
Folgen:<br />
• braucht je einen Zeichnungssatz <strong>für</strong> eine<br />
Kostenstelle: Blech- und Kunststoffteile, Glas<br />
• braucht je Montagestufe einen Zeichnungssatz<br />
• hat Steuerungsaufwand <strong>für</strong> die Montage<br />
Einkauf:<br />
muss die Stückliste „zerlegen“ nach Beschaffung<br />
(make/buy) evtl. 3 Lieferanten aussteuern mit<br />
Stücklisten und Zeichnungen.<br />
Lieferant:<br />
braucht Schnittstellenzeichnungen, um zu liefernde<br />
Bauteile richtig auslegen zu können.<br />
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37
Produktstruktur im ERP<br />
• In der Praxis entsteht die aktive Produktstruktur in enger<br />
Kooperation zwischen Konstruktion und Fertigung.<br />
• Sie stellt normalerweise einen Kompromiss zwischen den<br />
Interessen der Konstruktion, wenig Dokumentationsaufwand,<br />
und denen der Fertigung, einfache Fertigungssteuerung,<br />
dar.<br />
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38
<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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39
Sicht des Engineerings<br />
Auftrag 4711: Sicht des Engineerings<br />
Produktkonzept<br />
Produktidee<br />
Konstruktion<br />
PDM-System<br />
ERP-System<br />
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40
Produktstruktur im Unternehmen<br />
Auftrag 4711: Sicht des Engineerings<br />
Produktkonzept<br />
Produktidee<br />
Konstruktion<br />
PDM-System<br />
ERP-System<br />
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41
Sicht des Einkaufs/Technologie/Produktion<br />
PDM-System<br />
Auftrag 4711: Sicht des Einkaufs/Technologie/Produktion<br />
ERP-System<br />
Langläufer<br />
Fertigungsstraße<br />
<strong>für</strong> Baugruppe<br />
Einkaufprozess<br />
Fertigungsplanungsprozess<br />
Produktion<br />
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42
Bedeutung der Produktstruktur<br />
Was passiert, wenn Sie nach Verankerung<br />
der Produktstruktur im ERP/PPS diese ändern?<br />
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43
Die Strukturstückliste<br />
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44
<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
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Baustruktur<br />
• Die Baustruktur ist eine Abbildung eines Produktes und beschrieb die<br />
physische Beziehung der Bestandteile (Komponenten, Baugruppen)<br />
eines Produktes.<br />
• Beispiele:<br />
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Bsp.: Käseverpackung<br />
Funktionsstruktur<br />
<br />
Informationsübermittlung<br />
Preis<br />
Haltbarkeit<br />
Zutaten<br />
Produkt<br />
Trennen von Inhalt<br />
und Umgebung<br />
Baustruktur<br />
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47
<strong>Produktarchitektur</strong>; Produktstruktur<br />
1. <strong>Allgemeine</strong> Betrachtungen<br />
2. Die <strong>Produktarchitektur</strong><br />
1. Definition<br />
2. Methode zum Aufstellen der <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Beispiel einer <strong>Produktarchitektur</strong><br />
3. Produktstruktur<br />
1. Definition<br />
2. Problematik der Produktstruktur<br />
3. Praxis der Produktstruktur<br />
4. Baustruktur<br />
1. Definition und Beispiele<br />
5. Analysemethoden (DSM; DMM)<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> <strong>Konstruktionstechnik</strong> des Maschinenbaus<br />
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
48
Design Structure Matrix (DSM)<br />
• Die Design Structure Matrix, im deutschen auch als Einflussmatrix<br />
bekannt, dient zur Erfassung und Analyse von Netzwerken. 1<br />
• Im Rahmen der Produktentwicklung wird die DSM eingesetzt, um die<br />
Abhängigkeiten von Komponenten (Baustruktur) aufzuzeigen.²<br />
• DSM können die Einflussrichtung und Einflussgewichtung<br />
berücksichtigen.<br />
1. Lindemann, Mauer 2006; 2. Pimmler 1994<br />
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49
ungerichtet gerichtet<br />
Beispiel: DSM-Arten<br />
ungewichtet<br />
gewichtet<br />
K 1 K 2 K 3 K 4 K 5<br />
K 1 1 1 0 0 K 1 1 1 0 0<br />
Baustruktur<br />
K 2 1 0 0 1 K 2 1 0 0 1<br />
K 1 K K<br />
K 3 0 1 0 0 3 0 1 0 0<br />
2<br />
K 4 1 0 0 0 K 4 3 0 0 0<br />
K 5 0 1 0 0 K 5 0 1 0 0<br />
K 4<br />
K 3<br />
K 1 K 2 K 3 K 4 K 5<br />
K 5<br />
K 1 K 2 K 3 K 4 K 5<br />
K 1 1 1 1 0<br />
K 2 1 1 0 1<br />
K 3 1 1 0 0<br />
K 4 1 0 0 0<br />
K 5 0 1 0 0<br />
K 1 K 2 K 3 K 4 K 5<br />
K 1 1 1 3 0<br />
K 2 1 1 0 2<br />
K 3 1 1 0 0<br />
K 4 3 0 0 0<br />
K 5 0 2 0 0<br />
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50
DSM nach Pimmler<br />
• Pimmler unterteilt die Abhängigkeiten zwischen den Komponenten in<br />
die Kategorien Raum, Material, Energie und Information.<br />
• Er unterscheidet die Komponentenabhängigkeiten mit ganzzahligen<br />
Werten von –2 (schädlich) bis 2 (erforderlich)<br />
Lehrstuhl und <strong>Institut</strong> <strong>für</strong> <strong>Allgemeine</strong> <strong>Konstruktionstechnik</strong> des Maschinenbaus<br />
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen<br />
51
Einsatz der DSM<br />
Durch Vertauschen oder Verschieben der Komponenten können<br />
mithilfe der Design Structure Matrix das Produkt in Baugruppen<br />
(Kästen) gegliedert werden.<br />
Pimmler 1994<br />
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52
Domain Mapping Matrix (DMM)<br />
• Vergleichbar zur Design Structure Matrix wird die DMM in der<br />
Produktentwicklung eingesetzt, um Abhängigkeiten von Funktionen<br />
und Komponenten (<strong>Produktarchitektur</strong>) aufzuzeigen.<br />
<strong>Produktarchitektur</strong><br />
K 1<br />
F 1<br />
F 2<br />
K 2<br />
F 3<br />
K 3<br />
K 1 K 2<br />
K 3 K 4<br />
F 1 1 1 0 0<br />
F 2 1 1 0 0<br />
F 3 0 0 1 1<br />
K 4<br />
• Mit Hilfe der DMM kann die Definition von Modulen unterstützt<br />
werden.<br />
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53
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