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Simultaneous Engineering
Inhaltsübersicht
I. Gegenstand und Aufgaben des Simultaneous Engineering
II. Bausteine des Simultaneous Engineering
III. Betriebswirtschaftliche Auswirkungen des Simultaneous Engineering
I. Gegenstand und Aufgaben des Simultaneous Engineering
Entsprechend dem tayloristischen Grundgedanken ist die Entwicklung neuer Produkte traditionell durch einen hohen Grad der Arbeitsteilung und weitgehende Spezialisierung geprägt. Diese Vorgehensweise erfordert zwangsläufig einen sequenziellen Ablauf der einzelnen Teilprozesse. In vielen Industriezweigen wird jedoch angesichts steigenden Wettbewerbsdrucks die Forderung nach kürzeren Lebenszyklen der Erzeugnisse und schnellerer Umsetzung technologischer Innovationen erhoben. Gleichzeitig gewinnt die Produktqualität als Wettbewerbsfaktor an Bedeutung. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurden verschiedene Maßnahmen und Instrumente zur Planung, Organisation und technischen Unterstützung der Produktentwicklung vorgeschlagen. Simultaneous Engineering stellt hierbei einen Oberbegriff dar, unter den diese Maßnahmen und Instrumente subsumiert werden. Der vor allem in der angelsächsischen Literatur verbreitete Begriff des Concurrent Engineering wird weitestgehend synonym verwendet.
Ungeachtet der unterschiedlichen Schwerpunktsetzung in einzelnen Wissenschaftsbereichen und Industriezweigen kann unter Simultaneous Engineering die zielgerichtete, interdisziplinäre Zusammen- und Parallelarbeit von Produkt-, Produktions- und Vertriebsentwicklung mithilfe eines straffen Projektmanagements verstanden werden, wobei der gesamte Produktlebenslauf betrachtet wird (vgl. Ehrlenspiel, W. 1995, S. 176 f.). Hierbei werden im Wesentlichen drei Ziele verfolgt: (1) den Prozess der Produktentwicklung von der Generierung der Produktidee bis zur Markteinführung ( „ time to market “ ) zu beschleunigen, (2) die damit verbundenen Entwicklungskosten zu senken und (3) die Qualität der Erzeugnisse zu verbessern. Mit der Verwirklichung dieser Ziele wird die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmung gesteigert.
Gegenüber traditionellen Formen der Produktentwicklung weist das Simultaneous Engineering zwei Besonderheiten auf. Die erste besteht in der simultanen Ausführung von Teilprozessen. Hierdurch soll die Entwicklungszeit für neue Produkte maßgeblich beschleunigt werden. Das zweite wesentliche Merkmal ist die Integration der eigentlichen Produktentwicklung mit der Prozessplanung und der Gestaltung der Produktionsmittel (Anlagen, Werkzeuge, Vorrichtungen usw.). Darüber hinaus werden häufig auch weitere Aufgabenstellungen, z.B. aus Marketing und Vertrieb, Entsorgung und Recycling, Beschaffung und Controlling, in das Konzept des Simultaneous Engineering einbezogen.
Empirische Beobachtungen zeigen, dass die Länge der Produktlebenszyklen und gleichzeitig die Dauer der zugehörigen Entwicklungsprozesse vor allem in den Bereichen der Informationstechnik in den letzten Jahren erheblich abgenommen haben (vgl. Mendelsohn, H./Pillai, R.R. 1999). Dies als unmittelbares Ergebnis der Anwendung von Prinzipien des Simultaneous Engineering zu werten, ist sicherlich nicht gerechtfertigt. Festzuhalten ist jedoch, dass das Gedankengut des Simultaneous Engineering weltweit starke Verbreitung gefunden und sich in vielfältigen praktischen Anwendungen bewährt hat (vgl. z.B. Eversheim, W./Bochtler, W./Laufenberg, L. 1995, S. 121 ff.).
II. Bausteine des Simultaneous Engineering
Simultaneous Engineering stellt einen systematischen und umfassenden Ansatz dar, bei dem verschiedene Bausteine zum Einsatz kommen, die auf Erkenntnisse aus der Betriebswirtschaftslehre, der Informatik und den Ingenieurwissenschaften zurückgreifen. Entsprechend lassen sich Instrumente des Projektmanagement, der IT-Unterstützung sowie der Konstruktion und Fertigungstechnik unterscheiden, die jedoch nicht voneinander losgelöst, sondern integrativ zum Einsatz kommen.
1. Projektmanagement
Die Idee des Simultaneous Engineering bricht mit der traditionellen Vorgehensweise, zunächst das Produkt zu entwerfen und zu entwickeln, dann die dazu erforderlichen Produktionsabläufe und -einrichtungen zu planen und zu gestalten, und anschließend Reparatur-, Wartungsmaßnahmen und ggf. auch Recyclingmaßnahmen zu bestimmen. Vielmehr wird eine Integration und teilweise simultane Ausführung dieser Maßnahmen angestrebt.
In Abb. 1 ist als Beispiel der Entwicklungsprozess für eine Mikrofilmkassette als Ablaufdiagramm dargestellt (vgl. Ulrich, K.T./Eppinger, S.D. 1995, S. 263). In dem betrachteten Praxisfall sollte die sonst übliche Entwicklungszeit halbiert werden. Zur Erreichung dieses Ziels wurde die größtmögliche Überlappung der einzelnen Prozessphasen angestrebt. Vorausgegangen war eine systematische Analyse aller Teilprozesse, bei der die wechselseitigen Abhängigkeiten aller Prozessphasen und die Möglichkeiten ihrer parallelen Ausführung aufgeschlüsselt wurden. Deutlich erkennbar ist die Zeitreduktion, die durch eine simultane im Vergleich zu einer sequenziellen Produktentwicklung erzielt wird.
Abb. 1: Ablaufdiagramm eines Produktentwicklungsprozesses
Während bei sequenzieller Produktentwicklung die Koordination der Entwicklungsarbeit lediglich zwischen unmittelbar aufeinander folgenden Projektphasen erfolgt, besteht eine wesentliche Anforderung des Simultaneous Engineering darin, über die Parallelisierung einzelner Prozessphasen hinaus die Kommunikation zwischen allen beteiligten Funktionsbereichen während des gesamten Entwicklungsprozesses zu intensivieren. Auf diese Weise wird erreicht, dass abteilungsbezogenes Wissen unmittelbar in den Entwicklungsprozess eingeht und für andere beteiligte Funktionsbereiche zur Verfügung steht. So sollen z.B. die Erkenntnisse von Marketing und Vertrieb über die Anforderungen der Kunden an das zu entwickelnde Produkt von vornherein in das Produktkonzept eingehen. In gleicher Weise sind bereits beim Entwurf des Produktes und der Auslegung wichtiger Systemkomponenten die Anforderungen der Fertigungs- und Montagetechnik zu berücksichtigen. Die entsprechenden Kommunikationsmodelle bei sequenzieller und simultaner Produktentwicklung sind in Abb. 2 für das Zusammenspiel von Produktentwurf (Konstruktion) und Prozessplanung (Fertigung) veranschaulicht (in Anlehnung an Clark, K.B./Wheelwright, S.C. 1993, S. 472).
Abb. 2: Kommunikationsmodelle bei sequenzieller (a) und simultaner Produktentwicklung (b)
Die Vernetzung der Kommunikationsströme wird beim Simultaneous Engineering durch die Einrichtung sog. multifunktionaler Teams angestrebt, in denen Experten aus Marketing, Vertrieb, Entsorgung, Konstruktion, Fertigungsvorbereitung, Materialwirtschaft und Controlling zusammenarbeiten. Hierbei handelt es sich um temporäre Arbeitsgruppen, deren Zusammensetzung den Anforderungen der jeweiligen Projektphase entspricht. Außerdem können wichtige Kunden oder Zulieferer als Informationsträger und Kooperationspartner in die Entwicklungsarbeit einbezogen werden (vgl. Clark, K.B./Wheelwright, S.C. 1993, S. 459 ff. sowie Tizzard, A. 1994, S. 242 ff.).
2. IT-Unterstützung
Die Produktentwicklung und -konstruktion erfolgt heute unter Einsatz vielfältiger rechnergestützter Hilfsmittel, vor allem der CAD-Technik. In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, diese Technologie über die Erstellung von Zeichnungen hinaus im Sinne des Simultaneous Engineering zu erweitern. Ein Ansatzpunkt hierzu ist die Verwendung von sog. Features, d.h. von häufig vorkommenden Objekten, die vom CAD-System als eigenständige Elemente erfasst werden (vgl. Spur, G./Krause, F.-L. 1997, S. 175 ff.). Sinnvollerweise sind diese Features auf die Fertigungspotenziale der Unternehmung abgestimmt. Ihnen können neben rein geometrischen Informationen auch semantische Angaben, z.B. Hinweise für ihre produktionstechnische Realisierung oder Informationen über die mit ihrer Verwendung verbundenen Kosten, beigefügt werden. Unmittelbar aus dem geometrischen CAD-Modell lassen sich mit sog. Rapid-Prototyping-Verfahren bereits zu einem frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess Prototypen des Produktes fertigen, die für die Gestaltung des Produktionsprozesses (z.B. Ergonomieanalyse alternativer Montagesysteme) oder physikalische Versuche (z.B. Strömungsuntersuchungen an einem Schiffsrumpf) eingesetzt werden können (vgl. Spur, G./Krause, F.-L. 1997, S. 476 ff.).
Moderne CAD-Systeme unterstützen zudem das verteilte Arbeiten an einem Produktentwurf, indem sie den Datenaustausch zwischen unterschiedlichen Entwicklern und Teilentwürfen zulassen. Der einzelne Entwickler kann dabei auf den Gesamtentwurf zugreifen, seinen Teilentwurf detaillieren und den Arbeitsfortschritt an den übrigen Teilentwürfen verfolgen. Die Zusammenstellung von Baugruppen als sog. Digital Mock-Up ermöglicht zudem Kollisions- und Zusammenbauuntersuchungen. Technologische Grundlagen sind neben der Client-Server-Architektur des CAD-Systems moderne, breitbandige Netzwerktechnologien und ein Produkt bzw. Engineering Data Management (PDM bzw. EDM), das den Zugriff auf die Daten verwaltet und damit deren Konsistenz sicherstellt (vgl. Schöttner, J. 2000, S. 463 ff. sowie Spur, G./Krause, F.-L. 1997, S. 249 ff.). Besonders bei umfangreichen und stark verteilten Entwicklungsprojekten (z.B. in der Luftfahrtindustrie) wird zusätzlich Software für Gruppenarbeit eingesetzt, die z.B. das Abhalten von Videokonferenzen erlaubt.
Zunehmend werden Entwicklungsdaten auch über Unternehmensgrenzen hinweg ausgetauscht. Dabei sind i.d.R. auch Daten zwischen unterschiedlichen CAD-Systemen auszutauschen, sodass die Definition von Datenstandards notwendig wird. In der Praxis findet sich heute noch eine Vielzahl unterschiedlicher, teilweise branchenspezifischer Standards. Das Ziel einer branchenübergreifenden, internationalen Standardisierung wird seit fast 20 Jahren mit der Entwicklung des Produktdatenmodells STEP verfolgt. STEP soll den Austausch, die Speicherung, Archivierung und Verarbeitung sämtlicher, über den Lebenszyklus eines Produktes relevanter Produktdaten ermöglichen. Mit diesem Standard soll nicht nur der Datenaustausch zwischen CAD-Systemen vereinfacht, sondern eine gemeinsame Datenbasis geschaffen werden, die über funktionale Grenzen hinweg genutzt wird und damit eine wichtige Grundlage für das Simultaneous Engineering bieten kann (vgl. Vernadat, F. 1994, S. 993 ff.).
Ein aktuelles Beispiel einer EDM-Entwicklung, die auf die Erzeugung einer durchgängigen Datenbasis für Produktentwurf und Prozessplanung abzielt, ist das von SAP konzipierte iPPE (Integriertes Produkt- und Prozessengineering). Für die diskrete Fertigung, insbesondere die Automobilproduktion, wird hier ein Werkzeug genutzt, das die Definition unterschiedlicher, auf den jeweiligen Informationsbedarf abgestellter Sichten auf ein objektorientiertes Datenmodell der Produkte und des Produktionsprozesses ermöglicht (vgl. SAP, 2000, S. 5 ff.).
Weit verbreitet sind inzwischen Instrumente zur Abbildung des Produktverhaltens (vgl. Singh, N. 1996, S. 89 ff.). So kann durch die Finite Elemente Methode (FEM) das mechanische Verhalten auch komplexer Teile berechnet werden. In Verbindung mit Optimierungsverfahren können einzelne technische Parameter entsprechend den Anforderungen der konkreten Anwendung und unter Berücksichtigung der entstehenden Kosten zielgerichtet gestaltet werden. Mithilfe der Simulation kann darüber hinaus das kinematische und dynamische Produktverhalten überprüft werden. Der Umfang von Belastungstests lässt sich somit stark reduzieren. Die Simulation wird auch für die Integration von Produkt- und Prozessplanung eingesetzt (z.B. zur Visualisierung der Bewegungen numerisch gesteuerter Fertigungsautomaten oder zur Zeitaufnahme von Fertigungs- und Montageprozessen). Auch für die Produktion chemischer Erzeugnisse existieren umfangreiche Hilfsmittel zur Berechnung der Reaktionskinetik.
3. Konstruktion und Fertigungstechnik
Hinsichtlich der Konstruktion und Fertigungstechnik lassen sich produktzentrierte, prozesszentrierte und simultane Ansätze des Simultaneous Engineering unterscheiden. Produktzentrierte Werkzeuge unterstützen den Entwurf des Produktes unter der Annahme eines gegebenen Produktionssystems. Dabei kann sowohl von allgemein gültigen Aussagen über Produktionsverfahren als auch von detaillierten Modellen eines konkreten Produktionssystems ausgegangen werden. Dagegen betrachten prozesszentrierte Werkzeuge die Gestaltung des Produktionsprozesses auf der Grundlage eines noch nicht vollständig ausgearbeiteten Produktentwurfes (vgl. Klocke, F./Fallböhmer, M./Trommer, G. 2000, S. 16 ff.). Simultane Ansätze zielen auf die Integration von Produkt- und Prozessentwurf ab.
Ein klassisches Instrument unter den produktzentrierten Methoden bilden Regel- und Beispielkataloge. Sie reichen von der einfachen 10-Punkte-Liste ( „ 1. Minimiere die Anzahl der Teile einer Baugruppe, 2. ? “ ) bis zur umfangreichen, hierarchisch gegliederten Sammlung. Weitergehende Ansätze ermöglichen es dem Konstrukteur, die Produktionseignung seines Produktentwurfes anhand von Kennzahlen einzuschätzen. Dabei werden die zur Herstellung eines Produktes notwendigen Produktionsschritte i.d.R. mit Punkten bewertet und zu einer Kennzahl verdichtet. Im Gegensatz zu Regelkatalogen, deren Einsatz u.U. zu widersprüchlichen Bewertungen von Entwurfsalternativen führen kann, erhält der Konstrukteur bei diesen Methoden eine eindeutige Beurteilung. Einige dieser Verfahren gewinnen dadurch zusätzliche Aussagekraft, dass sie nicht auf einem allgemeinen Modell eines abstrakten Produktionsprozesses basieren, sondern auf spezielle Produktionssystemtypen zugeschnitten sind. So sind bspw. für die Analyse der Montagegerechtheit (Design for Assembly) unterschiedliche, inzwischen weit verbreitete Bewertungsmethoden speziell für die manuelle Montage, Robotermontage und Montage mit Einzweckautomaten entwickelt worden. Bei diesen Verfahren werden die Montagezeiten approximiert und mit Lohn- und Maschinenkostensätzen bewertet (vgl. Boothroyd, G./Dewhurst, P./Knight, W. 1994). Über die Betrachtung der Produktionsprozesse (Design for Manufacturing) hinaus sieht das Konzept des „ Design for Life Cycle “ vor, zusätzlich die Eignung eines Produktentwurfes im Hinblick auf ausgewählte Funktionen, wie z.B. Wartung, Reparatur und Recycling, über die gesamte Lebensdauer des Produktes zu bewerten.
Zu den simultanen Ansätzen sind die Werkzeuge „ Failure Modes and Effects Analysis (FMEA) “ und „ Quality Function Deployment (QFD) “ zu zählen, die dem Qualitätsmanagement entstammen. Mit der FMEA werden auf systematische Weise potenzielle Fehler in der Funktion eines Produktes auf den Entwurf (Konstruktions-FMEA) und die Produktion (Prozess-FMEA) zurückgeführt. Anhand von Risikokennzahlen kann eine Änderung des Produktentwurfs gegenüber einer Umgestaltung des Prozesses abgewogen werden. Im Mittelpunkt der QFD steht die Umsetzung komplexer, nicht-technischer Kundenanforderungen in konkrete, technische Anforderungen an Produkt und Prozess. Hierzu integriert QFD in einem strukturierten Vorgehensmodell die systematische Anwendung von Instrumenten, wie FMEA und standardisierten Bewertungstableaus (z.B. des sog. „ House of Quality “ ).
III. Betriebswirtschaftliche Auswirkungen des Simultaneous Engineering
Über die Verkürzung der Entwicklungszeit und die Verbesserung der Produktqualität hinaus soll die Integration von Produktentwicklung und Prozessgestaltung als wohl wichtigstes Prinzip des Simultaneous Engineering dazu beitragen, die während der gesamten Lebensdauer eines Produktes entstehenden Kosten zu reduzieren. In den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses werden zwar vergleichsweise geringe Kosten verursacht, aber die später entstehenden Kosten weitgehend bestimmt. So zeigen Industrieerfahrungen (vgl. Eversheim, K. 1999, S. 7 ff.), dass bei Abschluss der Konzeptphase eines Entwicklungsprojektes bereits ca. 90 % der funktionalen Eigenschaften eines Produktes, ca. 80 % des Zeitbedarfs des Projektes, ca. 70 % der Qualität und ca. 60 % der Herstellkosten des Produktes festgelegt sind. Trotz ihrer Pauschalität unterstreichen derartige Aussagen die Bedeutung einer langfristigen, den gesamten Lebenszyklus eines Produktes umfassenden Kostenplanung sowie einer begleitenden Kostenprognose. Grundlage hierfür bilden der detaillierte Entwurf der einzelnen Systemelemente sowie die Auslegung der zugehörigen Produktionsprozesse. Die wesentlichen Entscheidungen der Produkt- und Prozessgestaltung schlagen sich in Gemeinkosten nieder (z.B. Kosten für Betriebsmittel und Werkzeuge, Qualitätssicherung, Vertriebsunterstützung), die bei moderner, hoch automatisierter Produktion den überwiegenden Anteil der Stückkosten ausmachen.
Entscheidungen darüber, welche qualitativen Eigenschaften ein neu einzuführendes Produkt aufweisen soll, unterliegen nicht zuletzt wettbewerbsstrategischen Überlegungen. Die Herstellkosten des Produktes, die maßgeblich durch seine qualitative Ausgestaltung bestimmt werden, stellen somit eine Zielgröße im Rahmen der produktlebensdauerbezogenen Kostenplanung dar. Entsprechende Zielkosten können sowohl für bestimmte Produktfunktionen (z.B. automatisierte Bedienung) als auch für Systemkomponenten und Baugruppen ermittelt werden. Der marktorientierten Bewertung von Produkten dient auch die Wertanalyse, deren Hauptaufgabe darin besteht, durch Verzicht auf überflüssige bzw. nicht den Kundenbedürfnissen entsprechende Produktfunktionen die Entstehung unnötiger Kosten zu vermeiden. Hierdurch wird ein wesentliches Anliegen des Simultaneous Engineering unterstützt, Produkt- und Prozessgestaltung nicht allein am technisch Machbaren, sondern am Markterfolg der Unternehmung zu orientieren.
Literatur:
Boothroyd, Geoffrey/Dewhurst, Peter/Knight, Winston : Product Design for Manufacture and Assembly, New York et al. 1994
Clark, Kim B./Wheelwright, Steven C. : Managing New Product and Process Development: Text and Cases, New York et al. 1993
Ehrlenspiel, Klaus : Integrierte Produktentwicklung, München et al. 1995
Eversheim, Walter : Integrierte Produkt- und Prozeßgestaltung, in: Produktmanagement, hrsg. v. Eversheim, Walter/Schuh, Günther, Berlin et al. 1999, S. 7 – 124 – 7 – 149
Eversheim, Walter/Bochtler, Wolfgang/Laufenberg, Ludger : Simultaneous Engineering, Berlin et al. 1995
Klocke, Fritz/Fallböhmer, Markus/Trommer, Gunnar : Simultaneous Engineering durch konstruktionsbegleitende Fertigungsplanung, in: ProduktDatenManagement, Jg. 1, H. 2/2000, S. 16 – 22
Mendelsohn, Haim/Pillai, Ravindran R. : Industry Clockspeed: Measurement and Operational Implications, in: Manufacturing & Service Operations Management, Jg. 1, H. 1/1999, S. 1 – 20
SAP, : White Paper: Integriertes Produkt- und Prozess-Enineering mit mySAP.com – Für Discrete Industries, Walldorf 2000
Schöttner, Josef : Produktdatenmanagement, in: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, Jg. 95, H. 10/2000, S. 463 – 466
Singh, Nanua : Systems Approach to Computer-Integrated Design and Manufacturing, New York et al. 1996
Spur, Günter/Krause, Frank-Lothar : Das virtuelle Produkt, München, Wien 1997
Tizzard, Andrew : Computer Aided Engineering, London et al. 1994
Ulrich, Karl T./Eppinger, Steven D. : Product Design and Development, New York et al. 1995
Vernadat, Francois : Standards and Prenorms in Design, Manufacturing and Automation, in: Handbook of Design, Manufacturing and Automation, hrsg. v. Dorf, Richard C./Kusiak, Andrew, New York et al. 1994, S. 993 – 1019
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