Produktinnovation: Strategische planung und entwicklung der produkte von morgen
... Wenn man die Entwicklungsgeschwindigkeit des Marktes verfolgt, wird offensichtlich, dass das Potenzial dieser Technologie noch lange nicht ausgeschöpft ist. Im Gegenteil, es ist davon auszugehen, dass die Anzahl der Anwendungen sowohl im industriellen als auch im privaten Umfeld in Zukunft signifikant steigen wird [17,25,26]. ...
... Darüber hinaus wurde in den letzten Jahren immer stärker der Mehrwert von VR-Anwendungen im Prozess der virtuellen Produktentwick-lung erkannt. Diese haben das Potenzial, ein wertvolles Werkzeug hinsichtlich der Effektivität und Effizienz darzustellen [16,25,26]. Die virtuelle Realität bietet dem Anwender durch multimodale Echtzeitinteraktion die Möglichkeit, bei der Analyse komplexer Daten schneller zu einem Erkenntnisgewinn zu gelangen [9,18,27]. ...
... Einfluss des KraftanregungsmodellsAbbildung A.26: Bewertung der Maschinengeräusche basierend auf der erweiterten (Signal 1) und der bisher üblichen (Signal 2) Modellierung der Kraftanregung Virtual Reality-Anwendungen haben das Potenzial, den virtuellen Produktentwicklungsprozess signifikant zu verkürzen. Da der Fokus industrieller Anwendungen bislang auf der visuellen Wahrnehmung liegt, wird die akustische Erweiterung zu einer audiovisuellen virtuellen Szene untersucht. ...
Virtual Reality-Anwendungen haben das Potenzial, den virtuellen Produktentwicklungsprozess signifikant zu verkürzen. Da der Fokus industrieller Anwendungen bislang auf der visuellen Wahrnehmung liegt, wird die akustische Erweiterung zu einer audiovisuellen virtuellen Szene untersucht. In der virtuellen Produktentwicklung wird auf die Vermessung physischer Prototypen weitestgehend verzichtet. Dadurch ergibt sich für die Auralisierung eines Maschinengeräuschs ein gewisses Spannungsfeld. Einerseits muss die akustische Wiedergabe als räumlich aufgelöst, richtungsgerecht, interaktiv und realistisch wahrgenommen werden, was aufwendige vibroakustische Simulationen erfordert. Andererseits ist der gewünschte Ansatz nur dann praxisrelevant, wenn er effizient ist und die numerischen Kosten gering gehalten werden. Für die Auralisierung schwingungsinduzierter Maschinengeräusche wird eine allgemeingültige Vorgehensweise entwickelt, die den genannten Anforderungen gerecht wird. Die Vorgehensweise wird auf das komplexe Industrieprodukt einer Axialkolbenpumpe angewendet und unter anderem durch Hörversuche validiert. Das Ergebnis zeigt, dass mit den heutigen Möglichkeiten der akustischen Simulationstechnik ein plausibles Maschinengeräusch erreicht werden kann.
... For the handling of recurrent working steps, the VDI 2206 includes predefined process Figure 31, predefined modules described by the guideline are system design, domain-specific design, system integration, modeling and model analysis, and assurance of properties. [Ve94] Gausemeier et al. [GEK01] gives another approach, which includes the entire product development process from the business idea to the Start of Production (SOP). According to their experience, the product development process cannot be seen as a stringent sequence of phases and milestones. ...
... The horizontal arrows in Figure 32 represents this integration. Different to the modeling and model analysis mechanical engineering electrical engineering information technology domain-specific design assurance of properties product requirements concretization phase of the product which is subdivided into the domains of a mechatronic system -Gausemeier et al. [GEK01] describe control technology as an additional independent domain -, the concretization of the production system is based on the following four aspects: (1) process planning, (2) work planning, (3) working appliance planning, and (4) production logistics. [GEK01] [GLL12] ...
... Different to the modeling and model analysis mechanical engineering electrical engineering information technology domain-specific design assurance of properties product requirements concretization phase of the product which is subdivided into the domains of a mechatronic system -Gausemeier et al. [GEK01] describe control technology as an additional independent domain -, the concretization of the production system is based on the following four aspects: (1) process planning, (2) work planning, (3) working appliance planning, and (4) production logistics. [GEK01] [GLL12] ...
The internal and external complexity of today's systems is continuously increasing. These smart cybertronic systems consist of more and more components, are subject to a higher number of variants, and the distribution of disciplines is also subject to the increasing dominance of the system software. Besides, these systems temporarily connect to other systems or devices to fulfill one or more objectives, using the rising digitalization possibilities.
To make this increasing complexity manageable and understandable for developers and end-users, the development approaches of today's systems have to change in parallel to the change of the systems themselves. Concepts and aspects from Product Lifecycle Management (PLM), Model-based Systems Engineering (MBSE) and Closed-loop Engineering (CLE) can provide positive input in this context
The thesis "A holistic Methodology for the Development of Cybertronic Systems in the Context of the Internet of Things," written by Thomas Dickopf, pursues the goal of integrating development processes, methods, and tools under intensive consideration of system usage and the possibilities of system optimization.
Current trends in digitalization, as well as well-established procedures for the development and management of products, form the basis of a two-step development approach. This approach consists of a macro-methodology (VPESystemDevelopmentMethodology) for the entire development process and a micro-methodology (VPEmecPro²methodology) which is proposed for the early phase of system analysis and conceptual system design. The whole procedure is supplemented by a loop-based improvement concept, which supports the optimization of the system under development, the system during its operational use, as well as subsequent product generations.
... Diese kann seriöserweise nicht vorhergesehen werden. Durch eine systematische und methodisch fundierte Zukunftsvorausschau können wertvolle Aussagen über die Zukunft und deren relevante Entscheidungsgrößen (Kundenbedürfnisse, Unternehmensentwicklungen, etc.) getroffen werden [GEK01], [GP14]. Mit zunehmendem, strategischen Zeithorizont steigt jedoch auch die Wahrscheinlichkeit für fehlerhafte Annahmen. ...
... Ziel der Anwendung von Vorausschau ist die systematische Betrachtung möglicher Zukunftsentwicklungen, um zum Beispiel Folgerungen für die strategische Ausrichtung von Organisationen zu treffen [Mic05]. Dies geschieht meist in ganzheitlichen Ansätzen, die eine Synthese aus Zukunft und Strategie realisieren [FS11], [GEK01]. Durch systematische Auseinandersetzung mit der Zukunft und der Anwendung dieser Ansätze kann Zukunftswissen aufgebaut und flexibel auf eintretende Ereignisse reagiert werden. ...
... Das macht eine vollumfassende Betrachtung der Zukunft notwendig. Durch die Anwendung der Szenario-Technik in der strategischen Unternehmensausrichtung [GP14], [GEK01] werden Visionen, Leitbilder und künftige Kernkompetenzen geprägt. Besondere Merkmale der Szenario-Technik sind Zukunftsoffenheit und vernetztes Denken [GP14]. ...
Produktentwicklung unterliegt immer einer technologischen und marktbedingten Unsicherheit. Es müssen Produktgenerationen geplant, und dabei Entscheidungen unter Unsicherheit getroffen werden. Ziel dieses Beitrags ist die Zusammenhänge von PGE-Produktgenerationsentwicklung und der Zukunftsvorausschau darzustellen. Dadurch wird ein Verständnis geschaffen, wie PGE-Produktgenerationsentwicklung und Zukunftsvoraussc ha u interagieren müssen, um Ableitungen zum Umgang mit Entwicklungschancen und-risiken sowie der Priorisierung von Entwicklungsumfängen zu ermöglichen. Zunächst wird ein Initial Reference Model (IRM) mithilfe einer tiefgehenden Literaturrecherche, zweier Umfragen sowie Experteninterviews erarbeitet. Anschließend wird ein Anforderungsprofil für einen Ansatz einer Produktgenerationsentwicklung abgeleitet, die mehrere gleichzeitig sich in der Bearbeitung befindende Produktgenerationen desselben Produkts, berücksichtigt. Weiterhin werden die Erkenntnisse explorativ in einer ersten Feldstudie in eine durchgängige Vorgehensweise überführt. Die Anwendung zeigt deutlich, welche Potentiale in der PGE zu heben sind, um Variationen zukunftsrobust über die kommenden Produktgenerationen zu planen sowie die relevanten kundenerlebbaren Eigenschaften, Funktionen und Teilsysteme zu identifizieren und zu variieren. Insgesamt wird damit ein bewusster Umgang mit Entwicklungsrisiken über verschiedene Zeithorizonte ermöglicht. Schlüsselworte PGE-Produktgenerationsentwicklung, Abstract Product generations must be planned and decisions made with uncertainty. The aim of this paper is to present the interrelationships between PGE-Product Generation Engineering and foresight. This provides an understanding of how PGE and foresight must interact in order to allow derivations for dealing with development opportunities and risks as well as the prioritisation of the development scope. First, an initial reference model (IRM) is developed with the help of deep literature research, two surveys and expert interviews. Subsequently, a requirements profile is derived for an approach that takes several product generations of the same product that are being processed simultaneously into account. Furthermore, the findings are exploratively transferred into a consistent approach in a first field study. An initial application clearly shows the potential to be exploited in the PGE in order to plan future-proof variations over the coming product generations and to identify and vary the relevant characteristics, functions and subsystems that can be experienced by customers. The first application clearly shows which potentials can be exploited in the cross-generational PGE. Overall, this makes it possible to deal consciously with development risks over various time horizons.
... The digital twin of the product is located on the lowest level of the layer model (cf. Figure 1). The aim of digital product twin is to capture all the information about a product over its entire life cycle [15]. ...
... Nevertheless, there are the first approaches which use digital building twins in the factory [16]- [18]. Based on the definition of a digital product twin from Gausemeier [15], the digital building twin can be derived from this. The digital building twin is structured analogously (cf. Figure 2). ...
Factory planning has the task of designing products, plants, processes and the building of a factory. The requirements to the factory planning and the building concerned have changed in the last years. Regular restructuring gains more importance in order to maintain the competitiveness of a factory. Restrictions regarding new areas, shorter life cycles of product and production technology as well as a VUCA (Volatility, Uncertainty, Complexity & Ambiguity) world cause more frequently occurring restructuring measures within a factory. The interfaces between factory planning and building planning are crucial in conversion processes to optimally meet the new requirements of a factory building and to react to short-term adjustments. Because of the high adaptation rate of factories described above, a methodology for restructuring factory buildings based on an up-to-date digital factory model is conceived and designed for practical application in factory restructuring projects. The emphasis is on decision making in building conversion processes of factory buildings. The aim is to shorten the decision-making process on the construction site. This requires the application of a methodology that reduces the deficits of the existing approaches. Finally, it will be shown how to best use the digital factory model in practice. It is about designing a mobile application to meet the needs of factory planners on site. An Augmented Reality (AR) application is designed and created with focus to the UI to provide decision support for planning variants. The time and cost expenditure are represented in the AR tablet solution based on a Building Information Model (BIM).
... Customers' continuous demands for more individual and complex products with a high degree of integration that are made in ever shorter cycles (Vietor & Stechert, 2013) challenge companies regarding their product development. These challenges are particularly relevant in the product development of mechatronic products and will lead to changes in the collaboration of the involved disciplines (Gausemeier, Ebbesmeyer, & Kallmeyer, 2001). Connected services and cognitive elements form the basis for autonomous and intelligent products (Lindemann, 2016). ...
... Ehrlenspiel discusses the influence of technologies on interdisciplinary product development and emphasises the opportunity to overcome data inconsistency between disciplines (Ehrlenspiel, 2009). In addition to that, Gausemeier et al. note that intelligent systems will influence the overall behaviour of general systems in terms of communication and cooperation (Gausemeier et al., 2001). Leimeister contributes a classification of technologies that are used for collaboration in general but does not focus on the specifics of product development (Leimeister, 2014). ...
Technological changes in the context of Industry 4.0 affect industrial processes on a large scale. Whereas Industry 4.0 has become a common topic in production-oriented research areas, the influence on product development has not been thoroughly analysed yet. The progressing digitisation in industrial and everyday life causes an increase of networking and of data exchange. Newly developed abilities of collection, exchange, storage and analysis of mass data open up new possibilities and lead to harsher settings in international competition at the same time. Globalisation and technological progress like the miniaturisation of hardware and software components result in more complex products. These events caused a shift from mechanical to electrical and software engineering as the main focus regarding the involved disciplines in product development. This is considered as an ongoing trend because products are continuously getting smarter and more autonomous. However, the systems and technologies currently being used for an interdisciplinary and parallel product development do not match up to the resulting challenges. New technologies from Industry 4.0 are expected to meet these challenges. They operate as support systems and foster product development by enhancing data exchange and consistency.
... However, recent approaches of product generation engineering require a higher adjustment to map different product generations within the model. Moreover, the work of GAUSEMEIER et al. [4] shows the necessity of the integration of strategic product planning into product development. Therefore, strategy should be considered in a holistic product development model. ...
... In the research group around LINDEMANN the Munich Procedural Model was developed which supports the flexibility of actions and aims a pragmatic use [16]. GAUSEMEIER and his group also investigate the process of the product origin in the three-cycle model [4]. It illustrates the aspects of product planning, product development and production system development in interdependent cycles. ...
Divergent customer requirements demand a product portfolio, which needs to be strategically coordinated. Furthermore, products are developed in generations. Thus, a coordination of the different generations is needed. For a successful support, process models can be used. The integrated-Product-engineering-Model (iPeM) is an integrated approach, which aims to fill in the gap between process management and engineering design. Building on an empirical study of the use of the iPeM in the last 10 years, the iPeM has been modified. This includes an adaption of the activities and an extension from the second to the third dimension. There are four different layers added: product generations, strategy as well as production- and validation system. The adapted model allows inductively refining the theory and deductively creating of boundary conditions for the research on product development.
... Scenarios communicate complex concepts, aiding in stakeholder alignment by highlighting necessary capabilities, stakeholders, and conditions to achieve objectives [29]. They are crucial in early development to formalize requirements and assess potential boundaries [68,69], and they aid in hazard and risk assessments by outlining expected behavior [30,70]. Effective scenarios are useful, detailing specific if-then questions; coherent, maintaining consistency and completeness; and simple, omitting unnecessary details [67]. ...
Product Service Systems (PSS) integrate technical systems, digital infrastructure, and digital and physical services to deliver value to customers in a comprehensive way throughout the life cycle of the PSS. While the potential benefits of PSSs, such as economic efficiency and sustainability, are well-recognized, their implementation and evaluation are often hindered by significant complexities and uncertainties, particularly in the early concept phase. This paper introduces a graph-based reasoning approach that enables the evaluation of PSS concepts despite vague and uncertain understanding. By defining key characteristics in the value creation process qualitatively in distinct and probabilistic states, the graph model makes the concept executable and allows for transparent evaluation. The approach actively considers knowledge gaps and variations in the PSS concept, offering insight into how uncertainties and alternative configurations impact system performance. A case study of a PSS for metal powder recycling in additive manufacturing is conducted to validate the method, demonstrating its applicability for PSS concept evaluation.
... Process models common in product engineering are presented and compared in Figure 3 based on (Wynn and Clarkson, 2018). Prominent representatives of these models are the reference model of strategic planning and integrative development of market services (Gausemeier et al., 2019) based on the three-cycle model of product creation (Figure 3, 1) (Gausemeier et al., 2001), or the munich ...
Product engineering in general and advanced systems engineering in specific are highly complex and unique processes that strive to deliver innovations – successful new products. To reduce risk and time, product engineers refer to existing (socio-)technical systems or subsystems. These references are part of the reference system. A great variety of elements can be used as reference system elements in engineering projects, but the different types of reference system elements and their roles are not yet characterized. However, this is a necessary prerequisite to model and conduct product generation engineering effectively. Here, we show how reference system elements can be categorized into three types that differ regarding their intended application in the actual engineering project. Therefore, we introduce three subsystems: reference system of objectives, reference operation system, and reference system of objects. Furthermore, we provide definitions for all subsystems to specify the allocation. We believe these results will form the basis for a continuous description and continuous engineering of consecutive and parallel product generations based on model-based systems engineering. Furthermore, the results will be the starting point for the development of design supports to assist engineers in designing their specific reference systems and to make the reference system part of efficient engineering processes.
... Combined methods include both intuitive and discursive elements, trying to achieve change of perspective (Glück, 2022). The TRIZ-Box method represents a combined method as it follows a structured approach and systematically supports the steps of concretising the abstract solution principle to a specific technical solution (Albers et al., 2009) but takes intuitive thinking more into account than traditional discursive methods like SCAMPER (Gausemeier et al., 2001). Another example for a combined method is DeBono's six thinking hats because in comparison to brainstorming for example, the six hats method is more structured but within one thinking pattern, ideas flow freely, similar to Brainstorming. ...
Companies cannot overcome the increasing complexity of nowadays cyber-physical systems alone. Thus, the industry uses academic research as an important source for gaining new knowledge and technologies. However, a successful exchange is fraught with barriers, so it is important to understand the success factors and barriers. This paper presents a model explaining the most relevant success factors and barriers to industry-academia collaborations and their relations. Based on a systematic literature review, an interview study, an online survey, and focus groups, we identified 22 relevant success factors and 22 barriers. We clustered these success factors and barriers into five categories: communication & feedback, information & (technical) support, motivation & commitment, people & team, and structure & organization. We believe that our model will help improve industry-academia collaboration’s success by raising awareness of the barriers and offering success factors as setting levers. Furthermore, our model can serve as the basis for further research of methods for and to support industry-academia collaboration. Therefore, we intend to develop a methodology for challenge-driven industry-academia collaboration.
... Combined methods include both intuitive and discursive elements, trying to achieve change of perspective (Glück, 2022). The TRIZ-Box method represents a combined method as it follows a structured approach and systematically supports the steps of concretising the abstract solution principle to a specific technical solution (Albers et al., 2009) but takes intuitive thinking more into account than traditional discursive methods like SCAMPER (Gausemeier et al., 2001). Another example for a combined method is DeBono's six thinking hats because in comparison to brainstorming for example, the six hats method is more structured but within one thinking pattern, ideas flow freely, similar to Brainstorming. ...
Creativity has been identified as a critical activity in distributed product development. Various methods and tools support distributed product development and distributed teams in general, but none with a focus on creative problem solving. To tackle this challenge, a systematic literature review has been conducted to gather the influencing factors on distributed creativity to be used as a starting point for supporting creativity in distributed product development teams. Within this submission, an impact model is developed, focusing on the success factors of creativity. Furthermore, the interconnection between the factors is modelled. Barriers to creative problem solving are included as well but will be the focus of a following publication.
... There are many other models which are similar to Vester's sensitivity method (Vester and Hesler, 1982). The analysis of several scenarios by Gausemeier et al. (2001) is based on an impact matrix with the same structure as Vester's impact matrix. The cross-impact approach (Gordon and Hayward, 1968) utilizes a transfer matrix describing the pairwise probability of the occurrence of an event dependent on another event. ...
The relationship between drivers and outcomes in technological and social systems is usually difficult to interpret. Pairwise direct impacts between variables can be defined by cross-impact matrices. In research, direct impact matrices' row and column sums are primarily utilized to identify critical, influential, dependent, neuter, and inert variables. In this paper, all existing direct and indirect impact paths between variables are considered,
with the aims of finding conditions under which the rank order remains stable (i.e., stable equilibrium state exists) and showing the difference between direct impact matrix and stable state matrix. It is shown numerically that the rank order and thus the categorization of variables can change significantly. A stable state does not always exist, but more direct impacts between variables reduce the risk of instability. The proposed method can support management in strategic planning and decision-making: Management should strive for a stable state that serves to determine the rank order on which informed decisions are based. Caution should be exercised when no stable state exists because the variables cannot be categorized, making the system uncontrollable. Management is
advised to incorporate additional impact paths between variables into the system—assuming they were incomplete—which ideally establish a stable state.
... Thereby, product developers shall be assisted in reaching their development goals. Well established approaches such as the 3-cycle model of product creation [5], the VDI 2221 ]6] or the V model of the standard VDI 2206 [7] pursue these goals on different levels of formalisation and detail. ...
Product engineering is a highly knowledge intensive process, where knowledge is required as input for various decisions and product engineering activities and is created and gathered during engineering activities such as validation. Thereby, the efficient management of this knowledge can be a strong competitive advantage and is essential for product development in short time and high quality. Methods to gather, transfer and work with and organize the right knowledge in the right moment can increase the efficient management of knowledge. However, to enable this, it is necessary to analyze the knowledge types required in specific product engineering activities. Therefore, in a Systematic Literature Review, the respective literature was analyzed, summarize and clustered in 7 categories of knowledge relevant for product engineering. Furthermore, the allocation of the identified knowledge types to product engineering activities was explored.
... In doing so, she divides systems engineering into a thinking model and a procedural concept, whereby these components must fulfill certain minimum requirements in order to enable effective and targeted problem solving. There are many different approaches (Erixon, 1998;Pimmler and Eppinger, 1994;Gausemeier et al., 2001) to supported product creation and the development of modular products. For the study conducted here, both the Integrated Product engineering Model according to Albers (2016b) and the Integrated PKT Approach according to Krause (2014) were chosen. ...
This paper considers the orientation of product development structures towards interdisciplinary system architectures using the example of a tool machine manufacturer. Due to the change from simple mechanical products to extensively designed systems, whose successful development requires the integration of all disciplines involved, it is analyzed which requirements there are for these interdisciplinary system architectures in today's development environment. In addition, it is validated on the basis of the investigation environment that interdisciplinary system structures are necessary for the development on the different levels of the system view. In doing so, the investigation environment addresses the concept of extracting customer-relevant features (systems) from a physical-tailored modular system (supersystem) in order to develop and test them autonomously, as well as to transfer them to the entire product range in a standardized manner. The elaboration identifies basic requirements for the development of a knowledge base in interdisciplinary system structures and places them into the context of an agile modular kit development.
... In order to¯nd a solution for those problems, solutions outside the company must be sought through a cross-industry search. Furthermore, if there is no obvious problem, there are a number methods, such as quality function deployment, to identify a problem in the company [Gausemeier et al. (2001)]. To ensure that a cross-industry search is the right approach, it is helpful to determine the multilayeredness of the problem and the potential of future use. ...
Cross-industry innovation (CII) aims to reuse existing solutions by leveraging the innovative power of partners’ knowledge from another industry. CII is a key concept for identifying and adapting potential (disruptive) innovations and technologies and gains importance in recent years. To enable CII in companies, we examine the topic holistically. First, we summarize the existing literature, including frameworks of CII. Second, we conduct expert interviews in order to consider also the practical perspective. We then consolidate the results into a framework with a structured procedure and detailed methods, which can be used by companies. Our contribution has several implications for practice and research. For practice, we derive five recommendations for actions for companies that already use or plan to use CII. For the scientific community, we summarize the state of research on CII and present our framework, which can serve as a starting point for further research.
... Dies kann entweder durch die Weiterentwicklung bestehender oder die Entwicklung einer neuen Spezifikationstechnik für KI-Anwendungen geschehen. Um ein umfassendes Verständnis trivialer und komplexer Sachverhalte auch ohne große Einarbeitungszeit zu gewährleisten, ist eine semiformale Spezifikationstechnik anzustreben (Schneider 2018;Gausemeier et al. 2001;Chouikha et al. 1998 ...
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Wie können wir die digitale Transformation in der Wirtschaft bewältigen und dabei die Souveränität von allen Beteiligten fördern? Dieser Frage widmet sich der Band des Instituts für Innovation und Technik (iit) zum gleichnamigen Symposium mit dem Titel „Digitalisierung souverän gestalten – Innovationen im Maschinenbau“. Er enthält elf Beiträge von Expert:innen verschiedenster Disziplinen. Betrachtet werden darin Herausforderungen und Lösungsansätze für Unternehmen und ihre Beschäftigten, aber auch
politische Akteure und Intermediäre wie etwa Verbände.
Zu den Themen gehören beispielsweise Kompetenzen für digitalisierte Arbeitsplätze, maschinelles Lernen zur Programmierung von Werkzeugmaschinen, künstliche Intelligenz in der Produktentstehung, aber auch plattformbasierte Dienstleistungen oder Geschäftsmodelle im Werkzeugmaschinenbau. Darüber hinaus werden übergreifende juristische Fragen ebenso aufgegriffen wie Implikationen für den Standort Deutschland.
... Dies kann entweder durch die Weiterentwicklung bestehender oder die Entwicklung einer neuen Spezifikationstechnik für KI-Anwendungen geschehen. Um ein umfassendes Verständnis trivialer und komplexer Sachverhalte auch ohne große Einarbeitungszeit zu gewährleisten, ist eine semiformale Spezifikationstechnik anzustreben (Schneider 2018;Gausemeier et al. 2001;Chouikha et al. 1998 ...
Zusammenfassung
Der Megatrend Digitalisierung durchdringt alle Bereiche des täglichen Lebens von Unternehmen und Individuen. Insbesondere das produzierende Gewerbe befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. Die Digitalisierung löst als Schlüsseltreiber der Innovationen des 21. Jahrhunderts grundlegende Veränderungen in der Produktentstehung aus. Auf der einen Seite bieten sich zahlreiche Erfolg versprechende Möglichkeiten durch den Einsatz neuer Technologien, eingebetteter Systeme und neuer Ansätze in der Datenverarbeitung. Auf der anderen Seite steigt dadurch aber auch die Komplexität der intelligenten, technischen Systeme. Immer kürzer werdende Entwicklungszyklen, immer größere Datenmengen sowie die steigende Komplexität der neuen Marktleistungen stellen Unternehmen vor große Herausforderungen. Die Entwicklung, Implementierung und Nutzung von Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) eröffnet Unternehmen die Möglichkeit, nicht nur diese Herausforderungen zu meistern, sondern auch vielfältige Nutzenpotenziale in der Produktentstehung zu erschließen. Dies ist Gegenstand des vorliegenden Beitrags. Zunächst wird daher das Spannungsfeld aus KI und Produktentstehung analysiert. Überdies werden die mit der Einführung, Entwicklung und Nutzung von KI-Anwendungen verbundenen Potenziale und Herausforderungen gezeigt. Abschließend werden auf dieser Basis Forschungsfelder für KI in der strategischen Produktplanung abgeleitet. Aspekte der digitalen Souveränität und verwandte Themen – wie Erklärbarkeit der KI-Anwendungen und Verfügbarkeit interner Kompetenzen – spielen eine zentrale Rolle, wenn es darum geht, Potenziale der KI für die strategische Produktplanung zu nutzen.
... The three-cycle model was the most influential input for this work. It was conceived by the Heinz-Nixdorf-Institute (HNI) in Paderborn under the direction Professor Jürgen Gausemeier in cooperation with Christoph Plass and publicized in (Gausemeier, Ebbesmeyer, & Kallmeyer, 2001) and more recently in (Gausemeier & Plass, 2014) or online in (Heinz-Nixdorf-Institut, 2017). ...
The origin of this research was the failed attempt or rather the impossi-bility of creating a working and effective information system to support the processes of Strategic Product Planning, based on existing process descriptions for that domain. This work explores the origins of the according problems. As is discovered, the problems do not originate in error containing models or simple programming failures. Rather, as is explored, the origin of the encountered problems lies in fundamental principles of the employed description concepts for processes. It is examined why those ‘classical’ description concepts, in theory, may be usable to model the complex circumstances of Strategic Product Plan-ning, yet, as can be seen in the originally referenced models, do reach certain, not-directly evident, limits rather quickly when actually em-ployed. As an alternative to classical approaches, the paradigm of Sub-ject-Orientation is analyzed and applied to existing models in order to create a comparative study. As a result and on that basis, a new, formal and thereby digitally executable, subject-oriented, referential process model for Strategic Product Planning is developed and examined. Ac-cording to the derived requirements, this new model is a superior foun-dation for companies or organizations to develop and implement the execution of according strategic product planning processes.
Download:
https://www.ksp.kit.edu/site/books/m/10.5445/KSP/1000097859/
... They also allow the planning, controlling and management of projects. [5] Well-known models are the V-model for the methodical support of cross-domain development for mechatronic systems [6], the VDI 2221 for the development of technical products and systems [7] or the 3-cycle model [8], which subdivides the product development process into the three overlapping and interacting phases of strategic product planning, product development and process development. ...
The model of PGE – Product Generation Engineering describes the development of new technical products as follows: subsystems from one or more existing technical systems are the basis and starting point for every development. This is referred to as the “reference system”. It determines the structure and subsystems of a new product or serves as a basis for new development activities, respectively. Considering the role of the reference system, a new technical product is a new product generation. The development of each of its subsystems is one of three types of variation: carry over variation, embodiment variation and principle variation. The latter two are the share of new development.
The iPeM – integrated Product engineering Model describes the development as a combination of activities, e.g. “detect ideas”, “verify and validate” or “built up prototype”. This contribution investigates the relation between the three types of variation and the activities of product engineering, by answering the following research questions:
•Which activities of product engineering are necessary to implement the different variations in PGE?
•Which factors influence this relationship between activities of product engineering and variations in PGE?
Answers to these questions build up on interviews with eleven experts from development practice and two cases by authors of this contribution. The results show that the implementation of each variation in PGE includes several different activities of product engineering. Furthermore, this set of activities depends on the type of variation. Taking into account additional observations the idea of variations as company specific activity patterns is developed: each type of variation in PGE is related to a set of activities of product engineering where the characteristics of these relations depend on company-specific factors but can be similar across several development projects of this company. Hence, using those activity patterns process planning, including innovative potential, cost and risk estimation, is possible.
... Die Abstraktion, Verhal tensextraktion und Strukturextraktion zählen zu den überprüfenden Entwicklungstätig keiten. Eine vertiefende Darstellung dieser Aufgaben und das konkrete Vorgehen bei einer Entwicklung nach dem Y-Modell ist in der Literatur [21] [56] [71] ausführlich be schrieben, weswegen an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird. ...
Einsetzgerechte elektronische Baugruppen zeichnen sich durch eine optimal auf die Anforderungen und die Betriebsbedingungen angepasste Entwicklung, Fertigung und zugehörige Qualitätssicherung aus. Von entscheidender Bedeutung sind dabei eine hohe Flexibilität der Werkzeuge und Systeme, um ein möglichst breites Spektrum an Werkstoffen, Bauelementen sowie Aufbau- und Verbindungstechniken abzudecken. Neben einer auf die jeweilige Aufgabenstellung anpassbaren Vorgehensweise für die Entwicklung wird eine Linienkonfiguration für flexible Schaltungsträger vorgestellt, die sich sowohl für die Verarbeitung von Low-Cost- als auch für Hochleistungsmaterialien eignet. Als weiteres Beispiel wird aufgezeigt, wie sich mit direkt lötbaren Leitpastensystemen eine auf die Anwendung zugeschnittene, kostengünstige und umweltfreundliche Strukturierung von Basismaterialien realisieren lässt. Die abschließend dargestellte Systemtechnik für das Durchstrahlungsröntgen von Area-Array-Bauelementen erweitert die Anwendbarkeit dieses Prüfverfahrens, da nicht die Selektion fehlerhafter Baugruppen sondern eine aktive Einflussnahme auf die Prozesse im Vordergrund steht.
... At the end of the product development process there is the elaboration phase. [15] The understanding of the product development process within this paper is based on VDI 2221 and the main process phases of the development and design process according to PAHL AND BEITZ [16,17]. ...
Product-service systems (PSS) in machinery and plant engineering offer various convincing value propositions such as increased productivity and customization for industrial customers combined with environmental benefits for the overall system. Sustainability is promoted by a reduction of emissions and material use through services like recycling, refurbishment and retrofitting as well as a shared ownership or use model. In order to implement PSS, Original Equipment Manufacturers (OEM) are required to focus on several key activities with Life Cycle Engineering as one of the most important aspects. Based on the results of an in-depth literature analysis, it is possible to generically describe new service-related business models for companies in the field of machinery and plant engineering that result from offering PSS. This paper investigates dependencies and effects of these business models on the product development process by analyzing constitutive features of the business model and determining their consequences for the product development process. A domain mapping matrix is used as a method to detect influences of different business model aspects on the product development process. Research findings highlight the importance of a close integration of product and service development processes. The development of services has to be systemized. Companies need to develop a networking architecture to link their PSS components and analyze usage data. User integration into the development process is necessary in order to ensure a comprehensive fulfillment of customers’ needs. The share of IT professionals has to be raised as well as interdisciplinary work and service mentality. Networks and partnerships with various stakeholders are possible approaches to face challenges resulting from an increased system complexity.
... In the research group around Lindemann, the Munich Procedural Model (Figure 2(2)) was developed, which supports the flexibility of actions and aims for a pragmatic use (Lindemann 2014). Gausemeier and his group investigated the process of the product origin in the so-called three-cycle model (Figure 2(3)) (Gausemeier, Ebbesmeyer & Kallmeyer 2001). The aspects of the product planning, the product development and the production system development are illustrated here in interdependent cycles. ...
Most products are developed in generations. This needs to be considered with regard to development methods and processes to make existing knowledge available to achieve increased efficiency. To realize this, the approach of PGE – product generation engineering – is formulated. Product generation engineering is understood as the development of products based on reference products (precursor or competitor products). The subsystems are either adapted to the new product generation by means of carryover or they are newly developed based on shape variation or principle variation. Validation is considered as the central activity in the product engineering process and is a major challenge, especially for complex mechatronic systems. Therefore, it is important to understand validation as an ongoing activity during product development. The pull principle of validation describes the definition and development of validation activities, including models and validation environments based on specific validation objectives. In order to have effectiveness within validation of subsystems, it is necessary to map the interactions with the overall system, namely the super-system. The relevant subsystems can be connected under consideration of functional and energetic aspects by means of virtual, physical or mixed virtual–physical modeling applied by the holistic IPEK-X-in-the-Loop approach within the integrated Product engineering Model (iPeM).
Graphene and tannic acid were modified by magnetic agitation and ultrasonic dispersion. Modified graphene compounding with ammonium polyphosphate (APP) is prepared an expanded flame retardant system (AGT), which AGT was selected as the main flame retardant and sepiolite (SEP) as co-flame retardant in this work. Five modifiers including tannic acid (TA), oleic acid (YS), oleic acid amide (YSXA), thaumatin (TW) and oleyl amine (YA) were introduced to make modified SEP (SEP@M and M represents respectively TA, YS,YSXA,TW and YA). FTIR spectroscopy was performed on SEP modified by different modifiers at 1: 8, 1: 10, and 1: 15 ratios. The effect of modifier on the dispersion of SEP in Ethylene propylene diene (EPDM) adhesive and the optimum ratio of SEP modification were studied. Finally, the effect of the combination system on the flame retardant performance of EPDM/AGT/SEP@M composites was analyzed, and the smoke retardant mechanism of SEP coflame retardant and expansion flame retardant system in matrix materials was investigated. Experimental results showed that EPDM/AGT/SEP8@YS1 achieved a V-0 grade with an oxygen index of 44.92% compared to the blank control group. The thermal release rate of EPDM/AGT/SEP8@YS1 decreased by 49.8% and the smoke release rate and total smoke release rate decreased by 75.3% and 41.9%, respectively, compared to pure EPDM. In addition, the tensile and tear strength of EPDM/AGT/SEP8@YS1 was increased by 26.14% and 9.91%, respectively, compared to EPDM/AGT/SEP in mechanical properties.
Um nachhaltig die Wettbewerbsfähigkeit zu sichern, transformieren kleine und mittlere Unternehmen mithilfe digitaler Technologien ihre bestehenden zu flexiblen und intelligenten cyber-physischen Produktionssystemen. Diese ermöglichen eine Vernetzung der Bereiche und Bestandteile des Produktionssystems sowie der Produkte und ermöglichen dadurch eine durchgängige Aufnahme, Analyse sowie den Austausch von Daten und Informationen. Die Digitalisierung ist in kleinen und mittleren Unternehmen noch nicht weit genug fortgeschritten, da sie diesbezüglich verschiedenen Herausforderungen und Unsicherheiten gegenüberstehen. Um diese Unternehmen bei der Digitalisierung ihrer Produktionssysteme zu unterstützen, wird in der Dissertation ein Transformationskonzept zur Digitalisierung des Produktionssystems von kleinen und mittleren Unternehmen entwickelt, das schrittweise durch die Digitalisierungsvorhaben führt. Dieses Konzept ermöglicht anhand eines Referenzmodells die Festlegung einer Vision für das jeweilige Produktionssystem und ermittelt dessen aktuellen Digitalisierungsgrad. Weiterhin werden digitale Technologien zur Erreichung der definierten Umsetzungsprojekte identifiziert und mithilfe von Kennzahlen zielgerichtet implementiert. Die Umsetzungsplanung sowie die Realisierung und Steuerung der Projekte werden durch Methoden und Werkzeuge des Projektmanagements unterstützt. Die Prüfung der Erreichung der Projektziele erfolgt mittels definierter Methoden und Werkzeuge und die Erreichung der Vision wird durch die erneute Anwendung des Reifegradmodells evaluiert. Das Transformationskonzept wird anhand eines weltweit agierenden mittelständischen Unternehmens im Wein- und Obstbau validiert.
Fertigungsbedingte Abweichungen sind unvermeidbar und definieren maßgeblich die Qualität eines Produkts. Das Robust Design sowie das Toleranzmanagement streben daher eine weitgehende Reduzierung der Auswirkungen von Abweichungen bzw. deren Kontrolle an. Wie umfassende Rückrufaktionen zeigen, stellt dies jedoch eine zunehmende Herausforderung dar. Experten empfehlen daher neben einer virtuellen Absicherung vor allem eine frühzeitige Berücksichtigung von Abweichungen im Produktentwicklungsprozess. Aufgrund mangelnden Wissens erfolgt dies jedoch meist erst in späten Entwicklungsphasen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher eine Vorgehensweise entwickelt, die die Produktentwicklung zur frühzeitigen Abweichungsberücksichtigung befähigt. Dieses frühzeitige konstruktionsbegleitende Toleranzmanagement ist eng mit dem Produktentwicklungsprozess verknüpft und vereint Aspekte von Qualitätsmanagement, Robust Design und Toleranzmanagement. Es sieht unter anderem die automatische Ableitung von Zielgrößen des Toleranzmanagements aus Produktanforderungen, eine strukturierte Robustheitsbewertung sowie rechnergestützte Robustheitssynthese von Konzepten und eine automatisierte Toleranzvergabe sowie –analyse von ersten CAD-Entwürfen vor. Neben einer Sensibilisierung von Produktentwickelnden schafft dies die Grundlage für eine frühzeitige Einbindung sowie die Automatisierung der Abweichungsberücksichtigung und trägt so zu kürzeren Entwicklungszeiten sowie einer verbesserten Produktqualität bei.
Resumen El emprendimiento social hace referencia a un tipo de empresa en la que su razón social es en primer lugar satisfacer necesidades de la sociedad en la que se desenvuelven. Si bien no es una típica empresa privada del sector capitalista, su lógica no encaja ni en el paradigma de las empresas públicas del sector estatal ni el de las organizaciones no gubernamentales. Abstract Social entrepreneurship refers to a type of company in which its name is first meet needs of the society in which they operate. While it is not a typical private enterprise capitalist sector, its logic does not satisfy either the paradigm of public enterprises in the state sector and the non-governmental organizations. Palabras Clave Emprendimiento Social Sostenibilidad Responsabilidad Cooperativa
Zusammenfassung
Mit der zunehmenden Bedeutung von digitalen Lösungen und innovativen Dienstleistungen geht eine signifikante Transformation des produzierenden Gewerbes einher. Die Digitalisierung führt zu intelligenten Produkten, die Daten generieren und über das Internet austauschen. Auf Basis dieser Daten können Produkthersteller gänzlich neue digitale Dienstleistungen anbieten, sogenannte Smart Services. Ihre erfolgreiche Umsetzung ist essentiell, um in der Wettbewerbsarena der Zukunft bestehen zu können. Die Gestaltung eines Smart Service-Geschäfts ist jedoch nicht trivial. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine Systematik zur Entwicklung von Smart Service-
Strategien im produzierenden Gewerbe. Die Systematik besteht aus drei Bestandteilen:
der Erste ist die Konzeption von Smart Service-Strategien im Sinne eines Referenzmodells. Sie definiert die auszugestaltenden Aspekte. Der Zweite ist das Gestaltungswissen. Es werden Normstrategien und Funktionalitäten im Kontext von Smart Services für die Strategieentwicklung bereitgestellt. Die Strategieentwicklung wird im dritten Bestandteil adressiert, einer Methode bestehend aus einem Vorgehensmodell und unterstützenden Hilfsmitteln. Das Vorgehensmodell orchestriert den Einsatz der Hilfsmittel und des Gestaltungswissens. Resultat ist eine Smart Service-Strategie, die die Vision für das Smart Service-Geschäft sowie den Weg zu deren Realisierung darstellt. Die Systematik wurde anhand eines Unternehmens des Sondermaschinenbaus erfolgreich validiert.
Summary
The increasing importance of digital solutions and innovative services is accompanied by
a significant transformation of manufacturing. Digitalization leads to intelligent products
that generate data and exchange them via the internet. Based on these data, product manufacturers can offer completely new digital services, so-called smart services. Their successful implementation is essential in order to survive in the competitive arena of the future. However, the design of a smart service-business is not trivial. The goal of this dissertation is a procedure for the development of smart service-strategies in manufacturing. It consists of three components: the first one is the conceptualization
of smart service-strategies in the sense of a reference model. It defines the aspects to be
determined during strategy development. The second component is design knowledge. It
provides standard strategies and functionalities in the context of smart services for the
development of the strategy. This is done using the third component, a method consisting
of a process model and corresponding tools. The process model orchestrates the use of
the tools and the design knowledge. The result is a smart service-strategy, which includes
the vision for the smart service-business and the way to its realization. The procedure was successfully validated by means of a company in the field of special-purpose machine construction.
In der Produktplanung werden die Rahmenbedingungen gesetzt, anhand derer sich die spätere Gestaltung des Produkts ausrichtet – je nach Geschäftsmodell des Unternehmens kann diese ganz unterschiedliche Form haben, vom technologiegetriebenen Innovationsführer im Markt über den spezialisierten Nischenanbieter bis hin zum kostenorientierten Massenproduzenten sind viele Ausprägungen denkbar. Allen gemein ist das Ziel der Produktplanung: Die für das Geschäftsmodell des Unternehmens richtigen Ideen finden, diese aus Sicht der Vermarktbarkeit und Machbarkeit bewerten und die Entwicklung und Detaillierung so aufsetzen, dass sich ein Produkt effizient entwickeln lässt. Das Geschäftsmodell schlägt sich dabei in Form der Strategie des Unternehmens und des angestrebten Produktportfolios nieder, das in der Produktplanung den Kontext aller Entscheidungen bildet.
Despite many uncertainties, industrial fields such as energy (eg, oil rigs), utilities infrastructure (eg, telecommunications), space systems, transportation systems, construction, and manufacturing make large and mostly irreversible investments in systems with potentially long life cycles. The life cycle value of such systems may be increased significantly by designing in the flexibility to make future changes. This paper presents a systematic methodology for designers to identify flexible design opportunities (FDOs) more comprehensively and earlier in the system design process. The methodology guides designers to generate flexible design concepts that can be assessed, selected, and integrated into a design during an early stage of the design process. We demonstrate and validate the FDO methodology on a case in the offshore drilling industry.
Im diesem Werk wird ein Vorgehensmodell vorgestellt, welches erlaubt in der frühen Phase der Fabrikplanung eine best mögliche Auslegung der Größen Mitarbeiter, Betriebsmittel und benötigte Fläche zu ermitteln. Das Vorgehensmodell konzentriert sich dabei auf die Auslegung der indirekten Unternehmensbereiche wie z.B. die Logisitik oder den Einkauf. Aufgrund der zunehmenden Turbulenzen auf den Märkten und der Umwelt berücksichtigt das Modell zudem die Unschärfe in den Planungsdaten. Abschließend wird das Vorgehensmodell an einem Praxisbeispiel angewendet.
Due to the ever-rising innovation pressure placed on incumbent companies in the plant and mechanical engineering sector, R&D is increasingly faced with the enormous challenge of establishing organizational architectures that allow incremental and radical innovations to be developed at the same time. This work is based on the scientific approach of ambidexterity, which describes the ability to develop both incremental and radical innovations, even though they require a contradictory organizational design.
The aim of this dissertation is to develop a design method (the AMOLD-Method = AMbidextrous OrganizationaL Design Method) for creating a suitable organizational concept for radical technology development within the R&D sector based on the principle of ambidexterity.
This aim resulted in the following sub-goals:
• The AMOLD-Method should enable a suitable organizational design based on ambidexterity to be dynamically planned for a radical technological development - from its initiation to its transfer to corporate business - according to its degree of maturity.
• The AMOLD-Method should provide consistent methodical support to identify potential for improvement, recommend a systematic selection of suitable design options and enable specific evaluation depending on the company situation.
• Based on an ambidextrous design model, the AMOLD-Method was developed to supply specific strategic and operative recommendations aligned with ambidextrous design. To achieve this, findings from research on ambidexterity and technology & innovation management were combined with each other.
• Finally, the design model should consider dependencies specific to ambidexterity. The multidimensional model was created with the purpose of serving as a reference for optimal design, identifying relations among the interdependencies and supplying recommendations to implement differentiation and integration design possibilities between technology development and corporate business.
Produzierende Unternehmen sehen sich in den vergangenen Jahren generell gezwungen, durch immer individuellere Kundenanforderungen eine steigende Anzahl an unterschiedlichen Produkten bzw. Produktvarianten anzubieten. Im Kontext der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung in der Produktion, die unter dem Begriff Industrie 4.0 propagiert wird, gewinnt das Thema Produktindividualisierung aufgrund neuer technologischer Möglichkeiten zusätzlich an Bedeutung. Bestehende Zusammenhänge werden allerdings nur unzureichend aufgezeigt, wodurch eine detaillierte Betrachtung fehlt. Ziel der Arbeit ist es, eine strukturierte Beschreibung der Anforderungen und der Umsetzungsmöglichkeiten von Produktindividualisierung über die produzierende Industrie hinweg zu entwickeln. Dazu gilt es zunächst, die Produktindividualisierung innerhalb der produzierenden Industrie in Bezug auf verschiedene Branchen und Produkte zu analysieren. Ausgehend von dieser Betrachtung wird das Produktindividualisierungs-Produktionsstrategie-Modell (PIPS-Modell) entwickelt, welches die verschiedenen Möglichkeiten der Produktindividualisierung sowie deren wesentliche Perspektiven strukturiert und erläutert. Gleichzeitig zeigt das PIPS-Modell auf, welche Anforderungen sich daraus für die Produkt- und Prozessgestaltung, die Produktion sowie die Schnittstelle zum Kunden ergeben. Durch die Einordnung von Fallbeispielen in das Modell, können Fragen im Hinblick auf eine strategische Weiterentwicklung von vorhandenen Ansätzen der Produktindividualisierung abgeleitet werden. Darüber hinaus wird im Rahmen der Arbeit aufgezeigt, welche Rolle die Produktindividualisierung im Zukunftsbild der Industrie 4.0 einnimmt und wie deren Umsetzung durch neue Technologien in diesem Umfeld unterstützt wird.
Die Technologie MID wird zunehmend in den unterschiedlichen Industriebereichen eingesetzt. Dieses Buch informiert vor allem den Entwickler, aber auch den Innovationsmanager über die Möglichkeiten zur Beschleunigung der Entwicklungszyklen sowie zur Steigerung der Zuverlässigkeit. Dabei werden die Entwicklung von Schutzmechanismen für 3D-MID, die Charakterisierung der Zuverlässigkeit der Chipmontage auf thermoplastischen Schaltungsträger, das MID-Prototyping sowie die Einführung der Technologie MID im Unternehmen betrachtet.
The manufacturing industry has to exploit trends like “Industrie 4.0” and digitization not only to design production more efficiently, but also to create and develop new and innovative business models [1, p. 2]. New business models ensure that even SMEs are able to open up new markets and canvass new customers [2, p. 82ff.]. This means that in order to stay competitive, SMEs must transform their existing business models [3, p. 2ff.]. The creation of new business models require smart products [4, p. 1, 5, p. 235, 6, p. 13, 7, p. 2, 8, p. 322, 9, p. 7]. The required data base for new business models cannot be provided by SMEs alone, whereas smart products are able to provide a foundation, given the creation of smart data and smart services they enable [5, p. 235]. These services then expand functions and functionality of smart products and define new business models [10, 6f.]. However, the development of smart products by small and medium-sized enterprises is still lined with obstacles [11, p. 640]. Regarding the product development process the inclusion of smart products means that new and SME-unknown domains diffuse during the process [12, p. 2]. Although there are many models regarding this process there appears to be a substantial lack of taking into account the competencies enabled by the implementation of digital technologies. Hence, several SME-supporting approaches fail to address the two major challenges these enterprises are faced with [13, p. 8]. This paper generally describes valid objectives containing relevant stakeholders and their allocation to the phases of the product life cycle. Within each objective the potential benefit for customers and producers is analyzed. The model given in this paper helps SMEs in defining the initiation of a product development project more precisely and hence also eases project scoping and targeting for the smartification of an already existing product.
KeywordsSmart product developmentSmartification
Bei der Entwicklung eines technischen Systems möchte man dieses derart auslegen, dass es sich bzgl. der jeweiligen Anwendungssituation optimal verhält. Wird das System mit unterschiedlichen Anwendungssituationen im Betrieb konfrontiert, erfordert dies in der Regel unterschiedliche Zielsetzungen, welche sich im Allgemeinen widersprechen. Eine wichtige Rolle für die Auflösung dieser Konflikte spielen dabei Optimierungsverfahren, welche konkrete Ziele für die aktuelle Anwendungssituation sowie die zur Erfüllung der aktuellen Ziele notwendigen Verhaltensanpassungen bestimmen sollen. Hier werden zunächst die theoretischen Grundlagen und ausgewählte Methoden der mathematischen Optimierung beschrieben. Dabei wird der Fokus auf die Mehrzieloptimierung sowie Mehrzieloptimalsteuerung gelegt. Anschließend wird eine methodische Vorgehensweise präsentiert, welche den Arbeitsprozess der mathematischen Mehrzieloptimierung im Selbstoptimierungskontext näher beschreibt. Diese besteht aus einem Leitfaden zum Einsatz mathematischer Optimierung im industriellen Kontext, der zukünftige Anwender bei der selbstständigen Lösung mathematischer Optimierungsprobleme unterstützen soll, sowie einem Katalog von typischen Anwendungshemmnissen. Abschließend werden drei Beispiele vorgestellt, die während der Projektlaufzeit in interdisziplinärer Zusammenarbeit bearbeitet wurden.
Die Entwicklungen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik eröffnen vielfältige neue Möglichkeiten, um intelligente technische Systeme zu realisieren und damit erhöhten Nutzen beim Kunden zu stiften. Diese Systeme sind in der Lage, sich ihrer Umgebung und den Wünschen ihrer Anwender im Betrieb anzupassen. Systeme aus diesem Bereich werden nicht mehr durch rein ingenieurwissenschaftliche Ansätze entstehen (Dumitrescu in Entwicklungssystematik zur Integration kognitiver Funktionen in fortgeschrittene mechatronische Systeme. Dissertation. Universität Paderborn, Paderborn, 2011). Vielmehr werden verstärkt Ansätze aus den Bereichen des maschinellen Lernens oder der mathematischen Optimierung ihre Berücksichtigung finden (Isermann in Mechatronische Systeme: Grundlagen. Springer, Berlin, 2008, Iwanek et al. in Tagungsband der VDI Mechatroniktagung, 185–190, 2015). Im folgenden Abschnitt wird zunächst der Innovationssprung von der Mechatronik hin zu selbstoptimierenden Systemen beschrieben. Nachfolgend wird die Architektur selbstoptimierender Systeme vorgestellt. Zudem wird in diesem Kapitel gezeigt, wie die Strategische Planung und integrative Entwicklung von selbstoptimierenden Produkten und Produktionssystemen gestaltet ist. In diesem Zuge werden auch verschiedene Vorgehen zum Realisieren von Ansätzen der Selbstoptimierung eingeordnet. Das Kapitel schließt mit der Vorstellung von Anwendungsbeispielen aus dem Kontext derbo Selbstoptimierung.
The adaptability of adaptronic solutions results from the application of smart materials
as elements in a control loop. These materials are marked by a controllable coupling
of their mechanical and electrical, magnetic, thermal or chemical properties and often
combine actuator, sensor and load-bearing functions within one single element. This
functional aggregation often results in smaller installation space and lower weight of
adaptronic solutions.
The Aim of this work is to support the goal-oriented application of smart materials
in engineering design. Therefore, the decision for the application of smart materials
should take into account the required system behavior. In order to develop an methodical
approach essential properties and basic structure of adaptronic systems and the basis
of the synthesis of technical systems are analyzed. To allow the use of simple models
for the modeling of relations between behavior and shape of a system the description
of mechanical working principles using working bodies, working surfaces and pairs of
working surface is introduced.
In order to support the development of adaptive systems based on smart materials
adaptronic solution principles are formulated. Thereby the required knowledge for the
application of smart materials during the synthesis is provided. By means of basic principles fundamental approaches to change the properties of single working bodies, working surfaces and pairs of working surface are described. Associated extending principles contain specific design knowledge such as required secondary functions and advises for dimensioning. Selection and application of the provided adaptronic solution principles is supported by a methodological framework comprising the modeling and analysis of the required system behavior and mechanical working structure. The introduced modeling enables to evaluate temporal changes and changing relevance of required system properties on different time scales. Based on the analysis strategies to adapt to the properties of the mechanical working structure by means of adaptronic solutions can be derived.
The proposed methodology is applied and fundamentally evaluated by the development
of an adaptive revolute joint for parallel robotic systems.
Strategische Führung beruht auf Vorstellungen von der Zukunft. Veränderungen von Märkten und Geschäftsumfeldern lassen sich nicht prognostizieren – aber vorausdenken. Dies greift die Szenario-Technik auf. Mit Hilfe von Markt- und Umfeldszenarien werden Vorstellungen über das Geschäft von morgen entwickelt. Basierend auf den Szenarien werden mit dem Verfahren VITOSTRA Strategiealternativen erarbeitet. Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass eine erfolgreiche Strategie auf einer intelligenten Kombination von Ausprägungen strategierelevanter Variablen beruht. Das Fachportal innovations-wissen.de bietet die notwendigen Leitfäden, Methoden, Vorlagen, Checklisten und Beispiele, um die strategische Unternehmensführung auch in mittelständischen Unternehmen effizient zu unterstützen.
Grundlage zur Projektidee mecPro2 war die sehr stark produktionsgeprägte Debatte um die 2011 aufkommende Zukunftsvision Industrie 4.0. Der Begriff Cyber-Physische Systeme stand im Raum, ohne dass klar war, wie diese neuartige Klasse von Geräten mit all ihrer Komplexität entwickelt werden können.
ENGLISH:
As for today, the assurance of the reliability and safety of mechatronic systems is still a
problem not solved sufficiently. Indicators for this are the product recalls of the last years.
The most of the failures result from insufficient communication and cooperation of the
involved disciplines. In addition, the established assurance methods of today typically
require a detailed system design as their input and are therefore applied at a comparatively
late stage. Furthermore, the increasing interdisciplinarity leads to a higher system complexity
that needs to be dealt with. A solution approach for overcoming the outlined challenges
is the early assurance of reliability and safety based on the discipline-spanning
specification of the product conception.
In this thesis, a systematics for the early assurance of reliability and safety of advanced
mechatronic systems has been developed. It contains five main constituent parts: a structured
procedure model, a method for the selection and planning of the assurance methods,
a specification language for the description of the product conception with the consideration
of reliability and safety related information, methods for analysis and improvement
of the product conception as well as a concept for a software tool support.
The validation of the systematics takes place based on the X-by-Wire experimental vehicle
Chamaeleon that has been developed on the Chair for Control Engineering and Mechatronics
of the Heinz Nixdorf Institute. It is shown that the systematics supports the identification
and removal of the weak points of the product conception with regards to safety
and reliability.
GERMAN:
Systematik zur frühzeitigen Absicherung der Sicherheit und
Zuverlässigkeit fortschrittlicher mechatronischer Systeme
Die Absicherung der Zuverlässigkeit und Sicherheit mechatronischer Systeme ist heute
ein noch unzureichend gelöstes Problem. Indikatoren hierfür sind die vielen Rückrufaktionen
der letzten Jahre. Die meisten der Ausfälle lassen sich auf eine unzureichende Abstimmung
der beteiligten Disziplinen zurückführen. Hinzu kommt, dass etablierte Absicherungsmethoden
einen detaillierten Systementwurf voraussetzen und vergleichsweise
spät zum Einsatz kommen. Des Weiteren führt die zunehmende Interdisziplinarität zu
einer höheren Systemkomplexität, die es zu beherrschen gilt. Einen Lösungsansatz zur
Überwindung der skizzierten Herausforderungen stellt die frühzeitige Absicherung der
Zuverlässigkeit und Sicherheit auf Basis der fachgebietsübergreifenden Spezifikation der
Produktkonzeption dar.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine Systematik zur frühzeitigen Absicherung
der Zuverlässigkeit und Sicherheit fortschrittlicher mechatronischer Systeme erarbeitet.
Sie umfasst fünf wesentliche Bestandteile: ein strukturiertes Vorgehensmodell, eine Methode
zur Auswahl und Planung von Absicherungsmethoden, eine Spezifikationssprache
zur Beschreibung der Produktkonzeption unter Berücksichtigung von Zuverlässigkeits- und
Sicherheitsinformationen, Methoden zur Analyse und Verbesserung sowie ein Konzept
für eine Werkzeugunterstützung.
Die Validierung der Systematik erfolgt anhand des am Lehrstuhl für Regelungstechnik
und Mechatronik des Heinz Nixdorf Instituts entwickelten X-by-Wire-Versuchsfahrzeugs
Chamäleon. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe der Systematik Schwachstellen der
Produktkonzeption hinsichtlich Sicherheit und Zuverlässigkeit bereits in der frühen Produktentstehungsphase
Konzipierung identifiziert und behoben werden können.
Mechatronics - the synergetic integration of different engineering domains such as mechanics, electronics and information technology can create new products and stimulate innovative solutions. In order to yield this potential, experts from the involved domains need a cross-domain methodology for the systematic design of mechatronic systems. Inspite of the wide spectrum of research activities and industrial developments in the mechatronic field it seems to be difficult for the design engineer in practice - in particular for the still unexperienced one - to select the suitable procedures, methods and tools for his design task. Therefore a committee of the German Association of Engineers (VDI) is working out a new VDI-guideline. The VDI 2206 guideline „Design methodology for mechatronic systems” intends to structure the variety of findings and to make them accessible to the practician in a concise and understandable way. This contribution presents the draft of the VDI 2206 guideline.
Wissenschaftler aus diversen Disziplinen haben seit vielen Jahren Methoden und Vorgehensmodelle vorgeschlagen, um den Produktentwicklungsprozess (PEP) zu unterstützen. Diese sind in den meisten Fällen als prozessorientierte Richtlinien gedacht: Verschiedene Phasen der PEPs werden als Best Practices definiert, die einmalig oder zyklisch durchlaufen werden sollen. Zusätzlich werden auch die Entwicklungsergebnisse aus jeder Phase in den Vorgehensmodellen vorgeschrieben. Dieses Kapitel verschafft einen Überblick über disziplinspezifische, sowie für die Entwicklung multidisziplinärer Produkte relevante disziplinübergreifende Methoden und Vorgehensmodelle.
In diesem Kapitel wird zunächst der systematische Aufbau beschrieben, der sich an der Struktur und dem Aufbau eines Ganzheitlichen Produktionssystems orientiert. Daraufhin wird die Vermeidung von Verschwendung als Basis des Lean Development vorgestellt. Daran anschließend werden für die sieben Gestaltungsprinzipien Kontinuierlicher Verbesserungsprozess, Standardisierung, Fließ- und Pull-Prinzip, Mitarbeiterorientierung und zielorientierte Führung, Null Fehler-Prinzip, Visuelles Management sowie Frontloading zunächst die Grundlagen gefolgt von Methoden und Werkzeugen vorgestellt. Zu jedem Gestaltungsprinzip ist mindestens eine Methode als Praxisbeispiel beschrieben worden, wodurch die Umsetzung in der Praxis verdeutlicht wird.
Wie bereits in der Einleitung zu diesem Abschnitt erläutert, gliedert sich der Produktentstehungsprozess
(PEP) aus Sicht der Produktentwicklung und -konstruktion in drei Hauptschritte:
1.
Die Festlegung des WAS: Damit ist die Spezifikation und Beschreibung der Entwicklungs- und Konstruktionsaufgabe gemeint, letztlich also die Beschreibung dessen, welche Funktionen das Produkt erfüllen soll, was es leisten soll, wie und wo es hergestellt wird und wie und wo es eingesetzt werden soll.
2.
Die Festlegung des WIE: Hierbei geht es um die eigentliche Entwicklungs- und Konstruktionstätigkeit. Es werden entsprechend die zu nutzenden physikalischen Effekte, Materialien, Bauteile und Baugruppen und deren Zusammenspiel bestimmt. Dies alles erfolgt unter der Maßgabe, dass das Produkt das im ersten Abschnitt des PEP definierte „WAS“ erfüllt.
3.
Die systematische und methodische Festlegung, WOMIT die Lösung realisiert werden soll: Hierbei geht es um die Makro- und Mikrogestaltung des Produkts und all seiner Einzelteile.
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