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Konstruktionslehre II – V4

Baukästen, Module, Plattformen,

Features

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

30. April 2015

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

• Sie können die wesentlichen Eigenschaften der Produktarten für die

Rationalisierung in E/K beschreiben.

• Sie können die Unterschiede der Produktarten für die Rationalisierung

in E/K beschreiben.

• Sie können für jede der behandelten Produktarten ihre Wirkung auf

den E/K-Prozess beschreiben.

• Sie können die Auswirkung der Einführung der behandelten

Produktarten auf ein Unternehmen und einen Kunden erläutern und

begründen.

• Sie können die Notwendigkeit eines Varianten- und

Konfigurationsmanagements begründen nach der Einführung der

behandelten Produktarten.

Lernziele dieser Vorlesung

2



KL II Vorlesung 4 – Inhalt

3

1. Baukästen

2. Baukastendokumentation

3. Module

4. Plattformen

5. Features

6. Auswirkungen



Definition Baukästen

Baukästen:

Maschinen, Baugruppen und Einzelteile, die

• als Bausteine mit oft unterschiedlichen Lösungen

• durch Kombination

• verschiedene Gesamtfunktionen erfüllen

4



Baukasten: Getriebemotor

nach Bonfiglioli

5



Baukastensystem:

aus Bausteinen aufgebautes System

Die Bausteine können

• lösbar miteinander verbunden sein: reale Bausteine

• unlösbar miteinander verbunden sein: abstrakte Bausteine

Es gibt zwei Arten von Bausteintypen:

Funktionsbausteine:

nach Gesichtspunkten der Erfüllung technischer Funktionen festgelegt

Fertigungsbausteine:

nach reinen fertigungstechnischen Gesichtspunkten festgelegt

Baukästen

6



Hilfsfunktion:

dienen der Verbindung, bzw. dem Anschluss von Systemelementen an das

System oder zur Integration von Systemelementen

Sonderfunktionen:

aufgabenspezifische Teilfunktionen. Sie müssen nicht in allen realisierbaren

Gesamtfunktionen des Baukastens wiederkehren

Auftragsspezifische Funktionen:

in einem Baukasten nicht vorhersehbare Funktionen

Grundfunktion:

grundlegende, immer wiederkehrende Funktion, für das System unerlässlich

Anpassfunktionen:

sie dienen zum Anpassen des Systems an andere Systeme und sind nur zum Teil

maßgeblich festlegbar

Funktionsarten eines Baukastens

7



Funktions- und Bausteinarten

Auftragsspez.-

Funktionen

nicht vorher-

sehbar

Nicht-

baustein

Ausführung

Varianten

Baugruppe

Maschine

Anlage

nach Pahl/Beitz

Muss-Baustein

Kann-Baustein

nur in besonderen

Fällen, führt zu

Mischsystemen

Baukastensystem Mischsystem

8

Sonder-

baustein

Besonders,

ergänzend,

erweiternd

Sonder-

funktionen

Anpass-

funktionen

Anpass-

baustein

nicht genau in

allen Teilen

festlegbar

Grund-

funktionen

Grund-

baustein

grundlegend,

immer wieder-

kehrend,

allgemein

Hilfs-

funktionen

Hilfs-

baustein

verbindend,

anschließend

Gesamtfunktion

Varianten



Modulare oder freie Baukästen

Die vorhandenen Bausteine mit unterschiedlichen Funktionen können an jeder Stellen der Baustruktur eingebunden werden.

Beispiel: Haustür-Kommunikationsanlagen, elektronische Überwachungseinrichtungen...

Herstellerbaukasten

werden vom Hersteller zusammengebaut und sind i. allg. im nachhinein nicht veränderbar.

Beispiel: Getriebebaukasten, LKW-Baukasten...

Anwenderbaukasten

werden vom Anwender je nach gewünschter Gesamtfunktion zusammengebaut.

Beispiel: Küchenmaschinen, Anbaugeräte für landwirtschaftliche Traktoren...

Geschlossene Baukästen

bestehen aus einem vorgegebenem Bauprogramm. Die Zahl der realisierbaren Gesamtfunktionen ist begrenzt und festgelegt.

Beispiel: Heimwerkersysteme...

Offene Baukästen

Die Zahl der realisierbaren Gesamtfunktionen ist nicht begrenzt. Es existiert nur ein Baumusterplan mit Anwendungsbeispielen.

Beispiel: Küchenmöbel, Baugerüste...

Strukturgebundene Baukästen

Die vorhandenen Bausteine können nur an genau festgelegten Stellen der Baustruktur eingebunden werden.

Beispiel: alternative PKW-Motoren oder PKW-Sitze...

Baukastenarten

9



Baukasten mit Modularbausteinen

(strukturungebunden)

Alternativbausteine strukturgebunden

unterschiedliche Modulbausteine

Baukastensysteme (Schema)

Quelle: Koller

10



Modulare Baukastensysteme

Modulare selbstrekonfigurierende Roboter-

Systeme (MSRS)

Quelle: Kartika

11



• Viele (mechanische) Module

• Identische Grundmodule

• Spezialmodule

• Jedes Modul hat Berechnungs-

und Kommunikationsfähigkeit

• Jedes Modul kann seine lokale

Verbindung ändern

• Einheitliche Schnittstellen

Homogene modulare Architektur

Modul benachbartes

Modul

Drehachse

Drehachse

Permanent-

magnet

Anschluss-

fläche

Bindeglied Kopplung

Quelle: Kartika

12



Stand der Technik

• 4 Haken

• 4 Buchsen

Drehachse

Steckerfläche

Führungsstift

Buchsenfläche

Drehachse

Steckerfläche

Führungsstift

Buchsenfläche

HackenHacken

Anschlussmechanismus - Riegel

Modul benachbartes

Modul

Drehachse

Drehachse

Anschluss-

fläche

Bindeglied

Kopplung

Modul benachbartes

Modul

Drehachse

Drehachse

Anschluss-

fläche

Bindeglied

Kopplung

M-TRAN III

Quelle: Kartika

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Haken



Hersteller: • Unterlagen für Angebote, Projektierung, Konstruktion, Arbeitsvorbereitung, Fertigung stehen zur

Verfügung

• Auftragsgebundener Konstruktionsaufwand nur für nicht vorhersehbare Funktionalitäten

• Kombinationsmöglichkeit mit Nichtbausteinen

• schnelle Lieferbereitschaft durch Parallelfertigung

• Einfache Kalkulation

• optimale Losgrößen durch auftragsunabhängige Fertigung

• günstige Montagebedingungen bei entsprechender Gliederung

• Baukastentechnik kann in unterschiedlichen Konkretisierungstufen eingesetzt werden.

Anwender: • kurze Lieferzeiten

• bessere Austausch- und Instandsetzungsmöglichkeiten

• besserer Ersatzteildienst

• Funktionen können später ergänzt/erweitert werden

• ausgereifte Gestaltung

Vorteile eines Baukastens

14

+

+



_

_

Hersteller: • kundenspezifische Anpassungen erhöhen den Aufwand deutlich

• erhöhter Planungs- und Konstruktions- und Dokumentationsaufwand (häufig „wachsen“ die Unterlagen

erst im Laufe des Produktlebens)

• Produktänderungen und -anpassungen sind nur in größeren Zeitabständen wirtschaftlich vertretbar

• Wegen Erhöhung der Schnittstellen:

• erhöhter Fertigungsaufwand (Passflächen)

• erhöhter Montageaufwand

• u. U. ungünstiges Verhältnis bei der Berücksichtigung von Kundenanforderungen und Anforderungen

aus dem eigenen Bereich

Anwender: • spezielle Anforderungen sind nicht oder nur schwer mit erhöhtem Kostenaufwand realisierbar

• bestimmte Eigenschaften können ungünstiger sein als bei kundenspezifischer Fertigung

• durch die Aufteilung des Produkts in Bausteine ergeben sich zusätzliche Schnittstellen mit einem

erhöhtem Bauvolumen und Gewicht.

• die Komplexität des Produkts kann steigen

Grenzen eines Baukastens

15

−

−



Fahrwerk

Baukasten für die Fördertechnik

Bausteine des

Baukastens

Ausgeführte

Förderanlage

Quelle: Pahl/Beitz

16



ohne Berücksichtigung des Aufwands für die Ersterstellung der Konstruktion

Kostenbetrachtung

Baukasten-

produkt B

Kundenspezifische

Lösung A

Konstruktions-

aufwand

Herstellkosten

nach Ehrlenspiel

Vorteile eines Baukastens: Industriekran

17



Kombination: Baukasten / Baureihe

Quelle: Ehrlenspiel

18



nach Siemens

DESIRO – Fahrzeuge aus dem Baukasten

Wagenkasten als „Baugruppenträger“

Baukasten eines Eisenbahnfahrzeugs

19




20

1. Baukästen


3. Module

4. Plattformen

5. Features

6. Auswirkungen



Konventioneller Zeichnungsaufbau

(auftragsspezifisch)

Zeichnungsaufbau für einen Baukasten

(auftragsneutral)

Auftrag A Auftrag A

Auftrag B Auftrag B

Auftrag C Auftrag C

Auftrag D Auftrag D

Baukasten-Zeichnungssatz

Zeichnungsstruktur für einen Baukasten

21



• Mehrfachstückliste:

ein Erzeugnis kann bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren aus verschiedenen

Komponenten und Komponentenmengen produziert werden, d.h. ein Erzeugnis hat

mehrere Stücklistenalternativen

• Baukasten-Stückliste:

einstufige Auflösung eines Erzeugnisses. Sie enthält nur Gruppen und Teile der nächst

tieferen Stufe. Mengenangaben beziehen sich auf die im Kopf genannte Gruppe. Der

Stücklistensatz des Erzeugnissen setzt sich i. allg. aus mehreren Baukasten-Stücklisten

und ggf. anderen Stücklisten zusammen.

• Konstruktions-Stückliste :

die Erzeugnisstruktur ist nach funktionalen/konstruktiven Gesichtspunkten gegliedert.

• Fertigungs-/Montage-Stückliste :

die Erzeugnisstruktur ist nach fertigungs-/montagetechnischen Gesichtspunkten

gegliedert.

Stücklistenarten

Bemerkung: häufig sind die Konstruktions- und Fertigungs-/Montage-Stückliste unverträglich

22



Erzeugnisstruktur: Baukasten

23

Erzeugnisstruktur der Erzeugnisse E1 und E2

E1

B1

T1 T2

2 3

4

E2

T3

2

3

5

4




24

1. Baukästen


3. Module

4. Plattformen

5. Features

6. Auswirkungen



Module sind meistens Bestandteil eines Baukastens und können zusätzlich die

Form einer Baureihe haben.

Modul:

Subsystem, dessen Grenzen nach fertigungstechnischen und funktionalen

Gesichtspunkten festgelegt sind mit dem Ziel, es unabhängig vom

Gesamtsystem entwickeln, konstruieren, fertigen und prüfen zu können.

Definition Modul

25



Modularer Stromrichteraufbau

26



Vorteile der modularen Bauweise

Fehler nur in der Ankopplung

der Schnittstellen möglich

Geprüft Geprüft

27

Modul I Modul II

Sch

nit

tste

lle I

Sch

nit

tste

lle II



Modul: Frontend BMW Mini

Quelle: BMW

28



Produktarchitektur

Modularität ist eine graduelle Eigenschaft der Produktarchitektur.

Der anzustrebende Modularisierungsgrad hängt von der Anwendung ab.

29

Quelle: Baumgart



Module

• Parallelisierung von

Prozessschritten

• verringerte Teilevielfalt

• verringerter Aufwand

zur Prüfung des

Gesamt-systems

• Erhöhung der Qualität

• ...

• mehr Schnittstellen

• mehr Bauteile

• mehr Bauraum

• erhöhter

Einmalaufwand

• erhöhter

Montageaufwand

• ...

Nachteile Vorteile

„Modularisieren“ heißt genau abwägen

Vor- und Nachteile der Modularisierung

30



Modul: Fahrzeugrohbau

31



Modul: Fahrzeugkopf, komplett

32



Parametrisierbare Module

33



Konventionelle Straßenbahn

Quelle: Siemens

34



Modulare Straßenbahn

35

Quelle: Siemens



Modulare Straßenbahn: Plagiat

36



Kombination: Baukasten / Baureihe

Quelle: Ehrlenspiel

37



Module einer Straßenbahn

Quelle: Siemens

38



Modul I

Quelle: Siemens

39



Modul II

Quelle: Siemens

40



3

4 4

5 5

Fertigungsstufen: modulare Straßenbahn

Quelle: Siemens

41



Montage eines Moduls

42




43

1. Baukästen


3. Module

4. Plattformen

5. Features

6. Auswirkungen



Plattformen: PKW

Quelle: VW

44

Plattform PQ34 der Volkswagen AG



Die produktspezifischen Anbauten müssen NICHT kombinierbar

oder gegeneinander tauschbar sein

Eine Plattform ist KEIN Baukasten

Plattformen 1

Zwei Haupt-Komponenten:

•ausführungsneutrale Produktplattform

(Schnittstellenträger)

•produktspezifische Anbauten (Hutmodule)

45



Konventionelles Produkt:

Variante A Variante B

Integriertes Produkt

Variante C

Plattform

Schnittstelle

Hutmodul Plattform Produkt:

Plattformen 2

46



Plattform-Technologie

Produktplattformen werden eingesetzt bei Produkten mit:

• kurzen Lebens-Zykluszeiten

• hoher Varianz beim Hutmodul

Rationalisierungseffekte aufgrund von:

• gleichen Teilen

• gleichen Strukturen

• gleichen Prozessen, insbesondere der Fertigung

Merkmale der Plattformentwicklung:

• hohe Kosten der Plattformentwicklung

• unflexibel gegenüber Modellwechseln

• Plattformfehler werden auf alle Modelle übertragen

47




48

1. Baukästen


3. Module

4. Plattformen

5. Features

6. Auswirkungen



Inhalte der Feature-Technologie

Feature-Technologie

• Aggregation von Produktdaten, Relationen und Constrains über einen

Produktbereich in Abhängigkeit von der Produktentstehungsphase

• Abbildung von Konstruktionslogiken

• Aufbau von Konfigurationsmanagementsystemen

• Abbildung von integriertem Produkt-wissen

Der Begriff „Feature“ kann auch ganze Module oder Baukasten-

/Baureihensysteme mit abdecken

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Beispiel: Schraube als Feature

Konstruktions-/Systemwissen:

• Gegengewinde mit gleichen Durchmesser erforderlich

• Bohrungsdurchmesser nach DIN ...

• Festigkeitsauslegung nach VDI 2230

• Flächenpressung unter Kopf beachten

Konstruktionsdaten:

• Schraubenmaße nach DIN/ISO ...

• Anzugsmoment ... Nm

• Bohrungsdurchmesser ... mm

Einkaufsdaten:

• Beschaffungszeit ... Tage

• Lieferbedingungen ...

• Preis ...

Fertigungswissen:

• Bohrungsmaße H11 mit Spiralbohrer fertigbar

• Kopfauflage ansenken, damit Bohrung rechtw. zur Oberfläche

Fertigungsdaten:

• Maschinenstundensatz Bohrwerk

• Vorschub für Bohrer

• ...

50




51

1. Baukästen


3. Module

4. Plattformen

5. Features

6. Auswirkungen



Farbe Stoff

... …

Art/Form Knopfanzahl

Vielfalt der Kundenwünsche

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Auswirkung der Vielfalt

Farben

Polyester Satin Seide

… …

…

Stoffe


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Produkt- „Entwicklung“ mit Mi Adidas

Kundeneinbindung in der Praxis

Quelle: www.adidas.com/miadidas

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Lager

• steigende Lagerzeiten

• höhere Fehlmengen

Färbemaschine

• erhöhte Anlaufzeiten

• erhöhter

Reinigungsaufwand

Auswirkung der Vielfalt

Farben Stoffe


Prozess

• Änderung Musterschnitte

• Herstellungsschritte

• Dauer

Logistik

Industrielle Nähmaschine

Lager

Logistik

• stoffgerechter Transport


• erhöhte Anlaufzeiten

• unterschiedliche

Textilmaschinen

Lager

Logistik


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• Beliebige Vielfalt ist offenbar nicht managbar.

• Vielfalt muss bewusst gemanagt werden.

• Nicht alle Konfigurationen von Komponenten sind

miteinander verträglich.

Auswirkungen

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Konfigurationsmanagement (Wie)

Variantenmanagement (Was)



Ende der Bildschirmpräsentation

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