Virtuelle Fahrzeugentwicklung

Chancen und Herausforderungen in der
Produkt-/Prozessabsicherung

M.Eng. Johannes Schneider

Texte: © Copyright by Johannes Schneider

Umschlaggestaltung: © Copyright by Johannes Schneider

Verlag: Johannes Schneider, Ludwigstr. 5, 85049 Ingolstadt
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Druck: epubli ein Service der neopubli GmbH, Berlin

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Dieses Buch oder Auszüge davon dürfen in keiner Form kopiert oder veröffentlicht werden, es sei denn, es liegt eine schriftliche Genehmigung des Autors vor.

Erste Ausgabe: Juli 2016

Ingolstadt

Über den Autor

Johannes Schneider, geboren 1989, ist seit 2005 in der Automobilbranche tätig. Parallel zum Abitur absolvierte er eine Ausbildung zum Werkzeugmechaniker, die er als Deutschlandbester (IHK) abschloss. Während seines Bachelor- und Masterstudiums der Wirtschaftsingenieurwissenschaften war er durch Stipendienprogramme, Praktika und praktischen Studien- bzw. Abschlussarbeiten stets mit der Automobilbranche in Kontakt. Seit 2014 ist er als Ingenieur (M. Eng.) in der Schnittstelle zwischen Entwicklung und Produktion bei einem OEM tätig. Hier liegt, wie in seinem Studium, ein Schwerpunkt auf der Interdisziplinarität zwischen verschiedenen Anspruchsgruppen sowie Theorie und Praxis. Neben seiner Ausbildung bzw. Arbeit beschäftigt er sich schon seit seiner Jugend mit den wichtigsten Fragen und Mechanismen der Technik, Wirtschaft und Börse.

Abstract

In diesem Buch wird vom Autor Johannes Schneider die aktuelle Situation der Automobilbranche dargestellt und diskutiert. Diese bedingt eine Neugestaltung des Entwicklungsprozesses von Fahrzeugen in allen Facetten. Insbesondere der Einsatz der virtuellen Produktentwicklung wird in diesem Kontext betrachtet. Der Fokus liegt hierbei auf der Produkt-/Prozessabsicherung des zu entwickelnden Fahrzeugs hinsichtlich dessen Serienproduktion.

Inhaltsverzeichnis

Über den Autor

Abstract

Inhaltsverzeichnis

1      Einführung

1.1      Automobile Produktentwicklung im Kontext aktueller Herausforderungen

2      Der Produktentstehungsprozess im Wandel

2.1      Vom seriellen zum integrierten Entwicklungsprozess

2.2      Virtuelle Produktentwicklung

2.2.1      Definition und Methoden

2.2.2      Chancen und Herausforderungen

3      Produkt- und Prozessabsicherung

3.1      Aufgaben und Ziele

3.2      Physische Produkt- und Prozessabsicherung

3.3      Virtuelle Produkt- und Prozessabsicherung

3.3.1      Stand der Technik

3.3.2      Voraussetzungen

3.3.3      Abhängigkeiten

4      Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

1      Einführung

1.1      Automobile Produktentwicklung im Kontext aktueller Herausforderungen

Gegenwärtig sieht sich die Automobilbranche einem grundlegenden Wandel gegenübergestellt. Durch sich stark verändernde Rahmenbedingungen und Einflüsse müssen die Hersteller Entscheidungen treffen, die sowohl aus technischer als auch betriebswirtschaftlicher Sicht erfolgreich, zugleich aber auch gesellschaftlich tragfähig sind.¹

Die Automobilhersteller sind dabei, wie alle Unternehmen, Einflussgrößen aus zwei Ebenen ausgesetzt; der Makroumwelt sowie der Branchenumwelt.

Abbildung 1: Einflussfaktoren aus der Umwelt von Unternehmen²

Die Makroumwelt von Unternehmen wird im Allgemeinen in die Bereiche ökonomische, technologische, gesellschaftliche, ökologische und politisch-rechtliche Umwelt aufgeteilt. Die in der Makroumwelt herrschenden Bedingungen und zu erwartenden Veränderungen können durch die Unternehmen nur in sehr geringem Maße beeinflusst werden. Im Gegensatz zur Makroumwelt ist die Branchenumwelt wesentlich durch die Branchenmitglieder geprägt. Nach Porters‘ „five forces“ werden Struktur und Einflussgrößen innerhalb einer Branche anhand der fünf Faktoren Branchenwettbewerb, potentielle Konkurrenten, Substitutionsprodukte, Lieferanten und Kunden systematisiert und beschrieben.

Aus den aktuellen Rahmenbedingungen leiten sich folgende zentrale Herausforderungen für die Produktentwicklung in der die Automobilbranche ab.

(a) Dynamisierung der Individualisierung und Differenzierung des Automobilangebots

Trotz des starken Wachstums in den BRIC-Märkten³ setzten die OEMs⁴ immer noch zwei Drittel ihrer Fahrzeuge in den Triade-Märkten⁵ ab.⁶ In den letzten Jahren zeigt sich jedoch eine zunehmende Sättigung der Automobilmärkte in den Triade-Ländern. Ergebnis dieser Entwicklung sind strukturelle Überkapazitäten bei den Herstellern, die zu einem Verdrängungs- und Preiswettbewerb geführt haben. In den sogenannten Wachstumsmärkten drängen neue nationale Anbieter auf den Markt.⁷ Darüber hinaus hat sich der Automobilmarkt von einem Verkäufer- zu einem Käufermarkt entwickelt. Insbesondere der Wunsch nach Individualisierung und Differenzierung steht beim Automobilkauf im Vordergrund.⁸ Auf diesen „Wettlauf“ um die Kunden haben vor allem die Premiumhersteller mit einer starken Ausweitung ihres Fahrzeugangebots reagiert und damit eine erheblich gestiegene Variantenvielfalt ausgelöst. Parallel wurden die Modelllaufzeiten deutlich verkürzt um Produktinnovationen schneller auf den Markt zu bringen und so konkurrenzfähig zu bleiben. Für den Produktentwicklungsprozess in der Automobilindustrie hat dies, neben der folglich kürzeren Entwicklungszeit, eine steigende Komplexität sowie die nachhaltige Ausrichtung der Entwicklungsinhalte an den Anforderungen der Kunden zur Folge.⁹

(b) Sinkende Mehrpreisbereitschaft der Kunden

OEMs können durch Produktinnovationen Alleinstehungsmerkmale kreieren und so die Voraussetzung für die Durchsetzung von höheren Margen schaffen. Entscheidend ist jedoch immer, ob die Kunden bereit bzw. in der Lage sind, für die Innovationen mehr Geld auszugeben. In den letzten Jahren zeigt sich, dass diese Mehrpreisbereitschaft der Autokäufer sinkt und zeitgleich immer „mehr Auto“ für den gleichen Preis erwartet wird. Zeitgleich werden Differenzierungen durch Innovationen immer schneller durch Wettbewerber nachgeahmt und folglich eine Amortisation der Entwicklungskosten schwieriger.¹⁰ Dies führt zu einem zusätzlichen Kostendruck für die Automobilindustrie im Allgemeinen und für die Produktentwicklung im Speziellen.

(c) Umsetzung einer Multidomestic Strategie (globale Industrie mit lokalen Märkten)

Die Automobilindustrie ist eine globale Industrie mit lokalen Märkten. Für die OEMs ergibt sich daraus die Notwendigkeit, Produkte für die jeweiligen Regionen zu gestalten bzw. in diesen zu produzieren.¹¹ Darüber hinaus müssen spezifische gesetzliche Anforderungen beachtet werden. Hierdurch kommt es zu einer weiteren Steigerung der Variantenvielfalt, die über den gesamten Produktentwicklungsprozess abgebildet werden muss.¹²

(d) Vernetzung und Elektrifizierung des Automobils

Ein weiterer Trend ist die ungebrochene Erhöhung des Elektronikanteils in den Fahrzeugen. Im Jahr 2015 soll dieser 40% eines Kraftfahrzeugs betragen.¹³ Mechanische Systeme werden vermehrt durch elektronische ersetzt sowie Fahrzeugkomponenten miteinander vernetzt um die Energieeffizienz, die Sicherheit sowie den Komfort der Autos zu erhöhen. Für die Entwicklung bedeutet dies ein erhöhter Bedarf an Koordination von Entwicklungsinhalten und Komplexität.¹⁴

(e) Vertikale und horizontale Kooperation bei Wertschöpfungsaktivitäten

In den letzten Jahren wurden immer mehr Entwicklungsaufgaben an die Zulieferer ausgelagert. Zulieferer sind nicht mehr reine Teilefertiger sondern Entwicklungspartner. Die Zusammenarbeit entlang des Produktentwicklungsprozesses findet deshalb vermehrt in Form strategischer Entwicklungsnetzwerke statt. Die Aufgabenschwerpunkte der OEMs in der Produktentwicklung liegen deshalb immer stärker in der Produktplanung, dem Strategieabgleich, der Definitionsphase sowie der Gestaltung und Steuerung dieser Netzwerke durch Funktions- und Schnittstellenvorgaben. Zudem hat die Zahl der Kooperationen der OEMs untereinander im Bereich Forschung und Entwicklung in den letzten Jahren stark zugenommen. Insgesamt führt der mit beiden Formen der Kooperation verbundene Koordinations- und Steuerungsaufwand zu einer stetigen Erhöhung der Komplexität in der Organisation der Produktentwicklung.¹⁵

(f) Voranschreiten der Informations- und Kommunikationstechnologie (in den Unternehmensprozessen)

Neue Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) eröffnen über alle Phasen der Produktentwicklung mögliche Kosten-, Qualitäts- und Zeitpotentiale. Erste Veränderungen sind bereits in den Bereichen Simulation, Prototyping und Versuch/Erprobung zu beobachten, deren Prozesse maßgeblich durch Softwarelösungen bestimmt sind. Besonders die bereichs- und abteilungsübergreifende Zusammenarbeit kann durch IKT effektiver und effizienter gestaltet werden. Dabei stellt die tatsächliche Realisierung dieser schnittstellenübergreifenden Lösungen die OEMs vor neue und große Herausforderungen.¹⁶

(g) Weiterentwicklung des Motors/Antriebsstrangs

Insbesondere die Entwicklung alternativer Antriebskonzepte aufgrund des Klimawandels und begrenzter Ressourcen bildet einen Schwerpunkt in der aktuellen Produktentwicklung in der Automobilindustrie. Aktuell gibt es eine Vielzahl von diskutierten Verfahren und Ansätzen wie Hybridantrieb, Brennstoffzelle, Elektroantrieb, Gasantrieb oder Wasserstoffmotor.¹⁷ Vor allem die Entwicklung von rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, sogenannten BEVs (Battery Electric Vehicles), wird gerade forciert. Für die OEMs hat diese Vielzahl an Technologien einen hohen Forschungsaufwand zur Folge. Aber auch die Verbesserung der Effizienz der klassischen Verbrennungsmotoren muss aufgrund strengerer Emissions- und Umweltrichtlinien seitens des Gesetzgebers vorangetrieben werden.

Zusammengenommen führen die ausgeführten Herausforderungen zu einem hohen Innovations- als auch Kostendruck in der Automobilindustrie. Dieser Zustand wird als sogenannte Produktivitätszange bezeichnet.

Abbildung 2: Produktivitätszange der Automobilindustrie¹⁸

Zur Auflösung der Produktivitätszange kommt der Produktentwicklung eine entscheidende Bedeutung zu. Sie bestimmt maßgeblich die Leistungsmerkmale des neuen Produkts in Bezug auf Innovation, Design, Qualität, Marktakzeptanz, „time to market“ sowie Herstellkosten. Wie Abbildung 3 zeigt, werden in der Entwicklung bereits 70% der gesamten Produktlebenskosten festgelegt, wohingegen nur 9 % der Gesamtkosten in dieser Wertschöpfungsphase anfallen. Darüber hinaus sind mit Abschluss der Produktplanung bereits 70% der Qualität und 80% der Termine festgelegt. Änderungen in den folgenden Phasen können nur mit deutlich höherem Aufwand realisiert werden. Die Änderungskosten steigen dabei im Verlauf des Produktentstehungsprozesses exponentiell („Zehnerregel“).¹⁹

Abbildung 3: Beeinflussbarkeit der Herstellkosten²⁰

Die Bedeutung der Produktentwicklung für die Zukunft der Automobilindustrie wird durch erste Bemühungen der OEMs in den letzten Jahren unterstrichen. Neben der Ausweitung der Produktpalette wurde die Entwicklungszeit von ca. 60 Monaten auf bis zu 40 Monate verkürzt. In Zukunft wird eine Verkürzung auf 18 Monate angestrebt. Weitere Maßnahmen zur Komplexitäts- und Kostenreduktion sind u.a. die Einführung von modularen Produktstrukturen und -plattformen, Gleichteilstrategien, der Einsatz von CAx-Software sowie die Fremdvergabe von Entwicklungsleistungen an Dienstleister. Zeitgleich zeigt sich jedoch, dass diese ersten Erfolge nicht ausreichen um alle Herausforderungen an die Produktentwicklung zu bewältigen. Beispielsweise sind zwei Drittel der Entwicklungsprojekte in der Automobilindustrie nicht in der Lage ihre Anlauftermine einzuhalten.²¹

Auch in Zukunft wird der Druck auf die Automobilindustrie auf diesem hohen Niveau bleiben bzw. noch weiter steigen und sich die Entwicklungskomplexität weiter erhöhen. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die strategische Bedeutung der Produktentwicklung in nächster Zeit noch weiter steigen wird.²²

Ein Schlüssel zur Bewältigung der erläuterten Trends liegt im konsequenten Einsatz virtueller Methoden im Produktenstehungsprozess. Unter Beibehaltung der klassischen Entwicklungsmethoden ergäbe sich ein unternehmerisch nicht stemmbarer Ressourcenbedarf an Mitarbeitern und Material. Die virtuelle Produktentwicklung²³ ermöglicht dabei durch die frühzeitige Auslegung der Funktionen in der digitalen Welt den Reifegrad der Fahrzeuge schon ab der Konzeptphase zu erhöhen. Im Speziellen bietet sie große Potenziale in Bezug auf die Verkürzung der Entwicklungszeit, Beherrschung der steigenden Variantenvielfalt, Einsparung von Hardwareschleifen bzw. Prototypen zur Erprobung²⁴ sowie in der Koordination von globalen Kooperationen.²⁵ Dabei liegt heute der Fokus neben der Exaktheit oder Realitätstreue von einzelnen Simulationsmodellen (z. B. FEM²⁶) vor allem auch darauf, komplexe Aufgaben und Prozesse in der Produktentstehung mit virtuellen Methoden durchgängig zu bearbeiten. Die Beherrschung der virtuellen Prozessketten wird zu einer Kernkompetenz der Unternehmen und damit zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor.²⁷

2      Der Produktentstehungsprozess im Wandel

Obwohl die Kosten der Produktentwicklung einen relativ geringen Anteil an den Kosten des gesamten Produktentstehungsprozesses eines Produkts haben, werden in der Entwicklungsphase ca. 70% der Herstellkosten festgelegt. Da zum einen die Entwicklungszyklen immer kürzer, zum anderen aber die Vielfalt, Komplexität und Änderungsdynamik der Produkte immer größer wird, muss der Entwicklungsprozess selbst so umgestaltet werden, dass schneller und früher als bisher bereits ein weitgehend optimiertes Produkt zur Verfügung steht. Die Forderung nach Neugestaltung bzw. Innovation der Produktentwicklung liegt auf der Hand. Ein Ausdruck der Umsetzungsbemühungen der OEMs ist der Wandel vom seriellen zum integrierten Entwicklungsprozess mit neuen Arbeitsprinzipien, beispielsweise dem Simultaneous Engineering, und neuen Technologien wie der Virtuellen Produktentwicklung.

2.1      Vom seriellen zum integrierten Entwicklungsprozess

Die Produktentwicklung dient der Realisierung neuer marktfähiger Produkte. Das Resultat des Produktentstehungsprozesses (PEP) ist dabei das intellektuelle Produkt inklusive der Produkt- und Prozessbeschreibung (Dokumente, Spezifikationen, digitale Modelle, Entwurfsunterlagen der zugehörigen Betriebsmittel, usw.). Der PEP umfasst dabei die Machbarkeitsanalyse, die Programm- bzw. Produktplanung, das Produktdesign, die eigentliche Produktentwicklung und -konstruktion, die Analyse, Berechnung und Simulation des Produktverhaltens sowie die Produktionsentwicklung, d. h. die Fertigungs- und Montageplanung und die Fabriksimulation.²⁸

In der folgenden Betrachtung steht der prinzipielle Wandel des Entwicklungsprozesses im Vordergrund. In der Literatur existiert eine Vielzahl von Definitionen und Darstellungen für den generellen Ablauf der Produktentstehung. Aufgrund des besonderen Charakters der Automobilproduktion und der unterschiedlichen Prozessgestaltung der einzelnen OEMs ist die Beschreibung eines allgemein gültigen Modells nicht möglich. Die verwendeten Darstellungen dienen deshalb nur als Prinzipdarstellungen und besitzen nicht den Anspruch der Allgemeingültigkeit. Des Weiteren wird die inhaltliche Definition der einzelnen Phasen vernachlässigt.

Serieller Entwicklungsprozess

Grundsätzlich handelt es sich bei der Produktentwicklung um einen seriellen bzw. sequenziellen Produktentstehungsprozess. Alle Phasen werden bei diesem Ablauf nacheinander Durchlaufen, d. h. bevor die nachfolgende Phase beginnt, muss die vorangegangene Entwicklungsperiode abgeschlossen sein. Es kann somit auf einem festgelegten Ergebnis aufgebaut bzw. weiterentwickelt werden. Für anforderungsinduzierte Entwicklungen, welche Kundenanforderungen und Lösungsmöglichkeiten als Voraussetzung haben, ist der sequenzielle Ansatz geeignet.²⁹

Abbildung 4: Serieller Entwicklungsprozess³⁰

Aus dieser Vorgehensweise folgt jedoch ein großer Zeitbedarf bis zum Abschluss der Entwicklung.³¹ Zudem kommt das sequentielle Modell bei der Abbildung des Entwicklungsprozesses von innovativen Produkten und Technologien häufig an seine Grenzen. Ursache hierfür ist, dass sich bei diesen Entwicklungsprozessen Wissen hinsichtlich Spezifikation und zielgerichteter Lösungen erst im Laufe der Entwicklung vollständig aufbaut und somit ein sequentieller Ablauf unmöglich wird.³²

Iterativer Entwicklungsprozess

Die Annahme der sequentiellen Bearbeitung der Prozessschritte wird in der Praxis nur in den wenigsten Fällen erfüllt. Vielmehr hat sich hier die iterative Vorgehensweise zur Auflösung der Herausforderungen in der Produktentwicklung als effektiver und effizienter gezeigt. Speziell in der Automobilindustrie ist dies durch den Charakter des Automobils als ein komplexes, mehrstufig gefertigtes Produkt, das aus vielen Einzelteilen,

2.2      Virtuelle Produktentwicklung

2.2.1      Definition und Methoden

2.2.2      Chancen und Herausforderungen

3      Produkt- und Prozessabsicherung

3.1      Aufgaben und Ziele

3.2      Physische Produkt- und Prozessabsicherung

3.3      Virtuelle Produkt- und Prozessabsicherung

3.3.1      Stand der Technik

3.3.2      Voraussetzungen

3.3.3      Abhängigkeiten

4      Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

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