Methodische Entwicklung modularer Produktfamilien: Hohe Produktvielfalt beherrschbar entwickeln

Von Dieter Krause und Nicolas Gebhardt

Dieses Buch fokussiert die Entwicklung von variantenreichen Produkten mithilfe modularer Produktstrukturen und adressiert so die Komplexitätsreduktion aus Sicht der Produktentwicklung. Durch diese modularen Produktstrukturen wird eine größere Nachfragevielfalt bei gleichzeitig geringer, unternehmensinterner Vielfalt an Komponenten und Prozessen möglich. Als Ergänzung zur gängigen Produktentwicklungsmethodik werden die nötigen Grundlagen der Modularität und Variantenvielfalt sowie die entsprechenden Methoden umfassend vorgestellt. Das Buch fasst damit den aktuellen Stand der Wissenschaft sowie die Forschungstätigkeiten der vergangenen zehn Jahre am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der TU Hamburg-Harburg zusammen.

Die Zielgruppen

Dieses Buch richtet sich an Produktentwickler und Entscheider in der Praxis. Der Wissenschaft wird ein hilfreiches Nachschlagewerk geboten und interessierte Studierende der Ingenieurwissenschaften können in die Entwicklung modularer Produktfamilien mit den nötigen Grundlagen eintauchen.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Springer Vieweg
• Erscheinungsdatum: 6. Jan. 2018
• ISBN: 9783662530405

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© Springer-Verlag GmbH Deutschland 2018

Dieter Krause und Nicolas GebhardtMethodische Entwicklung modularer Produktfamilienhttps://doi.org/10.1007/978-3-662-53040-5_1

1. Einleitung und Motivation

Dieter Krause¹   und Nicolas Gebhardt²  

(1)

Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg, Deutschland

(2)

Technische Universität Hamburg-Harburg, Theodor-Weber-Reihe 5, 22111 Hamburg, Deutschland

Dieter Krause (Korrespondenzautor)

Email: [e-mail]

Nicolas Gebhardt

Email: [e-mail]

1.1 Megatrends und ihre Auswirkungen auf die Produktentwicklung

Megatrends sind langanhaltend, haben in allen Bereichen der Gesellschaft Auswirkungen und sind gleichzeitig global sowie nachhaltig (Naisbitt 1982). Somit nehmen Megatrends auch langfristig einen Einfluss auf Geschäftsmodelle von produzierenden Unternehmen und beeinflussen durch ihre Auswirkungen das eigene unternehmerische Handeln. Aufgrund neuer Anforderungen und Technologien oder neuer Bedürfnisse der künftigen Käufer werden sich neue Geschäftsfelder ergeben. Auch die Unternehmen selbst werden sich verändern und anpassen müssen − und somit ebenfalls deren Produkte und Produktentwicklung.

Zur Erläuterung werden hier im Folgenden nur die Individualisierung, die Globalisierung, neue Konsummuster sowie die Wissensgesellschaft und Technologiekonvergenz vorgestellt, da diese Megatrends einen starken Einfluss auf die Produktentwicklung und auf die Thematik dieses Buches zur Beherrschung der Variantenvielfalt mithilfe modularer Produktstrukturen erkennen lassen. Diese Megatrends sind in Abb. 1.1 hervorgehoben. Diese Faktoren stellen hohe Ansprüche an die Produktentwicklung. Die Produkte selbst werden immer umfangreicher und komplizierter, die Produktvielfalt wird weiter steigen, die Anzahl und der technische Anspruch der verwendeten Technologien nehmen zu, die Produktentwicklung wird über verschiedene Standorte verteilt und von einem umfangreichen Zulieferernetzwerk gemeinsam ausgeführt. Diesen gestiegenen Anforderungen muss die heutige Produktentwicklung gerecht werden.

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Abb. 1.1

Aktuelle, globale Megatrends mit wesentlichem Einfluss auf die Produktentwicklung (Quellen siehe Text)

Die Megatrends sind im Wesentlichen auf grundlegende, soziale und technische Umwälzungen zurückzuführen, wie die verbesserte Kommunikation, sinkende Transportkosten, ein erleichterter Welthandel, sinkende Wachstumsraten bei einer gleichzeitigen Sättigung der Konsummärkte in den Industriestaaten und schließlich das rasante Wachstum einer weltweiten Mittelschicht. Diese Ursachen und ihre Wirkungen werden im Folgenden beschrieben.

Neue Stufe der Individualisierung

Naisbitt formulierte bereits 1982 den Aufstieg des Individuums (Naisbitt 1982) als Loslösung aus traditionellen sozialen Bindungen, die noch heute anhält. Konventionelle Rollenbilder machen individuellen Lebensentwürfen Platz. Der Trend der Individualisierung der Nachfrage wird durch die neuen Informations- und Werbemöglichkeiten im Internet gefördert. Dabei ist Individualismus durchaus ein globales Phänomen und zumindest langfristig nicht auf die westlichen Industriestaaten beschränkt. Massenmärkte wandeln sich damit mehr und mehr hin zu Mikromärkten (Z_punkt GmbH 2011). Durch Massenproduktion können die Grundbedürfnisse weitestgehend gedeckt werden, sodass gut informierte, kritische und preisbewusste Käufer heute zunehmend das Marktgeschehen bestimmen. Anbieter müssen sich stärker um die Gunst der Käufer bemühen (Wünsche 2015) (siehe Abb. 1.2). Abbildung 1.2 zeigt Beispiele für diesen Trend.

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Abb. 1.2

Beispielprodukte für den Trend der Modularisierung und Individualisierung (v.l.n.r. Siemens FLENDER Getriebe, Mamiya 645 Kamerasystem, LG G5 Modular Phone)¹

Eine wesentliche Rolle spielt hier die Erweiterung technischer Produkte um Serviceleistungen, deren Entwicklung bereits intensiv aufeinander abgestimmt wird. Bekannte Beispiele solcher Produkt-Service-Systeme (PSS) sind das Carsharing, Leasing-Triebwerke von Flugzeugen oder Leihfahrräder (Lindemann 2015). Für die Endkunden wird Verfügbarkeit und Flexibilität gegenüber dem Besitz des Produktes mit seiner nötigen Kapitalbindung immer wichtiger. Auch das Ansehen solcher häufig auch nachhaltigeren Serviceleistungen holt in der Gesellschaft gegenüber dem Besitz als Statussymbol auf (Z-punkt GmbH 2014).

Besonders interessant vor dem Hintergrund der Individualisierung sind die neuen Verfahren der additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM, häufig auch 3D-Druck genannt), die gegenüber herkömmlichen Technologien größere Freiheitsgrade in der Bauteilgestaltung zulassen. Dabei wird ein element- oder schichtweises Verfestigen von meist formlosem Material genutzt, um nahezu beliebige Geometrien zu fertigen (VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik 2014). Richtig in die Prozesse der Produktentwicklung, Produktanpassung und -erstellung integriert ermöglicht Additive Manufacturing die Individualisierung und sogar Personalisierung von Produkten in großer Stückzahl (Ko et al. 2015), (Spallek et al. 2016).

Globalisierung 2.0

Die Ursachen der Globalisierung liegen vor allem in neuen Kommunikationsmitteln, verbesserten Transportmöglichkeiten, liberaleren Handelsbedingungen und vereinfachten Transaktionen begründet. Die Globalisierung ist dabei keineswegs eine neue Erscheinung. Allerdings sind seit der industriellen Revolution eine durchgängige Steigerung des Wirtschaftswachstums und der Multinationalität der Unternehmen sowie eine zunehmend komplizierte und weltweite Arbeitsteilung und dichter werdende Netzwerke aus Güterströmen und Tauschbeziehungen zu beobachten (Hirst et al. 2009), (Kisker 2005). Darüber hinaus wird die sogenannte Globalisierung 2.0 nicht nur durch die bisher zu beobachtende Internationalisierung des Waren-, Leistungs- und Zahlungsverkehrs geprägt sein, sondern ebenfalls mehr und mehr durch die Verschiebung der Kräfteverhältnisse internationaler Beziehungen weg von westlichen Nationen hin zu neuen Schwerpunkten – vor allem im asiatischen Raum.

Die technische Entwicklung neuer Kommunikationsmittel hat vor allem durch das Internet eine deutlich schnellere und bessere Vernetzung von Angebot und Nachfrage verursacht. Die Telekommunikationskosten als ein extremes Beispiel sind von 1970 bis 2005 um ca. 99 % gesunken (Busse 2002). Nachdem 1988 nur acht Staaten mit dem Internet verbunden waren, sind es seit 2000 alle Nationen (International Telecommunication Union (ITU) und OECD 2008). Eine große Menge an Käufern hat damit innerhalb weniger Jahrzehnte die Möglichkeit erhalten, sich schnell über weltweite Angebote zu informieren. Anbieter auf der anderen Seite haben zeitgleich ein Werkzeug zur überregionalen Vermarktung.

Die sinkenden Transportkosten sind eine wesentliche Voraussetzung und Treiber der Globalisierung. Die niedrigen Seefrachtkosten liegen in der standardisierenden Containerschifffahrt seit den 1960er-Jahren und in der steigenden Tragfähigkeit der Schiffe begründet. Nachteil des Überseetransportes ist die vergleichsweise hohe Transportdauer mit dem daraus folgenden Verlust an Flexibilität und gebundenem Kapital. Wenn dies aber in Kauf genommen werden kann, sind die Transportkosten für Waren aus Übersee fast vernachlässigbar. So betragen die Transportkosten von Australien nach Europa für eine Tonne Eisenerz ca. 12 US-Dollar. Beispielsweise macht der Transport eines Fernsehers von Asien nach Europa etwa 1,4 % der Produktkosten aus. In Verbindung mit den deutlich verbesserten Kommunikationsmöglichkeiten und Handelsbedingungen kann die Produktentstehung immer vielfältiger und globaler gestaltet werden. Viele aufstrebende Nationen im asiatischen Raum bieten dafür mehr und mehr geeignete Industrien.

Neben den besseren Möglichkeiten der globalen Kommunikation und des Transportes unterstützt die Liberalisierung des Welthandels die wachsende Menge der internationalen Beschaffung von Waren und Produkten. Die Zölle wurden von 1988 bis 2007 im Durchschnitt mehr als halbiert, was den grenzüberschreitenden Handel deutlich fördert (United Nations Conference on Trade and Development UNCTAD 2008). Hinzu kommen internationale und regionale Integrationsabkommen. Eine wesentliche Motivation liegt in der zunehmenden Rohstoffknappheit begründet, aufgrund derer internationale Kooperationen an Bedeutung gewinnen (Borchardt 2001). Weitere Gründe sind der Bedarf der inländischen Wirtschaft an neuen Absatzmärkten und günstigen Beschaffungsquellen.

Auch wenn gerade in letzter Zeit ein Gegentrend zu verspüren ist, so ist momentan davon auszugehen, dass der Megatrend der zunehmenden Globalisierung weiter Bestand haben wird. Gerade Deutschland hat im Jahr 2016 als Exportweltmeister wieder bewiesen, dass der weltweite Handel eine tragende Säule unseres Wohlstandes und sicherlich eine Stärke der deutschen Wirtschaft ist.

Die Hindernisse im internationalen Zahlungsverkehr durch gesetzliche Bestimmungen und Transfertechnologie sind stark reduziert worden (Kisker 2005). Die Möglichkeiten von Kapitaltransfer und -anlage sind damit gewachsen und die damit einhergehenden Transaktionskosten gesunken. Wenn auch politökonomisch kritisch zu betrachten, ist das Handlungspotenzial für Unternehmen weltweit gestiegen und die Globalisierung in ihrer heutigen Form erst möglich geworden.

Die Folgen der Globalisierung für produzierende Unternehmen sind erheblich (Wiendahl und Gausemeier 2010). Auf Seiten der Einkaufsmärkte produzieren und beschaffen Unternehmen zunehmend weltweit. Unternehmenskooperationen werden mehr und mehr international und die Fragmentierung der Wertschöpfungsketten nimmt weiter zu. Allgemein bestehen bessere Exportkonditionen und Möglichkeiten der überregionalen Vermarktung. Absatzmärkte sind vor allem durch eine wachsende, konsumfreudige Mittelschicht in den Schwellenländern erweitert. Der internationale Bezug von Waren wird auch für den Endverbraucher immer selbstverständlicher. Dabei steigen neben der Menge der bezogenen Waren ebenfalls die Qualitätsansprüche . Zur Erhaltung der Marktanteile wird dies ausgenutzt, wozu allerdings auch die Angebotsvielfalt stark verbreitert und Standorte im Ausland aufgebaut werden. 60 % der Kunden des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus liegen bereits außerhalb Westeuropas (VDMA 2015).

Gleichzeitig treten durch die Globalisierung neue Wettbewerber auf. Die Produktqualität als bisher stärkster Wettbewerbsvorteil deutscher Unternehmen steigt auch in anderen Nationen deutlich an, wobei diese größtenteils ihre Lohnkostenvorteile weiterhin nutzen können. Einfache Produkte können mehr und mehr vor Ort bezogen und auch exportiert werden. Der Importanteil auch von anspruchsvollen Maschinen und Anlagen wächst, sodass der Innovations- und Technologievorsprung für den Standort Deutschland immer wichtiger wird (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. 2014). Die Anforderungen an die eigenen Produkte werden vielfältiger und verursachen eine deutlich steigende unternehmensinterne Komplexität.

Neue Konsumstruktur

Konsumverhalten folgen regional sehr unterschiedlichen Mustern, wobei diese insgesamt noch vielfältiger werden. Nach einer langen Phase steigender Nachfrage setzen westliche Nationen zunehmend wieder auf Qualität und Nachhaltigkeit (grüner Konsum) statt Quantität sowie gleichzeitig auf individualisierte Produkte (Z-punkt GmbH 2014). Demgegenüber erschließen sich Entwicklungsstaaten mit steigender Kaufkraft überregionale Konsummärkte (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. 2014). Damit entstehen neue, große Mittelschichten, die die bereits vergangenen Konsummuster der westlichen Staaten in naher Zukunft durchleben werden (Z-punkt GmbH 2014). Allein der Anteil des asiatisch-pazifischen Raumes an den weltweiten Konsumausgaben wird bis 2030 von 23 % in 2009 auf ca. 59 % ansteigen (Kharas 2010). Der Absatz von Verbrauchsgütern könnte mit dem zunehmenden Wohlstand in den Schwellenländern um das Zehnfache zunehmen (Z-punkt GmbH 2014). Digitale Absatzkanäle und gute Transportbedingungen fördern diese Entwicklung. Durch die gegensätzlichen Strömungen dieser beiden Gruppen der Weltbevölkerung entstehen wiederum eine Diversifizierung der Nachfrage und somit mehr und unterschiedlichere Produktanforderungen.

Technologiekonvergenz und stärkere Innovationsdynamik

Der exponentielle Anstieg des verfügbaren Wissens führt dazu, dass neue Technologien schneller in marktfähige Produkte integriert werden können als früher. In heutigen Produkten sind Wirkweisen aus immer vielfältigeren und spezielleren technologischen Domänen vereinigt. Mechatronische Produkte zeigen eindrucksvoll die resultierenden Herausforderungen bei der integrierten Entwicklung von Mechanik, Elektronik und Informationstechnik – wie ebenso in jüngster Zeit auch die Nano-, Bio- und Informationstechnologien (Z-punkt GmbH 2014). Sogenannte Cyber-Physical-Systems (CPS) zeichnen sich durch Produkte mit der Fähigkeit zu Entscheidungen, Kommunikation und Auslösung von Aktionen im Umfeld aus (Lindemann 2015). Diese bestehen aus eigenständigen Akteuren, vernetzt durch das Internet oder vergleichbare Netzwerke, wie zum Beispiel fernsteuerbare Smart-Homes oder vernetzte, dezentrale Energieerzeugung. Entsprechend steigen die Möglichkeiten der Sammlung, Speicherung, Nutzung und Verwertung von Daten und Informationen rapide.

Diese Entwicklungen verstärken den Trend der immer kürzer werdenden Innovationszyklen . Die steigende Frequenz der Innovation gemeinsam mit einem intensiveren Wettbewerb und sich ändernden Konsummustern stärken den Megatrend der immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen.

1.2 Folgen für die Unternehmen

Für produzierende Unternehmen führen die oben beschriebenen Megatrends zu einer Reihe von Veränderungen und Herausforderungen (siehe Abb. 1.3).

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Abb. 1.3

Herausforderungen für die Unternehmen aufgrund aktueller Megatrends

Die einfachen Möglichkeiten des internationalen Transportes, aber auch die verbesserten Kommunikationsmöglichkeiten und Handelsbedingungen führen zu einem globaler orientierten, intensiveren Wettbewerb und damit zu einem stärkeren Kostendruck. Für die Unternehmen führen die Megatrends hin zu einer immer individuelleren Nachfrage. Die aufstrebenden Mittelschichten vieler sich rasant entwickelnder Staaten werden dagegen erst in der weiteren Zukunft diesen Megatrend zum Individualismus nachholen, verstärken aber diese Nachfragevielfalt durch ihre wachsende Kaufkraft. Der Wechsel von Verkäufer- zu Käufermärkten steigert die Bedeutung der individuellen Leistungserfüllung. Große Kundenkreise in den Industrienationen sind in ihrem Konsumverhalten mittlerweile deutlich mehr qualitativ orientiertet. Um weiterhin Nachfrage zu generieren, werden in solchen Märkten häufiger neue Produkte, Funktionalitäten und Leistungen angeboten. Die Innovationshäufigkeit wird so neben Preis und Qualität immer wichtiger. Die steigende Frequenz, mit der neue technologische Entwicklungen ihre Marktreife erreichen, verstärkt diesen Trend der immer kürzer werdenden Produktzyklen. Gemeinsam mit dem Trend zur Individualisierung resultieren aus Unternehmenssicht deutlich dynamischere Anforderungen.

Als Reaktion vieler Unternehmen auf die oben genannten Entwicklungen und ihre resultierenden Herausforderungen lässt sich häufig eine Diversifizierung des Angebotes beobachten. Die erläuterten Megatrends erzeugen für viele Unternehmen durch starken Kostendruck eine sinkende Wettbewerbsfähigkeit (siehe Abb. 1.4, links). Um die Auslastung zu erhöhen, reagieren viele Unternehmen angesichts der immer individuelleren und dynamischeren Nachfrage mit einer Erweiterung der Angebotsvielfalt (Diversifizierungsstrategie), um mit neuen Produktvarianten weitere Anwendungen und Marktnischen zu erschließen und mehr Absatz zu generieren (siehe Abb. 1.4, links).

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Abb. 1.4

Diversifizierungsstrategie als Reaktion vieler Unternehmen und deren Gefahr der Selbstverstärkung (Teufelskreis der Diversifizierungsstrategie, in Anlehnung an Rathnow 1993, Franke, Waldmann)

Das Resultat ist, dass die Vielfalt der Produktprogramme vieler Unternehmen stetig steigt und mehr Sonderanfragen der Kunden durch neue Produktvarianten bedient werden müssen. Diese geforderte externe Varianz an verschiedenen Produktvarianten, aber auch an Service- und Dienstleistungen, muss intern beherrscht werden. Die externe Angebotsvielfalt induziert intern im Unternehmen zunächst eine erhöhte Komponentenvielfalt (siehe Abb. 1.4, rechts). Die Zahl an unterschiedlichen Produkten und Komponenten nimmt zu, begleitet von entsprechenden Fixkosten, zum Beispiel durch zusätzlichen Konstruktionsaufwand oder Pflege von mehr Sachnummern. Die Wiederholhäufigkeiten und Wiederverwendungen sinken, da mehr unterschiedliche Komponenten vorgehalten werden und die Suche nach bereits bestehenden Komponenten immer unübersichtlicher und damit aufwändiger wird. In der Folge steigen die Entwicklungsaufwände und die Übersicht über den immer größeren Teilestamm wird schwieriger. Entsprechend der Komponentenvielfalt kommt es ebenfalls zu einer erhöhten Prozessvielfalt in der Produktentstehung. Ausnahmeregelungen und Sonderprozesse nehmen in ihrer Anzahl zu. Die Logistik der verschiedenen Komponenten wird aufwändiger, Bestände steigen, die Losgrößen werden kleiner und Montageprozesse komplizierter. Allgemein sinkt durch die steigende Vielfalt im Unternehmen die Transparenz über Komponenten und Prozesse und die Komplexität der Abarbeitung von Aufträgen steigt im Unternehmen insgesamt an.

Die vielfältigen kostenseitigen Auswirkungen, wie zum Beispiel die Pflege von mehr Sachnummern, neue Investitionen in Produktionsmittel oder Schulungsaufwände für Service und Wartung, sind kaum verursachungsgerecht auf die neuen Produktvarianten umschlagbar. Die Herausforderungen, die durch das Angebot eines immer breiteren Produktprogrammes entstehen, sind über alle Produktlebensphasen verteilt. Sie treten zeitlich entkoppelt auf und sind zu einem wesentlichen Anteil in der gängigen Zuschlagskostenkalkulation nicht ausreichend beachtet. Die Stückkosten steigen daher deutlich stärker als für die neuen Produktvarianten einkalkuliert. Erschwerend kommt hinzu, dass die neuen Produktvarianten zur Diversifizierung des Angebotes meist knapp kalkuliert werden und in weniger attraktiven Marktsegmenten im Vergleich zu den bisher bestehenden Produkten angeboten werden. Außerdem ist nicht immer sichergestellt, dass die neuen Produktvarianten auch neue Käufer ansprechen. Unter Umständen weichen nur bestehende Kunden auf die neuen Produktvarianten aus, sodass der Absatz nicht steigt (Kannibalisierungseffekt).

Ergebnis ist, dass die neuen Produktvarianten meist unbemerkt unter Deckungsbeitrag angeboten werden, und schließlich die angestrebte Gewinnsteigerung nicht eintritt, sondern sogar die Wettbewerbsfähigkeit sinkt (siehe Abb. 1.4) (Rathnow 1993). Dies führt mittelfristig zu weniger Umsatz und veranlasst Unternehmen noch weitere Marktnischen zu suchen, um die Auslastung zu erhöhen. Damit startet der Teufelskreis der Diversifizierung erneut, ohne dass eine wirkliche Verbesserung für das Unternehmen erzielt wird.

Die steigende Produktvielfalt ist ein weit verbreiteter Trend – sie ist für viele Unternehmen für den Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit unabwendbar. Die daraus resultierenden zusätzlichen Aufwände verursachen nur zusätzliche Kosten, stellen dabei jedoch wesentliche Herausforderungen dar, da sie teilweise zum Risikofaktor werden können. Eine mögliche Reaktion darauf kann die Reduktion der Angebotsvielfalt und die Spezialisierung auf wenige Produkte sein. Allerdings ist dies langfristig gesehen häufig keine Alternative! Selten ist die Reduktion der Angebotsvielfalt ohne einen Imageverlust beim Kunden möglich. Große Teile der einmal getätigten Investitionen zum Aufbau der Angebotsvielfalt sind remanent und damit dauerhaft gebundenes Kapital (siehe Abschn.​ 2.​3.​6). Eine Reduktion der Angebotsvielfalt alleine, zum Beispiel durch das Streichen von C-Varianten mit geringem Absatz, kann zwar die internen Aufwände kurzzeitig reduzieren, aber die beschriebene Problematik der steigenden Produktvielfalt selten nachhaltig lösen (siehe Abschn.​ 2.​5.​1).

Eine komplette Vermeidung der in Abb. 1.4 gezeigten Entwicklung ist demnach meistens nicht möglich. Die Produktentwicklung kann diese jedoch durch eine passende, modulare Produktstrukturierung in ihren negativen Auswirkungen für das Unternehmen deutlich reduzieren, wie im Folgenden erläutert. Hier bieten besonders modulare Produktstrukturstrategien besondere Vorteile.

1.3 Resultierende Herausforderungen für die Produktenwicklung

Vor dem oben beschriebenen Hintergrund der aktuellen Megatrends und der Herausforderung der steigenden Produktvielfalt kommt der Produktentwicklung eine besondere Rolle zu. Durch die Definition des Produktes legt die Produktentwicklung einen Großteil der Aufwände und Handlungsspielräume der später in der Produktentstehung folgenden Unternehmensprozesse fest (siehe Abb. 1.5). So kann zum Beispiel die Entscheidung der Modulstruktur und Schnittstellen wesentlich die Aufwände der Wartbarkeit und Instandhaltung vorherbestimmen, da wichtige Komponenten unterschiedlich gut zu erreichen und auszutauschen sein werden. Auch die Montageprozesse können nur in den Grenzen der vordefinierten Modulstrukturen geplant werden.

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Abb. 1.5

Beispiele für die Bedeutung der Produktentwicklung hinsichtlich der Kosten nachfolgender Produktlebensphasen (Ehrlenspiel et al. 2007), (VDI-Gesellschaft Produkt- und Prozessgestaltung 1987)

Die Produktentwicklung muss daher in der Lage sein, die unterschiedlichen Anforderungen zu erfassen und in die Entwicklung der Produkte zu überführen. Sie nimmt so eine wichtige Funktion zwischen der „Quelle der Angebotsvielfalt im Vertrieb oder in der Produktplanung und den „Kosten der Varianz ein, die vor allem in den nachgelagerten Unternehmensprozessen Beschaffung, Fertigung, Montage, Wartung und Instandhaltung entstehen. Im Kontext der oben beschriebenen Auswirkungen der Produktvielfalt (Teufelskreis) kann die Produktentwicklung Einfluss nehmen, indem sie versucht, die geforderte Produktvielfalt mit einem Minimum an interner Vielfalt an Komponenten und Prozessen zu entwickeln (siehe Abb. 1.6).

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Abb. 1.6

Einflussbereich der Produktentwicklung im oben beschriebenen Teufelskreis der Diversifizierungsstrategie (vergleiche Abb. 1.4)

Das Ziel ist es dabei, die geplante Angebotsvielfalt nicht eins zu eins auf die interne Vielfalt an Komponenten und Prozessen zu übertragen, sondern die Konfiguration der marktseitig geforderten Produktvielfalt zu vereinfachen.

1.4 Modulare Produktstrukturen als Lösungsstrategie

Aus der Sicht der Produktentwicklung bieten modulare Produktstrukturstrategien sehr gute Potenziale, eine extern geforderte Angebotsvielfalt mithilfe einer möglichst geringen, unternehmensinternen Vielfalt an Komponenten und Prozessen zu deren Herstellung bereitzustellen. Gleichzeitig werden weitere Vorteile in allen Lebensphasen realisiert.

Als Produktstrukturierung wird dabei die zielorientierte Gestaltung der Produktstruktur mit ihrer Modularität und Schnittstellen nach technisch-funktionalen und/oder produktstrategischen Gesichtspunkten verstanden. Module besitzen zu anderen Modulen und Komponenten des Produktes vergleichsweise einfache Schnittstellen und erfüllen eine (oder wenige) klar festgelegte Funktionen. Sie sind hervorragend geeignet für die einfache Bildung von Produktvarianten durch Kombination und können durch die Verwendung in mehreren Produkten in höheren Stückzahlen gefertigt werden, was Einsparungsmöglichkeiten durch Skalen- und Lernkurveneffekte mit sich bringen kann.

Ziel ist es, durch modulare Produktstrukturen die Angebotsvielfalt am Markt mithilfe einer reduzierten internen Vielfalt an Komponenten und Prozessen bereitstellen zu können (siehe Abb. 1.7).

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Abb. 1.7

Handlungsmöglichkeit der Produktentwicklung hinsichtlich wachsender interner Vielfalt an Komponenten und Prozessen durch Nutzung modularer Produktstrukturen zum „Aufbrechen" des Teufelskreises (vergleiche Abb. 1.4 und Abb. 1.6).

Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Megatrends ist eine übergeordnete Planung der Produktstrukturen über die einzelnen Entwicklungsaufträge hinaus für viele Unternehmen unabdingbar, soll die unternehmensinterne Komplexität nicht langfristig zum Risiko werden. Allerdings werden dazu meist nicht die nötigen Kapazitäten vorgesehen, da die Produktentwicklung aufgrund immer schneller werdender Marktzyklen häufig einen Engpass in der Produktentstehung darstellt.

Bei einer übergreifenden Betrachtung des Produktprogrammes über eine Produktfamilie hinaus kann die gezielte, modulare Produktstrukturierung große Potenziale eröffnen. Im Vordergrund stehen hier Einsparungen durch Kommunalitäten – also das Ausnutzen von Gemeinsamkeiten verschiedener Produkte mit dem Ziel, die interne Varianz im Unternehmen zu reduzieren. Hierbei können durch die gemeinsame Verwendung von Komponenten oder Modulen zwischen verschiedenen Produktfamilien oder sogar Produktlinien große Einsparungen durch Stückzahleneffekte erzielt werden. Meist stellt dies den wichtigsten Aspekt bei der Betrachtung dar. Verschiedenen Innovationszyklen kann mithilfe einer modularen Produktstruktur besser begegnet werden (Dirzus und Bartles 2017).

Die Reduktion der internen Komplexität und die vereinfachte Konfiguration von Produktvarianten sind die wesentlichen Vorteile, die eine gezielte Modularisierung erschließen kann. Neben der Reduktion der internen Komplexität können durch modulare Produktstrukturierung weitere Vorteile für alle Produktlebensphasen generiert werden (siehe Abschn.​ 4.​4). Wesentlich ist dabei, dass das Ziel der Modularisierung nicht zwingend eine möglichst hohe Modularität der Produktstruktur ist. Vielmehr ist eine strategisch, unternehmens- und produktspezifisch optimale Produktstruktur anzustreben, bei der gezielt und geschickt Modulgrenzen festgelegt werden, um Vorteile in allen Produktlebensphasen zu erreichen. Eine individuell entwickelte Modulstrategie hilft somit jedem Unternehmen, unabhängig von Stückzahlen oder Individualität der Produkte, und wird aktuell als eines der wesentlichen Handlungsfelder für die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit deutscher Unternehmen gesehen (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. 2014), (Roland Berger Strategy Consultants 2012), (Kortmann et al. 2009).

1.5 Ziel und Aufbau dieses Buches

Zielgruppe

Dieses Buch richtet sich an Produktentwickler und Entscheider in der Praxis. Da Begriffe der Entwicklung modularer Produktfamilien in der Praxis sehr verschieden verwendet werden, werden diese übersichtlich dargestellt. Es werden die Grundlagen, Potenziale und Lösungsmöglichkeiten vermittelt.

Für die Wissenschaft und Forschung soll dieses Buch durch Grundlagenkapitel, Beispiele und Glossar ein hilfreiches Nachschlagewerk bieten und gleichzeitig ein Jahrzehnt Forschung auf dem Gebiet der Entwicklung modularer Produktfamilien am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (PKT) an der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) zusammenfassend darstellen.

Interessierte Studierende ingenieurwissenschaftlicher Fächer und vor allem der Produktentwicklung können aufbauend auf den Grundlagen eines Bachelorstudiums in die Entwicklung modularer Produktfamilien eintauchen und finden die nötigen Grundlagen und Beispiele.

Fokus

Dieses Buch fokussiert die Entwicklung modularer Produktfamilien und adressiert dadurch vornehmlich die Aspekte Modularisierung beziehungsweise Modularität sowie Variantenvielfalt und -reduktion. Es ist damit auf die Entwicklung von variantenreichen Produkten mit einer modularen Produktstruktur ausgerichtet.

Die Inhalte sind als Ergänzung zur gängigen Produktentwicklungsmethodik zu verstehen, es wird auf die nötigen Grundlagen der Modularität und Variantenvielfalt eingegangen (Kap.​ 2 bis 4), die entsprechenden Methoden behandelt (Kap.​ 5 und 6) und diese in bekannte Prozesse der Produktentwicklung verortet (Kap.​ 7).

Ziele und Kernbotschaften

Übersicht modularer Produktstrukturstrategien – Verschiedene Produktstrukturstrategien, wie Modulbaukasten, Plattform oder Gleichteilestrategie, sind in jüngster Vergangenheit häufig und sehr unterschiedlich in den Medien und der Fachliteratur geprägt worden. Gleichzeitig sind sie keine strengen Alternativen der Produktstrukturierung, sondern vielmehr ideelle Grundprinzipien, die sehr vielfältig und skalierbar für das eigene Unternehmen und Produkt genutzt werden können. Aufwand und Nutzen der Modularisierung sind damit skalierbar.

Begriffsklärungen – Die stark unterschiedlichen Verständnisse der grundlegenden Begriffe im Thema erschweren häufig die Umsetzung in der Praxis. In diesem Buch werden einheitliche Definitionen vorgeschlagen und durch einen Glossar in Kap.​ 8 übersichtlich dargestellt.

Modularisierung – Modularisierung bedeutet nach dem Verständnis der Autoren die Entwicklung der modularen Produktstruktur passend zu allen Anforderungen (Modultreibern) aus allen Produktlebensphasen. Durch die Modularisierung werden die Komponenten einer Produktfamilie sinnvoll für alle Produktlebensphasen in Modulen organisiert und voneinander mithilfe klar definierter Schnittstellen entkoppelt. Das Ziel der Produktmodularisierung ist nicht die Maximierung der Modularität, sondern die Optimierung der modularen Produktstruktur für alle Produktlebensphasen (Pahl et al. 2007). Die Module dienen der einfachen Konfiguration der vom Markt verlangten Produktvielfalt und können intern als einfache organisatorische Betrachtungseinheit übergreifend verwendet werden. Eine modulare Produktstruktur stellt immer einen Kompromiss dar. Die Modularisierung ist daher keine rein technische Aufgabe. Es müssen vielmehr die beteiligten Personen an der Kompromissbildung beteiligt werden, damit dieser auch nachhaltig mitgetragen wird. In der Praxis können viele der Einflussfaktoren mathematisch nicht berücksichtigt werden, daher wird ein rein mathematisches Optimieren von Produktstrukturen oder -architekturen nicht zu einem nachhaltigen Ergebnis führen.

Bewusstsein für die Komplexitätskosten als zusätzliche Entscheidungsgrundlage – Die steigende Produktvielfalt verursacht im Unternehmen hohe Komplexitätskosten, die aufgrund ihres stark verzögerten und abteilungsübergreifenden Auftretens nur schwer abgeschätzt werden können. Entscheidungen in der Produktentwicklung werden gleichzeitig in vielen Unternehmen mit einem starken Fokus auf die Herstellkosten getroffen (wenn nicht sogar nur darauf beschränkt). Das Bewusstsein für die Komplexitätskosten und das Verständnis für die Auswirkungen von Komponentenvielfalt sind in vielen Unternehmen bei weitem noch nicht ausreichend geschärft. Wichtig ist es, dass bei produktbezogenen Entscheidungen in der Produktentstehung als ökonomische Kennzahl nicht nur auf die Herstellkosten fokussiert wird, sondern als eine weitere wichtige Kennzahl die Komplexitätskosten mitberücksichtigt werden, um den internen Komplexitätszuwachs nachhaltig zu begrenzen.

Vereinfachte Abbildung der externen und internen Komplexität (Analysemodell) – Die geforderte Angebotsvielfalt, die dadurch entstandene, unternehmensinterne Komplexität sowie die verschiedenen Auswirkungen einer Modularisierung und deren Modultreiber sind äußerst umfangreiche und komplizierte Zusammenhänge. Gerade in der Literatur werden häufig Ansätze vorgestellt, diese Komplexität aus der Realität nahezu vollständig in Modelle zu überführen, um anschließend mit diesen Analysen durchzuführen und Lösungen zu entwickeln. In der Praxis scheitern diese Ansätze oft durch den Grundsatz der möglichst vollständigen Abbildung der realen Komplexität im Unternehmen in Modellen, um mathematische Optimierungen durchzuführen. In dem Buch wird die grundsätzliche Strategie verfolgt, jeweils für eine Fragestellung die notwendigen Informationen zusammenzutragen und nur diese zu analysieren. Aus einem Gesamtmodell werden nur die für die Durchführung einer bestimmten Analyse