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Die Kernidee liegt dabei darin, über das Design zur reinen Funktionalität hin abzuweichen, und stattdessen die Zusammenarbeit zwischen allen Beteiligten (z.B. Design, Fertigung, Lieferkette) von Anfang an zu suchen.
Traditionelle Produktentwicklung vs. Design for X
Die traditionelle Produktentwicklung wird oft als sequentielles Konstruieren bezeichnet.
- Die Designteams arbeiten in relativer Isolation, um ein Produkt zu entwickeln, das in Hinsicht auf Funktion und Leistung optimiert ist.
- Das „fertige“ Design wird dann „über eine Wand geworfen“ hinter der dann das nächste Team (z.B. die Fertigung) wartet.
- Die Fertigungsabteilung entdeckt dann, dass das Teil auf diese Art und Weise schwierig oder nur kostspielig herzustellen ist. Die Beschaffung wiederum stellt fest, dass die Bestandteile sehr teuer oder nur schwer zu beschaffen sind. Die Qualitätskontrolle stellt dazu dann noch potenzielle Schwierigkeiten bei den notwendigen Prüfungsabläufen fest.
- Jede dieser auf das Design folgenden Entdeckungen erzeugt eine kostspielige iterative Schleife, die den Entwurf an die Designabteilung zurücksendet, was die Fristen verschiebt und die Kosten erhöht.
Der Ansatz des Design for X nutzt hingegen gleichzeitiges Konstruieren, um diese Abläufe umzukehren. Es nutzt sogenanntes „Downstream-Wissen“ (also aus Abteilungen wie der Fertigung, der Beschaffung oder Qualitätskontrolle) im „Upstream“-Bereich der frühen Entwicklungsphase.
Diese gleichzeitige Methode identifiziert und löst Konflikte deutlich früher zu einem Zeitpunkt, an dem die Änderungen am schnellsten und günstigsten zu implementieren sind. Man verschiebt dabei den Zeitplan so, dass es eine längere gemeinschaftliche „Inkubationszeit“ in der Designphase gibt, um größere Rückschläge in späteren Phasen zu vermeiden.r stages.
DfX Kernprinzipien
Während das DfX viele unterschiedliche Methoden beinhaltet, werden diese alle von einer Reihe von Kernprinzipien geleitet. Diese Prinzipien leiten die Designentscheidungen und den kollaborativen Ansatz für jedes „X“, das man zu optimieren versucht.
Die folgende Tabelle zeigt eine kurze Zusammenfassung dieser Prinzipien.
| Prinzip | Definition & Kritische Bedeutung |
| Funktionsübergreifende Zusammenarbeit | Einbeziehung aller Beteiligten bzw. Stakeholder (Fertigung, Beschaffung, Qualitätskontrolle) von Anfang an. Dies vermeidet teure Fehler, indem reale Einschränkungen frühzeitig in die Entwicklung miteinbezogen werden. |
| Frühe Integration | Anwendung der DfX-Prinzipien während der Konzeptionierungsphase. Änderungen in der Designphase sind exponentiell günstiger und schneller als nach dem Prototyping oder sogar erst in der Produktion. |
| Vereinfachung | Reduzierung der Anzahl an Teilen und ihrer Komplexität. Einfache Konstruktionen sind einfacher zu fertigen, leichter zu montieren und zudem verlässlicher. |
| Normierung | Priorisierung von Normen, handelsüblichen Komponenten und Materialien. Dies reduziert die Kosten, verkürzt Vorlaufzeiten und verbessert die Verlässlichkeit durch bereits bewährte Teile. |
| Fehlersicherung (Poka-Yoke) | Konstruktion von Merkmalen, die eine fehlerhafte Montage physikalisch verhindern (z.B. asymmetrische Löcher). Dadurch werden Fehler vermieden und die Qualität verbessert. |
| Messbare Ziele | Die Nutzung quantitativer Metriken (wie Kostenschätzungen und Fehlerraten), um objektive, datengesteuerte Entscheidungen im Rahmen der Konstruktion zu treffen, statt sich auf rein subjektive Wahrnehmungen und Meinungen zu verlassen. |
| Iterative Verbesserung | Das DfX wird als fortlaufender Prozess betrachtet, und nicht als einmalig abzuhakende Checkliste. Dies sorgt für kontinuierliche Verbesserungen, während das Design reift. |
Funktionsübergreifende Zusammenarbeit
Dies ist die wichtigste treibende Kraft. Die Konstrukteure müssen mit allen anderen Beteiligten (Fertigung, Beschaffung, Qualitätskontrolle usw.) von Beginn des Projekts an zusammenarbeiten, selbst wenn sie selbst bereits einen großen Kreis an Kompetenzen mit sich bringen. Ein Experte aus der Fertigung oder der Lieferkette kann reale Einschätzungen geben, sowie Kosten und Lieferantenrisiken identifizieren, die ein Konstrukteur isoliert von der alltäglichen Arbeit übersehen könnte.
Frühe Integration
Die DfX-Prinzipien müssen bereits während der Konzeptions- und Vorentwurfsphase angewendet werden, und nicht erst, nachdem der Entwurf „fertig“ ist. Zu Beginn eines Projekts ist die Flexibilität am höchsten, während die Kosten für Veränderungen am geringsten sind. Einen Fehler erst nach der Prototypenfertigung oder sogar erst während der Produktion zu bemerken ist exponentiell teurer und zeitaufwändiger, da es eine erneute Aufarbeitung detaillierter Konstruktionsarbeiten notwendig macht.
Vereinfachung
Ein einfaches Design ist oft das beste Design. Einfachere Konstruktionen sind in der Regel günstiger herzustellen, einfacher zu montieren, fallen seltener aus und sind dabei für Wartungsarbeiten zugänglicher.
Um diese Einfachheit zu erreichen, ist oft eine signifikante Zusammenarbeit seitens des gesamten Teams notwendig.
Normierung
Dieses Prinzip priorisiert den Einsatz von normierten Komponenten, Materialien und Lösungen von der Stange, statt alles individuell zu gestalten. Diese Standardkomponenten senken die Kosten, verkürzen die Vorlaufzeiten und verbessern die Zuverlässigkeit, da sie leicht verfügbar und zudem erprobt sind.
Fehlervermeidung
Falls es möglich ist, dass ein Fehler gemacht wird, so wird ihn, irgendwann, auch jemand machen. Prinzipien wie die Fehlervermeidung, das „Narrensichermachen“ oder Poka Yoke sind so konzipiert, dass Fehler durch physikalische Einschränkungen, markante Orientierungsmerkmale (denken Sie nur einmal an den Aufwand für das korrekte Einstecken eines USB-Sticks) und Montagereihenfolgen / -merkmale, die eine korrekte Aufführung sicherstellen können, vermieden werden.
Einfache Merkmale wie asymmetrische Löcher, Kerben oder einzigartige Steckverbinder können Montagefehler vermeiden und somit die Qualität verbessern. Eine leicht zu schweißende Baugruppe braucht oft nicht mehr als die allgemeinen Abmessungen und Teilnummern in der technischen Zeichnung.
Messbare Ziele
Die DfX-Methodik nutzt quantitative Metriken, um Designentscheidungen zu bewerten, statt sich auf subjektive Meinungen zu verlassen. Metriken, wie die geschätzte Montagezeit, Montagekostenschätzungen und Verlässlichkeitskalkulationen erlauben eine objektive und datenbezogene Entscheidung beim Vergleich verschiedener Konstruktionsansätze.
Iterative Verbesserung
Das DfX ist dabei keine Einmal-Checkliste, sondern ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess während des gesamten Entwicklungszyklus. Das Ziel ist dabei, die Herausforderungen und Gelegenheiten für die Optimierung so früh wie möglich zu entdecken. Wenn das Design dann reift, entstehen neue Informationen, und die DfX-Prinzipien führen mit diesen zu einer weiteren Verbesserung des Produkts.
Diese Prinzipien manifestieren sich in spezifischen Praktiken: Designprüfungen mit funktionsübergreifenden Teams, Checklisten für jeden Bereich des DfX, Analysetools für Kosten und Komplexität sowie Designrichtlinien, die institutionelles Wissen erfassen.
Wie ist DfX in Relation zu anderen Entwurfsmethoden positioniert
Design for X ist kein eigenständiges System, das mit anderen Designphilosophien konkurriert. Stattdessen ist DfX eine Sammlung aus Werkzeugen und Praktiken zur Stärkung und Ergänzung anderer Methoden wie Lean, Six Sigma und TQM.
Gleichzeitiges Konstruieren
Das gleichzeitige Konstruieren (mit funktionsübergreifenden Teams und parallelen Arbeitsabläufen) ist die treibende Kraft hinter DfX. DfX stellt dabei die spezifischen Regeln und Richtlinien (wie DfM, DfA) bereit, die gleichzeitig agierende Teams nutzen, um ihre Entscheidungen zu treffen. Sie können DfX nicht effektiv implementieren, wenn Ihre Unternehmensstruktur noch isoliert voneinander ist.
Schlanke (Lean) Fertigung
Lean, also die schlanke Fertigung, konzentriert sich auf die Beseitigung von Verschwendung (z.B. durch Überproduktion, Defekte, unnötigen Lagerbestand), um die Effizienz zu verbessern, und die Kosten zu senken. Die DfX-Prinzipien wie Vereinfachung (weniger Teile), Normierung (standardisierte Komponenten) sowie DfM (Design for Manufacturing) sind alles leistungsstarke Werkzeuge, die direkt das Ziel von Lean, die Verschwendung zu mindern, in der Designphase einbringt.
Six Sigma
Six Sigma stellt eine datengesteuerte Methodik dar, die sich auf die Reduzierung der Prozessabweichungen und Defekte konzentriert, um eine hohe Produktionsqualität zu erreichen. DfX unterstützt diesen Ansatz, indem es die Minderung der Abweichungen bereits auf der Designebene angeht. So ist zum Beispiel ein Entwurf, der generell größere Toleranzen zulässt, und dabei immer noch funktioniert, inhärent robuster und weniger empfindlich gegenüber Prozessabweichungen, wodurch die Six Sigma – Ziele einfacher zu erreichen sind.
Total Quality Management (TQM)
TQM ist ein Managementsystem, das die Qualität zum Belang jeder beteiligten Person im Unternehmen macht. DfX spiegelt diese Philosophie perfekt wider, indem alle Beteiligten (Fertigung, Qualitätskontrolle usw.) in der Konstruktion miteinbezogen werden, um potenzielle Qualitätsprobleme zu erkennen und zu verhindern, bevor sie überhaupt erst entstehen.
Letztendlich sollte DfX als komplementärer Ansatz bewertet werden; es bietet Werkzeuge, die sich mit anderen bestehenden Methodiken zu deren Verbesserung integrieren lassen, statt ein konkurrierender Rahmen zu sein.
DfX-Methoden
Die DfX-Methoden können dabei entsprechend der wichtigsten Produktlebenszyklen kategorisiert werden, die sie behandeln: Entwicklung, Produktion, Verwendung und Entsorgung. Dieser Abschnitt betrachtet die jeweiligen Phasen, ihre Ziele sowie die spezifischen Methoden, die eingesetzt werden, um diese zu erreichen.
Entwicklungsphase
Die DfX-Entwicklungsphase konzentriert sich auf die Beschleunigung der Zeitachse in den frühen Stadien. Zu den wichtigsten Zielen gehört dabei die Verkürzung der Markteinführungszeit, die Sicherstellung der Testbarkeit sowie die Gewährleistung der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften vom ersten Tag an.
Die primären Design for X Methoden in dieser Phase sind:
| Methodik | Fokusbereich |
| Design für kurze Markteinführungszeiten (DfTT) | Geschwindigkeit, Modularität und Wiederverwendung von Designs. |
| Design für Prüfbarkeit (DfT) | Validierung, Diagnose und einfache Inspektionen. |
| Design für Compliance (DfC) | Einhaltung von Vorschriften, Sicherheitsstandard und Zertifizierung |
Design für kurze Markteinführungszeiten (DfTT)
Je individueller ein Entwurf ist, umso länger wird das Projekt dauern. Design for Short Time to Market, also das Design für kurze Markteinführungszeiten, betont die Wiederverwendung von bereits vorhandenen Entwürfen, die Erstellung modularer Komponenten, die unterschiedlichen Anforderungen mit minimalen Anpassungen gerecht werden können und die Verwendung von standardisierten Komponenten, wann immer dies möglich ist.
- Vereinfachung: Reduziert die Entscheidungs- und Iterationszyklen.
- Validierung: Simulationen dienen als erster Schritt vor der physischen Fertigung, während Rapid Prototyping ein schnelles Testen des Produkts erlaubt.
Der größte notwendige Kompromiss ist dabei die potenzielle Beschränkung der Innovation, da die Nutzung bestehender Lösung die Möglichkeit einschränkt, diese zu verbessern. Oft ist jedoch der Geschwindigkeitsvorteil entscheidend.
Beispiel: Der MQB-Ansatz von Volkswagen reduziert die Entwicklungszeit für jedes Modell erheblich, indem validierte Aufhängungs-, Antriebsstrang- und Sicherheitsstrukturen für verschiedene Fahrzeuge verwendet werden.
Design für Prüfbarkeit (DfT)
Design for Testability, als das Design für Prüfbarkeit, stellt sicher, dass Produkt effektive geprüft und validiert werden können. Zu den wichtigsten Prinzipien gehören dabei die Sicherstellung des Zugangs für Testgeräte (und er Berücksichtigung bestehender Kapazitäten), die Einbeziehung von Selbsttestfunktionen sowie die Ermöglichung isolierter Subsystemtests vor der kompletten Integration.
- In der Elektronik: Bedeutet dies, dass zugängliche Testpads und Diagnoseanschlüsse enthalten sind.
- Im Maschinenbau: Geht es darum, den korrekten Zugang für Prüfwerkzeuge und klare Referenzflächen für Messungen zu schaffen. Es müssen zudem klare Kriterien für das Bestehen oder Verfehlen von Prüfzielen etabliert werden, um eine objektive Bewertung sicherzustellen.
Die Vorteile aus diesem Ansatz sind schnelle, einfache Tests, vereinfachte Fehlerbehebung und reduzierte Garantiekosten. Der einzugehende Kompromiss ist mit diesem Ansatz eine höhere Designkomplexität, um die erforderlichen Funktionen zu inkludieren, was jedoch auch zu Kosteneinsparungen durch genaue Prüfungen führt, die diese Investition in der Regel ausgleichen.
Beispiel: Moderne Smartphone-Hersteller integrieren Testpads auf Leiterplatten, um Funktionstests wichtiger Subsysteme (z.B. Stromversorgung, Sensoren) um Funktionstest vor der Endmontage zu ermöglichen.
Design für Compliance (DfC)
Alle gewerblichen Produkte müssen bestimmte regulatorische, Sicherheits- und Industrienormen einhalten. Design for Compliance priorisiert diese Anforderungen von Anfang an, um kostspielige nachträgliche Änderungen zu vermeiden.
Die beteiligten Ingenieure müssen relevante Normen – wie z.B. für Not-Aus-Schalter für Maschinen – frühzeitig erkennen und den Entwurf entsprechend konstruieren. Branchenspezifische Überlegungen beinhalten:
- Elektrik: Sicherheitsstandards und Elektromagnetische Kompatibilitätanforderungen (EMC).
- Medizin: Strenge Regelungen für Medizingeräte und Einschränkungen bei Materialien.
- Druckbehälter: Spezifische Konstruktionsrichtlinien und Sicherheitsfaktoren.
Diese Liste wächst mit jedem erschlossenen Markt. Die Nichteinhaltung des DfC kann die kommerzielle Einführung des Produkts verzögern und das rechtliche Risiko erhöhen. Während es mehr kostet, die „Dinge gleich zu Beginn richtigzumachen“, gewährt es dennoch einen glatteren Zugang in die Märkte und schützt dabei den Umsatz.
Beispiel: Hersteller von Kollaborativen Robotern müssen gemäß ISO 10218 und ISO/TS 15066 konforme Entwürfe verwenden, die kraftbegrenzte Aktuatoren, abgerundete Kanten und Not-Stop-Systeme direkt in die Hardware integrieren.
Produktionsphase
Die Produktionsphase zoomt direkt auf die individuellen Phasen der Fertigung, von der ersten Planung bis hin zur Endkontrolle. Während dieser Phase werden die unterschiedlichsten DfX – Methoden zur Optimierung der Kosten, Montagegeschwindigkeit, Qualität und Resilienz der Lieferketten eingesetzt, um diese Bereiche zu optimieren.
Die primären Design for X Methoden in dieser Phase sind:
| Methodik | Fokusbereich |
| Design for Cost (DfC) | Zielpreis und Kosten erreichen, ohne auf Qualität zu verzichten. |
| Design for Assembly (DfA) | Vereinfachung der Montage zur Reduzierung von Fehlern und Arbeitszeit. |
| Design for Manufacturing (DfM) | Optimierung des Entwurfs für spezifische Fertigungsverfahren. |
| Design for Inspection (DfI) | Sicherstellung, dass kritische Merkmale leicht überprüft werden können. |
| Design for Supply Chain (DfSC) | Reduzierung der Abhängigkeit von Lieferketten und Beschaffungsrisiken. |
Design for Cost (DfC)
Design for Cost oder auch Design zum Kostenziel hin, optimiert das Produktdesign dergestalt, dass bestimmte Kostenziele beim Erhalt von Funktionalität und Qualität dennoch eingehalten werden. Dies stellt einen strategischen Ansatz dar, der die Kosten von Anfang an als eine strikte Anforderung an den Entwurf behandelt, und nicht als nachträglichen Gedankengang.
Dieser Ansatz beinhaltet die Minimierung der Teileanzahl, die Auswahl von Standardkomponenten und die Auswahl geeigneter Verfahren für das angestrebte Produktionsvolumen. Ingenieure können zum Beispiel Software für Sofort-Angebote nutzen, um die Kosten verschiedener Designansätze und Stückzahlen zu vergleichen, was den Gesamtprozess unterstützt. Darüber hinaus können Fertigungs- und Beschaffungsexperten dazu beitragen, wertvolle Einsichten hinsichtlich der verschiedenen Optionen zu erlangen.
Beim Einsatz des Design-to-Cost-Ansatzes ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass es sich dabei um einen strategischen Ansatz handelt, der die Kosten bereits von Projektbeginn an als Anforderung an den Entwurf behandeln soll. Es geht jedoch nicht darum, die Kosten ohne Rücksicht auf Verluste zu senken.
Beispiel: Das Design von IKEA-Möbeln beinhaltet in jedem Schritt DfC-Prinzipien. Durch die Nutzung standardisierter Teile und kostengünstiger, hochfester Materialien, wie Wabenkerne aus Pappe zwischen Faserplatten eingelegt, sind sie in der Lage, die Kosten signifikante zu senken, und Erscheinungsbild und Funktionalität zu bewahren.
Design for Assembly (DfA)
Die Arbeit in der Montage stellt oft einen signifikanten Anteil an den gesamten Fertigungskosten dar, und ist dabei oft die Hauptquelle für Probleme mit der Qualität. Das Design für die Montage zielt darauf ab, diesen Prozess zu vereinfachen, und damit Fehler zu reduzieren und die Produktion zu beschleunigen.
Die Hauptwerkzeuge, um diese zu erreichen, sind:
- Minimierung der Anzahl er Teile zur Reduzierung der Komplexität.
- Design für die Montage von oben nach unten, um die Schwerkraft zu nutzen.
- Gestaltung sich selbst lokalisierender Merkmale und die Anwendung von Symmetrien um Ausrichtungsfehler zu vermeiden.
- Fehlervermeidung
- Clevere Verbindungselemente, wie Schnappverschlüsse oder Gewindevorbohrungen.
- Modulare Unterbaugruppen für ein paralleles Arbeiten.
- Zugänglichkeit
Die klaren Vorteile sind eine verkürzte Montagezeit, weniger Fehler (auch bei weniger Schulung für Monteure) sowie eine verbesserte Produktqualität.
Beispiel: Die Staubfangbehälter von Dyson sind transparent und nutzen Schnappverschlüsse. Dadurch werden die Montageabläufe einfacher zu befolgen und sind gegen Fehler besser gesichert, ideal sowohl für das Prototyping als auch die Massenproduktion.
Design for Manufacturing (DfM)
Das Design zur Herstellbarkeit (Manufacturability) hin schneidert den Entwurf auf die Realitäten in den Produktionsbereichen zu. Die Berücksichtigung der Verfügbarkeit und der Einschränkungen der Produktionsverfahren gewährleistet angemessene Kosten, kurze Lieferzeiten und verringern die Gefahr von Reklamationen durch die resultierende hohe Qualität erheblich.
Die wichtigsten Prinzipien sind dabei, weithin verfügbare Verfahren zu präferieren, für Standardwerkzeuge zu konstruieren, und dabei Materialien zu verwenden, die einfach maschinell zu bearbeiten oder zu formen sind. Ein Entwurf, den viele Hersteller ohne aufwändiges Hin- und Her-Kommunizieren fertigen können, sorgt für Stabilität in der Lieferkette.
Es ist deshalb großartig, einen Produktionsingenieur zur Verfügung stehen zu haben, da es viele Besonderheiten der einzelnen Verfahren zu beachten gibt. Viele der Best Practices hängen auch stark von den angestrebten Produktionsmengen an.
Beispiel: Empfohlene Biegeradien für Materialstärken beim Abkanten, korrekte Platzierung von Trennlinien im Druckguss sowie die Nutzung vertretbarer Toleranzen im CNC-Bereich.
Design for Inspection (DfI)
Das Design für die Prüfung (DfI) stellt sicher, dass Merkmale mit kritischer Relevanz effektiv während der Produktion, und während der gesamten Lebensdauer des Produkts, gemessen und verifiziert werden können.
Die Inspektionen und Prüfungen sollten einfach sein und im Idealfall keine spezielle Ausrüstung erfordern.
Zu den wichtigsten Strategien gehören:
- Leichten Zugang zu den kritischen Messpunkten gewährleisten.
- Einbeziehung klarer Bezugsmerkmale (für GD&T) für konsistente Messungen.
- Vermeidung indirekter Messvorgänge, die eine Berechnung erfordern.
Ein wirklich gutes Design berücksichtigt nicht nur die Messungen während der Produktion, wie mit KMG-Maschinen, sondern auch die Inspektionen im Feld, wo Messschieber, Mikrometer und Sichtprüfungen zum Einsatz kommen.
Gut durchdachte Inspektionsmerkmale ermöglichen eine statistische Prozesskontrolle (SPC) und eine frühzeitige Erkennung von Fehlern, bevor eine vollständige Charge fehlerhafter Teile produziert wurde.
Beispiel: Die Holme von Flugzeugflügeln verfügen über Inspektionsöffnungen, die den Zugang zu den internen Schraubverbindungen und strukturellen Verbindungen ermöglichen, ohne dass der Flügel dafür demontiert werden muss.
Design for Supply Chain (DfSC)
Das Design für die Lieferkette umfasst alles vom Rohmaterial bis hin zu Fertigungspartnern. Design for Supply Chain zielt dabei auf die Reduzierung der Abhängigkeit von einzelnen Bezugsquellen ab, und versucht damit die Risiken in der Beschaffung zu minimieren.
Der Entwurf spielt dabei natürlich eine wichtige Rolle, da er die Materialauswahl festlegt und jene Bauteile bestimmt, die aus verschiedenen Quellen verfügbar sind.
Selbst wenn identische Teile über mehrere Zulieferer bezogen werden können, können sie dennoch aus der gleichen Quelle stammen. Manchmal gibt es eine ganze Reihe von Firmen, die Produkte mit den gleichen Hauptmaßen produzieren, oder viele Zulieferer für Ersatzteile (z.B. B-Teile in der Automobilindustrie).
Die Materialauswahl ist dabei ebenso entscheidend, wobei die Beschaffung ungewöhnlicher („exotischer“) Gütegrade kann dabei herausfordernd sein, eine Fragilität von Lieferketten, die das kürzlich aufgezeigte Lieferkettenproblem mehr als deutlich gemacht hat. Dennoch sind diese Materialien oft entscheidend und in manchen Fällen auch die einzige mögliche Wahl.
Die Wiederverwendung dieser Materialien über mehrere Entwürfe unterschiedlicher Teile hinweg kann einem Beschaffungsteam, durch die zusammenkommenden Mengen, eben jenen Hebel in die Hand geben, den sie in den Verhandlungen benötigen.
Grundsätzlich bietet die Berücksichtigung der Lieferketten eindeutig reduzierte Kosten, kürzere Vorlaufzeiten, geringere Lagerbestände und Resilienz in turbulenten Zeiten.
Beispiel: Ein Standardansatz besteht darin, die Vielfalt der verwendeten normierten Befestigungsmittel im Allgemeinen auf 20 bis 40 individuelle Typen zu beschränken. Dies beinhaltetet in der Regel die üblichen metrischen Abmessungen (z.B. M6, M8, M10), die alle in zwei bis drei Längenvarianten angeboten werden.
Nutzungsphase
Bei der Betrachtung der Nutzungsphase blickt man auf die Lebensdauer des Produkts und konzentriert sich auf Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit. Das Ziel ist es sicherzustellen, dass das Produkt wie beabsichtigt funktioniert, seinen Benutzer schützt und dabei einfach zu warten ist.
Die primären “Design for X” – Methoden in dieser Phase sind:
| Methodik | Fokusbereich |
| Design for Safety (DfS) | Identifizierung und Minderung von Gefahren für Anwender und Bediener. |
| Design for Quality (DfQ) | Schaffung von Qualität im Design durch robuste Spezifikationen. |
| Design for Reliability (DfR) | Maximierung der Lebensdauer und Minimierung der Ausfallraten. |
| Design for Maintenance (DfM) | Vereinfachung der Wartung und des Komponentenaustauschs zur Reduzierung von Ausfallzeiten. |
Design for Safety (DfS)
Die Sicherheit ist oberstes Gebot. Das Design zur Sicherheit hin identifiziert und vermindert Gefahren, um Benutzer, Bedienungspersonal und Servicepersonal während des gesamten Lebenszyklus zu schützen. Während dafür Normen und Richtlinien existieren, so muss jeder Ingenieur im Entwurf auch den gesunden Menschenverstand anwenden.
Zu den wichtigsten Abwägungen bei der Konstruktion gehören:
- Gefahrenbeseitigung: Scharfe Ecken und Kanten beseitigen, bewegliche Teile abdekcen, Schutzvorrichtungen verwenden, wichtige Elemente beschriften, intuitive Steuerungsmechanismen etablieren und Narrensichermachen spielen alle eine große Rolle.
- Kontrollen konstruieren:Bewegliche Teile abdecken, Schutzvorrichtungen verwenden und ausfallsichere Mechanismen implementieren.
- Warnhinweise: Bereitstellung klarer Kennzeichnungen und Zeichen, für den Fall, dass etwas nicht funktioniert.
- Ergonomik: Berücksichtigung der langfristigen Exposition von Bedienpersonal im Hinblick auf Risiken wie Chemikalien, elektrischen Gefahren oder sich wiederholenden Belastungen.
Beispiel: SawStop-Tischsägen verwenden ein revolutionäres Sicherheitssystem, das erkennt, wenn es in Kontakt mit Haut kommt und das Sägeblatt innerhalb von Mikrosekunden stoppt, und somit schwere Verletzungen verhindert.
Design for Quality (DfQ)
Qualität bedeutet im Grunde:“Funktioniert das Produkt nach dem Auspacken wie vorgesehen?„. Design for Quality fokussiert sich dabei auf Konsistent.
Zu den wichtigsten Ansätzen gehören:
- Robustheit: Die Konstruktion verlässlicher Mechanismen, die unter allen Variationen der normalen Betriebsbedingungen funktionieren.
- Toleranzierung: Auswahl geeigneter Toleranzen, die Funktionen mit den Fertigungskapazitäten in Einklang bringen.
- Störungsvermeidung: Die Verwendung bewährter Materialien und Verfahren sowie die Durchführung von Simulationen (wie FMEA) zur frühzeitigen Aufdeckung potenzieller Risiken.
Gute Qualität schafft Vertrauen in die Marken und Zufriedenheit bei den Kunden, und vermindert merklich die Garantieauszahlungen.Beispiel:Das Unibody-Design des Macbooks von Apple fertigt das gesamte Chassis aus einem einzelnen Block Aluminium mit CNC-Fräsen. Dies ersetzt die traditionelle Methode, mehrere gestanzte Teile zu verschweißen, und eliminiert damit verbundene Probleme, wie mit der Ausrichtung und mit Schwachstellen.
Design for Reliability (DfR)
Das Design zur Verlässlichkeit hin betrachtet, wie lange Ihr Produkt seine hohe Qualität beibehält, ohne unerwartete Ausfälle zu verursachen. Der Ausfall eines einzigen Teils kann die Produktion einer gesamten Fabrik zum Stehen bringen, weshalb kritische Teile so früh wie möglich identifiziert werden müssen.
- Sicherheitsmarge: Anwendung angemessener Sicherheitsfaktoren für maximale Belastungen.
- Umweltschutz: Auswahl von Materialien, die den spezifischen Betriebsbedingungen (Hitze, Feuchtigkeit, Chemikalien) widerstehen können.
- Designphilosophie: Ingenieure können entweder für Langlebigkeit unter strikten Wartungsrichtlinien entwerfen ODER entwerfen, um missbräuchliche Verwendung zu überstehen. Im Idealfall trägt DfR beiden Seiten Rechnung.
Beispiel: Viele Automobilherstellen verwenden Steuerketten statt Zahnriemen. Während diese Ketten mehr kosten, so halten sie deutlich länger und verringernd das Risiko eines katastrophalen Motorschadens, wodurch die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs insgesamt verbessert wird.
Design for Maintenance
Selbst das zuverlässigste Produkt hat Teile, die sich irgendwann abnutzen. Das Design für die Wartung konzentriert sich darauf, diese so einfach wie möglich zu machen, und damit die Dinge wieder zum Laufen zu bringen.
Ein modularer Aufbau, der es erlaubt Komponenten zu ersetzen, ohne das Produkt vollständig zu demontieren, ist dafür sehr wichtig. Ebenso wichtig, wie Teile zu verwenden, die leicht auf dem Markt zu finden sind. Der Zugang zu Verschleißteilen muss ebenso berücksichtigt werden. Darüber hinaus vereinfachen Selbstdiagnosefunktionen und sichtbare Verschleißindikatoren die Überwachung und Fehlerbehebung.
Während sie häufig vergessen wird, ist die gründliche Dokumentation, wie z.B. übe Servicehandbücher, ebenso immens wertvoll, wenn irgendwann eine Wartung erforderlich ist. Das Gleiche gilt für Projekte, die 3D-Druck verwenden, und bei denen das Wissen um die haltbarsten Materialien für den 3D-Druck eine wichtige Hilfe bei Abwägungsentscheidungen ist.
Die Verfügbarkeit von Maschinen ist zudem ein kritischer Faktor in einer Werksumgebung. Ein gutes DfM stellt sicher, dass ein verschleißender Mechanismus bald wieder seine Arbeit aufnehmen kann.
Beispiel: Moderne Serverschränke verwenden Hot-Swap-fähige Netzteile, Lüfter und Laufwerksschächte mit werkzeugfreiem Frontzugriff, der es den Technikern erlaubt, fehlerhafte Komponenten ohne eine Abschaltung in zwei bis drei Minuten auszutauschen.
Entsorgungsphase
Die typischerweise letzte Phase eines Produktlebenszyklus betrachtet, was passiert, wenn ein Produkt das Ende seiner vorgesehenen Nutzungsdauer erreicht hat. Diese Phase wird, bedingt durch regulatorischen Druck und die Verbrauchernachfrage nach umweltverträglichen Produkten, immer kritischer.
Die primären Design for X Methoden in dieser Phase sind:
- Design for Sustainability: Minimierung des Umwelteinflusses durch die Auswahl des Materials und Abfallreduzierung.
- Design for Product Lifecycle: Ermöglichen der Wiederverwendung, Aufarbeitung oder des effektiven Recyclings.
Design für Nachhaltigkeit
Die Nachhaltigkeit ist zu einer zentralen Säule des modernen Konstruierens geworden, und berücksichtigt regulatorische Anforderungen, Kundenerwartungen und unternehmerische Verantwortung.
Der erste Schritt ist dabei die Materialauswahl. Idealerweise sollten Materialien recyclebar oder biologisch abbaubar sein. Die Effizienz des Materialeinsatzes ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, insbesondere für die Massenproduktion, bei der bereits eine geringfügige Reduzierung der individuellen Masse eines Teils den ökologischen Fußabdruck erheblich verringert. Die Beschaffung von Materialien kann lokal erfolgen und somit den Kohlendioxid-Fußabdruck in Verbindung mit dem Transport verringern.
Die Konstruktion muss auch auf die Materialtrennung ausgelegt sein. Die untrennbare Kombination von Materialien (wie das Umformen gewisser Kunststoffe über Metall) kann dazu führen, dass ein Produkt nicht mehr recyclebar ist. Ein weiterer kritischer Aspekt ist die Energieeffizienz; die Senkung der Energie, die ein Produkt in allen Aspekten benötigt, um produziert und dann verwendet zu werden, macht es von Natur aus nachhaltiger.
Beispiel: Städte ersetzen die traditionelle Beleuchtung durch Glühlampen mit äquivalenten LEDs, um den Energieverbrauch zu verringern
Design für den Produktlebenszyklus
Das Design for Product Lifecycle verlängert den Wert des Produkts über die initiale Phase der Nutzung durch Wiederverwendungs-, Ausbesserungs-, Wiederaufbereitungs- und Recyclingstategien. Dieser Ansatz der „Kreislaufwirtschaft“ behandelt das Ende der Lebensdauer eher als einen Ressourcen schaffenden Ansatz, statt eines Entsorgungsproblems.
Zu den wichtigsten Säulen dieser Methodik gehören:
- Die Entwicklung modularer Systeme, die ein Ersetzen und Aufrüsten von Komponenten erlauben,
- die Sicherstellung haltbarer Konstruktionen zur Unterstützung mehrerer Nutzungszyklen,
- die eindeutige Kennzeichnung von Materialien zur Erleichterung der Sortierung in Recyclinganlagen,
- aber auch die Standardisierung spielt eine wichtige Rolle, denn sie erlaubt es, dass Komponenten über verschiedene Produktgenerationen hinweg wiederverwendet werden.
Beispiel: Fairphone entwickelt Smartphones mit Modularität als zentralem Element. Die Nutzer können sehr einfach Batterien oder Kameramodule austauschen, oder selbstständig Displays auswechseln, was die Lebensdauer des gesamten Gerätes signifikant verlängert, und somit den entstehenden Elektroschrott reduziert.
Design for Excellence ist „Einfach gutes Design“
In vielerlei Hinsicht könnte man sagen, dass die Prinzipien des Design for Excellence einfach nur „gute Konstruktionsarbeit“ ist. Dennoch formalisiert DfX diese Konzepte in eine systematische Methodik, die die Zusammenarbeit betont und ein firmenweites Engagement für jede Facette des Produktlebenszyklus betont.
Entwürfe, die diese Prinzipien nutzen, sind nicht nur funktional; sie sind durchdacht, langlebig, zweckmäßig und zudem nachhaltig. Während die Implementierung von DfX zuerst natürlich mehr Aufwand und Ressourcen kostet, so zahlt sich diese Investition – durch niedrigere Kosten, höhere Qualität und zufriedenere Kunden – mehr als aus.
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