Design for Cost, for Supply Chain und for Automation

Autor / Redakteur: Robert Frodl * / Johann Wiesböck

Um ein Produkt reibungslos in die Fertigung zu überführen, braucht es mehr als nur ein durchdachtes Design. Der Beitrag beschreibt drei wichtige Design-for-X-Ansätze, die das veranschaulichen.

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Durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklerteam, Supply-Chain-Experten und Fertigungsteam können neue Möglichkeiten ausgelotet werden, um das Produkt hinsichtlich Lieferkette, Stückkosten und Automatisierung zu optimieren.
Durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Entwicklerteam, Supply-Chain-Experten und Fertigungsteam können neue Möglichkeiten ausgelotet werden, um das Produkt hinsichtlich Lieferkette, Stückkosten und Automatisierung zu optimieren.
(Bild: Plexus)

Das Dilemma von Herstellern ist nicht neu: Um am Markt wettbewerbsfähig bleiben zu können und die wachsenden Kundenanforderungen zu erfüllen, müssen sie hochwertige, komplexe Produkte schneller und zu niedrigeren Kosten produzieren, ohne dabei an Produktqualität und Innovationskraft zu verlieren. Auf der Suche nach neuen Konzepten, die einen Wettbewerbsvorteil versprechen und beim Endkunden punkten, richtete sich der Blick in den letzten Jahren verstärkt auf die Konzeptions- und Designphase. Warum nicht an den Anfang zurückgehen, um Einsparpotentiale zu untersuchen und das Produkt von Beginn an hinsichtlich Kosten, Qualität, Fertigung, Lieferkette, Vertrieb und Aftermarket zu optimieren?

Im Folgenden werden drei dieser „Design-for-X“- oder „Design for Excellence“-Ansätze (DfX) vorgestellt, die angesichts eines unsicheren Marktumfelds und der fortschreitenden digitalen Transformation an Bedeutung gewinnen. Dazu gehört das „Design for Supply Chain“ (DfSC), „Design for Costs“ (DfC) und „Design for Automation“ (DfA). So unterschiedlich die Zielsetzung auch ist, so beginnen doch alle drei Konzepte früh in der Designphase und erfordern eine enge Zusammenarbeit zwischen dem Entwicklerteam, den Supply-Chain-Experten und dem Fertigungsteam.

Design for Supply Chain – Die Lieferkette mitdenken

Die Supply Chain von Beginn an mitzudenken, scheint heute wichtiger denn je. Eine Lieferkette, die höchste Zuverlässigkeit garantiert und dabei die niedrigsten Gesamtkosten verfolgt, kann sich als entscheidender Wettbewerbsvorteil herauskristallisieren – vor allem angesichts volatiler Märkte und steigender Supply-Chain-Risiken. Design for Supply Chain (DfSC) beschreibt die Notwendigkeit, die Kosten der ausgewählten Komponenten und Materialien, die Herstellbarkeit sowie die Kapazität und Skalierbarkeit der Lieferkette bereits in der frühen Designphase eines Produkts zu berücksichtigen. Ziel ist es, eine lückenlose, nachhaltige Supply Chain und damit eine fristgerechte Auslieferung an die Kunden sicherzustellen.

Voraussetzung für eine lückenlose Supply Chain ist eine enge Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Entwicklerteams und Supply-Chain-Experten. Sie kennen den Markt und beobachten die aktuellen Entwicklungen, pflegen langjährige Beziehung zu ihren Zulieferern und Partnern und können bei auftretenden Problemen schnell und zielgerichtet handeln. Daher macht es Sinn, bereits in der Konzeptionsphase ähnliche Szenarien und Herausforderungen durchzuspielen und gemeinsam neue Möglichkeiten auszuloten, um das Produkt hinsichtlich der Lieferkette zu optimieren.

Ein anschauliches Beispiel für eine gelungene DfSC-Strategie ist ein Single-Use-Device, dass der EMS-Dienstleister Plexus für einen Medizinhersteller realisierte. Da die Materialkosten des ursprünglichen Konzepts weit über dem geplanten Budget lagen, identifizierten die Supply-Chain-Experten eine Reihe an Einsparungsmöglichkeiten. Dazu gehört die Einbeziehung regionaler Zulieferer zu deutlich niedrigeren Kosten, das Verhandeln von Angeboten mit Partnern und Zulieferern sowie eine Design for Manufacturability (DfM)-Analyse, um Kostenvorteile von neuen Technologien und Verfahren zu evaluieren. Letztendlich konnte der Hersteller auf diese Weise die Stückkosten des Single-Use-Devices mit bis zu 2%-Abweichung an den Zielpreis anpassen. Allein im ersten Jahr beliefen sich die Einsparungen bei der Fertigung auf zwei Millionen US-Dollar.

Design for Cost – Die einzelnen Stückkosten senken

Designvorgaben zu hinterfragen und neue Wege der Beschaffung zu identifizieren kann entscheidend dazu beitragen, Kosten in der Fertigung zu reduzieren. Allerdings wurden dies üblicherweise erst nach der Designphase in Angriff genommen: Zuerst galt es, das Produkt zu entwickeln, im Nachgang wurde der Preis auf Basis der Fertigungskosten festgelegt. Heute erscheint diese Herangehensweise angesichts eines wachsenden Preisdrucks, härteren Wettbewerbs und schneller Innovationszyklen kaum noch denkbar.

Zudem besteht die Gefahr, dass durch die aufwändige Suche nach jedem noch so geringen Einsparungspotentialen kostbare Zeit verloren geht, die Markteinführung verschoben werden muss und dem Kunden wertvolle Marktanteile entgehen. Die Kostenoptimierung ist vielmehr zur Daueraufgabe von Herstellern geworden und wird kontinuierlich geprüft und durchgeführt. Design for Cost (DfC) kann dabei helfen, die „Produzierbarkeit“ einzelner Komponenten während der Designphase möglichst kosteneffizient sicherzustellen. Zu den wichtigsten Kostenfaktoren gehören unter anderem Material, Toleranzen und die Anzahl der Bauteile für die Montage.

Auch hier ist abteilungsübergreifende Zusammenarbeit elementar, um schon früh wichtige Fragen zu klären: Kann die Zahl von Bauteilen reduziert werden, um Prozesse zu beschleunigen und Kosten zu reduzieren? Lässt sich das Oberflächendesign oder die Toleranz ändern? Nur wenn alle Möglichkeiten frühzeitig ausgelotet und evaluiert werden, können Hersteller ihre Produkte mit vollem Funktionsumfang zu geringeren Kosten auf den Markt bringen. So geschah es bei einem extrudierten Aluminiumrahmen, der ein zu hohes Gewicht sowie sehr enge Toleranzen aufwies. Durch Änderungen beim Design konnte Plexus das Gewicht um 22% reduzieren und die Oberfläche verbessern. Damit stiegen die Qualität und Reproduzierbarkeit, während die Stückkosten reduziert werden konnten.

Design for Automation – Fit für die Smart Factory

Beim Design for Automation (DfA) Ansatz berücksichtigt das Designerteam in gemeinsamer Absprache mit Ingenieuren bereits bei der Konzeption des Produkts alle wichtigen Voraussetzungen für eine automatisierte Fertigung.
Beim Design for Automation (DfA) Ansatz berücksichtigt das Designerteam in gemeinsamer Absprache mit Ingenieuren bereits bei der Konzeption des Produkts alle wichtigen Voraussetzungen für eine automatisierte Fertigung.
(Bild: Plexus)

Oft konzentrieren sich Hersteller zu sehr darauf, die Produktion so schnell wie möglich in Gang zu bringen, ehe sie ihre Aufmerksamkeit auf die Automatisierung richten. Wenn das Produktdesign jedoch nicht mit den Automatisierungssystemen kompatibel ist, kann es sehr schnell zu kostspieligen Änderungen führen. Design for Automation (DfA) beugt dem vor und ermöglicht einen reibungslosen Übergang vom Prototyp in die automatisierten Fertigungsprozesse.

Ziel von DfA ist es, bereits bei der Konzeption des Produkts alle wichtigen Voraussetzungen für eine automatisierte Fertigung zu erfüllen. In der Praxis fertigt das Designteam dabei zunächst mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren erste Prototypen, die von den Ingenieuren dann innerhalb der Automatisierungssysteme der Produktion auf ihre Kompatibilität getestet werden. Lassen sich die Teile von den Kamerasystemen erkennen und entsprechend sortieren? Kann der Roboterarm Teile richtig greifen? Und wie schnell werden die einzelnen Komponenten platziert? Ungenauigkeiten, Fehler und Missgriffe werden unmittelbar an das Designteam zurückgegeben und das Design entsprechend angepasst.

Wie dieser Ansatz funktioniert, zeigen die Entwicklung und Fertigung eines medizinischen Single-Use-Devices zur Entnahme von Gewebeproben. Dabei stand der Hersteller vor gleich mehreren Herausforderungen. So mussten bei der Fertigung extrem hohe Toleranzen von wenigen Tausendstel Zoll eingehalten werden. Die Montage von Röhrchen (Tubes) im inneren des Einmalgeräts verlangte zudem ein hohes Fingerspitzengefühl und gestaltet sich sowohl für Roboter als auch für den Menschen als zu diffizil. Das Risiko von Produktionsfehlern war zu hoch, insbesondere da Hunderttausende Einheiten pro Jahr gefertigt werden sollten.

Nachdem die Entwickler gemeinsam mit den Fertigungsingenieuren das Design in Hinblick auf die Automatisierungsanforderungen geprüft hatten, entschied sich der Hersteller, eine Alternativlösung für die schwer zu verbauenden Tubes zu entwickeln. Plexus gab zudem bei Lieferanten spezielle, farbig markierte Trays in Auftrag, die es den Robotern ermöglichen, Teile schneller zu identifizieren und effizienter zu handhaben.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 23/2020 (Download PDF)

Weitsicht, Erfahrung und ein stetiger, enger Austausch

Gutes Produktdesign beginnt dann, wenn auch die Produktionsumgebung, die Supply Chain und die Kostenfrage früh in der Konzeption zur Sprache kommen. Weitsicht, Erfahrung und ein enger Austausch zwischen allen Beteiligten sind dabei die Grundvoraussetzungen für alle Ansätze nach dem Prinzip „Design for Everything“. In vielen Fällen kann es außerdem hilfreich sein, externe Partner mit ins Boot zu holen, um das Produktdesign aus einer anderen Perspektive zu betrachten und damit auch neue Ideen zuzulassen. Zumal Künstilche Intelligenz und Machine Learning, die Automatisierung und Vernetzung der Fertigung im Kontext von Industrie 4.0 sowie die Digitalisierung in allen Phasen des Produktlebenszyklus eine Vielfalt an neuen Anforderungen an das Produktdesign stellen werden. Damit ist es an der Zeit, das Produktdesign ganzheitlich und langfristig anzugehen.

* Robert Frodl arbeitet als Director of Customer Development in DACH bei der Plexus Deutschland GmbH.

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