INTERNATIONAL CONFERENCE ON ENGINEERING DESIGN, ICED'09 24 - 27 AUGUST 2009, STANFORD UNIVERSITY, STANFORD, CA, USA

PERSPECTIVE-BASED DEVELOPMENT OF MODULAR PRODUCT ARCHITECTURES Christoph Blees, Henry Jonas and Dieter Krause Hamburg University of Technology ABSTRACT Defining modular product structures requires taking into account various requirements from different perspectives. One problem, however, is that different perspectives on modularization may lead to different optimal product structures, depending on the special requirements the perspectives may have. For this reason, modular product architectures often need to strike a compromise. The approach we present in this paper is based on a differentiated consideration of the product strategy, purchase, assembly and after-sales perspective. While the method shows up the conflicts which are liable to arise between given perspective, certain general concepts are derived from it. Keywords: Modularization, Methodical Product Development, Product Architecture, Product Planning, Purchase, Assembly, After-sales 1 INTRODUCTION Steadily rising customer demand is prompting producers to offer a high variety of individualized products. At the same time, there is increasing demand for improved maintainability, recyclability and upgradeable design. Added to this, products are now required to possess optimized assembly properties due to the need to save production costs, on the one hand, and to shorten delivery times, on the other. Increasingly, production and development aspects need to be outsourced to suppliers. A widely used strategy that can help tackle these requirements is modular product structuring. However, modular product structures are frequently incapable of resolving the conflicts between the requirements of different business perspectives. Where particular requirements cannot be implemented simultaneously, the design of the product structure usually needs to be compromised in a way that allows for the best possible realization of the development aims. This paper introduces a modularization method that takes into account different perspectives on modularization and enables various development aims to be balanced in a structured manner. 2 METHODS OF DEFINING MODULAR PRODUCTS The work of Pimmler/Eppinger [1] and Erixon [2] has been groundbreaking in the methodical development of modular product structures. Pimmler and Eppinger subdivide their approach into three steps: 1. Functional decomposition of the product into components. These components physically or functionally represent the product functions. 2. Documentation of the interaction between the components: Identification and evaluation of connections. 3. Matrix-based clustering of the components into chunks using permutation algorithms. Their method is based on the Design Structure Matrix (DSM) shown in Figure 1, which illustrates the various relationships between components and interactions. The module definition is achieved by clustering the components into chunks using permutation algorithms. For this purpose, all components are listed horizontally and vertically. The types of connection between the components, and their evaluation scores, are contained in the fields of the matrix. Four different interaction types are considered: spatial, energy, information and materials. For the purposes of evaluating the interactions, they have applied a scale subdivided into the values 2 (required), 1 (desirable), 0 (insignificant), -1 ICED'09 ICED’09/257

4-95

4-95

(undesirable) and -2 (detrimental). Each field of the matrix therefore contains a numeric value for each of the four connection types. The clustering is performed independently for each of the four connection types. The permutation algorithm used moves positive values closer to the diagonal of the matrix, thus creating a block structure in the matrix with the help of which modules can be identified. The final product architecture can be chosen after comparing the four separate structures illustrated by the interaction-specific chunk creation. The modules identified can also be used for forming teams or organizational structures. A

Evaporator Core

H

Accumulator Refrigiration Controls

I J

Air Controls

K

Sensors

L

Command Distribution

M

Actuators

N

Blower Controller

O

Blower Motor

2 0 0 0 -1 0 0 0

1 0 0 0

-1 0 0 0

-2 2 0 2

Legend:

K

L

M

N

O

P Function carrier

2 0 0 0 0 2 0 2

0 0 1 0 0 2 0 2

2 2 0 2 0 0 0 0

1 0 0 0

0 0 0 2

P

J

Spatial: Information:

-1 0 0 0 -2 2 0 2 0 2 0 2

2 0 0 0

2 0 2 0 2 0

0 0 0 0 0 2

S E I M

1 0 0 2

1 0 0 0

0 0 0 2

-1 0 0 0 1 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 0

Module driver

22

43

27

27

32

15

27

16

Wire collector

G

0 2 0 2

I

Grip

Evaporator Case

1 0 0 0

H

Cover

F

2 0 0 2

G

Wire & contact

Compressor

2 -2 0 0

F

Switch

E

1 0 0 0

E 2 -2 0 0 2 0 0 2

Bag

D

D

Filter

C

Condenser

C

Chassis

Heater Core Heater Hoses

B 2 0 0 2

Fan

B

2 0 0 2

Electric motor

Engine Fan

A

Housing

Radiator

9

9

27

Carry-over

0 0 2 0

1 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 0

0 0 0 2

0 0 2 0

0 0 2 0

1 0 0 2 0 2

0 0 0 0 0 0

1 0 0 0

0 2 0 2 1 0

0 0 0 0 0 0

1 0 1 0

1 0 1 0 1 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

Design & Development

Technology push Product Planning

2 0 0 0

2 0 0 0

2 0 0 2 2 0 0 2

Different Specification

Variance

Styling

Manufacturing

0 2 1 0 1 0

0 0 0 0 0 0

0 0 2 0 1 0 0 0

1 0 0 0

Common Unit Process/Organisation

Quality

Separate Testing

Purchase

Black-box engineering Service/Maintenance

After sales

Upgrading Recycling

2 0 0 2

2 0 0 2

99

33

11

Weight of Driver vertically summarized: Module candidates

= Strong driver (9)

:Energy :Materials

= Medium driver (3)

= Some driver (1)

Figure 1. Design Structure Matrix (DSM) according to [1] and Module Indication Matrix (MIM) according to [2]

Whereas Pimmler and Eppinger use a functional technical perspective, Erixon considers productstrategic aspects in his “Modular Function Deployment (MFD)” method. This method is based on a Module Indication Matrix (MIM) which links the components of a product with so-called module drivers. Module drivers are aspects from different phases of the product lifecycle and represent reasons for defining modules. Erixon defines 12 general module drivers from the fields of design and development (carry-over, technology push, product planning), variance (different specification, styling), manufacturing (common unit, process/organization), quality (separate testing), purchase (black-box engineering) and after-sales (service/maintenance, upgrading, recycling). In the MIM, the components are evaluated with respect to the module drivers and are given a score of 0, 1, 3 or 9. The components with a high overall score are candidates for modularization, meaning they can either be a module themselves or be the base for a module. Additionally, components with similar module driver profiles can be identified and considered for integration into one module. Various other methods can be applied on the basis of the approaches of Pimmler and Eppinger and Erixon. These methods either envisage additions to the existing methods ([3]) or combine several existing methods in order to cumulate the benefits of the functional technical view of Pimmler and Eppiner with those of the product-strategic perspective adopted by Erixon ([4], [5], [6], [7], [8]). Further stand-alone approaches ([9], [10], [11], [12]) will not be discussed at this point. 3 DEVELOPMENT OF A METHOD FOR PRODUCT MODULARIZATION 3.1 Motives for developing an enhanced method Defining modular product structures requires taking into account various requirements from different perspectives. One problem, however, is that different perspectives on modularization may lead to different optimal product structures, depending on the special requirements the perspectives may have. For this reason, modular product architectures often need to strike a compromise between different approaches. For the purposes of the development of a new modularization method, we will employ and further develop the module driver concept proposed by Erixon. As a first step, we will give an explanation based on the work of Stake [3] regarding the classification of module drivers according to different perspectives. Stake has already undertaken an examination of the similarities and interdependencies between the module drivers identified by Erixon. He suggests grouping the drivers into product family planning related drivers and drivers related to functional purity. In addition, he 4-96 ICED’09/257

4-96

ICED'09

associates the drivers of the first group with the degree of communality and time characteristics, and the drivers of the second group with the location of effort and product life cycle characteristics. The resulting representation is illustrated in Figure 2. Most relevant perspectives on modularization derive from this basis. Module drivers related to functional purity:

Low

High

Recycling Service / Maintenance Upgrading

Late

Common unit

Product life cycle

Different specification Styling

Carry over

Separate testing

Early

Future

Time

Technology push Planned design changes

Present

Module drivers related to product family planning:

Process / organisation

Strategic supplier

Internal

External

Degree of commonality

Location of effort

Figure 2. Grouping of module drivers according to [3]

All the module drivers which Stake has assigned to the product family planning group have very strong interdependencies, and as a result, they cannot be considered separately. For this reason, the technology push, planned design changes, different specification, styling, carry over and common unit drivers necessarily remain together in the product strategy perspective. The interdependencies of the drivers in the second group are less strong. These drivers can therefore be associated with three different perspectives. The first perspective is the purchase perspective, which consists solely of the strategic supplier driver. The second one is the assembly perspective. As testing is one of the major tasks of assembly, the separate testing driver has been added beneath the process/organization driver. The remaining drivers, recycling, service/maintenance and upgrading, are included in the after-sales perspective. As a result, we obtain the four perspectives on modularization product strategy, purchase, assembly and after-sales, which are, to a very large degree, independent from each other. Figure 3 shows the new assignment of the module drivers to the four perspectives. Company

Product strategy

Purchase

Assembly

technology push

strategic supplier

process/organization

recycling

separate testing

service/maintenance

planned design changes different specification

Af ter-Sales

upgrading

styling carry over common unit

Figure 3. Assignment of module drivers to business perspectives

In the following section, we will describe the process which underlies the developed modularization method. We will base our approach on a differentiated consideration of the product strategy, purchase, assembly and after-sales perspectives. Furthermore, we will demonstrate that our method is designed in a way that facilitates reproduction and documentation. 3.2 A perspective-based modularization method The process envisaged by our method and the corresponding tools are illustrated in Figure 4. The first step is an enquiry into the development objectives. This requires a definition of the product-strategic aims which need to be achieved by the modular product structure. In a subsequent step, the defined aims need to be transformed into specifications, which may then be used for the purposes of concept development. The analysis of the development objectives should coincide with an analysis of the functional technical structure of the product, which forms a basis on which modular product structures may be ICED'09 ICED’09/257

4-97

4-97

developed. The components of the product, their interdependencies and package requirements, as well as possible additional variants of the product are also analyzed at this stage. An overview of the functional technical product structure is then visualized with the help of the Module Interface Graph (MIG) ([13], [14]). In a following step, the specific modularizations for the product planning, purchase, assembly and after-sales perspectives are developed and visualized in the MIG. Due to the differentiated approach, specific requirements can attain optimal implementation in this step without compromising other requirements. Once these specific modularizations have been obtained, alternative concepts may be derived in view of a final modularization. This requires an investigation into whether the specific modularizations can be merged into a final concept without making changes, or whether the comparison of modularizations shows up conflicts. If there are conflicts, further investigation is required into whether the problems can be solved by carrying out design changes to the components. If this does not resolve the conflict, one of the specific modularizations needs to be prioritized. The aim of the integration process is, in so far as this is possible, to obtain several alternatives for a final modularization. Lastly, one of the integrated concepts is chosen for further detailed design. This selection process should be carried out with the help of a key metrics system, which will allow a detailed assessment of the concepts. In the following, a detailed explanation of the modularization process is given. Steps of proceeding Clarif ication of product-strategic development objectives

Tools

Analysis of f unctional technical product architecture

Setting up module driver specif ications

Questionnaire

Visualization of product architecture

Module Interf ace Graph

Development of perspective-based modularizations

Modularization „Product strategy“

Modularization „Purchase“

Modularization chart

Modularization „Assembly“

Modularization „Af ter-sales“

Module Interf ace Graph

Derivation of overall concepts

Design guidelines

Concept selection

Key metrics

Figure 4. Steps of proceeding and corresponding tools 3.2.1 Definition of the development objectives

In the first step, the development objectives are clarified and transformed into modularization requirements. For the representation of the modularization requirements, we use Erixons’s module driver approach. Furthermore, we have extended the module driver list using further sources ([1], [5], [6], [15], [16]). We have also grouped the module drivers in accordance with the four previously defined perspectives: product strategy (variant, version, design changes, technical changes, different styling, different technical specification), purchase (modular sourcing), assembly (separate testing, final-assembly module, assembly process, handling) and after-sales (recycling, upgrades, maintenance). 4-98 ICED’09/257

4-98

ICED'09

In order to ensure sufficient precision and repeatability of module definitions, and for the purposes of incorporating special product properties, the module drivers need to undergo further specification in line with the requirements of the individual product before the components are evaluated. This allows the user to bring his product knowledge directly into the modularization process. When narrowing down these module driver specifications, the user can refer to a questionnaire which lists possible specifications for each module driver. Figure 5 shows an excerpt from the questionnaire for the “separate testing” module driver. Questions such as “Are there different types of test?” may result in specifications such as “electrical test” or “hydraulic test”. Produktstrategie Übernahmeteil Variante Gibt es: - Abgeschlossene

Funktionsumfänge, die übernommen werden? - Unterschiedliche varianzinduzierende Merkmale?

- Gemeinsame Schnittstellen für

Varianzmodule? - Spezielle Prozesse, die gleichzeitig mit übernommen werden können? Übernahmeteil Version Gibt es: - Abgeschlossene

Funktionsumfänge, die übernommen werden?

- Physische Bereiche des

Produktes, die übernommen werden? - Unterschiedliche Stufen der zeitlichen Weiterverwendung? - Übernahmemöglichkeiten in

Varianten der neuen Version? Designänderungen (im Produktlebenszyklus) Gibt es: - Unterschiedliche Arten von Designänderungen? - Bestimmte zeitliche Abfolgen von geplanten Designänderungen? - Physisch zusammenhängende Produktbereiche, die Designänderungen unterliegen werden? - Gemeinsame Schnittstellen oder Befestigungsmöglichkeiten für Designträger?

Einkauf Zukauf modularer Baugruppen (Modular Sourcing) Gibt es: - Systeme, die vollständig getestet vom Lieferanten bezogen werden können? - Gemeinsam genutzte Technologien/ Werkstoffe/ Fertigungsverfahren, die von einem Lieferanten bezogen werden können? - Abgeschlossene Funktionsumfänge, die bezogen werden können? - Vom Endprodukt physisch abgrenzbare Bereiche? - Die Möglichkeit zur Reduzierung und Vereinheitlichung von Schnittstellen durch Modulzukauf? - Bestimmte Kompetenzen von Zulieferern? - Spezielle Beschaffungsstrategien (z.B. Just-in-Time)?

Unterschiedliche technische Spezifikation Gibt es: - Unterschiedliche induzierende Parameter? - Komponentengruppen, deren Veränderung sich nicht weiter auf die Umgebung ausübt?

Montage ge Separates Testen Gibt es: - Unterschiedliche Arten rten von Tests? - Gemeinsame Zugangspunkte? ngspunkte? - Abgeschlossene Prüfprozeduren? - Vordefinierte Prüfungsumfänge? ngsumfänge? - Gemeinsame Zeitpunkte unkte von ngen? Prüfungsdurchführungen? - Gleiche bzw. vereinheitlichte heitlichte Mess-/Prüfmittel? - Standardisierte Referenzwerte? erenzwerte?

Endmontagemodul Kann man: - Bestimmten Funktionen onen oder Strukturen integral zusammenfassen? - Schnittstellen durch h Zusammenfassung von bestimmten Komponenten nenten reduzieren? - Montageoperationen n bei der Endmontage zusammenführen? menführen? - Gemeinsame Montagepunkte agepunkte am Endprodukt nutzen? en? - Gleiche Montagehilfsmittel fsmittel nutzen? - Justiervorgänge parallelisieren? rallelisieren? Montageprozess Gibt es:

- Gleichartige bzw. spezielle pezielle

Montage- oder Fertigungsprozesse? ? - Gruppentaugliche Arbeitsumfänge? - Montagereihenfolgen, en, die sich gut in Modulen realisieren sieren lassen? - Gleichartige Hilfsmittel? ttel?

Handhabung Gibt es: - Spezielle Anforderungen ngen an Gewicht und Größe von Modulen? - Unterschiedliche Lagerungsarten? Unterschiedliches Styling - Gemeinsame verwendbare endbare Technische Änderungen Gibt es: Greifflächen? (im Produktlebenszyklus) - Unterschiedliche - Einheitliche Gibt es: Stylingpakete? Montagerichtungen? - Unterschiedliche Arten von - Gemeinsame - Zusammenfassbare e technischen Änderungen? Befestigungsmöglichkeiten? Zentriervorgänge? - Gruppen von Teilen, die - Integrierte technische - Handhabungsvorgänge änge für Funktionen oder Sub-Module? zusätzlich mit von der unterschiedlich steife e - Die Möglichkeit zur Bildung von Veränderung betroffen sein Komponenten? werden? integralen Designträgern? - Anforderungen - Abgeschlossene unterschiedlicher Toleranzen? eranzen? Funktionseinheiten die verändert - Spezielle Arbeitsräume? ume? werden und invarianten Schnittstellen aufweisen können?

After-Sales Recycling Gibt es:

- Unterschiedliche

Materialarten? - Unterschiedlich wertvolle Werkstoffe? - Möglichkeiten z zur Unterstützung der Sortierbarkeit? S - Ähnlic Ähnliche Verschleißverhalten? Verschleißver - Gefährliche oder gift giftige Komponenten? - Möglichkeiten zur Unterstützung der Trennbarkeit? - Spezielle Reinigungsprozeduren? Upgrades (Erweiterung) Gibt es: - Unterschiedliche Arten von Upgrades? - Unterschiedliche Zeitpunkte von Upgrades? - Gemeinsame Bauräume von Upgradekomponenten? - Gemeinsame Hilfsmittel zur Upgradedurchführung? - Gleiche bzw. standardisierte Schnittstellen? Wartung Gibt es:

- Unterschiedliche

Wartungsarten? - Unterschiedliche Wartungsintervalle? - Gemeinsame Demontage/ Montageprozesse? - Zusammenfassbare Einsehpunkte? - Gleiche Mess-/Prüfmittel? - Gemeinsame Hilfsmittel? - Unterschiedliche Wartungsintensitäten? - Möglichkeiten eines kompletten Modulaustausches? - Unterschiede zwischen Norm- oder Spezialaustauschteilen?

Separate Testing Are there: • dif f erent kinds of tests? • common access points? • self -contained testing procedures? • pre-def ined test scopes? • several test procedures at a predef ined time? • common test instruments? • standardized ref erence values?

Figure 5. Excerpt from the questionnaire for the “separate testing“ module driver 3.2.2 Analysis of the functional technical product structure

The function carriers – that is the components – form the basis for the application of the method. The product can either be an existing product, or it can be a description of a new product. In most cases, even the product structure of a new development will be based on an existing benchmark product. The visualization of the product structure is obtained via the Module Interface Graph (MIG). The MIG prepares a layout of the estimated package dimensions of the components and their relative position within the product. The MIG visualization is supplemented by the structural connections as well as power information and media flows (Figure 6). As concerns the degree of detail in which the original product structure is described, the assumption according to [17] is that the number of function carriers used should not be significantly in excess of 30. Optionally, a base component can be defined. This is a component which fulfils mainly structural functions and is used as a base for mounting further components. Since a base component cannot be classified as an explicit module, it only will be considered in the final steps of modularization. Battery (B), Charge socket (CS), Fuse (Fu) Reservoir (Re) Handhold (H)

CS

S

Switch/Valve Unit (SV) B

Filter (F)

H SV

Flow indicator (FI)

SA

R

Rack (R)

F

DV

Sh

N

FI

Re

Dosing valve (DV)

Shield adjustment (SA) Electric power

Nozzle (N)

Spray (Herbicide)

Structural

Spray shield (Sp)

Figure 6. Module Interface Graph (MIG) using the example of a spraying device 3.2.3 Development of modularizations in line with specific perspectives

The specified module drivers as well as the components are brought together in the evaluation chart in Figure 7. In this chart, the interdependencies of components and specified module drivers are given the score 0 (no influence), 1 (weak influence) or 2 (strong influence). For a better overview, zero scores are not explicitly included in the chart. Following the evaluation of the components, the next step is to carry out the independent perspectivespecific modularizations, which are developed by grouping together components in the evaluation area of the above chart. Given that module grouping is unlikely to be possible without causing conflicts, the ICED'09 ICED’09/257

4-99

4-99

evaluation score needs to be considered as soon as a conflict arises. If this does not solve the conflict, further investigation is required into whether a component design change may bring about an improvement. On the basis of this procedure, four different and independent modularizations can be developed in accordance with the different perspectives. It is not necessary that each and every modularization developed should involve all of the components of the product.

M Maintenance Water filter

Recycling R Inserts

Electrics

Composite panels

Center splitline module

Upper splitline module

Air supply system

Electrics

Lower splitline module Handling

After-Sales

Separate testing

Assembly

Water supply system

Modular Structural components Sourcing

Inserts

Water supply system

Variant

Purchase

Electrics

S Specification: Battery Charge socket Fuse Reservoir Handhold Sw Switch/Valve Unit Filter Rack Flow indicator Dosing valve Shield adjustment Nozzle Spray shield

Ovens

Module driver: M

Baverage maker

Components of the p product

Product planning

Storage area

Perspective:

Module driver specifications derived from the questionnaire Produktstrategie Übernahmeteil Variante Gibt es: - Abgeschlossene Funktionsumfänge, die übernommen werden? - Unterschiedliche varianzinduzierende Merkmale? - Gemeinsame Schnittstellen für Varianzmodule? - Spezielle Prozesse, die gleichzeitig mit übernommen werden können?

Übernahmeteil Version Gibt es: - Abgeschlossene Funktionsumfänge, die übernommen werden? - Physische Bereiche des Produktes, die übernommen werden? - Unterschiedliche Stufen der zeitlichen Weiterverwendung? - Übernahmemöglichkeiten in Varianten der neuen Version? Designänderungen (im Produktlebenszyklus) Gibt es: von Designänderungen? - Bestimmte zeitliche Abfolgen von geplanten Designänderungen? - Physisch zusammenhängende Produktbereiche, die Designänderungen unterliegen werden? - Gemeinsame Schnittstellen oder Befestigungsmöglichkeiten für Designträger?

Einkauf Zukauf modularer Baugruppen (Modular Sourcing) Gibt es: - Systeme, die vollständig getestet vom Lieferanten bezogen werden können? - Gemeinsam genutzte Technologien/ Werkstoffe/ Fertigungsverfahren, die von einem Lieferanten bezogen werden können? - Abgeschlossene Funktionsumfänge, die bezogen werden können? - Vom Endprodukt physisch abgrenzbare Bereiche? - Die Möglichkeit zur Reduzierung und Vereinheitlichung von Schnittstellen durch Modulzukauf? - Bestimmte Kompetenzen von Zulieferern? - Spezielle Beschaffungsstrategien (z.B. Just-in-Time)?

- Unterschiedliche Arten

Evaluation area

Unterschiedliche technische Spezifikation Gibt es:

Montage Separates Testen Gibt es: - Unterschiedliche Arten von Tests? - Gemeinsame Zugangspunkte? - Abgeschlossene Prüfprozeduren? - Vordefinierte Prüfungsumfänge? - Gemeinsame Zeitpunkte von Prüfungsdurchführungen? - Gleiche bzw. vereinheitlichte Mess-/Prüfmittel? - Standardisierte Referenzwerte?

Endmontagemodul Kann man: - Bestimmten Funktionen oder Strukturen integral zusammenfassen? - Schnittstellen durch Zusammenfassung von bestimmten Komponenten reduzieren? - Montageoperationen bei der Endmontage zusammenführen? - Gemeinsame Montagepunkte am Endprodukt nutzen? - Gleiche Montagehilfsmittel nutzen? - Justiervorgänge parallelisieren? Montageprozess Gibt es: - Gleichartige bzw. spezielle Montage- oder Fertigungsprozesse? - Gruppentaugliche Arbeitsumfänge? - Montagereihenfolgen, die sich gut in Modulen realisieren lassen? - Gleichartige Hilfsmittel?

Handhabung Gibt es: - Spezielle Anforderungen an Parameter? Gewicht und Größe von - Komponentengruppen, deren Modulen? Veränderung sich nicht weiter - Unterschiedliche auf die Umgebung ausübt? Lagerungsarten? Unterschiedliches Styling - Gemeinsame verwendbare Technische Änderungen Gibt es: Greifflächen? (im Produktlebenszyklus) - Unterschiedliche - Einheitliche Gibt es: Stylingpakete? Montagerichtungen? - Unterschiedliche Arten von - Gemeinsame - Zusammenfassbare technischen Änderungen? Befestigungsmöglichkeiten? Zentriervorgänge? - Gruppen von Teilen, die - Integrierte technische - Handhabungsvorgänge für Funktionen oder Sub-Module? zusätzlich mit von der unterschiedlich steife - Die Möglichkeit zur Bildung von Veränderung betroffen sein Komponenten? werden? integralen Designträgern? - Anforderungen - Abgeschlossene unterschiedlicher Toleranzen? Funktionseinheiten die verändert - Spezielle Arbeitsräume? werden und invarianten Schnittstellen aufweisen können? - Unterschiedliche induzierende

After-Sales Recycling Gibt es: - Unterschiedliche Materialarten? - Unterschiedlich wertvolle Werkstoffe? - Möglichkeiten zur Unterstützung der Sortierbarkeit? - Ähnliche Verschleißverhalten? - Gefährliche oder giftige Komponenten? - Möglichkeiten zur Unterstützung der Trennbarkeit? - Spezielle Reinigungsprozeduren? Upgrades (Erweiterung) Gibt es: - Unterschiedliche Arten von Upgrades? - Unterschiedliche Zeitpunkte von Upgrades? - Gemeinsame Bauräume von Upgradekomponenten? - Gemeinsame Hilfsmittel zur Upgradedurchführung? - Gleiche bzw. standardisierte Schnittstellen? Wartung Gibt es: - Unterschiedliche Wartungsarten? - Unterschiedliche Wartungsintervalle? - Gemeinsame Demontage/ Montageprozesse? - Zusammenfassbare Einsehpunkte? - Gleiche Mess-/Prüfmittel? - Gemeinsame Hilfsmittel? - Unterschiedliche Wartungsintensitäten? - Möglichkeiten eines kompletten Modulaustausches? - Unterschiede zwischen Norm- oder Spezialaustauschteilen?

Figure 7. Module development chart

Once the four specific modularizations have been defined, each one is implemented and visualized in a Module Interface Graph (MIG). The defined component groups are encircled with a dotted line, thus enabling the visualization of modules. Again, it is at this stage that the user can apply his product knowledge and implement possible design changes. To provide support to the user in this process, a catalogue of design guidelines has been developed (see the example in Figure 8) using the sources [18], [19] and [20]. Separate Testing Produktstrategie

Einkauf

Übernahmeteil Variante P1: Anzahl der Übernahmeteile zwischen Varianten maximieren, um Skaleneffekte auszunutzen. P2: Überdimensionierung anwenden um Varianz zu vermeiden P3: Funktionen eindeutig einem Modul zuordnen P4: Varianten durch Softwarelösungen erzeugen P5: Kostenintensive Komponenten in Gleichteil und variantes Merkmal aufteilen P6: Längenstufungen mit gleichen Schnittstellen nutzen P7: Variante Merkmale direkt einem Modul zuordnen P8: Varianten direkt vom Basisprodukt ableiten P9: Variante Ausprägungen erst spät im Montageprozess vorsehen P10: Bei Komponentenübernahme Prozesse möglichst auch übernehmen

Zukauf modularer Baugruppen (Modular Sourcing) E1: Testen/Qualitätsprüfung des Moduls beim Modullieferanten E2: Erkennbare physische Abgrenzbarkeit des Moduls im Endprodukt, idealerweise setzt sich das Endprodukt direkt aus den vormontierten Modulen zusammen E3: Möglichst abgeschlossener Funktionsumfang des Moduls E4: Integration einer größeren Anzahl von Komponenten in das Modul, um Aufwand auszulagern E5: Reduzierte, standardisierte und eindeutig definierte Schnittstellen, insbesondere bei varianten Modulen. Falls möglich, Zusammenlegung von Schnittstellen E6: Zusammenfassung spezieller Technologien, Werkstoffe oder Fertigungsverfahren in entsprechende Zukaufmodule E7: Berücksichtigung spezieller Zuliefererkompetenzen bei der Modulbildung

Übernahmeteil Version P11: Teile mit hohem Produktionsinvestment in weitere Versionen übernehmen, um Skaleneffekte effizient zu nutzen P12: Wenn möglich, Übernahmeteil auch in verschiedenen Varianten der neuen Version mitnutzen P13: Möglichst abgeschlossene Funktionsumfänge übernehmen P14: Übernahmefähigkeit für höhere Versionen als die Nächste berücksichtigen (zeitliche Stufung) Designänderungen (im Produktlebenszyklus) P15: Anpassungen nicht am Produkt, sondern an den varianten Styling-Modulen vornehmen P16: Bei der Planung des Produktes bereits Kompatibilität zu möglichen neuen Designs berücksichtigen: Bauvolumen kompatibel gestalten und falls nötig erweiterbare Schnittstellen vorsehen P17: Enthaltene technische Funktionen innerhalb des Designmoduls ggf. wiederum modular ausführen, um diese unabhängig vom Designträger zu übernehmen.

Unterschiedliche technische Spezifikation P18: Möglichst keine varianten Schnittstellen der varianten Module zum Endprodukt zulassen P19: Schnittstellen für den Extremfall auslegen, ggf. bei niedriger Modulvariante Teile der Schnittstelle nicht nutzen P20: Gleiche geometrische Randbedingungen (package) von den varianten Modulen erfüllen P21: Sonstige konstruktive Parameter (Temperaturbeständigkeit, Gewicht) auf den Extremfall auslegen und invariant nutzen Technische Änderungen (im Produktlebenszyklus) P25: Exakte technische Definition und Abgrenzung von Modulen mit Änderungskomponenten P26: Sicherstellen, dass keine weiteren Unterschiedliches Styling Funktionen in unerwünschter Art und P22: Trennung von Funktion und Weise von der Veränderung betroffen sind Design: Möglichst das Modul nur als P27: Möglichst Beschränkung des Moduls Designträger auslegen und andere auf nur die zu verändernde Funktionalität Funktionen auslagern P28: Vermeidung von Nacharbeiten am P23: Schnittstellen invariant auslegen Produkt für die Änderung P24: Möglichst keine technische Varianz der „Stylingmodule“

Montage tage Separates Testen M1: Vermeiden von Demontagen emontagen zur Prüfung des Moduls M2: Zugänglichkeit fürr Mess-/Prüfmittel sicherstellen M3: Komponenten gruppieren, uppieren, deren Prüfung zur selben Zeit it durchgeführt wird M4: Prüfumfang am Modul ausreichend gestalten, um das Modul dul nicht am Endprodukt erneut prüfen üfen zu müssen müs M5: Für Geometrieprüfungen üfungen Messpunkte vorsehen, Bemaßung auf feste Bezugspunkte/Kanten n ausrichten M6: Messgrößen für vorhandene orhandene Mess/Prüfmittel auslegen M7: Vereinheitlichung der Mess/Prüfmittel für verschiedene edene Module M8: Einfache Durchführbarkeit hrbarkeit von en von Prüfungen, ermöglichen Sichtkontrollen Endmontagemodul M9: Im Modul Integralbauweise bauweise anwenden, um Teile zusammenzufassen ation in das Modul, M10: Funktionsintegration ukt einzusparen um Teile am Endprodukt mmenfassen von M11: Zeitliches Zusammenfassen Montageoperationen beim Montieren in dass Endprodukt M12: Reduzierung derr Fügestellen zum Endprodukt M13: Reduzierung von n Schnittstellen zum Endprodukt M14: Gute Zugänglichkeit hkeit der ModulMontagestellen am Endprodukt ndprodukt M15: Gleiche Montagehilfsmittel ehilfsmittel für verschiedene Module verwenden M16: Einfach justierbare are Position des Moduls im Endprodukt kt M17: Einfache Sicherungselemente ungselemente verwenden ng der M18: Vereinheitlichung Montagehilfsmittel durch rch Vereinheitlichung der Fügeverbindungen n

Montageprozess M19: Wenn möglich, spezielle Montageoder Fertigungsprozesse sse zusammenfassen M20: Abgrenzung von n Montageoperationen, die einen für eine Gruppe geeigneten Arbeitsumfang rbeitsumfang haben M21: Eindeutige Montagereihenfolge, tagereihenfolge, sowohl im Modul als auch am Endprodukt M22: Spezialwerkzeuge ge vermeiden M23: Zusammenfassen en von Fertigungsund Montageoperationen, nen, z.B. Schrauben und Gewindeschneiden en M24: Vermeiden von zusätzlichen Prüfungen und Demontagen ntagen Handhabung M25: Möglichst Module bilden, die gut handhabbar sind in Bezug auf Gewicht und Größe M26: Komponenten gruppieren, die gleichartig gelagert werden M27: Ordnung der Teile/Module vor der Montage herstellen M28: Greifflächen bzw. „GreifflächenFamilien“ vorsehen M29: Vermeidung von mehrseitigen Montageprozessen M30: Zentrierflächen vorsehen, Selbstzentrierung anstreben M31: Gestaltsteife Bauteile verwenden M32: Einfache Fügebewegungen anstreben M33: Vermeidung unnötig enger Toleranzen M34: Schaffung ausreichend dimensionierter Arbeitsfreiräume

After-Sales Recycling A1: Einfache Demontierbarkeit und leichte Zugänglichkeit ermöglichen. Fügestellen an äußeren Produktzonen anordnen anordnen. Demontagewerkzeuge vorsehen Einfache Demontagewerkze durch A2: Prüfung/Sortierung Prüfung/Sortier Standardelemente oder Gruppierungen Standardel erleichtern erle A3: Verschleiß auf spezielle Elemente beschränken, Teilenachbearbeitung im Verschleißfall ermöglichen A4: Verschleißzustand einfach und eindeutig erkennbar machen A5: Hochwertige Werkstoffe besonders gut zerlegungsgerecht anordnen und kennzeichnen A6: Gefährliche Werkstoffe sind in jedem Fall abtrennbar bzw. entleerbar anzuordnen A7: Untrennbare Einheiten mit untereinander verträglichen Werkstoffen gestalten, ggf. Trennbarkeit ermöglichen A8: Einfache Reinigung für alle wiederverwendbaren Teile vorsehen A9: Korrosion vermeiden A10: Lösbare Verbindungen für die gesamte Produkt-Nutzungsdauer funktionsfähig auslegen Upgrades (Erweiterung) A11: Einfaches Montage- und Justiersystem benutzen, möglichst ohne Spezialwerkzeug A12: Platz für zusätzliche Funktionseinheiten berücksichtigen A13: Wenn möglich Bauvolumen vor Upgrade funktional nutzen A14: Teile mit gleichem Upgradezeitpunkt gruppieren A15: Verwendung von genormten Verbindungselementen und Schnittstellen, schnelles Trennen und Verbinden unterstützen A16: Verlagerung von Funktionen in die Elektronik Wartung A17: Schnelle Demontage/Montage bis auf Ebene der zu wartenden Elemente unterstützen A18: Erreichbarkeit der zu wartenden Elemente erleichtern A19: Teile mit gleichem Wartungszeitpunkt gruppieren A20: Lokalisierbarkeit von Schadstellen möglichst ohne Zerlegungen ermöglichen A21: Genormte und vereinheitlichte Fügeelemente und Austauschkomponenten verwenden A22: Wenige und gleiche Hilfsstoffe verwenden A23: Wartungsintensive Komponenten in Modulen M d l zusammenfassen f A24: Im Instandsetzungsfall ggf. den Austausch des betroffenen Moduls statt der Komponente vorsehen

• • • • •

Avoid disassembly of modules f or testing. Improve accessibility f or measuring/testing equipment. Perf orm suf f icient testing on the module f or avoiding re-tests on the product. For geometrical tests, use breakpoints and f ixed lines or edges. Design measurements f or existing measuring equipment.

• Standardize measuring/testing equipment f or dif f erent modules. • Allow visual checks.

Figure 8. Excerpt of the design guidelines for the “separate testing“ module driver 3.2.4 Integration of the specific modularizations for the development of final concepts

In order to develop alternative final concepts, the four specific modularizations need to be merged. This requires the user to identify the modules which are defined identically and those which show up contradictions with each other. Therefore, the specific modularization which contains most of the components is used as a basis and is complemented by the others. Where components in different specific modularizations are located in different modules, they need to be relocated into one distinctive module for the purposes of defining one of the final concept alternatives. In case of very marked conflict, components may need to be split, or it must be considered whether a design change or another mechanical solution may solve the conflict. In extreme cases, the whole modularization procedure may need to be performed repeatedly with new components.

4-100 ICED’09/257

4-100

ICED'09

If initially a basis component was defined, it now can be defined more precisely according to the developed product structure approach. If meaningful, the basis component could be assigned to a single module or otherwise divided and assigned to different modules. 3.2.5 Key metrics evaluation of the modularization alternatives

The last step of the process consists in selecting the best-suited final modularization alternative for further detailed designing. We envisage that in the future, a key metrics system will ensure an objective selection procedure and measure the degree to which development aims will be fulfilled. A possible graphic analysis, in the form of a spider diagram, is provided in figure 9. The development of a suitable key metrics system will be the focus of future research work. Variant 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Maintenance Upgrade

Recycling

Version Design changes

Technical changes

Handling

Dif f erent Styling

Assembly process

Dif f erent technical specif ication

Final-assembly module

Modular sourcing

Alternative A Alternative B

Separate testing

Figure 9. Example for the visualization of key metrics

4

APPLICATION OF THE METHOD TO THE EXAMPLE OF AN AIRCRAFT GALLEY To demonstrate our method, we have applied it to the example of a center galley on a single-aisle passenger aircraft. Figure 10 shows the components of the galley. 15

8

14

11 7

16

13

9

9

9

9

17 12

10

10

10

10

8 9 7

9 18

5

5

5

5

1 2

3

4

6

3

1. Drain valve (DV) 2. Shut-of f valve (SV) 3. Waste bin (WB) 4. Waste bin insertion f lap 5. Trolley compartment (T) 6. Work deck (WD) 7. Storage compartment (SC) 8. Air outlet (AO) 9. Storage box compartment (SB) 10. Oven (O) 11. Work light (WL) 12. Beverage maker (cof f ee m./water boiler) (BM) 13. Control cabinet (CC) 14. Hot cup (HC) 15. Cof f e maker (CM) 16. Faucet (F) 17. Drain valve handle (DVH), Drain valve (DV) 18. Sink (S)

4

Figure 10. Components of a center galley

In accordance with the procedure outlined above, the first step is to derive the module driver specification. At the same time, the product structure of the existing product is visualized in the MIG. The resulting specifications are: variant area coffee makers/boiler/hot cup, variant area ovens/standard units/stowage compartments (variant), electrics, pipes, sandwich panels (modular sourcing), water supply system, electrics, air supply and extract (separate testing), splitline modules (handling), panels/composite materials, metal/pipes and electrics (recycling) and water filter (maintenance). Figure 11 shows the completed modularization chart, containing components versus module driver specifications with scores. ICED'09 ICED’09/257

4-101

4-101

2 2 2 1 1 2 2 1 1

2

2

1

2 2 2 2

1 1 1 1

Maintenance Water filter

Recycling 2 2 2

2 2 2 2 2 2

2 2

2 1 1

1 1

2 2 2 1 2 1 1 1

Inserts

Electrics

Composite panels

Lower splitline module Handling

Center splitline module

Upper splitline module

2 2

2

2

After-Sales

Separate testing Electrics

Water supply system

Modular Structural components Sourcing

Assembly

Inserts

Water supply system

Variant Electrics

Ovens

Baverage maker

Module driver:

Specification: Trolley compartment 1..7 Storage box compartment 1..4 Storage box compartment 5..6 Waste bin 1 Waste bin 2 Storage compartment 1 Storage compartment 2 Air outlet (left) Air outlet (right) Control cabinet Water shut-off Water filter Oven 1..4 Faucet Coffe maker (upper) Coffe maker (lower) Water boiler Hot cup Air relief valve Work light Work desk Drain valve Drain valve handle Sink

Purchase

Air supply system

Product planning

Storage area

Perspective:

2 2 2

2 2 2 2 2

2 2 2

2

2 1

2

1

2 2 2 2

1 1 1 1

1 2 2 2 2 2 2

2 2

2

2 2 2 2

2 2 2 2

2

2

2

1

2 2 2 2

2 2 2

1 1

1

2

1

1

2

Figure 11. Modularization chart of the galley

In this example, there are no overlaps between different modules, and module definition can therefore be achieved by simply grouping the components. In the modularization chart, potential modules which can be grouped have been circled. Figure 12 illustrates the resulting modularization concepts in MIGvisualization based on the four different perspectives. Product strategy

Purchase S

DK KM2

E5

B O1

O2

O3

DV WN

SF2

E6

KM1

WF

WH

O4

E1

Aö1

L

KM2

E2

E4

SF1

Aö2

E5

B O1

KM1

BN

E3

O2

O3

O4 SF2

E6

HC

HC

Ab1

Ab2 T1…7

Assembly

After-Sales

S HC

DK

L

E1

E2

E3

E4

SF1

S

Aö2

HC

E5

WF WH

DV WN

Aö1

O1

O2

O3

KM1 KM2 B

DK

O4

E6

DV WN

Aö1

E1

E2

E3

E4

WF WH

SF2

BN

Ab1

L

SF1

Aö2

E5 O1

O2

O3

KM1 KM2 B

O4

E6

Ab1

Ab2

SF2

BN

Ab2

T1…7

T1…7

Figure 12. Modularization concepts based on different perspectives

Given that the developed concepts show a general coincidence between the module definitions, it appears likely that it will be possible to finalize one concept without creating several alternatives. Figure 13 illustrates the final concept for the galley modularization. 4-102 ICED’09/257

4-102

ICED'09

WL

S

SB1

SB2

SB3

SB4

AO1

SV WFB F BM1 BM2 S DVH DV

SC1

AO2

SB5

O1

O2

S

O3

O4 SB6

EV

WB1

SC2

WB2 T1…7

Fresh water Grey water Fresh air Exhaust air Electric power Module

Figure 13. Final concept of the modular product architecture for a galley

As illustrated in Figure 14, the galley is divided into 3 variant and 2 invariant modules. From a product-strategy point of view, the developed product structure allows a platform design of the galley. Using the platform approach, the upper and lower part of the galley are the standardized product platform, and the middle modules represent the hat which can be customized by the client. Accordingly, coffee makers, a boiler and hot-cups can be located in the left-hand module, a variable number of ovens or standard units can be fitted in the middle module, and the right-hand module can accommodate a variable number of stowage compartments and/or standard units.

Upper platform module 9

9

9

9

Variant “hat” modules

Lower platform module

5

5

Figure 14. Platform concept of a galley

From a purchase-and-assembly point of view, the concept offers the possibility of sourcing preassembled modules, which then can be assembled in just one final assembly step. The grouping and reduction of media and power interfaces effectively makes this possible. This means that only few connections need to be mounted and tested in the final assembly step. The modularization also facilitates maintenance of the galley, as the water filter, which plays an important role in maintenance, is designed as a sub-module with easy disassembling capabilities. 5 CONCLUSIONS The method we have presented is based on a differentiated process aimed at achieving modularization in accordance with the respective product-planning, purchase, assembly and after-sales perspectives. While the method shows up the conflicts which are liable to arise between given perspectives, certain general concepts can be derived from it. ICED'09 ICED’09/257

4-103

4-103

A major aspect in developing this method was to design the procedure in a way that facilitates reproduction and documentation. This particularly is supported by the Module Interface Graph (MIG), which visualizes the product structures easy usable. In developing modular product architectures, the user is supported by a design questionnaire and design guidelines. The necessary knowledge for creating the module driver specifications is provided by the questionnaire. This allows the user to concentrate in bringing in his product knowledge directly into the development process. By the guidelines he is supported in considering design changes for improvements. Currently the user is not supported in evaluating the developed concepts. Therefore the aim of future research work is the development of a suitable key metrics system, which allows objective concepts evaluation and selection. REFERENCES [1] Pimmler T.U. and Eppinger S.D. Integration Analysis of Product Decompositions. In Design Theory and Methodology Conference, DTM‘94, Minneapolis, September 1994, pp.343-351. [2] Erixon G. Modular function deployment: A method for product modularisation, 1998 (Royal Institute of Technology, Stockholm). [3] Stake R.B. On conceptual development of modular products, 2000 (Royal Institute of Technology, Stockholm). [4] Blackenfelt M. On the development of modular mechatronic products, 1999 (Royal Institute of Technology, Stockholm). [5] Koeppen B. Modularisierung komplexer Produkte anhand technischer und betriebswirtschaftlicher Komponentenkopplungen, 2007 (Shaker Verlag, Aachen). [6] Koppenhagen F. Systematische Ableitung modularer Produktarchitekturen, 2004 (Shaker Verlag, Aachen). [7] Lanner P. and Malmqvist J. An approach towards considering technical and economic aspects in product architecture design. In Proceedings of the 1st International NordDesign Seminar on Engineering Design, Espoo, Finland, August 1996, pp.28-30 [8] Lange. M.W. Managing the Integration of Technical Solutions in a Modularized Product Concept. In: 2nd International Conference on Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering, Compiegne, France, May 1998, pp.521-528 [9] Göpfert J. Modulare Produktentwicklung – Zur gemeinsamen Gestaltung von Technik und Organisation, 1998 (Gabler Verlag, Wiesbaden) [10] Kusiak A. and Huang C.-C. Development of modular products. IEEE Transactions on components, Packaging, and Manufacturing Technology, 1996, 19(4), Part A, pp.523-538. [11] Martin M. V. and Ishii K. Design for Variety: A Methodology for Developing Product platform Architectures. In ASME Design Engineering Technical Conferences, Baltimore, September 2000. [12] Gu P. Sosale S. Product Modularization for Life Cycle Engineering. Robotics and Computer Integrated Manufacturing, 15, 1999, pp.387-401. [13] Blees C. and Krause D. On the development of modular product structures: A differentiated approach. In: Proceedings of the 10th International Design Conference, DESIGN 2008, Dubrovnik, Croatia, May 2008, pp.301-309. [14] Blees C., Jonas H. and Krause D. Entwurf von modularen Produktarchitekturen unter Betrachtung unterschiedlicher Unternehmenssichten. In Beiträge zum 19. Symposium, Neukirchen, Germany, October 2008, pp.149-158. [15] Wildemann H. Komplexitätsmanagement in Vertrieb, Beschaffung, Produkt, Entwicklung und Produktion, 2004 (TCW, München). [16] Bullinger H. J. Systematische Montageplanung, 1986 (Hanser Verlag, München). [17] Ulrich K.T. and Eppinger S.D. Product Design and Development, 2004 (Mcgraw-Hill, New York). [18] Andreasen M.M. Design for Assembly, 1988 (Springer Verlag, Berlin). [19] Kipp T. and Krause D. Design for Variety – Efficient Support for Design Engineers. In: Proceedings of the 10th International Design Conference, DESIGN 2008, Dubrovnik, Croatia, May 2008, pp.425-433. [20] Pahl G and Beitz W Konstruktionslehre, Methoden und Anwendungen, 1997 (Springer Verlag, Berlin). 4-104 ICED’09/257

4-104

ICED'09

Contact: Christoph Blees Hamburg University of Technology Institute for Product Development and Mechanical Engineering Design Denickestr. 17 21073 Hamburg Germany Tel: Int +49-40-42878-2784 Fax: Int+49-40-42878-2296 Email: [email protected] URL: http://www.tuhh.de/pkt Christoph is research assistant at the Institute for Product Development and Mechanical Engineering Design of the Hamburg University of Technology. He works on the topics modularization, assembly and product variety, applied mostly in the field of aircraft interiors. Henry is research assistant at the Institute for Product Development and Mechanical Engineering Design of the Hamburg University of Technology. He works on issues of product platform- and family planning as well as modularization, applied mostly in aircraft interiors. Prof. Dieter Krause is head of the Institute Product Development and Mechanical Engineering Design and dean of mechanical engineering at Hamburg University of Technology. He is member of the Berliner Kreis and the Design Society. Main topics of his research are new design methods with respect to product variety and modularization as well as lightweight design for aircraft interiors.

ICED'09 ICED’09/257

4-105

4-105

4-106

ICED'09