Optimierung mit NPI-Prozess: 38 % Kosten reduziert, über 4 Monate schneller in Serie

Bei der Weiterentwicklung eines komplexen Steuergerätes mit Leistungselektronik und elektromechanischen Komponenten, der EM-box V3, setzte GED zur Optimierung gezielt den NPI-Prozess ein (NPI, New Product Indroduction). Mit der Design-for-Exellence-Methodik (DfX) konnten die Entwickler Schaltungsteile und Komponenten systematisch optimieren.

Über 50 % der Fertigungskosten werden erfahrungsgemäß in der Entwicklung festgelegt. Der Hintergrund: Die Entwickler konzentrieren sich in der Prototypen-Entwicklung auf die Funktionalität des Produkts. Dabei werden zu diesem Zeitpunkt bereits weitreichende Entscheidungen und Festlegungen getroffen, die später die Kosten, aber auch die Zuverlässigkeit enorm beeinflussen.

Bereits in dieser Phase kommt Design for Excellence (DfX) eine entscheidende Rolle zu. Die DfX-Methodik setzt sich aus einer Reihe von Optimierungsmaßnahmen in der Designphase zusammen:

  • Design for Manufacturing (DfM)
  • Design for Test (DfT)
  • Design for Service (DfS)

Damit werden gleichzeitig auch die Zuverlässigkeit, Umweltaspekte und Produktsicherheit über die DfX-Methode definiert.

Optimierungspotenziale systematisch aufgedeckt

Im Rahmen eines anstehenden Redesign des Energiemanagement-Systems EM-box entschied sich GED dafür, mithilfe von DfX die bestehende Geräteentwicklung noch einmal komplett auf den Prüfstand zu stellen. Ziele waren eine Vereinfachung in der Produktion und eine Optimierung der Serienkosten für steigende Stückzahlen. Im NPI-Prozess ließ sich mit DfX-Maßnahmen ein über den gesamten Produktentstehungsprozess kostenoptimierter Prototyp entwickeln, der nahtlos in die Serienfertigung überführt wurde und einen schnellen Markteintritt möglich machte.

In der ersten Stufe wurden die Stückliste mit allen A-Komponenten und Bauteilen sowie das Gehäuse auf Optimierungsmöglichkeiten hin untersucht. Das waren unter anderem:

  • 8-Kanal Strommess-Shunt > 300 A
  • MOSFET-Schaltstufen > 300A
  • µController und Stromversorgung
  • Hochstrom-Anschlüsse und Hochstrom-Leiterplatte
  • Sicherheitsrelais > 200A, usw.
  • Gehäuse

Die größten Optimierungspotenziale fanden sich bei Shunt und den MOSFET-Schaltstufen sowie bei der Hochstrom-Leiterplatte. Sicherheitsbauteile wie die Relais wurden bewusst nicht geändert. Hinzu kamen Optimierungen im Powerkonzept und in verschiedenen anderen Schaltungsteilen, die teils sogar vereinfacht, aber mit deutlich erweiterter Funktionalität versehen wurden. So ersetzt nun ein FPGA drei Aufsteckplatinen für die MOSFET-Überwachung. Der FPGA schaltet wesentlich schneller und kann zusätzlich noch neue Funktionen übernehmen.

Bei der Shuntlösung ersetzt eine Integration auf die Hochstrom-Leiterplatte die bisherige Shuntschiene. Die neue Schaltung wurde zunächst auf einer Testleiterplatte entwickelt und umfangreich getestet, bevor sie dann auf die Hochstrom-Leiterplatte integriert wurde. Eine Softwareerweiterung sorgt für die automatisierte Kalibrierung.

Eine weitere Vereinfachung ließ sich bei der Hochstrom-Leiterplatte umsetzen.

Eine weitere Vereinfachung ließ sich bei der Hochstrom-Leiterplatte umsetzen. Mittels Stromdichtenverteilungs- und Thermosimulation wurden die Hochstrompfade soweit optimiert, dass die Leiterdicke von 1,5 auf 1 mm reduziert werden konnte.

Die einzelnen Maßnahmen und Entwicklungen wurden immer wieder vorab oder parallel zum Designprozess getestet und simuliert. Die gute Teamarbeit von erfahrenen und multidisziplinären Spezialisten ermöglichte es, dass das umfangreiche Redesign in einen Zeitraum von nur sieben Monaten bis zur Serienreife gelang.

Überprüfungen der Produktion, der Montage und Tests wurden in der gesamten Prozessphase immer wieder parallel durchgeführt. Dabei leisteten die etablierten DfM-Simulationstools von Mentor Graphics und easylogix wertvolle Hilfe. Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Zu verbesserten und neuen Funktionen kommen Kosteneinsparungen von 38% und ein Zeitgewinn von mehr als vier Monaten.

Mehr zum Projekt können Sie auf der 25. FED Konferenz, die am 21. Und 22. September in Berlin stattfindet, erfahren. Hanno Platz hält dort einen Vortrag mit vielen weiteren interessanten Details zur erfolgreichen NPI-Umsetzung.

Bei Interesse sprechen Sie uns an, wir können gerne Ihre neuen oder auch bestehenden Geräte mit der NPI-Methode serien- und kostenoptimieren. Das Beispiel EM-box zeigt: Der Aufwand amortisiert sich schnell durch die Einsparungen in der Serie.

 

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