Die Bedeutung von Mechanik, Konstruktion & Betriebsmittelbau im PEP

Eine Idee als Basis für jedes Produkt: Sie entsteht meist aus Alltagssituationen, ist anfänglich noch nicht definiert und muss konkretisiert werden, damit das Produkt erfolgreich ist. Je früher die Fachbereiche Mechanik-Entwicklung in den Produktenwicklungsprozess (PEP) mit eingebunden werden, desto besser kann das Projekt begleitet werden. André Bisig, Fachbereichsleiter Mechanik Entwicklung & Prüfmittelbau bei STEINEL Solutions, nimmt Sie auf eine Reise durch den Produktentstehungsprozess mit und ordnet die Bedeutung von Konstruktion und Mechanik ein. 

Aus einer Idee entsteht ein Produkt. In einem ersten Schritt muss diese Idee in einem Anforderungskatalog spezifiziert, sprich Use-Cases beschrieben und konkrete Anhaltspunkte zum Anwendungsbereich geliefert werden. Dieser Anforderungskatalog dient als Basis für das Lastenheft, in dem von Seiten Kunde die wichtigsten Punkte definiert und zeitliche Wünsche kommuniziert werden.

Ist die Idee konkretisiert und beschrieben, startet das Projekt mit der Machbarkeitsstudie. 

Phase 1: Machbarkeit / Konzept

In dieser Phase der Produktentwicklung wird geprüft, ob die Idee realisierbar ist. Die Kernaufgabe der Mechanik-Entwicklung in dieser Phase ist es, die Aufgabenstellung des Kunden technisch zu beleuchten und Lösungsmöglichkeiten für die Anforderungen zu suchen und zu vergleichen. Es geht um das Gehäuse, die Schnittstellen, die Werkzeugherstellung und spätere Montage in der Produktion, denn diese haben wiederum einen Einfluss auf die benötigten Betriebsmittel.

Dank dem Gesamtpaket von Elektronik-, Mechanik- über Prüfmittelbau und Werkzeugherstellung, das STEINEL Solutions im Bereich der Produktentwicklung anbietet, findet früh ein optimaler Abgleich auf die internen Fertigungskompetenzen statt.

Nach Abschluss der Machbarkeitsphase besteht ein erster, fertigungsoptimierter Design-Vorschlag für das neue Produkt und ein Produktkonzept, das benötigte Teile, hauptsächlich zentrale Systemkomponenten, sowie Schnittstellen definiert. Nun können Betriebsmittel- und Werkzeuge budgetiert und der Entwicklungsaufwand in einem recht genauen Range geschätzt werden.

Dank der langjährigen Erfahrung mit Umsetzungen in den verschiedensten Branchen, die unsere Fachspezialisten in der Entwicklung mitbringen, werden nach der Machbarkeitsstudie in einem Pflichtenheft die Rahmenbedingungen seitens STEINEL festgehalten. Sind intern alle wichtigen Informationen gesammelt, erfolgt ein kanalisierter Wissens-/ Erkenntnisaustausch mit dem Kunden.

Beurteilung | André Bisig

Zwei Sprechblasen als Icon für Beratung

«Ideen für neue Produkte kommen meist direkt von den Kunden, sie kennen die Branche und Anwendung ihrer Produkte in der Praxis. Ist die Idee in einem Anforderungskatalog oder Lastenheft konkretisiert, startet die Beratung als wichtiger Teil meiner Arbeit. Wir wissen, welche Rückfragen wir stellen müssen, welche Punkte wir klären müssen und welche Details matchentscheidend sind für eine erfolgreiche Umsetzung. Ideen zur Optimierung von neuen und bestehenden Produkten kommen also vielfach von Seiten STEINEL.»

Klemmbrett mit Checkliste und Haken als Icon für Machbarkeit

«Die Machbarkeitsstudie ist von zentraler Bedeutung für das gesamte Projekt. Es geht einerseits darum, ein gemeinsames Verständnis vom Produkt, aber auch dem Markt (Einsatzgebiet) und dem Geschäftsmodell (Transport-/ Logistik) zu schaffen. Andererseits soll eine kosten- und fertigungsoptimierte Realisierung des Produktes gewährleistet werden – und dies in einer möglichst kleinen Time-to-Market. Hier können wir dank unserem agilen Setup und der langjährigen Erfahrung einen wesentlichen Mehrwert bieten, denn das reibungslose, interdisziplinäre Zusammenspiel zwischen allen beteiligten Fachspezialisten aus den Bereichen Mechanik, Elektronik, technisches Büro, Projektmanagement bis zum Einkauf ist extrem wichtig. Es werden neben physikalischen und technischen auch die finanziellen Anforderungen, anfallende Aufgaben, Stundenschätzungen, nötige Zulassungen, richtige Materialwahl und Alternativteile ermittelt.»

Phase 2: Entwicklung

Das erstellte Produktkonzept der Komponenten gelangt in der Entwicklungsphase zum Prototypenstatus. Mithilfe des CAD werden die einzelnen Komponenten unter Einbezug der Verfahrenstechniken und Berücksichtigung entsprechender Normen konstruiert sowie die komplette Baugruppe erstellt. 

Die Kernaufgabe der Mechanik-Entwicklung ist es, die Konstruktion optimal auf die spätere Fertigungstechnik anzupassen, da diese unterschiedlich ausfällt, je nach dem ob es sich um ein durch Spritzguss hergestelltes Kunststoffgehäuse oder um Blechteile handelt. Das übergeordnete Ziel ist die Optimierung von Fertigung, Kosten und Schnittstellen. Die Entwicklung eines Fertigungskonzeptes, das definiert, wie die verschiedenen Teile zusammengeführt werden sollen, z.B. durch Klicken oder Schrauben, gehört somit ebenfalls in diese Projektphase.

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Die mechanische Entwicklungsarbeit (Yin) ist eng mit der Elektronikentwicklung (Yang) verwoben; die Symbiose führt schlussendlich zum Produkt. Die Zusammenarbeit zwischen den im Projekt beteiligten Fachspezialisten ist essenziell für einen erfolgreichen Projektverlauf und ein optimal umgesetztes Endprodukt. 

So wird beispielsweise in periodischen Abständen geprüft, ob die konstruierten Gehäuse auch zu den geplanten Elektronikteilen passen und welche Verbindungsstellen wichtig sind. Ebenfalls unterstützt die Mechanik-Abteilung die Elektronikentwicklung bei provisorischen Testaufbauten für die Durchführung von Messungen.

Die Kommunikationswege bei STEINEL zwischen den Abteilungen und der Projektleitung sind sehr kurz, was ein enormer Vorteil ist. Vor allem auch, wenn es im Team um die Detailklärung geht. 

In einem nächsten Schritt werden die gefertigten Teile zu einem Prototypen zusammengefügt, der dem Endprodukt möglichst nahe kommt. Wie der Name besagt, steht bei diesen Funktionsmustern die Funktionalität im Vordergrund. Der Aufbau kann jedoch ebenso für die Visualisierung des Designs verwendet werden, der Kunde hält erstmalig Muster in 3D in der Hand oder es können beispielsweise Kabel testweise eingelegt werden. 

Dank hauseigenem 3D-Drucker mit SLS Verfahren (selektives Lasersintern) können verschiedenste Funktionsmuster in sehr kurzer Frist ausgedruckt werden. Dies ermöglicht rasche Erkenntnisse zu einzelnen Funktionen und stellt Agilität und Flexibilität sicher. 

Sind stabilere Werkstoffe gefordert, können in der STEINEL-internen Mechanik-Abteilung verschiedenste Teile mit zerspanenden Verfahren gefertigt werden. Für Spezialfälle hat die STEINEL ein Netzwerk an externen Partnern, die im Bedarfsfall kontaktiert werden können. 

Ist das Produkt so weit entwickelt und weitestgehend fertig, wird eine mechanische und elektronische Design- und Prozess-FMEA (Fehler Möglichkeits- und Einfluss-Analyse) durchgeführt mit dem Ziel,  potenzielle Fehlerquellen frühzeitig im Produktentstehungsprozess zu finden, zu bewerten und geeignete Verbesserungen zu ergreifen. 

Sobald der Kunde den Prototypen abgenommen hat, startet die Phase der Industrialisierung.

Beurteilung | André Bisig

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«Einer unserer Mehrwerte ist, dass wir neben Elektronik- auch Mechanik-Entwicklung, Betriebsmittel- und Prüfmittelbau anbieten. Bei STEINEL arbeiten wir in interdisziplinären Teams aus Fachspezialisten zusammen, die alle in einem Büro sind. Als Mechanik-Entwickler sind meine Kollegen in der Elektronikentwicklung wichtige Ansprechpartner. Zu einem erfolgreichen Projektteam zählt auch unser Projektmanager sowie ein technischer Ansprechpartner beim Kunden. Da wir bei STEINEL nach agilen Projektmanagement-Methoden arbeiten, können wir sehr schnell auf veränderte Anforderungen oder Rahmenbedingungen reagieren.»

André Bisig bei der Entwicklung einer mechanischen Komponente.

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«Der Wechsel von Konstruktion (Theorie) zur Mechanik (Praxis) sorgt in unserer Abteilung für Abwechslung und fundiertem Wissen in beiden Bereichen. Unter realen Bedingungen können wir Prototypen am besten dank mechanischen Vorrichtungen auf ihre Funktionen testen und prüfen. Hier gehen wir natürlich auch gerne die extra Meile. So haben wir mit einer pneumatischen Vorrichtung einen Dauertest bei Tasten einer Bedieneinheit gemacht oder ein Rasterscharnier 10'000 Mal hin- und herbewegt, um zwei Beispiele zu nennen.»

André Bisig bearbeitet ein Muster aus dem 3D-Drucker.

Phase 3: Industrialisierung & Testserie

Die Industrialisierungsphase ist von zentraler Bedeutung für die Serienproduktion und eine weitere zentrale Aufgabe von Konstruktion und Mechanik. Dass die Dienstleistungen Mechanik und Betriebsmittelbau aus einem Fachbereich angeboten werden und gleichzeitig die Nähe zur Produktion gewährleistet ist, ist eine Spezialität und ein zentraler Vorteil bei STEINEL Solutions. 

Während in Einsiedeln die Betriebsmittel gebaut werden, hat STEINEL weitere Spezialisten in der Gruppe, die sich um die Werkzeugbeschaffung kümmern, darunter beispielsweise Spritzguss Werkzeuge. Das Thema Lean-Management liegt im Fokus, denn der Produktionsdurchlauf soll so effizient wie möglich gestaltet werden. 

Die Betriebsmittel, darunter Montagevorrichtungen, Schraubvorrichtungen, Stanzvorrichtungen, oder Lötrahmen werden anhand der 3D-Daten und der Prototypen oder ersten Testserienteile evaluiert, konstruiert und später realisiert. Je nach geplanten Stückzahlen und Kundenwunsch sind die Betriebsmittel automatisiert, halbautomatisiert oder zur manuellen Verwendung ausgelegt. 

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Ein Beispiel für ein Betriebsmittel, das auf kundenspezifische Anforderungen in Einsiedeln konstruiert und gebaut wurde, ist eine Steckzungenpresse. In gleichzeitig zwei SMD bestückte Leiterplatten werden je sechs Steckzungen gepresst und im gleichen Arbeitsschritt zwölf gesteckte Zungen getestet.

Ein weiteres Beispiel ist ein UV-Belichtungsgerät mit automatischer Schubladenöffnung für UV-Klebstoff-Aushärtung, bei dem die eingelegten Teile gleichmässig belichtet werden, damit der UV-Klebstoff ebenfalls gleichmässig ausgehärtet wird.

Auch kleine Biegevorrichtungen für PIR-Sensoren, schwenkbare Lötvorrichtungen, Biege-Pressvorrichtungen oder Gummistanzvorrichtungen für bspw. SENSOTEC HB PIR Wire werden inhouse gefertigt. 

Sind Werkzeuge, Betriebs- und Prüfmittel vorhanden, folgt die Testserie, die ebenfalls in Einsiedeln durchgeführt wird. Die Teile werden mit der Zeichnung verglichen und auf ihre mechanische Funktion geprüft. Zudem wird mittels Erstmusterprüfberichts die Werkzeugfähigkeit letztmalig geprüft.

Je nach Produkt werden in dieser Phase verschiedene Tests mit dem Endprodukt entweder intern oder extern durchgeführt, wie zum Beispiel Klebetests oder Dichtigkeitstests. In der STEINEL-Gruppe stehen verschiedene Messmittel zur Verfügung, darunter eine IP-Testanlage, eine Messmaschine oder ein 3D-Scanner. So gehören Tests unter realen Bedingungen zur Tagesordnung, beispielsweise genormte Falltests ohne Verpackung aus verschiedenen Höhen oder Schlagtests an einer Langfeldleuchte mit einem Kugelpendel (500gr oder 5kg), das mit Schwung an die Leuchte schmettert. STEINEL verfügt zudem über eine Regenkammer und einen Klimaschrank, in dem Teile unter hohen Anforderungen und mit dem Durchlauf bzw. Einstellen von verschiedenen Zyklen - warm kalt, trocken feucht und zeitabhängig - auf Temperatur und Feuchtigkeit getestet werden.

Sind die Tests erfolgreich, erfolgt die Teilefreigabe. Die Prozesssicherheit wird mit Betriebs- und Prüfmittel-Fähigkeitsnachweisen und Arbeitsanweisungen sichergestellt. 

Beurteilung | André Bisig

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«Die Bedeutung der Industrialisierung hat stark zugenommen, das Prüfkonzept ist für den Markterfolg und die Zulassung von zentraler Bedeutung. Produkte werden intelligenter, komplexer und gleichzeitig kleiner. Als Beispiel müssen grössere Kabelbäume in kleinere Platzverhältnisse eingebaut werden. Entscheidend für den Erfolg bei der Nullserie ist die Nähe zwischen Entwicklung und Produktion. Viele Themen können wir Hand in Hand lösen. So bleiben die Kommunikationswege kurz und wir gewinnen wertvolle Zeit!» 

André Bisig und Reto Schmid, Leiter Montagen & Test, begutachten ein Prüfgerät.

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«Die Montage der Betriebsmittel erfolgt in jedem Fall bei uns im Hause. Wir bauen die bestellten Teile zusammen, testen diese und optimieren wo notwendig. Es ist daher von Mehrwert, dass die Konstrukteure auf eine eigene Mechanik-Abteilung mit Spezialisten sowie die interne Mechanische Werkstatt zugreifen können. Wir verfügen über einen breiten Maschinenpark. Dazu gehören unter anderem Kleberoboter, Ultraschallschweissanlagen, Lackierroboter, Vergussanlagen, und vieles mehr.»

Einer von mehreren Kleberobotern bei STEINEL.

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«Vor jeder Inbetriebnahme eines Prüfgeräts muss die Vorrichtung inspiziert, einzeln justiert und allenfalls angepasst werden. Dass man vor der Serienproduktion ein funktionierendes Prüfkonzept erstellt, ist matchentscheidend. Die Sicherheit steht hierbei an oberster Stelle, nebst hoher Produktqualität vor allem auch die Sicherheit des Endnutzers. Wir haben langjährige Erfahrung in der Erstellung von erfolgreichen Prüfkonzepten, was für Kunden einen enormen Vorteil bringt.»

André Bisig bearbeitet das Innenleben eines Prüfgeräts.

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«Optimierungsvorschläge kommen von Seiten des Kunden oder sie werden durch STEINEL vorgeschlagen. So erweiterten wir beispielsweise das Gehäuse eines Deckensensors mit einem zusätzlichen «Schlitz», um das Ein- und Ausbauen des Sensors zu vereinfachen. Für ein anderes Produkt haben wir einen «Klemm-Punkt» entwickelt, um den Schieber fester in der Form halten zu können. Auch die ständige Überprüfung und Optimierung von diversen Vorrichtungen und Geräten in der Produktion fällt in den Tätigkeitsbereich der Konstruktion und Mechanik, wie auch die Überprüfung von deren Funktionalitäten und Handhabung.»

IPA von einem Lernenden; Universeller Prüfadapter für Leiterplatten.

Phase 4: Serienanlauf / Nullserie

Sämtliche Dokumente, darunter Stücklisten, Betriebsmittel, Fertigungszeiten, Arbeitsanweisungen, oder Prüfvorschriften werden kurz vor der Serienfreigabe mit der sogenannten Nullserie nochmals aktualisiert. 

In dieser Phase werden diverse mechanische Prüfungen im Rahmen der Zulassung nach Normen in internen und externen Testlaboren durchgeführt. Darunter IP-Tests, IK, Vibration, Schock, Transporttest, und weitere. Eine der Expertisen von STEINEL Solutions ist die Begleitung der Zulassung. 

Die interne Freigabe durch das Qualitätsmanagement basiert auf internen Prüfberichten, Prüfberichten der Zulassungsstellen sowie allen notwendigen Konformitätserklärungen. Nach der internen Freigabe erfolgen Inspektion und Freigabe der Muster durch den Kunden. 

Phase 5: Serienbegleitung / KVP

Die Teile sind nun in der Serienproduktion. Damit das Produkt erfolgreich bleibt, ist ab diesem Zeitpunkt jeder Mitarbeiter gefordert, denn nur wer das Produkt versteht, erkennt Verbesserungspotential. Sind in der Serienbegleitung mechanische Änderungen gefragt, können diese in einem effizienten Zeitrahmen umgesetzt werden, da alle notwendigen mechanischen Ressourcen zur Verfügung stehen. Auch in der Serienbegleitung ist die Mechanik-Entwicklung involviert und unterstützt bei der Optimierung von Abläufen mit mechanischen Vorrichtungen.

Aus einer Idee ist ein Produkt entstanden. Zentral von Bedeutung im Produktentstehungsprozess Mechanik-Entwicklung.
Porträt des Mitarbeiters, der den Artikel verfasst hat

«Für mich ist die Identifikation mit der STEINEL Solutions sowie den entstehenden Produkten sehr wichtig. Die Arbeit an den verschiedenen Projekten aus diversen Branchen ist für mich eine tägliche Herausforderung aber auch eine richtige Freude. Zu sehen, wie die Produkte mit den dazugehörigen Werkzeugen, Betriebs- und Prüfmittel entstehen und diese mitzugestalten, macht mir Spass. Denn es gehört eine Portion Mut und Kreativität dazu!» 

André Bisig, Mechanik-Entwickler bei STEINEL Solutions AG