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Konstruktionslehre II – V2
Produktarchitektur /
Produktstruktur
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
16. April 2015
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
• Sie können die verschiedenen Perspektiven eines Produkts erläutern.
• Sie können den Aufbau und Zweck der Produktarchitektur erläutern.
• Sie können den Aufbau der Produktstruktur erklären.
• Sie können Gliederungsaspekte für eine Produktstruktur nennen und
erläutern.
• Sie können den Unterscheid zwischen der Produktstruktur und der
Baustruktur eines Produkts erklären.
• Sie können Analysemethoden für die Baustruktur eines Produkts und
deren Anwendung erklären.
Lernziele
2
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus
RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
3
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Beispiel: Bienenstock
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Einkauf
Entwicklung
Fertigung
Kunde
Vertrieb
Rechnungswesen/
Buchhaltung
EDV
Flüsse im Unternehmen
?
5
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Einbindung der Entwicklung/Konstruktion
?
nach Pahl/Beitz
6
Werknormung,
Datenverarbeitung
Einkauf, Lager
Betriebsmittel-konstruktion
Qualitätssteuerung und -
kontrolle
Fertigproduktelager
Labor, Versuch Produkt-
planung
Teilefertigung
Montage
Prüfung, Abnahme
Versand
Kunde, Verkauf,
ggf. Montage
Arbeitsvorbereitung • Fertigungsplanung, Kalkulation
• Fertigungssteuerung
Markt Kunde
Vertrieb, Ver-
kauf, Werbung
Entwicklung und
Konstruktion
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Die Perspektiven eines Produkts: Gesamt
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Perspektive: Entwicklung (E)
8
• Funktionaler Zusammenhang
• Komponenten Definition
• …
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Perspektive: Konstruktion (K)
9
• Baulicher Zusammenhang
• Gestalterischer Zusammenhang
• Montage Zusammenhang
• …
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Vernetzung der Perspektiven : E/K
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Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus
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1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
11
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus
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• Es wird ein Ordnungsrahmen benötigt, um ein Produkt
überhaupt erstellen (entwickeln, konstruieren, fertigen…)
zu können.
• Der Übergeordnete Ordnungsrahmen ist die
Produktarchitektur.
• Die Produktarchitektur stellt den Zusammenhang
zwischen der Markt-/Kundensicht (Funktion) und der
Unternehmenssicht (Produktstruktur)dar.
Die Produktarchitektur als Ordnungsrahmen
12
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Produktarchitektur
Produktarchitektur
Produkt-
struktur
(bauliche
Zusammen-
hänge)
Funktions-
struktur
(funktionale
Zusammen-
hänge)
13
Mit der Produktarchitektur wird festgelegt, welche Funktion durch
welchen Funktionsträger (Baugruppe, Komponente) erfüllt werden soll.
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Die Produktarchitektur beschreibt das Beziehungsschema zwischen der
Funktionsstruktur eines Produktes und seiner physischen Baustruktur.
Produktarchitektur
14
Nach Ulrich; Hohnen
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1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
15
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• Technische Gestaltung der Produktarchitektur:
• Welche Anforderungen und Funktionen soll das Produkt erfüllen?
• Welche Lösungsprinzipien werden eingesetzt?
• Aus welchen Komponenten und Modulen soll das Produkt bestehen?
• Wie lässt sich der Herstellungs- und Montageprozess optimieren
• Varianten gerechte Gestaltung der Produktarchitektur:
• Welche Varianz soll durch die Produktarchitektur abgedeckt werden?
• Wie kann diese Varianz möglichst einfach realisiert werden?
• Welche Komponenten und Module werden standardisiert oder wiederverwendet?
• Organisatorische Gestaltung der Produktarchitektur:
• Wie verteilen sich Entwicklungs- und Fertigungsumfänge auf die beteiligten organisatorischen
Einheiten (Personen, Teams, Abteilungen, Lieferanten)?
• Wie kann der Koordinationsaufwand minimiert werden?
• Welche Umfänge werden intern entwickelt und produziert? Welche werden von externen
Lieferanten zugekauft?
Gestaltung der Produktarchitektur
16
Nach Göpfert
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…
fGesamt
fHaupt
fNeben
fTeil,1
fTeil,2
…
…
…
… …
…
?
Erstellung der Produktarchitektur
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Produktarchitektur
• fHaupt: Umwandlung elektr.
Energie – Stoffumsatz Luft
• fTeil,1: Umwandlung Rotation –
Stoffumsatz Luft
• fTeil,2: Umwandlung elektr. Energie
– Rotation
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Wie bilde ich diese Funktionen ab?
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Quelle: Volkswagen, url: www..volkswagen.de, 2013
Das Automobil soll schön aussehen.
Der Motor soll sich sportlich anhören.
Mein Nachbar soll mich beneiden.
Das Automobil soll hochwertig sein.
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Erweiterte Produktarchitektur
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Funktionsstruktur
Produktstruktur
Ausprägungstruktur
Verknüpfungen
Verknüpfungen
Marktsicht
Unternehmenssicht
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Ausprägungen in der Produktarchitektur
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• Ausprägungen eines Merkmales sind vom Kunden
gewünschte Eigenschaften eines Produktes.
• Merkmale sind z. B.
• Objektiv physikalische Merkmale, z. B. der Hubraum eines
Verbrennungsmotors
• Subjektiv wahrnehmbare Merkmale , z. B. das Design
• Vorhandene Produktfeatures, z. B.
Memory-Funktion für eine
elektrische Sitzverstellung
• Das Produkt realisiert die
Merkmale und Ausprägungen.
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RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen
1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
21
Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus
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Um den gesamten Produktentstehungsprozess planen und steuern zu
können und den beteiligten Unternehmenseinheiten die benötigten
Produktdaten in geeigneter Form zur Verfügung stellen zu können,
werden Strukturen zur Produktgliederung benötigt.
Definition Produktstruktur:
Die Produktstruktur (mechatronische Produkte) bildet die Struktur und
damit den Zusammenhang der nach festgelegten
Strukturierungskriterien gegliederten physikalischen Produktelemente
wie Bauteile und Baugruppen ab.
Produktstruktur
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Ziele einer Produktstruktur:
• Einfache Fertigung
• Hoher Anteil wieder verwendbarer Elemente
• Möglichst kundenneutrale Fertigung bis in die oberen Strukturebenen
• Abbildung des Produktes im Unternehmen (PDM- und ERP-Systems)
Ziel einer Produktstruktur
23
Die Produktstruktur ist die Haupt-
planungsbasis eines Unternehmens
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Beispiel zur Produktstruktur
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Gehäuse
Scharnierbuchse
Scharnier-
zapfen
Sicherungs-
element
groß
Schlitz-
Schraube
Tür
Innensechs-
kantschraube
Sicherungs-
element
klein
Schlüssel
Schloss
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Beispiel 1 zur Produktstruktur
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Schlüssel
Sicherungselement klein
Innensechskantschraube
Schloss
Sicherungselement groß
Schlitzschraube
Scharnierzapfen
Scharnierbuchse
Tür
Gehäuse
Produkt
Eine Zeichnung:
„Schrank“
Schrank
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Beispiel 1 zur Produktstruktur
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Gehäuse
Scharnierbuchse
Scharnier-
zapfen
Sicherungs-
element
groß
Schlitz-
Schraube
Tür
Innensechs-
kantschraube
Sicherungs-
element
klein
Schlüssel
Schloss
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Baugruppe:
Tür komplett
Beispiel 2 zur Produktstruktur
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Schlüssel
Sicherungselement groß
Schlitzschraube
Scharnierbuchse
Scharnierzapfen
Sicherungselement klein
Innensechskantschraube
Schloss
Tür
Tür komplett
Gehäuse
Zeichnungen:
Baugruppe:
Gehäuse
Baugruppe:
Schrank
Produkt
Schrank
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Beispiel 2 zur Produktstruktur
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Gehäuse Tür komplett
Einzelteile Einzelteile
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Beispiel 3 zur Produktstruktur
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Sicherungselement groß
Schlitzschraube
Scharnierzapfen
Schloss
Tür
Innensechskantschraube
Sicherungselement klein
Schlüssel
Schlitzschraube
Scharnierbuchse
Sicherungselement groß
Gehäuse komplett
Tür komplett
Baugruppe:
Tür komplett
Zeichnungen:
Baugruppe:
Schrank
Baugruppe:
Gehäuse
komplett
Produkt
Schrank
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Beispiel 3 zur Produktstruktur
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Gehäuse Tür komplett
Einzelteile Einzelteile
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1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
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Sichten auf ein Produkt (Planungsbedürfnisse)
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Je nach Aufgabe im Unternehmen interessieren den Betrachter unterschiedliche
Eigenschaften (Sichten) des Produkts:
• Entwicklung/Konstruktion:
Welche Funktionen müssen erfüllt werden?
• Einkauf:
Welche Bauteile, Komponenten, Halbzeuge müssen eingekauft werden?
• Fertigung:
Welche Fertigungsoperationen (Maschinen/Kostenstellen) werden zur
Produktion der Bauteile benötigt?
• Montage:
In welcher Reihenfolge müssen welche Teile montiert werden? Welche
Zwischenzustände müssen beachtet werden, z. B. Lackierung?
Jeder Bereich bräuchte eine spezielle Produktstruktur
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Fertigung Einkauf Entwicklung
(Elektrik, Elektronik)
Sichten auf ein Produkt
Entwicklung
(Mechanik) Montage
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Festlegung der Produktstruktur
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Bedruckung
Konstruktionsstruktur Fertigungsstruktur
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Festlegung der aktiven Produktstruktur
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Bedruckung
Konstruktionsstruktur Fertigungsstruktur
gegliedert nach:
• fertigungstechnischen
Gesichtspunkten
• Montagebaugruppen
• Montagestufen
• Fertigungsverfahren
• Kostenstellen
• Eigenfertigung /
Fremdfertigung
gegliedert nach:
• funktionalen
Gesichtspunkten
• inhaltlichen Gesichtspunkten
• Baugruppen
• Hauptfunktionsträgern
Widerspruch
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Bsp.: Getriebe + Kupplung
Getriebegehäuse
mit Kupplungsglocke
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Bsp.: PKW Interieur
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Automobiltür Konstruktion:
eine funktionale Einheit in einer
Baugruppenstückliste
Fertigung:
Bearbeitung in Kostenstelle:
• Blechbearbeitung
• Kunststoffverarbeitung
• Glas
Folgen:
• braucht je einen Zeichnungssatz für eine
Kostenstelle: Blech- und Kunststoffteile, Glas
• braucht je Montagestufe einen Zeichnungssatz
• hat Steuerungsaufwand für die Montage
Einkauf:
muss die Stückliste „zerlegen“ nach Beschaffung
(make/buy) evtl. 3 Lieferanten aussteuern mit
Stücklisten und Zeichnungen.
Lieferant:
braucht Schnittstellenzeichnungen, um zu liefernde
Bauteile richtig auslegen zu können.
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• In der Praxis entsteht die aktive Produktstruktur in enger
Kooperation zwischen Konstruktion und Fertigung.
• Sie stellt normalerweise einen Kompromiss zwischen den
Interessen der Konstruktion, wenig Dokumentationsauf-
wand, und denen der Fertigung, einfache Fertigungs-
steuerung, dar.
Produktstruktur im ERP
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1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
39
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Produkt-
konzept
Auftrag 4711: Sicht des Engineerings
Produkt-
idee Konstruktion
PDM-System
Sicht des Engineerings
ERP-System
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Produkt-
konzept
Auftrag 4711: Sicht des Engineerings
Produkt-
idee Konstruktion
PDM-System
Produktstruktur im Unternehmen
ERP-System
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Auftrag 4711: Sicht des Einkaufs/Technologie/Produktion
PDM-System
Sicht des Einkaufs/Technologie/Produktion
ERP-System
Fertigungs-
planungsprozess
Produktion
Einkaufprozess
Langläufer
Fertigungsstraße
für Baugruppe
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Bedeutung der Produktstruktur
Was passiert, wenn Sie nach Verankerung
der Produktstruktur im ERP/PPS diese ändern?
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Die Strukturstückliste
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1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
45
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• Die Baustruktur ist eine Abbildung eines Produktes und beschreibt die
physische Beziehung der Bestandteile (Komponenten, Baugruppen)
eines Produktes.
• Beispiele:
Baustruktur
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Trennen von Inhalt
und Umgebung Zutaten Haltbarkeit Preis Produkt
Bsp.: Käseverpackung
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Funktionsstruktur
Baustruktur
<Hauptfunktion>
Informationsübermittlung
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1. Allgemeine Betrachtungen
2. Die Produktarchitektur
1. Definition
2. Methode zum Aufstellen der Produktarchitektur
3. Beispiel einer Produktarchitektur
3. Produktstruktur
1. Definition
2. Problematik der Produktstruktur
3. Praxis der Produktstruktur
4. Baustruktur
1. Definition und Beispiele
5. Analysemethoden (DSM; DMM)
Produktarchitektur; Produktstruktur
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• Die Design Structure Matrix, im deutschen auch als Einflussmatrix
bekannt, dient zur Erfassung und Analyse von Netzwerken.1
• Im Rahmen der Produktentwicklung wird die DSM eingesetzt, um die
Abhängigkeiten von Komponenten (Baustruktur) aufzuzeigen.²
• DSM können die Einflussrichtung und Einflussgewichtung
berücksichtigen.
Design Structure Matrix (DSM)
49
1. Lindemann, Mauer 2006; 2. Pimmler 1994
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Baustruktur
Beispiel: DSM-Arten
50
K1 K2
K3
K5
K4
K1 K2 K3 K4 K5
K1 1 1 0 0
K2 1 0 0 1
K3 0 1 0 0
K4 3 0 0 0
K5 0 1 0 0
K1 K2 K3 K4 K5
K1 1 1 0 0
K2 1 0 0 1
K3 0 1 0 0
K4 1 0 0 0
K5 0 1 0 0
K1 K2 K3 K4 K5
K1 1 1 1 0
K2 1 1 0 1
K3 1 1 0 0
K4 1 0 0 0
K5 0 1 0 0
K1 K2 K3 K4 K5
K1 1 1 3 0
K2 1 1 0 2
K3 1 1 0 0
K4 3 0 0 0
K5 0 2 0 0
ungewichtet gewichtet
un
geri
ch
tet
geri
ch
tet
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• Pimmler unterteilt die Abhängigkeiten zwischen den Komponenten in
die Kategorien Raum, Material, Energie und Information.
• Er unterscheidet die Komponentenabhängigkeiten mit ganzzahligen
Werten von –2 (schädlich) bis 2 (erforderlich)
DSM nach Pimmler
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Durch Vertauschen oder Verschieben der Komponenten können
mithilfe der Design Structure Matrix das Produkt in Baugruppen
(Kästen) gegliedert werden.
Einsatz der DSM
52
Pimmler 1994
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Produktarchitektur
• Vergleichbar zur Design Structure Matrix wird die DMM in der
Produktentwicklung eingesetzt, um Abhängigkeiten von Funktionen
und Komponenten (Produktarchitektur) aufzuzeigen.
• Mit Hilfe der DMM kann die Definition von Modulen unterstützt
werden.
Domain Mapping Matrix (DMM)
53
K1 K2 K3 K4
F1 1 1 0 0
F2 1 1 0 0
F3 0 0 1 1
F1
F3
F2
K2
K3
K4
K1
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Ende der Bildschirmpräsentation