Das quantitative Wirkraummodell: Ein Beitrag zur phänomenologisch motivierten Entscheidungsbildung im Produktentwicklungsprozess

Im Entwicklungsprozess technischer Systeme müssen zahlreiche Entscheidungen getroffen werden. Der Erfolg jeder Entwicklung hängt maßgeblich davon ab, dass Entscheidungen zur Produktgestaltung – von der Konzeptphase bis zur Ausarbeitungsphase – nachvollziehbar und auf der Grundlage objektiver Kriterien getroffen werden. Dafür werden umfassende Informationen benötigt, die in Kombination mit vorhandenem Erfahrungsund Expertenwissen in spezifisches Systemwissen überführt werden müssen. Modelle technischer Systeme dienen hierbei als Werkzeuge, um Informationen zu sammeln, zu verarbeiten und daraus Wissen zu generieren. Im Produktentwicklungsprozess kommen hierfür unterschiedliche Modellbildungsansätze zum Einsatz, die auf die jeweiligen Phasen und notwendigen Entscheidungen abgestimmt sind. Ein zentraler Erfolgsfaktor ist die Übergabe von Informationen und Wissen zwischen den Phasen des Produktentwicklungsprozesses. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modellbildungsansatzes, der die Gestalt eines Systems mit dessen Funktion über quantitativ beschriebene Wirkzusammenhänge verbindet. Dieser Ansatz soll sowohl über die Phasen der Produktentwicklung hinweg als auch über die in einem System enthaltenen, technisch relevanten physikalischen Domänen anwendbar sein. Im ersten Schritt werden Ansätze zur Auswahl geeigneter Modellbildungsansätze für die Phasen des Produktentwicklungsprozesses und spezifische Modellierungszwecke untersucht und verglichen, um einen Ausgangspunkt für die Zielsetzung dieser Arbeit zu identifizieren. Dieser Vergleich führt zur Auswahl des Wirkraummodells als Ausgangsmodell für die Entwicklung des intendierten Modellbildungsansatzes. Zur Zielerreichung werden die fünf Forschungsfragen adressiert. Die Beantwortung der ersten beiden Forschungsfragen führt zur Entwicklung des quantitativen Wirkraummodells, seiner Modellelemente und deren Funktionen. Das Modell stellt als volumetrischer, energiebasierter Modellbildungsansatz eine Möglichkeit dar, multiphysikalische Systeme hinsichtlich ihres Verhaltens quantitativ zu beschreiben. Die geschlossene Modellbildung wird durch eine erarbeite Methode abgesichert. Die dritte Forschungsfrage liefert eine Methode zur Organisation von Modellvarianten des quantitativen Wirkraummodells über die Phasen des Produktentwicklungsprozesses hinweg unter Anwendung der Garbentheorie. Die letzten beiden Forschungsfragen untersuchen die Auswirkungen des quantitativen Wirkraummodells durch die Generationsentwicklung eines Gleitlagerprüfstands sowie in einer Probandenstudie.

In the development process of technical systems, numerous decisions must be made. The success of any development largely depends on making decisions regarding product design — ranging from the conceptual phase to the detailed design phase — in a traceable manner and based on objective criteria. To achieve this, comprehensive information is required, which must be combined with existing experience and expert knowledge to be transformed into specific system knowledge. Models of technical systems serve as tools to collect, process, and generate knowledge from this information. In the product development process, various modeling approaches are employed, tailored to the respective phases and necessary decisions. A central success factor is the transfer of information and knowledge between the phases of the product development process. The overarching objective of this work is to develop a modeling approach that links the structure of a system with its function through quantitatively described working relationships. This approach should be applicable both across the phases of product development and within the technically relevant physical domains present in a system. In the first step, approaches for selecting suitable modeling methods for the phases of the product development process and specific modeling purposes are investigated and compared to identify a starting point for the objective of this work. This comparison leads to the selection of the Working Space Model as the baseline model for developing the intended modeling approach. To achieve the objective, five research questions are addressed. The answers to the first two research questions lead to the development of the quantitative Working Space Model, its modeling elements, and their functions. The model, as a volumetric, energy-based modeling approach, provides a means to quantitatively describe the behavior of multiphysical systems. The closed modeling process is ensured by a developed methodology. The third research question delivers a method for organizing model variants of the quantitative Working Space Model across the phases of the product development process using the theory of sheaves. The last two research questions investigate the impact of the quantitative Working Space Model through the generational development of a plain bearing test rig and in a participant study.