Diplomarbeit

Contribution to the design of a matrix to analyse and classify Problem Solving Methods
according to performance criteria
- How to choose the fitting Problem Solving Method for a specific problem

Contribution à l’élaboration d’une matrice d’analyse et de classification dédiée
aux méthodes de résolution de problèmes selon des critères de performance

Beitrag zur Erstellung einer Matrix zur Analyse und Klassifizierung
von Problemlösungsmethoden nach Leistungskriterien

vorgelegt von: Martin Fritz
2006

Table of contents

1. Framework and context of the work ... 1
1.1. Objective and structure of the work ... 1
1.2. Keywords: ... 5
1.3. On the necessity of an analysis and classification matrix – context of the work ... 5
1.4. Limitations of this work ... 7
1.5. Problem, complexity and innovation – elaboration on central notions ... 9
1.5.1. Problems, problem solving and Problem Solving Methods ... 9
1.5.2. Complex systems, complexity and systems thinking ... 11
1.5.3. Innovation and invention ... 13

2. Problem Solving Methods (PSM) ... 15
2.1. Analysed and compared methods ... 15
2.1.1. Axiomatic Design ... 16
2.1.2. Quality function deployment (QFD) ... 19
2.1.3. Robust Design, Taguchi Method ... 23
2.1.4. Systematic Approach of Pahl and Beitz (SAPB or P&B) ... 27
2.1.5. TRIZ – Theory of Inventive Problem Solving ... 30
2.1.6. Value Engineering (VE) ... 39
2.2. Short suggestion of some other interesting methods ... 41
2.3. Positioning of the methods in the problem solving process or innovation process making use of the W-model ... 42

3. Development of criteria for classification, analysis and evaluation of Problem Solving Methods ... 46
3.1. Performance and characteristic of Problem Solving Methods ... 46
3.2. Criteria and characteristic to describe the problem ... 50

4. Development of the analysis and comparison matrix ... 53
4.1. Example problems and their solution concepts ... 53
4.1.1. Convey glass disc problem ... 55
4.1.2. Disperse varnish problem ... 66
4.1.3. Glass polishing problem ... 76
4.1.4. Powder Injection Moulding (PIM) problem ... 86
4.1.5. Tea ball problem ... 96
4.1.6. Supplemental problem ... 106
4.2. Evaluation of the performance of Problem Solving Methods ... 113
4.2.1. Validation of Axiomatic Design ... 114
4.2.2. Validation of QFD ... 118
4.2.3. Validation of Robust Design ... 124
4.2.4. Validation of the Systematic Approach of Pahl and Beitz ... 129
4.2.5. Validation of TRIZ ... 133
4.2.6. Validation of Value Engineering ... 140
4.3. Overall Analysis and Classification Matrix ... 145
4.3.1. Composition of the overall analysis and classification matrix ... 145
4.3.2. Depiction of the AC-matrix ... 146
4.3.3. Proceeding to read the matrix statement ... 147

5. Validation of the analysis and comparison matrix concept ... 153
5.1. Outline for the solution of a final example problem ... 153
5.2. Validation example problem ... 153
5.2.1. Description of the problem: Development of car tires for all-year usage ... 154
5.2.2. Statement of the matrix ... 156
5.2.3. Solution concepts ... 158
5.2.4. Conclusions ... 164
5.3. Validation of the concept with the help of the Validation Square ... 165
5.3.1. The Validation Square ... 166
5.3.2. Application of the Validation Square concept on the ACM ... 167

6. Conclusion, outlook and summary ... 169
6.1. Review of critical points and difficulties ... 169
6.2. Outlook ... 171
6.3. Summary ... 172

List of literature ... 175

Appendix ... 183

1. Framework and context of the work

1.1. Objective and structure of the work

Nowadays products get more and more complex, product life cycles tend to become shorter, knowledge within a company is huge, but distributed…– Facing this industrial background ways and means have to be found and described to master the situation and to stay competitive.

When it comes to idea creation, solution of design problems and creation of innovations a broad range of methods exists: Axiomatic Design, Quality Function Deployment, Robust Design, Systematic Engineering Design, TRIZ, Value Engineering, etc.

Problem in this context has to be differentiated from a mere task where a standard solution approach is known and applied.

In this work the most frequently used methods are to be identified, described and evaluated. Special attention is paid to the method TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving).

For method analysis and comparison and to facilitate the problem-driven choice between the methods, criteria have to be described to position the method within the innovation process, to evaluate the performance of the applied method and to characterize the problem. Different example problems have to be solved by the use of the methods in order to evaluate their performance. In this work the new approach to assess problem-specific method performance is stressed.

Finally the consistent assessment has to provide a matrix showing the methods’ strengths and weaknesses. Thereby hints for integrating and combining ideas of single methods might be gained. The concept of a comparison and analysis matrix has to be justified by a final case.

The outline of this report is as follows:

In chapter 1 the necessity of an analysis and classification matrix is explained and central notions are presented. In chapter 2.1 the most currently used methods are introduced. The different stages of an innovation or problem solving process are presented in chapter 2.2 and methods positioned within this process, followed by a description of possible criteria to classify methods in chapter 3. Example problems are solved in chapter 4. Based on literature research and the gained insights when working on example problems, the Problem Solving Methods are classified according to their characteristics and evaluated according to their performance to solve specific problems. This chapter is summarized by a matrix displaying the findings. One exemplary problem follows in chapter 5 allowing some conclusions on validity of the findings. A summary and outlook in chapter 6 conclude this work.
 

Objectif et structure du travail

De nos jours on peut constater que les produits deviennent de plus en plus complexes, que le cycle de vie produits diminue, que la connaissance dans une entreprise est immense mais dispersée… - Pour maîtriser cette situation et pour rester compétitif, des méthodologies doivent être trouvées, décrites et appliquées.

Quant à la génération d’idées, la résolution des problèmes de construction et l’innovation, des méthodes diverses existent : Axiomatic Design, Quality Function Deployment, Robust Design, Systematic Approach of Pahl and Beitz, TRIZ, Analyse de Valeur, etc.

Dans ce travail des méthodes usitées et courantes sont identifiées, décrites et évaluées, avec une attention particulière par la méthode TRIZ (Théorie de la Résolution des Problèmes d’Innovation).
Pour rendre possible une comparaison et pour faciliter le choix entre les méthodes, des critères doivent être décrits. Cela sert à positionner la méthode dans le processus d’innovation, à évaluer la performance de la méthode générale et la performance liée au caractère du problème. Des problèmes exemplaires doivent être résolus par les méthodes pour juger leur performance.
La nouveauté de ce travail, évaluer la performance des méthodes liées au caractère du problème, est soulignée.

Finalement les évaluations des méthodes doivent être rassemblées dans une matrice qui présente les points forts et faibles des méthodes.

Le concept de la matrice d’analyse et de classification doit être validé par un problème exemplaire final.

Description de la structure du rapport:

Dans le chapitre 1 la nécessité d’avoir une matrice d’analyse et de comparaison et des notions centrales sont expliquées. Les méthodes les plus fréquemment utilisées sont présentées dans le chapitre 2.1. Dans le chapitre 2.2 les étapes différentes des processus d’innovation ou de résolution de problèmes sont présentées et les méthodes sont positionnées selon ces étapes. Dans le chapitre 3 des critères pour classifier et évaluer les méthodes sont décrits. Des problèmes exemplaires sont résolus dans le chapitre 4.1. La classification et l’évaluation des méthodes de résolution de problèmes (chapitre 4.2) sont basées sur une étude bibliographique et des connaissances gagnées pendant la résolution des problèmes. Le chapitre est résumé par la matrice d’analyse et de classification. Dans le chapitre 5 un problème final permet de conclure sur la validité du concept. En vue du travail effectué, un résumé et une ouverture sur ce thème est proposé en conclusion dans le chapitre 6.
 

Zielsetzung und Struktur der Arbeit

Heutzutage werden Produkte immer komplexer, Produktlebenszyklen immer kürzer, das Wissen im Unternehmen ist immens, aber verstreut… - Um wettbewerbsfähig zu bleiben und die Herausforderungen des Marktes anzunehmen, müssen Methoden gefunden, beschrieben und angewandt werden.

Um Ideen zu finden, Konstruktionsprobleme zu lösen oder Innovationen zu schaffen gibt es zahlreiche Methoden: Axiomatic Design, Quality Function Deployment, Robust Design, Methodisches Konstruieren, TRIZ, Value Engineering, etc.

In dieser Arbeit werden die gebräuchlichsten Methoden identifiziert, beschrieben und bewertet. Besondere Aufmerksamkeit kommt dabei der TRIZ-Methode zu (Theorie des erfinderischen Problemlösens).
Im Rahmen dieser Arbeit muss dabei ein Problem von einer bloßen Aufgabe unterschieden werden. Bei einer Aufgabe ist der Lösungsweg standardisiert und vorgegeben.
Um einen Methodenvergleich und eine Methodenauswahl in Abhängigkeit vom Problem zu ermöglichen, müssen Kriterien definiert werden: Diese Kriterien dienen dazu, die Methode den verschiedenen Phasen des Problemlösungsprozesses zuzuordnen und die Methodenleistung zu bewerten. Um die Methodenleistung auch problem-spezifisch bewerten zu können, müssen auch Kriterien zur Charakterisierung des Problems bestimmt werden.

In dieser Arbeit werden verschiedene Beispielprobleme mit den Methoden gelöst, und dadurch die Methoden-Leistungsfähigkeit bewertet. Betont wird dabei der neue Ansatz, die Methodenleistung ausgehend von den Problemeigenschaften zu bewerten. Am Ende soll dem Konstrukteur eine Matrix zur Verfügung gestellt werden, welche die Stärken und Schwächen der Methoden veranschaulicht und eine gezielte Methodenauswahl ermöglicht.

Dadurch können auch neue Ideen für die Kombination verschiedener Methoden gewonnen werden.
Das Konzept der Vergleichs- und Analysematrix wird zum Schluss durch ein Fallbeispiel bestätigt.

Dieser Bericht ist wie folgt strukturiert:

Nachfolgend wird in diesem Kapitel der Kontext dieser Arbeit präsentiert und es werden zentrale Begriffe erklärt. In Kapitel 2.1 werden die am häufigsten verwendeten Problemlösungsmethoden vorgestellt. Diese werden in Kapitel 2.2 den verschiedenen Phasen eines Innovations- oder Problemlösungsprozesses zugeordnet. In Kapitel 3 werden Kriterien zur Klassifizierung der Methoden vorgeschlagen. In Kapitel 4 wird die Vergleichs- und Analysematrix entwickelt. Dazu werden zuerst Beispielprobleme gelöst. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse führen - ergänzt durch eine Literaturrecherche - zur Klassifizierung der Methoden und zur Bewertung ihrer Eignung, ein bestimmtes Problem zu lösen. Den Abschluss des Kapitels bildet eine Darstellung der Matrix mit allen Ergebnissen. Betrachtungen zur Gültigkeit des Konzeptes werden in Kapitel 5 an hand eines Validierungsbeispieles entwickelt. Eine kurze Zusammenfassung und ein Ausblick beschließen in Kapitel 6 diese Arbeit.

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