Auswahl eines Produktionsverfahrens für ein hochinnovatives Produkt aus dem Bereich der Mikrotechnik

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungen und Übersetzungen

1 Einleitung
1.1 Das Thema und die Struktur der Diplomarbeit:
1.2 Die Fraunhofer Gesellschaft:
1.3 Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

2 Das Produkt Nanopage
2.1 Einleitung in die Produktentwicklung
2.1.1 Produktinnovationsmanagement
2.1.2 Innovations- und Technologiemanagement
2.1.3 Produktinnovation
2.1.4 Produktinnovationsprozess
2.1.5 Der Produktentstehungsprozess:
2.2 Entwicklungs-Kollaborationen
2.3 Das Projekt Nanopage
2.4 The Work Package 6 – Aufgabendefinition IPA
2.4.1 Wirtschaftlichkeitsanalyse
2.4.2 Material-Management
2.4.3 Reinraum Technologie
2.4.4 Werkzeug Anforderungen
2.5 The Marketscreening4 – Stand der Technologien
2.5.1 CRT – Kathodenstrahlröhren-Monitor
2.5.2 LCD - Liquid Crystal Display
2.5.3 Plasma - PDP (Plasma Display Panel Technology)
2.5.4 OLED Technologie (Organic Light Emitting Diode)
2.5.5 LED – Licht emittierende Diode
2.5.6 SED Technologie (Surface- conduct electronemitter display)
2.5.7 Zusammenfassung der alternativen Darstellungs-Techniken
2.6 Die Nanopage - Das Produkt
2.6.1 Funktionsweise der Carbon Nanoröhrchen
2.6.2 Funktionsweise der Nanopage

3 Die Technischen Anforderungen an das Produktionsverfahren
3.1 Einleitung
3.2 Mikro- und Nanotechnologie
3.3 Reinraumtechnik
3.3.1 Integrales Reinheitssystem:
3.3.2 Anwendung der Reinraumtechnik im Projekt
3.4 Vorgehensweise bei der Gestaltung eines Reinraumsystems

4 Das Produktionsverfahren
Step 1 und 2 Zergliederung der Produktstruktur
Step 3 Technische Anforderungen des Produktes
Step 4 Auswahl der Prozesse / Geräte
Step 5 Vorgaben der Wirtschaftlichkeit
Step 6 Feasibility-Study - Machbarkeitsstudie
Step 7 Umsetzung und Definition verschiedener Zonen
Step 8 Space Management
Step 9 Gebäudestruktur und Design
Steps 10, 11 und 12 Produktionsanlauf und Inbetriebnahme

5 Die Wirtschaftlichkeits-Analyse
5.1 Kostenvorgaben der Projektleitung
5.2 Life-Cycle Costing

6 Zusammenfassung
6.1 Zusammenfassung und Zukunftsprognose
6.2 Danksagung

Anhang

A Literatur-Referenzangaben

B Grafik-Quellenangaben

C Erklärung

D Kontakt

Abkürzungen und Übersetzungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Das Thema und die Struktur der Diplomarbeit:

„Auswahl eines Produktionsverfahrens für ein hochinnovatives

Produkt aus dem Bereich der Mikrotechnik.“

In dieser Diplomarbeit werden im Rahmen eines internationalen Projektes Prozesse, Kosten und Alternativen von Produktionsverfahren für ein mikrotechnisches Produkt1 erarbeitet, evaluiert und ökonomisch abgewägt.

Ausgangspunkt ist eine Produktinnovation aus dem Bereich der Mikrotechnik1 mit dem Namen Nanopage, für die ein optimal an deren Anforderungen angepasstes Produktionssystem entwickelt werden soll.

Die zu behandelnde Problematik dieser Diplomarbeit besteht darin, schon während der ersten Phasen der Produktentwicklung im Laborstadium der Produktinnovation Produktionsmethoden zu analysieren und geeignete Fertigungsverfahren schrittweise zu generieren. Denn durch die frühzeitige Einbindung der Produktions-Gestaltung in den Entwicklungsprozess eröffnen sich etliche Einsparungs-Potentiale in Form von Kosten, Zeit und Aufwand.

Nachdem das Produktdesign definiert wurde, gilt es geeignete Bearbeitungs- oder Handhabungsmethoden für alle in der Produkt-Architektur befindlichen Elemente zu erarbeiten. Dabei sollen alle Aspekte der technischen Anforderungen wie zum Beispiel der Reinraum-Produktion berücksichtigt werden.

Daraus soll ein gesamtheitliches Produktionsverfahren entstehen, welches bestmöglich an die Anforderungen der Produktinnovation angepasst wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1:Der herkömmliche Innovations- und Entstehungsprozess

Die vorangegangene Grafik 1-1 stellt den heutzutage noch weit verbreiteten Prozess einer Entstehung eines Produktes von der Ideenfindung bis hin zum Start der eigentlichen Fertigung dar und zeigt, dass sich die Produktionsplanung, also der Entwurf, die Gestaltung und die Entscheidung für ein Produktionssystem, recht spät im Verlauf der gesamten Produktentstehung befindet. Diese Problematik bedeutet, dass sich die Produktion an das fertig konstruierte Produkt anpassen muss und somit keine Möglichkeit zur Einflussnahme auf die Produktstruktur gegeben ist. Daraus resultiert eine kostenaufwendige Anpassung des existierenden unvorteilhaften Systems, welche durch eine rechtzeitige Berücksichtigung der Produktionsverfahren bzw. durch frühzeitige Einbindung der Systemgestaltung nicht notwendig gewesen wäre. Die Gestaltung der ökonomisch profitabelsten Fertigungsmethode muss somit während der Konzeptphase der Innovation erfolgen, um schon im frühen Entwicklungsstadium Rücksicht auf eine fertigungs- und montagegerechte Produktgestaltung zu nehmen und daraus ein wirtschaftliches Fertigungskonzept abzuleiten.

Aspekte des „simultaneous engineering2“ versuchen genau diese Problematik in Form von rechtzeitiger Berücksichtigung einer möglichen Produktionsweise zu beheben - allerdings ohne sich zu früh auf Elemente der Produktion zu fixieren.

Es soll durch parallel gestaltete Prozesse in der Innovations-, Produkt- und Produktionsentwicklung sowohl zu einer Verkürzung der “time to market3" als auch zu einer Reduzierung der Entwicklungs- und Herstellkosten führen. Gleichzeitig öffnet sich der Horizont für zum Teil revolutionäre Methoden und Variationen in der Produktion. [DIS 2003]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sobald der Produktionsentwicklungs-Prozess frühzeitige Eingriffsmöglichkeiten auf die Gestaltung der Produktstruktur und auf das Produktdesign erhält, verkürzt sich der gesamte Ablauf - von der ersten Idee bis hin zum Start der Produktion - um einen erheblichen Anteil.

Abbildung 1-2: Der verbesserte Innovations- und Entstehungsprozess unter Berücksichtigung der Produktionsentwicklung

Die Schwerpunkte dieser Diplomarbeit bestehen darin zu analysieren…

- welche Produktionstechnologien für die seriennahe Produktion eines hochtechnischen Produktes, in Bezug auf dessen Produktionsanforderungen wie zum Beispiel der Reinraum-Technologie, in Frage kommen.
- welche Produktionsverfahren anhand der Wirtschaftlichkeits-Analyse in Abhängigkeit der geplanten Absatzmengen und anderer Kriterien realisierbar sind.
- welche Produktionsverfahren schon im Labor-Stadium der Produktentwicklung auszuschließen sind und zuletzt
- welchen Einfluss die Produktionssystemgestaltung in Korrelation mit der Produktgestaltung auf die Entwicklungszeit hat.

Die Diplomarbeit ist in sechs Themengebiete unterteilt und beinhaltet grob:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-3: Die Themengebiete der Diplomarbeit

Das folgende Kapitel beschließt die Einleitung mit einem kurzen Überblick über den Arbeitgeber: Die Fraunhofer Gesellschaft und das Institut IPA mit dessen Aufgabengebieten und Forschungsfeldern.

1.2 Die Fraunhofer Gesellschaft:

Im Zuge der Reorganisation und Ergänzung der deutschen Forschungsinfrastruktur erfolgte am 26. März 1949 die Gründung der Fraunhofer-Gesellschaft in München.

Namensgeber war der als Forscher, Erfinder und Unternehmer gleichermaßen erfolgreiche Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer (1787 bis 1826).

Die Aufgabe des gemeinnützigen Vereins war in den ersten Jahren vor allem eine verwaltungstechnische: Fördermittel von öffentlicher Hand und Spenden von Mitgliedern sollten für die wirtschaftsnahe Forschung zur Verfügung gestellt werden.

Nach über 55 Jahren der Expansion, zahlreichen Allianzen, etlichen Erfindungen und genauso vielen Auszeichnungen spielt die Fraunhofer Gesellschaft mit ihren Forschungs-Instituten eine herausragende Rolle als Innovationsmotor der deutschen Wirtschaft [IPA 1 2005].

Die Gesellschaft betreibt anwendungsorientierte Forschung zum unmittelbaren Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft selbst.

Vertragspartner und Auftraggeber sind Unternehmen aus Industrie und Handel sowie die öffentliche Hand. Die Fraunhofer-Gesellschaft versteht sich als Beratungs- und Dienstleistungsunternehmen und bietet dem Markt wissenschaftliche und technische Kompetenz für Forschungs- und Entwicklungsleistungen an.

Die Fraunhofer-Institute fungieren als externe Hightech-Labors für praktisch alle Arten von Entwicklungsaufgaben, sowohl spezielle Dienstleistungen wie professionelles Projekt- und Qualitätsmanagement, als auch als kompetente Berater in organisatorischen und strategischen Fragen [IPA 1 2005].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Fraunhofer Gesellschaft ist die größte Vertragsforschungseinrichtung in Europa.

Ungefähr 80 Forschungseinrichtungen sind an über 40 Standorten in ganz Deutschland tätig. Dort bearbeiten ca. 12.700 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Das jährliche Forschungsvolumen beträgt über eine Milliarde Euro, mehr als 900 Millionen Euro davon fallen auf den Leistungsbereich Vertrags-Forschung.

Abbildung 1-4: Die Standorte der Fraunhofer Institute in Deutschland

Die Fraunhofer Gesellschaft erwirtschaftet einerseits Erträge aus Aufträgen der Industrie und öffentlich finanzierten Forschungsprojekten, andererseits wird ein Budget von Bund und Ländern beigesteuert, um damit den Instituten die Möglichkeit zu geben, Problemlösungen vorzubereiten, die in fünf bis zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden.

Weitere Standorte der Fraunhofer Gesellschaft sind weltweit verteilt - zur Aufrechterhaltung des Kontaktes der Niederlassungen zu den wichtigsten Industrie- und Forschungspartnern in Europa, Asien und in den USA.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-5: Weltweit verteilte Niederlassungen der Fraunhofer Institute

Eine besonderer Errungenschaft machte die Fraunhofer-Gesellschaft international bekannt: MP3, das inzwischen weltweit verbreitete Verfahren zur Codierung und Komprimierung von Musikdaten.

Weitere nennenswerte Erfindungen sind zum Beispiel:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-6: Weitere Innovationen der Fraunhofer Gesellschaft

1.3 Das Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Das Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA gehört mit seinen neun Abteilungen zu den weltweit führenden Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen. Mit über 300 Mitarbeitern unterstützt IPA die Industrie, um Automatisierungs- und Rationalisierungspotenziale in den Unternehmen aufzuzeigen und auszuschöpfen, damit miniaturisierte und reinheitsempfindliche Produkte kostengünstig und umweltfreundlich produziert werden können.

Die Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dieses Fraunhofer-Instituts sind organisatorische und technologische Aufgabenstellungen aus dem Produktionsbereich von Industrieunternehmen. Hinzu kommen immer mehr Aufgabengebiete, die sich aus den Entwicklungen und Veränderungen im Dienstleistungssektor ergeben [IPA 1 2005].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Abteilung Reinst- und Mikroproduktion wurde 1984 gegründet und war zunächst vorwiegend für die Halbleiterbranche tätig, inzwischen profitieren weltweit alle relevanten Industriebranchen von den Lösungen für kontaminationskritische Fertigungen. [IPA 1 2005].

Abbildung 1-7: Das Fraunhofer Institut IPA und IAO in Stuttgart, Vaihingen

Das Ziel Unternehmen produktiver und effektiver zu gestalten, wird realisiert, indem Methoden, Komponenten und Geräte bis hin zu kompletten Maschinen und Anlagen vom Institut IPA entwickelt, erprobt und exemplarisch eingesetzt werden. Dieses Engagement wird zum überwiegenden Teil im Auftrag von Unternehmen durchgeführt. Daneben werden Projekte bearbeitet, die im Rahmen öffentlicher Forschungsprogramme gefördert werden.

Das Fraunhofer IPA stellt sich allen produktionstechnischen Fragen und entwickelt bereichs- und fachgebietsübergreifende Lösungen in fünf verschiedenen Geschäftsfeldern:

Das Unternehmensmanagement mit den Schwerpunkten des Produkt-, Innovations- und Technologiemanagements, der Produktoptimierung und des Anlaufmanagements.

Die Unternehmenslogistik mit den Kernkompetenzen in der Fabrik- und Logistikplanung, im Supply Chain Management6 und im Auftragsmanagement.

Die Automatisierungssysteme mit Lösungen für Engineering-IT, Robotersysteme und Montagesysteme.

Die Produktionsautomatisierung bestehend aus Reinst- und Mikroproduktion, Produktentwicklung sowie Anlagen- und Fertigungsprozesssteuerung.

Und die Produktionstechniken - im Mittelpunkt dabei das Rapid Product Development7, die Planung, Modellierung und Simulation der Produktionsprozesse.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-8: Das Institut IPA in Stuttgart, Vaihingen

2 Das Produkt Nanopage

2.1 Einleitung in die Produktentwicklung

„Die Fähigkeit zur Innovation entscheidet über unser Schicksal“, mahnte im April 1997 der damalige Bundespräsident Roman Herzog in seiner berühmt gewordenen Rede „Aufbruch ins 21. Jahrhundert“. [HBU 2003]

„Neues wagen bedeutet, sich in ein Abenteuer zu stürzen. Innovationsprozesse sind mit Risiken, die man berechnen kann, aber auch mit Unsicherheiten verbunden, die nicht kalkulierbar sind. Die Chancen zu scheitern sind nicht gering. Wenn das Neue dann aber da ist, verblüfft es.“ [HBU 2003]

Zu Beginn dieses einleitenden Kapitels werden zuerst einige Grundlagen der Produktentwicklung aufgegriffen, um einen Überblick über die Entstehung eines hochinnovativen Produktes zu erhalten.

Dabei wird in den folgenden Punkten auf die Aspekte und Elemente des Innovationsmanagements, auf die des Produktinnovationsprozesses und auf die Elemente des allgemeinen Produktentwicklungsprozesses vertieft eingegangen.

2.1.1 Produktinnovationsmanagement

Unternehmen sind aufgrund verkürzter Technologie- und Produktlebenszyklen in zunehmendem Maße gezwungen, neue Produkte und Dienstleistungen in kürzesten Zeitabständen auf den Markt zu bringen. Zudem spielen Aspekte des immer weiter steigenden Wettbewerbdrucks, die zunehmende Globalisierung und die Variantenvielfalt eine wichtige Rolle im Prozess Unternehmen zu diversifizieren, positiv hervorzuheben und am Markt zu etablieren.

Diese Dynamisierung der Anforderungen im Wirtschaftsgeschehen hat in der Wissenschaft und Unternehmenspraxis zu einer zunehmenden Aufmerksamkeit für das Innovationsmanagement geführt [MKO 2001].

Der Schlüssel zur nachhaltigen Unternehmensentwicklung ist somit die strategische Erneuerung durch Innovationen.

2.1.2 Innovations- und Technologiemanagement

Innovations- und Technologiemanagement sind moderne Ansätze zur Unternehmensführung. Hinsichtlich der in der Einleitung bereits angesprochenen immer stärker werdenden Herausforderungen an das Management, wird es immer wichtiger, die richtigen Entscheidungen in der Entwicklungs-Strategie der Unternehmen zu treffen. Das Innovations- und Technologiemanagement durchdringt ein Unternehmen in all seinen Facetten und begleitet es insbesondere über die gesamte Prozesskette - von der Idee bis hin zum erfolgreichen Produkt am Markt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1: Innovations- und Technologiemanagement

Mit Hilfe neuer Produkte sichern sich Unternehmen heutzutage lebenswichtige 30% ihres Umsatz- und Gewinnzuwachses, sowie ein ausgewogenes und für die Zukunft abgesichertes Produktportfolio zur Absicherung der Existenz [KBR 1996].

Generell sollte das Innovationsmanagement mit der systematischen Ideenfindung beginnen, die sich keineswegs auf eine „innovative“ Fortschreibung des bestehenden Produktportfolios beschränkt. Hier sind auch gerade im ersten Moment gewagte Visionen und Ideen gefragt, die zusammen mit nahe liegenden Produkt- oder Fertigungsinnovationen den immer erneut zu bewertenden Vorrat an Potentialen und Optionen anreichern. Diese Visionen und Ideen gilt es hinsichtlich Marktrelevanz, Machbarkeit, Wirtschaftlichkeit und weiteren Parameter zu bewerten, um eine abgesicherte Auswahl treffen zu können [DIS 2003].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Technologiemanagement ist die treibende Kraft radikale Innovationen zielgerecht und erfolgreich an den Märkten zu platzieren. Neue Ideen verlangen oftmals neue Technologien, genauso können neue Technologien auf der Produkt- oder Prozessseite Innovationen auslösen. Dabei gilt es wiederum zu unterscheiden: einerseits das strategische Technologiemanagement, welches die Entwicklung plant und definiert, indem es sie kontinuierlich sowohl produkt- als auch produktionsseitig an Markt und technologische Trends anpasst, [HBU 2003]

Abbildung 2-2: Das strategisches Technologiemanagement

andererseits das operative Technologiemanagement, welches die festgelegte Technologiestrategie umsetzt.

2.1.3 Produktinnovation

„Der Begriff Innovation ist in den letzten Jahren zum Schlagwort geworden. Seit den Thesen von Schumpeters (1912) besteht weitestgehend Einigkeit darüber, dass Innovationen der wichtigste, wenn nicht sogar der einzige Träger von Wirtschaftswachstum sind“ [MEF 2000]

Grundsätzlich stammt der Begriff „Innovation“ von dem lateinischen Wort „innovatio“ ab und bedeutet „etwas Neues schaffen“. Hauschildt bezeichnet „Innovationen“ zum Beispiel als: „im Ergebnis qualitativ neuartige Produkte oder Verfahren, die sich gegenüber dem vorangegangenen Zustand merklich - wie auch immer das zu bestimmen ist - unterscheiden. Ziel einer Innovation ist es, die Leistung etablierter Lösungen zu übertreffen und einen möglichst großen Wettbewerbsvorteil zu erreichen.“ [JHA 1998]

Innovationen sind bewusst herbeigeführte neue, strategische Handlungen, Prozesse, Leistungen oder Produkte, die geschaffen werden, um die Märkte zu befriedigen, Marktanteile auszubauen oder neue Märkte zu schaffen. Sie können sowohl von einem „Technology-Push8“ als auch von einem „Market-Pull9“ angetrieben werden. [WIR 2004]

Im engeren Sinne ist ein innovatives Produkt völlig neu für das Unternehmen, den Markt und die Zielgruppe - im weiteren Sinne kann man den Begriff „Neuheit“ einschränken. Ist ein Produkt oder ein Prozess für das herstellende oder dienstleistende Unternehmen neu, kann es sich bereits schon durch einen anderen Anbieter am Markt etabliert und eine Zielgruppe gefunden haben.

Nach Wahren ist der Ausgangspunkt, in welche Kategorien der Begriff Innovation gegliedert werden kann, das „Objekt“, auf das sich die Innovation bezieht. Die Grundlage einer Innovation ist die Suche nach einem potentiellen Abnehmer für das neue Objekt. [HKW 2004]

Im Falle dieser Diplomarbeit handelt es sich um die Bearbeitung zweier Innovationsarten: 1. Der Produktinnovation und 2. Der Prozessinnovation:

Die Produktinnovation ist die wohl bekannteste Form der Innovation. Der Begriff „Produkt“ ist hier weit zu definieren. Einerseits handelt es um materielle Produkte, wobei dies Vorprodukte (wie z.B. Kunststoffe), Zwischenprodukte (wie z.B. Zulieferteile) oder Endprodukte wie Nanopage sein können. Andererseits sind immaterielle Produkte oder Dienstleistungen wie z.B. in der Versicherungsbranche gemeint.

Bei der Prozessinnovation werden Verfahren, Systeme und betriebliche Prozesse durch die Einführung neuer Technologien in einer innovativen Art verändert, neu gestaltet oder optimiert. Ziel ist es, den Unternehmensablauf kostengünstiger, kundenorientierter, schneller, flexibler und sicherer zu organisieren. Hierbei wären die Produktionsprozesse oder die -systemgestaltung für das hochinnovative Produkt Nanopage ein passendes Beispiel.

Weitere Formen von Innovationen sind [UHA 2005]:

- Marktinnovationen
- Strukturinnovationen
- Sozialinnovationen

2.1.4 Produktinnovationsprozess

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Als Produktinnovationsprozess bezeichnet man verschiedene Abschnitte in einem Prozess, der ein Produkt von der Ideenfindung über die Produktentwicklung bis hin zur Markteinführung begleitet. Dabei steigen mit zunehmender Konkretisierung einer Produktidee die Herstellkosten progressiv:

Abbildung 2-3: Faktor 10 Regel: der rot gekennzeichnete Bereich markiert die progressive Kostenentstehung

Daher ist die frühzeitige und sorgfältige Auswahl der Ideen und somit die Durchführung des Innovationsprozesses äußerst wichtig, um ungeeignete Ideen frühzeitig zu eliminieren.

„Die Bewertung einer innovativen Idee ist sicherlich der schwierigste Teil im gesamten Innovationsprozess“. [BLE 2004] Eine darauf basierende Projektentscheidung soll schließlich nicht in einer teuren Fehlentwicklung enden oder von einer Parallelentwicklung der Konkurrenz überholt werden.

Die folgende Darstellung 2-4 gibt einen Überblick über den Zusammenhang der Phasen des Innovations- und Neuproduktplanungs-Prozesses.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-4: Umfang und Struktur eines Innovationsprozesses

Begonnen wird der Innovationsprozess mit der Analyse der Ausgangssituation: Der Bedarf des Marktes. Nach Marktforschungen und Befragungen potentieller Abnehmer wird der Innovationsprozess eingeleitet. Es erfolgt die Erfassung der Produkt-Anforderungen, um den Ansprüchen des Marktes gerecht zu werden. Dazu gibt es zwei Methoden: Das „intuitiv-kreativ Verfahren“ wie zum Beispiel ein sog. „brainstorming10“, ein „brainwriting10“ oder auch das Übertragen von möglichen Lösungen aus der Natur durch die Bionik. [UHA 2005]

Das andere Verfahren nennt sich das „systematisch-logische Verfahren“. Hier werden in einer Eigenschaftsliste vorhandene Lösungen anhand von Merkmalen mit alternativen Lösungen verglichen oder nach Funktionen in einem „Morphologischen Kasten“ aufgelistet und die optimale Lösung ausgearbeitet.

Wenn dann nach der Evaluation nur noch wenige Ideen übrig geblieben sind, werden diese in einem „checklist“-Verfahren11 oder anhand einer Werteskala aufgelistet, durch Faktoren bewertet und ausgewählt. Die Formulierung von Unternehmenszielen dient zur späteren Kontrolle, ob die Innovation erfolgreich war oder nicht. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse errechnet und vergleicht durch die „break even-Analyse12“, die „pay-off-Methode13“ oder die Kapitalwert-Methode14 die entstehenden Kosten und die Erlöse, die die bestimmte Innovation bringen soll (siehe Kapitel 5). Nachdem die Produktidee ausgearbeitet ist, beginnt die eigentliche Produktentwicklung. Hier werden Gestaltungselemente, Funktionsanforderungen, der Name der Innovation und die Markenstrategie entworfen, erarbeitet und durchgesetzt. Das Objekt wird in der vorletzten Phase geprüft, der Zielgruppe präsentiert und zuletzt auf dem Markt eingeführt [WIR 2004].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-5: Korrelation innerhalb des Innovationsprozesses

Die vorangegangene Grafik 2-5 verdeutlicht die bereits in der Einleitung dieser Diplomarbeit erwähnte gravierende, aber leider immer noch sehr häufig auftretende Problematik: Die rechtzeitige Einbindung der Produktionsgestaltung in den Produktentwicklungsprozess: Das Realisierungskonzept wird oft erst im Abschluss an die Objektgestaltung erarbeitet.

Die Vorteile der Einführung von definierten Prozessabläufen in der Praxis liegen in der Systematisierung der sonst oft ad hoc ablaufenden Entwicklung. Der Prozess wird transparent und ein gemeinsames Verständnis wird entwickelt. Dies erleichtert sowohl die Kommunikation im Team als auch die Kommunikation mit dem Top Management.

Empirische Untersuchungen ergaben, dass Unternehmen mit gut durchgeführten Prozessabläufen erfolgreicher sind als solche, die kein Instrument zur Standardisierung der Entwicklungsprozesse anwenden [HBU 2003].

Die gegenwärtige Situation zeigt, dass die Wettbewerbfähigkeit eines Unternehmens nicht allein von erfolgreichen Maßnahmen zur Rationalisierung des Betriebs abhängt. Es handelt sich meistens nur um geringe Gewinnspannen, denn die Produkte und Leistungen gleichen sich immer mehr an und der Kostendruck wächst.

Eine innovationsorientierte Strategie schafft neue Produkte und Prozesse sowie neue Formen der Kundeninteraktion. Ziel ist es, die Konkurrenz nicht auf gleicher Spur einzuholen, sondern auf innovativen Wegen zu überholen und dem eigenen Unternehmen so einen nachhaltigen Wettbewerbsvorsprung zu sichern.

2.1.5 Der Produktentstehungsprozess:

Wie bereits in den vorangegangenen Grafiken 2-1 und 2-4 dargestellt, überschneidet der Produktentstehungsprozess die letzten Phasen des Innovationsprozesses.

Der „optimale“ - jedoch selten in der Realität so abspielende - Produktentstehungs-Prozess besteht aus 10 Phasen, die sequentiell ablaufen und in der folgenden systematischen Darstellung aufgezeigt werden. Diese abgeleitete Variante nach Meffert [MEF 2000] ist eine der zahlreichen Versionen von verschieden strukturierten Produktentstehungsprozessen.

In Bezug auf die Diplomarbeit und das zu bearbeitende Projekt Nanopage, werden nur die für das Projekt relevanten Punkte hervorgehoben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-6: Der Produktentstehungsprozess

Verschiedene Studien ergaben, dass sich die Entwicklungskosten bezogen auf den Umsatz in den letzten 15 Jahren von ca. 3,5% auf über 5% erhöht haben [GAK 1996]. Ungefähr 34% der Entwicklungskosten sind auf vermeidbare technische und organisatorische Schwierigkeiten zurückzuführen [GAK 1996]; umgerechnet auf absolute Werte ergibt sich dabei eine beträchtliche Summe. Um dies zu verhindern, sind unnötige Arbeitsschritte zu vermeiden - sie müssen in der richtigen Abfolge durchlaufen werden und sollten falls möglich parallelisiert werden [GAK 1996].

Eine Ideengenerierung, die auf der aktuellen Unternehmensperspektive basiert und nur vorhandene Produkte und Leistungen weiterdenkt, greift oft zu kurz. In vielen Fällen werden Potenziale, die durch eine Erweiterung des Leistungsspektrums oder eine neue Form der Interaktion der Marktteilnehmer erschlossen werden könnte, nicht erkannt, weil der Blickwinkel auf gegenwärtige Leistungen begrenzt ist [HBU 2003]. Ziel ist es, das Wertschöpfungsnetzwerk, das unternehmensrelevante Umfeld und die festgefahrenen Strukturen zu umgehen und voraus zu denken. Eine gute Möglichkeit dazu ist ein Zusammenschluss mehrer Spezialisten zu so genannten Entwicklungs-Kollaborationen - wie im Falle des Projektes Nanopage.

2.2 Entwicklungs-Kollaborationen

Der Arbeitsstil in der Produktentwicklung ist heute von vielfältigen Kooperationen geprägt. Zahlreiche Partner innerhalb sowie außerhalb des Unternehmens müssen in den Entwicklungsprozess mit einbezogen werden, um anspruchsvolle und qualitativ hochwertige Produkte schnell am Markt positionieren zu können. Die hierzu notwendige Verkürzung der Innovationszyklen ist ohne eine Integration dieser Kollaborations-Teilnehmer aus verschiedenen Bereichen nicht realisierbar.

Bei der Zusammenarbeit mehrerer Unternehmen in der Produktentwicklung, einer so genannten „Entwicklungs-Kollaboration“, spielt die Kommunikation eine entscheidende Rolle - wie z.B. bei dem internationale Projekt Nanopage.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Jeder Kollaborationspartner bearbeitet seinen Auftrag als eine Insellösung - „work package“ genannt - die dann im Verlauf des Projektes zu einem Endprodukt zusammengeführt werden [IPK 2005].

Abbildung 2-7: Das Projekt Nanopage als eine Entwicklungs-Kollaboration

2.3 Das Projekt Nanopage

Der Fokus dieses Projektes liegt auf der Entwicklung eines flexiblen, großformatigen Displays, bestehend aus Bildpunkten in denen sich Carbon-Nanoröhrchen (siehe Kap. 2.6) befinden, welche Elektronen emittieren und somit eine Phosphorschicht zum Leuchten bringen. Diese Pixel werden mit einer Polymerverbindung16 zusammengehalten und mit jeweils einem Mikro-Prozessor angesteuert. Das Produkt soll sich, durch wissenschaftliche und technische Forschung verschiedener Projekt-Gruppen, von einem in der Laborphase befindlichen Prototypen zu einem Serienprodukt weiterentwickeln.

Ziel des Projektes Nanopage ist es [INA 2004]

- eine Fertigungstechnik zu erstellen, welche die Carbon-Nanoröhrchen kontrolliert auf einem Katalysator wachsen lässt;
- ein innovatives Schema zu entwickeln, das jedes mit Carbon-Nanoröhrchen ausgestattete Pixel mithilfe eines Mikrochips ansteuert
- ein Produktionsverfahren zu entwerfen, welches eine kostengünstige und hoch automatisierte Fertigung gewährleistet.

Das Projekt Nanopage beläuft sich auf einen Zeitraum von 36 Monaten. Begonnen hat die Forschung auf diesem Gebiet schon Anfang 1998. Verschiedene Patente wurden bezüglich der Carbon-Nanoröhrchen-Technologie beantragt und Anfang 2004 wurde die Entwicklungs-Kollaboration für dieses Projekt ins Leben gerufen.

Die Projektgruppe besteht aus der Zusammenarbeit unterschiedlichster Organisationen und Spezialisten, die für die verschiedenen Fachgebiete verantwortlich sind (siehe Abb. 2-7). Das Forschungs- und Entwicklungs-Unternehmen INANOV aus Frankreich ist der Koordinator des Projektes. In der Display-Technologie marktführende Firmen aus Belgien wie zum Beispiel BARCO und SAES aus Italien oder große Forschungseinrichtungen wie LETI aus Frankreich, dem belgischen IMEC und auch die Fraunhofer Institute ISE und IPA, genauso wie Akademische Forschungs-Institute von der Technische Universität Berlin sind in diesem Projekt involviert und werden in den kommenden Monaten unterschiedlichste Forschungs- und Entwicklungs-Aufgaben zu diesem Thema leisten.

Das Projekt besteht aus acht „work packages“ (WP). Diese definieren die jeweiligen Aufgaben, welche von den Projektgruppen im Verlauf des Projektes zu bewerkstelligen sind (siehe Abb. 2-8).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-8: Die „work packages“ im Projekt Nanopage

2.4 The Work Package 6 – Aufgabendefinition IPA

Im Projekt Nanopage wurde dem Fraunhofer Institut IPA das „work package 6“ zugeteilt. Dabei sind die folgenden Aufgabenschwerpunkte gesetzt worden:

Das Hauptziel dieses Projektpunktes ist, ein optimal an die Anforderungen des Produktes Nanopage angepasstes Produktionssystem zu gestalten, welches den Aspekten der Wirtschaftlichkeit, der Material-Handhabung, der Reinheits- und der Werkzeug-Anforderungen gerecht wird.

Da das Projekt Nanopage eine Laufzeit von 3 Jahren hat, sprengt der Arbeitsumfang, der in diesem „work package“ definiert wurde, klar den Rahmen der in dieser Diplomarbeit möglichen Mittel.

Deshalb beschränkt sich die Bearbeitung dieses Themas auf die Gestaltung, Auswahl und Entwicklung eines exemplarischen Teils des adaptiven5 Produktionssytems unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit und der Anforderungen an die Reinraumtechnik. Die Diplomarbeit wurde zudem zu Beginn des Projektes angesetzt, d.h., dass einige Zahlen und Fakten realitätsnah angenommen werden müssen, weil noch keine fundierten Aussagen z.B. über das Design oder die Fertigungsmethoden seitens der Projekt-Koordinatoren definiert wurden.

2.4.1 Wirtschaftlichkeitsanalyse

Die Bedeutung der Wirtschaftlichkeit bei der Auswahl eines Produktionsverfahrens steht genauso wie die Gewährleistung eines funktionssicheren Fertigungsprozesses im Vordergrund des „work packages“. Die Nanopage-Technologie bietet ein selten zuvor da gewesenes Potential große Displays kostengünstig herzustellen.

Zweck dieses Aufgabenpunktes ist es Kosten-Modelle und Kalkulationen zu erstellen, um die Auswahl an möglichen Produktionsverfahren einzuschränken und um die effektivsten und zugleich wirtschaftlichsten Methoden bestimmen zu können. Dazu kommt die Evaluierung von Optimierungspotentialen der vorhandenen Prozesse bezüglich Durchsatz und Arbeitsgeschwindigkeit.

2.4.2 Material-Management

Hinsichtlich des Material-Managements soll ein passendes Konzept für die Materialbereitstellung generiert werden, das das Material-Handling17 und den Materialfluss der verschiedenen Komponenten optimal abwickelt. Zusätzlich kommen zu erarbeitende Lösungen für die Handhabungstechniken eines dünnen flexiblen Polymer Substrats (siehe Kap. 4 Step 1 ff), das Handling17 und der Transport der Carbon Nanoröhrchen sowie die Handhabung und schubweise Verarbeitung der MicroCRT`s (siehe Kapitel 2.6 ff) für einen schnellen und betriebsicheren Produktionsablauf.

Die Herausforderung liegt dabei in der Handhabung und optimalen Kombination unterschiedlichster Materialien, Komponenten und Prozessgeräte.

2.4.3 Reinraum Technologie

Kontamination und Reinraum-Produktionen sind häufig grundlegende Anforderungen für eine hohe Ausbringungsmenge in der Mikrotechnologie1. Die Gestaltung des Produktionsverfahrens orientiert sich an herkömmlichen Fertigungs-Methoden mit Reinraum-Charakter, die zum Beispiel mit Luftabzugshauben und Filtern ausgerüstet sind. Deshalb soll das Institut eine Spezifizierung und Entwicklung der benötigten Reinraumtechnik zum Erreichen der hohen Reinheitsanforderungen erarbeiten. Ziel ist es, dieses Themengebiet sowohl mit in die Produktions-Entwicklung als auch schon mit in die Produkt-Entwicklung einfließen zu lassen, um somit ein optimales Resultat zu erzielen.

2.4.4 Werkzeug Anforderungen

Durch die Ergebnisse der Erarbeitung eines Produktionsprozesses und der Bestimmung der optimalen Prozess-Parameter werden im Anschluss die Anforderungen an die Werkzeuge und Produktionsgeräte abgeleitet. Die Werkzeug-Spezifikationen sind eine Voraussetzung für die Auswahl und Anpassung von herkömmlichen sowie für die Entwicklung von neuen Werkzeugen.

2.5 The Marketscreening4 – Stand der Technologien

Sichtbarster Ausdruck des elektronischen Zeitalters ist die nahezu allgegenwärtige digitale Anzeige von Daten und Bildern, angefangen bei einfachen Displays in Armbanduhren und Taschenrechnern bis hin zu komplexen Bildschirmen in Mobiltelefonen oder bei Notebooks. Bei den Display-Technologien kommen interessante Kombinationen unterschiedlichster physikalischer Grundlagen zur Anwendung.

Display Technologien gibt es mittlerweile viele - jedoch gibt es keine Technik, die für alle Anwendungsprobleme geeignet ist, jede hat ihre spezifischen Vor- und Nachteile.

Alle modernen Displays beruhen auf der Umwandlung elektrischer in optische Signale. Dabei werden Flachbildschirme nach ihren physikalischen Eigenschaften in aktive und passive Displays unterteilt [KBL 2001].

Aktive Anzeigen, wie zum Beispiel Kathodenstrahlröhren-Bildschirme, LED´s oder Plasma-Displays erzeugen das emittierte Licht selbst - Passive Displays (zum Beispiel LCD`s) erzeugen selbst kein Licht, sondern nutzen das Umgebungslicht oder eine zusätzliche Hintergrundbeleuchtung aus.

Verglichen mit passiven Displays haben die aktiven einen relativ geringen Wirkungsgrad und somit auch einen deutlich höheren Stromverbrauch. Dies spricht noch gegen den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten wie Laptops oder Handys.

Das wichtigste an einem Display ist allerdings eine gute Ablesbarkeit. Sie hängt vom Kontrast ab, der in der Messtechnik als Verhältnis der Leuchtdichten – der Pixel bei ein- und ausgeschaltetem Leuchtelement definiert ist. [KBL 2001]

Aktive Displays erzeugen Farben durch additive Farbmischung, passive Anzeigen hingegen durch substraktive. Die additive Farbmischung erzeugt aus der Überlagerung der Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB-Überlagerung18) bei gleicher Leuchtdichte der einzelnen Primärfarben die Farbe „Weiß“. Alle anderen Farben werden durch Graustufen, das heißt durch Leuchtdichtunterschiede der Primärfarben erzeugt.

Die substraktive Mischung folgt dem Prinzip der Überlagerung von Farbfiltern, welche zum Beispiel auch bei Tintenstrahldruckern verwendet wird.

Der anwachsende Wettbewerbsdruck unter den Display-Herstellern führt zu einer Art Wettkampf, in der immer größere Displays mit besserer Darstellungsqualität und geringerem Energieverbrauch das Marktbild beherrschen - und das alles bei immer weiter sinkenden Preisen.

Die Display-Technologie spielt dabei in den nächsten Jahren eine immer wichtigere Rolle - nicht nur in der Informations- und Kommunikationstechnik, denn als Schnittstelle zwischen Mensch und der digitalen Welt besitzt der Bildschirm die zentrale Bedeutung für die Akzeptanz moderner Informationssysteme.

Der folgende Abschnitt ist ein Marketscreening4 und beschreibt die zur Zeit [TOM 2004] am häufigsten auf dem Markt befindlichen Display-Technologien. Dabei werden jeweils die Unterschiede sowie Vor- und Nachteile geschildert.

Die gängigsten Technologien sind dabei an den Anfang des Kapitels gestellt:

2.5.1 CRT – Kathodenstrahlröhren-Monitor

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-9: Die CRT-Technologie

Die Bildröhre eines modernen CRT (Cathode Ray Tube) Kathodenstrahlröhren-Monitors unterscheidet sich in ihrer prinzipiellen Funktionsweise nicht von der eines herkömmlichen Farbfernsehgerätes.

Die Bilderzeugung erfolgt durch einen zeilenweise gesteuerten Elektronenstrahl, der eine Phosphorbeschichtung auf der Innenseite der Bildröhre kurz aufleuchten lässt.

Schematisch betrachtet handelt es sich bei einer Bildröhre um einen fast luftleeren Glaskolben, die so genannte „Braunsche Röhre“ (Hochvakuumröhre), deren Oberfläche gewölbt ist, um dem Druckunterschied zur Außenluft standhalten zu können.

Eine Anordnung von Elektronenemittern erzeugt Elektronenstrahlen im Hals der Bildröhre. Dabei schießt eine beheizte Kathode (Glühkathode) negativ geladene Elektronen, die durch eine mit Hochspannung positiv geladene Anode angezogen und beschleunigt werden, in Richtung Bildschirm. Der Elektronenstrahl erzeugt auf dem Bildschirm einen Leuchtfleck. Das heißt, dass - im Gegensatz zu anderen Display-Techniken - bei einem CRT nicht einzelne Bildpunkte (Pixel) elektrisch angesteuert werden, sondern für jede Farbe der Elektronenstrahl durch Reinheits-Magnetspulen und Lochmasken auf die entsprechenden Pixel gelenkt wird.

Damit dies realisiert werden kann, durchläuft er eine Ablenkeinheit, in der der Strahl durch ein elektromagnetisches Feld in seiner Richtung beeinflusst wird. Die Konvergenzspulen stellen sicher, dass die Elektronenstrahlen exakt auf einer Ebene auf die Lochmaske treffen. [DPF 2005]

Farbmonitore erzeugen ihr Bild mit Hilfe von Phosphor-Dots und drei Elektronenkanonen für jeweils eine Grundfarbe. Genau drei dieser Dots erzeugen ein Pixel, wobei durch sowohl additive Farbmischung - dem so genannten RGB-Modell18 - als auch durch unterschiedliche Strahlenintensität nahezu jede mögliche Mischfarbe erzeugt werden kann.

Das durch den Elektronenstrahl erzeugte Licht muss auf dem Weg zum Betrachter die Phosphorschicht durchqueren, was seine Intensität drastisch vermindert. Dem Vorteil dieser relativ einfachen Ansteuerung steht eine Reihe von Nachteilen gegenüber:

Aufgrund ihrer Baugröße sind CRT`s sehr schwer, ihr hoher Stromverbrauch verhindert den mobilen Einsatz, zudem beeinträchtigen Hochspannungen bis zu ca. 25 kV und hochfrequente Wechselströme sehr stark die elektromagnetische Verträglichkeit19. Ein jedoch zur Zeit noch unschlagbarer Vorteil ist das Preis-Leistungs-Verhältnis [FHB 2004].

Pro und Contra CRT:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-10: Die LCD-Technologie

LC-Displays beruhen auf den anisotropen Materialeigenschaften der Flüssigkristalle (wie z.B. dem Brechungsindex oder dem Elastizitäts-Modul) - deren flüssigkristalliner Aggregatszustand vereint die Ausrichtung der Moleküle in der festen, kristallinen Phase mit der Beweglichkeit des flüssigen Zustandes.

Von einer Hintergrundbeleuchtung angestrahlt, lassen diese Flüssigkeitskristalle - von der Form vergleichbar mit langgestreckten Stäbchen - unterstützt von so genannten Polarisationsfiltern, immer nur einen Teil des Lichts durch - Bildpunkt für Bildpunkt.

Im Mittelpunkt steht dabei das symmetrisch aus mehreren Schichten aufgebaute Panel (Rahmen), das in zahlreiche Pixel unterteilt ist. Diese Bildpunkte setzen sich aus jeweils drei Flüssigkristallzellen für die Farben Rot, Grün und Blau zusammen.

Unter Spannung im elektrischen Feld sind die LCD-Moleküle gerade ausgerichtet. Das polarisierte Licht der Hintergrundbeleuchtung gelangt so direkt hindurch. Wenn keine Spannung anliegt, drehen sich die Molekülketten um 90°. Dabei wird auch das polarisierte Licht um 90° gedreht [KBL 2001].

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