Kundenberichte – StreetScooter

Elektrisch, komplex – Elektromobilität

Achim KampkerAls wäre der Produktentwicklungsprozess in der Automobilindustrie nicht schon kompliziert genug, kommt jetzt auch noch der Faktor der "Elektromobilität" hinzu.

Der StreetScooter, ein revolutionäres Elektrofahrzeug, das schnell Gestalt annimmt, bringt nicht nur neuen Schwung in das Konzept der Elektromobilität, sondern verschmilzt dank seines Crowdsourcing-Entwicklungskonzepts die Erfahrung und die Innovationen von nahezu 30 teilnehmenden Zulieferern.

Fragt man Führungskräfte in der Automobilindustrie, was ihnen nachts den Schlaf raubt, so erhält man in der Regel die kurze Antwort:

"Das ist kompliziert."

Genau das sagten die Entscheider von OEMs und Zulieferern der Automobilindustrie vor wenigen Jahren bei einer Umfrage der RWTH Aachen University. Die Ergebnisse wurden 2007 in dem Bericht "Managing Complexity in Automotive Engineering" (Ansätze zur Beherrschung der Komplexität in der Fahrzeugtechnik) veröffentlicht. In der Übersicht heißt es sinngemäß: "Erstklassiges Komplexitätsmanagement in den Bereichen Variety Management, Technologiemanagement und Prozessmanagement ist ein wesentlicher Faktor, um nachhaltigen Erfolg für OEMs und Tier-1-Lieferanten zu sichern."

In der Studie bezieht sich das Variety Management auf die Wettbewerbsanforderung, mit den immer umfangreicher werdenden Produktlinien, schnelleren Modelländerungen und der größeren Zahl von regionalen Fahrzeugvarianten Schritt zu halten. Ebenso schnell nimmt die technologische Komplexität der Fahrzeuge zu. "Das moderne Automobil", so Professor Günther Schuh von der RWTH Aachen und Mitautor der Studie über Ansätze zur Beherrschung der Komplexität in der Fahrzeugtechnik, "ist genauso das Ergebnis der Elektrotechnik und Softwareentwicklung wie des Maschinenbaus. Alle drei Technologiebereiche müssen effizient miteinander integriert werden."

Angesichts solch schneller Veränderungen, sowohl mit Blick auf die Varianten als auch auf die Technologie, haben sich die Belastungen der Entwicklungsprozesse innerhalb der Unternehmen und auch zwischen OEMs und Zulieferern ähnlich stark vervielfacht. Da ist es kaum überraschend, dass führende Automobilhersteller ihre Investitionen in PLM-Lösungen (Produktlebenszyklus-Management) weiter erhöhen.

"PLM ist eine technologische Grundvoraussetzung für das Komplexitätsmanagement", meint Professor Schuh. Der Beweis: Die RWTH Aachen engagierte PTC als globalen Anbieter von PLM-Software als Berater für die Studie über Ansätze zur Beherrschung der Komplexität in der Fahrzeugtechnik.

Schuh fügt hinzu: "Als ob der Entwicklungsprozess in der Fahrzeugindustrie nicht schon kompliziert genug wäre, kommt jetzt noch die Elektromobilität dazu."


Zulieferergesteuerte Entwicklung

Im Rennen um die Einführung von serienreifen, bezahlbaren und verbraucherfreundlichen Elektroautos will kein von der Automobilindustrie abhängiges Land den Anschluss verlieren. Keine Nation spürt diese Dringlichkeit stärker als Deutschland, wo mehr als 20 Prozent des Bruttoinlandsprodukts direkt von der Automobilindustrie (Entwicklungs-, Produktions- und Zulieferbetriebe) abhängt.

"Es geht nicht nur darum, umweltfreundliche Autos zu entwickeln und von fossilen Brennstoffen unabhängig zu werden", meint Professor Achim Kampker, ebenfalls von der RWTH Aachen. "Es geht um rein wirtschaftliche Interessen. Unser zukünftiger Wohlstand hängt von Elektrofahrzeugen ab."

Professor Kampker weiter: "Da die Fortbewegungstechnik immer mehr weg von Verbrennungsmotoren und hin zu elektrischen Antrieben geht, müssen die deutschen Autohersteller und Zulieferer ihren Wettbewerbsvorsprung verteidigen. Es geht hier um Millionen von Arbeitsplätzen in der Automobilindustrie."

Elektromobilität sorgt nicht nur für mehr Vielfalt und technologische Komplexität, sondern hat auch das Potenzial, die Prozesse in der Automobilherstellung fundamental zu verändern. Bei dem neuen Elektrofahrzeug wurde der traditionelle, hierarchische Ansatz, bei dem der OEM das Konzept definiert, das Projekt festlegt und die an die Zulieferer übertragenen Arbeiten überwacht, zugunsten einer am besten als Crowdsourcing bezeichneten Entwicklungsstrategie aufgegeben.

Professor Kampker erklärt: "Die Zulieferer selbst treiben das Design und die Produktion des Fahrzeugs voran. Sie arbeiten wie Kollegen in einem virtuellen Unternehmen zusammen."

Getestet wird dieses Konzept bei StreetScooter, einer spannenden neuen Initiative für Elektrofahrzeuge unter Leitung der RWTH Aachen. Von Anfang an waren 19 in Deutschland ansässige Automobilzulieferer als Gesellschafter an dem Projekt beteiligt, zehn davon gemeinsam als Joint-Venture. Zehn weitere Zulieferer sind seitdem als strategische Partner hinzugestoßen und ergänzen das Projekt mit ihrem eigenen Spezial-Knowhow. Verwaltet wird das Projekt mit den PLM-Tools von PTC.

Die Firma StreetScooter GmbH wurde gegründet, um die Arbeit der Zulieferer zu koordinieren. Professor Kampker ist der Geschäftsführer des Unternehmens. Er sagt: "Der StreetScooter wird das Elektroauto und seine Entwicklung revolutionieren, nicht mehr und nicht weniger."


Saubere Konzepte

Ziel des StreetScooter-Projekts ist es, eine Familie von Elektrofahrzeugen für den Stadtverkehr zu entwickeln, die ohne langfristige Regierungssubventionen von einem Netzwerk von Lieferkettenpartnern effektiv produziert werden können.

"Die deutsche Regierung ist nicht unmittelbar involviert", so Professor Kampker, "allerdings wurde unser Projekt stark von politischen Trends beeinflusst. Der Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung zielt darauf ab, bis Ende dieses Jahrzehnts eine Million Elektrofahrzeuge auf deutsche Straßen zu bringen. Wir hoffen, wir können unserem Land dabei helfen, dieses Ziel zu erreichen."

StreetScooter ist eine regionale Initiative, die sich vorwiegend auf Deutschland und Mitteleuropa konzentriert. Bei den Partnern handelt es sich in erster Linie um kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), weniger um OEMs oder große Zulieferbetriebe. "Das", so Professor Kampker, "entspricht der deutschen Erfolgstradition kleiner Familienbetriebe."

StreetScooter bringt also neue Kräfte an die Front der Elektrofahrzeugentwicklung und verfolgt auch eine neue Entwicklungsstrategie. Laut Professor Kampker haben sich die großen Automobilhersteller bei ihren Elektrofahrzeugen bislang darauf konzentriert, das Design von konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor anzupassen. "Das Problem dabei ist", so Kampker, "dass die Anpassung dieser Fahrzeuge für einen Elektroantrieb inakzeptabel hohe Kosten verursacht – etwa 10.000 € pro Fahrzeug."

Darüber hinaus bieten diese frühen Elektrofahrzeuge eine eingeschränkte Fahrleistung und wenig Komfort. Allein die Klimatisierung bedeutet eine enorme Zusatzbelastung für die Fahrzeugbatterien.

"An neuen, sauberen Konzepten für die Elektromobilität führt kein Weg vorbei", so Professor Schuh. "Aber bei vielen der elektrischen Konzeptfahrzeuge, die wir bisher gesehen haben, standen entweder extreme Fahrleistungen oder ein exzentrisches Design im Vordergrund. Die grundlegenden Anforderungen eines Autos für die breite Masse wurden ignoriert."

Der StreetScooter ist da anders. Das Entwicklungsteam will ein bezahlbares Elektrofahrzeug auf den Markt bringen, das in allen Bereichen – Leistung, Komfort, Sicherheit und Zuverlässigkeit – mit konventionellen Kompaktfahrzeugen mithalten und gewinnbringend in Serie produziert werden kann.

Die modulare Produktarchitektur des StreetScooters ist ein zentraler Punkt dieses Erfolgskonzepts. Dank der Modulschnittstellen können die Zulieferer kontinuierlich am Design des Fahrzeugs weiterarbeiten und es mit den neuesten Innovationen in ihren Fachbereichen ausbauen. Neue Merkmale werden nach dem Baukastenprinzip hinzugefügt.

Durch diesen "Lernansatz", so Professor Schuh, nutzt das StreetScooter-Team "nicht nur die neuesten Technologien, sondern findet auch heraus, wie sich diese am besten integrieren lassen." Er fügt hinzu: "Der Lernerfolg basiert auf dynamischem, interdisziplinärem Lernen. Wir probieren neue Formen der Zusammenarbeit aus und setzen neue Standards für die Automobilentwicklung."


Produkt- und Prozessintegration

Die ersten Erfolge scheinen dieses einzigartige Entwicklungskonzept zu bestätigen. StreetScooter kann bei der Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) in Frankfurt am Main im September 2011 plangemäß den ersten funktionierenden Prototyp vorstellen. Zehn weitere Prototypen sollen bis Ende des Jahres auf Deutschlands Straßen unterwegs sein.

Doch so vielversprechend die StreetScooter-Initiative auch sein mag, durch die weitreichende Zusammenarbeit der Zulieferer ist der Entwicklungsprozess auch komplexer geworden. "Effektives PLM ist für unseren Erfolg sogar noch wichtiger", so Professor Kampker.

Die branchenführende PTC Windchill Software stellt die PLM-Ressourcen für die Koordination und Straffung der Arbeit aller am StreetScooter Beteiligten bereit.

Die RWTH Aachen arbeitete bei der Implementierung der PLM-Plattform mit den Consultants des Automotive Center of Excellence von PTC zusammen – einem Teil des iCenter Supportteams –, um Anwendungsfälle für das Fahrzeug zu untersuchen und das grundlegende Datenmodell für die StreetScooter-Konstruktion zu erarbeiten. Hierzu gehörten die Anwendung und Anpassung von fertigen Fahrzeugdatenstrukturen. Das Ergebnis ist ein vollständiger digitaler Prototyp des StreetScooter-Konzepts, vom Interieur bis zum Außendesign mitsamt Motor, Antriebsstrang, Aufhängung und Reifen.

Das StreetScooter-Team nutzt eine PLM-Plattform auf Basis der PTC Windchill Technologie, um die Zugriffsrechte und Rollen der Zulieferer im Konstruktionsprojekt festzulegen und zu überwachen. PLM-Anwendungen drehen sich um das Stücklisten- und Änderungsmanagement. Bei Änderungsanträgen sehen alle Beteiligten sofort die Auswirkungen überall in der Konstruktion. Innovationen in einem Bereich setzen sich sofort in anderen Bereichen fort: Zulieferer nutzen die Software PTC Creo View MCAD zur Visualisierung dieser Effekte.

Die PTC Windchill Plattform unterstützt sämtliche Produktdaten, unabhängig von der CAD-Software der Zulieferer. "Es handelt sich um eine echte Multi-CAD-Datenmanagementumgebung", so Professor Kampker. "Auf diese Weise können wir die Silos zwischen Mechanik-, Elektronik- und Softwareentwicklung aufbrechen. Wir entwickeln das komplette Fahrzeug mit nahtloser Integration aller drei Bereiche."

Vielleicht noch ambitionierter: Das StreetScooter-Team möchte mithilfe von PLM eine engere Integration zwischen Produktkonstruktions- und Produktionsentscheidungen erreichen. Dadurch entstehen wichtige neue Möglichkeiten für das Fahrzeug.

Professor Kampker erklärt: "Traditionell basieren viele Entscheidungen im Automobilbau auf der Chargengröße. Das bedeutet, dass manche Technologien nur verwendet werden können, wenn eine bestimmte Produktionsmenge erreicht ist. Mit PLM hingegen steht uns jede Alternative offen."

Zum Beweis nennt Professor Kampker das folgende Beispiel: "Wir nutzen die PLM-Tools, um unser Konzept der Verwendung von Rohrrahmenkomponenten zu beweisen. Sie sind weniger teuer in der Herstellung als herkömmliche Stanz- und Gussteile. Allerdings war die Technologie bislang auf die Kleinserienproduktion von Motorrädern beschränkt."

Die Bedeutung für den StreetScooter: "Durch die Verwendung von Rohrrahmen erreichen wir einen bezahlbaren Preis", so Professor Kampker.

Eine unvergleichliche Entwicklung

Der StreetScooter stellt aus nahezu jeder Perspektive, sei es Produkt, Produktion oder Prozess, eine vollkommen neue Art der Fahrzeugentwicklung dar. Das außergewöhnlich breite Kooperationsfeld sorgt für eine ungewöhnlich hohe Komplexität. Die beteiligten Partner scheinen dieser Herausforderung jedoch bestens gewachsen zu sein. Ihre Zuversicht haben sie der intelligenten Nutzung von PLM zu verdanken.

Professor Kampker bringt es auf den Punkt: "Wir haben die Grundlage für die Konstruktion und Prozessintelligenz geschaffen, die für den langfristigen Erfolg unseres Projekts erforderlich sind. PLM stellt die Wissensbasis oder zentrale Datenquelle für alle bereit, die daran beteiligt sind, den StreetScooter Wirklichkeit werden zu lassen."

Achim KampkerAs if the automotive product development process needed to get any more complex, now add the "electromobility" factor.

StreetScooter – a revolutionary electric vehicle rapidly taking shape – not only puts a new technological charge into the electromobility concept, its crowdsourced design blends the expertise and innovations of nearly 30 collaborating suppliers.

Ask automotive executives what keeps them up at night and you shouldn't be surprised to hear this brief, but very telling reply:

"It's complicated."

That, in essence, is what decision-makers from automotive OEMs and suppliers told researchers at RWTH University in Aachen, Germany when surveyed a few years ago. Findings were published in the 2007 report "Managing Complexity in Automotive Engineering." The executive summary puts it this way: "Superior complexity management in the disciplines of variety management, technology management, and process management is a key to ensure sustained success for OEMs and tier-one suppliers."

Per the study, variety management refers to the competitive demand to keep up with ever-expanding product lines, faster model changes, and more vehicle variations by region. Growing just as quickly is the technological complexity of the cars. "The automobile today," says RWTH Aachen Professor Guenther Schuh, a lead author of the "Managing Complexity" study, "is as much the result of electronic and software engineering as it is a mechanical design. All three areas of technology must be efficiently integrated."

In the face of such rapid varietal and technological change, the stresses on automakers" development processes – both within companies and among OEMs and suppliers – have similarly multiplied. It can be little surprise, then, that the automotive industry's leaders continue to up their investments in product lifecycle management (PLM) solutions.

"PLM is, in fact, a critical enabling technology for complexity management," says Professor Schuh. The sure evidence: RWTH Aachen enlisted PTC, the global provider of PLM software, to advise on the "Managing Complexity" survey.

"And now," Professor Schuh adds, "as if the vehicle development process needed to get any more complicated, automakers can toss 'electromobility' into the mix."


Supplier-driven development

In the race to bring fleets of affordable, consumer-friendly electric cars to the world's roads, no automotive industry-dependent country wants to fall behind. And perhaps no single nation feels this urgency more than Germany, where over 20% of GDP directly traces to automobile development, production, and supply.

"It is not just the desire to have environmentally friendly cars and reduce dependency on fossil fuels," says Professor Achim Kampker, also of RWTH Aachen. "It is a matter of pure economic interest. Our future prosperity will depend upon electric vehicles."

Professor Kampker continues: "As transportation power increasingly shifts from internal combustion to electricity, it will be incumbent upon German automakers and suppliers to stay ahead competitively. There are literally millions of automotive jobs at stake here."

Electromobility not only adds to vehicle variety and technological complexity, it also shows the potential to transform automaking processes fundamentally. For a new electric car now taking shape, the traditional hierarchical approach – in which the OEM defines the concept, specifies the project, and oversees the work assigned to suppliers – has given way to what may best be described as a crowd-sourced development.

Professor Kampker explains, "It is the suppliers themselves who are driving the vehicle's design and production. They are collaborating as peers in a virtual enterprise."

The experimental laboratory for this concept is StreetScooter, a bold new EV initiative led by RWTH Aachen. From the start, 19 Germany-based automotive suppliers have been stockholders in the project –10 of them combined as a single stockholder in a joint venture. Ten other suppliers have since signed on as strategic partners, lending their own specialized expertise. The team manages the project using PLM tools from PTC.

A commercial entity, StreetScooter GmbH, has been formed to coordinate the suppliers' work on the vehicle. Professor Kampker is the company's CEO. He says, "StreetScooter sets out for nothing less than to revolutionize the electric car and its development."


Clean-sheet concepts

The StreetScooter project's goal is to create a family of electric vehicles for urban traffic that can be effectively produced by a network of supplychain partners without the need for sustained government funding.

"The German government is not directly involved," Professor Kampker says, "though our project has been highly influenced by government direction. The National Development Plan for Electromobility aims to put one million electric vehicles on Germany's roads by the end of this decade. It is a goal we hope to help the country meet."

StreetScooter is a regional initiative, mainly focused in Germany and surrounding Central European nations. The project's partners are mostly SMBs (small and medium-sized businesses), rather than OEMs or major suppliers. "This," says Professor Kampker, "is in keeping with German industry's historical reliance on small family-owned enterprises."

StreetScooter thus brings new forces to the front lines of EV development; it also offers a fresh EV strategy. As Professor Kampker notes, major automakers already offering electric cars have to date focused on adapting the designs of conventional combustion-engine vehicles. "The problem," he says, "is that converting these vehicles to electric drive trains has demanded cost premiums unacceptably high to most consumers – about €10,000 per car."

Plus, driving performance and passenger comfort remain compromised in these early EVs. Air conditioning alone places heavy additional load on the cars' batteries.

"New clean-sheet electromobility concepts are clearly required," says Professor Schuh. "But many of the concept EVs we have seen to date focus on extreme driving performance or eccentric designs. They have ignored the basic requirements for a mass-market car."

Not so with StreetScooter. Its development team seeks to introduce an affordable electric vehicle that can compete with conventional compact cars in every area of performance, comfort, safety, and reliability – and that can be serially produced at a profit.

StreetScooter's modular product architecture is key to making the concept work. Interfaces between modules let suppliers continually enhance the car's design with the newest innovations in their areas of specialty. They add features in building-block style.

Through this "learning approach," says Professor Schuh, the StreetScooter team "not only leverages the latest technologies, but also discovers how to better integrate them." He adds, "Learning builds upon learning in a dynamic, interdisciplinary way. We are testing new forms of collaboration and setting new standards for automotive development."


Product & process integration

The project's early momentum appears to bear out the value of this distinctive development style. StreetScooter is on target to unveil its first functional prototype at the International Motor Show (IAA) in Frankfurt, Germany in September 2011. Ten more prototype vehicles should be on German roads by the year's end.

Yet, as promising as the StreetScooter initiative is proving to be, the widereaching supplier collaboration at its heart has added new complexity to the development process. "If anything," says Professor Kampker, "effective PLM is even more central to our success."

Industry-leading Windchill software provides the PLM resources for coordinating and streamlining the work of the StreetScooter's contributors.

To put the PLM platform in place, RWTH Aachen worked with consultants in PTC's Automotive Center of Excellence – part of the company's iCenter support team– to explore use cases for the vehicle and build the basic data model for the StreetScooter's design. This involved applying and adapting out-of-the-box vehicle data structures. What has resulted is a complete digital prototype of the StreetScooter concept, from interior to exterior and including the car's engine, powertrain, suspension, and tires.

The StreetScooter team uses a PLM platform powered by Windchill technology to define and keep track of suppliers' access rights and roles in the design project. PLM applications center on BOM and change management. When there is a change request, all involved can immediately see the impact, wherever it is felt in the design. Innovations in one area instantly relate to others. Suppliers use Creo View MCAD software to visualize these effects.

The Windchill platform handles all product data, regardless of what CAD software the suppliers use. "It is a true multi-CAD data management environment," says Professor Kampker. "This lets us break down the silos between mechanical, electronic, and software designs. We are developing the full vehicle with smooth integration of all three disciplines."

Perhaps even more ambitiously, the StreetScooter development team has looked to PLM to help tighten their integration of product design and production decisions. This is creating significant new possibilities for the vehicle.

Professor Kampker explains: "Traditionally, many automotive design decisions have been based on batch sizes. That is, some technologies could apply only if particular levels of production quantity were reached. But PLM lets us explore every alternative."

As evidence, Professor Kampker cites this example: "We are using the PLM tools to help prove out our use of tubular space-frame components. These are less expensive to produce than traditional stamped and molded parts. However, until now, the technology seemed limited to small-batch motorcycle manufacturing."

The impact on StreetScooter: "Using space-frames should help us keep the car's price affordable," says Professor Kampker.

A development like no other

From practically every perspective – product, production, and process – StreetScooter is a new vehicle development like no other. Its exceptionally wide field of collaboration brings an especially high level of complexity. Yet the contributing partners seem more than up to the challenge. Confidence stems from their smart use of PLM.

Professor Kampker sums it up: "We have built the foundation of design and process intelligence essential to our project's long-term success. PLM provides the knowledge base – a single source of truth – for all who share in bringing the StreetScooter vision to life."