Success Story

Industrie-Messtechnik-Spezialist Endress+Hauser standardisiert PCB-Entwicklungs- und Freigabeprozesse über alle Entwicklungsstandorte hinweg

Endress+HauserDer Industrie-Messtechnik-Spezialist Endress+Hauser hat die PCB-Entwicklungs- und Freigabeprozesse über alle Entwicklungsstandorte hinweg mit Daten- und Prozessmanagement-Lösungen von Zuken standardisiert und so die Grundlagen für eine unternehmensweite Standardisierung von Entwicklungsprozessen und –methoden geschaffen.

Wann immer in industriellen Anwendungen Durchflüsse, Füllstände, Drücke oder Temperaturen mit hoher Präzision gemessen oder Flüssigkeiten zuverlässig analysiert werden müssen, kommen Produkte, Lösungen und Dienstleistungen von Endress+Hauser zum Einsatz. Durch die Standardisierung von Komponentenbibliotheken und Design-Werkzeugen wurde wir die Basis für die unternehmensweite Wiederverwendung von Designs geschaffen.

Endress+HauserWir sind intern wesentlich transparenter geworden und kommen viel schneller an die benötigten Informationen und die Verwaltung ist absolut sicher.

Paul Burger, Group Leader PCB Design Research + Development

Auf einen Blick

  • Standardisierung der PCB Entwicklungsumgebung für alle Entwicklungsstandorte
  • Bereitstellung einer Zentralen CAD-Bauteildatenbank
  • Vereinheitlichung der Material–stammdatenverwaltung für alle Entwicklungs- und Produktionsstandorte
  • Bereitstellung der Informationen über Zuken DS-2
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1953 von Georg H. Endress und Ludwig Hauser gegründet, hat sich das Unternehmen zu einem Weltmarktführer in der industriellen Messtechnik entwickelt. Im Geschäftsjahr 2015 erzielte das Unternehmen mit weltweit 12.952 Beschäftigten einen Umsatz von 2,1 Mrd. Euro. Endress+Hauser positioniert sich heute als starker Partner für seine Kunden und als verlässlicher Arbeitgeber für seine Mitarbeiter.

Endress+Hauser Maulburg ist als Kompetenzzentrum für Füllstand- und Druckmesstechnik eines von insgesamt fünf Kompetenzzentren der in Reinach in der Schweiz ansässigen Endress+Hauser Gruppe. Das sind: Endress+Hauser Flowtec in Reinach (Schweiz) als Kompetenzzentrum für Durchfluss-Messtechnik, Endress+Hauser Conducta in Gerlingen bei Stuttgart für Flüssigkeitsanalyse, Endress+Hauser Wetzer in Nesselwang als Kompetenzzentrum für Temperaturmesstechnik und Endress+Hauser Process Solutions in Reinach (Schweiz) als Kompetenzzentrum für digitale Kommunikation und Integration, Plant Asset Management und Automatisierungslösungen.

Jedes der Endress+Hauser Kompetenzzentren – im internen Sprachgebrauch Product Center oder kurz PC genannt – verfügt über eine eigene Entwicklungsabteilung.

Endress+Hauser products

Diese Product Center entwickeln die jeweiligen Produkte und produzieren sie mit einer hohen Fertigungstiefe bzw. liefern Komponenten für das weltweite Produktionsnetzwerk. Die einzelnen Kompetenzzentren verfügen über Divisionen und so genannte assoziierte Product Center (APCs) mit kundenspezifischer Fertigung in Brasilien, China, Frankreich, Indien, Italien, Japan und den USA.

Seit mehr als 10 Jahren sind die Entwicklungswerkzeuge an allen Kompetenzzentren standardisiert. Damit wurden die Voraussetzungen geschaffen für die Realisierung wichtiger Synergieeffekte in Sachen Standardisierung elektronischer Bauteile, Wiederwendendung von Designs und modularer Entwicklung. Doch mehr davon später.

Die Methoden-Entwicklung und Betreuung erfolgt über den größten Endress+Hauser- Standort Maulburg im Südschwarzwald. Hier sind Dipl.-Ing. (FH) Paul Burger als Group Leader PCB Design Research + Delevelopment und sein Mitarbeiter Andreas Währer als CAE Administrator für die Betreuung der CAE-Umgebung für die Leiterplatten- und Baugruppen-Entwicklung verantwortlich. Allein am Standort Maulburg betreuen sie etwa 300 Mitarbeiter in Forschung und Entwicklung. Über die Bereitstellung der Konstruktions- und Entwicklungswerkzeuge hinaus haben sie sich der Standardisierung der Entwicklungsmethodik über alle Kompetenzzentren von Endress+Hauser hinweg verschrieben, die eine wichtige Basis für Synergiepotenziale und die bei Endress+Hauser sehr wichtigen KVP-(kontinuierliche Verbesserungs-)- Prozesse darstellt.

„Wir sind intern wesentlich transparenter geworden und kommen viel schneller an die benötigten Informationen und die Verwaltung ist absolut sicher.“

Paul Burger, Group Leader PCB Design Research + Development

Standardisierung der CADEntwicklungswerkzeuge

„Um das Jahr 2003 stand an drei unserer Product Center ein Generationswechsel für die dort eingesetzten PCB-Entwicklungswerkzeuge an,“ erinnert sich Paul Burger. „Unser Vorstand hat damals entschieden, dass die neue Generation für alle Entwicklungsstandorte einheitlich sein sollte. Nach einer umfassenden Evaluierung fiel die Entscheidung, auf das System CR-5000 der Firma Zuken zu standardisieren, das bereits zuvor im Product Center Maulburg eingeführt worden war.“

Doch die Überlegungen gingen von Anfang an über die reine CAD-Software hinaus in Richtung Synergie-Effekte für Standorte und Kompetenzzentren: „Wir waren uns im Klaren, dass eine einheitliche CAD-Software alleine nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten zur Nutzung von Synergieeffekten bot: Im Prinzip hätten wir mit der reinen CAD-Software nur die Designs eines anderen Product Centers öffnen und ansehen können. Da jedes Product Center mit einer eigenen und jeweils unterschiedlich aufgebauten Bauteildatenbank arbeitete, war eine Wiederverwendung vorhandener Design in neuen Projekten nicht möglich“, erzählt Burger.

Endress+Hauser

Jedes der Endress+Hauser Kompetenzzentren entwickelt und produziert seine Produkte mit einer hohen Fertigungstiefe.


Einheitliche Datenbasis für alle Standorte

Es reifte deshalb die Erkenntnis, dass ein einheitliches System nur sinnvoll ist, wenn alle Unternehmensbereiche auf eine einheitliche Datenbasis aufbauen: das heißt sie greifen auf einheitliche Bauteilbeschreibungen, auf eine einheitliche Materialklassifizierung und auf eine zentrale Designdatenverwaltung zu.

Man sprach mit Unternehmen, die ähnliche Projekte bereits in Angriff genommen hatten.

Am Ende dieser Orientierungsphase stand die Erkenntnis „dass wir eine gemeinsame Datenbank mit gemeinsamen Richtlinien und Standards aufbauen mussten und dass wir dabei soweit wie möglich ohne Individualprogrammierung auskommen wollten. Dann war recht schnell die EDM-Umgebung DS-2 von Zuken im Spiel“, sagt der für die Methodenentwicklung verantwortliche Paul Burger.

Konsequenter Weise bestand der nächste Schritt in Richtung Konsolidierung der unternehmensweiten Tool-Landschaft im Aufbau einer gemeinsamen Bauteildatenbank mit gemeinsamen Richtlinien und Standards für alle Entwicklungsstandorte. „Das heißt, dass jedes Pad und jedes Footprint an allen Standorten gleich aussehen muss“, erzählt Andreas Währer.

Es wurde dazu eine Richtlinie erarbeitet, die sich zum einen an den Richtlinien des Fachverbands IPC (Institute for Printed Circuits, www.ipc.org) orientiert und zum anderen die umfangreichen Erfahrungswerte berücksichtigt, die man an den verschiedenen Fertigungsstandorten bei Layout, Fertigung und Bestückung der in der firmeneigenen Produktion hergestellten Baugruppen gesammelt hatte.

Um den Aufwand zu veranschaulichen, der bei der Realisierung dieser gemeinsamen Bauteildatenbank für alle Product Center zu bewältigen war, lohnt ein kurzer Exkurs in die umfangreichen Anforderungen, denen die in den Messgeräten von Endress+Hauser eingesetzten elektronischen Baugruppen genügen müssen:

„Unsere Hauptanforderung ist der Explosionsschutz,“ erläutert Paul Burger: „Unsere Produkte werden häufig in explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt. Deshalb darf das Produkt unter keinen Umständen – selbst wenn es eine Fehlfunktion hat - eine Zündquelle darstellen.“

Hinzu kommen beengte Bauraumverhältnisse, denn aufgrund der meist zylindrischen Gehäuseform der Messegeräte muss in der Regel die komplette Elektronik auf einer einzigen Leiterkarte untergebracht werden, die in manchen Fällen auch noch in drei Dimensionen gefaltet wird.

„Für jede einzelne Aufgabe mussten wir die Daten in der Vergangenheit manuell zusammenstellen. Heute ruft der Anwender eine Liste auf, in der alle Objekte aufgeführt sind, und dann werden die Dokumente automatisch erstellt.“

Paul Burger, Group Leader PCB Design Research + Development

„Wir müssen deshalb Bereiche mit relativ großen Bauteilen und Abstandsvorgaben, wie sie z.B. für Stromversorgungen erforderlich sind, mit Bereichen mit hoher Packungsdichte und miniaturisierten Bauteilen kombinieren. Und das ist eine große Herausforderung“, so Paul Burger.

Denn die Kombination von unterschiedlichen Strukturen ist sowohl bei der Leiterplattenherstellung, als auch beim SMD-Pastendruck und Reflow-Löten nur mit viel Know-how zu beherrschen und macht die Berücksichtigung umfangreicher Erfahrungswerte erforderlich. Darüber hinaus müsse sämtliche Footprints so ausgelegt sein, dass alle freigegebenen Second Source Komponenten jederzeit fehlerfrei bestückt werden können. Stand heute sind etwa 5.000 Bauteile in der zentralen Bauteildatenbank von Endress+Hauser beschrieben. In dieser Datenbank sind sämtliche Parameter für eine fertigungssichere Gestaltung der in den verschiedenen Product Center von Endress+Hauser produzierten Baugruppen hinterlegt.

Endress+Hauser

Die 3D-Funktionalität von CR-8000 Deisgn Force verspricht beim beim Layout von Flex- und Semi-Flex-Leiterkarten große Vorteile (Bild: Zuken).


Abgleich mit der Materialklassifizierung mit SAP

Waren für die Erstellung einer gemeinsamen Bauteildatenbank für alle Endress+Hauser Kompetenzzentren bereits beträchtliche Anstrengungen erforderlich, sollte die Hürde einer einheitlichen Materialklassifizierung für alle Standorte noch deutlich höher ausfallen:

Zwar wird an allen Entwicklungs- und Produktionsstandorten SAP für die Materialverwaltung- und Fertigungsplanung eingesetzt, doch hatten diese verschiedenen Installationen aus historischen Gründen eine eigene Struktur und waren deshalb noch nicht für einen standortübergreifenden Austausch von Materialinformationen vorbereitet. Als Voraussetzung für die Betriebssicherheit und Zertifizierung ist eine digitale Materialverwaltung und Freigabe aber zwingend erforderlich:

So sind zum Beispiel die am Standort Maulburg entwickelten und produzierten Füllstand- und Druckmessgeräte in bis zu 3 Mrd. Varianten lieferbar. Diese werden aus einem Produktbaukasten erstellt, der Gehäuse, Sensorik, Elektronik, Gehäuseadapter, Flansch und Dokumentation enthält, und im Rahmen einer kundenspezifischen Endmontage mit einer Lieferzeit von 24 Stunden bis 5 Arbeitstagen endmontiert. Insgesamt werden pro Jahr mehr als 3 Millionen bestückte und geprüfte Leiterplatten im Haus gefertigt, in denen insgesamt 260 Millionen elektronische Bauteile zum Einsatz kommen.

Um diesen anspruchsvollen Produktions- und Lieferrhythmus jederzeit sicher aufrechterhalten zu können, ist es erforderlich, bei der Leiterplattenentwicklung nur zertifizierte und freigegebene Bauteile zu verwenden und eine ausreichende Anzahl von Second Source Alternation vorzuhalten.

Das war an den einzelnen Standorten in individuellen Ausprägungen zwar bereits gegeben, da aber für den Gesamtkonzern Synergie-Effekte wie Bauteilstandardisierung und modulare Schaltungsbaukästen realisiert werden sollten, wurde in 2-jähriger Anstrengung eine für alle Standorte einheitliche Materialklassifizierung mit einheitlichen Sachmerkmalen in SAP erarbeitet.

Heute werden alle an den verschiedenen Standorten verwendeten Komponenten über ein einheitliches Materialnummernsystem verwaltet. Unter jeder Materialnummer sind dabei auch freigegebene und zugelassene Second-Source Komponenten hinterlegt, so dass für eine sichere Produktionsplanung die erforderlichen Komponenten zuverlässig beschafft werden können.

Über eine zertifizierte SAP-Schnittstelle kann der Entwickler dazu alle erforderlichen Spezifikationen, Datenblätter und Freigabeinformationen aus SAP herunterladen, ohne dazu seine gewohnte Arbeitsumgebung verlassen zu müssen. Denn DS-2 ist direkt in die Menüstruktur der Schaltplan- Entwicklungsapplikation (CR-8000 Design Gateway) eingebunden. „Über einen in DS-2 verwalteten Link kann der Entwickler direkt auf das Datenblatt in SAP zugreifen und dort betrachten, ohne selbst SAP öffnen zu müssen“, erläutert Systemadministrator Währer.

Designdaten-Verwaltung ermöglicht effiziente Abläufe

Endress+Hauser colleagues

Das CAE-Team der Endress+Hauser Gruppe (von links nach rechts): Daniel Hauswirth, CAE-Administrator, Endress+Hauser Flowtec; Claudia Stoltz, Head of Department PCB Design, Endress+Hauser Flowtec; Paul Burger, Group Leader PCB Design, Endress+Hauser Maulburg; Andreas Währer, CAE-Administrator, Endress+Hauser Maulburg; Andreas Garthe, CAE-Administrator, Endress+Hauser Conducta und Gerhard Müller, CAE-Administrator, Endress+Hauser Wetzer.


Mit der Einführung einer standardisierten Bauteil-Library und Bauteil-Klassifizierung war die Grundlage geschaffen für eine zentrale und über ein System kontrollierte Verwaltung aller Leiterkarten-Designs. „Bis dato hatten wir, eine Verwaltung über ein File-System“, erzählt Paul Burger. Zuständig für die Datenverwaltung war dabei das Layouter-Team. „Früher waren wir eine Handvoll Leute, die die Datenverwaltung gemacht haben. Heute sind wir aber mehr als 250 Leute in der Entwicklung und die wollen alle auf die Daten zugreifen und mit ihnen arbeiten, ohne sie vorher umständlich vom Layout-Team anfordern zu müssen.“

Heute werden alle Design-Daten der Endress+Hauser Gruppe in DS-2 von Zuken verwaltet und bereitgestellt. Jeder Berechtigte im Unternehmen kann auf die für seine Aufgabe erforderlichen Daten in Rahmen seines Berechtigungsprofils zugreifen. Werden Veränderungen am Datensatz vorgenommen, erstellt das System automatisch eine neue Version (der Fachbegriff hierfür lautet ‚Revision‘), so dass sichergestellt ist, dass zur Fertigung freigegebene Baugruppen nicht versehentlich manipuliert werden.

Zusätzlichen Zugriffsschutz bieten verschiedene Anwenderprofile. Dazu wurden verschiedene Kontrollsets angelegt, wie zum Beispiel das Kontrollset Viewer, für Mitarbeiter, die ein Design nur betrachten und auswerten, aber nicht verändern können; darüber hinaus gibt es Kontrollsets für Bearbeiter und für die Bibliothekspflege. Auch Entwickler haben ein eigenes Berechtigungsprofil. Das Ergebnis ist schnellere Verfügbarkeit aller für die verschiedensten Arbeitsabläufe in Entwicklung, Beschaffung und Produktion benötigten Informationen. „Wir sind intern wesentlich transparenter geworden und kommen viel schneller an die benötigten Informationen und die Verwaltung ist absolut sicher“, bestätigt Paul Burger.

Automatisierte Abläufe sichern Produktivität und Anwenderakzeptanz

Alle wichtigen Transaktionen werden durch automatische Routinen unterstützt: „Generell haben wir versucht, alle Transaktionen innerhalb der Systemumgebung zu automatisieren“, betont Paul Burger.

So werden die Freigaben von neuen Bauteilbeschreibungen ebenso durch Workflows unterstützt, wie die Freigaben von fertiggestellten Designs: Sobald ein Leiterplatten-Design freigegeben wird, erhält die Fertigung eine Benachrichtigung. Der Planer ruft das freigegebene Design aus DS-2 ab und überträgt die Stückliste nach SAP, wo die weitere Produktionsplanung erfolgt.

Durch die Standardisierung von Komponentenbibliotheken und Design- Werkzeugen haben wir die Basis für die Wiederverwendung von Designs geschaffen.“

Paul Burger, Group Leader PCB Design Research + Development

Eine automatisierte Dokumentenerstellung bedient praktisch alle Wertschöpfungsprozesse in der Produktentstehung der elektronischen Baugruppen: von der Ausgabe von Gerber Daten und Bohrdaten für die Leiterplattenfertigung, über die automatische optische Inspektion der gefertigten Leiterplatten, die Erstellung von Bestückungsplänen, den In-Circuit-Test der bestückten Leiterplatten bis zur Erstellung eines PDF des Schaltplans für die Dokumentation.

Endress+Hauser

Wo immer in industriellen Anwendungen Durchflüsse, Füllstände, Drücke oder Temperaturen mit hoher Präzision gemessen oder Flüssigkeiten zuverlässig analysiert werden müssen, kommen Produkte, Lösungen und Dienstleistungen von Endress+Hauser zum Einsatz.


„Für jede einzelne Aufgabe mussten wir die Daten in der Vergangenheit manuell zusammenstellen“, erzählt Paul Burger. „Heute ruft der Anwender eine Liste auf, in der alle Objekte aufgeführt sind, und dann werden die erforderlichen Dokumente automatisch erstellt.“ Alle auf diese Weise generierten Dokumente sind dann ihrerseits wieder einem Freigabe-Workflow unterworfen, in dem Datum und Prüfer dokumentiert werden und an SAP weitergegeben werden.

Kontrollierte Änderungsabläufe

Auch bei bereits freigegeben Designs macht sich die Verwaltung und Bereitstellung aller Daten über DS-2 bezahlt:

Zeigt es sich zum Beispiel dass bei einer bereits laufenden Produktion ein Bauteil geändert werden muss, oder bestimmte Pads in der Produktion durch hohe Fehlerraten auffallen, so wird über SAP ein Änderungsprozess angestoßen. Dieser wird aus SAP zurück an die Entwicklungsabteilung zu so genannten „Detaillierern“ geleitet: dies sind Experten in Entwicklung und Produktion, die das Problem mit Hilfe von DS-2 analysieren und alle Aufgaben auflisten, die im Rahmen dieser Änderung durchzuführen sind, und die dafür zuständigen Bearbeiter bestimmen.

Durch strukturierte Abfragen und Verwendungsnachweise unterstützt DS-2 bei der Prüfung von Änderungsanträgen ebenso wie bei der Vergabe der Teilaufgaben an die zuständigen Bearbeiter. „Wir haben mittlerweile wohl eine der umfassendsten Installationen von DS-2“, fassen Paul Burger und Andreas Währer das bisher Erreichte zusammen.

Dennoch gibt es noch eine ganze Reihe von weiteren Potenzialen, die jetzt auf der Basis einer zentralen Bauteil-Datenbank und Designdatenverwaltung gehoben werden können. Bei Endress+Hauser werden diese im Rahmen eines institutionalisierten KVP-Prozesses (KVP für kontinuierlicher Verbesserungsprozess) laufend analysiert und auf den Weg gebracht.

Basis für weitere Synergieeffekte: Modulare Schaltungsbaukästen und neue Packaging-Technologien

„Durch die Standardisierung von Komponentenbibliotheken und Design-Werkzeugen haben wir die Basis für die Modularisierung und Wiederverwendung von Designs geschaffen“, verrät Burger. Bereits heute arbeitet man mit Plattformen, aus denen die Elektronik für mehrere Produkte ableiten können. „Wir haben zum Beispiel verschiedene Ausführungen eines Gerätes, von denen die eine strenge Anforderungen an den Explosionsschutz erfüllen muss, und eine andere nicht“, erläutert Andreas Währer.

In diesem Falle lassen wir die sicherheitsrelevanten Teile weg, die den Explosionsschutz erfüllen. Oder wir spielen eine andere Software drauf.“

Künftig soll diese Wiederverwendung noch weiter vorangetrieben werden, indem Bibliotheken mit Design-Bausteinen angelegt werden, mit denen die Entwicklungszyklen für neue Produkte erheblich verkürzt werden können. „Die vorhandenen Teile sind derzeit eigentlich noch zu groß“, sagt Paul Burger. „Man muss es auf die Funktion herunterbrechen“.

Entwicklungspotenzial Leiterplattentechnik

Aber auch das Thema Leiterplattentechnik wird künftig wieder mehr in den Vordergrund rücken: Zwar kommt man in einfacheren Anwendungen noch mit doppelseitig bestückten, durchkontaktierten Leiterkarten aus, doch bei innovativen Produkten machen die verfügbaren Platzverhältnisse 10-Lagen HDI Leiterplatten im so genannten 4-2-4 Aufbau erforderlich. „Das heißt, wir haben pro Seite 4 Micro-Via-Lagen übereinander“, erläutert Paul Burger. Dabei werden in wachsendem Umfang flexible und starr-flexible Leiterplatten eingesetzt.

Hier wird derzeit die PCB-Layout-Umgebung auf die neue CR-8000 Generation umgestellt, die beim Leiterplatten-Layout zusätzlich zu dem in der Industrie üblichen zweidimensionalen Layout auch das Arbeiten in 3D unterstützt.

„Mit der 3D-Funktion habe ich die Möglichkeit, die auf der Leitplatte verwendeten SMD-Bausteine in 3D darzustellen. Das ist bei den in unseren Geräten üblichen becherförmigen Gehäusen ein großer Vorteil, denn wenn ich die Leiterkarte falten muss, um sie unterzubringen, erkenne ich Kollisionen bereits beim Layout“, erläutert Andreas Währer.

Darüber hinaus erwartet man auch über die direkt in die Entwicklungs- und Layoutumgebung von CR-8000 eingebundenen Simulations- und Verifikationswerkzeuge Verbesserungen beim Arbeitsablauf vor allem im Bereich High-Speed Design. „Das High-Speed Thema wird für uns immer wichtiger“, sagt Paul Burger, „somit wird CR-8000 auch in dieser Hinsicht für uns interessant, in der Hoffnung, hier einen einfachen Einstieg zu bekommen.“

Der erste Schritt in Richtung Zukunft ist auch hier bereits getan: Der Umstieg auf Design Gateway, das Engineering Front-End von CR-8000 ist bereits abgeschlossen. Hier konnte im Rahmen der für KVP-Maßnahmen bereitgestellten Mittel, die Migration der Umgebung an Zuken ausgelagert werden, die Datenkonvertierung und Test als Serviceleistung lieferte. Über die Erfahrungen im 3D-Leiterplattenlayout wird zu gegebener Zeit wieder zu berichten sein.

Endress+Hauser colleagues

Produkte werden in den Competence Center mit hoher Fertigungstiefe gefertigt und in Associated Product Centers auf der ganzen Welt endmontiert.



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