Konstruktion (Fach) / 1. Konstruktionsprozess nach VDI 2221 (Lektion)

4 Phasen

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• 1. 4 Phasen 1. Planen 2. Konzipieren 3. Entwerfen 4. Ausarbeiten
• 1.1 Was ist Planen? Ergebnis? Afugabe klären: Beschaffung von Informationen über o Anforderungen, die an die Lösung gestellt werden o Bestehende Bedingungen und deren Bedeutung Anforderungsliste Auch: Lastenheft Was soll das Produkt können?
• 1.2 Was ist Konzipieren? Ergebnis? Konzipieren- Funktionsstruktur & Wirkstruktur - Prinzipielle Lösung Konzipieren ist der Teil des Konstruierens, der nach Klären der Aufgabenstellung durch • Abstrahieren, • Aufstellen von Funktionsstrukturen • Suche nach geeigneten Wirkprinzipien und deren Kombination die prinzipielle Lösung festlegt.
• 1.3 Was ist Entwerfen? Ergebnis? "eindeutig, einfach, sicher" Gestaltungsrichtlinien
• 1.4 Was ist Ausarbeiten? Ergebnis? Dokumentation
• 1.1.1 Anforderungsliste Auch: Lastenheft Was soll das Produkt können? Enthält Ziele und Bedingungen der zu lösenden Aufgabe in Form von Forderungen und Wünschen. • Forderungen müssen unter allen Umständen erfüllt werden (z.B. Maße, Gewicht etc.) • Wünsche sollten nach Möglichkeit berücksichtigt werden Enthält Angaben zu: • Quantität (Anzahl, Stückzahl etc.) • Qualität (zulässige Abweichungen, tropenfest etc.) • Quelle aufgrund der die Forderungen und Wünsche entstanden sind • Änderungen und Ergänzungen zur Aufgabenstellung müssen stets nachgetragen werden o Ergeben sich möglicherweise im Laufe der Entwicklung
• 1.1.2 Hauptmerkmale zum Erstellen einer Anforderungsliste Geometrie, Kinematik,Kräfte, Energie, Stoff, Signal, Sicherheit, Ergonomie, Fertigung, Kontrolle, Montage, Transport, Gebrauch, Instandhaltung, Kosten, Termin
• 1.2.1 Arbeitsschritte beim Konzipieren • Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme • Aufstellen von Funktionsstrukturen, (Gesamtfunktion – Teilfunktionen) • Suchen von Wirkprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen • Kombinieren der Wirkprinzipien zur Wirkstruktur • Auswählen geeigneter Kombinationen • Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten (Lösungsprinzipien) • Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien • Festlegen der prinzipiellen Lösungen (Konzept) Bsp: Gesamtfunktion vom  Fahrrad: Muskelkraft --> Fahrrad --> Bewegung Wirkprinzip beschreibt Gesetzmäßigkeiten eines technologischen Vorgangs. Zusammengehen von physikalischen Effekten, geometrischen und stofflichen Merkmalen sowie deren Wechselwirkung. Merkmale einer Funktion Art, Größe, Anzahl, Ort, Zeit --> Wandeln, Ändern, Verknüpfen, Leiten, Speichern
• 3.3 Arbeitsschritte zum Erkennen der wesentlichen Probleme Abstrahieren • Absehen vom Individuellen und Zufälligen • Herausfinden des Wesenskern • Neue und zweckmäßigere Lösungswege entwickeln Vorgehensweise Anforderungsliste auf geforderte Funktionen und wesentliche Bedingungen hin analysieren sowie schrittweise aus der Anforderungsliste abstrahieren: • Gedankliche Wünsche weglassen • Forderungen, die nicht die Funktion betreffen weglassen • Quantitative Aussagen in qualitative umformen • Erkanntes sinnvoll erweitern • Problem lösungsneutral formulieren Zielsetzung auf abstrakter Ebene definieren ohne bestimmte Art der Lösung festzulegen Ist der Wesenskern der Aufgabe mit Hilfe der Problemformulierung erkannt, sollte davon ausgehend schrittweise geprüft werden, ob eine Erweiterung oder Abänderung der ursprünglichen Aufgabe Sinn macht, um zukunftssichere Lösungen zu finden. Endgültige Formulierung lösungsneutral und als Funktion vornehmen
• 3.4 Aufstellen von Funktionsstrukturen Die Gesamtfunktion gibt unter Bezug auf den Energie-, Stoff- und / oder Signalumsatz unter Verwendung einer Blockdarstellung lösungsneutral den Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen an. Komplexe Aufgaben in Teilaufgaben zerlegen Teilsysteme getrennt bearbeiten Verknüpfung der Teilfunktionen = Funktionsstruktur Neben aufgabenspezifischen Funktionen eignen sich auch allgemein anwendbaren Funktionen um eine Funktionsstruktur aufzubauen: allgemein anwendbare Funktionen sind in techn. Systemen immer wiederkehrende Funktionen, wie z.B. Wandeln, Ändern, Verknüpfen, Leiten, Speichern.
• 3.4.1 Praxis der Funktionsstruktur Neukonstruktion • Ausgangspunkt = Anforderungsliste und abstrakte Problemformulierung Anpassungskonstrukton  • Funktionsstruktur der bekannten Lösung
• 3.4.2 Anweisungen zum Aufstellen von Funktionsstrukturen 1. Grobe Struktur mit wenigen Teilfunktionen 2. Aufzählung wichtiger Teilfunktionen 3. Logische Zusammenhänge beachten 4. Zunächst Hauptfluss verfolgen 5. Wiederkehrende Teilfunktionen zuerst ansetzen 6. Signalfluss im Hinblick auf modularen Einsatz der Mikroelektronik 7. Gewinnung von Varianten 8. Einfache Funktionsstrukturen 9. Auswahl der aussichtsreichsten Funktionsstrukturen 10. Einfache, aussagefähige Symbole zur Darstellung der Funktionsstruktur 11. Analyse der Funktionsstruktur
• 3.5 Suche nach Wirkprinzipien Das Wirkprinzip enthält den für die Erfüllung einer Funktion erforderlichen physikalischen Effekt, sowie die geometrischen und stofflichen Merkmale.
• 3.6 Methoden um Lösungsvarianten zu finden und Lösungsfelder zu erarbeiten Konventionelle Hilfsmittel: Literaturrecherche Stand der Technik. Analyse natürlicher Systeme Analyse bekannter technischer Systeme Analogiebetrachtungen(techn. - nichttechn.Systeme) Messungen /Modellversuche
• 3.6.1 Intuitiv betonte Methoden 1. Brainstorming: Denken soll sich zu einer Flut von Ideen freimachen • Gruppe aus 5-15 Gleichgestellten (Techniker / Nichttechniker) • Moderator (Organisation, Motivation, Auflockerung) • Sammeln von konkreten 2. Methode 635 • 6 Teilnehmer • 3 Lösungsansätze aufschreiben und Papier weitergeben • 5 Runden 3. Galeriemethode • Problem darstellen a Skizzen anfertigen a ansehen und diskutieren • Neue Ideen aufzeichnen a Auswertung Nachteile 1. Der richtige Einfall kommt nicht zur rechten Zeit 2. Wegen Vorfixierungen werden neue Wege nicht erkannt 3. Bei Informationsmangel werden neue Technologien nicht beachtet.
• 3.6.2 Diskursiv betonte Methoden Ermöglichen Lösungen durch bewusst schrittweises Vorgehen. 1. Systematisches Untersuchen des physikalischen Geschehens 2. Verwendung von Katalogen In Katalogen können gespeichert sein: • Physikalische Effekte • Wirkprinzipien • Prinzipielle Lösungen • Maschinenelemente • Normteile 3. Systematische Suche mit Hilfe von Ordnungsschemata Zeilen und Spalten werden Parameter zugeordnet, die unter geordneten Gesichtspunkten zusammengefasst sind. Vorteile: • Suche nach weiteren Lösungen angeregt • Erkennen wesentlicher Lösungsmerkmale und Verknüpfungen • Erkennen der Verträglichkeit bei einer Kombination • Möglichst reichhaltiges Lösungsfeld Ordnende Gesichtspunkte = geometrische/stofBliche Suchebene +physikalische Sachebene g.S: Wirkgeometrie (Art, Form, Lage, Größe...) Wirkbewegung (Art, Form, Richtung, Betrag...) Prinzipielle Stoffeigenschaften (Zustand, Verhalten, Form) p.S: Mechanisch, Hydraulisch, Pneumatisch, Elektrisch, Magnetisch
• 3.6.3 Ordnende Gesichtspunkte beziehen sich auf • Energiearten • Phys. Effekte • Phys. Erscheinungsformen • Wirkgeometrie • Wirkbewegung • Prinzipielle Stoffeigenschaften
• 3.7 Kombinieren von Wirkprinzipien Wirkprinzipien werden durch Verknüpfen zu einer Wirkstruktur verarbeitet. Hauptprobleme: • Erkennen von physikalischer Verträglichkeit • Auswahl technischer und wirtschaftlich günstiger Kombinationen 1. Systematische Kombination Morphologischer Kasten: Ordnungsschema in dessen Zeilen die Teilfunktionen der Funktionsstruktur und die dazugehörigen Lösungen (z.B. Wirkprinzipien) eingetragen sind. Problem: Entscheidung welche Wirkprinzipien miteinander verträglich und kollisionsfrei sind. 2. Kombinieren mit Hilfe von mathematischen Methoden Merkmale bzw. Eigenschaften der Teillösungen, die miteinander korrespondieren sollen, müssen bekannt sein. Nur bei weniger komplexen Strukturen anwenden.
• 3.8 Auswählen geeigneter Varianten Die Auswahl der Lösungen muss so früh wie möglich eingeschränkt werden. Auswahlverfahren durch Ausscheiden / Bevorzugen Auswahlliste Es wird nur weiterverfolgt was: • Mit der Aufgabe und untereinander verträglich ist • Die Forderungen der Anforderungsliste erfüllt • Realisierungsmöglichkeiten erkennen lässt • Zulässigen Aufwand erwarten lässt
• 3.9 Konkretisieren von prinzipiellen Lösungsvarianten Bisher wurde in erster Linie auf technische Funktion geachtet. Deshalb müssen die bisherigen Lösungsvorstellungen noch weiter konkretisiert werden. Bevor man Lösungsvorschläge bewerten kann, muss man sie konkretisieren: • Überschlagsrechnungen • Grobmaßstäbliche Skizzen • Modellversuche • Simulation • Literatur Mit den neuen Informationen werden die aussichtsreichen Wirkstrukturen soweit konkretisiert, dass man sie bewerten kann.
• 3.10 Bewerten von Lösungsvarianten Die konkretisierten Lösungsvorschläge werden beurteilt um eine objektive Entscheidungsgrundlage zu erhalten. Die Bewertung zeigt den „Wert“ einer Lösung in Bezug auf eine vorher aufgestellte Zielvorstellung.
• 4. Entwerfen / Konstruieren Entwerfen "eindeutig, einfach, sicher" Gestaltungsrichtlinien
• 4.1 „Eindeutig, einfach, sicher“ Eindeutig – Erfüllen der technischen Funktionen Wirken und Verhalten klar und gut erkennbar voraussagen: • Klare Zuordnung der Teilfunktionen • Geordnete Führung des Energie-, Stoff- und Signalflusses • Definierte Dehnungsrichtungen (Fest- und Loslager) • Klar berechenbare Konstruktion (nicht Passfeder und zusätzlich Schrumpfschlauch) Einfach – wirtschaftliche Realisierung Gestaltung durch wenige zusammengesetzte, übersichtlich gestaltete Formen anstreben und den Fertigungsaufwand klein halten: • Geringe Anzahl und übersichtliche Verknüpfung von Teilfunktionen • Wirkprinzipien mit wenig Aufwand • Geometrische Formen für mathematische Ansätze • Symmetrische Formen Sicher – Sicherheit für Mensch und Umgebung Haltbarkeit, Zuverlässigkeit, Unfallfreiheit und Umweltschutz beim Gestaltungsvorgang gemeinsam erfassen. Betriebssicherheit < Arbeitssicherheit < Umweltsicherheit
• 4.2 Gestaltungsrichtlinien Materialwahl • Ausdehnungsgerecht • Kriech- und Relaxationsgerecht • Korrosionsgerecht Mensch <-> Maschine • Ergonomiegerecht • Formgebungsgerecht Herstellung • Fertigungsgerecht • Montagegerecht Vorschriften • Fertigungsgerecht • Montagegerecht Vorschriften • Normgerecht • Recyclinggerecht
• 4.2.1 Ausdehnungsgerecht(Abb. 7.72, 7.73, 7.78, Bild S14-15) S14-15 Temperatur Formel für die Ausdehnung: △ ? =?0 ∙ ß ∙△ ? △ ? = Längenänderung Längeneinheit ?0 = Länge des Bauteils Längeneinheit ß = Längenausdehnungszahl 1/K △ ? = Temperaturdifferenz K In technischen System verwendete Werkstoffe, haben die Eigenschaft, sich bei Erwärmung auszudehnen. Maschinen, Apparate und Geräte arbeiten nur ordnungsgemäß, wenn der Effekt der Ausdehnung berücksichtigt worden ist. Ausdehnung ist werkstoff- und temperaturabhängig. Jedes Bauteil muss in seiner Lage eindeutig festgelegt werden und darf nur so viele Freiheitsgrade erhalten, wie es zur ordnungsgemäßen Funktionserfüllung benötigt.
• 4.2.2 Kriech- und Relaxationsgerecht(Abb. 7.86. Bild S16) S16 Kraft Kriechen: Eine Masse hängt an einem Gummiband. Durch die Masse wird das Gummiband gedehnt und verlängert sich. Das Bauteil möchte sozusagen der Last „ausweichen“. Es „kriecht weg“ bis die maximale Ausdehnung erreicht ist und es reißt. Wichtige Faktoren: Beanspruchung, Temperatur und Zeit Relaxieren: Hier gilt das gleiche Beispiel wie beim Kriechen. Jedoch wird hier von unten noch eine weitere Befestigung angebracht. So steht das Gummiband zwar immer noch unter Spannung, kann jedoch seine Länge nicht mehr verändern. Die Spannung wird abgebaut. Die Länge bleibt gleich, aber die Elastizität geht verloren. Bauteile verändern ihre Form, wenn man sie über längere Zeit mit einer Kraft belastet.
• 4.2.3 Korrosionsgerecht (Abb. 7.91. Bild S17) Kraft Materialien verändern sich unter der Einwirkung von Feuchtigkeit. Dadurch ändert sich ihre Geometrie. Korrosionserscheinungen lassen sich nicht vermeiden, sondern nur mindern, weil die Ursache für Korrosion nicht beseitigt werden kann. Zwar gibt es korrosionsfreie Werkstoffe, doch ist deren Verwendung meistens unwirtschaftlich.
• 4.2.4 Ergonomiegerecht Wie gut kommt der Benutzer mit dem Produkt zurecht? Wie gut ist die Handhabung? Beispiel Lenkrad: Soll das Lenkrad für ein Kind oder einen Erwachsenen gebaut werden? a Größe ist entscheidend. Mensch – Maschine – Beziehung Anpassen des technischen Erzeugnisses an den Menschen • Körpergerechte Bedienung und Handhabung • Beleuchtung und Lüftung am Arbeitsplatz vorsehen • Aufmerksamkeitsführung durch Anzeigen und Kennzeichnungen an technischen Erzeugnissen • Überwachungs- und Steuertätigkeit installieren • Lärmreduzierung
• 4.2.5 Formgebungsgerecht (Abb. 7.100. Teem-Maschine, Bild S19) Die Form des Produkts sollte so sein, dass der Nutzen möglichst schnell erkennbar ist. Beispiel Tastatur: Aufteilung der einzelnen Flächen (Num-Feld, Pfeiltasten etc.) Wie spricht mich das Objekt an? Befriedigende Ästhetik – die Form soll gefallen Auge--> <--Objekt Formgerecht = Designgerecht Das Produkt muss seine funktionellen Anforderungen, Sicherheitsvorschriften und Wirtschaftlichkeit erfüllen. Die Aufgabe des Designers ist es, ein Erzeugnis zu schaffen, das diese Aspekte erfüllt, aber auch den Menschen anspricht.
• 4.2.6 Fertigungsgerecht Die Entscheidungen in der Konstruktion haben einen bedeutenden Einfluss auf die Fertigungskosten, -zeiten und -qualitäten. Die Faktoren Kosten und Zeit sollen nach Möglichkeit minimiert werden. Ebenfalls ist es wichtig, dass die in der Anforderungsliste enthaltenen Qualitätsmerkmale eingehalten werden. Ein weiterer wichtiger Punkt ist das zu verwendende Herstellungsverfahren. Kann das Produkt vor Ort hergestellt werden oder müssen neue Mittel angeschafft werden (Kosten!)? Oder muss sogar eine andere Firma diese Aufgabe übernehmen? Das Produkt sollte auch im Nachhinein reparierbar und wieder zusammensetzbar sein. Fertigungsgerechte Baustruktur: Differentialbauweise, Integralbauweise, Verbundbauweise Differentialbauweise: Auflösung eines Einzelteils in mehrere Werkstücke Integralbauweise: Vereinigen mehrere Einzelteile zu einem Werkstück Verbundbauweise: Mehrere unterschiedlich geformte Rohteile werden zu einem weiter zu bearbeitenden Werkstück verbunden (z.B. Verbindung urgeformter und umgeformter Teile) Weitere Einflussfaktoren sind: Form, Abmessungen, Oberflächenqualität, Toleranzen, Werkezuge und Qualitätskontrollen. In der Konstruktion müssen diese vor Fertigungsbeginn festgelegt werden. Ebenfalls muss überprüft werden, ob alles vor Ort durchführbar ist (siehe oben).
• 4.2.7 Montagegerecht(Abb. 7.124 Bild S21) Ziel ist es, die Fehlerquote beim Montieren möglichst klein zu halten. Beispielsweise kann man die Anzahl der benötigten Schrauben minimieren, wodurch weniger Arbeitsschritte nötig sind. Demontagefreundlich: Wenn das Produkt Montagegerecht ist, ist es auch demontagegerecht. Die Montage muss an jedem Tag zu 100% funktionieren und muss unabhängig vom Menschen sein (schlechte Laune, Krankheit etc.). Anzustreben sind: • Einheitliche Montagearten • Wenige, einfache und zwangsläufige Montageoperationen • Parallele Montage von Baugruppen
• 4.2.8 Normgerecht „Normung ist die beste Lösung sich wiederholender Aufgaben.“ Anstatt etwas Neues zu entwickeln wird etwas, das schon existiert übernommen. Dies erleichtert die Arbeit des Konstrukteurs enorm. Vorgefertigte Lösungen funktionieren zu 100% da sie zuvor bereits ausgiebig getestet wurden. Oft sind auch gewisse Normen vorgegeben, die man einhalten sollte oder sogar muss. Beispiel Papier Für DinA 4 Blätter gibt es passende: • Ordner • Locher • Drucker • Folien • Etc. Normreihe: Falten von Papier DinA4-->5-->6 2*DinA4 = DinA3 Normenarten nach Herkunft / Inhalt DIN (Deutsches Institut für Normung): z.B. Papierformat VDI (Verein Deutscher Ingenieure): Richtlinien z.B. Konstruktionsprozess EN (Europäische Norm) ISO (Internationale Organisation für Normung) Verständigungsnormen Maßnormen Planungsnormen Stoffnormen Dienstleistungsnormen
• 4.2.9 Recyclinggerecht Wiederverwenden: Glasflaschen (einschmelzen) Wiederverwerten: Auto (Schrott) Weiterverwenden: gleiches Teil, neue Aufgabe Weiterverwertung: Kunststoff -> Öl Bei Recycling handelt es sich oft um Vorgaben des Gesetzgebers, die eingehalten werden müssen. Es kann auch oft unter dem Punkt Material gesehen werden, da die Materialauswahl eine entscheidende Rolle spielt. Zum Recycling gehört auch die Demontagefreundlichkeit, da eine vereinfachte Demontage den Recyclingprozess stark verkürzt.
• 4.2.9.1 Recyclingverfahren Kompaktieren Zerkleinern Trennen Sortieren Waschen Trocknen Granulieren
• 5. Ausarbeiten (Abb. 8.1 Bild 26) Das Ausarbeiten ist der Teil des Konstruierens, in dem der Entwurf eines technischen Gebildes durch endgültige Vorschriften für: • Anordnung • Form • Bemessung (Toleranzen) • Oberflächenbeschaffenheit aller Einzelteile • Festlegen aller Werkstoffe • Überprüfung der Herstellungsmöglichkeiten • Kosten ergänzt werden. Außerdem werden in dieser Phase verbindliche zeichnerische und sonstige Unterlagen, die für eine stoffliche Verwirklichung benötigt werden, geschaffen: • Teil-, Gruppen- und Gesamtzeichnungen • Stückliste • Vorschriften für Fertigung, Montage und Gebrauch Abschluss der Ausarbeitungsphase Kontrolle auf: • Vollständigkeit • Richtigkeit Normenanwendung Bei diesen abschließenden Kontrollaufgaben, kann man sich gut an den Hauptmerkmalen zum Erstellen einer Anforderungsliste orientieren (2.2.1).
• 6.1 Fertigungsverfahren Übersicht Urformen • Gießen • Sintern Umformen • Biegen • Tiefziehen • Gesenkschmieden Trennen • Bohren • Fräsen • Drehen Fügen • Kleben • Löten • Schweißen
• 6.2 Urformen (Gießen, Merken, Sintern) Unter Urformen versteht man das Herstellen geometrisch bestimmter fester Teile, die bestimmte Werkstoff- und Werkstückeigenschaften besitzen. Dies wird durch Schaffen eines Zusammenhalts aus dem formlosen Stoff erreicht. Der formlose Ausgangszustand kann • flüssig • gasförmig • fest (körnig, pulverig) sein.
• 6.3 Umformen(Biegen, Tiefziehen, Gesenkschmieden) Beim Umformen wird die gegebene Form eines festen Körpers (Werkstück, Rohteil) in eine bestimmte andere Form (Fertigteil, Zwischenform) gebracht. Dabei wird jedoch die Masse und der Stoffzusammenhang beibehalten. Ein wichtiger Punkt ist die Beherrschung der Geometrie. D.h. man kann genau bestimmen, wie das Teil nach der Bearbeitung aussehen soll. Die Formänderung wird gezielt eingebracht.
• 6.4 Trennen(Bohren, Fräsen, Drehen) Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers. Die Endform ist in der Ausgangsform enthalten. Der eigentliche Vorgang des Trennens erfolgt an der Wirkstelle. Dort kommen Werkstück und Werkzeug zusammen. Man bezeichnet sie als Wirkpaar. Zur Verwirklichung des Vorgangs sind Bewegungen erforderlich, die einer oder beide Partner des Wirkpaares ausführen.
• 6.5 Fügen(Kleben, Löten, Schweißen, ) Fügen ist das Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken, die dauerhaft miteinander verbunden werden. Die zu fügenden Werkstücke können dabei von geometrisch bestimmter Form sein, aber auch aus formlosem Stoff bestehen.

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