Peter Köhler

Moderne Konstruktionsmethoden im Maschinenbau

Kamprath-Reihe

Prof. Dr.-Ing. Peter Köhler

ModerneKonstruktionsmethoden

im Maschinenbau

Vogel Buchverlag

Prof. Dr.-Ing.PETER KÖHLER

Jahrgang 1951, absolvierte nach seinem Abitur 1969ein Studium an der Technischen Universität Dresden als Diplom-Mathematiker sowie ein Maschinenbaustudium an der Ingenieurschule Berlin-Lichtenberg. Von 1973 bis 1977 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter in einer Projektie-rungsabteilung und von 1977 bis 1982 Leiter einerKonstruktionsgruppe. Danach übernahm er denAufbau der CAD-Forschungsgruppe an der Technischen Hochschule Köthen, wo er 1986 zumDr.-Ing. für Konstruktionstechnik promovierte.Seit September 1994 ist Herr Dr.-Ing. Peter KöhlerProfessor für den Rechnereinsatz in der Konstruk-tion im Fachbereich Maschinenbau der Gerhard-Mercator-Universität Gesamthochschule Duisburg.

Die Deutsche Bibliothek – CIP-Einheitsaufnahme

(Kamprath-Reihe)ISBN 3-8023-1823-4

ISBN 3-8023-1823-41. Auflage. 2002Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten.Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form(Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderenVerfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigtoder verbreitet werden. Hiervon sind die in §§ 53,54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefällenicht berührt.Printed in GermanyCopyright 2002 by Vogel Industrie Medien GmbH& Co. KG, WürzburgHerstellung: dtp-project, Rimpar-Maidbronn

Der Schwerpunkt dieses Buches liegt in der Vermittlung methodischer Arbeitsweisen bei derNutzung moderner CAx-Systeme. Besonders Grundlagen und Problemstellungen zum geome-trischen Aufbau von Produktmodellen wurden hervorgehoben, die wiederum unabdingbareVoraussetzung für weiterführende virtuelle Produktstudien sind. Im Blickpunkt stehen vor al-lem parametrische 3-D-Systeme, da sie neue Möglichkeiten bieten, um die vielfältigen Bezie-hungen zwischen Konstruktionselementen, Einzelteilen und/oder Baugruppen rechnerinternabzubilden. Sie sind Voraussetzung für die kooperativen und rechnerintegrierten Prozesse inder Produktentwicklung und Fertigungsvorbereitung.

Beispielhaft wird vermittelt, wie mit den neuen Systemen auch die Logik der Produktgestal-tung erfasst werden kann. Dazu gehören auch Problemstellungen zur Wissensintegration undder Verknüpfung von Gestaltung, Berechnung und Dokumentation sowie zum virtuellen undrealen Bau von Prototypen.

Die Formulierungen der Arbeitsschritte zur Modellbildung der zahlreichen Beispiele erfolgtnach methodischen Gesichtspunkten systemneutral, damit sie einem breiten Anwenderkreiszur Verfügung stehen.

Meiner Frau und meinen Mitarbeitern möchte ich sehr herzlich für das Korrekturlesen unddie Unterstützung bei der Manuskriptherstellung danken. Besondere Hinweise erhielt ich vonFrau Dr. Martina Köhler in Kapitel 2, Herrn Ralf Hoffmann in Abschnitt 7.3.7 und 7.4.1, HerrnOliver Strohmeier in Abschnitt 7.4.2 und Herrn Ludger Brandenburg in Abschnitt 7.5.5.

Den studentischen Mitarbeitern Stephan Danjou, Sascha Doungs, Peter Jarosch, Thomas Mi-siewics, Jens Neuendorf und Philippe Vogel danke ich für die Unterstützung bei der Erstellungder Bilder und Tabellen.

Dem Verlag danke ich für die gute Zusammenarbeit.

Duisburg Peter Köhler

Vorwort

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Konstruktionslehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1 Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Aufgaben von Konstruktionsabteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2.1 Differenzierung konstruktiver Tätigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2 Produktentstehungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3 Entwicklungs- und Konstruktionsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3.2 Ablaufstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.3.3 Einsatz bewährter Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4 Unterstützung des Konstruktionsprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.1 Möglichkeiten und Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4.2 Gestaltungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.4.3 Fertigungsgerechtes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4.4 Konstruktionskataloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4.5 Konstruktionssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4.6 Informationsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.7 Unterstützung der Büro- und Verwaltungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 Normung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.5.1 Normen im Zeichnungswesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.5.2 Erzeugnisgliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.5.3 Normzahlreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.6 Rechnerunterstütztes Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.6.1 Systemeinführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.6.2 CAD-Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.6.3 Benutzerschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.6.4 Virtuelle Realitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.6.5 Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 Grundlagen der konstruktiven Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2 Projektionsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.2 Tafelprojektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.3 Axonometrische Projektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.4 Zentralprojektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.2.5 Licht und Schatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.3 Skizziertechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4 Analytische Beschreibung von Punktmengen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.2 Besondere Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.4.2.1 Kegelschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.4.2.2 Spiralen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.4.2.3 Rollkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.4.3 Freiformkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.3.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.4.3.2 Hermite-Interpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.4.3.3 Bezier-Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.4.3.4 B-Spline-Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.4.3.5 Rationale Spline-Kurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.4.4 Besondere Flächen und Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Inhaltsverzeichnis

3.4.4.1 Flächen mit definierter Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.4.4.2 Polyeder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.4.4.3 Regelflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763.4.4.4 Rotations- und Schiebeflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.4.4.5 Freiformflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.4.5 Manipulierung geometrischer Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.4.6 Verknüpfung geometrischer Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.5 Rechnerinterne Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4 Rechnerunterstütztes Zeichnen und Skizzieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.2 Leistungsmerkmale von 2-D-CAD-Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.2.1 Geometrieelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.2.2 Zeichnungstechnische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.2.3 Assoziativität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894.2.4 Gruppieren von Elementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.2.5 Modellinformationen und Darstellungshilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.3 Arbeitstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.3.1 Anpassung der Voreinstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.3.2 Maßgetreues Zeichnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.3.3 Musterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.3.4 Makro- und Variantentechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 944.3.5 Parametrische 2-D-Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5 Arbeiten mit 3-D-CAD-Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.1 Grundlegende Modellierungstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.1.1 Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.1.2 Bezugselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.1.3 Körperbasierte Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.1.4 Trajektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.1.5 Verbundelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025.1.6 Variable Trajektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.1.7 Profilbasierter Modellaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.1.8 Oberflächenorientierte Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.1.9 Geometriefeature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.2 Modellanpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.2.1 Modellanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.2.2 Modelländerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.2.3 Modellvereinfachungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1115.2.4 Darstellungsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.3 Modellverformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.3.1 Biegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1125.3.2 Strecken und Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.4 Baugruppenmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.4.1 Prinzipielles Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1145.4.2 Baugruppenkomplettierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.4.3 Modellvereinfachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165.4.4 Besonderheiten in der Modelldarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165.4.5 Konstruktionsstücklisten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.5 Zeichnungserstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.5.1 Projektionsgerechte Ansichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1175.5.2 Zeichnungsbeschriftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6 Parametrische Produktmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216.2 Grundlagen zur Integration von Expertenwissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8 Inhaltsverzeichnis

6.2.1 Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216.2.2 Wissensakquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.2.3 Wissensrepräsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1236.2.4 Wissensverarbeitungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.3 Abbildung der Produktlogik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.3.1 Elementare Arbeitstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.3.2 Strukturmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.3.3 Geometrieoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1266.3.4 Makroprogrammierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.3.5 Featurebasierte Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286.3.6 Tabellengesteuerter Modellaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316.3.7 Application Programming Interfaces (API) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.4 Virtuelle Produktstudien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

7 Verknüpfung von Gestaltung und Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1357.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1357.2 Werkzeugauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1377.3 Finite-Elemente-Methode (FEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.3.1 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.3.2 Prinzipielle Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1417.3.3 Idealisierung der Bauteilstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1417.3.4 Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

7.3.4.1 Finite Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1437.3.4.2 Netzerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

7.3.5 Modellkomplettierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1457.3.5.1 Materialeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1457.3.5.2 Lagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1467.3.5.3 Belastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

7.3.6 Berechnung und Ergebnisinterpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1477.3.6.1 h-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1487.3.6.2 p-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

7.3.7 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1497.3.7.1 Greiferarm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1497.3.7.2 Träger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

7.4 Virtuelle Bauteiloptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547.4.1 Parameterorientierte Gestaltoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547.4.2 Parameterfreie Gestaltoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

7.5 Mehrkörpersimulationen (MKS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1587.5.1 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1587.5.2 Prinzipielle Vorgehensweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1597.5.3 Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1607.5.4 Redundanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1617.5.5 Durchführung und Bewertung der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8 Datenmanagement in der Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1658.2 Datenbanksysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.2.1 Anforderungen an die Datenspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1668.2.2 Datenstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1668.2.3 Relationale Datenbanken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

8.3 Softwareschnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1698.3.1 Grundlegende Möglichkeiten zum Datenaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1698.3.2 Initial Graphics Exchange Specification (IGES) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1728.3.3 Standard for the Exchange of Product Model Data (STEP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

8.4 Produktdatenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1768.4.1 Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Inhaltsverzeichnis 9

8.4.2 Produktbezogene Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1788.4.3 Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1798.4.4 Stücklistenmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8.5 Prozessmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1818.5.1 Prozessanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1818.5.2 Prozessmodellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

10 Inhaltsverzeichnis

Es ist bekannt, dass in der Konstruktion maß-gebend die Kosten beeinflusst werden, die fürdie Entwicklung, Fertigung und Nutzung ei-nes Produktes sowie für dessen spätere Ablö-sung bzw. Entsorgung anfallen. Allgemein an-erkannt ist, dass methodische Arbeitsweisenpositive Auswirkungen auf die Qualität undEffektivität der Produkte und Prozesse haben.Dennoch wird häufig der Termindruck als Be-gründung für unsystematische Konstruk-tionsabläufe angeführt. Das rächt sich bei 3-D-Produktmodellen spätestens dann, wenndiese «schnellen» Konstruktionen in einemspäteren Auftrag oder durch eine Auftragsän-derung neuen Randbedingungen angepasstwerden müssen. Die Einführung neuer Gene-rationen von parametrischen CAD-Systemenverlangt daher ein konsequenteres Konstruk-tionsmanagement und veränderte Arbeits-weisen. Nie darf jedoch außer Acht gelassenwerden, dass auch Softwaresysteme lediglichWerkzeuge sind. Entscheidend bleibt dieSachkompetenz und Kreativität des Kon-strukteurs, die eben durch diese Werkzeugemehr oder weniger gut unterstützt werden.

Aufgabe der Konstruktionsabteilungen istes, für technische Erzeugnisse und Aufgaben-stellungen möglichst optimale Lösungen zufinden, wobei außer den technischen auchwirtschaftliche, umweltpolitische, arbeitswis-senschaftliche und andere Randbedingungenzu beachten sind. Erschwert wird diese Opti-mierungsaufgabe durch Trends wie:

❑ immer schnellerer Wissenszuwachs in al-len Bereichen,

❑ zunehmende Vernetzung (auch zahlenmä-ßig) wachsender Wissenschaftsgebiete,

❑ Einbeziehung neuartiger «fremder» Wis-sensgebiete in den Maschinen-, Apparate-und Anlagenbau (z.B. Biologie → Bionik ...),

❑ ständig aktualisierte Vorschriften undEmpfehlungen, die Anforderungen antechnische Erzeugnisse vermehren oderverschärfen,

❑ extremere Verfahrensparameter,❑ immer höherer Perfektionsgrad der Pro-

dukte,❑ Ruf nach immer kürzeren Entwicklungs-

zeiten.

Trotz neuer technischer Möglichkeiten undHilfsmittel, Arbeitsbedingungen und Organi-sationsformen ist die konstruktive Tätigkeitdamit komplizierter geworden und unterliegteiner fortwährenden immer schneller verlau-fenden Veränderung.

Hier mithalten zu können und sich dieserEntwicklung erfolgreich zu stellen, erfordertvom heutigen Konstrukteur:

❑ ein solides Basiswissen aus naturwissen-schaftlichen Grundlagenkenntnissen undtechnischem Fachwissen, das in immerkürzeren Abständen aktualisiert werdenmuss,

❑ subjektive Stärken wie Zielstrebigkeit, In-tuition, Sachlichkeit, gutes Vorstellungs-vermögen, Ausdauer und Optimismus,

❑ Initiative und Führungsqualitäten (Arbeitverteilen, koordinieren, überwachen),

❑ Teamgeist und Kooperationsbereitschaft,❑ gesamtheitliche Betrachtungsweisen, und

ein entsprechend flexibles Entscheidungs-verhalten.

Die konstruktive Tätigkeit kann vor demHintergrund des wachsenden Bedarfes anKonstrukteuren jedoch nicht nur besondersbegabten Personen vorbehalten sein. Es istnicht mehr möglich vorwiegend (wie zu Zei-ten Leonardo da Vincis) durch Genialität undIntuition konstruktive Lösungen zu finden.Durch das Konstruktionsmanagement sinddaher die unterschiedlichen Kenntnisse undFähigkeiten der Konstrukteure bei der Aufga-benverteilung bzw. Projektgruppenbildungzu berücksichtigen. Durch die Konstruktions-wissenschaft waren und sind Wege zu finden,um:

1 Einführung

❑ die zur konstruktiven Problemlösung not-wendigen, immer komplexeren Denkpro-zesse zu vereinfachen,

❑ den Problemlösungsprozess überschauba-rer und effektiver zu machen,

❑ den Konstruktions- und Entwicklungspro-zess durch geeignete Hilfsmittel zu unter-stützen,

❑ eine schnellere und bessere Ausbildungvon Konstrukteuren zu sichern.

Zu diesem Zweck wird immer wieder analy-siert, kreiert, kritisiert, systematisiert, ge- undzergliedert, um die Konstruktionsmethodenweiter zu qualifizieren. Seit einiger Zeit ist ver-stärkt zu berücksichtigen, dass Entwicklungund Konstruktion Teile eines Gesamtprozessessind, der zukünftig nahezu vollständig auchinformationstechnisch zu beherrschen ist.

«Um die Zeitspanne von der Produktpla-nung über die Produktentwicklung, Ferti-gungsplanung und -steuerung einschließlichBetriebsmittelkonstruktion und Materialwirt-schaft sowie Fertigung und Montage bis zumKunden oder zur Markteinführung zu redu-zieren und eine ganzheitliche Produkt- undProzessoptimierung einschließlich einerdurchgängigen Qualitätsplanung zu erleich-

tern, führt sich zunehmend ein SimultaneousEngineering ein.» [1]

Darunter ist nicht nur die Parallelarbeit imEntwicklungs- und Konstruktionsbereich zuverstehen, sondern auch eine frühzeitige pa-rallele Projektarbeit aller am Produktentste-hungsprozess beteiligten Unternehmensberei-che. Hierfür sind rechnerunterstützte Arbeits-weisen verbunden mit einem entsprechendenDaten- und Informationsmanagement uner-lässlich. Ohne leistungsfähige realitätsnaheDatenmodelle sind virtuelle Produktstudien,Funktions-, Fertigungs-, Montage- und De-montagesimulationen nicht möglich. Dem sys-tematischen Aufbau und der Qualifizierungvon 3-D-CAD-Produktenmodellen kommtdaher eine Schlüsselstellung zu. Sie sind zu-gleich Voraussetzung um der zeitlichen Di-mension (Verkürzung der Durchlaufzeiten,Beachtung des gesamten Produktlebenszyk-lus) im erforderlichen Maße Rechnung tragenzu können.Zu den zu lösenden Aufgaben der Konstruk-tions- und Entwicklungsbereiche gehört da-her neben der Produktinnovation die Beherr-schung der zunehmend kooperativen Pro-zesse und des erforderlichen Daten- und Wis-sensmanagements.

12 Einführung

2.1 Einordnung

Viele Autoren haben bereits dazu beigetragen,die anspruchsvolle Tätigkeit des Konstruie-rens in prägnante Worte zu fassen. Die Defini-tionen sind so spezifisch wie die Arbeitsge-biete der Autoren und der jeweilige aktuelleWissensstand. Ein guter Überblick hierzu istim Buch von Hubka enthalten, dem auch ei-nige der folgenden Zitate entnommen wur-den [2]:

BOOKER (1964): Simulieren, was wir zu tun beab-sichtigen, bevor wir es tun, so oft es notwendigsein könnte, um Vertrauen in das endgültige Re-sultat zu bekommen.

HANSEN (1966): Entwickeln ist bestimmt durchdas bildhafte Vorausdenken eines technischen Ge-bildes.

ALEXANDER (1979): Konstruieren ist der Prozess,physikalische Dinge zu erfinden, welche als Ant-wort auf verlangte Funktionen neue physikalischeOrdnung, Organisation, Form aufweisen.

VDI 2223 (1973): Konstruieren ist das vorwie-gend schöpferische, auf Wissen und Erfahrung ge-gründete und optimale Lösungen anstrebende Vor-ausdenken technischer Erzeugnisse, Ermitteln ih-res funktionellen und strukturellen Aufbaus undSchaffung fertigungsreifer Unterlagen. Als Teildes Entwickelns umfasst es das gedankliche unddarstellende Gestalten, die Wahl der Werkstoffeund Fertigungsverfahren und ermöglicht einetechnisch und wirtschaftlich vertretbare stofflicheVerwirklichung.

KATZ (1984): ... wir betrachten normalerweiseKonstruieren als die Tätigkeit, die mit dem tatsäch-lichen Aufbau des Systems verbunden ist; d.h.,ausgehend von einer gegebenen Vorschrift (Anfor-derungsliste) für das System, bringen wir dieseVorschrift in Bezug zu dessen physikalischer Rea-lisierung (zum Beispiel ein integrierter Schaltchip,ein Rechnerprogramm, eine Anlage oder ein Flug-zeug). Die Konstruktionsaufgabe aber erstreckt

sich durch den ganzen Lebenslauf des Systems,von der ursprünglichen Verpflichtung, das neueSystem zu erbauen, bis zur schließlich voll-wertigen Herstellung.

HUBKA hat vorgeschlagen, zur Lösungsfin-dung technische Gebilde als Systeme aufzu-fassen, die durch Eingangsgrößen (Inputs)und Ausgangsgrößen (Outputs) mit ihrerUmgebung in Verbindung stehen. Dabei kön-nen auch Teilsysteme gebildet werden. Tech-nische Systeme beschreiben Begriffe wie An-lage, Apparat, Maschine, Gerät, Baugruppe,Einzelteil, ... .

Analysiert man technische Systeme, sowird deutlich, dass sie einem Prozess dienen,in dem Energien, Stoffe und/oder Signaleumgesetzt (geleitet und/oder verändert) wer-den. Was zu einem System oder Teilsystemgehört, wird durch Systemgrenzen festgelegt.Ein- und Ausgangsgrößen überschreiten dem-zufolge die Systemgrenzen.

Für die Lösung von Entwicklungs- undKonstruktionsaufgaben sind sowohl heuristi-sche, d.h. erfinderische bzw. entdeckende alsauch algorithmische Vorgänge erforderlich.Dafür stehen auch Begriffe wie

❑ Intuition: plötzliche Eingebung, ahnendesErkennen neuer Gedankeninhalte,

❑ Heuristik: Lehre von der Auffindung wis-senschaftlicher Erkenntnisse,

❑ heuristisch: richtunggebend, erkenntnis-fördernd («Heureka! Ich hab’s gefunden!»:Angeblicher Ausruf des griechischen Ma-thematikers Archimedes ),

❑ Kreativität: schöpferisches Vermögen imHandeln und Denken, das Neuartigkeitoder Originalität mit einem Bezug zur Lö-sung von (z.B. technischen) Problemen ver-bindet,

❑ Brainstorming: Technik zur Anregung kre-ativen Denkens in Gruppendiskussionen,

❑ Synthese: Kombinieren, Verknüpfen, Zu-sammensetzen,

❑ Analyse: Zerlegung, Auflösung in wesent-liche Merkmale,

2 Konstruktionslehre

❑ Morphologie: Lehre vom geordneten Den-ken.

Die folgenden Abschnitte geben einen Ein-blick in die Konstruktionswissenschaft. Siesind zugleich Anregung, sich nicht nur imRahmen konstruktiver Arbeiten mit methodi-schen Arbeitsweisen zu beschäftigen.

2.2 Aufgaben von Konstruktionsabteilungen

2.2.1 Differenzierung konstruktiver Tätigkeiten

Unterschiedliche Sichten auf die konstruktiveTätigkeit ergeben sich vor allem aus

❑ dem Neuheitsgrad der zu lösenden Aufga-ben (Neu-, Anpassungs- und Varianten-konstruktion),

❑ dem Anlass für den Konstruktionsauftrag(Eigenentwicklung, Auftrag, Angebot),

❑ der Zuordnung des Konstruktionsberei-ches (z.B. Entwicklung, Instandhaltung,Werkzeug- oder Vorrichtungsbau),

❑ der Branchenzugehörigkeit (z.B. Maschi-nen-, Apparate- oder Gerätebau),

❑ dem Bearbeitungsstand eines Auftrages(Entwerfen, Gestalten, Ausarbeiten),

❑ dem Stand der rechnerintegrierten Pro-duktentwicklung (Concurrent Engineer-ing).

Der Neuheitsgrad kann sich entweder auf daszu entwickelnde Gesamtprodukt oder nur aufeinzelne Baugruppen oder Einzelteile bezie-hen. Bei der Anpassungskonstruktion könnendaher Teile einer vorhandenen Lösung (gege-benenfalls etwas modifiziert) übernommenwerden, wobei unter Umständen für be-stimmte Details neue Lösungen gefundenwerden müssen.

Bei der Variantenkonstruktion wird ange-strebt, die entwickelten Lösungen durch Vari-ation von Maßen, Werkstoffeigenschaften undLösungskomponenten für ähnliche Aufgabenzu nutzen. Das setzt allerdings voraus, dassdie Produkte in den entsprechenden Berei-chen parametrisierbar sind.

Der Konstruktionsanlass ergibt sich entwe-der aus unternehmensinternen Produktpla-nungen einschließlich Produktpflege oderKundenaufträgen bzw. Kundenanfragen, wo-bei «Kunden» auch aus dem eigenen Unter-nehmen kommen können (Tabelle 2.1).

Vorgehensstrategien bei der Entwicklungund Konstruktion werden weiter beeinflusstdurch die zu realisierenden Stückzahlen unddie damit verbundene Fertigungsart (Mas-sen-, Serien- oder Einzelfertigung).

Aus der Branchenzugehörigkeit ergebensich besondere Anforderungen, Randbedin-gungen, Wichtungen und Trends.

Dem Maschinen- und Apparatebau wer-den i.d.R. solche technischen Systeme zuge-ordnet, bei denen vor allem Energie und Stof-fe umgesetzt werden. Bei entsprechenderBaugröße und Komplexität wird allerdings

14 Konstruktionslehre

Tabelle 2.1 Unterscheidung von Konstruktionsarten nach dem Konstruktionsanlass bzw.dem Konstruktionsbereich [3]

Entwicklungs-konstruktion

vorwiegend bei auftragsunabhängiger Produktion, aber auch bei grundsätzlicher(prototypischer) Überarbeitung auftragsabhängig produzierter Erzeugnisse (Über-arbeitung wesentlicher Konstruktionsmerkmale)

Auftrags-konstruktion

wird durch Kundenaufträge initiiert; begrenzte bzw. lokale Anpassung bekannter,früherer Lösungen

Angebots-konstruktion

erfolgt auf Kundenanfrage; hat projektierenden Charakter, baut meist auf früherenLösungen auf und dient als Basis für Angebotskalkulation bzw. Machbarkeitsstudien

Betriebsmittel-konstruktion

wird durch die Arbeitsplanung initiiert (produktbezogene Entwicklung von Werk-zeugen, Vorrichtungen und Sonderwerkzeugmaschinen)

vom Anlagenbau bzw. der Anlagentechnikgesprochen. Weitere Differenzierungen sindüblich, z.B. im Werkzeugmaschinenbau (beidem Arbeitsgenauigkeit und Flexibilität einebesondere Bedeutung haben) oder Fahrzeug-bau (für den Design, Sicherheit und Leis-tungsparameter Unterscheidungsmerkmalezur Konkurrenz sind).

Der Feinwerktechnik bzw. dem Gerätebauwerden dagegen Produkte zugeordnet, beidenen der Signal- und Informationsumsatzund damit die Präzision bzw. Miniaturisie-rung eine besondere Rolle spielen.

Der heutige Maschinenbaukonstrukteurmuss sich neben mechanischen Problemstel-lungen auch elektrotechnischen, mechatroni-schen und informationstechnischen Lösungs-prinzipien widmen, da Produkte immer mehrauf dem koordinierten Zusammenwirken vonEnergie-, Stoff- und Signalumsatz angewiesensind.

2.2.2 Produktentstehungsprozess

Der Ablauf des Entwicklungs- und Konstruk-tionsprozesses wird durch externe Zwängeund innerbetriebliche Notwendigkeiten be-stimmt. Dazu gehören:

❑ die Wettbewerbssituation (Produktinnova-tion, Einsatz von CAx-Systemen),

❑ Kostendruck (Herstellungs- und Ge-brauchskosten),

❑ Termindruck (Planung des Entwicklungs-und Konstruktionsprozesses, Parallelar-beit),

❑ Sonderwünsche (Bedarf an flexibleren Pro-duktprogrammen steigt),

❑ Vorschriftenvielfalt (z.B. durch höheren Ex-portanteil),

❑ Fremdfertigung,❑ höhere Komplexität der Produkte (mehr

Wissensgebiete müssen beachtet werden),❑ steigender Weiterbildungsbedarf.

Entwicklung und Konstruktion haben für dengesamten Produktentstehungsprozess, dieProduktnutzung sowie für das Recycling einezentrale Bedeutung. Da hier im entscheiden-den Maße Aufwand und Kosten beeinflusstwerden, sollten auch alle relevanten Informa-tionen vor- und nachgelagerter Bereiche demKonstrukteur zur Verfügung stehen bzw. indas Produktdatenmodell integriert werden.

Bild 2.1 enthält Etappen der realen Pro-duktentstehung und entsprechende Informa-tionsflüsse, die stark davon abhängen, ob essich um ein Einzel-, Kleinserien- oder Großse-

Organistation von Konstruktionsmethoden 15

Bild 2.1 Phasen der Produktentstehung (in Anlehnung an [1.1])

rienprodukt handelt. Die gestrichelten Liniensollen andeuten, dass vor allem Informatio-nen aus der Produktnutzung noch unzurei-chend «zurückfließen». Die damit verbunde-nen Entwicklungszyklen gelten sowohl fürdas Gesamtprodukt als auch für einzelneKomponenten.

Nicht in jedem Fall wird es erforderlichsein, komplette Funktionsmuster bzw. Proto-typen zu bauen. Häufig wird lediglich fürTeillösungen ein Musterbau durchgeführt.Das geschieht auch bei Einzelprodukten,wenn aus fertigungstechnischer Sicht Prob-leme zu erwarten sind. Beispiele hierzu sindkomplizierte Blechabwicklungen, für die häu-fig aus preisgünstigeren Materialien die Qua-lität des Zuschnittes getestet wird.

In jedem Fall haben der Muster- und Proto-typenbau einen nicht unwesentlichen Anteilan der zeitlichen Dimension des Produktent-stehungsprozesses, dessen Optimierung zuden aktuellen Aufgaben gehört.

In Bild 2.2 wird bereits optisch verdeut-licht, dass mit durchgängigen rechnerinte-grierten Produktentwicklungen vor allem beiSerienprodukten eine Verkürzung der Ent-wicklungszeiten erreicht werden kann. Dassetzt natürlich voraus, dass die virtuellen Pro-

totypen so realitätsnah wie nötig erstellt wur-den und die damit verbundenen Informa-tions- und Produktdatenmodelle auch Ge-stalts- und Parameteroptimierungen zulassen.Dies können im erforderlichen Umfang nurparametrische 3-D-CAx-Systeme sichern.

2.3 Entwicklungs- und Konstruktionsmethoden

2.3.1 Zielsetzung

Not macht erfinderisch. Diese Weisheit istganz sicher nicht wörtlich zu nehmen, wennes darum geht, neue innovative Verfahrenund Produkte zu entwickeln. Der Spruchzeigt jedoch, dass Menschen naturgemäßdazu neigen, störende Defizite zu beseitigenbzw. durch den Einsatz von Hilfsmitteln zukompensieren.

Zur Vereinfachung komplizierter geistigerArbeit bildet und nutzt der Mensch bereitsunbewusst Denk- und Handlungsstrategienwie z.B.:

❑ Abstraktion,❑ Differenzierung zwischen Wesentlichem

und Unwesentlichem,❑ Aufgliederung eines Gesamtproblems in

lösbare oder bereits gelöste Teilprobleme,❑ schrittweise Entwicklung vom Vorläufigen

zum Endgültigen, vom Abstrakten zumKonkreten,

❑ Iteration im Sinne von zu wiederholendemBewerten und Verbessern,

❑ Auslagerung von Informationen (z.B.Schriften und Zeichnungen als «externesGedächtnis»),

❑ Nutzung von «externem Wissen» (Diskus-sion, lesen …),

❑ Suche nach Alternativen.

Diese von ERLENSPIEL [5] als Naturstrategienbezeichneten Fähigkeiten, bilden auch die Ba-sis der Konstruktionsmethodik, die als Werk-zeug zur Vereinfachung konstruktiver Denk-prozesse anzusehen ist.

16 Konstruktionslehre

Bild 2.2 Virtuelle Produktentstehung

Bewusst oder unbewusst wird bei allenDenkprozessen eine Iteration (methodischerDreischritt) durchgeführt (Bild 2.3).

Vor allem das Letztgenannte, das Kritisie-ren (Bewerten, Schlussfolgern …), wirdmanchmal etwas stiefmütterlich behandelt,nicht nur wenn es um die Beurteilung eigenerErgebnisse geht.

Die Problemlösung kann auch als ein Pro-zess des Informationsumsatzes aufgefasstwerden (Bild 2.4) [6].

Diese Sichtweise ist natürlich für die Rech-nerintegration in den Produktentwicklungs-prozess von besonderem Interesse. Sie machtaber auch deutlich, dass ohne methodischeund systematische Arbeitsweisen, die sichständig vergrößernde Menge an Informatio-nen über Produkte, Verfahren, Methoden, Ge-setze usw. und deren Vernetzung nicht im er-forderlichen Maße beherrscht werden kann.

Das «Leben» eines technischen Systemskann in folgende Abschnitte unterteilt wer-den, wobei sich hier entsprechende Wechsel-wirkungen ergeben müssen [1]:

❑ Systemvorstudie (Marktstudien, Unternehmensziele, Erfindungen),

❑ Systementwicklung (Entwicklung undKonstruktion),

❑ Systemherstellung (Fertigung, Montage,Prüfung),

❑ Systemeinführung (Vertrieb, Beratung,Verkauf, Inbetrieb-nahme),

❑ Systembetrieb (Gebrauch, Ver-brauch, Instand-haltung),

❑ Systemwechsel (Demontage, Recycling).

In jeder Etappe sind Problemlösungszyklen(Bild 2.5) zu durchlaufen, die letztendlich eineVerfeinerung der allgemeinen Lösungsitera-tion (s. Bild 2.3) sind.

Oft wird es zweckmäßig sein, den Lö-sungsprozess in parallel laufende Lösungs-wege aufzugliedern. Das ist möglich, wenndas Gesamtproblem zu einem frühen Zeit-punkt in Teilprobleme aufgeteilt werdenkann.

Nach der Lösungsentscheidung für Teil-probleme werden diese Teillösungen zur Ge-samtlösung verknüpft und bewertet. AuchTeilprobleme können in diesem Sinn zunächstals Gesamtproblem aufgefasst und weiter auf-gegliedert werden.

Die Strukturierung von Systemen in Ein-zel- bzw. Teilsysteme ist nicht unproblema-tisch, da die Verträglichkeit der Einzellösun-gen bzw. Teillösungen untereinander gesi-chert sein muss.

Methoden zum Entwickeln und Konstruie-ren technischer Systeme und Produkte, wie

Entwicklungs- und Konstruktionsmethoden 17

Bild 2.3 Allgemeiner Lösungsprozess

Bild 2.4Informationsumsatz mitIterationsschritten [2.3]

sie in zahlreichen Publikationen behandeltwerden, sind i.d.R. allgemeingültig und bran-chenunabhängig. Sie enthalten die Definitionvon logischen bzw. zweckmäßigen Arbeitsab-schnitten und notwendigen Arbeitsergebnis-sen. Es werden Leitlinien vorgegeben, diedazu beitragen sollen, vorhandene Entwick-lungs- und Konstruktionsabläufe zu überden-ken bzw. wirtschaftlicher zu gestalten. Die In-tegration von Möglichkeiten der elektroni-schen Datenverarbeitung ist heute hierbei einunverzichtbarer Gesichtspunkt.

Die von den verschiedenen Autoren ent-wickelten Konstruktionsmethoden und Syste-matiken sind nicht als starre Schemata zu ver-stehen. Nicht alle darin enthaltenen Arbeits-und Entwicklungsschritte sind zwingend zudurchlaufen. Die entwickelten Ablaufstrate-gien, Methoden und Hilfsmittel sind unter be-stimmten Randbedingungen entstanden. Essind daher vor allem Angebote mit vielen klu-gen Gedanken, die angenommen, aber auchignoriert, zugeschnitten, ergänzt und verän-dert werden können.

2.3.2 Ablaufstrategien

Der Ablauf von Konstruktions- und Entwick-lungsprozessen wird häufig in 4 Phasen ge-gliedert: Planen, Konzipieren, Entwerfen,Ausarbeiten. Je nach Aufgabe und Komple-xität sind diese Arbeitsabschnitte weiter zuuntergliedern.

Allgemein anerkannt ist das Vorgehen, dasin der Richtlinie VDI 2221 enthaltenen ist.Dort werden 7 Arbeitsabschnitte empfohlen:

1. Klären und präzisieren der Aufgabenstel-lung, d.h. Informationsbeschaffung, Über-prüfen und Ergänzen der externen undinternen Anforderungen, Formulieren derAufgabenstellung aus der Sicht des Bear-beiters. Ergebnis ist eine Anforderungslis-te, die unter Umständen entwicklungsbe-gleitend zu präzisieren ist.

2. Ermitteln von Funktionen und derenStrukturen: Ermitteln der Gesamtfunktionbzw. der zu erfüllenden Teilfunktionenund deren Verflechtungen. Arbeitsergebnis

18 Konstruktionslehre

Bild 2.5 Systemtechnische Problemlösungszyklen nach [1.1]

sind 1 oder mehrere Funktionsstrukturen,die als Beschreibungen oder als formaleDarstellungen bzw. Schaltungen festgelegtwerden.

3. Suchen nach Lösungsprinzipien und derenStrukturen, d.h. Auswahl physikalischer,chemischer oder anderer Effekte und Fest-legung von Wirkstrukturen (Geometrie,Bewegung, Werkstoff …). Arbeitsergebnissind 1 oder mehrere prinzipielle Lösun-gen (Prinzipskizzen, Schaltungen oderauch Beschreibungen).

4. Gliedern in realisierbare Module, z.B. nachfunktionellen und fertigungs- bzw. monta-getechnischen Gesichtspunkten. Arbeitser-gebnis sind modulare Strukturen, die be-reits eine realisierbare Gliederung der Lö-sung (Teilsysteme und Systemelementeeinschließlich deren Verknüpfung bzw. derSchnittstellen) erkennen lassen. Darstel-lungsformen können z.B. Anordnungsskiz-zen, Graphen, Logikpläne, Struktogrammeoder Fließbilder sein.

5. Gestalten der maßgebenden Module. Hierist eine Parallelbearbeitung der einzelnenModule möglich. Der Konkretisierungs-grad der geometrischen, stofflichen und/oder programmtechnischen Festlegungenist nur so weit voranzutreiben, dass ein Er-kennen und Auswählen des Gestaltopti-mums möglich ist. Ergebnis dieser Grobge-staltung sind Vorentwürfe (grobe maß-stäbliche 3-D-CAD-Modelle, Zeichnungen,Stromlaufpläne u.ä.).

6. Gestalten des gesamten Produkts durchDetaillierung der vorentworfenen Moduleund deren Verknüpfung. Das schließt dasGestalten und Ergänzen noch nicht bear-beiteter Elemente oder die Integration be-reits vorhandener Teillösungen ein. Arbeitsergebnis dieser kompletten Feinge-staltung ist ein Gesamtentwurf, der allewesentlichen Angaben zur Produktreali-sierung enthält (3-D-CAD-Modelle, Über-sichtszeichnungen und vorläufige Stückli-sten …).

7. Ausarbeiten der Ausführungs- und Nut-zungsangaben. Arbeitsergebnis ist die Pro-duktdokumentation mit Nutzungsanga-

ben (rechnerinternes Produktmodell, Ein-zelteil-, Gruppen- und Gesamtzeichnun-gen, Stücklisten, Fertigungs-, Montage-,Prüf- und Transportvorschriften, Betriebs-anleitungen). Hierunter fallen auch Ände-rungsmitteilungen, die aus unterschied-lichen Gründen auch während der Ferti-gung oder Montage notwendig werdenkönnen.

Die Arbeitsschritte werden je nach Aufgaben-stellung vollständig, nur teilweise oder mehr-mals iterativ durchlaufen. Iteration bedeutetin diesem Fall eine korrigierende Lösungssu-che. Auch eine weitere Unterteilung kann inmanchen Fällen zweckmäßig sein. In allen Ar-beitsabschnitten (und Iterationen) sind Aus-wahl-, Optimierungs- und Entscheidungs-schritte ein wichtiges Merkmal für eine me-thodische Arbeitsweise.

Kritisch zu hinterfragen ist, ob die erläu-terte Ablaufstrategie dem immer durchgängi-gerem Rechnereinsatz im Produktentste-hungsprozess Rechnung trägt. Ebenso ist zubeachten, dass höchstens 10 % der in der Pra-xis zu leistenden Konstruktionsarbeit aufNeukonstruktionen bzw. auf die Konzept-phase entfällt [5].

Dem Konzipieren entsprechen die o.g. Ar-beitsabschnitte 2. und 3. Da beide Teilergeb-nisse (Funktionsstruktur, prinzipielle Lösung)nicht streng voneinander trennbar sind, wer-den sie u.a. in [6] zusammengefasst. Gleichesgilt für die Arbeitsabschnitte 4. und 5., die derGrobgestaltung dienen.

Das deutliche Trennen von Grob- und Fein-gestalten wird an dieser Stelle besonders her-vorgehoben, da dies auch eine wesentlicheArbeitsstrategie bei der Nutzung modernerCAD-Systeme sein sollte.

Mit Blick auf ein rechnerintegriertes Pro-duktdatenmanagement, das den gesamtenProduktentstehungsprozess erfasst, wird inBild 2.6 eine entsprechend modifizierte Ab-laufstrategie mit notwendigen Arbeitsergeb-nissen angegeben.

Durch den Begriff «Freigabe» wird ver-deutlicht, dass Genehmigungs- und Abstim-mungsprozesse erforderlich sind und dass

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20 Konstruktionslehre

Bild 2.6 Grobe Ablaufstrategie einer rechnerintegrierten Konstruktion