06 - Produktentwicklung - Entwerfen Flashcards
Was ist Entwerfen
- konkretes Gestalten der prinzipiellen Lösung
- Festlegen von: Hauptabmessung/ Werkstoffe/ Fertigungsverfahren
- Überprüfen geom. Verträglichkeit
- Dimensionierung
- …
Merkmale des Entwerfens
- mehr korrektive Arbeitsschritte als das Konzipieren
- Analyse und Synthese wechseln sich ab
- Komplex: vieles geschieht simultan
- Vorgehen dem Problem und der Konkretisierung anpassen
Grundsätzliches Vorgehen beim Entwerfen
- Vom Qualitativen zum Quantitativen
- Vom Abstrakten zum Konkreten
- von der Grob- zur Feingestaltung
Wichtigste Bestandteile im Entwurfsprozess (3)
- Grundregel der Gestaltung (Eindeutig, Einfach, Sicher)
- Gestaltungsprinzipien (z.B. Prinzip d. Kraftleitung)
- Gestaltungsrichtlinien (z.B. Gießgerecht)
Gestaltungsprinzipien und -Richtlinien sind im Entwerfen zentrale Bestandteile
Bereichsorientiertes Vorgehen nach Fricke
- *Erst Funktion A komplett** bearbeiten (Wirkprinzip…->…Lösungskonzept…->…Entwurf)
- *dann Funktion B, dann C** usw.
für erfahrene Konstrukteure
bedarf breiter systematischer Betrachtung -> erhöhter Zeitaufwand
Stufenweise ablauforientiertes Vorgehen nach Fricke
Alle Funktionen im gleichen Realisierungsstadium (A, B, C,… Wirkpronzip entwicklen, dann zur nächsten Stufe)
für unerfahrene Konstrukteure
besonders erfolgreich wenn sich die einzelnen Komponenten nicht stark gegenseitig beeinflussen
Generierende Lösungssuche nach Dylla
nebeneinander unterschiedliche Lösungsprinzipien und Gestaltungen erarbeiten, bewerten und auswählen
- für unerfahrene Konstrukteure
- Chance auf unkonventionelle Ideen zu kommen
- Problem: rechtzeitige und zielgerichtete Auswahl um später Mehrarbeit zu vermeiden
Korrigierende Lösungssuche nach Dylla
Schrittweise Verbesserung/Anpassung einer existenten Idee / eine Vorbilds an die Problemstellung
- > erfahrene Konstrukteure
- > rasche Konkretisierung
Realität: Mischformen von genrierender und korrigierender Lösungssuche je nach Erfahrung, persönlicher Neigung, Ausbildung,….
15 Arbeitsschritte des Entwerfens:
1 - 6 Grobgestalten
- (0 Festlegen der prinzipiellen Lösung (Konzept). freigabe zum Gestalten)
- 1 Erkennen gestaltungsbestimmender Anforderungen
- 2 Klären der räumlichen Bedingungen
- 3 Strukturieren in gestaltungsbestimmende Hauptfunktionsträger
- 4 Grobgestaltung der gestaltungsbestimmenden Hauptfunktionstr.
- 5 Auswählen geeigneter Entwürfe
- 6 Grobgestaltung witerer Hauptfunktionsträger
Beinhalten Information, Definition und Keration
Sind das Grobgestalten
15 Arbeitsschritte des Entwerfens
7 - 11 Feingestaltung
- 7 Suchen von Lösungen für Nebenfunkt.
- 8 Feingestalten der Hauptfunktionsträger unter beachten der Nebenfunktionsträger
- 9 Feingestalten der Nebenfunktionsträger u. vervollständigen der vorläuf. Entwürfe
- 10 Bewerten nach techn. und wirtschaftl. Kriterien
- 11 Festlegen des vorläufigen Gesamtentwurfs. Freigabe zum abschlisenden Gestalten
Sind die Feingestaltung
15 Arbeitsschritte des Entwerfens
12 - 15 Vervollständigen und Kontrollieren
- 12 Optimierendes und abschliesendes Gestalten
- 13 Kontrollieren auf Fehler und Störgrößeneinfluss
- 14 vervollständigen durch vorläuf. Stückliste, Fertigungs- und Montageanweis.
- 15 Festlegen des Gesamtentwurfs. Freigabe zum Ausarbeiten
Sind das Vervollständigen und Kontrollieren
Entwerfen: Schritt 1
Erkennen gestaltungsbestimmender Anforderungen
- setzt Kenntnis der prinzipiellen Lösung vorraus
- Erarbeitung der wesentlich Gestaltungbestimmenden Anforderungen.
- Z.B.: Abmessungenbestimmende (Leistung, Größe,…)
- Anordnungsbestimmende (Lage,…)
- Werkstoffbestimmende (Korrosionsbeständigkeit,…)
Finden sich in der Anforderungsliste
Entwerfen Schritt 2:
Klären der räumlichen Bedingungen
räumliche Bedingungen in der Konstruktion
- geforderte Abstände
- einzuhaltende Achsrichtungen
- Einbaugrenzen
Häufig auch Bauraumuntersuchungen mit physischen oder digitalen Prototypen
Entwerfen Schritt 3:
Strukturieren in gestaltungsbestimmende Hauptfunktionsträger
Enwicklung der Baustruktur in Grobgestalt mit vorläufiger Werkstoffauswahl
Fokus liegt auf Hauptfunktionsträgern (zum Beispiel Tabellen: Funktion (energie wandeln)/Funktionsträger (EMotor)/Merkmale(drehzahl;Drehmoment)
Beachten von Gestaltungsprinzipien!!!
Fragen: Welcher Funktionsträger bestimmt maßgebend die Gesamtgestaltung?
Welche Hauptfunktion soll durch welche Funktionsträger gemeinsam und welche besser getrennt erfüllt werden?
Entwerfen Schritt 4.
Grobgestaltung der gestaltungsbestimmenden Hauptfunktionsträger
Vorläufige Auslegung nach Werkstoff und Gestalt
Schrittweise Vorgehen: Funktion-> Wirkprinzip-> Auslegen
Ergebnis in gesetzte räumliche Bedingungen einfügen
Vervollständigen bis alle maßgebenden Hauptfunkt. erfüllbar sind
Generell: Elemente nur in vereinfachter Form darstellen
evtl. zunächst nur Teilzonen bearbeiten und diese dann kombinieren
Gestaltungsregeln: EINDEUTIG, EINFACH, SICHER
Entwerfen Schritt 5:
Auswählen geeigneter Entwürfe
Beurteilen der bis dato verfolgten Entwürfe mit Hilfe der Auswahlliste
weitere Gesichtspunkte aus der Leitlinie berücksichtigen
Anazhl der Entwürfe soweit reduzieren, dass eine weitere Bearbeitung hinsichtlich Kapazität etc. möglich ist
Entwerfen Schritt 6:
Grobgestalten weiterer Funktionsträger
Grobes Gestalten von weiteren Hauptfunktionsträgern, die noch nicht beachtet wurden wie z.B.:
- schon bekannte u. festgelegte Hauptfunktionsträger
- untergeordnete Hauptfunktionsträger
- bisher nicht gestaltungsbestimmende Hauptfunktionsträger
Entwerfen Schritt 7:
Suchen von Lösungen für Nebenfunktionen
feststellen welche Nebenfunkt. nötig sind:
- Stütz- und Haltefunktionen
- Dicht- und Kühlfunktionen
Verwendung vorhandener Lösungen
Verwendung von Norm- und Wiederholteilen
Zurückspringen in die Konzeption (Iterationen!)
Entwerfen Schritt 8:
Feingestalten der Hauptfunktionsträger unter Beachten der Nebenfunktionsträger
- Aufteilen in getrennt bearbeitbare Zonen und Baugruppen
- notwendige Einzelheiten endgültig festlegen
- Hinzuziehen von Normen, Vorschriften, genauen Berechnungen und Versuchsergebnissen
- Gestaltung v. Zonen die durch Nebenfunktionen beeinflusst werden und deren Lösungen bekannt sind
Entwerfen Schritt 9:
Feingestalten der Nebenfunktionsträger und vervollständigen der vorläufigen Entwürfe
Hinzufügen von Norm- und Zulieferteilen
falls nötig Hauptfunktionsträger abschliesend gestalten
alle Funktionsträger gemeinsam darstellen
Entwerfen Schritt 10:
Bewerten nach wirtschaftlichen und technischen Kriterien
Vorgehen:
- Erkennen von Bewertungskriterien
- Beurteilen der Eigensch. hinsichtlich ihrer Erfüllung
- Bestimmen des Gesamtwerts
- Suchen nach Schwachstellen
techn. und wirtschaftl. Bew. analog zur Bew. in der Konzeptphase, nur mit konkreteren Ausarbeitungen. So Konkret wie nötig. Alle verglichenen Varianten sollten die selbe Konretisierungsstufe haben. Hauptmerkmale beachten! Bei nur einer Varianten aufsuchen von Schwachstellen (Merkmale mit niedirgster Punktwertung)
Entwerfen Schritt 11:
Festlegen des vorläufigen Gesamtentwurfs
Basierend auf den Ergebnissen der vorhergegangenen Schritte wird der vorläufige Gesamtentwurf festgelegt
Entwerfen Schritt 12:
Optimierendes und abschliesendes Gestalten
- beim Bewerten erkannte Schwachstellen beseitigen
- Übernahme von Teillösungen oder Gestaltungszonen anderer weniger favorisierter Varianten zur Verbesserung der ausgewählten Variante
- Parameteroptimierung (multikriteriel)
Entwerfen Schritt 13:
Kontrollierne auf Fehler und Störgrößeneinfluss
- Entwurf bezüglich Funktion, räumliche Verträglichkeit und weitere Punkte der Leitlinie kontrollieren
- gegebenenfalls Verbessern
- Erreichen der Zielsetzung hinsichtlich der Kosten und Qualität sichern und nachweisen
Entwerfen Schritt 14 und 15:
Vervollständigen durch vorläufige Stückliste, Fertigungs- und Montageanweisungen
Aufstellen von vorläufigen Dokumenten:
- Stückliste
- Fertigungsanweisungen
- Montageanweisungen
–> Schritt 15: Festlegen des Gesamtentwurfs
Was sind Gestaltungsprinzipien
Strategien, die nur unter bestimmten Vorraussetzungen zweckmäsig sind
Sie können einander widersprechen oder Anforderungen entgegenstehen
helfen eine Baustruktur zu entwicklen die den Anforderungen gerecht wird
je nach Problemlage werden unterschiedliche Prinzipien maßgeben, wichtig oder wünschenswert
Die wichtigsten Gestaltungsprinzipien
Prinzip der **Kraftleitung ** (leiten von Kräften und Momenten)
Prinzipien der Aufgabenteilung (zuordnung von Teilfunktionen auf einen oder mehrere funktionsträger)
Prinzip der Selbsthilfe (sinnvolle Verknüpfung von Teilefunktionen und damit verbundener ausnutzung unterstützender Hilfswirkung)
Prinzip der Stabilität und Bistabilität (Minimierung des Einflusses von Störungen -> selbstaufhebende Wirkung der Störungen erreichen oder durch gewollte labilität stabiles verhalten zu erzielen)
Prinzipien der Kraftleitung
Kraftfluss und Gestaltfestigkeit: Kraftflussgerechte Gestaltung
Prinz. der direkten u. kurzen Kraftleitung: Leitung von Kräften und Momenten. Kleine Verformung gefordert: kurze Wege und nur Zug/Druckbeanspruchungen // große elast. verformung gefordert: lange Kraftleitungswege und Biege oder Torsionsbeanspruchung
Prinzip der abgestimmten Verformung: Gestaltung so, dass unter Last weitgehende Anpassung durch gleichgerichtete Verformung entsteht
Prinzip des Kraftausgleichs: Ausgleich von Nebengrößen (Spannkräfte/Massekräfte etc.) durch Ausgleichselemente oder symmetrische Anordnung
Prinzip der Aufgabenteilung
Eigentliches Ziel: möglichst viele Funktionen mit möglichst wenig Funktionsträgern
Aber: Fertigungsaufwand, Leistungsfähigere Teile nötig nichtmehr eindeutig (1 Teil, viele Aufgaben) komplexe Berechnung…..
Daher: Aufgabenteilung
entweder mehrer Teile erfüllen verschiedene Aufgaben oder mehrer Teile erfüllen die selbe Aufgabe (nötig bei Größen und Leistungssteigerungen (Keilriemen/planetengetriebe…)
Prinzip der Selbsthilfe
beschreibung/formeln/beispiele
Selbstschutz
Wahl und Anordnung von Elementen sorgt für eine gegenseitige Unterstützung
Ursprungswirkung U + Hilfswirkung H = Gesamtwirkung G
Selbsthilfegrad k = H/G
Selbsthilfegewinn y= G/U = 1/1-k
Gänige Beispiele:
- Verschlüsse und Dichtungen die sich durch den Betriebsdruck/Innendruck noch weiter abdichten.
- Vorspannung/-Belastung von Bauteilen entgegen der Betriebsbelastung (Anstellen von Schaufeln in Turbinen)
Selbstschutz: anderer Kraftleitungsweg bei Überlast, eigtl. funktion kann aufgehoben werden (Federn auf Stoß: federt nicht, aber Druck anstatt Torsionsbelastung)
Prinzip der Stabilität und Bistabilität
- Stabiles Verhalten: nach Störung Rückkehr in Ausgangslage mit unverändertem GGW
- indifferent: nach Störung neue Lage in unverändertem GGW
- labil: System nach Störung in neuer GGW
Anstreben von Stabilem Verhalten: d.h. Störung erzielen Wirkung die den Störungen entgegen wirken.
Bistabilität: 2 definierte Zustände ohne Zwischenzustand, übergang von 1 zu 2 durch erreichen eines Grenzzustands (Kippschalter/Sicherheitsventile…)
Grundregeln der Gestaltung
eindeutig: erfüllung der techn. Wirkung und verhalten vorhersagbar
einfach: wirtschaftlich. wenig Teile, einfache Formen, günstige fertigung
sicher: Sicherheit für Mensch und Umwelt. haltbar,zuverlässig,unfallfrei,…
Die Grundregeln können in JEDER Phase der produktentwicklung angewandt werden.
Grundregel eindeutig
Funktion
Klare Zuordnung Teilefunktion<->Funktionsstruktur mit zugehörigen Ein und Ausgangsgrößen
Grundregel eindeutig
Wirkprinzip
- Wirkprinzip muss bezüglich der physikalischen Effekte Zusammenhänge zw. Ursache und Wirkung aufweisen
- Geordnete Führung von Energie- bzw. Kraft-, Stoff und Signalfluss. Vermeiden von Zwangszuständen
- Definierte Dehnungsrichtungen und -möglichkeiten vorsehen
Grundregel eindeutig
Auslegung
- eindeutig definierter Lastzustand nach Art Größe Häufigkeit und Zeit nötig
- wenn Angaben fehlen -> Annahme treffen
- Gestaltung so, dass in jedem Betriebszustand die Beanspruchung beschreib- und berechenbar ist
- eindeutiges Verhalten in Sachen resonanz, Stabilität, Verschleiß Korrosion etc.
Grundregel eineutig
Ergonomie
Fertigung und Kontrolle
- Ergo: Anordnung der Bedienelemente so, dass richtige Bedienreihenfolge erzwungen.
- Fertigung und Kontrolle: eindeutige und vollständige Angaben (Zeichnung Stückliste etc.)
- Erfüllung von Ausführungsmerkmalen ggf. durch besondere Maßnahmen (Protokolle) einfordern
Grundregel eindeutig
Montage und Transport
Recycling
- Mont. u. Transp.: Gestaltung so, dass Montage nur auf eine Art möglich (ausschliesen von Irrtümern)
- Recycl. Trennstellen an verwertungsunverträglichen Stoffen vorsehen
- eindeutige Montage und Demnontagefolgen vorsehen
Grundregel eindeutig
Gebrauch und Instandhaltung
- Betribsergebnisse sollen übersichtlich und kontrollierbar sein
- einfach Inspektion und Wartung (wenig Werkzeug)
- klare festlegung von Zeitpunkt und Umfang von Wartung und Inspektionen
- Kontrollierbarkeit von Wartungen und Inspektionen
Grundregel einfach
Funktion
Wirkprinzip
- Funktion: möglichst wenige Teilfunktionen
- übersichtliche und folgerichtige verküpfung von Teilfunktionen
- Wirkprinzip: geringe Anzahl an vorgängen und Komponenten
- durchschaubare Gesetzmäsigkeiten
- wenig Aufwand
Grundregel einfach
Auslegung
Ergonomie
- Auslegung: Formen wählen, die direkt für die Formeln der Festigkeits und Elastizitätslehre tauglich sind
- Symmetrische Formen für übersichtliche verformung anstreben
- Ergonomie: sinnfällige Bedienvorgänge
- übersichtliche Anordnung
- verständliche Signale
Grundregel einfach
fertigung und Kontrolle
- Formen wählen, die gänige und schnelle Bearbeitung ermöglichen
- wenige Fertigungsverfahren mit geringen Umspann- rüst- und Wartezeiten ermöglichen
- übersichtliche Formen zur einfacheren Kontrolle (in der QS)
Grundregel einfach
Montage und Transport
Montage einfach wenn:
- Teile leicht erkennbare (selbe Form anderer WS bei 2 Teilen ist schlecht)
- einfach durchschaubare Montage möglich (Flaschmontage unmöglich machen)
- Einstellvorgänge nur 1malig nötig
- Wiedermontage bereits montierter Teile unmöglich
Grundregel einfach
Gebruach und Instandhaltung
- Gebrauch ohne besondere Einweisung möglich
- Übersichtliche Vorgänge und leichtes Erkennen von Abweichungen udn Störungen
- Wartungsvorgänge sollen einfach, bequem und schnell sein, sonst werden sie aus Faulheit unterlassen
Grundregel einfach
Recycling
- Verwendung vertungsfähiger Werkstoffe
- einfache Demontage
- Einfachheit der Teile
Grundregel sicher
Zuverlässige Erfüllung der Funktion
Gefahrenminderung für Mensch und Umgebung
Definition von Zuverlässigkeit
Zuverlässigkeit ist die Fähigkeit eines technischen Systems innerhalb vorgegebner Grenzen und während einer bestimmten Zeitdauer den durch den Verwendungszweck bedingten Anforderungen zu genügen.
Ist wichtige Vorraussetzung für Schutzwirkung
Art und Bereiche von Sicherheit (4)
Betribessicherheit: Einschränkung von Gefährdung bei Betrieb technischer Systeme. Keine Schäden am System und der Umgebung (Betriebsstätte, Nachbarsysteme)
Arbeitssicherheit: Einschränkung der Gefährdung des Menschen bei der Arbeit bzw. bei Benutzung techn. Systeme (auch in der Freizeit/beim Sport…)
Umweltsicherheit: Einschränkung von Schädigung im Umfeld techn. Systeme
Schutzmaßnahmen: Schutzsystme und -einreichtungen mit dem Ziel Gefährdungen auf erträgliches Niveau zu begrenzen falls keine unmittelbare Sicherheits gegeben ist.
Drei Stufen von Sicherheitstechnik
Unmittelbare: von vorneherein von sich aus keine Gefährdung möglich
Mittelbare: Aufbau von Schutzsystemen und Schutzeinrichtungen
Hinweisende: vor Gefahren warnen, Gefährdungsbereich durch Hinweise kenntlich machen
3 Prinzipien der unmittelbaren Sicherheitstechnik
safe-life
Beschränktes Versagen
- Funktionsstörung ist zulässig, ohne dabei schwerwiegendes Versagen zu verursachen
- eingeschränkte Funktion muss im Versagensfall erhalten bleiben oder von anderem Bauteil übernommen werden
- Warnung z.b. Laufunruhe, Leistungsabfall, UNdichtigkeit…
3 Prinzipien der unmittelbaren Sicherheitstechnik
fail-safe
Beschränktes Versagen
- Bauteil darf Versagen ohne schwerwiegenden Ausfall zu verursachen
- Kaputtes oder anderes BT die (eingeschränkte) Funktion bis zum Stillstand der Maschine gewährleisten
- Hinweise: Laufunruhe,Undichtigkeit,leistungsverlust…
3 Prinzipien der unmittelbaren Sicherheitstechnik
redundate Anordnung
- Mehrfachanordnung erhöht Sicherheit
- Aktiv: alle Komponenten sind an Aufgabe beteiligt, bei Ausfall eines Teils -> Leistungsminderung
- Passiv: Reserveeinheit die zuschält wenn die Haupteinheit ausfällt
- Prinzipredundanz: Mehrfachanordnung mit gleicher Funktion und unterschiedlichem Wirkprinzip
mittelbare Sicherheitstechnik
Schutzsysteme und Schutzeinrichtungen
Schutzsysteme lösen bei Gefährdung eine Schutzreaktion aus. Bsp: Temperaturüberwachung in reaktoren
Schutzreinrichtungen haben eine Schutzfunktion ohne Schutzreaktion. Bsp: Geländer, Gitter etc.
mitterlbare Sicherheitstechnik
Grundforderungen der Schutztechnik
zuverlässig wirkend
zwangsläufig wirksam (wenn Schutzmaßnahme aufgehoben wird muss der Gefahrzustand zwangsläufig beendet sein)
nicht umgehbar
Vorgehen beim Gestalten
- Auslegen mit werkstoffwahl
- erste maßstäbliche Darstellung
- grobe Beurteilung räumliche Passung
- Sicherheit, Ergonome Fertigung Montage Gebruach Instandhaltung Recycling Kosten
- gegenseitige Beeinflussungen
- iteratives Vorgehen
- wichtige probleme Früh erkennen und zuerst lösen
Leitlinie beim Gestalten
Hauptmerkmale
- Funktion
- Wirkprinzip
- Auslegung
- Sicherheit
- Ergonomie
- Fertigung
- Kontrolle
- Montage
- Transport
- Gebruach
- Instandhaltung
- recycling
- Kosten
- Termine
Immer fragen ob das so klappen kann wie man es sich vorstellt
