Eder, Wolfgang Ernst

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  50. Internationales  Wissenschaftliches Kolloquium   September, 19-23, 2005   Maschinenbau  von Makro bis Nano / Mechanical Engineering  from Macro to Nano   Proceedings    Fakultät für Maschinenbau / Faculty of Mechanical Engineering     Startseite / Index:  http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745 Impressum  Herausgeber: Der Rektor der Technischen Universität llmenau  Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Peter Scharff  Redaktion: Referat Marketing und Studentische Angelegenheiten  Andrea Schneider   Fakultät für Maschinenbau  Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Kurtz, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß,  Dr.-Ing. Beate Schlütter, Dipl.-Biol. Danja Voges,  Dipl.-Ing. Jörg Mämpel, Dipl.-Ing. Susanne Töpfer,  Dipl.-Ing. Silke Stauche  Redaktionsschluss: 31. August 2005 (CD-Rom-Ausgabe)  Technische Realisierung:  Institut für Medientechnik an der TU Ilmenau (CD-Rom-Ausgabe) Dipl.-Ing. Christian Weigel Dipl.-Ing. Helge Drumm Dipl.-Ing. Marco Albrecht  Technische Realisierung: Universitätsbibliothek Ilmenau (Online-Ausgabe)   Postfach 10 05 65  98684 Ilmenau  Verlag:   Verlag ISLE, Betriebsstätte des ISLE e.V.  Werner-von-Siemens-Str. 16  98693 llmenau   © Technische Universität llmenau (Thür.) 2005   Diese Publikationen und alle in ihr enthaltenen Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt.   ISBN (Druckausgabe): 3-932633-98-9  (978-3-932633-98-0) ISBN (CD-Rom-Ausgabe): 3-932633-99-7 (978-3-932633-99-7)  Startseite / Index: http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745 50. Internationales Wissenschaftliches KolloquiumTechnische Universität Ilmenau19.-23. September 2005W. Ernst EderKonstruktionsmethodik - Ein Werk in EntwicklungABSTRACTAn Fallstudien wird gezeigt, dass Konstruktionsmethodik in wissenschaftlich basierter Formsowohl für Neukonstruktion als auch für Änderungskonstruktion nützliche Ansätze bietet. EINFÜHRUNGKonstruktionsmethodiken (absichtlich Mehrzahl) wurden in den Jahren etwa 1950 bis1990 in verschiedenen Ländern vorgeschlagen. Typisch sind die Vorgehensmodelle nach Pahlund Beitz [1,2], Roth [3], Koller [4,5], Dietrych [6], Hansen [7,8], Hubka [9,10,11], Eder undGosling [12], VDI [13], u.s.w. Sie haben nur zum Teil in bestehended Industriezweigen Einganggefunden [14], wurden aber mit Erfolg in der Ingenieurausbildung eingesetzt.In der Folge wurde die Suche nach Konstruktionsmethodiken zum Großteil vernachläs-sigt, man nahm an, daß die Entwicklung abgeschlossen war, und keine weiteren Verbesserungenzum Ziel der Rationalisierung der Konstruktionsarbeit beitragen konnten. Kreativität [15] wurdeimmer mehr betont. Diese Ansicht ist verfrüht. Der Trend nach integrierter Produktentwicklungund ‘Design’ im Sinne der künstlerischen Beeiflussung des Aussehens und der menschlichenBedienbarkeit hat auch das Streben nach rationalem Konstruieren nachteilig beeinflußt. DieEntwicklung der Disziplin ‘Life-Cycle Engineering’ [16] wurde in unabhängiger Art vorwärts-getrieben. Die drei Gebiete der ingenieurmässigen Konstruktion, integrierte Produktentwicklungund ‘Design’ haben einiges gemeinsam, aber jedes Gebiet hat Besonderheiten, wie in Bild 1angezeigt – die angesprochenen Eigenschaften des technischen Systems bzw. des greifbarenProduktes können in zwölf Klassen verteilt werden, die das Gebiet vollständig überdecken,siehe Bild 2. Integrierte Produktentwicklung tendiert nach Betriebsführung. Der bestehendeUnterschied zwischen kunstvollem ‘Design’ und ingenieurmäßigem Konstruieren [17,18] wirdin letzter Zeit fast vollständig unterschlagen. Diese Unterschiede können anhand einigerBeispiele erläutert werden – es ist anerkannt, daß in vielen Fällen diese drei Diszipline engzusammenarbeiten müssen. Die beiden konstruktiven Gebiete können nach Tabelle 1charakterisiert werden.Bild 1  Bereiche der Sorten des KonstruierensBild 2   Klassen der Eigenschaften technischer SystemeMETHODOLOGIEDie Mehrzahl der Methodologien und Vorgehensmodelle [1,2,3,4,5,6,7,8,12,13], zeigenLücken, die eine konsequente Anwendung erschweren. Es ist auch fast nie aufgezeigt, wie dieMethodologie für Variantenkonstruktion oder Änderungskonstruktion angepaßt werden können.‘Life-Cycle Engineering’ und andere gängige Methoden werden fast nie in Zusammenhang mitder beschriebenen Methodik gebracht.Tabelle 1Charakteristiken des KonstruierensForschungsvorhaben,KonstruktionsbedingungenIngenieurmässigeKonstruktionArchitektur und ‘Design’Das zu konstruierende Objekt,oder bestehende (konstruierte)ObjektTechnische Systeme;Zweck: Funktionieren,Ausführen einer AufgabeGreifbare Produkte;Zweck: Aussehen, menschliche FunktionsfähigkeitDarstellung und Analyse deskonstruierten Objektes undeingefangene ‘Absicht’ desKonstruierensVorbereitung für Herstellung,Zusammenbau, Verteilung,usw., AI, CAD/CAMBildliche Darstellung fürVorführung und Ausstellung,Entscheidung über Breite desProdukt AngebotesKonstruktionsprozess für dasObjekt, Methodologie,Herstellung der ‘Absicht’Theorien der Konstruktion,Konstruktionswissenschaft,formale KonstruktionsmethodikIntuitives, zusammen-arbeitendes, interactives‘Design’Phänomenologie desKonstruierensEmpirisch, Versuche undDurchführungsstudienProtokol Aufnahme des‘Design’ VorgehensVerantwortung Professionell, Sicherheit,Zuverlässigkeit, rechtlicheVerantwortung, Öffentlichkeit,Organisation, BeteiligtenZu Organisation und BeteiligtenStandort Konstruktionsbüro StudioDie Entwicklungen aufgrund der Konstruktionswissenschaft [19,20] zeigen klar inwelcher Weise die bestehenden Lücken überbrückt werden können. Konstruieren bearbeitetInformation [21]. Das grundlegende Modell der Konstruktionswissenschaft betrifft dasTransformationssystem, Bild 3. Das Modell sagt aus:Bild 3   Allgemeines Modell des Transformationssystems   ! Ein Operand (Material, Energie, Information und/oder lebende Wesen) in Zustand Od1wird transformiert zum Zustand Od2 durch Anwendung einer geeigneten Technologie,unter Einfluss der Effekte (Material, Energie und/oder Information) die von denOperatoren (menschliches System, technisches System, aktive Umgebung, Informations-system, Führungssystem) ausgeübt werden, wobei behilfliche Inputs  (M,E,I) benötigtsind, und Nebeninputs und -Outputs (M,E,I) auftreten, sowohl für den Operand als auchfür die Operatoren.Sobald dieses Modell verstanden wird, kann eine konsequente Methode und Methodik dessystematischen Konstruierens vorgeschlagen werden, die die Kreativität unterstützt [15]. FürNeukonstruktion kann der Konstrukteur an vielen Ebenen nach Varianten suchen, nämlich infolgenden Schritten [10,11,19,20]:  (0) Aufstellen einer Anforderungsliste für das zu konstruierende System vom Gesichtspunktdes Konstrukteurs, durch Umarbeitung der Kundenforderungen in Übereinstimmung mitdem Kunden und der Betriebsführung;  (1) Bestimmen des günstigen und geforderten Output der Transformation (Operand inZustand Od2), der eigentliche Zweck des zu konstruierenden Systems;  (2) Bestimmen eines geeigneten Transformations prozesses, der den Operand aus ZustandOd1 in Zustand Od2 verwandeln kann, mit Teiloperationen, mit Untersuchung dermöglichen Alternativen, und (wenn notwendig) Bestimmen des geeigneten Inputs(Operand in Zustand Od1).  (3) Entscheiden, welche der Operationen in diesem Transformationsprozess vom Menschenausgeführt werden soll, und welche vom technischen System, allein oder inZusammenarbeit;  (4) Entscheiden, welche technische Systeme (TS, oder deren Teile) zu dieser Zeitkonstruiert werden sollte (sie sind noch nicht vorhanden);  (5) Bestimmen einer Technologie (mit Alternativen) für diese Transformations-Operation,und daher welche Effekte (als Output des TS) das TS liefern muss (als Aktion oder alsReaktion zum Vorhandensein des Operanden) um die Operation durchzuführen;  (6) Bestimmen, welche Fähigkeiten das TS haben muss (interne und grenzüberschreitendeFunktionen), um diese Effekte zu liefern, und welche TS-Inputs erforderlich sind – diebekannte Funktionsstruktur, mit verbesserter Definition und Formulierung, abgeleitetaus den Schritten (1) bis (5);  (7) Bestimmen, welche Organe (Funktionsträger im Prinzip, mit verbesserter Definition undFormulierung, und Suche nach Alternativen) diese Funktionen ausführen können, undwelche hervorgerufenen Funktionen (und Organe) erkennbar sind – eine Funktions-Mittel Kette. Die morphologische Matrix is geeignet, diese Untersuchungdurchzuführen, und die Organe in geeigenter Anordnung zu Organstrukturen (denbekannten Prinzipskizzen, mit verbesserter Definition und Formulierung)zusammenzustellen. Organe werden in Erfahrung gefunden, besonders in denMaschinenelementen, aber mit erweiterter Reichweite [22];  (8) Bestimmen, welche Bauteile benötigt sind (in Vorentwurf, Hauptentwurf, Detail- undZusammenstellungszeichnungen, mit möglichen Alternativen), und welche zusätzlicheFunktionen (und Organe und Bauteile) hervorgerufen sind (eine erweiterte Funktions-Mittel Kette), damit eine vollständige Beschreibung des zukünftigen TS dargestellt wird,in kürzester Zeit und mit niedrigsten Kosten.Die angedeuteten Verbesserungen der Definitionen und Formulierungen sind zum Teil in[19,20] veröffentlicht, aber dieser Prozess der Verbesserung findet dauernd statt, besonders inZusammenarbeit der Autoren von [19,20,21]. Nur jene Teile dieses Konstruktionsprozesseswerden angewandt, die zum Ziel beitragen. Auswahlmethoden wie die Galeriemethode sindvorhanden. Umkonstruktion kann mit folgenden Schritten durchgeführt werden:  (a) Aufstellen einer Anforderungsliste für das zu ändernde System, wie Schritt (0);  (b) Analyse des bestehenden Systems zum Erkennen der Organe und (wenn notwendig) derFunktionen, eine Umkehrung des Vorgehens der Schritte (7) und (6);  (c) Anwendung der letzten Teile des Vorgehens, wie oben.Betrachtungen über ‘Life-Cycle Engineering’ sind schon grossteils in dieser Methodologieeingebaut, einschliesslich Wissen und Hinweise, die im Bereich von ‘Design for X’ vorliegen.Weder Neukonstruktion noch Umkonstruktion können in einem linearen Vorgehenerreicht werden. ‘Feedback’ (Informationsrückführung), Iteration (Wiederholung der Operationmit verbessertem Verständnis des Problems) und Rekursion (Aufteilung des Problems inkleinere Abschnitte, Lösen, und Wiedervereinigen) sind immer notwendig. Die Möglichkeit derSuche nach Alternativen wird in allen Schritten angeboten – ist die Ausnutzung dieserFeststellung das nicht das Merkmal der Kreativität? Analyse und Simulation mit Hilfe derIngenieurwissenschaften kann in jedem Schritt angesetzt werden, von Überschlagsrechnung fürerste Bestimmung der Grössen, durch statische Betrachtungen für genauere Vorbestimmungdieser Grössen, bis zu voller dynamischer Simulationen zumVerifizieren der voraussichtlichenTauglichkeit der Bauteile für die vorgesehenen Aufgaben. Jeder Schritt beinhaltet, und sollabschliessen, mit einem Zyklus der Prüfung, einschliesslich Schlagworte wie ‘Begründen’,‘Bewerten’, ‘Auswählen’, ‘Entscheiden’, ‘Verbessern’, ‘Optimieren’, ‘Verifizieren’,‘Nachprüfen’, und ‘Nachdenken’ (Reflektieren).FALLSTUDIENAn zwei Fallstudien wird gezeigt, daß sowohl für Neukonstruktion als auch fürÄnderungskonstruktion durch die oben skizzierte verbesserte Methodik einerseits das Lösungs-feld erweitert werden kann, anderseits auch sowohl die Dokumentation als auch dieZusammenarbeit mit den ‘Design’ Künstlern erleichtert wird.Die erste dieser Fallstudien betrifft eine Teemaschine. Eine frühere Veröffentlichung[23] zeigte einige Aspekte dieser Entwicklung, aber in eher intuitivem Vorgehen. Folgend sindBilder und Erklärungen, die der vollen systematischen Methodik gehorchen. Schritt (0) wirdhier wegen Platzmangel nicht angesprochen. Schritte (1), (2), (3) und (4) sind in Bildern 4 und 5zusammengefasst.Daraus kann das Resultat für Schritte (5) und (6) abgeleitet werden, wie inBild 6 gezeigt, eine Art der bekannten Funktionsstruktur. Bild 7 zeigt den ersten Teil einermorphologische Matrix. Kombinationen der Zeilen 1 bis 4 sind in Bild 8 dargestellt, wobeiVariante B-1 als günstigste erkannt wurde. Eine vollständigere Organstruktur erscheint wie inBild 9.Bild 4   Teemaschine – Transformationsprozess ‘Black Box’Bild 5   Teemaschine – Transformationsprozess mit AlternativenBild 6   Teemaschine – Funktionsstruktur        Bild 7   Teemaschine – morphologische MatrixBild 8   Teemaschine – Funktionen 1 bis 4 [23]      Bild 9   Teemaschine – OrganstrukturDie zweite Fallstudie betrifft die Umkonstruktion eines Wasserventils, mit dem Ziel, dieBauhöhe möglichst zu vermindern, und Änderung der Höhe im Gebrauch zu vermeiden.Wiederum wird Schritt (0) bzw. (a) nicht angesprochen. Bild 10 zeigt das Ventil wie es imMarktangebot erscheint. Bild 11 zeigt einen Transformationsprozess in ‘Black Box’ Format,obwohl dies nicht unbedingt notwendig is für diese Aufgabe und Vorgehensweise. Schritt (b)wird durch Analyse durchgeführt, Bild 12 zeigt die analysierte Organstruktur für das bestehendeVentil. Die daraus abgeleitete, und für die neue Aufgabe geänderte Funktionsstruktur zeigt Bild13. Schritt (c) kann nun eingeleitet werden, mit der morphologischen Matrix in Bild 14.Kombinationen und Anordnungen der Organe sind in Bild 15 dargestellt. Bild 16 zeigt eineVorschlag für die Baustruktur des geänderten Ventils.Bild 10   Wasserventil – Vorgegebene BaustrukturBild 11   Wasserventil – Transformationsprozess ‘Black Box’Bild 12   Wasserventil – Analysierte OrganstrukturBild 13   Wasserventil – Funktionsstruktur      Bild 14   Wasserventil – morphologische MatrixBild 15   Wasserventil – Organstrukturen Bild 16   Wasserventil – Neue BaustrukturZUSAMMENFASSUNGKoordinierung mit ‘Design’ und Integrierter Produktentwicklung kann zu Verbes-serungen des konstruierten Systems beitragen, aber das Vorgehen des ingenieurmässigenKonstruirens nicht ersetzen, Systematisches Vorgehen ist bekanntlich mit grösserem Aufwandan menschlicher Energie verbunden [24]. Jedoch kann durch systematischem Vorgehen dasLösungsfeld weit besser abgesucht werden. Dazu ist eine vollständigere Methodik nützlich.Eine solche Methodik wurde kurz vorgestellt, und mit zwei Fallstudien belegt.Literatur- bzw. Quellenhinweise:[1] Pahl, G., & Beitz, W. (1995) Engineering Design (2 ed.), London: Springer-Verlag (1 ed 1984) (Edited and translated by K. Wallace, L.Blessing and F. Bauert), translated from 1993-3rd ed [2] Pahl, G., & Beitz, W. (1997) Konstruktionslehre, Methoden und Anwendungen, (4 ed.) Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag (1 ed. 1977,2 ed 1988, 3 ed 1993)[3] Roth, K. (1995) Konstruieren mit Konstruktionskatalogen (2 ed. 2 vols.) (Designing with Design Catalogs), Berlin/Heidelberg:Springer-Verlag (1 ed 1982)[4] Koller, R. (1979) Konstruktionsmethode für Maschinen-, Geräte- und Apparatebau (Design Method for Machine, Device andApparatus Construction), Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag[5] Koller, R. (1985) Konstruktionslehre für den Maschinenbau (Study of Designing for Mechanical Engineering, 2. ed.),Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag[6] Hubka, V. (ed.) (1982a) WDK 9: Dietrych zum Konstruieren (Dietrych about Designing), Zürich: Heurista[7] Hansen, F. (1966) Konstruktionssystematik (Design Systematics) (2. ed.), Berlin: VEB Verl. Technik[8] Hansen, F. (1974) Konstruktionswissenschaft – Grundlagen und Methoden (Design Science – Basis and Methods), München: CarlHanser[9] Hubka, V. (1967) ‘Der grundlegende Algorithmus für die Lösung von Konstruktionsaufgaben’ (Fundamental Algorithm for the Solution ofDesign Problems) in XII. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium der Technischen Hochschule Ilmenau, Heft 12 Sektion L -Konstruktion, Ilmenau: T.H.I., p. 69-74[10] Hubka, V.(1980) WDK 1: Allgemeines Vorgehensmodell des Konstruierens, Goldach: Fachpresse.  [11] Hubka, V. (1992) Engineering Design, Zürich: Heurista[12] Eder, W.E., and Gosling, W. 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(1988) Practical Studies in Systematic Design, London: Butterworths[24]  Müller, J. (1990) Arbeitsmethoden der Technikwissenschaften – Systematik, Heuristik, Kreativität (Working Methods ofEngineering Sciences, systematics, heuristics, creativity), Berlin: Springer-Verlag Autorenangabe:Professor W. Ernst Eder (in Ruhestand)107 Rideau Street,Kingston, ONCanada K7K 7B2Tel.: x-1-613-547-5872Fax: x-1-613-547-5872E-mail: eder-e@rmc.ca

Konstruktionsmethodik - ein Werk in Entwicklung

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