Interdisziplinäre Entwicklung verläßlicher Multitechnologiesysteme Schön 00.03.001 Bedeutung der Produktentwicklung für den gesamten Produktentstehungsprozeß Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm • Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß • Struktur Technischer Systeme • Der Konstruktionsprozeß • Beispiel

Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Schön 00.03.002 • Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß • Struktur Technischer Systeme • Der Konstruktionsprozeß • Beispiel

Produktentwicklung im Produktlebenszyklus Meerkamm 07.03.001 Konzipieren Entwerfen Planen Ausarbeiten Konstruktion Produktplanung Arbeitsplanung Produktentwicklung Herstellung Entsorgung/ Recycling Vertrieb Nutzung LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm

Rule of Ten Kosten für Fehlerbehebung 10.000 1.000 100 10 1 Prototyp Meerkamm 04.01.015 10.000 1.000 100 10 Sony Corporation 1 Prototyp Vorserie Zeitpunkt der Fehlerentdeckung Entwicklung Markteinführung Produktionsplanung LEHRSTUHL FÜR KONSTRUKTIONSTECHNIK Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Prof. Dr.-Ing. Harald Meerkamm

Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Schön 00.03.003 • Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß • Struktur Technischer Systeme • Der Konstruktionsprozeß • Beispiel

Allgemeiner Systembegriff Rösch 04.09.021 Umwelt System B System A Definition "System": Umweltbeziehung - Ein System ist ein bestimmter Teil der Wirklichkeit. Elementrelation - Es hat Beziehungen zu seiner Umwelt. Systemelement / Objekt: - Vorgänge - Es hat eine Struktur. - Technische Gebilde - Programme - Es hat eine Funktion. Quelle: Hansen

Bildung einer Funktionsstruktur durch Aufgliederung Meerkamm 04.07.006 Funktionsgrad n Eingang Gesamt- funktion Ausgang n - 1 n - 2 n - 3 n - 4 Quelle: Pahl/Beitz; VDI 2221

Allgemeine Funktionen und typische Beispiele Adunka 04.07.158 Quelle: VDI 2222

Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Schön 00.03.004 • Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß • Struktur Technischer Systeme • Der Konstruktionsprozeß • Beispiel

Konstruktionsphasen Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten Adunka 04.02.008 Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten

Produkt-Lebensdauerkurve Meerkamm 04.01.002 Sättigungs- phase Umsatz, Gewinn Wachstum und Reifephase Verfallphase evtl. Wieder- anstieg Einführungs- phase Umsatz Vorbereitung zur Produkteinführung Produktentwicklung Produktplanung Zeit Gewinn Kosten Verlust Quelle: Pahl/Beitz

Formblatt einer Anforderungsliste Meerkamm 04.06.001 FF = Festforderung TF = Tolerierte Forderung Ausgabe: Firma: Anforderungsliste Identifikation, Klassifikation für: Projekt, Produkt Änder. FF TF Anforderung Verantw. Änderungsdatum Verantwortlicher Ersetzt Ausgabe vom

Beispiel einer Anforderungsliste Hennig 04.06.008 SIEMENS Meßgerätewerk Anforderungsliste für Leiterplatten-Positioniereinrichtung Blatt: 1 Seite:1 Änder. F W Anforderungen Verantw. 27.4.88 F W 1. Geometrie: Maße des Prüflings Leiterplatte: Länge = 80 - 650 mm Breite = 50 - 570 mm Höhe = 0,1 - 10 mm Hauptsächlich verlangte Höhe: Haupthöhe = 1,6 - 2 mm Tunnelhöhe zwischen Grundrasterplatten £ 120 mm „Spannbereich“ £ 2 mm (3seitig am Plattenrand) 2. Kinematik: genaueste Positionierung des Prüflings positionierte Prüflinge müssen in Prüfrichtung (Plattennor- male mind. 2 mm verschiebbar sein Rückführung des Prüflings in Transportlage räumlich getrennte Zu- und Abführung Tunnelaufbau minimale Handhabungszeit (so schnell wie möglich) 6. Sicherheit: Schutz des Bedienpersonals 7. Fertigung: Toleranzaddition berücksichtigen 8. Gebrauch: Keine Verunreinigung im Inneren des Prüfsystems Einsatzort: Halle 9. Instandhaltung: Wartungsintervalle > 106 Prüfvorgänge 10. Termin: Abgabe der Entwürfe: spätest. Juli 1988 Gruppe Langner Ersetzt 1. Ausgabe vom 21.4.1998

Arbeitsschritte beim Konzipieren Hennig 04.07.122 Festlegen der Anforderungsliste Freigabe zum Konzipieren Information Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme Definition Aufstellen von Funktionsstrukturen (Gesamtfunktion - Teilfunktion) Kreation Suchen von Wirkprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen Konzipieren Kombinieren der Wirkprinzipien zur Wirkstruktur Auswählen geeigneter Kombinationen Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten Bewerten nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien Beurteilung Festlegen der prinzipiellen Lösung (Konzept) Freigabe zum Entwerfen Entscheidung Quelle: Pahl/Beitz

Aufgliederung der Gesamtfunktion in Teilfunktionen Rösch 04.07.105 Stoff: Werkstück bearbeitetes Werkstück, Späne 3 Löcher Gesamtfunktion Energie: elektr./mech. Energie Wärmeenergie bohren Signal: - 120° Teilung für 3 Löcher - Tiefe der Löcher Teilfunktion 120° Werkstück Werkstück Loch Bohrtiefe Drehung positionieren spannen bohren begrenzen ausführen

Methoden der Lösungsfindung Hennig 04.07.106 Methoden der Lösungsfindung Innovations- Auswahl und Konventionell Intuitiv Diskursiv techniken Bewertung - Literatur- - Brainstorming - Ordnungs- - WOIS - ABC-Analyse recherchen - Methode 635 schemata - Szenario Technik - technisch-wirt- - Analyse - Delphi-Methode - Morphologischer - ... schaftliche bekannter od. - Synektik Kasten Bewertung natürlicher - Galerie-Methode - Kataloge - ökologische Systeme - ... - ... Bewertung - Messungen, - Nutzwertanalyse Modellversuche - ... - ... Wertanalyse Lösungen

Suche von Wirkprinzipien Hennig 04.07.124 Quelle: Pahl/Beitz

Funktion: „Energie speichern“ - Unterschiedl. Wirkprinzipien Meerkamm 04.07.043 Energieart Wirkprinzip mechanisch hydraulisch elektrisch thermisch 1 Schwung- rad Hydrospeicher a. Blasensp. b. Kolbensp. c. Membransp. (Druckenergie) Batterie Masse 2 Schwung- masse Flüssig- keitssp. (Pot. Energie) Kondensator (elektr. Feld) Aufgeheizte Flüssigkeit 3 Pot. Energie Strömende Flüssigkeit Magnet (magn. Feld) Überhitzter Dampf 4 Metallfeder 5 Rad auf schiefer Ebene (rot. + trans. + pot.) 6 Sonstige Federn (Kompr. v. Fl.+Gas) Quelle: Pahl/Beitz

Morphologischer Kasten für Uhren Meerkamm 04.07.012 Funktionen Lösungselemente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tempe- ratur- schwan- kung Wärme- aus- dehnung Druck- schwan- kung hydrau- lische Energie galva- nisches Element galva- nisches Element Radio- ele- ment 1 Energie- quelle Hand- aufzug Hand- aufzug Pendel- aufzug Photo- element Gravita- tion Netz usw. 2 Energie- speicher Druck- gefäß kein Speicher Gewicht- speicher Feder Feder Bimetall Akku usw. 3 Zeit Normal Netz Quarz Quarz usw. mecha- nische Hemmung mecha- nische Hemmung Wirbel- strom- bremse 4 Schritt- Schaltwerk Fliehkraft- regler kein Regler kein Regler Regler usw. pneum- atischer Motor hydrau- lischer Motor elektro- nischer Motor 5 Elektro- motor Synchron- motor Synchron- motor kein Motor Motor Federhaus Federhaus usw. 6 Flüssig- keit Getriebe Zahnrad Zahnrad Ketten Rollen Schnecke Magnet usw. Zifferblatt bewegl. feste Marke Bewegl. Zeiger Zifferblatt Bewegl. Zeiger Zifferblatt Schieber feste Marke 7 Rollen Fenster Wende- blätter Anzeige Projektion Digital Digital usw. s, min, Std., Datum s, min, Std., Datum 8 s, min, Std. s, min, Std. s, min, Std., Tag Einheit s s, min usw. nach Boesch

Bewerten der prinzipiellen Lösung Hennig 04.07.127 Technische Bewertung Wirtschaftliche Bewertung Quelle: Pahl/Beitz

Prinzipielle Lösung Hennig 04.07.125 Quelle: Pahl/Beitz

Grundregel: Eindeutig Konstruieren Bachschuster 04.08.018 a b c Quelle: Pahl/Beitz

Grundregel: Einfach Konstruieren Bachschuster 04.08.019 Quelle: Pahl/Beitz

Grundregel: Sicher Konstruieren Bachschuster 04.08.020 schlecht sicherer Quelle: Pahl/Beitz

Vorgehensplan Ausarbeiten Hennig 04.09.022 Festlegen des endgültigen Entwurfs Freigabe zum Ausarbeiten Detaillieren und Festlegen von Einzelheiten Erarbeiten der Einzelteil-Zeichnungen Kreation Zusammenfassen durch Erarbeiten von Gruppen-Zeichnungen und einer Gesamt-Zeichnung sowie von Stücklisten Kontrolle Ausarbeiten Vervollständigen der Fertigungsunterlagen durch Fertigungs-, Montage- und Transportvorschriften sowie Betriebsanleitungen Prüfen der Fertigungsunterlagen auf Normenanwendung, Vollständigkeit, Richtigkeit Kontrolle Festlegen Produktdokumentation Freigabe zum Feritgen Entscheidung Quelle: Pahl/Beitz

Aufgaben und Auswirkungen der Konstruktion in der Produktentwicklung Schön 00.03.005 • Die Rolle der Produktentwicklung im Gesamtprozeß • Struktur Technischer Systeme • Der Konstruktionsprozeß • Beispiel

Anforderungsliste für Positioniergerät M. Koch 40.01.001 Anschlussfläche immer parallel zur y-z-Ebene ausreichende Positioniergenauigkeit muss erreichbar sein Bohrmuster für Flansch Rasten des Gerätes bei den Positionen  bis  Rastpunkte Durchlaufen des Zyklusses  -  -  ca. 200 mal pro Stunde geplante Stückzahl: 2 Abschluss der gesamten Konstruktion innerhalb von 4 (Mann-)Monaten Winkel am Antrieb für Rastposition Erforderliche Kraftaufnahme

Morphologischer Kasten I M. Koch 40.01.004 Lösungen 1 2 3 4 5 Teilfunktionen 1 Moment leiten Welle 2 Winkel aufnehmen elektr. Sensor magnetischer Sensor induktiver Sensor optischer Sensor 3 Richtung (Vorzeichen) feststellen optischer Sensor elektr. Sensor magnetischer Sensor induktiver Sensor 4 Moment in Kraft wandeln Kurbel Hülltrieb Gewinde Zahnrad / Zahnstange Effekt: Momentensatz Effekt: Reibung Effekt: Keileffekt Effekt: Hebel 5 Kraft teilen in zwei Komponenten (X und Y) Druckteiler Rechner Steuereinheit Getriebe Effekt: Hydraulik Effekt: Mechanik 6 translatorische Bewegung erzeugen Kolben Kurvengetriebe Kurbelgetriebe Linearmotor Effekt: Kontinuitäts- gleichung Effekt: Mechanik Effekt: Mechanik 7 Bewegungen getrennt leiten Getriebe Druck- leitungs- system Knie- hebel Effekt: Hebelgesetz Effekt: Hydraulik Effekt: Mechanik

Morphologischer Kasten II M. Koch 40.01.005 Lösungen 1 2 3 4 5 Teilfunktionen 8 Bewegungen überlagern (Wirkfläche bewegen) Getriebe Achse Effekt: Hebelgesetz Verbindungselement 9 Permanent- magnet Elektromagnet Energie- niveau mini- mieren Rastsperre Rasten Bolzen lösen / aktivieren Gleichgewichtslage Effekt: Mechanik 10 Elektromagnet Rast- sperre entfernen kinetische Energie zuführen Rasten aufheben Bolzen entfernen lösen / archivieren 11 mecha- nische Kraft elektrischer Impuls Signal wandeln 12 elektr. Impuls Signal aufnehmen Stoffstrom Stoffstrom Bewegung Effekt: Hydraulik Effekt: Pneumatik Effekt: Mechanik 13 Flip-Flop Signalzustand speichern Rechner (Speicher) Druck- speicher elektr. Schaltung Prinzip Mechanik Effekt: Hydraulik Druck- überla- gerung Druck- überla- gerung 14 Signale verknüpfen Rechner (I/O) Getriebe Effekt: Hydraulik Effekt: Pneumatik

Konflikt mit der Anforderungsliste Bewertung und Auswahl M. Koch 40.01.006 Konflikt mit der Anforderungsliste

Kinematik- und Kinetiksimulation M. Koch 40.01.007

Entwurf einzelner Teile M. Koch 40.01.008 Grundgestell Wagen mit Flanschfläche

Getriebeauslegung - Standardsteigung der Antriebsspindel von 50mm M. Koch 40.01.009 - Standardsteigung der Antriebsspindel von 50mm pro Umdrehung gewählt - Entfernung zwischen den Positionen: 194,5 mm - Laut Anforderung sollen die Positionen über den Antrieb durch 35 Grad Umdrehungen erreicht werden (0,097 Umdrehungen) - Damit wird ein Übersetzungs- verhältnis von 1:40 benötigt

Detaillierung des Antriebsstrangs M. Koch 40.01.010

Drehmomentberechnung M. Koch 40.01.011 Formel für Drehmoment bei Schraubenlinien Flankendurchmesser 27 mm Steigungswinkel 30,52° Steigung 50 mm Getriebestufe Moment Übersetzung I 4 Nm Reibungswinkel 6,587° II 16 Nm 4:1 III 40 Nm 2,5:1 IV 160 Nm 4:1 Reibwert 0,1 Flankenwinkel 60° Laut Herstellerangaben ist das Getriebe für diese Belastungen ausgelegt Kraft aus MKS 340 N

Detailentwurf M. Koch 40.01.012

FEM-Analyse Vernetzung M. Koch 40.01.013

FEM-Analyse Wagenunterteil M. Koch 40.01.014

FEM-Analyse Formänderung der Schiene M. Koch 40.01.015