Grundlagen: Entwurfsprozess

Einleitung

Der in Forschung/Entwicklung tätige Ingenieur oder Naturwissenschaftler soll Lösungen für technische Probleme finden. Der Entwurfsprozess umfasst dabei den Abschnitt zwischen einer bereits vorliegenden Aufgabenstellung und der fertigen Produkt- bzw. Prozessdokumentation als Ergebnis der Aufgabenlösung:

• Entwerfen bedeutet in der Technik, ausgehend von einer Aufgabenstellung das zu entwickelnde Objekt (z.B. ein Produkt oder einen technologischen Prozess) "vorauszudenken".
• Als Ergebnis des Entwurfsprozesses liegt eine Beschreibung des zu entwickelnden Objektes und bestimmter Anforderungen an seine Realisierung vor. Im Konstruktionsprozess nennt man diese Beschreibung z.B. Produktdokumentation.
• Die Dokumentation der Lösung wird meist noch in Form von Papier erstellt. Der Trend geht jedoch zur Verwaltung aller Bestandteile dieser Dokumentation (Texte, Zeichnungen, Modelle) im Rechner.

In diesem Grundlagen-Abschnitt soll verdeutlicht werden, wie sich Modellbildung, Simulation und Optimierung harmonisch in den Entwurfsprozess einbinden lassen:

• Die Darstellung des Entwurfsprozesses beschränkt sich hierfür auf die Aspekte, welche besondere Bedeutung für die Nutzung unterschiedlicher Modellklassen besitzen.
• Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den frühen Phasen des Entwurfsprozesses, in denen der Einsatz z.B. von 3D-CAD-Modellen und daraus abgeleiteten Finite-Elemente-Modellen auf Grund fehlender Geometrieinformationen noch nicht möglich ist.

Entwurfsprozesse als zielgerichtete geistige und schöpferische Leistungen besitzen eine sehr individuelle Ausprägung. Diese Ausprägung erfolgt sowohl durch die Organisationen in denen diese Prozesse ablaufen, als auch durch die konkreten Bearbeiter einer Entwurfsaufgabe:

• Speziell auf dem Gebiet der Konstruktion bemüht sich seit über 1/2 Jahrhundert die Konstruktionstechnik als Technikwissenschaft, die firmenspezifische Organisation von Konstruktionsprozessen zu verallgemeinern (Konstruktionssystematik: z.B. Bischoff, Hansen und Bock an der TH Ilmenau).
• Aus diesen Bemühungen resultierte z.B. 1973 die generelle Vorgehensweise im Konstruktionsprozess nach VDI 2221:

• Der normal begabte Konstrukteur soll damit zu einer planbaren Innovationsrate befähigt werden:

"Wie kommt man ohne große Umwege zu einer optimalen Lösung für eine gestellte Aufgabe?"

• Schwerpunkt der Technikwissenschaft "Konstruktionstechnik" (in der Literatur) war und ist der Maschinenbau, wo dieses Fachgebiet meist im Rahmen der Lehrveranstaltungen Konstruktionslehre behandelt wird.
• Die darin beschriebene methodische Vorgehensweise beim Entwerfen ist jedoch problemlos auf andere Bereiche übertragbar, wenn man die jeweiligen Besonderheiten berücksichtigt.

Grundlagen-Literatur:

• Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz†, Jörg Feldhusen, Karl-H. Grote: Konstruktionslehre – Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung Methoden und Anwendung. 8. Aufl. Springer, Berlin 2013, ISBN 978-3642295683.

Die vier Phasen des Konstruktionsprozesses

Einfuehrung

Der Konstruktionsprozess wird sequentiell über vier Phasen realisiert:

1. Aufgabenpräzisierung
2. Konzeptphase
3. Entwurfsphase
4. Ausarbeitungsphase

Zumindest größere Unternehmen leisten sich eigenständige Arbeitsgruppen, welche im Rahmen der sogenannten Vorentwicklung verantwortlich sind für Erarbeitung innovativer Produktvorschläge:

• Produktvorschläge werden in Form von Aufgabenstellungen formuliert.
• Diese Phase Produktplanung ist somit nicht Bestandteil des Konstruktionsprozesses, sondern generiert als vorgelagerter Prozess Aufgabenstellungen für den Konstruktionsprozess:

 

0.Produktplanung	:	Erarbeiten von Produkt-Ideen
		(in Form von Aufgabenstellungen)
	AUFGABENSTELLUNG
	(Lastenheft)
1.Aufgabenpräzisierung	:	Erarbeiten der Anforderungsliste (Pflichtenheft)
2.Konzeptphase	:	Festlegen der Prinziplösung
3.Entwurfsphase	:	Festlegen der Gestalt
4.Ausarbeitungsphase	:	Festlegen der Herstellungstechnologie
	PRODUKT-
	DOKUMENTATION

 

Die vier Phasen des Konstruktionsprozesses werden mit Schwerpunkt auf die Konzeptphase in den folgenden Abschnitten beschrieben. Im Rahmen dieses Überblicks jedoch zuvor einige Erläuterungen zur vorgelagerten Produktplanung, deren Ziel "optimale" Aufgabenstellungen für den eigentlichen Konstruktionsprozess sind:

• Man bedient sich mehr oder weniger bewusst dem Grundprinzip der natürlichen Evolution "Varianten-Generierung und Selektion", um im Sinne der "Gewinnmaximierung der Firma" zu optimalen Produktvorschlägen zu gelangen.
• Letztendlich sollen nur diejenigen Produktvorschläge im Konstruktionsprozess weiter bearbeitet werden, welche unter Berücksichtigung aller bekannten Aspekte zu einem auf dem Markt erfolgreichen Produkt führen können (im Diagramm grün hervorgehoben):

• Dieses Prinzip der Varianten-Generierung mit anschließender Selektion der besten Varianten (im Sinne der Gütekriterien) ist das universelle Optimierungsprinzip, auf dem der gesamte Evolutionsprozess in der Natur basiert.
• In der Technik "züchtet" der Ingenieur mit diesem Optimierungsprinzip im übertragenen Sinne die geforderten optimalen Ergebnisse:

1. Varianten-Erzeugung mit Hilfe von Kreativitätstechniken
2. Varianten-Selektion mit Hilfe von Auswahl- und Bewertungsmethoden

• Der gesamte Entwicklungsprozess ist durch ein ständiges Erzeugen und Auswählen von Varianten gekennzeichnet. Dies wurde im obigen Bild bereits für Konzeptphase angedeutet.

Beispiel

Zur Verdeutlichung einzelner Abschnitte in den Konstruktionsphasen wird im Folgenden die Aufgabe zur Entwicklung eines Blindenschrift-Prägers benutzt. Dieses Problem ist als Komplexbeispiel zur Systemsimulation im OptiYummy-Tutorial ausführlich dokumentiert. Hier nur zusammengefasst die grundsätzliche Aufgabenstellung:

• Als Komponente eines Druckers für Braille- (Blinden)schrift ist eine Baugruppe zu entwickeln, welche die notwendigen Grübchen in das Papier prägt. Jedes Zeichen besteht aus einer 2x4-Punktmatrix, um auch Sonderzeichen codieren zu können. Bei der klassischen manuellen Prägung haben das Papier, die verwendete Matrize und die Prägenadel-Kuppe folgende Abmessungen:
  
• Es soll eine Prägegeschwindigkeit von mindestens 130 Zeichen/s erreicht werden.
• Die Dicke des zu prägenden Papiers beträgt maximal 0,15 mm.

Aufgabenpraezisierung

Die Aufgabenpräzisierung ist die erste Phase eines Entwurfsprozesses. Obwohl die dabei zu bearbeitenden Dokumente und Bezeichnungen durch entsprechende Normen klar definiert sind, herrscht im Alltag teilweise doch Verwirrung bei der Verwendung der Begriffe. Deshalb werden im Folgenden insbesondere die Unterschiede zwischen Aufgabenstellung, Anforderungsliste, Lastenheft und Pflichtenheft sowie die unterschiedlichen Bedeutungen von Anforderungen, Forderungen und Wünschen erläutert.

Aufgabenstellung (als archivierbares Dokument erforderlich - meist in Textform):

1. Resultiert aus der firmeninternen Produktplanung oder
2. Kommt im Rahmen eines Auftrages oder einer Angebotsanfrage von einem externen Kunden.

Aufgabenstellungen besitzen abhängig von ihrer Herkunft unterschiedliche Grade an Vollständigkeit.
Aus der Sicht des Bearbeiters erfordern Aufgabenstellungen immer einer Ergänzung durch zusätzliche Informationen. Dies nennt man Aufgabenpräzisierung.

Lastenheft:

• Im Idealfall liegt eine Aufgabenstellung in Form eines Lastenheftes vor.
• Das Lastenheft enthält lt. DIN 69905 die "vom Auftraggeber festgelegte Gesamtheit der Forderungen an die Lieferungen und Leistungen eines Auftragnehmers innerhalb eines Auftrages" (Das "Was" und das "Wofür")
• Das Lastenheft wird vom Auftraggeber erarbeitet und dient ihm z.B. auch als Grundlage für das Einholen von Angeboten.

Anforderungsliste:

• Ist das zentrale Dokument in der Phase der Aufgabenpräzisierung.
• Verzeichnis aller Forderungen und Wünsche in der Sprache der konstruierenden Abteilungen. (Die Sprache des Kunden muss häufig erst "übersetzt" werden!)
• Anforderungen werden unterteilt in Forderungen und Wünsche:
  • Forderungen:
    • Das sind die Anforderungen, welche unter allen Umständen erfüllt werden müssen (sonst wird die Lösung nicht akzeptiert!).
    • Sind gekennzeichnet durch quantitative Vorgaben:
      • z.B. Druckgeschwindigkeit > 130 Zeichen/Sekunde,
      • Qualitätsforderungen lt. Norm (z.B. Spritzwassergeschützt)
  • Wünsche:
    • Das sind die Anforderungen, welche nach Möglichkeit berücksichtigt werden sollen.
      • Meist qualitative Vorgaben (im Sinne "möglichst klein, schnell, geräuscharm, ...").
      • Eventuell wird dafür ein begrenzter Mehraufwand akzeptiert.
      • Wünsche sind zu Wichten nach hoher, mittlerer und geringer Bedeutung

Vorgehen beim Aufstellen der Anforderungsliste:

1.Anforderungen sammeln:

• Ausgangspunkt ist die Aufgabenstellung (Lastenheft) mit den Hauptmerkmalen des Produkts:
  • Zweck der Lösung? Eigenschaften? Unzulässige Eigenschaften?
  • Geometrie, Kinematik, Kraftwirkungen, Energie, Stoffe, Signale, Sicherheit, Ergonomie, Fertigung, Kontrolle, Montage,
  • Transport, Gebrauch, Wartung, Recycling, Kosten, Termine, ... .
• Anforderungen sofort Klassifizieren nach Forderungen und Wünschen.
• Für die Wünsche den Grad der Wichtigkeit vermerken (hoch, mittel, gering)

2.Anforderungen sinnfällig ordnen:

• Hauptaufgabe und -daten zuerst.
• Gliederung nach Teilsystemen (soweit diese schon erkennbar sind).

3.Abstimmung mit Auftraggebern:

• Abstimmungsprozess protokollieren.
• Ergebnis der Abstimmung schriftlich fixieren und beidseitig unterzeichnen.
• Die Anforderungsliste kann im Verlaufe des Konstruktionsprozesses in Abstimmung mit dem Aufgabensteller aktualisiert werden.

Beispiel für Anforderungsliste aus:
Pahl / Beitz / Feldhusen / Grote: Konstruktionslehre
7.Auflage; Springer Verlag 2006 - Seite 225

Pflichtenheft:

• Enthält lt. DIN 69905 die vertraglich bindende, detaillierte Beschreibung einer zu erfüllenden Leistung.
• Das Pflichtenheft wird vom Auftragnehmer auf Grundlage des vom Auftraggeber vorgegebenen Lastenheftes erarbeitet.
• Das Pflichtenheft entspricht in seinem technisch/fachlich Teil der Anforderungsliste.
• Zusätzlich enthält das Pflichtenheft einen rechtlich/organisatorischen Teil.

Konzeptphase

Ueberblick

In der Konzeptphase erfolgt die "Transformation" der präzisierten Aufgabenstellung (Anforderungsliste) in ein optimales technisches Prinzip (meist Bau eines materiellen Funktionsmusters, mit dem die prinzipielle Realisierbarkeit nachgewiesen wird):

• Die Phase des Konzipierens als Strukturbildungsprozess nutzt die Erkenntnisse der Natur- und Technikwissenschaften sowie heuristische Prinzipien.
• Insbesondere TRIZ als eine Methode aus dem Repertoire der Kreativitätstechniken erlebt zur Zeit einen gewissen Boom, was man schon anhand der Anzahl der Internetseiten zu diesem Thema erkennt (im Jahr 2013 ca. 2 Millionen Seitentreffer in GOOGLE)
• TRIZ ist das russische Akronym für "теория решения изобретательских задач", was sinngemäß übersetzt bedeutet: "Theorie des erfinderischen Problemlösens" oder "Theorie zur Lösung erfinderischer Probleme". Ausführlich wird die Methode in der Monografie von Michael A. Orloff behandelt:

Orloff: Grundlagen der klassischen TRIZ

3.Auflage; Springer Verlag 2006

ISBN-13: 978-3540340584

Abstraktion der praezisierten Aufgabenstellung

Doch beginnen wir mit dem ersten Schritt der Konzeptphase, der Abstraktion. Die Aufgabenpräzisierung verminderte das Abstraktionsniveau der konstruktiven Lösung (es wurde "konkreter"). Zu Beginn der Konzeptphase soll nun ganz bewusst eine Abstraktion vorgenommen werden:

• Der Abstraktionsschritt dient zum Lösen von Vorfixierungen und zum Befreien von konventionellen Vorstellungen.
• Dafür gibt es ausgehend von der präzisierten Aufgabenstellung eine zweckmäßige Vorgehensweise mit aufeinander folgenden Stufen der Abstraktion:

1. Wünsche weglassen;
2. Forderungen weglassen, welche die Funktion nicht unmittelbar betreffen;
3. quantitative in qualitative Angaben umsetzen;
4. redundante Angaben zusammenfassen;
5. Problem lösungsneutral formulieren.

• Infolge der Wichtigkeit dieses Abstraktionsschrittes sollte man das zugehörige Kapitel in der Grundlagenliteratur studieren:

Abstrahieren zum Erkennen wesentlicher Probleme

Pahl / Beitz / Feldhusen / Grote: Konstruktionslehre

7.Auflage; Springer Verlag 2006 - ab Seite 232

Diese Abstraktion führt zum Wesen der Aufgabenstellung, welches in Form eines Satzes zu notieren ist:

• Betrachtet man als Beispiel den Blindenschrift-Präger, so besteht unabhängig von konkreten Anforderungen das Wesen der Aufgabe im

"Erzeugen von Braille-Schrift auf Papier"

• Damit ist die Aufgabe weitestgehend lösungsneutral formuliert und erleichtert das Finden und Verfolgen neuer, ungewöhnlicher Varianten.

Abstraktion:

• Distanzieren von konkreten Lösungsvorstellungen, hin zu idealisierter Funktion.
• Auf dem Niveau von Symbolen, Zeichen bzw. allgemeinen Begriffen arbeitet man gleichzeitig mit allen potentiellen Lösungen.

Konkretisierung:

• Realisieren von idealisierter Funktion durch unterschiedlichste Lösungen.

Entwickeln von Funktionsstrukturen

Ist man durch Abstraktion zum Kern der Aufgabenstellung vorgedrungen, so entspricht dieser Aufgaben-Kern der Gesamtfunktion, welche durch die Lösung zu realisieren ist. Die nächsten Lösungsschritte innerhalb der Konzeptphase bewegen sich auf dem Niveau von Funktionsstrukturen:

• Funktionsstruktur nennt man ein Blockschaltbild mit Stoff-, Energie- und Informationsfluss zur Darstellung des funktionellen Zusammenhangs zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen eines (meist technischen) Systems.
• Gesamtfunktion (=Kern der Aufgabenstellung) am Beispiel des Blindenschrift-Prägers:

• Zergliedern in Teilfunktionen erfolgt schrittweise ausgehend von der Gesamtfunktion. Dies verringert wieder das Abstraktionsniveau der Lösung:

• Funktionsstruktur-Varianten entstehen zwangsläufig bei der Zergliederung in Teilfunktionen, weil eine Gesamtfunktion praktisch nie eineindeutig nur einer Struktur von Teilfunktionen zugeordnet werden kann:

Lösungsneutralität:

• Vermeidung vorzeitiger Fixierung auf konkrete Lösungen, indem man beim Zergliedern der Gesamtfunktion in Teilfunktionen möglichst lange allgemeine Begriffe verwendet (z.B.: wandeln, ändern, verknüpfen, leiten, speichern).
• Lösungsneutralität bedeutet dabei "frei von konkreter physikalisch-technischer Realisierung" (reine Funktion ohne das Wie!), z.B.:
  
• Die Lösungsneutralität gelingt nur bis zu einem gewissen Grad, da man bereits auf dem Abstraktionsniveau der Funktionsstrukturen Vorstellungen zu Wirkprinzipien und Gestaltung entwickelt.

Strukturvarianten:

Am Beispiel eines Blindenschriftprägers soll angedeutet werden, wie beim Zergliedern in Teilfunktionen zwangsläufig Strukturvarianten entstehen:

• Falls man einen Regelkreis für das Erzeugen des Punktes im Papier vorsieht, so kann man als eine Variante ein Stellglied für die elektrische Energiezufuhr vorsehen:
  
• Statt der Beeinflussung der Energiezufuhr für den Wandler kann man sich als weitere Variante auch einen Eingriff in die Übertragungsstrecke zwischen Wandler und Papier vorstellen:
  
• Das Verhalten von Strukturvarianten kann nur sehr begrenzt numerisch simuliert werden (z.B. Zeitabläufe).
• Funktionsstrukturen können von Experten bewertet werden (z.B. Realisierbarkeit, Einfachheit, Neuheitsgrad, ...).

Wirkstruktur-Varianten

• Die abstrakten Teilfunktionen in den Funktionsstrukturen müssen als Nächstes mit Leben erfüllt werden.
• Hierbei geht man wieder vorsichtig zu Werke, indem man noch nicht nach konkreten stofflich-geometrischen Realisierungen sucht.
• Grundlage sowohl der technischen Konkretisierung als auch der Bildung numerischer Modelle bilden die Effekte:

Effekt - Gesetz (Grundzusammenhang) zur Beschreibung eines physikalischen, chemischen, technischen o.ä. Geschehens

• Man untersucht als erstes, mit welchen Wirkprinzipien man die Teilfunktionen der Hauptfunktion realisieren kann:

Wirkprinzip - Mittels eines Effektes bzw. geometrisch-stofflicher Merkmale realisierte Teilfunktion.

Wirkstruktur - Verknüpfung von Wirkprinzipien mehrerer Teilfunktionen zum Erfüllen der Gesamtfunktion.

• Für die Ideenproduktion bei der Varianten-Auffächerung gibt es eine Menge von Methoden (von “Monte-Carlo” bis “systematische Suche”):
  
• Man erhält Wirkstruktur-Varianten, indem man für jede Teilfunktion unterschiedliche Wirkprinzipien ansetzt und diese kombiniert (Beispiel "Blindenschrift-Präger"):
  

• Elektrische Energie -> mechanische Energie: E-Magnet, Motor, Piezowandler, Elektrostatisch, ...
• mechanische Energie übertragen (und speichern): Hebel, Gelenkmechanismus, Elastischer Körper, Schwungmasse, ...
• Punkt in Papier prägen (mechanisch): Kugelkappe linear bewegt; Kugelkappe auf Papier abgerollt

• Wirkprinzipien und deren Verknüpfungen zu Wirkstrukturen können auf der Basis ihrer Effekte bereits numerisch im Rahmen eines Systemmodells simuliert und optimiert werden!

Prinziploesung

• Durch sinnvolle Kombination von Wirkprinzipien kommt man zu einer Vielfalt von Wirkstrukturen (z.B. für das mechanische Prägen von Blindenschrift).
• Diese Vielfalt muss danach auf der Basis von Auswahl- und Bewertungsmethoden reduziert werden (möglichst auf eine optimale Variante).
• Da Musterexperimente sehr teuer und auch zeitaufwendig sind, sollte man dabei soweit wie möglich auf die numerische Simulation und Optimierung zurückgreifen.
• Am Ende der Konzeptphase steht z.B. in der Gerätetechnik das technische Prinzip im Sinne eines ersten Funktionsmusters. Die Gestaltung der Baugruppen muss zumindest in Form von Skizzen soweit vorangeschritten sein, dass durch die Werkstatt das Funktionsmuster gebaut werden kann.
• Der Trend geht dabei weg von der Handskizze und hin zur Nutzung von parametrisierten 3D-CAD-Modellen für diesen ersten Grobentwurf, da darauf aufbauend sowohl das Rapid Prototyping als auch die eigentliche Entwurfsphase nahtlos anschließen können.
• Die funktionelle Phase endet nach dem Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit mit der Freigabe zum Entwerfen:
  

Entwurfsphase

• Entwerfen ist der Teil des Konstruieren, der ausgehend von der Prinziplösung die Baustruktur vollständig erarbeitet (unter Beachtung technologischer und ökonomischer Aspekte!).
• Üblich dafür ist auch der Begriff "Gestalten" für die Festlegung der:

1. geometrischen Eigenschaften (Form, Struktur, Abmessungen, Toleranzen).
2. stofflichen Eigenschaften (Material mit physikalischen, chemischen und anderen Eigenschaften).
3. Zustandseigenschaften (Vorspannung, Temperatur, Druck, Magnetisierung u.a.).

• Ziel ist die optimale Gesamtgestalt für das zu konstruierende Produkt (Bauelement, Baugruppe oder Gerät).
• Die Gestaltungsphase erfordert mit über 50% den größten Aufwand innerhalb den Konstruktionsprozesses.
• Die Gestaltung verläuft nach den gleichen Prinzipien der Varianten-Erzeugung und -Reduktion wie in den vorgelagerten Phasen.
• Die Entwurfsphase verläuft als iterativer Prozess

1. von einer Grobgestaltung
2. zu einer Feingestaltung
3. mit anschließender Vervollständigung/Kontrolle.

• Im Unterschied zum Konzipieren enthält das Entwerfen neben kreativen viel mehr korrektive Schritte (bedingt durch die große Anzahl zu berücksichtigender Abhängigkeiten!).
• Die Informationsbeschaffung zu Werkstoffen, Fertigungsverfahren, Wiederholteilen und Normen erfordert erheblichen Aufwand.
• Ausgangspunkt für das Entwerfen sind die Extraktion und weitere Präzisierung der gestalt-bestimmenden Anforderungen aus der Anforderungsliste:

1. Abmessungsbestimmende (Anschlussmaße, Durchsatz, ...);
2. Anordnungsbestimmende (Fluss- u. Bewegungsrichtung, Lage, ...);
3. Werkstoffbestimmende (Korrosionsbeständigkeit, zulässige/unzulässige Stoffe lt. Einsatzbedingungen, ...);
4. Handhabungsbestimmende (Gestaltungsrücksichten infolge Sicherheit, Ergonomie, Fertigung und Montage).

===>>> Die Bearbeitung dieses Kapitels ist bis hier vorangeschritten -> es geht bald weiter! <<<===

Hinweis: Bis zur Fertigstellung dieses Grundlagen-Kapitels findet man einen Überblick über die 4 Phasen des Konstruktionsprozesses in dem PDF-Script aus der Lehrveranstaltung "Optimierung" des Instituts für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU-Dresden.