Alexander Brunner’s Post

In seinem lehrreichen Buch „Business Reframing“ erklärt Wolfgang Berger folgenden Zusammenhang: „Bei sozialen Feldeffekten müssen nur etwa sieben Prozent der Menschen auf ein Ziel ausgerichtet sein, um ein Feld zu bilden, aus dem die übrigen 93 Prozent nicht ausbrechen können. Die 93 Prozent sind „Mitläufer“, in Jungs „kollektivem Unbewussten“ gefangen.“ Des Weiteren schreibt er: „So ist es auch bei sozialen Prozessen: Im 18. Jahrhundert wollen sieben Prozent der Franzosen die Monarchie abschaffen – sie haben die Revolution zustande gebracht. Im 19. Jahrhundert sind sieben Prozent der Nordstaatler in den Vereinigten Staaten gegen die Sklaverei – sie haben Präsident Abraham Lincoln auf ihrer Seite gebracht und ihre Vision durchgesetzt. Im 20. Jahrhundert sind sieben Prozent der Deutschen Nazis, sieben Prozent der Russen Kommunisten und sieben Prozent der Ostdeutschen wollen die Wende – sie alle haben das bewirkt und erreicht, was sie wirklich gewollt und wofür sie sich durch ihre Handlungen eingesetzt haben.“ Und was passiert, wenn wir diese Erkenntnis auf eine beliebige Institution (Unternehmen, (Hoch)Schule, Verein etc.) übertragen, um positive Veränderungen zu erreichen? Was passiert, wenn in einer Institution nur 7% energiegeladener Multiplikatoren in gleiche Richtung denken, fühlen und handeln? Werden die übrigen 93% (die „Herdentierchen“) mitgehen? Sollte dieses Phänomen stimmen, so hat es enorme Praxisrelevanz. Angenommen ein Konstruktionsleiter (sagen wir mal Denis), der ein 20-köpfiges Team leitet, will in 2024 in seinem Umfeld neue Arbeitsmethoden etablieren und signifikante Effektivitäts- und Effizienzsteigerungen erreichen. Könnte Denis mit nur zwei energiegeladenen und einflussstarke #Konstrukteuren, die von seinen Ideen und Ansätzen tief überzeugt sind die gewünschten Veränderungen erreichen? Was denkst Du dazu? Welche Erfahrungen hast Du in Deinem Umfeld gemacht? Kannst Du dieses Phänomen bestätigen oder eher widerlegen? Schöne Konstruktionsgrüße Alexander #PHWT #Konstruktion

Topologie_Optimierung ist für Dich – auch wenn Du den Begriff noch nie gehört hast – eine Selbstverständlichkeit. Denke bitte an alltägliche Situationen: Wenn Du eine schwere Tasche tragen, im Garten arbeiten oder irgendein Gegenstand von A nach B transportieren musst, so machst Du intuitiv das einzig Richtige: Du passt Deine Körperlage perfekt an die neue Belastungssituation an und versuchen mit minimalem Energieaufwand die mechanische Aufgabe zu lösen. Du versuchst alles zu vermeiden, was mehr Energie „kostet“. Du verhältst Dich bio-logisch, im Sinne der Mechanik topo-logisch! Ein Beispiel dazu (s. Bild): Das Männchen im Bild repräsentiert eine anpassungsfähige/optimierungsbedürftige Struktur. Er ist eine lebende Konstruktion und besteht aus 206 Knochen (Druckelemente), die über 143 Gelenke (Verbindungselemente) miteinander verbunden sind und von 656 Muskeln (Zugelemente) in Bewegung versetzt werden. Der würfelförmige Gegenstand steht für die Belastung, die von A nach B transportiert werden muss. Was tut das Männchen, wenn es vor dieser Aufgabe gestellt wird? Aus den dutzende oder gar hunderten Möglichkeiten der Lastübertragung, zieht es nur die wenigen „sinnvollen“ Alternativen in Betracht. Sinnvoll für ihn ist alles, was eine geringe körperliche Anstrengung erfordert. Je besser er seinen Körper an die Belastungen anpasst, desto leichter wird es für ihn die Lasten zu transportieren. Und das ist die Schlüsselidee: Wenn Du Dir den Anpassungsprozess einer Struktur an die äußeren Belastungen bewusst machst – in unserem Beispiel die Körperlage an den würfelförmigen Gegenstand –, hast Du die Essenz der #Topologieoptimierung verstanden. Bei der Topologieoptimierung geht es immer darum, die Bauteilgestalt (= Körperlage) an die vorgegebenen Belastungen so anzupassen, dass das Bauteil die Belastungen möglichst stressarm von Actio nach Reactio übertragen kann. Frage: Für welchen Lösungsansatz (s. Bild) würdest Du Dich entscheiden, wenn Du den 10 kg schweren würfelförmigen Gegenstand ca. 1 km auf einer besandeten Straße transportieren müsstest? Schöne Konstruktionsgrüße Alexander PS: Wenn das Thema „#Topologieoptimierung bei #Tragkonstruktionen“ für Dich relevant ist, dann schaue hier (Seminar bei TAE – Technische Akademie Esslingen e.V.) vorbei: (https://lnkd.in/eCWYhS_C) 

Vor einigen Tagen habe ich ziellos in einem #Konstruktionsbuch herumgeblättert. Dabei ist mir ein Bauteil ins Auge gesprungen: ein Schalthebel. Dieser Schalthebel hat meine Aufmerksamkeit deswegen erregt, weil er ein negatives Paradebeispiel für viele #Strukturbauteile ist, die mit Linien und Radien konstruiert werden. Der Schalthebel war auch bemaßt, sodass ich das Bauteil im CAD nachzeichnen und mit FEM berechnet konnte. Das Ergebnis (s. Bild) war wie erwartet: inhomogene #Spannungsverteilung und hohe lokale #Spannungskonzentrationen. Wie kann man so ein Schalthebel (repräsentativ für viele Strukturbauteile) #tragfähiger und #leichtgewichtiger konstruieren? Hier ist die Antwort auf die Frage. Optimierung erfolgt in zwei Schritten: Erster Schritt: #Konturoptimierung mit #Splines. Dabei sollte man auf folgendes achten: 1) Anordnung der Splines entsprechend dem Biegemomentverlauf. Hier geht es um den Winkel (in Grad) der Kontur zur Biegeachse. 2) Position der Splines zur Erhöhung des axialen Flächenmomentes. Hier geht es um den Abstand (in mm) der Kontur von der neutralen Faser. 3) Krümmung der Splines zur Vermeidung von schroffen Kraftflussumlenkungen. Hier geht es um den Verlauf der Krümmung (in mm^-1) der mit dem Verlauf der Spannungstrajektorien deckungsgleich sein sollte. Nach ca. 20 Minuten sind die Konturen #spannungsoptimiert. Zweiter Schritt: #Wandstärke reduzieren. Durch Wandstärkenreduzierung erhöhen wir zwar geringfügig die Nennspannungen, reduzieren aber den Materialaufwand um signifikanten Betrag. Gesamtbilanz (s. Bild): Reduzierung der #Lastspannungen um -46% und des #Materialaufwandes um -31%! Wie geht man mit dem Thema „#Formoptimierung“ um? Aus meiner Sicht gibt es im Wesentlichen zwei Optionen. Erste Option: Konstrukteure gestalten Bauteile mit Linien+Radien und akzeptieren bei ihren Bauteilen höhere Materialkosten und/oder geringere Tragfähigkeit. Zweite Option: Konstrukteure lernen mit Splines zu konstruieren und erreichen bei ihren Strukturbauteilen mehr Tragvermögen mit weniger Material! Schöne Konstruktionsgrüße Alexander PS: Wenn das Thema „#Formoptimierung bei #Tragkonstruktionen“ für Dich relevant ist, dann schaue hier (Seminar bei TAE – Technische Akademie Esslingen e.V.) vorbei: (https://lnkd.in/eCWYhS_C) 

Welche Relevanz hat das Thema „#Verbindungs_Optimierung“ bei #mechanischen #Konstruktionen? Eine Antwort auf diese Frage findet man z. B. in dem Buch „#Betriebsfestigkeit“ von E. Haibach: „In einer Sammlung und Analyse von #Schwingbruch_Schäden, die innerhalb von 15 Jahren an 27 Flugzeugmustern im Betrieb auftraten, wurden insgesamt 529 Schadensfälle analysiert, mit dem Ziel Schwachstellen der Konstruktionen und Gründe für den vorzeitigen Schwinganriss aufzuzeigen und mit typischen Beispielen zu erläutern. Schadensbestimmend waren zu 64% #Verbindungen, 17% Beschläge, 9% Ausschnitte, 2% offene Bohrungen und 8% sonstige Elemente.“ Was kannst Du mit dieser Analyse anfangen? Viel! Die Analyse sagt Dir, dass Du beim Konstruieren Deine Aufmerksamkeit auf das richten solltest, was mit hoher Wahrscheinlichkeit versagenskritisch wird: auf die Verbindungen. In meiner Ingenieurpraxis habe ich ähnliche Erfahrungen gemacht: immer wieder sind #Strukturbauteile an Verbindungsstellen kaputtgegangen. Aber warum ist es so? Dafür gibt es aus meiner Sicht zwei wesentliche Gründe: Erster Grund (s. Bild): An Verbindungstellen treten i. d. R. die höchsten #Beanspruchungen (#Spannungen, #Dehnungen) auf. Genau an diesen Stellen werden hohe Kräfte/Momente auf kleine Flächen konzentriert (Prinzip von #Saint_Venant). Was kann man dagegen tun? Das Ziel ist es durch #Designoptimierung die auftretenden Belastungen auf möglichst große Flächen zu „verschmieren“ und damit das #Beanspruchungsniveau zu minimieren. Zweiter Grund: An Verbindungstellen hat das #Material ganz oft die geringste #Widerstandsfähigkeit, d. h. kann äußeren Beanspruchungen nur wenig entgegensetzen. Denke z. B. an die Wärmeeinflusszonen bei Stahl-Schweißkonstruktionen, an Lunker bei Aluguss-Konstruktionen oder an Bindenähte bei Kunststoff-Spritzgusskonstruktionen. Die Frage ist: Wie können diese fertigungsbedingte Materialschwächungen vermeiden oder zumindest reduzieren? Die Antwort ist naheliegend: durch Optimierung der #Fertigungsprozesse. Nochmal in Kürze: Das ungünstige Zusammenspiel aus a) hoher versagensfördernder Beanspruchung und b) geringer versagenshemmender Material-Widerstandsfähigkeit führt ganz oft zum Versagen der Verbindungstellen. Oder anders formuliert: Eine starke/optimierte Tragkonstruktion mit schwachen Verbindungsstellen ist vergleichbar mit einem starken/durchtrainierten Bergsteiger mit einem schwachen Griff. Schöne Konstruktionsgrüße Alexander PS: Wenn das Thema „#Verbindungs_Optimierung bei #Tragkonstruktionen“ für Dich relevant ist, dann schaue hier (Seminar bei TAE – Technische Akademie Esslingen e.V.) vorbei: (https://lnkd.in/eCWYhS_C) 

Wann ist Deine Konstruktion gut genug? Wann lohnt sich noch mehr Denkarbeit zu investieren – und wann nicht? Diese Fragen sollte sich jeder Konstrukteur/Ingenieur stellen, der mit geringem Aufwand viel erreichen will (= 80/20-Denker!). Dazu ein Beispiel zur Senkung der #Materialkosten. Wenn Du schnell entscheiden willst, ob es sich bei Deiner #Konstruktion lohnt über weitere Möglichkeiten zur Senkung der Materialkosten nachzudenken, dann beantworte folgende 4 Fragen: 1) Wie schwer ist das Bauteil? (100 g oder 5 kg?) 2) Welche Stückzahl wird produziert? (50 oder 4 Mio. Bauteile?) 3) Wie teuer ist der Werkstoff? (1€/kg oder 3,5€/kg?) 4) Welcher Reifegrad wurde bei der Konstruktion erreicht? Um diese Frage zu beantworten, muss ich etwas ausholen. In meiner Ingenieurpraxis habe ich folgende Erfahrung gemacht: Wenn ein kompetenter und motivierter (wichtige Bedingung!) Konstrukteur ein relativ einfaches Bauteil auslegt und dabei genug Zeit hat, dann erreicht er bei dem Bauteil i. d. R. hohen Reifegrad – z. B. 95% von dem absoluten Optimum. Wenn aber ein wenig kompetenter und/oder wenig motivierter Konstrukteur ein komplexes Bauteil gestaltet und wenig Zeit hat, dann kann man stark davon ausgehen, dass die Konstruktion weit von der physikalischen Grenze entfernt ist (z. B. nur 80% vom Optimum). Mit diesen Informationen kannst Du die potentielle Belohnung für Deine Denkarbeit ausrechnen. Dazu zwei Extremszenarien … Erstes Extremszenario: Das Bauteil wiegt nur 100 g, davon werden 50 Teile produziert, Materialpreis liegt bei 1 €/kg und der Reifegrad beträgt 95%. Bei dieser Konstellation wäre das theoretische Einsparungspotential 25 Cent. Wegen dem lächerlichen Betrag werden wir keinen weiteren Gedanken verschwenden. Zweites Extremszenario: Das Bauteil wiegt 5 kg, über Laufzeit werden 4 Mio. Teile produziert, Materialpreis liegt bei 3,5 €/kg und der Reifegrad beträgt nur 80%. In diesem Fall wäre das Einsparungspotential ca. 14 Mio. €. Um dieses Potential auszuschöpfen, kann man seine ganze Intelligenz einsetzen und vielleicht sogar ein paar Überstunden machen ;-) 😉 Schöne Konstruktionsgrüße Alexander PS: Wenn das Thema „Senkung der Materialkosten in der Konstruktion“ für Dich relevant ist, dann schaue hier (Seminar bei Ulderup Akademie) vorbei: (https://lnkd.in/eCRGD3Uu) 

#Rippenoptimierung ist ein Glücksspiel. Ganz oft entscheidet der Zufall, wie gut eine #Rippenkonstruktion wird. Hier sind 8 Ausschnitte aus realen #Konstruktionen, wo der Konstrukteur nicht so viel Glück hatte und der Zufall nicht zu seinen Gunsten entschieden hat ;-) 😉 Für alle 8 Konstruktionen gilt: Sie sind in Fahrzeugen verbaut, die heute auf den Straßen fahren; es sind #Kunststoff_Spritzguss_Konstruktionen; Biegung ist die designbestimmende Beanspruchung und sie sind alle optimierungsbedürftig. Fehlerbild 1. Generell gilt: Bei Biegung wird die neutrale Faser am wenigsten beansprucht. Und genau in der Mitte ist eine „fette“ nichttragende Rippe. Mehr noch: Der Kraftfluss wird durch die kreisförmigen Kreuzungspunkte permanent umgelenkt und dies führt zu lokalen Spannungsspitzen. Fehlerbild 2. Diagonalrippen laufen auf Vertikalrippen zu und von dort aus auf die Zug- und Druckgurte. So verlaufen die Hauptzug- und Druckspannungen definitiv nicht. An den Übergangsstellen zwischen den Rippen (rot eingekreist) werden bruchauslösende Spannungen auftreten. Fehlerbild 3. Bei dieser Biegestruktur wird der Kraftfluss mehrmals schroff umgelenkt. Besonders der auf Zug beanspruchte Obergurt ist versagensgefährdet. Die „arbeitslose“ Rippe in der Mitte tut nichts für die Lastübertragung – muss aber teuer bezahlt werden. Fehlerbild 4. Die „bionische“ Lösung mit den Wabenmustern ist absolut belastungsfremd. Bei Querkraftbiegung ist Wabenstruktur nicht angebracht, da der Kraftfluss gezwungen wird seine Richtung permanent zu ändern. Fehlerbild 5. Bei diesem Bauteil hat man eine nichttragende Rippe in der neutralen Faser angeordnet. Damit nicht genug: Man hat diese Rippe dickwandiger dimensioniert als die lasttragenden Diagonalrippen und die hochbeanspruchten Außengurte. Keine Spur von mechanischer Gerechtigkeit. Fehlerbild 6. An den Stellen der Lastaufnahme „fließt“ die Kraft zusammen. Diese Bereiche werden i. d. R. am höchsten beansprucht. Doch bei diesem Bauteil sind die Rippen nicht im Kraftfluss, sie meiden den Stress. Fehlerbild 7. Bei dieser Struktur ist ein kapitaler Gestaltungsfehler unterlaufen. Durch die vertikale Rippenanordnung sind rechteckige Felder entstanden. Diese schubweiche Felder sind bei Querkraftbiegung die denkbar schlechteste „Lösung“. Fehlerbild 8. Dieses Rippenmuster ist ein echter Wirrwarr. Hier gibt es horizontale, diagonale, vertikale Rippen. Die Rippen stehen in keiner logischen Beziehung zueinander. Hier ist es so, als ob der Kraftfluss stark betrunken wäre und auf seiner Reise von Actio nach Reactio immer wieder die Richtung ändern müsste. Frage: Was muss passieren, damit bei der Rippengestaltung solche Fehler nicht mehr passieren? Was denkst Du dazu? Schöne Grüße Alexander PS: Wenn Du ein #Konstrukteur bist und das Thema „#Rippenoptimierung“ für Dich relevant ist, dann schaue hier (Seminar bei Ulderup Akademie) vorbei: (https://lnkd.in/eCRGD3Uu) 

#Topologie_Optimierung ist ganz einfach: Du „fütterst“ eine #Topologie_Software mit allen relevanten Informationen, lässt den Solver seine Berechnungsarbeit machen und bekommst eine fix und fertige Konstruktionslösung. Sind diese Aussagen richtig? Die Antwort lautet JEIN! JA, es ist ganz einfach in eine Topologie-Software alle relevanten Informationen einzugeben. Du musst der Software nur Infos über Bauraum, Elementgröße, Material, Last-Lagerungs-Bedingungen, Optimierungsziele und einige Restriktionen (z. B. Fertigungsbedingungen) mitteilen. Wenn Du darin geübt bist, dauert es wenige Minuten. Und JA, es ist noch einfacher darauf zu warten, bis der Solver seine Berechnungsarbeit macht. Für eine Optimierungsschleife brauche ich i. d. R. 5 bis 10 Minuten. Ein klares NEIN gilt für die dritte Aussage: Du bekommst von der Software keine fix und fertige Konstruktion. Das wird nicht passieren. Stattdessen bekommst Du von der Topologie-Software ein wildes Gebilde und musst diese abstrakte Struktur dekodieren, das heißt in die Konstruktionssprache „übersetzen“. Und hier fängt die eigentliche Denkarbeit an … Deine Aufgabe: Von dem Topologie-Entwurf die abstrakten/subtilen Lösungshinweise (s. Bild 2)  in ganz konkrete konstruktive Maßnahmen (s. Bild 3) zu „übersetzen“. Oder anders formuliert: Du musst verstehen, was die Software Dir sagen will und wie Du das realisieren kannst! Aus dem Topologie-Entwurf kannst Du wertvolle Erkenntnisse gewinnen, die Dir helfen … 1 .… #Umrissverlauf (bi-konvex, bi-konkav oder plan-konvex?) zu gestalten; 2 .… #Querschnitte (offen oder geschlossen?) zu gestalten; 3 .… #Rippenfelder (längs, quer oder diagonal?) zu gestalten; 4 .… #Wandstärken (dick- oder dünnwandig?) zu optimieren; 5 .… #Verbindungsstellen (massiv, sparsam oder entfernen?) zu optimieren; 6 .… #versagenskritische Bereiche (Festigkeit, Steifigkeit oder Stabilität?) zu identifizieren; 7 .… #Entformungsrichtungen für #Gusskonstruktionen (X, Y oder Z-Richtung?) festzulegen; 8 .… #Materialballast zu entfernen. Kurze Ergänzung dazu: Topologie-Software zeigt Dir das „Schwabbelfett“ im Designraum und hilft Dir damit dein Bauteil gezielt abzuspecken. Also, weg mit dem Ballast! Und jetzt stellt Dir vor: Der eine #Konstrukteur (sagen wir Markus) investiert ca. 2 Stunden in die #Topologieanalyse, leitet von dem #Topologieentwurf mechanisch begründete Information über die Bauteilgestaltung ab und startet dann mit der CAD-Konstruktion. Der andere Konstrukteur (sagen wir Elias) „spart sich die Zeit“ für die Topologieanalyse und startet sofort mit der CAD-Konstruktion – ohne notwendiges Verständnis über die Bauteilgestaltung. Wer von den Beiden wird mit höherer Wahrscheinlichkeit bessere Resultate erzielen? Schöne Konstruktionsgrüße Alexander PS: Wenn Du daran interessiert bist, #Topologie_Optimierung in Deiner #Konstruktionspraxis zu etablieren, dann schaue hier (Seminar bei TAE – Technische Akademie Esslingen e.V.) vorbei: (https://lnkd.in/eCWYhS_C) 

Felix hat schon seit 20 Jahren so #konstruiert: Er hat bei #Gusskonstruktionen die „Außenhaut“ mit Linien und Radien gestaltet und wenn das Bauteil zu viel Stress hatte, so hat er einfach die Wandstärken ein bisschen erhöht (s. Bild oben). Das Problem ist nur: Durch dieses dilettantische Vorgehen verursacht Felix unnötig hohe #Materialkosten. In dem dargestellten Beispiel wiegt das Bauteil 121 Gramm, die Stückzahl beträgt 2 Mio. und Kilopreis liegt bei 3 €/kg. Damit ergeben sich über Laufzeit Gesamtmaterialkosten von 726 Tsd. €. Leonhard geht ganz anders vor: Bei #Gusskonstruktionen gestaltet er äußere Begrenzungskonturen mit #Splines, optimiert die Formen solange, bis der #Spannungsverlauf homogen wird (#CAD_FEM_Kopplung) und reduziert dann die Wandstärken auf das zulässige Minimum (s. Bild unten). Das Ergebnis: Das Bauteil wiegt 92 Gramm und die Gesamtmaterialkosten (bei 2 Mio. Bauteilen und Kilopreis 3 €/kg) betragen 552 Tsd. €. Also, Materialkosten um 174.000 € (-24%) reduziert. Wer profitiert von dem fehlenden Know-how von Felix? Das sind vor allem die #Materialherstellen, die dank der schlechten Bauteilgestaltung mehr Material verkaufen und damit 174.000 € mehr verdienen können. Wer profitiert von dem Know-how von Leonhard? Das sind in erster Linie #Kunden, die dank der belastungsgerechten Bauteilgestaltung 174.000 € weniger bezahlen müssen. Gut, wenn es wie im dargestellten Beispiel um fiktives Geld geht, ist es vermutlich nicht besonders interessant. Aber was ist, wenn ganz konkretes Projekt auf dem Spiel steht? Wenn es um wirtschaftliches Überleben geht? Dann gewinnt das Thema „#Kostensenkung durch #Gestaltoptimierung“ plötzlich an Relevanz! Und dann ist vielleicht auch Felix bereit vom Leonhard zu lernen ;-) 😉 Schöne Konstruktionsgrüße Alexander PS: Wenn Du Lust auf praxisrelevante Impulse hast, die Dir in der konstruktionspraxis helfen werden Materialkosten durch Designoptimierung zu minimieren, dann freue wir uns (Christian Lauter und ich) Dich beim #Konstruktionsleiterforum (Link: https://lnkd.in/ewsPJm7e ) kennenzulernen. In unserem Vortrag (Link: https://lnkd.in/eMZ5rGvz) geht es um das Thema „#Materialkosten_Minimierung durch #Design_Optimierung“.