Interdisziplinäre Entwicklung verläßlicher Multitechnologiesysteme

Präsentation zum Thema: "Interdisziplinäre Entwicklung verläßlicher Multitechnologiesysteme"—  Präsentation transkript:

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

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

3 Produktentwicklung im Produktlebenszyklus
Meerkamm 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

4 Rule of Ten Kosten für Fehlerbehebung 10.000 1.000 100 10 1 Prototyp
Meerkamm 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

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

6 Allgemeiner Systembegriff
Rösch 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

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

8 Allgemeine Funktionen und typische Beispiele
Adunka Quelle: VDI 2222

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

10 Konstruktionsphasen Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten
Adunka Planen Konzipieren Entwerfen Ausarbeiten

11 Produkt-Lebensdauerkurve
Meerkamm 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

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

13 Beispiel einer Anforderungsliste
Hennig SIEMENS Meßgerätewerk Anforderungsliste für Leiterplatten-Positioniereinrichtung Blatt: Seite:1 Änder. F W Anforderungen Verantw. F W 1. Geometrie: Maße des Prüflings Leiterplatte: Länge = mm Breite = mm Höhe = 0, 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

14 Arbeitsschritte beim Konzipieren
Hennig 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

15 Aufgliederung der Gesamtfunktion in Teilfunktionen
Rösch 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

16 Methoden der Lösungsfindung
Hennig 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

17 Suche von Wirkprinzipien
Hennig Quelle: Pahl/Beitz

18 Funktion: „Energie speichern“ - Unterschiedl. Wirkprinzipien
Meerkamm 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

19 Morphologischer Kasten für Uhren
Meerkamm 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

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

21 Prinzipielle Lösung Hennig Quelle: Pahl/Beitz

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

23 Grundregel: Einfach Konstruieren
Bachschuster Quelle: Pahl/Beitz

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

25 Vorgehensplan Ausarbeiten
Hennig 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

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

27 Anforderungsliste für Positioniergerät
M. Koch 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

28 Morphologischer Kasten I
M. Koch 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

29 Morphologischer Kasten II
M. Koch 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

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

31 Kinematik- und Kinetiksimulation
M. Koch

32 Entwurf einzelner Teile
M. Koch Grundgestell Wagen mit Flanschfläche

33 Getriebeauslegung - Standardsteigung der Antriebsspindel von 50mm
M. Koch - 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

34 Detaillierung des Antriebsstrangs
M. Koch

35 Drehmomentberechnung
M. Koch 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

36 Detailentwurf M. Koch

37 FEM-Analyse Vernetzung
M. Koch

38 FEM-Analyse Wagenunterteil
M. Koch

39 FEM-Analyse Formänderung der Schiene
M. Koch