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Analysen des Konstruktionsprozesses ergaben, dass der aufwändigste Abschnitt das Gestalten ist. Dies ist begründet durch die Vielfalt und Komplexität der Bedingungen, die bei der endgültigen Festlegung der Gestalt zu berücksichtigen sind.

Im Bild ist der grobe Ablauf des Konstruktionsprozesses grafisch dargestellt. Die einzelnen Arbeitsschritte werden im Folgenden detailierter behandelt.

Tabelle: Grobablauf des Konstruktionsprozesses

Bearbeitungszustände des Konstrukionsgegenstandes Arbeitsschritte Phasen Relativer Zeitaufwand funktionelle Phase 1 gestaltende Phase 5

Zunächst muss beim Präzisieren der Gestaltungsaufgabe die Funktion bestimmt bzw. festgelegt werden. Dabei sind zwei Schwerpunkte wichtig. Zum einen die zu realisierenden Bewegungen, Elementepaarungen und Freiheitsgrade. Und zum anderen die zu übertragenden Kräfte und Momente. Daraus resultieren die spezifischen Beanspruchungen, die von den einzelnen Bauteilen und Baugruppen aufgenommen werden müssen. Die daraus resultierenden Verlagerungen und Verformungen sind zu beurteilen. In technischen Aufgabenstellungen sind häufig Gestaltelemente vorgegeben, die schon vorher annähernd festgelegt wurden und mit in die Konstruktion eingebracht werden sollen. Dies können auch spezielle Randbedingungen, wie vorgesehene Befestigungsplattformen o.a. sein. Dabei sind Wirkflächen zu definieren und Koppelstellen zu beachten. Auch die Auswahl der Werkstoffe kann eingegrenzt sein. Jedes technische Objekt ist auch in seiner Umgebung zu betrachten, die von der Fertigung bis zum Recycling variieren kann. Dabei sind die räumliche Lage, die Abmessungen und die Anschlüsse zur Umgebung zu berücksichtigen.

Der nächste Schritt ist das Erarbeiten der prinzipiellen Gestalt als Konzept für die Baugruppe. Hier wird zunächst die Gestaltungsaufgabe verallgemeinert und die Details werden vernachlässigt. Die Betrachtung beschränkt sich auf die funktionswichtigen Größen und Parameter. Daraus werden die Teilfunktionen für die Bewegungen und die Kraftübertragung bestimmt. Im ersten Step werden hier immer die beweglichen Verbindungen entworfen, d.h. Suche und Kombination nach geeigneten Wirkflächenpaarungen. Diese Paarungen müssen gesichert werden und es muss die Kontrolle auf Überbestimmtheiten und Kraftwirkungen erfolgen.

Danach wird die stofflichen Realisierung betrachtet, indem systematisch die Geometrie entwickelt wird, die sich zwischen den Wirkflächen befindet. Auch hier kommt wieder der Aspekt der Werkstoffauswahl zum tragen, da eine beanspruchungsgerechte Kraftleitung beachtet werden muss. Aus all diesen Überlegungen können letztendlich mehrere Lösungsvarianten entstehen, die nach bestimmten Kriterien (Nutzung, Fertigung, Kosten usw.) bewertet werden müssen. Das geschieht, indem man die Lösungen mit den vorher aufgestellten Forderungen und Zielgrößen vergleicht und somit die Funktionserfüllung beurteilt.

Nun folgt die Entwicklung der vollständige Gestalt, oder der technische Entwurf. Dabei werden alle Abmessungen festgelegt, incl. Toleranzen und Passungen. Daran anschließend erfolgt die fertigungs- und werkstoffgerechte Gestaltung der Wirkflächen und stofflichen Verbindungen, nicht zuletzt auch der untergeordneten Flächen. Die Fertigung, Montage und Prüfung schließen sich an. In zunehmendem Maße wird zwischen Gestaltung und Fertigung der Schritt des Prototyping eingefügt. All diese Prozesse sind sehr verflochten und über vielfältige Wechselwirkungen untereinander verbunden.

Nachfolgend sind die Arbeitsschritte beim Gestalten im Überblick zusammengefasst:Zunächst muss beim Präzisieren der Gestaltungsaufgabe die Funktion bestimmt bzw. festgelegt werden. Dabei sind zwei Schwerpunkte wichtig. Zum einen die zu realisierenden Bewegungen, Elementepaarungen und Freiheitsgrade. Und zum anderen die zu übertragenden Kräfte und Momente. Daraus resultieren die spezifischen Beanspruchungen, die von den einzelnen Bauteilen und Baugruppen aufgenommen werden müssen. Die daraus resultierenden Verlagerungen und Verformungen sind zu beurteilen. In technischen Aufgabenstellungen sind häufig Gestaltelemente vorgegeben, die schon vorher annähernd festgelegt wurden und mit in die Konstruktion eingebracht werden sollen. Dies können auch spezielle Randbedingungen, wie vorgesehene Befestigungsplattformen o.a. sein. Dabei sind Wirkflächen zu definieren und Koppelstellen zu beachten. Auch die Auswahl der Werkstoffe kann eingegrenzt sein. Jedes technische Objekt ist auch in seiner Umgebung zu betrachten, die von der Fertigung bis zum Recycling variieren kann. Dabei sind die räumliche Lage, die Abmessungen und die Anschlüsse zur Umgebung zu berücksichtigen.

Der nächste Schritt ist das Erarbeiten der prinzipiellen Gestalt als Konzept für die Baugruppe. Hier wird zunächst die Gestaltungsaufgabe verallgemeinert und die Details werden vernachlässigt. Die Betrachtung beschränkt sich auf die funktionswichtigen Größen und Parameter. Daraus werden die Teilfunktionen für die Bewegungen und die Kraftübertragung bestimmt. Im ersten Step werden hier immer die beweglichen Verbindungen entworfen, d.h. Suche und Kombination nach geeigneten Wirkflächenpaarungen. Diese Paarungen müssen gesichert werden und es muss die Kontrolle auf Überbestimmtheiten und Kraftwirkungen erfolgen.

Danach wird die stofflichen Realisierung betrachtet, indem systematisch die Geometrie entwickelt wird, die sich zwischen den Wirkflächen befindet. Auch hier kommt wieder der Aspekt der Werkstoffauswahl zum tragen, da eine beanspruchungsgerechte Kraftleitung beachtet werden muss. Aus all diesen Überlegungen können letztendlich mehrere Lösungsvarianten entstehen, die nach bestimmten Kriterien (Nutzung, Fertigung, Kosten usw.) bewertet werden müssen. Das geschieht, indem man die Lösungen mit den vorher aufgestellten Forderungen und Zielgrößen vergleicht und somit die Funktionserfüllung beurteilt.

Nun folgt die Entwicklung der vollständige Gestalt, oder der technische Entwurf. Dabei werden alle Abmessungen festgelegt, incl. Toleranzen und Passungen. Daran anschließend erfolgt die fertigungs- und werkstoffgerechte Gestaltung der Wirkflächen und stofflichen Verbindungen, nicht zuletzt auch der untergeordneten Flächen. Die Fertigung, Montage und Prüfung schließen sich an. In zunehmendem Maße wird zwischen Gestaltung und Fertigung der Schritt des Prototyping eingefügt. All diese Prozesse sind sehr verflochten und über vielfältige Wechselwirkungen untereinander verbunden.

1. Präzisieren der Gestaltungsaufgabe

- Erkennen der Funktion:

• erforderliche Bewegungen (Freiheitsgrade, Richtung, Bewegungsbereich)
• Kräfte und Momente
• resultierende Beanspruchungen
• zulässige Verlagerungen und Verformungen

- Erfassen gegebener Gestaltelemente:

• Wirkflächen
• Koppelstellen
• räumliche Zuordnung der Formelemente
• Werkstoff

- Forderungen aus der Umgebung:

• räumliche Lage
• Anschlussmaße
• Verbindungsstellen

2. Erarbeiten der prinzipiellen Gestalt

- Verallgemeinern der Gestaltungsaufgabe:

• Beschränken auf funktionswichtige Größen und Formelemente
• Bestimmen der Teilfunktionen (für Bewegungs- und Kraftübertragung)

- Entwerfen der beweglichen Kopplungen:

• Suche geeigneter Wirkflächenpaare
• Kombination von Wirkflächenpaaren
• Sicherung der Paarung
• Kontrolle der Überbestimmtheiten und Kraftwirkungen

- Entwerfen der stofflichen Verbindung zwischen den Koppelstellen:

• systematische Ermittlung der geometrischen Verbindungsm ö glichkeiten zwischen den Wirkflächen
• beanspruchungsgerechte Kraftleitung, Anforderung an den Werkstoff
• Vorauswahl des Werkstoffs

- Bewerten und Auswahl:

• Vergleich mit den Forderungen
• Überprüfung der Funktionserfüllung
• Kompliziertheit der Lösung
• Kosten

3. Bestimmen der vollst ä ndigen Gestalt (Erarbeiten des technischen Entwurfs)

- Bestimmen der Abmessungen:

• funktionsnotwendige Maße, Toleranzen und Passungen
• Beachte Bauraum und Anschlussmaße

- Gestalten der Wirkflächen:

• funktionsgerecht
• fertigungsgerecht
• werkstoffgerecht

- Gestalten der stofflichen Verbindungen:

• Festlegen der untergeordneten Flächen
• Beachte: Fertigung, Montage, Prüfung u.a.
• beanspruchungsgerechte Wahl der Querschnitte und des Werkstoffes

Beim Gestalten sind folgende Regeln zu beachten:

Regeln:

- Erarbeite die prinzipielle Gestalt als Handskizze

- Erarbeite den technischen Entwurf als maßstäbliche Zeichnung

• Konstruiere von innen nach außen!
• Beginne mit der Hauptansicht bzw. im Hauptschnitt, stelle Wesentliches in weiteren Ansichten, Teilschnitten oder Einzelheiten dar!
• Entwirf im Maßstab 1 :1!
• Verwende für Wandstärken und Durchmesser die Hälfte des geschätzten Maßes!
• Ordne alle Darstellungen des Entwurfes auf einem Zeichenblatt an!