Technische Gestaltung > Planen und Konzipieren > Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen > Synthese von Funktionsstrukturen > Verknüpfung physikalischer Effekte  

Physikalische Zusammenhänge sind als Grundlage für die Strukturierung eines technischen Gebildes zu benutzen, wenn neuartige Lösungen gewünscht werden.

Für die Erarbeitung von Verfahrensprinzipen und Funktionsstrukturen gibt es 2 Etappen:

• Aufbau einer Struktur aus einer Menge von Effekten, die in geeigneter Weise zu koppeln sind
• Aufbau der Struktur durch Funktionselemente, die für die technische Realisierung eines Effekts notwendig sind, der die gewünschte Gesamtfunktion bestimmt

Beispiel - Entwicklung eines temperaturabhängigen elektrischen Schalters:

Tabelle: Entwicklung einer Funktionsstruktur aus physikalischen Effekten

Bemerkungen Syntheseschritte Aufgabe: Schalten eines elektrischen Stromes bei Temperaturänderung Dq Gesamtfunktion Physikalischer Effekt: Wärmedehnung eines Körpers Dl = l0aDq aSt = 13 · 10-6 K-1 aMs = 18,5 · 10-6 K-1 aAl = 23,8 · 10-6 K-1 Dl     sehr klein Funktionsstruktur 1 Verstärker erzeugt nutz- baren Kontakt Weg s, durch Wandler 1 Schalt signal besser steuerbar Funktionsstruktur 2 Bimetall ist eine Funktionenintegration von Wandler 2 und Verstärker Technisches Prinzip

In der gegebenen Gesamtfunktion ist noch offen, wie das gewünschte Schaltsignal Δ Θ in die für das Öffnen und Schließen des Schalters notwendige mechanische Antriebsbewegung, das heißt in ein Verstell wirkend, und in eine entsprechende Kraft überführt werden kann. Aus einem Katalog „Physikalische Effekte“ findet man die Wärmedehnung. Damit ist die gewünschte Funktion qualitativ erfüllbar. Die nutzbare Längenänderung ist doch so klein, dass damit der Schalter nicht direkt zu betätigen ist. Ebenso muss die Zeit des Vorgangs beachtet werden. Die Funktionskette ist deshalb durch weitere Effekte zu erweitern. Zunächst benötigt man einen Verstärker für die mechanische Bewegung mit der Ausgangsgröße S von ca. 1 mm. Dazu können der Hebel oder ähnliche Effekte genutzt werden. Um den Temperaturfühler mit der Eingangsgröße W thermisch der Umgebungstemperatur anzupassen, ist ein weiteres Funktionselement sinnvoll, das Wärmeenergie elektrisch erzeugt oder abführt. Eine Prinziplösung für die entworfene Struktur nutzt eine Halswende und eine Kombination von zwei Werkstoffen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten. Jeweils sind durch dieses Bimetall die Funktionselemente Wandler 2 und Verstärker integriert.

Durch Analyse des physikalischen Gesetzes und der Anforderungen der Aufgabenstellung sind die für die technische Nutzung des Effekts notwendigen Teilfunktionen abzuleiten.

Man erhält auch Informationen über geometrisch- stoffliche Eigenschaften und über die Anordnung der Elemente.

Wichtiges Hilfsmittel für diese Methode sind Kataloge physikalischer Effekte [Roth], [Koller], [VDI 2222].

Tabelle: Beispiel eines Kataloges physikalischer Wirkprinzipe (Auszug aus der VDI 2222)

Lösungsangebot des Kataloges   Zugriffsmerkmale Lfd.Nr. der ausge- wähl- ten Lösung 5 7 4 2 Nr. Größe der eizeug- baren Kräfte Konstruk- tions- parameter Arbeits- vermö- gen der Kraft, Größe Eizeu- gende Intensitäts- oder Feld- größe Osmose n Molzahl 21 mittel A, v, r ja Konzentra- tions- gradient   Kapillar- wirkung s0 Molzahl 22 klein Art der Flüssig- keit r ja klein moleku- lares Feld Adhäsion F=f(Materiel, Rt) Rt Rautiefe 23 Material Rt Schall- druck 24 sehr klein Zwischen- medium,A Teilchen- strahlung El.-magnet. Strahlungs- druck s Energie- flussdichte 25 Federde- formation 26 groß c ja Deforma- tion 7 Elektro- striktion 27 klein Material, l ja klein elektrische Feldstärke   Magneto- striktion 28 magne- tische Feldstärke Wärme- dehnung 29 groß ja Wärme- strom isotherme Kompress. stat. Druck Grenzfall: inkompr. Fluid 30 Art und Zustand des Fluids, A Deforma- tion eines Volumens 8 adiabate Kompres- sion 31 isochore Kompres- sion 32 sehr groß nein Wärme- strom   Gleit- reibung 33   m ja Kraft und Geschwin- digkeit 9 Widerstand i. laminarer Strömung 34 klein r, h Geschwin- digkeit Widerstand i.turbu- lenter Strömung 35 d, l, l, r dynami- scher Widerstand 36 A, cw, r Dynami- scher Auftrieb 37 mittel A, ca, r Magnus- effekt 38 r, b Geschwin- digkeit und Winkelge- schwin- digkeit elastischer Stoß 39 sehr groß c, m ja kurz- zeitig Geschwin- digkeit 10 Lavaldüse c Schall- geschwindig- keit 40 Art des Mediums, A ja Massen- strom