Fragenkatalog

• Einfach

• Eindeutig

• Sicher

Gestalten ist der schöpferische Vorgang, bei dem Elemente einer Maschine ihre Form erhalten.

Hauptkriterien:

• Termin

• Transport

• Sicherheit

• Kosten

• Ergonomie

• Funktion

• Montage, Gebrauch, Recycling

Produktmerkmal:

Definieren ein Produkt und werden vom Produktentwickler direkt festgelegt!

Beispiel: Durchmesser, Wanddicke

Produkteigenschaft:

Ergeben sich aus den Produktmerkmalen und können nicht direkt durch den Produktentwickler festgelegt werden!

Beispiel: Widerstandsmoment

• Wahl der bestgeeigneten Bauweise (Integral-, Differential- oder Verbundbauweise)

• Fertigungsgerechte Werkstückgestaltung (Schmiedegerecht, Gussgerecht,…)

-> Integralbauweise: Vereinigen mehrerer Einzelteile zu einem Werkstück (Beispiel: Wagenkasten eines Zuges)

-> Differentialbauweise: Auflösen eines Einzelteils in mehrere fertigungstechnisch günstige Werkstücke (Beispiel: Flugzeugrumpf)

-> Verbundbauweise: Unlösbare Verbindung mehrerer unterschiedlich gefertigter Rohteile zu einem Werkstück (Beispiel: Bremsscheiben aus Faserkeramik)

Vorteile:

• geringe Pass- und Justierarbeiten nötig

• geringere Anzahl an Handhabungs- und Fügefunktionen

• hohe Funktionssicherheit durch Funktionsintegration

Nachteile:

• Handhabung/ Transport schwieriger

• hohe Kapitalbindung

• kostenintensive Teilefertigung

Vorteile:

• einfacher Transport

• einfache Montage

• einfache Teilefertigung

• geringe Kapitalbindung

Nachteile:

• hohe Zahl an Pass- und Justierarbeiten

• Vielzahl von Handhabungs- und Fügefunktionen

• Bauteilsteifigkeit nimmt durch Fügestellen ab

Verbundwerkstoff:

Zusammensetzung aus unterschiedlichen Werkstoffen, makroskopisch jedoch homogenes Erscheinungsbild

Beispiel: faserverstärkte Kunststoffe

Werkstoffverbund:

Unterscheidung einzelner Werkstoffe bzgl. ihrer Anordnung und ihres Erscheindungsbildes

Beispiel: Sandwichbauweise, Oberflächenbeschichtung, Plattieren

Anforderungen:

• hohe Belastbarkeit

• hohe Temperaturbeständigkeit

Vorteile:

• Schadenstoleranz

• hohe Thermoschockstabilität

  (Ggü. Graugussbremsen weisen Keramikbremsen extrem hohe und konstante Reibwerte auf, egal wie hoch die Temperatur ist)

• wiegt deutlich weniger

Design Structure Matrix (nach Eppinger):

1. System in handhabbare Bauteile zerlegen

2. Interaktionen erfassen

3. Klassifikation und Quantifizierung der Interaktionen

4. Clusterung

Modul Indication Matrix (nach Erixon):

1. Ableiten der Funktionsträger aus der Produktarchitektur

2. Gegenüberstellung der Funktionsträger mit den 12 Modul Drivers

3. Funktionsträger auf Modultauglichkeit bewerten

4. Identifikation der Module

• Produkte werden bis auf Ebene der Komponenten zerlegt

• Analyse und Dokumentation der Komponenten und ihre Kopplungen

• Analyse der Möglichkeit zur Reintegration der Komponenten

• Einzelkontrolle von Modulen garantiert nicht die Funktion des Gesamtproduktes

• Erstellen von Baukästen aus kombinierbaren Modulen ist aufwendig und teuer

• Aufwendige Konstruktion und Realisierung der Schnittstellen

• geringe Produktdifferenzierung

• parallele Fertigung, Montage und Prüfung

• Vereinfachung der Montage und Arbeitsvorbereitung

• Flexibilisierung der Montage

• bessere Fertigungsterminsteuerung

Gestaltungsregel:

Basisteil je Montagegruppe vorsehen

Gestaltungsrichtlinie:

Vereinheitlichen der Montageoperationen

Gestaltungsregel:

Einheitliche Fügerichtung und -verfahren für eine Montagegruppe.

Gestaltungsregel:

Gute Zugänglichkeit für Prüfungen gewährleisten (Sichtprüfungen ermöglichen)

Gestaltungsregel:

Vermeidung von Doppelpassung zur eindeutigen Positionierung und zur Verringerung der Maßtolerierung.

Gestaltungsrichtlinie:

Vereinheitlichen von Fügestellen.

Gestaltungsregel:

Vermeiden langer Fügewege

Gestaltungsrichtlinie:

Vereinfachen von Fügestellen

Gestaltungsregel:

Vorsehen von Fügeerleichterung durch Einführschrägen.

Gestaltungsregel:

Vermeiden gleichzeitiger Fügeoperationen mit gegenseitiger Beeinflussung durch Maßunterschiede.

Gestaltungsregel:

Gute Zugänglichkeit für Montagewerkzeuge gewährleisten.

Einzelaustausch:

Jedes Bauteil wird so eng toleriert, dass die Summentoleranz genügend klein ist. Diese Methode findet vor allem in der Massen- und Großfertigung Anwendung.

Gruppenaustausch:

Herstellung der Bauteile mit sicher beherrschbaren Toleranzen und anschließendes sortieren der Teile in Toleranzgruppen. Nur Paarungen innerhalb einer Gruppe sind zulässig!

Vorteil: Durch größere Toleranzen geringere Kosten

Nachteil: Mehraufwand durch sortieren und messen

Passzugabe:

Herstellung von Fügeteilen mit Passzugabe. Die Summentoleranz wird durch Nacharbeit des Fügeteils mit Passzugabe angeglichen

Einstellmethode:

Schlussstück einer zu montierenden Baugruppe ist einstellbar oder selbst einstellend.

Eine Konstruktion, die einen Toleranzausgleich aufweist, ermöglicht ein Ausgleichen von Fehlern und ein Abweichen innerhalb einer vergebenen Toleranz.

• Ungleichlange Zapfen vermeiden gleichzeitige Montagevorgänge

• Langloch ermöglicht Toleranzabweichungen

• Endkonturnah, deswegen wenig Nachbearbeitung nötig

• Komplizierte Geometrien abbildbar

• Wirtschaftlich bei hohen Stückzahlen

• 100% recycelbar (umweltverträglich)

• Werkstoffgerecht

• Beanspruchungsgerecht

• Bearbeitungsgerecht

• Form- und Modellgerecht

• Gieß- und Erstarrungsgerecht

• Putzgerecht

Nein! Unterschiedliche Werkstoffe haben unterschiedliche Gießtemperaturen, die unterschiedliche Belastungen auf das Modell hervorrufen. Außerdem haben die Werkstoffe unterschiedliche Schwindungen.

Gestaltungsregel:

Hinterschneidungen durch einfache Formgebung vermeiden (am besten nur einen Kern nutzen)

Gestaltungsregel:

Lange, durchgehende Bohrungen vermeiden

Gestaltungsregel:

konstante Wandstärken vermeiden und Außenkanten abrunden.

• hohe Gestaltungsfreiheit

• hohe Maßgenauigkeit

• hohe Oberflächengüte

• geringe Nachbearbeitung

• hohe Werkstoffvielfalt

Gestaltungsregel:

Scharfkantige Ecken vermeiden (Mindestradius von 0,3mm einhalten)

Gestaltungsregel:

Sacklöcher vermeiden, zusätzliche Bohrung vorsehen

1. möglichst einfachen Kraftfluss anstreben

2. Werkstoff in Richtung der Kraftlinien legen

3. bevorzugte Beanspruchung des Gusswerkstoffs berücksichtigen

4. durch geschickte Formgebung eine gleichmäßige Spannungsverteilung anstreben

Gestaltungsregel:

Bei Grauguss durckbeanspruchte Konstruktion anstreben!

Gestaltungsrichtlinie: Beanspruchungsgerecht

Gestaltungsregel:

Bei Stahlguss ist neben Druckbeanspruchung auch Zugbeanspruchung möglich!

Gestaltungsrichtlinie: Beanspruchungsgerecht

Gestaltungsregel:

Aushebeschrägen verhindern, dass Formsand am Modell hängen bleibt

Gestaltungsrichtlinie: Modell- und Formgerecht

Heuverkreise sind im Gussquerschnitt liegende Kreise, die zum Spießer hin größer werden.

Konstruktiv eingebrachte Kreise in der Zeichnung zur Gussgeometrie, die helfen den Durchmesser so zu gestalten, dass ein kontinuierliches Fließen und Abkühlen der Schmelze ermöglicht wird.

Durch vorsehen von passenden Rundungen und sanften Querschnittübergängen kann eine kontrollierte Abkühlung errreicht werden, welche Materialanhäufungen, Einschnürungen und Lunker vermeidet.

Gestaltungsregel: Vermeiden von Materialanhäufungen

Gestaltungsrichtlinie: Gieß- und Erstarrungsgerecht

Gestaltungsregel: Sind erhebliche Querschnittsübergänge erforderlich -> Vermeiden von schroffen Wanddickenübergängen.

Gestaltungsrichtlinie: Gieß- und Erstarrungsgerecht

Gestaltungsregel: Zusammenfassen kleiner, dicht nebeneinander liegender Flächen zu einer Bearbeitungsfläche.

Gestaltungsrichtlinie: Bearbeitungsgerecht

Gestaltungsregel: Zugänglichkeit der zu bearbeitenden Fläche sicherstellen

Gestaltungsrichtlinie: Bearbeitungsgerecht

Gestaltungsregel: Vermeidung schräg liegender Bearbeitungsflächen - senkrecht zur Vorschubsrichtung des Werkzeuges ist besser!

Gestaltungsrichtlinie: Bearbeitungsgerecht

Gestaltungsregel: Vermeiden von nicht senkrecht zur Bohrung verlaufender Flächen (Bohrerverzug/ Bohrerbruch)

Gestaltungsrichtlinie: Bearbeitungsgerecht

Gestaltungsregel: Vorsehen ausreichender Verstärkung bei Bohrungen und Gewindelöchern wegen möglicher Maßabweichungen.

Gestaltungsrichtlinie: Bearbeitungsgerecht

Vorteile:

• keine Nachbehandlung notwendig, da maßhaltige Sinterteile

• Mischen verschiedener Metallpulver ermöglicht neuartige Werkstoffpaarungen

• Pseudolegierungen aus Metallen + Nichtmetallen herstellbar

Nachteile:

• Pulver und Pulvergemische sind teuer

• nur einfache Grundkörper gut pressbar

• Sintern ist nur für die Serienfertigung wirtschaftlich

Gestaltungsregel:

Berührung von Ober- und Unterstempel vermeiden! (Mindestwanddicke von 2mm)

Gestaltungsregel:

Vermeiden extremer Querschnittsübergänge

Gestaltungsregel:

Keine schräglaufenden Formen, da Stempelherstellung schwierig

Gestaltungsregel:

Bei langen Elementen Stützstrukturen vorsehen, da es sonst zu unerwünschter Deformation während der Herstellung kommt.

Gestaltungsregel:

Türme sind zu vermeiden, um eine Überhitzung der Elemente zu verhindern

Gestaltungsregel:

Vertikale Extremstellen sind abzustumpfen

Mit zunehmend günstigeren Faserverlauf kann das Bauteil höhere Belastungen aushalten!

(für mich:

• Gesenkkosten steigen komplett

• Bearbeitungskosten sinken komplett

• Materialkosten sinken erst - bleiben dann gleich

• Schmiedekosten steigen erst - bleiben dann gleich

• Insgesamt sinken die Kosten!

)

Gesenkteilung:

Verlauf der Gesenkteilung sollte auf einer Ebene sein

Seitenschrägen:

Schmiedeteile mit gebogener Körperhauptachse so legen, dass Gesenkgravuren Seitenschrägen erhalten

Radien & Rippen:

Sanfte Querschnittsübergänge anstreben und Rundungen vorsehen

Bearbeitungszugabe:

Je länger ein Bauteil desto mehr Bearbeitungszugabe nötig, da es sich sonst verformt!

Gestaltungsregel:

Gesenkteilung so legen, dass ein störungsfreies Fließen des Materials möglich ist.

Gestaltungsrichtlinie: Gesenkteilung

Gestaltungsregel:

Gedrungene Formen sind günstiger als schlanke Querschnitte

Gestaltungsrichtlinie: Radien & Rippen

Gestaltungsregel:

Sanfte Querschnittsübergänge und Rundungen vorsehen

Gestaltungsrichtlinie: Radien & Rippen

Gestaltungsregel:

Rotations- oder Achsensymmetrie anstreben (Vermeiden von unsymmetrischer Werkstoffverteiung!)

Gestaltungsregel:

Vermeiden schroffer Querschnittsänderungen (Übergang für besseren Materialfluss, Faserverlauf und geringere WZ-Belastung)

Gestaltungsregel:

Vermeiden von Hinterschneidungen (innen und außen) in Richtung des Materialflusses

Gestaltungsregel:

Vermeiden von Seitenschrägen zur Reduzierung der WZ-Beanspruchung

Gestaltungsregel:

Vermeiden von kleinen, schlanken Bohrungen (Nachträglich mit spanabhebenden Verfahren realisieren)

Gestaltungsregel:

Große Napfziehverhältnisse vermeiden

Gestaltungsregel:

Werkstück ohne Flansch herstellen (da große Tiefen und Flansche große Rondendurchmesser erfordern)

Gestaltungsregel:

Starke Konizität (Kegelförmigkeit) vermeiden

(Je kleiner die Neigung, desto weniger Ziehstufen nötig)

Gestaltungsregel:

Bauchige Mantelflächen anstreben

(Anschmiegung der Stempelform führt zu gleichmäßiger WS-Beanspruchung)

Gestaltungsregel:

Runde Bögen durch Tiefziehen schwer herzustellen

Gestaltungsregel:

Hinterschneidungen durch Tiefziehen nicht realisierbar! Aufteilung des Werkstücks in einfache Grundformen.

Ist Alpha < 20 Grad kommt es zu einer wesentlichen Steifigkeitserhöhung der Scheibe durch die Sicke. Ab ca. 20 Grad sinkt die ertragbare Knickkraft bis auf 40% der ungesickten Scheibe!

-> Gestaltungsregel:

Sicke in Kraftrichtung auslegen! (Ansonsten zunehmend negative Wirkung)

passt

Gestaltungsregel:

Vorsehen von Freisparungen, um Randverformungen in der Biegezone zu vermeiden

Gestaltungsregel:

Freisparungen bei allseitig umgebogenen Schenkeln vorsehen

Gestaltungsregel:

Scharfkantiges Biegen vermeiden, da sonst Bruchgefahr (Mindestbiegeradius einhalten!)

Gestaltungsregel:

Scharfkantiges Zudrücken vermeiden, da sonst Festigkeitsminderung

Gestaltungsregel:

Zu große Biegeradien vermeiden, da sonst Rückfedereffekte

Gestaltungsregel:

Vermeiden von runden Formen.

Dreieckige Formen anstreben um so viel Werkstoff wie möglich auszunutzen

Gestaltungsregel:

Anstreben von flächenschlüssiger Anordnung der Schnittstellen

Gestaltungsregel:

Einfache Schnittformen bevorzugen (Vermeidung unregelmäßiger Formen)

Gestaltungsregel:

Bei großflächigen Schnittteilen Durchbrüche vorsehen und Verschnitte für kleine Teile nutzen

Gestaltungsregel:

Abschneiden statt Ausschneiden

Gestaltungsregel:

Vermeiden von Nuten und engen Toleranzen bei Innenbearbeitung

Besser: Außenbearbeitung am Wellenteil

Gestaltungsregel:

Vermeidung von großen Drehlängen

Gestaltungsregel:

Vereinfachung der Fertigung von Fasen an Außenkanten und Freistiche an Innenkanten

Gestaltungsregel:

Vorsehen von Ansatz- und Auslaufflächen bei Schräglöchern, da sonst Bohrerverzug und -bruch

Gestaltungsregel:

Vermeiden von Sacklochbohrungen.

Anstreben durchgehender Bohrungen

Vermeiden von Bundbegrenzungen (vorsehen von Scheibenauslauf)

Freiraum und Auslauf für leistungsfähige Schleifscheiben schaffen

Bearbeitungsflächen möglichst auf gleicher Höhe

Leichtes und sicheres Spanen gewährleisten

Flüssiges Beschichten (hier: kathodisches Tauchlackieren)

• Vermeiden von Luftblasen beim Eintauchen

• Möglichkeit zum Abfließen von Rückständen vorsehen, z.B. durch Bohrungen

Pulverförmiges Beschichten (hier: Pulverbeschichten)

Vermeiden von explosiven Atmospheren beim Innenbeschichten durch:

• Entlüftungsbohrungen

• Zerlegen eines Hohlkörpers in mehrere offene Bauteile

Gasförmiges Beschichten (hier: PVD oder CVD)

• Vakuumtauglichkeit und Temperaturbeständigkeit der Bauteile sicherstellen

• Scharfe Innen- und Außenkanten durch Radien entschärfen

Plattenbauweise:

Wenige, dicke Platten werden mit kurzen, mehrschichtigen Schweißnähten aneinandergeschweißt.

-> Beispiel: Ständer einer Exzenterpresse

Zellenbauweise:

Mehrere dünne Bleche werden zu einem steifen, verrippten Hohlkörper durch Kehl-, Eck- und Stumpfnähten zusammengeschweißt.

-> Beispiel: Maschinenbett

Gitterbauweise:

Fachwerkbauweise mit Halbzeugen als Ausgangsmaterial

-> Beispiel: Baukran, Masten

Kastenbauweise:

Hohlkörperbauweise, bei der U-Profile oder gebogene Bleche mittels Längskehl- oder Längsstumpfnähten zusammengeschweißt werden

-> Beispiel: geschlossene Träger, Säulen

Schweißeignung

• chemische Zusammensetzung = Sprödneidung, Alterung

• metallurgische Eigenschaften = Korngröße, Gefügebildung

• physikalische Eigenschaften = Schmelzpunkt, Ausdehnungsverhalten

Schweißsicherheit

• konstruktive Gestaltung = Anordnung der Schweißnähte, Kraftfluss

• Beanspruchungszustand = Art und Größe der Spannungen, Temperaturen

Schweißmöglichkeit

• Vorbereitung zum Schweißen = Wählen des Schweißverfahrens

• Ausführen der Schweißarbeit = Schweißfolge, Wärmeeinbringung

• Nachbearbeitung = Schleifen, Wärmebehandlung

Die Schweißeignung hängt ab von dem Anteil der Legierung im Werkstoff sowie dem Kohlenstoffanteil.

-> unlegierte Stähle: bis 0,22% C-Gehalt schweißbar, ab 0,35% nicht mehr schweißbar.

-> legierte Stähle: bis 0,45% C-Gehalt schweißbar, ab 0,6% nicht mehr schweißbar.

zulässige Spannung = Spannung / Sicherheit

7.850kg/m³

Gestaltungsregel:

Bei Biegebeanspruchung darf die Nahtwurzel nicht im Zugbereich liegen, sondern muss im Durckbereich liegen

Gestaltungsrichtlinie:

Schweißsicherheit - konstruktive Gestaltung

Gestaltungsregel:

Zugbeanspruchung senkrecht zur Walzrichtung vermeiden

Gestaltungsrichtlinie:

Schweißssicherheit - konstruktive Gestaltung

Gestaltungsregel:

Keine Schweißnähte in Passflächen legen (da diese durch Nachbearbeitung abgeschwächt werden)

Gestaltungsrichtlinie:

Schweißssicherheit - konstruktive Gestaltung

Gestaltungsregel:

Abflachung und Überstände vorsehen, um unkontrollierte Anschmelzung zu vermeiden

Gestaltungsrichtlinie:

Schweißmöglichkeit - Ausführung der Schweißarbeiten

Gestaltungsregel:

Vermeiden von Nahtanhäufungen und Kreuzungen

Gestaltungsrichtlinie:

Schweißmöglichkeit - Ausführung der Schweißarbeiten

Vorbeugende Maßnahmen -> geeignete Spannvorrichtung

Nachträgliche Maßnahmen -> Warm- oder Kaltrichten

Bei Biegeträgern mit hohen dünnen Stegen besteht in der Druckzone die Gefahr, dass der Steg seitlich ausweicht - Der Steg beult aus.

Gestaltungsregel:

Große, parallele, möglichst ebene Anlageflächen für die Elektroden vorsehen

Gestaltungsregel:

Wenige große, statt viele kleine Schweißpunkte vorsehen

Gestaltungsregel:

Auf gut Zugänglichkeit für die Elektroden achten

Gestaltungsregel:

Keine Stumpfstöße vorsehen!

Besser Überlapp-, oder Laschenverbindung, da diese die Lotfläche vergrößern

Gestaltungsregel:

Eckstöße müssen stets überlappen

Gestaltungsregel:

Lotdepot zweckmäßig anbringen

Gestaltungsregel:

Klebeverbindungen stets flächig ausführen und Stumpfstöße vermeiden!

Gestaltungsregel:

Schälverbindungen vermeiden - Scherung bevorzugen

• zweischnittige statt einschnittige Nietverbindung vorsehen

• Nieten auf Scherung beanspruchen, Zug & Biegung vermeiden, symmetrische Verbindungen

• Schwerelinien der Stäbe sollen sich in einem Punkt schneiden

• Schwerelinien der Profile sollen mit den Nieten zur Deckung kommen

Wirkliche Geometrieelemente

… sind visuell ersichtliche Kanten, Spitzen und Flächen am Bauteil

-> der Toleranzpfeil steht 4mm vom Maßpfeil entfernt

Abgeleitete Geometrieelemte

… sind gedachte Mittel- oder Symmetrieebenen, Achsen oder Mittelpunkte

-> Toleranzpfeil steht unmittelbar als Verlängerung der Maßlinie

Allgemeintoleranzen dienen zur Vereinfachung der Zeichnung.

Vorteile:

• leicht zu lesende und übersichtliche Zeichnung

• vollständig toleriertes Bauteil

• keine komplizierten Toleranzberechnungen notwendig

• schnell ersichtlich wo erhöhter Prüf- und Fertigungsaufwand notwendig ist

Der Tolerierungsgrundsatz besagt, ob ein Zusammenhang zwischen den einzelnen Maß-, Form-, und Lagetoleranzen besteht.

Konsequenzen für den Konstrukteur:

• hohe Sorgfalt in frühen Phasen der Entwicklung

• keine Einsparung am Entwicklungsbudget

• Verpfuschte Entwicklung ist immer mit hohen Kosten verbunden

• niedrige Einmalkosten

  -> auf niedrige Transportkosten achten

• niedrige Betriebskosten

  -> Kosten für Betriebs- und Hilfsstoffe verringern

• niedrige Instandhaltungskosten

  -> Inspektion und Wartung vereinfachen

• Expertenschätzungen

• Ähnlichkeitskalkulation

• Kostenfunktion

• detaillierte Kostenprognosen

Ziel: Prognose der Kosten eines neuen Konstruktionsobjekts mit Hilfe eines bereits gefertigten und ähnlichen Produktes.

Vorgehen:

1. Ermittlung der kostenrelevanten Merkmale

2. Suche ähnlicher Objekte

3. Kalkulation des neuen Objektes

Prinzip

• der kurzen und direkten Kraftleitung

• der minimalen Kerbwirkung

• der konstanten Gestaltfestigkeit

• der ausreichenden Steifigkeit

• der abgestimmten Verformung

• des Kraftausgleichs

Das Anforderungsprofil ist die Summe aller Beanspruchungen, die ein Bauteil in Funktion ertragen muss.

• Festigkeitsbeanspruchung

  Kräfte/ Momente führen zu Bruch, Rissbildung und Verformungen

• Korrosionsbeanspruchung

  Reaktion mit anderen Stoffen führen zu Stoffverlust

• Tribologische Beanspruchungen

  Reibung und Verschleiß führen zu Werkstoff- und Energieverlusten

• Temperaturbeanspruchungen

  Beeinflussung der Versagensgrenzen der anderen drei Beanspruchungen

Der Kraftfluss ist der Weg einer Kraft und/oder eines Moments vom Angriffspunkt (Stelle der Einleitung) bis zu dem Punkt, an dem diese/s von einer/m Reaktionskraft und/oder -moment aufgenommen wird.

Durch die Visualisierung des Kraftflusses kann die Lage von Spannungsspritzen bestimmt und einer möglichen Bruchgefahr entgegengewirkt werden.

• weiche und mehrstufe Querschnittübergänge

• Entlastungskerben

• Kaltverfestigung im Nut- und Kerbgrund

• Ungestörter Kraftfluss

Problem: Unverschweißt Bauteilufer bei Welle-Nabe-Verbindungen führen zu extremer Umlenkung und Verdichtung der Kraftflusslinien und somit Spannungsüberhöhungen an den Fügestellen.

Festigkeit:

Maß für die ertragbaren Beanspruchung eines Werkstoffes.

Beispiel: Zugfestigkeit

Steifigkeit:

hängt ab von den Materialeigenschaften, sowie Größe und Form der Querschnittsfläche

Beispiel: E-Modul

Oberster Grundsatz ist das ökonomische Prinzip, welches die ausreichende Funktionsfähigkeit zu minimalen Kosten fordert.

Entscheidungskriterien der Werkstoffwahl:

• Werkstoffkosten

• Fertigungseigenschaften

• Gewicht

• Lebensdauer

Das Eigenschaftsprofil ist die Summe aller Werkstoffeigenschaften, die ein Bauteil in Funktion hat.

• Mechanische Eigenschaften

  Verhalten bei elastischer Verformung, z.B. E-Modul

• Technologische Eigenschaften

  Verhalten beim Gießen, z.B. Schwindung in %

• Chemische Eigenschaften

  Beständigkeit gegen Wasser, z.B. Korrosionsgeschwindigkeit

• Thermische Eigenschaften

  Verhalten bei hohen/niedrigen Temperaturen, z.B. Zeitstandfestigkeit

Soll ein Bauteil seine Funktion über die vorgesehene Lebensdauer erfüllen, so müssen Anforderungs- und Eigenschaftsprofil mit einer einkalkulierten Sicherheit im Gleichgewicht stehen!

Die technologischen Eigenschaften des Werkstoffes müssen den anzuwendenden Fertigungsverfahren entsprechen

Beispiel: Schweißgeeigneten Stahl für eine Schweißgruppe wählen

• Streckgrenze erhöhen

  -> Vergüten, Aushärten, Kaltverfestigen

• Korrosionsbeständigkeit verbessern

  -> Beschichten, Lackieren

• Zähigkeit erhöhen

  -> Feinkornausbildung durch hochwertige Erschmelzung oder Normalglühen

• Dauerfestigkeit erhöhen

  -> Verfestigungswalzen oder -strahlen der Oberfläche

Leichtbau ist eine Entwicklungsstrategie, die darauf ausgerichtet ist, unter vorgegebenen Randbedingungen eine geforderte Funktion durch ein System minimaler Masse zu realisieren.

Ziel:

• höhere Nutzlatz

• höhere Beschleunigungen erreichen

• geringerer Energieverbrauch

• Einsparung von Rohstoffen

• maximale Ausnutzung des Werkstoffs

• Werkstoffleichtbau

  z.B. Verbundwerkstoffe nutzen

• Formleichtbau

  z.B. strukturierte Bleche und Sicken zur Erhöhung des Flächenträgheitsmoments

• Konzeptleichtbau

  z.B. Fachwerke, Sandwichbauweise

• Fertigungsleichtbau

  z.B. Hybridfügen, Tailored Products

• Topologieoptimierung

  Finden der optimalen Materialverteilung bei einem vorgegebenen Bauraum

• Formoptimierung

  Formanpassung der Konstruktion, um Spannungsspitzen zu reduzieren

• Parameteroptimierung

  Variation einzelner Parameter bei vorgegebener konstruktiver Lösung

Am besten geeignet in früher Phasen der Produktgestaltung ist die Topologieoptimierung, da hier die grundlegende Form geschaffen wird und sich daraus evtl. neue Fertigungsverfahren ergeben.

• geringe Dichte

• gute Schweißbarkeit

• niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient

• Temperaturbeständigkeit der mechanischen Kennwerte

Fachwerk:

Eine Konstruktion, die aus mehreren Stäben besteht die nur auf Zug oder Druck belastet werden.

Schubfeld:

Ein durch Blech ausgefachtes, umlaufendes Rahmenprofil, bei dem die Randstäbe nur Normalkräfte und die Blechfelder nur Schubkräfte übernehmen.

• Sicken

  sind rinnenartig eingebrachte Vertiefungen in Blechfelder, bei denen die Tiefenprägung wesentlich kleiner als die Längenprägung ist.

• Rippen

  sind schmale Versteifungsleisten, die unterhalb flächiger Bauteile angebracht werden. Die Ausführung erfolgt bei Leichtmetallkonstruktionen massiv oder aus Profilstäben.

Gestaltungsregel:

Ausnutzen der natürlichen Stützwirkung durch Krümmung (gekrümmte Formen erhöhen die kritischen Knick- und Beullasten)

Gestaltungsregel:

Realisierung eines möglichst hohen Widerstandsmoments durch einsetzen von Hohlprofilen oder dünnwandigen Profilen mit leichtem Stützkern

Gestaltungsregel:

Gezielte Versteifungen von Konstruktionen in Hauptbelastungsrichtung durch Sicken oder Rippen, Ausrichten der Fasern entlang der Belastungsrichtung

• Gesetzgebung

  • verringert das Risiko von Strafzahlungen und Importzöllen

  • verringerter Änderungsaufwand bei neuen Umweltgesetzen

• Reputation

  • Medienwirksamkeit

  • höhere Motivation der eigenen Mitarbeiter

• Kosten

  • niedrigere Entsorgungskosten

  • Kosteneinsparung durch verringerten Energie- und Rohstoffaufwand

• Nachfrage

  • bessere Chance bei öffentlichen Aufträgen

  • Ansprechen ökologisch orientierter Käufer

Stufensprung: unbekanntes Objekt / bekanntes Objekt

Rüstkosten mit Stufensprung^0,5

Fertigungseinzelkosten mit Stufensprung^2

Massenabhängige Kosten mit Stufensprung^3

LCA dient zur systematischen Analyse von Umweltwirkungen von Produkten über den gesamten Produktlebenszyklus.

Abfolge:

1. Festlegung von Ziel und Untersuchungsrahmen

   • Ziel und Untersuchungsrahmen sind eindeutig festzulegen

   • Abstimmung mit der Anwendung von hoher Wichtigkeit

   • Nennung der Gründe für Analyse

2. Erstellung einer Sachbilanz

   • Bestandsaufnahme von Input- und Outputdaten in Bezug auf das zu untersuchende System

3. Wirkungsabschätzung

   • Bereitstellen zusätzlicher Informationen zur einfacheren Einschätzung der Sachbilanzergebnisse eines Produktsystems

4. Auswertung

   • Ergebnisse der Sachbilanz und Wirkungsabschätzung werden mit verschiedenen mathematischen und statistischen Verfahren ausgewerten. Daraus ergeben sich Schlussfolgerungen, Empfehlungen und Entscheidungshilfen

Recycling ist das erneute Verwenden oder Verwerten von (Teilen von) Produkten in Form von Kreisläufen.

Unterteilung:

Reduktionsmaßnahmen des Produktionsrücklaufmaterials:

• Verwendung fertigungsnaher Rohteil- und Halbzeugabmessungen

• Rechnergestützes Schachteln bei Tafelmaterial

Recyclingkreisläufe:

• Recycling während Produktgebrauch

• Recycling nach dem Produktgebrauch

Der Nutzer soll mit seinen Wünschen, Bedürfnissen und Fähigkeiten im Mittelpunkt der Produktentwicklung stehen!

Untersuchungsgebiete:

• Anthropometrie

• Ergonomie

• Biomechanik

Ergonomie ist die Wissenschaft über die Anpassung der Arbeitsbedingungen an den Menschen und seine Eigenschaften.

Unterteilung:

• Produktionsergonomie (Makroergonomie)

  -> Arbeitsumfeld in Produktion und Büro

• Produktergonomie (Mikroergonomie)

  -> Schnittstelle zwischen Mensch und Produkt

Nutzerintegration ist das Einbeziehen des Nutzers in die unterschiedlichen Phasen der Produktionsprozesses.

• aktive Einbeziehung

  Nutzer wird in die Ideenfindung mit einbezogen, z.B. durch Expertenbefragung oder Nutzertests

• passive Einbeziehung

  durch Normen, Richtlinien oder Simulationen

• physical Mock-Up

  Reale Testperson interagiert mit realer Umgebung

• Hybrid Moch-Up

  Reale Testperson interagiert mit virtueller Umgebung

• Digitale Menschenmodelle

  Virtuelle Testperson interagiert mit virtueller Umgebung

1. Breite Nutzbarkeit

   Das Design ist für Menschen mit unterschiedlichen Fähigkeiten nutzbar und marktfähig

   • Richtlinie: Ausgrenzung von Nutzern vermeiden

   • Beispiel: Absenkung der Regale im Supermarkt

2. Flexibilität der Nutzung

   Das Design unterstützt eine breite Palette individueller Vorlieben und Möglichkeiten

   • Richtlinie: Rechts- und Linkshändige Benutzung unterstützen

   • Beispiel: Heckenschere, die für Rechts- und Linkshänder nutzbar ist

3. Einfache und intuitive Benutzung

   Die Benutzung des Designs ist leicht verständlich und unabhängig von der Erfahrung, dem Wissen, Sprachfähigkeiten oder der momentanen Konzentration des Nutzers

   • Richtlinie: Klare Eingabeaufforderung und Rückmeldung

   • Beispiel: Notknöpfe mit roter Signalfarbe

4. Sensorisch wahrnehmbare Informationen

   Das Design stellt dem Benutzer notwendige Informationen effektiv zur Verfügung, unabhängig von der Umgebungssituation oder den sensorischen Fähigkeiten des Nutzers

   • Richtlinie: Redundante Informationen für Personen mit Einschränkungen

   • Beispiel: Blindensystem in Fluren und Regalen

5. Fehlertoleranzen

   Das Design minimiert Risiken und negative Konsequenzen von zufälligen oder unbeabsichtigten Aktionen

   • Richtlinie: Minimieren von Risiken und Fehlern

   • Beispiel: Nagelmaschine die nur mit Gegendruck funktioniert

6. Niedriger körperlicher Aufwand

   Das Design kann effizient und komfortabel mit einem Minimum an Ermüdung genutzt werden

   • Richtlinie: andauernde körperliche Beanspruchung vermeiden

   • Beispiel: Sitzgelegenheiten im Einkaufzentrum

7. Größe und Platz für Zugang und Benutzung

   Angemessene Größe u. Platz für Zugang, Erreichbarkeit unabhängig der Körpergröße des Nutzers

   • Richtlinie: Ausreichend Platz für Benutzung von Hilfsmitteln

   • Beispiel: Breite Gänge, Rollstuhlgeeignete Eingänge

1. Gestaltung von Stellteilen

   rotatorische Bewegungsrichtung der translatorischen vorziehen

2. Gestaltung von Druckschaltern

   Konkave Oberfläche, um Abrutschen der Finger zu vermeiden

3. Gestaltung von Kippschaltern

   Keine Möglichkeit zwischen zwei Stellungen zu verharren

4. Gestaltung von Drehschaltern

   Schaltstellungen sollten zwischen 15 und 45 Grad auseinanderliegen

5. Gestaltung von Anzeigen

   geringe Informationsmenge, wenig Details

6. Gestaltung von Standgeräten

   Stand des Geräts erhöhen

7. Richtlinie für Handgeräte

   geringes Gewicht, Griffform für Handumfassung vorsehen

einfach α = 1

u = gegeben durch ±3σ

EIy = E-Modul * Iy

-> E-Modul Stahl = 210.000N/mm²

-> E-Modul Aluminium = 70.000N/mm²