Produktgestaltung Tikhomirov

1. Produkt ist das Ergebnis der Produktion und Ziel einer Unternehmung.

2. Entwicklung ist die planmäßige Tätigkeit zur Verbesserung bekannter und Erfindung neuer Erzeugnisse.

3. Produktentwicklung:

   1. ist die zielgerichtete Transformation einer Idee in eine Waren- oder Dienstleistungskomponente für kommerzielle Zwecke.

   2. ist die Gesamtheit der technischen, markt- und produktionsorientierten Tätigkeiten einer Unternehmung, die auf die Schaffung eines neuen oder verbesserten Produktes oder Verfahrens ausgerichtet ist.

   3. hier beteiligen sich fast alle Abteilungen des Unternehmens im Laufe des PEP.

Grundlagenforschung:

• am weitesten vom Produkt entfernt und findet meist ausserhalb statt

Technologieentwicklung:

• Aktivitäten zur Gewinnung und Weiterentwicklung von Fähigkeiten zur Lösung von realtechnischen Problemen in der Technik

Vorentwicklung:

• die anwendungsorientierte “Ausentwicklung” von Technologien, die Prüfung der technischen Umsetzbarkeit -> Bau von Prototypen

Produkt- und Prozessentwicklung:

• Ziel -> Realisierung neuer marktfähiger Produkte, verbesserter Verfahren o.ä.

Wird meist durch Fischgrätendiagramm (Ishikawa-Diagramm) abgebildet:

• es gibt innere und äußere Einflüsse

  • äußere bspw. Markt, Politik oder Recht

  • innere bspw. Führung, Vertrieb, Produktion

Art- und Mengenteilung:

• Artteilung ist das Bearbeiten von sequentiellen Zwischenzuständen

  • z.B. ein Team kümmert sich um Motor, eins um Karosserie etc.

• Mengenteilung ist das Bearbeiten von parallelen Prozessen

  • z.B. mehrere Abfüllmaschinen produzieren jeweils einen Teil der Gesamtmenge von Flaschen.

Arbeitsteilung verbessert die Effizienz in der Produktion.

1. Nach Funktionsbereichen (konventionelle, nicht integrierte, Produktentwicklung)

   1. Kosten, Umsätze und Erfolge können schwierig den einzelnen Produkten zugewiesen werden

2. Nach Produktbereichen (integrierte Produktentwicklung)

3. nach Projekten

4. …

   
   

Früher:

• ein Produkt war lange Zeit unverändert und es gab nur wenig Varianten

• wenig komplex

• früher war der Markt sehr von den Verkäufern dominiert - wenige Anbieter, hohe Nachfrage

Heute:

• große Konkurrenz, viele Anbieter

• sehr komplex durch viel Technik und Elektronik

• hohe Forderung an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Qualität

Ist die zielorientierte Kombination aus technischen, methodischen und organisatorischen Maßnahmen, genutzt von einem ganzheitlich denkenden Produktentwickler.

Der ganzheitliche Ansatz erfordert:

• geändertes Denkverhalten durch intediszipläneres Arbeiten

• Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus

• Einsatz von leistungsfähigen Methoden

Im Unternehmen:

• Wechsel von traditionellem, rein funktionsorientiertem Denken und Arbeiten zu interdisziplinärem, team- und lifecycleorientiertem Denken

Horizontale Integration vernetzt die Spezialisten in den unterschiedlichen Fachabteilungen miteinander (Marketing, Entwicklung, Fertigung, Vertrieb und Service)

Vertikale Integration vernetzt das Unternehmen von den Leitungen über die Abteilungen bis hin zum einfachen Werker.

Von der Idee eines Produkts bis zur Markteinführung werden ständig Informationsrückflüsse gebildet um aus Änderungen am Produkt Erkentnisse zu ziehen und das Verfahren/das Produkt immer weiter zu verbessern.

Je stärker die formale Arbeitsteilung, umso mehr Arbeitsleistung muss zur gegenseitigen Information aufgewendet werden.

In einem Ein-Mann-Büro gibt es wenig Informationsaustausch, wohingegen bei einem Großkonzern mit funktionaler Organisation sehr viele Informationen bei der Bearbeitung von Projekten ausgetauscht werden müssen.

1. Mensch

   • gemeinsames Wollen, Motivation

   • für alle die gleichen Ziele, aber heruntergebrochen

   • Mitarbeiterbeteiligung

   • Weiterbildung

2. Methodik

   • Integration der Kunden

   • Qualitätsmanagement

   • Teamarbeit

3. Organisation

   • Produktorientierte Organisation

   • Simultaneous Engineering

   • flache Hierarchie

4. Technik

   • Rapid Prototyping

   • Simulationen

• bei funktionaler Aufbauorganisation sind die Linien Vertrieb, Konstruktion etc. für viele Produkte zuständig was zu fehlender Motivation bei Erfolgen führt, da diese nicht zu den eindeutigen Produkten zugeordnet werden können.

• Kosten können auch nur ungenau auf die jeweiligen Produkte verrechnet werden.

• bei produktbezogener Aufbauorganisation herrscht ein stärkeres Zusammengehörigkeitsgefühl und stärkeres Erfolgsgefühl.

Es gibt bei einer produktbezogenen Organisation bspw. Vertrieb, Entwicklung, Produktion und Betriebswirtschaft für jede Produktgruppe.

Statt sequentiell ablaufender Prozessschritte gibt es bspw. bei voller Integration Simultaneous Engineering, bei dem alle Abteilungen zusammen arbeiten und ständig Informationen austauschen um die Produktqualität zu erhöhen, die Markteinführungszeit zu minimieren und schlicht die Effizienz verbessern.

Im Allgemeinen erhöht eine Parallele Ablauforganisation die Durchlaufzeit enorm bis zur Markteinführung. Fehler werden früh erkannt und können kostengünstig behoben werden, Produktqualität wird erhöht.

Eine Gruppe bezeichnet mehrere Personen die prozessbezogen arbeiten. Im Rahmen der PE können Gruppen wie folgt ausgerichtet sein:

• funktions- oder baugruppenorientiert

• eingeschaftsorientiert

• phasenorientiert

Ein Team bezeichnet eine Gruppe, die sich zielorientiert mit der Bewältigung einer gemeinsamen Aufgabe beschäftigt. Werden meist zur Lösung eines Problems gebildet und bleiben zeitlich befristet stehen.

Interdisziplinäre Teamarbeit hat sich bei der Beschleunigung des methodischen Konstruierens bewährt:

• Bei der Aufgabenklärung:

  • Einzelne bringen unterschiedliche Erfahrungen ein.

• Zur ersten Lösungssuche:

  • das intensive methodische Durcharbeiten muss dagegen in Einzelarbeit erledigt werden.

• Bei Auswahl und Endprüfung von Lösungen und Entwürfen:

  • hier ist die Beteiligung aller beitragenden Abteilungenen für den Produkterfolg besonders wichtig.

1. Kommunikationsschwierigkeiten

2. Unklarer Auftrag

3. Fehlendes Vertrauen

4. Kein Teamleiter

5. Dominanz eigener Interessen

6. …

• ein Team sollte so groß wie nötig und so klein wie möglich sein

• frühzeitige Festlegung des Kernteams, erweiterten Teams und weiteren Akteuren

• der Teamleiter sollte sich als Moderator denn als Vorgesetzter verstehen

• es benötigt eine klare Zielsetzung und eine Termin-, Kapazitäts- und Kostenplanung

• Gruppenarbeit nur in etwa 20-30% - Rest ist Einzelarbeit.

die Gesamtheit von Führungsaufgaben, -organisation, -techniken und -mitteln für die Abwicklung eines Projektes.

• Aufgabenplanung

• Organisation

• Terminplanung

• Dokumentation

• Koordination

1. Simultaneous Engineering

   • zielgerichtete, interdisziplinäre Zusammen- und Parallelarbeit für alle Abteilungen für den gesamten Produktlebenslauf mit straffem Projektmanagement.

   • Ziele sind : Zeiteinsparung bei der Produktentwicklung, Qualitätsverbesserung und Kostenverringerung bzgl. der Produktgesamtkosten.

   • Methoden hierbei sind: Teamarbeit, Projektmanagement, Einbeziehen von Kunden, Parallelisierung von Abläufen

   • Zeiteinsparung von etwa 40-50%, deutliche Qualitätsverbesserung

2. Qualitätsmanagement

   • Methoden sind hier: Total Qualtity Management (TQM), kontinuierlicher Verbesserungsprozess (KVP), FMEA, Risikoanalyse usw.

     
     

• Festigkeit

• Lebensdauer

• Werkstoffkosten

• Gewicht

• Fertigungseigenschaften

Wichtigste Regel:

• Gesicherte Funktionalität bei minimalen Kosten!

Arten der Belastung:

• Zug/Druck

• Torsion

• Biegung

• …

Zu vermeiden sind plastisches Fließen, Gewaltbruch, unzulässige Verformungen und großer Materialabtrag.

Werden bestimmt durch:

• Art des Werkstoffes,

• Qualität des Werkstoffes,

• Ausnutzung des Rohmaterials.

Bei massiven Bauteilen durch z.B. spanlose Umformung der Rohlinge.

Bei Blechbauteilen bspw. durch Anordnung beim Verschnitt, so dass möglichst wenig Verschnitt am Ende überbleibt.

Materialabtrag sollte so gering wie möglich gehalten werden, da die Lebensdauer des Produktes davon abhängt.

Je nach Einsatzgebiet des Produktes gibt es verschiedene Möglichkeiten zur Vermeidung.

Möglichkeiten zur Vermeidung sind:

• Rostbeständigkeit

• Korrosionsbeständigkeit

• Witterungsbeständigkeit bei Außenverkleidungen

• Meerwasserbeständigkeit im Schiffsbau

• Wärmebeständigkeit bei Stählen im Werkzeugbau

Leichtbauweise sollte immer im Fokus stehen, sofern die Funktionalität nicht beeinträchtigt wird.

Vorteile hier sind:

• geringeres Gewicht der Gesamtkonstruktion

• größere Nutzlast bei gleichem Gesamtgewicht

• höhere Geschwindigkeite bei Verkehrsmitteln

• Verringerung der Krafstoffkosten und der Umweltbelastung

Möglichkeiten zur Leichtbauweise:

• Profilbauweise

• sinnvolle Werkstoffauswahl

• Belastungsspitzen durch konstruktive Gestaltung vermeiden

1. Prinzip der direkten und kurzen Krafteinleitung

2. Prinzip der konstanten Gestaltfestigkeit

3. Prinzip der minimalen Kerbwirkung

4. Prinzip der ausreichenden Steifigkeit

5. Prinzip der abgestimmten Verformung

6. Prinzip des Kraftausgleichs

Kräfte sollen auf kürzestem Weg in ein Bauteil eingeleitet werden, ohne unnötige Umlenkungen oder zusätzliche Bauteile.

• Der Elastizitätsmodul des gewählten Werkstoffes sollte möglichst groß sein.

• Die Verformbarkeit des Bauteils sollte möglichst klein sein

• Zug-Druck-Belastungen sollten gegenüber Biegung bevorzugt werden.

Ziel: Minimierung von Energieverlusten, Reibung und Spannungskonzentrationen.

Beispiel:

• Ein gerader Zugstab überträgt die Last direkt, während Umlenkungen durch Hebel oder Scharniere vermieden werden.

Das Bauteil sollte so gestaltet sein, dass die Belastung gleichmäßig verteilt wird.

Spannungen sollen durch angepasste Querschnitte oder Verstärkungen an hochbelasteten Stellen reduziert werden.

Beispiel:

• Ein Balken mit variierendem Querschnitt, der an belasteten Stellen dicker ist, um lokale Überlastung zu vermeiden.

Kerbwirkung wird durch jede Veränderung des Querschnitts hervorgerufen.

Die Kerbwirkung ist umso stärker, je größer die Änderung der Spannungsdichte und je schärfer die Umlenkung der Spannungslinien sind.

Arten von Kerben:

• Konstruktive Kerben:

  • Bohrungen

  • Gewinde

• Fügestellen:

  • Schweißnähte

  • Lötverbindungen

  • Nietverbindunge

• Innere Fehlstellen:

  • Poren

  • Risse

  • Einschlüsse

Hohe Steifigkeit erreicht man durch Konzentration des Werkstoffes in hochbeanspruchten Bereichen und eine werkstoffsparende Anordnung in Zonen geringer Belastung.

Durch günstige Verteilung des Werkstoffes werden möglichst hohe Flächenträgheitsmomente erreicht.

Alle Bauteile eines Systems sollen sich gleichmäßig und abgestimmt verformen, um Fehlbelastungen und Verspannungen zu vermeiden.

Kräfte sollen möglichst symmetrisch und ausgeglichen eingeleitet werden, um Spannungen gleichmäßig zu verteilen.

• hohe Werkstoffausnutzung (90%) bei geringem Energieaufwand

• hat eine freiere Gestaltungsmöglichkeit als alle anderen Verfahren

• hat eher hohe Toleranzen, daher Verwendung eher im nicht sichtbaren Bereich

Varianten:

• Formgießen

• Stranggießen

Verlorene Modelle: verdampfen oder schmelzen beim Einguss

Dauerhafte Modelle: können wiederverwendet werden

Verlorene Formen: z.B. Sandguss

Dauerhafte Formen: z.B. Kokillenguss

• Kosten

• Festigkeit

• Stückzahl

• Verformbarkeit

• Beständigkeit

Gusseisen mit Lamellengraphit:

• hat niedrige Zugbelastbarkeit, da Graphit als Kerbe wirkt.

• gute Wärmeleitfähigkeit

• gute Korrosionsbeständigkeit

• hohe Sprödigkeit

Gusseisen mit Kugelgraphit:

• höhere Zugfestigkeit, da schwächere Kerbwirkung durch spährisches Graphit

Vermikularguss:

• hoher Verschleißwiderstand

• Temperaturwechselbeständigkeit

• gute Gießbarkeit (weniger Lunker als GJS)

Vorteil -> höhere Festigkeit bei geringerer Dichte -> Gewichtseinsparung

Ist zum Beispiel “Sandguss”.

• komplexe Formen möglich

• hohe Maßgenauigkeit und niedrige Oberflächenrauhigkeit

1. Druckguss

   • sehr präzises Verfahren

   • nahezu keine Nachbehandlung nötig, da Oberfläche äußerst homogen

   • wirtschaftlich nur bei hoher Stückzahl

2. Kokillenguss

   • die Kokille ist in der Anschaffung sehr teuer

   • höhere Festigkeit bei gleichem Werkstoff als beim Sandguss

   • Füllung erfolgt drucklos

1. Übermaß bzw. Schwindmaß vorsehen, da sonst Lunkerbildung stattfindet

2. Erstarrungsgerechtigkeit durch Verwendung konstanter Wanddicken

3. Beanspruchungsgerechtigkeit -> wenn möglich auf Druck beanspruchen

4. Hinterschneidungen vermeiden

Sintern bezeichnet die Herstellung von Halbzeugen oder Fertigprodukten aus zuvor hergestelltem Pulver. Das Pulver kann metallisch oder nicht metallisch sein. Das Pulver wird mit hohem Druck zusammengepresst und anschließend im Sinterofen zusammengefügt. Die Temperatur hierbei liegt leicht unter der Schmelzgrenze wodurch die Pulverteile sich verbinden.

Pulverherstellung -> Pressen/Verdichten (wird zum Grünling) -> Sinterofen -> Nachpressen -> Nachbearbeitung

Der Grünling schrumpft beim Sintern um etwa 20%, so dass dies einkalkuliert werden muss.

Außerdem spielt die Porosität eine große Rolle. Je nach Anwendung wird dies angepasst.

Niedrige Porosität = mechanisch schwer belastete Endprodukte wie z.B. Formteile.

Hohe Porosität = durchlässige Endprodukte wie bspw. Filter.

Vorteile:

• Gleichmäßigkeit in Form und Abmessungen

• geringe Toleranzen

• gute Oberflächenqualität

• Herstellung komplizierter Formen

• sehr hohe Werkstoffausnutzung bei geringem Energieaufwand

Nachteile:

• eher für Massenfertigung gedacht

• hohe Kosten der Presswerkzeuge

• Pressen mit großer Kraft erforderlich

• begrenzte Werkstoffgröße

• enge Aussparungen vermeiden, da hierfür bruchanfällige Werkzeuge nötig sind

• gerundete Ecken und Kanten begünstigen den Pulverfluss und erhöhen die Standzeit der Werkzeuge

• lange und dünne Stege vermeiden

Umformen ist das Überführen eines Körpers in einer andere Form unter Beibehaltung der Masse und des Stoffzusammenhangs.

Arten:

• Massivumformen

  • beinhaltet eine Querschnittsänderungen

  • z.B. Schmieden, Walzen, Rollen

• Blechumformen

  • der Querschnitt bleibt gleich

  • z.B. Biegen, Tiefziehen, …

• geringer Werkstoffverlust

• kurze Fertigungszeiten

• Verbesserung der Werkstoffeigenschaften

• Erhöhung der Dauerfestigkeit

Freiformschmieden:

• eher für Einzelfertigung gedacht, unwirtschaftlich bei Massenfertigung

Gesenkschmieden:

• wichtigste Schmiedeart für die Massenfertigung

• hier werden Form und Fließrichtung durch das Werkzeug vorgegeben

• geringe Qualitätsstreuung

• einfache und gleichmäßige Formen anstreben, da sonst höhere Kosten entstehen

• Gesenkteilung so wählen, dass man das Schmiedestück leicht herausheben kann

• Schmieden ermöglicht im Allgemeinen ein homogeneres Gefüge, höhere Festigkeit als das Gießen

Blechumformung ist die Überführung eines Blechteils in eine neue gewünschte Form ohne Änderung des Querschnitts.

Blechumformung erhöht die Formsteifigkeit bei geringerem Materialeinsatz. Deshalb oft im Leichtbau zu finden, da es neben Gewichtseinsparung auch eine hohe Maßhaltigkeit und Oberflächengüte mit sich bringt.

Duktilität ist die Fähigkeit eines Werkstoffes sich bei Belastung plastisch zu verformen bevor es versagt/bricht.

Tiefziehen ist ein Zugdruckverfahren, bei dem ein Blechteil bei Raumtemperatur in einen einseitig offenen Hohlkörper “gedrückt” wird ohne gewollte Änderung des Querschnitts. Bspw. für Badewannen.

auf das Material wird eine Biegebeanspruchung aufgebracht zur plastischen Verformung des Materials.

• Mindestbiegeradius beachten, da sonst Bruchgefahr des Materials.

• Biegekante immer senkrecht zur Walzrichtung

Sicken sind ein effizientes Mittel, um die mechanischen Eigenschaften von Blechen gezielt zu beeinflussen. Sie erhöhen die Belastbarkeit in spezifischen Richtungen, wobei die Form und Ausrichtung der Sicken an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.

1. erhöhen Biegefestigkeit in der z-Richtung

2. erhöhen Knicksteifigkeit in der x-Richtung

3. reduzieren Biegefestigkeit und Knicksteifigkeit in der y-Richtung

Vorteile:

• geringe Dichte

• ausgezeichnete Beständigkeit ggü. Chemikalien

• gute Formbarkeit im teigigen Zustand

• geringe Wärmeleitfähigkeit und somit gute Wärmedämmung

Nachteile:

• geringe Temperaturbeständigkeit

• empfindlich ggü. UV-Strahlung

• starke Wärmeausdehnung

Thermoplaste

Duroplaste

Elastomere

• häufigste Form von Kunststoff im täglichen Leben

• lassen sich mit Wärme gut verformen

• schmelzen bei zu großer Hitze

• sind bei Raumtemperatur spröde

• im Gegensatz zu Duroplasten, keine Quervernetzung der Moleküle

• temperaturbeständig, werden nicht weich

• zersetzen sich bei zu großer Hitze

• bei Zugbelastung kommt es zum spröden Bruch & nicht zur Verformung

• sind stark quervernetzte Kunststoffe

• lassen sich auf mindestens das doppelte ihrer Länge dehnen und kehren dann wieder in den Ausgangszustand zurück

• zersetzen sich bei hoher Temperatur

• schrumpfen bei Erwärmung

• haben verknäulte Molekülketten, da diese besonders energiearm sind

kunststoffgerechte Gestaltung ist deshalb so wichtig, weil Kunststoffe eine bis zu 10x niederige Festigkeit besitzen als Metalle

• ausreichende Steifigkeit bei maximaler Belastung

• Reduktion der Kriechneigung

• vertretbarer Werkstoffaufwand

Bei den Wanddicken:

• Spritzgussteile sollten immer die gleiche Wanddicke aufweisen

• Wanddicke ausreichend groß, damit das Formteil gut gefüllt werden kann

• Materialanhäufungen und plötzliche Querschnittsänderungen vermeiden, da es sonst beim Abkühlen zu Lunkerbildung kommen kann

• Verwendung gleicher Verbindungselemente -> z.B. nur M10 und nicht M10 und M6 schrauben.

• einfache Montageoperationen und Montageteile -> z.B. keine Schrauben an schwer zugänglichen Stellen

• Parallele Montage von Baugruppen zur Wirtschaftlichkeit -> besser als alle Teile einzeln immer zusammenzusetzen

• Reduktion von Verbindungselementen -> lieber große Abmesungen und Erhöhung der Festigkeit

• einheitliche Montagerichtung

  
  

Speichern:

• Teile sollten entsprechende Auflagerflächen haben zur besseren Lageorientierung und Bereitstellung bei der Montage

Handhaben:

• eindeutige Identifizierung

• greifen sollte möglichst einfach sein

• Bewegungen sollten ergonomisch möglich sein

Positionieren:

• sollten nicht falsch ausgerichtet werden können

Fügen:

• bei häufig ausgewechselten Teilen -> lösbare Verbindungen

Sichern:

• durch entsprechende Formgebung selbstständig Lösen verhindern

Kontrollieren:

• Teile sollten so gestaltet sein, dass Inspektionen und Einstellungen ohne Demontage möglich sind

Es gibt manuelle, halbautomatische und automatische Montagesysteme.

Faktoren:

• Produktgröße

• Produzierte Stückzahl

• Komplexität

• Schwierigkeit der Montage

Manuell:

• für kleine Produkte, geringe Stückzahl und beschränkte Komplexität

• bei hoher Typenvariation und Stückzahlschwankungen

Halbautomatisch:

• hybrid aus manuell und automatisch (durch Montageband verkettet)

Automatisch:

• Bei geringer Variation und hoher Stückzahl sinnvoll

• zeigt ob die Montage auf einem Automaten durchführbar ist,

• ob für das Produkt unterschiedliche Werkstückträger notwendig sind,

• ob der Montagevorgang auf mehrere Montageplätze aufgeteilt werden muss.

Montagevermeidung ist im Grunde die Vermeidung von unnötigen Montagevorgängen die auch in einem Vorgang erledigt werden können.

Integralbauweise ist das Zusammenfassen von mehreren Einzelteilen aus einheitlichem Werkstoff ohne zusätzliche Fügeverfahren.

Zum Beispiel Gusskonstruktionen statt Schweißkonstruktionen.

Zeichnet sich aus durch:

• weniger Fertigungsvorgänge

• geringer Montageaufwand und damit weniger Aufwand bei der Qualitätskontrolle

• Geringer Zerlegeaufwand beim Recycling

1. Verbindungstechnik

   • Lösbare Verbindungen anstreben wie Schrauben oder Spannverbindungen statt Kleb-, Schweiß- oder Lötverbindungen

   • Standardisierung der Verbindungselemente anstreben

   • Verbindungen vor Verschmutzung und Korrosion schützen

2. Werkstoffauswahl

   • Werkstoffvielfalt vermeiden

   • Verwertungskompatible Werkstoffe einsetzen

   • Öko- und Energiebilanz über den gesamten Produktlebenszyklus betrachten

3. Bauteilegestaltung

   • Demontagefreundliche Baustruktur anstreben

   • Zugänglichkeit zu den einzelnen Bauteilen gewährleisten

   • Integralbauweise anstreben

• technische Funktionen

• ökonomische Funktionen

• Wechselbeziehungen mit den Menschen

  • Anmutung ( Erscheinungsbild und Ästhetik )

  • Information (Bedeutung, Nachricht)

  • Nutzung (Handhabung, Betätigung )