Konstruktionslehre für den Maschinenbau

Betrachtet man das Erscheinen neuer technischer Produkte auf dem Markt - seien es relativ einfache technische Gebrauchsgegenstände oder komplizierte technische Systeme, wie beispielsweise Raumfahrtsysteme, so stellt man fest, daß diesen eine Fülle von Ideen vorangegangen sein muß, um sie in einer Vollkommenheit entstehen zu lassen, wie sie derzeitige Produkte üblicherweise besitzen.

Aufgabenstellungen, welche später in Konstruktionsabteilungen in Produktbeschreibungen umgesetzt werden, entstehen durch Kundenaufträge oder durch Produktplanung. Für Produktplanungen sind in Unternehmen meist eigene Planungsabteilungen vorgesehen. Produktplanung ist vorwiegend bei der Konsumgüterindustrie bzw. bei Gütern, welche in großer Stückzahl gefertigt werden, wie beispielsweise Fahrzeuge, Haushaltsmaschinen, Unterhaltungselektronik etc., üblich. Aufgabenstellungen durch Kundenaufträge sind vorwiegend bei Investitionsgütern, d.h. relativ teuren Gütern, wie beispielsweise Kraftwerken, Walzwerkanlagen, Spezialmaschinen u.a., welche nur in relativ kleinen Stückzahlen produziert werden, üblich. Aufgabe der Produktplanungsabteilungen ist es, die Bedürfnisse der verschiedenen Märkte und/oder „Kundenkreise“ zu analysieren, um dem jeweiligen Markt oder den Kundenbedürfnissen entsprechende Aufgabenstellungen zu erstellen. So unterscheiden sich die Forderungen an Produkte wesentlich, je nachdem ob diese für Industrie- oder Entwicklungsländer geeignet sein sollen. Bei der Entwicklung von Produkten für Entwicklungsländer werden diesbezüglich oft Fehler gemacht. Auch zwischen den Märkten unterschiedlicher Industrieländer gibt es oft wesentliche Unterschiede in den an Produkte zu stellenden Forderungen. Bei der Erstellung von Aufgabenstellungen sind diese unterschiedlichen Marktforderungen zu erkunden und zu berücksichtigen.

Betrachtet man die vielfältigen, auf dem Markt befindlichen Produkte - es gibt derzeit einige Tausend unterschiedliche Maschinenbauprodukte - so stellt man fest, daß diese auf sehr unterschiedlichen physikalischen und chemischen Phänomenen beruhen. Grundlagen einer Konstruktionslehre müssen deshalb die Physik, Chemie, Mathematik, Werkstoffkunde, Dynamik, Statik, Festigkeitslehre, Getriebelehre, Thermodynamik, Wärmelehre, Strömungslehre, Optik, Akustik, Elektrotechnik, Fertigungstechnik und andere Wissenschaftsbereiche sein.

Obgleich im Laufe der Technikgeschichte viele hervorragende Produkte konstruiert wurden, fand man es in der Vergangenheit nicht der Mühe wert, Konstruktionsvorgänge zu erforschen und zu beschreiben. Man begnügte sich damit, das „Ergebnis“ festzuhalten; wie man zu einer Lösung kam, war unwichtig. Den Konstruktionsprozeß zu beschreiben, diesen Aufwand glaubte man sich nicht leisten zu können. Für bessere und wirtschaftlichere Konstruktionselemente sowie die Entwicklung von Konstruktionsprogrammen ist jedoch die Kenntnis von Konstruktionsprozessen eine notwendige Voraussetzung. Müssen bestimmte Produkte der jeweiligen Aufgabenstellung entsprechend immer wieder „neu konstruiert“ werden, so ist es wirtschaftlich sinnvoll, deren Prozeß zu analysieren und zu beschreiben sowie Programme zu deren automatisierter Konstruktion zu schaffen. Deshalb wird die wirtschaftliche Be deutung der Beschreibung von Konstruktionsprozessen zukünftig noch sehr an Bedeutung gewinnen.

Zur Entwicklung technischer Produkte bedarf es verschiedener Arten geistiger Tätigkeiten, welche im folgenden unter den gleichbedeutenden Oberbegriffen „Konstruieren“ oder „Entwickeln“ zusammengefaßt werden sollen.

In der Konstruktionspraxis werden hervorzuhebende Eigenschaften von technischen Produkten häufig als „Bauweisen“ bezeichnet. Die Folge sind sehr verschiedenartige „Bauweisenbezeichnungen“.

Aufgrund von Kundenwünschen werden von Produktearten häufig, über Jahre hin betrachtet, eine Vielzahl unterschiedlicher Typen- und Abmessungsvarianten konstruiert; es entstehen auf diese Weise oft hunderte geringfügig unterschiedliche Bauteile gleicher Funktion. Wirtschaftlicher wäre es, von Produkten nicht ständig neue Varianten zu konstruieren, sondern deren Gestalt-, Leistungs- und anderen Parameterwerte für einen bestimmten Zeitraum festzulegen („einzufrieren“), d.h. diese zu standardisieren.

In der Praxis gibt es immer einen erheblichen Bedarf an Produkten, welcher nicht mit standardisierten (Baureihen-Baukasten-Produkten), sondern nur mittels „maßgeschneiderter“ Produkte erfüllt werden kann. Infolgedessen gibt es viele Produkte, welche immer wieder „neu“ konstruiert werden müssen. In diesen Fällen bietet sich die Möglichkeit, nicht das Produkt, sondern den Konstruktionsprozeß für die betreffende Produkteart zu „standardisieren“, d.h. den Konstruktionsprozeß für eine Art von Produkten (Regeln, Algorithmen) zu erforschen und zu beschreiben, um diesen entweder manuell oder mittels Computer durchzuführen. So lassen sich schneller und wirtschaftlicher manuell oder per Computer Produktvarianten konstruieren. Eine weitere wesentliche Aufgabe der Konstruktionsforschung ist folglich die Analyse, Beschreibung und möglicherweise Programmierung produktspezifischer Konstruktionsprozesse. Diese nur zur Konstruktion einer bestimmten Art von Produkten („Produktefamilie“) bzw. nur zur Konstruktion bestimmter Typvarianten einer Produkteart gültigen Regeln, sollen als “spezielle oder produktspezifische Konstruktionsbeschreibungen, -regeln oder -algorithmen„ bezeichnet werden. Unter den Begriffen “produktspezifische oder spezielle Entwicklungs- oder Konstruktionsprozesse„ sind die Synthese-, Analyse- und Entscheidungstätigkeiten zu verstehen, welche zur Konstruktion von Varianten einer bestimmten Produkteart erforderlich sind. Algorithmen zur Gestaltung von Zahnrädern, Synthese von Viergelenkgetrieben [18], PKW-A-Säulen [231] oder PKW-Heckleuchten [177] können als Beispiele produktspezifischer Konstruktionsalgorithmen gelten.

Die produktneutrale Beschreibung von Konstruktionsvorgängen (Theorie des methodischen Konstruierens) scheint sehr einfach und plausibel zu sein. Versucht man jedoch, allgemeingültige Konstruktionsregeln an konkreten Konstruktionsaufgaben anzuwenden, so stellt man fest, wie schwer es ist, diese in die Praxis umzusetzen. Deshalb soll dies im folgenden an einigen Beispielen gezeigt werden.

Unter „Automatisieren von Konstruktionsprozessen“ soll das Beschreiben und Programmieren der Tätigkeiten verstanden werden, welche zur Bestimmung der qualitativen und quantitativen Parameterwerte eines Produkts notwendig sind. Unter „Beschreiben eines Konstruktions prozesses“ soll das Entwickeln von Algorithmen (Regeln) zur Festlegung der verschiedenen qualitativen und quantitativen Parameterwerte verstanden werden, welche ein Produkt einer bestimmten Art festlegen. Die Werte der verschiedenen Parameter P_i eines Produkts sind eine Folge (F) des Zwecks Z_i des betreffenden Bauteils oder Baugruppe, sowie der an diese zu stellenden Bedingungen B_li… bis B_ni und deren Gewichtungen g_li bis g_ni.

Für die Konstruktion und andere Unternehmensbereiche ist es von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung, schnell und kostengünstig an Informationen über technische Produkte zu gelangen. Zeit- und Kostenaufwand für die Konstruktion technischer Produkte könnten deutlich gesenkt werden, wenn es gelänge, Konstrukteure schneller und besser zu informieren als es bisher möglich ist. Bessere Informationssysteme könnten insbesondere dazu beitragen, Konstruktionsarbeit und Fehlermöglichkeiten zu reduzieren, unnötige Typen- und Variantenvielfalt zu vermeiden und Kosten zu sparen. Für die Konstruktion wesentliche Informationen lassen sich gliedern in

Produktinnovation ist ein wesentliches Mittel zur Wahrung der Konkurrenzfähigkeit von Unternehmen sowie zur Schaffung und Erhaltung von Arbeitsplätzen. Das wirtschaftliche Wohlergehen eines Industriestandorts wird im wesentlichen von der Fähigkeit seiner Menschen abhängen, erfolgreiche Produktinnovationen zu leisten. Innovation ist für eine Gesellschaft besonders wichtig, deren Lebensstandard nahezu ausschließlich von der Erzeugung technischer Produkte abhängt. Innovationen lassen sich durch Intuition oder methodisch anstoßen. In den folgenden Ausführungen sollen vorwiegend methodische Mittel und Wege zu Innovationsanstößen aufgezeigt werden.

Patentgesetze dienen dem Schutze geistigen Eigentums. Das erste Patentgesetz wurde im Jahr 1474 vom Senat in Venedig erlassen. Erste Patente wurden bereits ca. 60 Jahre vor Erlaß dieses ersten Patentgesetzes in Florenz und Venedig erteilt. Dieses in Venedig erlassene, erste Patentgesetz trägt bereits alle Merkmale heutiger patentrechtlicher Regelungen. Das erste deutsche Patentgesetz stammt aus dem 19. Jahrhundert. Die intensive Erforschung von Konstruktionsprozessen begann in Europa erst in den 60er Jahren dieses Jahrhunderts. Patentgesetze entstanden demnach lange vor den Erkenntnissen neuerer Konstruktionslehren.