Konstruktionslehre

Konstruieren ist eine vielseitige und umfassende Tätigkeit. Grundlagen dazu sind eine Reihe von Disziplinen wie Mathematik, Physik mit ihren Teilgebieten Mechanik, Thermodynamik usw., aber auch Fertigungstechnik, Werkstoffkunde, Maschinenelemente, Betriebswirtschaftslehre und Informatik, die nicht Gegenstand dieses Buches sein sollen.

In den vorangegangenen Kapiteln sind die Grundlagen dargestellt, auf die die konstruktive Arbeit Rücksicht nehmen muß und von denen sie Nutzen ziehen kann. Aus diesen Vorschlägen und Hinweisen wird ein für die Konstruktionspraxis branchenunabhängiges und allgemein anwendbares methodisches Vorgehen erarbeitet, das sich nicht nur auf eine Methode stützt, sondern bekannte oder noch darzustellende Methoden dort einsetzt, wo sie für die jeweilige Aufgabe und für den jeweiligen Arbeitsschritt angemessen und am wirksamsten sind.

Beim Planungs-, Entwicklungs- und Konstruktionsprozeß (vgl. 3.2) werden zahlreiche Arbeitsmethoden eingesetzt, die man in „allgemein einsetzbare“ und in „spezielle, problemorientierte”Methoden unterscheiden kann. Erstere sind nicht an eine bestimmte Konstruktionsphase oder Produktgruppe gebunden, sondern unterstützen jegliche Lösungssuche und -beurteilung. Letztere sind dagegen nur bei bestimmten spezielleren Zielen, Bedingungen oder Umständen einer Aufgabenstellung einsetzbar, z. B. zur Lösung von Festigkeitsproblemen oder zur Erkennung von Kosten.

Entwicklungs- und Konstruktionsaufgaben ergeben sich zunächst aus direkten Kundenaufträgen, bei denen das anbietende Unternehmen den abnehmenden Kunden kennt. Dieses sog. Business-to-Business-Geschäft [29–31] ist typisch für den Spezialmaschinenbau, den Anlagenbau, aber auch für Zuliefer-Unternehmen. Bei solchen Aufträgen geht der Trend von einer Kundenorientierung zu einer Kundenintegration [29], was naturgemäß auch Auswirkungen auf die Entwicklung und Konstruktion hat [24].

Unter Entwerfen wird der Teil des Konstruierens verstanden, der für ein technisches Gebilde von der Wirkstruktur bzw. prinzipiellen Lösung ausgehend die Baustruktur nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten eindeutig und vollständig erarbeitet. Das Ergebnis des Entwerfens ist die gestalterische Festlegung einer Lösung (vgl. 3.2).

Unter Ausarbeiten wird der Teil des Konstruierens verstanden, der die Baustruktur eines technischen Gebildes durch endgültige Vorschriften für Form, Bemessung und Oberflächenbeschaffenheit aller Einzelteile, Festlegen aller Werkstoffe, Überprüfung der Herstellungs- und Gebrauchsmöglichkeiten sowie der endgültigen Kosten ergänzt und die verbindlichen zeichnerischen und sonstigen Unterlagen für seine stoffliche Verwirklichung und Nutzung schafft (vgl. 3.2). Das Ergebnis des Ausarbeitens ist die herstellungstechnische Festlegung der Lösung einschließlich der Zusammenstellung von Nutzungsangaben (Produktdokumentation).

Maschinenelemente, auch Konstruktionselemente genannt, werden als Komponenten in Produkten des Maschinen-, Apparate- und Gerätebaus vielseitig eingesetzt. Sie gehören deshalb zu den wichtigsten Lösungen des Konstrukteurs zur Erfüllung von Funktionen. Während speziell entwickelte Konstruktionsteile mit Hilfe ingenieurwissenschaftlicher Grundlagen und der in in diesem Buch behandelten Konstruktionsmethoden konzipiert und gestaltet werden, liegen für Maschinenelemente zumindest Wirkprinzipien und Wirkstrukturen bereits vor, in vielen Fällen sind sie sogar als handelsübliche oder genormte Komponenten unmittelbar einsetzbar. Bedingt durch die lange Entwicklung stehen heute eine Vielzahl unterschiedlicher Prinzipien und Bauformen zur Verfügung, die dem Konstrukteur die Auswahl einer für seinen Anwendungsfall geeigneten Lösung gestatten. Dieses Lösungsfeld und die erforderlichen Auslegungs- und Auswahlverfahren sind in einem umfangreichen Schrifttum [14], in Konstruktionskatalogen und in Datenbanken verfügbar. Es sollen deshalb im folgenden nur die wesentlichen Wirkzusammenhänge und strukturellen Merkmale der wichtigsten Maschinenelemente dargestellt werden, um die gemeinsamen Wirkprinzipien sowie wichtige strukturelle Merkmale als Kriterien zur Auslegung und zur Abschätzung ihrer Eigenschaften zu zeigen.

Ein wesentliches Mittel zur Rationalisierung im Konstruktions- und Fertigungsbereich ist die Entwicklung von Baureihen [35].

Produktqualität wird heute umfassend definiert. Sie beinhaltet neben der geforderten Funktionserfüllung die Einhaltung der Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Gebrauchs- und Ergonomieeigenschaften, Recycling und Entsorgung [17] sowie Herstellungs- und Nutzungskosten (vgl. 2.1.8, Bild 2.17 und 7.2).

In allen Phasen des Konstruktionsprozesses spielt das hinreichend richtige und rechtzeitige Erkennen von Kosten eine bedeutende Rolle. Dies trifft sowohl beim Konzipieren als auch beim Entwerfen sowie beim Entwickeln von Baureihen und Baukästen zu. Es ist bekannt, daß der überwiegende Teil der Kosten durch das gewählte Lösungsprinzip und seine Gestaltung festgelegt wird und die nachfolgende Fertigung und Montage nur noch relativ wenig Spielraum zur Kostensenkung haben. Zur Kostenminimierung ist es daher zweckmäßig, in einem möglichst frühen Stadium des Konstruktionsprozesses mit einer kostenmäßigen Optimierung zu beginnen, da durch Wahl einer günstigen prinzipiellen Lösung die Produktkosten im allgemeinen stärker gesenkt werden können als durch reine Fertigungsmaßnahmen. Andererseits bedeuten konstruktive Änderungen erst im Stadium der Fertigung häufig hohe Änderungskosten. Eine Kostensenkung sollte also so früh, wie es der Erkenntnisstand zuläßt, beginnen. Unter Umständen bedeutet dies eine Verlängerung der Konstruktionszeit, was nach [18] oft kostengünstiger ist als nachträgliche Aktionen zur Kostenreduzierung.

Die dargelegte Konstruktionslehre ist grundsätzlich auch ohne Rechnereinsatz anwendbar. Sie ist darüber hinaus Grundlage für eine Rechnerunterstützung des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses, die über die getrennte Bearbeitung von Berechnungsaufgaben oder das Anfertigen von Zeichnungen hinausgeht, d. h. den Rechnereinsatz in den Arbeitsablauf mehr oder weniger kontinuierlich integriert. Der Einsatz der Datenverarbeitung und Informationstechnik in der Konstruktion dient einer Produktverbesserung sowie zur Senkung des Konstruktionsund Fertigungsaufwands. Die mit dem Rechnereinsatz verbundene Arbeitstechnik des Konstruierens unter Nutzung entsprechender Geräte und Programme wird international als „Computer Aided Design“ (CAD) bezeichnet. Bei Einbindung bzw. Verknüpfung von Konstruktionsprogrammen mit DV-Systemen für andere technische Aufgaben spricht man von „Computer Aided Engineering“ (CAE), bei Einbindung in die Datenverarbeitung und -verwaltung eines gesamten Unternehmens von „Computer Integrated Manufacturing“ (CIM).

Nach Darstellung der historischen Entwicklung und der Grundlagen sowie der allgemein einsetzbaren Lösungs- und Beurteilungsmethoden orientiert sich der Aufbau dieses Buches am Arbeitsfortschritt beim Konstruieren, der vom Planen des Produkts und Klären der Aufgabenstellung ausgeht und über das Konzipie­ren, Entwerfen und Ausarbeiten zu den Ausführungs- und Nutzungsunterlagen führt. Zur Verringerung des Aufwands führen die Entwicklung von Baureihen und Baukästen sowie der Rechnereinsatz.