Pahl/Beitz Konstruktionslehre

Das Werk „Pahl/Beitz“ ist seit über 30 Jahren erfolgreich am Markt, mittlerweile in acht Sprachen übersetzt worden und wird von vielen Quellen als das Standardwerk auf dem Gebiet der Konstruktionsmethodik bezeichnet, auch von solchen, die sich nicht vordergründig mit Konstruktionstechnik befassen. So bezeichnet Ashby den Pahl/Beitz als „The Bible – or perhaps more exactly the Old Testament – of the technical design field, …“ (Ashby, 2007). In der zitierten Bemerkung „more exactly the Old Testament“ liegt allerdings auch der Grund für die vorliegende komplette Überarbeitung des Buches. Die seinerzeit erarbeiteten Grundlagen des Konstruierens haben dennoch auch heute noch ihre Gültigkeit.

Die industrielle Herstellung von Produkten hat bereits sehr früh zu einer Arbeitsteilung im Rahmen der Produktentstehung geführt. Dieses als „Taylorismus“ bezeichnete Phänomen beschreibt die „…systematische Umgestaltung der Arbeit, vor allem in der Form der Spezialisierung (Arbeitsteilung) und Verdichtung“ (Luczak, Arbeitswissenschaft, 1993). Hiervon ist auch die Entwicklung und Konstruktion betroffen. Ein Produkt entsteht also nicht in einem einzigen, großen Schritt, vielmehr in vielen kleinen Schritten, deren Inhalte genau festgelegt und deren Schnittstellen untereinander genau beschrieben sein müssen. Die so entstehende Abfolge von Arbeitsschritten wird als „Prozess“ bezeichnet (EN ISO 9000, Qualitätsmanagementsysteme – Grundlagen und Begriffe, 2005). Die Gesamtheit aller Prozessschritte wird als „Produktentstehungsprozess“ (PEP) bezeichnet. Er fasst mehrere Arbeitsschritte zum Erreichen eines Teilergebnisses zusammen, von der Produktidee bis zum fertigen Produkt. Im Folgenden sollen einige Grundüberlegungen dargestellt werden. Zum einen warum es überhaupt möglich ist ein physikalisches Produkt gedanklich vorauszuplanen, und zum anderen welche grundsätzlichen Überlegungen es zum Aufbau des PEP bisher gegeben hat.

Die Ausprägung, Intensität und Inhalte der in diesem Kapitel behandelten Prozesse sind sehr stark von der Branche, der Stückzahl und der Art der Konstruktion (Neu-, Varianten-, Anpass- und Wiederholkonstruktion) abhängig. Hier sollen deshalb nur die grundsätzlichen Aspekte erläutert werden. In jedem Unternehmen haben sich insbesondere diese PEP begleitenden Prozesse relativ individuell ausgeprägt. Allerdings ist hier seit einigen Jahren ein Gegentrend zu beobachten. Er besteht darin, diese Prozesse überall relativ einheitlich zu gestalten. Auf Seiten des Änderungsprozesses liegt die Ursache in der stattgefundenen Globalisierung. Die überwiegende Zahl von Unternehmen arbeitet international mit wechselnden Partnern, z. B. Lieferanten, zusammen. In der Folge mussten die bisher individuellen Prozesse im Sinne einer Vereinheitlichung angepasst werden. Ähnlich sieht es mit dem Prozess zum Risikomanagement, insbesondere bei der Absicherung der technischen Risiken aus. Dieser Prozess ist typischerweise sehr stark vom Kunden des Unternehmens beeinflusst. Er gibt vor, welche Nachweise zur Funktions- und Eigenschaftserfüllung der Lieferant beibringen muss. Bei Großprojekten, beispielsweise die Erstellung von Verkehrssystemen wie einem Peoplemover auf einem Flughafen oder die Erstellung eines Kraftwerks, wird diese Aufgabe häufig auf international tätige Agenturen übertragen, die sich auf diese Aufgaben spezialisiert haben. Deshalb ist auch hier eine deutliche Vereinheitlichung der Vorgehensweisen und Methoden mit den entsprechenden Hilfsmitteln zu erkennen. Im Folgenden werden die wichtigsten den PEP begleitenden Prozesse betrachtet, begonnen wird mit dem Projektmanagement. Es bildet die Planungsgrundlage und das Controlling für den PEP.

Bevor die Vorgehensweise und Schritte beim Entwickeln und Konstruieren behandelt werden, sollen in den folgenden Abschnitten die wesentlichen Begriffe technischer Produkte so, wie sie in diesem Werk verwendet werden, erläutert werden. Es wurde verdeutlicht, dass es in der Praxis keinen einheitlichen Wortgebrauch für maschinenbauliche Produkte und Teile von diesen gibt. Deshalb ist es im Rahmen einer Auftragsabwicklung mit meistens vielen Beteiligten besonders wichtig, diesen zu klären, um Missverständnisse und daraus resultierende Fehlleistungen zu vermeiden.

Der Entwicklungs- und Konstruktionsprozess kann als ein allgemeiner Lösungsprozess beschrieben werden, wie er in Abb. 5.1 dargestellt ist. Dieses grundsätzliche Vorgehen gilt nicht nur für den gesamten Entwicklungs- und Konstruktionsprozess, sondern ebenso für jeden seiner einzelnen Schritte. Sinnvollerweise wird dabei vom qualitativen zum quantitativen vorgegangen. Bei näherer Betrachtung von Abb. 5.1 wird auch die grundsätzliche Teilung des Vorgehens deutlich. Im ersten Abschnitt geht es um die Klärung „WAS“ soll das Produkt können und im zweiten darum, „WIE“ die Lösung konkret aussehen soll. Diese Trennung ist insbesondere deshalb sinnvoll, da in der industriellen Praxis die für ein Unternehmen folgenreichsten Fehler meistens durch nicht eindeutige Klärung der Aufgabenstellung, also des ungeklärten „WAS“, hervorgerufen werden.

Wie bereits in der Einleitung zu diesem Abschnitt erläutert, gliedert sich der Produktentstehungsprozess (PEP) aus Sicht der Produktentwicklung und -konstruktion in drei Hauptschritte:

Das Umfeld, in dem heute Technologie erzeugt und damit Produkte entwickelt, konstruiert und produziert werden, hat sich in der letzten Dekade stark gewandelt. Damit hat sich auch der Tätigkeitsschwerpunkt dort verändert. Eine lückenlose Dokumentation des Produkts und all seiner Komponenten sowie der zugehörigen Prozesse ist heute von großer Bedeutung. Die Hauptgründe sind zum einen die Produkthaftung eines Unternehmens und zum anderen die erforderliche eineindeutige Kommunikation mit externen Partnern der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung, wie sie durch die Globalisierung erforderlich ist. Standen bis vor ca. 10 Jahren noch CAD-Systeme zur Definition der Produktgeometrie im Fokus, so gilt dies heute für Systeme zur Produktdaten- und Prozessverwaltung.

Die Gestaltung eines Produkts umfasst die werkstofftechnische und geometrische Festlegung seiner Baugruppen und Komponenten bis zum Einzelteil von der Makrogestalt bis hin zu den Oberflächen. Die Gestaltung eines Produkts und seiner Einzelteile ist eine äußert komplexe Aufgabe, da dabei sehr viele Einflussgrößen beachtet werden müssen. Sie stellte in der Vergangenheit die Hauptaufgabe der Konstruktion dar und ist auch heute noch ein wesentlicher Arbeitsinhalt für diesen Bereich. In den letzten Jahren hat sich allerdings zunehmend ein weiterer bedeutender Punkt herausgebildet, durch den die Gestaltung wesentlich beeinflusst wird. Gemeint sind die unternehmensinternen und -externen Rahmenbedingungen.

Die im Folgenden aufgeführten Arbeitsschritte und insbesondere ihre Reihenfolge dienen im Rahmen dieses Werks der Veranschaulichung, wann typischerweise welcher Arbeitsschritt erfolgen sollte. In der Praxis gibt es zwangsweise z. T. deutliche Abweichungen sowohl bei den Inhalten der einzelnen Arbeitsschritte, insbesondere aber bei der hier vorgestellten Reihenfolge.

Bereits in Teil 2 dieses Buches wurde auf die von Lemburg (Lemburg 2009) dargestellte Vorgehensweise bei der Lösungsfindung verwiesen. Bei der Gestaltung eines Produkts handelt es sich ebenfalls um einen Prozess zur Lösungsfindung, hier um die Auswahl der geeigneten Werkstoffe und um die Festlegung der Makro- und um Mikrogeometrien. Auch bei der Gestaltung kann das opportunistische Prinzip der spontanen Idee angewendet werden und ist häufig sehr effektiv. Allerdings besteht in der Praxis die Gefahr, dass solche ersten Entwürfe ohne weitere Analyse weiterverfolgt und Fehler oder Mängel erst sehr spät entdeckt werden. Deshalb ist ein ständiger Wechsel zwischen Analyse und Synthese bei der Produktgestaltung wichtig, s. auch Abb. 10.9.

Durch den in Abschn. 9.4.1 beschriebenen Top-Down-Prozess werden die Produktgliederung sowie die Hauptschnittstellen der Produktkomponenten, Baugruppen und Bauteile prinzipiell definiert. Auch die Beziehung der Komponenten untereinander wird entsprechend festgelegt. Die dabei zu beachtenden Kriterien geben bereits eine Reihe von Hinweisen bzw. Vorgaben für die Gestaltung des Produkts. Mit dem Gestaltkonzept als Hauptteil des Produktkonzepts werden dann wesentliche geometrische Eigenschaften des Produkts bestimmt, sodass eine Grobgestalt des Produkts vorliegt. Damit das Produkt und alle seine Einzelteile hergestellt werden können, muss jedes noch so kleine Volumenelement hiervon eindeutig beschrieben sein. Diese Feingestaltung schließt sich an die nach Kap. 10 durchgeführten Arbeitsschritte an.

Übergeordnete Prinzipien zur zweckmäßigen Gestaltung sind in der Literatur mehrfach formuliert worden. Kesselring (1954) stellte die Prinzipien der minimalen Herstellkosten, des minimalen Raumbedarfs, des minimalen Gewichts, der minimalen Verluste und der günstigsten Handhabung auf. Leyer spricht u. a. vom Prinzip des Leichtbaus (Leyer 1974) und vom Prinzip der gleichen Wanddicke (Leyer 1963–1978). Es ist einsichtig, dass nicht alle Prinzipien zugleich in einer technischen Lösung verwirklicht werden können oder sollen. Eines der genannten Prinzipien kann wichtig und maßgebend sein, andere wünschenswert. Welches im Einzelnen maßgebend sein soll, lässt sich immer nur aus dem Wesenskern der Aufgabe und aus dem Fertigungshintergrund ableiten. Ihre übergeordnete Bedeutung ist damit gegenüber den Grundregeln in Kap. 11, die immer gelten, eingeschränkt. Durch methodisches Vorgehen und Aufstellen einer Anforderungsliste und durch einen Abstraktionsvorgang zum Erkennen des Wesenskerns der Aufgabe sowie durch Befolgen der Leitlinie werden die o. g. Prinzipien von Kesselring und Leyer in der Regel ohnehin in konkrete, zur Aufgabe in Relation stehende Gestaltungen umgesetzt. Durch die geklärte Aufgabenstellung werden nämlich maximal zulässige Herstellkosten, größter Raumbedarf, zulässiges Gewicht usw. im Allgemeinen angegeben und festgelegt.

Neben den Grundregeln „eindeutig“, „einfach“ und „sicher“, die aus den generellen Zielsetzungen abgeleitet sind, sind Gestaltungsregeln zu beachten, die sich aus der Leitlinie in Abschn. 10.2.6 ergeben. Im internationalen Bereich werden diese auch als „Design for X“ bezeichnet. Die Gestaltungsrichtlinien helfen den jeweiligen Bedingungen gerecht zu werden und unterstützen die Grundregeln im Besonderen.

Produktentwicklung und Konstruktion sind für ein Unternehmen von zentraler Bedeutung. Hier werden die Voraussetzungen geschaffen, um Produktideen in herstellbare und vermarktbare Produkte umzusetzen. Fehler in der Entwicklung und Konstruktion können sich deshalb für ein Unternehmen gravierend auswirken. Zum Teil sehr große Rückrufaktionen verschiedener Art sind bekannt und kommen immer wieder vor. Nicht nur bei Massenprodukten, die aufgrund der hohen Stückzahl ein entsprechendes Risiko bilden, auch im Anlagenbau, wo zwar kleine Stückzahlen und Einzelfertigung üblich sind, die Anlagenkosten aber entsprechend hoch, müssen entsprechende Maßnahmen zur Absicherung der Entwicklungs- und Konstruktionsergebnisse durchgeführt werden. In Abb. 14.1 sind mögliche produkt- und verfahrensbezogene Fehler und ihre Folgen im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess beispielhaft aufgeführt.

Der globale Wettbewerb und das World Wide Web haben für Kunden aller Art eine extreme Markttransparenz geschaffen. Vereinfacht ausgedrückt können sich Kunden, vom Massenkonsumenten bis zum Käufer eines Investitionsgutes, über Angebote und Preise von weltweiten Anbietern relativ problemlos informieren. Dieser Marktransparenz müssen sich heute sowohl große Konzerne als auch kleine- und mittelständische Unternehmen stellen und ihre Produkte zu „Weltmarktpreisen“ anbieten. Dieser Umstand bedeutet für die Unternehmen in den Hochlohnländern, dass sie für die Sicherstellung ihrer Wettbewerbsfähigkeit die Produkte zu vergleichbaren Preisen wie Produzenten aus den Niedriglohnländern anbieten müssen.

Im vorhergehenden Kapitel wurde verdeutlicht, dass in Entwicklung und Konstruktion sowohl Zeit als auch Kosten eingespart werden müssen. Bevor einzelne mögliche Maßnahmen behandelt werden, sollen zunächst die grundsätzlichen Möglichkeiten betrachtet werden, mit denen Zeit und Kosten eingespart werden können. Auf dieser Basis werden dann die heutigen Ansätze hergeleitet und erläutert.

In vielen Unternehmen wachsen Produktspektren über Jahre. Werden vom Kunden explizit oder auch implizit durch Marktforschung neue Produkte oder Produkte mit geänderten Spezifikationen angefragt, so werden neue Varianten entwickelt. Ziel dabei ist es, einem Rückgang des Absatzes entgegenzuwirken. Durch die Einführung neuer Varianten kommt es jedoch zu einer Erhöhung der Innenkomplexität, z. B. durch mehr unterschiedliche Bauteile und Fertigungsprozesse, wodurch weitere Kosten (insbesondere Gemeinkosten) entstehen. Wenn dem keine ausreichende Erhöhung der Absatzvolumina gegenübersteht, werden die Produkte insgesamt zu höheren Preisen angeboten werden müssen, um kostendeckend zu arbeiten. Dieses führt letztendlich zu einem Verlust der Wettbewerbsfähigkeit und einem weiteren Rückgang der Absatzvolumina.