Konstruktionslehre. ÖSpri nnger. Pahl/Beitz. Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung Methoden und Anwendung

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1 Gerhard Pahl Wolfgang Beitz Jörg Feldhusen Karl-Heinrich Grote Pahl/Beitz Konstruktionslehre Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung Methoden und Anwendung 7. Auflage Mit 445 Abbildungen ÖSpri nnger

2 Einführung Der Entwickler und Konstrukteur Aufgaben und Tätigkeiten Stellung im Unternehmen Künftige Aspekte Methodisches Vorgehen bei der Produktentwicklung Anforderungen und Bedarf Historische Entwicklung Heutige Methoden Systemtechnik Wertanalyse Konstruktionsmethoden Zielsetzung vorliegender methodischer Konstruktionslehre Literatur 29 Grundlagen Grundlagen technischer Systeme System, Anlage, Apparat, Maschine, Gerät, Baugruppe, Einzelteil Energie-, Stoff- und Signalumsatz Funktionszusammenhang Aufgabenspezifische Beschreibung Allgemein anwendbare Beschreibung Logische Beschreibung Wirkzusammenhang Physikalische Effekte Geometrische und stoffliche Merkmale Bauzusammenhang Systemzusammenhang Resultierende methodische Leitlinie Grundlagen methodischen Vorgehens Vorgang des Problemlösens Kennzeichen guter Problemloser Intelligenz und Kreativität Entscheidungsverhalten 65

3 XII Inhaltsverzeichnis Lösungsprozess als Informationsumsatz Allgemeine Arbeitsmethodik Wahl des zweckmäßigen Denkens Individuelle Arbeitsstile Allgemein wiederkehrende Methoden Analysieren Abstrahieren Synthese Methode des gezielten Fragens Methode der Negation und Neukonzeption Methode des Vorwärtsschreitens Methode des Rückwärtsschreitens Methode der Faktorisierung Methode des Systematisierens Arbeitsteilung und Zusammenarbeit Grundlagen integrierter Rechnerunterstützung Der Konstruktionsarbeitsplatz Rechnerinterne Beschreibung von Produktmodellen Mentale Modelle Informationsmodelle Produktmodelle Datenverwaltung 86 Literatur 89 3 Methoden zur Produktplanung, Lösungssuche und Beurteilung Produktplanung Neuheitsgrad eines Produkts - Produktinnovation Produktlebenszyklus Begrifflichkeit Produktlebenszyklusmanagement (PLM) Unternehmensziele und ihre Auswirkungen Durchführung der Produktplanung Analysieren der Situation Aufstellen von Suchstrategien Finden von Produktideen Auswählen von Produktideen Definieren von Produkten Umsetzungsplanung und Entwicklungsauftrag Klären und Präzisieren Lösungssuche Konventionelle Methoden und Hilfsmittel Kollektionsverfahren Analyse natürlicher Systeme Analyse bekannter technischer Systeme 124

4 Inhaltsverzeichnis XIII 4. Analogiebetrachtungen Messungen, Modellversuche Intuitiv betonte Methoden Brainstorming Methode Galeriemethode Delphi-Methode Synektik Kombinierte Anwendung Theorie des erfinderischen Problemlösens TRIZ Einordnung der TRIZ in die Allgemeine Konstruktionsmethodik Methoden und Werkzeuge der TRIZ Diskursiv betonte Methoden Systematische Untersuchung des physikalischen Zusammenhangs Systematische Suche mit Hilfe von Ordnungsschemata Verwendung von Katalogen Methoden zur Lösungskombination Systematische Kombination Kombinieren mit Hilfe mathematischer Methoden Auswahl- und Bewertungsmethoden Auswählen geeigneter Lösungsvarianten Bewerten von Lösungsvarianten Grundlagen von Bewertungsverfahren Vergleich von Bewertungsverfahren 181 Literatur Der Produktentwicklungsprozess Allgemeiner Lösungsprozess Arbeitsfluss beim Entwickeln Inhaltliche Planung Zeitliche und terminliche Planung Kostenplanung des Projekts und des Produkts Effektive Organisationsformen Interdisziplinäre Zusammenarbeit Führung und Teamverhalten 208 Literatur Methodisches Klären und Präzisieren Bedeutung einer geklärten Aufgabenstellung Erarbeiten der Anforderungsliste Inhalt Aufbau 216

5 XIV Inhaltsverzeichnis Erkennen und Aufstellen von Anforderungen Grundlegende Anforderungen Technisch-kundenspezifische Anforderungen Attraktivitätsanforderungen Ergänzen/Erweitern der Anforderungen Festlegen der Forderungen und Wünsche Ergänzen/Erweitern der Anforderungen Beispiele Anwenden von Anforderungslisten Fortschreibung Anfangssituation Zeitliche Abhängigkeit Partielle Anforderungslisten Weitere Verwendung Praxis der Anforderungsliste 229 Literatur Methodisches Konzipieren Arbeitsschritte beim Konzipieren Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme Ziel der Abstraktion Systematische Erweiterung der Problemformulierung Problem erkennen aus der Anforderungsliste Aufstellen von Funktionsstrukturen Gesamtfunktion Aufgliedern in Teilfunktionen Praxis der Funktionsstruktur Falsche Verwendung des Funktionsbegriffs Entwickeln von Wirkstrukturen Suche nach Wirkprinzipien Kombinieren von Wirkprinzipien Auswählen geeigneter Wirkstrukturen Praxis der Wirkstruktur Entwickeln von Konzepten Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten Bewerten von prinzipiellen Lösungsvarianten Praxis der Konzeptfindung Beispiele zum Konzipieren Eingriff-Mischbatterie für Haushalte Hauptarbeitsschritt: Klären der Aufgabenstellung und Erarbeiten der Anforderungsliste Hauptarbeitsschritt: Abstrahieren und Erkennen der wesentlichen Probleme Hauptarbeitsschritt: Aufstellen der Funktionsstruktur 279

6 Inhaltsverzeichnis XV 4. Hauptarbeitsschritt: Suche nach Lösungsprinzipien zum Erfüllen von Teilfunktionen Hauptarbeitsschritt: Auswählen geeigneter Wirkprinzipien Hauptarbeitsschritt: Konkretisieren zu prinzipiellen Lösungsvarianten Hauptarbeitsschritt: Bewerten der prinzipiellen Lösungen Ergebnis Prüfstand zum Aufbringen von stoßartigen Lasten Hauptarbeitsschritt: Klären der Aufgabe und Erarbeiten der Anforderungsliste Hauptarbeitsschritt: Abstrahieren zum Erkennen der wesentlichen Probleme Hauptarbeitsschritt: Aufstellen von Funktionsstrukturen Hauptarbeitsschritt: Suche nach Lösungsprinzipien zum Erfüllen der Teilfunktionen Hauptarbeitsschritt: Kombinieren von Wirkprinzipen zur Wirkstruktur Hauptarbeitsschritt: Auswählen geeigneter Varianten Hauptarbeitsschritt: Konkretisieren zu Konzeptvarianten Hauptarbeitsschritt: Bewerten der Konzeptvarianten 302 Literatur Methodisches Entwerfen Arbeitsschritte beim Entwerfen Leitlinie beim Gestalten Grundregeln zur Gestaltung Eindeutig Einfach Sicher Begriffe, Art und Bereiche der Sicherheitstechnik Prinzipien der unmittelbaren Sicherheitstechnik Prinzipien der mittelbaren Sicherheitstechnik Sicherheitstechnische Auslegung und Kontrolle Gestaltungsprinzipien Prinzipien der Kraftleitung Kraftfluss und Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung Prinzip der abgestimmten Verformungen 358

7 XVI Inhaltsverzeichnis 4. Prinzip des Kraftausgleichs Praxis der Kraftleitung Prinzip der Aufgabenteilung Zuordnung der Teilfunktionen Aufgabenteilung bei unterschiedlichen Funktionen Aufgabenteilung bei gleicher Funktion Prinzip der Selbsthilfe Begriffe und Definitionen Selbstverstärkende Lösungen Selbstausgleichende Lösungen Selbstschützende Lösungen Prinzip der Stabilität und Bistabilität Prinzip der Stabilität Prinzip der Bistabilität Prinzip der fehlerarmen Gestaltung Gestaltungsrichtlinien Zuordnung und Übersicht Ausdehnungsgerecht Erscheinung der Ausdehnung Ausdehnung von Bauteilen Relativausdehnung zwischen Bauteilen Kriech- und relaxationsgerecht Werkstoffverhalten unter Temperatur Kriechen Relaxation Konstruktive Maßnahmen Korrosionsgerecht Ursachen und Erscheinungen Korrosion freier Oberflächen Berührungsabhängige Korrosion Beanspruchungsabhängige Korrosion Beispiele korrosionsgerechter Gestaltung Verschleißgerecht Ursachen und Erscheinungen Konstruktive Maßnahmen Ergonomiegerecht Ergonomische Grundlagen Tätigkeiten des Menschen und ergonomische Bedingungen Erkennen ergonomischer Anforderungen Formgebungsgerecht Aufgabe und Zielsetzung Formgebungsgerechte Kennzeichen Richtlinien zur Formgebung 442

8 Inhaltsverzeichnis XVII Fertigungsgerecht Beziehung Konstruktion - Fertigung Fertigungsgerechte Baustruktur Fertigungsgerechte Gestaltung von Werkstücken Fertigungsgerechte Werkstoff- und Halbzeugwahl Einsatz von Standard- und Fremdteilen Fertigungsgerechte Unterlagen Montagegerecht Montageoperationen Montagegerechte Baustruktur Montagegerechte Gestaltung der Fügestellen Montagegerechte Gestaltung der Fügeteile Leitlinie zur Anwendung und Auswahl Instandhaltungsgerecht Zielsetzung und Begriffe Instandhaltungsgerechte Gestaltung Recyclinggerecht Zielsetzungen und Begriffe Verfahren zum Recycling Recyclinggerechte Gestaltung Beispiele recyclinggerechter Gestaltung Bewerten hinsichtlich Recyclingfähigkeit Risikogerecht Risikobegegnung Beispiele risikogerechter Gestaltung Normengerecht Zielsetzung der Normung Normenarten Bereitstellung von Normen Normengerechtes Gestalten Normen entwickeln Bewerten von Entwürfen Beispiel zum Entwerfen 515 Literatur Methodisches Ausarbeiten Arbeitsschritte beim methodischen Ausarbeiten Systematik der Fertigungsunterlagen Erzeugnisgliederung Zeichnungssysteme Stücklistensysteme Aspekte des Rechnereinsatzes Kennzeichnung von Gegenständen Nummerungstechnik Sachnummernsysteme 570

9 XVIII Inhaltsverzeichnis 2. Klassifikationsnummernsysteme Sachmerkmale 573 Literatur Lösungsfelder Schlussarten bei mechanischen Verbindungen Funktionen und generelle Wirkungen Stoffschluss Formschluss Kraftschluss Reibkraftschluss Feldkraftschluss Elastischer Kraftschluss Anwendungsrichtlinien Maschinenelemente und Getriebe Antriebe und Steuerungen Antriebe, Motoren Funktionen Elektrische Antriebe Fluidische Antriebe Anwendungsrichtlinien Steuerungen Funktionen und Wirkprinzipien Mechanische Steuerungsmittel Fluidische Steuerungsmittel Elektrische Steuerungsmittel Speicherprogrammierbare Steuerungen Numerische Steuerungen Anwendungsrichtlinien Verbundbauweisen Allgemeines Anwendungen und Grenzen Bauarten Faserverbundbauweise Sandwichbauweisen Hybride Bauweisen Mechatronik Allgemeine Struktur und Begriffe Ziele und Grenzen Entwicklung mechatronischer Lösungen Beispiele Adaptronik Allgemeines und Begriffe Ziele und Grenzen Entwicklung adaptronischer Baustrukturen 620

10 Inhaltsverzeichnis XIX Beispiele 621 Literatur Entwickeln von Baureihen und Baukästen Baureihen Ähnlichkeitsgesetze Dezimalgeometrische Normzahlreihen Darstellung und Größenstufung Normzahldiagramm Wahl der Größenstufung Geometrisch ähnliche Baureihen Halbähnliche Baureihen Übergeordnete Ähnlichkeitsgesetze Übergeordnete Aufgabenstellung Übergeordnete wirtschaftliche Forderungen der Fertigung Anpassen mit Hilfe von Exponentengleichungen Beispiele Entwickeln von Baureihen Baukästen Baukastensystematik Vorgehen beim Entwickeln von Baukästen Vorteile und Grenzen von Baukastensystemen Beispiele Neuere Rationalisierungsansätze Modularisierung und Produktarchitektur Plattformbauweise 686 Literatur Methoden zur qualitätssichernden Produktentwicklung Nutzung methodischen Vorgehens Fehler und Störgrößen Fehlerbaumanalyse Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) Methode QFD 705 Literatur Kostenerkennung Beeinflussbare Kosten Grundlagen der Kostenrechnung Methoden der Kostenerkennung Vergleichen mit Relativkosten Schätzen über Materialkostenanteil Schätzen mit Regressionsrechnungen Hochrechnen mit Ähnlichkeitsbeziehungen 725

11 XX Inhaltsverzeichnis 1. Grundentwurf als Basis Operationselement als Basis Kostenstrukturen Kostenzielvorgabe Regeln zur Kostenminimierung 738 Literatur Rechnerunterstützung Übersicht Ausgewählte Beispiele Durchgängige Rechnerunterstützung Programme für Einzelaufgaben Sonstige CAD-Anwendungen Arbeitstechnik mit CAD-Systemen Erzeugen eines Produktmodells Notwendige Partialmodelle Arbeitstechnik beim Konzipieren Arbeitstechnik beim Entwerfen Generelle Modellierungsstrategie Beispiele Möglichkeiten und Grenzen der CAD-Technik CAD-Einführung Produktdatenmanagementsysteme (PDMS) 766 Literatur Übersicht und verwendete Begriffe Einsatz der Methoden Erfahrungen in der Praxis Verwendete Begriffe 782 Literatur 786 Sachverzeichnis 787