Telechargé par Yvan Yanou

Gestaltungslehre

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Skript von Prof. Dr.-Ing. Matthias Meyer, HTW Berlin
Gestaltungslehre
Kompetenzziele
Modul „Konstruktion III“:
Die Studierenden können Maschinenbaukonstruktionen konzipieren, entwerfen,
konstruieren und eine geschlossenen Konstruktionsdokumentation ausarbeiten.
Seminarabschnitt „Gestaltungslehre“:
Wissen:
- Bedeutung, Anwendungszweck
- wesentliche Gestaltungsregeln, -prinzipe und -richtlinien
Verständnis:
- Einsatzbereich und Grenzen von Gestaltungsregeln, -prinzipen
und -richtlinien
- Auswirkung auf andere Unternehmensprozesse
Befähigung:
- Konstruktionen unter Berücksichtigung von Gestaltungslehre umsetzen (in
Verbindung mit der Projekt-Übung)
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S. 1
Gestaltungslehre
Inhalt
1
Einführung und Begriffe ......................................................................................... 4
2
Gestaltungs-(grund-)regeln .................................................................................... 4
3
Gestaltungsprinzipe / Bauweisen ........................................................................... 5
3.1
3.1.1
Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit / Kraftflussgerechtes Gestalten.. 7
3.1.2
Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung ......................................... 7
3.1.3
Prinzip der abgestimmten Verformungen............................................ 10
3.1.4
Prinzip des Kraftausgleichs ................................................................... 11
3.2
Prinzipe der Aufgabenteilung ....................................................................... 12
3.2.1
Prinzip der Zuordnung der Teilfunktionen ........................................... 12
3.2.2
Prinzip der Aufgabenteilung bei unterschiedlicher Funktion............... 13
3.2.3
Prinzip der Aufgabenteilung bei gleicher Funktion .............................. 13
3.3
Prinzipe der Selbsthilfe ................................................................................. 14
3.3.1
Prinzip der Selbstverstärkung............................................................... 14
3.3.2
Prinzip des Selbstausgleichs ................................................................. 15
3.3.3
Prinzip des Selbstschutzes .................................................................... 15
3.4
4
Prinzipe der Kraftleitung ................................................................................ 6
Stabilitäts-basierte Prinzipe.......................................................................... 16
3.4.1
Prinzip der Stabilität ............................................................................. 16
3.4.2
Prinzip der Bistabilität .......................................................................... 16
Gestaltungsrichtlinien .......................................................................................... 17
4.1
Beanspruchungsgerechtes Konstruieren ..................................................... 17
4.2
Fertigungsgerechtes Gestalten (Design for Manufacturing, DfM) ............... 24
4.2.1
Urformen .............................................................................................. 24
4.2.2
Gießen .................................................................................................. 24
4.2.3
Sintern .................................................................................................. 27
4.2.4
Umformen ............................................................................................ 27
4.2.5
Spanende Bearbeitung ......................................................................... 30
4.3
Montagegerechtes Gestalten (Design for Assembly, DfA) ........................... 37
4.3.1
Montagegerechte Baustruktur (von Produkten).................................. 38
4.3.2
Fügegerechtes Gestalten (von Verbindungsstellen) ............................ 40
4.3.3
Handhabegerechtes Gestalten (primär von Einzelteilen) .................... 42
4.3.4
Automatisierungs-/Robotergerechtes Gestalten ................................. 44
4.3.5
Toleranzgerechtes Gestalten................................................................ 45
4.3.6
Prüfgerechtes Gestalten ....................................................................... 48
4.4
Ergonomiegerechtes Gestalten .................................................................... 49
4.4.1
Überblick .............................................................................................. 50
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Gestaltungslehre
4.4.2
5
Teilaspekte ........................................................................................... 51
Literaturverzeichnis .............................................................................................. 56
Soweit nicht anders angegeben, sind Bilder und Tabellen [PAH09] entnommen
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Gestaltungslehre
1 Einführung und Begriffe
Gestaltung (engl.: design)
Der Prozess, einem technischen Produkt Gestalt zu geben, indem konstruktive
Festlegungen getroffen und konkretisiert werden.
Im Themenschwerpunkt Konstruktionsmethodik wurde eingeführt, dass eine
methodische Vorgehensweise von der Anforderungsanalyse bis hin zur fertigen
Konstruktionsakte die Güte eines Produkts wesentlich und günstig beeinflusst.
Aufbauend darauf wird in der Gestaltungslehre eine Systematik für die Konzept- und
Entwurfsgestaltung vorgestellt. Diese besteht aus:
-
allgemeingültigen Gestaltungsregeln,
eingeschränkt gültigen Gestaltungsprinzipien sowie
unterstützenden, hilfreichen Gestaltungsrichtlinien.
2 Gestaltungs-(grund-)regeln
Gestaltungsregel
zwingende, stets gültige Anweisung zur Gestaltung. Ihre Nichtbeachtung führt zu
mehr oder weniger großen Nachteilen, Fehlern, Schäden oder gar Unglücken.
Die Grundregeln basieren auf den generellen Zielsetzungen:
-
Technische Funktion erfüllen
wirtschaftlich realisieren
Sicherheit für Mensch und Umwelt gewährleisten.
und fordern, dass ein Produkt in allen Hauptmerkmalen drei zentralen Kriterien
entsprechen soll (s. Tabelle 1):
-
eindeutig,
einfach (nicht zusammengesetzt, übersichtlich, mit geringem Aufwand) und
sicher (für technische Funktion, Mensch und Umgebung). Sicherheit wird
unterschieden in unmittelbare Sicherheit (ist sicher), mittelbare Sicherheit
(ist durch Zusatzeinrichtungen abgesichert), zusätzliche hinweisende
Sicherheit (zusätzliche Sicherheitshinweise).
Tabelle 1: Gestaltungsregeln.
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Gestaltungslehre
Für das Hauptmerkmal „Funktion“ bedeutet das beispielsweise, dass jede
Teilfunktion eindeutig und möglichst unmittelbar mit Ein- und Ausgangsgrößen
verknüpft sein soll und sicher funktioniert.
3 Gestaltungsprinzipe / Bauweisen
Gestaltungsprinzip / Bauweise
Übergeordnetes Prinzip für die zweckmäßige Gestaltung einer Konstruktion. Das
Prinzip ist unter bestimmten Voraussetzungen zweckmäßig (somit eingeschränkt
gültig, in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung). Meist sind einzelne oder wenige
Prinzipe wichtig und maßgebend für eine gute Lösung, während andere nur
unterstützend, wünschenswert, nachrangig oder sogar durch Zielkonflikte
ausgeschlossen sind.
Typische Bauweisen folgen abhängig von dem Konstruktionsziel z.B. dem Leitprinzip
-
der minimalen Herstellkosten,
des minimalen Raumbedarfs,
des minimalen Gewichts,
der minimalen Verluste,
der günstigsten Handhabung,
des Leichtbaus oder
der minimalen Wanddicke.
Aus der Erfahrung heraus haben sich bestimmte Bauweisen herausgebildet, die
besonders zweckmäßig charakteristischen Beanspruchungen genügen, z.B. steife
Bauweise für Präzisionsmaschinen (s. Tabelle 2).
Tabelle 2: Charakteristische Bauweisen in Abhängigkeit von der Beanspruchungshöhe (nach Borutzki)
Branche
Gestaltungsprinzip
Bemerkung
Maschinenbau
Steife Bauweise
Prinzip der minimalen
Verformung
Hohe Genauigkeit der Werkzeugmaschine
erfordert große statische und dynamische
Steife
kaum festigkeitsmäßige Auslastung der
Baugruppen
Flugzeugbau
Elastische Bauweise
Prinzip elastischer
Verformung
Extremleichtbau mit voller Ausnutzung der
elastischen Verformung
Auch im Maschinenbau wird im
elastischen Bereich konstruiert; z.B.
federnde C-Gestelle, Federelemente
Stahlbau
Durchplastizierende
Bauweise,
Prinzip der maximalen
Werkstoffausnutzung
z.B. Fließgelenk am Durchlaufträger
Neben diesen aus der Bemessungslehre (Berechnen und Dimensionieren der Bauteile
und ihrer Querschnitte) abgeleiteten Gestaltungsgrundsätzen gibt es auch weitere
Bauweisen auf Basis anderer Kriterien und Motivationen (Beispiele s. Tabelle 3,
Tabelle 4).
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Tabelle 3: Aus Merkmalen abgeleitete typische Bauweisen
Merkmal
Abgeleitete Bauweisen
Werkstoff
Stahl-, Leichtmetall-, Kunststoff-, Holz-Bauweise
Halbzeug
Blech-, Rohr-, Profil-, Pfahlbauweise
Beanspruchungstyp
Stahlleichtbau-, Sicherheit-, Armierungsbauweise
Gestalt
Flach-, Kompakt-, Schalen-, Kastenbauweise
Fertigungsprozess
Schweiß-, Schraub-, Kleb-, Nietbauweise
Vorfertigungsgrad
Baukasten-, Baustellen-, Fertigbauweise
Funktionsdichte
Total-, Integral-, Modul-, Differentialbauweise
Tabelle 4: Vergleichsbeispiel Differential- / Integralbausweise (nach [KON10])
Differentialbauweise:
14 gespante Einzelteile
Einzel-/Kleinserienfertigung
Integralbauweise:
1 Feingussteil
Serien-/Massenfertigung
Fertigungszeitersparnis: 62 %
Kostenersparnis: 72 %
Durch Klären der Aufgabenstellung kann für eine Konstruktion die wesentliche
Bauweise geklärt und festgelegt werden. Als besonders grundlegende Bereiche sollen
hier behandelt werden:
-
die Prinzipe der Kraftleitung,
die Prinzipe der Aufgabenteilung und
die Prinzipe der Selbsthilfe.
3.1 Prinzipe der Kraftleitung
Beanspruchung und Funktion bilden stets eine Einheit. Die funktionsgerechte Gestalt
wird bestimmt auf Basis einer Analyse der Beanspruchungen, welcher das Produkt
während seiner Benutzung ausgesetzt ist:
-
-
-
-
Mechanische Beanspruchungen: Kräfte und Momente:
o ruhend und (besonders im Maschinenbau) schwingend
o schwingend vorzugsweise im Flugzeugbau
o ruhende Beanspruchung von Stahlbaukonstruktionen
Thermische Beanspruchung von Bauteilen, z.B. an Verbrennungsmotoren,
Gasturbinen oder Weltraumsonden (zwischen absoluter Nullpunkt und
Atmosphäreneintritt).
Korrodierende Beanspruchung, z.B. bei Chemikalienangriff im
Chemieanlagen- und Apparatebau oder durch Betriebsbedingungen in
aggressiver Umwelt. Korrosionsangriff ist oft überlagert mit anderen
Beanspruchungsarten und wird nicht selten in seiner Wirkung unterschätzt.
Tribologische Beanspruchung (Verschleiß)
(tribolus, tribulo: pressen plagen, peinigen <lat.>).
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Im Maschinenbau herrschen mechanische Beanspruchungen vor. Da die
Grundoperationen „leiten“, „verknüpfen“ und „speichern“ im Maschinenbau
ebenfalls besonders häufig sind, werden Maschinenbau-Konstruktionen häufig vom
„Prinzipien der Kraftleitung“ bestimmt. Dazu gehören:
3.1.1 Prinzip der gleichen Gestaltfestigkeit / Kraftflussgerechtes
Gestalten
Die Werkstofffestigkeit soll überall im Bauteil gleichmäßig ausgelastet sein, d.h.
jeder Beanspruchungsart und -höhe ist der materialwirtschaftlich sinnvolle
Querschnitt zuzuordnen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Spannungsspitzen an
scharfen Kraftumleitungen infolge schroffer Querschnittsübergänge vermieden
werden (Kraftflussgerechtes Gestalten).
Äußere Lasten (Kräfte und Momente) wirken im Bauteil einerseits als Schnittverläufe
und, Abhängigkeit vom Querschnitt, als Beanspruchungen und Verformungen. Die
Beanspruchungsgrößen werden mit der Werkstofffestigkeit verglichen, wobei
Einflussgrößen der Bauteilfestigkeit (z.B. Kerbwirkung, Oberflächen- und
Größeneinfluss) berücksichtigt werden.
Neben der Festigkeitsbetrachtung sind aber auch die resultierenden Verformungen
zu beachten!
Anwendung: wenn Bauteilfestigkeit funktionsbestimmend ist.
zwei Zugstäbe:
erforderlicher
Werkstoffaufwand
Seitliche
Befestigung mit
Biegung und Zug
Vollbiegung mit
Walzprofil
Momentenangepaßte Schweißkonstruktion
100 %
620 %
2200 %
1300 %
Bild 1: Vergleich Materialaufwand bei Zug- und Biegebelastung
3.1.2 Prinzip der direkten und kurzen Kraftleitung
Gestalte Kraftleitungswege kurz und direkt, wenn Bauteile möglichst gering
verformt werden sollen. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Kraftleitung nur
durch Zug/Druck erfolgt (geringere Verformungen als bei Biegung und Torsion).
Dadurch sind der Werkstoffaufwand für ein sicheres Bauteil und die Verformungen
sehr gering. Nur bei Bauteilen mit ausdrücklicher Nachgiebigkeitsfunktion sind
Bauteile mit Biege- oder Torsionsbelastung sinnvoll.
Anwendung: Hohe Haltbarkeit ist bei hoher Steifigkeit gefordert. (Das Gegenprinzip
wird verwendet, wenn die Haltbarkeit einem gewünschten Kraft-VerformungsVerhältnis untergeordnet ist).
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Bild 2: Kraftfluss in Kegelradlagerung (Quelle: Wächter)
Bild 3: Kraftfluss in Verbindungsformen (Quelle: Borutzki)
Dieses Prinzip kann auch auf Massivteile wie Gehäuse angewendet werden:
Tabelle 5: Biegeanteile in Gehäuseverschraubungen (Quelle: Wächter)
b1) Schraubenansatz für Innensechskant-schraube
b2) Verbindung bei senkrechten Wänden, wenn H
in erträglichen Grenzen bleibt (max.
Schraubenlänge und maximal sinnvolle
Bohrtiefen nicht überschreiten!)
a) veraltete
Flanschverschraubung
c Anwendung von gegossenen Schraubtaschen.
Die Anordnung der Taschen gestattet fast völlig
das Vermeiden von Biegebeanspruchung.
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Gestaltungslehre
Tabelle 6: Biegeanteile in Gehäusen (Quelle: Wächter)
Lagerdeckel für Kurbelwellen
schwerer Dieselmotoren:
a) biegeweiche, veraltete
Ausführung
b) günstigere Gestaltung, aber Rippen im
Zugbereich
c) effektive Ausführung hinsichtlich Biegesteife
und Masse
(Quelle: Orlov)
Axiallagerung:
a) liegt ungenügend im
Gehäuse auf und löst Biegung
aus.
b) unwesentlich
verbessert, Ring R des
Gehäuses federt mit.
Gehäuseteil mit
Axialbelastung:
a) Die ebene Scheibe S ist
relativ nachgiebig.
b) Durch die keglige Gestalt wird eine direkte
Kraftleitung erreicht. Die Ausführung ist erheblich
steifer (mit einfachen Kartonmodellen prüfbar).
(Quelle: Wächter)
Haubenbefestigung:
a) Das Anziehen der Mutter
verformt den Deckel sehr.
c) gute biegefreie
Lösung.
(Quelle: Wächter)
b) Innenrippen mindern die Deckelverformung.
c) Die Glockenform wandelt Biegung in Druck.
d) Muß die Kastenform erhalten bleiben, so kann
die hülsen förmige Verlängerung der
Schraubenbohrung an der Haube die
Durchbiegung beseitigen.
(Quelle: Orlov)
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3.1.3 Prinzip der abgestimmten Verformungen
Gestalte mechanisch zusammenhängende Komponenten so, dass sie sich unter Last
gleichgerichtet und möglichst um den gleichen Betrag verformen (möglichst kleiner
Relativbewegung) und dadurch aneinander anpassen.
Tabelle 7: Vergleich gegen- und gleichsinnige Verformung
einfache Druckmutter:
ungünstig (Muttergewinde
gestaucht, Schraubengewinde gedehnt)
Zugmutter:
günstig (konische Mutter-Außenkontur dehnt sich mit
Schraube)
Klebeverbindung:
a) ungünstig,
unterschiedliche
Verformungen aus Zug und
Druck bewirkt hohe
Spannungsspitze
b) gleiche Verformungsrichtung
mindert Spannungsspitze
c) die geschäftete Verbindung vermeidet
Spannungsspitzen nahezu völlig, bei c2
wird zudem der Biegeanteil beseitigt
Welle-Nabe Verbindung:
a) mit starker
„Kraftflussumlenkung“,
hier entgegengerichteter
Torsionsverformung
(Verdrehwinkel) bei A
zwischen Welle und Nabe
b) mit allmählicher „Kraftflussumlenkung“; hier
gleichgerichtete Torsionsverformung über die gesamte
Nabenlänge
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Tabelle 8: gleichgroße Verformung (nach [PAH07])
Welle eines Kranlaufwerk-Antriebs:
ungleiche Torsionsverformung auf
länge l1 und l2
gleiche Torsionverformung durch
symmetrische Anordnung
gleiche Torsionverformung durch gleiche
Verdrehsteifigkeit (kleinerer Durchmesser
über die kleinere Länge l1)
3.1.4 Prinzip des Kraftausgleichs
Gestalte Einleitungspunkte für Nebenlasten so, dass die Lasten symmetrisch
eingeleitet oder durch Ausgleichselemente aufgenommen werden.
Während Hauptgrößen direkt der Funktionserfüllung dienen, sind begleitende
Nebengrößen (Nebenlasten) für die Funktion nicht zwingend erforderlich (z.B.
Axialschub in Schrägverzahnungen, Spannkräfte für reibschlüssige Verbindungen). Je
größer die Nebenlast, desto eher lohnt sich der Mehraufwand einer symmetrischen
Anordnung gegenüber einen Ausgleichselement.
Tabelle 9: Beispiele für Kraftausgleichslösungen (nach [PAH07])
ohne Ausgleich
(für kleine Kräfte)
Ausgleichselement
(für mittelgroße Kräfte)
symmetrische Anordnung
(für große Kräfte)
Strömungsmaschine
Getriebe mit Schrägverzahnung
Kegelkupplung
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3.2 Prinzipe der Aufgabenteilung
Die aus der Funktion abgeleitete Gliederung der Erzeugnisstruktur führt zwangsweise
zur Baugruppenstruktur, mit der ein Konstrukteur weitgehende Entscheidungen trifft
hinsichtlich:
1. Erzeugnisstruktur
2. Anzahl der Einzelteile und Baugruppen
3. den Grad der Fertigungstiefe, der Fertigungsorganisation u.a.m.
Tabelle 10: Vorzüge des Konstruierens in Baugruppen (nach Borutzki)
Für die Entwicklung:
-
-
In der Fertigung:
konstruktive Wiederverwendbarkeit
(z.B. Variantenkonstruktion)
Senken des
Konstruktionsaufwandes, der
Entwicklungszeit und des Auftretens
von Konstruktionsmängeln
-
-
getrennt fertigen und prüfen (wenn
Baugruppe = Funktionsgruppe)
möglich
austauschbar bei Instandsetzung
Minimieren der Vorratswirtschaft
-
erleichtert Normung
gute Basis für Rechnereinsatz in der
Konstruktion
Die Aufteilung der Funktionsträger eines Produkts kann sich orientieren an den
grundsätzlichen Prinzipien
-
der Zuordnung der Teilfunktionen,
der Aufgabenteilung bei unterschiedlicher Funktion und
der Aufgabenteilung bei gleicher Funktion.
3.2.1 Prinzip der Zuordnung der Teilfunktionen
Ordne einem Bauteil so viele Teilfunktionen zu, wie es Fertigungs- und
Montageprozesse, Leistungsgrenze und Eindeutigkeit erlauben.
Aus der Funktionsanalyse ergeben sich unterschiedliche Teilfunktionen, denen im
Entwurf Bauteile als Funktionsträger zugeordnet werden müssen. Grundsätzlich ist es
wünschenswert, möglichst viele Teilfunktionen in einem Funktionsträger zu vereinen.
Anwendung: immer, wenn nicht:
-
Fertigungs- und Montagevorgänge durch eine komplizierte Gestalt
unwirtschaftlich würden,
eine oder mehrere Teilfunktionen das Bauteil bis an die Grenzleistung
auslasten würden,
das Verhalten bezüglich einer wichtigen Bedingung unbedingt eindeutig und
frei von Fremdeinflüssen sein muss (z.B. um eine Kennlinie sicherzustellen)
(Quelle: Festo)
Führungszylinder (Führung zur Aufnahme von Nebenlasten in Aktor integriert)
Bild 4: Beispiel Zuordnung von Antriebs- und Führungsfunktion zu gemeinsamem Funktionsträger
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3.2.2 Prinzip der Aufgabenteilung bei unterschiedlicher Funktion
Ordne jeder Teilfunktion genau ein Bauteil mit darauf abgestimmter Gestalt zu.
Ist ein Bauteil Träger nur einer Teilfunktion, kann dadurch
-
das Bauteil weitaus besser für genau diese Funktion ausgelastet werden,
die Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert werden,
ein eindeutiges Verhalten sichergestellt werden (Gestaltungsgrundregel
„eindeutig“ im Hinblick Funktion).
Anwendung:
Bei der Funktionsanalyse oder Morphologie wird festgestellt, dass sich Teilfunktionen
bei Vereinigung in einem Funktionsträger gegenseitig einschränken, behindern oder
stören.
(Quelle: Bosch Rexroth)
(Quelle: Festo)
Kolbenstange und Dichtung konventioneller Pneumatikzylinder sind nicht für radiale
Biegelasten und -verformungen ausgelegt, können aber einen Schlitten einer
separaten Linear-Führung antreiben, die diese Lasten aufnehmen kann.
Bild 5: Beispiel Zuordnung von Antriebs- und Führungsfunktion zu separaten Funktionsträgern
3.2.3 Prinzip der Aufgabenteilung bei gleicher Funktion
Wird infolge Leistungs- oder Größensteigerung die Leistungsgrenze eines Bauteils
überschritten, teile die dafür ursächlich Teilfunktion auf mehrere Bauteile auf.
Leistungsgrenzen eines Funktionsprinzips können umgangen werden, wenn die
Teilfunktion auf mehrere Bauteile verzweigt und anschließend wieder gesammelt
wird, z.B. Einsatz von zwei parallelen Keilriemen, wenn Breite und Höhe des Riemens
nicht ohne funktionale Nachteile erhöht werden können.
Anwendung:
Bei Überschreiten der Leistungsgrenze eines Funktionsprinzips.
(Quelle: Festo)
Doppelzylinder erlaubt durch zwei Kolben eine Leistungsverdopplung trotz flacher
Bauweise ohne Verzicht auf einfach fertigbaren Kolbenraum (gebohrt).
Bild 6: Beispiel Aufteilung von Antriebsfunktion auf mehrere Funktionsträger
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3.3 Prinzipe der Selbsthilfe
Selbsthilfe entsteht, wenn eine Hilfswirkung entsteht, die
-
-
in der Normalsituation die gewünschte technischen Anforderungen
(Wirkungsgrad, Gebrauchsdauer, Werkstoffausnutzung, etc.) gleichsinnig
unterstützt („Selbstverstärkung“)
in der Normalsituation entlastet oder ausgleicht („Selbstausgleich“), oder
in einer Überlastsituation schützt oder rettet („Selbstschutz“).
Die Hilfswirkung kann aus der „Normal-/Überlast“ (Hauptlast oder einer begleitenden
Hilfsgröße) oder einer geeigneten Kraftflussverteilung heraus gewonnen werden.
Häufig kann dasselbe Prinzip selbstschadend oder selbstwirkend angewendet
werden – Selbsthilfe erzeugt dann kaum Mehraufwand. Entsteht tatsächlich
konstruktiver Mehraufwand, muss diesem der entsprechende Vorteil bei der
technisch-wirtschaftlichen Bewertung gegenübergestellt werden.
3.3.1 Prinzip der Selbstverstärkung
Gestalte Bauteile so, dass das Funktionsprinzip gleichsinnig mit einer wesentlichen
technischen Anforderung wirkt.
Tabelle 11: Beispiele für Selbstverstärkung
Druckbehälter:
Behälterdruck soll…
…Dichtkraft verstärken (c), nicht
verringern (a).
Kegelradverschraubung:
Axialkomponente Fa der Zahnkraft soll…
…Restklemmkraft verstärken (d), nicht
verringern (b)
selbstverstärkender schlauchloser
Autoreifen
selbstverstärkender Dichtungsring
Stufenlos verstellbares Reibradgetriebe.
a Vorspannfeder; b Antriebswelle; e
Topfscheibe; d Kegelscheibe; e Rolle; f
schräge Kante an Topfscheibe; TT
Radius, an dem FUK und FK angreifen
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3.3.2 Prinzip des Selbstausgleichs
Gestalte Bauteile so, dass das Funktionsprinzip Kräfte, Momente oder
Verformungen erzeugt, die ungewünschte Kräfte und Momente aufheben oder
eine zusätzliche Wirkung erzeugen, die die Gesamtleistung des Systems erhöht.
Konventionelle Lösung
Ertragbare Umfangskraft
wirkt nur gegen
Bauteilfestigkeit
Schrägstellung der Schaufeln ergibt ausgleichende
Hilfswirkung infolge zusätzlicher
Fliehkraftbeanspruchung, die der Schaufeld
Biegebeanspruchung entgegen wirkt und dadurch eine
größere Umfangskraft ermöglicht (s. Kräftediagramm).
Bild 7: Selbstausgleichende Lösung zur Anordnung von Schaufeln in Strömungsmaschinen [PAH07]
3.3.3 Prinzip des Selbstschutzes
Gestalte Bauteile so, dass im Überlastfall ein alternativer Kraftleitungsweg genutzt
wird, der die Kraftflussverteilung und somit Beanspruchungsart so verändert, dass
das Bauteil tragfähiger ist als unter Normallast.
Der alternative Kraftleitungsweg entsteht i.d.R. durch elastische Verformung unter
Verlust der normalen Funktion, kann dadurch aber auch wiederholt auftretende
Überlastfälle in begrenzter Höhe ohne Zerstörung ertragen (z.B. Kraftleitung von
Federn „auf Block“ bei Überschreiten der maximalen Federkraft).
Anwendung:
Wenn die Einsatzbedingungen oder Richtlinien keine Sollbruchstelle oder
Sicherheitseinrichtungen fordern.
Schraubenfeder auf Druck
Tellerfeder
Bild 8. Beispiele für selbstschützende Druckfedern (aus [PAHL07])
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3.4 Stabilitäts-basierte Prinzipe
3.4.1 Prinzip der Stabilität
Gestalte Systeme so, dass Störgrößen eine Wirkung erzeugen, die die Störgröße
selbst aufhebt oder abmildert.
3.4.2 Prinzip der Bistabilität
Gestalte Systeme so, dass Störgrößen eine Wirkung erzeugen, die das System bei
Erreichen eines Grenzwerts von einem gewollten stabilen Zustand direkt (ohne
ungewollte Zwischenzustände) in einen zweiten gewollten stabilen Zustand
versetzt.
Schnellschlussbolzen (1) in Welle (3) mit um ‚e‘
exzentrisch liegenden Schwerpunkt ‚S‘ und
Feder (2), die den Bolzen in Ruhelage hält
Bild 9: bistabiler Schnellschlussbolzen (zitiert nach [PAH07])
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S. 16
Gestaltungslehre
4 Gestaltungsrichtlinien
„ <…>-gerechte“ Gestaltung (engl.: Design „for X“ (DfX))
Gestaltungsfeld, in welchem ein konkretes Hauptmerkmal („<…>“ / „X“) des
Produkts besonders betrachtet wird (z.B. Hauptmerkmal Fertigung:
„fertigungsgerechte Gestaltung / Design for Manufacturing“).
4.1 Beanspruchungsgerechtes Konstruieren
Neben den allgemeinen Prinzipen der Kraftleitung gelten detaillierte Richtlinien bei
der günstigen Gestaltung von Bauteilen:
Bei Biegung ist ein I-Profil das für Stahl und Werkstoffe mit ähnlichem
Festigkeitsverhalten günstigste.
Bild 10: Einfluss der Gestalt auf Nennspannung und Durchbiergung bei Stahl (Quelle: Borutzki)
Wähle für biegebeanspruchte Gussquerschnitte Unsymmetrie (Verhältnis
ertragbare Zug- : ertragbare Druckspannung bei GGL 15: ca. 1:4).
Bild 11: Einfluss der Gestalt auf ertragbare Lasten bei Gusseisen (Quelle: Borutzki)
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S. 17
Gestaltungslehre
Verwende bei Torsion möglichst geschlossene Profile.
Bild 12: Einfluss der Gestalt auf ertragbare Torsionslasten (Quelle: Wächter)
Vermeide in Torsionsprofilen Durchbrüche oder lege sie in nicht durch Torsion
beanspruchte Querschnitte der Konstruktion. Durchbrüche schädigen auch
Bereiche bis weit außerhalb des Durchbruchs. Deshalb nicht vermeidbare
Durchbrüche mit Passdeckeln verschließen.
Bild 13: Einfluss von Durchbrüchen auf ertragbare Torsionslasten (Quelle: Borutzki)
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S. 18
Gestaltungslehre
Bild 14: Einflussbereich von Durchbrüchen
Erhöhe den Widerstand gegen Deformation, Biegung und Torsion durch Rippen.
Tabelle 12: Wirkung von Rippen (nach Seitz und Borutzki)
Bestlösung
Diagonalverrippung
gegen Biegung bedingte,
gegen Torsion keine Wirkung
waagerechte Querstege
keine Wirkung
senkrechte Querstege
Tabelle 13: Wirkung von Rippen
Rippeneinfluß an biegebeanspruchter
Konsole:
a) dreieckige Knotenblech-Rippen sind
abzulehnen, sie erhöhen die
Spannungen im Bereich „m“
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b) längere Rippen sind günstiger,
Spannungsspitzen bleiben jedoch;
e) die durchgehende Rippe schafft eine
günstigere Spannungsverteilung
S. 19
Gestaltungslehre
Vermeide an Gussteilen Rippen im Zugbereich oder Verstärke zugbelastete
Bereiche.
Tabelle 14: kraftflussgerechte Anordnung von Rippen (Quelle: Wächter)
Rippen an Gussstücken:
a) unversteifter Kragträger
b) versteifende Rippen im Zugbereich
angeordnet (ungünstig)
c) verstärkende Flansche im Zugbereich
d) druckbeanspruchte Rippen (günstig)
c) keglige Gestalt mit Schraubentaschen
ist günstiger
Flanschhülse für Lagerabstützung
(Lagerkraft FL):
a) ohne Verrippung, die weiche Gestalt
gestattet Verformung
b) Rippen versteifen, liegen aber z.T. im
Zugbereich
Flaches Gehäuse mit Innendruck:
Rippen sind hier jeweils richtig im
Druckbereich angeordnet. Wenn im
Innenraum Bauelemente untergebracht
sind, muß bezüglich der hindernden
Innenrippen eine Konpromißlösung
gefunden werden.
Kreisringrippen:
a) Ringrippe strebt bei Durchbiegung
nach außen; Zugspannungen in der
Rippe behindern Durchbiegung der
Platte
c) Rippen für gute Wirkung im Bereich
starker Auslenkung anordnen (im
Zentrum fast nutzlos)
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(Quelle: Orlov)
b) günstigere Gestalt, Druckspannungen
in der Rippe
(Quelle: Orlov)
S. 20
Gestaltungslehre
Vermeide Verformungsbehinderung an nachgiebigen Bauteilen.
Tabelle 15: Verformungsbehinderung an nachgiebigen Bauteilen
Verformung eines UProfils bei Torsion
Elastische Verformung
und resultierende
Flansch-Verschiebungen
S1/S2 soll möglichst
wenig behindert werden
(besonders wichtig bei
schwingender
Beanspruchung).
Anschweißteile behindern
die Verformung sehr stark
Behinderung der
Verschiebung am Flansch
führt zu hohen
Spannungskonzentrationen,
speziell am Anfang der
Schweißnähte
Lösungsvorschläge
a) allmählicher Übergang
durch abgekantetes Blech
b) dünnwandiges
Knotenblech (nicht mit
dem Steg verschweißen!)
c) Anschluß am Steg behindert die Flanschverformung nicht
Ersetze bei nennenswerten Kräften Punkt- und Linien- durch flächige Berührung.
Tabelle 16: Vergleich Punkt-/Linien- und Flächenkontakt (Quelle: Orlov)
Kantenpressung an einer
gleitgelagerten Welle:
a) Kantenpressung p infolge der
Wellendurchbiegung
b) gleichmäßige Pressung durch
nachgiebige Lager
c) selbsteinstellende Lagerbuchsen
Punkt- (a, c) und Linienberührung (b)
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flächige Berührung mit gleichem
Freiheitsgrad durch Gleitschuh (G1),
Gleitstein (G2) bzw. Gleitgelenk (G3)
S. 21
Gestaltungslehre
Steigere Biegefestigkeit und Knicksteife von Blechen durch Versteifen mittels
Schalen, Rippen, Stegen und Sicken.
Tabelle 17: Vor- und Nachteile von Blechen (nach Borutzki)
Vorteile
- geringes Gewicht
- günstige Bearbeitung durch Umformen
und Fügen
Nachteile
Wegen geringer Blechdicke und dem
damit verbundenen niedrigen
Flächenträgheitsmoment besteht eine
nur sehr niedrige Formsteife.
- gute Möglichkeit funktionsintegrierten
Konstruierens
Tabelle 18: Formen von Sicken und Randversteifungen (nach Hintzen)
Sickenprofile
Stege / Rippen am Blechrand
Tabelle 19: richtungsabhängige Wirkung von Sicken (nach Hintzen)
Biegesteifigkeit
längs / um Sickenachse (x) vermindert
quer zur Sickenachse (y) erhöht
Knicksteife
erhöht
Vermindert
Die Wirkung von Sicken ist Richtungsabhängig (Tabelle 19).
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S. 22
Gestaltungslehre
Beachte:
1. Vermeide trägheitsaxial bevorzugten Bereiche oder Geraden im Sickenbild.
2. Vermeide Knotenpunkte sich kreuzender Sicken.
3. Vermeide unversteifte Randbereiche.
Tabelle 20: Wirkung von Sickenbildern (nach Hintzen)
Sickenbild ohne trägheitsaxial
bevorzugte Bereiche
Sickenbild mit trägheitsaxial bevorzugten
Bereichen
Sickenbilder an runden und rechteckigen Blechen
(Biegesteife wächst von links nach rechts)
Zur lokalen Erhöhung der Steifigkeit wird neben dem Sicken auch mit Blechen
beanspruchungsangepasster Querschnitte konstruiert. Zwei gängige Methoden dafür
sind:
-
„tailored blanks“: Bleche unterschiedlicher Dicken, erzeugt durch spezielle
Walzverfahren oder durch Schweißen (blank: Rohteil (engl.)).
„patchwork platine“: Bleche mit lokalen Verstärkungslagen, erzeugt durch
aufgeklebte oder aufgeschweißte Bleche (to patch: flicken (engl.)).
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S. 23
Gestaltungslehre
4.2 Fertigungsgerechtes Gestalten
(Design for Manufacturing, DfM)
Abhängig vom gewählten Fertigungsverfahren kann die günstige Gestalt eines
Bauteils erheblich variieren (s. Bild 15). Jedes Fertigungsverfahren stellt eigene
Ansprüche an die Bauteilgestaltung.
Bild 15. Beispiel für verfahrensabhängige Gestaltung [KON10]
4.2.1 Urformen
4.2.2 Gießen
Die Gestaltung einer Gusskonstruktion erfordert vom Konstrukteur das
gleichzeitige Bearbeiten von vier sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren:
1. Wahl des richtigen Gusswerkstoffs unter Berücksichtigung von:
- Kosten
- Festigkeit (Re und Rm)
- Elastizität (E-Modul)
- Mindestdehnung
- Stückzahl
- Bearbeitbarkeit (Zerspanen, Schweißen)
- Allgemeintoleranzen für Gussstücke
- Korrosionsbeständigkeit
- Verschleißwiderstand
- Dämpfungsfähigkeit
2. Die Merkmale der Fertigungsverfahren
-
die Eigenheiten des Gießverfahrens
die Merkmale der nachgelagerten Fertigung (Schweißen, Spanen,
Beschichten, Wärmebehandeln u.a.)
3. Das Bemessen und Tolerieren von der Gussteilen
4. Gefügeausbildung an Gussteilen
Dieses eigentlich zur Fertigungslehre zählende Gebiet wird hier wegen
des engen Bezugs zur Konstruktion anteilig mit behandelt.
Grundsätzlich gilt:
-
unterschiedliche Abkühlungen führen zu unterschiedlichen Gefügen
in Folge flüssiger Schwindung entstehen Lunker
in Folge fester Schwindung entstehen Spannungen
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S. 24
Gestaltungslehre
Weitere Hinweise:
Verlege unvermeidbare Schwindungslunker in den Speiser.
Heuverssche Kontrollkreismethode: Lassen sich die Kontrollkreise vom speiserfernen
Ort deformationslos zum Speiser führen, ist die zweckmäßige Erstarrung / Speisung
gewährleistet (s. Tabelle 21).
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S. 25
Gestaltungslehre
Tabelle 21: Materialanhäufungen und Schwindungslunker vermeiden (nach Hintzen)
a)
a) verengter Querschnitt
verhindert das Speisen der
Bodenplatte.
b)
c)
b) Zweckmäßiger Querschnittverlauf,
optimale Erstarrung und Speisung.
c) Innenwand verbessert Speisung (aber
problematische Bodenrippe)
(Die voluminösen Speiser in beiden Beispielen
sind unzweckmäßig.)
Vermeide Schwindungslunker durch Materialanhäufung (s. Tabelle 22).
Tabelle 22: Materialanhäufungen vermeiden
Knotenpunkte mit spitz
einlaufenden Rippen
Knotenpunkte mit senkrecht einlaufenden
Rippen
Knotenpunkte mit
konzentriertem Rippeneinlauf
Knotenpunkte mit aufgelöstem Rippeneinlauf
Gestalte spannungsarme Konstruktionen.
Gleichmäßige Abkühlung in allen Bauteilbereichen mindert Spannungen. Werden
gespeicherte Spannungen durch nachfolgendes Abspanen frei gesetzt, so können sich
die Bauteile verziehen (Maß-, Form- und Lageabweichungen entstehen).
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S. 26
Gestaltungslehre
Überlagerte Schrumpfspannungen
können Speichenräder verformen
und unbrauchbar machen.
Abhilfe schaffen tangential einlaufende,
gekröpfte oder ungeradzahlige
Speichenanordnungen.
Vermeide dünne Wandstärken und scharfkantige Formecken (Sandkasteneffekt).
An Stellen geringer Wanddicken und spitzwinkliger Ecken kann Bindemittel leicht
überhitzen und der Formsand vom Gießgut durchdrungen werden. Schlechte
Formstoffentfernbarkeit und vererzte Werkstückoberflächen sind die Folge.
4.2.3 Sintern
4.2.4 Umformen
4.2.4.1 (Gesenk-)schmieden
Freiformschmieden: Hier nicht behandelter Sonderfall (Fast nur noch für das
Vorschmieden sehr großer Bauteile, z.B. Schiffskurbelwellen, Achsen für
Windkraftanlagen). Für spezielle Aufgaben existieren CNCFreiformschmiedemaschinen.
Gesenkschmieden: Umformen in Formwerkzeugen:
-
Werkstücke bis 50 kg Stahl
Massenteile im Automobilbau
Wegen der beträchtlichen Werkzeug- und Maschinenkosten ist vor dem Konstruieren
eines Gesenkschmiedeteiles in der Regel eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
erforderlich.
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S. 27
Gestaltungslehre
Anwendung:
1) Für Bauteile mit hoher schwingender Beanspruchung, wenn gleichzeitig die
Forderung nach geringer Masse besteht. Typisch für schnell bewegte Teile im
Fahrzeugbau. Beispiel: Pleuel im Verbrennungsmotor.
2) Mit Hilfe des Gesenkschmiedens lassen sich Rohteile verlustarm (Werkstoff
und Energie) der Endform annähern. Dadurch kann neben dem Gewinn
werkstofflicher Vorzüge Zerspanungsarbeit reduziert werden.
Eigenschaften gesenkgeschmiedeter Teile (Kaltmassivumformung in Serie.
Industrieverband Massivumformung e.V.; Goldene Pforte 1; 58093 Hagen; ISBN 3928726-18-8):
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S. 28
Gestaltungslehre
4.2.4.2 Kaltfließpressen
Fließpressen ist ein Druckumformen, wobei der Werkstoff mit einem Stempel durch
eine Matrize (Pressbuchse) getrieben wird. Kaltfließpressen findet unterhalb,
Warmfließpressen oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs statt.
Verfahren werden abhängig von der Fließrichtung unterschieden (s. Tabelle 23).
Tabelle 23: Fließpressverfahren
Verfahren
Vorwärtsfließpressen
Fließrichtung
in Stempelrichtung
Rückwärtsfließpressen gegen Stempelrichtung
Querfließpressen
quer zur Stempelrichtung (teures Spezialverfahren,
nachfolgend nicht berücksichtigt)
Durch Fließpressen werden die Werkstoffkennwerte wie folgt verändert:
Mit erhöhter Streckgrenze fällt die Verformungsreserve
Streckgrenze steigt stärker als die
Zugfestigkeit
Erhöhen der Zugfestigkeit.... R m
30 . . . 120%
Erhöhen der Streckgrenze....R e
Erhöhen der Brinellhärte....H B
80 . . . 200%
4 . . . 120%
Verringern der Dehnbarkeit....ε
Faserverlauf beachten
=f (Streckgrenze)
Erhöhen der Dauerfestigkeit....σD
Weitere Hinweise:
Vermeide möglichst Schweißbearbeitung an fließgepressten Teilen.
-
Verzug
Verlust der Kaltverfestigung
Gefahr der Grobkornbildung bei kritischen Umformgraden
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S. 29
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4.2.5 Spanende Bearbeitung
Die Werkstoffausnutzung ist beim Ur- und Umformen wesentlich günstiger als beim
Abspanen. Dennoch sind die Abspanverfahren wegen ihrer Variabilität, der
erzielbaren Genauigkeit und der weitgehenden Stückzahlunabhängigkeit die meist
genutzten Fertigungsverfahren:
Variabilität
Das Abspanen gestattet die Fertigung sowohl sehr großer Werkstücke (>>1000mm)
als auch sehr kleiner Formelemente (Bohrungen und Einstiche) sowie Gewinde und
Verzahnungen in vielfältigster Form.
Genauigkeit
Die mit Ur- und Umformen erreichbare Genauigkeit gestattet trotz stürmischer
Entwicklung dieser Verfahren (Präzisions- und Feinguss sowie Feinschmieden) nicht
die Fertigung vieler Präzisionsteile (Hartfeindrehen, Schleifen, Läppen, Honen).
Stückzahlunabhängigkeit
Das Verwenden von Universalwerkzeugen ermöglicht das wirtschaftliche Spanen bei
Stückzahl eins. Ur- und Umformverfahren erfordern dagegen wegen der oft teuren
Werkzeuge in der Regel Stückzahlen >1000.
Aufgrund der Vielfalt der spanenden Verfahren werden nachfolgend nur Verfahren
und Beispiele berücksichtigt, die in der Einzel-, Klein- und bedingt der
Mittelserienfertigung vorrangig sind.
4.2.5.1 Drehen
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S. 30
Gestaltungslehre
Weitere Hinweise:
Fertige Rotationsteile ggf. durch Reibschweißen vor, um hohe Abspan-Volumina
(und somit Materialkosten, Bearbeitungszeit, Werkzeugverschleiß) zu vermeiden.
Gewährleiste Zugänglichkeit für Werkzeuge
Vollständige Bearbeitung in einer Aufspannung anstreben.
Beidseitig abgesetzte Spitzendrehteile müssen umgespannt wer (
Umspanntoleranz).
Aufwand,
Tabelle 24: Einseitige Einspannung anstreben (nach Hoenow/Leupoldt)
Vermeide nachträgliche Fräsbearbeitung – Ermögliche Sechskantteile aus
Sechskantstahl.
Tabelle 25: Rotationsteile aus Sechkant-Halbzeug (nach Hoenow/Leupoldt)
Unzweckmäßig (jeweils rundes Halbzeug
erforderlich)
Günstig (sechskantig Halbzeug möglich).
Gewährleiste Spannmöglichkeit (zylindrische Spannflächen) für Futterteile!
Tabelle 26: zylindrische Spannflächen an Futterteilen (nach Hoenow/Leupoldt)
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S. 31
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4.2.5.2 Bohren
Grundsatz:
Bohrungen werden in der Regel auf senkrecht arbeitenden Tisch-, Ständer- oder
Radialbohrmaschinen gefertigt. Die Werkstücke sollen daher vorzugsweise
rechtwinklige Arbeitsrichtungen besitzen.
Weitere Hinweise
Beachte die Werkzeuggestalt, insbesondere bei Grundbohrungen!
Bild 16: Bohrgeometrien abhängig vom Werkzeug (nach Hoenow/Leupoldt)
Vermeide schräges Anbohren (Bohrer verläuft) und bei festen Werkstoffen auch
schrägen Bohrerauslauf (Haken und Bohrerbruch durch zeitweise einseitige
Schnittkraft)!
Bohrungen in schrägen Teilen erfordert lokale Planfläche (Bild 17, z.B. durch
Stirnfräsen b) + c), Gussansätze d) oder Gusstaschen e)).
Bild 17: Planflächen für Bohrungen (nach nach Hoenow/Leupoldt)
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S. 32
Gestaltungslehre
Vereinheitliche Bohrungen innerhalb eines Bohrbilds!
Dies vermeidet Werkzeugwechsel bei Fertigung und (De-)Montage.
Tabelle 27: Bohrbilder vereinheitlichen (nach Hoenow/Leupoldt)
Bevorzuge Bohrungen senkrecht zur Aufspannfläche! Bei unvermeidbaren
Schrägbohrungen bevorzuge Winkel nach Stufensprung mit ganzzahliger Teilung!
Sonst sind teure Sonderspannvorrichtungen oder eine Koordinatenbohrmaschine
erforderlich. Standardwinkel erlauben immerhin den Einsatz eines Prismas oder
Teilkopfes.
Tabelle 28: Bohrungslage zur Aufspannfläche (nach Hoenow/Leupoldt)
Vermeide an Bohrteilen andere nachfolgende Arbeiten!
Tabelle 29: Bohrungslage zur Aufspannfläche (nach Hoenow/Leupoldt)
Gewindefreistich (1) und
Innenausdrehung (2) erforderlich
Gewindeauslauf und Verlagern des
Ringkanals in ein eingesetztes Drehteil
erlauben Komplettbearbeitung auf
Bohrmaschine.
Vermeide Bohrungsüberschneidungen (Verlaufen des Bohrers)! Bohre
unvermeidbare Überschneidungen überschneidungsfrei vor.
Tabelle 30: Bohrungslage zur Aufspannfläche (nach Hoenow/Leupoldt)
Vorbohren mit d1 / d2 und a> (d1+d2)/2, dann
aufbohren auf d3 / d4
Löse unzugänglich Werkstücke in bearbeitbare Einzelteile auf und füge diese
anschließend.
Oft sind zwei einfache Einzelteile kostengünstiger zu fertigen als ein Komplexbauteil.
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S. 33
Gestaltungslehre
4.2.5.3 Fräsen
Grundsatz:
Ebene Flächen werden bei hoher Zerspanungsleistung überwiegend durch Fräsen
gefertigt. Bei speziellen Anforderungen können ebene Flächen auch mit anderen
Fertigungsverfahren wie Hobeln, Stoßen, Sonder-Drehverfahren erzeugt werden. Zur
Feinbearbeitung werden Verfahren wie Schleifen, Läppen oder Honen genutzt.
Vorgehen und erzeugbaren Geometrien sind verfahrensabhängig (s. Tabelle 31).
Weitere Hinweise:
Ermögliche den Einsatz von Scheibenfräsern!
Tabelle 31: Vergleich Schaft- und Scheibenfräser
Merkmal
Schaftfräser
Scheibenfräser
Zerspanungsleistung
niedrig
hoch
erforderlicher
Werkzeugauslauf
klein
groß
Erzeugte Fläche beim
Durchfahren des Werkstücks
eben
gewölbt
Erzeugte Grundfläche beim
Tauchfräsen
eben (ideal für
geschlossene StandardPassfedernuten)
durchmesserabhängig
gewölbt (abstimmbar
auf Halbrund-Passfeder)
Satzfräsen möglich
(mehrere Flächen gleichzeitig
erzeugen durch parallele
Werkzeuge auf einer Spindel)
nein
ja
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4.2.5.4 Schleifen
4.2.5.5 Schneiden
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4.2.5.6 Blechbiegen
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S. 36
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4.3 Montagegerechtes Gestalten
(Design for Assembly, DfA)
Das montagegerechte Gestalten soll stets von der Gestaltung des gesamten Produkts
ausgehen. Ein maximaler Effekt lässt sich nicht erreichen, wenn nur die verbesserte
Montage einzelner Baugruppen oder deren Schnittstellen (Fügestellen) untersucht
werden (s. Bild 18).
Die ganzheitliche Montagebetrachtung ist auch heute noch nicht selbstverständlich.
Sie erfordert vor allem, dass Spezialdisziplinen wie Fügen (Löten, Schweißen, Kleben,
Schrauben, Toxen…), Teilefertigung (Ur- und Umformen, Spanen…) und das
Tolerieren eine gemeinsame komplexe Berücksichtigung finden. Dies geschieht in
der Regel durch Teamarbeit und in kleineren Unternehmen durch Konstrukteure mit
einem umfassenden Fachwissen.
Bild 18: Vorgehen beim montagegerechten Gestalten (Quelle: Borutzki)
Die Gestaltungsregeln zum montagegerechten Gestalten sind erzeugnis- und
industriezweiggebunden – Für den Schiffsbau mit Baustellenmontage gelten andere
Richtlinien als für den Produzenten von Elektronikplatinen. Nachfolgend werden
einige weitgehend anwendbare Richtlinien dargestellt zu den Themen
-
Montagegerechte Baustruktur (primär von Produkten),
Fügegerechte Gestaltung (primär von Verbindungsstellen),
Handhabegerechte Gestaltung (primär von Einzelteilen),
Automatisierungs- und robotergerechte Gestaltung,
Toleranzgerechte Gestaltung,
Prüfgerechte Gestaltung sowie
Service-gerechte Gestaltung.
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S. 37
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4.3.1 Montagegerechte Baustruktur (von Produkten)
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S. 38
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S. 39
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4.3.2 Fügegerechtes Gestalten (von Verbindungsstellen)
In die Konstruktionszeichnung legt der Konstrukteur Fügeverfahren (Schrauben,
Nieten, Schweißen...) und Fügeelemente (Passschraube, Stanzniet,
Schweißelektrode) fest und trifft somit weitreichende Vorentscheidungen zu
-
Kosten für Material des Verbindungselements und für vorbereitende
Fertigung der Fügestelle sowie
Taktzeiten und Aufwand (inkl. Raum-, Energie-, Investitions-, Personal- und
ggf. Umweltkosten!) des Fügeverfahrens.
Insbesondere umformende und parallelisierbare Fügeverfahren wie Durchsetznieten
bzw. Buckelschweißen bieten häufig vom Konstrukteur unterschätzte Vorteile.
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S. 40
Gestaltungslehre
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S. 41
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4.3.3 Handhabegerechtes Gestalten (primär von Einzelteilen)
Wenn Einzelteile eine Baugruppe wesentlich bestimmen (z.B. Schaltungsplatine in
der Elektronik oder Trägerrahmen im Fahrzeugbau), gelten die nachfolgenden
Hinweise auch für Baugruppen.
Grundsatz:
Zunehmende Kompliziertheit eines Teiles erschwert seine Handhabbarkeit.
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S. 42
Gestaltungslehre
Allgemeine Gestaltungsziele für Einzelteile sind:
-
Erleichtere das Identifizieren
Erleichtere das Ordnen
Erleichtere das Handhaben
Erleichtere das Weitergeben und speichern
Weitere Hinweise:
Werkstücke mit ausgeprägten Ordnungsmerkmalen lassen sich mit Hilfe von
Vibrationswendelförderern in den erforderlichen Ordnungszustand bringen. Das
Konstruieren der dafür erforderlichen Schikanen ist ein gesondertes Gebiet.
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S. 43
Gestaltungslehre
4.3.4 Automatisierungs-/Robotergerechtes Gestalten
Grundsatz:
Je unabhängiger ein Montagesystem vom flexibel agierenden Menschen ist,
-
desto weniger flexibel ist das System (s. Tabelle 32),
desto stärker wirken sich Fehler aus,
desto konsequenter müssen die Richtlinien für fügegerechte
Verbindungsstellen und handhabegerechte Teile umgesetzt werden und
desto detaillierter müssen Fertigungsfehler / -toleranzen auf Folgen
geprüft werden (s. Tabelle 33).
Tabelle 32: Vergleich von Automatisierungsstufen
Automatisierungsstufe
Beschreibung
Flexibilität
Effizienz
selbstObjekt bewegt sich selbständig an den
organisierend Montageort (z.B. rollende Kugel bei der
Wälzlagermontage)
automatisiert
hocheffektive Montageautomaten für einen
selektiven Zweck
robotergestützt
Varianz unterschiedlicher Anwendungen
oder Kompliziertheit der Teile erfordert
„intelligentere“ Montagetechnik
mechanisiert
Kontroll- und Handhabeoperationen durch
Mensch mit technischer Unterstützung (z.B.
Manipulatoren, Hebehilfen)
manuell
Komplizierte Montageoperation nur
manuell möglich oder bei Einzelfertigung
(z.B. Handhabung biegeschlaffer Bauteile
wie Textilien)
Tabelle 33: Automatisierungskritische Teilemerkmale aus Fertigungsverfahren
Fertigungsverfahren
automatisierungskritische Teilemerkmale
Ausschneiden Gratbildung u. -lage, Vermischung von Gut- und Abfallteilen,
Verschmutzung (Fett, Öl)
Beschichten
Schichtdicke, Haftung der Schicht, Farbnasen
Biegen
Rückfederung, Biegewinkeltoleranz, Gratlage
Drahtziehen
Unterschiedliche Härten, Verzug nach der Galvanik
Gießen
Teilungsgrat, Toleranz, Angussmarken
Plastspritzen
Teilungsgrat, Oberflächenrauheit, elektrostatische Aufladung,
Einfallstellen
Schweißen
Verzug, Schweißspritzer, Toleranzüberschreitung
Spanen
Grat, anhaftende Späne, Kühlmittelrückstände
Thermisches
Trennen
Grat- und Gratlage, Verzug dünner Teile
Tiefziehen
Toleranzen, Faltenbildung, Ziehfettrückstände
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Robotergerecht bedeutet automatisierungsgerecht. Während technologische
Roboter über standardisierte Schnittstellen mit Werkzeugen bestückt werden,
müssen Handhaberoboter oft unterschiedliche Bauteile mit roboter-unabhängigen
Funktionen greifen. Der Endeffektor, der dies übernimmt, besitzt häufig keine
sensorische Greifkraftbegrenzung und „fühlt“ auch nicht die Schwerpunktlage der
Werkstücke. Daraus lassen sich konstruktive Forderungen an Teile, die von Robotern
gegriffen werden (s. Tabelle 34).
Tabelle 34: Richtlinien für die robotergerechte Gestaltung (Quelle: IPA)
4.3.5 Toleranzgerechtes Gestalten
4.3.5.1 Tolerierungsprinzipe
Toleranzen sind insbesondere bei Maßketten ein Kernproblem der Konstruktion: Für
die Funktion ergibt sich häufig ein sehr eng gefordertes Schlussmaß („M0“). Für
interne Fertigung und Zulieferer sind dagegen häufig Einzeltoleranzen (M1 ... Mn),
sinnvoll, günstig oder überhaupt fertigbar, die in Summe das Schlussmaß übersteigen
würden.
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Das Schlussmaß M ist immer das Maß einer Baugruppe oder eines Werkstücks, bei
dem sich die Toleranzen der übrigen Maße der Maßkette voll auswirken. Es ist das
Maß, das sich nach Realisierung aller voneinander unabhängigen Einzelmaße am
Schluss der Montagefolge bei Baugruppen bzw. nach der Bearbeitung von
Einzelteilen ergibt (s. Bild 19).
Bild 19: Beispiel für eine Toleranzkette (Trumpold; Beck; Richter: Toleranzsysteme und
Toleranzdesign. Carl Hanser Verlag München Wien 1997)
Diese widerstreitenden Anforderungen können durch unterschiedliche Prinzipe
gelöst werden (s. Tabelle 35).
Tabelle 35: Tolerierungsprinzipe
Tolerierungsprinzip
Merkmale
vollständige
Austauschbarkeit
(MaximumMinimum-Methode)
Summe aller Einzeltoleranzen M1 ... Mn < Schlussmaß M0
sehr enge Fertigungstoleranzforderung, großes
resultierendes Spiel.
Anwendung:
- kurzgliedrige Maßketten / vielgliedrige Maßketten mit
großer zulässiger Toleranz im Schlussmaß
- kleine Stückzahlen
meist unrationell im Maschinenbau (leider trotzdem häufig…).
unvollständige
Austauschbarkeit
Mehrkosten durch statistisch vertretbare Montagefehler
werden für Kostenvorteil grob tolerierter Fertigung in Kauf
genommen.
Nacharbeit oder Ausschuss. Nachweis der
Wirtschaftlichkeit per Kostenrechnung erforderlich.
Anwendung:
- langgliedrige Maßketten (z.B. mehrstufige Getriebe)
- hohe Stückzahl
Gruppenaustauschbarkeit
"Grob toleriert" fertigen, nach Ist-Maß Gruppen/Klassen
bilden und in Montage passend kombinieren.
erhöhter Mess-, Lagerhaltungs- und
Bereitstellungsaufwand.
Anwendungsgrundsätze:
- kurze Maßketten erforderlich (Wälzlager, Welle/Nabe,
Kolben/Laufbuchse)
- Massenteile mit ähnlichem Teileanfall je Toleranzklasse
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Justieren und Passen Toleranzen werden erst beim Zusammenbau durch
montagetechnische Hilfsmittel eingestellt durch:
- Passen:
Abarbeiten von absichtlich gefertigten Übermaßen auf das
Passmaß "vor Ort"
- Justieren:
Einbau von Passteilen / Einstellen verstellbarer Bauteile
(z.B. Schälbleche, „schälbare Zwischenlage“)
- Verwenden "toleranzschluckender Bauteile" (meist durch
elastische oder plastische Verformung, s. Bild 20)
elastisch federnde
Gabel passt
elastisch verspannte Buchse passt
Stiftabstand an
sich an Lagerabstand an
Keilförmiger Sicherungsring biegt sich auf
Bild 20: Beispiele für toleranzschluckende Bauteile
4.3.5.2 Tolerieren ausgewählter Oberflächenmerkmale
Hier werden für die praktische Anwendung Empfehlungen vermittelt. In jedem Fall
müssen diese im Einzelfall den konkreten Anforderungen folgend auf Anwendbarkeit
geprüft und ggf. präzisiert werden.
Wähle an bearbeiteten Flächen die höchst zulässige Rauheit.
Alle spanend bearbeiteten Flächen weisen in Abhängigkeit von den jeweiligen
Spanungsbedingungen eine vorherbestimmbare Rauheit auf. Es gilt: Mit fallender
Rauheit RZ steigen die Bearbeitungskosten. Die allgemein verbreitete und beliebte
Angabe RZ6 geht fast so oft wie gewählt daneben (s. Bild 21).
Bild 21: Toleranzen für Funktionsflächen
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S. 47
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4.3.6 Prüfgerechtes Gestalten
Beim prüfgerechten Gestalten handelt es sich um ein wenig entwickeltes Fachgebiet.
Vermeide das Prüfen von Maßketten in der Montage!
Maßketten sind schwer zu prüfen.
Vermeide rechtwinklige Führungsflächen!
Häufig erfordern sie Einstell- und Paßarbeit.
Parallelitätsprüfung ist einfacher als
Rechtwinkligkeitsprüfung auszuführen.
Setze Montage-integrierte Anwesenheits- oder Fortschrittskontrolle
Montage soll ohne zusätzliche Prüfoperationen möglich sein. Lassen sich Bauteile
während der Montage in falscher Lage problemlos fügen, so muss mit Fehlmontagen
gerechnet werden. Das japanische POKA YOKE (Null Fehler-Strategie, SchlüsselSchloss-Prinzip, PY-Prinzip, mistake-proofing) soll dies verhindern.
Tabelle 36: Beispiel für Poka Yoke
Anwesenheitsprüfung über Bauteilgestalt ohne
zusätzliche Hilfsmittel
Gestalte Verbindungen prüfbar!
Verwende Fügeelemente, die das Prüfen der Verbindungsqualität weitgehend
problemlos gestatten, z.B.
-
Ultraschallprüfung
faseroptische Unterlegscheiben zur Kontrolle von Anzugsmomenten
mit Hilfe der Dehnung von in die Schraube integrierten optischen Fasern.
Fordere nur prüfbare Qualitäten!
z.B. sind geklebte Außenhäute im Schienenfahrzeugbau nicht prüfbar.
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4.4 Recyclinggerechtes Gestalten
Bild 22. Recycling-Formen [KON10]
Bild 23. Gestaltungsrichtlinien für Recyclinggerechte Produkte [KON10]
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4.5 Ergonomiegerechtes Gestalten
4.5.1 Überblick
4.5.1.1 Definition
„Ergonomie“ leitet sich aus den gr. Worten "ergon" (menschliche Arbeit) und
"nomos" (Regel oder Ordnung) ab. Sie bildet das Bindeglied, zwischen Arbeit, Technik
und Mensch.
Definition der International Ergonomics Association (IEA):
“Ergonomie (oder “Faktor Mensch”) ist die Wissenschaft, die sich mit dem
Verständnis der Interaktion zwischen Menschen und anderen Elementen eines
Systems beschäftigt, und der Beruf, die Theorie, die Prinzipien, Daten und Methoden
auf die Gestaltung anzuwenden, um das menschliche Wohlbefinden und die
Performanz des Gesamtsystems zu verbessern.
Ergonomen tragen zur Gestaltung und Bewertung von Aufgaben, Berufstätigkeiten,
Produkten, Umfeld und Systemen bei, um diese mit den Bedürfnissen, Fähigkeiten
und Einschränkungen von Menschen kompatibel zu machen.” (Sinngemäß in Deutsch
übersetzt).
4.5.1.2 Einordnung
Die Ergonomie ist ein Teilgebiet der Arbeitswissenschaften.
Ziel:
•
das technische Umfeld an den Menschen anzupassen.
•
den Menschen an das technische Umfeld anzupassen.
Nach Betrachtungsgegenstand unterteilt:
•
Produktergonomie:
z.B. Industriegüter (auch Arbeitsmittel!), Gebrauchsgüter, Fahrzeuge,
Medizinprodukte, usw.)
•
Produktionsergonomie:
Abläufe, Arbeitsplätze, Arbeitsmittel
Im Rahmen der Gestaltungslehre wird hier das ergonomiegerechte Gestalten von
Produkten behandelt.
Eine gute Dokumentation ist Teil eines ergonomiegerechten Produkts!
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S. 50
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4.5.1.3 Vorteile ergonomischer Produkte
Ergonomie-gerechtes Gestalten von Produkten begünstigt:
•
positive Kundenwahrnehmung: Das Web 2.0 mit unabhängigen
Produktportalen / Communities ermöglicht sehr niederschwellige und
schnelle Abgabe und Recherche von Kundenmeinungen – ob berechtigt oder
nicht! Bei Produkten für Endkunden ein entscheidender Faktor für die
Kundenzufriedenheit - und somit den Ruf.
•
die Nutzung des Produkts: Meist reicht es aus, Frust zu vermeiden / nicht zu
demotivieren
•
den bestimmungsgemäßen Gebrauch (= Vermeiden von unsachgemäßem
Gebrauch)
•
Arbeitsschutz und Arbeits-/Nutzungssicherheit
•
Höhere Produktivität durch effizientere Bedienung ("Eh-da-Kosten“
vermeiden!)
•
Fehlerfreiheit in Fertigung, Montage, Prüfung, Bedienung und Service (=
geringere Ausschuss-, Nacharbeits- und Servicekosten).
4.5.2 Teilaspekte
4.5.2.1 Gebrauchstauglichkeit / Usability
auch: Nutzer-orientierte Gestaltung, User Centered Design, Design for Usability /
Usability Engineering
Definition nach DIN EN ISO 9241 Teil 11:
„…das Ausmaß, in dem ein Produkt, System oder ein Dienst durch bestimmte
Benutzer in einem bestimmten Anwendungskontext genutzt werden kann, um
bestimmte Ziele effektiv, effizient und zufriedenstellend zu erreichen.“
Gebrauchstauglichkeit bildet die Mindestanforderung an ein System zur
Zufriedenstellung der Nutzer ab. Sie betrifft sehr viele Aspekte und Zielstellungen,
von denen manche ausführlich beschrieben sind, z.B. Barrierefreiheit, MenschComputer-Interaktion, Software- / Webseiten-Ergonomie oder Typografie
(Lesefreundlichkeit u. a.). Beispiel für harte Normen zur Gebrauchstauglichkeit:
ISO 9126
(DIN 66272)
Bewerten von Softwareprodukten – Qualitätsmerkmale und
Leitfaden zu ihrer Verwendung
ISO 9241
Ergonomische Anforderungen für interaktive Systeme sowie der
Prozess zur Gestaltung interaktiver Systeme
ISO/IEC
12119
Software-Erzeugnisse – Qualitätsanforderungen und
Prüfbestimmungen
ISO 14915
Software-Ergonomie für Multimedia-Benutzungsschnittstellen
EN 60601-1-6 Gebrauchstauglichkeit für Medizinische Geräte
DIN EN
62366
Anwendung der Gebrauchstauglichkeit auf Medizinprodukte
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S. 51
Gestaltungslehre
Für wiederkehrende mechanische Elemente (Maschinenelemente) ist
Gebrauchstauglichkeit häufig in die Normen zu den Elementen selbst eingeflossen.
Die Gebrauchstauglichkeit komplexer mechanischer Produkte mit sehr
unterschiedlicher Zweckbestimmung ist hingegen schwierig in Regeln zu fassen.
Gebrauchstauglichkeit ist somit häufig eine Frage des „gesunden
Menschenverstands“ im konkreten Einzelfall, was sich gut an Beispielen und
Fallstudien verstehen lässt.
4.5.2.2 Benutzerfreundlichkeit
Im Unterschied zur Gebrauchstauglichkeit berücksichtig die Benutzerfreundlichkeit
(engl. user friendliness) die emotionalen Aspekte des gesamten Nutzungserlebnisses
(„user experience“) – Sie bildet somit ab, wie angenehm über die
Mindestanforderungen hinaus ein Produkt zu nutzen ist.
4.5.2.3 Gewährleistung von „bestimmungsgemäßem Gebrauch“
Mechanische Produkte werden z.T. unsachgemäß zweckentfremdet. Die Folgen
reichen von optischen Schäden und schlechtem Wirkungsgrad über reduzierte
Lebensdauer und Sofort-Defekt bis hin zur Gefährdung von Menschenleben.
Prinzipiell kann man sachgemäßen Gebrauch gewährleisten, indem
•
unsachgemäßer Gebrauch durch Gestaltung verhindert wird.
•
der unsachgemäße Gebrauchsfall in den Anforderung berücksichtigt wird.
Dadurch wird dieser zum bestimmungsgemäßen Gebrauch oder zumindest
zum akzeptierten Maß an Missbrauch.
Nicht jede Art des unsachgemäßen Gebrauchs kann verhindert, eingeplant oder auch
nur vorausgesehen werden. Es kann aber bereits viel bewirken, potenzielle Fälle
unsachgemäßen Gebrauchs in einer formalen FMEA, oder wenigstens informell durch
Brainstorming, Markt-Erfahrung (systematische Auswertung von Service-Fällen), etc.
zu durchdenken.
4.5.2.4 Produktsicherheit / Fail-safe design
Geht es beim bestimmungsgemäßen Gebrauch darum, Falschverwendung zu
verhindern, zielt die Produktsicherheit darauf ab, die Auswirkungen von Fehlern und
Ausfällen auf Gesundheit oder Umwelt einzudämmen. Ausfallsicher / Fail-safe ("Trotz
Versagen sicher") bezeichnet die Eigenschaft eines Systems, im Fall eines Fehlers
möglichst geringen Schaden nach sich zu ziehen.
Abgrenzung zu Fehlertoleranz
Manchmal wird im Deutschen in diesem Zusammenhang auch der Begriff
Fehlertoleranz benutzt. Bei diesem Begriff geht es aber eher um das Thema
"Bedienerfreundlichkeit". Jedenfalls ist mit diesem Begriff selten die Betrachtung
einer Gefährdung für Gesundheit und Umwelt verbunden.
Abgrenzung zu Ausfallsicherheit
Auch der Begriff Ausfallsicherheit bezieht sich nicht auf eine damit verbundene
Gefährdung, sondern auf die Zuverlässigkeit einer Anlage.
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S. 52
Gestaltungslehre
Tabelle 37: Sicherheitseinrichtungen
Notaus-Schalter
(„Not-Aus“)
Versetzt die Maschine im Gefahrenfall oder zur Abwendung
einer Gefahr schnell in einen sicheren Zustand. Je nach
Einsatzfeld werden verschiedene Strategien verfolgt
(Stoppkategorien nach EN ISO 13849-1), im einfachsten Fall
folgt der Auslösung eine Unterbrechung der Stromzufuhr.
Das sofortige Abschalten aller Antriebe mag für eine ggf.
unter einem mechanischen Hammer stehende Person die
falsche Strategie sein!).
Totmanneinrichtung
Überprüft, ob ein Mensch anwesend und handlungsfähig ist
und löst andernfalls ein Signal oder eine Schalthandlung aus.
Auch „Totmann“, „-warner“, „-schalter“, „-pedal“ oder „knopf“.
Zweihandbedienung
Sicherheitskonzept für das Arbeiten an Maschinen, bei
denen eine Quetsch- oder Abschergefahr für die Hände
möglich ist (Hantieren im gefährdeten Bereich durch das
Einlegen oder Entnehmen von Teilen bei Pressen, Stanzen,
Gießmaschinen oder ähnlichen Maschinen). Durch die
gleichzeitige, getrennte Betätigung von zwei Schaltern oder
Hebeln erfolgt das Auslösen des Arbeitshubes erst dann,
wenn beide Hände aus dem Gefahrenbereich verschwunden
sind. Der Abstand der Bedienelemente wird so gewählt, dass
eine Einhandbedienung nicht möglich ist. (Aber: Die
Findigkeit von Werkern führt hier immer wieder zu
Unfällen!)
Sicherheitsraumüberwachung
Gefährdete Räume (z.B. automatisierte Fertigungszelle mit
Roboter, Autowaschanlage, etc.) können gegen Eindringen
von Personen gesichert werden, indem der Raum druch
Lichtschranken, Lichtvorhänge, Öffnungsschalter an
Maschinengehäusen und Türen, Bewegungsmelder u.ä.
überwacht wird.
Die zentrale Methode für die Produktsicherheit ist die Design Fehler-Möglichkeitsund -einfluss-Analyse (D-FMEA). An einer Maschine oder Anlage werden
systematisch Fehler unterstellt, die im Hinblick auf Auftretenswahrscheinlichkeit,
Entdeckungswahrscheinlichkeit und Schweregrad der Folgen beurteilt werden.
Neben Bauteil- oder Energieausfall auch Bedienungsfehler betrachtet. Anschließend
wird die Gefährdung durch hoch priorisierter Fehler gesenkt, indem
-
die Schwere durch günstige Gestaltung vermindert,
-
die Auftretenswahrscheinlichkeit durch günstige Gestaltung gesenkt oder
-
die Entdeckungswahrscheinlichkeit durch zusätzliche oder genauere
Prüfungen erhöht wird.
Dieses Prinzip wird in allen technischen Bereichen angewendet. In vielen Fällen gibt
es hierfür branchenspezifische Sicherheitsvorschriften. Beispielsweise ist diese
Vorgehensweise in der Medizintechnik im Rahmen des Produkt-Risikomanagements
vorgeschrieben.
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S. 53
Gestaltungslehre
Fail-safe Design (Produktsicherheits-orientiertes Gestalten) ist eine
Konstruktionsmethode, um das Auftreten von Fehlern in Systemen zu erkennen und
eine Maschine in einen sicheren Zustand zu bringen. Es berücksichtigt, was passiert
wenn,
-
die Haupt- oder Hilfsenergie ausfällt,
-
ein Bauteil versagt (zerstört ist),
-
ein Bedienfehler vorliegt,
-
ein Feuer oder eine Explosion stattfindet,
-
eine Undichtigkeit vorliegt,
-
mehrere Probleme zusammenwirken, oder
-
absichtlich Probleme erzeugt werden.
Beispiel für Produktsicherheit: Das Steuerungssystem einer Bahn ist so konfiguriert,
dass die Bahn automatisch zwangsgebremst wird, wenn der Lokführer ein Haltesignal
überfährt.
Kommt man zu keinem befriedigenden Ergebnis, dann kann die Planung von
redundanten Bauteilen ein Ausweg sein. Bezogen auf das Thema Sicherheit sind dann
solche Bauteile notwendig und nicht überflüssig.
Beim statischen Fail-safe werden Komponenten so angebaut und steuerungsseitig
angeschlossen, dass die Komponente bei Ausfall einen sicheren Zustand herstellt. So
wird zum Beispiel ein Sensor so an eine Überwachung angebracht, dass er im
Normalzustand betätigt ist (Spannung liegt am auswertenden Gerät an). Bei
Entfernen der Sensor-Betätigung oder einem Drahtbruch erkennt das auswertende
Gerät den gleichen Zustand wie bei einem nicht-betätigten Sensor und stoppt die
Maschine. Das statische Fail-safe ist nicht überlistungssicher, da es durch
Manipulationen möglich ist, die Komponente so zu beeinflussen, dass dem
auswertenden Gerät ein sicherer Zustand vorgetäuscht wird (zum Beispiel über eine
Drahtbrücke, ein den Sensor auf andere Weise betätigendes Element). Statisches
Fail-safe kann sowohl auf Sensorik als auch für Aktorik eingesetzt werden.
Das dynamische Fail-safe überwacht Zustandsänderungen einer angeschlossenen
Komponente. So werden Reaktionen auf einen Sensor nicht durch den Zustand des
Sensors selbst, sondern durch einen Wechsel des Zustands ausgelöst. Bei Sensoren,
die regelmäßig eine Zustandsänderung (zum Beispiel in jedem Maschinentakt)
durchführen, wird zusätzlich eine Plausibilitätskontrolle durchgeführt. Abhängig von
der Maschinenposition muss der Sensor an einer vorher bestimmten Position einen
bestimmten Zustand einnehmen. Dynamisches Fail-safe ist nur für Sensorik möglich.
4.5.2.5 Mensch-Maschine-Schnittstelle / Human-Machine-Interface
HMI
Eine Benutzerschnittstelle einer Maschine erlaubt dem Benutzer
•
das Beobachten der Anlagenzustände,
•
das Bedienen der Maschine
•
und – falls erforderlich – das Eingreifen in den Prozess.
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S. 54
Gestaltungslehre
Weil von vielen Maschinen eine erhebliche Gefahr ausgehen kann, soll sie so
übersichtlich und eindeutig gestaltet sein, dass sie selbst in Panik sicher bedient
werden kann. Vor Allem sicherheitsrelevante Bedienelemente, z.B. Notaus-Schalter,
sind gesetzlich oder versicherungstechnisch vorgeschrieben und müssen genaue
Anforderungen erfüllen.
Auch die Farbgebung von Drucktaster-Bedienteilen und Lichtanzeigesäulen
(„Signalsäule“ oder „Ampel“) ist international genormt nach IEC/EN 60073 (VDE
0199) und IEC/EN 60204-1 (VDE 0113 Teil 1). Die Farben bei Signalsäulen von
Maschinen sollen in der dargestellten Reihenfolge verwendet werden.
Zusätzlich sind Symbole vorgesehen, nach IEC 60417-5007, z.B.:
| – Start
O – Stop
4.5.2.6 Biomechanik („Anthropometrie“), Arbeitsphysiologie &
Arbeitsmedizin
•
Biomechanik: Mechanik
•
Arbeitsphysiologie: Leistungsfähigkeit (Muskeln, Kreislauf, etc.)
•
Arbeitsmedizin: Leistungserhalt
des menschlichen Körpers. Dadurch können Modelle erstellt und berücksichtigt
werden zu
•
statischen Körpergrenzen (Haltungen, Belastungen), dynamischen
Körpergrenzen (Bewegungen), physiologisch ertragbarer Einsatzdauer (vor
Ermüdung) und medizinischer Unbedenklichkeit
•
abhängig von Körpermaßen, Alter, Geschlecht, Erfahrung / Übung sowie
Stärke, Dauer und Häufigkeit von Belastung (z.B. zulässige Hebelasten ohne
Hilfsmittel) bzw. ungünstigen Einflüssen (z.B. Röntgenstrahlen).
Zentrale Voraussetzung für ein Modell des Bedieners ist die genaue Kenntnis der
Zielgruppe (Bereich von… bis…) des Produkts!
Normen können nicht jede Eventualität abdecken, deshalb orientieren sie sich an
90% der jeweiligen Bevölkerung. Man spricht vom 5. Bis 95. Perzentil. Bei der
Körpergröße bedeutet das:
•
5. Perzentil: nur 5 % sind kleiner
•
50. Perzentil: 50 % sind kleiner bzw. größer (Medianwert)
•
95. Perzentil: nur 5 % sind größer
(NASA-Standard 3000T, wird aber in ähnlicher Form auch in anderen Normen
verwendet).
Normen für Deutschland:
•
EN ISO 7250 Wesentliche Maße des menschlichen Körpers für die technische
Gestaltung
•
DIN 33402 Körpermaße des Menschen
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S. 55
Gestaltungslehre
•
DIN 33408 Körperumrissschablone
•
DIN 33411 Körperkräfte des Menschen
Gestalte Produkte zielgruppengerecht!
4.5.2.7 Weitere Aspekte der Ergonomie
•
Anthropotechnik (Anpassung technischer Systeme an den Menschen)
•
Arbeitspsychologie (konkret: Ingenieurpsychologie)
•
Design
5 Literaturverzeichnis
[HIN89]
[KON10]
[PAH07]
[ROL09]
Hintzen, H.; Laufenberg, H.; Matek, W.; Muhs, D.; Wittel, H.:
Konstruieren und Gestalten. Vieweg Verlag, Braunschweig, 1989.
Konrad, K.-J.: Grundlagen der Konstruktionslehre. Hanser-Verlag,
München, 2010.
Pahl, G.; Beitz, W.; Feldhusen, J; Grote, K.-H.: Konstruktionslehre.
Springer-Verlag, Berlin, 2007.
Rollof, Matek: Maschinenelemente. Lehrbuch mit Tabellenbuch. 19.
Aufl.. Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2009.
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