Konstruktion und Kreativität

Schraubtechnik, ITB Maschinenbau, Konstruktion
Volker Thierjung

Am Anfang einer Konstruktion steht nicht – wie sich vielleicht vermuten ließe – die kreative Idee eines Konstrukteurs, sondern die aus dem Bedarf abgeleitete Aufgabenstellung, welche zugleich den Ausgangspunkt der Top-Down-Analyse bildet. Diese Analyse strukturiert die Aufgabenstellung in überschaubare Teilfunktionen und zeigt mögliche Probleme auf. Der Charakter bzw. die Dimension eines Problems ergibt sich aus der Interaktion von Prozessanalyse und dem Imaginationsvermögen des Konstrukteurs. Genau an dieser Stelle ist erkennbar, dass nicht der Prozess individuell oder speziell ist, sondern der Analytiker. Sein individueller Hintergrund, bestehend aus technischem Verständnis, Wahrnehmung der Aufgabenstellung und Berücksichtigung der Randbedingungen, lässt ein Problem lösbar erscheinen oder auch nicht.

Die Aufgabenstellung beschreibt das Ziel – die Planung beschreibt den Weg dorthin

Aufgabenstellung und Rahmenbedingungen bilden die Basis der Prozessanalyse, der wiederum die Teilfunktion gegenüberseht. Die Pläne (Layout, Baugruppenzeichnung, Elektroplan, Pneumatikplan, Schraubvorschriften…) sind Absprache und zugleich Verpflichtung. Die fertige Maschine ist die Manifestation der Pläne und Zeichnungen. Von der Qualität der Planung hängt die Qualität der Maschine ganz selbstverständlich und ursächlich ab. Menschliche Planungsprozesse müssen daher stets vorurteilsfreie reflektorische Prüfungen vorsehen und beinhalten (ähnlich der Funktion der darwinistischen Selektion als Korrektiv in der Tier- und Pflanzenwelt). Gegenstand der Prüfung ist die Beurteilung der gewählten Strategie vor der Frage, ob sie zum gewünschten Ziel führt bzw. führen kann. Dieser Prozess bedarf einer Dokumentation, erst recht im Rahmen einer arbeitsteiligen Gesellschaftsorganisation. Unabhängige Dritte müssen im Stande sein, sowohl die Analyse- also auch die Syntheseschritte ohne Erläuterungen beteiligter Personen nachvollziehen zu können. Das Vorliegen umfangreicher und vor allen Dingen vollständiger Planungsunterlagen wird somit zum Beleg für die Qualität einer Konstruktion.

Der Konstruktionsprozess

Zur Erfüllung der Aufgabenstellung werden sowohl die Top-Down- als auch die Bottom-Up-Methodik benötigt

Aufgabenstellung <|> reales System

Analyse (Top-Down) <|> Synthese (Bottom-Up)

Prozessschritt – isoliertes Problem < – > Teilfunktion – isolierte Lösung

Das System ist so weit zu zerlegen, dass entweder eine bekannte Funktion entsteht oder mit einer einzigen kreativen Idee die Frage beantwortet werden kann. Je präziser das Problem hierbei formuliert ist, umso naheliegender ist die Antwort bzw. Lösung.

Ganz pragmatisch wird zunächst geprüft, ob ein solches Problem schon einmal gelöst wurde oder nicht. Lautet die Antwort Nein, so muss mit Hilfe der Brainstorming-Methode eine Annäherung an die Lösung erfolgen. Dieser Prozess bedarf einer gewissen schöpferischen Kraft. Nachdem erste Probleme bewältigt worden sind, müssen die Ergebnisse im Lichte der Randbedingungen und der gewünschten Zielfunktion erneut bewertet werden.

Beispiel Pleuel-Verschraubung

Aufgabestellung – alle Pleuel an einem Motor verschrauben.

Die Aufgabenstellung ist zugleich Ausgangspunkt und Top der Top-Down-Analyse. Als Wegweiser zur Erstellung eines realen Schraubsystems dient hier die Betrachtung des Schraubprozesses. Die Prozessschritte sind also gleichsam die Leitlinien zur Findung des fertigen Schraubsystems.

Zunächst ist das zu verwendende Bauteil – der Pleuel – zu betrachten.

In Motoren verbindet der Pleuel den Kolben mit der Kurbelwelle. Die Befestigung eines Pleuels an der Kurbelwelle kann nur mit Hilfe einer geteilten Lagerstelle erfolgen, weil das Auge des Pleuels nicht über die gekröpfte Kurbelwelle geschoben werden kann. Die beiden Lagerschalenhälften sind mit mindestens zwei Schrauben zu befestigen. Der Schrauber hat nun die Zielaufgabe, diese beiden Schrauben mit Hilfe eines elektrischen Werkzeugs gleichzeitig auf dem geforderten Anziehmoment zu befestigen. Je nach vorliegender Motorvariante müssen dann sukzessiv alle weiteren Pleuel verschraubt werden. Da die Bewegungsfreiheit des Schraubers eingeschränkt ist, ist der jeweils als Nächstes zu verschraubende Pleuel genau in Position zu bringen. Hierbei kann die Durchdrehvorrichtung dem Werker als wichtige Hilfe dienen. Trotz Montagehilfe gelingt es dem Werker nicht, den Pleuel prozesssicher in die erforderliche Position zu bringen; der Schrauber muss daher über einen gewissen Freiheitsgrad verfügen, um kleinste koaxiale Abweichungen von Werkzeug und Schraube ausgleichen zu können. Diese Anforderung an das Schraubsystem zieht die Funktion eines Nick-Mechanismus nach sich. Der Situation entsprechend kann nun der Schraubkopf kleinste koaxiale Abweichungen ausgleichen. Die Kunst besteht nun darin, unter Berücksichtigung aller äußeren Einflüsse eine „ganzheitliche Sicht“ auf den Montageprozess zu entwickeln. Probleme entstehen immer dann, wenn Einflussgrößen missachtet werden, was häufig aufgrund von mangelnder Erfahrung oder Zeitdruck geschieht.

Betrachtet man nun einen anderen Prozessschritt, so ergeben sich andere isolierte Anforderungen und daraus neue zusätzliche Funktionen als Lösungen.

Prozessschritt/ Einflussgröße

Aufgabenstellung

Funktion/Baugruppe

Funktion/Baugruppe

Fließmontage:
das gesamte System fährt während der Montage weiter

Das Schraubsystem muss folgen

Fahrwerk

Andere Motorvariante,
d.h. der Abstand und die Lage der Schrauben im Raum sind verändert

Spindelposition dem veränderten Schraub-bild anpassen

Spindelverstellung

Position des Schraubkopfes im Raum einstellbar

Veränderliche Arbeitshöhe

Teleskop (da die Drehmomente hoch liegen)

Der Prozess der Top-Down-Analyse folgt einer spiralartigen Bewegung, wobei jede Lösung eine neue Anforderung nach sich zieht. In dem oben vorgestellten Beispiel ist gut erkennbar, dass die Zielaufgabe aus drei grundlegenden Funktionseinheiten synthetisiert werden kann. So lassen sich die elementaren Baugruppen Schraubkopf mit Lochstichverstellung, Aufhängung (Teleskop) und Fahrwerk identifizieren. Die entsprechenden Lösungen jedoch werfen weitere Fragen auf, von denen am Ende jede einzelne beantwortet werden muss.

In einem kaufmännischen Prozess wäre eine Projektion dieses Verfahrens auf die Angebotserstellung nicht nur denkbar, sondern für die Kalkulation absolut notwendig.

Darüber hinaus bedarf die Realisierung von ganzen System-/Schraubapplikationssystemen zugleich einer Bottom-Up-Betrachtung, um die Synthese von einzelnen Baugruppen zu einem funktionierenden Mechanismus zu ermöglichen.

Ist die Aufgabenstellung konzeptionell durchdrungen, so ist der Hauptteil der Konstruktionsarbeit vollbracht – das Angebot, das dem Kunden vorgelegt werden kann, ist nun fertig erstellt.

Volker Thierjung

Pro Automation GmbH

http://www.pro-automation.eu/

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