Grundlagen: Entwurfsprozess

Einleitung

Der in Forschung/Entwicklung tätige Ingenieur oder Naturwissenschaftler soll Lösungen für technische Probleme finden. Der Entwurfsprozess umfasst dabei den Abschnitt zwischen einer bereits vorliegenden Aufgabenstellung und der fertigen Produkt- bzw. Prozessdokumentation als Ergebnis der Aufgabenlösung:

• Entwerfen bedeutet in der Technik, ausgehend von einer Aufgabenstellung das zu entwickelnde Objekt (z.B. ein Produkt oder einen technologischen Prozess) "vorauszudenken".
• Als Ergebnis des Entwurfsprozesses liegt eine Beschreibung des zu entwickelnden Objektes und bestimmter Anforderungen an seine Realisierung vor. Im Konstruktionsprozess nennt man diese Beschreibung z.B. Produktdokumentation.
• Die Dokumentation der Lösung wird meist noch in Form von Papier erstellt. Der Trend geht jedoch zur Verwaltung aller Bestandteile dieser Dokumentation (Texte, Zeichnungen, Modelle) im Rechner.

In diesem Grundlagen-Abschnitt soll verdeutlicht werden, wie sich Modellbildung, Simulation und Optimierung harmonisch in den Entwurfsprozess einbinden lassen:

• Die Darstellung des Entwurfsprozesses beschränkt sich hierfür auf die Aspekte, welche besondere Bedeutung für die Nutzung unterschiedlicher Modellklassen besitzen.
• Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den frühen Phasen des Entwurfsprozesses, in denen der Einsatz z.B. von 3D-CAD-Modellen und daraus abgeleiteten Finite-Elemente-Modellen auf Grund fehlender Geometrieinformationen noch nicht möglich ist.

Entwurfsprozesse als zielgerichtete geistige und schöpferische Leistungen besitzen eine sehr individuelle Ausprägung. Diese Ausprägung erfolgt sowohl durch die Organisationen in denen diese Prozesse ablaufen, als auch durch die konkreten Bearbeiter einer Entwurfsaufgabe:

• Speziell auf dem Gebiet der Konstruktion bemüht sich seit über 1/2 Jahrhundert die Konstruktionstechnik als Technikwissenschaft, die firmenspezifische Organisation von Konstruktionsprozessen zu verallgemeinern (Konstruktionssystematik: z.B. Bischoff, Hansen und Bock an der TH Ilmenau).
• Aus diesen Bemühungen resultierte z.B. 1973 die generelle Vorgehensweise im Konstruktionsprozess nach VDI 2221:

• Der normal begabte Konstrukteur soll damit zu einer planbaren Innovationsrate befähigt werden:

"Wie kommt man ohne große Umwege zu einer optimalen Lösung für eine gestellte Aufgabe?"

• Schwerpunkt der Technikwissenschaft "Konstruktionstechnik" (in der Literatur) war und ist der Maschinenbau, wo dieses Fachgebiet meist im Rahmen der Lehrveranstaltungen Konstruktionslehre behandelt wird.
• Die darin beschriebene methodische Vorgehensweise beim Entwerfen ist jedoch problemlos auf andere Bereiche übertragbar, wenn man die jeweiligen Besonderheiten berücksichtigt.

Grundlagen-Literatur:

• Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz†, Jörg Feldhusen, Karl-H. Grote: Konstruktionslehre – Grundlagen erfolgreicher Produktentwicklung Methoden und Anwendung. 8. Aufl. Springer, Berlin 2013, ISBN 978-3642295683.

Die vier Phasen des Konstruktionsprozesses

Produktplanung als vorgelagerter Prozess

Zumindest größere Unternehmen leisten sich eigenständige Arbeitsgruppen, welche im Rahmen der sogenannten Vorentwicklung verantwortlich sind für Erarbeitung innovativer Produktvorschläge:

• Produktvorschläge werden in Form von Aufgabenstellungen formuliert.
• Die Produktplanung ist somit nicht Bestandteil des Konstruktionsprozesses, sondern generiert als vorgelagerter Prozess Aufgabenstellungen für den Konstruktionsprozess:

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0) Produktplanung	:	Erarbeiten von Produkt-Ideen in Form von Aufgabenstellungen
	AUFGABENSTELLUNG (Lastenheft)
1) Aufgabenpräzisierung	:	Erarbeiten der Anforderungsliste (Pflichtenheft)
2) Konzeptphase	:	Festlegen der Prinziplösung (Funktionsmuster)
3) Entwurfsphase	:	Festlegen der Gestalt
4) Ausarbeitungsphase	:	Festlegen der Herstellungstechnologie
	PRODUKTDOKUMENTATION

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Ziel der Produktplanung sind "optimale" Aufgabenstellungen:

• Man bedient sich mehr oder weniger bewusst dem Grundprinzip der natürlichen Evolution "Varianten-Generierung und Selektion", um im Sinne der "Gewinnmaximierung der Firma" zu optimalen Produktvorschlägen zu gelangen.
• Letztendlich sollen nur diejenigen Produktvorschläge im Konstruktionsprozess weiter bearbeitet werden, welche unter Berücksichtigung aller bekannten Aspekte zu einem auf dem Markt erfolgreichen Produkt führen können (im Diagramm grün hervorgehoben):

• Dieses Prinzip der Varianten-Generierung mit anschließender Selektion der besten Varianten (im Sinne der Gütekriterien) ist das universelle Optimierungsprinzip, auf dem der gesamte Evolutionsprozess in der Natur basiert.
• In der Technik "züchtet" der Ingenieur mit diesem Optimierungsprinzip im übertragenen Sinne die geforderten optimalen Ergebnisse:

1. Varianten-Erzeugung mit Hilfe von Kreativitätstechniken
2. Varianten-Selektion mit Hilfe von Auswahl- und Bewertungsmethoden

• Innerhalb des Konstruktionsprozesses wird man dieses Optimierungsprinzip überall anwenden, wo die Möglichkeit unterschiedlicher Lösungsvarianten existiert und man sich für die beste Lösung entscheiden muss. Dies wurde im obigen Bild bereits für Konzeptphase angedeutet.

Hinweis: Bis zur Fertigstellung dieses Grundlagen-Kapitels findet man einen Überblick über die 4 Phasen des Konstruktionsprozesses in dem PDF-Script aus der Lehrveranstaltung "Optimierung" des Instituts für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU-Dresden.