Handbuch Konstruktion

Ungefähr 70 der 100 natürlich und in relevanten Mengen vorkommenden Elemente sind Metalle. Sie liegen im Periodensystem der Elemente links unten (Abb. 1.1). Dies bewirkt, dass die äußersten Elektronen recht schwach gebunden sind. Lagern sich Metallatome aneinander an, so ist ein gewisser Anteil der Elektronen frei beweglich. Diese Elektronen erzeugen zwischen den positiven Rümpfen ein Elektronengas, welches dem ganzen Atomverband angehört. Somit bilden Metalle im festen Zustand Kristalle, die einen periodischen, räumlichen Atomaufbau aufweisen. Dabei sind die Metallatome meist so angeordnet, dass sich eine räumlich dichteste Kugelpackung ergibt.

Die Bandbreite von Kunststoffen, die heute in den unterschiedlichsten Bereichen von Industrie, Konsumgütern bis hin zur Medizintechnik ihren Einsatz finden, ist mannigfaltig. Eines ist allen gemeinsam, nämlich die Tatsache ihres Ursprungs auf Basis monomerer Ausgangsstoffe, die zu Polymeren synthetisiert wurden.In diesem Kapitel wird auf die elementaren Gestaltungsregeln kunststoffgerechter Konstruktion eingegangen. Intention ist es, dem Konstrukteur bei der Auslegung von Spritzgießartikeln einen Leitfaden an die Hand zu geben, wie der Werkstoff einzuschätzen ist und welche spezifischen konstruktiven Besonderheiten daher Berücksichtigung finden müssen. Der interessierte Leser findet Kompendien zu der Thematik bei Erhard, Ehrenstein und Brinkmann (Erhard 2008, Ehrenstein 2007, Brinkmann 2010).

Keramiken werden üblicherweise nicht als klassische Konstruktionswerkstoffe betrachtet. Ingenieure sind von ihrer Ausbildung her gewohnt, mit Metallen zu konstruieren, und Keramiken gelten als schwierig verarbeitbar, unsicher auslegbar und teuer, entsprechend sind die Kenntnisse über die Eigenschaften und das Potential dieser Werkstoffklasse meist gering. Komplexe Strukturen aus Metallen oder Polymeren gelten als technisch leichter realisierbar. Keramiken werden nur dann in Erwägung gezogen, wenn alle anderen Werkstoffe nicht mehr infrage kommen. Dieses negative Image der keramischen Werkstoffe aus Sicht eines Konstrukteurs hängt ursächlich mit dem ausgeprägten Sprödbruchcharakter der Keramiken zusammen. Aufgrund der hohen atomaren Bindungskräfte dieser anorganisch-nichtmetallischen Werkstoffe ist im Belastungsfall ein Abbau von lokalen Spannungsspitzen im Material durch plastische Verformung nicht möglich. Vielmehr verhält sich ein keramischer Werkstoff linear-elastisch bis zum Bruch und die einzige Möglichkeit des Spannungsabbaus besteht in der Ausbildung von Rissen. Diese breiten sich unter Belastung im Bauteil extrem schnell aus, führen zum katastrophalen Bruch und resultieren in einer entsprechend niedrigen Schadenstoleranz der Konstruktion.

Die Auslegung von Maschinenelementen und Bauteilen schließt stets eine Festigkeitsrechnung ein. Die Festigkeitsrechnung hat zum Ziel, den sicheren Betrieb des betrachteten Bauteils zu belegen. Mögliche Ursachen für Versagen werden im Zuge der Festigkeitsrechnung aufgezeigt und können so im Konstruktionsprozess ausgeschlossen werden. Grundsätzlich erfolgt der Vergleich von herrschenden Spannungen und zulässigen Spannungen.

Die methodische Lebensdauerberechnung von Maschinenelementen stellt eine wesentliche Grundlage der quantitativen Zuverlässigkeitsmethoden dar. Dabei sind die ermittelten Festigkeits- bzw. Lebensdauerwerte als Eingangsgrößen für die Zuverlässigkeitsverfahren anzusehen. Eine detaillierte Beschreibung und Vertiefung der Zusammenhänge ist in der weiterführenden Fachliteratur (Buxbaum 1992, Gudehus 1999, Haibach 2006, Radaj 2007) zu finden.Ziel der Produktentwicklung im Sinne der Zuverlässigkeit ist es, Produkte mit hoher und definierter Lebensdauer zu entwickeln (Brunner 1985, Kapur 1977). Für eine Lebensdauervorhersage ist die Kenntnis aller Versagensursachen notwendig. Sie lassen sich in drei Kategorien einteilen (Bertsche 2004): 1. Frühausfälle, bedingt durch Fehler, die in der Fertigung, Montage oder bei der Bedienung von Maschinen gemacht werden. 2. Zufallsausfälle, bei welchen das Ausfallrisiko konstant, zumeist aber auch relativ gering ist, z. B. bei hochkomplexen tribologischen Systemen wie dem Radialwellendichtring. Hier können eindringende Schmutzpartikel zu schwer voraussagbaren Ausfällen führen. 3. Ermüdungsausfälle, Alterungsausfälle, Verschleißausfälle und Ausfälle bedingt durch Umwelteinflüsse, wie Korrosion etc., verursacht durch zeitabhängige Veränderungen der beteiligten Materialien, z. B. bei hoch belasteten Komponenten der Fahrzeugtechnik.

Maschinenelemente sind Bauteile oder Baugruppen, die für die Realisierung von Teilfunktionen technischer Systeme zum Einsatz kommen. Maschinenelemente als Baugruppen werden üblicherweise als funktionale Einheit definiert. Sie können durchaus aus mehreren Bauteilen bestehen (z. B. Wälzlager und Ketten, aber ebenso komplexe Produkte wie Zahnradgetriebe). In einigen Quellen wird daher auch in Maschinen- und Konstruktionselemente unterschieden. Wobei die Konstruktionselemente unter anderem aus Maschinenelementen bestehen können, dabei aber eine funktionale Einheit bilden. In diesem Sinne ist ein Zahnradgetriebe ein Konstruktionselement und eine Schraube ein Maschinenelement. In der Folge werden beide Begriffe als Maschinenelemente zusammengefasst.

Technisches Zeichnen steht als Oberbegriff für das ingenieurmäßige Erstellen von Zeichnungen nach den Regeln des Normenwerks, unabhängig davon, ob dabei Hilfsmittel wie Lineal oder Zeichenmaschine oder CAD-Systeme genutzt werden. Gerade angesichts der intensiven Nutzung von CAD-Systemen gewinnt das Freihandzeichnen einen neuen Stellenwert, deshalb soll im ersten Abschnitt auf das Freihandzeichnen eingegangen werden. Die nachfolgenden Abschnitte stellen die wesentlichen Bereiche der für das technische Zeichnen entwickelten Regeln vor. Abgeschlossen wird das Kapitel mit einer Betrachtung zur Nutzung von CAD-Systemen und den dabei sich ergebenden oder absehbaren Auswirkungen auf das technische Zeichnen.

Die Bedeutung der geometrischen Produktspezifikationen wird in der industriellen Praxis noch immer erheblich unterschätzt. Gerade in Zeiten einer globalen Industrievernetzung mit einer rückläufigen Fertigungstiefe und der daraus folgenden Forderung nach kurzen Lieferzeiten einerseits sowie hohen Qualitätsanforderungen und Kostendruck andererseits ist eine vollständige und insbesondere eindeutige Produktbeschreibung in der technischen Dokumentation eine zentrale Grundvoraussetzung. Diesem mit der Komplexität unserer modernen Produkte noch steigendem Anspruch können viele Konstruktionsingenieure nicht mehr gerecht werden, weil die Ausbildung in den Universitäten und Hochschulen in der Regel nicht adäquat durchgeführt wird und z. T. aufgrund der immer enger werdenden Lehrpläne im Rahmen der Pflichtveranstaltungen auch nicht durchgeführt werden kann. Die Probleme werden vor allem bei der Diskussion der Anforderungen zwischen Kunden und Lieferanten deutlich. Aber auch schon bei der Zeichnungserstellung sind viele Konstrukteure nicht mehr in der Lage, ihre Anforderungen eindeutig und normgerecht zu spezifizieren.

Maschinen haben grundsätzlich die Aufgabe, Arbeit zu verrichten. Die Nutzung einer Maschine ergibt dabei nur dann Sinn, wenn dem Menschen das Verrichten der Arbeit dadurch erleichtert oder auch erst möglich gemacht wird. Beispielsweise lässt sich eine große Masse von einer Person nicht anheben, weil sie die dazu erforderliche Kraft nicht aufbringen kann. Mithilfe eines Flaschenzugs oder eines Hebels wird das Anheben der Masse möglich – wenn auch auf Kosten eines längeren Weges, der zum Anheben der Masse zurückgelegt werden muss. Die dazu erforderliche Arbeit wird dabei vom Menschen verrichtet. Sichtbar leichter fällt dem Menschen das Anheben der Masse, wenn der Flaschenzug durch einen Motor angetrieben wird. Dieser Motor bezieht seine Energie beispielsweise aus Dieselkraftstoff, in dem die Energie in chemischer Form gespeichert ist.

Unter einem technischen Prozess versteht man die Gesamtheit der Vorgänge in einem technischen System, durch die Materie, Energie oder Information umgeformt, transportiert oder gespeichert werden (IEV 351-21-43 und -44). Dies schließt sowohl Prozesse ein, die den manuellen Eingriff von Menschen erfordern, als auch solche, die selbsttätig (automatisch) ablaufen, wenn man einmal von der Einrichtung des Prozesses, einer möglichen Umkonfigurierung und Notzuständen absieht. Die Leit­ oder Automatisierungstechnik (control technology) befasst sich mit allen Fragestellungen, die in Zusammenhang mit dem Ablauf solcher Prozesse stehen.

Ein seit jeher bedeutender Aspekt bei der technischen Nutzung des Elektromagnetismus ist die Kopplung elektrischer und mechanischer Größen. Das mit diesem Thema befasste Fachgebiet heißt Elektromechanik. Wie die Beispiele in Tab. 11.1 zeigen, ist sowohl die Wandlung von mechanischen in elektrische Größen durch Messgrößenaufnehmer (heute auch: Sensoren) als auch die umgekehrte Wandlung durch Stellglieder (heute auch: Aktoren) weitverbreitet. Dabei hat die Entwicklung mikrosystemtechnischer Verfahren wie der Mikroelektronik, der Mikromechanik und der Mikrofluidik seit den 1980er-Jahren zu miniaturisierten Baueinheiten geführt, die man als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bezeichnet (Ballas 2009).

Bei der Konzeption, Auslegung und Konstruktion von Maschinen, Geräten und Anlagen spielen akustische und maschinenakustische Aspekte in vielen Fällen leider immer noch nur eine untergeordnete Rolle. Meist stehen im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess andere Faktoren wie Festigkeit, Verschleiß, Fertigung, Kosten, Wirtschaftlichkeit, Leichtbau, Energieeffizienz u. a. im Vordergrund. Zunehmend werden Unternehmen jedoch in einer späten Entwicklungsphase, kurz vor Serienstart oder im schlimmsten Fall sogar erst nach der Markteinführung mit akustischen Problemen konfrontiert: Der Kunde verweigert die Abnahme der Maschine, da sie objektiv Lärmgrenzwerte überschreitet oder subjektiv als zu laut empfunden wird; im Massenmarkt führen zu laute Produkte zu mangelnder Kundenakzeptanz und damit zu geringeren Absatzzahlen; und schließlich verstößt der Hersteller u. U. gegen nationale oder internationale Gesetze, Verordnungen und Richtlinien, wenn bestimmte Lärmgrenzwerte nicht eingehalten werden. Auch kann es zu langwierigen und teuren Rechtsstreitigkeiten zwischen Hersteller und Kunde/Betreiber kommen, in deren Verlauf mühsam geklärt werden muss, wer für auftretenden Lärm verantwortlich ist.

Hydraulik und Pneumatik sind Teilgebiete der mit dem Begriff Fluidtechnik bezeichneten Wissensdisziplin. Die in der Hydraulik zur Energieübertragung verwendeten Fluide sind Flüssigkeiten; das zur Energieübertragung in der Pneumatik verwendete Fluid ist ein Gas (Luft).In den Anfängen der Hydraulik, die einige Jahrhunderte zurückliegen, verwendete man Wasser (griechisch: Hydor) als Fluid zur Energieübertragung. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts benutzt man als Energieträger Öle, die auch gleichzeitig Schmier- und Korrosionsschutz bieten. Neuerdings wird in Einzelfällen aus Gründen des Umweltschutzes und der Kosten auch wieder Wasser als Fluid zur Energieübertragung verwendet. Man spricht in diesem Fall von „Wasserhydraulik“.

Die Pneumatik ist ein Teilgebiet der mit dem Oberbegriff Fluidtechnik bezeichneten Wissensdisziplin. Die Fluidtechnik wird anhand der zur Anwendung kommenden Fluide in Hydraulik und Pneumatik (Abb. 14.1) eingeteilt. Die in der Hydraulik zur Energieübertragung verwendeten Fluide sind Flüssigkeiten, in der Pneumatik wird als Fluid ein Gas verwendet, nämlich verdichte Luft (Druckluft).

Der Begriff Konstruktion bezeichnet einerseits den Prozess der Überlegungen, Prinzipien, Berechnungen und Verfahren, die die Funktion eines zu realisierenden technischen Produktes gewährleisten, inklusive der Erstellung der technischen Unterlagen, anhand derer ein technisches Produkt hergestellt werden kann. Andererseits wird unter Konstruktion auch oft das Ergebnis dieser Arbeit, nämlich das auf Basis von Konstruktionsunterlagen hergestellte technische Produkt, verstanden.

Erfolgreiche Produkte müssen sowohl die Kundenanforderungen als auch die Restriktionen erfüllen, die sich aus dem gesamten Produktenstehungsprozess und -lebenszyklus, d. h. von der Fertigung bis hin zur Entsorgung ergeben.In der Konzeptphase, vor allem aber beim Entwerfen, haben die Entwickler und Konstrukteure eine Fülle von Gestaltungsrichtlinien zu beachten, die sich in ihrer Gesamtheit unter dem Kürzel DFX (Design for X) subsumieren lassen. Natürlich ist die Erfüllung der Funktion die wichtigste Hauptforderung bei der Konstruktion eines Produkts. Darüber hinaus gilt es aber, eine Vielzahl von gegenseitig vernetzten Forderungen und Restriktionen unter Abwägung ihrer Wichtigkeit/Gewichtung zu berücksichtigen (Ehrlenspiel 2009). Dabei ist zu beachten, dass vor allem die frühen Phasen des Konstruktionsprozesses von entscheidender Bedeutung sind, denn hier werden bekanntlich zwei Drittel aller Produkteigenschaften festgelegt.

Leichtbau ist die Suche nach den Grenzen, das Entwerfen unter Leichtbauaspekten, das Herantasten an das physikalisch und technisch Machbare. Häufig wird derart vorgegangen, dass zunächst räumliche Kräftepfade gesucht werden. Diese werden dann so in Material und Gestalt umgesetzt, dass möglichst wenig Gewicht benötigt wird. Neben den Aspekten Material und Struktur müssen aber auch Betrachtungen des Gesamtsystems miteinbezogen werden, um Leichtbau konsequent umzusetzen, wie in Kapitel II.3.2.1 ausgeführt (Sobek 2007).

Der Leichtbau nimmt in der heutigen Produktentwicklung eine immer wichtiger werdende Rolle ein. Große Materialeinsparungen bzw. Gewichtsreduktion bedeuten eine effiziente Nutzung von Ressourcen. Die Strukturoptimierung unterstützt den Konstrukteur mithilfe von Computersimulationen bei der Entwicklung und ermöglicht Leichtbaudesigns, die vorher nicht möglich waren. Sie findet daher im virtuellen Produktentwicklungsprozess immer häufiger Anwendung.

Ein Leitbild für die Produktgestaltung im 21. Jahrhundert – Wirtschaften in Kreisläufen – ist der effiziente Einsatz und verantwortungsvolle Umgang mit natürlichen Ressourcen, welcher ein weitestmögliches Schließen und eine hoch qualitative Realisierung von Stoff- und Produktkreisläufen bedingt.Höhere Lebensstandards und Wirtschaftswachstum führten in den vergangenen Jahrzehnten zum starken Anstieg des weltweiten Ressourcenverbrauchs, der vor dem Hintergrund eines vermeintlichen Nachholbedarfs aufstrebender Nationen ungebrochen erscheint. Ergebnis ist die starke Zunahme zu behandelnder Stoffe und Güter am Ende deren Gebrauchs, verbunden mit drastisch wachsenden Abfallbergen. Die in den 80er-Jahren drohende Problematik des zur Neige gehenden Deponieraumes und die sinkende gesellschaftliche Akzeptanz von Abfalldeponien mündete im Konzept der Kreislaufführung von Stoffströmen, das in Deutschland im Oktober 1996 mit dem Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG 1994) verankert wurde.

Bekanntlich lässt sich die Sicherheit einer Maschine weder herbeiprüfen noch nachträglich herbeizertifizieren, sondern muss konstruiert werden (Pahl 1998). Und da haben Konstrukteure schon immer gute Arbeit geleistet. Wie sonst hätten die heutigen Maschinen ihr beachtliches sicherheitstechnisches Niveau erreichen können?Konstruieren sicherheitsgerechter Maschinen ist keine einmalige Aktion, sondern ein entstehens- und herstellungsbegleitender Prozess. Jedoch: Wann ist eine Maschine sicher? Hier ist eine Klärung der Begriffe notwendig. Allgemein wird unter „sicher“ sowohl das zuverlässige Erfüllen technischer Funktionen, d. h. die Fähigkeit einer Maschine, innerhalb vorgegebener Grenzen und während einer bestimmten Dauer die für den Verwendungszweck gestellten Anforderungen zu erfüllen (funktionale Zuverlässigkeit), als auch vor allem das Freisein von Gefahren für Mensch und Umwelt verstanden. Der Begriff Sicherheit (safety) als Schutz der Menschen beim Umgang mit Maschinen ist noch abzugrenzen vom Begriff „security“ als Schutz von Personen gegenüber zielgerichteten böswilligen Angriffen anderer Wesen.

Die Entwicklung von Produkten, die vollständig oder zumindest überwiegend durch Menschen genutzt werden sollen, stellt eine besondere Herausforderung für die Konstruktion dar. Menschliche Eigenschaften, Fähigkeiten, Fertigkeiten müssen ebenso berücksichtigt werden wie der Anwendungskontext für solche Produkte. Weiterhin besteht oft die Forderung, auch die Bedürfnisse und Wünsche von Nutzern durch entsprechend gestaltete Produkte nicht nur zu erfüllen, sondern möglichst auch zu wecken. Die (frühzeitige) Berücksichtigung menschlicher Einflussfaktoren bei der Produktgestaltung ist eine wesentliche Aufgabe des ergonomiegerechten Konstruierens (Schlick 2010).

Umweltgerechtheit ist ein Label, das vielen Produkten mit Überzeugung zugeordnet wird – in vielen Fällen jedoch undifferenziert oder einseitig betrachtet, und teilweise sogar fälschlicherweise. So werden beispielsweise Elektroautos in der Öffentlichkeit gerne als „grüne Revolution“ oder „Null-Emissions-Fahrzeuge“ gefeiert. Richtig ist, dass rein elektrisch betriebene Fahrzeuge lokal gesehen als emissionsfrei zu bezeichnen sind.1 Betrachtet man allerdings die gesamte Kette der Energiebereitstellung, vom Kraftwerk bis zum Rad, wird klar, dass Elektrofahrzeuge, solange sie Strom aus konventionellen Kraftwerken beziehen, nicht unbedingt umweltgerechter als herkömmliche, auf Verbrennungsmotoren basierende Fahrzeuge sind. Ein wesentlicher Grund für derart sachlich unzutreffende Behauptungen ist die Komplexität der Umweltthematik, die sich häufig einfachen Beurteilungen entzieht und zu einseitigen, oft plakativen Behauptungen führen kann.

Seit der ersten industriellen Revolution gelten Fertigungssysteme als gut definierte sozio-technologische Einheiten, die Ressourcen aus der natürlichen Umwelt gewinnen, um Güter für die Befriedigung menschlicher Bedürfnisse zu schaffen. Während die Digitalisierung das neueste Paradigma darstellt, wurden andere technologische Sprünge, nämlich die Bionik und Biotechnologie, in der traditionellen Produktionswissenschaft vernachlässigt. In diesem Zusammenhang wurde das Konzept einer biointelligenten Industrie entwickelt, das die Vision einer natürlich konsistenten Subsistenzstrategie skizziert. Zukünftige industrielle Aktivitäten werden voraussichtlich nicht mehr Ressourcen aus der Umwelt beziehen und gesondert verarbeiten, sondern die Natur als Teil des Produktionsprozesses integrieren und nutzen. Aus Sicht der Konstruktion folgen aus dieser Entwicklung einige Neuheiten, die in diesem Kapitel beschrieben werden.

Geräuschgerechtes Konstruieren ist der Kern und die wichtigste Voraussetzung für die „akustische“ Produktentwicklung, deren Hauptbestimmung die Entwicklung geräuscharmer, leiser, richtlinien-, vorschriften- und gesetzeskonformer sowie soundgerechter technischer Produkte ist. Damit wird auch ein bedeutender Beitrag zur Minderung der akustischen Umweltverschmutzung (Noise Pollution) im Allgemeinen geleistet und geräuschbedingten gesundheitlichen Gefährdungen lärmgeplagter Menschen im Besonderen entgegengetreten. In den Konstruktionsabteilungen der Maschinenbau- und Konsumgüterindustrie wird der Druck nach Produkten mit geringerer Lärmerzeugung, mit markentypischem Sound, mit konkurrierenden und konkurrenzlosen Emissionswerten immer größer. Doch das Know-how zur Entwicklung geräuscharmer Konstruktionen ist immer noch nicht so weit etabliert, wie es wünschenswert wäre. Die Zahl der Ingenieure, die etwas davon verstehen, reicht nicht aus, wie die zahlreichen Stellenausschreibungen im Internet, in Fachzeitungen und Fachzeitschriften sowie in führenden nationalen und internationalen Tageszeitungen, aber auch die zunehmende Zahl von Fachseminaren und Weiter-/Fortbildungsveranstaltungen mit steigenden Teilnehmerzahlen deutlich bestätigen. Obwohl die Nachfrage nach ausgebildeten Akustikingenieuren mit fundierten konstruktiven Kenntnissen ständig wächst, gibt es nicht genug Fachhochschulen und technische Universitäten, die einen Studienschwerpunkt in den Fächern Technische Akustik, Konstruktionsakustik, Ingenieurakustik oder Maschinenakustik ermöglichen.

Im Rahmen der Produktstrukturierung wird die hierarchische Zusammensetzung eines Produkts unter Berücksichtigung von technischen-funktionalen und produktstrategischen Aspekten entwickelt. Die modulare Produktstrukturierung hat zum Ziel, Vorteile in verschiedenen Phasen des Produktlebenszyklus zu erreichen, indem Module und deren Schnittstellen konkret festgelegt werden. Aus Sicht der Produktentwicklung helfen modulare Produktstrukturierungen insbesondere dabei, eine geforderte Angebotsvielfalt am Markt mithilfe einer reduzierten unternehmensinternen Vielfalt an Komponenten und Prozessen bereitzustellen. Produktvarianten können durch Kombination verschiedener Module einfach gebildet werden, wobei die Wiederverwendung in mehreren Varianten Einsparungspotentiale durch Lernkurven- und Skaleneffekte ermöglicht. Für Unternehmen wird dadurch ein wichtiges strategisches Ziel erreichbar.

In diesem Kapitel werden Methoden vorgestellt, die es erlauben, die Wechselwirkungen und Abhängigkeiten bei der Entwicklung technischer Systeme darzustellen, um so die Struktur eines technischen Systems transparent zu machen, zu analysieren und Schlüsse für eine bessere Gestaltung abzuleiten.

In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Kostenrechnung beschrieben, wie sie in Entwicklung und Konstruktion benötigt und angewendet werden können. Zunächst wird in einer Einführung ein Überblick über die grundsätzlichen Probleme beim Umgang mit Kosten in früher Produktentstehungsphase besprochen. Dazu wird besonders auf den Einflussfaktor Markt und dessen Veränderungen eingegangen. Anschließend wird auf die besondere Bedeutung von Entwicklung & Konstruktion für Kostenverantwortung und Kostenentstehung eingegangen. Darauf folgen die wesentlichen betriebswirtschaftlichen Grundlagen mit Begriffen und einem Einstieg in verschiedene Kostenrechnungen. Auf dieser Basis werden einige Einflussgrößen auf Kosten und mögliche Kostensenkungsmaßnahmen besprochen. Danach werden die methodischen Grundlagen und Vorgehensweisen zum Bearbeiten von Kostensenkungsprojekten, des Kostenschätzens und Kurzkalkulationsverfahren dargestellt. Im letzten Unterkapitel werden Möglichkeiten zur Beherrschung von Änderungskosten in indirekten Bereichen beschrieben. Am Ende finden sich ein Abkürzungsverzeichnis und Literaturangaben.

Produkte, Erfindungen und Ideen können nach dem Grundsatz der Nachahmungsfreiheit jederzeit von jedermann nachgeahmt werden. Diesem Prinzip liegt die Annahme zugrunde, dass technischer Fortschritt nur möglich ist, wenn bereits bestehende Erfindungen als Grundlage oder Inspiration für neue Produkte dienen können und somit der technische Fortschritt nicht behindert wird. Um sich als Unternehmen im nationalen und internationalen Wettbewerb behaupten zu können, sind Innovationen von essenzieller Bedeutung. Die Entwicklung neuer Produkte ist jedoch mit erheblichem monetärem Aufwand seitens der Unternehmen verbunden. Deshalb ist die freie Nachahmung durch Konkurrenten natürlich äußerst unerwünscht, was, ohne die Möglichkeiten von Schutzrechten, die vollständige Geheimhaltung technischer Entwicklungen zur Folge hätte. Jeder Staat ist daran interessiert, den technischen Fortschritt zu fördern und dadurch die nationale Wirtschaft zu stärken. So werden erfinderische Leistungen durch die Vergabe von Schutzrechten honoriert, die dem Erfinder für eine bestimmte Zeit das Monopol auf die Erfindung bieten und Missbrauch der Erfindung durch Dritte vermeiden. Um diesen Schutz zu erlangen, werden jedoch definierte Maßstäbe an die Entwicklung angelegt. Bereits in der Natur vorhandene Gegebenheiten, wie Naturgesetze oder Pflanzenarchitekturen, sind nicht schutzfähig, vielmehr muss eine Erfindung eine neu geschaffene technische Lösung sein, die bisher unbekannt war. Das Vorhandensein der Röntgenstrahlung ist beispielweise eine physikalische Tatsache, während die Röntgenröhre eine technische Erfindung ist.

Mit dem erst seit rund einem Jahrzehnt eingeführten Begriff Service Engineering (Bullinger 2006) bezeichnet man die methodische Entwicklung von (neuen) Dienstleistungen. Als Bestandteil der Ingenieurwissenschaften ist das Service Engineering somit eine sehr junge Disziplin. Im europäischen Raum waren die Technikwissenschaften traditionell hauptsächlich auf die produktionsbezogene industrielle Wertschöpfung fixiert (Fähnrich 2005).

Qualitat entsteht nicht zufällig! Sie muss vielmehr geplant, gefertigt, gepruft und ständig verbessert werden. „Dabei erfolgt die Prüfung längst nicht mehr nur als Endkontrolle zur Identifizierung von fehlerhaften Teilen, die nicht an den Kunden gegeben werden können, sondern sie ermöglicht den Aufbau eines Qualitätsregelkreises zur gezielten Steuerung der beteiligten Prozesse“ (Weckenmann/Werner 2007). Frühzeitiges Streben nach Qualität ist somit vor allem für diejenigen Unternehmen von elementarer Relevanz, die ihren Erfolg nachhaltig sichern wollen. Denn wie in Abb. 4.1 dargestellt, nimmt die Bedeutung der Qualität ab der Lieferung immer weiter zu und ist das nahezu einzige ausschlaggebende Kriterium, wenn es darum geht, ein eventuelles Produkt der darauffolgenden Generation zu erwerben. Während der Kostenfaktor kurz nach dem Kaufentschluss sukzessive an Bedeutung verliert, da man sich innerlich bereits von dem Geld getrennt hat, und auch die Liefertreue nach dem erfolgten Erhalt keinen nennenswerten Anteil an der Produktwahrnehmung einnimmt, wird die Entscheidung für weitere bzw. neuere Produkte dieses Unternehmens allein durch die Qualität der erworbenen Güter maßgeblich beeinflusst.

Im Umfeld globalen Wettbewerbs und kürzer werdender Innovationszyklen sind Unternehmen stetig gezwungen, Marktvorlaufzeiten bei Steigerung ihrer Flexibilität zu verkürzen.Hierfür wurden in den vergangenen Jahren für das produzierende Gewerbe verschiedenste Technologien, vom CAD und CAD/CAM über das Rapid Prototyping (RP) und Rapid Tooling (RT) bis hin zum Rapid Manufacturing (RM) entwickelt. Diese Entwicklung ist maßgeblich durch CAx- (Computer Aided) Techniken getrieben. Dabei setzen alle Technologien ein Geometrie- bzw. CAD-Modell als Basis voraus.

Exzellente Ideen in innovative Produkte umzusetzen, ist für Unternehmen ein entscheidender Wettbewerbsfaktor. In den vergangenen Jahrzehnten wurden parallel zur rasanten Hardwareentwicklung eine Vielzahl von Methoden sowie IT-basierten Entwicklungswerkzeugen geschaffen. Der Wunsch zur Unterstützung des Entwicklungsprozesses hat CAD-Systeme (Computer Aided Design) hervorgebracht, die unmittelbar mit den Fortschritten des geometrischen Modellierens verknüpft sind.

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) hat sich seit den 1950er-Jahren zu einem unverzichtbaren Werkzeug zur Analyse konstruktiver Ideen entwickelt. Ausgehend von der Idee, selbst komplexeste Bauteile und sogar Baugruppen in winzig kleine (jedoch endliche: „finite“) Elemente zu zerlegen, wurde eine Theorie entwickelt, um eine ganze Reihe von technischen Problemen zu behandeln. Hierzu werden die physikalischen Grundlagen – oftmals sind dies partielle Differentialgleichungen – in jedem dieser Elemente betrachtet, um so Aussagen über das Verhalten der Gesamtgeometrie zu treffen. Da zusätzlich auch sämtliche Wechselwirkungen zwischen den Elementen berücksichtigt werden müssen, ist im Verlauf einer FE-Rechnung häufig großer numerischer Aufwand zu betreiben, der quasi ausschließlich mit der Verwendung von Computern zu bewältigen ist.

Das M.I.T entwickelte um 1950 die Numeric-Control-Technik (NC-Technik) für die US-Armee. 1960 wurde die erste NC-Bahnsteuerung mit Geraden- und Kreis-Interpolation an einer Waldrich-Walzenkalibrier-Drehmaschine auf der Deutschen Werkzeugmaschinen-Ausstellung in Hannover ausgestellt. Um 1975 entstanden die ersten Computerized-Numeric-Control-Steuerungen (CNC-Steuerungen). Die CNC-Steuerungen haben sich heute durchgesetzt – trotzdem wird in der Anwendungspraxis der Begriff NC-Steuerung häufig noch verwendet.

Unmittelbar nach Markteinführung der Simulationswerkzeuge lag ihr Einsatz hauptsächlich darin, Funktionsnachweise zu liefern. Mit den resultierenden Erkenntnissen wurden vorhandene technische Systeme modifiziert und verbessert und Schwachstellen bestehender Produkte aufgezeigt. Durch die ständig steigende Durchdringung aller Branchen mit 3D-CAD-Systemen ist die computergestützte Simulation heute kein Spezialgebiet mehr, sondern mit wenig Aufwand im Anschluss an die 3D-CAD-Modellerstellung möglich. Durch die gestiegene Leistungsfähigkeit der Werkzeuge kann die Produktentwicklung im größeren Maßstab virtuell vollzogen werden. Das Ziel ist, möglichst früh im Entwicklungsprozess Fehler aufzudecken und diese mit geringem Aufwand zu beheben. Dieser Ansatz wird als Frontloading bezeichnet. Je komplexer ein Produkt ist, desto lohnender ist der Einsatz von Simulationsmethoden, da erheblich mehr Einflussfaktoren unterschiedlichster Bereiche der Produktentstehung berücksichtigt werden können.

Additive Fertigungsverfahren beruhen auf dem Grundgedanken des schicht- oder elementweisen Aufbaus. Die Fertigung der Geometrien erfolgt aus formlosen Materialien (Flüssigkeiten, Pulver) oder formneutralen Materialien (Band, Draht, Papier, Folie) mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse über eine CAD/CAM-Kopplung direkt aus den digital erzeugten CAD-Datenmodellen (vgl. VDI 3405).

Der Begriff „Virtuelle Produktentstehung“ steht für einen Teil der Phasen des Produktlebenszyklus (vgl. Abb. 6.1) und bezeichnet den durchgängigen Rechnereinsatz in der Produktentwicklung und Produktionsplanung bis zum Produktionsanlauf (Krause 2002). Die Phasen des Produktlebenszyklus, auf die die Virtuelle Produktentstehung zielt, umfassen die Produktplanung mit dem Anforderungsmanagement, die Konstruktion, die Produktionsplanung sowie das Integrieren, das Validieren und Verifizieren von Produktlösungen wie auch Produktionssystemlösungen. Das Ziel der Virtuellen Produktentstehung ist es, eine über alle Phasen durchgängig digitale Repräsentation der Ergebnisse aus den Phasen der Produktentstehung zu erreichen, um darüber die Prozessketten der Produktentwicklung auch mit den Prozessketten der Produktionsplanung zu integrieren. Dies schließt die Kooperation über Unternehmensgrenzen mit ein und fordert einen digitalen Informationsaustausch mit kooperierenden Unternehmen.

Die Vervielfältigung der Einsatzmöglichkeiten von Rechnern in der Entwicklung neuer Produkte führte weg von der Betrachtung der einzelnen Werkzeuge als abgegrenzte Bausteine und hin zum prozessschritt- und domänenübergreifenden Konzept des „Computer Aided Everything“ (CAx, vgl. Kapitel II.2), welches den systematischen Einsatz des Computers in den Vordergrund stellt. Darin ist auch die Weiterentwicklung und Vernetzung bestehender Systeme inbegriffen.

Das Denken in Prozessen hat sich in unseren heutigen Unternehmen etabliert. Innovative Ideen, die Anwendung neuartiger Technologien oder auch einzigartige Produkte reichen nicht mehr aus, um Wettbewerbsvorteile dauerhaft für das Unternehmen zum Tragen zu bringen. Gleichzeitig sind Prozesse ein wichtiges Instrument, um Wissen und Erfahrungen des Unternehmens zu speichern und damit explizit zu machen. Berücksichtigt man, dass die Leistungsfähigkeit unserer Wirtschaft in der Beherrschung wissensintensiver Prozesse liegt, wird hierdurch ein wichtiger Wettbewerbsvorteil generiert. Gleichzeitig wird damit die Gestaltung und Optimierung von Prozessen in der Produktentwicklung zu einer wiederkehrenden Aufgabe, um deren Effektivität und Effizienz auf sich verändernde Randbedingungen einzustellen.

Das Teilespektrum selbst kleiner und mittlerer industrieller Unternehmen kann leicht fünfstellige Werte erreichen. Hierbei ist jedoch nicht nur das aktuelle Produktportfolio, die sog. lebendigen Sachnummern, von Relevanz, vielmehr sind z. B. auch vor Jahren gefertigte Produkte sowie der Bereich Ersatzteilwesen in die Betrachtung mit einzubeziehen. Der tendenziell angestrebte hohe Grad der Bauteilwiederverwendung sowie der Trend zu immer kleineren Losgrößen zur Befriedigung individueller Kundenbedürfnisse führt zu einer starken Verflechtung von Bauteilen und -gruppen und ist ohne einen administrativ-ordnenden Ansatz besonders unter der Berücksichtigung leistungsstarker PDM- und PLM-Systeme im Kontext der computergestützten Konstruktion nicht mehr zu gewährleisten.

Aufgabe der Fertigung ist die kostengünstige Herstellung von Werkstücken definierter Form, definierter Qualität sowie mit definierten Eigenschaften. Damit besitzt die Festlegung und Anwendung von Fertigungsverfahren unmittelbar erheblichen Einfluss auf die Kostensituation und Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen.Durch die genaue Werkstückgestaltung und -detaillierung legt der Konstrukteur in hohem Maße die zur Herstellung potenziell geeigneten und damit einsetzbaren Fertigungsverfahren fest. Über deren spezifische Eigenschaften und die fertigbare Formenwelt sowie die Charakteristika der erzielbaren Oberflächen übt er also erheblichen Einfluss aus, auf zu realisierende Fertigungskosten, -zeiten und -qualitäten. Dabei ist zu berücksichtigen, in welcher Form die Fertigung erfolgt, d. h. eher handwerklich oder industriell, da spezielle Fertigungsverfahren aufgrund ihrer Eigenschaften nicht generell für beliebige Stückzahlen geeignet sind.

In der DIN 8580 wird „Umformen“ definiert als Überführung eines festen Körpers, z. B. eines Werkstücks oder Rohteils, unter Einhaltung von Masse (Massenkonstanz) und Stoffzusammenhalt in eine bestimmte, andere Form, z. B. Zwischenform oder Fertigteil. Man spricht dabei von einer Formänderung unter Beherrschung der Geometrie. Im Gegensatz dazu ist das „Verformen“ eine Formänderung ohne Einflussnahme auf die Geometrie.

Unter Schweißen versteht man das Verbinden von zwei artgleichen oder -verwandten Grundwerkstoffen mithilfe von Druck und/oder Wärme mit oder ohne Zusatzwerkstoff. Die Basiswerkstoffe werden meist im plastischen oder flüssigen Zustand vereinigt. Der Schweißvorgang kann durch Hilfsstoffe, z. B. Pasten, Pulver und Gase, unterstützt werden. Aber auch thermisches Trennen, z. B. Brennschneiden, und das Beschichten, z. B. Auftragschweißen, sind wichtige Gebiete der „Allgemeinen Schweißtechnik“.

Kleben erfährt als zuverlässige und wirtschaftliche Fügetechnologie eine zunehmende Einsatzbreite in industriellen Anwendungen. Es bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit zur Verbindung unterschiedlicher Werkstoffkombinationen, erlaubt gleichmäßige Lastübertragung ohne hohe Kerbwirkung oder Querschnittsschwächung, ermöglicht weitgehende Konstruktionsvereinfachungen durch Funktionsintegration und verfügt über großes Rationalisierungspotential und Integrationsfähigkeit in moderne, hochautomatisierte Fertigungsumgebungen. Im Wettbewerb zu anderen industriellen Fügeverfahren zeichnet sich das Kleben zudem als weitgehend wärmearme Verbindungstechnologie ohne lokale Temperatureinwirkung, Gefügeveränderungen oder Wärmeverzug aus. Beim Verbinden von metallischen Werkstoffen vermeidet es die Entstehung von Spaltkorrosion. Klebstoffe erfüllen zudem wichtige Zusatzfunktionen (Dichten, Isolieren, Dämpfen), sie können aber auch ausschließlich für diesen Zweck eingesetzt werden (Flüssigdichtstoffe, schwingungsdämpfende Beschichtungsmassen).