Systematisches Erschließen der Merkmale technischer Systeme am Beispiel der Grundlagen des Konstruierens von und mit hybriden, intelligenten Konstruktionselementen

In dieser Arbeit wurde am Beispiel hybrider, intelligenter Konstruktionselemente (HIKE) beschrieben, wie die Merkmale technischer Systeme durch den Bezug zu Prozessen, Methoden, Werkzeugen, Hilfsmitteln und Modellen des Konstruierens systematisch erschlossen werden können. Hierdurch werden Lösungselemente auf verschiedenen Konkretisierungsebenen für den methodischen Prozess des Konstruierens von und mit Konstruktionselementen bereitgestellt.
Beim Konstruieren von und mit Konstruktionselementen werden Merkmale und Eigenschaften technischer Systeme festgelegt. Ziel ist es, mit dem System einen Nutzen zu erbringen, der durch Soll-Eigenschaften spezifiziert wird. Der Erfüllungsgrad wird durch den Vergleich der Soll- mit den Ist-Eigenschaften ermittelt. Eigenschaften werden festgelegt, indem einem Merkmal ein Wert zugewiesen wird.
Konstruktionstheoretische Ansätze modellieren die Zusammenhänge zwischen Merkmalen und Eigenschaften sowie zwischen abhängigen und unabhängigen Eigenschaften. Notwendige Voraussetzung für diese Schritte ist die Kenntnis der Merkmale eines technischen Systems. Sie bestimmen die Entscheidungsmöglichkeiten und Freiheitsgrade im Konstruktionsprozess.
Eine systematische Darstellung technischer Systeme, insbesondere von Konstruktionselementen, und ihrer Merkmale in einem einheitlichen Rahmen und mit Bezug zu konstruktionsmethodischen Prozessen, Methoden, Werkzeugen oder Hilfsmitteln ist bisher nicht verfügbar. Eine allgemeine Vorgehensweise, um in der Entwicklung befindliche technische Systeme verschiedener Disziplinen in dieser Weise darzustellen, fehlt ebenfalls.
Zu diesem Zweck wird eine Vorgehensweise beschrieben, mit der die Merkmale technischer Systeme erschlossen werden. Bisher eignet sie sich für Systeme mit sensorischer, aktorischer und/oder tragstruktureller Funktion und damit zusammenhängenden Merkmalen. Das wird an hybriden, intelligenten Konstruktionselementen (HIKE) gezeigt, die in der Forschergruppe 981 HIKE entwickelt werden und die genannten Funktionen verwirklichen.
Die Grundlage der Vorgehensweise sind die Phasen I Planen und II Konzipieren des Konstruktionsprozesses nach VDI 2221. Die Modelle Funktionsstruktur, Wirkstruktur, und Elementmodell sowie die Systematik der Gestaltelemente nach Koller [KOLLER98, S. 31] werden in einer formal strukturierten und zusammenhängenden Weise eingesetzt. Hieraus folgt die Darstellung eines Systems, die mit Hilfe der Gestaltelemente, der Teilsysteme, der Funktionen, der (physikalischen) Effekte sowie der Wirk-, Grenz- und Strukturelemente dem System geometrische und stoffliche Merkmale zuordnet (vgl. im Auszug für das Leitbeispiel Faltkernsandwich A.5, S. 215). Die Merkmale werden in die Struktur der Hauptmerkmalleitlinie nach Pahl et al. [PAHL07, S. 220 und S. 58] eingeordnet.
Dieser Kern der Vorgehensweise wird ergänzt, indem die gewonnenen Informationen angelehnt an die Beschreibung der Konstruktionselemente nach Pahl et al. [PAHL97, S. 513-574] gegliedert und ergänzt werden.
Die Vorgehensweise wurde in mehrfacher Hinsicht evaluiert. Die Anwendung der Vorgehensweise zeigte, dass die Darstellung der HIKE mit der Funktionsstruktur, der Wirkstruktur und den Gestaltelementen nach Koller [KOLLER98, S. 31] auch für konstruktionsmethodisch unerfahrene Konstrukteure der jeweiligen HIKE verständlich ist. Die skizzenhafte Darstellung der Wirkelemente und Strukturelemente in einem schematisch vereinfachten Schnittbild ist ebenfalls als verständlich aufgefasst worden. Demgegenüber erwiesen sich die weiteren detaillierten Beschreibungen des Elementmodells in Form von Tabellen als unübersichtlich.
Die konstruktionswissenschaftlichen Aussagen, die der Vorgehensweise zu Grunde liegen und von ihr bereitgestellt werden, wurden bezogen auf die Hauptkategorien solcher Aussagen nach Hubka [HUBKA88, S. 110]. Hierfür wurden vier Sichten abgeleitet: Wissensmanagement, Terminologie, Pragmatik und Methodik. Die Vorgehensweise trägt zu allen vier Sichten bei.
Die theoretische Evaluation orientierte sich an den allgemeinen Anforderungsbereichen für Konstruktionsmethoden [BINZ11A] und dem zugehörigen Fragenkatalog [KELLER12]. Es wurde gezeigt, dass die Vorgehensweise hinsichtlich Überprüfbarkeit, Sinnhaftigkeit, Verständlichkeit, Strukturieren, Flexibilität, praktischer Relevanz, Nützlichkeit und Problemspezifizität einen Großteil der einschlägigen Gesichtspunkte des Fragenkatalogs erfüllt.
Die praktische Evaluation im Probandenversuch zeigte die prinzipielle Eignung der Vorgehensweise für die gestellte Aufgabe. Zugleich wurde aber auch der Weiterentwicklungsbedarf aufgezeigt: In didaktischer Hinsicht müssen die Erlernbarkeit, die Anwendbarkeit und die Verständlichkeit ausgebaut werden. Effektivität, Effizienz sowie die Problemspezifität müssen erhöht werden, um die Nutzerakzeptanz zu steigern. Diese hängt nicht zuletzt auch von der vorhandenen Methodenkompetenz ab.
Die Merkmale werden für den jeweiligen Entwicklungsstand der HIKE entsprechend dem Methodeneinsatz nach VDI 2221 angemessen dargestellt. Die Vorgehensweise dokumentiert technische Systeme als Lösungselemente für die Prozessphasen I und II, wodurch beispielsweise der Informationsumfang der bekannten Lehrbücher über Konstruktions- und Maschinenelemente ergänzt wird oder die Grundlage für eine ganzheitliche Beschreibung der HIKE gelegt wird. Der praktische Nutzen und die Relevanz für das Konstruieren von und mit Konstruktionselementen wurden anhand weiterführender methodischer Handlungsmöglichkeiten aufgezeigt.