Geräte-Konzeption (system design)

In 13 Jahre Geräteentwicklung hatte ich wiederholt das Glück vollständige Geräte und bedeutende Teilsysteme konzipieren zu dürfen. Anfangs folgte mein Team den 3 Schritten der Konzeptentwicklung eher intuitiv, im Laufe der Zeit jedoch mehr und mehr formal auf Basis von sorgfältig ausgearbeiteten Anforderungslisten.

1. die Suche nach alternativen (technischen) Lösungen für alle einzelnen Anforderungen, 
2. die Bewertung aller alternativer Lösungen und
3. die Auswahl der besten Einzellösung zum Gesamtkonzept. 

Diese strukturierte Vorgehensweise haben wir durch den Einsatz verschiedener Methoden unterstützt: Patent-Analysen, Wettbewerbs-Analysen, Abstraktion der Gerätefunktionen (Grundfunktions-, Block- und Fluss-Diagramme), Kreativitätstechniken, Morphologischer Kasten, Wertanalyse, Quality Funktion Deployment, Fehlerbäume, ...

 

Trotz methodischer Unterstützung bleibt für die effiziente Konzeption komplexer Systeme die Erfahrung sowie das tiefe und breite Ingenieurswissen der Entwickler entscheidend. Die Entwickler benötigen ein detailliertes Verständnis der physikalischen Zusammenhänge des technischen Systems in sehr verschiedenen Aspekten (z.B. Wärmefluss oder dynamisches Schwingungs-Verhalten oder Akustik oder …). Sie brauchen die Fähigkeit die Einflüsse der Systemparameter auf das Gesamtsystem sowohl schnell grob abzuschätzen als auch genau zu berechnen. Intuition und Bauchgefühl gewonnen in jahrelangen Erfahrungen sind hierbei sehr gute Beschleunigungsfaktoren. Für die Bildung eines robustes Systemkonzepts sind darüber hinaus die Kenntnis des Einflusses von Störgrößen und typischen Varianzen einer realen Fertigung notwendig.

 

Bei kaum einer andere Entwicklungsaufgabe ist die Klasse und die Erfahrung von guten Ingenieuren so wenig durch Masse zu ersetzen. Andererseits ist es aber auch klar, dass nicht ein Entwickler alles kann und weiß. Diskussionsfreudige Teamarbeit einerseits sowie frühzeitige und regelmäßige Konzept-Überprüfungen (Design Reviews) durch die erfahrensten und besten Ingenieure andererseits sind m.M.n. daher die besten Methoden für die Konzeption.

  

 

Mechanische Gerätekonzeption

Vor der Detail-Konstruktion steht die mechanische Gerätekonzeption mit der Definition der Baugruppen-Struktur und den Montagemethoden. Bei Serienprodukten und insbesondere bei variantenreichen Serienprodukten sollte man der Versuchung ein 3D-CAD Programm zu nutzen widerstehen und stattdessen das Abstraktionsniveau hoch halten. Für die zuletzt genannten galt es eine Baukasten-Systematik mit hoher Komponenten-/Bauteil-Wiederverwendung zu finden.

 

Mein Schwerpunkt bei der mechanische Gerätekonzeption legte ich neben der obligatorischen Kostenoptimierung auf der Definition einer robusten Montage durch die Reduzierung bzw. der Kontrolle aller Montagevarianzen insbesondere denjenigen mit Einfluss auf das Systemverhalten. Montageoperationen sollten zum einen möglichst unabhängig von den Fertigungstoleranzen der Einzelteile sein und zum anderen definiert und fehlerfrei ausgeführt werden können (Einfache, ermüdungsfreie Handhabung aller Teile (ggf. mit Hilfsmittel), gute Zugänglichkeit, optisch kontrollierbare Stoßstellen, Rückkopplungsmeldung (Klicken), Verwendung von funktionsgeprüften Baugruppen, Nutzung von Poka Yoke Prinzipien (Schlüssel-Schloss Elemente), Positionierhilfen, optisch eindeutig unterscheidbaren Teilen (geometrisch oder durch Farb-Codierung)). Auch die Anforderung der Qualitätssicherung (Prüfstellen) und des Servicebereiches (Zugangsstellen) haben wir schon beim Gerätekonzept berücksichtigt ohne dass hierfür ein detailliertes 3D-Modell oder Stückliste notwendig war.

 

 

Mechanische Gerätekonstruktion

3D-Modellierung, Zeichnungsableitung, Stücklisten-Erstellung, Toleranzfestlegung, Prototypenbau, Erstellung von technischen Lieferbedingungen, Verhandlungen mit Lieferanten, termingerechte Beschaffung, Verpackungskonstruktion, Produktdokumentation. Die Konstruktion von Blechteilen, Schweiß-Baugruppen, Feingussteilen, ,Fräs- und Drehteile aus Edelstahl oder Aluminium, Kunststoff-Spritzgussteilen, Silikon-Extrusionsprofile, Rapid-Prototyp-Teilen, u.v.m.. Dies war in den 5 Jahren als Leiter der mechanischen Konstruktion mein Arbeitsalltag.

 

Ein Hauptaugenmerk bei Serienprodukten lag für mich immer auf der Kostenminimierung durch Fertigungsoptimierung. Dies bedeutete zum einen die Optimierung der Konstruktion an die werkspezifischen bzw. länderspezifischen Fertigungsmöglichkeiten (in China sind nach meiner Erfahrung andere Dinge standardmäßig möglich bzw. unmöglich als in Deutschland) und zum anderen die ständige Optimierung der internen und externen Fertigungsmöglichkeiten an das typische Bauteil-Spektrum.

 

Kostenminimierung bedingt vor allem eine bestimmte Geisteshaltung des Konstrukteurs, ein Spaß an der Knauserigkeit. Ich habe gelernt, dass es einfacher ist, sich den Qualitätszielen von geringen Kosten aus zu nähern als umgekehrt. Überspitzt gilt dabei sowohl aus Qualitätssicht als auch aus Kostensicht: Nur ein Bauteil, welches man weglässt, ist ein gutes Bauteil. Es kann nicht kaputt gehen und kostet nichts. Eine bezahlbare robuste Gerätekonstruktion erlangt man m.M.n. nur, wenn man Bauteile, Baugruppen und Geräte ohne große Reserven gestaltet und bei Bedarf -dann aber sehr konsequent- verbessert. Eine einmal zu viel vorgesehene Schraube wird sonst ggf. bis zum Produktionsende mehrere tausend Mal in ein Gerät montiert. Für Klein-Serien und Einmal-Konstruktionen gilt das Gegenteil.

 

Gute Kenntnisse über Konstruktionsmethoden und über die gerätetypische Standard-Fertigungstechnik sind für jeden Konstrukteur ein Muss. Ein Einzelner kann aber niemals die Grenzen aller Verfahren und noch weniger die regionale Verfügbarkeit und die regionalen Kosten kennen. Regelmäßige und frühzeitige Konstruktionsüberprüfungen intern, mit Lieferanten und externen Beratern sind hier m.M.n. wieder das Mittel der Wahl.

 

Elektrische Konzeption/Konstruktion, Elektronik 

Dies sind von der Ausbildung und meinen Tätigkeiten her offensichtlich nicht meine Fachgebiete. Aber in den Jahren in der Entwicklung habe ich so einige typische Fehler und Fallstricke mitbekommen und mehr oder weniger vertiefte Teil-Kenntnisse in einigen Bereichen erlangt. Von nicht UL-zugelassenen Leitungen über EMV-gerechte Konstruktion bis hin zur objektorientierten Programm-Modellierung mit UML.

 

Robust Systems - Leistungsangebot zur Konzeption und Konstruktion