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Auf Phänomenologien und computergestützten Funktionshypothesen basierende Produktentwicklung

Beitrag zu computergestützten Vorgehensweisen im Engineering Design

von Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)

Wissenschaftlicher Aufsatz 2014 29 Seiten

Design (Industrie, Grafik, Mode)

Leseprobe

Auf Phänomenologien und computergestützten Funktionshypothesen basierende Produktentwicklung

Phenomenology driven Product development

Beitrag zu computergestützten Vorgehensweisen im Engineering Design

Michael Dienst, Berlin 2014

Auch und gerade im Engineering Design bedarf es aktuell der Entwicklung von Methoden, Vorgehensweisen und Instrumenten, die den industriellen Produkt-entwicklungsprozess unterstützen. Daran besteht keinerlei Zweifel. Das Lehrgebiet und Arbeitsfeld des Engineering Designs1suggeriert nicht Wenigen (Unbeteiligten) eine Art „Maschinenbau Light“, was aber inhaltlich und formal den Kern dieser Profession nicht trifft. Engineering Design bedient, aufbauend auf eine entsprechende Diagonalbegabung der Akteure, den Übergangsbereich Tech-nischen Designs zum klassischen, methodenbasierten Maschinenbau. Nicht zuletzt versteht man im englischsprachigen Raum unter Engineering Design das Fach-Wissens- und Forschungsgebiet der Konstruktionstechnik, bzw. des Conceptual Design [Fren-99] im Sinne der Berliner Schule des methodischen Konstruierens [PaBe-93]. Im Vordergrund des Engineering Designs stehen deshalb traditionelle Produktentwicklungsverfahren, die alle Fragestellungen betreffen, mit denen möglichst Informationen erarbeitet werden, die für das Konzept, den Entwurf und die Erstellung von Fertigungsunterlagen eines Produkts notwendig sind, bis hin zur Einführung der technischen Artefakte in den Markt.

In der Alltagspraxis des Technischen Design taucht aber gelegentlich das Problem auf, dass gerade die hochkomplexen, teilweise bis an die Grenze des physikalisch Machbaren optimierten Prozesse und Bauweisen der zu entwickelnden Artefakte sich einer unmittelbaren Weiterentwicklung dadurch entziehen, dass Infor-mationen über die Erarbeitung der signifikanten physikalischen Grundlagen oftmals außerhalb der Reichweite des Designers liegen. Dieser ist dann allzu oft geneigt, die physikalischen, chemischen oder informationstechnischen Ursachen des Funktionierens eigener, konkurrierender oder vorgehender Produkte schlichtweg zu ignorieren oder ist - in einem günstigen Fall - aufgefordert zunächst eine vage Aussage, eine Funktionsvermutung oder eine physikalische Phänomenologie zu bemühen, um auf der Basis einstweilen kühner physikalischer Modelle Lösungsprinzipien zu erarbeiten mit dem Ziel, die Entwicklung des Produktes oder des Prozesses effizient voranzutreiben. Diesen, oftmals auf fragwürdigem Wissen aufbauenden Gestaltungsprozess möchte ich in diesem Aufsatz eine „auf Phänomenologien basierende Produktentwicklung (Phenomeno-logy driven Product development)“ nennen. Kern eines „physikalischen Modells“ das dem Gestaltungsprozess neuer Produkte zu Grunde liegen soll ist, zumindest in der phänomenologischen Variante, ist eine Funktionshypothese, die es dann zu bestätigen oder zu entkräften gilt. Welche Rolle dabei den heute einem Designer zur Verfügung stehenden Computermodellen zukommt, soll Gegenstand meiner Ausführungen sein.

ERSTE PHYSIKALISCHE MODELLE

Produktentwicklung beginnt am Fluss. Leonardo Da Vinci2hatte ein sehr effizientes Verfahren, die Entwicklung von Maschinen, Gerät oder Waffen einzuleiten. Unsere moderne Güter- und Gestalter-Welt hält in mahnender Absicht für diese fundamentale Produktentwicklungsmethode lediglich den Begriff „Urlaub“ bereit. Das ist zu bedauern, denn die Methode ist sehr produktiv. Bestand für Da Vinci der Auftrag darin eine Maschine zu bauen, welche einem Fluid Energie entzieht, nahm dieser sich reichlich Zeit und begab sich an einen Bach. Schaute das Wasser. Spekulierte. Nach ein paar Tagen nahm er Papier und Kohle mit und begann zu zeichnen. Das Ahnen, das sich intuitiv Zusammenreimen physikalischer Zusammen-hänge, das „Spekulieren“ über die betrachtete Wirklichkeit im Sinne von Wechselwirklichkeit hat seinen begrifflichen Ursprung im Beobachten3. Viele seiner (erhaltenen) Skizzen und Zeichnungen mit denen Leonardo seine Beobachtungen dokumentiert, konserviert und übrigens auch mit Handwerkern und (Material-) Händlern kommuniziert, betreffen das Quirlen und Wirbeln um einen Stein, das Fließen und Gurgeln der Strömung an einem Ast, das Stürzen und Schäumen an einem Wehr. Der Methode „Zeichnen“ kommt offenbar im Schaffen Leonardos die entscheidende Schlüsselrolle zu. Zeichnen ist - zumindest in seiner „analogen“ (nicht computerbasierten) Variante - ein äußerst körperhaftes Tun. Das kommt motorisch veranlagten Naturen zugute, denn man wird besser und besser durch Übung. Mehr noch: Strömungen zeichnen, das Wirbeln, das Quirlen und Schäumen etc. verspricht die Chance und beinhaltet die Option einer intuitiven Begegnung mit der Physik realer Strömungen. Das Wirkprinzip einer fluidischen Maschine steckt manchmal (nein immer) schon in der Linie seiner Umströmung. Genau dies unterschätzen wir in der Hochschulausbildung gerne und verzichten darauf, unsere Design- und Ingenieurnovizen mit einem Zeichenblock an einen Bach zu setzen. Und: dort kann man auch Wasservögel füttern. Erstaunt es eigentlich niemanden, wie schnell ein Entenküken voranschwimmen kann? Mit einem Foto-Handy (Thema: computerunterstützte Vorgehensweisen … usw.) ermitteln wir eine Flucht-geschwindigkeit von etwa 1,7 [m/s], was etwa dem vierfachen der „theoretischen Rumpfgeschwindigkeit“ eines Entenkükens entspricht; auch Rallen sind schnell unterwegs [Die-11]. Vielleicht nicht ganz zufällig in der mediteranen Tradition des kongenialen Leonardos wirkend ist Fabio Taglioni4 zu nennen, ebenfalls ein Großmeister der Konstruktionszeichnung als Kommunikationsmittel und Valenz-ebene einzuarbeitender physikalischer Modelle.

Spätestens hier, auf der Ebene und im Reigen einer Welt aus Phänomenologien5, löst die wissenschaftliche (quantitative) Analyse die gemütliche (qualitative) Beobachtung in der Natur ab, werden vom Betrachter fundierte Kenntnisse der Mathematik, Mechanik und Thermo- Fluiddynamik abgefragt, stellen der professionelle Umgang mit physikalischen Ähnlichkeitsgesetzen und die Dimensionsanalyse das Rüstzeug und die Grundausstattung des Daten erhebenden Naturbeobachters für das wissenschaftliche Arbeiten. Lassen sich die Dimensions-betrachtungen und die Similarität [Die-12] spezieller einzelner fluidmechanischer Ereignisse noch auf einem Blatt Papier, mit Rechenschieber oder einem (Super-markt-) Taschenrechner bearbeiten, so machen Daten in statistisch relevanter Größenordnung Matrizenverfahren, Kenntnisse über Numerik, den Einsatz von Hard- und Software, etwa Computeralgebra-Systeme (CAS) und den sicheren Zugang zu und den professionellen Umgang mit leistungsfähigen Program-mierumgebungen erforderlich. Dies alles mit dem Ziel, Realität in Modellen einer physikalischen (Wechsel-) Wirklichkeit darzustellen. Eine Lösungskompetenz für derartige Aufgaben ist leider nur grundständig zu erwerben. So sind wir bei unseren Betrachtungen an einem Punkt angelangt, an dem eine Gestaltungsabsicht Begabungen abfragt, Instrumentarien benötigt und methodische Herangehens-weisen fordert, die über eine rein qualitative Naturbeobachtung - mit Bleistift und Botanisiertrommel, quasi - hinausgeht. Gleichzeitig ist für einen Designer die Auseinandersetzung mit Gestaltungsaufgaben ohne eine ausgeprägte Liebe zur Narration nicht zu haben.

INDUSTRIELLE PRODUKTENTWICKLUNG

Produktentwicklungsmethoden betreffen Fragestellungen, mit denen die Informationen erarbeitet werden, die für das Konzept, den Entwurf und die Nutzung eines Produkts notwendig sind [PaBei-93]. Strategien, Methoden und Verfahren für die Entwicklung industrieller Produkte unterscheiden sich nach Branchen, Art und Typ der Produkte, weisen aber gemeinsame Grundstrukturen auf (Abbildung 1.) Ein übergeordneter Strategieparameter ist dabei die „Gestaltungsabsicht (Design Intent)“, die den gesamten Produktentwicklungs-prozess, von der Ideenfindung, über den Entwurf, die Konstruktion und die industrielle Fertigung, bis hinein in die Produktbetreuung am Markt klammert. Insbesondere in der traditionellen heimischen, über Jahre und Jahrzehnte ausentwickelten industriellen Entwicklungspraxis sind am Problem orientierte Herangehensweisen von branchenspezifischen haus- und firmentradierten Individuallösungen gekennzeichnet. Im englischsprachigen Raum werden außerdem gerne die am Produkt orientierten Entwicklungsszenarien von den Problemorientierten, wie sie Gegenstand der einschlägigen VDI-Richtlinien sind, unterschieden [VDI-R 2221][VDI-R 2222][VDI-R 6220][Fren-99].

Gemeinsam ist den problemorientierten und produktorientierten Entwicklungsprozessen eine Grund-struktur mit den Elementen:
- Aufgabenbeschreibung und Definition der Entwicklungsziele
- Konzepterstellung
- Erarbeitung von (Produkt-) Entwürfen
- Konstruktion, im Sinne der „Erstellung von Fertigungsunterlagen“
- Fertigung
- Vertrieb und Produktbetreuung am Markt.

Dabei schließt der Gestaltungsprozess sowohl praktische, als auch ästhetische Aspekte ein. Der Datenfluss in Produktentwicklungsprozessen wird heute von hochentwickelten Computersystemen (Hard- und Software) erzeugt, geordnet und genutzt. Der Begriff „Computer Aided Engineering6, CAE“ fasst die Möglichkeiten der Computerunterstützung von Produktentwicklungsprozessen zusammen.

Im Zusammenhang mit Engineering Design seien einige Elemente des CAE genannt:
- Rechnerunterstützte Konstruktion (Computer Aided Design, CAD)
- Mehrkörpersimulation (MKS)
- Mechanische Beanspruchung von Bauteilen und Baugruppen (FEM)
- Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD)
- Fluid- Struktur- Wechselwirkung (Fluid Structure Interaction, FSI)
- Ein-, Ausbau- und Kollisionsprüfungen (Digital Mock-Up, DMU)
... des Weiteren
- NC-Programmierung und NC-Simulation (CAM) und Fertigungsprozess-

simulationen (Computer Aided Process Engineering, CAPE).

PHYSIKALISCHE MODELLE FÜR FUNKTIONSHYPOTHESEN

Zur Erstellung physikalischer Modelle und der Simulation der Bauteilwirklichkeit sind MKS, FEM, CFD und auf Laborebene FSI bereits etablierte Verfahren [Kreb-08]. In der verallgemeinerten Dramaturgie der methodischen Produkterstellung liefern dann erste Studien über kinematische Beziehungen zwischen Bauteilen Entscheidungsgrundlagen für Funktionshypothesen zur Erstellung konkurrieren-der Konzepte. Viele struktur- und fluidmechanische Effekte werden in vereinfachenden Modellvorstellungen, vermittelt durch MKS, FEM und CFD erst sichtbar. Durch eine Untergliederung in Teilsysteme werden von Ein- und Ausgangsgrößen zu überschreitenden Systemgrenzen festgelegt und das Zusammenspiel von Energie-, Materie- und Informationsfluss beschrieben.

Legt man eine generalisierte Vorgehensweise, etwa die der oben zitierten VDIRichtlinien zu Grunde, lassen sich die Physikalischen Modelle in erster Linie in der Frühen Phase der industriellen Produktentwicklung (Konzept), dem Entwurf und der Konstruktion verorten.

Frühe Phase. Das Konzept als Element methodischen Vorgehens bei der Entwicklung neuer Produkte und Verfahren soll neutral sein gegenüber der angestrebten Lösung. Bei stationären Vorgängen genügt die Bestimmung der Eingangs- und Ausgangsgrößen, bei zeitlich sich verändernden instationären Vorgängen ist darüber hinaus die Simulationsaufgabe transient zu beschreiben. Die physikalischen Modelle werden nun zu einem Wissensvorrat, ja zu einem Argumentegenerator, für eine spezifische, auf das zu entwickelnde Produkt zielende Funktionshypothese.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Funktionshypothese und industrielle Produktentwicklung.

Grundsätzlich soll für Funktionshypothesen gelten:

- Die Funktionshypothese benennt die an einem Artefakten oder an einem biologischen System vermuteten physikalischen, chemischen, energie- und informationstransformierenden Phänomene. Grundlage einer Funktions- hypothese kann die Phänomenologie eines beobachteten Effekts sein (Schlüsselbegriffe sind: Energiewandel, Gestaltwandel, Informations- verarbeitung, Stoffwechsel im Sinne chemischer Transformation).

- Funktionen technischer Systeme und Teilfunktionen ihrer Subsysteme werden durch naturale Wirkungszusammenhänge7realisiert, die bekann- ten oder noch nicht bekannten physikalischen Naturgesetzen unterliegen. Nach Luhmann8 sei Technik eine „funktionierende Simplifikation im Medium der Kausalität“9

- Beim Abstrahieren zum Erkennen von Funktionen soll vom individuellen und Zufälligen abgesehen werden und versucht werden das Wesentliche und allgemein Gültige durch Analyse der (Anforderungsliste) der Notwendigkeiten, der Bestimmungen usw. zu erkennen. Eine solche Verallgemeinerung lässt den Wesenskern einer Aufgabe hervortreten.

Dabei ist es zunächst nicht wesentlich zu wissen, durch welche technische Lösung eine solche Funktion erfüllt wird. Die Funktion wird damit zu einer Formulierung der Aufgabe auf abstrakter und lösungsneutraler Ebene. Das computerunterstützte Physical Modeling (MKS, FEM, CFD, FSI) stellt in der Frühen Phase der industriellen Produktentwicklung dadurch Entscheidungs-grundlagen bereit, dass Parameterstudien qualitative Vorstellungen und erste quantitative Aussagen herstellen und visualisieren. Nun können zum Erfüllen der Gesamtfunktion die Wirkprinzipien der Teilfunktionen zu einer Kombi-nation verknüpft werden. Das führt zur Wirkstruktur einer Lösung, in der das Zusammenwirken mehrerer Wirkprinzipien erkennbar wird und das Lösungsprinzip zum Erfüllen der Gesamtaufgabe angegeben werden kann. Entwurf und Konstruktion. Die Verbindung von Programmsystemen zur Zeichnungserstellung (CAD) und Simulationsprogrammen (CAD und FEM) sind Stand der Technik. Allerdings herrschen immer noch große Unterschiede in der Art der Kopplung. Bei projektbasierten Verknüpfungen bilden CAD-Systeme die organisatorische Basis von der aus die Daten in das Berechnungsprogramm-system „verschoben“ werden (müssen). Die Verluste an Informationen über Form und Funktion der anvisierten technischen Konstruktion stellen nicht selten ein Problem dar. Eine Lösung stellt die Initial Graphics Exchange Specification (IGES) bereit, die ein neutrales herstellerunabhängiges Datenformat definiert, welches dem digitalen Austausch von Informationen zwischen CAE-Programmen dient.

Der Trend geht heute eindeutig zu CAD-Systemen mit fest verdrahteten physikalischen Modellen die es gestatten, Baugruppen zu animieren, Bewe-gungsabläufe zu simulieren und mit integrierter Festigkeitsberechnungsfunktion Bauteilbelastungen schon während der Konstruktion zu analysieren. Dem Konstrukteur und dem Designer wachsen in Zukunft Kompetenzen zu, die vor einigen Jahren dem speziell ausgebildeten Berechnungsingenieur vorbehalten waren; das ist ein bemerkenswerter Wandel. Für die konstruktionsbegleitende Berechnung bieten mehrere Softwareentwickler Produkte an, die sich intuitiv bedienen und nahtlos in alle gängigen CAD-Programme integrieren lassen.

Die Anwendung von Physical Modelling- und Simulationssoftware nimmt in den naturwissenschaftlichen und ingenieurwissenschaftlichen Berufsfeldern einen zunehmend größeren Anteil ein (organisatorisch, zeitlich und Kosten). In klassischen maschinenbaubetonten Produktentwicklungsmethodiken, etwa der VDI-R 2221, werden bereits in der frühen Phase Wirkprinzipien und Funktionsmodelle nachgefragt; sie geben erste Auskünfte über Form und Art, Abmessungen, Anordnung und Anzahl der Gestaltungselemente eines frühen Entwurfs und bilden Entscheidungsgrundlagen für die weitere Entwicklung.

In der frühen Phase der industriellen Produktentwicklung erfolgt die konzeptionelle Festlegung, das (neutrale) Funktionsprinzip und in der Entwurfsphase die ersten gestalterischen Festlegungen.

[...]

Details

Seiten
29
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656824015
ISBN (Buch)
9783656824046
Dateigröße
2 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v282835
Note
Schlagworte
Engineering Design Phänomenologien Produktentwicklung Phenomenology driven Product development Conceptual Design Physical Modelling.

Autor

  • Dipl.-Ing. Michael Dienst (Autor)

    113 Titel veröffentlicht

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Titel: Auf Phänomenologien und computergestützten Funktionshypothesen basierende Produktentwicklung