Grundlagen des Gestaltens

Welche Anforderungen bei einer konkreten Konstruktionsaufgabe erfüllt werden müssen ist von Fall zu Fall höchst unterschiedlich.

Eine gängige Auswahl von Konstruktionsgrundsätzen, die auch als Gestaltungsrichtlinien bezeichnet werden, und die dazu zu beantwortenden Fragen liefert dieser Abschnitt:

Funktionsgerechtes Gestalten

Die wichtigste und allgemeingültigste Anforderung ist, dass die Konstruktion die gewünschte Funktion über die gesamte vorgesehene Lebensdauer sicher erfüllt.

• Welche Aufgabe hat die Konstruktion?
• Welche Eingangs- und Ausgangsgrößen gibt es? (Stoff-, Energie- und Signalfluss)
• Wird die Aufgabe eindeutig und sicher erfüllt?
• Kann die Funktion einfacher realisiert werden?

Wir fassen für Sie die Inhalte dieses Abschnitts in kompakter Form zusammen:

Festigkeits- und beanspruchungsgerechtes Gestalten

Dies bedeutet, dass beim Konstruieren eine günstige Geometrie der Bauteile entwickelt werden muss um eine optimale Tragfähigkeit bei minimalem Werkstoffaufwand zu erreichen und bei gegebenen äußeren Belastungen eine ausreichnede Belastung erreicht werden kann.

Kräfte und Momente sollen dabei durch möglichst wenige Bauteile und auf möglichst kurzem Weg übertragen werden. Günstig ist dabei Zug- / Druckbeanspruchung.

Die Ausnutzung der zulässigen Werkstoffbeanspruchung sollte entlang des Kraftflusses möglichst gleichmäßig sein. Geometrisch bedingte Kerbwirkung soll vermieden werden, indem Übergänge sanft ausgeführt werden. Im Bild sind z.B. Kerben zu sehen, an denen bei ein er Zugbelastung erhöhte Spannungen (hier mit der FE-Methode kenntlich gemacht) zu erkennen sind.

Im nachfolgenden Bild ist zu erkennen, dass bei der Belastung eines Balkens an der Einspannung die größten Belastungen (rot dargestellt) auftreten.

Hochbelastete Bauteile können durch Oberflächenbehandlung wie z. B. Härten verstärkt werden. Große Unterschiede zwischen Verformungen aneinander grenzender Bauteile sind zu vermeiden.

Besonders bei Struktur- und Gehäusebauteilen ist eine räumliche Form der flachen Konstruktionen vorzuziehen. Hohlprofile sind meist günstiger als Vollprofile, da sie ein deutlich besseres Verhältnis zwischen Materialeinsatz und Belastbarkeit haben.

Bei einer Torsionsbelastung eignen sich beispielsweise geschlossene Profile (Rundrohr, Rechteckrohr, ...) wesentlich besser als offene Profile (I, L, U, ...) für eine Konstruktion.

Für häufig genutzte Gestaltungsformen gibt es oft Faustregeln, die das Konstruieren wesentlich vereinfachen, wie z.B. bei einer Gewindenutzung:

• die Einschraubtiefe bei Gewinden soll das 1 bis 1,5-fache des Gewindetiefe betragen
• um Gewindelöcher herum soll mindestens eine Wandmaterialdicke des 1,6 bis 1,8-fachen des Gewindedurchmessers berücksichtigt werden
• ein Gewindedurchmesser soll etwa der Wandstärke des verschraubten Bauteils entsprechen
• bei Gewindemustern soll ein Gewindeabstand vom 10-fachen Gewindedurchmesser angestrebt werden
• Flansche sollen die 1,5 bis 2-fache Dicke des angrenzenden Bauteils haben

Beim Festigkeits- und beanspruchungsgerechten Konstruieren sollten unter anderem die nachfolgenden Gedanken Berücksichtigung finden:

• Welche Höchstlast ist vorstellbar?
• Wie verläuft der Kraftfluss durch die Konstruktion?
• Ist der Kraftfluss eindeutig?
• Welche Stelle ist bei Überlastung gefährdet?
• Was passiert bei elastischer Verformung oder Temperaturdifferenzen?
• Ist die Konstruktions statisch (über)bestimmt?
• Ist (Nicht-)Beweglichkeit aller Teile klar?

Expertentipp

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Es ist für das Verständnis von Belastungen hilfreich, sich den Kraftfluss durch Einzeichnen seines Verlaufs als Pfeile oder Linien zu visualisieren und sich das Bauteil als sehr elastisch vorzustellen.

Im Bild wird der Kraftfluss in einer symmetrischen und in einer C-Presse gezeigt. Bei der C-Presse werden beispielsweise Teile auch auf Biegung belastet, wodurch die Konstruktion z.B. werkstoffintensiver wird.

 

Hier noch ein Beispiel aus der Automobilindustrie:

Die vordere Karosse eines PKW sollte so gestaltet sein, dass bei einem Crash viel Energie aufgenommen und in die Trägerstruktur abgeleitet werden kann, so dass die Fahrgastzelle weitestgehend erhalten bleibt.

 

Werkstoffgerechtes Gestalten

Die Werkstoffwahl ist immer eine Abwägung verschiedener Faktoren. Eine Abgrenzung zum funktionsgerechten Gestalten ist nicht immer ohne Überschneidungen möglich, wichtig ist dabei immer die Priorität mit Hinblick auf Kosten- und Materialersparnis.

Beim werkstoffgerechten Gestalten und Konstruieren werden Eigenschaften und Art des Werkstoffs so festgelegt, dass günstige Werkstoffeigenschaften genutzt und ungünstige ausgeglichen werden können.

Hochfeste Werkstoffe ermöglichen kleinere Querschnitte und damit geringere Massen, sind aber pro kg oft deutlich teurer als niedrigerfeste Werkstoffe. Die Verfügbarkeit am Markt, die Verschleißfestigkeit, Härtbarkeit, Schweißbarkeit, Zerspanbarkeit, Elastizität, aber auch die Korrosionsfestigkeit sind ebenfalls wichtige Auswahlkriterien.

Wiederverwendung oder Entsorgung bzw. Recycling können ebenfalls eine Rolle spielen.

• Welcher Werkstoff für welches Teil?
• Kann der Werkstoff in der gewünschten Weise bearbeitet werden?
• Ist der Werkstoff lieferbar zu vertretbaren Kosten?
• Ist die Lebensdauer des Werkstoffs lang genug? (Korrosion, Kriechen, Versprödung, ...)

Auch die herstellungs- und bearbeitungsbedingten Eigenspannungen sollten berücksichtigt werden.

Besonders Umformprozesse und thermische Bearbeitungsverfahren wie Härten oder Schweißen hinterlassen mitunter starke Spannungen in den Werkstücken, die die Belastbarkeit dramatisch reduzieren oder zu ungewollten Verformungen bei der Weiterverarbeitung oder im Betrieb führen können. Um das zu verhindern müssen geeignete Verfahren zur Reduktion der Eigenspannungen wie Spannungsarmglühen angewendet werden.

So sollten hochwertige Werkstoffe möglichst nur in der Belastungszone einer Konstruktion eingesetzt werden. Bei relativ großen Zahnrädern sollte z.B. die Werkstoffeinsparung noch zusätzlich verbessert werden, in dem nur der Zahnkranz aus hochwertigem Werkstoff (hier Bronze) gefertigt wird:

Werkstoffgerecht bedeutet aber auch, dass Prinzipien des Leichtbaus während einer Konstruktion berücksichtigt werden.

Es sind die Leichtbaustrategien

• Stoffleichtbau
• Formleichtbau
• Bedingungsleichtbau
• Konzeptleichtbau
• Fertigungsleichtbau

bekannt.

Das Bild zeigt z.B. wie durch Einsatz von Faserverbundwerkstoffen gegenüber dem Einsatz metallischer Werkstoffe das Gewicht bei gleicher Bauteilgröße gesenkt werden kann - die Herstellung und Verarbeitung dieser "leichten" Werkstoffe ist jedoch sehr kostenintensiv, so dass stets die Kosten im Auge behalten werden müssen.

Fertigungsgerechtes Gestalten

Je nach Größe der Bauteile, herzustellender Stückzahl und im herstellenden Unternehmen verfügbaren Fertigungseinrichtungen sind völlig unterschiedliche Fertigungsverfahren günstig. Nach DIN 8580 werden die Fertigungsverfahren wie folgt im Überblick katalogisiert.

Bei großen Stückzahlen lohnt sich erhöhter Aufwand für die Konstruktionsoptimierung und die Beschaffung von Hilfsmitteln wie Gussformen oder Hilfsvorrichtungen, bei Einzelstücken ist die Verwendung gut verfügbarere Halbzeuge wie Walzprofile, Bleche oder Rohre günstiger obwohl die Konstruktion weniger optimiert ist und mehr Material eingesetzt wird.

Schweißen und Gießen bilden jeweils eigenständige Themengebiete, in denen die Grundlagen für die Konstruktion entsprechender Teile beschrieben werden.

Die Überlegungen zu den Fertigungsverfahren wechselwirken mit denen zum Werkstoff. Die mit den unterschiedlichen Fertigungsverfahren wirtschaftlich oder überhaupt erreichbaren Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Erst wenn das Fertigungsverfahren feststeht kann eine Konstruktion gestaltet werden.

• Sind die ausgewählten Fertigungsverfahren für die Stückzahl geeignet und wirtschaftlich?
• Wo ist welche Bearbeitung erforderlich?
• Sind die zu bearbeitenden Stellen ausreichend zugänglich?
• Wo sind welche Toleranzen, Passungen und Oberflächenqualitäten nötig?

Eine wichtige Faustregel für wirtschaftliches Konstruieren lautet:

"Halbierung der Toleranz ergibt Verdoppelung der Fertigungskosten"

Zur Veranschaulichung des Zusammenhangs hier ein Diagramm nach Bronner:

Montagegerechtes Gestalten

Die Montage der Konstruktion soll mit den verfügbaren Hilfsmitteln möglichst einfach und kostengünstig möglich sein.

• Umfangreiche Konstruktionen sollten so gestaltet werden, dass mehrere Unterbaugruppen parallel vormontiert werden können.
• Wo eine bestimmte Reihenfolge bei der Montage eingehalten werden muss, ist diese in geeigneten Montageunterlagen (Videosimulation, Zeichnungstext etc.) zu dokumentieren.
• Wichtige Maße müssen leicht kontrollierbar sein. Bei großen Stückzahlen sind die Automatisierungsmöglichkeiten zu berücksichtigen.
• Einstell- und Anpassungsarbeiten müssen mit wenig Aufwand möglich sein.
• Bei Gehäusen ist insbesondere zu beachten, dass die Gehäuseteilung eine einfache Montage ermöglicht und die Lage einzubauender Teile eindeutig definiert ist, z. B. indem runde Teile einen Zentrieransatz haben oder passgenaue Ausrichtflächen für die zusammenzubauenden Teile vorhanden sind.

Folgende Schwerpunkte sind bei der Montage zu beachten:

• Welche Hilfsmittel stehen bei der Montage zur Verfügung?
• Wie viele Menschen mit welcher Qualifikation stehen bei der Montage zur Verfügung?
• Wie sauber ist die Montageumgebung?
• Welche Informationen werden für die Montage benötigt?
• Welche Fehler sind zu erwarten und wie können sie im Vorfeld vermieden werden?

 Anbei einige Beispiele montagegerechter Konstruktion:

Montageoperationen reduzieren und vereinfachen

Zwei oder mehr Fügerichtungen bei der Montage sind stets ungünstig. Es sollte deshalb stets versucht werden, die Bauteile so zusammenzustellen, dass so wenig wie möglich Fügerichtungen zu verzeichnen sind.

Bauteile bei Einsatz gleicher Werkstoffe durch Integralbauweise zusammenfassen

Wenn zwei oder mehrere Werkstücke mit Verbindungselementen zu montieren sind, sollte überlegt werden, ob dies durch eine geeignete Bauteilkonstruktion minimiert oder verhindert werden kann.

Bauteile handhabbar gestalten

Bei unsymmetrischen Bauteilen ist es oft schwierig, die genaue Einbaulage zu erkennen. Deshalb sollten hier äußere gut erkennbare Formmerkmale angebracht werden, die zum besseren Erkennen und Ordnen beitragen. So wurde hier eine zusätzliche Fase vorgesehen, wodurch bei der Montage die Einbaulage wesentlich einfacher zu erkennen ist.

Instandhaltungsgerechtes Gestalten

Die Inspektion und der Wechsel von ausfallgefährdeten Teilen und Verschleißteilen muss leicht möglich sein. Wartungspunkte müssen gut erkennbar und leicht zugänglich sein. Anfallender Schmutz (Abrieb, Späne, ...) sowie möglicherweise austretende Medien müssen an geeignete Stellen geleitet und leicht zu entfernen sein.

Die Kontrolle und der Wechsel von Betriebsstoffen und Verschleißteilen muss einfach und sicher möglich sein.

• Womit wird geschmiert?
• Wie kommt das Schmiermittel sicher an die Schmierstelle?
• Wie wird die Schmierung kontrolliert?
• Ist unkontrollierter Schmierstoffaustritt oder Schmutzeintritt verhindert?
• Welche Teile verschleißen?
• Welche Teile werden bei Überlast zerstört?
• Welche Ausstattung mit Hilfsmitteln und Qualifikation ist am Einsatzort der Konstruktion vorauszusetzen?

Montagegerecht, Demontagegerecht und auch Instandhaltungsgerechtes Gestalten kann man dabei nur selten vollständig voneinander trennen.

Hier noch einige Beispiele:

Montage- bzw. Demontagewege verkürzen

Lager selbst und auch Wellenabsätze, auf denen Lager positioniert werden, sind sehr genau gefertigt, und es sind Toleranzen beim Aufschieben der Lager zu beachten. Durch geeignete Wellenabsätze ist zu gewährleisten, dass sowohl der Montageweg als auch der Demontageweg relativ kurz ist. Dadurch kann die Fertigung der Welle vereinfacht werden. Bei der Montage sowie bei der Demontage verhindern kurze Schiebewege Beschädigungen.

Beschädigungsfreie Demontage durch zusätzliche Bohrungen

Wenn z. B. beim Einsatz mehrerer Passstifte beim Verbinden zweier Bauteile die vorgesehenen Bohrungen passgenau sein sollen, ist zu gewährleisten, dass zumindest in einem Bauteil die Bohrungen zusammen mit dem anderen Bauteil gefertigt werden müssen; die für die Demontage sinnvollen Bohrungen und Nuten sind hier ebenfalls notwendig.

Deckel und Verschlüsse von außen anbauen

Die Zugänglichkeit für Demontagewerkzeuge bei außen liegenden Verbindungselementen sollte beachtet werden. So sind Deckel und Verschlüsse stets von außen anzubringen.

Recyclinggerechtes Gestalten

Recycling ist ein sehr innovativer und ganzheitlicher Prozess; prinzipiell ist bei jeder Konstruktion, beginnend beim Entwurf über die Fertigung und den Einsatz des Bauteils oder der Baugruppe bis hin zur Demontage bzw. bis zur Entsorgung, ein recyclinggerechtes Entwerfen erforderlich.

Beim Gestalten und Entwerfen sind dabei bereits in der Konstruktionsphase unterschiedliche Recycling-Kreisläufe zu berücksichtigen:

• Recycling in der Produktion
  Bei der Produktion eines Bauteils ist zum Beispiel zu beachten, wie viel Werkstoff während der Fertigung durch spanabhebende Fertigungsverfahren „verloren“ geht und entsorgt werden muss.
  Die bedeutet also, dass ein Bauteil so gestaltet werden sollte, dass bei dessen Fertigung möglichst wenig Werkstoff "entsorgt" werden muss.
  
  
• Recycling während des Produktgebrauchs
  Während des Gebrauchs der Produkte fallen durch Verschleiß oder Beschädgung Bauteile an, die es aufzubereiten oder zu entsorgen gilt. So können Reifen oder auch Bremsen bis zu einem gewissen Grad wiederaufbereitet werden, bis es zu einer vollständigen Entsorgung kommt.
  
  
• Recycling nach Produktgebrauch
  Jedes Bauteil, jede Baugruppe und jede Maschine hat eine bestimmte Lebensdauer. Bereits beim Entwerfen der Produkte muss in Betracht gezogen werden, wie die Baugruppe z. B. demontiert werden kann, um Bauteile unterschiedlichen Werkstoffs unterschiedlichen Entsorgungen zuzuführen.
  Gerade beim Einsatz von Verbundwerkstoffen, wie z. B. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), ist das Recyceln bereits genutzter Bauteile zurzeit noch relativ schwierig und auch kostenintensiv.

Zerlegungsgünstige Konstruktionen erleichtern das Recycling und den Wechsel einzelner Teile. Verbindungen sollten leicht lösbar sein, Werkstoffgemische wie Verbundwerkstoffe möglichst vermieden werden. Die Möglichkeit zur Aufarbeitung von Verschleißteilen z. B. durch Überfräsen und Unterfüttern oder Aufschweißen und anschließendes Zerspanen sollte vorgesehen werden.

Formgerechtes Gestalten

Die Form einer Konstruktion sollte der Funktion und dem Kraftfluss erkennbar entsprechen und die Vorteile von Werkstoff und Fertigungsverfahren sichtbar werden lassen.

Funktionslose Zierelemente sind möglichst zu vermeiden.

Gefahrenstellen und Bedienelemente sind durch farbliche Kontraste sichtbar zu machen.

Weitere Details zu Industrial Design gibt die VDI-Richtlinie 2424.