Hochwertige Produkte müssen auch unter unerwarteten Bedingungen und Einfluss von Störgrössen zuverlässig funktionieren. Solche Störgrössen treten im Produktlebenszyklus immer wieder auf und können oft nicht kontrolliert werden. Helbling hat Methoden erarbeitet und implementiert, um diesen Aspekt schon in der Produktentwicklung einzubeziehen. Die Prinzipien des robusten Designs, im Englischen Robust Design, zielen darauf ab, den Einfluss von Störgrössen durch entsprechendes Design zu minimieren. Dadurch werden Leistungseinbussen während der Produktions- und Nutzungsphase eines Produkts signifikant reduziert.
Was robust ist, wird definiert als unempfindlich oder nicht leicht irritierbar. Bei Produkten meint dies, dass Störgrössen einen geringen Einfluss auf die Funktion und Qualität haben. Somit funktioniert ein robustes Produkt nicht nur unter idealen Bedingungen im Labor gut, sondern auch in der realen Welt. Dabei ist robustes Design nicht nur relevant bei Hightech in aussergewöhnlichen Umgebungen wie etwa Satelliten, die im All ihren Dienst tun. Robustheit ist insbesondere auch bei Konsumgütern gefragt, bei denen Massenproduktion auf Komplexität trifft. Gerade hier hat Helbling bereits erfolgreich Projekte mit robustem Design abgeschlossen, wofür Fachleute spezifische Prozesse ausgearbeitet und angewendet haben.
In der Entwicklung leisten dabei schon früh das sogenannte System-Design und Parameter-Design wesentliche Beiträge zum Robust Design. Im weiteren Verlauf werden im Toleranz-Design die Spezifikationen von Einzelteilen festgelegt. Diese Spezifikationen beschreiben die zulässigen Abweichungen von den idealen Eigenschaften und sind entscheidend für das einwandfreie Funktionieren des Endprodukts. Die Herausforderung besteht darin, diese Spezifikationen so abzustimmen, dass sie folgenden Kriterien entsprechen:
- Die Spezifikationen sollten auf übergeordnete Anforderungen zurückgeführt werden können.
- Sie müssen mit den gewählten Herstellungsprozessen zuverlässig erreicht werden können.
- Dabei muss eine beliebige Kombination von Einzelteilen zu einem funktionierenden System führen.
Mit Parameter-Design Streubreite reduzieren
Die Erzielung einer geringen Streubreite ist entscheidend für Robust Design. Durch Auswahl von Bereichen mit flachen Transferfunktionen im Parameter-Design kann dies erreicht werden. Ein Beispiel zweier Federn in Abbildung 1 verdeutlicht die Auswirkungen von Längenvariationen auf die Streubreite der Kraft und zeigt die Bedeutung der Sensitivität in der Praxis.
Design-Klarheit schaffen
Reale Bauteile weichen immer von den idealen CAD-Modellen ab. Die Festlegung von Toleranzen durch den Entwickler ist entscheidend für die Funktion, da diese die zulässige Variation von der idealen Gestalt beschreiben. Heutzutage kann diese Konstruktionsabsicht direkt im 3D-CAD-Modell mittels Model-Based Definition (MBD) hinterlegt werden.
Neben den Toleranzen schafft aber auch die eigentliche Geometrie Klarheit. Die Länge der Verbindung in Abbildung 2 ist entscheidend dafür, wie viele Freiheitsgrade durch diese Schnittstelle eingeschränkt werden.
unten links: 2 Rotationsfreiheitsgrade gesperrt; unten rechts: 2 Rotationsfreiheitsgrade frei. Abbildung: Helbling
Idealerweise sollten Freiheitsgrade innerhalb einer Baugruppe genau einmal eingeschränkt werden, um unbestimmte Zustände zu vermeiden. Die systematische Analyse mit Hilfe der Grüblerschen Gleichung hilft, Überbestimmungen zu identifizieren. Überbestimmungen können in einigen Fällen akzeptiert werden, erfordern jedoch oft engere Toleranzen, damit eine kinematische Kette in der Realität nicht plötzlich klemmt. Diese Analyse ermöglicht auch den Vergleich verschiedener mechanischer Ketten auf Konzeptebene.
Die Tolerierung von Einzelteilen und Baugruppen direkt im 3D-Modell erzeugen
Die vollständige Beschreibung zulässiger Abweichungen von Bauteilen nach ISO GPS ist von grosser Bedeutung. Dabei sollten Grösse, Form, Position und Orientierung vollständig toleriert werden. Mittels einer 3D-Toleranzsimulation werden die kritischen Funktionen überprüft. Können die benötigten Toleranzen nicht mit den gewählten Herstellverfahren erreicht werden, müssen Korrekturmassnahmen definiert werden. Bewährte Optionen sind dann etwa eine Verkürzung der Toleranzkette oder ein zusätzlicher Fertigungsschritt mit höherer Genauigkeit bei einem grossen Beitragsgeber.
Mit aktuellen Tools wird das Toleranz-Modell Bestandteil der Baugruppe, so können Toleranzen dank Model-Based-Definition direkt aus dem CAD-Modell übernommen werden und das Modell wird ebenfalls in der Baugruppe gespeichert. Das händische Übertragen entfällt komplett.
Dank Tools zur 3D-Verifikation den Prozess erleichtern
Dank 3D-Scanning können produzierte Teile komplett erfasst werden und gegenüber der Spezifikation mit Hilfe der 3D-Verifikation überprüft werden. Dank Model-Based Definition kann auch in diesem Arbeitsschritt auf die Toleranzen vom CAD-Modell zugegriffen werden. Eine klassische 2D-Zeichnung wird somit überflüssig. Hierbei handelt es sich um einen Wandel, der viele nachgelagerte Prozesse tangiert und in der Industrie erst langsam Fahrt aufnimmt. Helbling verfolgt diesen Wandel seit einigen Jahren. In Projekten konnten schon Erfahrungen gesammelt und Musterteile auf diese Weise exakt ausgewertet werden.
Zusammenfassung: Robustes Design ermöglicht Zuverlässigkeit und Effizienz
Die Integration verschiedener Methoden und Tools wie Design-Klarheit und 3D-Toleranzsimulation ermöglicht die effiziente Entwicklung robuster Produkte. Durch die konsequente Anwendung dieser Methoden hat Helbling bereits unter Beweis stellen können, dass am Ende ein Produkt steht, das nicht nur im Einsatz, sondern auch in der Produktion überzeugt. Dabei erlaubt das Vorgehen auch eine effizientere Zusammenarbeit mit Produzenten und OEMs.
Autoren: Martin Ziegler, Stefan Käser
Hauptbild: Volkswagen
References
Grübler, M. (1917). Getriebelehre. Berlin: Julius Springer. Von https://hdl.handle.net/1813/58336 abgerufen
Taguchi, G. (1993). Taguchi on Robust Technology Development. New York.
