Konstruktionsprozess

Der Konstruktionsprozess im Ingenieurwesen beschreibt, wie Ingenieure Produkte, Prozesse und Systeme entwerfen und validieren – einschließlich ihrer Lebenszyklusprozesse wie Fertigung, Wartung und Entsorgung (z. B. Recycling, Wiederaufbereitung oder Entsorgung). Es gibt verschiedene Beschreibungen dieses Prozesses; eine einheitliche Standardform existiert nicht, obwohl viele Aspekte in den Arbeitsweisen einzelner Ingenieure und in den Prozessen verschiedener Unternehmen wiederzuerkennen sind. Unabhängig vom Kontext ist der Konstruktionsprozess iterativ – Aktivitäten und Entscheidungen müssen oft mehrfach überprüft werden, sobald neue Informationen vorliegen –, wobei die Art und Häufigkeit der Iterationen variieren können.

Der ingenieurwissenschaftliche Entwicklungsprozess lässt sich unter anderem als schrittweise Abfolge von Phasen, als kollaborative soziale Aktivität mit vielen Beteiligten und als Entscheidungsprozess beschreiben , in dem Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Mathematik systematisch angewendet werden, um durch eine Reihe von Entscheidungen die festgelegten Ziele zu erreichen. Da der Entwicklungsprozess sehr komplex und situationsspezifisch ist, liefert jede einzelne Perspektive nur einen Teil des Gesamtbildes. Moderne Ansätze empfehlen daher einen pluralistischen Ansatz, der verschiedene Perspektiven berücksichtigt, um ein umfassendes Verständnis des Entwicklungsprozesses zu erlangen. ^{[ 1 ]} Zu den grundlegenden Elementen des Entwicklungsprozesses gehören die Festlegung von Zielen und Kriterien, die Synthese, die Analyse, die Konstruktion, die Prüfung und die Bewertung. ^{[ 2 ]}

Der Begriff des ingenieurwissenschaftlichen Designprozesses unterscheidet sich von den Begriffen der Ingenieurmethode und der ingenieurwissenschaftlichen Denkweise. Der Prozess beschreibt, wie sich Ingenieurarbeit im Laufe der Zeit, in mehreren Phasen oder durch verschiedene Aktivitäten entwickelt oder entwickeln sollte. Die verwandten Begriffe Ingenieurmethode und ingenieurwissenschaftliche Denkweise bezeichnen den allgemeineren systematischen Ansatz, den Ingenieure zur Problemlösung verwenden. So lassen sich beispielsweise Ingenieurmethode und ingenieurwissenschaftliche Denkweise sowohl zur Lösung komplexer Probleme in der Wirtschaft als auch im Ingenieurwesen selbst einsetzen.

Der ingenieurwissenschaftliche Entwicklungsprozess wird in einer Vielzahl von Modellen mit unterschiedlichen Rahmenbedingungen dargestellt. Die verwendeten Begriffe können sich in unterschiedlichem Maße überschneiden, was Einfluss darauf hat, welche Schritte in einem bestimmten Modell explizit genannt oder als „übergeordnet“ bzw. untergeordnet eingestuft werden. Dies gilt selbstverständlich auch für die hier aufgeführten beispielhaften Schritte/Abläufe.

Ein Beispielmodell des Konstruktionsprozesses im Ingenieurwesen gliedert sich in folgende Phasen: Recherche, Konzeptentwicklung, Machbarkeitsstudie, Festlegung der Konstruktionsanforderungen, Vorentwurf, Detailkonstruktion, Produktionsplanung und Werkzeugkonstruktion sowie Produktion . ^{[ 3 ]} Andere Autoren weisen darauf hin, dass „unterschiedliche Autoren (sowohl in der Fachliteratur als auch in Lehrbüchern) verschiedene Phasen des Konstruktionsprozesses mit jeweils unterschiedlichen Aktivitäten definieren“ und schlagen daher vereinfachte/allgemeinere Modelle vor – wie etwa Problemdefinition, Konzeptentwicklung , Vorentwurf, Detailkonstruktion und Konstruktionskommunikation . ^{[ 4 ]} Eine weitere Zusammenfassung des Prozesses aus der europäischen Literatur zum Konstruktionswesen umfasst die Aufgabenklärung, die Konzeptentwicklung, die Ausführungsplanung und die Detailkonstruktion . ^{[ 5 ]} (Anmerkung: In diesen Beispielen sind andere wichtige Aspekte – wie die Konzeptbewertung und die Prototypenerstellung – Teilmengen und/oder Erweiterungen eines oder mehrerer der aufgeführten Schritte.)

Verschiedene Phasen des Designprozesses (und sogar frühere) können einen erheblichen Zeitaufwand für die Informationsbeschaffung und Recherche erfordern . ^{[ 6 ]} Dabei sollten die vorhandene relevante Literatur, Probleme und Erfolge bestehender Lösungen, Kosten und Marktbedürfnisse berücksichtigt werden. ^{[ 6 ]}

Die Informationsquelle sollte relevant sein. Reverse Engineering kann eine effektive Methode sein, wenn andere Lösungen auf dem Markt verfügbar sind. ^{[ 6 ]} Weitere Informationsquellen sind das Internet, lokale Bibliotheken , verfügbare Regierungsdokumente, persönliche Organisationen, Fachzeitschriften , Herstellerkataloge und einzelne Experten . ^{[ 6 ]}

Die Festlegung von Designanforderungen und die Durchführung einer Anforderungsanalyse , auch Problemdefinition genannt (oder als verwandte Aktivität betrachtet), ist in bestimmten Branchen eines der wichtigsten Elemente im Designprozess ^{[ 7 ]} und wird häufig parallel zu einer Machbarkeitsanalyse durchgeführt. Die Designanforderungen steuern die Gestaltung des zu entwickelnden Produkts oder Prozesses während des gesamten Entwicklungsprozesses. Dazu gehören grundlegende Aspekte wie Funktionen, Attribute und Spezifikationen , die nach der Ermittlung der Nutzerbedürfnisse festgelegt werden. Einige Designanforderungen umfassen Hardware- und Softwareparameter, Wartbarkeit , Verfügbarkeit und Testbarkeit . ^{[ 3 ]}

In manchen Fällen wird zunächst eine Machbarkeitsstudie durchgeführt, auf deren Grundlage Zeitpläne, Ressourcenpläne und Kostenschätzungen für die nächste Phase erstellt werden. Die Machbarkeitsstudie dient der Bewertung und Analyse des Potenzials eines geplanten Projekts und unterstützt den Entscheidungsprozess . Sie skizziert und analysiert Alternativen oder Methoden zur Erreichung des gewünschten Ergebnisses. Die Machbarkeitsstudie trägt dazu bei, den Projektumfang einzugrenzen und das optimale Szenario zu ermitteln. Im Anschluss an die Erstellung des Machbarkeitsberichts erfolgt eine Nachprüfung.

Ziel einer Machbarkeitsstudie ist es, festzustellen, ob das Projekt des Ingenieurs in die Entwurfsphase übergehen kann . Dies basiert auf zwei Kriterien: Das Projekt muss auf einer realisierbaren Idee beruhen und innerhalb des vorgegebenen Kostenrahmens liegen . Es ist wichtig, dass erfahrene und urteilsfähige Ingenieure an diesem Teil der Machbarkeitsstudie beteiligt sind. ^{[ 3 ]}

Eine Konzeptstudie ( Konzeptentwicklung , Konzeptentwurf ) ist häufig eine Phase der Projektplanung, in der Ideen generiert und die Vor- und Nachteile ihrer Umsetzung abgewogen werden. Diese Projektphase dient dazu, die Fehlerwahrscheinlichkeit zu minimieren, Kosten zu kontrollieren, Risiken zu bewerten und den potenziellen Erfolg des Projekts einzuschätzen. Sobald ein technisches Problem definiert ist, müssen Lösungsansätze identifiziert werden. Diese Lösungen lassen sich durch Ideenfindung finden , dem mentalen Prozess, durch den Ideen generiert werden. Dieser Schritt wird daher oft als Ideenfindung oder „Konzeptgenerierung“ bezeichnet. Folgende Techniken werden häufig angewendet: ^{[ 3 ]}

• Auslöserwort – ein Wort oder eine Phrase, die mit dem vorliegenden Problem in Verbindung steht, wird genannt, woraufhin weitere Wörter und Phrasen aufgerufen werden.
• Morphologische Analyse – die unabhängigen Konstruktionsmerkmale werden in einer Tabelle aufgelistet, und für jede Lösung werden verschiedene technische Lösungen vorgeschlagen. Normalerweise werden der morphologischen Tabelle eine Vorskizze und ein kurzer Bericht beigefügt.
• Synektik – der Ingenieur versetzt sich in die Lage des Systems und fragt sich: „Was würde ich tun, wenn ich das System wäre?“ Diese unkonventionelle Denkweise kann zur Lösung des Problems beitragen. Ein wesentlicher Aspekt der Konzeptphase ist die Synthese. Synthese ist der Prozess, die Elemente des Konzepts zu erfassen und sie sinnvoll anzuordnen. Der kreative Prozess der Synthese ist in jedem Designprozess präsent.
• Brainstorming – diese beliebte Methode beinhaltet das Erarbeiten verschiedener Ideen, typischerweise in einer kleinen Gruppe, und das anschließende Übernehmen dieser Ideen in irgendeiner Form als Lösung für das Problem.

Die verschiedenen generierten Ideen müssen anschließend einer Konzeptbewertung unterzogen werden , bei der verschiedene Instrumente eingesetzt werden, um die relativen Stärken und Schwächen möglicher Alternativen zu vergleichen und gegenüberzustellen.

Der Vorentwurf (auch FEED oder Basisentwurf genannt) schließt oft die Lücke zwischen Designkonzeption und Detailkonstruktion, insbesondere wenn der in der Ideenfindungsphase erreichte Konzeptionsgrad für eine umfassende Bewertung nicht ausreicht. In dieser Phase wird die Gesamtkonfiguration des Systems definiert, und Schemata , Diagramme und Layouts des Projekts können eine frühe Projektkonfiguration liefern. (Dies variiert stark je nach Fachgebiet, Branche und Produkt.) Während der Detailkonstruktion und Optimierung ändern sich die Parameter des zu erstellenden Bauteils, der Vorentwurf konzentriert sich jedoch auf die Schaffung des allgemeinen Rahmens für das Projekt. ^{[ 3 ]}

S. Blanchard und J. Fabrycky beschreiben es wie folgt: „Das ‚Was‘, das den Konzeptentwurf initiiert, erzeugt ‚Wie‘ aus der Bewertung realisierbarer Konzepten. Anschließend werden die ‚Wie‘ mithilfe der zugeordneten Anforderungen in den Vorentwurf integriert. Dort werden sie zu ‚Was‘ und treiben den Vorentwurf voran, um die ‚Wie‘ auf dieser niedrigeren Ebene zu adressieren.“

Nach der FEED-Phase folgt die Detailplanungsphase (Detailkonstruktion), die auch die Materialbeschaffung umfassen kann . In dieser Phase werden alle Aspekte des Projekts/Produkts durch detaillierte Beschreibungen mittels 3D-Modellierung , Zeichnungen und Spezifikationen weiter ausgearbeitet .

Computergestützte Konstruktionsprogramme (CAD-Programme) haben die detaillierte Konstruktionsphase effizienter gestaltet. So kann ein CAD-Programm beispielsweise Optimierungen zur Volumenreduzierung durchführen, ohne die Bauteilqualität zu beeinträchtigen. Es kann außerdem Spannungen und Verformungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode berechnen , um die Spannungen im gesamten Bauteil zu ermitteln. ^{[ 8 ]}

Die Produktionsplanung und Werkzeugkonstruktion umfasst die Planung der Serienfertigung des Produkts und die Auswahl der im Fertigungsprozess einzusetzenden Werkzeuge . Zu den Aufgaben in diesem Schritt gehören die Materialauswahl, die Auswahl der Produktionsprozesse, die Festlegung der Arbeitsablaufreihenfolge sowie die Auswahl von Werkzeugen wie Vorrichtungen, Lehren, Werkzeugen zum Metallschneiden und Umformen von Metallen oder Kunststoffen. Dieser Schritt beinhaltet auch zusätzliche Prototypentests , um sicherzustellen, dass die Serienversion die Qualifikationsprüfungsstandards erfüllt . ^{[ 3 ]}

Der ingenieurwissenschaftliche Entwicklungsprozess weist einige Ähnlichkeiten mit der wissenschaftlichen Methode auf . ^{[ 9 ]} Beide Prozesse beginnen mit vorhandenem Wissen und werden im Laufe der Zeit spezifischer, um neues Wissen (in der Grundlagenforschung) oder eine Lösung (in der angewandten Wissenschaft, wie beispielsweise im Ingenieurwesen) zu finden. Der wesentliche Unterschied zwischen dem ingenieurwissenschaftlichen und dem wissenschaftlichen Prozess besteht darin, dass der ingenieurwissenschaftliche Prozess die Anwendung systematischen Denkens zur Nutzung von Technologie im Dienste menschlicher Bedürfnisse in den Mittelpunkt stellt. Der wissenschaftliche Prozess hingegen betont Erklärung, Vorhersage und Entdeckung . Wissenschaftliche Entdeckungen können anschließend in ingenieurwissenschaftlichen Lösungen Anwendung finden.

Der ingenieurwissenschaftliche Entwurfsprozess und die damit verbundenen Methoden werden an Universitäten weltweit gelehrt, darunter (aber nicht ausschließlich) auch an solchen mit ABET- oder Washington Accord-akkreditierten Ingenieurstudiengängen.

• Angewandte Wissenschaft
• Computergestütztes Design
• Konstruktionsingenieur
• Ingenieuranalyse
• Technische Optimierung
• Industrietechnik
• Neuentwicklung von Produkten
• Systementwicklungsprozess
• Ersatzmodell
• Traditionelle Ingenieurskunst

• „Kriterien für die Akkreditierung von Ingenieurstudiengängen, Engineering Accrediting Commission“ (PDF) . ABET.
• Ullman, David G. (2009) Der mechanische Konstruktionsprozess, McGraw-Hill, 4. Auflage, ISBN 978-0072975741
• Eggert, Rudolph J. (2010) Konstruktionstechnik, Zweite Auflage, High Peak Press, Meridian, Idaho, ISBN 978-0131433588