Die folgende Seminararbeit behandelt die Anwendung der Richtlinie VDI 2221 auf die Konstruktion eines Laptop-Ständers. Dabei wird auf die einzelnen Phasen des Entwicklungsprozesses eingegangen und die Methodik des Konstruierens angewendet.
Immer größer, kleiner, schneller oder leistungsfähiger sollen viele Produkte sein. Die Nutzer von Konsum- und Investitionsgütern sind verwöhnt und anspruchsvoll. Selten wird ein defektes Gerät nur durch ein gleichwertiges ersetzt. Ganz selbstverständlich wird nach einem Mehrwert verlangt. Sobald ein neues Modell auf dem Markt erscheint, wird von den Nutzern schon auf das Nachfolgemodell gewartet. Das beste Beispiel dafür ist das Smartphone. Kaum ist die jüngste Entwicklung auf dem Markt zu erwerben, wird schon mit Spannung auf die Präsentation der nächsten Generation gewartet. Und auch wenn das "alte" Smartphone alles hat, was wirklich gebraucht wird, wird häufig trotzdem nach dem neusten Modell gefragt. Dies stellt die Konstrukteure und Entwickler immer wieder vor eine neue Herausforderung, da ständig eine kleine Verbesserung von der Gesellschaft erwartet wird. Es herrscht Unklarheit, ob es überhaupt eine Lösung gibt und falls ja, gilt es, den richtigen Lösungsweg zu finden. Deshalb wird Fachwissen aus verschiedenen Bereichen, Branchen und oft auch aus verschiedenen Ländern benötigt, um an das Ziel zu gelangen. Eine Produktentwicklung setzt voraus, dass Informationen beschafft und Auswahlentscheidungen getroffen werden. Zudem erfordert sie ein hohes Maß an Kreativität.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Methodisches Konstruktionsvorgehen
2 Anwendung der VDI-Richtlinie 2221 - Konstruktion eines Laptop-Ständers
2.1 Klären und präzisieren derAufgabenstellung (Phase: Planen)
2.2 Anforderungsliste (Phase: Planen)
2.3 Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen (Phase: Konzipieren)
2.3.1 Hauptfunktion
2.3.2 Teilfunktionen
2.4 Suche nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen (Phase: Konzipieren)
2.4.1 Kreativitätsmethoden
2.4.2 Gesamtlösungsansätze definieren
2.4.3 Bewertungskriterien definieren und gewichten
2.5 Gliedern in realisierbare Module (Phase: Konzipieren)
2.6 Gestalten der maßgebenden Module (Phase: Entwerfen)
2.7 Gestalten des gesamten Produkts (Phase: Entwerfen)
2.8 Ausarbeiten derAusführungs- und Nutzungsangaben (Phase: Ausarbeiten).
3 Fazit
Anhang
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Anforderungsliste des Laptop-Ständers - Seite 1
Abbildung 2: Anforderungsliste des Laptop-Ständers - Seite 2
Abbildung 3: Black Box für einen Laptop-Ständer als Gesamtsystem
Abbildung 4: PaarweiserVergleich - Laptop-Ständer
Abbildung 5: Nutzwertanalyse - Gesamtlösungsansätze
Abbildung 6: Skizze des Laptop-Ständers - Seitenansicht
Abbildung 7: Skizze des Laptop-Ständers - Draufsicht
Abbildung 8: 3D-Modell in SolidWorks - Standfläche für Laptops
Abbildung 9: 3D-Modell in SolidWorks - Säule mit Gewindebohrungen
Abbildung 10: Fertiges 3D-Modell in SolidWorks - Laptop-Ständer (unten)
Abbildung 11: Fertiges 3D-Modell in SolidWorks - Laptop-Ständers (oben)
Abbildung 12: 2D-Fertigungszeichnung in SolidWorks - Bodenplatte
Abbildung 13: 2D-Fertigungszeichnung in SolidWorks - Halteplatte
Abbildung 14:2D-Fertigungszeichnung inSolidWorks-Säule
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Teilfunktionen des Laptop-Ständers
Tabelle2: MorphologischerKasten
Tabelle3: Gesamtlösungsansätze
Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1 Einleitung
Die folgende Seminararbeit behandelt die Anwendung der Richtlinie VDI 2221 auf die Konstruktion eines Laptop-Ständers. Dabei wird auf die einzelnen Phasen des Entwicklungsprozesses eingegangen und die Methodik des Konstruierens angewendet.
1.1 Problemstellung
Immer größer, kleiner, schneller oder leistungsfähiger sollen viele Produkte sein. Die Nutzer von Konsum- und Investitionsgütern sind verwöhnt und anspruchsvoll. Selten wird ein defektes Gerät nur durch ein gleichwertiges ersetzt. Ganz selbstverständlich wird nach einem Mehrwert verlangt. Sobald ein neues Modell auf dem Markt erscheint, wird von den Nutzern schon auf das Nachfolgemodell gewartet. Das beste Beispiel dafür ist das Smartphone. Kaum ist die jüngste Entwicklung auf dem Markt zu erwerben, wird schon mit Spannung auf die Präsentation der nächsten Generation gewartet. Und auch wenn das „alte“ Smartphone alles hat, was wirklich gebraucht wird, wird häufig trotzdem nach dem neusten Modell gefragt.1 Dies stellt die Konstrukteure und Entwickler immer wieder vor eine neue Herausforderung, da ständig eine kleine Verbesserung von der Gesellschaft erwartet wird. Es herrscht Unklarheit, ob es überhaupt eine Lösung gibt und falls ja, gilt es, den richtigen Lösungsweg zu finden. Deshalb wird Fachwissen aus verschiedenen Bereichen, Branchen und oft auch aus verschiedenen Ländern benötigt, um an das Ziel zu gelangen. Eine Produktentwicklung setzt voraus, dass Informationen beschafft und Auswahlentscheidungen getroffen werden. Zudem erfordert sie ein hohes Maß an Kreativität.2
1.2 Methodisches Konstruktionsvorgehen
„Die Entwicklung eines technischen Produkts ist ein Prozess und Bedarf einer Gestaltung und Strukturierung, wofür diverse sogenannte Vorgehensmodelle in der Literatur vorgeschlagen wurden.
Hinsichtlich dieser Formalisierung des Entwicklungsprozesses sind branchenunabhängig die VDI Richtlinie 2221 1 1993-5 „Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme“ und für mechatronische Systeme, die aus mechanisch und elektrisch- / elektronischen Komponenten in Verbindung mit Informationstechnik bestehen, die VDI Richtlinie 2206 I 2004-06 „Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme“ richtungsweisend."3
Demnach ist es so, dass für die Konstruktion des Laptop-Ständers lediglich die Richtlinie VDI 2221 genügt und die VDI-Richtlinie 2206 (V-Modell) in diesem Fall nicht weiter beachtet wird. Da die VDI 2206 eher für mechatronische Systeme ist, wird die Gliederung dieser Seminararbeit der einzelnen Arbeitsschritte aus der VDI-Richtlinie 2221 übernommen.
Zu dem Problemlösungsprozess gehört eine gründliche Planung, eine Dokumentation sowie eine Kontrolle. Das Vorgehensmodell der Richtlinie VDI 2221 berücksichtigt diese Methodik. Im Kapitel 2 dieser Seminararbeit werden die einzelnen Schritte der Entwicklungsphase des Laptopständers detailliert und systematisch durchgegangen. Die vorgedachten Funktionen des Produkts sollen am Ende realisiert werden. Jeder Schritt führt zu einem Arbeitsergebnis, das zur Realisierung des jeweils nächsten Schritts benötigt wird. In der Praxis laufen jedoch manche dieser Schritte parallel ab oder müssen mehrmals durchlaufen werden. Entscheidend ist die Methodik, die eine kontrollierte Vorgehensweise zulässt.4
2 Anwendung derVDI-Richtlinie 2221 - Konstruktion eines Laptop-Ständers
Nachfolgend sind die einzelnen Arbeitsschritte (Kapitel 2.1 -2.8) der VDI-Richtlinie 2221 zur Konstruktion eines Laptop-Ständers aufgeführt. Jeder Arbeitsschritt soll am Ende ein messbares Arbeitsergebnis mit sich bringen. Die Arbeitsschritte gehören unterschiedlichen Phasen an, wobei aber nichtjede Entwicklung auch zwangsläufig alle vier Phasen durchläuft. Nur eine Neukonstruktion, bei der ein grundlegend neues Produkt mit einem bisher neuem oder bereits bekanntem Lösungsprinzip entwickelt wird, durchläuft alle Phasen.
Bei der Konstruktion eines Laptop-Ständers handelt es sich um eine Anpassungskonstruktion, bei der ein neues Produkt mit vorgegebenem Lösungsprinzip aber neuer Grobgestalt entwickelt und konstruiert wird.5 Es erfolgt deshalb eine systematische Klärung der Aufgabenstellung und ein schnelleres Durchlaufen der Konzeptphase.6 Die Kostenfestlegung bzw. -beeinflussung findet bereits in der frühen Konzeptionsphase statt. Dabei wird ein wesentlicher Teil der Produktkosten festgelegt. Der Entwicklungsaufwand steigt progressiv in der Entwurfs- und Ausarbeitungsphase.7 Die Kostenverursachung versus Kostenverantwortung ist in der VDI Richtlinie 2235 beschrieben.8
2.1 Klären und präzisieren der Aufgabenstellung (Phase: Planen)
Am Anfang des Produktentwicklungsprozesses steht die Analyse der Aufgabenstellung. Die Aufgabenstellung und die Anforderungen werden vom Entwickler ausgearbeitet, quantifiziert und ggf. gewichtet.
Laptops weisen einige Vorteile auf. Sie sind klein, leistungsstark und mobil. Aus ergonomischer Sicht weisen Laptops jedoch auch einige Nachteile auf. Zum einen besteht keine Trennung zwischen Bildschirm, Maus und Tastatur. Damit kann der Anwender das Produkt nicht an seine Bedürfnisse anpassen. Zum anderen ist der Blickwinkel und der Abstand zum Bildschirm unvorteilhaft. Der Abstand ist meistens zu gering und es wird von oben herab auf den Monitor geschaut. Diese Körperhaltung kann langfristig negative Auswirkungen für die Gesundheit mit sich bringen. Zum Beispiel eine Augenermüdung oder Nacken- und Schulterschmerzen sind bekannte Folgen der schlechten Körperhaltung.9 Die Aufgabe ist es, eine Lösung für dieses Problem zu finden und eine passende Vorrichtung für Laptops zu entwickeln und konstruieren. Folgende Fragen dienen dabei als Orientierung:
- Welche Hauptfunktionen (welchen Zweck) soll der Laptop-Ständer erfüllen?
- Welche Eigenschaften muss, soll, darf oder darf er nicht haben?10
Weitere Punkte die zu beachten sind, sind nach11 aufgeführt. Dabei geht es um die Angaben wie z. B. die Recyclingfähigkeit, Fertigungsbedingungen und die Definition von Forderungen und Wünschen. Die Antworten auf diese Fragen werden in dem Kapitel 2.2 mittels Anforderungsliste beantwortet.
Folgende Dokumente sind in der Planungsphase relevant. Das Lastenheft enthält nach DIN 69901-5 die „Gesamtheit der Forderungen an die Lieferungen und Leistungen eines Auftragnehmers“. Da die enthaltenen Forderungen oft zu allgemein formuliert werden, können diese Angaben nur eingeschränkt als Anweisungen zum Handeln für den Auftragnehmer verwendet werden. Deshalb wird ein Pflichtenheft erstellt, um die genauere Definition der Aufgabe zu dokumentieren. Das Pflichtenheft enthält nach DIN 69901-5 die vom „Auftragnehmer erarbeiteten Realisierungsvorgaben“ und beschreibt die Umsetzung des vom Auftraggeber vorgegebenen Lastenhefts. Es wird definiert „wie und womit“ die Aufgabe zu lösen ist und eine präzise Aufgabenstellung formuliert. Das Pflichtenheft wird oft zu einer Anforderungsliste (s. Abbildung 1 und 2) erweitert und präzisiert.12 Aus diesem Grund wird in der Planungsphase des Laptop-Ständers lediglich eine Anforderungsliste erstellt, die das Lasten- und Pflichtenheft ersetzt.
2.2 Anforderungsliste (Phase: Planen)
Die Anforderungsliste dient den gesamten Entwicklungsprozess als Beurteilungsgrundlage. Bei jedem folgenden Arbeitsschritt wird ein Abgleich und ggf. eine Anpassung der Anforderungen durchgeführt wird. Sie wird dynamisiert. Deshalb wird die Anforderungsliste nicht auf Anhieb fertiggestellt. Sie enthält die Zusammenfassung aller Informationen und Randbedingungen für den weiteren Projektverlauf.13 Mit der Anforderungsliste wird eine Ausgangsbasis für alle weiteren Arbeitsschritte geschaffen. Sie ist ein strukturiertes Basisdokument für die Entwicklung und liefert die Soll-Eigenschaften eines technischen Systems.14
Die Gliederung der Anforderungsliste (Abbildung 1 und 2) ist nach den folgenden Lebensphasen des Produkts aufgebaut:
- Zweck, Funktion
- Herstellung, Montage
- Kosten, Wirtschaftlichkeit
- Vertrieb,Transport
- Nutzung, Instandhaltung
- Entsorgung, Recycling.
Es wird zwischen Festanforderungen (F), die unter allen Umständen erfüllt werden müssen, Mindestanforderungen (M) und Zielanforderungen (Z) differenziert. Enthalten sind Sollwertangaben mit einem Toleranzbereich und Aussagen bzgl. Mindest- bzw. Idealerfüllung. Zusätzlich gibt es noch die Wünsche (W), die nach Möglichkeit berücksichtigt werden können, jedoch nichts zwangsgebunden erfüllt werden müssen. Damit nichts Wesentliches bei der Erstellung der Anforderungsliste vergessen wird, wird eine Merkmalliste zur Erstellung der Anforderungsliste verwendet (Anhang 1)15.
Die qualitativen und quantitativen Anforderungen stammen zum größten Teil aus dem Pflichtenheft, das mit dem Auftraggeberfestgelegt wurde.
Geeignete Methoden zur Erhebung von Anforderungen nach16 sind Interviews, Workshops, Beobachtungen, schriftliche Befragungen oder perspektivenbasiertes Lesen. Die Anforderungen des Laptop-Ständers sind Großteils aus Beobachtungen von existierenden Produkten entstanden. Die Anforderungsliste enthält eine präzise, aber lösungsneutrale Aufgabenbeschreibung. Folgende Anforderungen seitens der Kundenzielgruppe werden an den Laptop-Ständergestellt:
Abbildung 1: Anforderungsliste des Laptop-Ständers - Seite 1
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Quelle: Eigene Darstellung.
2.3 Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen (Phase: Konzipieren)
In diesem Arbeitsschritt geht es um die Ermittlung von Funktionen und deren Strukturen. Hier stellt sich die Frage, welche wesentlichen Funktionen das neu zu entwickelnde Produkt haben soll. Die Verringerung der Komplexität der Aufgabenstellung ist das Ziel dieses Schrittes. Eine Gesamtfunktion wird in einzelne Teilfunktionen aufgeteilt und anschließend werden zu den Teilfunktionen Lösungen gesucht, die später zur Gesamtlösung führen.17 Zur besseren Formulierung der Gesamt- bzw. Hauptfunktion wird die einfachste Vorstellung von einem technischen System auf eine „Black Box“ reduziert. Dabei ist es noch nicht notwendig, die Einzelheiten über die Elemente im Inneren des Systems zu wissen.18 Die wichtigste Anforderung an das Produkt ist der Zweck (auch Hauptfunktion genannt), den das Produkt erfüllen soll. Der Zweck beschreibt die lösungsneutralen Aufgaben eines Produkts und wird zum Beispiel mittels Black Box Modell analysiert und festgehalten.19
Abbildung 3: Black Box für einen Laptop-Ständer als Gesamtsystem
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Quelle: Eigene Darstellung.
Es bestehen acht Leitregeln für Funktionen und Funktionsstrukturen20. Bei einer einfachen Anpassungskonstruktion und ohne vorhandene Elektronik- oder Mechatronik-Bauteile, wird die Black Box Methodik nicht zwingend benötigt bzw. ist diese Methodik nicht effizient genug. Bei komplexeren Produkten ist die Black Box jedoch sehr vorteilhaft. Bei dem Laptop-Ständer können direkt erkennbare Teilfunktionen aus der Hauptfunktion abgeleitet werden.21
2.3.1 Hauptfunktion
Der Zweck bzw. die Hauptfunktion des Laptop-Ständers ist das Erzeugen einer er- gonomischeren Standhöhe für einen Laptop, die zur aufrechten Körperhaltung des Verwenders des Laptops beiträgt.
2.3.2 Teilfunktionen
Teilfunktionen sind Elemente der Gesamtfunktion und tragen durch ihr Zusammenwirken zum Erfüllen derGesamtfunktion bei.
[...]
1 Vgl. https://blog.vdi.de/2016/10/methodische-produktentwicklung/ , Zugriff 17.05.2021.
2 Vgl. Eigner, M., Modellbasierte virtuelle Produktentwicklung, 2014, S. 2.
3 Dr. v. derHagen, F., Skript, Produktentwicklung, 2021, Kapitel 1, S. 28.
4 Vgl. https://blog.vdi.de/2016/10/methodische-produktentwicklung/ , Zugriffam 17.05.2021.
5 Vgl. Naefe, P., Kott, M., Konstruktionslehre für Einsteiger, 2018, S. 173 ff.
6 Vgl. Schlattmann, J., Seibel, A., Aufbau und Organisation v. Entwicklungsprojekten, 2017, S 55.
7 Vgl. Naefe, P., Kott, M., Konstruktionslehre für Einsteiger, 2018, S. 173 ff.
8 Vgl. Eigner, M., Modellbasierte virtuelle Produktentwicklung, 2014, S. 17.
9 Vgl. https://www.ergonomie-am-arbeitsplatz-24.de/laptopstaender/ , Zugriff am 21.05.2021.
10 Vgl. Schlattmann, J., Seibel, A., Aufbau und Organisation v. Entwicklungsprojekten, 2017, S. 62.
11 Vgl. Schlattmann, J., Seibel, A., Aufbau und Organisation v. Entwicklungsprojekten, 2017, S. 55.
12 Vgl. Gilz, T., Modellbasierte virtuelle Produktentwicklung, 2014, S. 59-61.
13 Vgl. Naefe, P., Kott, M., Konstruktionslehre für Einsteiger, 2018, S. 173ff.
14 Vgl. Schlattmann, J., Seibel, A., Aufbau und Organisation v. Entwicklungsprojekten, 2017, S. 56.
15 Vgl. GHz, T., Modellbasierte virtuelle Produktentwicklung, 2014, S. 59.
16 Vgl. GHz, T., Modellbasierte virtuelle Produktentwicklung, 2014, S. 58.
17 Vgl. https://netzkonstrukteur.de/konstruktionsmethodik/konzeptphase/ , Zugriff am 22.05.2021.
18 Vgl. Naefe, P., Kott, M., Konstruktionslehre für Einsteiger, 2018, S. 3.
19 Vgl. Naefe, P., Kott, M., Konstruktionslehre für Einsteiger, 2018, S. 3.
20 Vgl. Schlattmann, J., Seibel, A., Aufbau und Organisation v. Entwicklungsprojekten, 2017, S. 63.
21 Vgl. Schlattmann, J., Seibel, A., Aufbau und Organisation v. Entwicklungsprojekten, 2017, S. 62f.