Ablauf und Methoden der Konstruktion
Die Konstruktion beinhaltet den Entwurf eines technischen Erzeugnisses, wobei im Mittelpunkt die Anfertigung technischer Zeichnungen zur Dokumentation des Entwurfsergebnisses steht. Ein technisches Erzeugnis kann eine Anlage, eine Maschine oder ein einzelnes Bauteil sein. Die Elektrokonstruktion befasst sich mit dem Entwurf eines elektrotechnischen Erzeugnisses – einer elektrischen bzw. elektronischen Anlage oder eines Gerätes.
Entwurfsprozess
Im Zentrum der Konstruktion steht der Entwurfsprozess (Bild 1.1). Dies ist ein zyklischer und sich der Lösung schrittweise nähernder (iterativer) Prozess der Bestimmung und ständigen Detaillierung einer Struktur (Synthese) bei gleichzeitiger Prüfung auf Erfüllung der geforderten Funktion (Analyse).
Das ist am Beispiel des Softwareentwurfes leicht nachvollziehbar. Basierend auf einer Aufgabenstellung (Sollfunktion) wird ein Programm (Struktur) im ersten Entwurf geschrieben. Das ist die Synthese. Danach folgt ein erster Test des Programms auf Erfüllung der geforderten Funktion. Das ist die Analyse. Meist ist das Programm in diesem Entwurfsstadium noch fehlerhaft, weshalb in der nächsten Iteration weiter an der Struktur gearbeitet wird. Dieser Zyklus wird durchlaufen, bis das Programm fehlerfrei arbeitet.
Die Synthese kann auch als Abbildung einer Funktion in eine Struktur verstanden werden. Diese Abbildung ist mehrdeutig, da es für eine Aufgabe meist mehrere Lösungen gibt. Der Entscheidungsspielraum wird jedoch durch Anforderungen des Auftraggebers, durch Vorschriften und Normen sowie durch weitere Randbedingungen eingeschränkt. Die Analyse ist die Abbildung einer Struktur in eine Funktion und ist im Allgemeinen eindeutig.
In der Norm VDI 2221 werden der Konstruktionsprozess und die Konstruktionsphasen ausführlich beschrieben. Die Konstruktionsphasen lassen sich zu fünf Schwerpunkten zusammenfassen:
- Klären der Aufgabenstellung und Formulieren der Soll-Gesamtfunktion,
- Auflösen der Gesamtfunktion in ein Netz von Teilfunktionen,
- Erarbeitung der Wirkprinzipien für jede Teilfunktion,
- Gestaltung unter Berücksichtigung von Randbedingungen,
- Detaillierung und Erstellung der Dokumentation.
Zu den Randbedingungen gehören neben den Vorschriften und Normen die Umgebungsund Aufstellungsbedingungen, aber auch wirtschaftliche Gesichtspunkte.
Konstruktion in der Elektrotechnik
Der zunächst allgemein beschriebene Konstruktionsprozess lässt sich auch auf den Bereich der Elektrotechnik/Elektronik anwenden. Es handelt sich ebenfalls um einen mehrschrittigen Prozess der Lösungssuche, welcher mit der Klärung der Aufgabenstellung beginnt und dessen Ziel die detaillierte Dokumentation des konstruierten Gerätes oder der Anlage ist (Bild 1.2).
Die Elektroprojektierung ist ein Informationsverarbeitungsprozess, in dem Informationen über industriell hergestellte und katalogisierte Betriebsmittel zu komplexen Informationen über elektrische Anlagen verarbeitet werden. Dieses einmalige und neue Vorhaben, das Projekt, ist durch eine Aufgabenstellung, eine spezifische Ablauforganisation sowie durch zahlreiche Randbedingungen geprägt.
Die Aufgabenstellung wird als Ergebnis der Aufgabenklärung zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer vereinbart. Der Auftraggeber erstellt hierzu das Lastenheft als Ausschreibungsgrundlage mit einer Zusammenstellung aller Anforderungen an das Konstruktionsergebnis. Als Grundlage für die Realisierung erarbeitet der Auftragnehmer nach Auftragserteilung das Pflichtenheft, in dem er die Umsetzung der Forderungen aus der Aufgabenstellung beschreibt. Häufig ist hierzu bereits ein Grobentwurf in Form einer Vorstudie notwendig, da grundlegende Fragen der Realisierung bereits in dieser Phase geklärt werden müssen. Das Lastenheft wird zum Bestandteil des Pflichtenheftes. Angaben zu Inhalt und Gliederung dieser Unterlagen können der VDI/VDE 3694 entnommen werden.
Eine zweckmäßige Ablauforganisation unter Nutzung von Methoden des Projektmanagements sichert die planmäßige Bearbeitung des komplexen Arbeitsgebietes, welches Schnittstellen zu zahlreichen Fachgebieten aufweist und vom ständigen technologischen Wandel geprägt ist. Eine besondere Bedeutung haben in diesem Zusammenhang die Terminplanung und die Kostenplanung sowie deren strikte Kontrolle.
Randbedingungen aus der Aufgabenstellung schränken den Entscheidungsspielraum des Projektanten bzw. des Konstrukteurs ein. Die wichtigste Forderung ist die Beachtung des anerkannten Standes der Elektrotechnik, auf den zahlreiche Gesetze verweisen. Die Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften und von Sicherheitsnormen hilft, Unfälle und Havarien mit hohen Folgekosten zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist ebenfalls die Betrachtung der Zuverlässigkeit und der Qualität des konstruierten Produktes von großer Bedeutung.
Die Umgebungs– und Aufstellungsbedingungen beinhalten neben den Anschlussbedingungen und Platzverhältnissen auch klimatische, mechanische und elektromagnetische Einflüsse sowie die notwendige Überspannungsfestigkeit.
Wirtschaftliche Gesichtspunkte werden außer vom Preis auch durch Erfahrungen mit Herstellern und Lieferanten geprägt. So werden in diesem Fall durch den Auftraggeber mittels Freigabelisten einzelne Hersteller oder Produkte vorgeschrieben, für die bereits positive Erfahrungen vorliegen.
Die Gestaltung des Gerätes bzw. der Anlage umfasst ein komplexes Tätigkeitsfeld, für das Informationen aus zahlreichen Fachgebieten notwendig sind und gemäß der Aufgabenstellung in Übereinstimmung gebracht werden müssen (Bild 1.3). Die Konstruktion ist ein integratives Arbeitsgebiet, da Wissen in Zusammenhängen anzuwenden ist.
Zur Tätigkeit des Konstrukteurs gehört wesentlich mehr als „nur“ die Anfertigung von technischen Zeichnungen. Dennoch sind Zeichnungen und Pläne ein wichtiges Verständigungsmittel in den technischen Abteilungen eines Unternehmens. Sie dokumentieren das Arbeitsergebnis des Konstrukteurs und sind Grundlage für die anschließende Fertigung des konstruierten Gerätes oder der Anlage.