Aufgabe 5: Gestaltungsprinzipien - Lehrstuhl für Produktentwicklung ...

Produktentwicklung und Konstruktion 

Prüfungsübung 

Prof. Dr.-Ing. Udo Lindemann 

Lehrstuhl für Produktentwicklung 

4. Juli 2012 | 10:15 – 11:00 Uhr | MW 1801 

Sprechstunde Prof. Lindemann: Mittwoch, 10:30 – 11:30 Uhr und nach Vereinbarung 

Bitte nach Möglichkeit anmelden! 

Produktentwicklung Technische Universität München 

© 2012 Prof. Lindemann PUK Prüfungsübung | 4. Juli 2012 1

Produktentwicklung und Konstruktion – Zeitplan Übung 

1. Anforderungen Mi, 25. April 2012 

2. Funktionen Mi, 2. Mai 2012 

3. Wirkprinzipien Mi, 9. Mai 2012 

4. Wirkkonzepte Mi, 16. Mai 2012 

5. Produktgestalt Mi, 23. Mai 2012 

6. Baumodelle Mi, 30. Mai 2012 

7. Sichere und zuverlässige Produkte Mi, 6. Juni 2012 

8. Gewichtsoptimierte Produkte Mi, 13. Juni 2012 

9. Variantengerechte Produkte Mi, 20. Juni 2012 

10. Prüfungsübung Mi, 4. Juli 2012 



Betreuer: 

Sebastian Schenkl 

Zimmer: 2140 

Tel.: 089 289-15138 

Allgemeines 

Email: sebastian.schenkl@pe.mw.tum.de 

Lernziele: 

• Vorbereitung auf Prüfung 

„Produktentwicklung und Konstruktion“ 



Agenda 

• Organisatorisches & Struktur der Prüfung 

– Organisation und Prüfungsaufbau 

• Beispielhafte Bearbeitung der Prüfung im SS 2011 

– Aufgabe 1: Anforderungsklärung 

– Aufgabe 2: Funktionsmodell ermitteln 

– Aufgabe 3: Physikalisches Wirkprinzip festlegen 

– Aufgabe 4: Variation der Gestalt 

– Aufgabe 5: Gestaltungsprinzipien 



Agenda 











Organisatorisches 

Prüfung „Produktentwicklung und Konstruktion“: 

Datum: Di, 18.09.2012 

Ort: wird noch bekannt gegeben! 

(� Aushänge und Internet beachten) 

Beginn: 09:00 Uhr 

Bearbeitungsdauer: 90 Minuten Bearbeitungsdauer 

(kein Vorlesen der Prüfung) 

Form: schriftlich 

Benötigt werden: 

– Personalausweis und Studentenausweis, Schreibzeug 

Zugelassene Hilfsmittel: 

– nicht programmierbarer Taschenrechner 

Prüfungssprechstunde: 

Datum: 04.09.2011, 9-10 Uhr 

Ort: MW 2101 (Lehrstuhl für Produktentwicklung) 



Prüfungsvorbereitung 

• Prüfungssammlung (bei Fachschaft erhältlich/Lehrstuhl-Homepage) 

• PuK-Checklisten über Skriptenverkauf (Fachschaft) und 

Internet � www.cidad.de (ggf. in Artikellistenauswahl Häkchen bei 

„Checklisten & Hilfsmittel Vorlesung PUK“ setzen) 



Struktur der Klausur 

Teil I Teil II 

Konstruktions- und 

Entwicklungsaufgabe 

Vorlesungswissen 

und Rechnen 



Aufgabe Maximal 

erreichbare 

Punkte 

1 ~ 10 

2 ~ 20 

3 ~ 20 

4 ~ 20 

5 ~ 16 

6 ~ 16 

Summe ~ 102 

Punkteverteilung 

Erreichte 

Punkte 

1 Funktion, 5 Alternativen 






erreichbare 

Punkte 

1 ~ 10 

2 ~ 20 

3 ~ 20 

4 ~ 20 

5 ~ 16 

6 ~ 16 

Summe ~ 102 

Punkte- und Zeitverteilung 

Teil I Teil II 

Erreichte 

Punkte 

Hinweis 1: Die Reihenfolge der 

Bearbeitung der Aufgaben sowie die 

Einteilung der zur Verfügung 

stehenden Zeit für die zu 

bearbeitenden Aufgaben ist den 

Kandidaten überlassen. Teil I und Teil 

II werden gleichzeitig ausgeteilt. 


erreichbare 

Punkte 

7 ~ x 

8 ~ x 

9 ~ x 

10 ~ 20 

Summe ~ 20 

Erreichte 

Punkte 

Hinweis 2: Die für eine Aufgabe 

erreichbaren Punkte geben einen 

Anhaltspunkt für die Bearbeitungszeit. 



Agenda 











Optimierung eines Geothermie- 

Vertikalbohrgeräts 

In der Geothermie wird die in der Erde in Form 

von Wärme gespeicherte Energie genutzt, um 

beispielsweise Wasser zu erwärmen um damit 

ggf. Strom zu erzeugen. Um diese Energie 

nutzbar zu machen, muss ein mehrere 

Kilometer tiefes, vertikales Loch in die Erde 

gebohrt werden. Dies geschieht mittels eines 

Geothermie-Vertikalbohrgeräts (siehe 

Abbildung 1). 

Aufgabenstellung im SS 2011 

Der verwendete Bohrer besteht aus einem 

Bohrkopf sowie mehreren nach und nach 

miteinander verschraubten Bohrstangen (dem 

sogenannten Bohrstrang). Das hier betrachtete 

Geothermie-Vertikalbohrgerät besteht zudem 

aus einer Verschraubeinheit zum 

Verschrauben des Bohrstrangs (die sowohl 

den bereits montierten Bohrstrang fixiert, als 

auch die Bohrstangen einschraubt). Weitere 

Bestandteile sind ein Greifer und ein 

Bohrstangenumlagerer zum Nachführen der 

Bohrstangen. Bild 1: Gesamtansicht 




Über den gesamten Bohrprozess müssen Bohrstangen nachgeführt und mit dem Bohrstrang (also 

den bereits verschraubten Bohrstangen) verschraubt werden. Hierzu wird die zu verschraubende 

Bohrstange durch den an dem Bohrstangenumlagerer angebrachten Greifer (siehe Abbildung 2) 

aus ihrer waagerechten Position im Bohrstangenmagazin gegriffen und in die senkrechte 

Bohrposition umgelagert (siehe Abbildung 1). Die Umlagerung wird durch eine vertikale 

Verschiebung des Bohrstangenumlagerers entlang einer Zahnstange, einer Drehung des 

Schwenkarms (aktuiert durch einen Hydraulikzylinder) sowie einer Drehung des Greiferflanschs 

(aktuiert durch einen Elektromotor) durchgeführt (vgl. Abbildung 3). Aufgrund des 

Nachschwingens des Bohrstangenumlagerers und der Bohrstange muss die Bohrstange nach 

dem Umlagerungsvorgang gehalten werden, bis das Nachschwingen abgeklungen ist und damit 

die Bohrstange koaxial zum Bohrstrang positioniert ist. Anschließend wird die Bohrstange 

abgesenkt bis ihr Außengewinde in das Innengewinde der obersten Bohrstange des Bohrstrangs 

eingeführt ist und dieses berührt. Dies geschieht durch eine Vertikalbewegung des 

Bohrstangenumlagerers entlang einer Zahnstange mithilfe eines elektrischen Antriebs. 

Bild 2: Bohrstangenumlagerer und Greifer 

Bild 3: Bohrstangenumlagerer 




Die beschriebene Problematik, dass die neue Bohrstange vor deren Absenken solange gehalten 

werden muss, bis deren Schwingung abgeklungen ist erfordert einen Sensor (nicht dargestellt), 

welcher die Schwingungsamplitude der Bohrstange während des Haltens misst. Solange dabei 

eine Schwingungsamplitude ≥ 0,3 cm festgestellt wird, befindet sich die Bohrstange im 

Nachschwingzustand. Hingegen ist, sobald eine Schwingungsamplitude < 0,3 cm festgestellt 

wird, die Schwingung ausreichend abgeklungen, sodass die Freigabe für das beschriebene 

Absenken der neuen Bohrstange erfolgt. 

Die eigentliche Verschraubung der Bohrstange mit dem Bohrstrang erfolgt durch die 

Verschraubeinheit. Nach dem Absenken der Bohrstange werden drei sternförmig angeordnete, 

hydraulisch betätigte Spannbacken im Drehtisch geschlossen (vgl. Abbildung 4), wodurch die 

Bohrstange eingespannt wird. Für den anschließenden Verschraubvorgang löst der Halter des 

Greifers der Umlagerungseinheit soweit, dass eine axiale Rotation der neuen Bohrstange im Käfig 

ermöglicht wird, die Bohrstange jedoch weiterhin radial gestützt bzw. geführt wird. 

Bild 4: Verschraubeinheit 




Für das Verschrauben der neuen Bohrstange mit dem bereits montierten Bohrstrang wird dieser 

ebenfalls über drei Spannbacken fixiert. Die in einem Drehtisch eingespannte neue Bohrstange 

wird an den bereits montierten Bohrstrang angeschraubt. Hierzu wird der Drehtisch rotiert. Der 

nun um eine Bohrstange erweiterte Bohrstrang wird nach Abschluss des Verschraubvorgangs 

von den Spannbacken in der Verschraubeinheit gelöst, damit das eigentliche Bohren über den 

von oben angreifenden Bohrantrieb fortgesetzt werden kann, bis das Verlängern des Bohrstrangs 

um eine weitere Bohrstange erforderlich ist. Der Bohrprozess soll im Folgenden nicht weiter 

betrachtet werden. 

Für den beschriebenen Anschraubvorgang steht hydraulische Energie zur Verfügung. Diese 

Energie wird durch die zwei Hydraulikmotoren der Verschraubeinheit in rotatorische Energie 

gewandelt. Das dadurch entstehende Drehmoment wird von den Antriebsritzeln über eine 

Umlaufkette auf den Drehtisch übertragen, wodurch das Anschrauben der Bohrstange an den 

bereits montierten Bohrstrang ermöglicht wird. Die während des Schraubvorgangs notwendige 

axiale Verschiebung der Bohrstange wird durch eine flexible Lagerung des Drehtischs in axialer 

Richtung des Bohrstrangs ermöglicht. 

Das bestehende System für Geothermie-Vertikalbohrungen soll nun optimiert werden. Dabei 

sollen folgende Informationen und Aussagen aus dem Unternehmen über geeignete 

Anforderungen berücksichtigt werden. 



Informationen aus dem Unternehmen: 


Einkäufer des Kunden: Wissen Sie, bei uns und unseren Kunden wird auf Tagesbasis 

gerechnet. Jeder Tag, an dem die Anlage stillsteht, kostet uns bares Geld. Im Vergleich mit der 

Konkurrenz sehe ich bei Ihnen noch Nachholbedarf. Die schaffen eine Anlagenverfügbarkeit von 

95 % - da müssen Sie mit der neuen Anlage auch landen! 

Nutzer: Sie kennen ja die Situation bei uns – unsere eigenen Kunden erwarten, dass wir in 

kürzestmöglicher Zeit die Bohrung abschließen. Das ist bei denen eine Kostenfrage. Was bei 

Ihrer aktuellen Anlage da ein wirkliches Problem darstellt, sind die Schwingungen des 

Hubtragwerks. Bis wir die Verschraubung der Bohrrohre starten können, dauert es teilweise bis 

zu 20 Sekunden. Bei Bohrtiefen von bis zu 5 km, wie wir sie anbieten, kommt da einiges 

zusammen. Das sollte möglich sein, das auf ein Viertel zu reduzieren! 

Controlling: Ich kann Ihren Perfektionismus ja verstehen. Aber denken Sie daran, am Ende des 

Tages muss sich die Anlage für uns auch rechnen! Dazu gehören nicht nur unsere 

Herstellkosten, wir müssen auch dringend mit unseren Gewährleistungskosten runterkommen. 

Fragen Sie mal die Leute aus dem Service! 60 % über Laufzeit müssen da mindestens drin sein. 

Vertrieb: Wir sind im Markt sehr breit aufgestellt. Zu unseren Hauptkunden gehören Abnehmer in 

China, Schweden, USA, Indonesien und Island. Sie sehen, wir müssen da diverse Einsatzgebiete 

abdecken. Wir sehen da Temperaturen von -30°C bis hin zu + 50°C und Luftfeuchtigkeiten von 

bis zu 100 %. Vor allem müssen wir Ausfälle im Feld vermeiden. 




• Versuch: Mit unserem Bohrumlagerer müssen wir ja die ganze 

Bandbreite der im Einsatz vorkommenden 

Durchmesserbereiche der Bohrrohre abdecken können. In 

unseren Versuchen haben wir dabei gesehen, dass sich unser 

Querträger bei den schwersten Rohren bedenklich durchbiegt 

– da sollten Sie bei der Neukonstruktion unbedingt 

nachsteuern, dass der Querträger entsprechend auf das 

Gewicht ausgelegt ist! Da können Sie sich aber auch gut an 

den entsprechenden Datenblättern orientieren. 

• Service: Was uns bei der alten Anlage Kopfschmerzen bereitet 

sind zum einen die Überlastungsspitzen beim E-Motor des 

Montageflansches – der muss teilweise Drehmomente bis zu 

2500 Nm aufbringen, ist dafür aber unterdimensioniert. Dann 

fällt die Anlage aus, und wir müssen vor Ort die Komponente 

tauschen. 

• Zum anderen verzieht sich der Querträger der 

Umlagerungseinheit mit der Zeit. Sobald deswegen die 

Positionierung der zu verschraubenden Bohrrohren zueinander 

20 mm überschreitet, bekommen wir Reklamationen von 

unseren Kunden– am Ende müssen wir dann wieder die 

Anlage vor Ort nachjustieren. 

Bohrrohr – Länge 6 m 

Längenspezifisches 

Gewicht [kg/m] 

9 60.3 

14 73.0 

19 101.6 

28 114.3 

35 127.0 


Außendurchmesser 

[mm] 



In einer eingehenden Analyse des bestehenden Systems wurden folgende Schwachstellen des 

Bohrerumlagerers identifiziert: 

• Der weit ausladende Querträger verbiegt bei Anheben der Rohre 

• Der Bohrstangenumlagerer fängt während des Umlagerungsvorgangs an zu schwingen. Die 

verzögert den Verschraubungsvorgang, da der Bohrstrang und die zu verschraubende 

Bohrstange erst nach Abklingen der Schwingung axial zueinander sind. 

• Der Elektromotor, der den Montageflansch des Greifers über einen Zahnriemen rotiert, fällt 

aufgrund regelmäßiger Überlastungsspitzen häufig aus 

• Über die Nutzungszeit verzieht sich (tordiert) der Querträger um seine Längsachse und 

erfordert das Nachjustieren der Umlagerungseinheit um das Fluchten der zu verschraubenden 

Elemente zu gewährleisten. 



Agenda 









– Aufgabe 6: Gesamtlösung 



Aufgabe 1: Anforderungsklärung 

Für die Klärung der Anforderungen an das Gesamtkonzept stehen 

Ihnen die obenstehenden Informationen aus verschiedenen 

Unternehmensbereichen und dem Markt zur Verfügung 

(F. 16-17). 

Befüllen Sie auf Basis Ihrer Kenntnisse zu Anforderungslisten und mit 

Hilfe der Ihnen vorliegenden Informationen die Anforderungsliste 

(Formblatt „Anforderungen ermitteln“). Beachten Sie dazu folgende 

Hinweise: 

• Füllen Sie die offenen Felder ausschließlich mit quantifizierten 

Anforderungen auf Basis der Ihnen vorliegenden Informationen aus! 

• Achten Sie auf die korrekte Zuordnung der Anforderungen zu den 

gegebenen Hauptmerkmalen! 



Nr. 

1 Gebrauch 

1.1 

1.2 

1.3 

1.4 

2 Geometrie 

2.1 

2.2 

Aufgabe 1: Anforderungsklärung 

Beschreibung/ 

Name der Anforderung 

Zahlenwert 

(mit Toleranz) 

min. exakt max. Einheit 

(phys.) 

Ursprung/ 

Erläuterung 



Agenda 












Aufgabe 2: Funktionsmodell ermitteln 

Analysieren Sie zunächst die betrachtete Anlage, indem Sie ein umsatzorientiertes 

Funktionsmodell erstellen! 

• Beachten Sie die formalen Regeln der umsatzorientierten Funktionsmodellierung! 

• Gehen Sie bei der Herleitung des Funktionsmodells folgendermaßen vor: 

– Identifizieren Sie zunächst den Hauptumsatz und dann den Nebenumsatz des Systems. 

– Beschreiben Sie zunächst den Strom des Hauptumsatzes und dann den Strom des 

Nebenumsatzes! Hierbei sollen Sie jeden der genannten und durch ein fett gedrucktes Verb 

und Substantiv gekennzeichneten Prozessschritte durch mindestens eine Operation 

beschreiben. 

– Verknüpfen Sie den Strom des Nebenumsatzes soweit erforderlich über Bedingungs-, Prozessoder 

Ergänzungszustände mit dem Strom des Hauptumsatzes! 

• Die Beschreibung einer Operation muss durch ein Verb und ein Substantiv erfolgen. 

• Die Darstellung weiterer Prozessschritte durch Operationen ist nicht notwendig! 

• Benennen Sie neben den Operationen auch alle vorliegenden Zustände! 

• Beachten Sie die vorgegebene Systemgrenze und die vorgegebenen Ein- und Ausgangszustände! 






lagernde 

Bohrstange 

montierter Bohrstrang 

(n Bohrstangen) 

hydraulische 

Energie 

Bohrstange 

greifen 


Bohrstange 

gegriffen 

Bohrstange 

umlagern 

Bohrstange 

umgelagert 

Bohrstange 

halten 

Bohrstange 

gehalten 

Bohrstange 

absenken 

Bohrstange 

abgesenkt 

Bohrstange 

einspannen 


© 2012 Prof. Lindemann PUK Prüfungsübung | 4. Juli 2012 25 


(n+1 Bohrstangen)

lagernde 

Bohrstange 


(n Bohrstangen) 

hydraulische 

Energie 

Lösungsvorschlag 

Schwingungsamplitude 

Bohrstange 

greifen 

Energie 

wandeln 


Bohrstange 

gegriffen 

Bohrstrang 

fixieren 


messen 

Bohrstange 

umlagern 

Drehmoment an 

Antriebsritzeln 

Bohrstrang 

fixiert 

Bohrstange 

umgelagert 

Drehmoment 

übertragen 


als Messsignal 

Bohrstange 

halten 

Bohrstange 

anschrauben 

Bohrstange 

gehalten 

P B 

Drehmoment 

an Drehtisch 

Schwingungsamplitude ≥ 

0,3 cm feststellen 


< 0,3 cm feststellen 

Bohrstange 

absenken 


≥ 0,3 cm festgestellt 


< 0,3 cm festgestellt 

Bohrstange 

einspannen 

Bohrstrang 

lösen 


B 

Bohrstangen 

verschraubt 

Bohrstange 

abgesenkt 

Bohrstange 

eingespannt 

© 2012 Prof. Lindemann PUK Prüfungsübung | 4. Juli 2012 26 


(n+1 Bohrstangen)


Wichtige Hinweise: Umsatzorientiertes Modell 

Eingangszustände (gegeben) 

Spundbohle 

auf LKW 

Diesel in 

Zuleitung 

Luft in 

Zuleitung 

Systemgrenze 

Orientierung am Strom des Hauptumsatzes 

Spundbohle 

an der 

Einsatzstelle 

Spundbohle 

am Mäkler 

fixieren 

Spundbohle 

am Mäkler 

fixiert 

… … 

Funktion = 

Substantiv + 

Verb 

(im Infinitiv) 

Ausgangszustände (gegeben) 

Übersetzung des 

Angabentextes in die 

Nomenklatur der 

Funktionsstruktur 

Angabentext (Ausschnitt): 

„ … Dort wird die Spundbohle am 

Mäkler mit Hilfe einer 

Rammhaube fixiert … “ 


Spundbohle 

im Boden 

-Legende, 

wenn nicht 

Nomenklatur 

des Lst. verwendet 

wird 



Wichtige Hinweise: Relationsorientiertes Modell 

Drehmoment (mit 

Verbrennungsmotor) 

erzeugen 

Funktion = 

Substantiv + 

Verb 

(im Infinitiv) 

Nutzer 

stören 

Gras (mit 

Messer) 

schneiden 

Orientierung an 

hauptnützlicher und 

hauptschädlicher Funktion 

Übersetzung der 

vorhandenen Informationen 

(Beschreibung, Mängelliste, 

usw.) in die Nomenklatur 

der Funktionsstruktur 

Verletzungsgefahr 

darstellen 


- Legende, 

wenn nicht 

Nomenklatur 

des Lst. verwendet 

wird 


Agenda 












Aufgabe 3: Physikalisches Wirkprinzip festlegen 

Für die Funktion „Drehmoment übertragen“ (von der Antriebswelle auf den Drehtisch), 

(Funktion A) wurde die auf den Formularen angegebene physikalische Anordnung festgestellt. Im 

Folgenden wird diese kurz erläutert. 

Um das von den beiden hydraulischen Antrieben erzeugte Drehmoment auf den Drehtisch zu 

übertragen, wird das Drehmoment von den beiden Antriebsritzeln auf die Antriebskette durch 

Kohäsion fester Körper an einem Wirkflächenpaar (Antriebsritzel an Antriebswelle, Antriebskette) 

übertragen. Von der Antriebskette wird das Drehmoment auf den Drehtisch über Kohäsion fester 

Körper am Wirkflächenpaar (Steuerkette, Außenverzahnung Drehtisch) übertragen. 

Ermitteln Sie nun alternative Effektketten physikalischer Wirkprinzipien, die zur Erfüllung dieser 

Funktion genutzt werden können! 

• Benennen Sie sinnvolle physikalische Effektketten zur Erfüllung der angegebenen 

Funktionen! 

– Verwenden Sie hierzu physikalische Effekte nach den Checklisten des Lehrstuhls für 

Produktentwicklung! Achten Sie darauf, dass in jeder Effektkette mindestens ein neuer 

Effekt vorkommt! 

– Effekte, die nicht zur Erfüllung der Operation beitragen, sollen nicht benannt werden. 

– Effekte, die die dargestellten Eingangsgrößen der angegebenen physikalischen Anordnungen 

erzeugen, sollen bei der Festlegung des physikalischen Wirkprinzips nicht 

hinzugefügt oder variiert werden. 

• Fertigen Sie sehr sorgfältige technische Skizzen an, welche die Anwendung der 

physikalischen Effekte auf das vorgegebene Umsatzprodukt erkennen lassen. 




Bestimmung einer Effektkette 

für die Realisierung einer 

technischen Operation! Hierbei 

lediglich Betrachtung der für 

die Operation relevanten 

Effekte! 

Skizze zur Darstellung der 

Anordnung des 

Wirkprinzips mit Nennung 

der relevanten Ein- und 

Ausgangsgrößen! 

5 Alternativen 

gesucht! 








Auf Systemgrenze und gegebene Randbedingungen achten! 



Agenda 












Aufgabe 4: Variation der Gestalt 

• m folgenden Schritt sollen mit Hilfe einer Gestaltvariation neue, sinnvolle 

Alternativen für den Greifer ermittelt werden. Ausgangspunkt hierfür bildet die 

auf den Formularen angegebene Ausführung der Baugruppe. 

Gehen Sie bei der Bearbeitung nach folgenden Regeln vor: 

• Verwenden Sie die Formulare „Variation der Gestalt“! 

• Erzeugen Sie neue Alternativen für den Greifer! 

• Das Umsatzprodukt Bohrstange darf dabei selbst nicht variiert werden! 

• Die erzeugten Alternativen sollen zielgerichtet die Anforderungen an die zu 

optimierende Maschine erfüllen. Tragen Sie daher für jedes verwendete 

Variationsmerkmal eine konkrete, durch die Anforderungsliste vorgegebene 

Anforderung als Begründung der jeweiligen Variation in das vorgesehene 

Feld ein! Geben Sie hierzu die Nummer der Anforderung an! 

• Es werden nur Alternativen gewertet, die durch die richtige Anwendung 

folgender Variationsmerkmale (nach den Checklisten des Lehrstuhls für 

Produktentwicklung) auf die Gestalt erzeugt werden können: 




• Es werden nur Alternativen gewertet, die durch die richtige Anwendung 

folgender Variationsmerkmale (nach den Checklisten des Lehrstuhls für 

Produktentwicklung) auf die Gestalt erzeugt werden können: 

- Form 

- Lage 

- Zahl 

- Größe 

- Verbindungsart 

- Berührungsart (Kontaktart) 

- Kopplungsart 

- Verbindungsstruktur 

- Reihenfolge 

- Kompaktheit von Bauweisen 

- Werkstoff 

- Fertigungsverfahren 

- Bezugssystem 

- Bewegungsart 

- Bewegungsverlauf (zeitlich) 

- Gelenkfreiheitsgrad 

- Umkehrung (Negation) 




• Verwenden und benennen Sie genau zwei Variationsmerkmale je Alternative. 

• Verwenden Sie ein Variationsmerkmal nicht mehr als einmal. 

• Kennzeichnen und benennen Sie die Elemente/Bauteile, auf die Sie die 

Variationsmerkmale anwenden. 

• Bei der Variation eines Merkmals müssen die Merkmalsausprägungen vor 

und nach der Variation explizit benannt werden. 

• Geben Sie bei jeder Alternative im Feld „aus Nr.“ an, auf welche bereits 

bestehende Alternative Sie die Variationsmerkmale anwenden. 

• Fertigen Sie sehr sorgfältige technische Skizzen an, aus denen sich die 

Gestaltvariationen nachvollziehen lassen. Nutzen Sie hierfür gegebenenfalls 

die Darstellung in zwei Ansichten und/oder perspektivische Darstellungen. 




Beschreibung der 

Wirkstrukturvariation 

(Anforderungsnr., Merkmal, Bauteil, 

Vorher – Nachher) 

Skizze zur Darstellung der 

Alternativlösung 

4 Alternativen 

gesucht! 




Checklisten zur 

Vorbereitung nutzen! 





Die Variationsmerkmale sowie die variierten Ausprägungen müssen 

erkennbar sein. Wird dies durch die Skizze nicht deutlich (z.B. bei Variation 

des Werkstoffs oder des Fertigungsverfahrens), müssen die Ausprägungen 

(die ursprüngliche und die variierte) explizit in der Skizze angegeben 

werden. 



Wichtige Hinweise: 


• Variation muss sich auf eine Anforderung beziehen; nur Angabe der Klasse 

reicht nicht aus 

• Anforderung muss in Hinblick auf die jeweilige Alternative technisch sinnvoll 

sein 

• Jedes Variationsmerkmal darf in der gesamten Aufgabe nur einmal 

verwendet werden. 

• Variationen der Träger zusätzlicher hinzugefügter Funktionen, die für die 

Wirkung des Teilsystems nicht relevant sind, bzw. außerhalb der 

Systemgrenze liegen, werden mit 0 Punkten bewertet 

• Die variierte Variante (entweder die Ausgangsvariante oder eine bereits 

durch Variation neu erzeugte Variante) muss explizit zitiert werden! 

• 1 Punkt maximal bei Interpretationsbedarf 

• Nicht erkennbare Skizze/großer Interpretationsbedarf gibt 0 Punkte 

• Variation des Umsatzproduktes ist nicht erlaubt (ist in der Vergangenheit 

teilweise in Lösungsvorschlag) 



Agenda 












Aufgabe 5: Gestaltungsprinzipien 

Der bestehende Bohrstangenumlagerer soll nun optimiert werden. Dabei soll auf 

die Anforderungen der Anforderungsliste und insbesondere auf die angegebenen 

Schwachstellen (vgl. F. 18) eingegangen werden. 


• Verwenden Sie die Formulare „Gestaltungsprinzipien“! 

• Entwickeln und erläutern Sie zwei Alternativen für den Bohrstangenumlagerer 

unter Einsatz der Gestaltungsprinzipien. 

• Benennen Sie genau zwei Prinzipien je zu entwickelnder Alternative, wobei ein 

Prinzip nur einmal zu verwenden ist. 

• Beschreiben Sie kurz, wie Sie die jeweiligen Prinzipien anwenden und welche 

Schwachstelle(n) Sie verbessern möchten. 




• Es wird nur die richtige Anwendung folgender Gestaltungsprinzipien 

gewertet: 

- Prinzip der Vermeidung irreversibler Energieumwandlung 

- Prinzip der kraftflussgerechten Gestaltung 

- Prinzip der Kaskadierung 

- Prinzip der belastungsgerechten Werkstoffwahl 

- Prinzip des Lastausgleichs 

- Prinzip des Kraftausgleichs 

- Prinzip der Selbsthilfe 

- Prinzip der Funktionsdifferenzierung/-integration 

- Prinzip der Integral- und Differenzialbauweise 




• Kennzeichnen Sie die Elemente/Bauteile, auf die Sie die Prinzipien 

anwenden. 

• Fertigen Sie sehr sorgfältige technische Skizzen an, aus denen sich die 

Anwendung der Gestaltungsprinzipien nachvollziehen lassen. Nutzen Sie 

hierfür gegebenenfalls die Darstellung in mehreren Ansichten 

und/oder perspektivische Darstellungen. 




2 Alternativen zu 

vorhandener 

Ausgangslösung 

erarbeiten, unter 

Verwendung von 

2 Gestaltungsprinzipien 

Beachte: Zwei 

Prinzipien, aber nur 

eine Skizze! 







Wichtige Hinweise: 


• Prinzipien: Es reicht nicht die Nennung des jeweiligen Prinzips aus. Eine 

kurze, stichpunktartige Beschreibung ist erforderlich, vor allem eine 

Bezeichnung der Elemente (Bauteile), auf welche die Prinzipien angewandt 

werden. 

• Schwachstelle: Keine Schwachstelle genannt gibt keine Punkte 

(0 Pkt. !!!). Zur Benennung einer Schwachstelle reicht keine numerische 

Aufzählung aus der Aufgabenstellung. Sie muss mindestens als Adjektiv + 

Substantiv formuliert sein. Bsp.: hoher Aufwand zur Reinigung des Filters 

• Skizze: In der Skizze soll die Veränderung, die sich durch die Anwendung 

des jeweiligen Prinzips ergibt, deutlich werden. Gegebenenfalls ist die 

Zeichnung durch kurze Beschreibungstexte zu ergänzen. 



Agenda 












Aufgabe 6: Gesamtlösung 

Abschließend sollen aus den erstellten Teillösungen Gesamtkonzeptalternativen für das 

Vertikalbohrgerät abgeleitet und bewertet werden. Auf dieser Basis soll ein den Anforderungen 

der Aufgabenstellung gerechtes Gesamtkonzept ausgewählt werden. 


• Verwenden Sie das Formular „Gesamtkonzept“! 

• Erstellen Sie aus den von Ihnen in den vorherigen Aufgabenteilen erarbeiteten Teillösungen 

3 konsistente, unterscheidbare (d.h. in mindestens 2 Teillösungen unterschiedliche) 

Gesamtkonzepte als Stellvertreterlösungen! 

– Verwenden Sie hierzu für jede Teillösung eine von Ihnen erstellte Alternative: Je eine aus 

den Aufgabenteilen 4 und 5 sowie eine Effektkette aus Aufgabenteil 3. Die Alternativen 

können dabei auf den jeweils unterschiedlichen Abstraktionsniveaus in das 

Gesamtkonzept einfließen. Falls Ihnen aus den vorherigen Aufgabenteilen nicht 

ausreichend Teillösungen zur Verfügung stehen, verwenden Sie die Ausgangslösung 

(Abzüge in der Bepunktung). 

– Geben Sie die jeweiligen Nummern der verwendeten Teillösungen an und beschreiben 

Sie die einzelnen Teillösungen stichpunktartig! 

– Charakterisieren Sie die Stellvertreterlösung über eine geeignete Bezeichnung! 

– Begründen Sie kurz Ihre Auswahl der Teillösungen! 




• Bewerten Sie anschließend die von Ihnen erstellten Gesamtkonzeptalternativen nach den 

Kriterien Funktionalität, Zuverlässigkeit/Robustheit und Kosten mithilfe einer einfachen 

Punktbewertung (Skala 1–5)! 

• Begründen Sie kurz Ihre vorgenommene Bewertung! 

• Wählen Sie auf Basis Ihrer Bewertung das umzusetzende Gesamtkonzept aus! 

Stellvertreterlösung 1 – Bezeichnung: 

Teillösung 

A 

Teillösung 

B 

Teillösung 

C 

Teillösungsnummer 

Kurzbeschreibung der 

gewählten Teillösung 

Begründung der Auswahl 



Funktionalität 

Zuverlässigkeit 

/ 

Robustheit 

Kosten 

Summe 

Rang 


Stellvertreterlösung 

1 

Punktwert 

Punktbewertung der Stellvertreterlösungen 

Skala: 1 – 5 

(1: schlechteste Bewertung, 5: beste Bewertung) 


2 

Punktwert 


3 

Punktwert 

Begründung der Bewertung 



Produktentwicklung und Konstruktion – Zeitplan Übung 

1. Anforderungen Mi, 25. April 2012 

2. Funktionen Mi, 2. Mai 2012 

3. Wirkprinzipien Mi, 9. Mai 2012 

4. Wirkkonzepte Mi, 16. Mai 2012 

Viel Erfolg bei 

5. Produktgestalt Mi, 23. Mai 2012 

6. Baumodelle Mi, 30. Mai 2012 

7. Sichere und zuverlässige Produkte Mi, 6. Juni 2012 

der Klausur!! 

8. Gewichtsoptimierte Produkte Mi, 13. Juni 2012 

9. Variantengerechte Produkte Mi, 20. Juni 2012 

10. Prüfungsübung Mi, 4. Juli 2012

Aufgabe 5: Gestaltungsprinzipien - Lehrstuhl für Produktentwicklung ...

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