Konstruktionswettbewerbe

Dieses Jahr feierte der Konstruktions­wett­bewerb am IKFF sein 30-jähriges Jubiläum. Um Platz zu haben, um gebührend feiern zu können war es notwendig, die zahlrei­chen Überbleibsel aus den vergangenen Jahren aufzuräumen. Ein Teil der Überbleibsel sollte maschinell der Reste­verwertung zugeführt werden, wobei die Ab­fälle in die Fraktionen Biomüll, Recycling und Restmüll eingeord­net werden mussten. Die Aufgabenstellung lautete Ziel der diesjährigen Übung zur Konstruktionsmethodik ist es eine Maschine zu entwickeln, die in der Lage ist, eine Sortier-Aufgabe zu erfüllen – oder umgangssprachlich "Alles für die Tonne?".
Der Konstruktionswettbewerb fand am 14. Juli 2023 statt. Auf der Seite mit den Berichten zu allen unseren Wettbewerb en können Sie sich auch von unserem Jubiläumswettbewerb ein paar Eindrücke holen.

Von alle unseren Konstruktionswettbewerben können Sie durch kurze Berichte und den dahinterstehenden Aufgabenstellungen blättern und die studentsichen Lösungen und die Stimmung am Wettkampftag in kleinen Filmen miterleben.

Ziel des Wettbewerbs ist die Animation der Studierenden zur Umsetzung von Konstruktionen, die ansonsten im Bachelorstudium nur in Form eines Zeichnungssatzes bearbeitet werden, in einen selbst zu fertigenden Prototyp. Sehr schnell müssen die meisten Teilnehmer dabei feststellen, dass ihre Konstruktionen zwar auf dem Papier funktionieren, die Umsetzung jedoch sehr stark an die fertigungstechnischen Möglichkeiten gebunden ist. Diese sind im Fall des Wettbewerbs zwar teilweise auf "Bastelmöglichkeiten" beschränkt, aber die Aufgabe ist so gestellt, dass eine technisch aufwendigere Lösung nicht unbedingt zu einem besseren Ergebnis führt. Entscheidend ist immer die Auswahl und Kombination sinnvoller Konstruktionselemente. Es wird den Teilnehmern neben dem technischen Verständnis dabei immer auch Kreativität abverlangt.
Als abschließende Übung in der Ausbildung Konstruktionslehre III/IV (Feinwerktechnik) soll der große Übungskomplex in KL IV übergreifend über den Stoffumfang von KL I bis KL IV den Entwicklungsprozess am Beispiel eines Gerätes verdeutlichen. Beginnend mit der Aufbereitung und Präzisierung der Aufgabenstellung über das Konzipieren von Lösungsprinzipien und deren Strukturen sowie das Entwerfen einzelner Baugruppen und des Gesamtgeräts bis hin zur Ausarbeitung der Fertigungs­unterlagen soll am Beispiel einer Neuentwicklung die Vorgehensweise aufgezeigt und vollzogen werden.
Ein weiterer Punkt, der uns bei diesem Wettbewerb wichtig erscheint, ist die Teamarbeit der Studenten unter eigener Leitung. Schon zu einem frühen Zeitpunkt des Studiums werden die Teilnehmer mit einer Arbeitsweise konfrontiert, die in der Industrie heute im Entwicklungsbereich vorherrscht.

Die ersten Konstruktionswettbewerbe am IKFF wurden als eigenständige und freiwillige Veranstaltung für die Studierenden der Vorlesung Konstruktionslehre III/IV (Feinwerktechnik) angeboten. Die Aufgaben waren damals schon so ausgelegt, dass sie mit dem in den Konstruktionslehrevorlesungen vermittelten Wissen lösbar waren. Aufgrund der regen Resonanz sowohl von Seiten der Studierenden als auch vom Publikum ist der Wettbewerb seit 1996 in die verpflichtenden Übungen zur Konstruktionslehre eingebunden. Verpflichtend für alle Studierenden der Vorlesung Konstruktionslehre IV (Feinwerktechnik) ist dabei die Übung zur Konstruktionsmethodik, die mit der Erstellung der Fertigungunterlagen endet.
Der Bau des Prototyps und die Teilnahme am Wettbewerb, damit also auch der direkte Vergleich mit anderen studentischen Lösungen, sind dann eine freiwillige Weiterführung der Übung.
Etwas erleichtert wird die Entscheidung einen Prototypen zu bauen und am Wettbewerb teil zu nehmen dadurch, dass die teilnehmenden Gruppen im Gegensatz zu den nur an der Übung teilnehmenden Studierenden keinen vollständigen Zeichnungsatz ihrer Lösung erstellen müssen. Zusätzlich zum Prototypen müssen die Teilnehmer aber eine Präsentation ihrer Maschine als Plakat für den Wettbewerbstag zur Information der Zuschauer erstellen.

Als Aufgabenstellung wird bewusst eine zunächst einfache, im Vergleich zu kommerziellen Erzeugnissen geradezu primitiv anmutende Problemstellung gewählt, um einerseits den Schwerpunkt der Übungsdurchführung auf konstruktionsmethodische Themen und Kreativitätstechniken legen zu können, andererseits eine eigenständige Realisierung der gefundenen Lösung im Rahmen eines Wettbewerbs zu ermöglichen.

Die Bearbeitung setzt bei der vorgegebenen Aufgabe an. Vorgelagerte Phasen der Produktplanung und Aufgabenfindung bleiben aus Zeitgründen unberücksichtigt.

1. Etappe: Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung (informative Festlegung des Gerätes)
Ausgehend von der vorgegebenen Aufgabenstellung soll eine Anforderungsliste (Pflichten- oder Lastenheft) erstellt werden. Zu beachten sind dabei:

• Forderungen an das Erzeugnis und dessen Funktion (Festforderungen, Leistungsdaten, Mindestforderungen, Wünsche, Prioritäten, ...).
• Nebenbedingungen (Stückzahl, Fertigungsverfahren und -möglichkeiten, Lebensdauer, Kostenrahmen, ...).

2. Etappe: Konzipieren von Lösungsprinzipien (prinzipielle Festlegung des Gerätes)
Durch Abstrahieren auf wesentliche zu lösende Probleme auf funktionaler Ebene soll eine Funktionsstruktur (technisches Prinzip) für das Gerät abge­leitet und durch Aufgliedern in Teilfunktionen niedrigerer Komplexität eine getrennt bearbeitbare Aufgliederung und Abgrenzung angestrebt werden.
Für die abgeleiteten Teilfunktionen ist nach physikalischen Wirkprinzipien (Effek­ten, Effektlösungsprinzipien) zu suchen. Neben dem physikalischen Effekt sind dabei bereits wesentliche geometrische und stoffliche Merkmale mit einzubeziehen. Oft liegt für bestimmte Effekte die Gestalt auch sofort fest. Prinzipskizzen sollen die Lösungsansätze beschreiben. Eine zu frühzeitige Einschränkung auf ein Wirkprinzip sollte vermieden werden, stattdessen ist eine breite Lösungssuche anzu­streben. Die einzelnen Wirkprinzipien für Teilfunktionen sollen zu einer Gesamtlösung kom­biniert, bewertet, ausgewählt und konkretisiert werden.
Ergebnis sollen ein oder auch zwei Konzepte zur Prinziplösung bilden, die eine qualitative und auch grobe quantitative Konkretisierung der wichtigsten Eigen­schaften (einschließlich Baustruktur und geometrisch-stofflicher Merkmale) in Skiz­zenform enthalten.
Orientierende Berechnungen, Abschätzung der technologischen Möglichkeiten und bei Unsicherheiten auch Vorversuche zur Realisierung einzelner Teilfunktionen als Labormuster runden die Lösung ab.
Das in der Gruppe abgestimmte Konzept sollte für das Entwerfen bewusst frei­gegeben werden.

Problemlösungsmethoden:
Die Studierenden sollen bewusst intuitive (einfallsbetonte) und diskursive (zielbewusste) Problem­lösungsmethoden kombiniert einsetzen.
Zu empfehlen ist beispielsweise ein Brainstorming in der Gruppe, um vor­urteilslos ohne Kritik Ideen zur Lösung von Teilfunktionen zu entwickeln, oder auch die sog. Methode 635, bei der 6 Teilnehmer individuell 3 Lösungen erarbeiten, die durch die restlichen 5 Teilnehmer danach ausgebaut werden. Die Teillösungen sollen dabei getrennt davon später analysiert und bewertet werden. Ebenso ist eine systematische Ideen­suche über einen so genannten morphologischen Kasten denkbar, jedoch auf­wendig. Gegebenenfalls helfen auch Konstruktionskataloge bei häufig auftretenden Problemen.
In dieser Etappe sollte zunächst eine Variantenvielfalt entstehen, die aber dann durch Bewertung auf einen oder zwei Lösungsansätze einzuschränken ist.

3. Etappe: Entwerfen und Gestalten der Lösung (gestalterische Festlegung des Gerätes)
Ausgehend von den wesentlichen Anforderungen ist zunächst für die gewählte Prinziplösung die räumliche Anordnung und Gestaltung von Hauptfunktionsträgern festzulegen und anschließend schrittweise zur Feingestaltung unter Berück­sichtigung von Nebenfunktionen überzugehen.
Am Ende sollte ein Gesamtentwurf stehen, der hinsichtlich Schwachstellen noch­mals zu überprüfen und zu optimieren ist. Zu berücksichtigen sind bei der gestalterischen Festlegung beispielsweise Werkstoff, Fertigungsverfahren, Kosten, Montage, Bedienbarkeit und dergleichen.
Hier erfolgt der Übergang vom Qualitativen zum Quantitativen, vom Abstrakten zum Konkreten, von der Grobgestalt zur Feingestalt. Die Vielzahl praxisrelevanter Gestaltungsprinzipien schränkt sich wegen der vorgegebenen einfachen Aufgaben­stellung und dem einmaligen Einsatz jedoch stark ein.

4. Etappe: Ausarbeitung von Zeichnungssatz und Produktdokumentation (herstellungstechnische Festlegung)
Ausgehend vom Gesamtentwurf erfolgt hier die detaillierte Festlegung aller her­stellungsrelevanten Einzelheiten in Form eines Zeichnungssatzes mit Stückliste und weiteren nötigen Ausarbeitungen (Anleitungen, Beschreibungen, Kostenrechnungen und dergleichen). Form, Abmessungen, Oberflächen, Herstellungsverfahren und anderes werden hier­bei endgültig festgelegt