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Open Access
Definition und Abgrenzung hybrider, intelligenter Konstruktionselemente
(2011) Keller, Alexander; Binz, Hansgeorg
Ein Konstruktionselement verhält sich seinen konstituierenden Merkmal-Wert-Kombinationen entsprechend. Sie begründen seine Eigenschaften. Als Voraussetzung für Intelligenz gilt in der Literatur, dass ein System Aktoren, Sensoren und Regler umfasst, teilweise noch ergänzt um eine selbständige Energieversorgung. Intelligenz führt zu einer situationsbezogenen und/oder zielgerichteten Eigenschaftsveränderung, d.h. Anpassung. Angelehnt an die Adaptronik werden der Vorgang Anpassung und der Zustand Angepasstheit unterschieden. Für das Verständnis von HIKE sind beide losgelöst vom biologisch geprägten, am Menschen orientierten Verständnis von Intelligenz zu verstehen. Ein Konstruktionselement ist angepasst, wenn eine oder mehrere Eigenschaften in Abhängigkeit von seinem Umfeld und dessen Veränderungen zielorientiert auf ein günstigeres Verhalten bereits während der Konstruktion hin angepasst wurden („intelligent zugeschnittene Konstruktionen“) oder während der späteren Lebenszyklusphasen angepasst werden können. Dies führt beim Konstruieren zu zwei wesentlichen Fragen: Hinsichtlich welcher Gesichtspunkte ist eine Anpassung erforderlich? Und wie kann das im Vergleich günstigere Verhalten bestimmt werden? Eine primäre Angepasstheit (passive Adaptivität) liegt aus makroskopischer Sicht vor, wenn ein Konstruktionselement grundsätzlich für alle relevanten Umweltbedingungen seines Einsatzbereichs in technisch sinnvollem Umfang geeignet ist. Primäre Angepasstheit bedeutet, dass ein Konstruktionselement an seine Umwelt langfristig angepasst ist. Die Angepasstheit ist Ergebnis des Konstruktionsprozesses sowie der nachgelagerten Prozesse der Produktentstehung und -nutzung. Sie stellt eine Verträglichkeit (vgl. Design-for-X Ansätze) des Eigenschaftskollektivs des Konstruktionselements mit den langfristigen, aggregierten Eigenschaften der Umwelt des Elements dar. Eine sekundäre Angepasstheit (reaktive Adaptivität) liegt aus mikroskopischer Sicht vor, wenn ein Konstruktionselement in technisch sinnvollem Umfang an relevante vor-übergehende Umweltzustände und deren kurzfristige Änderungen anpassungsfähig ist. Anpassungsfähigkeit ist die Möglichkeit durch Eigenschaftsänderung zu reagieren. Reagieren zu können setzt einen Regelkreis voraus. Mit anderen Worten ist Anpassungsfähigkeit unmittelbar eine aus dem Konstruktionsprozess folgende Eigenschaft, die mittelbar die Anpassung (einen Anpassungsprozess) während der auf die Konstruktion folgenden Phasen des Produktlebenszyklus‘ ermöglicht, insbesondere in der Nutzungsphase des Konstruktionselements. Diese Form der Anpassung setzt voraus, dass das Konstruktionselement, das umgebende System und die Umwelt hinsichtlich der folgenden Aspekte übereinstimmen oder verträglich sind: • kurzfristige Anpassungsmöglichkeiten des Konstruktionselements • veränderliche Umwelteigenschaften/-zustände • veränderliche Systemeigenschaften/-zustände Die Veränderungen der Umwelt können kurz- oder langfristig sein, in Folge dessen reversibel oder irreversibel. Sie sind im Konstruktionsprozess als Annahmen unter Umständen nur statistisch erfassbar. Ein angepasstes Konstruktionselement kann sowohl passiv als auch aktiv sein. Nur angepasste aktive Konstruktionselemente sind anpassungsfähig im Rahmen der durch die konstruktive Angepasstheit vorgegebenen, möglichen Zustände. Das heißt, die primäre Angepasstheit ist Voraussetzung für die sekundäre Angepasstheit. Hybride, intelligente Konstruktionselemente (HIKE) sind technische Gebilde mit einer auf Basis der Gestaltelemente niedrigen bis mittleren Komplexität. Sie besitzen eine hohe Komplexität hinsichtlich der Aspekte, welche die Hybridität verursachen. Sie sind hybrid hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale wie zum Beispiel Werkstoff, Fertigungstechnologie, Rolle im Regelkreis oder strukturellen (Werkstoff-)Eigenschaften. HIKE sind entweder unmittelbar aus sich selbst heraus (intrinsisch) oder von außen (extrinsisch) regel- oder steuerbar oder tragen mittelbar durch sensorische, aktorische oder regelnde Eigenschaften zur Regel-/Steuerbarkeit des sie umgebenden Systems bei. Sie sind somit entweder selbst sekundär angepasst oder unterstützen die sekundäre Angepasstheit des sie umgebenden Systems. Während des Konstruierens mit HIKE werden sie nicht mehr wesentlich verändert. Sie sind einem konstruktionsrelevanten Verhalten, z. B. den Elementen und Größen eines Regelkreises, zugeordnet. HIKE unterscheidet die beschriebene Hybridität und Intelligenz von herkömmlichen Konstruktionselementen. Ein HIKE kann, wenn es die entsprechenden Eigenschaften aufweist, ein adaptronisches System sein. Ein HIKE kann auch in mechatronischen Systemen eingesetzt werden. In der Regel wird es aber alleinstehend kein mechatronisches System bilden. Die untersuchten HIKE erzielen die Hybridität in so, dass eine zerstörungsfreie Trennung der Regelkreiselemente nicht möglich ist.
Open Access
Systematisches Erschließen der Merkmale technischer Systeme am Beispiel der Grundlagen des Konstruierens von und mit hybriden, intelligenten Konstruktionselementen
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2016) Keller, Alexander; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Eine systematische Darstellung technischer Systeme, insbesondere von Konstruktionselementen, und ihrer Merkmale in einem einheitlichen Rahmen und mit Bezug zu konstruktionsmethodischen Methoden, Werkzeugen oder Hilfsmitteln ist bisher nicht verfügbar. Eine allgemeine Vorgehensweise, um in der Entwicklung befindliche technische Systeme verschiedener Disziplinen in dieser Weise darzustellen, fehlt ebenfalls. Diese Arbeit beschreibt, wie die Merkmale technischer Systeme ausgewählter Disziplinen der konstruktiven Ingenieurwissenschaften systematisch erschlossen werden können. Der Ansatz zum Erschließen der Merkmale ist angelehnt an die Phasen I und II des Konstruktionsprozess nach VDI 2221. Dies wird am Beispiel der hybrider, intelligenter Konstruktionselemente (HIKE) während ihrer fortschreitenden Entwicklung gezeigt. Diese Beschreibung ist kompatibel mit bewährten Konstruktionsprozessen, Methoden, Werkzeugen und Hilfsmitteln. Sie berücksichtigt insbesondere konstruktionstheoretische Ansätze zur Darstellung von Merkmalen und Eigenschaften. Die Vorgehensweise zum Erschließen der Merkmale technischer Systeme hat zum Ziel, Informationen über technische Systeme mit Bezug zu einem Konstruktionsprozess für eine Darstellung angelehnt an Pahl et al. bereitzustellen. Die Informationen werden durch folgende Gesichtspunkte gegliedert: Das System wird bildlich dargestellt (a) und die generelle Wirkung angegeben (b). Mit der Funktionsstruktur (c), der Elementarfunktion (d) und der Aufgabe im Regelkreis (e) wird die Funktionalität des Systems beschrieben. Die Effektträger (f), Oberflächenmerkmale (g) und Gestaltelemente (h) greifen die Gestalt des Systems auf. Wirkstruktur (i) und Wirkprinzipien (j) konkretisieren die Funktionserfüllung. Im Elementmodell (k) werden Funktion und Gestalt in Bezug gesetzt. Die Ergänzung der Hauptmerkmalliste (l) fasst systemspezifische Merkmale zusammen. Die Punkte (b) - (l) werden direkt durch die Vorgehensweise adressiert. Die Bauformen (m) stellen den Bezug zu Ausführungsvarianten her. Gestaltungsrichtlinien (n) sowie Methoden, Hilfsmittel und Werkzeuge (o) beziehen sich auf den Zusammenhang zwischen Konstruktionsprozess und System. Einzelnachweise (p) verweisen auf (weiterführende) Quellen. Die Punkte (m) - (p) werden nicht direkt durch die Vorgehensweise adressiert. Sie zielt auf die Systembeschreibung ab, nicht auf die Beschreibung des Konstruktionsprozesses. Aus den Punkten (a) - (l) können jedoch Informationen für diesen Zweck aufgegriffen werden. Die generelle Wirkung beschreibt den Nutzen eines Systems. Die Funktionsstruktur zeigt die Teilfunktionen auf. Ausgehend von einer bildlichen Darstellung des Systems werden die Teilsysteme in Schritt erkannt. Das System wird nach Koller auf Gestaltelemente und weitere Beschreibungskriterien hin analysiert. Die Wirkelemente WE und die Wirkelementpaare WEP werden bestimmt. Teilfunktionen und Effekte werden einander zugeordnet und Teilfunktionen sowie Teilsysteme werden in Bezug gesetzt. Die Grenzelemente GE sowie die Strukturelemente SE werden bestimmt. Weiterhin werden die Wirkprinzipien beschrieben. Sie ermöglichen, die WEP sowie die Leitstützstruktur zu beschreiben. Teilsysteme und WE, GE sowie SE werden einander zugeordnet. Somit kann den Teilfunktionen ein Ort der Funktionsumsetzung zugeordnet werden. Mit den Wirkprinzipien wird die Wirkstruktur aufgestellt. Schließlich wird das Elementmodell erstellt. Die so identifizierten Merkmale ergänzen eine allgemeine Hauptmerkmalliste z. B. nach Pahl et al.. Die Ergebnisse werden schließlich zusammengefasst und in erweiterter Form angelehnt an Pahl et al. gegliedert.